Techniek in het leergebied mens en natuur

Techniek in het leergebied mens en natuur Verslag van een lezing op de VeDoTechconferentie 2003 Cor de Beurs AMSTEL Instituut Universiteit van Amsterdam ([email protected] ) Inleiding De discussie rond de vernieuwing van het bètaonderwijs concentreert zich de laatste tijd op het thema vakkenintegratie en samenhang. Er wordt nagedacht over een leergebied “mens en natuur” , waarin naast de natuurwetenschappelijke vakken ook techniek een plaats zou moeten krijgen. Belangrijk hierbij is dat er niet alleen aandacht is voor inhoudelijke afstemming, maar ook voor verschillen in oriëntatie en werkwijzen van betrokken disciplines. Natuurwetenschappers onderzoeken de natuur en technici ontwikkelen producten. In de bètavakken maken Ontwerp een zonnewagen die zo snel leerlingen via onderzoeksactiviteiten kennis met de werkwijzen mogelijk kan rijden. van natuurwetenschappers. ‘Leren ontwerpen’ is bedoeld om ze ook zicht te geven op de werkwijzen van technici. In het project Techniek 15+1 is hiermee in de tweede fase ervaring opgedaan. In het vervolgproject Technologie&Samenleving2 wordt sinds september 2003 ook ontwerponderwijs ontwikkeld voor natuurwetenschappen en techniek in de basisvorming (leeftijd 12+). De ervaring leert dat ontwerpactiviteiten een verassend rijke leeromgeving kunnen bieden voor samenhangend leren. We noemen dat ‘ontwerpend leren’. Ontwerpend leren gaat over het verwerven van (ook natuurwetenschappelijke) kennis en vaardigheden via ontwerpactiviteiten. Deze vorm van constructivistisch of authentiek leren spreekt leerlingen aan die gemotiveerd worden door praktisch bezig zijn en door het leren in interactie van denken en doen. In het vervolg van mijn lezing wil ik dit nader toelichten. Ik hoop dat dit verhaal iets kan bijdragen aan het denken over de inrichting van een leergebied mens en natuur. Relatie natuurwetenschappen en techniek Een klassieke opvatting over het verschil tussen natuurwetenschap en techniek is de volgende: Binnen de natuurwetenschappen zijn we er op uit de wereld te verklaren en binnen de techniek willen we haar veranderen. Natuurwetenschappers onderzoeken de fysische wereld en ontwikkelen een verklaringsmodel (representatie) van die wereld. Dit is de pijl van links naar rechts. Natuurwetenschap Wereld ………………………………………………Theorie (verklaring) Producten …………………………………………… Beschrijving gewenste wereld Techniek Ingenieurs of productontwikkelaars beschrijven een gewenste wereld en ontwikkelen een corresponderend technisch product. Dat is de pijl van rechts naar links. De praktijk is echter complexer dan dit schema suggereert3. Natuurwetenschappers ontwerpen ook technische systemen als onderdeel van hun onderzoek en veel ontwerpers doen natuurwetenschappelijk onderzoek als onderdeel van productontwerp.

Samenhangend onderwijs natuurwetenschappen en techniek? Technologie en natuurwetenschap zijn dus verweven. Opvattingen over de aard van deze verwevenheid spelen in veel landen een belangrijke rol bij discussies over de inrichting van geïntegreerd natuur- en techniekonderwijs. Hierna bespreek ik in het kort de belangrijkste opvattingen en de uitwerking in curricula4. 1.

