Werkgroepen

Hoe werkt een DVD speler?¶

Werkgroep 01

J. Schleipen

Philips Research, Eindhoven

Optische data opslag leent zich bij uitstek om te illustreren hoe diverse wetenschapsdisciplines samenwerken om te komen tot een uniek stukje techniek, dat niet meer uit onze hedendaagse samenleving is weg te denken. Juist deze synergie tussen de verschillende vakgebieden, en de herkenbaarheid van bijv. een DVD-drive, maakt deze technologie zo boeiend en kan een ideaal hulpmiddel zijn om onze jeugd te prikkelen en te enthousiasmeren voor wetenschap en techniek.

Tijdens deze werkgroep werden de basisprincipes van optische data opslag uitgelegd. Een en ander werd geïllustreerd aan de hand van een werkend schaalmodel van een DVD-speler, dat gebouwd is in het kader van een JetNet activiteit, waarin Philips participeert. De werkgroep werd goed bezocht door een geïnteresseerd en enthousiast publiek (beide werkgroepsessies werden bijgewoond door 30 personen). Een aantal docenten heeft zich bereid gevonden om met ons na te denken over geschikt materiaal voor een HAVO/VWO ‘proefles’ over optische data opslag. Een dergelijke proefles zal dan samen met het DVD-demonstratiemodel door JetNet ter beschikking worden gesteld aan middelbare scholen die bij JetNet zijn aangesloten.

Enkele onderwerpen die tijdens de werkgroep aan bod kwamen:

• Waarom 650 MBytes (CD) met infrarood licht en 25 GigaBytes (Blu-ray Disc) met blauw licht?

• Hoe houden we de optische ‘naald’ in de groef, en wel met een nauwkeurigheid van 50 nanometer!?

• Wat is en hoe werkt error correctie?

• Wat is het verschil tussen een recordable en een rewritable DVD?

Al met al een voor beide partijen zeer geslaagde werkgroep!

Misconcepten in de fysica. Synergie van beelden, experimenten en wetenschappelijke visie¶

Werkgroep 02

M. Debusschere

DPB Gent, België

• Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

• Bekijk de bijbehorende syllabus (PDF)

Veel jongeren hebben moeite met het begrijpen van ideeën die de wetenschap hen aanbiedt. Het is op een vaak verwarde manier dat ze ons wijzen op het grootste probleem in wetenschap - en vooral fysicaonderwijs: ze denken er anders over. Er ontstaat een conflictsituatie, ze zijn het beu en ervaren fysica en wetenschappen als moeilijk en niet te begrijpen.

Wetenschappelijk onderzoek toont aan dat het proces dat uiteindelijk resulteert in het ‘begrijpen’ op gang wordt gebracht op het moment dat een persoon de kans krijgt om zijn/haar ideeën te reorganiseren en dat kan bijvoorbeeld door te luisteren naar anderen of door zelf te spreken.

Een aantal jaren geleden dacht men de problemen binnen het fysica onderwijs te kunnen oplossen door leerlingen leerlingenproeven te laten uitvoeren. De leerlingenproef werd ingevoerd in de leerplannen. Er kwamen instructies over het aantal leerlingenproeven dat men minimaal moest uitvoeren. Snel bleek echter dat deze werkwijze niet altijd het beoogde resultaat heeft.

Een leeratmosfeer is dus niet enkel de atmosfeer van een geordend klaslokaal waar leerlingen in stilte werken en ook niet een klaslokaal waar leerlingen enkel experimenten uitvoeren. Het is een klas waar er ook ruimte is voor geanimeerde discussie tussen leerlingen en de leraar. Dit laatste lijkt het meest perspectief te bieden op ‘vruchtbare’ wetenschapslessen.

Het is uiteraard heel belangrijk dat leerlingen weten hoe wetenschappelijke theorieën ontstaan. ‘Wetenschap leren door het te doen’. De theorie is eenvoudiger dan de praktijk.

Wanneer leerlingen waarnemingen doen, wordt de interpretatie daarvan beïnvloed door het wereldbeeld dat ze met zich meebrengen naar de klas. Ze zullen hun aandacht dan ook vooral richten naar elementen die binnen hun wereldbeeld van belang zijn. Deze elementen zijn niet noodzakelijk in overeenstemming met de aandachtspunten van de leraar.

Veel leerlingen weten niet waarom ze experimenten moeten uitvoeren, wat de bedoeling is van al dat werk. Ze denken vaak dat ze proefjes moeten doen om te controleren of iets werkt, eerder dan om na te gaan hoe een theorie bepaalde waarnemingen kan verklaren.

In de werkgroep kunnen de leraren zelf vaststellen welke mogelijkheden de methode heeft.

Klas 3, tussen context en concept¶

Werkgroep 04

P. Koopmans

Wolters-Noordhoff, Groningen

Inleiding

Met je mobiel kun je sms-en, mailen, internetten, foto’s en filmpjes maken, mp3’tjes afspelen, spelletjes spelen en je kunt er zelfs mee bellen. Het mobieltje als context is een rijke bron voor concepten: snelheid, trillingen, elektromagnetische golven, digitale data, optica, enzovoort. Hieruit een module samenstellen kan dus niet zo moeilijk zijn, zou je zeggen.

Toch zit het wel wat ingewikkelder in elkaar.

Er moeten keuzes gemaakt worden: welke concepten beslist wel, welke niet persé? Welke volgorde is logisch? Wat zijn goede contexten? Wat doe je in havo 3, wat in vwo 3?

Ook vraagt de samenhang met andere modules speciale aandacht, omdat de concepten niet meer in een traditionele volgorde, en niet altijd uitputtend behandeld worden. Aspecten van een concept kunnen terugkomen in verschillende contexten, en daarmee in verschillende modules.

Het blijkt dus best lastig om de leerstof voor leerjaar drie volgens de context-concept-benadering in modules onder te brengen. Natuurlijk is er enige vrijheid in onderwerpen, maar er moet wel een zekere mate van aansluiting zijn bij de leerstof in de bovenbouw.

We zijn bij Wolters-Noordhoff modules aan het ontwikkelen voor havo 3 en vwo 3. Tijdens de werkgroep wordt uitleg gegeven over de structuur van een module, de leerstofvolgorde, de activerende elementen en de gekozen werkwijze. Het materiaal bereidt voor op het nieuwe programma van 2010, maar is ook zeer geschikt in de huidige derde klas.

Uiteraard is er volop gelegenheid een voorbeeldmodule te bekijken en is er voldoende tijd voor discussie.

Contexten en concepten

Tijdens de voorstelronde blijkt dat veel docenten benieuwd zijn naar concreet materiaal volgens de didactiek van de context-conceptbenadering. Anderen geven aan gericht op zoek te zijn naar derde klas materiaal en zijn met name nieuwsgierig.

Geheel in de stijl van een werkgroep wordt er een grote inbreng van de deelnemers verwacht. En die komt er. Er ontspint zich een interessante discussie, die veel waardevolle informatie oplevert.

Als eerste wordt de deelnemers gevraagd naar een goede context. Het blijkt toch best lastig te zijn een voor leerlingen uitdagende context te bedenken. De kritiek op de gsm als context is dat een leerling niet geïnteresseerd zou zijn in hoe het werkt. Als je er maar mee kunt bellen. Bovendien blijkt het niet mogelijk om in een beperkte tijd echt uit te leggen hoe het precies werkt. Je moet keuzes maken. De vraag is of dat erg is. Ook moet je je afvragen of je een context klein kiest, zoals de gsm of juist heel breed, bijvoorbeeld communicatie. De conclusie is dat het bedenken van een goede context erg lastig is en het gevaar bestaat dat je door de complexiteit van een bepaalde context versimpelingen aanbrengt waardoor je uiteindelijk nog niet precies weet hoe iets werkt.

Vervolgens hebben alle deelnemers een kopie ontvangen van de module Communicatie voor het VWO. Er is ze gevraagd om in 10 minuten een eerste indruk te verwoorden. De resultaten zijn divers. Hieronder een opsomming:

• Er is verschil van mening omtrent de foto op de voorkant. Een jonge vrouw die mobiel belt kan volgens sommigen niet, terwijl anderen dat juist mooi in de belevingswereld van de leerlingen vinden passen.

• Er wordt gevreesd voor het zogenaamde kerstboomeffect. Veel concepten komen in korte tijd aan de orde.

• Het begin van het hoofdstuk met vier activerende opdrachten is leuk, daarna gaat het verder op de traditionele manier.

• Is het niet te moeilijk?

• Motiverend begin van het hoofdstuk.

• Een aantal begrippen zijn onduidelijk.

• De teksten zijn volwassen.

• Af en toe zijn de concepten gezocht.

• Dit is een goede voorbereiding op klas 4.

Concluderend mag je zeggen dat de activerende didactiek in goede aarde valt. Het begin met een aantal vrij open opdrachten wordt erg gewaardeerd. Dat het daarna weer wat traditioneler wordt, is over het algemeen geen bezwaar.

Wel roept het context-concept idee vragen op. De versnippering van concepten wordt als mogelijk probleem gezien. Gevraagd naar de aanwezige concepten in de gepresenteerde module levert de volgende opsomming op:

Magnetisme, golf/straling, snelheid, frequentie, elektriciteit, spectrum, spiegeling, inductie, machten van tien, veldlijnen, AD-omzetting, geluid, modulatie, licht, krachten, luidspreker/ microfoon en morse codering.

Het grote aantal concepten kan ertoe leiden dat ze niet allemaal blijven hangen of te kort aan de orde komen zodat misconcepten blijven bestaan. Belangrijk is dus ervoor te zorgen dat dezelfde concepten terugkeren in verschillende modules. Bovendien moeten ze dan aan de orde komen in andere contexten. Zo vergroot je de kans dat de concepten blijven hangen en dat ze niet geassocieerd worden met slechts één bepaalde context. Hierover is iedereen het eens.

Analyse

Bij dit onderdeel wordt de groep verdeeld in 3 subgroepen. Groep A heeft de opdracht de module die voor de havo is ontwikkeld te vergelijken met de huidige methode Pulsar natuurkunde (1e editie) voor klas 3hv. Groep B vergelijkt de module voor het vwo met Pulsar klas 3hv. Groep C vergelijkt de modules voor havo en vwo. Het vergelijken gebeurt aan de hand van een lijst met stellingen. Daarin komen verschillende aspecten van de module aan de orde. Zo zijn er stellingen over de activerende elementen, de didactiek, de leerstoflijn en het niveau. De deelnemers krijgen een half uur de tijd de module nader te bestuderen en op de stellingen te antwoorden. Hieronder een korte opsomming van de bevindingen.

Een ruime meerderheid denkt dat een module in de gepresenteerde vorm meer belangstelling opwekt voor natuurkunde dan die van een traditioneel hoofdstuk. Het wordt dan ook niet als een groot bezwaar gezien dat de leerstof (concepten) over een bepaald onderwerp, bijvoorbeeld licht, verspreid staat over verschillende hoofdstukken.

Over het starten met leerlingactiviteiten bestaat een duidelijke consensus. Ze zijn bedoeld om leerlingen zelf kennis te laten maken met een bepaald onderdeel van de leerstof door middel van een praktische opdracht. Ze kennen verschillende werkvormen, waardoor er de benodigde afwisseling plaatsvindt. Voor bijna alle docenten spreekt deze activerende didactiek aan.

Ook de aansluiting op de belevingswereld van de leerling vindt men over het algemeen goed. De instructies van de activiteiten zijn erg open. Niet iedereen vindt dat voldoende.

Over de voorbereiding op de theorie van een paragraaf zijn de meningen verdeeld. De helft van de aanwezigen geeft aan dat de activiteiten onvoldoende voorbereiden op de theorie.

Ook over de leerstoflijn zijn de meningen verdeeld. Ongeveer de helft geeft aan deze helder te vinden, de anderen niet. Het heeft ongetwijfeld te maken met het feit dat er veel concepten aan de orde komen in de bekeken module en dat in huidige methoden traditioneel wordt uitgegaan van concepten.

Unaniem komt naar voren dat een apart vwo boek gewenst is. De tijd bleek te kort om echt goed de verschillen tussen de gepresenteerde havo en vwo module te bestuderen. Ook werd niet echt duidelijk waar dat verschil dan precies in moet zitten.

Opvallend is ook dat een meerderheid liever de modules los gebruikt dan samen in een boek. Het betekent namelijk dat je als docent dan zelf heel goed de leerstoflijn in de gaten moet houden, want in welke volgorde behandel je de modules.

Al met al kan ik zeggen dat men wel positief staat tegenover een leerstofverdeling volgens de context-conceptbenadering, maar dat voor velen nog niet volledig helder is wat de consequenties zullen zijn voor toekomstige leermiddelen.

Projecten met diepgang / lesmateriaal voor de nieuwe onderbouw ‘mens en natuur’¶

Werkgroep 05

H. Poorthuis, G. van Dijk & W. Buil

Archimedes Lerarenopleiding, Utrecht

In het kader van het novo2-project is door de auteurs van dit artikel, in samenwerking met scholen, lesmateriaal ontwikkeld voor ‘mens en natuur’. In dit artikel ligt de nadruk op de didactische opbouw van het lesmateriaal. Het artikel is bedoeld om docenten te helpen bij het uitkiezen of ontwikkelen van lesmateriaal. De werkgroep op de WND-conferentie was gebaseerd op dit artikel.

De indeling in basisdeel en projectdeel

Een voordeel van projectonderwijs is dat leerlingen gemotiveerd worden, als een eindopdracht betekenisvol en uitdagend is.

De projecten in het scenario5 materiaal
\

1. Alien: Het ontwerpen van een alien voor een film, passend in een extreme omgeving\

2. Theatertechniek: Het ontwerpen van een techniekplan voor een theatershow\

3. Water: Het schrijven van een brochure over watergebruik.\

4. Weer: Meten aan het weer met zelfgemaakte meetinstrumenten

Een nadeel van projectonderwijs kan zijn, dat de opbrengst aan kennis tegenvalt. De leerlingen zijn dan vooral creatief bezig geweest. De docent moet daarna allerlei ‘schoolse kennis’ alsnog aanbieden, omdat de leerlingen die kennis in het project niet hebben verworven.

Vaak wordt de oplossing hiervoor gezocht in het aanscherpen van de eisen voor de eindopdracht. Bij het maken van een techniekplan voor de theatervoorstelling, zou de docent bijvoorbeeld graag kennis over de decibelschaal in het eindproduct willen zien. Als dergelijke eisen in de projectopdracht staan, wordt de opdracht voor leerlingen al snel onaantrekkelijk en onbegrijpelijk. Soms wordt de oplossing gezocht in het aanbieden van workshops op momenten dat de leerlingen de kennis en vaardigheden uit die workshop nodig hebben. Vaak valt de motivatie van de leerlingen voor de workshops tegen, omdat de leerlingen liever verder willen met hun eindopdracht.

Wij hebben gekozen voor een basisdeel en een projectdeel. Bij de start maken de leerlingen kennis met de eindopdracht die nog globaal geformuleerd is. Leerlingen weten dan welk eindproduct van ze wordt verwacht en ze begrijpen ook dat ze daarvoor nog kennis en vaardigheden missen. In het basisdeel worden die kennis en vaardigheden aangeleerd. De opdrachten in het basisdeel hebben dus een duidelijke functie voor de eindopdracht. Bij het begin van het projectdeel wordt de projectopdracht opnieuw geformuleerd maar nu aangescherpt met kennis uit het basisdeel. Diepgang wordt dus afgedwongen, terwijl de motiverende aspecten van projectonderwijs behouden blijven.

