Nr._19_Wat_weten_we_over_Computersimulaties_in_het_VO

KENNISNET Onderzoeksreeks n Ict in het onderwijs

Wat weten we over ...

Computersimulaties in het VO

Wat kunnen computersimulaties bijdragen aan onderzoekend en ervarend leren?

Voorwoord

Voor u ligt de negentiende publicatie in de Kennisnet Onderzoeksreeks, Ict in het onderwijs.

In januari 2007 bracht de Stichting Kennisnet Ict op School de publicatie Wat weten we over ‌ computersimulaties in het VO uit. Bijna drie jaar later is deze publicatie alweer toe aan actualisatie. Kennisnet heeft daarom de auteurs van de oorspronkelijke publicatie gevraagd om het boekje uit 2007 bij te werken met de meest recente inzichten uit onderzoek en de praktijk.

De auteurs van dit boekje, de hoogleraren Ton de Jong en Wouter van Jolingen van de Universiteit Twente, behoren tot de internationale top op het gebied van computersimulaties en modelleeromgevingen. Ze zijn betrokken bij onderzoek naar de werkzaamheid van dergelijke leeromgevingen, maar ook bij het daadwerkelijk ontwerp van zulke omgevingen.

In deze publicatie bespreken De Jong en Van Jolingen het gebruik van computersimulaties in het onderwijs. Simulaties ondersteunen daarbij vooral zelfstandige vormen van leren, zoals onderzoekend leren en ervarend leren.

De focus ligt op natuurwetenschappelijke domeinen in het voortgezet onderwijs.

Simulaties zijn een krachtig hulpmiddel om het leren van leerlingen te ondersteunen. Tegelijkertijd zijn simulaties niet zondermeer geschikt voor elk onderwerp en elke leerling. Leerlingen profiteren vooral van de mogelijkheden van simulaties wanneer de inzet plaats vindt onder regie van een docent die weet wanneer dit wel en niet werkt. Deze brochure zet voor docenten de beschikbare inzichten en een aantal praktische handreikingen op een rij.

Wij wensen u veel leesplezier en inspiratie.

Alfons ten Brummelhuis Hoofd Onderzoek Kennisnet

3

Inhoud

1 Over deze publicatie

Voorwoord

3

Inhoud

4

1 Over deze publicatie

5

2 Wat zijn computersimulaties?

6

2.1 Eigenschappen van computersimulaties 2.2 Een voorbeeld van een computersimulatie

6 6

3 Waarom computersimulaties?

8

4 Wat weten we over ‌ ervarend leren?

9

5 Wat weten we over ... onderzoekend leren?

10

5.1 De onderzoekscyclus 5.2 Waar hebben leerlingen problemen mee?

5.3 Wat is de oplossing?

10 10 11

6 Wat weten we over ‌ modelleren

12

7 Computersimulaties en gerelateerde vormen van ict

13

7.1 Games en adventures 7.2 Samenwerkend leren

13 13

8 Waar vind ik computersimulaties?

14

9 Wat betekent het gebruik van simulaties

in de praktijk?

15

10 Onderzoekend leren in de toekomst

17

11 Wat weten we nu over computersimulaties?

18

12. Meer weten

19

12.1 Verwijzingen en geraadpleegde bronnen 12.2 Een vraag stellen 12.3 Over de auteurs 12.4 Neem een gratis abonnement op de Onderzoeksreeks

19 20 21 21

Op een zelfstandige, maar ondersteunde, manier actief met de lesstof omgaan is wat veel docenten als een ideale manier van leren voor hun leerlingen zien. Onderzoekend leren is een manier van leren die hieraan voldoet. Computersimulaties vormen vaak de basis voor leeromgevingen voor onderzoekend leren.

Daarnaast kunnen simulaties als basis dienen voor het leren van vaardigheden; dan spreken we van ervarend leren.

Deze publicatie is geschreven voor scholen in het voortgezet onderwijs. U krijgt in dit boekje een overzicht van kenmerken van computersimulaties en de kenmerken van de processen van ervarend en onderzoekend leren. Daarnaast is op een praktische manier beschreven hoe leren met computersimulaties effectief kan worden ingezet. Ook is een aantal handige websites over simulaties voor u op een rijtje gezet.

5

2 Wat zijn computersimulaties?

2.1 Eigenschappen van computersimulaties Een computersimulatie bevat een nabootsing van (een deel van) de werkelijkheid. Deze werkelijkheid kan uit veel domeinen afkomstig zijn, zoals bijvoorbeeld economie, natuurkunde, scheikunde, biologie, psychologie of geneeskunde.

6

Enkele kenmerken van computer simulatieprogramma’s zijn: ■■Simulaties zijn gebaseerd op een model. Dit betekent dat er in het computerprogramma reken- of redeneerregels zijn die het gedrag van de simulatie bepalen; ■■Leerlingen kunnen interactief met het model aan de slag door de gegevens in te voeren en dan de veranderingen in de door de simulatie berekende uitkomsten te observeren; ■■Het veranderen van waarden van invoervariabelen en het observeren van de waardeverandering van uitvoervariabelen vindt plaats via een simulatieinterface. Deze simulatie-interface kan meer of minder realistisch zijn; ■■Leerlingen kunnen met simulaties conceptuele kennis, vaardigheden of een combinatie hiervan verwerven.

■■Simulaties die voor het onderwijs gemaakt zijn moeten ondersteuning voor de leerling bieden om het leren effectief te laten plaatsvinden. Een dergelijke ondersteuning kan bijvoorbeeld bestaan uit kleine opdrachten die leerlingen door de simulatie leiden.

Als leerlingen vaardigheden verwerven dan spreken we van ervarend leren. Als leerlingen conceptuele kennis verwerven door middel van het doen van experimenten met simulaties, en dus zelf onderzoeken noemen we het leerproces dat plaatsvindt onderzoekend leren (De Jong, 2006a).

