Onderzoek

Training the Scientific Thinking Circle to increase Scientific Thinking in Pre- and Primary School Children

Peter Dejonckheere, Kristof Van de Keere, & Nele Mestdagh

Abstract

Using two experiments we will examine to what extent the scientific thinking circle can be used as heuristics to support scientific thinking in a classroom situation with children that are between 3 and 9 years old. Therefore we will ask the children to build either a bridge or a raft or an electrical circuit using the material that is available to them. We will check to what extent these children are acting according to a number of physical laws (gravitation/solidity, floating/sinking, electrical circuitry). The results show that, compared with a control group, 6-year-olds display significantly more operations that are in accordance with physical laws and significantly less operations that act counter to these physical laws after they have been instructed in the scientific thinking circle. No scientific thinking circle effects were found in the other age groups. The developmental psychological implications of the heuristics have been set out during the discussion.*

Thanks to the following schools for their participation: 1) Vrije Basisschool, Schoolstraat 11, 8800 Roeselare, 2) Centrumschool Kloosterstraat 27, 8510 Marke, 3) Boudewijnschool Kuurne, Kon. Boude-wijnstraat 52, 8520 Kuurne, 4) Vrije Basisschool Zulte, Staatsbaan 190, 9870 Zulte, 5) Heilige Familie, Driesstraat 1, 8700 Tielt; ’t , 6) Nieuwland Patersdreef 7, 8700 Tielt.

*Deze rapportering is een beknopte Nederlandstalige weergave van het artikel training the sciencitific circle to increase scientific thinking in pre- and primary school children (Dejonckheere, Van de Keere & Mestdagh, submitted)).

Wetenschappelijk denken kan worden gedefinieerd op twee vlakken. In eerste instantie op het kennisvlak waarbij de onderzoeksfocus ligt op wat kinderen en volwassenen weten over wetenschappelijke fenomenen. Voorbeelden daarvan zijn weten dat objecten vallen wanneer ze niet adequaat zijn ondersteund, weten dat de aarde draait rond de zon of weten dat DNA de drager is van erfelijk materiaal in levende wezens. In tweede instantie kan wetenschappelijk denken worden gedefinieerd op het vlak van problem solving. Wetenschappelijk denken wordt dan gezien als een vorm van redeneren. Een voorbeeld daarvan is redeneren rond causale relaties die het opstellen van experimentele designs en het testen van hypothesen mogelijk maken. In de huidige studie wordt nagegaan in welke mate kinderen van 3 tot 9 jaar in staat zijn om hun kennis over gravitatie/soliditeit, drijven/zinken of elektrische schakelingen te gebruiken om problemen op te lossen. In dat opzicht is de gehanteerde methodiek een combinatie van zowel domeinspecifieke als domeinoverstijgende vaardigheden. Driejarige kinderen worden immers gevraagd om aan de hand van materiaal met verschillende eigenschappen een constructie op te stellen om een wagentje van plaats A naar plaats B over te zetten. Vier tot 7 jarige kinderen worden gevraagd om een drijvend vlot te bouwen terwijl 9 jarige kinderen worden gevraagd om één of meerdere lampen te doen branden in een elektrisch circuit. In alle drie de proeven wordt nagegaan in welke mate de kinderen handelingen stellen die al dan niet conform zijn aan de fysische wetmatigheden (physical laws) van gravitatie/soliditeit, drijven/zinken en elektrische circuits.

Een tweede doelstelling van de huidige studie is na te gaan in welke mate het probleemoplossend gedrag van de kinderen voor gravitatie/soliditeit, drijven/zinken en elektrische schakelingen kan worden verbeterd door middel van het creëren van een actieve leeromgeving. Deze leeromgeving bestaat uit het aanbieden van een heuristiek die wetenschappelijk denken ondersteunt. We gaan er van uit dat de nodige handelingsprocessen cyclisch van aard zijn waarbij het resultaat van de handeling steeds de input vormt voor het stellen van nieuwe handelingen. Op die manier interageren probleemstelling, hypothesestelling, toetsing en evaluatie zich op een continue manier over de tijd.

De heuristiek deelt probleeminstellingen op in verschillende stappen:

een oriënteringsfase (adequaat waarnemen en probleemstellingen verwoorden)
een verkenningsfase (brainstormen en hypothesen formuleren in functie van de vraagstelling)
een uitvoeringsfase (een hypothese selecteren en deze nauwgezet uitvoeren)
een herstructureringsfase (het resultaat van de handeling of het denkproces terugkoppelen aan de gestelde hypothese)
De aangeboden heuristiek maakt de kinderen bewust van dit cyclische proces door hen in probleemstellingen te begeleiden aan de hand van een gevisualiseerd stappenplan.

De onderzoeksopzet van deze studie bestaat uit een pretest-fase, een instructiefase en een posttestfase. De pretest meet twee competenties. Ten eerste de problemsolvingsvaardigheden van het kind door middel van een aantal subtesten uit de WISC-III (Kort et al. 2002) en de WPPSI-R (Vander Steene & Bos, 1997). Ten tweede de kennis van gravitatie/soliditeit, drijven/zinken of elektrische schakelingen. In de instructiefase wordt de wetenschappelijke denkcirkel aangeleerd en ingeoefend. Dit aanleren gebeurt op drie verschillende momenten. In de posttest worden opnieuw probleemoplossingsvaardigheden gemeten met twee andere subtesten uit de WISC-III (Kort et al. 2002) en de WPPSI-R (Vander Steene & Bos, 1997). Daarnaast wordt in de posttest een proef opgezet rond gravitatie/soliditeit, drijven/zinken of elektrische schakelingen.

