Techniek - Onderzoeken met de empirische cyclus (1)

Hanno van Keulen

Professor in Leadership in Education bij Windesheim Flevoland

Geplaatst op 1 juni 2014

Dit artikel is geschreven samen met Yvette Sol

De empirische cyclus

In wetenschap en techniek begint bijna elke ontwikkeling met een vraag of een probleem. “Hoe werkt dat eigenlijk”? “Kan dat beter?” Daarbij kijkt de onderzoeker, ontwerper of technicus nieuwsgierig, verwonderd of misschien juist geërgerd naar iets in de materiële wereld.

De weg van verwondering naar oplossing of antwoord is in de werkelijkheid vaak lang en grillig. Er is geen vast stappenplan dat je, wanneer je dit maar volgt, gegarandeerd bij het gewenste eindpunt brengt. Wel heeft de weg een aantal herkenningspunten waar je vroeg of laat, en vaak meerdere malen, langs komt¹.

Wanneer je deze vereenvoudigt en schematiseert ontstaat ‘de empirische cyclus’. Die cyclus kent twee varianten. Als je vooral iets wilt weten of begrijpen, volg je de onderzoekscyclus. Als je een probleem wilt oplossen door iets (nieuws) te maken, volg je de ontwerpcyclus.

Onderzoekers en ontwerpers zijn er niet in de eerste plaats op uit om veel te leren. Ze willen problemen oplossen, vragen beantwoorden. Dat staat centraal, maar het leidt geen twijfel dat het proces ook leerzaam is. De empirische cyclus is een goed model om krachtige leeromgevingen te ontwikkelen.

Onderzoekend en ontwerpend leren

‘Onderzoekend en ontwerpend leren’ is de didactiek die hierbij hoort. Met onderzoekend en ontwerpend leren bereid je kinderen goed voor op de wereld van wetenschap en techniek, en kun je de talenten van kinderen op een veelzijdige manier aanspreken en ontwikkelen^2.

In onderzoekend en ontwerpend leren gaat het niet in de eerste plaats om de oplossing van het probleem of het antwoord op de vraag. Het gaat om leren, om talentontwikkeling. Dat heeft een aantal consequenties. Je kunt

kinderen uitdagen met vragen en problemen waar allang een oplossing voor is, maar waarvan je weet dat de weg er naar toe erg leerzaam is.

Als leraar of begeleider kun je je inhoudelijk voorbereiden en kinderen meer steun bieden dan wanneer werkelijk niemand weet hoe het moet. Zo kun je het leerproces effectiever en efficiënter maken.

Een gevaar is dat je je in je begeleiding te veel laat beïnvloeden door ‘het goede antwoord’. De kunst is om leerlingen in een authentieke empirische cyclus te brengen, waarin zij hun eigen vragen stellen en proberen te beantwoorden. Wanneer kinderen vragen: “Is het zo goed?”, dan gaat er eigenlijk iets mis. Kinderen zijn hun eigen opdrachtgever. Ze beantwoorden hun eigen vraag en hebben zelf (bewust of nog onbewust) criteria opgesteld waar de oplossing aan moet voldoen. Ze weten dus zelf of ‘het’ zo goed is.

Als begeleider speel je eigenlijk een rol, namelijk die van de meer ervaren, maar net zo goed op dit specifieke terrein onwetende collega, of belanghebbende, of geïnteresseerde leek. Dat is een leuke maar ook lastige rol!

Het gaat er dus om dat je de kinderen helpt hun eigen empirische cyclus te doorlopen. Op enig moment moet er een onderzoeksvraag of een ontwerpprobleem geformuleerd worden. Ergens in het proces moeten uitkomsten vergeleken worden met bedoelingen en criteria, et cetera. De begeleider kan daar gericht naar vragen en kinderen ook aanmoedigen de volgende stap te zetten binnen de empirische cyclus³.

Talentontwikkeling door doen en denken

Kenmerkend voor talentontwikkeling in de context van wetenschap is een afwisseling van doen en denken . Het eerste ‘doen’ is opdoen van een ervaring. Die ervaring zet je aan het denken. In een volgende fase ontwikkel je al denkend een oplossing, die je vervolgens al doende gaat uitproberen. Over de resultaten ga je weer nadenken, je trekt voorlopige concusies die je in de praktijk nader gaat onderzoeken, enzovoort.

