Natuurkunde Didactiek Toekomst Ton Ellermeijer Woudschoten Conferentie 2010

Natuurkunde Didactiek Toekomst? ! Ton Ellermeijer Woudschoten Conferentie 2010

Overzicht • Wat is dat, natuurkunde didactiek? Welke rol speelt het t. o. v. natuurkunde onderwijs? Waar wordt het bedreven, wie doen het? • Intermezzo: bijdrage vanuit technologie. • Natuurkunde onderwijs, belangrijke uitdagingen • Wie beslist over onderwijs, en science education in het byzonder? Hoe ziet de toekomst eruit? • AMSTEL Instituut en. . • CMA • Van wie is natuurkunde didactiek, wie moeten het voortouw nemen? Woudschoten Conferentie 2010

Josip Slisko (GIREP 2009): Dichotomic academic culture: some folkloric views • Physics research is a science. Teaching physics is an art and physics learning is a mystery. • Those who do know physics do physics research. • Those who don’t know physics do physics teaching. • Those who don’t know to do teaching teach how to teach physics. Woudschoten Conferentie 2010

Physics research vs. Physics teaching: Diagnosis by Redish, E. F. (1999). Millikan Lecture 1998: Building a Science of Teaching Physics. American Journal of Physics, 67 (7), 562 – 573. Disturbing questions • What is it that allows us to build our knowledge of physics in a cumulative way while in physics education we seem to be doomed to everlasting cycles of pushing the Sisyphian rock up the hill only to have it roll down again? • Why do we never seem to be able to share and pass down to succeeding generations what we learn about physics education? Woudschoten Conferentie 2010

Natuurkunde Didactiek wat doen we zoal • Lerarenopleiding en nascholing • Ontwikkelprojecten – PLON, DBK-na, PBN, Fysische Informatica, Ni. Na • Bijdragen aan nieuwe examenprogramma’s • Natuurkunde-didactisch onderzoek Woudschoten Conferentie 2010

Natuurkunde Didactiek wat draagt het bij? • Kwaliteit – als we de canon van Piet benutten! • Up-to-date • Internationaal op niveau Woudschoten Conferentie 2010

Probleem van contextrijk onderwijs – Josip Slisko: How hydraulic lift works? Woudschoten Conferentie 2010

How hydraulic lift works? Woudschoten Conferentie 2010

Let us check some numbers: 3 cm vs. 24 cm diameter! Woudschoten Conferentie 2010

A feasable design presented in Hewitt’s physics textbook since 1972 Woudschoten Conferentie 2010

Hydraulic lift: a personal story My son Javor asked me, three years ago, if I had a “practical” research project for his final physics work in international high-school. I showed him two different designs of hydraulic lifts found in textbooks and proposed that he finds out which one is used in real mechanics workshops. Needless to say, I was sure design from Hewitt’s textbook would be found. Woudschoten Conferentie 2010

Hydraulic lift: a personal story His finding was a big surprise for me: Neither design was used in real-world! For my son Javor there were two lessons learned: Never trust physics textbooks! It is risky to accept research project proposed by me! On a scale of 5 (the highest mark), his project was graded as 2. Woudschoten Conferentie 2010

Real-world hydraulic lift: a compact design found out by my son Javor Woudschoten Conferentie 2010

Do professional physicists know elementary physics? • Professional procedural knowledge of a physical law or model is to know (a) where and how it can be appropriately applied and, not less important, (b) where its use would be a misapplication. • Let us see how it works in the case of the ideal gas law in a big community of professional physicists who are, either as reviewer or adopter, related to the textbooks written by Prof. Douglas C. Giancoli. Woudschoten Conferentie 2010

