Categorie archief: Modeltekenen

Modellenwerk deel 4 – SimSketch 2.0

In Utrecht ben ik samen met Frank Leenaars begonnen aan SimSketch versie 2. Een voorname reden om aan deze versie te beginnen was een technische: ik wilde dat SimSketch ook op tablets kan werken, en dat vereiste een herimplementatie. Bovendien was dit de gelegenheid om delen opnieuw te ontwerpen, met name de wijze waarop het gedrag wordt geïmplementeerd. Het wordt nu mogelijk voor docenten en uiteindelijk zelfs leerlingen om niet alleen gedragsstickers toe te kennen aan elementen in de tekening, maar ook om zelf gedrag te definiëren. Ook is SimSketch toegepast op nieuwe domeinen, zoals evolutie. In samenwerking met de masterstudenten Dewi Heijnes en Juliette Schouten is bijvoorbeeld gedrag ontwikkeld waarmee evolutionaire processen kunnen worden gemodelleerd. Dewi heeft daarbij bijgedragen aan de specificatie van het model en de elementaire gedragingen die nodig zijn om het te specificeren, Juliette heeft het resultaat gebruikt in het ontwerp van een lessenserie. Het resultaat is een een set gedragingen waarin de evolutie van prooidieren kan worden gesimuleerd waarin de opvolgende generaties hun kleur aanpassen aan die van de achtergrond, als gevolg van het feit dat ze bejaagd worden door predators. Het voorbeeld dat daarbij gebruikt wordt is dat van slakken die worden gegeten door lijsters.

Dit onderwerp is gekozen in samenwerking met Naturalis die betrokken zijn bij onderzoek naar de evolutie van slakken, en waaraan een groot citizen science project is gekoppeld waarin leerlingen van scholen over heel Europa slakken verzamelen en determineren op kleur. In haar studie onderzocht Dewi hoe leerlingen in de onderbouw van het VWO redeneerden over het model dat ze tekenden. Ze vond een interessante wisselwerking tussen de wijze waarop leerlingen het model konden specificeren en hoe ze vervolgens over hun model redeneerden. In een eerste versie van de omgeving nam ze het volgende gesprek op tussen docent en leerlingen naar aanleiding van een vraag:

Docent: Wat is, denk je, de invloed van de kleuren van de gebieden op de kleur van de slakkenhuisjes, de kleur van de slakken?

Leerling: Ze worden …. Donkerder?

D: Hoe dan?

L: Omdat de groene kleur ze de beïnvloedt, of zoiets. Of het zorgt dat ze donkere kinderen krijgen.

D: Waarom zou dat zorgen dat ze donkerder kinderen krijgen?

L: Omdat ze een beetje pigment opnemen of zoiets?

D: Uit de bladeren?

L: Zou kunnen.

De leerlingen redeneren alsof er op een magische manier kleurstof uit de omgeving opnemen, iets dat met nadruk niet in het model is gestopt. Hoewel ze het model zelf gemaakt hebben denken ze blijkbaar dat er mechanismes in zitten die ze zelf niet hebben aangebracht. In deze versie van het systeem konden ze niet zelf aangeven hoe de vogels hun volgende prooi selecteerden. In een latere pilot was dit wel mogelijk. Leerlingen konden kiezen of de vogels hun prooi selecteerden op afstand, zichtbaarheid of een combinatie daarvan. Een gesprek tussen leerlingen en docent verliep toen als volgt:

D: En, als hij zou jagen op de slak die hij het beste ziet?

L1: Dan zal het …

L2: Dan zal het …

L1: Dan zal het jagen op kleur

L2: Ja, dat denk ik ook. Dan zal hij jagen… op rood zal hij op de groene jagen en op groen op de rode.

L1: Precies

D: Dus, wat zou je dan zien gebeuren? Wat voor slakken zou je hier en daar krijgen?

L2: Dan zou je hier een hoop rode krijgen en daar een hoop blauwe.

