Om goede lessen te kunnen ontwerpen, is het handig om te begrijpen hoe leerlingen leren. We nemen daarvoor onze cognitieve architectuur, hoe ons denken is gestructureerd, onder de loep.

Onze ervaringen uit de omgeving (zowel visueel als auditief) worden geregistreerd in ons sensorisch geheugen. Dit kan de informatie maar heel kort vasthouden. Het sensorisch geheugen selecteert de meest relevante informatie die we zullen verwerken in ons werkgeheugen, afhankelijk van het moment. Bijvoorbeeld, op het ene moment hoor je het zoemen van de airco niet, maar op een ander moment wel terwijl de airo niet ineens aanging.

Als je aandacht besteedt aan zo’n prikkel, gaat die verder naar het volgende geheugen: het werkgeheugen. Dit is de plaats waar het denken en het bewustzijn plaatsvindt. Het werkgeheugen is beperkt, we kunnen niet aan teveel dingen tegelijk denken. Geschat wordt dat we maar 2 tot 6 nieuwe elementen tegelijk kunnen verwerken en we houden die elementen in ons werkgeheugen ook minder dan 30 seconden vast als we er niets mee doen.

Het langetermijngeheugen is onze opslagtank van wat we weten en bestaat uit een verzameling van zogenaamde kennisschema’s. Dat zijn structuren die kleine kennisdeeltjes met elkaar verbinden en betekenis creëren. Kennisschema’s worden in de loop van de tijd opgebouwd door nieuwe stukjes informatie aan te haken aan al bestaande kennisschema’s. Wat permanent is opgeslagen in het langetermijngeheugen functioneert als een middel om de beperking van ons werkgeheugen te overwinnen.  Deze opslagtank kan onbeperkte hoeveelheden informatie opslaan, maar ons werkgeheugen is een trechter die maar beperkte hoeveelheden informatie kan doorsluizen naar dat grote reservoir.

Optimale belasting van het werkgeheugen: niet te veel, niet te weinig.

Deze kenmerken van ons brein hebben belangrijke didactische gevolgen, verwoord in de theorie van de cognitieve belasting. Zeker als het werkgeheugen van leerlingen nieuwe informatie te verwerken krijgt in een les is het belangrijk om de beperkingen van dat werkgeheugen te kennen.

De ‘mentale bandbreedte’ van het werkgeheugen kan gevuld worden met intrinsieke en extrinsieke cognitieve belasting.

De intrinsieke belasting wordt bepaald door de complexiteit van het te leren onderwerp. De complexiteit wordt bepaald door het aantal elementen dat moet geleerd worden, maar ook door de samenhang tussen de elementen; hoe meer nieuwe elementen en hoe meer interactie daartussen, hoe complexer. Hoe meer informatie een leerling al in zijn langetermijngeheugen heeft opgeslagen, hoe minder complex het totaalplaatje wordt. Intrinsieke belasting valt moeilijk te veranderen. Zo moeten leerlingen nu eenmaal soms complexe leerstof leren. Een ruimere voorkennis van de leerlingen kan er wel voor zorgen dat de intrinsieke belasting van nieuwe leerstof verlaagd wordt.

De extrinsieke belasting is alle belasting die niet met de inhoud van de leerstof te maken heeft, bijvoorbeeld de instructie waarmee de leerstof wordt gepresenteerd. Minder effectieve didactiek kan voor die ongewenste extrinsieke belasting zorgen en het leren belemmeren. Zo kan een filmpje met te veel of zelfs afleidende  achtergrondgeluiden grote extrinsieke belasting opleveren. Als de cognitieve belasting te hoog wordt, belemmert dit niet alleen het leren maar ook de vertaling van wat we hebben geleerd naar nieuwe situaties. Om het leren te bevorderen wordt best de extrinsieke belasting geminimaliseerd (bijvoorbeeld door complexe didactische aanpakken te vermijden) zodat zoveel mogelijk bandbreedte beschikbaar blijft om de intrinsieke cognitieve belasting veroorzaakt door de leerstof te verwerken.

Van de volgende instructieprincipes weten we bijvoorbeeld dat ze de cognitieve belasting optimaliseren: het voortbouwen op aanwezige voorkennis, het aanbieden van leerstof in gestructureerde, beheersbare delen, het leren van voorbeelden, het combineren van woord en beeld en het ondersteunen bij moeilijke opdrachten.