Who is Prof. Douglas C. Giancoli? • Douglas C. Giancoli obtained his BA in physics (summa cum laude) from the University of California, Berkeley, his MS in physics at the Massachusetts Institute of Technology, and his Ph. D in elementary particle physics at the University of California, Berkeley. He spent 2 years as a post-doctoral fellow at UC Berkeley’s Virus lab developing skills in molecular biology and biophysics. His mentors include Nobel winners Emilio Segré and Donald Glaser. • He has taught a wide range of undergraduate courses, traditional as well as innovative ones, and continues to update his textbooks meticulously, seeking ways to better provide an understanding of physics for students. Woudschoten Conferentie 2010

Validity of the ideal gas law • For Prof. Giancoli the domain of validity of the ideal gas law, expressed by the equation p. V = n. RT, is perfectly known: “We use the term “ideal” because real gases do not follow the equation… precisely, particularly at high pressures or when the gas is near liquefaction point. However, at pressures on the order of 1 atm or less, and when T is not close to the boiling point of the gas, equation … is quite accurate. ” • On application level, there is a long history of up-dating a physics problem for practice in using the ideal gas law. Woudschoten Conferentie 2010

Applying the ideal gas law: the first formulation • “What is the pressure inside of 20 -L container holding 24 kg of argon gas at 20 °C? ” Giancoli, D. C. (1984). General Physics. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Problem 38, p. 347. Is this a well-thought example for students to learn how and where to apply the ideal gas law? (A) Yes; (B) No; (C) Maybe. Woudschoten Conferentie 2010

Applying the ideal gas law: the second and third formulation • “What is the pressure inside a 28 -L container holding 37 kg of argon gas at 20 °C? ” Giancoli (1989). Physics for Scientists and Engineers with Modern. Second Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Problem 38, p. 423. • “What is the pressure inside of 32. 0 -L container holding 84. 6 kg of argon gas at 20 °C? ” Giancoli, D. C. (1991). Physics. Principles with Application. Third Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Problem 29, p. 367. Woudschoten Conferentie 2010

Applying the ideal gas law: the fourth and fifth formulation “What is the pressure inside of 50. 0 -L container holding 105. 0 kg of argon gas at 20 °C? ” Giancoli, D. C. (1998). Physics. Principles with Application. Fifth Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice. Hall, Problem 36, p. 414. “What is the pressure inside of 35. 0 -L container holding 105. 0 kg of argon gas at 20 °C? ” Giancoli, D. C. (2005). Physics. Principles with Application. Sixth Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Problem 36, p. 414. Woudschoten Conferentie 2010

Summary of “up-dating” Year 1984 1998 1991 1998 2005 Volume 20 L Mass 24 kg Density 1. 2 kg/L Pressure 720 atm 28 L 37 kg 1. 3 kg/L 794 atm 32 L 50 L 35 L 84. 6 kg 105 kg 2. 6 kg/L 2. 1 kg/L 3. 0 kg/L 1, 588 atm 1, 260 atm 2, 369 atm Density of liquid argon: 1. 4 kg/L Density of solid argon: 1. 63 kg/L Woudschoten Conferentie 2010

What we have here? • Sixth Edition was reviewed by 72 reviewers. • In addition, Giancoli said: “I owe special thanks to profs. Bob Davis and J. Erik Hendrickson… for working out all Problems and producing Solutions Manual with solutions to all Problems and Questions, as well as for providing the answers to oddnumbered Problems at the end of this book. Thanks as well to the team they managed (Profs. David Curott, Bryan Long, and Richard Louie) who also worked out all the Problems and Questions, each checking the others. ” Woudschoten Conferentie 2010

Artificial contexts for learning physics • “You lie on your back in a bathtub, without any water in it, and look at a cup resting on a soap dish. Now somebody fills up the tub with water so the water level is over your head, exactly at the top of the soap dish and the bottom of the cup. Sketch what your view of the cup and soap dish is after the water is added and before you drown… ” Bathtub D. S. Falk, D. S. , Brill, D. R. and D. G. Stork, (1986). Seeing the Light: Optics in Nature, Photography, Color, Vision and Holography. New York: John Wiley & Sons, Problem PH 17, p. 71. Woudschoten Conferentie 2010

