Voornemende onderwysers in Suid Afrika word tans opgelei teen ’n agtergrond van verandering in beleid met betrekking tot die voorgraadse sowel as nagraadse onderwysprogramme op universiteitsvlak. Die idee is om ons historiese agterstand, vanweë ongelykhede in die verlede, te oorkom. Die uitdagings is groot en veral opvallend in die wetenskappe en wiskunde op skoolvlak waar ons leerders baie sleg vaar in vergelyking met hul eweknieë op internasionale vlak. Daar word deur kundiges bekommernis uitgespreek oor die kwaliteit van ons wiskunde- en wetenskaponderwys in Suid Afrika. Dit is nieteenstaande die feit dat daar op nasionale vlak meer geld bestee word om dié twee vakke tot op standaard te bring.

Een van die probleme uit die verlede is dat ’n behavioristiese benadering tot onderrig in die klaskamer gevolg is. Uitkomsgebaseerde onderwys (UGO) was ’n poging om ’n konstruktivistiese benadering toe te pas waarvolgens die menslike verstand nie as ’n tabula rasa beskou is nie. Omdat onderwysers nie die nodige vaardighede, en alle skole nie ewe veel hulpbronne gehad het nie, was UGO ook onsuksesvol. Die Nasionale Kurrikulumverklaring (NKV) is toe geïmplementeer en opgevolg deur die Kurrikulum- en Assesseringsbeleidsverklaring (KABV) – ons huidige kurrikulum wat in 2014 in aanvang getree het (Departement van Basiese Onderwys [DvBO] 2011). Motala (2014) het die hoop uitgespreek dat eksplorasie en ontdekking nie totaal gaan verdwyn, met wat sy die nuwe, gebruikswaardige onderrigagenda (‘new, utilitarian teaching agenda’) noem nie.

Ons navorsing neem ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig as uitgangspunt deur studente nie net aan hierdie strategie bloot te stel nie, maar ook om hulle prosesvaardighede in die wetenskap te ontwikkel. Ondersoek in wetenskaponderrig kan beskou word as ’n pedagogiese benadering wat onderwysers aanneem, of dit kan gesien word as dit wat studente gebruik om inhoud in die wetenskap te leer (Minner, Levy & Century 2010:476). Die samesmelting van diverse idees oor ondersoek in ’n enkele identiteit het gelei tot probleme omdat sommige persone dit as eenvoudige praktiese werk beskou, terwyl ander dit as studentgedrewe leerprogramme sien (Bevins & Price 2016). Ondanks hierdie verskillende standpunte is daar ’n algemene tema in ondersoekgedrewe wetenskaponderrig wat behels ‘doen wat wetenskaplikes in die klaskamer doen’ (Howes, Lim & Campos 2009).

Bevins en Price (2016:17) het pertinent opgemerk dat terwyl ’n groot deel van die bestaande literatuur oor ondersoekgebaseerde wetenskaponderwys verslae oor die voordele en doeltreffendheid van ondersoek rapporteer, dit ook beklemtoon dat onderwysers tydens pogings om ondersoekende benaderings in die wetenskapklaskamer te implementeer, wel probleme ondervind. Die redes hiervoor is baie uiteenlopend en hang grootliks af van die konteks waarin dit geïmplementeer word. Dit wissel van kurrikulumlewering, die onderwyser se bevoegdheid, ’n gebrek aan laboratoriumhulpbronne en ’n baie swaar toetsregime. Deignan (2009:13) het voorgestel dat onderrig en leer in hoër onderwys deur ondersoekgebaseerde onderrig verbeter kan word, maar dat die dinamika van die spesifieke konteks versigtig oorweeg moet word.

Die navorsingsliteratuur beklemtoon ook dat voornemende wetenskaponderwysstudente se begrip van fisika nie na wense is nie. Daar word verwag dat die inhoud en pedagogie op areas van wanopvatting toegespits moet wees. Die studie van gelykstroomelektrisiteit word vanaf laerskool tot universiteit bestudeer en is dus ’n ideale onderwerp omdat daar baie wanopvattings bestaan (Tsai et al. 2007; Engelhardt & Beichner 2004; Mulhall, McKittrick & Gunstone 2001). Gelykstroomelektrisiteit is ook ’n baie belangrike konsep vir voornemende wetenskaponderwysers om te onderrig omdat hulle dit prakties kan demonstreer. Terselfdetyd moet hulle dit ook op mikrovlak verstaan, want elektrone, byvoorbeeld, kan nie met die oog waargeneem word nie.

Hierdie studie stel die volgende navorsingsvraag:

Watter ondersoekgebaseerde onderrigstrategieë sal voornemende wetenskaponderwysers se konseptuele begrip van gelykstroomelektrisiteit bevorder?