De leraar als vakexpert beschikt over een grondige kennis, over veel gedetailleerde en complexere kennisschema’s in het brein. Beginnende leerlingen hebben die kennis nog niet. Ze hebben in hun hoofd nog geen kennisschema’s opgebouwd. Bekijk bijvoorbeeld onderstaande afbeelding:

Als je geen expert bent in schaken, zie je waarschijnlijk vooral een schaakbord en schaakstukken. Een expert put uit zijn langetermijngeheugen en ziet een variant van de Siciliaanse opening. Dat is een bekende beginopstelling in het schaakspel, die je zeker herkent als je een expert bent. Je kunt deze parallel ook trekken met lessituaties. Een leerling ziet het schaakbord anders dan de leraar. De leerling ziet het schaakbord en schaakstukken, de leraar als expert ziet de Siciliaanse opening. Wat je weet, bepaalt wat je ziet en niet omgekeerd. 

Hoe anders denken experts en beginners dan?

Een leraar is een vakexpert en beschikt over uitgebreide, complexe en gedetailleerde kennisschema’s ter zake. Doordat deze cognitieve schema’s in het langetermijngeheugen zijn opgeslagen, kan die zich daarop beroepen bij het nadenken over onderwerpen. De aanwezige kennis is niet louter en alleen een kwantitatief gegeven, maar bepaalt eveneens de kwaliteit van het denken. Een expert ziet bepaalde verbanden, begrijpt de onderliggende principes van een specifiek probleem en kan hierdoor gebruik maken van effectieve oplossingsstrategieën. 

Bij leerling-beginners, zijn deze schema’s nog niet aanwezig, waardoor zij zich bij het bedenken van oplossingen voor problemen baseren op oppervlakkigere kenmerken van het probleem. Een gevolg hiervan is dat zij zich gaan beroepen op minder effectieve oplossingsstrategieën die het leren zelfs kunnen belemmeren. 
Mogelijk hebben beginners zelfs misvattingen over het onderwerp opgeslagen in het geheugen. Hoewel een zeer lastige oefening, is het belangrijk te achterhalen wat leerlingen reeds weten waarbij eveneens hun eventuele misvattingen aan de oppervlakte gebracht worden.

Een beginner kan nieuwe leerstof niet aan bestaande kennis koppelen en heeft het dus veel moeilijker om deze op te slaan. Het is belangrijk hiermee rekening te houden wanneer nieuwe leerstof wordt aangeboden.

Tot slot is het zo dat leerling-beginners niet zo sterk zijn in het inschatten van de mate waarin zij bepaalde kennis en vaardigheden beheersen, en dit net omdat ze weinig expertise ter zake hebben. Hierdoor kunnen zij een specifiek vakgebied niet goed overzien. Ze weten als het ware niet wat ze niet weten.

Leerkracht-experten hebben dus een belangrijke rol te vervullen in het ervoor zorgen dat leerling-beginners zich de  kennis en vaardigheden van een vakgebied eigen maken. Hierbij dient rekening gehouden te worden met de voorkennis van de beginners (of het ontbreken daarvan). Hierdoor zullen zij op een andere wijze dan de leraar-expert tegen problemen en oplossingen eigen aan het vakgebied aankijken. 

Daarover handelt het inzicht de rol van voorkennis: beginners denken anders dan experten. Wat betekent dit precies? Waarin verschilt hun manier van denken? Wat zijn de gevolgen daarvan voor de klaspraktijk?  

EXTRA – Een beetje kennis over kennis

Verwarring tussen kennis en informatie

Verwar informatie niet met kennis. Informatie staat in een boek, op het internet of hoor je vertellen. Kennis is al verwerkte informatie. Er is betekenis gegeven aan de informatie in je hoofd. Om te kunnen beoordelen of informatie correct is, is juist veel kennis noodzakelijk (in tegenstelling tot wat sommigen beweren in deze tijden). Geloof je ons eigenlijk wel als we zeggen dat de schaakopstelling de Siciliaanse opening is? Ook in tijden van Google en nepnieuws is het van groot belang dat leraren een brede, cultureel rijke en gevarieerde kennisbasis hebben en bijbrengen. Zonder achtergrond kun je informatie niet naar waarde schatten.  

Is een vaardigheid dan geen kennis?

Intussen hebben we flink wat kennis over wat kennis is. Kennis gaat over veel meer dan rijtjes betekenisloze gegevens in je hoofd stampen. De volgende soorten kennis komen in veel typologieën aan bod.

Declaratieve kennis is ‘weten wat’. Het is de kennis van feiten en concepten. Feiten zijn basiselementen uit een kennisdomein die paraat dienen te zijn, zoals namen, symbolen en formules. Concepten zijn verbindingen tussen feiten en omhelzen al ruimere begrippen, zoals theoriën, principes en categorieën.    Het vermogen delen van het spijsverteringsstelsel te benoemen, de kernmerken van de nomadische stammen te beschrijven of de tweede wet van Keppler te verklaren zijn allemaal voorbeelden van declaratieve kennis.