The effects of artificial contexts • Anybody who has taken physics would understand this video. Sometimes the word problem scenarios are so STUPID you just tell yourself, "how and why would anyone ever do that? !“ • This is hilarious. I took honors (AP book) physics last year and some problems were just absolutely absurd. This definitely tops cars driving off cliffs onto trampolines! • Haha I got one once about something about the velocity of an octopus thrown onto the ice rink during a hockey game that’s hit by the puck. • I remember stupid problem from my physics book also. It was like this: "From what angle must this Indian boy shoot the fish in the water with his lasergun so he can hit it (fish)? Calculate and draw your results. " Indian-boy with laser gun? Screw this. Woudschoten Conferentie 2010

• That’s exactly how i feel about physics problems! i dont CARE what Jamal's weight reads standing on a scale in an elevator!! • One of the questions in my mechanics paper was: "Jimmy is standing on a tower 160 meters tall. He falls over the edge. How long does Jimmy have to live? “ • I had a bad one in physics not too long ago. . . You are driving in a car at 56 mph when you suddenly hit a giant spring in the middle of the road. Assuming you stretch the spring 3 feet, what is its spring constant? • Ah, whoever writes text books these days needs to lay of the crazy pills. . . • Can you imagine what it's like for those poor physicists having to go through life with really weird stuff happening to them EVERY day? No wonder they are a bit whacky. • I knew there was a reason why I hated physics!!! Woudschoten Conferentie 2010

Conclusions – Josip Slisko • It is alarming that in teaching physics professionals make errors and fail to detect errors made by others. • Both as individuals and as a responsible community we should start to cultivate critical thinking as an integral part of teaching practice. • We must find ways to “clean up” the textbooks our students are obliged to use (and PAY FOR). Woudschoten Conferentie 2010

Docenten • Kwaliteit en kwantiteit? – Instroom: eisen en kwantiteit – Nederland Finland/ 1 -jarige master – Salariëring en loopbaan perspectief - DUDOC – Internationaal erkend certificaat? • Natuurkunde didactiek: faciliteren en stimuleren! Woudschoten Conferentie 2010

DUDOC • Initiatief vanuit vernieuwingscommissies • 20 bèta docenten, 4 jaar, 60 % onderzoekstijd • Draagt beperkt bij aan huidige vernieuwingen • Draagt bij aan vakdidactiek als discipline Onderzoek naar resultaten programma: A. Bakx, D. Beijaard, & M. van Eijck Woudschoten Conferentie 2010

Bijdrage aan verhoging kwaliteit bètaonderwijs? • • Promovendi: Ruim de helft geeft aan dat het DUDOC-programma met zich meebrengt dat zij betere docenten worden, vooral door het nadenken over onderwijs en het verantwoorden van het handelen. De andere helft heeft hier twijfels over. Volgens de promotoren leveren de DUDOC-onderzoeken een bijdrage aan de praktijk van het bètaonderwijs als er sprake is van overleg en participatie met en van collegae in de school en door het binnen brengen van onderwijsmateriaal in de school. Alle schooldirecteuren staan positief ten opzichte van de deelname van hun docent aan het DUDOC-programma, vanwege de verbinding tussen onderzoek en onderwijs, de ondersteuning om “evidence-based” te gaan werken, het aansluiten bij de ontwikkelingsgerichte school en het vervullen van een voorbeeldfunctie voor andere collega’s. Winstpunten voor de school zijn een bredere scope en (kwaliteits)impulsen, een positieve uitstraling van de school als er gepromoveerde medewerkers werken en bijvoorbeeld een nieuw netwerk dat de school binnen gebracht wordt. Aangezien het gaat om een docent binnen hun school verwachten de meeste directeuren ook voor de toekomst slechts een beperkte impact op schoolniveau. Collegae van de scholen die direct samenwerken met de DUDOC-promovendi zijn redelijk enthousiast over het promotieonderzoek van hun collega. De DUDOCers kunnen een bepaald enthousiasme overbrengen dat inspirerend werkt. Vervanging van lessen, mindere aanwezigheid en spanningen zijn minder positieve aspecten voor de collegae van de DUDOC-promovendi. Woudschoten Conferentie 2010