In het doen en denken van kinderen in de context van wetenschap en techniek kunnen we verschillende niveaus en niveau-overgangen onderscheiden. In de literatuur wordt voor dit proces wel een driedeling gehanteerd die we hier overnemen: ervaren, relateren en theoretiseren .

Niveau 1: Ervaren

Het eerste, meest basale niveau, is gebaseerd op de directe zintuiglijke ervaring met fenomenen. Kinderen kijken, wijzen en gebruiken vooral aanwijzende termen zoals ‘dat daar’, en ‘ik ben hier’. De materiële werkelijkheid dringt zich aan ons op, we doen bewust of onbewust waarnemingen, en er ontstaat in dit aanwijzend benoemen een eerste, impliciete, nog niet van de persoonlijke ervaring los te maken impressie⁶.

Termen als ‘dat’ en ‘daar’ hebben alleen betekenis in de context waarin de uitspraak gedaan wordt. Ze verwijzen naar ‘iets’ in de werkelijkheid zonder dat het nodig is eigenschappen van dit iets te benoemen. Kinderen blijven in dit niveau nog sterk bij observeren en onberedeneerd handelen. Ze handelen als het ware nog weinig ‘in hun hoofd’. Ze zijn wel nieuwsgierig maar niet altijd verwonderd, want ze hebben nog geen concrete verwachtingen.

Ze breiden hun ervaringen uit en accepteren de dingen zoals ze zich voordoen. Zo leren kinderen de materiële werkelijkheid steeds beter kennen en begrijpen. Ook heel jonge kinderen lopen bijvoorbeeld niet tegen een dichte deur aan want ze weten ondertussen dat die hard is, ook al kunnen ze nog niet praten⁷.

Niveau 2: Relateren

Na een tijd (dat kan overigens jaren duren en zelfs volwassenen realiseren zich regelmatig dat ze over bepaalde natuurlijke verschijnselen nooit nagedacht hebben) zijn kinderen niet meer gebonden aan het ondergaan van een verschijnsel en kunnen ze aandacht krijgen voor wat het verschijnsel kenmerkt. ‘Dat daar’ wordt een ding of een proces met eigenschappen.

Dit niveau maakt gebruik van het herkennen en beschrijven van relaties: aspecten die anders zijn of juist hetzelfde bij een ander verschijnsel of ding. Overeenkomsten worden patronen, patronen krijgen een naam en worden geordend in categoriën.

Zo krijgen we in dit beschrijvend niveau veel meer greep op onze leefwereld en wordt het mogelijk te praten over je ervaringen op een manier die ook begrijpelijk is voor wie niet in diezelfde concrete situatie is. ‘Ik doe dit’ wordt: ‘Je schaduw wordt groter als je dichter bij de lamp gaat staan’. Pas als je verbindingen legt en relaties tussen waarnemingen ziet, ga je tegenstrijdigheden herkennen die opnieuw geduid moeten worden. Daarbij speelt kennis een rol: nieuwe kennis wordt voor-kennis voor een nieuwe ervaring. Zo ontstaat verwondering en nieuwsgierigheid: “Hoe doet die goochelaar dat?”

De wisselwerking tussen doen en denken wordt steeds sterker, bewuster en ‘taliger’⁸. Kinderen kunnen op zoek gaan naar meer beschrijvende kenmerken, maar ze kunnen ook de consequenties van een patroon in de praktijk gaan onderzoeken: “Die knikker van ijzer zonk, zou deze boot van ijzer dan ook zinken?”. Kinderen ontdekken de kracht van abstracties en logisch redeneren. “Als iets van ijzer is, zinkt het”.

Niveau 3: Theoretiseren

Zo gaan kinderen over naar het niveau van theoretisch redeneren met behulp van concepten en komen dan (misschien, en zeker niet in de onderbouw) uit bij een begrip zoals ‘dichtheid’: “Als de dichtheid van een voorwerp lager is dan van water, dan blijft het drijven, ongeacht van welk materiaal het gemaakt is”.

Wanneer je woorden hoort zoals ‘nooit’, of ‘altijd’, dan weet je dat er een theoretische uitspraak wordt gedaan, want zulke uitspraken kun je niet baseren op zintuiglijke ervaringen. Je kunt er wel heel goed ideeën uit afleiden die je in de praktijk kunt onderzoeken en waar je nieuwe ervaringen door op kunt doen. Zoals de Oostenrijker Kurt Lewin in de jaren dertig al opmerkte: “Niets is zo praktisch als een goede theorie”.