De inhoud van het basisdeel

Het basisdeel is bedoeld voor die kennis en vaardigheden die beslist noodzakelijk om het projectdeel op een hoog niveau af te ronden. Vaak doen zich voor de schrijver momenten voor waarop hij gemakkelijk wat aanvullende leerstof kwijt kan, hoewel die niet beslist noodzakelijk is voor het projectdeel. Wij hebben ons consequent willen beperken tot die kennis en vaardigheden die noodzakelijk zijn voor het projectdeel.

Verdieping kiezen in het basisdeel

Het is bekend dat leerlingen die keuzes mogen maken, met veel meer motivatie werken dan leerlingen die alleen verplichte opdrachten uitvoeren. In schoolboeken wordt het keuze-element vaak geplaatst aan het einde van een hoofdstuk, bijvoorbeeld in de vorm van keuzeonderwerpen. Het nadeel is dat de docent na verloop van tijd geen keuzeonderwerpen meer doet, omdat het toch niet bij de verplichte stof hoort. Wij hebben gekozen voor dezelfde projectopdracht voor alle leerlingen, met daarbinnen veel eigen inbreng.

Het kiezen van activiteiten vindt plaats in het basisdeel. Bij een onderwerp uit het basisdeel worden vaak verdiepingsmogelijkheden aangegeven. Dit wordt onderscheiden in vakverdieping en themaverdieping. De docent kan daarmee de leerlingen een menu van verplichte onderdelen en keuzeonderdelen voorschotelen. Sommige docenten hebben tijdens de eerste testronde overigens de keus gemaakt om het basisdeel niet vóór het projectdeel te plaatsen. Zij laten de leerlingen starten met het projectdeel en laten de leerlingen zelf kiezen welke basisopdrachten ze nodig denken te hebben, om tot een goed eindproduct te komen. Deze docenten werken op vernieuwende scholen, waar de zelfstandigheid van leerlingen nog hoger in het vaandel staat dan elders.

Opdrachtgestuurd met bronnen

In het traditionele schoolboek wordt vooral gebruik gemaakt van de tekst als informatiebron. De voorgeschreven volgorde is vaak het lezen van de tekst en daarna het maken van de opgaven die bij de tekst horen.

In dit materiaal werkt de leerling aan opdrachten en worden bronnen geraadpleegd waar dat nodig is. Er wordt gewerkt met verschillende soorten bronnen: internet, practicum, teksten, webvideo, boeken. Omdat de opdrachten de leerlijn bepalen kunnen ook opdrachten toegevoegd die het leerproces ondersteunen, zoals oriënterende opdrachten, onderzoeksopdrachten, presentatieopdrachten, of taalopdrachten.

Ieder onderdeel van het lesmateriaal wordt ingeleid met een richtvraag. De opdrachten en de bronnen moeten antwoord opleveren voor de richtvraag. Daarmee is de richtvraag voor de leerlingen een belangrijk middel om de samenhang te blijven zien.

Het lesmateriaal is volledig ‘web-based’ en kan in een digitale leeromgeving worden geïntegreerd. Een proefabonnement kan vrijblijvend worden aangevraagd op: http://www.fi.uu.nl/wisweb/vragen/algemeen/abonnement.html

De thema’s en de didactische uitgangspunten zijn ontwikkeld door de Archimedes lerarenopleiding, i.s.m. het Freudenthal Instituut en een aantal scholen onder de geuzennaam ‘scenario5’. Dit is een samenwerkingsverband van: Vathorst College, Amadeus Lyceum, Unic, Corlaer College.

Project LabVIEW in de klas Moderne meetsoftware en meer¶

Werkgroep 06

W. Baars & H. Buisman

National Instruments en Maerlant Lyceum, Den Haag

De werkgroep was meer dan vol. Alle plaatsen achter de computers waren dubbel bezet, en sommigen moesten met drie achter een computer zitten. Het doel van de werkgroep was te onderzoeken of LabVIEW - professionele grafische programmatuur voor een experimentele omgeving - geschikt was voor (de bovenbouw van het) VO. Met wat inleidende dia’s werd de aanleiding van het project toegelicht. De ophanden zijnde onderwijsvernieuwingen (2007, NLT, en Nina) maken dit project opportuun.

Ook vertelden we kort waar de progammatuur van National Instruments wordt gebruikt, en vooral wat het grafische programmeerconcept inhoudt. Het begrip virtual instrument staat hierin centraal.

Hierna gingen de werkgroepleden zelf aan de slag. We bouwden stap voor stap een temperatuurmeetsysteem op dat een alarm kon laten afgaan en dat zijn gegevens wegschreef naar een excel file. De benodigde virtuele meetinstrumenten en het meetalgoritme hebben de deelnemers zelf samengesteld. Het voordeel van deze wijze van het opbouwen van een meetomgeving werd voor iedereen duidelijk. De meetinstrumenten zijn in software voorhanden. Voor iedere opstelling zoveel scopes, DVM’s XY tabletten als je maar wilt. Bovendien kunnen ze niet stuk. De budgettaire en praktische voordelen hiervan zijn duidelijk. De algemene indruk was dat leerlingen een eenvoudige meetopstelling, zoals het voorbeeld van deze werkgroep, ook zouden moeten kunnen programmeren.

Zoals verwacht ging een groot gedeelte van de discussie achteraf over ‘wat kost het’. Wim Baars kon een indicatie geven van de prijzen van de soft- en hardware. Die vielen zeker niet tegen.

De voortgang van het project wordt gehinderd door huidige exameneisen omtrent het gebruik van meetsoftware. Wij vinden dat deze eisen de voortgang belemmeren en wij zijn blij verrast dat ondanks deze hindernis de belangstelling voor het project groot was. Dit steunt ons bij de voortzetting van het project.

Na een wedstrijdje afleesnauwkeurigheid, een toepassing voor de derde klas, sloot de werkgroep af met een applausje, dat door ons zeer gewaardeerd werd.

De meeste aanwezigen wilden op de hoogte gehouden worden van de voortgang van het project. Er is daarom een nieuwsbrief gestart. We hopen daarmee het vuurtje dat we met deze werkgroep hebben gestart aan te kunnen wakkeren.

Systematische Natuurkunde - editie 2007 - klaar voor het nieuwe examen¶

Werkgroep 08

F. Jansens & M. van Woerkom

Uitgeverij NijghVersluys, Baarn

Open de bijlage

De werkgroep stond in het teken van de presentatie van de producten voor het vierde leerjaar van de herziene methode Systematische Natuurkunde.

Noodzaak voor herziening

• Er komt één vak natuurkunde voor beide profielen

• De examenstof is ten opzichte van het N12-programma ingeperkt

• Er wordt meer gebruik gemaakt van ICT-componenten

• Er moeten noodzakelijke verbeteringen aangebracht worden

• Samengaan van Leerlingenhandleiding en Uitwerkingenboek verloopt niet soepel

• Blik vooruit op ontwikkelingen ‘Nina’.

Realisering in nieuwe uitgave

Er zijn vier onderdelen: Kernboek, Hulpboek, Werkboek en Methodesite, met elk een eigen functie

Kernboek

In het kernboek staat vooral de theorie.

Filosofie

De leerstof wordt nog nadrukkelijker aangeboden vanuit een referentiekader, maar wordt wel systematisch behandeld.

Hoofdstukstructuur in drie lagen, met transfer

Enkele inhoudelijke veranderingen voor het vierde leerjaar

• Bij mechanica een accent op videometen

• Voor havo geen ‘momenten’ meer

• Meer typische GR-toepassingen

• Opgaven met gebruik van Excel

• practica
  In het kernboek staan verwijzingen naar practica. Die verwijzing is in de vorm van een ‘open opdracht’. Een leerling kan daarmee direct aan de slag. De verwijzing is ook een signaal aan de docent. Over het beschreven onderwerp is een practicuminstructie te vinden op het docentendeel van de methodesite. Die instructie kan gedownload worden en vervolgens aangepast worden aan de wensen van de docent en de technische faciliteiten op de eigen school.

• applets
  In het kernboek staan verwijzingen naar applets, die te vinden zijn op de methodesite. Bij de keuze en de constructie van die applets is uitgegaan van functionaliteit en toegevoegde waarde. Bij de applets zijn opdrachten geformuleerd die de leerlingen moeten uitvoeren. Die opdrachten worden concreet gemaakt in het Werkboek.

• transfer
  Er is bewust gekozen om de leerstof die behandeld is in een hoofdstuk in een breder kader te plaatsen. Dat gebeurt op een aantal manieren:

  • er wordt verwezen naar vorige hoofdstukken;

  • er wordt verwezen naar toepassingen in de techniek of naar onderzoeksgebieden;

  • er wordt verwezen naar later te behandelen hoofdstukken waarvoor de theorie van het zojuist behandelde hoofdstuk van belang is;

  • er wordt verwezen naar ‘brede’ opgaven die zijn opgenomen op de methodesite.

Hulpboek

Het hulpboek heeft een tweeledig doel:

• Hulp bieden bij vaardigheden (hoofdstukken 1, 2 en 3)

• Hulp bieden bij de opgaven (hoofdstuk 4)

Overzicht ‘vaardighedenhoofdstukken’:

Hoofdstuk 1 Binas, diagrammen en meetonnauwkeurigheid\

1.1 Gebruik van Binas 1.2 Steilheid en oppervlakte 1.3 Van een kromme in een diagram naar een rechte 1.4 De invloed van meetonnauwkeurigheid

Hoofdstuk 2 Practicumvaardigheden\

2.1 Algemene practicumaanwijzingen 2.2 Leren onderzoeken 2.3 Schriftelijk verslag en meetrapport 2.4 Aanwijzingen voor een Profielwerkstuk

Hoofdstuk 3 De grafische rekenmachine\

3.1 Toetsen en modusinstellingen 3.2 Eenvoudige berekeningen: enkele speciale toetsen en functies 3.3 Grafieken tekenen en steilheid bepalen 3.4 Oplossen van vergelijkingen 3.5 Functies fitten 3.6 Opgaven grafische rekenmachine 3.7 Uitwerkingen grafische rekenmachine

Hoofdstuk 4 Hulp bij het uitwerken van opgaven

Het (Overzicht-Werkpad)-model voor de uitwerking van opgaven

We hebben bij de hulp gekozen voor een oplossingsstrategie. Daarbij wordt geprobeerd de leerlingen duidelijk te maken waarom de diverse stappen genomen worden die leiden tot de uitkomst. De clou van het aanleren van een strategie is dat een leerling een probleem zinvoller leert aan te pakken dan ‘het zomaar ergens beginnen’. De leerling moet leren om door een opgave heen te kijken en er niet tegen aan te kijken (en er dus ‘tegen op’ te zien).

In veel gevallen berust het bepalen van de oplossingsstrategie op een terugwerkend proces: welke dingen heb je nodig om de laatste stap te kunnen maken, wat heb je dan nodig om de voorlaatste stap te kunnen maken, etc. om tenslotte bij de gegevens uit te komen. Hierop hebben wij ingehaakt.

Ga uit van datgene wat gevraagd wordt en werk terug naar de gegegevens die in de opgave staan. Onderweg bedenk je telkens wat je nodig hebt voor een bepaalde stap. Hiermee maak je een analyse van het probleem, je krijgt overzicht.

Daarna is de echte oplosroute te beschrijven in actiestappen. Je bewandelt in omgekeerde richting de weg die uit de analyse volgt. Dan kom je vanzelf bij het antwoord op de vraag.

Schematisch ziet dat er als volgt uit:

Teaching for scientific literacy: some reflections on the Twenty First Century Science project¶

Werkgroep 10

P. Campbell & R. Millar

University of York

Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

The *Twenty First Century Science * project provided a major opportunity to develop and evaluate a curriculum structure that recognises and addresses the tension between two distinct purposes of school science: developing students' scientific literacy, and providing a sound foundation for more advanced study. Hitherto, the latter has had a dominant influence on curriculum design in the UK, despite the fact that only a minority of students require this kind of understanding of science. Designed for use in the final two years of the English national curriculum (students aged 15-16), it splits the 20% time allocation for science at this stage into two equal components: a core course (GCSE Science) with a clear scientific literacy emphasis, and two optional courses (GCSE Additional Science, and GCSE Additional Applied Science) which provide a basis for progress to more advanced study in a science subject. This suite of courses has been piloted in 78 schools from 2003-6. The curriculum model has been adopted for the new science national curriculum, which came into force in September 2006. Around 25% of maintained schools are now following a science programme based on revised versions of the courses and materials piloted.

This lecture will explain the Twenty First Century Science curriculum model, and outline the rationale for the different courses within it. It will also briefly summarise the main findings of the studies set up to monitor and evaluate the pilot. In a workshop after the lecture, there will be an opportunity to look in more detail at a sample of the teaching materials developed for the course, and at how student attainment is assessed.

Het ‘GLOBE-aërosolen project’¶

Werkgroep 11

T. Vlemmix

KNMI, De Bilt

Het KNMI onderzoekt de rol van aërosolen in het klimaat en gebruikt daarbij metingen van scholieren. Die metingen worden gebruikt voor satellietvalidatie; satellietgegevens worden vergeleken met metingen door grondinstrumenten.

Via GLOBE-projecten maken leerlingen kennis met de wetenschap van de aarde en de atmosfeer doordat ze hier zelf aan bijdragen door te meten. Bovendien komen ze zo in contact met de wetenschappers die deze metingen gebruiken voor hun onderzoek.

De NASA-satellietinstrumenten MODIS en OMI meten wereldwijd onder meer de concentratie van de voor het klimaat van belang zijnde aërosolen. Door vergelijking met grondmetingen is de kwaliteit van de satellietmeting te bepalen. Normaal gesproken gebeurt dat met professionele instrumenten, maar scholieren leveren ook hun bijdrage. De leerlingen verrichten deze grondmetingen met zonfotometers (kleine kastjes met lichtgevoelige sensoren die je met de hand op de zon richt) precies op het moment dat de satelliet overvliegt. Omdat er slechts enkele professionele instrumenten in Nederland zijn, neemt het aantal meetpunten door het project fors toe. Verwerking van de scholierenmetingen, voor het vergelijken met de MODIS- en OMIdata, vindt plaats binnen het KNMI.

KNMI wetenschappers Boersma en De Vroom laten in een wetenschappelijk artikel aan de hand van de scholierenmetingen uit Marken, Amsterdam en Den Haag zien dat MODIS-aërosolconcentraties boven Nederland te hoog zijn wanneer een satellietpixel deels over land en deels over water valt, wat vaak voorkomt in kustgebieden. De aërosolconcentraties in de dichtstbijzijnde satellietpixels die geheel over land vallen komen veel beter overeen met de GLOBE-grondmetingen. Scholier Sven Commandeur, die de metingen op Marken verrichtte: ‘MODIS heeft last van watervrees’. Dit artikel in het Journal of Geophysical Research toont bovendien aan dat de GLOBE-aërosolenmetingen van goede wetenschappelijke kwaliteit zijn en bijvoorbeeld voor satellietvalidatie gebruikt kunnen worden.

In het voorjaar van 2007 worden de GLOBE-scholieren ingezet in een campagne die zich richt op de validatie van het satellietinstrument OMI, dat mede door het KNMI is ontwikkeld. Het doel van de campagne - die zal plaatsvinden in maart en april - is dat er op alle dagen met weinig tot geen bewolking door alle deelnemende scholen tegelijkertijd wordt gemeten. Deze gecoördineerde manier van meten levert de meest waardevolle gegevens op voor het validatieonderzoek. Mogelijk kan er op basis van de resultaten een tweede wetenschappelijk artikel gebaseerd op GLOBE-metingen worden gepubliceerd.

