In het Handboek natuurkundedidactiek gebruiken de schrijvers het begrip “Leerlingdenkbeelden”. Leerlingdenkbeelden zijn concepten die onjuist in het hoofd van de leerling zitten. Soms is het een pre-conceptie (leerling kwam al binnen met een onjuist idee), soms is het een misconceptie (leerling voegt de nieuwe kennis onjuist samen). Maar los van de oorzaak heeft de leerling hulp nodig om zijn denkbeelden aan te pakken.
Als docent weten we dat een goede uitleg vaak niet tot een goed begrip wordt omgezet. Weten welke leerlingdenkbeelden er zijn kan helpen om de verwarring te herkennen. En soms ook kan je iets doen om de leerlingdenkbeelden aan te pakken.
Bij het onderwerp beweging gebruiken we op een gegeven moment de formule:
afstand = snelheid x tijd (s = v . t)
Leerlingen zien dit ook wel snel, als je 100km/h rijdt en je rijdt 5 uur dan ben je in Parijs (als dat 500 km ver weg is ). En tegelijkertijd introduceren we hier behoorlijk wat verwarring.
Wat bedoelen we precies met de grootheden afstand, snelheid, tijd?
We zien bijvoorbeeld:
v = s / t [a]
a = v / t [b]
s = 1/2 a t2 [c]
Het begrip tijd (t) is al lastig. Tijd is iets dat je kan aflezen op een klok. Maar dat wordt bij [a] en [b] eigenlijk niet bedoeld. Hier wordt het tijdsverschil bedoeld. Als je 5 uur onderweg bent (tijdsverschil), met een snelheid van 100 km/h, dan leg je 500 km af. Het maakt hierbij niet uit of we nu, gisteren, morgen die 5 uur nemen.
Maar waar bij de formules [a] en [b] inderdaad het tijdsverschil bedoeld wordt is dat bij formule [c] eigenlijk niet het geval. Hier wil je wel de klok (stopwatch) aflezen ten opzichte van een (impliciet of expliciet aanwezig) nul-punt. Hier zien we dat de s in de eerste seconde kleiner is dan in de tweede seconde (als er een positieve versnelling is) omdat het voorwerp in de eerste seconde al snelheid heeft gekregen. Je kan hier geen Δt noteren.
Beter maken we van de formules iets als:
v = Δs / Δt [d]
a = Δv / Δt [e]
s = 1/2 a t2 (ten opzichte van de start) [f]
Arnold Arons (Teaching Introductory Physics) vraagt zich af wat je kan doen om verwarring te voorkomen. Hij noemt bijvoorbeeld het zorgvuldiger gebruik van taal. Ook in het Engels zijn de begrippen uit de taal niet zomaar geschikt voor Natuurkunde. Zo spreekt hij over “time-intervals” en “clock-readings”.
Ook in het Nederlands lijkt het goed om telkens te benadrukken of het om een af te lezen tijd gaat of over een tijdsverschil.
Ook de afstand geeft verwarring. Docenten die zijn opgegroeid met Systematische Natuurkunde (Middelink) werken vaak met s voor afgelegde weg, en x voor de plaats. In veel methoden en ook in de Binas wordt dit onderscheid niet zo helder gemaakt. Uiteindelijk is het van belang om te weten of het gaat over twee posities (twee voorwerpen die dan een onderlinge afstand hebben), of het gaat over iets dat twee posities heeft (een voorwerp verplaatst zich en is nu hier en straks daar), of dat het gaat over de afgelegde weg (de afstand die een voorwerp heeft afgelegd). Formules blijken voor leerlingen zonder bekend te zijn met de geldigheid in verschillende situaties eigenlijk niet bruikbaar. Ze zien “een” s en ze zien “een” t en gaan dan direct rekenen om v te bepalen zonder te weten of dat zomaar kan en mag.
De snelheid geeft in het Nederlands ook al verwarring. De snelheid als “vaart” (speed), of de snelheid als vector snelheid (velocity)? Maar ook ontstaat er verwarring over een snelheidsverschil en een gemiddelde snelheid. In de formules [a] en [d] gaat het eigenlijk over de gemiddelde snelheid. Maar hoe kan een leerling dat zien aan de formule?
Jason Zumba (Force + Motion) begint zijn boek met grafieken. Van een temperatuursverloop, de hoogte van water in een vaas als het gevuld wordt met een constante waterstroom terwijl de vazen allemaal een andere vorm hebben (bol, cilinder, driehoekig), prijzen van artikelen in een winkel, … Een heel hoofdstuk gaat het over de vorm van de grafiek, hoe kan je zien dat een verandering snel gaat of langzaam (helling, raaklijn), hoe zie je dat er geen verandering is (raaklijn horizontaal), ..
Zumba maakt duidelijk dat je moet kijken naar de gegevens op de y-as (hoeveelheid) in combinatie met de gegeven op de x-as (tijd). En maakt hij dy/dt grafieken om te laten zien dat de verandering wel of niet constant is en hoe je dat kan zien in de bron grafiek. Loopt de prijs van een produkt snel op of juist niet? Neemt de water hoogte in de vaas snel toe of juist niet? Hij werkt hier natuurlijk toe naar een s,t-grafiek die, door hier een ds/dt grafiek van te maken, iets zegt over de snelheid. Of iets over de versnelling a uit een v,t-grafiek.
Het lijkt er op dat we zeer zorgvuldig moeten formuleren richting leerlingen en wellicht ook gerichte opgaven moeten oefenen om de verschillen helder te krijgen. Het lijkt niet genoeg om dit een keertje te vertellen, het heeft meer en continu serieuze aandacht nodig.
Bernard Blogt 