Het is niet zo dat jonge kinderen overwegend op het aanwijzend niveau zitten en volwassenen overwegend op het theoretisch niveau. Dit heeft meer te maken met ‘leertijd’ dan met leeftijd⁹. Talentontwikkeling met wetenschap en techniek betekent leertijd benutten, verlengen en de aangeboren aanleg maar ook de verschillen productief maken. Sommige kinderen hebben eerder dan anderen oog voor overeenkomsten en verschillen, sommige kinderen durven meer te experimenteren en bieden hun klasgenoten daarmee een kans de ervaringshorizon te vergroten. Vragen hierbij zijn:

Hoe reageer je op verwachtingen die niet uitkomen?
Vind je dat wel best of zet het je aan het denken?
Wie toont de meeste volharding?
Wie komt tot originele denkbeelden die inspireren tot nieuwe ontwerpen of oplossingen?

Voorbeeld van de stappen van de empirische cyclus

De kinderen op deze school gaan onderzoek leren doen en komen voor het eerst in aanraking met de empirische cyclus. Ze gaan deze cyclus een keer doorlopen met de vraag “Waarvoor zorgt ei in een pannenkoek”. De kinderen denken dat het ei ervoor zorgt dat een pannenkoek aan elkaar plakt. Door uit te gaan proberen of dit klopt kunnen ze antwoord gaan geven op deze vraag. De kinderen gaan een pannenkoek met ei en zonder ei bakken. Ze komen erachter dat hun hypothese niet klopt en bedenken vervolgens nieuwe vragen. Zorgt dan de melk in de pannenkoek dat deze plakt?

Stappen van de empirische cyclus

Na afloop van het bakken van de pannenkoeken zorgt de juf ervoor dat aan het einde van de middag de kinderen met elkaar nog een keer nadenken over wat ze gedaan hebben en welke stappen ze gezet hebben. De kinderen vonden het niet alleen leuk om te doen, maar hebben ook de stappen van de cyclus geleerd.

Opmerkingen

Onderzoekend en ontwerpend leren via een empirische cyclus kost de nodige tijd. Je doet het niet om de feitenkennis van leerlingen te vergroten maar om moeilijke en belangrijke leerdoelen te bereiken die samenhangen met het proces. Je wilt kinderen leren hun omgeving te ervaren, vragen of problemen te leren herkennen en die te leren aanpakken. Het belangrijkste resultaat is niet het antwoord of de oplossing, maar het ontwikkelen van een onderzoekende houding en het vermogen nieuwe problemen op te lossen.

Wanneer feiten en goede antwoorden centraal staan, zoals in zoveel instructiegeleid onderwijs, ontstaat het gevaar van ‘napraten’ op basis van de autoriteit van de ander, meestal de methode of de leraar. Kinderen kunnen heel goed feiten uit hun hoofd leren, maar de transfer daarvan naar nieuwe situaties is dan vrijwel altijd een probleem. Kunnen ze deze kennis straks ook verbinden met verschijnselen in een andere omgeving, met nieuwe ervaringen, met keuzes die ze bijvoorbeeld als burger moeten gaan maken?

Je hebt een goede conceptuele basis nodig die ontwikkeld is op basis van eigen, lichamelijke ervaringen en eigen mentale overwegingen. Op zo’n fundament kun je dan voortbouwen met kennis die niet uit eigen ervaring komt maar uit informatiebronnen zoals boeken, internet en uitleg. Ook voor ‘opzoekend’ leren is plaats in de context van wetenschap en techniek en dit kan wezenlijk bijdragen aan de ontwikkeling van informatievaardigheden en andere ‘21st century skills’¹⁰.

Talentontwikkeling in de context van wetenschap en techniek betekent met redeneringen en acties volgens de ontwerp- of onderzoekscyclus voortbouwen op een ervaring. Dat leidt niet alleen tot een beter begrip van de materiële werkelijkheid en talent voor onderzoeken of probleemoplossen, want begrip kristalliseert zich bijvoorbeeld ook uit in taal.

Er is inbeeldingsvermogen voor nodig om tot betekenisvolle woorden en concepten te komen en tot nieuwe ideeën te komen voor de praktijk.

Vaak hebben oplossingen van problemen en antwoorden op vragen bijvoorbeeld ook een mathematische kant. Voor dit hele proces moet je jezelf kunnen aansturen, motiveren, met frustratie om leren gaan en met anderen leren samenwerken. Daarom is wetenschap en techniek zo’n rijke leeromgeving!¹¹