Transcript Ontwerpen - NatuurkundeDidactiek

Ontwerpen
Inleiding
Ontwerpen is een proces dat vooral aandacht krijgt binnen het techniekonderwijs en relatief
nieuwe vakken als Onderzoek & Ontwerpen (O&O). Het is een belangrijk middel om de
technische geletterdheid van leerlingen te verhogen, waardoor ze een betere plaats kunnen
verwerven binnen de moderne, complexe maatschappij die voortdurend sterk beïnvloedt
wordt door technologische vooruitgang. Ontwerpvaardigheden hebben in deze een sterk
vakoverstijgend karakter en kunnen dienen als pedagogische strategie voor het bereiken van
veel meer dan alleen het realiseren van een functioneel ontwerp. Deze vaardigheden hebben
deels een sterke gelijkenis met vaardigheden die binnen de natuurwetenschappen centraal
staan en dan laten we de inhoudelijke verwantschap tussen natuurkundige en technische
thema’s nog buiten beschouwing. Het is dan ook niet vreemd dat ontwerpen aandacht verdient
binnen het natuurkundeonderwijs. Op basis van literatuur over ontwerpen (Roth, 2001;
Sidawi, 2009) kunnen er enkele concrete redenen gegeven worden waarom deze aandacht
legitiem is.
De natuurkunde stelt vooral het begrijpen van de wereld om ons heen centraal.
Hiervoor worden voortdurend abstracte theorieën ontwikkeld en getoetst middels
experimenten. In die zin is natuurwetenschap sterk conceptueel van aard. Binnen de
technische gemeenschap staat het ontwerpen en vervaardigen van technische realisaties
centraal die tegemoetkomen aan menselijk behoeften. Daar waar natuurkunde dus vooral het
“weten” centraal stelt, focust ontwerpen sterker op “doen”. Uit onderzoek blijkt dat een
koppeling tussen weten en doen het leerproces van leerlingen versterkt wat draagvlak biedt
voor de gedachte om ontwerpen onderdeel te laten zijn van de natuurkundeleerlijn en vice
versa.
De tweede reden heeft betrekking op de concept-contextbenadering die centraal staat
binnen het natuurkundeonderwijs. Betekenisvolle en authentieke contexten zorgen voor
zinvol en herkenbaar onderwijs en dragen bij aan het zichtbaar maken van de
maatschappelijke relevantie van het schoolvak natuurkunde. Daarnaast toont onderzoek aan
dat een contextrijke leeromgeving een sterke bijdrage levert een het leerproces van leerlingen
omdat abstracte kennis betekenis krijgt. Omdat de werking van technische realisaties vaak te
verklaren is met behulp van natuurwetenschappelijke concepten biedt ontwerpen een rijke
context.
De derde reden betreft het vaardigheidsleren. Ontwerpen is een activiteit waarbij
meerdere oplossingen mogelijk zijn voor een probleem die allen in meer of mindere mate
kunnen voldoen. Om dit doel te bereiken is een kritische houding erg belangrijk, waarbij
samenwerkend leren gekoppeld aan momenten van feedback en reflectie cruciale middelen
zijn. In die zin werkt ontwerpen toe naar collectieve prestaties waarbij leerlingen voortdurend
elkaars ideeën en inzichten delen om te kijken of deze aansluiten bij een klassikale norm.
Onderzoek toont aan dat leerlingen hierdoor vaardiger worden op het gebied van
samenwerken, reflecteren en het geven en ontvangen van feedback. Vaardigheden die binnen
het natuurkundeonderwijs even belangrijk zijn. Daarnaast blijkt ontwerpen een goede context
te zijn om de experimenteervaardigheden van leerlingen te verbeteren.
Een vierde en laatste reden, waarmee we lang niet volledig zijn, betreft de
constructivistische benadering van ontwerpopdrachten. Een goed gekozen ontwerpopdracht
biedt leerlingen de ruimte om te verkennen welke kennis en vaardigheden nodig zijn om tot
1
een goed ontwerp te komen. In die zin start iedere leerlingen met het verkennen van zijn/haar
eigen beginsituatie: Wat weet en kan ik al en wat moet ik nog bijleren? Hierdoor worden
leerlingen eigenaar van het leerproces hetgeen een positief effect heeft op de
leerlingenmotivatie.
Kerndoelen en examenprogramma
Een andere reden om aandacht te besteden aan ontwerpen is natuurlijk het feit dat dit wordt
voorgeschreven door kerndoelen en eindtermen. Kijkend naar de kerndoelen voor de
onderbouw van het voortgezet onderwijs die in 2004 zijn uitgebracht, zien we ontwerpen een
duidelijke plaats innemen binnen het leergebied “mens en natuur”. Hier beneden zijn enkele
passages opgenomen waaruit dit blijkt.