2.2 Een voorbeeld van een computersimulatie Figuur 1, rechts, toont een typische simulatie voor het vak natuurkunde, gemaakt met het programma SIMQUEST (Van Joolingen & De Jong, 2003). Het onderwerp betreft hier het natuurkundedomein van krachten en momenten. De leerling kan in deze simulatie experimenteren met verschillende situaties waarin het begrip ‘moment van kracht’ een rol speelt.

In de afbeelding kunnen ze de last van een kraan en de afstand waarop die last van het draaipunt staat variëren en het moment observeren.

Rechts op het scherm staat een opdracht, die de leerling vraagt twee toestanden te vergelijken en een uitspraak te doen over de verandering in momenten tussen die twee toestanden. Uiteraard zijn vele soorten opdrachten mogelijk. Na het invoeren van het antwoord ontvangt de leerling uitleg over het gegeven antwoord.

Naast werken binnen een opdracht kan een leerling ook vrij experimenteren.

7

Figuur 1: voorbeeld van een opdracht in een computersimulatie

3 Waarom computersimulaties?

8

Er is een aantal redenen waarom simulaties gebruikt kunnen worden. Sommige daarvan zijn praktisch van aard, andere hebben betrekking op de bijdrage van simulaties aan verbeteringen in het leerproces: ■■Veiligheid Wanneer er bijvoorbeeld geëxperimenteerd wordt met een echt radioactief preparaat, bestaat het gevaar van besmetting. Dat gevaar is niet aanwezig in een simulatie. Een ander voorbeeld is het ontbreken van gevaar voor gesimuleerde patiënten in medische simulaties.

■■Kosten Wanneer een echt experiment dure apparatuur of dure gebruiksmaterialen vereist kan het voordeliger zijn een simulatie te gebruiken.

■■Onafhankelijkheid van tijd en plaats Leerlingen kunnen een simulatie op tijd en plaats van hun keuze gebruiken.

■■Experimenteren waar dat anders niet mogelijk is Simulaties maken experimenten mogelijk binnen domeinen waar eigenlijk niet geëxperimenteerd kan worden. Voorbeelden zijn hier genetische manipulaties over vele generaties of het exploreren van de dynamiek van sterrenstelsels.

■■Veranderingen in tijd Het is met een simulatie mogelijk om de tijdschaal aan te passen. Zo kan van een zeer snel proces de tijd zodanig worden vertraagd dat de leerling het kan observeren (bijv. een botsing van twee auto’s, waarbij het indeuken vertraagd wordt weergegeven).

Het omgekeerde, een zeer traag proces (bijv. evolutie) versnellen, is ook mogelijk.

■■Introduceren van zeldzame situaties Indien een leerling een bepaalde vaardigheid moet leren dan zal dat in een veelheid van situaties geoefend moeten worden. Met simulaties kunnen specifieke in de praktijk niet vaak voorkomende situaties worden gecreëerd.

Al deze voordelen staan in relatie met het centrale aspect van het gebruik van simulaties, namelijk dat deze ervarend en onderzoekend leren mogelijk maken.

4 Wat weten we over … ervarend leren?

Ervarend leren is het leren van vaardigheden door deze uit te voeren in een zo realistisch mogelijke omgeving. Vaak zal de echte omgeving niet beschikbaar zijn en dan is een gesimuleerde omgeving een goed alternatief. Bovendien bieden gesimuleerde omgevingen, vanwege de controle die we hierover hebben, de mogelijkheid om gevarieerde situaties aan te bieden en om situaties aan te bieden die in de praktijk zelden voorkomen.

Gebieden waar ervarend leren met name van belang is zijn bijvoorbeeld vluchtsimulatoren en simulaties/ simulatoren in de geneeskunde. Vanwege de aansluiting naar de praktijk wordt vaak gezorgd voor een hoog realistische interface. Zo zijn er voor het trainen van verpleegkundigen simulatoren die kunnen praten, ademhalen en transpireren (Parker & Myrick, 2009).

In het voortgezet onderwijs zal er minder snel een beroep op ervarend leren worden gedaan, de meeste te verwerven kennis heeft een meer conceptueel karakter.

Er is echter één situatie waarin een combinatie van vaardigheden en kennis wel aan de orde: leren in een practicum of laboratorium situatie.

Verschillende studies hebben vergelijkingen gemaakt tussen leren via experimenteren in echte en virtuele practica. Als we meten wat leerlingen na het experimenteren weten dan zien we dat het echte en het virtuele laboratorium beide even goede resultaten opleveren of dat de simulatie betere resultaten geeft.

Simulaties geven in ieder geval betere resultaten dan een klassikale manier van lesgeven (Chang e.a., 2008; Van Klink e.a., manuscript; Zacharia & Olympiou, manuscript).

Ook wordt gevonden dat een afwisseling van leren in een echt en een virtueel laboratorium de beste resultaten oplevert (Jaakkola & Nurmi, 2008; Zacharia, 2007; Zacharia & De Jong, manuscript).

De voordelen van een virtueel laboratorium zijn dat leerlingen acties makkelijk nog eens over kunnen doen, dat er expliciete ruimte voor reflectie kan worden gemaakt, dat sommige fysische waarnemingen (bijvoorbeeld branden van een lamp) eenduidiger te doen zijn en dat er directere feedback kan worden gegeven. Wel moet opgemerkt worden dat in al deze onderzoeken de conceptuele kennis van leerlingen gemeten is; als “hands-on” vaardigheid het leerdoel is dan zullen echte practica uiteraard onmisbaar blijven.

