Door J. Wetterling, Universiteit Twente, Toegepaste Onderwijskunde, uitgevoerd in samenwerking de Stichting Leerplan Ontwikkeling (SLO) te Enschede;

VOORWOORD

De voorliggende casus voor het tentamen OKT1, module 3 beschrijft een pilotproject binnen een samenwerkingsovereenkomst van de Stichting Leerplan Ontwikkeling (SLO) te Enschede en de faculteit der Toegepaste Onderwijskunde (TO) op het gebied van computersimulatie. J. Wetterling is in 1988 afgestudeerd op dit pilotproject. Er waren toentertijd in samenwerking met de SLO nog enkele projecten op het gebied van computersimulatie.

De voorliggende tekst is een bewerkt deel van zijn docteraalverslag. In de kadertjes plaatsen we relevante opmerkingen over meer recente situaties.

De tekst is ingekort en bewerkt. De stijl, het taalgebruik en de manier van verslaglegging hebben we voor een deel gehandhaafd. Bijvoorbeeld daar waar de schrijver de ik-vorm is gehanteerd, hebben we dat laten staan. Herschrijven zou geweld doen aan de opzet van zijn onderzoek en de manier van verslaglegging en productontwikkeling. We denken dat dat de authenticiteit en de nuttigheid aangaande deze casus ten goede komt.

De auteur, J. Wetterling, is later (in 1996) gepromoveerd bij de vakgroep instrumentatietechnologie (ISM) en is momenteel (1998) in een leidinggevende research functie werkzaam bij het Centrum voor Telematica en Informatietechnolgie (CTIT), een onderzoeksinstituut van de faculteit Informatica (INF), verbonden aan de Universiteit Twente (UT).

De oorspronkelijke tekst van de probleemomschrijving c.q. doelstelling in de doctoraalopdracht luidde: 'een leermiddel te ontwerpen en ontwikkelen dat kan worden gebruikt door leerkrachten en leerlingen in het kader van een project over alternatieve energie' en op basis van een concreet geval proberen generaliserende uitspraken te doen. De doctoraalopdracht heeft als onderliggende doelstelling gehad een op een speciale manier ontworpen computersimulatieprogramma uit te proberen als leermiddel in een reëel bestaande onderwijssetting.

Bij de opdracht is aandacht besteed aan moderne windowing- en ontwerp-technieken, aan het uitzoeken van speciale wiskundige modellen, aan bepaalde methoden van ontwerpen (en ontwikkelen), aan bepaalde onderwijskundige methoden van leren (en coaching) en (ten slotte) aan een verantwoorde evaluatie van het geheel. De opdracht is technisch grotendeels uitgevoerd aan de Universiteit Twente, Faculteit der Toegepaste Onderwijskunde, bij de vakgroep Instrumentatietechnologie. De opdracht werd inhoudelijk grotendeels uitgevoerd onder directe leiding van de Stichting voor de Leerplanontwikkeling (SLO). Daarbij waren medewerkers van sectie 6, 'Beroepsgerichte Vakken', de directe begeleiders. Het zonneboiler-project maakte bij TO deel uit van het algemenere research-project "Computersimulatie als leermiddel".

In de TO/INF-bibliotheek is een exemplaar van het afstudeerverslag van J. Wetterling te vinden. Er staan naast een uitgebreide tekst vele afbeeldingen, schema's van zonneboilers en andere alternatieve uitrustingen in maar ook foto's van leerlingen die met de simulaties werken. Ook zijn in het betreffende afstudeerverslag de exacte teksten van de opdrachten en de casussen opgenomen, alsmede als bijlagen de student-, de docent- en de onderhouds-handleidingen. Het is niet verplicht dit verslag te lezen.

Op het World Wide Web is een werkend exemplaar van de simulator ZONNEBOILER (versie april 1998) te vinden in de vorm van een in Java geschreven 'applet' op een in HTML geschreven WEB-page. Zie ook fig. 8. Op die pagina vindt men o.a. ook een conceptueel schema en diverse instructie-materialen. Dit werkende simulatieprogramma is gebouwd met het zogenoemde JavaTHESIS systeem; een systeem dat rechtstreeks voortkomt uit o.a. dit ZONNEBOILER-project. Het is niet verplicht dit programma en systeem gezien te hebben. De locatie op het WWW is: Vakken/Opdrachten/Boiler/HTML/Boiler.htm.

Opbouw van dit verslag

Het eerste gedeelte van het verslag zal gaan over de oriëntatiefase van de opdracht, enigszins te vergelijken met het vooronderzoek uit de OKT-cyclus. Hieronder valt een oriëntatie op het project "Alternatieve energie in het LBO" van de SLO en op het project "Computersimulatie als leermiddel" van TO en SLO. Vervolgens zal worden ingegaan op het onderzoek naar een geschikt wiskundig model voor gebruik in een computersimulatieprogramma in het kader van het genoemde SLO-project. Het geselecteerde model van de zonneboilerinstallatie zal nauwkeurig omschreven worden en gerelateerd aan de context van het gebruik ervan in het computersimulatieprogramma dat naar aanleiding van dat model is ontwikkeld. Het hoofdstuk over de gebruikte methode van ontwikkelen zal in het bijzonder gaan over het MacTHESIS ontwerpsysteem (voor computersimulatieprogramma's) (hoofdstuk 3). Dit MacTHESIS systeem maakt een implementatie mogelijk van wiskundige modellen in een zelf vorm te geven computersimulatieprogramma. Het systeem is in de periode 1986-1994 binnen de vakgroep Instrumentatietechnologie van de faculteit der Toegepaste Onderwijskunde aan de Universiteit Twente ontwikkeld. In dat hoofdstuk zal respectievelijk worden ingaan op enkele aspecten van het systeem zelf, het karakter van computersimulatieprogramma's gemaakt met het systeem, het gebruik van computersimulatieprogramma's en de verwezenlijking van het ontwikkelde programma ZONNEBOILER (met behulp van het MacTHESIS systeem) (hoofdstuk 4). In het hoofdstuk over de evaluatie zal besproken worden hoe het computersimulatieprogramma over de zonneboilerinstallatie is geëvalueerd (hoofdstuk 5).

Zowel de evaluatie tijdens het ontwikkelproces als ook de evaluatie door leerlingen uit de voor het computersimulatieprogramma bedoelde doelgroep zal in dit hoofdstuk aan de orde komen. Aan het eind zal nog worden ingegaan op enkele conclusies ten opzichten van het gebruik van computersimulatie in het onderwijs en dan in het bijzonder in het reguliere onderwijs (hoofdstuk 6).

Dit pilot-project ZONNEBOILER heeft tot succes geleid. Vanwege dit project heeft de SLO, samen met TO, enige tijd later, een ander belangrijk simulatieprogramma uitgegeven: "Een vijver in de computer", een integratievoorbeeld van informatiekunde en natuurwetenschappen; katern 20 project informatica voortgezet onderwijs, ISBN 90 329 0809 X (1989). Dat is over alle MBO scholen in Nederland verspreid in het kader van het project natuuronderwijs 12-16 jarigen. Dat project was ook een samenwerkingsverband van TO en de SLO. Een medewerker van TO heeft in het kader van dat project en vanwege zijn promotieonderzoek een viskweekvijver geïmplementeerd in een apart ontwikkelsysteem - uit de THESIS-familie - voor ms.dos computers. Aan het simulatiegedeelte is een jaar en aan de bijbehorende instructiematerialen is twee jaar gewerkt. Daarna is het intensief - en draaiend op ms.dos computers - op 1500 scholen verspreid en gebruikt. (van Schaick Zillesen, 1992)

Recent is er nog een systeem uit de THESIS familie voor het ontwikkelen van simulaties op het World Wide Web gereedgekomen: JavaTHESIS. TO-studenten kunnen in het keuzevak "Computersimulatie als leermiddel" hiermee kennis maken en - zonder al te veel bijzondere kennis van Java - zelf computersimulatieprogramma's, incl. coachingsmaterialen, ontwerpen en ontwikkelen voor gebruik op het WEB.

Hoofdstuk 1 : INLEIDING

In dit hoofdstuk zal een inleiding worden gegeven op twee zaken die rechtstreeks met deze opdracht te maken hebben. In de eerste plaats zal een inleiding worden gegeven op het project van de Stichting Leerplanontwikkeling met als titel "Alternatieve energie in het Lager Beroepsonderwijs" (met verbindingen naar het Middelbaar Beroepsonderwijs). Vervolgens zal worden ingegaan op het onderzoeksproject van de Universiteit Twente, faculteit Toegepaste Onderwijskunde van de vakgroep Instrumentatietechnolgie met als titel "Computersimulatie als leermiddel". Binnen dit onderzoeksproject van de Universiteit Twente werden ontwerpsystemen voor het maken van simulaties ontwikkeld. Deze twee verschillende projecten - met hun twee verschillende doelstellingen - zijn belangrijk om te onderkennen. Dit omdat de hier gebruikte software ontwikkelmethode werd ontwikkeld binnen het genoemde project van de UT en TO; en anderzijds omdat het gekozen thema, de zonneboiler, het gekozen topic was van het SLO-project aangaande alternatieve energie in het LBO. Het zonneboiler project was dus een onderdeel van bovengenoemde twee projecten.

Opmerking. De SLO liet de ontwerper vrij in de toegepaste ontwikkelmethode en de toegepaste methode van werken. Terwijl de faculteit TO de ontwerper vrij liet in zijn themakeus. Deze manier van werken bleek achteraf zeer vruchtbaar te zijn. Er volgde een jaar later nog een groot MBO/VWO-simulatieproject: "Een vijver in de computer".

Maar allereerst iets over het alternatieve energie-project.

1.1 Het SLO-project "Alternatieve energie in het LBO"

Het SLO project "Alternatieve energie in het LBO" is erop gericht leerlingen uit deze onderwijsvormen op een voor hen gunstige wijze kennis te laten maken met niet alledaagse energievormen. Daarbij was het ook nog mogelijk door het technisch potentieel, dat in scholen voor LBO/MBO aanwezig is, dat er misschien enige vooruitgang te boeken zou vallen op het gebied van onderzoek naar concrete toepassing van alternatieve energiebronnen in het dagelijks leven.

Het project "Alternatieve energie in het Lager Technisch Onderwijs" (binnen het L.B.O.) bestond uit vier aparte project-onderdelen met vier aparte topics, namelijk:

1. De windmolen
2. De zonneboiler
3. De biogasinstallatie
4. De warmtepomp

De eerste twee onderdelen kregen in dit project gaandeweg de meeste aandacht. Zo werden lessuggesties ontwikkeld voor algemene en beroepsgerichte vakken. Te denken viel aan lessuggestie bij vakken als wiskunde, natuurkunde maar ook bij nederlands en engels. Er werd uiteindelijk gekozen om de nadruk te leggen op de windmolen en de zonneboiler.

Bij het uitvoeren van het project "Alternatieve energie" had de veiligheid bij de activiteiten en de apparaten die werden gebouwd een zeer hoge prioriteit. Er werd zorg gedragen voor zeer nauwkeurige invulling van het project en ook de experimenten die zouden worden opgenomen mochten geen gevaren inhouden voor de leerlingen die ermee moesten werken.

Zonneboiler

Zoals hierboven gezegd werden er binnen de onderdelen "Windmolen" en "Zonneboiler" lessuggesties ontwikkeld voor LBO scholen voor zowel beroepsgerichte als algemeen vormende vakken. Hieronder volgt enige informatie over de lessuggesties voor de algemeen vormende vakken voor wat betreft het onderdeel "De Zonneboiler", omdat mijn opdracht zich concentreerde op dit onderdeel van het project. (Voorbeelden van concrete lessuggesties, opdrachten en casussen vind men elders in deze tekst.)

In de lessuggesties voor natuurkunde wordt gewerkt met een klein fysisch model van een zonneboilerinstallatie. (Een echt bestaand apparaat dus.) In dit kleine model apparaat - waar het water wordt verwarmd door een felle lamp die op de collectorplaat schijnt - kunnen de leerlingen op een gewone manier metingen verrichten in het water in de installatie. Het verwarmen gebeurt direct en het water stroomt rond door natuurlijke circulatie, dat wil zeggen: er wordt géén pomp gebruikt. (Bij het model van de zonneboiler in het simulatieprogramma wordt wèl een warm water-pomp gebruikt. Daarover later meer.) Het meten van de temperatuur van het water is hier mogelijk op vier verschillende punten in de installatie. De stroming van het water wordt zichtbaar gemaakt door kleurstoffen die aan het water worden toegevoegd. De leerlingen zouden in deze fase zowel met een fysisch apparaat als met een computersimulatie van zo'n apparaat moeten om kunnen gaan.

