Een wagen op lucht?!
Thema: Voortbeweging
Leeftijd: Lager onderwijs
Het filmfragment toont een naschoolse activiteit uitgevoerd door een lerarenopleider met 3 leerlingen uit de 2de en 3de graad lager onderwijs (2 meisjes-1 jongen). De leerlingen namen reeds eerder deel aan zo’n activiteit.
Het doel van de activiteit is om leerlingen vanuit een probleemstelling aan te zetten tot probleemoplossend denken en handelen. De leerlingen krijgen de kans om zelf te bepalen hoe ze het probleem willen aanpakken. Hierbij staan “onderzoeken”, “ontwerpen” en “optimaliseren van het ontwerp” centraal.
De workshop ‘Ballonwagen: voortstuwen met lucht!’ duurt ca. 75 minuten. In de pdf vind je de volledige workshop. In het filmfragment komt het volgende aan bod:
De leerlingen krijgen onmiddellijk een probleemstelling gepresenteerd: ‘Bouw een zelfbewegende auto die kan rijden op de kracht van lucht.’.
De leerlingen mogen gebruik maken van een specifieke selectie aan materiaal: karton, kurk, ballon, satéstokjes, plakband en rietjes. De leerlingen krijgen ook een foto van een mogelijke wagen gepresenteerd en mogen zich hierop baseren (dit is eigenlijk niet noodzakelijk voor de activiteit, maar het kan een houvast bieden wanneer de leerlingen even vast komen te zitten tijdens de activiteit)
De leerlingen worden aangemoedigd om eerst te brainstormen over mogelijke oplossingen.
Om hen hierbij te helpen krijgen de leerlingen de kans om hun oplossing te schetsen op papier. Deze pogingen worden dan besproken om tot een aantal belangrijke inzichten te komen, m.b.t de manier waarop de auto voortgestuwd kan worden.
Er wordt een ontwerp gemaakt van een wagen en deze wordt uitgetest. Uit de test blijkt dat er aanpassingen nodig zijn. Deze aanpassingen worden aangebracht waarna er opnieuw een test komt. Dit proces wordt een paar keer doorlopen tot de wagen helemaal voldoet aan de basis (en extra) verwachtingen.
Wetenschappelijke inzichten (concepten) zoals actie-reactie en wrijving komen tijdens de activiteit aan bod maar worden niet expliciet vermeld naar de leerlingen toe. Dit blijft dus op het niveau van ‘ervaren’.
De activiteit stimuleert ook de ontwikkeling van een onderzoekende houding via het aanspreken van de onderzoeks- en ontwerpvaardigheden van de leerlingen.
- Wetenschappen en techniek
Natuur - Algemene vaardigheden
1.2 De leerlingen kunnen, onder begeleiding, minstens één natuurlijk verschijnsel dat ze waarnemen via een eenvoudig onderzoek toetsen aan een hypothese.
Techniek - Kerncomponenten van techniek
2.2 De leerlingen kunnen specifieke functies van onderdelen bij eenvoudige technische systemen onderzoeken door middel van hanteren, monteren of demonteren
Techniek - Techniek als menselijke activiteit
2.9 De leerlingen kunnen een probleem, ontstaan vanuit een behoefte, technisch oplossen door verschillende stappen van het technisch proces te doorlopen.
- Wiskunde
Strategieën en probleemoplossende vaardigheden.
4.2 De leerlingen zijn in staat om de geleerde begrippen, inzichten, procedures, met betrekking tot getallen, meten en meetkunde, zoals in de respectievelijke eindtermen vermeld, efficiënt te hanteren in betekenisvolle toepassingssituaties, zowel binnen als buiten de klas.
De werking van de ballonwagen en de specifieke materialenkennis die nodig is om een stevige constructie te maken zijn voorbeelden van wetenschappelijke inzichten. Bijvoorbeeld: Er wordt een onderzoekje ingebouwd om te kijken hoe een ballon zich voortbeweegt wanneer de lucht eruit ontsnapt. Op basis van de bevindingen achterhalen de leerlingen hoe de ballon op de wagen gemonteerd kan worden.
Het bedenken en vormgeven van een ontwerp waardoor de auto uit zichzelf kan voortbewegen, aangedreven door lucht kan enkel door deze inzichten zinvol in te zetten. De leerlingen moeten dus doordacht een ontwerp maken, gebruik makend van deze wetenschappelijke inzichten (= techniek).
In het fragment is ook duidelijk te zien hoe de leerlingen hun eerste ontwerpen moeten bijsturen. Dit bijsturen is een duidelijk voorbeeld van engineering (= optimaliseren van ontwerp).
Wiskunde komt in het filmpje minder expliciet aan bod maar elementen zoals afstand meten, snelheid, richting, … kunnen de leerlingen bij deze activiteit steeds opnieuw toepassen.