Technologie is toegepaste natuurwetenschap Velen zien techniek vooral als toegepaste natuurwetenschap. Idee daarbij is dat als je de natuurwetenschappelijke kennis eenmaal hebt, de techniek er vanzelf uit komt rollen. Deze gedachtegang is ook terug te vinden in het van Dale woordenboek: technologie (de ~ (v.)) o systematische toepassing van natuurwetenschap of andere georganiseerde kennis voor praktische doeleinden. In de moderne technologie (kernenergie, plastics, biotechnologie, informatietechnologie,…) vinden we inderdaad verschillende voorbeelden van technologieontwikkeling, gebaseerd op gevorderde natuurwetenschappelijke kennis. Bij curriculumontwikkeling wordt deze opvatting meestal vertaald door techniek te behandelen als toepassing van natuurwetenschappen. Het gaat dan om toepassing van natuurwetenschappelijke kennis in technische contexten en om de belichting van natuurwetenschappelijke principes achter technische toepassingen. Een voorbeeld hiervan in Nederland is de PLON-methode voor het vak natuurkunde.

2.

Technologie gaat vooraf aan natuurwetenschappen De aanhangers van deze opvatting beroepen zich op het feit dat technologische ontwikkeling veel ouder is dan natuurwetenschappelijke ontwikkeling. De mens bewerkt sinds de oertijd al materialen om zich het leven te veraangenamen. Van min of meer systematische wetenschappelijke ontwikkelingen is pas de laatste 2500 jaar sprake. Je zou kunnen zeggen dat technische productontwikkeling veel meer in de ‘genen’ van de mens zit dan natuurwetenschappelijk onderzoek. In de geschiedenis vinden we verschillende voorbeelden van technologie die vooraf gaat aan en bepalend is voor natuurwetenschappelijke kennisontwikkeling. Voorbeelden zijn de ontwikkeling van lenzen voorafgaand aan de afleiding van de brekingswetten (Willebrord Snell-1621) en de ontwikkeling van ‘batterijen’ voorafgaand aan theorie over elektriciteit. Bij curriculumontwikkeling zie je deze opvatting indirect terug in werkvormen waar techniek als leeromgeving wordt gebruikt voor natuurwetenschappelijke begripsontwikkeling. Het werk van Wolff Michael Roth7 in Canada is daar een voorbeeld van.

3.

Natuurwetenschappen en Technologie zijn gescheiden domeinen In deze opvatting wordt niet ontkend dat er dwarsverbanden zijn tussen natuurwetenschappen en technologie, maar worden vooral de verschillen benadrukt. Naast het al eerder genoemde verschil in oriëntatie (begrijpen versus veranderen) en werkwijze wordt er op gewezen dat de beroepsbeoefenaren uit verschillende sociale groepen bestaan: wetenschappers en ingenieurs. Ook in geval van op natuurwetenschappen gebaseerde technologie (zie opvatting 1) is voor productontwikkeling veel meer nodig dan alleen natuurwetenschappelijke kennis. In deze visie is er een technologisch kennisdomein naast de natuurwetenschappelijke. Voorbeelden van hierop gebaseerde curriculumontwikkeling is in vele landen te vinden, waar een vak techniek (bijv. Design&Technology in Engeland) bestaat naast natuurwetenschappelijke vakken. In de VS is een apart leergebied technologie uitgewerkt in het project ‘Technology for all Americans”5 . In Nederland hebben we in de basisvorming het vak techniek naast de natuurwetenschappelijke vakken.

4.

Natuurwetenschappen en Technologie zijn onlosmakelijk verweven Deze opvatting wint steeds meer aanhang. Beargumenteerd wordt dat in de moderne beroepspraktijk natuurwetenschappers betrokken zijn bij productontwikkeling en omgekeerd technici bij

natuurwetenschappelijk onderzoek (bijv. CERN). Hierbij opereren technici als onderzoekers, wetenschappers als productontwikkelaars en omgekeerd. Op veel moderne terreinen (luchtvaart, elektronica, radioastronomie, biotechnologie, materiaalkunde…..) is het ook moeilijk natuurwetenschappelijke en technisch bijdragen te ontwarren. Bij curriculumontwikkeling is het moeilijk voorbeelden te vinden die recht doen aan deze verwevenheid. We zouden de activiteiten van het project Techniek 15+ en het project Technologie&Samenleving (T&S) met enige voorzichtigheid kunnen omschrijven als een poging lesmateriaal te ontwikkelen waarbij natuurwetenschap en techniek in samenhang aan de orde komt. Er zijn ontwerpmodulen ontwikkeld waarin expliciet gebruik gemaakt wordt van natuurwetenschappelijke kennis (voorbeelden: veilige fietsverlichting, rugzakbeveiliging, biogasinstallatie, autolakken) en er is geëxperimenteerd met technische ontwerpopdrachten als vertrekpunt voor natuurwetenschappelijke begripsontwikkeling (voorbeeld: muizenvalauto).