De onderdelen die in de lessuggesties natuurkunde aan de orde komen zijn:

1. Meten aan een werkend model van de zonneboiler zoals dat hiervoor is beschreven. De leerlingen moeten temperaturen van een thermometer kunnen aflezen bij dit onderwijsonderdeel.

2. Het fenomeen natuurlijke circulatie in het werkend model van de zonneboiler doorzien. Bij het fysisch (d.w.z. fysiek, reëel bestaand) apparaat wordt gebruik gemaakt van kleurstoffen om de circulatie zichtbaar te maken.

3. Kennis maken met natuurkundige grootheden. Waarom moet de collectorplaat zwart zijn? Leerlingen maken kennis met het meer of minder absorberen van warmte door verschillende oppervlakten.

4. Inzicht krijgen in isolatie (binnen de installatie). De leerlingen maken kennis met het verschijnsel isolatie en warmteverlies wanneer deze niet goed verzorgd is. Ook hier zijn weer enkele verduidelijkende proefjes opgenomen

5. Het broeikaseffect aan de orde stellen. Bijvoorbeeld door het nut te verduidelijken van de glasplaat die over de collectorplaat wordt geplaatst en dat dit niet alleen is ter bescherming van de collectorcellen

6. Het nut zien van het expansievat. De door de leerlingen gebruikte zonneboilerinstallatie gebruikt geen expansievat maar de grote installatie waarvan er maar een op de school aanwezig is en die niet door de leerlingen alleen wordt gebouwd wel. In een grotere installatie waar gewerkt wordt met een of meerdere pompen en bij indirecte verwarming is een expansievat onmisbaar.

Figuur 1. Het conceptueel schema van het zonneboilermodel in het simulatieprogramma, zoals gebruikt is in het SLO project "Alternatieve energie in het LBO". Links zie je de collector en rechts het vat. Het vat bestaat uit 10 segmenten waar het water - relatief vrij - door kan stromen, waardoor er een goede en karakteristieke warmtestroming optreedt. Het warme water komt halverwege in het vat en wordt bovenin - indien iemand dat wenst - afgetapt. Onderin wordt door een pomp evenveel koud water toegevoegd als dat er water uit het vat verdwijnt. De primaire stroom wordt opgang gehouden door een aparte pomp die in principe dag en nacht doorpompt. Het fysische (fysieke) apparaat ziet er bijna het zelfde uit als dit schematische model.

7. Herhalen van bepaalde zaken. Enkele algemene vragen en opdrachten voor de leerlingen om de belangrijkste punten uit de voorafgaande lessen nog eens te herhalen.

8. Aansluiten bij andere lessen. Diverse klassieke proeven die aansluiten bij het onderwerp zonneboiler en zonne-energie en -warmte in het algemeen

In de lessuggesties voor het vak wiskunde komen onder andere de volgende onderwerpen aan de orde:

1. De hoogte van de zon en de invloed ervan op de verwarming van het water in de zonneboilerinstallatie.

2. Het effectieve oppervlak van de collectorplaat.

3. De benodigde hoeveelheid antivries voor in het water in de winter. Dit is van belang voor installaties met indirecte verwarming. Bij directe verwarming mag geen antivries worden gebruikt als het verwarmde water onder andere wordt gebruikt voor consumptie door mensen. Bij indirecte verwarming kan antivries worden gebruikt voor de vloeistof die door de collector en de warmtewisselaar stroomt.

4. Het grafisch weergeven van het verband tussen het collectoroppervlak en de inhoud van het voorraadvat.

5. Het bepalen van het collectoroppervlak met behulp van een omloopdiagram.

6. De invloed van de hellingshoek van de zonnecollector.

7. Het bepalen van een geschikte plaats voor het opstellen van de collector.

Voor het vak nederlands wordt onder andere een soort ABC schrift bijgehouden met op elke bladzijde een woord dat met een andere letter van het alfabet begint en dat te maken heeft met het onderwerp "De Zonneboiler". Deze vorm van leermiddelgebruik is enigszins afgeleid van het project "Gericht Schrijven" voor het algemeen vormen onderwijs van een aantal jaren geleden.

Voor de vakken maatschappijleer, aardrijkskunde en geschiedenis zouden er ook lessuggesties moeten komen maar over de invulling hiervan is nog niet veel bekend.

Voor het vak engels heeft men een interview opgenomen met een energiedeskundige en een gesprek gevoerd met een engels gezin dat ervaring heeft opgedaan met een zonnewoning.

Een van de scholen die deelnam aan het zonneboilerproject van "Alternatieve energie in het LBO" met de fysische (fysieke, echte) boiler en deze lessuggesties was de RK scholengemeenschap voor L.T.O. en L.E.A.O. te Brunssum. Enkele resultaten die het project voor de SG te Brunssum heeft gehad zijn dat de school nu in het bezit is van een permanente installatie welke met behulp van zonne-energie warm water kan leveren. Verder zijn er voor het natuurkundepracticum 10 demonstratiemodellen beschikbaar voor proeven met warmte-energie. In het practicum electro is een temperatuurmeter ontwikkeld voor de natuurkundeproeven en de lessen in de algemeen vormende vakken zouden ook in volgende jaren weer gebruikt kunnen worden. Ook is er een school in Lelystad geweest waar men lessen over de zonneboiler heeft gedaan. Op deze school werd in die dagen ook een door de SLO georganiseerde conferentie gehouden over alternatieve energie en moderne leermiddelen. Leraren uit het hele land brachten hier hun ervaringen met alternatieve energie en lesmethoden in. Al deze ervaringen zijn meegenomen in de praktijklessen die uiteindelijk (later) met het simulatieprogramma ZONNEBOILER op een school in Enschede gegeven zijn.

1.2 Het project "Computersimulatie als leermiddel"

Het project "Computersimulatie als leermiddel" van de vakgroep ISM aan de faculteit TO is voortgekomen uit een onderzoeksproject op het gebied van nieuwe media en met name computersimulaties in het medisch onderwijs van de Rijksuniversiteit Limburg (nu: Universiteit Maastricht). In dat project werd onderzoek gedaan naar 'leermiddelen, die in het probleem-georiënteerd onderwijs van deze universiteit een rol kunnen en moeten gaan spelen'. Via de computer 'dienen skills aangeboden te worden'. De ideeën die in Maastricht werden ontwikkeld zijn bij de Faculteit TO jarenlang richtlijn geweest voor een aantal onderzoeksprojecten en een aantal multimedia-vakken, zoals het vak "COO-technieken" (nu "Multimedia programmeren") en het keuzevak "Computersimulatie als leermiddel" om onderwijskundigen c.q. 'onderwijs-technologen' op te leiden dit type 'computer skills' c.q. 'micro-werelden' te kunnen ontwerpen.

Apparatuurkeuze onderzoek

Een van de lopende onderzoeken binnen de faculteit was het onderzoek naar de onderwijskundige en instrumentatietechnolgische mogelijkheden en de technieken die kunnen worden toegepast als men zou uitgaan van de Apple Macintosh (de Mac I of de Mac 512k). Deze microcomputer heeft een aantal kenmerken en technieken die hem bij uitstek geschikt maken voor gebruik bij computersimulatie. Zo is dit klassieke model van de Macintosh (later meer bekend onder de naam Mac plus, Mac SE en Mac Classic) zeer compact en neemt dat model weinig ruimte in. Voor het onderwijs is dat zeer handig en bij uitstek bruikbaar. Men zet de Mac, incl. de software, na het uitschakelen van de netspanning, zonder problemen eenvoudigweg in een kast (naast de andere 'gewone' leermiddelen). De grafische mogelijkheden zijn goed, maar de eerste Mac's beschikte slechts over een monochroom zwart/wit scherm. Dit is echter niet zo heel erg bezwaarlijk omdat kleurgebruik niet de allereerste prioriteit heeft bij de meeste vormen van simulatie. De mogelijkheid om (anno 1986; opmerking redactie) voor toepassingen bij computersimulatie op de Macintosh te werken - met windows en een muis - is wel een groot voordeel (t.o.v. toentertijd veel voorkomende ms.dos computers). Zo kan voor elke apart 'proces' bij een simulatieprogramma een apart window gereserveerd worden, terwijl de andere windows weliswaar bedekt worden maar altijd eenvoudig en direct oproepbaar zijn. Ook het werken met de muis en het gemakkelijk kunnen afkoppelen van het toetsenbord, spreekt veel ontwerpers aan. Al deze technieken zijn veelbelovend voor computersimulatieprogramma's.

Anno 1998 zijn de meeste Macintosh computers gewone Macintosh II computers) niet meer zo compact, draagbaar en ook niet meer zo goedkoop als de klassieke Mac (Mac 512k of plus) die gebruikt is voor ZONNEBOILER.

Ontwerpgericht onderzoek

De doctoraalopdracht moest ook vallen binnen het onderzoeksproject 'computersimulatie als leermiddel' van de Universiteit Twente waarbij men een universeel ontwerpsysteem voor simulatieprogramma's ontwierp en ontwikkelde. De methode om simulaties te maken met een systeem is betrekkelijk nieuw. Het gerealiseerde systeem is geen echte tool - in de zin dat de ontwerper niets meer ziet van de onderliggende programmeertaal - integendeel: het is meer een programmersysteem. Maar wel een programmeersysteem waarbij men bijna niks hoeft te weten en te kennen van de programmeertaal. De projectgroep van de Universiteit Twente had al enige ervaring met deze methode om systemen te bouwen en simulaties te maken. Er werd in dit project gewerkt aan de ombouw van het computersimulatiesysteem dat werd gebruikt aan de Universiteit te Maastricht en in Enschede op de VAX en de Apple II draaide. De doelcomputer was nu de Apple Macintosh. De onderliggende methode die gehanteerd werd, was de mogelijkheid om de voordelen van programmeren en compileren te kunnen handhaven, maar tegelijkertijd ook speciale bibliotheken met software te kunnen gebruiken. Dit systeem dat - dat gebaseerd was op deze methode - zou het MacTHESIS systeem gaan heten en moest de mogelijkheid bieden elk willekeurig wiskundig model binnen korte tijd en zonder erg vergaande programmeerkennis om te kunnen vormen tot een volwaardig computer- simulatieprogramma. Dit systeem werd toegepast binnen het SLO-project "zonneboiler".

Als standaard zou worden uitgegaan van programma's met een zogenoemd 'interactief animatiewindow' waarin zogenoemde 'inklikgebieden' moesten voorkomen waar de gebruiker met de muis in een tekening kon klikken op de plek waar hij in het onderliggende (wiskundige) model wilde interveniëren. Verder zou men bij het implementeren van een model met behulp van het MacTHESIS systeem kunnen kiezen uit een aantal verschillende uitvoervariaties met bijv. 1, 2 of 4 verschillende soorten weergavevormen (of grafieken) op het beeldscherm. Er wordt bijvoorbeeld in het medische simulatieprogramma CARDIO, dat ook al in het eerste systeem in Maastricht werd gebruikt, in de MacTHESIS versie, een tekening getoond van een man waarop de verschillende inklikgebieden aangegeven staan. Als de gebruiker nu iets, bijvoorbeeld aan het hart, wil wijzigen, klikt hij in het hart en krijgt daarop de mogelijkheid zijn verandering uit te voeren, bijvoorbeeld door met een schuifinstelling (scrollbar), de doorbloeding te verkleinen.

De belangrijkste kenmerken van simulatieprogramma's, ontworpen en gemaakt met het MacTHESIS systeem op de Macintosh, zijn:

- de afwezigheid van keyboard;
- het intensief gebruiken van muis;
- de 'draagbaarheid' van het apparaat;
- overlappende windows;
- eenvoudige interventiemogelijkheden (door 'inklikregio's');
- het toevoegen van doeltreffende animatie-weergavevormen;
- software moet eenvoudig aanpasbaar zijn (met speciale editors).

