Wetenschap- en Technologieonderwijs vormgeven vanuit een daltonvisie

In 2020 dienen alle basisscholen Wetenschap en Technologie (W&T) geïntegreerd hebben in hun curriculum. In daltonscholen wordt daaraan al hard gewerkt, maar op uiteenlopende manieren. De vraag is of al deze manieren werken en of ze even goed werken. In dit artikel geven we aan wat kenmerkend is voor de inhoud, opzet en didactiek van effectief W&T-onderwijs en laten we zien dat dit aansluit bij de daltonkernwaarden, maar ook dat professionalisering op dit terrein wellicht nodig is.

De effecten van onderzoekend en ontwerpend leren

Onderzoekend en ontwerpend leren zijn de laatste jaren onlosmakelijk verbonden geraakt met onderwijs in W&T en ook op daltonscholen passen leraren de uitgangspunten van deze didactische modellen frequent toe. Maar leren leerlingen hierdoor eigenlijk wel op een doeltreffende manier? Anders gezegd: is onderzoekend en ontwerpend leren wel effectief?
Verschillende reviews van onderzoeken plaatsen kanttekeningen bij de didactiek en de praktijktoepassing ervan. Bijvoorbeeld Mayer (2004) stelt dat onderwijskundig en onderwijspsychologisch onderzoek vanaf de jaren ’50 consistent heeft aangetoond dat directe instructie hogere leerresultaten oplevert. En ook Kirschner, Sweller en Clark (2006) komen tot de conclusie dat onderzoekend en ontwerpend leren niet werkt. Zij bieden ook een verklaring: onderzoekend en ontwerpend leren zorgen voor overbelasting van het werkgeheugen. Alleen wanneer de lerende over veel voorkennis beschikt, is onderzoekend leren een optie. De auteurs raden daarom voor het basis- en voorgezet onderwijs onderzoekend en ontwerpend leren af.
De reviews van Mayer (2004) en Kirschner, Sweller en Clark (2006) zijn gedegen en hun bevindingen zijn overtuigend. Ze hebben echter betrekking op een specifieke vorm van onderzoekend en ontwerpend leren, het onbegeleid onderzoekend en ontwerpend leren (‘pure discovery learning’). Om zicht te krijgen op de effectiviteit van begeleid onderzoekend leren, hebben Alfieri en collega’s (2011) een meta-analyse verricht. Ze vergelijken de effectiviteit tussen begeleid en onbegeleid onderzoekend leren en die van directe instructie. De studie bevestigt de conclusie van Mayer (2004) en die van Kirschner, Sweller en Clark (2006): directe instructie is effectiever dan onbegeleid onderzoekend leren (d=.38). Echter, de meta-analyse toont ook dat begeleid onderzoekend leren weer effectiever is dan directe instructie (d=.30). Andere, meer recente meta-analyses bevestigen deze bevinding: onderzoekend en ontwerpend leren is effectief voor de cognitieve leerprestaties en de ontwikkeling van onderzoeksvaardigheden, mits het op een juiste wijze wordt ingericht, begeleid en ondersteund. Bovendien heeft zo’n aanpak ook positieve effecten op de interesse, motivatie en attitude van leerlingen ten opzichte van W&T (zie bijv. Furtak, Seidel, Iverson & Briggs, 2012; Harmsen & Lazonder, 2014; Potvin & Hasni, 2014; Tanis, Dobber, Zwart & Van Oers, 2014; Vaessen et al., 2015).
Het gaat bij W&T-onderwijs dus om het vinden van de juiste balans tussen sturen en vrijlaten, tussen leiden en begeleiden (Tanis, Dobber, Zwart & Van Oers, 2014). In daltontermen uitgedrukt: het gaat om vrijheid in gebondenheid. Maar de vraag is vervolgens natuurlijk hoe de leraar dan precies het leerproces moet inrichten, begeleiden en ondersteunen? Hoeveel sturing er nodig is en ten aanzien van wat?

Dimensies van onderzoekend en ontwerpend leren

Onderzoekend en ontwerpend leren worden op verschillende manieren opgevat en geïnterpreteerd. Om beter zicht te krijgen op de inhoud onderscheiden Furtak, Seidel, Iverson en Briggs (2012) vier dimensies: 1) procedureel, 2) epistemisch, 3) conceptueel en 4) sociaal.
De procedurele dimensie gaat over het opzetten en uitvoeren van onderzoek en het bedenken en toetsen van ontwerpen (bijv. het leren stellen van onderzoeksvragen, formuleren van hypotheses, selecteren en operationaliseren van variabelen, het verzamelen en analyseren van gegevens, en het trekken van conclusies). De epistemische dimensie heeft betrekking op het leren over wetenschap zelf (bijv. inzicht in de aard van wetenschappelijke kennis, de ‘nature of science’, en het proces van kennisconstructie). De conceptuele dimensie gaat over het leren van de feiten en theorieën van ‘science’, ofwel de vakinhouden (bijv. concepten als dichtheid, opwaartse kracht en zwaartekracht en het onderlinge verband ertussen). De sociale dimensie gaat over samenwerken en het door middel van de dialoog construeren van kennis (bijv. het leren participeren in discussies, het argumenteren op basis van vergaarde kennis, en het met anderen werken aan een onderzoek of ontwerp).

