B' Denken Over Wiskunde, Onderwijs En ICT - Universiteit Utrecht

opgave van binnen of buiten de wiskunde, die de leerling (nog) nietroutinematig kan oplossen.Hoe verhoudt zich mijn werkdefinitie tot de opsomming van wiskundigedenkactiviteiten volgens cTWO? Onlangs heb ik voorgesteld omdeze in te perken tot drie kernaspecten van wiskundig denken diecruciaal zijn bij het gebruiken van wiskundig gereedschap, namelijkprobleemoplossen, modelleren en abstraheren (Drijvers, 2015). Laat ikdeze drie kernaspecten nader uitwerken.ProbleemoplossenWiskunde gaat uiteindelijk over problemen en oplossingen (Halmos,1980). Probleemoplossende vaardigheden zijn ook buiten de wiskundebelangrijk en waardevol, maar wiskunde is wel het vakgebied dathiervoor handvatten biedt en waarbinnen goed aan de ontwikkelinghiervan kan worden gewerkt.Solving a problem means finding a way out of a difficulty, a wayaround an obstacle, attaining an aim which was not immediatelyattainable. Solving problems is the specific achievement ofintelligence, and intelligence is the specific gift of mankind:problem solving can be regarded as the most characteristicallyhuman activity. (Pólya, 1962, p. v).Probleemoplossen heeft verschillende kanten, zoals het stellen van hetprobleem, het probleem begrijpen, een aanpak bedenken, die aanpakuitvoeren en monitoren, en terugkijken op het proces om te verifiërenof het doel is bereikt en om de denkstappen te expliciteren. In praktijkwisselen deze fasen elkaar vaak af. Aangenomen dat voor het probleemgeen standaardprocedure beschikbaar is (anders is het geen echtprobleem), omvatten probleemoplossende vaardigheden heuristiekenom met het nieuwe om te gaan. Denk aan manieren om aan een probleemte beginnen zoals een schets maken, iets afleiden uit de gegevens, ofjuist terugredeneren vanuit de gewenste uitkomst, een probleemaanpakbedenken, een randgeval zoeken, een getallenvoorbeeld doorrekenen,een meerstapsstrategie uitvoeren zonder de draad kwijt te raken, ofweten hoe je zaken die je al kunt of kent in een nieuwe situatie creatiefkunt inzetten (Pólya, 1945; Schoenfeld, 1992; Van Streun, 2001). Het10template - oratieboekje.indd 1011-5-2015 10:07:58

ontwikkelen en expliciteren van dergelijke heuristieken is een centraalleerdoel van onderwijs in probleemoplossen.Op het eerste gezicht heeft het iets paradoxaals om probleemoplossente onderwijzen: je wilt leerlingen problemen laten oplossen, in dehoop dat ze daardoor leren om te gaan met andere problemen, dienieuw zijn en waarin de oplossingen die ze hebben leren kennen nietdirect toepasbaar zijn. Dat is dus een subtiele zaak. Door het werkenaan geschikte problemen en door een goede manier van lesgevenkunnen leerlingen probleemoplossende vaardigheden ontwikkelendie de specifieke problemen die ze al hebben gezien overstijgen.De eerste resultaten van het onderzoek Wiskundige denkactiviteiten inpraktijk3 dat ik samen met een aantal scholen uitvoer, suggereren datde sleutel daarvoor ligt in het voorbeeldgedrag van de docent en inhet expliciteren van het probleemoplossingsproces en de bijbehorendeheuristieken.ModellerenModelleren betreft de relaties tussen wiskunde en problemen uitde wereld om ons heen en de manier waarop dergelijke problemenkunnen worden aangepakt met wiskundige middelen. Het doel isdan bijvoorbeeld het begrijpen van een fenomeen, het voorspellenvan een ontwikkeling of het optimaliseren van een proces. Devernieuwingscommissie wiskunde omschrijft modelleren als “eenpraktisch en creatief proces waarbij realistische problemen inwiskundige vorm worden vertaald” (cTWO, 2007, p. 25). Eenprobleem wordt dus geformuleerd in wiskundige termen, bijvoorbeelddoor het opstellen van formules en (differentiaal)vergelijkingen, of hetmaken van een meetkundige figuur. In een ruimere opvatting wordtbij modelleren ook gedacht aan het doorlopen van een cyclus van hetvertalen van het probleem naar wiskunde, vervolgens het wiskundigeprobleem oplossen en ten slotte de oplossing terugvertalen naar hetoorspronkelijk probleem (Drijvers, 2012; Spandaw & Zwaneveld,2012). In het wiskundeonderwijs is modelleren om drie redenen vanbelang. Ten eerste ontleent wiskunde haar bestaansrecht ook aan de3 Mogelijk gemaakt door het Nationaal Regieorgaan Onderwijsonderzoek,Projectnummer 405-14-50211template - oratieboekje.indd 1111-5-2015 10:07:58