Dit noemen we binnen de instrumentatietechnolgie: technieken. Naast de 'leeromgeving' en de 'ontwerpomgeving' bestaat er ook een verander-omgeving'. De docent die simulatieprogramma's gebruikt die zijn ontworpen met het MacTHESIS systeem kan op zijn eigen Macintosh dingen veranderen. Dit kan zonder dat hij het systeem zelf in zijn bezit heeft. Hier kan een docent bijvoorbeeld met behulp van bepaalde editors (o.a. een resource-editor) bepaalde teksten veranderen. Software, gemaakt op een Macintosh-computer, staat erg bekend om zijn eenvoudig door te voeren aanpasbaarheid. We noemen dit type software 'aanpasbare software'. Van Nederlandse teksten die op het beeldscherm verschijnen kan hij bijvoorbeeld eenvoudig Duitse, Engelse of Turkse teksten maken. Zo blijkt dit type (veranderbare of aanpasbare) computersimulatieprogrammatuur ook geschikt te zijn voor multicultureel onderwijs.

Het MacTHESIS systeem is ontworpen en ontwikkeld binnen het project "Computersimulatie als leermiddel"; in samenwerking met de Stichting voor de Leerplanontwikkeling (SLO). Dit systeem en de achtergronden van dit systeem zijn elders uitstekend beschreven. Voor deze casus is het niet noodzakelijk die literatuur daarover te kennen of te lezen. De SLO heeft de aanvangsfinanciering van een groot aantal ontwikkelmachines op zich genomen. In de loop der jaren is een groot aantal programma's ontwikkeld zowel door medewerkers als studenten van Toegepaste Onderwijskunde op de meest uiteenlopende onderwerpen, zoals geneeskunde, economie, ecologie, natuurkunde, biologie.

Prototypes

De bij TO ontwikkelde educatieve software, zowel programma's als sytemen, dient men in de eerste plaats nadrukkelijk als prototypes te beschouwen. Prototypes die uit researchprojecten voortkomen worden niet specifiek gemaakt voor direct gebruik in het onderwijs. Prototypes worden gekozen op basis van bepaalde criteria, namelijk of ze een specifieke bijdrage kunnen leveren aan de ontwikkeling van een universeel ontwerpsysteem of een ontwerpmethode. De natuurlijke taak van de universiteit is onderzoek en niet specifiek het ontwikkelen van direct toepasbare educatieve software. (Commerciële) producten ontwikkelen is immers specifiek de taak van SLO en zelfs nog meer in het bijzonder: van de educatieve uitgeverijen. De SLO verleent haar medewerking aan het onderzoek door het beschikbaar stellen van medewerkers voor het geven van specifieke adviezen aan TO en het begeleiden van studenten bij het werken binnen het project aan opdrachten. De SLO heeft zich uitgesproken producten die in het kader van deze TO projecten worden ontwikkeld - onder bepaalde voorwaarden - uit te zullen geven. Wanneer produkten door een betreffend SLO team geschikt worden bevonden is het niet uitgesloten dat zij in concrete onderwijssituaties zullen worden gebruikt.

Hoofdstuk 2 : VOORSTUDIE

In dit hoofdstuk zal enerzijds worden ingegaan op het ontwerpproces dat ten grondslag ligt aan een computersimulatieprogramma. In het kader hiervan zullen enkele processen zoals die in de literatuur worden genoemd, beschreven worden. Vervolgens komt de themakeuze aan de orde voor het te ontwerpen programma. Tenslotte worden enkele wiskundige modellen van zonneboilerinstallaties beschreven. Het gekozen model van Wessels en Tjeng komt uitvoerig aan de orde. Aan het eind zal kort worden uitgelegd waarom in het kader van dit computersimulatieprogramma voor welke apparatuur en welk systeem is gekozen. Dit hoofdstuk laat iets zien van de apparatuurkeuze en tevens van bepaalde achterliggende zaken die van belang zijn in de ontwerp- en ontwikkelingsfase.

2.1 Het proces

Het maken van een goed computersimulatieprogramma voor het onderwijs kan op velerlei manieren gebeuren. Misschien heeft wel iedere ontwerper een eigen manier om zijn werk te volbrengen, maar vast staat dat iedereen volgens een bepaalde methode te werk gaat. Voor de illustratie worden vervolgens drie methoden genoemd voor het ontwerpen en realiseren van een computersimulatieprogramma. De eerste komt uit een boek met simulatiespelprogramma's in BASIC waarin de schrijver in een inleidend hoofdstuk een uiteenzetting geeft over het maken van een simulatieprogramma (Engel, 1977). Deze methodes hoofdzakelijk gericht op spelprogramma's. De tweede methode is uit een artikel uit het tijdschrift "Educational Technology" en is bedoeld voor docenten die eigen simulatieprogramma's willen schrijven voor hun leerlingen (Tamashiro, 1985). De derde methode tenslotte is uit het boek van Min (1987) waarin een uitgebreid overzicht wordt gegeven van de werkwijze die gevolgd kan worden bij het ontwerpen van een computersimulatieprogramma. Deze methode is vooral gericht op wetenschappelijk ontwerpen en ontwikkelen (wat tegenwoordig heet: 'ontwerpgericht onderzoek'), maar ook geschikt voor professionele ontwerpers (in een beroepspraktijk).

Het model van Engel

Engel (1977) geeft de volgende stappen die moeten worden doorlopen bij het ontwerpen van een computersimulatieprogramma.

a) Selecteer een onderwerp; kies hierbij vooral iets wat in je eigen interessesfeer ligt of waar je veel over weet.

b) Maak een gedetailleerde beschrijving van het programma, wat het moet gaan doen en wat je ermee wil bereiken.

c) Maak een volledige flow-chart van het programma (stroomschema).

d) Selecteer uit het gehele wiskundig model met name die variabelen (hier bijvoorbeeld de temperatuur van het uitstromende water) die je ook daadwerkelijk (uitwendig; op het beeldscherm) wilt kunnen weergeven en zoek de relevante dimensies van die variabele uit (hier bijvoorbeeld graden Celcius)

e) Structureer de losse programma-onderdelen aan de hand van de model-onderdelen, om het programma flexibel te kunnen opzetten en te ontwikkelen.

f) Schrijf het programma (de software). Doe dit niet in één keer in het geheel maar zorg steeds dat een deel volledig werkt voordat aan het volgende wordt begonnen. (Of neem een speciaal ontwerpsyteem voor simulaties; hier bijvoorbeeld het MacTHESIS systeem)

g) Test het programma uit in het 'veld'. Gebruik daarbij vooral verschillende soorten spelers. Het gaat erom dat het spel door zoveel mogelijk mensen leuk wordt gevonden.

Tenslotte meent Engel nog dat je met een gemaakt simulatieprogramma niet hoeft te streven naar perfectie. Hij vindt dat je het eerst simpel moet houden tot het allemaal naar wens functioneert. Dan kunnen later nog allerlei toeters en bellen worden toegevoegd.

Het model van Tamashiro

Tamashiro geeft in het artikel "Build your own computer simulations" een aantal handelingen aan die moeten worden gedaan om tot een goed computersimulatieprogramma te komen (Tamashiro, 1985). Deze zijn:

a) Selecteer een onderwerp en verzamel er informatie over.

b) Ontwikkel doelen en lesactiviteiten.

c) Selecteer en formuleer simulatiefactoren. Hiermee worden bedoeld relevante parameters en variabelen die door de gebruikers kunnen worden geïnspecteerd of veranderd. Tevens worden hier de verschillende onderdelen van het programma bedoeld dat de gebruiker voor ogen krijgt zoals de titel, de online-instructies etc.

d) Voer het programma in en verbeter het als dat nodig is. Test het vervolgens uit.

e) Maak werkmateriaal voor gebruikers zoals werkbladen, handleidingen etc.

Een goede simulatie kenmerkt zich volgens Tamashiro (1985) doordat er verschillende uitkomsten mogelijk zijn. Iets wat de gebruiker doet is niet goed of fout maar er gebeurt iets met een variabele dat kan worden geïnterpreteerd. Er moet herhaalde besluitvorming mogelijk zijn, d.w.z. de gebruiker moet steeds weer zijn besluiten kunnen herzien. Tevens moet het mogelijk zijn om onder verschillende condities de simulatie te volbrengen, d.w.z. andere parameterinstellingen bijv. in casussen. De computersimulatie behoort volgens Tamashiro (1985) ingebed te zijn in een les (en in een speciaal het curriculum) waarin bijvoorbeeld een demonstratie (door de leraar) zit, een les over het betreffende onderwerk (maar geen specifieke uitleg) of zelfs eventueel een excursie, een discussie na afloop van de oefeningen (met de simulatie) en tot slot een evaluatie.

Het model van Min

Min geeft van de drie besproken methoden de meest uitgebreide werkwijze (Min, 1987). Deze werkwijze wordt hieronder weergegeven.

a) Maak een plan voor het hele programma (een software plan). Werk hierbij bijvoorbeeld met flow-charts (een stroomschema) van algemene aard.

b) Kies of maak een (wiskundig) model. Maak een zo volledig mogelijke inventarisatie van het model. Let vooral op betekenis, waarden en dimensies van variabelen, parameters en constanten.

c) Gebruik of maak zelf een zogenaamd 'analoog schema' van het gebruikte (wiskundige) model, om te weten te komen welke grootheden waar op in werken. (Dit soort schema is een soort stroomschema van het gebruikte model alleen; los van de flow-charts van de programmatuur.)

d) Zet het model om in een programmeertaal, bijvoorbeeld Pascal, HyperCard of Java. Werk in eerste instantie met de eenvoudigste wiskundige methode voor het simuleren (de methode van Euler; circa 1930). Wanneer dit onnauwkeurigheden in getalswaarden tot gevolg heeft kan over worden gegaan op een andere methode.

e) Test het model altijd eerst uit in een testprogramma of in een zogenaamd 'modellingsysteem' (zoals bijvoorbeeld 'Stella' of 'LabView'). (Implementeer het model pas later in een 'simulatiesysteem'.)

f) Inventariseer onderwijskundig relevante interventiemogelijkheden en blokkeer de irrelevante interventiemogelijkheden. Bespreek dit met een inhoudsdeskungige en/of met de docent die het programma gaat toepassen.

g) Zorg dat het programma gebruikersvriendelijk ('user friendly') is en niet kapot kan ('idiot-proof'). Maak het bijvoorbeeld zelfstartend (dat wordt 'turn-key' genoemd) en zorg dat de gebruiker niet in het operating system kan komen. (Ook al is dat nog zo gebruikersvriendelijk.) Het geheel moet handzaam zijn; dat wil zeggen: makkelijk om op te tillen en in een kast te zetten ('draagbaar').

h) Creëer een fysiek optimale leeromgeving, waarin de gebruiker alle benodigdheden binnen handbereik heeft. Let op relevante ergonomische aspecten.

i) Zorg voor goede 'casuïstiek' ('opdrachten' en 'casussen') waarin de gebruiker op leerzame wijze inzicht kan krijgen in het gebied waar de simulatie over gaat (liefst ook op papier)

j) Maak een goede studentenhandleiding, docentenhandleiding en systeemhandleiding (liefst op papier; maar mag eventueel ook elektronisch worden uitgevoerd). (Zonder goede handleidingen zal je product in de praktijk nooit breed geaccepteerd worden.)

Bij een groot aantal van de hierboven genoemde producten bleek het noodzakelijk dat het simulatieprogramma zelf grotendeels klaar moest zijn en men de 'gebruikswaarde' kende. Daarna pas konden de andere producten ontworpen en ontwikkeld worden. Deze latere 'problemen' zijn in het begin van het ontwerp-proces door de ontwerper bewust opzij gelegd, omdat eerst de zogenaamde 'performance' (het 'vermogen'; de 'power') van het hoofdproduct bekend moest zijn.

Enigszins buiten de directe ontwerpactiviteiten voor een educatief computersimulatieprogramma staan de volgende zaken die echter wel belangrijk zijn voor het goed functioneren van het computersimulatieprogramma.

k) Zorg voor een goede implementatie van het programma in een bestaand of nieuw curriculum zodat het zowel op zichzelf als ook als deel van dat curriculum optimaal tot zijn recht komt. Zorg in een lessenreeks voor een zo gedifferentieerd mogelijk leermiddelenaanbod. Dat wordt bijzonder op prijs gesteld door docenten.

l) Zorg voor goede begeleidingsmaterialen voor de gebruiker tijdens en na de simulatie.

m) Test alles goed uit en zorg voor een goede evaluatie. Een goede evaluatie - zowel aan het eind van het gehele productieproces als in een eerder stadium - is belangrijk. (De ontwerper dient zich in dit verband bij te laten staan door een onafhankelijk en objectieve onderzoeker.)