Hoewel er hulp van de docent nodig is is bij deze leerlingen is te zien hoe het model helpt bij het verkrijgen van inzicht in evolutionaire processen. De mogelijkheid om zelf het gedrag van de vogels te manipuleren geeft ook aanleiding om te redeneren welke rol dit in het model speelt. Op basis van deze enkele voorbeelden is het natuurlijk lastig algemene conclusies te trekken, maar ze geven aanleiding tot nader onderzoek.

De studie van Juliette Schouten richtte zich op het ontwerp van lessen rond deze modelleeropdracht en hoe die bijdraagt tot begrip over modellen in de wetenschap. In een serie van vier lessen maakte ze leerlingen vertrouwd met SimSketch, ging ze met hen het veld in om slakken te zoeken en te classificeren, maakten ze een evolutiemodel en spraken ze met een wetenschapper van Naturalis over de rol van modellen bij zijn onderzoek. In het onderzoek was ze, naast de vraag of leerlingen in staat zouden zijn in deze context modellen kunnen bouwen, geïnteresseerd in de opvattingen van leerlingen over modellen. Die werden gemeten met een vragenlijst met open vragen, waarvan de antwoorden vervolgens zijn gescoord volgens een rubric ontwikkeld door Grünkorn en collega’s. In de rubric worden vier categorieën over modelbegrip onderscheiden: de aard van wetenschappelijke modellen, het feit dat meerdere modellen van eenzelfde systeem kunnen bestaan, of en hoe modellen getest moeten worden en wat het precieze doel is van modellen. Per categorie worden vervolgens vier niveaus onderscheiden. Juliette vond dat leerlingen na afloop van de lessenserie hoger scoorden op de eerste twee categorieën: aard van modellen en het feit dat er meerdere modellen voor eenzelfde systeem kunnen bestaan. Hoewel de winst in vier lessen bescheiden was toonde haar studie aan dat het mogelijk is door leerlingen te laten modelleren bij te dragen aan de ontwikkeling van hun begrip van modellen.

SimSketch wordt naast evolutie ook in andere domeinen toegepast. Zo werkt Simeon van Tongeren aan een configuratie waarin modellen worden gemaakt van de elektrische activiteit in zenuwcellen. Door in een celmembraan poorten te tekenen waar bepaalde typen ionen kunnen passeren en het gedrag van ionen en poorten te sturen kan met SimSketch het verloop van de actiepotentiaal van een neuron worden gemodelleerd. Leerlingen in 6 VWO worden in het modelleerproces meegenomen en leren op deze manier mechanistisch redeneren een wijze van redeneren die in de celbiologie belangrijk is als tegenhanger van teleologisch redeneren. Het belangrijke inzicht van deze modellen is dat processen in de cel, zoals het opbouwen van een actiepotentiaal, maar ook de synthese van DNA, ontstaan uit elementaire mechanische processen en niet hoeven te worden toegeschreven aan een bepaalde doelgerichtheid van de moleculen in de cel. In twee ontwikkelingsslagen van het programma en het lesmateriaal er omheen bereikte Simeon dat leerlingen daadwerkelijk mechanistische redeneringen lieten zien waar ze dat nog eerst niet deden. Op de vraag naar het mechanisme dat verklaart hoe slaapmiddelen werken geven in de tweede ronde drie van de vier leerlingen een goede redenering in mechanistische termen, een indicatie dat zij diep inzicht hebben verworven.

Tot slot zijn we met de nieuwe versie van SimSketch weer op bezoek geweest bij NEMO. Deze keer modelleerden ongeveer 450 bezoekers in de leeftijd van 10 tot 15 het ontstaan van spookfiles, files die ontstaan zonder een duidelijk aanwijsbare oorzaak in het kader van het masteronderzoek van Eva Frenaij. De deelnemers slaagden er in de regel in om de modellen te construeren. Interessant is dat, volgens de nog voorlopige resultaten, de groep die tijdens het werken met hun model de specifieke vragen die beantwoord moesten worden, naar de invloed van diverse factoren, die een rol konden spelen als oorzaak van de files, betere modellen bouwden en er langer mee experimenteerden.