9

5 Wat weten we over ... onderzoekend leren?

10

5.1 De onderzoekscyclus

5.2 Waar hebben leerlingen problemen mee?

Onderzoekend leren met computersimulaties is leren door experimenteren. Leerlingen veranderen waarden van variabelen en observeren wat er gebeurt. Op deze manier proberen ze het gedrag van het onderliggende model te “herontdekken”. Het onderzoekend leerproces kent een aantal fasen die samen worden aangeduid als de Inquiry cycle, of de onderzoekscyclus. Deze cyclus is opgebouwd uit de processen die ten grondslag liggen aan wetenschappelijk onderzoek: oriëntatie op het domein, vormen van hypothesen, testen van hypothesen met experimenten, het trekken van conclusies en een evaluatie van de verworven kennis en het gevolgde leerproces (De Jong, 2006b). De cyclus komt tot stand doordat conclusies weer kunnen leiden tot de vorming van nieuwe hypothesen. Het volgen van deze cyclus leidt tot nieuwe kennis voor de leerling; informatie uit de simulatie wordt getransformeerd tot nieuwe inzichten.

De uitvoering van deze leerprocessen voor onderzoekend leren zijn vaak niet eenvoudig voor leerlingen, zeker niet als ze voor het eerst op deze manier leren.

Zij lopen tegen verschillende problemen aan: ■■Veel leerlingen, inclusief studenten van universitair niveau, weten niet hoe een hypothese er uit moet zien; zij ontwerpen vaak hypothesen die niet verworpen kunnen worden, en daardoor inhoudelijk niet relevant zijn. Ook passen zij hypothesen niet goed aan op basis van experimentele data.

■■Vaak ontwerpen leerlingen ook slechte experimenten, waarin bijvoorbeeld meerdere variabelen tegelijk worden gevarieerd, zodat veranderingen in de uitkomst van het experiment niet goed aan een oorzaak kunnen worden gekoppeld.

■■Ook op het gebied van experimenteren treedt het verschijnsel op dat leerlingen experimenten ontwerpen die alleen hypothesen kunnen bevestigen en niet verwerpen (de zogenaamde ‘confirmation bias’) en dat leerlingen experimenten doen die niet bedoeld zijn om een hypothese te toetsen maar alleen om een bepaald resultaat te bereiken.

■■Leerlingen coderen en interpreteren de data vaak verkeerd en hebben moeilijkheden met het vinden van regelmatigheden in de data. Een voorbeeld hiervan is het slecht lezen van grafieken. Daardoor trekken leerlingen vaak onterechte conclusies.

■■Tot slot blijken leerlingen in veel gevallen slecht te reguleren. Zij werken vaak onsystematisch en monitoren hun leerproces niet. Leerlingen die wel goed reguleren blijken ook succesvoller.

Naast het goed uitvoeren van de onderzoekscyclus is het van belang dat leerlingen hun leerproces nauwgezet reguleren. Regulatieve processen omvatten planning (besluiten welke leerprocessen worden uitgevoerd) en monitoring (in de gaten houden wat er precies gedaan is en of de planning goed is uitgevoerd).

In een leeromgeving waarin leerlingen zelfstandig kunnen experimenteren zijn dit soort regulatieve processen belangrijker dan in strakker gestructureerde leeromgevingen.

In De Jong en Van Joolingen (1998) wordt een uitgebreid overzicht gegeven van onderzoek naar de problemen die leerlingen tegen kunnen komen bij onderzoekend leren. Uit deze opsomming blijkt dat een succesvolle inzet van simulaties afhankelijk is van een effectieve uitvoering van leerprocessen door leerlingen. Door leerlingen ondersteuning te bieden bij de uitvoering van die leerprocessen kan men verwachten dat de effectiviteit van de inzet van computersimulaties kan worden vergroot.

5.3 Wat is de oplossing?

Leerlingen zomaar een simulatie geven en ze vrij ontdekkend laten leren werkt niet (Mayer, 2004).

Daarvoor beheersen ze vaak de leerprocessen niet voldoende. Grootschalige evaluaties laten zien dat onderzoekend leren met simulaties effectiever kan zijn dan andere vormen van leren (De Jong e.a., te verschijnen; Eysink e.a., te verschijnen; Hickey & Zuiker, 2003; White & Frederiksen, 1998), maar in al deze gevallen wordt het onderzoekend leerproces begeleid.

Begeleiding kan uiteraard plaatsvinden door de docent, of door een mede-leerling waarmee wordt samengewerkt, maar het simulatieprogramma kan ook ingebouwde ondersteuning bevatten. Dit soort ondersteuning in de software noemen we cognitieve ondersteuning (cognitive tools of cognitive scaffolds).

De ondersteuning helpt de leerling in het denk- en leerproces dat nodig is om de simulatie te begrijpen.

Enkele voorbeelden: ■■Een vorm van ondersteuning is om leerlingen te voorzien van opdrachten. In figuur 1 (pagina 7) is een voorbeeld van een opdracht opgenomen. Deze opdrachten helpen leerlingen bij het plannen van hun leerproces en helpen ze aandacht te geven aan de relevante aspecten van de simulatie. Opdrachten kunnen worden aangeboden in een vaste volgorde, maar ook op een manier dat leerlingen vrij zijn om al dan niet opdrachten te kiezen en in de volgorde van keuze.

■■Een monitoring tool helpt leerlingen de gegevens die zij verzamelen met de simulatie te ordenen. Alle gedane experimenten kunnen worden opgeslagen, geordend en opnieuw worden afgespeeld. Dit helpt leerlingen bij het monitoren van hun experimenteergedrag.

■■Een hypothese kladblok biedt leerlingen elementen (variabelen, relaties en condities) waarmee ze hypothesen kunnen samenstellen. Zo kunnen leerlingen hypothesen samenstellen als: “Als de temperatuur stijgt, stijgt de verdamping”, samengesteld uit de elementen “Als... stijgt, stijgt …” (een relatie) en “temperatuur” en “verdamping” (variabelen). Het kladblok helpt het proces van hypothesevorming door het aanbieden van de elementen, en zorgt er voor dat op die manier altijd een toetsbare hypothese ontstaat.