Voor meer informatie over het project, zie: www.knmi.nl/GLOBE

Toelichting figuur:

Kaart van de meetlokaties (twaalf scholen en KNMI, oranje stippen) tijdens de campagne, met daaroverheen een voorbeeld van een OMI-meting van de hoeveelheid aerosol (27 november 2006). Elk rechthoekig vlakje is een individuele aerosolmeting door OMI, de kleur is een maat voor de hoeveelheid aerosol. Zonder scholen zou de vergelijking beperkt zijn tot de meting die over het KNMI-grondstation ligt. Dat sommige scholen binnen dezelfde OMI-meting vallen levert voor het onderzoek waardevolle extra gegevens op. Waar geen kleur is ingevuld, was het te bewolkt om een betrouwbare aerosolwaarde af te leiden uit de meting. Zwarte stippen zijn GLOBE-scholen die niet meedoen in de campagne.

Kan ik er wat aan doen? Ja zeker!¶

Werkgroep 13

J. Leisink

T.S. Jonkerbosch, Nijmegen

Een werkvorm met alleen maar voordelen

Dit artikel geeft een idee met grote leerling-motivatie voor die docenten, die ervaring hebben met practicum. Voor de meesten van ons dus. Dit is het voorstel: laat leerlingen, die in het eerste of tweede leerjaar kennis hebben gemaakt met de vakken natuurkunde en/of techniek terug gaan naar hun oude basisschool om ze daar practicumles te laten geven als een vorm van de tegenwoordig gewenste maatschappelijke stage.

Iedereen van ons weet het en we zijn het er met z’n allen ook over eens, dat in het basisonderwijs al moet worden begonnen met natuurkunde en techniek, om leerlingen meer voor die vakken te interesseren. Er zijn basisscholen die dat keurig voor elkaar hebben, maar op het merendeel van de basisscholen hangen natuurkunde en techniek er maar een beetje bij.

Het idee om leerlingen uit het eerste of tweede leerjaar van het voorgezet onderwijs practicumlessen te laten geven in het basisonderwijs is een praktische oplossing voor dit probleem. Laten we deze leerlingen verder in dit verhaal verder junioren noemen.

Ik heb met deze werkwijze ruim een jaar ervaring opgedaan en de resultaten geven beide partijen winst.

Organisatie:

• Junioren mogen les geven op de basisschool waar zij vandaan komen. Zij kennen de leerkrachten en de werkwijze op die school.

• Ook kennen de junioren de leerlingen op de basisschool. Toen de junioren in groep 8 zaten, zaten de huidige 8e groepers in groep 6 of 7. Vanuit die situatie heeft de junior een natuurlijk overwicht. Er is bovendien vanuit de huidige groep 8 ook interesse in hetgeen de junior op zijn nieuwe school meemaakt, want daar gaan zij binnenkort ook naar toe.

• De junior geeft zijn practicumles in een aparte ruimte aan een groepje van maximaal 4 tot 5 kinderen. Dat is een te hanteren en overzichtelijk kleine groep. Het materiaal voor deze practicumles krijgt de junior mee van zijn huidige school en heeft hij dus in 4 tot 5-voud bij zich. Om een hele klas de proeven te laten doen krijgt hij dus ieder half uur een nieuw groepje bij zich. Voor de meeste basisscholen is deze werkwijze, waarin leerlingen zelfstandig in groepjes bezig zijn heel normaal. (Daar kunnen wij weer van leren.)

• De junior maakt zelf een afspraak met zijn oude school en regelt de dag. Ook regelt hij het vervoer van het practicummateriaal naar de basisschool. Vaak willen of vader of moeder wel helpen bij dit vervoer, of een ouder of conciërge van de te bezoeken school. Vaak kunnen de junioren verbazingwekkend veel zelf al regelen.

Groot voordeel in de didactiek. De junioren staan niet te ver af van de basisschool. Zij zijn zelf nog kind met de kinderen en spelen het proefje graag weer mee. Hun kennis van de natuurkunde is gelukkig nog niet erg groot. Zij vallen daardoor niet in de fout die leerlingen uit een 6 vwo-klas wel zouden maken, door teveel de leraar uit te gaan hangen en er weer teveel een weten-les van te maken. Bovendien kennen leerlingen uit een 6 vwo-klas de leerlingen van de basisschool niet meer en omgekeerd. Uiteraard mogen ook twee junioren samen les gaan geven.

Welke proeven?

Wat voor proeven zijn wel of niet geschikt? In ieder geval doen we geen proefjes waarbij open vuur gebruikt wordt. Verder zijn er veel geschikte proeven. Ik noem er een aantal, waarmee ik ervaring heb opgedaan, maar u kunt dit lijstje zelf vast nog uitbreiden of aanpassen.

• Stroomkringen maken met lampjes, LEDjes, drukknoppen en schakelaars.

• Spelen met magneten en zelf gemaakte elektromagneten.

• Het bouwen van een eenvoudige elektromotor.

• Het bouwen van een luidspreker.

• Proefjes met rodekoolsap om zure of zeepachtige stoffen op te sporen. (Rodekoolsap wordt thuis alvast gemaakt.)

• Proefjes met ballonnen, zitten op een ballon, statische elektriciteit e.d.

• Proefjes met krachten. Het bouwen van een toren met satéprikkers (driehoekconstructies).

• Eenvoudige elektronische schakelingen.

• Kijken (en jezelf verbazen) door een stereoscoop naar van alles en nog wat.

Uw winst

Winst voor de basisschool is duidelijk. Wat is de winst voor u? Uw leerlingen vinden het zo leuk om les te mogen geven op hun oude school, dat zij duidelijk meer gemotiveerd zijn.

De extra motivatie komt ook voort uit het feit dat zij niet voor schut willen staan op hun oude school en dus voor de zekerheid alles helemaal goed willen weten en ook nog meer dan dat, voor het geval dat een leerling op de basisschool met een moeilijke vraag komt. Het blijkt dat zij daar in die situatie ineens heel goed over kunnen nadenken.

In de praktijk blijken vooral ook meisjes deze juniorrol goed te kunnen vervullen. In alle gevallen waar hierboven ‘hij’ staat kan heel goed ‘zij’ worden gelezen.

Maatschappelijke stage

Het toeval helpt ons. De overheid streeft ernaar dat in dit schooljaar 25% van de scholen in het voortgezet onderwijs een maatschappelijk stage aanbieden aan hun leerlingen. (Er kan zelfs subsidie voor worden gekregen.) Bovenstaande werkvorm past hier uiteraard helemaal in. (Kijk bij www.maatschappelijkestages.nl)

Op de afgelopen Woudschotenconferentie heb ik in een werkgroep over dit idee gesproken. De aanwezigen kregen een dvd waarop de junioren zijn gefilmd tijdens een aantal van hun lessen. Met die dvd kunt u de sfeer proeven en u er misschien beter een voorstelling van maken.

Ook staat op die dvd voorgedaan hoe leerlingen zelf (bij techniek) robuuste drukknoppen, schakelaars, lamphouders, en LEDhouders kunnen maken, om die daarna echt te gebruiken bij hun lessen. Ook is te zien hoe een eenvoudige elektromotor en een luidspreker kunnen worden gemaakt voor gebruik bij de juniorlessen.

Wilt u ook zo'n dvd? Stuur mij een brief met uw naam en adres. Stop er 8 postzegels in van 44 ct voor de onkosten van de retourzending.

Succes,
Jan Leisink
Sumastrastraat 15
6524 KJ Nijmegen

Nina gaat naar school - leerlingen motiveren bij mechanica¶

Werkgroep 15

P. Dekkers, K. Klaassen & M. Vollebregt

Freudenthal Instituut voor Didactiek van Wiskunde en

Freudenthal Instituut voor Didactiek van Wiskunde en Natuurwetenschappen, Universiteit Utrecht
Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

Tijdens deze werkgroep hebben we eerst gekeken naar passages uit het visiedocument ‘Natuurkunde leeft’ van de Commissie Vernieuwing Natuurkundeonderwijs havo/vwo. Daaruit komt naar voren dat het huidige natuurkundeprogramma als overladen wordt beschouwd en dat veel leerlingen geen uitdagend beeld van de natuurkunde krijgen. Zoals de plannen er nu liggen zal er in het nieuwe natuurkundeprogramma meer moderne natuurkunde komen, terwijl er niet meer uren beschikbaar zijn. Dat betekent dat er fors geschrapt moet worden in de huidige VO-mechanica-leerstof. De eerste vraag waar de deelnemers zich over gebogen hebben, luidde dan ook: wat mag er volgens u uit (en wat moet zeker behouden blijven)? Dit leverde een geanimeerde discussie op. Uitkomst van deze discussie was dat de meningen op bepaalde punten sterk verdeeld waren, maar dat iedereen vond dat de basis van de mechanica ligt bij de wetten van Newton. Die moeten dus in ieder geval aan de orde komen.

De volgende vraag is dan: hoe doe je dit op een voor leerlingen uitdagende manier? En hoe zorg je dat leerlingen daarbij een beeld krijgen van wetenschap als een menselijke activiteit? Leerlingen motiveren bij mechanica blijft een uitdaging. Het zorgvuldig toepassen van de begrippen en principes blijft lastig, ook al omdat deze tegen de intuïtie in lijken te gaan. Als schrijfgroep voor het NiNa domein ‘Wisselwerking en Beweging’ hebben we ons op deze problematiek gericht. In het lesmateriaal dat wij ontwikkelen wordt voortgebouwd op de benadering die eerder succesvol door Kees Hooyman, Marjolein Vollebregt en Kees Klaassen is gebruikt bij mechanica op het St.Bonifatius College. We proberen daarbij zowel intellectuele als praktische uitdagingen voor leerlingen te creëren die in hun ogen de moeite waard en haalbaar zijn. In de gevolgde leerlijn is ons doel dat de leerling op ieder moment kan begrijpen hoe de stof van dat moment past in het gezamenlijk zoeken naar antwoorden op die uitdagingen. De opdrachten daarbij zijn wellicht wat ongewoon en grijpen onder andere terug op historische bronnen. Leerlingen ontwikkelen bijvoorbeeld begrip van de Newtoniaanse benadering door Newton te volgen, op een voor hen haalbare manier, in zijn verklaring van de banen van hemellichamen in het zonnestelsel.

In ons domein zit het nieuwe van NiNa dus niet zozeer in de inhoud als wel in de didactiek (die overigens niet verplicht wordt). Dat leidt niet tot gedateerde natuurkunde. Zo wordt computermodelleren gebruikt om mathematisch complexe maar praktisch relevante situaties op een zinnige manier in het onderwijs op te nemen.

Tijdens de werkgroep hebben de deelnemers kennis kunnen maken met een opdracht uit het lesmateriaal over de baan van de komeet Kirch. Leerlingen worden daarin uitgedaagd om zelf te bedenken hoe de komeet, waarvan enkele door Newton zelf waargenomen posities gegeven zijn t.o.v. de zon, precies bewogen zal hebben.

Aan de deelnemers hebben we gevraagd wat zij dachten dat leerlingen zoal zouden kunnen antwoorden. Vervolgens hebben we laten zien hoe je deze antwoorden als docent kunt gebruiken ter inleiding op de constructiemethode van Newton, waarbij de eerste en later ook de tweede wet van Newton aan bod komen. Uiteindelijk zijn leerlingen daarmee in staat om zelf de baan van de komeet te construeren en te ontdekken dat deze om de zon heen moet zijn gegaan.

Aan het eind van onze werkgroep hebben de deelnemers kennis kunnen maken met enkele in het lesmateriaal gebruikte computermodellen. Deze modellen worden in het lesmateriaal geïntroduceerd nadat de constructiemethode voor leerlingen voldoende helder is. De computer kan veel sneller rekenen en daardoor de tijdstappen veel kleiner maken, zodat de baan steeds vloeiender wordt.

Ten tijde van de werkgroep konden we helaas nog weinig zeggen over de resultaten van het werken met het lesmateriaal in de klas. We verwachten de eerste bevindingen in het voorjaar van 2007 te kunnen rapporteren.

Nieuwe Natuurkunde begint in de onderbouw!¶

Werkgroep 16

K. Hooyman & A. Migchielsen

St. Bonifatiuscollege, Utrecht

Vanaf 2010 zal in de bovenbouw havo/vwo de nieuwe natuurkunde (NiNa) ingevoerd worden, een grote verandering in zowel onderwerpkeuze als didactische aanpak. Zijn de leerlingen die vanuit de onderbouw komen wel klaar voor die nieuwe natuurkunde?

De meeste onderbouwmethodes sluiten niet lekker aan bij NiNa en de eerste NiNa-lichting zit volgend jaar al in de brugklas. Hoe moet dat nu? Natuurkunde in de derde klas is traditioneel erg gericht op het werken met formules.

In het onderbouwlokaal staan de tafels in groepsopstelling, met elektra en gas aan de voorzijde.

We zijn in de derde klas dan ook vooral bezig met het trainen van het invullen van die formules. Tijd om voldoende aandacht te besteden aan de begrippen en verschijnselen die bij die formules horen ontbreekt meestal.

Het ontbreken van begripsopbouw betekent niet alleen dat de meeste leerlingen een jaar later compleet vergeten zijn hoe ze die formules ook alweer moesten invullen, het heeft ook een negatieve invloed op de profielkeuze. Leerlingen die met enige moeite de sommetjes wel kunnen oplossen maar geen idee hebben waar die berekeningen over gaan zullen toch snel gaan twijfelen of een keuze voor een N-profiel wel passend is.

Een andere aanpak

In de werkgroep hebben de deelnemers kennis kunnen maken met het lesmateriaal van het SOUL-project van het St. Bonifatiuscollege. De aanpak steunt op twee pijlers: enerzijds meer aandacht voor fenomenen, anderzijds groepswerk waarbij de nadruk ligt op samen onderzoeken en elkaar uitleggen. De titel SOUL staat voor samenwerken, onderzoeken, uitleggen en leren.

Het lijkt een logische keuze om meer aandacht te besteden aan begripsontwikkeling, maar de praktijk is weerbarstig. Groepswerk blijkt daarbij ondersteunend te kunnen zijn.

Aandacht voor fenomenen

In het lesmateriaal wordt voorafgaand aan de formules ruim aandacht besteed aan de fenomenen en verschijnselen die de grondslag vormen voor de formules. De leerlingen maken eerst kennis met de begrippen en zoeken verklaringen voor verschijnselen zonder gebruik te maken van formules en berekeningen. Daarbij wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van contexten die leerlingen herkennen.

Leerlingen werken in groepen aan de vragen, de docent geeft alleen een korte en motiverende inleiding. Door de vragen en opdrachten maken leerlingen kennis met de fenomenen en verschijnselen en worden ze uitgedaagd daarvoor verklaringen te vinden.

Begripsontwikkeling door elkaar uitleggen

Bij het samenwerken in groepsverband wordt veel nadruk gelegd op het vinden van een antwoord waar alle groepsleden het mee eens zijn én waarbij alle groepsleden het antwoord ook snappen.

Samenwerken en elkaar uitleggen is be- langrijk bij het SOUL-project.

Voor leerlingen is het vaak even wennen dat het niet alleen gaat om het goede antwoord, maar vooral om het begrijpen van het antwoord. Na verloop van tijd gaan leerlingen steeds meer vragen stellen waaruit je kunt opmaken dat ze willen weten hoe het nu écht zit. Dan zijn ze op de goede weg.