Deze voorbeelden tonen aan dat we er in geslaagd zijn om met SimSketch een modelleeromgeving te bouwen waarmee het maken en onderzoeken van modellen voor verschillende domeinen op basis van tekeningen binnen bereik is gekomen van jonge leerlingen, vanaf ongeveer 10 jaar. Uiteraard is nog veel onderzoek nodig voor de verdere ontwikkeling en met name het effect van modelleren op deze jonge leeftijd. Ik hoop dat de komende jaren met veel inzet te kunnen doen.

Net zoals ik in mijn vorige oratie een belofte deed voor de ontwikkeling van nieuw modelleergereedschap, dat heeft geleid tot SimSketch, doe ik u nu weer een belofte voor de ontwikkelingen in de komende vijf jaar. Die betreft mixed reality en 3D, de kunst van het combineren van virtuele en fysieke werkelijkheid. De technologie is zover dat het mogelijk is dat, gebruik makend van computer vision, tastbare objecten onderdeel gaan uitmaken van de virtuele wereld, zoals een simulatie. Een goed voorbeeld daarvan is de tinkerlamp, uit het lab van Pierre Dillenbourg, die het mogelijk maakt om bijvoorbeeld modellen te maken van een magazijn, waarin de stellingen worden weergegeven door fysieke blokjes waartussen virtuele vorkheftrucks zich verplaatsen. De mogelijkheden zijn legio. In de simulatie van celbiologische processen kunnen barrières worden ingebracht en weer weggehaald, in verkeerssimulatie kunnen wegenplannen op papier worden getekend en stoplichten en andere obstakels fysiek worden ingevoerd. Het modelleren en vooral de interactie met het resulterende model kan op deze manier veel interactiever worden. Aan ons, onderzoekers en ontwerpers, de uitdaging om die mogelijkheid ten volle te benutten.

Modellenwerk deel 3 – ICT en onderwijs

Excuus voor de lange tijd sinds het vorige blog. Mijn oratie is inmiddels een tijdje geleden. In het vorige blog eindigde ik met de rol van computermodellen in wetenschap. Hier ga ik in op computermodellen op school.

Wetenschap is dus modellenwerk. Als je iets van de nature of science wilt begrijpen moet je weten wat modellen zijn, hoe ze ontstaan en hoe ze gebruikt en beoordeeld worden. Dat is voor mij de belangrijkste reden om onderzoek te doen naar hoe je leerlingen het beste het modelmatige karakter van wetenschappelijke kennis kunt laten inzien. Het doel daarvan is tweeledig: ten eerste is het kunnen abstraheren van kennis, kritisch nadenken over aannames van modellen en het vervolgens construeren en testen ervan een belangrijk leerdoel in het kader van het verwerven van hogere orde vaardigheden. Ten tweede is het doel van modelleren in het onderwijs dat leerlingen zelf de rol ervaren en kunnen beoordelen.

Onderzoek is nodig naar het inrichten van onderwijs waarin leerlingen modellen kunnen maken en ze kunnen gebruiken om vragen te beantwoorden. Dergelijk onderwijs zal zich moeten richten op het ontwerp van modelleergereedschap voor leerlingen van alle leeftijden, het ontwikkelen van interessante modelleeropdrachten en het stimuleren van denken en redeneren met en over modellen. En onderzoek is nodig naar hoe we dat het beste kunnen doen en wat de effecten kunnen zijn. In dat ontwerp en onderzoek speelt ICT een belangrijke rol. Voor ik verder ga met modelleren geef ik eerst een stuk persoonlijke geschiedenis over ICT in onderwijs.

ICT, onderwijs en computermodellen

In 1993 promoveerde ik op instructieondersteuning bij onderzoekend leren met computersimulaties. Voordat ik mijn promotieproject startte werkte ik bij de toenmalige vakgroep Natuurkundedidactiek hier in Utrecht, die nu onderdeel is van het instituut waar ik wetenschappelijk directeur van mag zijn.  In die tijd was ICT in onderwijs nog in een pioniersfase. Ik programmeerde mee aan het programma “de trage inbreker”, een computersimulatie waarin leerlingen in een wereld waarin je wrijving aan en uit kon zetten een brandkast een bankgebouw uit moest duwen. Het idee was leerlingen te stimuleren na te denken over het begrip “kracht”, volgens een model van begripsverandering. In dezelfde tijd kwam DMS op, een programma van Jon Ogborn, waarmee leerlingen zelf modellen konden maken. Door de beperkte beschikbaarheid van computers op school en het naast elkaar bestaan van verschillende incompatibele systemen ging het onderzoek en met name de implementatie zeer langzaam. Toch hebben deze eerste stappen ertoe geleid dat modelleren onderdeel is geworden van het natuurkundeprogramma.