■■Ook kunnen leerlingen hints worden aangeboden over hoe te experimenteren (bijvoorbeeld: “probeer eens een extreme waarde in de simulatie”) of hints om te reflecteren over de verworven kennis. Een andere nuttige manier van ondersteuning is de leerlingen ‘just-in-time’ achtergrondinformatie of uitleg te geven.

■■Tot slot kan het leerproces als geheel onderverdeeld worden in een aantal fasen die de onderzoekscyclus volgen en die in elke fase de leerling specifieke ondersteuning geven.

Uitgebreide overzichten van cognitieve ondersteuning kunnen worden gevonden in Quintana e.a. (2004), De Jong (2006b) en Chang e.a. (2008). Onderzoek naar de effecten van deze scaffolds laat een beeld zien van verbetering van het leerproces, bijvoorbeeld betere hypothesen of beter vormgegeven experimenten. Ook leidt het toevoegen van scaffolds vaak tot betere kennisverwerving zowel op conceptuele kennis (Chang e.a., 2008) als op intuïtieve kennis (Swaak e.a., 1998).

11

6 Wat weten we over … modelleren

12

Bij computersimulaties onderzoekt een leerling een gegeven model; bij modelleren maakt de leerling zelf een model dat gebruikt kan worden als een simulatie.

Er bestaat modelleersoftware speciaal ontwikkeld voor het onderwijs zoals Model-It (Jackson e.a., 1996) of op System Dynamics gebaseerde software zoals PowerSim, of de Co-Lab modelleertool (Van Joolingen e.a., 2005).

Deze software biedt leerlingen de mogelijkheid modellen te maken in een grafische taal en de details daarvan te specificeren als vergelijkingen of als kwalitatieve uitspraken zoals: “Als de temperatuur hoger wordt, wordt de uitgestraalde warmte ook groter”. Figuur 2 geeft een voorbeeld van een eenvoudig system dynamics model waarin bovenstaande uitspraak wordt weergegeven door een klein grafiekje.

Volgens Hestenes (1987) is modelleren een kernactiviteit in het leren van natuurwetenschap. De meerwaarde van modeleren is dat leerlingen door het maken van modellen hun kennis expliciet maken en doordat ze het model kunnen simuleren de gevolgen kunnen zien van die kennis (Löhner e.a., 2003). Meer concreet: ■■Door te modelleren formuleren leerlingen hun hypothesen in een vorm die simulatie mogelijk maakt. Dat betekent dat de hypothesen precies geformuleerd moeten worden. Hierdoor worden leerlingen gestimuleerd hun eigen ideeën te onderzoeken.

■■Simulatie van het model maakt het mogelijk de hypothesen te toetsen door de uitkomsten van de simulatie te vergelijken met eigen verwachtingen, of met data verzameld uit een proef of gegeven simulatie.

■■Leerlingen kunnen hun modellen uitwisselen met andere leerlingen. Leerlingen kunnen zo modellen vergelijken en elkaars modellen bekritiseren.

Het proces van modelleren volgt de onderzoekscyclus: oriëntatie, vormen van hypothesen, het toetsen daarvan en het trekken van conclusies. Het verschil met leren uit een gegeven model is de wijze waarop hypothesen geformuleerd worden (als model-elementen) en het feit dat toetsing plaats kan vinden door het eigen model te simuleren.

Modelleren vereist een zekere wiskundige voorkennis van leerlingen en wordt daarom vooral in de bovenbouw van VWO en Havo toegepast. Uit onderzoek van Van Borkulo (2009) blijkt dat het maken van modellen vooral geschikt is voor het verkrijgen van inzicht in complexere structuren in het domein, en minder voor het leren van eenvoudige feiten en regels.

7 Computersimulaties en gerelateerde vormen van ict 7.1 Games en adventures Games bevatten net als simulaties een onderliggend model waarmee leerlingen interactief kunnen werken.

Games verschillen van simulaties in die zin dat in games een bepaalde toestand bereikt moet worden en in simulaties het belangrijkste doel is onderliggende principes van het simulatiemodel te ontdekken.

Daarnaast hebben games vaak een competitie-element, een verrassingselement, en heeft de speler maar een beperkt aantal resources (geld, levens) tot zijn beschikking. Het gevolg zal zijn dat in games leerlingen veelal meer intuïtieve kennis zullen ontwikkelen en in simulaties naast intuïtieve kennis ook meer expliciete conceptuele kennis. Een en ander hangt uiteraard ook samen met de vraag of leerlingen extra cognitieve ondersteuning krijgen, bijvoorbeeld om goed te reflecteren.

In adventures beleven leerlingen avonturen in virtuele werelden (bijvoorbeeld het oude Egypte) en moeten zij allerlei opdrachten uitvoeren waarin zij kennis vergaren (Leemkuil & De Jong, 2004).

Een variant op een adventure is een MUVE. MUVE staat voor Multi User Virtual Environment: een virtuele omgeving voor meerdere gebruikers. Hierin worden leerlingen gerepresenteerd door fantasiefiguren (avatars) en moeten ze allerlei zoektochten (quests) voltooien. Terwijl ze dat doen moeten ze bijvoorbeeld wiskundeproblemen oplossen.

Temperatuur

Warmtestraling Figuur 2: voorbeeld van een model van de relatie tussen warmtestraling en temperatuur

Een veel voorkomend misverstand is dat een hoge score in een game gerelateerd is aan goede leerprestaties.

Dat is niet het geval. Leerlingen die veel leren kunnen laag scoren in de game, en leerlingen die hoge game scores halen hoeven niet noodzakelijkerwijs veel te leren (Leemkuil e.a., manuscript).