Procedurele kennis is ‘weten hoe en wanneer je verschillende procedures, methoden, theoriën, stijlen, … moet toepassen’. Het vermogen om sommen op te lossen, plantensoorten te determineren en een koprol te maken zijn voorbeelden van procedurele kennis. Ook weten wanneer je die vaardigheid moet toepassen valt onder deze categorie. Onder leraren wordt procedurele kennis ook soms vaardigheid genoemd, maar het is wel degelijk kennis. Pas als je in staat bent een procedure snel en foutloos uit te oefenen, heb je die ‘vaardigheid verworven’. Een vaardigheid is dus in wezen vlekkeloos toegepaste kennis. Zonder kennis van zaken geen vaardigheid, maar kennis zonder vaardigheid is natuurlijk evenmin verrijkend.

Metacognitieve kennis is de kennis over hoe we zelf denken en leren. 

Grondige vakkennis, laten we het expertise noemen, blijft dus cruciaal bij het onderwijzen. Die expertise stelt de leraar in staat om de leerstof op een juiste manier in te schatten en op de leerlingen over te brengen. Leerstof is niets anders dan ‘vermomde’ achtergrondkennis, door een expert voor de beginner in begrijpelijke vorm gegoten.  Daarvoor moet je vooral het mentale schema van de expert als van de beginner kennen. Als je bijvoorbeeld de Siciliaanse opening probeert uit te leggen aan een leek, dan is dat vrijwel onmogelijk als de noodzakelijke mentale schema’s in je hoofd ontbreken.    

Naast vakkennis heeft de leraar ook kennis nodig om die leerstof helder op de leerling over te brengen. Hoe het vak te onderwijzen, en in het algemeen, hoe te onderwijzen, staat bekend als vakdidactische kennis en pedagogisch-didactische kennis.

Vakdidactische kennis is de kennis over de wijze waarop het specifieke vak of onderwerp moet worden onderwezen.

Pedagogisch-didactische  kennis is de kennis van effectieve onderwijsmethoden en soorten didactiek en ook weten wanneer het goe dis een bepaalde didactische werkvorm in te zetten. Ook het hebben van een mentaal model van hoe leerlingen leren hoort hierbij. 

Overbrengen van vaardigheden: mission impossible?

De twee vorige paragrafen onderstrepen het belang van kennis. Toch hoor je steeds vaker dat er nu andere doelen voor het onderwijs zijn, zoals kritisch denken, creativiteit, problemen oplossen, communiceren en samenwerken, de zogenaamde ‘21^ste eeuwse’ vaardigheden. Los van het feit dat deze vaardigheden van alle tijden zijn (ze werden aangewend bij de uitvinding van het wiel) , zijn ze wel belangrijk en nodig om als zelfstandige, denkende, kritische en verantwoordelijke mensen deel te nemen aan de samenleving. Deze vaardigheden zijn echter niet aan te leren zonder context, zonder achterliggende kennis van zaken. We weten uit onderzoek dat deze zogenaamde ‘generieke vaardigheden’ helemaal niet zo generiek zijn, want niet gemakkelijk over te brengen van het ene domein naar het andere.

We illustreren dit met vier van deze vaardigheden.

• Kritisch denken: een leerling die in de geschiedenisles  historische bronnen over de Eerste Wereldoorlog kritisch analyseert, is niet automatisch in staat een kritische mening te vormen over klimaatopwarming in aardrijkskunde. Kritisch kunnen nadenken is contextgebonden en staat of valt met achtergrondkennis over het onderwerp.
• Leesstrategieën: een leerling kan na een training in leesstrategieën niet automatisch de essentie uit elke willekeurige tekst begrijpen, want daarvoor heeft hij een dieper begrip van de inhoud nodig.  Zelfs een leraar met een grondig begrip van leesstrategieën begrijpt waarschijnlijk weinig van een wetenschappelijke publicatie van Stephen Hawking.
• Leren studeren: een leerling die aparte lesjes ‘leren leren’ heeft gehad, wordt niet ineens een betere student. ‘Leren leren’ doe je vooral als je ook ‘iets’ leert en niet alleen maar informatie krijgt over de aparte studeertechnieken. 
• Probleemoplossende vaardigheden: een leerling die leert programmeren leert niet automatisch probleemoplossend denken. Hij wordt gewoon beter in programmeren.

