Technasium Over 50 jaar zeggen onderwijshistorici: “De sufferds, ze hadden niks in de gaten. Ze zagen het niet, de revolutie in 2005.”
INHOUD JUNI 2005 VAKWERK
302
Jef Colle en Frans van Liempt Ervaringen met een elektronische leeromgeving Een bespreking van een ANW-module over kosmische straling.
313
Marion de Ridder Technisch ontwerpen: een verslavend vervolgverhaal De blijde Na het grote succes van de muizenvalauto staat het ontwerpen van de blijde, het middeleeuwse wapen, als opdracht op het lesprogramma.
316
Marco Metselaar De chemie van azijn Dit artikel gaat in op de azijnzuurbrouwerij en bevat enkele proeven met natuurazijn.
320
Jan de Gruijter Effectief scheikundeonderwijs: leren onderzoeken Een bespreking van de resultaten van het promotieonderzoek van Lisette Rens. Hoe ‘leren onderzoeken’ effectief scheikundeonderwijs wordt.
VERDER IN DIT NUMMER: 283 Art Alblas en Jan Broertjes Betekenisvol leren, wat is dat? (2) De auteurs gaan in dit nummer nader in op de tweede hoofdcategorie, de exemplariciteit.
307 Ilona Hangyi en Jan van Driel Met leerlingen naar Topmodellen in Onderzoek en Onderwijs Een verslag van het bezoek van een 4-havo groep aan deze expositie. NASCHOLINGSBIJLAGE
285 Henny Kramers-Pals TIMSS: op zoek naar de trends in het onderwijs van de exacte vakken Een interview met de onderzoekers die TIMSS in 2003 hebben uitgevoerd. 287 Gerard Doornekamp en Martina Meelissen Natuuronderwijs en science: een blinde vlek of een bewuste keuze? Nadere bestudering van de TIMSS-resultaten leidt tot de vraag of het natuuronderwijs en science wel voldoende aandacht krijgen in het Nederlandse onderwijs. 292 Herman Awater Resultaten van Hisparc in Nijmegen In het kader van het programma ‘Leraar in onderzoek’ van het NWO werd onderzoek uitgevoerd naar de detectie van kosmische straling. 298 Linus H.W. van der Plas Van ATP-ase tot Z-schema: suiker uit koolzuur, de supertruuk van de groene plant In de derde aflevering de zgn.‘donkerreacties’ die zorgen voor de productie van suiker.
RUBRIEKEN 295 Marjo Haarsma 296 Bob Lefeber 297 Louis Mathot, Hubert Biezeveld 304 Anneke Thurlings 310 Jan Theo Boer 318 Marjan Bruinvels 319 Meta Geerts en Gerard Stout 322 Jan Theo Boer 323 Marianne Offereins
Puzzel Mijn eerste jaar (6) Smaakmakers (6) Speelgoed Interview Biologie en poëzie De digitale tuin (7) Vraagje bio Vrouwenminiatuur: W.S.S. van der FeenVan Benthem Jutting
ALGEMEEN GEDEELTE 327 Opinie 327 Vereniging 329 Scholing
330 Recensies 335 Media 337 Mededelingen
Het bestuur van de NVON en de redactie van NVOX
305 Hans Bouma Topmodellen in Onderzoek en Onderwijs Een gesprek met de inrichtster van deze tentoonstelling in Museum Boerhaave.