Er worden twee groepen gegenereerd. Een eerste groep, de experimentele groep, kreeg sessies rond de wetenschappelijke denkcirkel. Een tweede groep, de controlegroep, volgde het normale lesprogramma zonder verdere instructies.

We verwachten dat na het aanleren van de wetenschappelijke denkcirkel het probleemoplossend vermogen van de kinderen zal toenemen vergeleken met de groep die deze instructies niet kreeg.

EXPERIMENT 1

De uiteindelijke steekproef bestond uit 20 kinderen van 3 jaar oud, 20 kinderen van 4 jaar oud en 20 kinderen van 5 jaar oud.

Pretest: Een aantal subtesten uit de WPSSI-R (IQ-test voor kinderen) werd gebruikt. Geometrische figuren, Figuren leggen en Doolhoven maken. Deze testen gaven een idee welke probleemoplossingvaardigheden de groep gemiddeld bezat.

Instructiefase: Drie sessies van 30 minuten met een interval van ongeveer 2 weken en één herhalingssessie op 2 dagen voor aanvang van de posttest werden gegeven. De probleemstellingen die in de oefensessie werden gehanteerd waren zeer algemeen van aard zoals een klaslokaal opruimen, een houten huisje bouwen, enz. Aan de hand van deze sessies werden de kinderen uit de experimentele groep de verschillende stappen van het denkproces aangeleerd.

Posttest: In deze test werden de kinderen opnieuw twee subtesten gepresenteerd uit de WPSSI-R: Blokpatronen en Dierenhuis. Deze testen gaan opnieuw problem solving na. Daarnaast werd een probleemstelling gepresenteerd dat aansluit bij denken over fysische kennis zoals gravitatie (3 jarigen) of zinken/ drijven (4 en 5 jarigen). In de gravitatietest moesten de kinderen zo snel mogelijk een brug bouwen teneinde een wagentje van de ene naar de andere kant te kunnen rijden. In de zinken/ drijven test werd gevraagd zo snel mogelijk een vlot te bouwen dat een metalen voorwerp kon dragen in het water.

Resultaten: De sessies rond de wetenschappelijke denkcirkel hadden geen effect op de scores van de verschillende subtesten van de WPPSI-R en de proeven rond gravitatie en zinken/ drijven. Met andere woorden deden de kinderen uit de Experimentele groep het niet beter dan deze uit de Controlegroep nadat ze de sessies rond zelfinstructie hadden gekregen. De sessies hadden echter een effect op het ‘time-management‘ van de kinderen wat kan duiden op een betere impulscontrole.

EXPERIMENT 2

Een tweede experiment volgde dezelfde methodiek als Experiment 1 met dat verschil dat nu kinderen van 6, 7 en 9 jaar in de studie werden betrokken. De uiteindelijke groep bestond uit 15 kinderen van 6 jaar, 15 kinderen van 7 jaar en 15 kinderen van 9 jaar oud.

Pretest: Een aantal subtesten uit de WISC-III (IQ-test voor kinderen) werd gebruikt: Figuren leggen, Doolhoven oplossen en Symbolen vergelijken.

Instructiefase: Drie sessies van 30 minuten met een interval van ongeveer 2 weken en één herhalingssessie op 2 dagen voor aanvang van de posttest werden gegeven. De probleemstellingen die in de oefensessies werden gehanteerd waren zeer algemeen van aard zoals een brug of een houten huisje bouwen.

Posttest: In deze test werden de kinderen opnieuw twee subtesten gepresenteerd uit de WISC-III: Blokpatronen maken en Plaatjes ordenen tot een verhaal. Deze subtesten gaan opnieuw de denkprocessen na. Daarnaast werd ook een probleemstelling gepresenteerd die aansloot bij denken over fysische kennis zoals zinken/ drijven (6 en 7 jaar oude kinderen) en elektrische schakelingen bouwen (9 jaar). In de zinken/drijven test werd gevraagd zo snel mogelijk een vlot te bouwen dat een metalen voorwerp kon dragen in het water. In de proef met schakelingen moest het kind zo snel als mogelijk één of meerdere lampen doen branden in een specifiek elektrisch circuit.

Resultaten: Opnieuw kon een effect van time-management worden gevonden bij kinderen van 6 jaar in de experimentele groep. Meer bepaald is het zo dat deze kinderen meer tijd spendeerden aan het vervolledigen van de verschillende posttesttaken wanneer ze de sessies hadden gevolgd. Bij kinderen van 7 en 9 jaar werd dit effect niet gevonden. Voor wat betreft wetenschappelijk denken, werd een consistent effect gevonden in de 6-jarige groep. Dit effect werd gevonden op twee variabelen: het aantal compatibele handelingen (handelingen die samengaan met wetenschappelijke kennis, bijvoorbeeld hout gebruiken als drager voor een vlot in het water) en het aantal niet-compatibele handelingen (handelingen die tegen wetenschappelijke kennis ingaan, bijvoorbeeld metalen voorwerpen in het water leggen). Meer bepaald is het zo dat de 6-jarige kinderen uit de experimentele groep enerzijds méér compatibele handelingen en anderzijds minder niet-compatibele handelingen gingen vertonen.

Deze resultaten tonen aan dat het aanleren van de wetenschappelijke denkcirkel effectief kan zijn in schoolsettings weliswaar onder beperkte voorwaarden. Verder onderzoek is noodzakelijk om uit te maken of het uitblijven van effecten in de overige leeftijdsgroepen kan verklaard worden door:

Een gebrek aan motivatie (vooral de oudere kinderen)
De moeilijkheidsgraad van de opdrachten (vooral jongeren kinderen)
Problemen met transfer (kennisoverdracht van de instructiefase naar de posttesten)