Verhoging aantrekkelijkheid docentenberoep? • De doelstelling dat het DUDOC-programma een bijdrage levert aan het vergroten van de aantrekkelijkheid van het docentschap wordt gerealiseerd, zeker als dit opgevat wordt als ‘meer mogelijkheden voor professionele ontwikkeling’. Dit bevestigen zowel de promovendi zelf als hun promotoren en de schooldirecteuren. • De DUDOC-promovendi geven allemaal aan dat deelname aan het DUDOCprogramma hen iets positiefs brengt. Het biedt hen ruimte voor persoonlijke, professionele ontwikkeling, het draagt in bepaalde mate bij aan de ontwikkeling van hun school (ook al wordt dat door de school nog niet altijd gezien), het biedt vrijheid en loopbaanperspectieven. • De promovendi geven aan dat zij veel leren. Het leren vindt met name plaats op de terreinen van: onderzoek doen, inclusief consistente stappen nemen en verantwoorden, Engels schrijven, combineren en verbinden van onderwijs en onderzoek, inhoudelijk opzetten van een programma, jezelf beter kennen en anders kijken naar onderwijs en leerlingen. • De meeste collegae van de DUDOC-promovendi willen zelf niet promoveren. Woudschoten Conferentie 2010

Conclusie DUDOC • Vakdidactisch onderzoek dicht bij scholen! • Grote uiteindelijke bijdrage aan natuurkunde onderwijs mogelijk • Belangrijk: – Zorg voor duidelijke inbedding in de school – Zorg voor programmatische continuïteit: echte bijdragen kosten veel tijd. DOORGAAN! Woudschoten Conferentie 2010

Intermezzo: bijdrage ICT aan natuurkundeonderwijs • Al vanaf 1980! • Uitdaging (wereldwijd): inbedding in curriculum • Nederland, UK en Frankrijk voorlopers • Hoe kan onderzoek bijdragen? Woudschoten Conferentie 2010

Voorbeelden • DUDOC-onderzoek Onne van Buuren: ontwikkeling van een leerlijn voor modelleren, kinematica in onderbouw – start van hardloper • Andre Heck: wisselwerking experiment en model bouwen: stuiterende ballen • Voorspellen van nieuw wereldrecord Woudschoten Conferentie 2010

Onderzoek van Buuren • “De brugfunctie van experimenteren en modelleren tussen context en concept in de schoolpraktijk, met een nadruk op de ontwikkeling en validering van een doorlopende leerlijn Modelleren beginnend in de onderbouw van het voortgezet onderwijs. ” Woudschoten Conferentie 2010

Start van de hardloper Combinatie van video meten en een door het model gestuurde animatie – tweede klas natuurkunde • Metingen van de video(x(t), v(t), gemiddelde snelheid). • Model of beweging met constante snelheid. • Leerling vergelijkt meting met model en moet de juiste parameters bepalen: beginpunt en gem. snelheid. Woudschoten Conferentie 2010

Resultaten De combinatie van animatie en video: • Stimuleert de leerlingen nieuwe vaardigheden te verwerven en ze te gebruiken • Geeft ze mogelijkheden tot zelf correctie (debugging tool) • Minder vaardige leerlingen maken meer gebruik van de animaties en lijken de meer abstracte representaties te vermijden. Ook werken ze meer via trial en error. • Als leerlingen een fout maken gebruiken de betere leerlingen alle mogelijke representaties om hun fout te vinden, terrwijl de minder vaardige leerlingen zich beperken tot de minder abstracte representaties. Woudschoten Conferentie 2010