Beschreven karakteristiek
“Leerlingen maken kennis met de methodiek van ontwerpen en passen de geleerde vaardigheden toe
door een technisch product of een programma van eisen te ontwerpen. Zij leren daarbij bewuste
keuzes te maken met het oog op zorg voor zichzelf, elkaar en de omgeving. Leerlingen leren daarbij
inzicht te krijgen in de consequenties van keuzes voor de eigen levenswijze.”
Kerndoel nummer 33
“De leerling leert door onderzoek kennis te verwerven over voor hem relevante technische producten
en systemen, leert deze kennis naar waarde te schatten en op planmatige wijze een technisch product
te ontwerpen en te maken.”
Ook de in 2014 verschenen kennisbasis natuurwetenschappen en technologie voor de
onderbouw van het voorgezet onderwijs, dienend als richtinggevend leerplankader, ruimt voor
ontwerpen een prominente plaats in door de ontwerpcyclus expliciet te bespreken en per
domein voorbeelden te geven van ontwerpopdrachten die aan de orde kunnen komen.
Wanneer leerlingen in de bovenbouw van het havo/vwo komen, blijft ontwerpen een
rol spelen aangezien ontwerpen expliciet is opgenomen als eindterm te toetsen binnen het
schoolexamen. Daarbij wordt ontwerpen ook in combinatie met onderzoeken genoemd. Een
combinatie waarvoor veel te zeggen valt en waar we verderop uitgebreid op terugkomen.
Voor de volledigheid geven de onderstaande voorbeelden aan welke ontwerpaspecten zoal
aan de orde komen in de bovenbouw van het havo/vwo.
Eindterm 31 schoolexamen havo
“De kandidaat kan in contexten die vallen binnen subdomeinen van het centraal examen op basis van
een gesteld probleem een ontwerp voorbereiden, uitvoeren, testen en evalueren.”
Subdomein A6 Ontwerpen (havo en vwo)
“De kandidaat kan gebruikmakend van relevante begrippen, theorie en vaardigheden en valide en
consistente redeneringen:
1. een technisch ontwerpprobleem analyseren en beschrijven;
2. voor een ontwerp een programma van eisen en wensen opstellen;
3. verbanden leggen tussen natuurwetenschappelijke kennis en taken en eigenschappen van een
ontwerp;
4. verschillende (deel)uitwerkingen geven voor taken en eigenschappen van een ontwerp;
5. een beargumenteerd ontwerpvoorstel doen voor een ontwerp, rekening houdend met het
programma van eisen, prioriteiten en randvoorwaarden;
6. een prototype van een ontwerp bouwen;
2
7. een ontwerpproces en –product testen en evalueren, rekening houdend met het programma van
eisen;
8. voorstellen doen voor verbetering van een ontwerp;
9. een ontwerpproces en –product presenteren.”
Ontwerpproces
Wanneer we de inhouden van de zojuist besproken kerndoelen en eindtermen bestuderen dan
zien we een rechtstreekse koppeling met de stappen van de ontwerpcyclus in figuur 1. Deze
cyclus maakt duidelijk dat ontwerpen vooral een proces is dat bestaat uit een samenhangende
verzameling van vaardigheden met een duidelijke voorkeursvolgorde die helpt om het
ontwerpprobleem op een systematische wijze aan te pakken. Een belangrijke opmerking die
hierbij gemaakt moet worden is dat er zeker afgeweken mag of zelfs moet worden van de
getoonde volgorde. De cyclus maakt in die zin alleen duidelijk dat het doorlopen van alle
stappen de kans op een succesvol ontwerp verhoogt. Op meerdere momenten zullen
bijvoorbeeld stappen uit de cyclus herhaald moeten worden om voortgang te boeken,
waardoor ontwerpen een sterk iteratief karakter krijgt. Ook wordt de cyclus vaak meerdere
malen doorlopen om het ontwerp te verbeteren/optimaliseren. Ontwerpen kan daarom wellicht
beter als een concentrisch proces gezien worden waarbij men leert door ervaring en herhaling.
Zeker gezien de complexiteit van het totale proces is het van belang, net als bij
wetenschappelijk experimenteren, om leerlingen geleidelijk met delen van het proces kennis
te laten maken. Dit kan bijvoorbeeld door het oefenen met het opstellen van een programma
van eisen of door te oefenen met divergent denken: het bedenken van meerdere
deeloplossingen voor het ontwerpprobleem. Het is belangrijk om dit in het achterhoofd
houden bij de beschrijving van de deelprocessen van de ontwerpcyclus.