2.2 Themakeuze

Bij de aanvang van het project bleek het niet gemakkelijk een onderwerp te vinden waar een zinvol computersimulatieprogramma over te maken was omdat het niet gemakkelijk is een wiskundig model te maken of te vinden. De projectgroep kende zijn beperkingen op dat punt. Een simulatieprogramma ontwerpen en ontwikkelen is één, maar een wiskundig model ontwerpen en ontwikkelen is een compleet andère discipline. Leermiddelen ontwerpers zijn hier haast volledig afhankelijk van modelvormers (veelal wiskundigen). In de literatuur worden soms wel wiskundige modellen gegeven maar bijna allemaal vallen zij vaak na een nadere studie af voor gebruik in een product dat zou uitmonden in een bruikbaar en relevant computersimulatieprogramma voor het onderwijs. Veelal wordt in een artikel waar een (wiskundig) model - welke je zou kunnen gebruiken voor een simulatie - wordt besproken, niet het gehele model gegeven, maar worden een of meerdere vergelijkingen of belangrijke parameters weggelaten. Dit om problemen met copyrights en het gebruik van modellen door derden - zonder te betalen - te laten plaatsvinden.

Sectie 4 van de SLO, de sectie 'natuurwetenschappen', had in eerste instantie wel interesse in samenwerking voor wat betreft het ontwikkelen van een computersimulatieprogramma voor hun project natuuronderwijs voor 12 tot 16-jarigen. In het kader van het project Natuuronderwijs voor 12 tot 16 jarigen waren ook al een aantal publikaties verschenen. Om een aantal redenen echter zijn suggesties uit dit project als basis verworpen.

Er is in deze periode van vooronderzoek overal gezocht naar wiskundige modellen die bruikbaar zouden zijn in een computersimulatieprogramma en een thema hadden dat zou aansluiten bij het middelbaar onderwijs of het beroepsonderwijs. Dit bleek niet gemakkelijk. Zo er al wiskundige modellen tevoorschijn kwamen, kwamen ze uit een gebied dat te moeilijk was voor het beoogde doel of bleken de modellen niet geschikt voor de doelgroep of bleken niet valide genoeg.

Op een gegeven moment werd de aandacht gevestigd op een bericht van de SLO, sectie 6, 'beroepsgerichte vakken', over een project "Alternatieve energie in het Lager Beroeps Onderwijs". Aangezien er ook enige interesse was bij de auteur dezes, voor het gebruik van alternatieve energie in de toekomst, is hierover wat nadere informatie ingewonnen. Er waren twee aspecten waar rekening mee moest worden gehouden met betrekking tot een te maken keuze, t.w.:

1. De doelgroep van mijn onderzoek waren leerlingen van het Lager Technisch Onderwijs (L.T.O.). Deze leerlingen zitten intellectueel op een wat lager vlak dan bijvoorbeeld leerlingen uit het VWO. Dit is erg belangrijk om te beseffen als je deze leerlingen confronteert met een leermiddel als de computer. Van een docent van het L.T.O. heb ik vernomen dat leerlingen van L.T.O. nivo veel behoefte hebben aan visualisatie van hetgeen ze als leerstof wordt aangeboden. Verder kunnen zij niet zo veel denkstappen achter elkaar maken. De simulatiesessie moet voor deze doelgroep verdeeld worden in vrij kleine stappen en er mogen ook geen grote en uitvoerige berekeningen in voorkomen.

2. Voor de (uiteindelijke) keuze van de zonneboiler als onderwerp voor een computersimulatieprogramma vallen voor en tegenargumenten te geven. Argumenten voor de windmolen waren:

- misschien gemakkelijker mathematisch vast te leggen in een model;
- eenvoudiger te vergelijken met metingen in het echt door leerlingen.

Argumenten voor de zonneboiler waren:

- echte experimenten door leerlingen veel tijdrovender dan bij windmolen;
- het onderwerp staat een beetje dichter bij de leefwereld van de leerlingen.

Na een afweging van argumenten en het nog eens bekijken van documentatie over beide onderwerpen, is besloten om de zonneboiler als thema te nemen voor verder onderzoek naar toepassingen van computersimulatie binnen het onderwijs m.b.t. alternatieve energie in het LBO

2.3 Exploratie naar geschikte wiskundige modellen

Wat betreft het zoeken naar wiskundige modellen kon nu beperking optreden tot het thema zonneënergie en zonneboilers. Trefwoorden waarop in de literatuur is gezocht naar relevante artikelen waren: solar energy, solar heating, solar system, simulation, computer simulation, model en combinaties van deze trefwoorden. Er bleken in de literatuur van de afgelopen jaren enkele artikelen te zijn verschenen waarin een (computer) simulatie van een zonneboilersysteem werd besproken. Helaas waren de meeste direct of snel onbruikbaar, zodat het zoeken naar iets bruikbaars toch nog vrij lang heeft geduurd. Een aantal artikelen op het gebied van computersimulatie van zonnewarmtesystemen zijn wel verschenen (Throne, Winn e.a., Smit e.a.) maar deze zijn ofwel te complex om er een voor de doelgroep goed computersimulatieprogramma van te maken, ofwel ze liggen net op een verkeerd gebied waardoor ze onbruikbaar zijn. Tenslotte is het ook vaak zo dat modellen in de literatuur niet volledig worden weergegeven zodat het erg moeilijk wordt om ze concreet te gebruiken.

Het komen tot een wiskundig model met behulp van de bouwbeschrijving van een zonneboilerinstallatie, die van de SLO is gekregen, is niet gelukt. De mogelijkheid tot het zelf vormen van een wiskundig model werd trouwens al vrij snel verworpen omdat daartoe specifieke kennis voor nodig is die niet aanwezig was en waarvan het teveel tijd zou kosten om die onder de knie te krijgen. Bovendien was het vormen van een wiskundig model niet een deel van de opdracht waarbinnen het maken van een computersimulatieprogramma viel. Wel kon uit de verschillende publikaties een soort conceptmodel worden geconstrueerd dat als basis kon dienen voor het verder ontwerpen van een computersimulatieprogramma van een zonneboilerinstallatie.

2.4 Apparatuurkeuze

Een belangrijke overweging bij het ontwerp voor een computersimulatie-

programma is de keuze van de computer die je wilt gebruiken. Ik had in feite de keuze uit de VAX computer van de faculteit, de Apple II microcomputer (niet te verwarren met Macintosh computers) of de toentertijd relatief dure Apple Macintosh ('512k' of 'Plus'). (Ms.dos computers waren toen nog niet algemeen operationeel op scholen.) De VAX computer viel al snel af omdat het op de VAX niet mogelijk was gegarandeerde responstijden te krijgen. Dit was in het voorliggende geval belangrijk omdat het voor leerlingen uit de doelgroep verwarrend zou kunnen overkomen als perioden met dezelfde lengte in de simulatie bij verschillende runs verschillend lang zouden zijn. Het aanwezige simulatiesysteem op de VAX heeft weliswaar redelijke mogelijkheden voor animatie en het zou gezien de doelgroep ook wel wenselijk zijn geweest een animatieonderdeel in het programma op te nemen. Maar de keuze voor de VAX computer zou problemen kunnen opleveren in de evaluatiefase als het programma door leerlingen van het L.T.O. zou moeten worden uitgeprobeerd. Ten eerste zou ik dan leerlingen naar de afdeling moeten laten komen, hetgeen al minder wenselijk zou zijn omdat ze dan, uit hun eigen omgeving gehaald, niet zo spontaan hun oordeel zouden geven over het programma. Ten tweede zou de bediening van het systeem op de VAX computer problemen kunnen opleveren voor leerlingen van het L.T.O. De (ouderwetse) Apple II computer zou eventueel geschikt zijn voor gebruik bij de simulatie van de zonneboiler. Een vergelijking met de Macintosh deed mij toch besluiten te kiezen voor de laatste, om een aantal redenen.

- Het computersimulatiesysteem op de Macintosh biedt meer mogelijkheden wat betreft technische toepassingen dan dat op de Apple II. In vergelijking met de Macintosh heeft de Apple II wel erg beperkte grafische mogelijkheden en animatiemogelijkheden.

- Het systeem op de Macintosh met zijn gebruik van windows en de simpele maar overzichtelijke schermindeling leek m.i. beter geschikt voor leerlingen uit de doelgroep.

- Bij keuze van de Apple II zou alles zelf geprogrammeerd moeten worden. Bij het MacTHESIS-systeem voor op de Macintosh computer niet; daar kan de maker zich concentreren op het optimaal implementeren van het model en het bijstellen ervan

- Het gebruik van een muis in plaats van een toetsenbord leek mij voor leerlingen van het L.T.O. beter geschikt omdat dit de kans op onzinnige input aanmerkelijk verkleint, zo niet uitsluit.

- De tendens in het onderzoek op het gebied van computersimulatie als leermiddel bij de vakgroep ISM richtte zich meer op de Macintosh, die in het kader van de samenwerking met de SLO voor wat betreft de te gebruiken machines als richtlijn zou kunnen gelden.

Alvorens het model op de Macintosh ('512k', 'Plus' of 'Classic') te implementeren heb ik het wiskundige model eerst uitgeprobeerd op een speciale simulatieomgeving op de VAX waar de Apple II kan worden nagebootst. Door deze tests van het model ben ik op een aantal zaken gestuit die veranderingen in het model nodig maakten m.b.t. parameterwaarden, begrenzingen, relaties tussen parameters etc. Zo moesten bijvoorbeeld sommige parameterwaarden worden bijgesteld, zoals die van de capaciteit van de collector en die van de zon, om realistische waarden te krijgen. Een probleem bij de simulatieomgeving op de VAX computer was dat men slechts gebruik kon maken van één grafische weergavevorm. Het was daarbij moeilijk te onderscheiden hoe elke 'groeiende grafiek' liep. Hierdoor kreeg ik wel een goed beeld hoe het eigenlijke product eruit moest komen te zien. Een ontwerper heeft er gemak bij om eerst een tussen product te maken. Dan kunnen fouten in het uiteindelijke (laatste) ontwerp voorkomen worden.

Hoofdstuk 3 : METHODE

In dit hoofdstuk zal de methode van aanpak: het ontwerpen en het ontwikkelen van het product - het complete leermiddel - centraal staan. Voor het ontwikkelen van het simulatieprogramma is het MacTHESIS ontwerpsysteem gebruikt. Voor het instructiemateriaal zijn traditionele methoden gebruikt. Het gehanteerde ontwerpsysteem is in de periode 1986 - 1992 in het kader van het project "Computersimulatie als leermiddel" ontworpen door Min, Renkema, Reimerink en Van Schaick Zillesen. Dit systeem dient gezien te worden als de methode die hier gebruikt is om een simulatie te realiseren.

Systeem

Het MacTHESIS systeem is een ontwikkelsysteem voor computersimulatie- programma's die kunnen worden gebruikt als leermiddelen in een breed scala van onderwijs. Binnen het systeem kunnen willekeurige valide wiskundige modellen in een computersimulatieprogramma worden geïmplementeerd. Het implementeren van een model gebeurt op een wat grotere Macintosh computer (met bijvoorbeeld een grote harde schijf) die is uitgerust met een ontwerpomgeving. Bijvoorbeeld een Macintosh II computer of een Lisa. Het MacTHESIS systeem draaide aanvankelijk op een Lisa; later op een Macintosh II computer.

Filosofie

Naast het MacTHESIS systeem bestaat er ook de zogenoemde MacTHESIS filosofie. Die zegt vooral iets over 'hoe leermiddelen er zo wetenschappelijk verantwoord mogelijk uit dienen te zien'.

Deze filosofie is zodanig gekozen en ontwikkeld op de faculteit TO, dat hiermee software van een bepaalde kwaliteit en een bepaalde vorm kan worden ontwikkeld. Deze filosofie komt - in het kort en op hoofdpunten - op het volgende neer:

- leermiddelen moeten draagbaar zijn;

- software voor de massamarkt dient turn-key te zijn;

- de hardware moet goedkoop zijn;

- de hardware en de software dient compleet gescheiden van welk operating system dan ook te zijn;

- de gebruiker mag wat ons betreft nooit in een operating system terecht komen;

- software dient op elk moment - liefst met een gewoon fysiek knopje - resetbaar te zijn;

- na een simulatiesessie moet computer gewoon met een aan-uit knop uitgezet (en eventueel weer aangezet) kunnen worden.