toepasbaarheid ervan, die je door middel van wiskundige modellenvormgeeft. Ten tweede draagt modelleren eraan bij dat leerlingenwiskunde als betekenisvol en voorstelbaar ervaren. Ten derde kunnenbetekenisvolle wiskundige modellen een aanloop zijn naar abstracterewiskunde.In tegenstelling tot wat men zeker in het buitenland soms denkt, wordtin het Nederlandse wiskundeonderwijs niet zo veel gemodelleerd. Inexamens, zelfs die van wiskunde A waarin modelleren een centralerol speelt, komt modelleren niet of nauwelijks aan de orde en als dathet geval is, wordt het model veelal gegeven (Van Streun, 2014). Inschoolmethoden en onderwijspraktijken zijn de probleemsituaties vaakgekunsteld en zelden realistisch, niet in de zin van voorkomend uit dewerkelijkheid en evenmin in de zin van voorstelbaar en betekenisvol(Drijvers, 2006). Als een terzijde wil ik opmerken dat de huidigeindeling van het vak wiskunde in havo en vwo in wiskunde A, B, Cen D een ongelukkige is, waarin wiskunde C en D nauwelijks of nietlevensvatbaar zullen blijken te zijn.Figuur 3. Het vierlagenmodel voor emergent modelleren (naar Gravemeijer,1999)Terug naar het modelleren. In het licht van modelleren als proces naarabstractie is het begrip emergent modelleren verhelderend (Gravemeijer,1999). In deze optiek ligt de waarde van het modelleren niet alleenin het resulterende model, maar ook in de betekenis daarvan dietegelijkertijd ontstaat. Aanvankelijk is deze betekenis sterk gekoppeldaan de realistische of paradigmatische probleemsituatie. Geleidelijkaan verschuift de aandacht zich naar de wiskundige relaties die eenrol spelen in het oplossingsproces en ontwikkelt zich algemenereen formelere kennis. Denk bijvoorbeeld aan een probleemsituatie12template - oratieboekje.indd 1211-5-2015 10:07:58

met vaste en variabele kosten. Aanvankelijk hebben de bijbehorendeformules en grafieken alleen betekenis in termen van deze context.Ze vormen een model van de situatie. Naarmate deze en vergelijkbaresituaties verder worden onderzocht, ontwikkelt de lineaire functie zichin de denkwereld van de leerling tot een wiskundig object dat zijnbetekenis ontleent aan een netwerk van wiskundige relaties, waarmeede leerling kan redeneren. De lineaire functie wordt dan onderdeelvan een nieuw stukje wiskundige werkelijkheid, waarvan de betekenisuitstijgt boven de concrete situatie, al kan de leerling daarop in gevalvan nood wel terugvallen. In Figuur 3 zijn deze lagen van betekenisgevisualiseerd.Het interessante van emergent modelleren voor mijn betoog hier isdat het in feite zowel het modelleren van een probleem omvat als ookhet van daaruit abstraheren. Als in modelleeropgaven minder nadrukkomt te liggen op numerieke uitkomsten of parameterwaarden,kunnen modelleren en abstraheren op een natuurlijke manier in elkaarsverlengde liggen. Dit leidt me tot het derde aspect van wiskundigdenken.AbstraherenBij abstraheren gaat het erom dat de leerling uit concrete probleemsituatiesovereenkomsten en verschillen destilleert, die vervolgens leiden tot devorming van betekenisvolle wiskundige objecten met eigenschappenen relaties. Tall drukt dit als volgt uit: “Abstraction is the isolation of specificattributes of a concept so that they can be considered separately from the otherattributes” (Tall, 1988, p. 2). Geleidelijk aan verschuift het accent zovan het oplossen van de concrete problemen naar het inzicht in enredeneren met de wiskundige begrippen die daarin een rol spelen enwaarbij de leerling zich wat kan voorstellen. Daarmee is abstrahereneen van de krachtigste aspecten van de wiskunde: je gaat op een hogerniveau redeneren over zaken en verbanden op een manier die nog steedsiets voor je betekent. Tegelijkertijd is het ook een van de moeilijksteaspecten, al stelt Mason (1989) dat deze moeilijkheid wellicht voor eendeel veroorzaakt wordt doordat leerlingen te weinig betrokken zijn, teweinig deelnemer zijn in het proces van het abstraheren.13template - oratieboekje.indd 1311-5-2015 10:07:58