Figuur 1: Ontwerpcyclus
Fase 1 van de cyclus betreft het analyseren en beschrijven van het ontwerpprobleem
waarbij het zaak is om zo goed mogelijk de diverse deelaspecten van het probleem te
exploreren. Daarbij hoort ook een analyse van onder andere kennis die nodig is om het
probleem op te lossen. Deze kennis kan erg breed zijn en tevens bestaan uit ervaringen die
reeds zijn opgedaan met betrekking tot vergelijkbare problemen uit het verleden; een
vaardigheid die ook wel “case-based reasoning” wordt genoemd (Kolodner, Gray, & Fasse,
2003). Ook moet er gedegen gekeken worden naar inzichten die nog verworven dienen te
worden. Daarbij is het belangrijk dat leerlingen samenwerken om tot een bepaalde mate van
collectieve kennisopbouw te komen. Daarnaast is het van belang dat de inhoud van de
3
ontwerptaak aansluit bij de belevingswereld van de leerlingen zodat leerlingen eigenaar
worden van het probleem en zo gesignaleerde behoeften en wensen beter kunnen vertalen in
ontwerpeisen. Maatschappelijke thema’s zoals duurzaamheid en dienstverlening zijn in die
zin goede keuzes.
Fase 2 van de cyclus betreft het opstellen van het programma van eisen. Een
programma van eisen is een opsomming van toetsbare voorwaarden waaraan het te ontwerpen
product moet voldoen. In sommige gevallen is een dergelijke lijst voor handen. Indien dat niet
het geval is, moeten leerlingen in staat zijn om deze eisen uit een gegeven context af te leiden.
Dergelijke eisen kunnen betrekking hebben op bijvoorbeeld de stevigheid of vormgeving van
een te ontwerpen product maar kunnen ook betrekking hebben op een functie die het apparaat
moet kunnen vervullen.
Tijdens fase 3 staat het bedenken van alternatieve (deel)oplossingen centraal om recht
te kunnen doen aan het programma van eisen. Een belangrijke vaardigheid hierbij is het
creatief en divergent denken waarbij er meerdere oplossingen/uitwerkingen gezocht worden
voor de diverse (deel)eisen. Een nuttig hulpmiddel daarbij is het gebruik maken van een
morfologisch schema, ook wel ideeëntabel genoemd. Een dergelijke schema brengt
overzichtelijk in kaart welke uitwerkingen er per eis zijn bedacht. Een onvolledig voorbeeld
met betrekking tot een Middeleeuwse katapult wordt getoond in figuur 2.
Figuur 2: Morfologisch schema
Fase 4 betreft het formuleren van een ontwerpvoorstel op basis van een optimale
combinatie van deeluitwerkingen, bijvoorbeeld op basis van het morfologisch schema.
Uiteraard hoort hier een gedegen onderbouwing bij waarbij duidelijk de diverse afwegingen
in kaart worden gebracht. Inzichten die tijdens de vorige fase op basis van divergent denken
zijn ontstaan, leiden nu via convergent denken tot een oplossing voor het ontwerpprobleem.
Daarbij horen tevens ondersteunende tekeningen en schetsen die laten zien hoe het product er
uiteindelijk uit komt te zien. Dit heeft een ander bijkomend voordeel omdat onderzoek heeft
4
aangetoond dat het maken van schetsen en tekeningen leerlingen helpt bij het publiekelijk
maken van ideeën en inzichten die ten grondslag liggen aan de gekozen oplossing.
Fase 5 leidt tot het realiseren van het ontwerp als prototype of model. Een prototype is
een werkende probeerversie of proefversie van het product dat uiteindelijk gewenst is. Ook
kan in bepaalde gevallen eerst een op schaal gemaakt model gerealiseerd worden dat nog niet
(volledig) werkend is. Een combinatie van beiden behoort ook tot de mogelijkheden waarbij
delen van het ontwerp gemodelleerd worden en andere delen op werking getest worden,
waarna alles tot één geheel wordt samengevoegd. Uiteindelijk leidt deze fase tot een ontwerp
dat getest kan worden met betrekking tot de gestelde eisen.
Tijdens fase 6 staat het testen en beoordelen van het ontwerp centraal waarbij er
wordt gekeken in hoeverre het ontwerp aan de eisen voldoet. Het mag duidelijk zijn dat
experimenteervaardigheden, die centraal staan binnen de natuurkunde, hier een belangrijke rol
kunnen spelen. Het testen en evalueren kan, in gevallen dat niet naar tevredenheid aan alle
eisen wordt voldaan, leiden tot verbetervoorstellen. Deze voorstellen kunnen worden
verkregen door nogmaals bepaalde fasen van de ontwerpcyclus te herhalen. Uiteindelijk
worden verbeteringen doorgevoerd waarna het ontwerp wederom wordt getest.
Fase 7 betreft het rapporteren en presenteren van het eindontwerp en het proces.