Als je de promovendus Wouter van Joolingen in 1993 had gevraagd wat de status van ICT in het onderwijs zou zijn in 2016 had hij vast niet gezegd dat er nog steeds discussie zou zijn over de vraag of ICT zou kunnen bijdragen aan het onderwijs. Ik verwachte dat ICT snel zijn weg zou vinden en dat leerlingen en docenten het net zo makkelijk zouden gebruiken als een schoolbord toen. Dat is deels gebeurd, deels niet. ICT is niet voor iedereen zo vanzelfsprekend geworden als ik dacht. Zo was er rond de de afgelopen jaarwisseling nog in het nieuws dat leerlingen bij een meldpunt konden melden dat hun docenten niet voldoende ICT benutten in de les.

oratie-017

Blijkbaar is een deel van de docenten nog niet op de hoogte van de mogelijkheden die ICT biedt of er niet van overtuigd zijn dat technologie in de klas voordelen biedt. Nu is het ook beslist niet zo dat ICT in de klas automatisch leidt tot onderwijsverbetering, en het is ook niet noodzakelijkerwijs waar dat leerlingen beter weten hoe ze ICT kunnen gebruiken voor hun leerproces dan volwassenen. Casper Hulshof en Pedro de Bruyckere ontkrachten de mythe van de zogenaamde digital natives effectief in hun boek.

In 1993 zag ICT er ook heel anders uit dan nu. Het plaatje van een leerling achter een computer in een apart lokaal is vervangen door alomtegenwoordige apparaten: smartphones, tablets, smartboards, en soms ook nog traditionele computers. Al die apparaten zijn veel krachtiger dan de computers waarop we toen pionierden. En omdat de technologie zo verspreid is, is het bijna onverantwoord die niet te gebruiken.

Oratie.018

Specifiek voor onderwijs in de bètawetenschappen biedt de beschikbaarheid van technologie veel mogelijkheden. Het wordt mogelijk om de simulaties en modellen die wetenschappers zelf gebruiken op school in te zetten. Ook maakt de technologie het mogelijk modelleren laagdrempeliger te maken, en daarmee toegankelijker voor jonge kinderen. Dit heeft geleid naar mijn onderzoek over drawing-based modeling.

Modellenwerk op de computer: modeltekenen

Wetenschap is modellenwerk. In mijn vorige oratie die ik ruim zes jaar geleden aan de Universiteit Twente hield pleitte ik al voor een het toegankelijk maken van modellen en modelleren voor jongere kinderen. De toen reeds beschikbare modelleersystemen voor het voortgezet onderwijs richtten zich met name op de bovenbouw. Ik stelde in die oratie een systeem voor, onder de titel “Modeltekenen”, waarmee leerlingen modellen zouden kunnen bouwen op basis van tekeningen. Het systeem zou tekeningen van de leerling herkennen en daarbij – op aanwijzing van de leerling – een simulatie genereren. Dat was niet toevallig gekozen. Onderzoek dat toen al bekend was, en onderzoek dat in de tussentijd verricht is laat zien dat het maken van tekeningen helpt bij het verwerken van lesstof. Ik wil hier laten zien welke stappen ik daarna, met hulp van anderen, zowel in Twente als aan deze universiteit heb gezet om dit systeem te realiseren en te onderzoeken.