Verschillende omgevingen

De gecreëerde simulatieprogramma's kunnen worden gerund op een andere, eenvoudige en met name nog goedkopere Macintosh computer zonder keyboard, zonder harde schijf en slechts uitgerust met muis. De ontwerpers noemen dit de 'leeromgeving'. Dit is een van de markantste kenmerken van dit type leeromgevingen en dit type computersimulatieprogramma's die met behulp van MacTHESIS zijn ontwikkeld: goedkoop, handzaam, etc. (Zie elders.)

De leeromgeving waarin de gebruiker werkt met dergelijke computersimulatieprogramma's wordt bewust zo eenvoudig mogelijk gehouden zodat de gebruiker alle aandacht kan schenken aan hetgeen er in het programma gebeurt. Het woord THESIS is gekozen om aan te geven dat bij simuleren altijd om een 'veronderstelling' van een werkelijkheid gaat, maar niet alleen dat, het geeft ook aan dat men met ontdekkend leren bezig is en van te voren een veronderstelling maakt van een relatie tussen

modelgrootheden (een 'hypo-these'). Verder is deze acroniem gekozen vanwege de mooie afkorting van Technische Hogeschool Twente Educational Simulation System welke de afkorting THESIS oplevert. Mac staat voor 'op de Macintosh'.

Het MacTHESIS systeem functioneert in een Pasacal-programmeer-omgeving en maakt gebruik van een aantal editors en een aantal files. De ontwerper c.q. de ontwikkelaar dient slechts een minimale programmeerkennis te hebben. Het is meer een knip- en plak-omgeving dan een programmeer-omgeving. (Deze methode voor het ontwikkelen van software werd anno 1987 door Macintosh leveranciers aangeraden. Red.) De werkomgeving bestaat uit een aantal editors, een Pascal-compiler, een bibliotheek met software componenten en een aantal voorgeprogrammeerde zogenoemde 'sjablonen'. (De technieken om met aparte gespecialiseerde editors, 'sjablonen' en 'libraries' educatieve software te maken, waren toen vrij ongebruikelijk, maar zijn tegenwoordig onomstreden.) Al deze 'tools', componenten en deze omgeving noemen de ontwerpers een 'ontwikkelomgeving'. Binnen een dergelijk systeem kan een relatief onervaren ontwerper (bijvoorbeeld een TO-student) onderdelen vervangen en zo een (nieuw) simulatieprogramma 'in elkaar zetten'. (Deze methoden en technieken worden nu nog steeds in grote lijnen gebruikt bij andere ontwerpsystemen voor computersimulaties.)

Figuur 2. De 'leeromgeving': een kleine Macintosh ('512k'), draagbaar, goedkoop, zelfstartende software en in principe geen toetsenbord. De leerlingen hoefden niet eens iets van het operating system te kennen. Het simulatieprogramma wordt direct gestart als men de stekker in het stopcontact doet. De manier om te stoppen is eenvoudigweg de stekker uit het stopcontact trekken. De software en de hardware is hier volledig op berekend en compleet veilig. Naast de computer ziet men voor de leerling de instructiematerialen, de opdrachten, de casussen, de handleidingen, een blocnote om aantekeningen te kunnen maken, etc. Daar is bewust voor gekozen. (Later onderzoek bevestigde die keuze voor deze eenvoud; 1992-1996)

Naast de 'ontwerpomgeving' en de 'leeromgeving' kent dit systeem ook nog een 'veranderomgeving'. Deze veranderomgeving is bedoeld voor de docent op de betreffende school. In deze veranderomgeving kan de docent met eenvoudige en slimme tools kleine - en soms ook wel grote - veranderingen aanbrengen in het simulatieprogramma (en bijbehorende bestanden). De ontwerpers bieden deze mogelijkheid aan om de kans op volledige acceptatie van het product te vergroten. Als docenten het taalgebruik, de plaatjes of een opdracht zelf namelijk nog kunnen veranderen stijgt de kans dat een klas het product gaat gebruiken met sprongen.

Het MacTHESIS systeem, versie 3.3x is later - in 1990 - geëvolueerd tot een systeem van en voor de Macintosh II-computers (Quadra 660AV) en weer later - in 1998 - tot het JavaTHESIS systeem, een systeem voor applicaties ('applets') op het World Wide Web. Van het MacTHESIS systeem bestaan ook versies op andere computers dan alleen op Macintosh computers. Deze systemen behoren allemaal tot de THESIS-familie. Ook bestaan er versies waarbij de programmertaal - die een rol speelt in de ontwerp-omgeving - geheel onder water verdwenen is. De aparte omgevingen zijn echter gebleven. De leeromgeving is geëvolueerd tot een buitengewoon plezierige doe-omgeving voor leerlingen om te kunnen leren met simulaties. De ontwerp-omgeving is geëvolueerd tot een eenvoudige WYSIWYG-editor: 'MacSimAuthor', waarbij de ontwerper niets meer ziet en hoeft te weten van programmeren (in welke taal dan ook). De resultaten van het zonneboilerproject hebben mede daartoe bijgedragen (Min, 1997).

Figuur 3. De ontwikkelomgeving anno 1987: een zogenaamde Lisa computer naast een Macintosh. Het MacTHESIS systeem, versie 3.3x, op de Lisa, genereerde een floppy met een zwart/wit 'turn key' simulatieprogramma dat direct op de kleine Mac (ernaast) 'af te spelen' was.

Hoofdstuk 4: HET PRODUCT

In dit deel zal ik impliciet ingaan op het 'product' van het ontwerpen en ontwikkelen met het MacTHESIS systeem: het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER. Dit programma is een zeer compleet - hoog visueel - interactief leermiddel geworden en is het resultaat van het toepassen van de gekozen ontwikkel- en ontwerpmethode : het MacTHESIS systeem en de MacTHESIS filosofie. Dit programma ZONNEBOILER is gebaseerd op een wiskundig model van een zonneboilerinstallatie en heeft als doelgroep leerlingen van het lager beroeps onderwijs. Het doel van het programma is de leerlingen enig inzicht te verschaffen in de werking van een dergelijke installatie en in de invloeden die verschillende zaken van buitenaf kunnen hebben op de werking ervan. De programma toont de temperaturen in de verschillende segmenten van het vat. De belangrijkste temperaturen worden grafisch uitgezet in de tijd (over 24 uur). Het is niet de bedoeling dat leerlingen in het kader van het programma veel werken met de exacte getalswaarden van alle voorkomende variabelen maar meer met de verschillen

Figuur 4. De 'veranderomgeving' van het MacTHESIS systeem: een Mac-computer met extra disk drives voor de docent op de pilot-scholen. De docent kon met editors en met name met de resource-editor het simulatieprogramma naar zijn hand zetten. Docenten stelden de 'aanpasbaarheid van de software' bijzonder op prijs.

en de relatieve afwijking van normaal patronen die variabelen hebben. Eerst zal ingegaan worden op de visuele vormgeving van het programma. Daarna iets over de gedetailleerdheid waarmee het programma ingaat op de inhoud ervan namelijk de zonneboilerinstallatie. Tenslotte zal aandacht worden geschonken aan de instructie, de opdrachten die gemaakt kunnen worden - de casuïstiek - die aan het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER is verbonden.

4.1 De visuele vormgeving van het model op het beeldscherm

Bij de presentatie van het model op het beeldscherm wilde ik in grote lijnen hetzelfde schema aanhouden als wordt gegeven in het stuk waarin Wessels en Tjeng hun model beschrijven. Enkele aanpassingen zouden daarin wel moeten worden gemaakt. Het schema is te schetsmatig voor gebruik in een computersimulatieprogramma voor leerlingen van het lager beroepsonderwijs. In het simulatieprogramma moet het goed duidelijk zijn langs welke kanalen het water stroomt.

In de schets van Wessels en Tjeng wordt gesproken van een "last" waar het warme water doorstroomt als het uit het opslagvat komt. Dit lijkt mij niet te begrijpen voor leerlingen van het LBO Daarvoor in de plaats moeten zij zien waar voor het water wordt gebruikt bijvoorbeeld door een afwasmachine of een douchekop op het scherm weer te geven. Algemeen gezegd is het nodig dat bij een grafische weergave van de zonneboilerinstallatie op het beeldscherm zo duidelijk mogelijk wordt getoond wat wat is en waar het voor dient, maar dat men er ook voor waakt niet teveel weer te geven zodat het scherm niet te vol raakt en men door de bomen het bos niet meer ziet. In het simulatieprogramma zien de gebruikers een niet volledig uitgebeelde afbeelding van de zonneboilerinstallatie. Slechts de belangrijkste onderdelen, zoals de collector, het opslagvat, en de gebruiksapparaten zijn goed te zien. De werkelijke segment-indeling van het vat is voor de betreffende doelgroep irrelevante informatie.

De waterstromen worden via animatie zichtbaar en duidelijk gemaakt met name als het water ook daadwerkelijk stroomt. Via 7 inklikregio's kan de gebruiker met de muis bepaalde interventies in het onderliggende model doen waarbij hij in de gelegenheid wordt gesteld parameterwaarden te veranderen.

Wanneer de gebruiker de output van de simulatie wil zien - bijvoorbeeld het temeratuursverloop naar aanleiding van het opkomen en ondergaan van de zon op een dag - krijgt hij twee grafieken te zien. De bovenste geeft de temperatuur in het opslagvat weer (in graden Celsius). De onderste grafiek laat de stand van de zon zien. Deze grafische weergave is eenvoudig gehouden en slechts ter oriëntatie voor de gebruiker opdat hij kan zien hoe hoog de zon ongeveer aan de horizon staat. In het begin van de dag is deze grafiek nog niet te zien, de zon is immers nog niet op. Bij het simulatieprogramma gaat om 6 uur 's ochtends de zon op. Om 18 uur 's avonds gaat de zon weer onder.

4.2 De gedetailleerdheid van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER; enige afwegingen

Hoe gedetailleerd een programma op een bepaald onderwerp ingaat hangt af van een aantal factoren. In de eerste plaats van het doel dat men voor ogen heeft met het programma. In mijn geval was het doel LTO leerlingen kennis te laten maken met een eenvoudige zonneboilerinstallatie. Het is daarbij de bedoeling dat de leerlingen verschillende eigenschappen van deze installatie leren kennen. Ze moeten dat leren aan de hand van proefjes die zij met de installatie nemen, nadat ze eerst een voorspelling hebben gedaan over de uitkomst van ieder van de proefjes.

Figuur 5. Beelden van het gebruik van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER op een klassieke monolitische Macintosh (Macintosh '512k' of 'plus').

Aangezien deze leerlingen niet bij elke proef exacte getalswaarden moeten leren en ze niet hoeven te goochelen met ingewikkelde berekeningen is het ook niet nodig in het programmauitvoer betreft veel exacte getallen te geven. Mijn idee was dat het voldoende is wanneer zij op het scherm zien hoe warm het water in het opslagvat is en hoe hard de stromen zijn door de collector en de aftapkraan. Verder moest de gebruiker ook op het scherm goed kunnen zien hoe laat het is en welke de stand van de zon daarbij hoort.

Figuur 6. Screendump van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER (versie 1986) zoals dat is ontwikkeld in het kader van het SLO project "Alternatieve energie in het LBO". Je ziet het input-window en het uitput-window. In het input-window kun je op een willekeurig moment van de dag klikken en parameters veranderen en in het output-window zie je de variabelen veranderen.

Figuur 7. Screendump van het output-window met het verloop van de temperatuur gedurende een dag (d.w.z. 24 uur) zoals te zien is op het beeldscherm van de Macintosh als 'de tijd' in het programma ZONNEBOILER 'aangezet is'. De zon komt om 6.00 uur op en gaat om 18.00 uur onder. De temperatuur van het water in het vat stijgt. Water-aftappen verstoort hier de temperatuursopbouw.