Daarbij is het vooral belangrijk dat inzichtelijk wordt welke afwegingen en beslissingen zijn
genomen tijdens het proces ten dienste van de functionaliteit van het ontwerp. Leerlingen
moeten aantonen dat ze planmatig gewerkt hebben en beperkt een beroep hebben gedaan op
trial en error. Hiervoor hoeft niet veel tekst geproduceerd te worden maar kunnen tabellen,
zoals een morfologisch schema, en foto’s met onderschrift erg behulpzaam zijn. De
presentatie kan frontaal voor de klas plaatsvinden met inzet van ICT-middelen, maar ook een
“gallery walk” behoort tot de mogelijkheden waarbij net als in een museum ieder ontwerp
gelijktijdig kan worden bekeken en, indien mogelijk, uitgeprobeerd. Ontwerpen zouden dan
meteen beoordeeld kunnen worden met betrekking tot het programma van eisen, waarover
later meer.
Tot slot volgt fase 8 waarbij het reflecteren op het ontwerpproces centraal staat. Bij
deze reflectie staat ten eerste het terugkijken op de procesgang centraal: Wat ging goed en wat
was voor verbetering vatbaar? Ten tweede moet op basis hiervan gekeken worden naar de
toekomst: Welke voornemens zijn er voor een volgende ontwerptaak? Verder moet de docent
ervoor zorgen dat leerlingen reflecteren op zowel vaardigheden, kennis als houding. De
STARR-methode (Verhagen, 2011) kan een hulpmiddel zijn voor de docent om het
reflecteren vorm te geven, zowel tijdens als na afloop de ontwerptaak.
De koppeling met natuurkunde
De voorgaande uiteenzetting over het ontwerpproces gaat nog niet expliciet in op hetgeen bij
de inleiding beschreven is. Kortom, op welke manier kunnen we het ontwerpproces in
samenhang met natuurkunde aanbieden? Om daar antwoord op te geven, moeten we vooral
kijken naar wat beide takken van sport met elkaar gemeen hebben en waar essentiële
verschillen zijn. Overeenkomsten kunnen al snel gevonden worden op inhoudelijk gebied,
zoals bijvoorbeeld thema’s rondom elektriciteit en mechanica. Deze inhoudelijke
verwantschap is vooral belangrijk om een keuze te maken voor een te realiseren ontwerp.
Denk bijvoorbeeld aan het ontwerpen van een voertuig aangedreven door veerkracht of het
ontwerpen van een alarmsysteem op basis van een elektrische schakeling. Kijken we naar
vaardigheden dan zullen deze vooral invloed hebben op hoe het ontwerpproces wordt
aangeboden aan de leerlingen. Er dient daarbij gezocht te worden naar een manier waarbij de
identiteit van beide professies behouden blijft, waarbij gemeenschappelijke vaardigheden
5
bekrachtigd worden en essentiële verschillen elkaar op een natuurlijke manier aanvullen.
Tabel 1, afkomstig van Kolodner (2002), geeft een vergelijkend overzicht van natuurkundige
en technische vaardigheden.
Tabel 1: Overzicht van natuurkundige en technische vaardigheden
Natuurkundige vaardigheden
Het doorgronden van een probleem en wat in het kader
daarvan onderzocht kan worden.
Het genereren van vragen die onderzocht kunnen worden
door middel van een experimentele setting.
Experimenteel onderzoeken: modelleren, leren van
casussen, overweg kunnen met variabelen, observeren en
meten, het herkennen van patronen.
Beslissen op basis van (onderzoeks)informatie,
rapporteren en verantwoorden van conclusies.
Iteratie naar begrip.
Wetenschappelijk verklaren, onderbouwen en redeneren.
Het communiceren van ideeën, resultaten, interpretaties,
implicaties, verantwoordingen, verklaringen en principes.
Samenwerken binnen teams en tussen teams, krediet
geven, reflecteren, feedback geven en ontvangen,
afspraken nakomen.
Technische vaardigheden
Identificeren en prioriteren van eisen en voorwaarden met
betrekking tot een probleemstelling.
Overweg kunnen met en begrip hebben over materialen,
bewerkingstechnieken, gereedschappen en overige
ontwerpgerelateerde zaken.
Onderzoeken van technische toepassingen: ontwerpen en
onderzoeken van (gerealiseerde) modellen, leren van
casussen, divergent denken.
Beslissen op basis van (onderzoeks)informatie, het
rapporteren en verantwoorden van ontwerpbeslissingen.
Iteratie naar een succesvol ontwerp.
Tekortkomingen verklaren en verfijning van het ontwerp.
Het communiceren van ideeën, ontwerpbeslissingen en
ontwerpregels.