Ontwerp en maak een alarmsysteem dat elke rugzak kan beveiligen tegen ongemerkt openmaken of kapotsnijden.

Techniek is meer dan toegepaste natuurwetenschap Techniek is meer dan toegepaste natuurwetenschap en daar moet bij de ontwikkeling van onderwijs over ‘natuur en techniek’ rekening mee worden gehouden. Natuurwetenschappelijke kennis op zich is onvoldoende om succesvolle technologische innovaties tot stand te kunnen brengen. Het proces van technische productontwikkeling kent een eigen dynamiek en methodiek. Als we leerlingen vertrouwd willen maken met de wereld van de techniek is het zaak onderwijs te ontwikkelen dat zicht geeft op voor technici kenmerkende probleembenaderingen en werkwijzen. Ongeacht de positie die we innemen t.a.v. de relatie tussen natuurwetenschappen en techniek zullen we bij de ontwikkeling van een leergebied ‘mens en natuur’ recht moeten doen aan de verschillen in oriëntatie en daarmee samenhangend ook aan de verschillen in probleembenadering. Dit betekent dat er naast aandacht voor natuurwetenschappelijk onderzoek (methoden van kennisverwerving) ook aandacht moet zijn voor technisch ontwerpen (methode van productontwikkeling). Voor leerlingen weerspiegelen de verschillen in gerichtheid ook verschillen in motivatie. Onderzoekers worden veelal gemotiveerd door nieuwsgierigheid, het werken met generalisaties en de behoefte de wereld om hun heen te begrijpen. Technische ontwerpers laten zich motiveren door doen, het plezier van dingen creëren en de wens om praktische oplossingen uit te werken voor concrete (menselijke) problemen.

Leren ontwerpen In de projecten T15+ en T&S is experimenteel lesmateriaal over ontwerpen ontwikkeld. In dit ontwerponderwijs wordt de nadruk gelegd op de eerste fasen van het ontwerpproces: oriëntatie op de probleemanalyse en het bedenken van alternatieve uitwerkingen voor een gegeven ontwerpprobleem. In de fase van de probleemanalyse moeten leerlingen zich identificeren met de ontwerpopdracht en antwoorden vinden op vragen als ‘wat is het probleem?,’ wie heeft het probleem?’ en ‘wat willen we met een mogelijke oplossing bereiken?’. Aandacht hiervoor weerspiegelt niet alleen de professionele ontwerppraktijk, maar leidt ook tot kwalitatief betere ontwerpen. Bovendien werkt identificatie met het probleem motivatieverhogend. Het ontdoet de techniek van het ‘Willy Wortel’- imago en zet technische probleemoplossing neer als mensgerichte activiteit. Het is een oriëntatie die ook meisjes aanspreekt. Leerlingen worden gestimuleerd eerst meerdere oplossingen te bedenken voor het ontwerpprobleem alvorens een gekozen oplossing uit te werken tot een werkend prototype. Het vinden van veelbelovende oplossingen vereist ‘divergent denken’. Soms wordt dat ook wel creativiteit genoemd. Bij technisch ontwerpen gaat het om een vorm van creativiteit die zowel originele als toepasbare uitkomsten oplevert. Het bevorderen van creatief denken wordt wel gezien als een van de belangrijkste uitdagingen van het moderne techniekonderwijs. Klaservaringen in de onderbouw en in de bovenbouw wijzen uit dat leerlingen zeer gemotiveerd worden door technisch ontwerpen. Door bezig te zijn met het oplossen van technische problemen ontdekken ze de menselijke en creatieve kant van de techniek en maken ze op een actieve manier kennis met voor technici kenmerkende denkwijzen en probleembenaderingen.