Samen met Lars Bollen heb ik SimSketch versie 1 ontwikkeld (Bollen & van Joolingen, 2013). SimSketch biedt voor een groot deel wat ik in mijn oratie beloofde: leerlingen kunnen tekeningen maken van natuurlijke systemen, die worden herkend en als basis dienen voor een simulatie. Leerlingen kunnen gedrag toekennen aan componenten van de tekening, door er een “gedragsticker” op te plakken. Hierdoor wordt de tekening een simulatie. We hebben dit bijvoorbeeld toegepast op het modelleren van het zonnestelsel. Leerlingen tekenen de zon, planeten en de maan en specificeren dat de planeten rond de zon bewegen en de maan rond de aarde. Zodra de leerlingen op “play” drukken komen de planeten in beweging en wordt de baan van de maan zichtbaar als een soort cycloïde. Leerlingen kunnen hier allerlei onderzoek aan doen zoals onderzoeken waarom Mars aan de hemel soms achteruit lijkt te bewegen en hoe zons- en maansverduisteringen ontstaan. Met SimSketch is een grote studie uitgevoerd bij NEMO waarin 250 bezoekers in de leeftijd van 7 tot 12 met het programma aan de slag gingen en waarbij we vervolgens met een voortoets-natoets-ontwerp de ontwikkeling van kennis over het zonnestelsel hebben gemeten. Dit was werk van Annika Aukes, studente psychologie, samen met Lars Bollen en Hannie Gijlers. Het resultaat was dat met name jonge leerlingen met behulp van deze modelleertaak kennis verworven over het zonnestelsel, en met name over het ontstaan van zons- en maansverduisteringen. Ook bleek dat in deze leeftijdsgroep het werken met modellen binnen bereik lag, en dat leerlingen het werken ermee in het algemeen positief beoordeelden.

SimSketch versie 1 bevatte een collectie “gedragstickers” die het toepasbaar maakte voor verschillende domeinen. Naast het zonnestelsel waren dat bijvoorbeeld verkeer – het ontstaan van files – de verspreiding van ziektes, en de werking van antibiotica. Deze onderwerpen ontstonden uit activiteiten die we voor leerlingen organiseerden, zoals masterclasses, waarbij leerlingen zelf onderwerpen konden aandragen. In dialoog met de leerlingen werd vervolgens geanalyseerd welk gedrag nodig was en hoe dat geïmplementeerd moest worden. Binnen een week had Lars dan de nieuwe versie klaar voor de volgende sessie van de masterclass. Vragen vanuit de leerlingen, een nabije ontwikkelaar en een goede interactie met leerlingen kunnen heel productief zijn.

In deel vier ga ik verder met de ontwikkeling van SimSketch, versie 2.

Higgs revisited

In mijn vorige blog liet ik een SimSketchmodel zien van de Higgs-metafoor met politici als deeltjes met massa die zich door een massa Higgs-journalisten moeten bewegen terwijl ik  als onbekend persoon me als een foton ongehinderd zou kunnen bewegen. Kijk-journalist Jean-Paul Keulen vond het jammer dat het filmpje alleen bolletjes en golfjes in plaats van Rutte, Wilders, mijzelf en journalistjes. Dat kon ik natuurlijk niet op me laten zitten:

Ik laat het aan de lezer over om uit te maken wie wie is.

Het Higgs-mechanisme getekend

[Edit 4 juli: een paar onnauwkeurigheden hersteld: veld en deeltje]

Sinds begin vorig jaar wordt er druk gezocht naar het Higgs deeltje. Dat deeltje heeft een bijna mythische status, zoals bijvoorbeeld blijkt uit één van zijn bijnamen. Het “God”-deeltje. Het is wereldnieuws als er sporen worden gevonden. Het is een deeltje dat een belangrijke sluitsteen vormt voor het “standaardmodel”, het model dat theoretische natuurkundigen hebben opgesteld om alle zichtbare materie mee te kunnen beschrijven in termen van elementaire deeltjes. Zonder het Higgs deeltje kunnen ze niet verklaren waarom deeltjes massa kunnen hebben. Maar, hoe werkt dat nu eigenlijk dat deeltjes massa kunnen krijgen door een ander deeltje?