Skemp maakt onderscheid tussen het proces van het abstraheren enhet resultaat daarvan, de abstractie of het concept:Abstracting is an activity by which we become aware of similarities[ ] among our experiences. Classifying means collectingtogether our experiences on the basis of these similarities.An abstraction is some kind of lasting change, the result ofabstracting, which enables us to recognise new experiencesas having the similarities of an already formed class. [ ] Todistinguish between abstracting as an activity and abstractionas its end-product, we shall [ ] call the latter a concept. (Skemp,1986, p. 21, cursivering in origineel)Het abstraheren kan in gang worden gezet door bijvoorbeeld tegeneraliseren over een bepaalde categorie van voorbeelden, door hetgemeenschappelijke uit een aantal situaties te halen, waardoor dat opzichzelf een nieuwe wereld wordt. Een andere manier is om operatiesvan een hogere orde op concepten toe te passen waardoor deze lageredan meer een objectkarakter krijgen. Denk bijvoorbeeld aan hetdifferentiëren, waarbij de functies die daaraan onderworpen wordenmeer het karakter van een object krijgen. Sfard gebruikt in dit verbandde term reïficatie (Sfard, 1991).Het resultaat van dit abstractieproces is dat je je beweegt op een hogerniveau van abstracte wiskundige objecten en hun relaties, en daarmeekunt redeneren. Dan heb je dus in feite het abstracte concreet gemaakt,wat de voltooiing is van het abstractieproces (Mason, 1989). Bijmoeilijkheden kun je terugvallen op een lager niveau van concreetheid,van betekenis. Deze kijk op het abstractieproces is in lijn met hethierboven besproken idee van emergent modelleren.Het valt te betreuren dat abstraheren zo weinig plaats heeft in hetNederlandse wiskundeonderwijs. Modelleren en abstraheren lijkentegenpolen te zijn en de nadruk ligt op toepassingen. Deze benaderingdoet de leerling te kort. Ook bij toepassingen en modellen gaat hetwiskundigen immers niet om de uitkomst maar om het inzicht,de eigenschappen, de methoden. In de theorie van RealistischWiskundeonderwijs, die in Nederland als richtinggevend wordt14template - oratieboekje.indd 1411-5-2015 10:07:58

beschouwd maar niet altijd goed is begrepen, heeft behalve modelleren– horizontaal mathematiseren in termen van Treffers (1987) – ook hetabstraheren of verticaal mathematiseren een belangrijke rol (Van denHeuvel-Panhuizen & Drijvers, 2013). Abstraheren is een belangrijkekracht van de wiskunde; die onbenut laten geeft geen goed beeld vanhet vak.Wiskundig denken onderwijzenSamengevat is wiskundig denken omschreven als het gebruiken enontwikkelen van wiskundig gereedschap om een probleem op te lossen.Kenmerkende wiskundige denkactiviteiten zijn probleemoplossen,modelleren en abstraheren. In het voortgezet onderwijs staat wiskundigdenken te weinig centraal. Echte problemen komen nauwelijksaan de orde of worden opgesplitst in kleine deelstappen, modellenworden vaak al weggegeven of betreffen gekunstelde contexten. Aanabstraheren wordt nauwelijks toegekomen. De uitdaging ontbreekt ende spanning is ver te zoeken. Wat valt hieraan te doen en op welkemanier kan wiskundig denken worden onderwezen?Het antwoord op deze vraag is tweeledig en ligt voor de hand: ten eerstedoor leerlingen goede problemen te geven waarin probleemoplossen,modelleren en abstraheren aan de orde komen, en ten tweede door alsdocent de mogelijkheden van dergelijke problemen in de klas optimaalte benutten.Wat zijn geschikte problemen? Laat ik beginnen met een voorbeeld,binnen het hierboven genoemde onderzoek naar wiskundigedenkactiviteiten ontwikkeld in samenwerking met docente Irene Vis.Zoals eerder opgemerkt wordt de abc-formule voor het oplossen vankwadratische vergelijkingen in veel klassen niet bewezen. Dat is eenongewenste situatie en er zijn verschillende manieren om dit bewijstoch aan de orde te laten komen. Bij de formules en omschrijvingenin Figuur 4 kan leerlingen bijvoorbeeld worden gevraagd om deze opvolgorde te zetten zodat ze een sluitend bewijs vormen. Dat kan metICT-middelen zoals een digitaal schoolbord, maar ook met strookjespapier. Er zijn verschillende varianten, die het mogelijk maken omrekening te houden met de verschillen binnen de klas:15template - oratieboekje.indd 1511-5-2015 10:07:58