7.2 Samenwerkend leren Onderzoekend leren is, zoals echte onderzoeken, heel geschikt om samenwerkend leren plaats te laten vinden. De reden hiervoor is dat in onderzoekend leren veel beslissingen moeten worden genomen (welke hypothese gaan we toetsen; welke variabelen gaan we veranderen?) en over elke beslissing kan overleg tussen leerlingen plaatsvinden. Het is ook heel goed mogelijk de kennisverschillen tussen leerlingen voor het onderzoekend leren in kaart te brengen waarna ze via experimenten kunnen proberen om tot overeenstemming in kennis te komen (Gijlers & De Jong, 2009). Onderzoek laat zien dat samenwerkend leren met een simulatie leerlingen kan helpen betere resultaten te krijgen (Kolloffel e.a., manuscript).

13

8 Waar vind ik computersimulaties?

Er zijn veel computersimulaties op het internet te vinden, maar zelden zijn ze voorzien van de juiste onderwijskundige ondersteuning of vindt er geen integratie met de lesmethode plaats. Enkele relevante websites zijn:

14

SimQuest is een auteurstaal voor het ontwerpen van modellen, simulatie interfaces en cognitieve ondersteuning. Er is een aantal simulaties vrij beschikbaar en er zijn ook simulaties met SimQuest ontworpen voor uitgevers als EPN en Nijgh Versluys.

SimQuest is ontworpen door de Universiteit Twente in samenwerking met buitenlandse partners.

Zie www.simquest.nl Physlets zijn kleine korte simulaties op vele terreinen van de natuurkunde: webphysics.davidson.edu/Applets/Applets.html Modellus is een modelleer en simulatieomgeving, wederom binnen de natuurkunde. Modellus is sterk visueel en zeer interactief. Leerlingen kunnen met Modellus zelf modellen en interfaces maken en daarmee experimenteren: phoenix.sce.fct.unl.pt/modellus Het Concord consortium produceert een aantal zeer attractieve simulaties op verschillende terreinen.

Onder andere Pedagogica/Genscope, een simulatie op het terrein van de genetica. Leerlingen kunnen “draken” met verschillende eigenschappen (wel of niet vuurspuwend, wel of geen hoorns) met elkaar kruizen en verschillende fenomenen uit de genetica exploreren: www.concord.org/resources/browse/172

De Wisweb omgeving van het Freudenthal instituut geeft vele simulatie-achtige programma’s op het gebied van de wiskunde: www.fi.uu.nl/wisweb De PhET website biedt een groot aantal interactieve natuurwetenschappelijke simulaties: phet.colorado.edu/index.php Geen VO, maar wel illustratief voor een niet natuurwetenschappelijk terrein, zijn de ZAP simulaties. Dit zijn korte simulaties op het het terrein van de psychologie: zap.psy.utwente.nl. Een uitgebreidere Engelstalige serie ZAPs is te verkrijgen via: www.wwnorton.com/zaps.

Een site waar educatieve software gevonden kan worden van allerlei soort, inclusief simulaties is Merlot: www.merlot.org. Zoek op “simulation”.

In het recent gestarte grootschalige EU project SCY (Science Created by You) staat leren door middel van het creëren van materiaal (ontwerpen, rapporten, modellen) centraal. In SCY-Lab, de leeromgeving in ontwikkeling spelen simulaties voor onderzoekend leren een centrale rol (www.scy-net.eu).

9 Wat betekent het gebruik van simulaties in de praktijk?

U denkt dat onderzoekend leren iets is voor uw leerlingen en u wilt graag simulaties inzetten? Wat is dan verstandig om te doen?

■■Op de eerste plaats moet u nagaan of het onderwerp dat u in gedachten heeft geschikt is. Als het een onderwerp is dat voornamelijk procedureel van aard is (als het bijvoorbeeld vooral om rekenvaardigheden gaat) dan is onderzoekend leren met simulaties waarschijnlijk minder geschikt.

■■Op de tweede plaats moet u bedenken of uw leerlingen eraan toe zijn. Om onderzoekend te kunnen leren moeten leerlingen het liefst enige voorkennis hebben die hen in staat stelt in de simulatie de juiste conclusies te trekken of u moet ervoor zorgen dat deze kennis anderszins direct voorhanden is.

■■Dan moet u een geschikte simulatie vinden. In de vorige paragraaf zijn enkele bronnen voor het vinden van simulaties vermeld, maar ook via Google kunt u wellicht materiaal vinden. Vaak zal een simulatie die u vindt niet precies het onderwerp zijn dat u zoekt, of hij zal uitgebreider zijn dan wat u wilt, of de taal (en het symboolgebruik) zijn anders dan wat u gewend bent. Dit kan een reden zijn waarom simulaties nog betrekkelijk weinig worden gebruikt in het onderwijs (Grünbaum e.a., 2004; De Jong, 2009).

■■Veel simulaties zijn web-gebaseerd of vereisen een eenvoudige installatie. De meeste moderne computers zijn voldoende voor het uitvoeren van simulaties voor onderwijsdoeleinden. Uiteraard heeft u wel voorzieningen nodig die het leerlingen mogelijk maakt op computers te werken.

■■U kunt natuurlijk ook zelf een simulatie ontwikkelen, bijvoorbeeld met speciale auteursomgevingen als SimQuest, maar dit zal wel enige tijdsinvestering vergen.

■■In het algemeen zullen de computervaardigheden van de leerlingen voldoende zijn om met simulatie software om te gaan.

■■Onderzoeken leren beperkt zich niet tot een bepaald schooltype. Er zijn goede toepassingen voor VWO, HAVO, VMBO en ROC’s. Voor het primair onderwijs zal de toepassing beperkt zijn en is de structurering door de docent van nog groter belang.

15

16

■■Uw belangrijkste uitdaging zal zijn om de simulatie goed te relateren aan de methode die u hanteert en voor de leerlingen structuur bij de simulatie aan te brengen die zorgt dat ze niet zomaar wat variëren in de simulatie maar er echt van kunnen leren.