Een van die doelwitte in wetenskap op skoolvlak is dat ‘leerders in staat moet wees om ondersoeke te voltooi, probleme te analiseer en praktiese prosesse en vaardighede te gebruik in die evaluering van oplossings’ (DvBO 2011:10). Dit is daarom belangrik dat voornemende wetenskaponderwysers self aan ondersoeke blootgestel word.

Die volgende afdeling gee ’n breë oorsig van konstruktivisme as ’n filosofiese raamwerk vir die aanneming van ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig deur voornemende wetenskaponderwysers.

Traianou (2006:827) het aangevoer dat die effektiewe onderrig van wetenskap in primêre grade afhanklik is van die onderwysers se begrip van wetenskaplike kennis en die pedagogie wat nodig is om dit aan kinders oor te dra. Sy identifiseer twee konstruktivistiese sienings bestaande uit ‘kleinreeks’- en ‘grootidees’-konstruktiviste. In eersgenoemde geval sal die onderwyser se konseptuele begrip van ’n klein verskeidenheid wetenskapkonsepte volstaan, terwyl in laasgenoemde geval niks minder nie as breë wetenskaplike beginsels en behoorlike wetenskaplike oriëntasie voldoende sal wees. ’n Sekwensiële siening van kennisverwerwing is aangeneem deur ‘kleinreeks’-konstruktiviste waardeur eenvoudige feite en prosesvaardighede ’n voorvereiste is vir vorme van ‘kennis van ’n hoër orde soos komplekse konsepte’ [outeurs se vertaling], (bl. 830). Die pedagogiese repertoire van so ’n onderwyser is onvoldoende wanneer situasies ontstaan wat probleemoplossende prosedurekennis vereis. Die ‘grootidees’-konstruktiviste benader die onderwyser se vakkennis deur probleemoplossende aspekte van die hoër orde te beklemtoon. Die ‘grootidees’-konstruktivis waardeer ook sosiale interaksie met meer kundiges in die Vygotskyaanse tradisie om wetenskaplike begrip te ontwikkel (bl. 833).

Hall et al. (2006:154) het die mening geopper dat onderwysers wat die pragmatiese Deweyaanse idee van leer in aksie aanneem, sal resoneer met die Vygotskyaanse opvatting van leer as beide sosiaal gekonstrueer en sosiaal ondersteun. Garrison (1995:717) het ook beklemtoon dat ’n ‘suitable constructivist epistemology already exists deeply embedded in the tradition of Deweyan pragmatism’ [‘geskikte konstruktivistiese epistemologie bestaan reeds wat diep in die tradisie van Deweyaanse pragmatisme’ gewortel is’, outeur se eie vertaling]. Die konsep van steierwerk het ook na vore gekom en is gekoppel aan Vygotsky (1978) se konsep van die Sone van Proksimale Ontwikkeling (SPO) wat die gaping oorbrug tussen dít wat kinders alleen kan bereik en wat moontlik is wanneer hulle deur ’n volwassene of kundige ander gelei word. Die SPO speel ’n belangrike rol in die ontwerp van onderrig om konseptuele begrip te ontwikkel en dit word geskep in die interaksie tussen studente en die onderwyser, of tydens die samewerking tussen eweknieë van probleemoplossing (Liang & Gabel 2005:1146). Wetenskaponderrig vereis ’n repertoire van strategieë, asook die behoorlike implementering in verskillende klaskameromgewings. Die meeste studente se inhoudskennis en denkvaardighede wanneer hulle opvoedkundige programme betree, is swak. Dus kan die toepassing van Vygotsky se sosiale konstruktivisme gedurende die leerproses help om die konseptuele trajek te onderhandel wat oorgesteek moet word.

Taber (2011a:258) is ook van mening dat konstruktivisme in wetenskaponderrig en wetenskaponderwys-navorsing sedert die laat 1970’s prominent geword het. Dit het onderrig gekonseptualiseer in terme van ’n verskuiwing van waar die leerder se denke tans is en waar dit potensieel kan wees – net soos steierwerk in die SPO. Die moderne konstruktivistiese perspektief ‘assumes that the learner comes to knowledge by recognising the meaning of what is found in the environment’ [‘veronderstel dat die leerder kennis bekom deur die erkenning van die betekenis van wat in die omgewing gevind word,’ outeur se eie vertaling] (Taber 2011b: 41–42). Die doel van onderrig is immers om begrip van konsepte te bevorder, maar betekenisvolle leer kan nie vanuit papegaaileer¹ plaasvind nie – alhoewel dit sy plek in sekere gevalle het. Volgens Taber moet die individu ’n sinvolle vertolking van sy ervarings in die omgewing deur ’n proses van persoonlike betekenismaking konstrueer (bl. 44). Dit resoneer sterk met die pragmatiese tradisie van John Dewey.