Uit de meta-analyse van Furtak en collega’s (2012) blijkt dat onderzoekend en ontwerpend leren een gemiddelde effectgrootte van d=.50 hebben, wat betekent dat ze een gemiddeld positief effect hebben op het leren van leerlingen (Cohen, 1998). De meta-analyse laat ook zien dat aandacht besteden aan de epistemische dimensie van groot belang is voor het leren. Er wordt echter het meeste geleerd wanneer de verschillende dimensies gelijktijdig en in onderlinge samenhang worden aangeboden en aangeleerd worden. Kortom, W&T-onderwijs moet zich richten op het (gelijktijdig en in samenhang) aanleren van onderzoeks- en ontwerpvaardigheden, het leren doorgronden van de aard de ‘nature of science’, het verwerven van kerninzichten in natuurwetenschappelijke en technische fenomenen, en de sociale kennis en vaardigheden die horen bij het doen van onderzoek. Onderwijs in W&T is dus veel meer dan het doen van een proefje of het maken van een ontwerp volgens een gedetailleerd stappenplan (zie ook Dillon, 2008; Potvin & Hasni, 2014).

Acht kenmerken van effectief W&T-onderwijs

Hoe kun je als daltonleraar het W&T-onderwijs zo inrichten en begeleiden dat er doeltreffend wordt geleerd, het leerlingen voor W&T interesseert en motiveert, en het onderwijs ook nog eens een gunstige uitwerking heeft op hun houding ten opzichte ervan? In wat volgt, presenteren we acht evidence-based principes voor W&T-onderwijs, samengesteld op basis van de verschillende reviews over onderzoek naar W&T-onderwijs.

Doelgericht en expliciet

Op een onderzoekende manier leren, vraagt een andere, meer actieve leerhouding. Hoewel deze bij veel leerlingen op daltonscholen al ‘getraind’ is, is het belangrijk dat de leraar hieraan blijvend aandacht besteedt (zie bijv. Hipkins et al., 2002; Schroeder et al., 2007; Tanis, Dobber, Zwart & Van Oers, 2014; Wise, 1998). Over het algemeen geldt: hoe explicieter leraren de gedragingen en houdingen communiceren die leerlingen moeten tonen, hoe beter de resultaten. Denk daarbij aan het expliciet maken van de (procedurele, epistemische, conceptuele en sociale) doelen waaraan gewerkt wordt, de structuur van de les kenbaar maken, uitleggen hoe de activiteiten leiden tot het behalen van de doelen, expliciete instructie geven over de toepassing van denkstrategieën, aangeven hoe er samengewerkt moet worden, en duidelijk zijn over hoe er te werk gegaan moet worden en hoe er omgegaan dient te worden met de materialen, middelen en apparaten. bij veel leerlingen op daltonscholen al ‘getraind’ is, is het belangrijk dat de leraar hieraan blijvend aandacht besteedt (zie bijv. Hipkins et al., 2002; Schroeder et al., 2007; Tanis, Dobber, Zwart & Van Oers, 2014; Wise, 1998). Over het algemeen geldt: hoe explicieter leraren de gedragingen en houdingen communiceren die leerlingen moeten tonen, hoe beter de resultaten. Denk daarbij aan het expliciet maken van de (procedurele, epistemische, conceptuele en sociale) doelen waaraan gewerkt wordt, de structuur van de les kenbaar maken, uitleggen hoe de activiteiten leiden tot het behalen van de doelen, expliciete instructie geven over de toepassing van denkstrategieën, aangeven hoe er samengewerkt moet worden, en duidelijk zijn over hoe er te werk gegaan moet worden en hoe er omgegaan dient te worden met de materialen, middelen en apparaten.

Actief betrekken van de voorkennis

Op grond van eerdere ervaringen en lessen hebben leerlingen bepaalde ideeën en kennis over de thema’s die behandeld gaan worden. Hoewel de aanwezige  concepten het leren kunnen bevorderen, kunnen onjuiste en onvolledige concepten het leren ook in de weg zitten. Het is het volgens de reviews belangrijk dat daltonleraren de voorkennis actief activeren, bijvoorbeeld met een mindmap, deze expliciet te maken en te betrekken in de les (Hipkins et al., 2002; Staver, 2007).