4.3 De instructie, de opdrachten en de casuïstiek

In het MacTHESIS-systeem is het mogelijk in een computersimulatieprogramma een aantal casussen in te bouwen. Casussen zijn probleemgevallen die de leerlingen dienen te herkennen. Opdrachten zijn eenvoudiger. Daar moeten de leerlingen iets doen en kijken of het met hun verwachting overeenkomt. Casussen oplossen lukt pas als men eerst geoefend heeft met opdrachten. De opdrachten en de casussen noemen we bij simulaties de 'instructie', de instructiematerialen of ook wel de 'coaching'. Het gaat bij casussen om speciale situaties waar één of meerdere parameters van tevoren op een andere waarde dan de normale - in het programma zelf - zijn ingesteld en een bepaalde omschreven situatie op het beeldscherm weergeven. De gebruiker kan, als hij het programma begrijpt, gaan werken met zo'n speciale situatie aan de hand van een werkblad waar de situatie staat uitgelegd en waar een aantal opgaven op staan waarmee hij met die situatie leert werken. Het programma over de zonneboilerinstallatie maakt in principe gebruik van een normale situatie met de parameters en parameterwaarden uit het model van Wessels en Tjeng tenzij de gebruiker een of meerdere parameter zelf anders instelt.

De gebruiker kan - naast een groot aantal opdrachten - kiezen uit een drietal 'voorgeprogrammeerde' casussen. In de eerste plaats een casus waar de zonneboilerinstallatie staat opgesteld in de tropen, vlakbij de evenaar. De gebruiker moet zich voorstellen dat hij op een marktplein in een stadje in midden-afrika staat en dat de zon 's middags haast loodrecht boven hem aan de hemel staat. De zonnekracht die in de normale situatie gelijk is aan 1 (bijvoorbeeld Nederland) is in deze casus gelijk aan 3.6 gemaakt, dus 3.6 keer zo felle zon als in de normale situatie. Ik heb rekening gehouden met het feit dat de buitentemperatuur nog net draaglijk is, namelijk 35 graden Celsius (normaal 10 graden). Wanneer de gebruiker bij deze casus de simulatie laat lopen zal hij al snel na 6 uur als de zon opgaat, merken dat de temperatuur van het water in het vat snel begint op te lopen. Om te voorkomen dat het water gaat koken, moet hij snel water aftappen. Doet hij dat niet dan 'lost' hij de casus dus 'niet goed op'. Er zijn verder nog een aantal mogelijkheden die de gebruiker kan onderzoeken als hij zijn zonneboiler in de tropen neerzet. Ook kan men aan de orde laten komen het verschil van nut van gebruik van een zonneboiler hier in Nederland en gebruik van een zonneboiler in een tropisch land.

De tweede casus werkt met een collector met een erg hoge warmtecapaciteit (waarde 3.5 i.p.v. 1.0) en een stralingdoorlatende collector met een erg lage reflectiecoëfficient (waarde 0.1) (i.p.v. 1.0). Concreet betekent dit dat de collector erg effectief zonnewarmte omzet in warm water in het opslagvat. Verder betekent dit dat er erg weinig zonnestralen van de collectorplaat worden teruggekaatst. In deze casus kunnen gebruikers onderzoeken of het veel uitmaakt voor de snelheid van het verwarmen van het water als je een effectieve collector van straling doorlatende materialen met een lage reflectiecoëfficient gebruikt. De gebruiker zal merken dat deze parameters niet zo veel invloed hebben op het verwarmingsproces als men voor de casus zou denken. Er zijn andere parameters zoals de zonnekracht en de stromingssnelheid van de vloeistof door de collector die grotere invloed hebben op de verwarmingssnelheid van het water in het vat.

De derde casus behandelt de situatie waarin we te maken hebben met een lekkende aftapkraan. Er ontsnapt per uur 0.05 kubieke meter water zonder dat we er iets aan kunnen doen (Fs in het model is standaard 0.05).

Verder hebben we in deze casus de pech dat het net winter is en de buitentemperatuur net 1 graad boven nul is (T0 is standaard 1.0) (i.p.v. 10.0). De gebruiker moet nu proberen deze situatie onder de knie te krijgen en toch genoeg warm water voor zich te verkrijgen. Wat hij echter niet kan doen is het eigenhandig repareren van de aftapkraan. Helaas staken op die dag ook alle loodgieters, mechaniciens etc.

Om een idee te geven van mogelijke opdrachten die bij het ZONNEBOILER programma door de docent uitgereikt kunnen worden, zijn hieronder enkele teksten van wat eenvoudige opdrachten opgenomen:

Deze teksten met instructies en opdrachten konden pas geschreven worden toen de simulator (ZONNEBOILER zelf) volledig was ontwikkeld. Dit soort zaken kunnen meestal pas achteraf ontworpen en ontwikkeld worden; hoe vreemd dat ook lijkt.

Hoofdstuk 5 : EVALUATIE

In dit hoofdstuk wordt beschreven hoe het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER is geëvalueerd. Aan de orde zal komen de evaluatie tijdens het ontwerpproces en de evaluatie die is uitgevoerd op de scholengemeen-schap de Hoeksteen te Enschede.

5.1 Evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER

De formatieve evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER is op een aantal wijzen gebeurd. De betrokken personen van de Stichting voor de leerplanontwikkeling hebben het programma een tweetal keren bekeken en er commentaar op gegeven. Daarnaast is het ook een keer op de SLO gedemonstreerd in het bijzijn van enkele andere personen die betrokken waren bij het project "Alternatieve energie in het LBO" zoals iemand van het ingenieurs-bureau dat de werktekeningen en de bouwbeschrijving voor de werkelijk bestaande (kleine) zonneboilerinstallatie heeft geleverd. Verder is het programma bekeken door de maker van het wiskundig model van het programma ZONNEBOILER: een hoogleraar van de Universiteit Twente van de faculteit Electrotechniek. Hij heeft enig commentaar geleverd.

5.2 Evaluatie door de maker van het wiskundige model

In het kader van de ontwikkeling van het computersimulatie-programma ZONNEBOILER is een tweetal keren advies gevraagd aan de maker van het wiskundige model. De resultaten worden hieronder weergegeven.

A. In de eerste plaats bleek dat de stromen in het model niet helemaal correct waren gebruikt. De invloed van deze stromen, zowel door de collector als door de aftap, is daarom vergroot, opdat verandering hierin meer effect heeft op de temperatuur van het water in het opslagvat. In het kader van deze invloedsvergroting is ook de aanpassing gemaakt die al eerder is besproken namelijk het aanbrengen van de mogelijkheid tot traploze instelling van de stromen (eigenlijk de pompen) in plaats van de stapsgewijze zoals in het oorspronkelijke model. Dit laatste is dus behalve om onderwijskundige redenen (hoofdstuk 2) ook om model technische redenen gebeurd.

B. De maker van het wiskundige model adviseerde ook om in het programma zoveel mogelijk met realistische situaties te werken ook als in het kader van de doelgroep vereenvoudiging moest optreden. Het programma zou dan een breder gebruiksgebied krijgen en breder inzetbaar zijn.

C. Een zinvolle uitbreiding met een animatieweergave zou zeker een verbetering van de effecten van het uiteindelijke programma tot gevolg kunnen hebben. Dit was al eerder in overweging genomen en later is in het programma ingebouwd dat er bijvoorbeeld op het beeldscherm pijlen bewegen wanneer er een of andere stroom in werking treedt.

In een later stadium heeft de maker van het wiskundige model het programma nog eens gezien; in een wat gevorderder staat. Hij heeft toen vooral gekeken naar de vormgeving ervan op de Apple Macintosh.

D. Het simulatiesysteem MacTHESIS was nieuw voor hem. Op de afdeling Electrotechniek wordt gewerkt met TUTSIM, een ander simulatiesysteem, vooral bruikbaar voor onderzoeksdoeleinden en met name om modellen zelf op te kunnen zetten, en minder voor educatieve toepassingen van het type wat wij voor ogen hadden. Hij vond de kracht van onderwijskundige simulaties gemaakt met het MacTHESIS systeem (en met name het product daarvan: ZONNEBOILER) dat men in het geheel geen 'last' heeft van technische zaken betreffende wiskundige problematiek van de onderliggende modellen buitengewoon goed.

E. Veel inhoudelijk commentaar had de maker van het wiskundige model niet op het programma. Hij meende wel dat er vooral bij de output duidelijk moest zijn wat er wordt getoond en wat er verandert bij een interventie. Duidelijkheid van output (en met name de fysische eenheden langs al de assen in de grafiek) leek hem vooral bij onderwijskundige toepassing van groot belang.

F. Het uiteindelijke effect van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER zou moeten worden aangetoond worden door personen uit de doelgroep waar het voor werd ontwikkeld. Een try-out met proefpersonen zou hierover meer duidelijkheid kunnen brengen. Deze try-out heeft later plaatsgevonden toen het programma geheel af was.

5.3 Evaluatie door de SLO

Gedurende de ontwikkelperiode van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER hebben medewerkers van de SLO 4 à 5 keren contact gehad met mij. Meestal gebeurde dit in gesprekken die werden gehouden op het kantoor van de SLO. Ik lichtte hen in over de vorderingen die waren gemaakt bij het ontwerpen en de resultaten bij de realisatie van het product. De medewerkers van de SLO leverden commentaar en er werd gepraat over de verder te plannen activiteiten met betrekking tot het zonneboilerprogramma. Een van de medewerkers van de SLO is ook een keer naar Toegepaste Onderwijskunde gekomen om het programma op het laboratorium te bekijken. Hij wees daarbij eveneens op de positieve effecten die animatie zou kunnen hebben op het bereiken van de doelen die aan het programma worden gesteld. In reactie op de opmerkingen van de SLO en van de ontwerper van het wiskundig model van de zonneboiler, is een variant in het programma gebouwd waarbij pijltjes op het beeldscherm verschijnen die ook 'echt' lopen in de richting van de stroming, als er ook echt een stroming optreedt. Bijvoorbeeld als er water wordt afgetapt of als er water door de collector stroomt.

Een ander punt dat naar voren werd gebracht was het punt van de tijdsdimensie (tijdseenheden) die in het programma wordt gebruikt. De tijd was in uren ingedeeld maar de delen van de uren waren verdeeld in 20 stukken van 0.05 uur. Dit is vrij onrealistisch en zou eigenlijk verbetering behoeven. Deze verbetering is niet aangebracht maar het is de bedoeling dat er op dit punt nog het een en ander gebeurt.

Het programma ZONNEBOILER is ook een keer getoond op de SLO. Aanwezig waren naast mensen van de SLO en TO ook een man van het ingenieursbureau dat de bouwbeschrijving van de zonneboilerinstallatie voor het SLO-project heeft ontworpen en nog enkele medewerkers van de SLO-sectie Beroepsgerichte vakken en tevens aan docenten van de Scholen.

gemeenschap de Hoeksteen waar de try-out van het zonneboilerprogramma zou plaatsvinden.

Men was over het algemeen goed te spreken over het programma maar er kwamen wel enige ideeën over wat er anders zou kunnen. Dit waren vooral zaken die ook al eerder aan de orde waren geweest zoals de tijdsdimensie en de suggesties voor een realistische methode van animatie in het schema van het model in het programma op te nemen. Ook de exacte functies van de collector kwamen ter sprake vooral met betrekking tot de mathematische vergelijkingen die in het model worden gebruikt. Daarop is op aanraden van een van een van de projectmedewerkers het boek Solar Energy van Duffy en Beckmann geraadpleegd om eventueel verbeterde formules voor het functioneren van de collector te vinden. In het kader van dit project kond ik deze aanbevelingen niet meer realiseren. Bij latere projecten zijn - voor zo ver ik weet - deze suggesties meegenomen.

Er werd afgesproken dat met een docent van de scholengemeenschap de Hoeksteen een afspraak gemaakt zou worden voor een try-out (annex evaluatie) van het programma met leerlingen van die school. Deze docent toonde zich optimistisch over het kunnen doorgaan van een dergelijk experiment op de school.

5.4 Evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER op de SG de Hoeksteen

In deze paragraaf over de eigelijke, empirisch onderbouwde evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER zullen de ervaringen worden besproken die met het programma zijn verkregen op de scholengemeenschap de Hoeksteen te Enschede op 24 juni 1987. Er moet bij gezegd worden dat het ging om het evalueren van prototypes, immers zowel het systeem als het programma waren experimenteel. Het ontwerpsysteem (het MacTHESIS syteem) was een voorlopig product - en dus een prototype - van het project van de Universiteit Twente "Computersimulatie als leermiddel". Het programma (ZONNEBOILER) (van het SLO-project) was derhalve ook een prototype.