wensen u een fijne vakantie toe
Citaat “Minister Van der Hoeven heeft Onderzoek en Ontwerpen erkend als nieuw examenvak voor het technasium. De erkenning betekent dat de vijf Groninger technasiumscholen op 1 augustus 2005 kunnen starten met de eerste technasiumklassen in de bovenbouw van vwo en havo. … Onderzoek en Ontwerpen bestaat uit omvangrijke projectopdrachten die zijn geënt op de praktijk in de moderne wereld van bètaen technische beroepen. Onderzoek en Ontwerpen wordt afgerond in het schoolexamen, met een meesterproef en een portfolio. Het nieuwe examenvak komt op het technasium in de plaats van ANW en het in het vrije deel te kiezen examenvak.” Zie www.technasium.nl. Jaren-, decennialang kon mijn schoolleider uitleggen dat hij er ook niks aan kon doen. Niets kon, niets mocht. Het was de schuld van Den Haag. Mijn rector was een groot notalezer. Toen kwam er lucht: de lump sum-regeling, soepeler bouwvoorschriften voor scholen en andere zaken die alleen rectoren begrijpen. Af en toe werden de teugels weer aangetrokken, zoals met de profielen. Vorig jaar kwam er meer vrijheid. Voor de nieuwe basisvorming bleek te gelden: doe wat je wilt. Kort geleden kregen de vmbo’s ruimte om hun onderwijs anders in te richten. Leve Maria! Het veld mag zelf vakken ontwikkelen en invoeren. Ik wist het en ik wist dat het nooit zou gebeuren. Maar kijk, het is wel gebeurd. Daar is de baby: Onderzoek en Ontwerpen. De sensatie is (1) dat het een vak in de bovenbouw is, (2) dat het bestaande vakken vervangt in het eindexamen en (3) dat de minister het goed vindt. Het gaat eindelijk, EINDELIJK, niet over HOE geleerd wordt, niet over roosters, niet over groepsgrootte, niet over zelfstandig leren. Het gaat hier over WAT geleerd wordt. Onderwijsinhoud wordt gewijzigd door het veld op examenniveau. Fantastisch. Of het wat is, dat Onderzoeken en Ontwerpen? Ik weet het niet. Is het niet zielig voor ANW? Tja. Wat is het volgende vak? Business administration natuurlijk, ten koste van economie. Dat wordt straks gedoceerd op econasia in Rotterdam.
[email protected] JUNI 2005 | NVOX | 281
Jef Colle1 Frans van Liempt2 1Het Amsterdams 2Vrije
Lyceum Universiteit
Ervaringen met een elektronische leeromgeving ANW-module over kosmische straling Artist impression van een airshower.
Ook geen toeval was dat Jef Colle ging werken met een elektronische leeromgeving. Voor het vak informatica had hij eerder al gebruik gemaakt van ondersteuning door een website. Maar daarin kun je geen ruimte maken om leerlingen te laten samenwerken en ze kunnen daarin geen bestanden uploaden. Jef Colle koos daarom een open source ELO waarin dat wel kon. “Als een ELO geïnstalleerd is, kan iedere docent er in een paar middagen mee leren werken. Leerlingen al binnen twee uur. Uiteindelijk kan de hele school op de ELO.”
Aan Het Amsterdams Lyceum werken leerlingen voor ANW tegenwoordig binnen een ELO1 (elektronische leeromgeving). Het begon met een module voor 5-havo over kosmische straling, daarna volgden andere onderwerpen zoals de geschiedenis van de landbouw. De leerlingen en de docent hebben plezier in de manier van werken. Wel leert de ervaring dat zonder continue assessment het succes minder groot was geweest. Maar een ELO biedt juist voor zo’n regelmatige begeleiding goede mogelijkheden. “Het contact met de leerlingen is zelfs intensiever dan voorheen.”
.. iedere leerling moet kunnen vertellen waar die detector op het dak voor is .. De keuze voor kosmische straling als onderwerp voor ANW was niet helemaal toevallig. Het Amsterdams Lyceum was immers een van de eerste scholen die toetrad tot HiSPARC-Amsterdam2. Samen met zes andere scholen, de VU en het NIKHEF3 is vanaf 2002 in Amsterdam gebouwd aan een netwerk van detectoren waarmee kosmische straling met extreem hoge energie4 kan worden waargenomen. “Op het Amsterdams Lyceum vonden we dat iedere leerling die de school verlaat, moet kunnen vertellen waar die detector op het dak voor dient. Daarom koos ik ervoor dit onderwerp bij ANW te behandelen”, vertelt Jef Colle, die naast ANW ook informatica en natuurkunde geeft.
HiSPARC team Amsterdams Lyceum 2004.
302 | NVOX | JUNI 2005
Openingspagina ELO.