Ontwerpend leren Kan technisch ontwerpen ook helpen bij het leren van natuurwetenschappen? Het is te verwachten dat juist de combinatie van denken en doen een rijke leeromgeving kan bieden voor constructivistisch leren6. Belangrijk is dan wel dat ontwerpcontexten worden gekozen met voldoende natuurwetenschappelijke inhoud. Een voorbeeld is het ontwerp van een muizenvalauto7, waarmee onder andere op het Driestar College in Gouda is geëxperimenteerd. Leerlingen met het profiel N&T uit HAVO 4 krijgen per tweetal de opdracht een voertuig te ontwerpen en te bouwen dat wordt aangedreven door een gespannen muizenval. Het voertuig moet zo vér mogelijk komen.

Ontwerpenderwijs zijn leerlingen dan actief bezig met fysische begrippen als energie, kracht, snelheid, versnelling, wrijving ….. Het enthousiasme is groot. De ontwerpactiviteiten blijken een verassend rijke leeromgeving vormen voor de ontwikkeling van fysische begrippen. Uit dit soort experimenten blijkt niet alleen de enorme motivatie van leerlingen maar ook de rijkdom aan communicatie over mogelijke oplossingen en verbetering van het ontwerp: hoe maken we effectiever gebruik van de veerkracht?, hoe vergroten we de snelheid?, hoe verkleinen we de wrijving?…….. Ander voorbeelden worden op dit moment uitgewerkt in het T&S-project : 1. 2.

3.

Ogen in je rugzak (natuurkunde: elektrische schakelingen) Ontwerp en maak een alarmsysteem dat elke rugzak kan beveiligen tegen ongemerkt openmaken of kapotsnijden. Veilige fietsverlichting (natuurkunde: optica) • Formuleer aan welke eisen een veilige fietsverlichting moet voldoen. • Controleer met behulp van een testopstelling welke van de beschikbare koplampen aan jouw eisen voldoen. • Maak een ontwerpvoorstel voor een verbeterde koplamp. Veilig fietsen met je hond (natuurkunde: momenten en veerkracht; biologie: lichaamsbouw en voortbeweging) Ontwerp een voorziening, waarmee je de hond veilig naast de fiets kunt laten rennen. Ontwerp ook een trainingsschema voor jonge honden.

Prof. Wolff Michael Roth8 experimenteert in Canada al zo’n 10 jaar met ontwerpen in sciencelessen, zowel in het primair als in het secundair onderwijs. Roth ziet ontwerpactiviteiten als ideale werkvorm voor een geïntegreerde benadering van het leren. De lessen zijn opgezet volgens een verdeling van 60% ontwerpen,

