Een programma van de Faculteit Onderwijs en Opvoeding dat zich richt op het ontwikkelen en verspreiden van kennis en expertise over de effectieve inzet van de mogelijkheden van ICT in het onderwijs.
MULTIFILE
31-01-2020
Leren is een actief proces waarin kennis wordt geconstrueerd. Dit proces is voor iedere leerling anders en vraagt individuele ondersteuning. Onderwijsmaterialen en werkvormen zouden zich gedurende het leerproces steeds moeten aanpassen aan de specifieke behoefte van elke leerling. Ontwikkelingen in het veld van de Kunstmatige Intelligentie & Onderwijs zijn ondertussen zodanig vergevorderd dat interactieve software deze kennisconstructie van leerlingen inderdaad individueel en adequaat kan ondersteunen. Lector Didactiek van de Bètavakken dr. Bert Bredeweg bespreekt in zijn rede de kracht van interactieve kennisrepresentaties als medium voor kennisconstructie. Als voorbeeld zal hij ingaan op conceptueel modelleren als didactische vorm voor het creëren van kennis over het gedrag van dynamische systemen. Hij zal ook illustreren hoe slimme softwarecomponenten individuele leerlingen naar behoefte kunnen ondersteunen bij dit leerproces.
Systeemdenken is een belangrijke vaardigheid voor het begrijpen en oplossen van problemen m.b.t. complexe dynamische systemen (klimaat, voedselvoorziening, natuurbeheer, recessie, etc.). Echter, systeemdenken wordt niet structureel onderwezen in het voortgezet onderwijs en het is bekend dat leerlingen een dergelijke denkwijze niet vanzelf ontwikkelen. Daardoor blijven leerlingen beperkt vaardig en onvoldoende toegerust voor de uitdagingen van de moderne samenleving. Een belangrijke vraag is derhalve: Hoe kunnen leerlingen effectief ondersteund worden in het ontwikkelen van hun vaardigheid in kritisch systeemdenken? Veel onderwerpen die aan bod komen in het voortgezet onderwijs zijn dynamische systemen (hormoonsystemen, varkenscyclus, faseovergangen, etc.). Het probleem is echter dat leerlingen de onderliggende structuur en het dynamische gedrag onvoldoende leren begrijpen. Er is geen sprake van een systematische aanpak om leerlingen kritisch systeemdenken aan te leren. Daarnaast zijn diagrammen die deze systemen in lesboeken beschrijven statisch. Ze lenen zich slecht voor actieve werkvormen die leerlingen cognitief uitdagen tot kritisch systeemdenken. Ook zijn docenten beperkt in het achterhalen of leerlingen complexe systemen begrijpen en om gedifferentieerde ondersteuning te kunnen geven. Hoe kan dit worden opgelost? Interactieve software kan een doorbraak genereren, mits deze leerlingen zelfstandig en op eigen niveau laat werken, passende hulp geeft, en de docent informeert over de voortgang van leerlingen. Wij stellen voor om een methodiek te onderzoeken en ontwikkelen, gebaseerd op een digitaal instrument, dat hierin voorziet. Hierbij worden technieken uit de Kunstmatige Intelligentie ingezet. Het basisidee is om leerlingen in een leerlijn middels conceptueel modelleren te laten werken met interactieve systeemdiagrammen. Omdat het software betreft, kan het niveau en de hulp geautomatiseerd worden en krijgt de docent informatie over voortgang en eventuele problemen. Het project sluit nauw aan bij de praktijkvraag, geeft invulling aan moderne onderwijsvormen en zorgt dat vaardigheden in systeemdenken expliciet worden getraind. De kern van het project betreft een PhD promotieonderzoek.