Hoe is deze ELO opgebouwd? Een leerling die via een website op de ELO komt, kan op verschillende manieren verder. 1. Er is een algemeen gedeelte dat voor alle deelnemers toegankelijk is. Daarin staan mededelingen, een agenda, de algemene documenten en er is een forum waar iedereen op elkaar kan reageren. De docent plaatst hier documentatie die bij zijn colleges hoort, zoals de gebruikte PowerPoint presentaties. Bij het onderwerp kosmische straling waren dit ook documenten over subatomaire natuurkunde en de structuur en de geschiedenis van het heelal. En over E=mc2, energiebehoud, botsingen en andere begrippen die nodig zijn om het HiSPARC-onderzoek te begrijpen. In dit algemeen gedeelte is ook een studentenruimte aanwezig. Hier zetten de leerlingen hun presentaties als die klaar zijn om door iedereen te worden gezien en beoordeeld. 2. Minder openbaar is de ruimte voor de groepen. Dit is de projectruimte, die vooral een rol speelt als de leerlingen samen met een project bezig zijn. Elk groepje leerlingen krijgt hier een aparte ruimte om documenten te plaatsen en met elkaar te
Marion de Ridder
Ruim twee jaar geleden maakten de leerlingen van onze voorexamenklassen havo en vwo voor het eerst een muizenvalauto als praktische opdracht1,2. De
SG Spieringshoek
gevolgen waren overweldigend: de leerlingen werkten met groot enthousiasme aan de opdracht, de muizenvalrace na afloop trok een groot publiek en we kregen veel positieve reacties van leerlingen en collega’s. Dus namen mijn collega, Josselyn van Dijk, en ik ons voor om elk jaar een nieuwe opdracht te introduceren. Vorig jaar was dat de waterraket3 en dit jaar de blijde. Deze opdrachten blijken erg goed aan te slaan. Leerlingen uit onderbouwklassen vragen nu regelmatig wanneer zij deze opdrachten mogen gaan uitvoeren. En leerlingen uit bovenbouwklassen gaan steeds vaker zelf opdrachten voor het profielwerkstuk bedenken waarbij ze een technisch ontwerp maken4. Ze zien een andere, inspirerende kant van de bètawetenschappen, waarbij ze zelfstandig technische problemen oplossen. Dat en het plezier dat mijn leerlingen en ik beleven aan de opdrachten zijn voor mij goede redenen om hiermee door te gaan.
Technisch ontwerpen: een verslavend vervolgverhaal De blijde De opdracht Een blijde is een middeleeuws wapen, een soort katapult. Op het ene uiteinde van de werparm wordt het weg te schieten voorwerp geplaatst. Het andere uiteinde zit vast tussen twee in elkaar gedraaide touwen. De torsiekracht van deze touwen zorgt voor de beweging van de werparm, waardoor het voorwerp wordt weggeschoten. In de figuur is een simpele, schematische voorstelling van de blijde gegeven, zoals de leerlingen hem gebouwd hebben. Meer informatie met voorbeelden is ruimschoots te vinden op internet5. De leerlingen krijgen de opdracht om in tweetallen een blijde te ontwerpen, waarbij zo veel mogelijk gebruik wordt gemaakt van de principes die in de middeleeuwse blijdes werden toegepast. Verder moet de blijde voldoen aan de volgende eisen: • het ontwerp schiet een zandzak van 1,0 kg weg in een aangegeven richting
Figuur 2. De blijde van Joost en Vincent. • het ontwerp past binnen een vierkant van 1,0 m bij 1,0 m • de arm van de blijde mag wel uitsteken en is maximaal 1,5 m lang • de zandzak wordt minimaal 2,0 m weggeschoten • het ontwerp moet door maximaal 2 personen te verplaatsen zijn.
Figuur 1. Schematische tekening van een blijde.
De laatste eis moet er voor zorgen dat de blijde door de leerlingen zelf naar school en naar de plaats waar we de projectielen afschieten te brengen is. JUNI 2005 | NVOX | 313
Marco Metselaar
In de scheikundelessen wordt beperkt aandacht besteed aan de chemische industrie. In de examenklas worden de hoogovens en de petrochemische
Fons Vitae Lyceum Amsterdam
industrie behandeld, maar er zijn veel andere die ook zeer interessant zijn, zoals de glasindustrie, de verfindustrie en de voedingsindustrie. Dit artikel gaat in op de processen in een azijnbrouwerij. Het bevat ook enkele proeven met natuurazijn. Azijn is goedkoop, overal verkrijgbaar en niet schadelijk.