Studente word dikwels met abstrakte konsepte in die wetenskap gekonfronteer en dus moet die onderwyser die leerproses deur die aanneming van toepaslike opvoedkundige strategieë lei. Die individu bestaan binne ’n sosiale en kulturele konteks waar konseptuele raamwerke deur middel van interaksie met ander gebou word (bl. 50). Die skrywer vra watter benaderings tot pedagogie as konstruktivisties oorweeg kan word. Ondersoekleer kan ondersteun word deur konstruktivistiese onderrig indien die aktiwiteite noukeurig ontwerp is om die gewenste leer vas te lê (bl. 56). Ondersoekleer het ’n primêre doel om onderwysstudente die vaardighede en prosesse van ondersoek, soos data-insameling, ontleding, redenasie, ens. te leer. Studente sal in die metodes van ondersoek gelei word wanneer hulle volgens konstruktivistiese ondersoek onderrig, want dan sal hulle binne hul SPO werk. Konstruktivistiese pedagogie behels dus beide studentgesentreerde en onderwysergedrewe onderrig om optimale vlakke van onderrig te verseker.

In hierdie studie is die benadering tot onderrig en leer in die wetenskap deur die Vygotskyaanse idee van kennis as sosiaal gekonstrueer ondersteun. Daar is ook hierbo gewys dat Dewey se pragmatiese benadering tot wetenskaponderwys, waardeur studente hul ervarings in die omgewing vertolk, elemente van sosiale konstruktivisme insluit (Garrison 1995; Hall et al. 2006; Kruckeberg 2006). Die benadering tot wetenskaponderrig in hierdie studie is dus dié van ‘n ‘grootidees’-konstruktivis wat denkvaardighede van die hoër orde in studente se SPO bevorder, deur interaksie met hul portuurgroep en dosent in die sosiale omgewing. Dit is hierdie elemente wat as ’n ideale filosofiese raamwerk vir ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig kan dien.

Die volgende breë definisie van wetenskaplike ondersoek word voorgestel:

Die beoefening van wetenskaplike ondersoek koester waardering en gepaste begrip van die wetenskap (Chiappetta 1997; Haefner & Zembal-Saul 2004). Studente kan hul begrip van die wetenskaplike inhoud ook deur middel van wetenskaplike ondersoek verdiep (De Boer 2006; Bransford, Brown & Cocking 2000). Smolleck en Nordgren (2014:15) beweer dat studente voordeel trek wanneer hulle in gesprek met hul eweknieë tree om idees uit te ruil, en ook van mekaar leer in ’n ondersoekgebaseerde wetenskapklaskamer. Wanneer voornemende onderwysers se leer in die wetenskaponderwysklas geïntegreer word, ontwikkel hulle begrip van ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig, sowel as waardering vir die voordele van onderrig en leer in die wetenskap deur middel van ondersoek (Plevyak 2007; Varma, Volkmann & Hanuscin 2009). ’n Vroeëre studie deur Crawford (2000:918) het ook vasgestel dat sosio-konstruktivistiese perspektiewe van leer tydens praktiese opdragte die geleentheid vir die konstruksie van kennis deur ondersoek verhoog.

Hinrichsen, Jarrett en Peixotto (1999:4) verklaar dat wetenskaplike ondersoek rondom twee groot idees draai:

Hulle beklemtoon vier noodsaaklike en assesseerbare eienskappe van ondersoek:

Binns en Popp (2013:1) het bevind dat voornemende onderwysers nie geleenthede kry om ondersoekgerigte opdragte tydens hul studenteplasing te oefen nie. ’n Moontlike verklaring hiervoor is die druk wat op onderwysers by skole geplaas word deur die kurrikulum en eindeksamens. Seung, Park en Jung (2014:507) het tot die gevolgtrekking gekom dat hoewel voornemende onderwysers by verskeie aktiwiteite betrokke was wat ontwerp is om hul begrip van ondersoek in die wetenskaponderwysklas te ondersteun, hulle nie al die kenmerke in hul werklike onderrig implementeer nie. McDermott en Shaffer (1992:994) het tot die gevolgtrekking gekom dat daar meer sistematiese ondersoeke gedoen moet word wat studente se probleme met gelykstroomelektrisiteit help oplos. Studente kan nie formele voorstellings (bv. diagramme, grafieke en vergelykings) gebruik en interpreteer nie, en sien die konsepte van stroom, potensiaalverskil en weerstand bloot as veranderlikes in ’n formule. Die implementering van ’n ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig-strategie kan help om konseptuele begrip van basiese konsepte van elektrisiteit te bevorder (Afra, Osta & Zoubeir 2009:103).

