Het probleem met maakonderwijs: vrije opdrachten versus vast curriculum

Deze blog van Rolf Hut gebaseerd op zijn presentatie op FabLearn, de conferentie over maakonderwijs, gegeven op 28 september in Eindhoven.

Supertrots ben ik op de studenten die vorig jaar als eerste lichting mijn nieuwe vak Design Engineering voor Fysici [DEF] succesvol afgerond hebben. Een groep studenten had een spoel gemaakt die zo sterk was dat het elektrisch veld een tl-lamp aan kon zetten. Een andere groep had twee slingers aan elkaar gemaakt zodat hun opstelling Lissajous-figuren kon tekenen. De eindopdracht luidde: "Kies een natuurkundig fenomeen en maak een demonstratie-opstelling die zowel technisch als financieel door je natuurkunde docent van vorig jaar op de middelbare school na te maken is."

Design Engineering voor Fysici [DEF] eindopdracht (YouTube filmpje)

Slingers en elektrische velden hebben ze niet in DEF geleerd, maar bij 'Klassieke en relativistische mechanica' en 'elektriciteit en magnetisme' gehad. Zo werkt leren: studenten* bouwen door op wat ze al weten. De eerste groep heeft zijn kennis van velden uitgebreid, de tweede groep die van slingers. Daar zit direct het probleem: in een vrije maakopdracht weet ik zeker dat studenten iets nuttigs gaan leren bij, maar ik weet niet van tevoren wat ze gaan leren.

Dat is een probleem voor mijn baas**: de onderwijsdirecteur van onze opleiding die niet verantwoordelijke is voor één vak, maar voor ons hele curriculum. Om maakonderwijs te mogen geven moet ik niet alleen mijn baas overtuigen, ik moet ervoor zorgen dat mijn baas de argumenten heeft om onze decaan (zijn baas) te overtuigen. Het jaar voordat ik met Design Engineering voor Fysici begon heb ik besteed aan, samen met mijn baas, de organisatie overtuigen dat maak-onderwijs in ons curriculum past. In de rest van dit blog geef ik drie argumenten waarom (en hoe!) maak onderwijs netjes in een curriculum past.

Minder vrij dan het lijkt

Het lijkt paradoxaal om in te gaan tegen het "zelf uit laten vinden" idee van maakonderwijs, maar in de praktijk is geen enkele opdracht helemaal vrij. Je kan als docent spelen met de ruimte die je studenten geeft. De eindopdracht van DEF is erg ruim: elke natuurkundige demonstratie mag. Als tegenhanger daarvan hebben we in de aanloop naar de eindopdracht zes opdrachten die veel strakker zijn. Bijvoorbeeld: maak een sensor op basis van een plaatcondensator. Door deze afbakening weet ik zeker dat studenten de formule van een plaatcondensator moeten snappen en toepassen. Het staat de studenten nog steeds vrij om hun eigen gewichtssensor of waterhoogte sensor te maken, zolang deze maar een plaatcondensator als basis heeft.

Het grote verschil tussen een maakopdracht en een practicum is dat er bij een practicum aan het einde van de dag één goed antwoord is. Bij een maakopdracht kan een student iets totaal anders gemaakt hebben dan haar buurman en toch kunnen ze allebei een tien halen voor de opdracht. Dit verschil maakt dat het gemaakte van een maakopdracht veel meer 'van de student' is dan een practicumopdracht ooit kan zijn.

"Projects are what students remember long after the bell rings" - Sylvia Libow Martinez & Gary Stager, Invent to Learn

Door een opdracht goed af te bakenen kan je voorspellen wat studenten gaan leren. Daar kan in de rest van het curriculum op doorgebouwd worden. Doordat in DEF condensatoren gemaakt worden kan de docent van 'elektromagnetisme' later in het daarop doorbouwen.

Wanneer er een sterke focus is op doorlopende leerlijnen in het curriculum kan je "minder vrij dan het lijkt" als argument gebruiken om maakonderwijs in het curriculum te verantwoorden.

Focus op vaardigheden

Een van de veel geprezen voordelen van maakonderwijs is dat studenten, terwijl ze ontdekkende wijs leren over het onderwerp waar ze aan werken, vaardigheden opdoen die tegenwoordig onder '21st century skills' worden gerekend. Programmeren, 3D-ontwerpen, 'denken als een designer', maar ook overleggen en samenwerken zijn zaken die studenten zich eigen maken terwijl ze samen aan het maken zijn. Je moet als docent natuurlijk wel je opdracht zo inrichten dat deze skills noodzakelijkerwijs aan bod komen. Dat doe je door aan te geven hoe, maar niet wat, de studenten moeten maken. Wil je dat studenten ontwerpen voordat ze gaan maken, eis dan dat ze een ontwerp inleveren voordat ze materiaal mogen pakken. Studenten houden de vrijhoud om hun eigen project te maken, maar het proces is door de docent vastgelegd.

"Of the 'product', 'process' or 'total freedom' approaches to an assignment, the 'process' approach causes most development in the learner." - Astrid Poot

In het primair onderwijs kan dit zijn dat een docent van leerlingen eist dat ze met een van de vijftig gereedschappen van de poster van Astrid Poot iets maken. In het middelbaar onderwijs kan je leerlingen verplichten om de stappen 'idee – ontwerp – maak – evalueer – verbeter' van de ontwerpcyclus te doorlopen. Van mijn studenten eis ik dat ze een volledige morfologische kaart maken waar ze voor deelproblemen een verzameling deeloplossingen hebben bedacht voordat ze kiezen wat ze gaan maken. In al die opdrachten zegt de docent nooit wat je precies moet maken, maar geeft wel het proces aan dat verzekerd dat de vaardigheden (de leerdoelen) geleerd worden.