Samenwerken binnen teams en tussen teams, krediet
geven, reflecteren, feedback geven en ontvangen,
afspraken nakomen.
Een benadering om de vaardigheden in Tabel 1 samen te brengen is rond de
eeuwwisseling veelvuldig uitgeprobeerd en onderzocht. In vrijwel alle, sterk op elkaar
lijkende, gevallen lag daarbij een ontwerptaak aan de basis voor het leren van onder andere
natuurwetenschappelijke vaardigheden en inhouden. Een van de meest onderzochte en
succesvolle methodieken draagt de naam Learning by Design (Kolodner, Camp, et al., 2003),
afgekort met LBD. Onderzoek laat zien dat deze methodiek leerlingen vaardiger maakt,
vergeleken met traditioneel onderwijs, op het gebied van samenwerken, metacognitie en
vakspecifieke vaardigheden, zoals experimenteren en wetenschappelijk redeneren. Ook leren
LBD-leerlingen minimaal op een even diep niveau natuurkundige concepten.
Figuur 3 toont dat LBD is gebaseerd op twee activiteitencycli: (her)ontwerpen en
exploreren & onderzoeken. De basisgedachte is dat leerlingen, opererend in ontwerpgroepen
van maximaal drie tot vier leerlingen, moeten verkennen welke kennis nodig is om een
succesvol ontwerp te realiseren dat voldoet aan de eisen. Op basis van deze verkenning
worden onderzoeksvragen opgesteld. Deze onderzoeksvragen worden met hulp van de docent
gekoppeld aan het natuurkundige kennisdomein, waarna middels informatie zoeken en
natuurwetenschappelijke experimenten en/of simulaties naar antwoorden wordt gezocht.
Hiervoor worden de onderzoeksvragen verdeeld over de ontwerpgroepen, zodat er na afloop
tijdens een klassikaal moment informatie moet worden gedeeld tussen groepen. Leerlingen
worden op deze manier afhankelijk van elkaar wat bijdraagt aan een positieve werkhouding.
Figuur 3: LBD cycli
6
Onderzoeksopbrengsten worden vervolgens gebruikt om binnen de ontwerpgroep een
ontwerpvoorstel te formuleren dat weer klassikaal van feedback wordt voorzien. De docent
zal tijdens deze fase voortdurend aansturen op een expliciete koppeling met natuurkundige
concepten om de functionaliteit de ontwerpideeën aan een kritische reflectie te onderwerpen.
Na afloop starten de ontwerpgroepen met het vervaardigen van het ontwerp waarna
onderzocht wordt of het ontwerp voldoet aan het programma van eisen. Op basis hiervan
kunnen vervolgens bepaalde onderdelen uit het proces herhaald worden om het ontwerp te
verbeteren. LBD voorziet het ontwerpproces dus van een conceptuelere basis en stelt het
natuurwetenschappelijke experiment centraal bij het zoeken naar ontwerpvoorstellen en het
testen van het uiteindelijke ontwerp. Tijdens het proces houdt iedere ontwerpgroep een
ontwerplogboek bij waarin gevraagd worden naar foto’s, inzichten, experimentverslagen, het
verwerken van feedback, momenten van reflectie, enz. Tabel 2 laat in detail zien hoe LBD in
de praktijk kan worden geïmplementeerd. Een fasering in tijd is moeilijk te geven aangezien
dit sterk afhangt van de diversiteit en complexiteit van het gekozen ontwerpprobleem.
Tabel 2: LBD in de praktijk
Fasen
Activiteiten
Producten
1. Introducing the Design
Challenge and Context
Introductie van de context, opdracht, opzet en organisatie, leerdoelen
en leermiddelen (G)
n.v.t.