Deze vorm van samenwerken in het SOUL-project maakt dat leerlingen elkaar veel aan het uitleggen zijn, en dat blijkt vaak voor alle groepsleden een zeer effectieve activiteit te zijn. Met het elkaar uitleggen krijgen leerlingen de tijd om een eigen beeld van de situatie op te bouwen. Daardoor neemt ook het zelfvertrouwen toe.

De rol van de docent

De docent is in deze aanpak niet meer degene die eerst de theorie uitlegt of voordoet hoe de sommen gemaakt moeten worden. Dat betekent niet dat de docent een soort coach geworden is, de docent is een belangrijke speler tijdens de les. Er zal in de les minder tijd beschikbaar zijn voor klassikale uitleg en in die tijd is de kwaliteit van de docent van groot belang. De docent zorgt bijvoorbeeld voor motivatie, geeft een inspirerende inleiding op het onderwerp, evalueert na afloop wat het leerresultaat is en brengt verbanden aan met de andere leerstof. Daarnaast zorgt de docent ook dat de groepjes op een goede manier samenwerken.

Ervaringen tijdens de werkgroep

Tijdens de werkgroep hebben de deelnemers met het lesmateriaal gewerkt en kunnen ervaren dat de vragen die de leerlingen in groepen moeten beantwoorden net iets anders zijn dan gebruikelijk. De vragen nodigen uit tot nadenken over en bespreken van verschijnselen en begrippen.

Een breed gedragen opvatting is dat deze vorm van groepswerk alleen succesvol kan zijn als de inzet de leerlingen voldoende is en daarbij ook goed samenwerken. Controle, inspiratie, reflectie en beloning zijn daarbij de instrumenten van de docent.

Digitaal lesmateriaal

Het lesmateriaal is geschreven naast de methode NovA, met verwijzingen naar de theorie in het boek. Al het lesmateriaal van het SOUL-project is, met toestemming van de uitgever van NovA, digitaal beschikbaar (mail naar k.hooyman@boni.nl).

De schrijvers van het materiaal moedigen gebruikers aan om het materiaal aan te passen aan de eigen behoefte en uit te breiden met frisse ideeën. Voorwaarde daarbij is dat het aangepaste materiaal zonder winstoogmerk beschikbaar is voor anderen, onder vermelding van de originele bron (creative commons).

Aardmagnetisme en kosmische straling¶

Werkgroep 17

A. de Leeuw

St. Michaël-college, Zaandam

De werkgroep is gehouden aan de hand van een powerpoint-presentatie. Deze is in zijn geheel terug te vinden via de ELO van het HiSPARC- project: www.hisparc.nl, klik door naar ‘ELO’, vervolgens naar ‘HiSPARC materiaal’ en klik dan tenslotte op ‘Magnetisch veld van de aarde en Kosmische stralen’. U komt dan op mijn site met de naam ‘Aardmagnetisme en kosmische straling’, in de linkerkolom vindt u ‘PPT aardmagnetisch veld’.

In de presentatie is eerst aangegeven dat het HiSPARC-project een project is waarin - met behulp van detectoren die geplaatst zijn op daken van scholen - metingen gedaan worden aan hoog energetische deeltjes uit de kosmos die de atmosfeer van de aarde binnendringen.

Deeltjes afkomstig van de zon, zowel de zogenaamde zonne-wind als protonen, beínvloeden het aardmagnetisch veld. Anderzijds zorgt het aardmagnetisch veld er voor dat veel kosmische deeltjes de aarde niet bereiken.

Zonnewind         

Coronal Mass Ejection

Magnetosfeer van de aarde\

Er is dus een verband tussen kosmische straling en het aardmagnetisch veld. Dit komt op fraaie wijze tot uiting in het Noorderlicht. (Aanbevolen boek: ‘Het Noorderlicht, Het opwindende verhaal van de man die het geheim van het Noorderlicht wist te ontsluieren’, waarin verteld wordt over de onderzoeken van Kristian Birkeland, geschreven door Lucy Jago.)

Tijdens de werkgroep is getoond hoe het St. Michaëlcollege te Zaandam een zogenaamde SAM (Simple Aurora Meter) heeft gebouwd: een apparaat dat voortdurend de veranderingen in het aardmagnetisch veld meet. Meetresultaten zullen binnenkort op genoemde site getoond worden.

Binnen het vak natuurkunde of het nieuwe vak NLT (Natuur, Leven en Technologie) zouden docenten aandacht kunnen besteden aan

• Hoe het aardmagnetisch veld ontstaat (geodynamo)

• Verandering van het veld in de loop der tijden (Paleomagnetisme)

• Ontstaan van het Noorderlicht (ionisatie en emissie)

Tot slot werden ook nog enkele experimenten getoond die in de klas gedaan kunnen worden. Een beschrijving hiervan staat op genoemde site. De film ‘The Core’ waarin een reis naar het binnenste van de aarde wordt gemaakt is zeer geschikt om in de klas de belangstelling voor het aardmagnetisme op te wekken en de leerlingen uit te dagen om de fysische onzin daarin op te speuren.

Natuur Leven en Technologie: de actuele stand van zaken¶

Werkgroep 19

H. Wielenga

Landelijk ontwikkelpunt NLT, Hogeschool van Utrecht

Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

Mijn naam is Hannah Wielenga. Ik werk twee dagen per week bij het landelijk ontwikkelpunt Natuur Leven en Technologie (NLT). Onder verantwoordelijkheid van de stuurgroep coördineert het ontwikkelpunt de ontwikkeling en invoering van het vak NLT. Daarnaast werk ik twee dagen per week als lerarenopleider natuurkunde en als voorzitter van het beleidsteam innovatie aan de Archimedes Lerarenopleiding (Hogeschool van Utrecht). Tot enkele jaren geleden gaf ik natuurkunde, ANW en wiskunde op het Bonifatiuscollege in Utrecht.

In een lezing op vrijdagmiddag wil ik u een beeld geven van het nieuwe geïntegreerde bètavak NLT. Scholen kunnen dit vak vanaf september 2007 in de bovenbouw van het havo en vwo als profielkeuzevak voor NG en NT aanbieden.

Tijdens die lezing krijgt u:

• algemene informatie over NLT;

• informatie over ontwikkeling en invoering;

• informatie over de laatste stand van zaken, voornamelijk wat betreft de modules.

In deze op de lezing aansluitende werkgroep kunt u zich een beeld vormen van de allereerste NLT-modules. Daarnaast zal ik u vragen om uw mening en ideeën met betrekking tot de verdere ontwikkeling en inhoudelijke invulling van NLT.

Nanoscience, een module-in-wording voor NLT¶

Werkgroep 22

A.E. van der Valk

Junior College Utrecht, FIsme en IVLOS, Universiteit Utrecht

Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

Inleiding

De module nanoscience is in 2006 een keer gegeven aan 23 leerlingen van V6 van het JCU. De module zal in 2007 opnieuw gegeven worden in het JCU, nu als keuzemodule; 48 V6 leerlingen moeten kiezen tussen de module ‘bewegende aarde’ en ‘nanoscience’.

De module zal, aan de hand van ervaringen ermee op het JCU en op partnerscholen, bewerkt worden tot een module van 40 uur die past in het nieuwe bètavak Natuur Leven en Technologie.

Waarom Nanoscience op het VWO?

Nanoscience is een vakgebied dat zich snel ontwikkelt en waar verschillende natuurwetenschappelijke disciplines elkaar raken: natuurkunde, scheikunde en biologie. Het is een spannend wetenschapsgebied waar zich in de afgelopen jaren diverse belangrijke doorbraken hebben voorgedaan, die uitzicht geven op maatschappelijke toepassingen. Sommige toepassingen zijn er al, zoals zelfreinigende ramen en zonnebrand. Andere toepassingen zijn nog slechts in de gedachten van de wetenschappers, zoals biomedische toepassingen (bv targeted drug delivery).

Leerlingen van 5 en 6 VWO kunnen met hun kennis al enigszins begrijpen wat er op nanoschaal aan de hand kan zijn en welke nieuwe uitdagingen onderzoek op dat gebied kan bieden. Een module nanoscience kan VWO-leerlingen daarom uitzicht bieden op de moderne wetenschapsbeoefening en hen enthousiast maken voor de bètawetenschappen. Het kan de leerlingen ook voorbereiden op mogelijke consequenties van nieuwe ontwikkelingen en de ethische dilemma’s en risico afweging die daarbij nodig kunnen zijn.

De context: het Junior College Utrecht

Het JCU is een samenwerking tussen de Universiteit Utrecht en 26 VWO scholen uit de regio Midden Nederland. In 2006/07 zijn er 52 V5 en 48 V6 leerlingen. Ze zijn geselecteerd op voordracht vanuit de partnerscholen. De belangrijkste criteria waren: motivatie voor bèta-vakken en een breed talent, zodat zij ook de andere vakken op school zonder problemen zouden kunnen volgen.

De leerlingen zijn 2 dagen per week op het JCU en volgen dan het complete curriculum voor biologie, scheikunde, natuurkunde en wiskunde. De andere drie dagen volgen de leerlingen lessen in de niet-examenvakken op de eigen school en werken ze aan JCU-opdrachten, huiswerk etc.

De kenmerken van het JCU-curriculum zijn:

• Versneld: het VWO examenstof wordt versneld behandeld zodat er tijd overblijft voor verdieping en verrijking.

• Samenhang tussen de bètavakken: omdat alle JCU-leerlingen alle bètavakken volgen, kan op verschillende momenten aandacht besteed worden aan de samenhang tussen de vakken, o.a. in projecten en modules (uitproberen NLT-modules).

• Verdieping: de VWO leerstof wordt verdiept aangeboden, met aandacht voor achtergronden en de onderzoekscontext waarin de kennis in de universitaire context functioneert, o.a. gebruik makend van universitaire laboratoria, excursies.

• Verrijking: de leerlingen krijgen lesstof aangeboden die buiten het VWO programma ligt. Nanoscience is daar een voorbeeld van. Voor een deel staat die lesstof in het kader van vernieuwing van de vakken zoals Nieuwe Scheikunde of het bètavak Natuur Leven en Technologie.

Voor meer informatie over het JCU zie www.jcu.uu.nl.

De opbouw van de JCU-module voor 2007

In 2006 is de module nanoscience voor het eerst gegeven op het JCU, als een zogeheten universitaire module, gegeven door specialisten uit de Universiteit Utrecht. De module werd toen onderwezen in vier dagdelen. De ervaring was dat de leerstof in een te hoog tempo werd gegeven waardoor er voor de leerlingen onvoldoende verwerkingstijd was. Dit jaar, van februari tot begin april, zal de module weer gegeven worden met ongeveer dezelfde inhoud, maar in een lager tempo en met meer leerling-activiteiten gericht op verwerking van de leerstof. Een belangrijk kenmerk van de module, het laten zien van vergezichten en grote lijnen zonder dat de leerlingen die in detail hoeven te begrijpen, zal gehandhaafd blijven. We beschrijven de module hier in grote lijnen.

Dagdelen 1 en 2: introductie

Gedurende deze dagdelen krijgen de leerlingen een hoorcollege dat wordt afgewisseld met het uitvoeren van verwerkings- of onderzoekopdrachten. Het gaat over de vraag: wat is nano-science en wat zijn nanomaterialen?

Onderwerpen die daarbij aan de orde komen zijn:

• Waarom is nanoscience belangrijk (klein in afmeting, maar groot in het geld dat erin wordt geïnvesteerd)

• Schaal en dimensionaliteit

• Wat verandert er als de afmetingen kleiner worden gemaakt?

• Kleine afmeting effecten

• Oppervlakte effecten

• Fysische en chemische eigenschappen

• Klassen van nanomaterialen: halfgeleiders, nanokristallen, koolstof nanomaterialen

Dagdelen 3 en 4: nanomaterialen maken

Dagdeel 3 gaat over de vraag hoe je nanomaterialen maakt en de eigenschappen ervan onderzoekt. Het bestaat uit een hoorcollege met verwerkingsopdrachten.

• Hoe maak je nanomaterialen?

• Top-down (lithografie)

• Scanning Tunneling microscoop

• Bottom-up: stapelen van atomen (self-assembly)

Dagdeel 3 is tevens een voorbereiding op het practicum: goud-nanokristallen maken dat op dagdeel 4 gedaan wordt. Afgelopen jaar bleek dat dit practicum niet in alle opzichten geslaagd was, dus het is nog niet zeker of deze herhaald zal worden.

Dagdelen 5 en 6: nanotoepassingen

Toepassingen van nanotechnologie zijn er in verschillende stadia: van uitontwikkelde commerciële producten (nanosales) tot toepassingen waarvan het nog maar de vraag is of ze gerealiseerd kunnen worden (nanodream). Daartussen kunnen als stadia gezien worden:

1. Nano-baby: in ontwikkeling zijnde toepassing

2. Nano-embryo: een principe dat op toepassing wacht

3. Nano-idee: een te voorziene ontwikkeling die in de toekomst tot toepassingen kan leiden

Voor veel nanotoepassingen moet nog het nodige fundamentele en ontwikkelingsonderzoek gedaan worden. Tijdens dagdeel 5 staan de biomedische toepassingen centraal:

• Bloedvaten maken in een tumor

• Nanodeeltjes voor bio-medicijnen

• Nanodeeltjes voor diagnose (o.a. quantum dots)

Andere toepassingen, zijn o.a. te vinden bij zeolieten, dendrimeren en katalysatoren.

Op dagdeel 6 kiezen de leerlingen zelf een toepassing. Ze klassificeren die als nanosales of nanodreams of iets er tussen in. Verder verzamelen ze informatie over die toepassing en bereiden er een presentatie over voor. De opdracht daarbij is:

a. Kies een toepassing - Wat houdt die in? - Op welk niveau? b. Wat zijn mogelijkheden/beperkingen? c. Wat zijn de risico’s bij toepassing d. Zijn er ethische bezwaren tegen de toepassing?

→ enteer het resultaat als ppt presentatie

Dagdeel 7: de presentaties en afronding

Op dagdeel 7 geven de leerlingen een powerpoint presentatie van de toepassing die ze bestudeerd hebben. Ze geven commentaar op elkaars presentatie. De presentaties gelden als een praktische opdracht waarvoor ze een cijfer krijgen dat op het JCU-getuigschrift wordt vermeld.

De module wordt afgerond met een discussie over vragen als:

• wat heb je geleerd tijdens deze module

• heeft dit bijgedragen aan je kennis van de bètavakken in het algemeen, de samenhang ervan, je interesse in die vakken e.d.

• welke nieuwe vragen zijn er bij je opgekomen en hoe zou je daarmee verder kunnen komen?

Hoe verder met de module Nanoscience

Rond de module bestaat al een ‘ontwikkelgroep’ van docenten van de partnerscholen die delen van de module op school uitproberen. Na het uitproberen van de nano-module op het JCU zal er een partnerschool versie gemaakt worden die in het kader van NLT zal passen (VWO-domein Nieuwe stoffen en materialen). Deze is in juni 2007 te verwachten. Partnerscholen van het JCU kunnen deze versie gaan uitproberen, met ondersteuning vanuit het JCU, in het schooljaar 2007/08. De evaluatie daarvan zal leiden tot een aangepaste module die opnieuw in partnerscholen zal worden uitgeprobeerd maar ook ter beschikking van andere scholen zal komen. Uiteindelijk zal de derde versie voor breed gebruik beschikbaar komen.