Naast het programma zelf werkten de leerlingen op de Hoeksteen met door ons ontwikkelde instructies, werkbladen, opgaven en casussen. Al dit soort instructiemateriaal was niet in de software opgenomen, maar gewoon op papier uitgevoerd. Dit papieren (les-)materiaal was feitelijk ook een prototype. Daar is ook veel tijd in gestoken. Ook de manuals waren prototypen. Een groot aantal producten stonden er dus ter discussie.

Doel

De doelen van de evaluatie van het computersimulatieproqramma ZONNEBOILER waren als volgt:

A. Het testen van het prototype, computersimulatieprogramma ZONNEBOILER, teneinde te zien welke tekortkomingen er nog aan zitten en aanwijzingen te verkrijgen om deze tekortkomingen te verhelpen.

B. Het kijken of het programma en de erbij horende instructies en handleidingen aansluiten bij het nivo van de doelgroep voor welke het programma is ontworpen.

Doelgroep en steekproef

Deze doelgroep kan worden gedefinieerd als "leerlingen van het Lager Technisch Onderwijs". De groep proefpersonen die voor de evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER is gebruikt waren in concreto leerlingen uit de derde klas van de richting electrotechniek van de LTS de Scholengemeenschap de Hoeksteen te Enschede. Het contact met deze school is verkregen via de SLO. De contactpersoon van de Hoeksteen was een van de docenten. Het programma wordt in de try-out 's morgens gevolgd door twee groepen van twee van de vlugste leerlingen van de klas en 's middags door twee groepen van twee van de langzamere leerlingen van de klas. (In het totaal waren er dus 8 leerlingen betrokken bij deze try-out.)

Ruwe opzet

Het programma werd uitgetest in 2 sessies elk met 2 groepen van 2 leerlingen. Een grotere hoeveelheid groepjes was niet mogelijk in verband met de hoeveelheid beschikbare apparatuur (Macintosh microcomputers) en het was in verband met het rooster van de school niet mogelijk meerdere dagen het programma uit te proberen. Er werd niet met een controlegroep gewerkt omdat er geen vergelijkbare methode bekend was om juist deze materie te doceren aan deze soort leerlingen. Tijdens de try out van het computersimulatie-programma ZONNEBOILER zijn enkele foto's gemaakt.

Beoordeling

Bij de try-out van het computersimulatieprogramma hebben de volgende activiteiten plaatsgevonden.

- Het observeren van het gedrag van de leerlingen tijdens het volgen van het computersimulatieprogramma. Hieruit zouden belangrijke conclusies getrokken worden betreffende de werkwijzen die gevolgd worden door de leerlingen bij computersimulatieprogramma's. Ook kunnen bij deze observaties zwakke punten in het programma naar voren kunnen komen, bijv. punten waar leerlingen gemakkelijk vastlopen of waar het hun niets zegt.

- Het beoordelen van de handelingen van de leerlingen aan de hand van de opgaven die door hen zijn gemaakt tijdens het volgen van het programma. Hiertoe zijn een aantal proefopgaven opgesteld (lengte ca. 4 kantjes A4) waarvan ik verwachtte dat leerlingen van het nivo van de doelgroep ze ongeveer in anderhalf uur af zouden kunnen krijgen. De opgaven waren deels gesloten en deels open.

- Het interviewen van de leerlingen na afloop van de gehele sessie. In een dergelijk interview, steeds per groepje van 2 hoopte ik een beeld te krijgen van hoe men tegen dergelijke programma's en het programma ZONNEBOILER in het bijzonder aankijkt nu men eenmaal zo een simulatie heeft gevolgd. Het is mij bekend gemaakt dat geen van de leerlingen eerder met een computersimulatieprogramma heeft gewerkt. Deze interviews zouden ook dienen als uitdieping van de indruk die ik kreeg uit de observatie.

Tijdsplanning

In het kader van de tijdsplanning hebben de volgende zaken plaatsgevonden:

- Introductie van de leerlingen in het onderwerp. Dit is gebeurd door de ontwerper van het programma. Het betrof een eenvoudige uitleg van de installatie aan de hand van overheadsheets en/of het schoolbord. Deze introductie nam ongeveer 15 minuten in beslag.

- Het laten uitvoeren van het programma aan de hand van het werkblad en het observeren van de leerlingen naar de manier waarop met het programma wordt gewerkt. Dit onderdeel nam ongeveer 60 tot 75 minuten in beslag.

- Afnemen van een interview met de leerlingen om achter hun persoonlijke mening over het programma te komen. Per tweetal ongeveer 15 minuten. In totaal duurde dit onderdeel dus ongeveer 30 minuten.

Gezien deze tijdsplanning zou het gehele programma ongeveer 1.5 tot 2 uur duren. Uit overleg met een van de docenten is gebleken dat ik de beschikking had over de leerlingen gedurende 2 lesuren elk. Dit is gelijk aan ongeveer 1 uur en 3 kwartier.

Oorspronkelijk was het de bedoeling een korte voortoets respectievelijk natoets bij de leerlingen af te nemen. Dit is later weggelaten om de volgende redenen:

- Er was te weinig tijd beschikbaar.

- De attitude van de betrokken doelgroep ten opzichten van toetsen was wellicht zodanig dat het afnemen ervan een negatief effect kon hebben op de instelling van de leerlingen tijdens de eigenlijke simulatie.

- Onder andere vanwege het vrij kleine aantal proefpersonen is vooral gekozen voor een soort kwalitatieve analyse. In een dergelijke evaluatievorm kan een toets eventueel wel gemist worden.

- Bij computersimulatie wordt niet nagestreefd de leerling "harde" feiten aan te leren, er wordt zelfs bijna nooit nieuwe informatie aangedragen. Er wordt juist voortgebouwd op bij de leerling aanwezige kennis en om de motivatie te verhogen om (hierna) weer ('gewone', saaie?) lessen te willen en kunnen volgen. Het gaat bij simulaties bijna altijd om inzicht in bepaalde zaken te verkrijgen. Het is dus niet consequent om - bijv. met een natoets - te willen meten welke kennis de leerling heeft opgedaan met een programma dat niet pretendeert kennis over te dragen aan de leerling.

Maar nu zal er gezegd kunnen worden, de proefgroep van de Hoeksteen heeft helemaal geen voorkennis over het onderwerp van de zonneboiler. Dit klopt gedeeltelijk. Enerzijds hebben de mij beschikbare leerlingen niet zelf gewerkt aan de bouw van kleine zonneboilers via het project alternatieve energie van de SLO. Ze hebben echter wel al eens modellen van boilers gezien zoals die bij hen op school aanwezig zijn. En er is ook in de hal van de school bij de keuken een boilervat aanwezig dat verbonden is met collectorplaten op het dak van de school. Een eraan verbonden paneel geeft overzichtelijk via een tekening weer hoe hoog de temperatuur is van het water in het opslagvat en van de situatie in de collector. Ook de stroom van het water wordt in het paneel erg duidelijk weergegeven. Dit paneel staat vrij opvallend opgesteld en alle proefpersonen hadden er al eens naar gekeken. Omdat het project 'alternatieve energie' van de SLO spoedig zou worden afgesloten, was het voor mij niet meer mogelijk te werken met leerlingen die daadwerkelijk aan het project hebben deelgenomen.

Benodigdheden

Voor de evaluatie waren een aantal zaken nodig. In de eerste plaats twee speciale kleine, draagbare Macintosh ('512k') computers, zonder toetsenbord, maar met een muis. Verder had men uiteraard een floppy nodig met het programma ZONNEBOILER. Wat schriftelijke documentatie betreft was (is) er nodig: een handleiding voor docenten, een handleiding voor studenten (gebruikers) en een systeemhandleiding (voor een eventuele onderhoudsmonteur of de docent zelf). Verder waren (zijn) er conform de gehanteerde gebruikersfilosofie (c.q. MacTHESIS-filosofie) de volgende dingen nodig: de 'opdrachten' (de teksten op papier) en de 'casuïstiek' (de teksten op papier), om doelgericht te kunnen werken met het programma. Tenslotte het gebruikelijke materiaal dat in een dergelijke situatie nodig is, zoals papier, schrijfbenodigdheden, rekenapparaat (om dingen eventueel na te kunnen rekenen), een ruime werktafel, etc.

Casus-teksten komen overeen met 'ingeprogrammeerde' 'problemen' ('casussen') in het programma ZONNEBOILER - de software - zelf. (Voetnoot redactie.)

5.5 Resultaten

Zoals al in eerder is geschreven, hebben de leerlingen die meededen aan de evaluatie na een korte inleiding door mij aan de hand van een instructieblad gewerkt. Daar waren ook vragen van algemene aard in opgenomen. Zij moesten daarop de antwoorden invullen en deze soms ook motiveren. Verder is door mij en de docent gekeken hoe de leerlingen werkten met het programma. De volgende twee vragen hebben de evaluatie gestuurd:

- Is het programma enigszins in overeenstemming met het nivo van de ervoor beoogde doelgroep? Dit zou moeten worden gemeten door een analyse van de antwoorden op het werkblad.

- Hoe werken leerlingen van het nivo L.T.O. met een computersimulatieprogramma. Het antwoord hierop moest gevonden worden door de observatie van de leerlingen tijdens het uitvoeren van de simulatie en het gesprek na afloop.

De specifieke bevindingen zijn hier niet opgenomen, maar zijn wel in het afstudeerverslag te vinden. Deze gedetailleerde bevindingen zijn niet nodig voor de vragen die in het kader van het vak OKT1, module 3, over dit experiment bij het tentamen gesteld wordt.

Het is tijdens de observatie gedurende de sessie opgevallen dat er vrij veel met elkaar gepraat werd over wat er gedaan moest worden om een bepaalde situatie op te lossen. Het was in geen van de vier groepen eigenlijk zo dat er een van de twee leerlingen erg dominerend was en de andere niet aan de bak kwam. Men vond het over het algemeen wel leuk om ermee te werken maar het was wel te merken dat deze leerlingen niet zo erg goed met het idee van warmtestroming overweg konden. Ze hadden zelf weinig tot nooit met zonneboilers gewerkt en het duurde even tot ze in de gaten hadden wat ze met het programma aanmoesten. Met de tijdsduur die beschikbaar was hadden de betreffende leerlingen geen moeite. Alle groepjes kregen de opdrachten af, zij het bij een groep met moeite.

5.6 Discussie

Er zijn tijdens de evaluatie van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER een aantal punten naar voren gekomen die hier toch wel genoemd moeten worden.

In de eerste plaats zouden een aantal passages in het werkblad anders, beter geformuleerd kunnen worden. Dit lijkt een detail, maar een kleine formuleringsfout kan voor een leerling die erover struikelt verstrekkende gevolgen hebben. Dit komt bijvoorbeeld tot uitdrukking wanneer er staat "Hoe warm is het water nu?" in plaats van "Hoe warm is het water onder de nieuwe omstandigheden om 9 uur?".

Een duidelijke formulering van teksten is van belang voor de leerling om te "weten wat er staat", is van belang voor het leereffect van het gebruikte produkt.

In de tweede plaats is het vragen van een redenering voor een bepaalde activiteit wel degelijk zinvol voor het verkrijgen van informatie over het verwerken van de opgave door de leerling. Er is vaak uit op te maken of een leerling de opgave heeft begrepen; ook onduidelijke antwoorden zijn erdoor te ontwarren of worden er duidelijker door.

Een derde punt zijn de meetfouten, wanneer leerlingen de temperatuur om bijvoorbeeld 9 uur in de simulatie moeten meten en het meten gebeurt om iets voor of iets na 9 uur. Hier hoeft m.i. niet al te veel aandacht geschonken te worden. Dergelijke onnauwkeurigheden zijn bij dit type simulatie niet zo belangrijk. Bij dit type simulatie zijn niet zozeer nauwkeurige getallen van belang maar het inzicht dat men moet verwerven in bepaalde processen en relaties tussen grootheden.

Wat de opdrachten betreft waarbij de leerlingen creatief te werk moeten gaan zoals het binnen een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur brengen van het water in het opslagvat komt het voor dat men voor de dag komt met onrealistische oplossingen. Dit verschijnsel wordt bij wat oudere leerlingen minder en is veelal een gevolg van competitief denken.