Systeemdenken is een belangrijke vaardigheid voor het begrijpen en oplossen van problemen m.b.t. complexe systemen. Echter, systeemdenken wordt niet structureel onderwezen in het voortgezet onderwijs en het is bekend dat leerlingen een dergelijke denkwijze niet vanzelf ontwikkelen. Daarnaast zijn diagrammen die deze systemen in lesboeken beschrijven statisch. Ze lenen zich slecht voor actieve werkvormen die leerlingen cognitief uitdagen tot kritisch systeemdenken. Ook hebben docenten beperkte middelen om te achterhalen of leerlingen complexe systemen begrijpen en om gedifferentieerde ondersteuning te kunnen geven. Daardoor blijven leerlingen beperkt vaardig en onvoldoende toegerust voor de uitdagingen van de moderne samenleving. Een belangrijke vraag is derhalve: Hoe kunnen leerlingen ondersteund worden in het ontwikkelen van hun vaardigheid in systeemdenken? Het project Denker (https://denker.nu) ontwikkelt en onderzoekt een methodiek die deze problematiek aanpakt. Hierbij worden technieken uit de Kunstmatige Intelligentie ingezet. Het basisidee is om leerlingen in een leerlijn middels conceptueel modelleren te laten werken met interactieve systeemdiagrammen. Naast het ontwikkelen van een gevarieerde en effectieve verzameling leeractiviteiten (onderzoeksvraag 1), onderzoekt het project de inzet van geautomatiseerde hulp bij conceptueel modelleren teneinde het leerproces te optimaliseren (onderzoeksvraag 2), en hoe de docent ondersteunt kan worden tijdens het geven van lessen met conceptueel modelleren middels Learning Analytics (onderzoeksvraag 3). Denker werkt samen met vijf scholen in het voortgezet onderwijs, en per school met meerdere docenten en met meerdere vakken, waaronder biologie, natuurkunde, economie, aardrijkskunde en NLT (natuur, leven en technologie). Elk projectjaar wordt met deze docenten per vak de onderwerpen gekozen, de benodigdheden ontwikkeld en verbeterd, de evaluatiestudies uitgevoerd, de gegevens geanalyseerd en verwerkt. In het eerste projectjaar zijn 12 unieke leeractiviteiten ontwikkeld, waarvan 2 in het Engels. Op deze manier wordt over een periode van 4 jaar de methodiek ontwikkeld en beschikbaar gesteld voor respectievelijk leerjaar 2, 3, 4, en 5 van het voortgezet onderwijs.
Het belang van systeemdenken in het onderwijs wordt breed erkend, vooral vanwege de complexe systemen waarmee leerlingen in vakken zoals biologie, economie en aardrijkskunde te maken krijgen. Het gebruik van computermodellen van dynamische systemen door leerlingen wordt beschouwd als een veelbelovende aanpak om systeemdenken te bevorderen. Echter, onderzoek toont aan dat leerlingen modelleren lastig vinden en dat ze ondersteuning nodig hebben. Ondanks deze uitdaging is er in het onderwijsveld een sterke behoefte dat leerlingen leren systeemdenken en vakinhoudelijke kennis verwerven door zelf modellen te maken, en daardoor ook epistemologische kennis ontwikkelen over modelleren. Het verbeteren van de ondersteuning van modelleringsprogramma's bij het zelf maken van modellen is dus een belangrijk doel. Het gezamenlijk maken van een model is een effectieve manier van leren. Samenwerken stimuleert leerlingen om actief concepten te ontwikkelen en hun ideeën expliciet te maken. Echter, effectief samenwerkend leren vereist ondersteuning, aangezien leerlingen moeite hebben met samenwerken en docenten het lastig vinden om passende begeleiding te bieden. Een belangrijke uitdaging bij modelleren en samenwerkend leren is dus het bieden van adequate ondersteuning. Het huidige project richt zich daarom op het ontwikkelen van een computer-gebaseerde leeromgeving die automatisch gegenereerde ondersteuning biedt bij het samen maken van een specifiek type model, nl. een kwalitatieve representatie. Kwalitatieve representaties beschrijven systemen zonder precieze kwantitatieve informatie te gebruiken. Deze representaties sluiten aan bij de menselijke manier van causaal redeneren over dynamische systemen. In de leeromgeving krijgen leerlingen gerichte feedback op de kwaliteit van hun representaties en het proces van samenwerken. Het voorgestelde onderzoek omvat de ontwikkeling van lessenseries en software-innovaties in samenwerking met scholen. Vervolgens zal een effectstudie worden uitgevoerd om het effect te meten van samenwerkend leren op de ontwikkeling van zowel systeemdenken als vakinhoudelijke kennis.