Wetenskaplike ondersoek kan ook as geslote, gelei of oop beskou word. Die verskille in benadering is aangepas van ’n studie deur Dudu en Vhurumuku (2012) in Suid Afrika soos hieronder uiteengesit:

Wetenskaponderwys is geteister deur ’n fundamentele probleem wat die ‘monometodologiese benadering’ beklemtoon wat betref objektiwiteit en empirisme (McFarlane 2013). Hierdie benadering is onderwysergesentreerd en behels behavioristiese teorieë. Die benadering in hierdie studie is geleide ondersoek wat iewers tussen oop en geslote ondersoek lê. Studente kry ’n spesifieke probleem om te ondersoek, sonder stap-vir-stap-instruksies wat hulle moet volg, maar toerusting word voorsien om die ondersoek te voltooi.

Volgens Lederman en Lederman (2012:338) verwys wetenskaplike ondersoek na die ontwikkeling van prosesvaardighede wat met kennis, redenasie en kritiese denke gekombineer word om wetenskaplike kennis te skep. Martin (2011:76) is van mening dat prosesvaardighede ook in twee groepe verdeel kan word:

Die resultate en bespreking word aan die hand van verskillende fases van die onderrigeksperiment aangebied.

In hierdie navorsingstudie word die voornemende wetenskaponderwyser se konseptuele begrip van gelykstroomelektrisiteit deur middel van verskeie pedagogiese strategieë ontwikkel. Dit sluit in blootstelling aan wetenskaplike ondersoek in die laboratorium om prosesvaardighede te ontwikkel, maar ook die vermoë om tussen verskillende vaardighede soos hipoteses, grafiek teken, interpretasie, ens. te skakel. Hierdie geleenthede word gebruik sodat die studente kan saamwerk om hul konseptuele begrip deur dialogiese interaksie te ontwikkel. Die laboratoriumsessies is ontwerp om hulle praktiese geleenthede te gee om met elektriese stroombane te werk. Die studente bou ook hul eie modelle wat met behulp van kwalitatiewe redenasie verduidelik moet word, en wat dus hul argumentvaardighede demonstreer.

Studente se konseptuele begrip kan versterk, en hul wetenskaplike redenasie verbeter word deur die aanneming van ’n ondersoekgebaseerde benadering tot die onderrig van gelykstroomelektrisiteit. Wanneer hulle blootgestel word aan praktiese ondersoeke oor parallelle en seriekombinasies van gloeilampe, kan die kwalitatiewe begrip wat tydens hierdie spesifieke verteenwoordigende modus na die geskrewe modus soos ’n werkdokument oorgedra word. Studente is ook in staat om formele voorleggings soos grafieke te vertolk en na ’n skriftelike of visuele modus soos ’n diagram oor te skakel om hul konseptuele begrip te ontwikkel. Herhaalde blootstelling aan die verskillende modaliteite kan help om toepaslike betekenisse op te bou.

In die verlede is die benadering tot navorsing in wetenskaponderrig tot ’n groot mate vanuit ‘n positivistiese paradigma benader en het dit kwantitatiewe metodes aangeneem. Navorsingsresultate het min, indien enige, invloed op die praktyk gehad en oorsaaklike verhoudings is toegeskryf aan ingrypings en uitkomste waar vreemde veranderlikes nie gekontroleer kon word nie. Ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig kan aangewend word om die gaping tussen navorsing en praktyk in wetenskaponderwys, sowel as ander dissiplines te oorbrug.

Hierdie navorsingstudie het getoon dat Dewey se pragmatisme en Vygotsky se sosiale konstruktivisme gemeenskaplike elemente het wat kan dien as ’n filosofiese raamwerk om ondersoekgebaseerde wetenskaponderrig te ondersteun. Die navorsing is in ’n bepaalde omgewing gedoen en is toegespits op onderrig- en leerprobleme, wat in die voorste linie van die praktyk voorkom. Die transformerende onderrigeksperiment as ontwerpstudie word deur ’n veronderstelling gedryf waar volgens die inhoud en pedagogiese dimensie in enige domein van studie toegepas kan word. Die beskrywing van die fases van die ontwerpproses in die aangehaalde voorbeeld kan gebruik word om ’n domeinspesifieke leeromgewing in die studie van gelykstroomelektrisiteit te skep. Dit kan dan moontlik in ander domeine van die wetenskap en ander kontekste toegepas word om uiteindelik die onderrig- en leerproses in die wetenskap te verbeter.