De chemie van azijn Het is al weer jaren geleden dat een goede vriend uit Polen op bezoek was. Tijdens het eten wilde hij graag tafelazijn. Door zijn gebrekkige Engels schreef hij de formule op een servet: CH3COOH. Ik wist direct dat hij azijn bedoelde. Azijn is al duizenden jaren bekend. Azijn wordt met name gebruikt voor het bereiden en conserveren van spijzen, maar ook als opwekkend middel en conserveringsmiddel. In de oudheid werden wonden gekoeld en ontsmet met azijn. Pas in 1837 werd bewezen dat bij de productie van azijn levende organismen betrokken waren. Tegenwoordig wordt azijn nog steeds bereid door gisting. In dit artikel wordt verder uitsluitend ingegaan op natuurlijke bereiding (gisting) via een batchproces. We spreken dan van natuurazijn, in plaats van azijnzuur. In de Nederlandse wetgeving is vastgelegd dat azijn – die gebruikt wordt in de voedselindustrie – alleen via de natuurlijke weg verkregen mag worden. De bereiding van natuurazijn heeft in de loop der tijd een grote ontwikkeling meegemaakt. Zo werd azijn vroeger bereid in kleine vaten waarbij de bacterieflora zich op houtspaanders, houtskool, houtwol of cokes vasthechtte. Na enkele dagen was een kleine hoeveelheid azijn het resultaat. Vandaag de dag gaat het proces sneller en vindt het proces op grote schaal plaats. Als azijn op een natuurlijke manier wordt bereid, is ethanol (96%) een belangrijke grondstof. Ethanol wordt verkregen door suiker te laten gisten. In Nederland wordt de suiker voornamelijk gewonnen uit suikerbieten. De ethanol wordt gedenatureerd met een kleine hoeveelheid azijn. Vervolgens zetten bacteriën die obligaat aëroob zijn, het ethanol om in azijn. Dit is hetzelfde proces als de verzuring van wijn, echter worden bij de bereiding van azijn speciaal gekweekte bacteriestammen gebruikt. Deze stammen – die speciaal in Duitsland gekweekt worden – zijn als het ware extra actief als het gaat om omzetting van ethanol in azijn. De bacteriën zijn van het geslacht Acetobacter. Je kunt bij natuurazijn spreken van een dubbelgistingsproduct. De volgende exotherme reactie treedt op als de bacteriën ethanol omzetten: C2H5OH (l) + O2 (g) ➞ CH3COOH (aq) + H2O (l).
Een acetator bij De Burg in Heerhugowaard. In de acetator bevindt zich een mengsel van water, ethanol, voeding, bacteriestammen en lucht. 316 | NVOX | JUNI 2005
Dit is een onvolledige verbranding. Het azijnzuur wordt niet verder afgebroken doordat de bacteriën de enzymen daarvoor missen. Omdat er grote hoeveelheden azijn bereid worden, worden grote tanks gebruikt, die acetatoren genoemd worden. In een acetator wordt ook lucht en water toegevoegd. De lucht wordt door middel van een beluchter van buitenaf aangezogen en door de vloeistof verspreid in de vorm van zeer kleine belletjes. Het water is gezuiverd door middel van UV-straling. Dit om bederf van het proces water tegen te gaan. De temperatuur in de acetator schommelt tussen 29,5 oC en 30 oC. De temperatuur zou drastisch oplopen als er niet zou worden gekoeld. De koeling gebeurt door middel van een koelspiraal. De damp wordt afgekoeld door middel van een condensor, waardoor nog wat alcohol teruggewonnen wordt. Het percentage azijn wordt bepaald via de dichtheid. Omdat het een natuurlijk proces betreft, varieert de tijd die het mengsel azijn/water en bacteriën in de acetator doorbrengt. Het proces duurt tussen 24 en 36 uur. Na verloop van tijd wordt 3/5 deel van het mengsel uit de acetator gehaald en wordt deze weer aangevuld met ethanol en water. In natuurazijn bevindt zich altijd een kleine rest ethanol, zo ongeveer 0,08%. De azijn die nu bereid is, wordt gefiltreerd en eventueel verdund. In Nederland is een concentratie van 4% standaard, maar in andere landen kan dat nogal variëren. Omdat azijn vaak als conserveringsmiddel gebruikt wordt, zie je de tendens dat de concentratie van azijn stijgt naarmate je zuidelijker in Europa komt (warmer klimaat). Zo hebben Duitsland en Frankrijk een hoger percentage azijn in natuurazijn dan Nederland. Tegenwoordig tracht men het percentage azijn zo hoog mogelijk te maken om na export de azijn te kunnen verdunnen.
Flessen met natuurazijn uit verschillende landen.
Het meest wordt azijn gebruikt voor de bereiding en conservering van voedsel. Zo is azijn een grondstof voor veel andere producten, zoals mayonaise en mosterd. Bovendien wordt azijn gebruikt voor het inmaken van uitjes en augurken.