Massa is niets anders dan weerstand bieden tegen verandering van beweging. Als iets stilstaat moet je het een duwtje geven om het te laten bewegen, als iets beweegt is er weer een kracht nodig om het te laten stoppen. Hoe zorgt Higgs dat dat gebeurt?

Er is een hele mooie manier om dat uit te leggen, ooit bedacht om in 1993 de Britse minister van wetenschap uit te leggen wat het Higgs boson is.De metafoor maakt gebuikt van Margaret Tatcher. Ik vertaal hem naar de huidige tijd.

Stel je de ruimte voor bij het hek van het Catshuis waar de regering in overleg is over de bezuinigingen. Enkele tientallen journalisten staan daar te wachten op nieuws. Als ik daar over loop zal ik dat gewoon kunnen doen zonder gehinderd te worden. Als echter Mark Rutter of Geert Wilders langs zou komen zouden alle journalisten om hen hen drommen en kunnen ze zich met moeite voortbewegen. De journalisten representeren het Higgs-veld deeltjes, ik ben een massaloos foton en Rutte en Wilders zijn deeltjes met massa.

In onderstaand filmpje, gemaakt met SimSketch zie je hoe dit werkt. De kleine zwarte bolletjes representeren het  Higgs-veld, Het witte rondje is een deeltje met massa en het golfje is een – massaloos – foton. De bolletjes van het  Higgs-veld drommen om het massadeeltje heen waardoor die moeilijker beweegt, het foton beweegt ongehinderd.

Het SimSketch model kun je gewoon tekenen. Op onderstaand plaatje laat zien hoe het model in elkaar zit. De deeltjes zijn getekend en met stickertjes wordt verteld hoe ze zich moeten gedragen. Higgs deeltjes trekken massa aan en omgekeerd waardoor massadeeltjes  zich moeilijker bewegen.

Zoals bij elke metafoor klopt niet alles. Het massadeeltje krijgt een wiebelige baan, wat in het echt niet gebeurt. En de bolletjes zijn geen Higgs-deeltjes, maar representeren het Higgs-veld. Higgs-deeltjes zijn spontane klonteringen van die bolletjes, b.v. op basis van geruchten. Dat is ook onderdeel van de oorspronkelijke metafoor maar is lastiger te tekenen.  Maar het blijkt een mooie metafoor om het mechanisme te begrijpen.

Files tekenen

Files zijn altijd vervelend, maar sommige zijn erger dan andere. Als er een duidelijke oorzaak van een file is, zoals wegwerkzaamheden of een ongeluk kun je er begrip voor opbrengen, maar dat kan niet altijd. Sommige files ontstaan zomaar, zonder duidelijke reden. Als je door die file heen bent kun je weer harder gaan rijden zonder een idee te hebben waarom je nou per se langzamer moest. Om even later weer in een opstopping te belanden.

De reden dat zulke files ontstaan is dat we niet allemaal met dezelfde snelheid rijden, maar dat er kleine variaties in snelheid zijn. Wanneer iemand daardoor op iemand anders dreigt te botsen wordt er afgeremd, vaak iets sterker dan nodig waardoor een achterligger iets sterker moet afremmen, enzovoort. Onderzoekers van de Nagoya universiteit demonstreerden dit effect op een mooie manier door auto’s met 30 km per uur op een ronde weg te laten rijden. Omdat niemand precies 30 rijdt onstaan binnen de kortste tijd opstoppingen.

Net als in het echt zie je klonten van auto’s ontstaan. In SimSketch zijn die zelfs wat heftiger dan in het echt omdat de minimale afstand tussen twee auto’s kleiner is.

Het maken van het model in SimSketch is simpel. Je tekent de rotonde en een auto. Aan beide objecten geef je een naam en gedrag, door er een ‘stickertje’ op te plakken. De auto krijgt vier stickers: één voor de naam, één om te vertellen dat de weg gevolgd moet worden,  één om andere auto’s en dus botsingen te vermijden en een ‘fabriekje’om aan te geven dat ik een aantal auto’s wil hebben:

En dat is genoeg om te begrijpen hoe een file kan ontstaan…. Meer over SimSketch op www.modeldrawing.eu