Onderzoekend leren ontstaat in dit filmfragment voornamelijk vanuit het reguleren van sensorimotorische vaardigheden: waarnemen en doen. De leerlingen krijgen een concrete uitdaging waarbij ze zelf mogen kiezen hoe ze deze aanpakken. Door gebruik te maken van het aanwezige materiaal, specifieke opstellingen en eigen bedenkingen komen ze tot verschillende mogelijke oplossingen. De leerlingen hebben hierbij de mogelijkheid om deze mogelijke oplossing uit te proberen en zo zelf te ontdekken waar deze oplossingen nog moeten bijgestuurd worden. Deze bijsturingen komen er dan op basis van observatie. De leerlingen doorlopen dus een zeer actief proces waarbij ze steeds weer in overleg gaan met elkaar en via experiment nieuwe inzichten verwerven. Dankzij dit proces komen ze tot een betere oplossing dan ze initieel bedacht hadden zonder deze ervaringen.
Het filmfragment toont hoe de leraar de leerlingen uitdaagt om een oplossing te vinden door een specifiek probleem te formuleren: hoe maak je een auto die uit zichzelf beweegt? Om dit te kunnen construeren moeten de leerlingen gebruik maken van leerinhouden zoals wrijving en actie-reactie. Het betekenisvolle aan deze activiteit is dat deze leerinhouden louter een middel zijn om tot hun oplossing te komen.
Hiervoor kunnen de leerlingen vrij materialen gebruiken om proeven te doen. De materialen zijn herkenbaar en alledaags. De leraar biedt ook een verscheidenheid aan materialen aan (karton, ballon, rietjes, satéstokjes, …).
Principe van actie-reactie en wrijving komen in deze activiteit sterk aan bod. Het al doende ontdekken van deze wetenschappelijke inzichten zorgt ook voor duidelijke momenten van betrokkenheid.
Door de leerlingen steeds opnieuw te vragen wat de opdracht was blijft de leraar de focus houden op de gegeven opdracht. Dit om er ook voor te zorgen dat de leerlingen zich niet verliezen in minder fundamentele elementen (zitbankjes).
“Wat was de voorwaarde? Wat moest onze auto kunnen?” (2:00-2:05)
De leraar vestigt ook de aandacht op kennis/informatie die ze al hebben. Bijvoorbeeld wat ze reeds geschetst hebben kan een nieuw startpunt zijn voor een oplossing.
“Wat heb jij hier getekend?” (3:00-3:45)
De leraar laat de leerlingen hun ideeën schetsen zodat ze vanuit hun bestaande kennis kunnen vertrekken in het overleg. Daarnaast voorziet de leraar ook kleine onderzoekjes zodat de leerlingen hun vermoeden kunnen verwoorden:
“Als ik hem nu loslaat (de ballon) naar waar gaat hij dan gaan?” (3:48-4:25)
De leraar koppelt ook terug naar eerdere voorspellingen van de leerlingen:
“Wat heeft de auto nu gedaan? Wat jij voorspeld had?” (8:06-8:09)
Om gegevens te verzamelen worden de leerlingen aangezet om testjes te doen in functie van de probleemstelling. Vanuit de observaties tijdens die testjes kunnen ze dan tot verklaringen en inzichten komen (bv. richting van de ballon). Deze inzichten kunnen ze dan toepassen wanneer ze de wagen bouwen/aanpassen (optimalisatie). Een systematisch proces van observeren, analyseren en interpreteren doet zich voor.
De optimalisatie is telkens gericht op 1 aspect wat het eerlijk onderzoeken sterk vooropstelt. Eerst wordt er gefocust op de voortstuwing met de ballon. Pas wanneer dit duidelijk is, wordt de focus verlegd naar het rechtdoor rijden van de wagen.
Daarnaast richt de leraar de leerlingen ook op optimalisatie vanuit de opgedane inzichten, met andere woorden geen trail-and-error.
“Dus, de lucht gaat eruit ontsnappen…” (6:11-6:34)
De leraar verwoordt zo weinig mogelijk zelf. Ze corrigeert niet te snel. Ze doet dit door te zwijgen of hulp te bieden ten voordele van de motivatie of door eventueel een onderzoekje te laten opzetten. Dit leidt dan tot een eigen verwoording van de vaststelling/verwachting door de leerlingen zelf waardoor ze verplicht zijn om zelf na te denken.
Door te zwijgen of te bevragen doen de leerlingen zelf de vaststellingen en verwoordingen. De leraar zet ook de leerlingen aan om een specifieke rolverdeling aan te nemen (o.a. onderzoeker en ontwerper)
De probleemstelling werkt duidelijk stimulerend voor de leerlingen.
Op het moment dat het meisje de opdracht voorleest merk je al enig enthousiasme. Dit enthousiasme wordt nog duidelijker op het moment dat ze aan de slag mogen met het materiaal dat aanwezig is. De leerlingen gaan snel op ontdekking om te weten te komen welke soort kurken er zijn.
Ook in de loop van het onderzoek speelt verwondering opnieuw de rol van drijfveer voor verder onderzoek. De leerlingen mogen steeds proberen en experimenteren en je merkt dat ze genieten van bijvoorbeeld de ballon eens te laten vliegen om te weten in welke richt hij zou gaan.
