Modellen maken en gebruiken

515641_8532_Picto_Modellen

Wat zijn modellen?

Een kaart is niet het landschap zelf. Zeer veel details zijn achterwege gelaten, omdat die voor het doel van de kaart er niet toe doen. Ze stelt je in staat om probleemloos van A naar B te rijden (vooropgesteld dat ze correct is en jij kaart kan lezen), en daarvoor hoeft niet elk huis, elke struik en elke oneffenheid in het wegdek afgebeeld te zijn.

De kaart is een goede analogie voor de modellen die gebruikt worden binnen de natuurwetenschappen. Modellen stellen maar een deel van de werkelijkheid voor, maar zijn voldoende bruikbaar om mee te redeneren, voorspellingen te doen, hypotheses op te stellen, oplossingen voor te stellen of berekeningen te maken. Modellen zijn een vereenvoudiging van een complexe realiteit, om deze hanteerbaar en begrijpbaar te maken.

model-kop

Zo kan je, als je meer wil leren over de menselijke longen, al een heel eind komen zonder ooit een echte long in handen te hebben gehad. Tekeningen in handboeken kunnen een eerste stap zijn om inzicht te verwerven in de structuur van een long en een 3D-model kan een idee geven over de effectieve grootte, de verhouding tegenover en de positie in het lichaam.  Maar noch de tekeningen, noch een kunststof schaalmodel zijn echte longen. Voor echt meer te weten over wat een long nu juist doet, zijn deze modellen ontoereikend.

Een ballon in een fles kan er misschien helemaal niet uitzien als een long, maar het is model dat essentiële informatie weergeeft over hoe lucht juist in longen terecht komt. Voor een meer gedetailleerder inzicht kan je een computeranimatie bekijken, waarbij je de lucht doorheen de luchtpijp en de verschillende vertakkingen volgt. Om de gasuitwisseling te begrijpen moet je structuren binnen in de long gaan uitvergroten en een model gebruiken hoe zuurstof van de long naar het bloed gaat en CO2 van het bloed naar de longen.

model-lung5

Verschillende modellen voor één fenomeen

Het zijn allemaal verschillende modellen van één fysisch object, de long. Maar geen van die modellen is een long. Elk model geeft een essentieel deel weer van een complexe fysieke realiteit, maar het is niet de realiteit. Zo heeft het plastic model uitwendig wel dezelfde structuur dan een echte long, maar een heel andere textuur, en verschilt het binnenste ook sterk van een echte long. Het plastic model is dan wel bruikbaar om een idee te vormen van vorm en grootte van een long en de positie van de long ten opzichte van andere delen van het menselijk lichaam, maar niet om de processen weer te geven op microscopisch niveau. Modellen hebben een specifiek nut, maar ook een heleboel beperkingen.

Modellen evolueren ook in de tijd, en worden aangepast aan steeds groeiende en veranderende kennis en inzicht in fenomenen. Denk aan hoe het atoommodel steeds verder verfijnd werd, vanaf Democritos, over Thompson, Rutherford en Bohr. Historische modellen, hoewel achterhaald, kunnen wel degelijk een belangrijke rol spelen in wetenschapsonderwijs, zowel als opstap naar een huidig model, als om inzicht te geven in hoe wetenschap werkt, opgebouwd wordt en evolueert in de tijd.

model-atoom

Dat voor één specifiek fenomeen meerdere modellen gebruikt worden, kan bij leerlingen voor verwarring zorgen en duurzaam leren in de weg staan. Leerlingen bewust maken van de redenen waarom in dat bepaald geval dat specifiek model wordt gebruikt, en hen te wijzen op zowel het nut als de beperkingen ervan, kan hun inzichten versterken en misconcepties tegen gaan.

Waarom modellen gebruiken

De redenen waarom je met een model werkt, zijn eenvoudig op te sommen:

  • Soms zijn de objecten of systemen die we willen bestuderen te groot of te klein, en zijn schaalmodellen aangewezen.
  • Of gaat het om aspecten die niet zichtbaar zijn onder normale omstandigheden, zoals het binnenste van een long.
  • Soms zijn de objecten of systemen te complex, en focussen we door een model te gebruiken op één specifiek onderdeel of aspect, zoals bij de gasuitwisseling in het voorbeeld hierboven. Die complexiteit kan zich ook op een meer abstract niveau situeren, als we objecten willen bestuderen die onmogelijk te visualiseren zijn, zoals een zwart gat of een elektron rondom een atoom. Door modellen te gebruiken gebaseerd op een vereenvoudigde analogie, kan toch inzicht verworven worden over dergelijke fenomenen, zonder daarom het ook écht te kunnen voorstellen.

model-blackhole

  • Voor het bestuderen van heel snelle of juist heel trage processen kan een model meer inzicht bieden dan rechtstreekse observatie (als die al mogelijk is). Denk bijvoorbeeld aan een chemische reactie of de groei van een plant.

Verschillende soorten modellen

Afhankelijk van het doel waarvoor de modellen gebruikt worden, kunnen we volgende types onderscheiden:

  • Structuurmodellen, die aangeven hoe een object in elkaar zit, welke componenten aanwezig zijn, … Voorbeelden zijn een torso van een menselijk lichaam, een bouwplan van een toestel, een uitvergroting van een cel, molecuulmodellen, …
  • Functionele modellen geven aan hoe een systeem werkt. Voorbeelden zijn stroomschema’s, krachtendiagrammen, voedselwebben, …
  • Gedrag- of evolutiemodellen geven aan hoe een systeem wijzigt in de tijd of als er specifieke parameters gewijzigd worden. Voorbeelden zijn pV-diagrammen, x,t-grafieken, de ideale gaswet, …

Om leerlingen effectief en duurzaam inzicht te geven in het gebruik van modellen, is het belangrijk dat ze gestimuleerd worden om modellen actief te gebruiken bij redeneren en problemen oplossen.

  • Laat leerlingen antwoorden geven en verklaringen geven aan de hand van tekeningen, die ze bij voorkeur zelf maken. Stimuleer hen om hun ideeën om te zetten naar beelden.
  • Laat hen ook nadenken over welk soort model optimaal is om te visualiseren wat ze willen duidelijk maken. Geef hen hier richtlijnen in, maar ook wel voldoende vrijheid. Stimuleer discussie hieromtrent, en laat hen alternatieven afwegen, waarbij duidelijk gemaakt moet worden welke aspecten het model benadrukt, en wat de beperkingen zijn.
  • Zorg ook voor een opbouw in abstractieniveau, waarbij van concrete, tastbare modellen wordt vertrokken (bv. een 3D-model van een molecule) om op te bouwen naar meer wiskundiger representaties (structuurformules).