De doos van Borromini: interactieve DVD game over het spanningsveld tussen wiskunde en waarnemen¶

Werkgroep 23

J. De Poorter & L. De Jaegher

Arteveldehogeschool, Gent, België

De doos van Borromini speelt zich tegelijk af in het Rome van de 17de en de 21ste eeuw. Architect Borromini kreeg in 1652 van Kardinaal Bernardino Spada een bijzondere opdracht. De kardinaal had een klein aanpalend perceel bij zijn palazzo gekocht. De oppervlakte was klein, en toch wilde de kardinaal er een indrukwekkende zuilengalerij in laten bouwen. Hoe slaagde Borromini om wiskunde en waarnemen samen te brengen in een resultaat dat ook op vandaag nog steeds de bezoekers aan de galerij verrast en verwondert.

Deze vraag boeit ook Thomas, de spelbegeleider en bedenker van De doos van Borromini. Hij zoekt een geschikte kandidaat om model te staan voor een animatiepersonage dat erin slaagt de geheimen van de zuilengalerij van Borromini te ontrafelen. Hij vindt twee kandidaten die aan elkaar gewaagd zijn: Jonathan en Tina. Ze zijn tegenpolen. Jonathan neemt waar, Tina analyseert. Thomas kan zelf de keuze niet maken, en ook de jury die hij inschakelt slaagt daar niet in.

Het zijn uiteindelijk de spelers zelf die het volledige verloop en de afloop van de interactieve film bepalen. Eerst ontdekken zij via een profieltest hun eigen manier van kijken (wiskundig-analytisch of visueel). Zo bepalen zij zelf met welk personage de tocht door Rome start. Doorheen het spel, dat in groep wordt gespeeld (4 tot 32 personen, vanaf 17 jaar), daagt Thomas de spelers uit. Ze leren hun eigen manier van waarnemen kennen en er gebruik van maken om de opdrachten rond perspectief in de kunst, anamorfosen, de hemelklok van Galilei, de ponzo-illusie, en de spiegelwetten op te lossen. Gaandeweg ontdekken ze ook de samenhang tussen wiskunde en kunst. Uitdager Thomas begeleidt hen, animaties illustreren de antwoorden.

Het interactieve DVD game ‘de doos van Borromini’ spelen duurt ongeveer 150 minuten en is uitermate geschikt als vakoverschrijdend project in de derde graad van het secundair onderwijs (vb. in de vrije ruimte). Maar uiteraard kan iedereen met interesse in hoe wetenschap echt werkt (voorbij de clichés) dit spel spelen.

Gaming en onderwijs

De educatieve potentieel van computergames wordt ondertussen meer en meer erkend. Games zetten aan tot actief leren en actief omgaan met informatie en zijn op zijn minst aanvullend op klassieke onderwijsvormen. Een extra drijfveer is uiteraard het feit dat zowel jong als oud graag een spel wint.

In ‘de doos van Borromini’ worden deze pluspunten gecombineerd met een element dat doorgaans in computergames ontbreekt, namelijk het coöperatief leren. De computerconsole wordt verlaten en een groep mensen (4 tot 32 spelers) speelt samen voor een centraal scherm onder het toeziend oog van een spelbegeleider. De groep wordt op basis van zijn profiel onderverdeeld in teams (2 tot 4 spelers groot) die ofwel wiskundig, ofwel visueel ingesteld zijn. Deze teams moeten een aaneenschakeling van uitdagingen oplossen om uiteindelijk te slagen in het centrale doel: ‘de doos van Borromini’ openen. Net zoals bij computergames bepalen de gemiddelde resultaten van de teams mee de verhaallijn. De uitdagingen zijn vrij divers opgesteld waardoor de verschillende spelers van een team aan bod kunnen komen. Hier ontstaat het coöperatief leren dat wel degelijk door de spelers als een meerwaarde wordt ervaren.

Het gebruik van een interactieve DVD heeft als voordeel dat we met een eenvoudige en goedkope technologie werken. Nadeel van deze keuze is de noodzakelijke aanwezigheid van een objectieve spelbegeleider die naast wat voorbereidingswerk als belangrijkste taak het bijhouden van de tijdspunten heeft.

Wetenschap en kunst in de 17^de^ eeuw

Het 17^de^ eeuwse Rome is het decor voor het spel met daarin twee centrale spilfiguren: Galileo Galilei (1562-1642) en Francesco Borromini (1599-1667). Op het eerste zicht de wiskundige en de kunstenaar, maar niks is zoals het lijkt.

Galileo Galilei is één van de groten van de wetenschapsgeschiedenis. Bij het grote publiek is hij gekend voor zijn conflict met de kerk, maar wetenschapshistorici zullen vooral het verwiskundigen van de valbeweging als zijn belangrijkste prestatie aanstippen. Hierbij prijkt hij naast groten zoals Isaac Newton en Albert Einstein.

Galilei gaf zich graag uit als wiskundige, maar uiteraard was hij veelzijdiger dan dat. Hij was een begenadigd tekenaar. Recentelijk zijn tekenstudies van paarden en naakten van zijn hand aan het licht gekomen. Zijn kunstenaarsoog heeft hem zeker bijgestaan bij het interpreteren van zijn hemelse waarnemingen. Galilei was één van de eersten die het maanoppervlak met een zelfgemaakte telescoop bestudeerde. Zo interpreteerde hij de waargenomen vlekken als een spel van licht en schaduw rond bergen en kraters, een idee dat radicaal inging tegen het gangbare idee van een perfect bolvormige en spiegelende maan.

Eenzelfde verhaal vind je terug bij de architect Borromini. Zijn vormgeving lijkt op het eerste zicht vooral een esthetische uiting, weg van de klassieke geometrische figuren uit de renaissance. Maar als je de vorm van het plafond in zijn meersterwerk Sant’Ivo della Sapienza (1642 e.v.) grondiger analyseert bemerk je dat het grondplan strikt wiskundig is opgebouwd.

Eenzelfde wisselwerking tussen wiskunde en kunst staat ook centraal in de Galleria Prospettiva (1652-1653), de zuilengang van Borromini en het hart van de interactieve DVD. De opdrachtgever, kardinaal Bernardino Spada, zocht een bestemming voor een klein perceel dat grensde aan zijn palazzo. Het perceel was te klein om er een extra vleugel te bouwen of een indrukwekkende binnentuin te creëren.

Maar de kardinaal kreeg een bijzondere ingeving. Het was in Rome in die tijd heel modieus om interieurs van rijke palazzo’s op te smukken met perspectivische schilderingen van landschappen of architectuurelementen die een illusie van ruimte creëerden. Hij bedacht een architectonische variant hierop: een perspectivische zuilengalerij.

De afmetingen van de zuilen van deze galerij nemen geleidelijk aan af naarmate ze verder in de zuilengang staan. Hierdoor lijken deze zuilen verder weg te staan en schijnt de zuilengang langer dan hij in werkelijkheid is. Borromini was de geknipte architect om een dergelijke architectonische illusie te creëren. Hij had in de decennia voordien als geen ander geëxperimenteerd met vormgeving en optische effecten. Hij kende door en door de knepen van de optische correctie die de oude Grieken al toepasten om vervorming bij de waarnemer van grote gebouwen tegen te werken. Borromini kon ze hier in een extreme vorm aanwenden om een sublieme illusie te creëren, die van een grote, lange en statische zuilengalerij.

Reizende tentoonstelling

De zuilengang van Borromini is in Rome te bezichtigen in Galleria Spada. Een gids geeft je een korte rondleiding en loopt doorheen de gang om je van op een veilige afstand van het effect te laten genieten. Alleen is het niet toegelaten om zelf de zuilengang te betreden. Als bezoeker blijf je achter met het gevoel dat je het geheim juist niet hebt mogen doorgronden.

In de marge van de interactieve DVD zijn er dan ook middelen bij elkaar gezocht om een replica van de zuilengang te vervaardigen die gemakkelijk kon vervoerd en opgezet worden. Het is een opblaasbare zuilengang geworden waarbij we ons om praktische redenen hebben beperkt tot 80% van de oorspronkelijke afmetingen. De voorkant van de zuilengang blijft nog 4,5 m groot waardoor hij nog juist in grote expositieruimten binnen kan staan.

Met deze zuilengang beschikken we over een attractieve illusie bruikbaar voor allerhande manifestaties en tentoonstellingen rond wetenschap en waarbij de toeschouwer het geheel volledig kan onderzoeken.

Maar er is meer dan dit mogelijk. De opblaasbare zuilengang is ook een echte experimenteer-ruimte. De optische illusies die optreden in de zuilengang zijn nog steeds onderwerp van wetenschappelijk onderzoek en polemiek. Eén van deze illusies is de zogenaamde grootte-illusie, voorwerpen lijken te vergroten als ze verder in de zuilengang worden geplaatst. De opblaasbare zuilengang biedt een controleerbare experimenteeromgeving om dit effect verder te onderzoeken.

Besluit

De doos van Borromini geeft de spelers niet alleen een idee van hun eigen manier van waarnemen, maar ook van de kracht van het bestaan van verschillende soorten waarneming. De doos van Borromini laat zich pas openen als de wetenschappers en de kunstenaars onder de spelers beide de kracht van hun eigen manier van waarnemen, maar ook van die van de anderen waarderen. De zuilengang zelf toont aan hoe de werkelijkheid zelf bepaald wordt door één van de vele standpunten van waaruit we die werkelijkheid waarnemen.

Het volledige spel spelen duurt ongeveer 150 min. Het wordt in groepen van (4 tot 32) gespeeld, al dan niet in klasverband, met spelers vanaf 17 jaar. Het spel is verkrijgbaar in De Standaardboekhandels van de grote steden (Antwerpen, Brussel, Gent, Leuven, Aalst, Kortrijk, Mechelen, Sint-Niklaas, Brugge, Oostende, Hasselt) tegen de kostprijs van 75 euro voor het volledige pakket met daarin naast de DVD ook de spelbegeleiding, spelbundel en spiegelfolie. Verdere informatie vindt u ook op de website www.dedoosvanborromini.be.

John De Poorter, Lut De Jaegher, lectoren Arteveldehogeschool, kattenberg 9, 9000 Gent (E-mail: john.depoorter@arteveldehs.be)

Literatuur

J. Gee, What Video Games Have to Teach Us About Learning and Literacy, Palgrave Macmillan, 2003.

J. Morrissey, The Genius in the Design: Bernini, Borromini, and the Rivalry That Transformed Rome, HarperCollins Publishers, 2005.

S. Dupré, De Optica Van Galileo Galilei: Interactie Tussen Kunst En Wetenschap. Vol. Nieuwe Reeks, 5, Verhandelingen Van De Koninklijke Vlaamse Academie Van België Voor Wetenschappen En Kunsten. Brussel: Koninklijke Vlaamse Academie van België voor Wetenschappen en Kunsten, 2001.

F. Leeman, Anamorfosen. Een spel met waarneming, schijn en werkelijkheid. Landshoff, Amsterdam, 1975.

Verplichte vermeldingen

Ontwikkeling gesteund met PWO-middelen van de Arteveldehogeschool

Dit project wordt ondersteund binnen het actieplan Wetenschapsinformatie en Innovatie, een initiatief van de Vlaamse Overheid.

Van Watermolen en Stoommachine tot ‘Behoud van Energie’¶

Werkgroep 24

R. Genseberger & M. van den Berge

Bijlmer, Amsterdam

Bijlmer, Amsterdam\

In deze werkgroep maakten de deelnemers kennis met een module voor 4vwo ‘De stoommachine, welvaart en wetenschap. Inleiding in het wetenschappelijk energiebegrip’.

De module is onderdeel van een groter project: een leerlijn ‘energie’ van klas 1 t/m 6, door alle vakken heen.

Inleiding

Plaats van module in een leerlijn.

De module komt voort uit een studie die we in het kader van het SONaTe project uitgevoerd hebben, waarbij nagegaan is of het concept Energie gebruikt kon worden om meer samenhang tussen de natuurwetenschappelijke vakken in het VO te creëren. Deze studie liet onder andere zien dat de behandeling van ‘Energie’ in de schoolboeken van natuurkunde, scheikunde en biologie voor de basisvorming en de tweede fase onsamenhangend (en daarmee vaak ook onbegrijpelijk) is. Kort gekarakteriseerd kwam het neer op:

• Tegenstelling tussen Leefwereld en Wetenschap

• Gebrek aan inhoudelijke afstemming tussen vakken

• Gebrek aan timing tussen vakken

Om een oplossing voor deze problemen te vinden hebben we een studie gemaakt van:

• De didactische literatuur rondom energieonderwijs.

• Hoe schoolboeken in binnen- en buitenland onderwerpen met ‘energie’ behandelen.

• De historische ontwikkeling van het energiebegrip.

• Het wetenschappelijke en technologische energiebegrip.

• De ontwikkeling van de relatie tussen dit energiebegrip en het dagelijks taalgebruik.

Op basis van deze studie is door ons een ‘leerlijn energie’ ontworpen, voor alle vakken en alle jaren van het VO, rondom drie uitgangspunten:

• Breng inhoudelijk een scheiding aan tussen energie als leefwereldconcept en energie als wetenschappelijk concept.

• Breng inhoudelijk een samenhang aan tussen het onderwijs over energie in de verschillende natuurwetenschappelijke vakken.

• Ga uit van contexten die door leerlingen als relevant en inspirerend kunnen worden ervaren en die tevens functioneel zijn voor de ontwikkeling van de betreffende concepten.

Beknopt samengevat ziet de leerlijn er als volgt uit:

• Onderbouw: alleen ‘dagelijks leven’ energie, als ‘ge- en verbruik’

• Bovenbouw: Wetenschappelijk energiebegrip in drie thema’s:

  • ‘Behoud van energie’ en het energie concept (macrowereld)

  • Energie in microwereld (kinetische theorie, bindingen)

  • Energie en Leven

We presenteren in deze werkgroep de module die geschreven is voor ‘Behoud van energie’ en het energie concept’, in de bovenbouw van het VWO.

De 4 VWO klas, werkend met de module

Uitgangspunten van de module

Inhoudelijk - Inhoudelijk natuurwetenschappelijk is het doel leerlingen vertrouwd te maken met het wetenschappelijke energiebegrip en de ‘Wet van behoud van energie’, vanuit fenomenologisch perspectief en op macroscopisch niveau. Door middel van de ontwikkeling van de begrippen ‘warmte’ en ‘vis viva’ wordt getoond hoe het moderne wetenschappelijke begrip ‘energie’ en de ‘wet van behoud van energie’ gedefinieerd zijn.

Inhoudelijk cultureel is een doel leerlingen te laten zien hoe begrippen uit de natuurwetenschappen en techniek in de loop van de tijd door mensen ontwikkeld zijn op basis van uiteenlopende drijfveren en gebed in de dan bestaande cultuur. De module loopt mede daarom min of meer parallel aan de historische ontwikkeling van het energiebegrip en laat zien hoe de ontwikkeling van machines om arbeid te verrichten (watermolen en stoommachine) mede geleid hebben tot de definiëring van het wetenschappelijk energiebegrip.

Inhoudelijk motivationeel is een doel de leerlingen te interesseren voor aspecten van de natuurwetenschappen. Daartoe is getracht de ontwikkeling van de begrippen dusdanig uit te lijnen dat de leerlingen geboeid worden door het ‘verhaal’ en tevens inzien waarom bepaalde stappen gezet worden.

Werkwijze - Gestructureerde lessen: docent leidt de gezamenlijke voortgang in het proces.

Daarbinnen veel afwisseling in de lessen: verhaal door docent, onderwijsleergesprekken, demonstratieproeven, leerlingenpracticum, groepswerk (vragen maken en teksten schrijven, proeven doen, discussiëren), klasdiscussies.