Deze “scaffolding” van studenten hoeft niet in de software geïntegreerd te worden, maar kan ook op papier. Belangrijk is dat u uw leerlingen duidelijk maakt wat er ontdekt kan worden in de simulatie (het algemene doel), wat er gevarieerd kan worden, waar ze op moeten letten bij de output. Door middel van een serie kortere opdrachten kunt u uw leerlingen langzaam door de simulatie heen leiden. Laat uw leerlingen ook na afloop een rapportje schrijven over wat ze ontdekt hebben en hoe het proces is verlopen.

Ook moet leerlingen duidelijk worden gemaakt dat ze mogen experimenteren. Vaak verwachten leerlingen niet dat ze zomaar zelf aan de slag mogen en keuzes mogen maken.

■■Het is ook verstandig met een klassikale demonstratie te beginnen en aan alle leerlingen te laten zien wat de mogelijkheden en doelen zijn.

■■Het samenwerken achter één computer met een simulatie kan ook bevorderend zijn voor het onderzoekend leerproces.

10 Onderzoekend leren in de toekomst

De ontwikkelingen op het gebied van computersimulaties en onderzoekend leren staan niet stil. In Nederlandse en buitenlandse groepen wordt onderzocht hoe onderzoekend leren beter kan worden ingezet in het onderwijs. Actuele thema’s zijn daarbij: ■■De integratie van onderzoekend leren in het curriculum. Voor welke onderwerpen en op welke manier kunnen simulaties het beste worden gecombineerd met andere vormen van leren zodat een coherent geheel ontstaat.

■■Integratie van simulaties, modelleren en practica.

Door uitwisseling mogelijk te maken van producten die leerlingen maken (modellen, dataverzamelingen) wordt het mogelijk om problemen vanuit meerdere kanten te bekijken. Data verzameld in een practicum kunnen bijvoorbeeld worden vergeleken met een simulatie en verklaard worden met een model.

Daartoe wordt gewerkt aan een technisch en inhoudelijk uitwisselformaat dat onderzoekend leren kan ondersteunen en grotere leerlingprojecten (b.v. voor profielwerkstukken) kan ondersteunen.

■■Gebruik van mobiele apparaten, zoals mobiele telefoons en pda’s, om ‘in het veld’ gegevens te verzamelen die gebruikt kunnen worden in onderzoekende leeractiviteiten.

■■Intelligente vormen van samenwerking, waarin leerlingen op het juiste moment in contact worden gebracht met medeleerlingen om samen te werken aan een gemeenschappelijk probleem. Leerlingen kunnen zo aan en van elkaar leren.

■■Auteurssystemen die het ontwikkelen van simulaties eenvoudiger maken.

Het toekomstbeeld van deze ontwikkelingen is een curriculum waarin een onderzoekende aanpak van veel schoolvakken is ingebouwd, en waarin leerlingen flexibel met de leraar en elkaar kunnen samenwerken aan realistische problemen.

17

11 Wat weten we nu over computersimulaties?

18

■■Met simulaties kunnen leerlingen onderzoekend leren.

■■Om het onderzoekend leren effectief te maken moet ondersteuning worden aangeboden door de docent of in het computerprogramma zelf, door middel van cognitieve ondersteuning.

■■Onderzoekend leren met computersimulaties is ook heel geschikt voor samenwerkend leren.

■■In vergelijking met experimenteren in een werkelijke situatie kan een simulatie ook voordelen hebben in de vorm van veiligheid, kosten, onafhankelijkheid van tijd en plaats, de uitbreiding van de mogelijkheid tot experimenteren met systemen en het aanpassen van de tijdschaal van de werkelijkheid.

■■Met onderzoekend leren verwerven leerlingen conceptuele kennis en kennis over het proces van onderzoeken. Simulaties kunnen ook gebruikt worden om vaardigheden te trainen (bijv. in het geval van een vluchtsimulator).

■■Simulaties kunnen adequate vervangers zijn van practica; zeker in aanvulling op practica zorgen simulaties ervoor dat leerlingen meer kennis verwerven. Practica bieden natuurlijk nog steeds de gelegenheid tot relevante fysieke ervaringen.

■■Onderzoekend leren kan leiden tot een vorm van kwalitatieve intuïtieve kennis, maar ook tot expliciete kwantitatieve kennis wanneer er reflectie plaatsvindt en de leerlingen hun kennis precies moeten uitdrukken, bijvoorbeeld in de vorm van een computermodel.

■■Onderzoekend leren met simulaties is geen vervanging van andere vormen van leren, maar eerder een aanvulling. In een gebalanceerd curriculum komen ook andere vormen van instructie en onderwijzen voor.

12 Meer weten

12.1 Verwijzingen en geraadpleegde bronnen ■■Borkulo, S. van (2009). The assessment of learning outcomes of computer modeling in secondary science education. Ongepubliceerd proefschrift, Universiteit Twente, Enschede.

■■Chang, K. E., Chen, Y. L., Lin, H. Y., & Sung, Y. T. (2008). Effects of learning support in simulationbased physics learning. Computers & Education, 51, 1486-1498.

■■Eysink, T. H. S., Jong, T. de, Berthold, K., Kollöffel, B., Opfermann, M., & Wouters, P. (te verschijnen).

Learner performance in multimedia learning arrangements: an analysis across instructional approaches. American Educational Research Journal.

■■Gijlers, H., & Jong, T. de (2009). Sharing and confronting propositions in collaborative inquiry learning. Cognition and Instruction, 27, 239-268.

■■Grünbaum, L., Pedersen, M., & Nielsen, M. B. (2004).

Study on innovative learning environments in school education. European Commission DG Education and Culture.

■■Hestenes, D. (1987). Towards a modeling theory of physics instruction. American Journal of Physics, 55, 440-454.

■■Hickey, D. T., & Zuiker, S. (2003). A new perspective for evaluating innovative science learning environments. Science Education, 87, 539-563.

■■Jaakkola, T., & Nurmi, S. (2008). Fostering elementary school students’ understanding of simple electricity by combining simulation and laboratory activities.