Dit betekent niet dat we bovenstaande vaardigheden niet moeten stimuleren. Maar er is een groot verschil tussen doel en middel om dat doel te bereiken. Zo kan je een betere probleemoplosser worden door voorbeelden te bestuderen en daarna te oefenen, een betere student worden door te leren in een concrete context. Kritisch denken over verschillende domeinen heen kan gestimuleerd worden door algemene kennis te hebben over het verschil tussen oorzakelijkheid (causaliteit) en verbanden (correlaties). Goede instructie, door bijvoorbeeld te modelleren en metacognitie te stimuleren, maakt het overbrengen van vaardigheden mogelijk. Diepgaande kennis en begrip is de grondstof waarmee je vaardigheden toepast en ontwikkelt. Elk vak heeft daarbij zijn eigen taal en aanpak. Zonder basiskennis in afzonderlijke vakken is het moeilijk om die belangrijke vaardigheden te stimuleren. Vaardigheden als kritisch denken, samenwerken en problemen oplossen zijn belangrijk. Maar we weten dat ze moeilijk of niet zijn over te brengen naar een andere context wanneer je geen kennis hebt van die andere context. Het aanbieden van relevante leerstof in verschillende vakken, samen met goede instructie, versterkt het ontwikkelen van diepgaande kennis. Die heb je nodig om bovenvermelde vaardigheden te ontwikkelen.

Als bepaalde leerstof eenmaal is begrepen, is het zaak om die vast te houden. Dat wil zeggen dat er gezocht wordt naar werkvormen die ervoor zorgen dat de kennis en vaardigheden ook op lange termijn nog bruikbaar zijn. Ironisch genoeg speelt het vergeten hier een belangrijke rol in. Er is een onderscheid tussen leren (op lange termijn) en presteren (op korte termijn). In een schoolse context zijn beide belangrijk. We willen dat leerlingen juiste antwoorden kunnen geven in de les (= prestatie) maar ook dat leerlingen na een paar weken de leerstof nog beheersen (=leren).

Soms is er een spanningsveld tussen presteren en leren: snel of onmiddellijk presteren in de les leidt niet altijd tot leren op lange termijn. Het is goed om in de les werkvormen te gebruiken waarbij het leren bewust moeilijker wordt gemaakt en dus wordt vertraagd. Wanneer je alle oefeningen over één onderwerp bundelt dan heeft de leerling de illusie van competentie. Hij maakt snelle vorderingen en voelt zich comfortabel bij wat hij oefent. Als er verspreid in de tijd wordt geoefend, bijvoorbeeld driemaal een halfuurtje verspreid over een paar dagen, wordt een leerling tijdens het tweede oefenmoment geconfronteerd met het eigen ‘vergeten’. Dat is precies de wenselijke moeilijkheid: die verplicht de leerling om harder na te denken om zich iets te herinneren, waardoor het op de lange termijn beter zal onthouden worden. Leren gebeurt dus als mensen hard moeten nadenken. De snelheid van ons vergeetproces kunnen we vertragen door vaker te oefenen. Andere voorbeelden van wenselijke moeilijkheden zijn het afwisselen van oefeningtypen in plaats van steeds dezelfde oefeningentypen na elkaar te oefenen en het testen in plaats van het passievere herlezen. Prestaties tijdens de les blijken dus geen perfecte indicator om te zien hoe effectief leerlingen echt leren.  Een werkvorm die ervoor zorgt dat er ‘foutloos’ wordt geoefend, is geen garantie op succes op langere termijn. Dit heeft ook consequenties voor bijvoorbeeld formatief evalueren.

We benadrukken tot slot dat moeilijkheden ook onwenselijk kunnen zijn tijdens het leren. Wenselijke moeilijkheden zijn wenselijk omdat ze het herinneringsproces stimuleren. Ze komen op het juiste moment om het vergeten ‘aan te vallen’.  Maar als de leerling niet de nodige voorkennis of vaardigheden heeft om succesvol te reageren op de moeilijkheden, dan worden de moeilijkheden onwenselijk en wordt de cognitieve belasting overschreden.

Barak Rosenshine maakte voor de UNESCO een overzicht van de lerareneffectiviteitsstudies, wat een lijst van 17 principes voor instructie opleverde. Zijn werk krijgt de laatste jaren ruime aandacht binnen onderwijsonderzoek en -praktijk. Ervaren leraren die dit lijstje zien, herkennen hierin vast wel het ABC van het lesgeven.

Wat opvalt is dat veel van die effectieve gedragingen kunnen verklaard worden vanuit de cognitieve psychologie. Zo kan het twee principe van Rosenshine verklaard worden vanuit de cognitieve belastingstheorie.

Recenter stelden ook Kyriakides en Creemers een overzicht op van gedragingen van effectieve leraren en ook hier vallen de parallelen met de vorige vier inzichten op. Dat is goed nieuws, want dat betekent dat de bevindingen uit beide wetenschapsvelden vrij betrouwbaar zijn. Gedragingen van effectieve leraren zijn zelden spectaculair maar sluiten wel aan bij wat we weten vanuit de cognitieve psychologie.