Modellen in de klas

Wie iets van de wetenschap wil begrijpen, moet weten hoe modellen werken. Dat werd de afgelopen weken in de serie 'Spiegeltje, spiegeltje' wel duidelijk. Ook in het lager en middelbaar onderwijs spelen modellen een grote rol. Toch leren leerlingen in het lager en middelbaar onderwijs vooral mét modellen (“bekijk de afbeelding op pagina 9”) en niet óver modellen (“Wat zijn eigenlijk de aannames achter deze weergave? Wat is de relatie tussen deze afbeelding en de werkelijkheid?”). Volgens prof. dr. Wouter van Joolingen (Freudenthal instituut) is juist die kennis essentieel om leerlingen kritisch te leren redeneren én ze inzicht te geven in de werking van wetenschap.

Leren met modellen

Studieboeken staan vol met modellen; detailtekeningen van het menselijk lichaam bij biologie, stroomdiagrammen bij natuurkunde, geografische processen bij aardrijkskunde, of het barrière-model over hoe politiek beleid tot stand komt bij maatschappijwetenschappen. Maar begrijpen leerlingen daarmee de werkelijkheid ook beter? Daarvoor is ook inzicht nodig in wat het model níet laat zien. Een bekend model dat zijn doel compleet voorbijschiet is volgens Van Joolingen de weergave van hoe enzymen moleculen omzetten en afbreken. “Dat model geeft aanleiding tot heel veel misconcepties doordat het alleen maar een heel specifiek stukje van het proces laat zien.” Om inzicht te krijgen in de relatie tussen model en werkelijkheid moeten leerlingen dus niet alleen een model leren gebruiken, maar ook leren hoe dat model in elkaar zit en wat de beperkingen zijn. Dat vraagt om een hoger niveau van redeneren waarbij leerlingen niet alleen een model kunnen beschrijven, maar ook theoretisch kunnen onderbouwen, de relaties tussen variabelen kunnen voorspellen, hypotheses kunnen testen of een model kunnen aanpassen op basis van onderzoeksuitkomsten.

Leerlingen doen onderzoek naar de evolutie van slakken met het programma SimSketch.

Zelf aan de slag!

Een manier om leerlingen inzicht te geven in de rol van modellen, is door ze zelf modellen te laten bouwen. Op die manier leren ze systematisch nadenken welke factoren een rol spelen in een proces en hoe die zich tot elkaar verhouden. Ook leren ze over de beperkingen van een model, je kunt immers niet alles in het model stoppen. Van Joolingen ontwikkelde SimSketch, waarmee basisschoolleerlingen zelf aan de slag kunnen door tekeningen te maken en daar gedrag aan toe te kennen. Hoe kan het bijvoorbeeld dat dieren in de natuur verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van het gebied waar ze leven? “Ze nemen de kleur op uit hun omgeving”, gokten leerlingen toen ze op hun beeldscherm zagen hoe de slakken van kleur veranderden. Toen ze vervolgens zelf ook vogels tekenden en hen de opdracht gaven slakken op te eten die het meest opvallen, zeiden ze: “De slakken die het meest lijken op hun omgeving overleven omdat de vogels ze niet zien.” Zo leren leerlingen het evolutieproces begrijpen.

Leerlingen kunnen niet alleen digitaal met modellen werken, maar ook met 'tastbare computermodellen', zoals een zandbak waar hoogtelijnen op geprojecteerd worden (zie onderstaande video). Zo kunnen ze zelf bergen maken en zien hoe representatie en werkelijkheid met elkaar verbonden zijn. Op dit moment werken wetenschappers aan een onderzoek om te kijken hoe dat fysieke aspect invloed heeft op hoe leerlingen redeneren met modellen. Werkt dit ook echt beter? Dat is lastig te vergelijken, zegt Van Joolingen. Daarvoor moet je leerlingen niet eenmalig laten spelen met een model, maar dat structureel verwerken in het lesprogramma. Wel zijn er ook uit de pyschologie aanwijzingen die erop duiden dat deze manier van leren werkt. Volgens de embodied cognition-theorie zit kennis niet alleen in je brein, maar ook in je lichaam. Spelen met zand werkt daardoor beter dan alleen een atlas bekijken.

'Augmented reality', waarbij je iets toevoegt aan de werkelijkheid, in dit geval de projectie van hoogtelijnen en waterstromen op een fysieke zandbak, kan leerlingen meer inzicht geven in de relatie tussen model en realiteit.

Leren over wetenschap

Leren met en over modellen is niet alleen belangrijk om processen te begrijpen, maar ook om de wetenschap zelf te begrijpen. In maatschappelijke discussies speelt wetenschap een belangrijke rol, maar de waarde van wetenschappelijke kennis ligt ook onder vuur. Van Joolingen: “Kijk naar wat er gebeurt in discussies over het klimaat, vaccinaties en dergelijke. Wat je ziet is dat er een soort anti-wetenschapshouding opkomt. Dat heeft voor een deel te maken met onbegrip over hoe die kennis tot stand is gekomen en wat de status en waarde daarvan is.” Een zeker niveau van 'wetenschappelijke geletterdheid' is voor iedereen van belang. Ook een timmerman die zelf geen wetenschappelijke ambities heeft, moet begrijpen hoe kennis tot stand komt, wat de betekenis ervan is en wat je er wel, maar ook wat je er niet mee kunt bewijzen. Het verwerven van dat inzicht begint op school. Dat betekent niet dat elk kind straks op de basisschool moet leren modelleren met slakken. Maar wel dat leerlingen meer inzicht nodig hebben in hoe modellen en wetenschappelijke representaties tot stand komen.

Kijk de lezing 'Leren van modellen' terug.

Dit was de laatste lezing in de serie 'Spiegeltje, spiegeltje'. Welke conclusies kunnen we trekken uit de acht lezingen over modellen en representaties in verschillende disciplines? Dat lees je binnenkort in het digitale Studium Generale Magazine. Hou de site in de gaten.