Journal of Computer Assisted Learning, 24, 271-283 ■■Jackson, S., Stratford, S., Krajcik, J., & Soloway, E. (1996). Making dynamic modeling accessible to pre-college science students. Interactive Learning Environments, 4, 233-257.

■■Jong, T. de. (2009). Een vak apart: hoe krijgen we echt innovatieve software in de klas? In A. ten Brummelhuis & M. van Amerongen (Red.), “Hier heb ik niets aan!”. Essays over bruikbaar digitaal leermateriaal (pp. 30-35). Zoetermeer: Kennisnet Onderzoeksreeks (#18).

■■Jong, T. de. (2006a). Computer simulations Technological advances in inquiry learning. Science, 312, 532-533.

■■Jong, T. de. (2006b). Scaffolds for computer simulation based scientific discovery learning. In J. Elen & R. E. Clark (Red.), Dealing with complexity in learning environments (pp. 107-128). Londen: Elsevier Science Publishers.

■■Jong, T. de, Hendrikse, H. P., & van der Meij, H. (te verschijnen). Learning mathematics through inquiry; a large scale evaluation. In M. Jacobson & P. Reimann (Red.), Designs for learning environments of the future: International perspectives from the learning sciences. Berlin: Springer Verlag.

■■Jong, T. de, & Joolingen, W. R. van (1998). Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 68, 179-202.

■■Klink, M. van, Wilhelm, P., & Lazonder, A. W. (manuscript). Hands-on vs. hands-off manipulation in physical, video, and simulation-based inquiry learning environments.

■■Kolloffel, B., Eysink, T., & Jong, T. de (manuscript).

Do representational tools support understanding in combinatorics instruction? Comparing effects in collaborative and individual learning settings.

19

20

■■Leemkuil, H., & Jong, T. de (2004). Games en gaming.

In P. A. Kirschner (Red.), Ict in het onderwijs: The next generation (Vol. Onderwijskundig Lexicon III, pp. 43-59). Alphen aan de Rijn: Kluwer.

■■Leemkuil, H., Jong, T. de, & Hoog, R. de (manuscript).

Is a successful gamer a successful learner? An exploration into the relations between game performance, learning results and use of support tools in an educational game.

■■Löhner, S., Joolingen, W. R. van, & Savelsbergh, E. R. (2003). The effect of external representation on constructing computer models of complex phenomena.

Instructional Science, 31, 395-418.

■■Mayer, R. E. (2004). Should there be a three-strikes rule against pure discovery learning? American Psychologist, 59, 14-19.

■■Parker, B. C., & Myrick, F. (2009). A critical examination of high-fidelity human patient simulation within the context of nursing pedagogy.

Nurse Education Today, 29, 322-329.

■■Quintana, C., Reiser, B. J., Davis, E. A., Krajcik, J., Fretz, E., Duncan, R. G., et al. (2004). A scaffolding design framework for software to support science inquiry. The Journal of the Learning Sciences, 13, 337-387.

■■Swaak, J., Joolingen, W. R. van, & Jong, T. de (1998).

Supporting simulation-based learning; the effects of model progression and assignments on definitional and intuitive knowledge. Learning and Instruction, 8, 235-253.

■■Joolingen, W. R. van, & Jong, T. de (2003). SimQuest: Authoring educational simulations. In T. Murray, S. Blessing & S. Ainsworth (Red.), Authoring tools for advanced technology educational software: Toward cost-effective production of adaptive, interactive, and intelligent educational software (pp. 1-31).

Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

■■Joolingen, W. R. van, & Jong, T. de (2004). Leren met computersimulaties. In P. A. Kirschner (Red.), Ict in het onderwijs: The next generation (Vol. Onderwijskundig Lexicon III, pp. 19-42). Alphen aan de Rijn: Kluwer.

■■Joolingen, W. R. van, Jong, T. de, Lazonder, A. W., Savelsbergh, E., & Manlove, S. (2005). Co-Lab: Research and development of an on-line learning environment for collaborative scientific discovery learning. Computers in Human Behavior, 21, 671-688.

■■White, B. Y., & Frederiksen, J. (1998). Inquiry, modelling, and metacognition: Making science accessible to all students. Cognition and Instruction, 16, 3-118.

■■Zacharia, Z. C. (2007). Comparing and combining real and virtual experimentation: an effort to enhance students’ conceptual understanding of electric circuits. Journal of Computer Assisted Learning, 23, 120-132.

■■Zacharia, Z. C., & Jong, T. de (manuscript). Should physical and virtual manipulatives be combined or used alone when understanding of physics concepts is the target goal?

■■Zacharia, Z. C., & Olympiou, G. (manuscript).

Rethinking physical and virtual manipulative experimentation in physics learning: Physicality vs manipulation.

12.2 Een vraag stellen Mocht u nog specifieke vragen hebben over het onderzoek, neemt u dan gerust contact op met Kennisnet, afdeling Onderzoek. Dit kan via onderzoek@kennisnet.nl of telefoonnummer 079-321 23 22.

12.3 Over de auteurs Ton de Jong is hoogleraar onderwijspsychologie aan de Universiteit Twente. Zijn onderzoek richt zich op probleemoplossen in natuurwetenschappen, computerondersteund onderzoekend leren, leerprocessen en instructieontwerp. Hij heeft meer dan honderd tijdschriftartikelen en boekhoofdstukken over leren en instructie op zijn naam staan, is associate editor van Instructional Science en is zit in de redactieraad van nog zeven wetenschappelijke tijdschriften op het gebied van leren en instructie. Hij was coördinator van diverse Europese en Nederlandse projecten op het gebied van simulatie-gebaseerd leren (waaronder SimQuest, KmQuest, Co-Lab en ZAP).