–– Leerlingen krijgen de formules en omschrijvingen zoals afgebeeldin Figuur 4;–– Iets eenvoudiger: Leerlingen krijgen paren bestaande uit eenformule en de omschrijving van de volgende stap;–– Iets moeilijker: Leerlingen krijgen alleen de beginformule eneindformule, maar alle tien omschrijvingen. De vraag is dan omde omschrijvingen op volgorde tussen de begin- en eindformule teleggen en de tussenliggende stappen zelf uit te voeren;–– Nog moeilijker: Leerlingen krijgen begin- en eindformule en devraag om met kwadraat afsplitsen van de ene naar de andere kant tekomen. Als ze vastlopen, krijgen ze van de docent de omschrijvingvan de stap uit Figuur 4 die past bij waar ze zijn.Om docenten te helpen denkactiverende mogelijkheden van opgavente beoordelen, wordt momenteel gewerkt aan een lijst met criteria dieaan dergelijke opgaven kunnen worden gesteld en met handvattenom dergelijke opgaven te ontwerpen of aan te passen. Met het oogop probleemoplossen is het bijvoorbeeld goed als een opgave eenverrassingselement heeft, iets dat de leerling niet verwacht en dat deopgave daarmee boeiend maakt. Vanuit het perspectief van modellerenkan een criterium zijn dat de leerling kwalitatief over een model moetnadenken of dat eigenschappen van het type model onderzochtworden. Een criterium met betrekking tot abstraheren kan zijn dat opbasis van verschillende situaties een wiskundig concept of methodewordt gevormd. Vanzelfsprekend hoeft een opgave niet aan alle criteriate voldoen om geschikt te zijn. Overigens is er al veel denkactiverendlesmateriaal beschikbaar, zoals de opgavenbundel over algebra vanMartin Kindt (2004).Ten tweede is de manier waarop de wiskundedocent in de les aandachtbesteedt aan wiskundig denken cruciaal. Dat zit soms in kleine zaken.In een les die ik onlangs bijwoonde werd een op het eerste gezicht vrijsaaie opgave naar de lengte van lijnstuk AB (zie Figuur 5) ineens tochnog spannend toen de docente, Mascha Klerx, de leerlingen verteldedat ze per drietal één gegeven naar keuze zouden krijgen. De vraagwelk gegeven nu het meest informatief is, is op zichzelf al interessant.Het feit dat de verschillende drietallen dus over verschillende16template - oratieboekje.indd 1611-5-2015 10:07:59

informatie beschikten maakte het oplossen spannend en de klassikalenabespreking levendig.Figuur 4. Bouwstenen voor een bewijs van de abc-formule voorkwadratische vergelijkingenFiguur 5. Een gewone vraag naar de lengte van AB die toch nog denkactiefwordtHet is nodig om docenten te equiperen met werkvormen en techniekendie denkactiviteiten in de les bevorderen. Zowel in de initiëlelerarenopleiding als in professionaliseringsaanbod, waaraan momenteelin samenwerking met de Nederlandse Vereniging van Wiskundelerarenwordt gewerkt, verdient het verwerven van een dergelijk repertoireaandacht. In het eerdergenoemde onderzoek wordt momenteel een17template - oratieboekje.indd 1711-5-2015 10:07:59

aantal van dergelijke technieken ontwikkeld en geïdentificeerd. Denkbijvoorbeeld aan het hanteren van een nieuwe werkvorm, zoals in devoorbeelden hierboven, maar ook aan het stellen van de juiste vragenFiguur 6. Een opgave uit het centraal examen vwo wiskunde B 2012: bovenregulier en onder pilot.18template - oratieboekje.indd 1811-5-2015 10:07:59