15 % onderzoek en 25% discussie. In de ontwerpfase(n) zijn leerlingen bezig met open ontwerpopdrachten. Ze moeten bijvoorbeeld voor een antarctische expeditie een installatie ontwerpen waarmee zware laste getransporteerd kunnen worden als de energievoorziening uitvalt. In de klas zijn gereedschappen, takels, tandwielen, lijmpistolen enz. aanwezig. In de onderzoeksfase(n) zijn ze bezig met zogenaamd ‘failureonderzoek’. Wat zijn de prestaties van het prototype, waarom werkt het niet zoals verwacht, hoe verbeteren we het ontwerp? Vooral in deze fase komen natuurwetenschappelijke principes aan bod. In de discussiefase(n) wordt met elkaar en ook klassikaal onder leiding van de docent gediscussieerd over oplossingen en mogelijke gebreken. In zijn onderzoek legt Roth de communicatie die ontstaat over ontwerpvoorstellen en oplossingen nauwkeurig vast. Roth ziet ontwerpen vooral als onderhandelingsproces en benadrukt uitgebreid het belang van communicatie voor constructivistisch leren. Condities voor authentiek leren Roth wijst bij die communicatie op de functie van gebaren en ‘aanwijsbaarheid’. Leerlingen zijn vaak gebrekkig in staat in wetenschappelijke taal te formuleren en kunnen met gebaren, aanwijzen en voordoen beter duidelijk maken wat ze bedoelen. Juist die combinatie van denken en doen is volgens Roth heel belangrijk voor begripsontwikkeling. Roth vindt dat constructivistisch leren het beste plaats kan vinden als leerlingen in staat worden gesteld hun eigen probleemstellingen te creëren en ook hun eigen oplossingen te vinden. Dergelijke vormen van leren noemt hij authentiek leren. In zijn boek ‘Design Communities’9 beschrijft hij de condities die nodig zijn voor authentiek leren. Niet alleen is belangrijk dat problemen open worden gedefinieerd, maar ook dat mogelijke oplossingen niet eenduidig zijn (ruimte voor divergentie), dat er sprake is van teamwerk (communicatie) en dat er een expertomgeving (bronnen, medeleerlingen, docent..) is voor informatie en ondersteuning. Conclusies en aanbevelingen Al langere tijd wordt in Nederland nagedacht over vakkenintegratie. De gedachte is dat we langzamerhand af moeten van de schotten tussen de vakken en ruimte moeten maken voor meer samenhangend leren. In de wereld van wetenschap en techniek wordt interdisciplinaire samenwerking en multidisciplinaire probleembenadering steeds belangrijker. In dit verband zijn technische activiteiten in de klas veelbelovende voertuigen voor authentiek en samenhangend leren, waarbij niet alleen over techniek maar bijvoorbeeld ook over natuurkunde, wiskunde, vormgeving en taal geleerd wordt. We zullen de mogelijkheden en beperkingen van dit soort werkvormen nog nader moeten onderzoeken. De perspectieven lijken echter veelbelovend. Het zou interessant zijn in de basisvorming, in samenwerking tussen de secties techniek en natuurwetenschappen, te experimenteren met de werkvorm ‘ontwerpend leren’.

1

Zie ook www.techniek15plus.nl In het T&S-project wordt met subsidie van EZ door het AMSTEL Instituut, de TULO Delft , de UT (ELAN) en de SLO samen met scholen ontwerpopdrachten ontwikkeld voor leerlingen van 12 tot 18 jaar. Het betreft geintegreerd lesmateriaal voor de natuurwetenschappelijke vakken, techniek, verzorging en ANW. 3 De Vries, M.J., “Industrial Research and Development Labs: How they inform Science and Technology Curricula” in the Journal of Technology Studies, blz 64 t/m 70, Winter/Spring 2000, Virginia. 4 Paul Gardner, “Representations of the Relationship between Science and Technology in the Curriculum” in Studies in Science Education, 24 (1994), Yorkshire, UK. 5 Zie ook het artikel op: http://scholar.lib.vt.edu/ejournals/JTE/jte-v7n2/satchwell.jte-v7n2.html 6 CMA ontwikkelt bij bouwdozen van Fischer Technik lesmodulen voor constructivistisch leren bij natuurkunde en techniek. Zie ook http://www.cma.science.uva.nl/ (ga naar ondersteuning -> lesmateriaal ). 7 Voor lesmateriaal, zie : http://www.tn.tudelft.nl/didactiek/ in de rubriek ‘ontwerpen’. 8 Wolff-Michael Roth., “Learning Science through Technological Design”, Journal of Research in Science Teaching, Volume 38, Issue 2001, blz. 768-791, September 2001. 2

9

Wolff-Michael Roth, “Designing communities”, Science&Technology Education Library, Kluwer Academic Publishers (1998), ISBN:0-7923-4704-8