De vernieuwing van het natuurkundecurriculum voor de bovenbouw van het vwo deed tien jaar geleden veel stof opwaaien. De natuurkundedocenten moesten ineens voor het eerst lessen kwantumfysica gaan geven aan 6 vwo’ers. Tim Bouchée, zelf vwo-docent op het Augustinianum in Eindhoven, zag zijn collega’s worstelen en zelf had hij ook moeite met het onderwijzen van het nieuwe vak.

Andere spelregels

“Toen ik zelf als student voor het eerst kwantumfysica moest leren, lukte het mij vrij goed om de formules op te lossen, maar ik had geen idee wat ik eigenlijk aan het berekenen was”, vertelt hij. Kwantumfysica beschrijft het gedrag van licht en materie op het allerkleinste niveau en deze inzichten hebben bijgedragen aan het ontwikkelen van diverse toepassingen zoals lasers, mobiele telefoons en moderne computers. Maar het vak zelf is heel abstract van aard, waardoor het lastig is om het te introduceren aan scholieren die hier voor het eerst mee te maken krijgen. “Als je een bal laat vallen, dan heb je daar direct een beeld bij, maar bij kwantumfysica heb je dat niet. Het is moeilijk om een koppeling te maken tussen de natuurkundige concepten en het fenomeen, oftewel hetgeen wat we zelf waarnemen.”

De principes zijn bovendien contra-intuïtief en lijken in strijd te zijn met de kennis die de scholieren eerder hebben verworven. “Ze leren bijvoorbeeld dat elektronen negatief geladen bolletjes zijn die niet zomaar door een barrière heen kunnen. Maar op het allerkleinste niveau kan dat dus wel”, aldus Bouchée. Er zijn dus ineens hele andere spelregels van toepassing en daar kunnen leerlingen makkelijk van in de war raken.

Om effectieve methodes voor het onderwijzen en leren van kwantumfysica te verkennen besloot hij een promotieonderzoek bij de ESoE te starten. Zijn proefschrift maakt onderdeel uit van het DUDOC-bètaprogramma dat gefinancierd wordt door het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap en dat docenten in staat stelt om onderzoek te doen rondom het vak dat ze onderwijzen om zo de kwaliteit van het bèta-onderwijs te verbeteren.

Computersimulaties

Om erachter te komen welke problemen zij precies ervaren en welke kansen er liggen, ging hij eerst met docenten en leerlingen praten. “Een van de dingen die de leerlingen aangaven was: ‘Ik heb eigenlijk geen idee waarom we dit moeten leren. Wat kan ik er nou mee?’”, vertelt hij. Zo werd hem duidelijk dat het van cruciaal belang is om een duidelijke link te leggen tussen de stof en de verschillende toepassingen, zoals de elektronenmicroscoop, Qled TV of MRI-scanners. Ook zagen de scholieren weinig verband tussen de verschillende onderwerpen die bij kwantumfysica horen. Om dat probleem op te lossen heeft hij een rode draad aangebracht in de lessenserie die hij later ontwikkelde. Uit zijn onderzoek kwam verder naar voren dat het gebruik van computersimulaties een hele geschikte manier zou kunnen zijn om de concepten van kwantumfysica uit te leggen en de leerlingen tegelijkertijd wat meer autonomie over het leerproces te geven.

Op basis van zijn bevindingen heeft Bouchée vervolgens vijf lessen ontworpen waarbij het gebruik van digitale materialen centraal staat. Hiervoor gebruikte hij gratis beschikbare computersimulaties die er al waren; die hoefde hij dus niet zelf te ontwerpen. Wel heeft hij een vertaalslag gemaakt naar hoe je deze materialen in de lessen kunt gebruiken. Zo heeft hij werkbladen gemaakt – die online beschikbaar zijn – met verschillende opdrachten, die de leerlingen precies vertellen wat ze moeten doen. Op die manier kunnen de leerlingen niet alleen op een leuke en activerende manier kennismaken met kwantumfysica, maar omdat de lessen goed aansluiten bij de thema’s in het boek, worden ze hiermee ook goed voorbereid op het eindexamen.

Bouchée laat een van de computersimulaties zien die in de door hem ontworpen lessen worden gebruikt. Op het scherm zie je kleine gekleurde bolletjes – de elektronen - heen en weer bewegen. “Via deze simulatie maken de leerlingen kennis met verschillende atoommodellen. Zo zien ze wat er op de kleinste schaal precies gebeurt”, legt hij uit. “In plaats van dat ik het voor de klas sta te vertellen, ontdekken de leerlingen aan de hand van een opdracht stap voor stap welk model het beste past. Zo komen ze al onderzoekend zelf tot een conclusie in plaats van dat ik die aan ze geef.”

Heel gemotiveerd

De lessen zijn inmiddels getest door verschillende klassen. Over het algemeen waren de ervaringen heel positief; veel leerlingen vonden de lessen nuttig en motiverend. Maar er was ook een groep die het moeilijk vond om zo zelfstandig te leren. “Deze leerlingen hadden het gevoel dat ze in het diepe werden gegooid en daar werden ze onzeker van,” vertelt hij. “Dit hield overigens niet eens verband met het cijfer dat ze behaalden.” In de toekomst zou volgens hem verder onderzocht kunnen worden hoe je deze groep meer hulp en ondersteuning kunt bieden.

Over het algemeen waren de leerlingen heel gemotiveerd om met deze methode aan de slag te gaan. “Ook de zogenaamde ‘time on task’ die aangeeft hoeveel tijd leerlingen actief bezig zijn met een taak zonder afgeleid te worden, was hoog”, zegt hij. “Tijdens een van de lessen, waar ik bij was om te observeren, liep de docent weg, maar de leerlingen hadden het niet eens in de gaten en gingen gewoon door met de opdracht. Dat vond ik heel bijzonder.”

Een betere docent

Door zijn onderzoek te verrichten, met andere onderzoekers te praten en naar conferenties te gaan, heeft Bouchée veel geleerd tijdens het traject. Dit heeft hem als docent verder gevormd. “Ik denk nu veel beter na over wat ik wil in mijn lessen en hoe ik dat aan kan pakken”, zo vertelt hij. “Voorheen was ik een beetje slaaf van de methode, hield ik te veel vast aan het boek. Nu denk ik: ik vind dit belangrijk, dus ik ga dit doen.”

Dat kan bijvoorbeeld wetenschappelijke geletterdheid zijn, maar ook de klimaatverandering en welke rol natuurkunde en techniek kunnen spelen bij het zoeken naar oplossingen. Bouchée vindt het belangrijk om de leerlingen niet alleen op het eindexamen voor te bereiden, maar ook om bewuste, goed geïnformeerde burgers te creëren. Al met al heeft zijn onderzoek een veel bredere impact gehad dan het onderwijzen van kwantumfysica alleen, vindt hij. “Het heeft me een betere docent gemaakt.”