Samenvattingen geschreven door leerlingen nemen een belangrijke plaats in het leerproces in.

Belangrijk - We gebruiken de term ‘energie’ pas als het duidelijk is hoe die wetenschappelijk gedefinieerd wordt. Dit om verwarring met het dagelijks leven begrip ‘energie’ te vermijden. Dat betekent dat we in het begin afspreken die term niet te gebruiken, pas op het einde van de lessenreeks komt ze te voorschijn.

De model stoompomp van Savery

Lesmateriaal

Het eerste hoofdstuk, ‘De ontwikkeling van de stoommachine’, heeft als doel te laten zien dat warmte machines kan aandrijven. Dit legt de basis voor een inzicht dat warmte iets als ‘energie’ zou kunnen zijn, in de dagelijks leven betekenis van ‘iets dat voor actie kan zorgen’. Het hoofdstuk laat tevens zien hoe verschillende stappen, die geïnspireerd werden door de wens praktische problemen op te lossen, geleid hebben tot de verbetering van de stoommachine door Watt. Er wordt aandacht besteed aan zowel de verheldering van de natuurwetenschappelijke principes als aan de maatschappelijke context. Daarbij worden ook de personen belicht die voortgang brachten in dit ontwikkelingsproces.

Het tweede hoofdstuk, ‘Warmte’, heeft als doel het begrippenpaar ‘temperatuur’ en ‘warmte’ te definiëren. Dit wordt gemotiveerd door aan te geven dat de vraag naar meer kennis over warmte opgeroepen werd door pogingen van Watt om de stoommachine rendabeler te maken.

‘Temperatuur’ is ‘datgene wat een thermometer aanwijst’. ‘Warmte’ definiëren we hier als ‘iets wat van een plaats van hoge temperatuur naar een plaats met lage temperatuur stroomt’. Op deze basis is de eenheid van warmte afgesproken: als 1 liter water stijgt in temperatuur met 1°C , dan zeggen we dat er 1 kcal warmte het water in is gestroomd. Met name het meetbaar worden van ‘een hoeveelheid warmte’ en vervolgens het ontwikkelen van de begrippen warmtecapaciteit, soortelijke warmte en verdampingswarmte, leidden tot zoveel inzicht in de onderliggende principes van de stoommachine dat het mogelijk werd die aanzienlijk te verbeteren.

Een begrip ‘behoud van warmte’ wordt ingevoerd, als opstap naar een begrip ‘behoud van energie’ in het volgende hoofdstuk.

We laten verder zien hoe het concept ‘warmte’ ons kan helpen om veel verschijnselen in onze omgeving en de natuur beter te begrijpen.

Het derde hoofdstuk, ‘Arbeid en de Wet van Behoud van Energie’, heeft als doel het wetenschappelijke concept ‘Energie’ in te voeren. Dit hoofdstuk begint met de watermolen, een machine die een belangrijke rol speelde vóór maar ook nog ten tijde van de industriële revolutie. Het streven de watermolen efficiënter te maken verscherpte inzichten als ‘behoud van mechanische energie’ (in die tijd èn in dit hoofdstuk 'behoud van vis viva genoemd) en werkte mee aan de ontwikkeling van het begrip ‘Arbeid’.

Het natuurkundige begrip ‘Arbeid’ wordt hier geïntroduceerd als concept om prestaties van verschillende machines met elkaar te kunnen vergelijken. De bijbehorende eenheid is zoiets als ‘eenheid van geleverd karwei’, nu gedefinieerd als: het optillen van een gewicht van 1 N over een afstand van 1 m. Werktuigen als de hefboom en de katrol worden behandeld, om het verschil tussen ‘kracht’ en ‘arbeid’ duidelijk te maken.

De behoefte aan iets als ‘behoud van’ in de natuur wordt uitgedrukt in de formulering van ‘behoud van vis viva (levende kracht)’. Als die toch niet behouden lijkt te zijn, is vaak te constateren dat ze is omgezet in warmte. Met de beroemde proef van Joule werd het kwantitatieve verband tussen beide vastgelegd. Een dalend gewicht dreef een schoepenrad in een bak water aan, waardoor het water enigszins in temperatuur steeg. Hiermee werd een relatie gelegd tussen een door de vis viva verrichtte hoeveelheid arbeid (in de betekenis van F × s) en een hoeveelheid ontwikkelde warmte. Joule kon met deze proef een meetbare geleverde arbeid omzetten in meetbare warmte, het verhoudingsgetal 4,2 heette daarom het mechanisch warmte-equivalent (1 cal = 4,2 J).

Dit gaf de mogelijkheid de ‘wet van behoud van energie’ te formuleren: we combineren 'behoud van vis viva’ en ‘behoud van warmte’. Vervolgens moeten we nagaan of dit ‘behoud van energie’ bij alle transformaties stand houdt. Dit schetst tevens een wetenschappelijk programma. Het wetenschappelijke concept ‘energie’ wordt vervolgens gedefinieerd als ‘datgene wat rekenkundig behouden blijft’.

Terugblik op het lesmateriaal

Waardering door de leerlingen - De leerlingen zijn allen opvallend positief over het project. Ze vonden deze lessen beter/interessanter dan de lessen die ze gewoonlijk hebben aan de hand van het boek, één leerling geeft aan dit het leukste blok van het jaar te hebben gevonden.

Tijdens de lessen viel de betrokkenheid bij de lessen op. Volgens de docent waren leerlingen meer dan anders met de les zelf bezig, er werd minder over de eigen beslommeringen gekletst. Er werd vaak (door sommige leerlingen meer dan andere) druk gediscussieerd over de problemen.

Wat de leerlingen met name aansprak was dat alles met elkaar klopte, dat alles er toe deed, alles een functie had. Leerlingen geven aan dat niks uit het materiaal weggelaten zou kunnen worden, omdat je alles nodig hebt om de stof te begrijpen. Het laatste hoofdstuk wordt door bijna allen het meest gewaardeerd, omdat daar alles op zijn plek viel en de samenhang tussen de eerder geleerde begrippen duidelijk werd. Bijna allen hadden het gevoel de stof uiteindelijk ook echt begrepen te hebben. Men vond de uitleg in het werkboek over het algemeen zeer goed.

Er lijkt voor elk wat wils in het materiaal te zitten. Veel leerlingen waarderen de grote hoeveelheid experimenten, die leuk én leerzaam worden gevonden. Een leerling merkt op het interessant te vinden dat ze deden ‘wat de uitvinders van toen ook deden’.

De waardering van de verschillende onderwerpen is gespreid. De één vindt met name het stuk rondom warmte interessant, een ander spreekt de lessen rondom de stoommachine aan. Bijna iedereen noemt vis viva als één van de interessantste onderwerpen, misschien omdat het nieuw is voor ze.

Leerlingen geven aan over het algemeen het meest opgestoken te hebben van de kringgesprekken, van het discussiëren over de stof. Verbeterpunten die genoemd worden zijn dat het hoofdstuk rondom warmte te lang duurt en dan wat saai wordt. Een aantal leerlingen mist ‘elektrische energie’ in het geheel.

In het materiaal komt maar één formule voor. Hoewel velen dit prettig vinden, zijn er ook leerlingen die dit moeilijk vinden: ze missen het houvast dat een formule kan bieden. Een moeilijk onderdeel vonden veel leerlingen de oefen- en verdiepingsopgaven die opgenomen zijn bij het hoofdstuk warmte.

Typisch is dat meerdere leerlingen (wellicht buren) aangeven dat ze het prettig vinden dat de lessen zo gestructureerd waren, dat er duidelijk een planning was.

Waardering door de docent (Marco van den Berge) - Het uitvoeren van deze lessenserie is de docent zeer goed bevallen. Mede doordat zijn leerlingen zo enthousiast waren: ‘Het viel me telkens weer op hoe gemotiveerd ze waren en hoe hard er over het algemeen gewerkt werd. Leerlingen vonden het leuk om zelf te moeten nadenken en inzicht te krijgen in de begrippen die in de lessenserie aan de orde kwamen’. Als belangrijk punt noemt hij dat de experimenten en demonstraties functioneel zijn: ze zijn nodig bij het ontwikkelen van het begrip.

De gedegen voorbereiding met de auteur heeft daarbij duidelijk bijgedragen aan het realiseren van de lesdoelen.

De docent is van plan de nieuwe versie van het materiaal, waarin met name het hoofdstuk over warmte zal zijn bijgesteld, het volgend jaar weer te gaan gebruiken.

Waardering door de auteur (Rupert Genseberger) - Op basis van zijn eigen ervaringen uit de klas en de historische ontwikkeling van het energiebegrip is deze lessenserie tot stand gekomen, die voor zover bekend tamelijk uniek is. De grote vraag was of de opzet geslaagd was, dat wil zeggen: krijgen de leerlingen echt inzicht in de begrippen en weet deze aanpak de leerlingen te motiveren.

Tijdens de lessen werd duidelijk dat de lessen deze groep leerlingen zeer zeker wist te motiveren. Dat deze opbouw leidt tot werkelijk begrip van wat in de wetenschap verstaan wordt onder warmte, arbeid, vis viva (mechanische energie), energie en behoud van energie zijn voor hem bevestigd op basis van wat in de lessen is gehoord en gezien (het is nog niet meer objectief onderzocht). De basis is er, wat niet wegneemt dat delen van het materiaal - soms grondig - gereviseerd moeten worden.

Vooruit - samenwerking tussen vakken¶

Werkgroep 25

B. Oranje, R. Slagter, T. Wieberdink, J. Teule & P. Geerke

Lyceum Heemstede en Amstel Instituut Amsterdam

Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

In het kader van ‘Vooruit’ [een subsidieregeling 2004-2007] is door meerdere scholen met hulp van het AMSTEL Instituut (UvA) subsidie aangevraagd en verkregen: Carmel-Raalte, CVO-Hilversum, Hageveld-Heemstede, HLZ en Amstel Lyceum-Amsterdam, St. Michael-Zaandam en PCC-Alkmaar. AMSTEL Instituut ondersteunt o.a. ICT en de (verplichte) verspreiding/publicaties. Opzet van al deze Vooruit!-projecten is samenwerking tussen vakken, vaak natuurkunde + techniek of breder natuur/scheikunde, biologie en techniek; op PCC is LO het kernvak en het thema Sport. Doel is o.a. meer samenhang in de lessen, meer aandacht voor onderzoek, ontwerpen en (Lab)vaardigheden. Deze werkgroep laat u zien hoe het project verloopt op het Comenius College in Hilversum en Hageveld Lyceum (aanwezig met lesvoorbeelden en practica, geen presentatie). U maakt kennis met voorbeelden van succesvolle aanpak en een voorbeeld uit een doorlopende leerlijn Bewegen (basisvorming-tweede fase CVO-Hilversum).

Bij deze werkgroep worden ook practica in Coach 5 en Coach 6 getoond.

Voorbeelden uit de doorlopende leerlijn Bewegen
Ontwikkelingsproject natuurkunde aan het Comenius College Hilversum
Reinoud Slagter, CVO-Hilversum

Doel

1. Leerlijnen voor onderwerpen uit de natuurkunde van klas 1-6 (1-5, 1-4): gestart is met mechanica en met elektriciteit.
   Hoe komen we zo ver dat het geheel van theorie en experiment, van kennis en vaardigheid, het blijvende eigendom wordt van een leerling?

2. Betere wisselwerking tussen experiment en theorie.
   Een leerling die een experiment over de wet van Newton heeft uitgevoerd, kan daarna nog geen som oplossen

3. Ontwikkelen van een internetsite (NATCOM.NL) waar de leerlingen hulp kunnen vinden over een leerlijn, bijv.:

   • wat moet ik weten aan het eind van de derde?

   • kan ik die toets maken?

   • wat is de wiskunde achter dit onderwerp? (y=3x s=3t)

   • hulp via animaties

4. Terugkoppeling: leerlingen uit hogere klassen helpen de leerlingen in lagere klassen (via beloning: ...slu’s).
   Een weerbarstig punt - de schoolorganisatie blijkt knelpunt.

Op onze website komen de ontwikkelde lessen en practica beschikbaar.

Onderzoeken en Ontwerpen - Hageveld Lyceum-Hilversum
Jaap Teule

Getoond wordt lesmateriaal en een combinatiepracticum over dichtheid (2e klas) - hierbij is gebruik gemaakt van voorbeeldlesmateriaal dat het AMSTEL Instituut beschikbaar stelde. http://www.science.uva.nl/research/amstel/CoachVMBO/

zie ook de powerpoint van het Hageveld Lyceum bij deze werkgroep

Grafisch gemodelleerde animaties en weerstations - SVOK-Castricum
Tjeerdo Wieberdink

Hoewel de nieuwe versie van Coach net verkrijgbaar is, wordt al druk gewerkt aan aanvullingen waarvan verwacht wordt dat die eind 2007 voor iedereen die dit pakket heeft aangeschaft, beschikbaar komen.

Op drie scholen wordt op dit moment al geëxperimenteerd met zo'n aanvulling: de mogelijkheid om met een grafisch model een reeks van afbeeldingen aan te sturen waardoor een animatie ontstaat.

De op deze manier grafisch gemodelleerde animaties zijn met name bestemd voor gebruik bij hoofdstuk 6 'Verkeersveiligheid' uit Newton VWO-1a. Daarnaast zijn ze ook met een aanvullende toelichting bruikbaar in andere leerjaren.

Leerlingen kunnen middels deze activiteiten op een aanschouwelijke manier kennismaken met onder andere de relatie beweging/grafiek, de eerste en tweede wet van Newton (zie afbeelding) en de relatie beginsnelheid/reactietijd/massa/remweg.

De in de activiteiten gebruikte modellen kunnen in de onderbouw kort worden toegelicht. In de hoogste klassen van het VO kunnen leerlingen zelf wijzigingen aan de modellen aanbrengen waardoor een beter inzicht in de theorie en praktijk wordt bewerkstelligd.

Aan het eind van dit deel van de bijeenkomst werd ook nog aandacht besteed aan de weerstations die in het kader van het Vooruit! project op vier plaatsen zijn geplaatst. Data kunnen via het Internet geraadpleegd worden: http://www.quant.nl, http://www.jpthijsse.nl/Weer/ en http://amber.bonhoeffer.nl/%7Eweatherlink/.

Doel van de weerstations is dat leerlingen met elkaar waarnemingen interpreteren en de betrouwbaarheid van de in de weerstations gebruikte sensoren onderzoeken.

Practicumproeven die ook voorbereiden op Compex¶

Werkgroep 27

A. Groenewold & H. Nienhuis

Etty Hillesum Lyceum, Deventer

Inrichting Tweede Fase in Deventer

• halfjaarroosters (maximaal 10 vakken/week)

• ¾ van alle contacturen klassikaal: c-uren

• ¼ keuze-uren (7 k-uren per week in rooster)

• toetsweken (geen toetsen buiten toetsweken)

• alle toetsen S.E

Uitgangspunten van ons programma

• natuurkunde is best moeilijk te ‘leren’

• ‘sommen maken’ is niet altijd de beste methode

• het draait om natuurkundige concepten

• niet alleen met ogen en oren: handen kunnen helpen

• vaak meerdere ‘leerronden’ nodig voor nieuwe leerstof

• veel leerlingen actiever als ze wat mogen doen

Onze onderwijsruimten en spullen

• twee vaklokalen (met elk 10 computers met Coachlabs en 1 beamer)

• een kabinet (met een computer, een printer en een laptop)

• een Nat Lab (met 4 computers en een printer/copier)

• een berging (met museumafdeling)

• een verdiepingskantoor

P.T.A. en Schoolexamen

• alle toetsen tellen mee

• schriftelijke toetsen      - samen 60%

• practicumtoetsen         - samen 20 %

• praktische opdrachten - samen 20 %

Practicumtoetsen
Toetsen de beschreven vaardigheden

• 4 vwo: derde SE: - elektriciteit en/of
                             - optica en/of
                             - krachten en momenten

• 5 vwo: tweede SE: interferentie

• 6 vwo: NT tweede SE, NG derde SE: alles

Praktische Opdrachten

• 4 vwo laatste kwart: energierendement

• 5 vwo tweede kwart: trillingen en golven

• 5 vwo NT vierde kwart: iets met elektriciteit en kracht

• 6 vwo NT tweede kwart: Modelleren

• 6 vwo derde kwart: Technische Automatisering

Ervaringen met Compex natuurkunde 1,2

• Compex voegt geen nieuwe natuurkunde toe.