Contextualiseren van de kennis

Reviewstudies wijzen ook op het belang van het contextualiseren (zie bijv. Hipkins et al., 2002; Potvin & Hasni, 2014; Schroeder et al., 2007; Vaessen et al., 2015; Wise, 1998). Kennis en vaardigheden moeten voor leerlingen in betekenisvolle contexten worden aangeboden en aangeleerd. Schroeder en collega’s (2007) concluderen dat contextualiseren een enorme impact heeft op het leren (de effectgrootte is maar liefst d=1.48). Potvin en Hasni (2014) concluderen dat contextualiseren ook belangrijk is voor de interesse, motivatie en houding ten aanzien van W&T. Bij het contextualiseren vinden leerlingen de te leren kennis en vaardigheden meer relevant, wat een gunstige uitwerking heeft op de interesse en motivatie, en de houding ten aanzien van W&T (zie ook Vaessen et al., 2015).

Interactie en dialoog

De kwaliteit en het rendement van wat er wordt geleerd tijdens W&T-lessen, is in grote mate afhankelijk van de interactie tussen de leraar en de leerlingen en tussen de leerlingen onderling (Hipkins et al., 2002; Schroeder et al., 2007; Tanis, Dobber, Zwart & Van Oers, 2014; Wise, 1998). Als daltonleraar kun je de kwaliteit van de interactie op verschillende manieren bevorderen. Onder meer door: 1) vragen van lagere als hogere cognitieve orde te stellen, 2) een wachttijd in acht te nemen na het stellen van een vraag (vooral bij denkvragen), 3) even te wachten met reageren nadat een leerlingen een antwoord heeft gegeven (aangezien leerlingen vaak nog belangrijke toevoegingen doen), 4) antwoorden op een meer begrijpelijke en/of correcte manier te herhalen, 5) aan de andere leerlingen te vragen of ze denken dat een antwoord juist is, 6) te vragen of iemand een aanvulling heeft, 7) vervolgvragen te stellen om het denken verder te ontwikkelen, 8) vragen eenvoudiger te formuleren wanneer een leerling onvoldoende begrip heeft van de leerstof, 9) vragen te stellen die eerder geleerde, relevante kennis activeert, 10) vragen te stellen die toetsen of de vereiste voorkennis aanwezig is. Door dit type interactietechnieken toe te passen, vergroten leraren de kans dat leerzame dialogen ontstaan. Schroeder en collega’s rapporteren in hun meta-analyse bijvoorbeeld een effectgrootte van d=.74 voor de toepassing van de interactietechnieken in W&T lessen.

Samenwerkend leren

Samenwerkend leren is een kernwaarde van daltononderwijs en blijkt een evidence based onderwijsprincipe te zijn van W&T-onderwijs. Net als in daltononderwijs, is samenwerken zowel doel als middel in W&T-onderwijs. De reviewstudies laten zien dat samenwerkend leren een doeltreffend middel is, met positieve effecten op de cognitieve prestaties, als ook voor de interesse, motivatie en attitude van leerlingen ten aanzien van W&T (zie bijv. Potvin & Hasni, 2014; Schroeder et al., 2007; Wise, 1998). Het samenwerkproces moet echter wel adequaat worden voorbereid en begeleid. De leraar moet afspraken maken over hoe er samengewerkt wordt en dient de samenwerking ook op een goede manier te begeleiden. Het gaat daarbij onder meer om de bevordering van constructieve interactieprocessen in de groepen (bijv. hulpbieden aan elkaar, voortbouwen op elkaars bijdragen) (zie ook Van der Zee, 2015). Schroeder en collega’s (2007) vonden een effectgrootte van d=.96 voor samenwerkend leren.

Hands-on en minds-on activiteiten

Uit onder meer de reviews van Dillon (2008), Schroeder et al. (2007), Hipkins et al. (2002), Harmsen en Lazonder (2014), en die van Wise (1998) blijkt dat leerlingen meer leren wanneer ze tijdens W&T-lessen praktisch aan de slag gaan, dus daadwerkelijk onderzoek opzetten en uitvoeren of een ontwerp bedenken, maken, testen en bijstellen. Het beperkt zich niet tot het uitvoeren van een proefje, maar gaat om praktische activiteiten die tegelijkertijd denken uitlokken en bevorderen over natuurkundige en technische fenomenen, en die bijdragen aan de bevordering van competenties in de vier dimensies van onderzoekend leren (zie hierboven: Furtak en collega’s, 2012). Naast hogere leerprestaties op cognitieve toetsen leidt ‘practical work’ ook tot een hogere motivatie (zie bijv. Dillon, 2008).