2. Understanding the
Challenge, Messing
About, Whiteboarding
 Exploratie van de context, taak en leerdoelen (G)
 Ideeën noteren, onderzoeksvragen en hypothesen formuleren (G)
 Whiteboarding: onderzoeksvragen presenteren via flip chart,
feedbacksessie, definitieve onderzoeksvragen formuleren en
koppelen aan het natuurwetenschappelijke kennisdomein (K)
 Ontwerplogboek fase 2 (G)
 Flip chart voor whiteboarding (G)
 Definitieve set
onderzoeksvragen (K)
3. Investigate & Explore,
Poster Session
 Verdelen van de onderzoeksvragen over de ontwerpgroepen (K)
 Discussie over eerlijk experimenteren (K)
 Opzetten en uitvoeren van experimenten, inzetten van simulaties,
zoeken naar informatie; opbrengsten verwerken, poster maken (G)
 Posterpresentaties inclusief feedbackronde (K)
 Ontwerplogboek fase 3 met
labverslagen (G)
 Poster met resultaten (G)
4. Establishing Design
Rules of Thumb
 Vuistregels voor succesvol ontwerp formuleren gebaseerd op
onderzoeksopbrengsten (K)
 Vuistregels koppelen aan natuurwetenschappelijk kennisdomein (K)
 Ontwerplogboek fase 4 (G)
 Vuistregels voor ontwerp (K)
5. Design Planning, PinUp Session




Divergent denken: bedenken van alternatieve deeloplossingen (G)
Voorstel maken voor ontwerp: poster maken (G)
Pin-up sessie (posters) inclusief feedbacksessie (K)
Aanpassen van ontwerpvoorstel (G)
 Ontwerplogboek fase 5 met
ontwerpschetsen (G)
 Poster voor pin-up sessie (G)
6. Construct & Test,
Analyse & Explain,
Gallery Walk




Prototyping: realisatie van het ontwerpidee (G)
Testen van het ontwerp op basis van het programma van eisen (G)
Gallery walk: presenteren ontwerp, feedbacksessie (K)
Ontwerpregels bijstellen en sterke-zwakteanalyse per ontwerp (K)
 Ontwerplogboek fase 6 met
foto’s van maakproces (G)
 Prototype ontwerp (G)
7. Iterative Redesign,
Reflection
 Herhaling van stappen afhankelijk van resultaten (G/K)
 Verbeteren van het ontwerp (G) en tonen van resultaat (K)
 Eindbeschouwing van taak- en leeropbrengsten (G/K)
 Ontwerplogboek fase 7 met
reflecties
7
 Eindreflectie gericht op kennis, vaardigheden en houding (G/K)
G = groepsactiviteit of –product; K = klassikale activiteit of klassikaal product
Valkuilen
Inmiddels is wel duidelijk geworden dat ontwerpdrachten sterk aansturen op actief leren en
dat de rol van de docent sturend en begeleidend van aard is. Het inkleden van deze rol is
cruciaal voor uiteindelijke leeropbrengsten en daarmee is de belangrijkste valkuil meteen
benoemd. We kunnen in deze onderscheid maken tussen docentvaardigheden belangrijk
tijdens de taak en vaardigheden die belangrijk zijn voorafgaande aan de taak tijdens de
taakontwikkeling en het treffen van voorbereiding. Beide vaardigheden samen moeten zorgen
voor een transparant en doorlopend leerproces waarbij duidelijk is welke leeropbrengsten
verwacht mogen worden, zowel conceptueel als met betrekking tot vaardigheden. Zo maakt
een goede analyse van de gekozen ontwerpopdracht duidelijk welke onderliggende
(natuurkundige) concepten sterk gekoppeld zijn aan het uiteindelijke ontwerp. Deze
concepten zullen sterk worden aangesproken en daarmee een relatief grote leerwinst laten
zien. Concepten die indirect betrokken zijn, maar wel belangrijk zijn voor de begripsvorming,
zullen dus op een andere manier aan de orde moeten komen, bijvoorbeeld via
onderwijsleergesprekken, experimentjes, demonstratieproeven, doceren, enz.
Tijdens de taak moeten leerlingen vooral kunnen leren van de ervaringen die ze
opdoen maar moet dit niet alleen gebaseerd zijn op trial en error. Om dit te voorkomen zal de
docent moeten leren om terughoudend te zijn wanneer dit kan en in te grijpen wanneer dit
nodig is; een vaardigheid die “sensitive assistance” wordt genoemd. Tabel 3 toont een
overzicht van belangrijke vaardigheden die vooral in de praktijk geleerd moeten worden door
bijvoorbeeld inductieachtige trajecten waarbij feedback en reflectie met betrekking tot eigen
handelen centraal staat. De vaardigheden zijn ingedeeld op basis van interactietype en
context, aangevuld met informatie over het feit of de vaardigheid hoofdzakelijk in
preparerende (P) of anticiperende (A) zin invloed heeft.
Tabel 3: Docentstrategieën
Interactie
Docentstrategieën per context
Leerling-Leerling
SAMENWERKENDE LEERLINGEN
  P  Het samenwerken van leerlingen moet gestructureerd worden (bijvoorbeeld: denken-delen-uitwisselen).
  A  Stimuleer samenwerking tijdens het proces: de medeleerling moet het eerste aanspreekpunt zijn.
  A - P  Stimuleer en verplicht het maken van schetsen/tekeningen omdat dit het delen van inzichten bevorderd.
  A - P  Stel materialen en gereedschappen voortdurend beschikbaar omdat dit groepsdiscussie bevorderd.
REFLECTIE
  P  Voorzie de taak van vaste reflectiemomenten.
  A  Stimuleer reflectie tijdens het proces door vragen te stellen met een reflectief karakter.
  A - P  Verplicht en stimuleer leerlingen om reflectieopbrengsten actief in te zetten voor toekomstig handelen.