Jan de Gruijter
Lisette van Rens, jaren docent scheikunde in het voortgezet onderwijs en vervolgens onderzoekster bij het Onderwijscentrum van de VU, heeft in haar
Fontys Lerarenopleiding Tilburg
dissertatie beschreven op welke wijze ‘leren onderzoeken’ effectief scheikundeonderwijs wordt. Zij heeft meerdere onderzoekjes met een omvang van 2 à 3 lessen ontworpen, en in nauw overleg met de docenten bijgesteld. Vervolgens zijn de onderzoekjes opnieuw uitgeprobeerd. Op grond hiervan heeft zij een model opgesteld voor het ontwerpen van scheikundeonderwijs. Verder komt ze tot een lijst van criteria waaraan een goed onderzoeksontwerp moet voldoen. De resultaten zijn in haar uitermate duidelijk verwoorde proefschrift weergegeven. Fijn dat er ook onderzoek wordt gedaan waar de gewone docent in de klas wat aan heeft!
Effectief scheikundeonderwijs: leren onderzoeken Het onderzoek naar mineraalwater is een prachtig voorbeeld; zie kader.
Inleiding “Mevrouw, wat moeten wij nou gaan doen?” Twee jongens van havo-4 kijken me smekend aan. Je hoort ze denken: “Geef ons maar een opdracht.” Daar zijn we mee vertrouwd en dat kunnen we aan. Ik eigenlijk ook: “Waarom moest ik zo nodig met deze klas gaan onderzoeken? Leuk modern meedoen, maar een goede opdracht, ho maar. O ja, sommige leerlingen zijn heel goed bezig en die komen stellig met prima resultaten, maar goede leerlingen redden zich altijd wel, ook ondanks mijn onderwijs. Tjonge, jonge, wat denk ik weer eens negatief over mezelf.” Kent u ook zo’n situatie? Als ik nou goede onderzoeksopdrachten had, ja, dan zou het beter gaan.
De onderzoeksopdrachten Laten we eerst maar eens kijken naar de onderwerpen die uit het onderzoek van Van Rens zijn gekomen. Geen hoogdravende onderzoeken, maar haalbare, interessante onderzoeksopdrachten, zie tabel 1. Tabel 1. De acht ontworpen onderzoeksopdrachten. Onderzoeksopdrachten
Klas
Welke ionen kun je aantonen in mineraalwater?
4
V
Het beste droogmiddel uit vier stoffen
4
V
Het schuimen van nieuwe en oude zeep
4
V
Het goedkoopste middel dat maagzuur neutraliseert
4
V
Samenstelling zwart-op-wit dropje
5
V
Relatie tandbederf en fluoride-ionen
5
V
Met welke snelheid bewegen ionen?
5,6 V
Achterhaal de samenstelling van wc-eend
6
V
Deze onderzoeksopdrachten zijn na het uitproberen bijgesteld. Op grond van de ervaringen zijn nieuwe, aanvullende criteria opgesteld, waaraan een bruikbaar onderzoek moet voldoen, willen leerlingen daar met plezier aan werken en wil het leerresultaat ook effectief zijn.
320 | NVOX | JUNI 2005
Mineraalwater Er zijn verschillende soorten mineraalwater te koop. In mineraalwater zitten ‘mineralen’. ‘Mineralen’ zijn in dit verband positieve en negatieve ionen. Iedere soort mineraalwater heeft een bepaalde samenstelling van positieve en negatieve ionen. Je gaat mineraalwater onderzoeken. Hiertoe oriënteer je je eerst individueel op het onderzoeksprobleem. Vervolgens maak je in groepjes van twee een werkplan. Voer het plan uit en schrijf na afloop individueel een verslag. Oriëntatie op het onderzoeksprobleem Ga in de supermarkt na welke ionsoorten aanwezig zijn in diverse soorten mineraalwater. Maak hiervan voor iedere soort mineraalwater een lijstje. Als je weet welke ionsoorten wel aanwezig zijn, doe dan een voorspelling over de ionen die niet aanwezig kunnen zijn. Onderzoeksvraag Welke ionen zijn aanwezig in het mineraalwater dat in de klas wordt uitgedeeld? Werkplan maken Ontwerp in deze les…. enzovoort. Verslag schrijven Wat moet er in het verslag…. enzovoort.
Wat vinden de leerlingen? Ziet u het al voor u: leerlingen als onderzoekers binnen een nagebootste ‘onderzoeksgemeenschap’? In teams werken ze aan hetzelfde onderzoeksprobleem. Ze stellen zelf onderzoeksvragen, ze voeren onderzoek uit en evalueren samen met hun medeonderzoekers hun resultaten. Het kan niet anders dan ideaal zijn. Of toch….