Toetsen om te leren

Ook onderwijs in W&T moet zich richten op de zone-van-naaste-ontwikkeling. Er wordt meer geleerd wanneer het onderwijs precies ‘op niveau’ is (zie bijv. Hipkins et al., 2002). Leraren moeten daarvoor, bijvoorbeeld door toetsen in te zetten, zicht krijgen op wat leerlingen al weten en kunnen, en hierop aansluiten. Reviewstudies benadrukken het belang van ‘assessment for learning’ boven ‘assessment of learning’. Deze vorm van toetsing is erop gericht inzicht te krijgen in wat leerlingen al weten en kunnen, waar ze (nog) moeite mee hebben, en op welke punten remediëring en/of extra oefening nodig is. Het geeft ook inzicht in de kwaliteit van het eigen handelen. Leraren kunnen op verschillende manieren het leren toetsen: door het stellen van vragen, observaties, het afnemen van diagnostische toetsen en door leerlingenwerk te analyseren. Belangrijk is dat leerlingen betrokken worden in dit proces. Leerlingen leren meer wanneer ze veelvuldig en gedetailleerde feedback krijgen en aanwijzingen ontvangen over hoe ze hun leren kunnen verbeteren (Harmsen & Lazonder, 2014; Schroeder et al., 2007). Schroeder en collega’s (2007) vonden een effectgrootte van d=.51 voor de toepassing van ‘testing strategies’ in W&T-lessen.

Media/ICT

In een aantal reviews is gekeken naar het effect van de inzet van technologie. Het gaat hierbij met name om de inzet van simulaties, apps, video’s die concepten uitleggen en afbeeldingen, foto’s, schema’s, diagrammen (zie bijv. Osborne & Hennessy, 2002; Vaessen et al. 2015; Schroeder et al., 2007; Wise, 1996). Over het algemeen wordt geconcludeerd dat de inzet van media/ICT het leren ondersteunt en bijdraagt aan de leerprestaties. Voorwaardelijk is dat de inzet functioneel is. Schroeder en collega’s (2007) rapporteren een effectgrootte van d=.48 voor ‘instructional technology strategies’.

Tot slot

Het onderzoek laat zien dat effectief W&T-onderwijs aansluit bij wat daltononderwijs inhoudt. Bij onderzoekend en ontwerpend leren gaat het om zelfstandigheid, vrijheid in gebondenheid, samenwerken en om reflectie. Het onderzoek maakt ook duidelijk dat de leraar verschillende rollen moeten kunnen spelen. Hij moet weten wanneer hij moet coachen en wanneer instructie, feedback en begeleiding nodig is om het leren te bevorderen.  Ter afsluiting bieden we een checklist voor W&T-onderwijs. Het kan een mooi middel zijn om op school het gesprek aan te gaan over het verbinden van de daltonvisie met W&T-onderwijs.

Checklist

Binnen het onderwijs in Wetenschap en Technologie

…… passen we de principes van onderzoekend en ontwerpend leren toe;
… bevorderen we gelijktijdig de ontwikkeling van kennis en vaardigheden in de procedurele, epistemische, conceptuele en sociale dimensie;
… besteden we expliciet en doelbewust aandacht aan de ontwikkeling van de vereiste leerhouding van de leerlingen;… betrekken we actief de voorkennis van leerlingen en laten we deze voorkennis vergelijken en verbinden met de aanwezige concepten;
… zetten we verschillende interactietechnieken in, om leerzame (klassikale) dialogen te laten ontstaan;
… contextualiseren we de aan te leren W&T kennis en vaardigheden;
… passen we de principes van het samenwerkend leren toe;
… begeleiden we het samenwerken, zodat productieve en constructieve interacties plaatsvinden in de groepen;
… laten we leerlingen praktisch bezig zijn met onderzoeken en/of ontwerpen, en zorgen we ervoor dat deze activiteiten het denken bevorderen;
… passen we consequent de principes van ‘assessment for learning’ toe en geven we leerlingen veelvuldig rijke feedback op het leren;
… benutten we de mogelijkheden van media/ICT om het leren van leerlingen te bevorderen.

Auteur: Symen van der Zee is lector bij het lectoraat Wetenschap en Techniek in het onderwijs, bij pabo Deventer van Saxion. Hij is gepromoveerd op een onderzoek naar de effectiviteit van het daltononderwijs
Beeld: Redactie DaltonVisie