Stuiterende Ballen – bovenbouw Onderzoek van Andre Heck: ontwerpen van betekenisvolle wiskunde activiteiten Doelen van de activiteiten: • Leerlingen te betrekken in onderzoek waarbij modelleren en met video (hoge snelheidscamera) toegepast worden • Nadruk op de modelleercyclus en het ontwikkelen van een kritische houding door het moeten werken met verschillende modellen voor het zelfde fenomeen. Woudschoten Conferentie 2010

Modelling cycle (Blum&Leiß (2005) Going several times through a modelling cycle Woudschoten Conferentie 2010

Stuiterende ballen • Experiment - Video meten (met de hand) • eenvoudig model voor een rubber jazz bal • Video meten aan een tafeltennis balletje (pointtracking) • Model zonder luchtweerstand gebruik makend van vluchttijden • Model met luchtweerstand en met een niet constante coefficient van restitutie • Animatie Woudschoten Conferentie 2010

Kracht van voorspellen met modellen • Heck and Ellermeijer hebben videometen en modellen voor hardlopers gebruikt om voor Usain Bolt een betere tijd op de 100 m te vororspellen, gebaseerd op zijn Olympische loop in Peking. • We voorspelden een tijd tussen 9. 55 and 9. 61 s in een artikel voor American Journal of Physics (article submitted Nov 2008). • In de zomer van 2009 liep Bolt een nieuw wereldrecord van 9. 58. . • Zie Am. Jo. Ph Woudschoten Conferentie 2010

Conclusies ICT • De computer draagt essentieel bij aan de leeromgeving van de leerlingen en helpt ze te ervaren hoe (wetenschappelijk) onderzoek in zijn werk gaat. • Nog veel werk te doen – DUDOC-ers? ? Woudschoten Conferentie 2010

Uitdagingen natuurkunde onderwijs • Docenten! • Curriculum: wat wel en wat niet voor wie? • Balans resultaat van wetenschap (kennis/concepten) en proces van wetenschap, met daarmee samenhangende ontwikkeling van cognitieve vaardigheden Woudschoten Conferentie 2010

Europa: Knowledge Society en natuurkunde onderwijs? • Behoefte aan nieuwe/innovatieve producten en diensten • Mensen die kennis creatief en innovatief weten toe te passen. • Van technische universiteiten horen we dat aankomende studenten slecht zijn in open taken, en in divergent denken. • En (te) vaak horen we dat leerlingen natuurkunde niet aanspreekt, ze zien de relevantie niet en ook niet de relatie met toekomstige werk. Men wil het curriculum veranderen/verrijken om zo meer studenten richting beta en techniek te trekken (Lisbon Agenda!) Woudschoten Conferentie 2010

EC: Rocard rapport, en verwante projecten! • To address this, the major recommendations were: • to create engaging curricula to tackle the issue of out-of-date, irrelevant contexts; • to enable teachers to develop their knowledge and pedagogy skills so that they may avoid stifling the natural curiosity of young people due to personal lack of confidence or ignorance; • to develop adequate assessment systems to make the whole process meaningful. • Engaging curricula is also key as discussed in the Rocard report on Science Education in Europe [14], which recommends that this can be achieved through the implementation of inquiry-based methods. Woudschoten Conferentie 2010

Rocard Report • Rocard report : Science education now : a renewed pedagogy for the future of Europe (May 2007) – Pollen en Sinus Transfer als referentie projecten • calls van de EC in lijn met Rocard Woudschoten Conferentie 2010

Follow-up Rocard • EC-calls voor grote projecten: – S-TEEM – Fibonacci – Establish – Pathway • (AMSTEL in 3 out of 4!) Woudschoten Conferentie 2010

Zijn die projecten een succes? • Bewust zijn van de tijd nodig om een verandering tot stand te brengen? • Voldoende aandacht aan de key-players, de leraren? Steeds: politieke beslissingen kunnen cruciaal zijn! Woudschoten Conferentie 2010

