Dudoc-Bèta 2022

Dit onderzoek richt zich op het ontwerpen van een leerlijn Natuurkundig Modelleren voor vwo-leerlingen. Modelleren is een centrale vaardigheid in het onderwijs in de natuurwetenschappen. In het ontwerp wordt modelleren niet als een “aparte” vaardigheid onderwezen, maar als een centraal element in het leren van de natuurwetenschappelijke kennis. Samengevat: niet alleen leren modelleren, maar modellerend leren. In het onderzoek verkrijgen we inzicht in de modelleervaardigheden die nodig zijn, de wijze waarop leerlingen hier vervolgens mee leren over natuurwetenschap en de inzichten die ze verwerven over natuurwetenschappelijke methodes en de aard van wetenschap. 

De relevantie van dit onderzoek ligt in het feit dat modellen het hart vormen van de natuurwetenschap, in het bijzonder de natuurkunde. Natuurkundig onderzoek bestaat uit het ontwikkelen en experimenteel evalueren van natuurkundige modellen en daarom is inzicht in modellen belangrijk voor inzicht in de nature of science. Daarnaast is het werken met modellen van belang om publieksinformatie over modeluitkomsten te kunnen interpreteren en op waarde te schatten. Het onderzoek volgt de aanpak van een ontwerp-onderzoek. Na een initiële fase van literatuuronderzoek en een eerste ontwerp zal in een team van docenten de leerlijn worden verfijnd en in de praktijk worden uitgeprobeerd. In de laatste fase van het onderzoek zal de effectiviteit van de leerlijn worden onderzocht in een vergelijkende studie.

The importance of drawing upon the daily-life views of students during classroom dialogue is widely recognised, but when and how to make the transition to the scientific jargon is not clear. Equally unclear is how many transitions are needed for effective learning. Many transitions may allow students to ‘ease’ into using newly acquired scientific jargon, but may take too long. Conversely, too few transitions may constitute unsurmountable steps for the students. A better understanding of what constitutes effective implementation of these transitions during classroom dialogue is achieved by means of collaborative designing lesson materials and implementing these in the classroom.

Quantummechanica wordt meer en meer onderdeel van de curricula in het voortgezet onderwijs. Leerlingen hebben echter problemen met het abstracte karakter ervan. Hun pogingen om nieuwe quantum-concepten te integreren met bekende klassieke concepten, om deze tot een coherent en visueel geheel te smeden, lopen spaak. Een kansrijke manier om de begripsproblemen aan te pakken is het bevorderen van zogenoemde epistemische cognitie, in het bijzonder het inzicht in ontologische puzzels en dilemma’s in de quantummechanica. Er zijn diverse voorstellen voor de didactische werkwijzen om dit te bereiken, maar die zijn nog nauwelijks uitgewerkt of empirisch onderzocht in de context van het voortgezet onderwijs.

Het onderzoek heeft de vorm van een onderwijskundig ontwerponderzoek, waarin lesactiviteiten ter bevordering van epistemische cognitie worden ontworpen en onderzocht. In twee lesactiviteiten staat het vergelijken van visualiseerbare klassieke ontologieën met de vaak paradoxale ontologische situatie in de quantummechanica centraal. De natuurkundecontexten zijn potentiaalput respectievelijk quantum-tunneling. De onderwijsaanpak maakt gebruik van discussies tussen leerlingen, demonstraties en simulaties. Een derde lesactiviteit richt zich op het zichtbaar maken van het menselijke aspect, door de worsteling van natuurkundigen tot leven te brengen via het historische debat aan de hand van gegeven ontologische dilemma’s. Deze activiteit wordt gerealiseerd als ‘re-enactment’ in de vorm van een rollenspel.

Elke lesactiviteit wordt ontwikkeld in enkele iteraties. De bijdrage van de activiteiten aan de epistemische cognitie van de leerlingen wordt onderzocht via kwalitatieve analysemethoden. Daarbij worden verschillende databronnen gebruikt, waaronder uitwerkingen van opdrachten, en opnamen van groepsdiscussies en semi-gestructureerde interviews met leerlingen.

Intelligent tutoring systems (ITSs) are used increasingly to support online learning processes in different disciplines. To be able to provide a student with effective feedback within an ITS, the granularity of the student’s input plays an important role: the more coarse-grained the input is, the more difficult it is to provide specific feedback. This practice-oriented research seeks to identify student strategies and errors based on minimal input. For mathematics, we propose to develop means to determine students’ errors based on coarse-grained input through model backtracking (MBT). With MBT, a task is modelled such that different errors can be distinguished in student answers. The main research question is: How can online learning processes be improved though error identification in coarse-grained input using MBT in Grade 11 ‘havo wiskunde A’? We start with a design study implementing MBT for two cases, followed by testing in teaching experiments. We use two task-based interviews with ‘havo wiskunde A’ students (n=25 each) to study the validity of error detection trough MBT, improving the initial design. We then scale up towards testing in a statistical study in Grade 11 ‘havo wiskunde A’. We use an experimental group receiving specific feedback through MBT and a control group (n=100 each). We use datamining on the interaction logs to catalogue different learning strategies together with an analysis of variance on pre- and posttest scores to determine whether MBT contributes to positive online learning experiences and outcomes for students.