Een algemeen principe bij het gebruik van computersimulaties is dat je leerlingen aan het begin even met het programma zonder opdrachten moet laten spelen om ze aan het programma te laten wennen. Dan hebben zij later als ze opdrachten moeten uitvoeren minder moeite met het programma en kunnen zij zich concentreren op de inhoudelijke zaken ervan. Dit is ook bij de leerlingen van de Hoeksteen het geval geweest. Eerst hebben zij ongeveer 10 minuten op eigen manier kennis gemaakt met het programma en konden er vervolgens vrij goed mee uit de voeten.

Tot zover de opdrachten zoals die zijn uitgevoerd door leerlingen van de scholengemeenschap de Hoeksteen te Enschede. In een algemeen gesprek zeiden de leerlingen dat zij het op zich een aardig programma vonden, maar dat ze toch merkten dat ze niet zoveel verstand hadden van het onderwerp. Wel hadden ze het gevoel dat ze er na het volgen van de simulatie er nu iets meer van weten. Ik had de indruk dat men iets meer inzicht gekregen had in warmtestroming (e.d.) en de motivatie om hierin verder de lessen te volgen iets was verbeterd.

Al met al hebben ik en mijn begeleiders met het uitproberen van het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER een aardig idee gekregen van hoe leerlingen van de doelgroep met een dergelijk programma kunnen werken. Het gebruik van computersimulaties lijkt ook voor het LBO/MBO in de toekomst een mogelijkheid om het onderwijs meer inhoud te geven. Het onderwijsnivo is in ieder geval geen belemmering voor het gebruiken van computersimulatie in welke opleiding dan ook.

Hoofdstuk 6 : NABESCHOUWING EN CONCLUSIES

Wanneer men kijkt naar de toepassing van computersimulatie in het onderwijs in de afgelopen jaren moet men concluderen dat deze vorm van onderwijs nog in de kinderschoenen staat. Bij de talloze hoeveelheden educatieve software die op de markt verschijnt, vallen de simulaties nauwelijks op. De nadruk heeft vooral gelegen op andere vormen van computergestuurd onderwijs zoals tutorial CAI of drill and practice. Toch is computersimulatie een niet te onderschatten leermiddel; zeker voor de toekomst. Er zitten aspecten aan die het kunnen maken tot een belangrijke poot in het onderwijs. Zo is daar de grote veelzijdigheid. Computersimulatie kan op praktisch elk veld in het onderwijs ingezet worden als men maar de beschikking heeft over wiskundige modellen aan de hand waarvan men simulaties kan maken. Ook met betrekking tot nivoverschillen zijn er meestal geen problemen. Door nivo-aangepaste casuïstiek kan een bepaald programma bijvoorbeeld zowel worden gebruikt bij leerlingen van het HAVO als voor studenten aan een universiteit. Tenslotte is een positief punt de mogelijkheid tot parallelle aanbieding van informatie. (Dat is later ook wel gebleken. Zie Min, 1992 en 1994, 1995, 1996.) De leerling heeft niet enkel de computer met het simulatieprogramma voor zich maar ook handleidingen, handboeken over het onderwerp, casussen en ander leermateriaal.

Bij de vakgroep Instrumentatietechnologie wordt nu al een aantal jaren onderzoek gedaan op het gebied van computersimulatie als leermiddel. Dit heeft uiteindelijk geleid tot het MacTHESIS- en het JavaTHESIS-computersimulatiesysteem, voor de Macintosh resp. voor het World Wide WEB waarmee computersimulatieprogramma's kunnen worden ontwikkeld, gemodificeerd en gebruikt in het onderwijs. Met het JavaTHESIS systeem kunnen nu platform-onafhankelijke simulaties worden gemaakt voor alle soorten computers zowel voor alle soorten PC's als voor NC's (netwerkcomputers). De ontwikkelingen op de Macintosh computer hebben dus geleid tot systemen die breed inzetbaar zijn. Als er direct was gekozen voor ms.dos of Wintel-computers zou het simulatie-ontwerpsysteem met haar specifieke windowing-outlook niet van de grond zijn gekomen. Nu de gewone Wintel-computers en het WEB zijn doorgebroken is de software die middels onderzoeken als dezen (op 'performance') zijn onderzocht en die daarbij past, dan ook af.

Figuur 8. Dit is een van de latere versies van ZONNEBOILER (versie april 1998?), op het world Wide Web. Dit simulatieprogramma is ontworpen en gemaakt met het latere JavaTHESIS systeem.

Was het onderzoek in het begin nog meer gericht op het voortbouwen op een bestaand systeem, in de toekomst zal men meer gericht moeten zijn op maatschappelijke ontwikkelingen en maatschappelijke behoeftes. De vraag blijft echter of alle ontwikkelingen wel te voorzien zijn. Als ze er zijn moeten er ook systemen komen. Ik wil hiermee niet pleiten voor een puur op vraag en aanbod gebaseerd onderzoeksbeleid. Als er een alternatief met betrekking tot computersimulatie onderwijskundig zeer bruikbaar is maar commercieel niet zo interessant (vgl. Macintosh) dan is het zeker zinvol daarmee door te gaan in het onderzoek. Resultaten kunnen dan worden gebruikt voor verbeteringen wanneer men de aandacht laat aftakken naar andere commercieel interessantere systemen. Met commercieel interessant bedoel ik ook de mogelijkheid tot afzet van voor het betreffende systeem geschikte software.

Welke conclusies heb ik nu kunnen trekken uit de ervaringen in het kader van mijn opdracht met betrekking tot het ontwerpen van computersimulatieprogramma's. In de eerste plaats is het voor het ontwerpen van computersimulaties van belang enig inzicht te verkrijgen in het onderwerp waarover het programma gaat dat je gaat ontwerpen. Zonder deze kennis wordt het moeilijk geschikte wiskundige modellen te selecteren en deze te beoordelen op hun bruikbaarheid. Het is daarom belangrijk - voordat men aan het ontwerpen gaat - een nauw gebied in te perken dat men als basis neemt voor zijn simulatieprogramma. Wanneer men een model over het geselecteerde onderwerp eenmaal 'aan de praat heeft' dan is het zaak het uiteindelijke computersimulatieprogramma zodanig vorm te geven dat het optimaal aansluit bij de doelgroep die men voor ogen heeft. Dit kan gebeuren door schermopbouw aan te passen of snelheid van het programma, maar ook door aangepaste handleidingen en casuïstiek. De ene handleiding is de andere niet en door taalgebruik, illustraties etc. kan met veel zaken rekening worden gehouden. Samengevat, van groot belang voor een goed computersimulatieprogramma zijn:

- een nauw omkaderd inhoudsgebied kiezen;

- een goed valide wiskundig model van het proces dat men wil simuleren kiezen of ontwikkelen;

- een goede programmeeromgeving of simulatiesysteem met documentatie kiezen;

- naast het computersimulatieprogramma goede documentatie (leerlingenhandleiding, begeleidershandleiding, opdrachten, casuïstiek) ontwikkelen en beschikbaar houden.

- voor het programma goed geschikt hardware, en een goede leeromgeving (goed licht, stevige ruime tafel, ruimte voor andere leermiddelen) kiezen.

Aanbevelingen die ik zou willen geven zijn dat ik het zinvol acht door te gaan met instrumentatietechnologisch onderzoek naar nieuwe mogelijkheden met betrekking tot computersimulatie in het onderwijs en zeker ook die te verbinden met andere typen van Computer Ondersteund Onderwijs (met name tutoriële courseware en help-systemen). In een hoog geautomatiseerde maatschappij is het van belang dat het onderwijs op dit soort nieuwe mogelijkheden - van zogenoemde 'open leeromgevingen' - inspeelt. Leermiddelen van dit type zijn geen instructiemiddelen, maar complexe 'open' leeromgevingen. De juiste balans tussen de mate van openheid en een zekere mate van coaching dient de ontwerper samen met de docent te bewaken. In dit kader zou ik ook willen pleiten voor meer contacten tussen onderzoeksinstellingen zoals TO en andere instellingen die educatieve software ontwerpen en ontwikkelen, vanwege wederzijds uitwisselen van informatie. Dit zou voor alle partijen van belang kunnen zijn. Voor de producenten van educatieve software (in het algemeen) zou het kunnen betekenen dat zij verbeteringen kunnen aanbrengen in ontwerpprocessen en methoden (op grond van onderzoeksresultaten); en voor de onderzoeksinstelling zou het kunnen betekenen dat men meer inzicht krijgt op grond van wat er speelt op de markt voor educatieve software en dat daar het onderzoeksprogramma op kan worden afgesteld. Een bedreiging hoeft dit voor geen van beiden te betekenen. De onderzoeksinstelling (bijvoorbeeld een universiteit) is geen concurrent voor de ontwikkelinstelling (bijvoorbeeld een educatieve uitgeverij en/of de SLO) bij het op de markt brengen van software; en andersom hoeft er - mits er een goede samenwerking is - minder geld in bedrijfsintern-onderzoek gestoken te worden als men de universiteiten daarin betrekt. Een dergelijke ontwikkeling kan vruchtbaar zijn voor alle betrokkenen en dienen tevens ter verbetering van de relatie tussen wetenschappelijke instellingen en het bedrijfsleven.

Herzien en herschreven ten behoeve van het vak OKT1, module 3. Enschede, 21 april 1998. Gerestaureerd in 2020

REFERENTIES

Engel, C.W. (1977) Stimulating simulations. New Yersey Hayden Book Company

Hartsuiker, A., Hondebrink, J., Laborius, V. en P. van Schaick Zillesen (1989) Een vijver in de computer. Instutuut voor Leerplanontwikkeling Enschede. ISBN 90 329 0809 X

Min, F.B.M. (1997) MacSimAuthor (version 2.0), MacSimBuilder (version 2.0) en MacTHESIS (version 4.5). Designers Manual, Projectgroep Simulation Methods and Animation Techniques, Instrumentatietechnologie, Toegepaste Onderwijskunde,Universiteit Twente (Mei/Juni 1997, 7e herziene druk)

Min, F.B.M. (1996) Parallelism in working-, learning- and doing-environments; The Parallel Instruction Theory for Coaching in Open Learning Environments for Simulation; Proceedings of EuroMedia 96; Telematics in a multimedia environment, dec.19-21, 1966; Paper. A publication of the society for computer simulation International (SCS) (Eds. A. Verbraeck & P. Geril) (published on WEB)

Min, F.B.M. (1995) Simulation Technology & Parallelism in Learning Environments; Methods, Concepts, Models and Systems.Publisher: Academic Book Center, De Lier. ISBN 90-5478-036-3

Min, F.B.M. (1994) Parallelism in open learning and working environments. Britsh Journal of Educational Technology, Article; Vol.25, No. 2, pp. 108-112. ISSN 0007-1013.

Min, F.B.M. (1993) Simulations; Experimental products with parallel instruction; CD-ROM (Macintosh version), Publisher: University Twente, Enschede; Faculty of Educational Science and Technology, vakgroep Educational Instrumentation Technology (ISM). Distribution by the University Twente. (met o.a. ZONNEBOILER; diverse versies)

Min, F.B.M. (1992) Parallel Instruction, a theory for Educational Computer Simulation. Article. Interactive Learning Intern., Vol. 8, no. 3, 177-183.

Min, F.B.M. (1987) Computersimulatie als leermiddel. Academic Service, Schoonhoven / Den Haag.

Min, F.B.M., Renkema, M. en Reimerink, B. (1987) Handleiding MacTHESIS systeem, versie 3.3x. Universiteit Twente Enschede. Manual. Interne publicatie.

Schaick Zillessen, P.G. van, (1992) Methods and Techniques for the design of educational computer simulation programs and their validation by means of emperical research. Proefschrift. Universiteit Twente Enschede. Interne publicatie.

Tamashiro, R.T. (1985) Build your own computer simulations. The computer Teacher, vol. 11, p. 36-42.

Wetterling, J. (1987) Het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER; een leermiddel voor LBO/MBO gemaakt met MacTHESIS. Docteraalverslag Universiteit Twente in samenwerking met Stichting Leerplan Ontwikkeling (SLO) te Enschede. (begeleiding: J. Deckwitz, J. Vos, R. Min en E. Warries)

Wetterling, J. en F.B.M. Min (1991) Het computersimulatieprogramma ZONNEBOILER. SCOPE no. 4-5, dec. 1991, p17-19.

Rik Min, Enschede. Gerestaureerd in 2020