• videometing vergt enige specifieke oefening

• opslaan van resultaten van compex: oefenen

• ervaring met Coach is gewenst voor videometen.

• gewenst: zelf iets maken met modelomgeving.

• zelf iets gemaakt met Systematic? Compex is ‘eitje’

• cijfermatige resultaten van Compexvragen waren hoger

Werken met Coachlab, Coach 5 en Excel in Newton 3

• in verschillende experimenten in diverse hoofdstukken

• in keuze-experimenten

• in extra experimenten

• werkbladen van experimenten op de (vernieuwde) site

• gedetailleerde instructies van keuze-experimenten op de site

• extra experimenten op de site

• aparte pagina op site met ‘compex-vaardigheden’ en handleidingen

Compexvaardigheden

• meten met Coachlab en analyseren met Coach 5

• verwerken in Coach 5 en met Excel

• werken met modellen in Coach 5

• opnemen van filmpjes en verwerken in Videometing van Coach

• examenvoorbereiding voor Compex

Voorbeelden van experimenten met Coachlab

• valproef met schakelaar en spoel

• valproef met hekje en lichtpoort

• U,I diagrammen

• maximaal batterijvermogen

• wisselspanning van dynamo

• proef van Atwood met gewichtjes

• sjoelschijf schieten

• slingering = sinusfunctie ?

• tonen van xylofoon

• tonen van speeldoosje

Tot slot een demonstratie waarom Drebbels boot volgens Naber volgens ons niet heeft gekund.

Getting an Eyeful of Physics¶

Werkgroep 30

B. Neocleous & A. Heck

Amstel Instituut, Universiteit van Amsterdam

Many natural phenomena take place in such a short time that they cannot be easily observed with normal vision or with a standard camera. Think of sports motions, human and animal movements, collisions and explosions, and so on. In such cases, a high-speed camera offers the opportunity to watch a phenomenon in detailed slow motion.

In this workshop we will share our experiences with a high-speed camera and with the Coach 6 video tool for analyzing captured video clips. Experiments, ranging from the pupil eye light reflex, spinning and breaking eggs, spinning and shifting coins, bouncing balls, to foot kinematics in walking and running, will illustrate the potential of high-speed video in science education.

De weerstandsladder¶

Werkgroep 31

S. Daems

0

Open het bijbehorende document "weerstandsladder" Open het document met de bijbehorende figuren

De weerstandsladder is een synthese van theoretische fysica, experimentele fysica, leerprocessen, fibonaccigetallen en de gulden snede.

Een prettige presentatie door een oude vakman waarbij humor nooit ver weg is. Het zelfgemaakte demonstratiemateriaal kan voor een prijsje worden aangeschaft. Bijgaand een uitvoerige tekst.

Supergeleiding met Supercomet: een totaalpakket voor onderwijs¶

Werkgroep 32

W. Peeters

De Nederlandse partner bij dit project is het Amstel Instituut (Peter

De Nederlandse partner bij dit project is het Amstel Instituut (Peter Uylings), de Vlaamse partner is de Universiteit Antwerpen (Wim Peeters).

De vertaalde versies van het voorlopige lesmateriaal dat door het Supercomet project ontwikkeld werd, werden gepresenteerd, doorspekt met kleine experimenten over geleiding en magnetisme.

Uiteraard werden de geschiedenis en enkele van de nieuwste inzichten in supergeleiding (Nobelprijs 2003!) aanschouwelijk uitgelegd.

Via experimenten werd dan het Meissner effect getoond (weinig verrassend), maar ook het pinning effect: dit was voor de meeste deelnemers buitengewoon nieuw en opende ogen en perspectieven voor de toekomst. Hier aan gekoppeld werden dan een breed gamma aan mogelijke toepassingen besproken. Voor veel deelnemers was het zeer verrassend te beseffen hoe ver men staat en hoe veel supergeleiding (zelfs in ons dagelijks leven) al voorkomt.

Als uitsmijter werden verschillende kleuren LED’s afgekoeld met vloeibare stikstof. Het gedrag van deze LED’s tijdens de afkoeling vertoonde grote verschillen.

Voor het najaar werden nascholingen over dit onderwerp aangekondigd. Het lesmateriaal leent zich uitstekend tot modern onderwijs, actief en onderzoekend leren, en dit in een discipline die zowel wetenschappelijk als technologisch spits is.

Contact:
Peter Uylings (Amstel Instituut): uylings@science.uva.nl
Wim Peeters (Universiteit Antwerpen): w.peeters@telenet.be\

Weblog voor docenten op natuurkunde.nl¶

Werkgroep 33

R. Vonk & R. van der Weijden

Amstel Instituut, UvA, en Freudenthal Instituut voor Didactiek

Er is een grote hoeveelheid materiaal te vinden op natuurkunde.nl, die geschikt is om in de natuurkundeles te betrekken. Te denken valt aan extra oefenopgaven, ideeën voor profielwerkstukken, interactieve bijlessen (met flash of applet), artikelen over boeiende moderne natuurkunde, beschrijving van bedrijven en beroepen die met natuurkunde te maken hebben, enz.
Om dit materiaal voor leerlingen te ontsluiten is natuurkunde.nl begonnen met het plaatsen van lesideeën en lesbrieven, waarin suggesties staan om een bepaald onderdeel van de lesstof met materiaal van natuurkunde.nl te ondersteunen of zelfs te vervangen. Maar we beseffen dat iedere docent zijn/haar eigen ideeën heeft over welk materiaal hij/zij de leerlingen wil aanbieden.
Vandaar dat we vanaf nu de docenten de gelegenheid geven hun eigen lesideeën en lesbrieven op natuurkunde.nl te ontwikkelen en aan hun leerlingen aan te bieden. Docenten kunnen een eigen weblog aanmaken, waarin zij eenvoudig hun leerlingen op geheel eigen wijze naar materiaal op natuurkunde.nl of andere plaatsen op het internet kunnen (bege)leiden. Tevens kunnen zij daar eigen materiaal (word, excel, pdf, gif, jpg, png, zip, tekst) ter beschikking van de leerlingen stellen (25 MB eigen ruimte).

In deze werkgroep kregen de docenten kort uitleg over het doel en de mogelijkheden van de weblog om vervolgens zelf een weblog aan te maken, waarmee zij hun eerste eigen lesidee of lesbrief voor hun leerlingen konden ontwikkelen.

Algemeen werd het idee om via een weblog gericht internetmateriaal van o.a. natuurkunde.nl aan de leerlingen aan te bieden positief gewaardeerd. Zeker voor docenten, die op school (nog) niet de beschikking hebben over een elektronische leeromgeving is dit een mogelijkheid om de bronnen van het internet in te zetten in de lessen voor o.a. extra uitleg, illustratie van de theorie via animaties, simulaties en filmpjes, artikelen met toepassingen van de theorie (context), opdrachten enz. Ook het langs deze weg kunnen aanbieden van eigen materiaal (teksten, plaatjes, grafieken) werd als een pluspunt genoemd.

Voor de werkgroepgevers is de conclusie, die uit de reacties van de docenten te trekken is, dat de aangeboden weblogs op natuurkunde.nl aan een behoefte voldoen (zeker voor docenten zonder elektronische leeromgeving) en dat er de komende tijd meer bekendheid aan gegeven moet worden om docenten te stimuleren er gebruik van te maken.

Quantummechanica aan den lijve ondervinden¶

Werkgroep 35

L. Koopman

Amstel Instituut, Universiteit van Amsterdam

Bekijk de bijbehorende opdracht (PDF)

De werkgroep richtte zich op docenten in de bovenbouw van het voortgezet onderwijs. Quantummechanica wordt in het voortgezet onderwijs vaak op zeer summiere wijze gegeven, waardoor dieper inzicht in de essentie van de quantummechanica niet wordt verkregen. In de werkgroep is een opdracht besproken waarmee leerlingen één van de meest merkwaardige eigenschappen van de quantummechanica zelf kunnen ontdekken: het feit dat quantumdeeltjes beschreven worden door een golffunctie. Dit wordt gedaan aan de hand van o.a. het dubbel-spleet (interferentie) experiment uitgevoerd voor water, licht en elektronen. Voor details van de opdracht: zie de bijlage.

De opdracht is een resultaat van promotieonderzoek naar het leren (en doceren) van quantummechanica aan eerstejaars natuur- en scheikundestudenten. Voor gebruik in het voortgezet onderwijs is de opdracht wel aangepast, maar nog niet getest. Oorspronkelijk is de opdracht ontworpen om te gebruiken in een zogenaamde studio classroom: een klaslokaal met werkplekken en computers voor studenten. Er kan zo makkelijk afgewisseld worden tussen klassikaal lesgeven, individueel werken en groepswerk. De opstelling van de studio classroom is zodanig dat dit uitnodigt voornamelijk in groepsverband te werken. Zo wordt voorkomen dat een docent het grootste deel van de tijd staat te praten. Tijdens Woudschoten konden we natuurlijk geen gebruik maken van een studio classroom.

Na een korte klassikale introductie hebben de deelnemers in groepjes van 3 à 4 aan de opdracht gewerkt. De werkgroepleider liep rond en assisteerde waar nodig. Het viel al snel op dat het wiskundeniveau van havo/vwo leerlingen wat overschat was. Natuurlijk kwamen ook kleine onduidelijkheden in de formulering van de opgaven naar voren. Zoals verwacht was de opdracht te lang om in één uur te kunnen maken, maar een aantal deelnemers is toch een eind gekomen en kwam al tot leuke inzichten voor het geval van waterinterferentie.

De werkgroep is afgesloten met een meer didactische discussie van de opdracht. De meningen over het wiskundeniveau waren verdeeld. Een deel van de deelnemers meende dat het te moeilijk zou zijn voor havo/vwo leerlingen en dat ze door de hoeveelheid gebruikte wiskunde de bomen door het bos niet meer zouden kunnen zien. Anderen waren het daar niet mee eens: er moet niet te makkelijk worden gezegd dat leerlingen bepaalde wiskunde niet kunnen, daardoor maken we het steeds makkelijker en kunnen ze het inderdaad niet. En: juist door met de wiskunde bezig te zijn, wordt later duidelijk wat de overeenkomsten en verschillen zijn tussen de verschillende domeinen (water, licht en elektronen). Toch meende een deelnemer dat de opdracht makkelijker had gekund door gebruik te maken van de standaardmethode gebruikt in het voortgezet onderwijs (namelijk kijken naar weglengteverschillen om maxima en minima te vinden in het interferentiepatroon). De werkgroepleider is juist van mening dat dat een te beperkt begrip geeft van interferentie en dat het de vergelijking tussen water enerzijds en licht en elektronen anderzijds moeilijk maakt. Bij watergolven worden namelijk de golven zelf waargenomen. Het interferentiepatroon bestaat dan uit een ‘ingewikkeld’ golfpatroon, dat niet stil staat in de tijd. Bij licht en elektronen wordt echter wel een ‘stilstaand’ patroon verkregen. Wat is dan het verband tussen de golven en het stilstaande patroon?

Daarvoor moet toch naar de afzonderlijke golven gekeken worden die het patroon opbouwen.

Voor de werkgroepleider was dit een leerzame ervaring. De hoop is natuurlijk dat dat voor de deelnemers ook geldt. De materialen van de werkgroep staan ook op de volgende website: http://www.science.uva.nl/~lkoopman/woudschoten.html. Hier zal ook een aangepaste versie van de opdracht komen te staan op basis van het ontvangen commentaar.

Zelfstandig experimenteren op afstand - de lichtsnelheid¶

Werkgroep 36

M. Engelbarts

Natuurwetenschappen, Universiteit Utrecht

Inleiding

Bij het Centrum voor Bètadidactiek van de Universiteit Utrecht loopt al enige tijd het project ‘Experimenteren op Afstand’. In dit project wordt gewerkt aan het opzetten van experimenten die via internet bestuurd en uitgelezen kunnen worden. Hierbij wordt speciale aandacht besteed aan de vraag hoe een experiment op afstand didactisch verantwoord vormgegeven moet worden.

Op de faculteit staat, onder andere, een opstelling waarmee de lichtsnelheid in verschillende media kan worden bepaald. Via een website krijgen de leerlingen toegang tot de experimentele opstelling en het bijbehorende materiaal en zo kunnen leerlingen vanuit school of vanachter hun eigen computer een experiment uitvoeren waarvoor de apparatuur normaal gesproken niet op school aanwezig is.

Hieronder zal het lichtsnelheidsexperiment besproken worden. Dit experiment is bedoeld voor leerlingen uit 5 of 6 VWO met natuurkunde NT die het kunnen uitvoeren als praktische opdracht van ongeveer 10 studielasturen.

Eis aan de recent geheel vernieuwde versie was dat het experiment zelfstandig door leerlingen uit 5 of 6 VWO uitgevoerd zou moeten kunnen worden. Om dit te bewerkstelligen is een begeleidende site gemaakt die de leerlingen via opdrachten stuurt in het ontwikkelen en evalueren van de meetmethode en parallel ook expliciete aandacht geeft aan de overeenkomsten met het werk van een experimenteel fysicus.

Afgelopen zomer is de site uitvoerig getest door leerlingen. Hieronder wordt eerst een korte beschrijving van het experiment gegeven. Daarna wordt nader ingegaan op het didactisch ontwerp en de uitgangspunten van het experiment en de website en hoe de sturing van de leerlingen vormgegeven is. Afgesloten wordt met een korte impressie van de resultaten van de testen met de leerlingen.