Onderzoek laat zien dat het biologieonderwijs momenteel weinig samenhang bevat. Diverse benaderingen om curriculaire samenhang aan te brengen zoals de concept-contextbenadering hebben tot op heden in beperkte mate geleid tot meer samenhang. In de hier gepresenteerde studie wordt vanuit nieuwe inzichten een volgende stap gemaakt om tot een nieuwe innovatieve manier van samenhang te komen. Samenhang is hierbij gebaseerd op een overkoepelend idee dat aan de biologie ten grondslag ligt en aan de hand van vragen in biologische manieren van denken en werken met achterliggende concepten wordt uitgewerkt (een perspectief). Experts in de biologie hebben namelijk een samenhangend netwerk van concepten paraat en blijken complexe situaties te bevragen vanuit min of meer vaste biologische manieren van denken. In dit onderzoek zal de overkoepelend idee in de biologie via bijbehorende denkmanieren worden uitgewerkt zodat het als onderlegger van een ontwikkelingsgerichte leerprogressie in het biologieonderwijs kan fungeren lopend vanaf de onderbouw van het primair onderwijs (PO) tot en met de bovenbouw van het voortgezet onderwijs (VO). In de eerste onderzoeksfase zal een leerprogressie voor de verschillende schoolstadia (onderbouw PO, bovenbouw PO, onderbouw VO en bovenbouw VO) worden ontwikkeld door middel van het in kaart brengen van biologische denkwijzen van zowel experts (top-down) en leerlingen (bottom-up). Vervolgens wordt deze leerprogressie in de lespraktijk van zowel PO als VO getest om effecten op de samenhang te onderzoeken.

Ondanks de plaats die ontwerpen heeft in de examenprogramma’s van HAVO en VWO, lijkt het uitvoeren van ontwerpopdrachten in het Nederlandse scheikundeonderwijs nog niet veel plaats te vinden. Ontwerpopdrachten lijken uitermate geschikt om het macro-meso-microdenken van leerlingen te introduceren. Eerst wordt in deelstudie 1 onderzocht met semigestructureerde interviews en een vragenlijst wat de overtuigingen zijn van scheikundedocenten voor het wel of niet aanbieden van een ontwerpproject in hun onderwijs. Er wordt onderzocht welke remmende en stimulerende factoren van invloed zijn op deze overtuigingen en er wordt gekeken naar het aantal en de aard van de ontwerpprojecten. De resultaten geven algemeen inzicht in de plaats die ontwerpen inneemt binnen het huidige scheikundeonderwijs en welke overtuigingen van docenten hieraan ten grondslag liggen. Deze resultaten worden vervolgens gebruikt om de leervraag van een PLG vorm te geven en binnen die PLG te onderzoeken welke mate van macro-meso-micro-denken bij leerlingen zichtbaar wordt tijdens het uitvoeren van een ontwerpproject. Hiervoor worden audio en video opnamen gemaakt van leerlinggesprekken tijdens het uitvoeren van het project. Voor deelstudie 3 wordt het beeldmateriaal van deze interventie opnieuw geanalyseerd met de focus op welke docentinterventies het waargenomen macro-meso-micro-denken oproepen. Tot slot worden de resultaten van deelstudie 2 en 3 gebruikt om aanpassingen aan het project te doen en docenten in een nieuwe PLG te instrueren. In de laatste deelstudie 4 wordt dan onderzocht in dezelfde opzet als deelstudie 2 welke mate van macro-meso-micro-denken zichtbaar wordt tijdens gesprekken en hoe de rol van de docent hierop van invloed is.

Gender differences in Dutch education have continued to receive quite some scholarly attention. In Dutch secondary and higher education boys have –on average- less favorable school careers than girls, resulting in school dropout or continuing education at a lower level, as indicated in the report of the educational council last year. Girls seem to have better working attitudes and motivation to study, which may account for this difference. In physics however, results from the last seven years of the largest school federation in the Netherlands show that boys outperform girls on the national final exams. In this research proposal, we aim for gender equitable upper secondary physics education. A first literature search seems to point towards su-student interactions and teaching methods as possible causes of gender differences. We will explore these issues further in a systematic literature review. Results of the review will be explored in the teaching practice of physics teachers by using both teacher and student questionnaires, textbook analysis, classroom observations and focus groups. Based on these data and in collaboration with physics teachers, learning material and classroom interventions will be created using Lesson Study. To reach dissemination of the outcomes, a training for physics teachers will be designed, executed and evaluated.

