In het onderwijs worden computersimulaties gebruikt om studenten inzicht te geven in bepaalde wetmatigheden, zoals natuurkundige of economische wetten. In dit IDEE wordt aangegeven welke instructie de docenten hun studenten kunnen geven bij het leren door middel van simulaties.

Voorbeeld uit de praktijk

De hier geschetste aanpak is een aantal jaren gebruikt bij het vak Lange Golven aan de faculteit Civiele Techniek van de TU Delft. Dit is een derdejaars vak van de vakgroep Waterbouwkunde. Dit vak richt zich op golfverschijnselen, zoals getijdenbewegingen. Bij dergelijke verschijnselen hebben studenten moeite met het krijgen van inzicht in vakinhoudelijke concepten, zoals traagheid, niet-lineaire weerstand, demping, vervorming en berging. Om de studenten kennis te laten maken met probleemanalyse en om hen hiermee ervaring te laten opdoen, is een oefening met een computersimulatie ontwikkeld. Het betreft een simulatie van een getijdenbeweging in een kanalensysteem. De studenten kunnen met deze simulatie experimenten uitvoeren door het veranderen van variabelen en het doorrekenen van de gevolgen daarvan. Variabelen die gewijzigd kunnen worden zijn bijvoorbeeld lengte, breedte en diepte van één of meer van de kanalen in het kanalensysteem. In deze oefening krijgen de studenten de instructie om 10 experimenten te doen. Ieder experiment verloopt in vier stappen: ingreep bedenken, resultaten voorspellen, ingreep invoeren en laten doorrekenen, resultaten interpreteren. In dit geval hebben de resultaten betrekking op de hoogte van de getijdenbeweging (‘Worden de golven door de ingreep hoger of lager?’).
In drie opeenvolgende jaren is deze oefening bij studenten geëvalueerd (gemiddeld ongeveer 90 studenten per jaar). De oefening wordt door de studenten positief gewaardeerd: ze vinden het een aantrekkelijke, interactieve oefening en ze vinden dat het hen helpt bij het krijgen van inzicht in dergelijke systemen. Bovendien blijkt uit de resultaten van het vak dat de oefening een stimulerend effect heeft op de zelfstudie die de studenten voor het vak uitvoeren.

Doel

Docenten aangeven op welke manier zij simulaties kunnen gebruiken om hun studenten inzicht te geven in de werking van bepaalde (natuurwetenschappelijke of economische) wetmatigheden.

Wanneer te gebruiken

• Als studenten inzicht moeten krijgen in (natuurwetenschappelijke of economische) systemen of processen.
• Als studenten moeten oefenen met vaardigheden in het omgaan of analyseren van systemen of processen.

Aandachtspunten bij de voorbereiding

• Zorg ervoor dat u de beschikking heeft over een computersimulatie van de betreffende processen en systemen.
• Bedenk een opdracht die u aan uw studenten kunt geven voor het werken met de computersimulatie. Een handige structuur hiervoor is onderstaande cyclus van 4 stappen (bij iedere stap wordt een voorbeeld van een mogelijke instructie gegeven):

1. Bedenk een experiment.
   Bijvoorbeeld:
   ‘Bedenk welke variabele(n) u wilt veranderen en welke waarde(n) u die variabele(n) wilt geven?.
2. Voorspel wat de uitkomst van dat experiment zal zijn en leg deze voorspelling vast.
   Bijvoorbeeld:
   ‘Voorspel de gevolgen die deze ingreep zal hebben op
   de betreffende afhankelijke variabele(n) en noteer deze voorspelling.’
3. Voer het experiment uit.
   Bijvoorbeeld:
   ‘Verander de betreffende variabele(n) in de computersimulatie en laat het programma de gevolgen berekenen.’
4. Interpreteer de uitkomst van het experiment en relateer die interpretatie aan de voorspelling.
   Bijvoorbeeld:
   ‘Bekijk de resultaten die de computersimulatie presenteert en noteer deze resultaten. Ga voor jezelf na of je voorspelling klopt en zo niet, bedenk waarom die voorspelling niet goed was.’