Toekomst? • Brengt aansturing/nadenken op Europees niveau meet consistentie? • Moeten we meer naar medisch onderzoek en de snelle (? ), maar in ieder geval brede implementatie daarvan kijken? Woudschoten Conferentie 2010

Systemic Change Om succesvolle en volledige implementatie te bereiken moeten alle factoren op het juiste moment aangepakt worden (‘concerted action’) Deze factoren zijn: • De innovation zelf. Is het goed gedefinieerd, ondersteund door onderzochte praktijk, en goed beschreven? • De scholen. Zijn ze geïnteresseerd en gemotiveerd voor de verandering? En gecommiteerd aan de benodigde inspanningen? Zijn alle leraren betrokken? • De leraren. Zijn zij geïnteresseerd en gemotiveerd voor de verandering? Hebben ze de achtergrond om de verandering te realisewren? Zijn ze voldoende gefaciliteerd? • Het curriculum: Passen de veranderingen in het curriculum en wordt het curriculum consistent aangepast? • Het examen en de andere toetsingen: wordt het examen congruent aangepast aan de voiorgestelde innovatie en vereist het examen de verandering? Woudschoten Conferentie 2010

AMSTEL Instituut en CMA • • • Waar kent u ons van – Betapartners en ITS Lab (in de regio) – Fysische Informatica - systeembord – Coach – Ni. Na – Natuurkunde. nl Wat deden we zoal – Lerarenopleiding – Nascholing – Projecten, NL en EC – Onderzoek Wie ook alweer Cees Mulder Piet Molenaar Cor de Beurs Piet Geerke Vincent Dorenbos Ron Vonk Paul Logman Maarten Pieters Ed van den Berg Jasper Bedaux Woudschoten Conferentie 2010 Johan van de Ridder Ewa Kedzierska Andre Heck Onne van Buuren

Wat is er gebeurd? • We zijn opgeheven, effectief per 1 september 2010. • We zijn tegengewerkt om een zelfstandig Instituut te worden. • Een klein deel van de staf komt op andere plekken in de faculteit Woudschoten Conferentie 2010

Waarom? • Vraag het de decaan, wij weten het echt niet: – Gerenommeerd – Financieel zeer gezond – Grote bijdragen aan faculteit Woudschoten Conferentie 2010

Dank voor de steun! • Uiterst moeilijk jaar, e. e. a. startte op 10/11/2009 • Zeer belangrijk de steun op Woudschoten vorig jaar • De steun van diverse collega’s: Hubert Biezeveld • De steun van de NVON, als beroepsverening en als vakbond: Henk de Graaf, Henri van Bergen • En vele anderen!!! Woudschoten Conferentie 2010

Hoe verder? • We hebben tot 1/10/2011 onze baangarantie • Velen zullen elders onderdak komen, maar niet iedereen • Projecten stoppen, ook de EC (interesse? ) • CMA gaat zelfstandig door, misschien/hopenlijk als kern van iets nieuws, inclusief nascholing en andere ondersteuning, en incl. de innovatieve ontwikkeling. Continuïteit is verzekerd. Woudschoten Conferentie 2010

Hoe verder met de vakdidactiek? • Moeten we e. e. a. anders gaan organiseren in NL om te zorgen dat we niet een provincie worden? • Misschien Deens model: geen Instituten, maar steeds voor enkele jaren vrijgestelde docenten? • Of toch een landelijk Instituut meerdere vestigingen? • Het is wel aan ons, WND, NVON, andere Instituten om ons te bezinnen! Woudschoten Conferentie 2010

Volgende GIREP conferenties • GIREP – EPEC 2011: Jyvaskyla Finland, August 1 – 7 • GIREP – ICPE 2012: Istanbul, Turkey first week of July • GIREP – EPEC 2013: Portugal? Woudschoten Conferentie 2010

Dank u! Ton Ellermeijer contact: a. l. ellermeijer@uva. nl Woudschoten Conferentie 2010