Wanneer er in het curriculum behoeft is aan '21st century skills' kan je "focus op vaardigheden" als argument gebruiken om maakonderwijs in het curriculum te verantwoorden.

Maakonderwijs als formatieve toets

Hoewel ik geen college heb gegeven over slingers of elektrische velden, was de eindopdracht van mijn vak wel een uitgelezen kans om te zien dat studenten de kennis van de vakken die ze eerder gehad hadden, daadwerkelijk geleerd hebben. Je kan geen werkende spoel maken zonder elektrische velden goed te snappen. Maken is een andere vorm van begrip inzetten dan op een tentamen een som goed uitrekenen. Als docent kan je aan het object zelf, en aan het proces van het object maken, zien of je studenten de achterliggende kennis daadwerkelijk beheersen. In de woorden van Arjan van der Meij: maakonderwijs is gecondenseerd leren.

"Maakonderwijs is gecondenseerd leren." - Arjan van der Meij

Het maken vormt zo een formatieve toets van eerder opgedane kennis. Een aantal lessen rond één onderwerp kan bijvoorbeeld als volgt opgebouwd worden. Eerst een paar lessen met kennisoverdracht. Daarna een paar lessen met gesloten, gestructureerde opdrachten om de materie in de vingers te krijgen. Tot slot een maak opdracht waarin de studenten aan de slag gaan met de materie om formatief te toetsen of de studenten daadwerkelijk zich de kennis eigen gemaakt hebben op het niveau dat ze de kennis kunnen toepassen.

Wanneer er een sterke focus is op kennis kunnen toepassen in het curriculum kan je "maakonderwijs als formatieve toets" als argument gebruiken om maakonderwijs in het curriculum te verantwoorden.

Dat zijn drie argumenten die je als docent aan je baas kan geven om haar/zijn baas te overtuigen van het nut van maakonderwijs:

• Minder vrij dan het lijkt
• Focus op proces
• Maken als formatieve toets

Als afsluiting gebruik ik een voorbeeld uit mijn eigen vak waarin deze drie argumenten terugkomen: het bakken van chips. Echte elektrische chips. De leerdoelen hierbij zijn:

Studenten natuurkunde moeten snappen dat je soms maar één keer kan fabriceren gezien de kosten en dat je dus heel nauwkeurig moet ontwerpen om fouten te voorkomen.
Studenten natuurkunde moeten ervaren dat ze ontwerpen maken die resulteren in structuren kleiner dan ze met het blote oog kunnen waarnemen, maar die wel meetbare effecten hebben.
Om deze leerdoelen te bereiken is het essentieel de studenten niet alleen chips te laten ontwerpen, maar om de chips dan ook echt te produceren en terug te geven aan de studenten om door te meten. Dat is een dure aangelegenheid waarvoor het essentieel was onze decaan te overtuigen dat dit binnen ons curriculum past. We gebruikte daarvoor de drie argumenten. Zo was de instructie die we onze studenten gaven minder vrij dan het lijkt:

Maak een chip die als een versterker of als een invertor kan werken.  We gaan de chip echt fabriceren dus je moet je houden aan de eisen van de fabriek: je hebt een oppervlak van maximaal 1 mm bij 1 mm waar je ontwerp in moet passen. Je hebt 4 contact punten naar de buitenwereld, etc.

Binnen deze strakke eisen kunnen studenten nog steeds hun eigen chip maken die afwijkt van wat hun buren maken. Het blijft een project in plaats van een practicum en dat bleek wel uit de trots waarmee ze onder een vergrootglas naar hun eigen chips zaten te kijken toen ze eenmaal gefabriceerd waren.

Omdat we willen dat studenten een gestructureerd proces doorlopen en de nadruk op voorkomen van fouten ligt, hebben we het ontwerpproces vastgelegd dat ze moeten doorlopen:

Ontwerp eerst je schakeling in LTSpice, laat je student assistent aftekenen dat je schakeling doet wat hij moet doen. Pas als je schakeling is goedgekeurd, teken dan hoe je schakeling op de chip terecht komt in KLayout. Controleer je eigen ontwerp op de fabricage-regels. Controleer dan het ontwerp van je buren.

Tot slot was het zelf maken van chips een goede toets om te zien of mijn studenten de leerdoelen van het 'elektriciteit en magnetisme' vak eerder dat jaar goed hadden begrepen. Ze konden de vraag: "Waarom verandert de weerstand niet als je je ontwerp twee keer zo klein maakt?" prima beantwoorden.

Het zelf ontwerpen van een chip die echt gefabriceerd wordt en die je als student zelf doormeet was de opdracht die onze decaan overtuigde dat ons voorgestelde maakonderwijs paste in het curriculum van de opleiding Technische Natuurkunde. Wil je als docent zelf maakonderwijs introduceren in je lessen maar moet je de organisatie eerst overtuigen, dan kan je met de drie argumenten in dit artikel helder maken waarom maakonderwijs met vrije opdrachten prima past in een vast curriculum. Geen probleem.

P.S. Wat is maakonderwijs?

Er zijn vele verschillende definities van maakonderwijs, maar voor dit blog gebruik ik de volgende: Onderwijsactiviteiten waarbij de studenten nieuwe kennis en/of vaardigheden opdoen tijdens activiteit waarbij ze zelf een fysiek object maken dat ze ook zelf bedacht/ontworpen hebben.

Dit is een blog gebaseerd op mijn presentatie op FabLearn, de conferentie over maakonderwijs, gegeven op 28 september in Eindhoven.

(*) Hoewel ik zelf studenten les geef, is mijn betoog onverminderd van toepassing op leerlingen in het primair en voortgezet onderwijs.

(**) Prof. Chris Kleijn, onderwijsdirecteur van de opleiding Technische Natuurkunde aan de TU Delft.