• Geef in de opdracht aan hoe vaak de studenten deze cyclus moeten uitvoeren. Maak hierbij onderscheid in experimenten die de studenten in ieder geval moeten uitvoeren en experimenten die ze geheel zelf mogen invullen. Geef van de verplichte experimenten alleen de reikwijdte van de ingreep aan, maar laat de studenten daarbinnen zelf een waarde kiezen.
• Bedenk hoe u de studenten bij de oefening wilt begeleiden. Denk bijvoorbeeld aan het geven van feedback op resultaten van de studenten, studenten op de resultaten van elkaar laten reageren en beantwoorden van vragen van studenten tijdens het uitvoeren van de oefening.

Aandachtspunten bij de uitvoering

• Maak een digitaal antwoordblad waarop een student zijn experimenten kan vastleggen. Op dit antwoordblad staat bijvoorbeeld per experiment welke ingreep is gedaan, welke voorspelling is gemaakt en wat is het resultaat van het experiment.
• U kunt de oefening als een individuele, zelfstandige oefening aanbieden. Als u uw studenten echter wilt begeleiden, of hen elkaar feedback wilt laten geven, maak dan duidelijke afspraken met hen. Geef precies aan wanneer ze hun antwoordblad moeten inleveren. Indien ze ook feedback moeten geven op de ingrepen en uitkomsten van elkaar, geef dan hiervoor duidelijke richtlijnen. Voorbeelden van richtlijnen zijn de volgende: ‘Ga na of jullie samen de volledige reikwijdte van het systeem hebben onderzocht’ of ‘Wat zijn de meest kritische waarden van de variabelen die jullie hebben onderzocht?’.
• Regel indien nodig het gebruik van de computers.
• Geef de studenten de beschikking over de computersimulatie en geef ze de opdracht die u heeft opgesteld.

Randvoorwaarden

Er moeten voor de betreffende systemen of processen computersimulaties
beschikbaar zijn. Vaak bestaan dergelijke computersimulaties uit drie stappen:

1. De computersimulatie geeft de gebruiker de gelegenheid een aantal variabelen in te stellen;
2. De computersimulatie berekent het aldus gedefinieerde systeem of proces door;
3. De computersimulatie presenteert de uitkomsten van de berekeningen, vaak in de vorm van grafische presentaties. Studenten dienen de beschikking te hebben over computers waarop ze de computersimulatie kunnen draaien.

Achtergrondinformatie

Naast een aantal praktische motieven (zoals veiligheid en ethiek) en een aantal motieven die in het algemeen gelden voor interactieve educatieve software (zoals zelfstandig en actief leren) gebruikt men computersimulaties in het onderwijs vooral voor het verkrijgen van inzicht in systemen of processen en het oefenen van dit inzicht door het experimenteren met de simulatie. Door het simuleren van een systeem of proces met behulp van computersimulaties en het interpreteren van de resultaten daarvan wil men de studenten actief in de rol van onderzoeker worden geplaatst.
Uit onderzoek blijkt dat vooral de beste studenten gemakkelijk kunnen leren door middel van computersimulaties. Voor andere studenten is dat lastiger. Daarom wordt gezocht naar manieren om hen hierbij te ondersteunen, bijvoorbeeld door het vereenvoudigen en meer intuïtief maken van de userinterface van simulatieprogramma’s, het aanbieden van elektronische hypothesekladblokken en het geven van hints. Een andere manier van ondersteunen is om bij het leren door middel van computersimulaties gebruik te maken van gestructureerde opdrachten in plaats van de gangbare open opdrachten. In die gestructureerde opdrachten wordt aangegeven op welke manier de student zijn experimenten met de computersimulatie moeten uitvoeren. Uit onderzoek blijkt dat de gemiddelde student nut kan hebben van het gebruik van dergelijke gestructureerde opdrachten (Van de Ven, 1998).

Ontleend aan

M.J.J.M. van de Ven (1998). Instructies bij Computersimulaties in het Technisch Onderwijs. Delft: Delft University Press.