Het experiment

De meetopstelling van Experimenteren op Afstand - Lichtsnelheid is weergegeven in figuur 1: een hoogfrequent gemoduleerde lichtbron en een detector, waarin zowel de onderlinge afstand Δx van deze beide componenten als het gereduceerde faseverschil Δ*$\phi$*~red~ van het lichtsignaal bij beide componenten kan worden gemeten.

|```{figure} files/wg36-fig1.gif

```{figure} files/wg36-fig2.jpg

Figuur 1 De meetopstelling van Experimenteren op Afstand -Lichtsnelheid

De lichtsnelheid c is te berekenen uit een meting van Δx en Δ*$\phi$* met c = (Δx/Δ*$\phi$*)·f~mod~. Hierin is f~mod~ de modulatiefrequentie van het lichtsignaal.

Echter, het verschil in kabellengte tussen de lichtbron resp. de detector en de computer introduceert een systematische fout in de meting. Deze systematische fout is te elimineren door het faseverschil Δ*$\phi$* te meten voor verschillende waarden van de afstand Δx en dan de lichtsnelheid c te bepalen uit de helling van de lijn in het Δx,Δ*$\phi$*-diagram.

Daarna zijn de ontwikkelde meetopstelling en meetmethode ook verder uit te bouwen voor het meten van de lichtsnelheid c~m~ in andere media dan lucht door in een deel van de ruimte tussen lichtbron en detector een ander medium met bekende lengte L te plaatsen.

Daardoor treedt een extra faseverschil Δ*$\phi$~e~ op (bovenop het voor lucht gemeten faseverschil), wat in het eerder genoemde Δx*,Δ*$\phi$*-diagram tot uitdrukking komt in een verticaal omhoog verschoven lijn.

Uit deze gemeten faseverschil-verschuiving Δ*$\phi$~e~ (voor minstens één maar bij voorkeur een aantal waarden van Δx*) en de gegeven waarde van L is de lichtsnelheid c~m~ in het tussengeplaatste medium te berekenen: Δ*$\phi$*~e~ = (L/c~m~ / L/c)·f~mod~.

Geschiedenis

;B:Product 1 - Voorafgaand aan het ontwerp van de site zijn ervaringen opgedaan met twee eerdere versies (producten 1 en 2). De eerste versie van de website (product 1) was een statische website met veel tekst en weinig interactie. De leerlingen moesten een zeer specifieke maar niet geëxpliciteerde route doorlopen om zich op het experiment voor te bereiden en deze uit te voeren. Deze uitvoering was zeer receptmatig opgezet.

Als gevolg hiervan bleken de leerlingen makkelijk te verdwalen in de site, misten ze de hoofdlijn en begrepen ze grote delen van de inhoud niet. Toch waren de leerlingen wel enthousiast en werkte de opstelling technisch naar behoren wat aanleiding gaf tot verder onderzoek naar hoe het materiaal dan wel vormgegeven zou moeten worden.

Product 2 - In de tweede versie van het materiaal (product 2) is het materiaal van het bovenbouwpracticum (http://www.cdbeta.uu.nl/vo/bbp/) als basis genomen voor het materiaal. Dit zorgde voor een vloeiender lopend verhaal wat de leerlingen beter begrepen. Toch lopen ook hier veel leerlingen vast op een aantal onderdelen.

In dit materiaal zijn, zoals bij al het materiaal uit het bovenbouwpracticum, op enkele momenten interactie-momenten ingepland. Dit is echter interactie tussen leerling en docent. Deze voorkomt wel het vastlopen van leerlingen, maar maakt het zelfstandig uitvoerbaar zijn, zonder aanwezigheid van een docent, van het experiment wel onmogelijk.

Product 3 - Bij aanvang van herontwerp van het materiaal (product 3) is geprobeerd de bij product 1 en 2 geconstateerde problemen op te lossen door voorafgaand aan het ontwerp van het materiaal eerst de didactische structuur van het materiaal te omschrijven.

De ervaringen met producten 1 en 2 hadden hiervoor de volgende aandachtspunten opgeleverd:

• Verminderen van het receptmatige karakter van het experiment.

• Verbeteren van de informatieoverdracht

• Zowel technisch als ook in de inhoudelijke opbouw van het materiaal ervoor zorgen dat de leerlingen op ieder moment weten waar ze mee bezig zijn en waarom ze daarmee bezig zijn.

• Verkorten van de teksten en benutten van de leerling-computerinteractie door interactieve simulaties toe te voegen.

Het Materiaal

Uitgangspunten - Om de bij product 1 en 2 gesignaleerde problemen op te lossen is, voorafgaand aan het bouwen van het experiment, de didactische structuur van het materiaal beschreven binnen het raamwerk van de zogenaamde probleemstellende benadering. De belangrijkste kenmerken van deze benadering zijn ervoor te zorgen dat de leerlingen eerst globaal gemotiveerd worden het experiment uit te gaan voeren en daarnaast de opbouw in het materiaal zodanig te maken dat de leerlingen op ieder moment weten waar ze mee bezig zijn en waarom. De verwachting was dat hierdoor inhoudelijke knelpunten voorkomen worden, het receptmatige karakter sterk verminderd en leerlingen het proces als zinvol ervaren en niet meer verdwalen in het materiaal.

Deze uitgangspunten werden verwerkt in materiaal dat vorm gegeven is als website met interactief feedbacksysteem. Hieronder wordt eerst de inhoudelijke structuur van het materiaal beschreven, waarna vervolgens aandacht is voor enkele concrete middelen die hierbij zijn ingezet.

Doel van het experiment - Het doel van het experiment is een meetmethode te ontwikkelen waarmee de lichtsnelheid bepaald kan worden. De leerlingen ontwikkelen deze meetmethode door op de website van het experiment vragen te beantwoorden.

Het materiaal bestaat uit drie delen. In het eerste deel wordt geprobeerd de leerling globaal te motiveren voor het onderwerp door hen nieuwsgierig te maken naar hoe een meetmethode voor het bepalen van de lichtsnelheid eruit zou moeten zien. De leerlingen beantwoorden vragen waardoor duidelijk wordt dat de snelheid van het licht te groot is om rechtstreeks te kunnen meten.

Vervolgens wordt de golftheorie aangereikt als mogelijke oplossingsrichting, maar ook dan blijft het probleem dat bij zichtbaar licht de golflengte heel klein en de frequentie heel groot is en deze parameters dus ook lastig meetbaar zijn. Dit wekt bij leerlingen de nieuwsgierigheid op naar hoe de meetmethode er dan uit zou moeten gaan zien.

In deel 2 gaan de leerlingen vervolgens echt aan de slag met het ontwikkelen van de meetmethode voor het bepalen van de lichtsnelheid in lucht. Als drijvende kracht wordt hier de intuïtieve vertrouwdheid met testen van een methode, waarbij herhaaldelijk sprake is van kennisinzet en evalueren, ingezet.

De leerlingen doorlopen driemaal een cyclus van ontwikkelen en evalueren van de meetmethode.

Ze beginnen met inzetten van het golfkarakter, maar lopen daarbij tegen het probleem aan dat de opstelling de gereduceerde fase meet waardoor de golflengte opgerekt zou moeten worden.

In de tweede stap ontwikkelen ze de meetmethode verder door het lichtsignaal te gaan moduleren, maar wanneer ze een meting doen blijkt dit nog niet tot het gewenste resultaat te leiden.

Bij de derde ontwikkel-evaluatie-stap wordt vervolgens gewerkt aan het elimineren van de systematische fout, waarna de meetmethode geschikt is geworden om de lichtsnelheid in lucht mee te gaan bepalen.

In deel 3 moet de opgebouwde kennis toegepast worden op een andere situatie, namelijk in andere media dan lucht. De verwachting was dat op zijn minst een deel van de leerlingen in staat zou zijn om de ontwikkelde procedure - nu nog slechts met beperkte sturing en feedback - verder uit te bouwen voor metingen in andere media.

Rol van de docent - Het materiaal van product 3 is zo opgezet dat de leerlingen zelfstandig kunnen werken aan het ontwikkelen van de meetmethode, het uitvoeren van de metingen en het schrijven van het verslag. Aangezien de docent uiteindelijk degene is die het geheel moet beoordelen moet deze uiteindelijk afbakenen wat van de leerling verwacht wordt. Daarom moet vooraf besproken worden of alleen deel 1 en 2 of ook deel 3 uitgevoerd moeten gaan worden en wat de eisen aan het verslag zijn.

Feedbacksysteem - Om te kunnen voldoen aan de wens het materiaal zo op te zetten dat de leerlingen het experiment zelfstandig kunnen doorlopen is het materiaal uitgewerkt in een feedbacksysteem.

In dit systeem zijn de leerlingen zelf continu actief bezig met het ontwikkelen van de meetmethode. Ze worden hierin gestuurd door vragen op de site en zetten zo stapje voor stapje de meetmethode op.

De vragen worden ingezet om voorkennis op activeren, om relevante relaties af te leiden en om de leerlingen vooruit en terug te laten blikken.

Er zijn multiple choice vragen, vragen waarbij de leerlingen zelf een formule moeten invoeren, vragen waarbij ze numerieke antwoorden moeten geven en vragen waarbij ze een open antwoord moeten formuleren. In alle gevallen geeft het systeem feedback op het gegeven antwoord. Deze feedback is afhankelijk van het gegeven antwoord en kan eventueel zelfs betekenen dat er een extra tussenvraag gesteld wordt. Op de open vragen wordt als feedback een formulering van het juiste antwoord gegeven en krijgen de leerlingen de opdracht deze te vergelijken met hun eigen antwoord.

De gegeven antwoorden worden opgeslagen in een database. Wanneer de leerlingen later opnieuw inloggen kunnen ze eerder gegeven antwoorden bekijken en eventueel verder gaan waar ze de laatste keer gebleven waren.

Waar ben ik-window - Naast het zorgen voor een inhoudelijk verantwoorde opbouw is ook een technisch hulpmiddel ingezet om de structuur naar de leerlingen toe te kunnen expliciteren.

Met behulp van het zogenaamde ‘Waar ben ik-window’ hebben de leerlingen op ieder moment zicht op waar zij zich in het proces van het ontwikkelen van de meetmethode bevinden, wat zij afgerond hebben en wat nog komen gaat.

Figuur 2 geeft een screenshot van de website met aan de rechterzijde het ‘Waar ben ik window’. Het rode pijltje dat voor de tekst in blauw staat geeft aan waar de leerling zich op dat moment bevindt. De pagina’s die afgerond zijn in zwart weergegeven en de pagina’s die nog komen gaan in grijs.

Wanneer de leerlingen klikken op de afgeronde pagina’s verschijnt een nieuw scherm waarin de leerling de pagina, met daarin de ingevulde antwoorden en feedback, kan teruglezen.

Schermindeling - Naast het ‘waar ben ik’-window draagt ook de vaste schermindeling bij aan het expliciteren van de structuur waardoor de leerlingen niet verdwalen in het systeem en op ieder moment weten waar ze mee bezig zijn.

Belangrijke voorwaarde van de schermindeling was ervoor te zorgen dat de hoeveelheid informatie per scherm beperkt werd gehouden.

Gevolg hiervan is echter wel dat de informatie versplinterd gepresenteerd is waardoor kansen op verdwalen weer toenemen.

Hierop is geanticipeerd door te proberen de schermen zodanig te op te bouwen dat op ieder scherm eerst wordt terugblikt op het vorige scherm en aan het einde vast vooruit blikt op wat komen gaat (zie figuur 3).

Ervaringen

Het onderzoek aan product 3 heeft duidelijk gemaakt dat een groot deel van de bij product 1 en 2 geconstateerde problemen opgelost lijken.

De leerlingen ervaren het proces als vloeiend, vinden het leuk en nuttig het experiment te doen en verdwalen niet meer in de site.

Het lijkt erop dat de combinatie van het oproepen van een globaal motief en daarnaast het naar leerlingen toe expliciteren van de heldere doordachte structuur een belangrijke factor in het succes waren.

Er zijn nog wel enkele inhoudelijke knelpunten, maar deze veroorzaken uiteindelijk niet het werkelijk vastlopen in het materiaal. Alleen bij het bepalen van de lichtsnelheid in andere media hadden enkele koppels externe hulp nodig. Dit mag echter niet als een struikelblok geformuleerd worden aangezien het een vooraf verwachte en geaccepteerde aanname was dat niet alle leerlingen hier succesvol zouden zijn. Daarnaast werd duidelijk dat de leerlingen die wel in staat waren de meetmethode juist aan te passen er veel bevrediging uithaalden deze uitdaging zelfstandig te hebben uitgevoerd.

Het materiaal is te vinden op http://www.phys.uu.nl/~moa/lichtsnelheid. Op de site kan een account aangemaakt worden waarmee direct ingelogd en meettijd gereserveerd kan worden.

NLT-digitale technieken¶

Werkgroep 38

H. van Dijk, A. Cottaar & B. Bruidegom

Tilburg & Amstel Instituut, Universiteit van Amsterdam

• Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie

• Open de bijbehorende flyer

Komend schooljaar zal een van de NLT-modules voor 4 havo over digitale technieken gaan. Per 5 december zal de module, waar we nu nog aan werken, testklaar zijn. In deze Woudschoten-werkgroep willen we het geheel, praktijk en theorie, graag met een aantal andere docenten delen.

Het is de bedoeling dat leerlingen in de context van de disco, geluid, licht en klimaat gaan beheersen. Via een inleiding met het systeembord (dat in de NiNa-toekomst uit het examenprogramma genomen is), allerlei poorten van de SN-serie en een speciaal simulatieprogramma voor het zelf programmeren van IC-s kunnen de leerlingen in de richting van hun keuze de nodige diepgang bereiken. En we hopen dat de module zodanig zal zijn dat hij feestelijk kan worden afgesloten met een echt disco-uurtje.

Docenten met plannen voor het geven van deze module en/of mensen die gewoon graag zelf wat willen uitproberen op het gebied van digitale technieken zijn van harte welkom.

Computermodelleren: doelen voor de leerling en consequenties voor het onderwijs¶

Werkgroep 40

B. Ormel & E. Savelsbergh

Natuurwetenschappen, Universiteit Utrecht

In de fysische praktijk zijn computermodellen onmisbaar als hulpmiddel bij het voorspellen van complexe dynamische verschijnselen, zoals vloeistofstromingen, krachten in een vliegtuigconstructie en klimaatverandering. Soms zijn de uitkomsten alleen van belang voor wetenschappers en technici, maar in het laatste voorbeeld zijn de modeluitkomsten ook onderwerp van publiek debat. Enige basiskennis van computermodelleren is dus van belang, zowel voor een toekomstige natuurwetenschapper als voor een geïnformeerde burger.

In het natuurkundeonderwijs nemen computermodellen een bescheiden plaats in: alleen in N2 klassen komt het aan de orde, als een technische vaardigheid en meestal in een apart hoofdstuk. Het proces van modelvorming, en de evaluatie van de gevonden resultaten in het licht van de modelaannamen, krijgen daarbij weinig aandacht, terwijl dit juist essentiële stappen zijn voor wie inzicht wil krijgen in de mogelijkheden en beperkingen van computermodellen.

Om beter greep te krijgen op de gewenste ‘modelleercompetentie’ ontwikkelden we een lessenserie over klimaatmodelleren voor 5V(NT). In die lessenserie ontwikkelen leerlingen een model voor de gemiddelde temperatuur op aarde. Ze beginnen met een eenvoudig stralingsbalansmodel. In enkele cycli wordt dit model uitgebreid met het broeikaseffect, getoetst aan historische data, en vervolgens uitgebreid met een temperatuurafhankelijk albedo, waardoor onvoorziene sprongen in het temperatuurverloop ontstaan. Voor het doorrekenen van veranderingen maken we gebruik van Powersim.

We wilden de leerlingen laten ervaren hoe een computermodel bijdraagt aan kennisverwerving in de natuurwetenschap. We maken vooral gebruik van bekende natuurkunde, zodat de leerlingen zich niet alleen kunnen verdiepen in nieuwe vakinhoud maar ook in vragen als: wat komt er kijken bij een analyse, wanneer heb ik een goede schatting voor een parameter, hoe goed is mijn model? Als het model iets anders voorspelt dan ik verwachtte, leert het model mij dan iets nieuws over het systeemgedrag of heb ik een fout gemaakt? Leerlingen krijgen bij iedere cyclus meer verantwoordelijkheid voor het sturen van het modelleerproces en het evalueren van de uitkomsten.

Het onderwijs is op meerdere scholen uitgeprobeerd. Het lesmateriaal zelf is te vinden op http://www.cdbeta.uu.nl/vo/modelleren/default.php. In onze presentatie bespraken we enige concrete problemen bij de onderwijsuitvoering in het licht van de beoogde doelen.