  A - P  Richt reflectie op successen en mislukkingen met aandacht voor inhoud, vaardigheden en houding.
Leerling-Docent
DOCENT- EN PEERFEEDBACK
  A - P  Stimuleer peerfeedback en richt vaste momenten in voor het geven en ontvangen van feedback.
  A  Voorzie leerlingen van tijdige feedback (op het moment zelf).
  A  Voorzie de leerlingen niet van oplossingen maar fungeer als bron: vraag door en geef tips/advies.
  A - P  Zorg dat feedback dient als input voor reflectie (en toekomstig handelen).
EXPLICIT TEACHING
  P  Bespreek alle leerdoelen expliciet voor, tijdens en na de taak.
  A  Stimuleer leerlingen om hardop te denken: maak gedachten van leerlingen expliciet.
  A - P  Gebruik resultaten betreffende feedback en reflectie om inhouden, processen, enz. expliciet te maken.
  A - P  Expliciteer omvangrijke en/of complexe eenheden in kleinere eenheden (scaffolding).
  A - P  Verwijs herhaaldelijk, consequent en expliciet naar officiële terminologieën en onderliggende concepten.
8
Leerling-Proces
PROCESGERELATEERDE KWESTIES
  A  Sta leerlingen toe om te falen en voorkom mislukkingen niet voortijdig: voorzie in deze liever van feedback.
  P  Zorg dat alle conceptuele inhouden voldoende aan de orde komen en voeg eventueel extra activiteiten toe.
  A - P  Voorkom tijdsdruk: gebruik bijvoorbeeld (positieve) feedback om leerlingen te stimuleren.
  A - P  Zorg voor goede instructies en hoogwaardige leermaterialen en stimuleer leerlingen om deze te gebruiken.
Leerlijn
Gezien de diversiteit en complexiteit aan vaardigheden die gecombineerd worden tijdens
ontwerpen zal een leerlijn vooral gericht moeten zijn op het aanleren van deze vaardigheden,
waarbij de diversiteit en complexiteit van de taken steeds verder toeneemt naarmate de tijd
vordert. Figuur 4 toont een voorbeeld van een leerplan dat hiervoor geschikt zou kunnen zijn.
Het idee hierbij is dat leerlingen vanuit aanleeropdrachten uiteindelijk in staat zijn om open
ontwerpopdrachten met succes te doorlopen. Het tempo waarin dit gebeurt, de mate waarin de
complexiteit toeneemt en de mate waarin er ingespeeld wordt op natuurkundige concepten
kan, afhankelijk van de achtergrond, context en doelgroep, vrij gekozen worden. Daarvoor is
het moeilijk om specifieke richtlijnen te geven. In grote lijnen is de aanpak echter vrij
uniform.
Door middel “knowledge and skill builders” (KSB) kunnen leerlingen eerst ervaring
opdoen met kennis en vaardigheden die op een later moment belangrijk zijn tijdens het
ontwerpproces (Burghardt & Hacker, 2004). Leerlingen voeren bijvoorbeeld eenvoudige
samenwerkingsopdrachten uit puur gericht op het leren samenwerken. Verder doen leerlingen
bijvoorbeeld kennis op over ontwerpmethodieken, het gebruik van materialen en
gereedschappen of er wordt geoefend met het voorbereiden en verzorgen van een presentatie.
Een andere variant is het exploreren van ontwerpgerelateerde contexten waarbij vooral het
kennismaken met ontwerpen centraal staat: Wat houdt een ontwerper bezig? Waarom is
ontwerpen belangrijk? Wat merken we ervan in het dagelijks leven? Tijdens omgekeerd
ontwerpen (reverse design) kunnen leerlingen bijvoorbeeld kennismaken met ontwerpen door
het analyseren van een bestaand product. De leerling kruipt in de huid van de ontwerper door
de film van het ontwerpproces terug te spoelen. Vanuit de analyse van een concreet product
wordt zodoende nagedacht over ontwerpbeslissingen en het programma van eisen. Een laatste
explorerende activiteit is het inzetten van “design-thinking challenges”. Dit zijn kleine taken
waarbij leerlingen met een beperkte set spullen een bepaalde prestatie moeten leveren. Daarbij
mogen leerlingen (al samenwerkend) veelal op basis van een eigen aanpak de uitdaging
aangaan. Op deze manier verkennen leerlingen al doende het werkgebied van een ontwerper.
Een bekend voorbeeld betreft het maken van een zo hoog mogelijke toren van een beperkt
aantal marshmallows en (ongekookte) spaghettislierten.