This research project aims to reach a better understanding of science teachers' competencies and training needs necessary to teach sustainable development goals (SDG) through socio-scientific issues (SSI) in Dutch secondary science education efficiently. Implementing SSI into science lessons and developing citizenship skills such as argumentation, reasoning, and evidence-based decision making are suggested by several researchers as an effective way to achieve the SDG. Although there is a relatively large literature on SSI and Education for Sustainable Development (ESD) separately, there is limited research on ESD through implementing SSI in science lessons. Moreover, previous studies have mainly focused on teacher knowledge, although, for effective use of SSI for ESD, not only teacher knowledge but also skills, and attitudes are crucial. Physics, chemistry, and biology teachers will form a professional learning community to design SSI lessons for ESD in this project. The qualitative data will be collected from teachers and teacher educators to capture teachers’ pedagogical content knowledge of teaching SSI for SDG in science lessons, to characterise teachers’ skills and attitudes for teaching SSI for SDG science lessons, to describe teachers’ views on the use of SSI for teaching SDG, the challenges and tensions in teaching SDG through SSI, to explore the development of science teacher candidates’ competencies to teach SDG through implementing SSI in science lessons.

The outputs of this research will contribute to the knowledge development about teacher competencies for teaching SDG in secondary school science lessons.

Klimaatverandering en de stikstofcrisis zijn voorbeelden van complexe vraagstukken waarmee de huidige maatschappij wordt geconfronteerd. Een manier om deze complexe vraagstukken te kunnen begrijpen en te interpreteren is systeemdenken. Systeemdenken biedt hulp bij het op een gestructureerde manier benaderen van complexe vraagstukken door het identificeren van een aantal systeemeigenschappen. Binnen de bètavakken wordt deze denkvaardigheid dan ook steeds belangrijker, zodat mensen uiteindelijk keuzes kunnen maken of begrijpen rondom deze complexe vraagstukken. Dit voorstel richt zich op het introduceren van systeemdenken in het scheikunde onderwijs. Voor dit domein is er nog geen wetenschappelijke basis voor een integrale aanpak van systeemdenken in de les. Door middel van ontwerpgericht onderzoek met een verkennende, ontwikkelende en evaluerende fase worden bruikbare heuristieken en praktijkvoorbeelden ontwikkeld. Deze heuristieken en praktijkvoorbeelden geven docenten handvatten die ze kunnen gebruiken om systeemdenken in de eigen lespraktijk te integreren. Tijdens de verkennende fase wordt met expertinterviews bestaande strategieën en inzichten voor systeemdenken in kaart gebracht en vergeleken met de literatuur. In de ontwikkelingsfase wordt met een groep scheikundedocenten aan de hand van Lesson Study verschillende lessen in systeemdenken ontwikkeld. Lesson Study is een iteratief proces waarbij een groep docenten een onderzoeksles ontwikkelt, uitvoert, bespreekt en verbetert om vervolgens weer uit te voeren. Door het gebruik van Lesson Study als onderzoeksmethode, is theorie en praktijk sterk met elkaar verbonden en worden de handvatten zowel voor als door scheikundedocenten ontwikkeld. In de laatste fase wordt de bruikbaarheid van de ontwikkelde handvatten geëvalueerd door een nieuwe groep scheikundedocenten die deelnemen aan een scholingstraject.

Daily practice in a mathematics class is dominated by students reproducing solution procedures with paper-and-pencil tasks from a textbook. An adaptation of mathematics lessons should be considered so that students experience the most important feature of mathematics: mathematical thinking. The art of origami is a promising approach for a creative and realistic form of mathematics education. Mathematical origami is a part of origami, and the emphasis is on doing and reflecting. Firstly, the focus is on the haptic process of (un)folding. Secondly, students will analyze crease lines and folded shapes in relation to the mathematical problem. We conjecture that via mathematical origami, students will come up with their own solutions to mathematical problems and thereby build their knowledge in an embodied way. In this study, we look at mathematical origami from three views: from embodied cognition (doing the folds), from instructive manipulatives (the paper that is folded and analyzed), and the conditions that follow from origami. In this research we focus on the possibilities to replace parts of the textbook with tasks using mathematical origami. With these tasks we want to explore how mathematical origami can be exploited to engage students in mathematical activities that go beyond reproducing written standard algorithms and can contribute to learning mathematics in an authentic classroom setting. We want to investigate the design characteristics informed by embodied approach for effective mathematics teaching and learning with mathematical origami.

Contact

DUDOC wordt gecoördineerd vanuit het Institute for Science Education van de Radboud Universiteit, Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica.

Het DUDOC-programma valt onder verantwoording van erik.barendsen [at] ru.nl (prof.dr. Erik Barendsen). De projectleider Dudoc is dudoc [at] science.ru.nl (Floor Binkhorst).

Het programma wordt ondersteund door dudoc [at] science.ru.nl (Kim van Zomeren).