Wouter van Joolingen is hoogleraar instructietechnologie aan de Universiteit Twente. Hij specialiseert zich in het gebruik van modelleeromgevingen binnen een context van onderzoekend leren, in het bijzonder in natuurwetenschappelijke domeinen. Een belangrijk thema daarbij is het gebruik van informele representaties zoals tekeningen als hulpmiddel bij het leren modelleren. Hij leidde de ontwikkeling van het auteurssysteem SimQuest, waarmee educatieve simulaties ontwikkeld kunnen worden en Co-Lab, een omgeving voor samenwerkend onderzoekend leren. Voor dit werk ontving hij in 2009 de Distinguished Development Award van de Association for Educational Communications and Technology.

Op dit moment werken beide auteurs samen in het project SCY, Science Created by You, een door de Europese Unie gefinancierd project met als doel de ontwikkeling van een omgeving waarin leerlingen door het werken aan gemeenschappelijke producten.

In dit project werken ongeveer zestig onderzoekers, onderwijsontwikkelaars en docenten van twaalf instituten in vijf landen in Europa en Canada samen.

12.4 Neem een gratis abonnement op de Onderzoeksreeks Wilt u op de hoogte blijven van alle nieuwe publicaties in de Kennisnet Onderzoeksreeks? Ga dan naar onderzoek.kennisnet.nl/kennisvanwaarde/ onderzoeksreeks en sluit een gratis abonnement af. U krijgt dan steeds de nieuwste publicaties – gemiddeld tien per jaar – direct na verschijnen toegestuurd.

21

Colofon

Wat weten we over … Computersimulaties in het VO? © Kennisnet, Zoetermeer november 2009 ISBN: 9789077647288 Opdrachtgever: Stichting Kennisnet, Zoetermeer Auteur: Ton de Jong en Wouter van Joolingen (Universiteit Twente).

Vormgeving: GOfor Design, Den Haag Druk: Drukkerij De Bink, Den Haag

Naamsvermelding-NietCommercieel-GeenAfgeleideWerken 2.5 Nederland

22

De gebruiker mag: n het werk kopiëren, verspreiden, tonen en op- en uitvoeren 0nder de volgende voorwaarden: Naamsvermelding. De gebruiker dient bij het werk de naam van Kennisnet te vermelden.

Niet-commercieel. De gebruiker mag het werk niet voor commerciële doeleinden gebruiken.

Geen Afgeleide werken. De gebruiker mag het werk niet bewerken. n Bij hergebruik of verspreiding dient de gebruiker de licentievoorwaarden van dit werk kenbaar te maken aan derden. n De gebruiker mag uitsluitend afstand doen van een of meerdere van deze voorwaarden met voorafgaande toestemming van Kennisnet.

Het voorgaande laat de wettelijke beperkingen op de intellectuele eigendomsrechten onverlet. www.creativecommons.org/licenses Disclaimer: De door Kennisnet verstrekte informatie is ontleend aan bronnen die betrouwbaar mogen worden geacht, maar voor de juistheid en volledigheid daarvan kan niet worden ingestaan. Kennisnet aanvaardt dan ook geen aansprakelijkheid voor schade in verband met het gebruik van informatie uit deze uitgave, daaronder begrepen schade veroorzaakt door onjuistheid of onvolledigheid van deze informatie. De in dit artikel bedoelde beperking of uitsluiting van de aansprakelijkheid geldt niet voorzover schade het gevolg is van een bewust roekeloze of opzettelijke tekortkoming van de auteur.

Deze uitgave is met grote zorg samengesteld. Mocht u echter onvolkomenheden en/of tegenstrijdigheden constateren, dan verzoeken wij u hiervan melding te maken bij Kennisnet met opgave van de eventuele consequenties en/of correcties.

Dit is een publicatie van Stichting Kennisnet. www.kennisnet.nl

KENNISNET Onderzoeksreeks n Ict in het onderwijs Wat weten we uit wetenschappelijk onderzoek over ict in het onderwijs en hoe kunnen scholen samen met onderzoekers voortbouwen op beschikbare resultaten uit eerder uitgevoerd onderzoek?

De Kennisnet Onderzoeksreeks Ict in het onderwijs heeft als doel een verzamelplaats te zijn voor antwoorden op deze vragen. Daarvoor wordt gebruik gemaakt van de praktijkervaringen van onderwijsprofessionals en resultaten uit wetenschappelijk onderzoek.

Deze reeks is bedoeld voor management en leraren in het onderwijs en voor instellingen en organisaties die het onderwijs ondersteunen bij effectief en efficiĂŤnt gebruik van ict.

2008 Nr. 1 - Kennis van Waarde Maken Nr. 2 - Leren met meer effect Nr. 3 - Ict werkt in het vmbo!

Nr. 4 - Games in het (v)mbo Nr. 5 - Web 2 in de BVE Nr. 6 - Digitale schoolborden in het PO Nr. 7 - Speciaal onderwijs levert maatwerk met ict Nr. 8 - Opbrengsten van ict-projecten Nr. 9 - Leren in Second Life Nr. 10 - HomoZappiens@Schonenvaart.mbo

2009 Nr. 11 - Web 2.0 als leermiddel Nr. 12 - De betrouwbaarheid van internetbronnen Nr. 13 - Leren met meer effect: de onderzoeksresultaten Nr. 14 - Samen Engels Leren Spreken Nr. 15 - Taalontwikkeling van jonge kinderen Nr. 16 - Digitaal leermateriaal taalonderwijs PO Nr. 17 - Jongeren en interactieve media Nr. 18 - Essays over bruikbaar digitaal leermateriaal Nr. 19 - Computersimulaties in het VO

Stichting Kennisnet Postadres Postbus 778 2700 AT Zoetermeer

Bezoekadres Paletsingel 32 2718 NT Zoetermeer

Kennisnet. Leren vernieuwen. onderzoek.kennisnet.nl

T 0800 - KENNISNET F (079) 321 23 22 kennisnet.nl