Figuur 4: Voorbeeld leerplan ontwerpen
9
Een volgende stap in het leerproces heeft betrekking op het inzoomen op één of enkele
stappen van de ontwerpcyclus: cyclus zooming. Bepaalde kennis en vaardigheden die tijdens
KSB-activiteiten aan de orde zijn gekomen worden nu samengevoegd ten dienste van het
ontwerpen. Het doel is nu om leerlingen ontwerpvaardigheden aan te leren zonder het hele
pakket aan vaardigheden ineens aan te bieden. Afhankelijk van de doelgroep kan de
complexiteit van deze taken behoorlijk verschillen.
Uiteindelijk zouden leerlingen in staat moeten zijn om een (meer) open
ontwerpopdracht aan te kunnen. Er kan hierbij gedacht worden aan het door de leerlingen zelf
formuleren van een ontwerpopdracht op basis van ideeën die afkomstig zijn uit de directe
omgeving of actualiteit, maar het kan ook gaan om een specifieke vraag vanuit het
bedrijfsleven om een oplossing te ontwerpen voor een probleem. Dit laatste voorbeeld vormt
binnen het relatief nieuwe schoolvak onderzoek en ontwerpen (O&O) een rode draad door de
gehele leerlijn.
Tot slot is het goed om even kort in te gaan op het beoordelen van ontwerpopdrachten.
Omdat een ontwerp niet goed of fout kan zijn maar eerder beter of slechter en omdat vooral
vaardigheidsontwikkeling centraal staat, hebben theoretische toetsen niet direct de voorkeur.
Er moet eerder gedacht worden aan het gebruik van rubrics. Figuur 5 toont een deel van een
basale rubric voor het beoordelen van presentatievaardigheden. Een rubric heeft vaak de vorm
van een tabel of matrix waarvan de eerste kolom enkele criteria bevat (in rijen onder elkaar)
die kenmerkend zijn voor het te beoordelen aspect. Dit kunnen de eisen van een ontwerp zijn,
maar dit kunnen ook aspecten zijn die kenmerkend zijn voor goed samenwerken of
reflecteren. In de daaropvolgende kolommen is de beoordelingsschaal uitgewerkt die loopt
van bijvoorbeeld onvoldoende, voldoende en goed naar excellent. Per aspect is vervolgens
aangeven wanneer het product of de handeling aan de bewuste kwalificatie voldoet. Uiteraard
is theoretische toetsing niet per definitie uitgesloten. Een kennistoets kan immers inzichtelijk
maken wat een leerling op conceptueel niveau heeft geleerd tijdens een ontwerptaak.
10
Figuur 5: Voorbeeld gedeeltelijke rubric
Referenties in de tekst
Burghardt, M., & Hacker, M. (2004). Informed Design: A Contemporary Approach to Design Pedagogy as the
Core Process in Technology. Technology Teacher, 64(1), 6-8.
Kolodner, J. L. (2002). Facilitating the Learning of Design Practices: Lessons Learned from an Inquiry into
Science Education. Journal of Industrial Teacher Education, 39(3), 9-40.
Kolodner, J. L., Camp, P., Crismond, D., Fasse, B., Hyser, S., Lamberty, J., . . . Ryan, M. (2003). Learning By
Design: Project-Based Inquiry Science for Middle School that Works. Retrieved from
http://www.cc.gatech.edu/projects/lbd/home.html
Kolodner, J. L., Gray, J. T., & Fasse, B. B. (2003). Promoting Transfer through Case-Based Reasoning: Rituals
and Practices in Learning by Design Classrooms. Cognitive Science Quarterly, 3(2), 1-28.
Roth, W.-M. (2001). Learning Science through Technological Design. Journal of Research in Science Teaching,
38(7), 768-790.
Sidawi, M. (2009). Teaching science through designing technology. International Journal of Technology and
Desing Education, 19(3), 269-287.
Verhagen, P. (2011). Reflectie met de STARR-methode Kwaliteit met beleid. Bussum: Coutinho.
Referenties van de figuren
Figuur 1 is overgenomen van “Technisch Ontwerpen Startmodule Klas 3 of 4 HAVO/VWO”, door W.
Sonneveld en N. Vermeer, 2007, NiNa Technisch Ontwerpen, p. 6. Copyright 2007 door Stichting
natuurkunde.nl.
Figuur 2 betreft een eigen afbeelding.
Figuur 3 is overgenomen van “Learning by Design: Iterations of Design Challenges for Better Learning of
Science Skills”, door J.L. Kolodner, 2002, Bulletin of the Japanese Cognitive Science Society, 9(3), p. 339.
Figuur 4 betreft een eigen afbeelding.
Figuur 5 is aangepast van Presentation Rubric for PBL (2013), door Buck Institute for Education. Copyright
2013 door Buck Institute for Education. Afkomstig van http://bie.org/object/document/k_2_presentation_rubric
11
12