Na de eerste keer dat de wagen zelf rijdt is er ook de nodige verwondering die prikkelt om de wagen nog te gaan verbeteren.
De leerlingen in het filmpje stellen zelf niet veel vragen. Ze formuleren wel geregeld een hypothese die ze dan aan de rest voorstellen. De vragen die ze stellen zijn er die in het denkproces mogelijke bijsturing ondersteunen.
“Het rietje moet niet gekruld zijn hé Wout?” (5:40-5:45)
“Het rietje moet toch naar daar?” (5:50-5:55)
De leerlingen proberen hun ideeën eerst te vatten in een schets. Die ideeën worden daarna samengebracht om van daaruit aan de ballonwagen te bouwen.
Daarna gaan de leerlingen samen aan de slag en bouwen ze onderdeel per onderdeel waarbij ze in overleg en door het uitproberen (bv. test van het rolsysteem, van de voortstuwing van de wagen) hun proces kunnen bijsturen.
Dit komt onder andere aan bod wanneer ze moeten verwoorden in welke richting de wagen gaat rijden bij hun ontwerp en op het moment dat ze hun constructie moeten aanpassen omdat deze niet of schuin rijdt. Ze baseren zich dus op voorkennis (zie de schets die ze maken) en op de ervaring van een eerder experiment.
“Hier zit een knoop in, we gaan hem dan los knippen en wij zouden denken dat hij dan zo ‘pffffft’ naar voor gaat.” (7:30-7:40)
De leerlingen werken elke mogelijke oplossing uit met het materiaal dat voor handen is. Ze maken het onderstel van de auto op basis van hun veronderstellingen en testen daarna of het rolt. Eens ze een hele auto af hebben testen de leerlingen verschillende versies van de auto uit. Tijdens het testen kijken de leerlingen telkens wat er gebeurt (observatie) en zoeken naar verklaringen waarom het lukt of niet (bv. auto rijdt schuin > wielen zitten te los). Op basis van de verkregen inzichten worden telkens nieuwe veronderstellingen naar voor geschoven die ze toepassen wanneer ze de wagen aanpassen (optimalisatie) (bv. de wielen vaster zetten, zodat de wagen rechtdoor rijdt). Iedere aanpassing wordt getest om na te gaan of de veronderstelling klopt of niet. Een systematisch proces doet zich voor.
De leerlingen deden analyses aan de hand van de testritten met de wagen, onder andere:
- Een eerste versie van het auto-onderstel rolt niet: er is een fout in het ontwerp van de assen.
- Een eerste versie van de auto met ballon wordt getest: hij rijdt echter niet! Waaraan ligt het? Toch nog aan het rolmechanisme? Aan het rietje? Komt er te weinig lucht uit omdat de opening van het rietje zo klein is?
“Dat is door dat rietje omdat de lucht zich niet kan verspreiden.” (6:50-7:00)
Er worden conclusies getrokken op basis van de testritten met de wagen, onder andere:
- De eerste versie van het auto-onderstel rolt niet: de leerlingen stellen vast dat de fout ligt in het vastplakken van de assen. Een meisje geeft de oplossing: het rietje gebruiken als as waarin het staafje dan wel kan rollen.
- Omdat de eerste versie niet succesvol is, wordt een nieuw ontwerp voorgesteld waarbij de lucht niet langer door het rietje gaat maar rechtstreeks uitstroomt. Bij een volgende versie trekken de leerlingen de conclusie dat het gat waaruit de lucht stroomt voldoende groot moet zijn om voldoende voorstuwing te kunnen geven.
Er werden daarnaast ook conclusies getrokken over de testen met de ballon apart om te kijken in welke richting de ballon of wagen zou gaan afhankelijk van het verlaten van de lucht.
Op sommige momenten koppelen de leerlingen terug naar eerdere inzichten die ze verworven hebben (bv. de richting van de ballon). Reflecteren over het onderzoeks- en ontwerpproces gebeurt maar heel beperkt. Hier en daar valt het eens spontaan voor, bijvoorbeeld tijdens het bedenken van het ontwerp van de ballonauto doet een meisje volgende uitspraken:
“We zijn nog maar bezig met de wielen. Stapje per stapje!” (0:38-0:42)
“Wacht, wacht, niet te rap, hé!” (0:57-0:59)
Via een terugblik zouden de leerlingen de kans kunnen krijgen om globaler stil te staan bij het doorlopen proces.
Verbanden met andere fenomenen en contexten komen in dit filmpje niet expliciet aan bod. Mogelijkheden zouden hier kunnen zijn: Straal- of propellermotoren van vliegtuigen waarbij het toestel ook voortgestuwd wordt doordat lucht naar achteren wordt geblazen. Hovercrafts die een propellermotor hebben die ook lucht naar achteren blaast om vooruit te gaan. Enz. Leerlingen kunnen die voorbeelden zelf aanhalen of aan de hand van afbeeldingen het verband tussen de voorbeelden en hun onderzoek/leerinhouden duiden.
De leerlingen formuleren in de loop van de activiteit op verschillende momenten antwoorden en conclusies. We zien in dit filmpje echter geen globale rapporteringsfase.