aan leerlingen, zoals omkeervragen, vragen naar randgevallen ofuitzonderingen, vragen naar wat algemeen is in de situatie of dewerkwijze. Vanzelfsprekend zijn een goede kennis van de wiskundigeinhoud en een goede feeling voor de bijbehorende didactiekvoorwaarden voor een dergelijke uitvoering van denkactief onderwijs.Wiskundig denken toetsenWil wiskundig denken een grotere plaats krijgen in het wiskundeonderwijs, dan zal dit ook zichtbaar moeten worden in de toetsen, dieimmers hun schaduw vooruit werpen op het onderwijs. Enige ervaringmet het toetsen van wiskundig denken is opgedaan in de examens voorde pilotscholen, die voorop liepen bij de invoering van de nieuwe 2015curricula voor havo en vwo. Laten we eerst een voorbeeld bekijken.In Figuur 6 staat een deel van een opgave uit het centraal examen vwowiskunde B 2012 over een wijnglas. De afbeelding boven staat in zowelhet reguliere als het pilotexamen. Vraag 4, waarin wordt gevraagd naareen kwadratische formule om het deel CD van het glas te modelleren,kent echter in de reguliere variant (midden in Figuur 6) een uitgebreideinleiding waarin een aanpak wordt gesuggereerd. De pilotvariant onderkoerst vrijwel zonder toelichting recht op de vraag af en doet daarmeeeen groter beroep op de denkactiviteit van de leerling en reduceerttegelijkertijd ook het leeswerk. De p-waarde, het gemiddelde percentagebehaalde punten, verschilde vrij veel: 51,8 voor de reguliere leerlingen(N 15683) tegen 39,8 voor de pilotleerlingen (N 243). Het hopelijkdenkactiverende wiskundeonderwijs dat op de pilotscholen is gegevenweegt kennelijk niet op tegen deze drastische inkorting.Uit een inventarisatie van Van Streun (2014) blijkt dat de pilotexamensbij de nieuwe wiskundecurricula slechts in beperkte mate beroep doenop wiskundig denken. Als we de resultaten van reguliere leerlingenen pilotleerlingen bekijken op alle vragen van de examens die exactgelijk zijn en tevens als denkactief te beschouwen zijn, dan vindenwe voor het havo een gemiddeld verschil in p-waarde van 6,6 overde eerste tijdvakken van 2011 tot en met 2014 in het voordeel van depilotleerlingen. Het gaat overigens slechts om vijf vragen. Voor de vierbetreffende vragen van het vwo presteren de pilotleerlingen wat lager19template - oratieboekje.indd 1911-5-2015 10:07:59

dan de reguliere met een verschil van -2,1 over de eerste tijdvakkenvan 2012 tot en met 2014 (Kodde-Buitenhuis, in voorbereiding). Deleerlingaantallen zijn te klein en de pilotsituaties te specifiek om hieraanvergaande conclusies te verbinden, maar deze resultaten suggererendat de beoogde vooruitgang op het gebied van wiskundig denken inde nieuwe programma’s op het vwo vooralsnog minder goed wordtbereikt dan op het havo. Gelet op de richtinggevende werking dievan de centrale examens uitgaat, verdient het aanbeveling om bij deexamenconstructie wat meer durf te tonen op dit gebied. Als weecht werk willen maken van denkactief wiskundeonderwijs, geeft deaanpassing van de opgave in Figuur 6 ondanks de matige resultaten deweg aan die we verder moeten bewandelen.Natuurlijk is er geen enkele reden om met wiskundig denken tewachten tot de tweede fase van havo en vwo. Integendeel, het moethier juist om een doorlopende leerlijn gaan, die uitstekend kan startenin de onderbouw. Bij wijze van voo

Freudenthal Instituut voor Didactiek van Wiskunde en Natuurwetenschappen Denken over wiskunde, onderwijs en ICT Paul Drijvers Punt A' is het beeld van A onder spiegeling in B. Punt B' is het beeld van B onder spiegeling in C. Punt C', ten slotte, is het beeld van C onder spiegeling in A. Stel nu dat alleen driehoek A'B'C' is gegeven. Hoe kun je dan de oorspronkelijke driehoek ABC .