STEM-onderwijs is de sleutel voor heel wat huidige en toekomstige uitdagingen. De Verenigde Staten ervaarden net als Vlaanderen een gebrek aan fundamentele kennis van STEM-disciplines. Ze stelden een commissie samen ‘Committee on a Conceptual Framework for New K-12 Science Education Standards’, die een kader ontwikkelden voor K-12 wetenschapseducatie. K12-educatie omvat kleuter- tot en met secundair onderwijs. In dit kader gaan ze ervanuit dat elke leerling aan het einde van het secundair onderwijs (in de 12de klas of 6de middelbaar):

1. waardering heeft voor de schoonheid en het wonderbaarlijke van wetenschap;

2. voldoende kennis heeft over wetenschap en techniek zodat hij kan deelnemen aan discussies over het onderwerp;

3. gebruikmaakt van wetenschappelijke en technische kennis in zijn dagelijks leven;

4. in staat is om een leven lang te leren over wetenschap;

5. over de juiste vaardigheden beschikt om een carrière te kiezen die hij wil, inclusief een carrière in wetenschap, techniek of STEM.

De commissie oordeelde dat STEM moet focussen op een gelimiteerd aantal disciplinaire kernideeën en verbindende concepten. STEM-onderwijs moet zo ontwikkeld worden dat STEM-lerenden voortdurend verder bouwen aan hun kennis en vaardigheden en deze ook verder uitbreiden. De commissie raadde aan om te werken rond drie grote dimensies, namelijk wetenschappelijke en technische toepassingen, vakoverschrijdende concepten en kernideeën. Deze kernideeën komen uit vier disciplines: natuurkunde, biowetenschappen, aard- en ruimtewetenschappen en techniek, technologie en toegepaste wetenschappen. Om betekenisvol leren bij STEM-lerenden te verhogen acht de commissie het nodig om bovenstaande drie dimensies te integreren in de richtlijnen, het curriculum, de instructies en de beoordeling van STEM-onderwijs.
 
Ook in Vlaanderen willen wij graag aan de slag gaan met de verbindende concepten. Deze concepten maken de brug tussen verschillende disciplines.
“Some important themes pervade science, mathematics, and technology and appear over and over again, whether we are looking at an ancient civilization, the human body, or a comet. They are ideas that transcend disciplinary boundaries and prove fruitful in  explanation, in theory, in observation, and in design.” (American Association for the Advancement of Science, 1989)
 
Deze verbindende concepten helpen dus onze STEM-lerenden om binnen een georganiseerd kader kennis van verschillende disciplines te verbinden in een samenhangende en wetenschappelijk ondersteunde kijk op de wereld. De concepten helpen met andere woorden de STEM-lerenden om tot een cumulatief, coherent en bruikbaar begrip van STEM te komen.
 
De zeven verbindende concepten zijn (National Research Council, 2012; National Science Teachers Association, 2014):

1. Patronen. Geobserveerde patronen van vormen en gebeurtenissen ondersteunen het organiseren en classificeren. Ze roepen ook vragen op over relaties en de factoren die deze relaties beïnvloeden. Patronen herkennen gebeurt automatisch van jongs af aan. Gaandeweg leren STEM-lerenden om de herkende patronen ook te classificeren en zelfs determinatietabellen op te stellen. Uiteindelijk zouden ze ook patronen moeten kunnen ana lyseren in functie van veranderingen en evalueren in verschillende omstandigheden en bij elke schaal.

2. Oorzaak en gevolg. Gebeurtenissen hebben oorzaken, die heel eenvoudig, maar ook eerder veelzijdig of complex kunnen zijn. Een belangrijke wetenschappelijke activiteit is oorzakelijke relaties en verba nden (causaliteit) onderzoeken, deze te verklaren of te weerleggen en de mechanismen ontdekken die deze relaties veranderen. Deze mechanismen kunnen dan getest worden in gegeven contexten en gebruikt worden om gebeurtenissen in nieuwe contexten te voorspellen en te verklaren. Vragen van STEM-lerenden verschuiven van ‘Hoe of Waarom gebeuren dingen binnen een systeem?’ naar ‘Welk mechanisme zorgt ervoor dat dit gebeurt?’ en ‘Welke condities zijn noodzakelijk zodat dit gebeurt?’. Probabiliteit en statistiek helpen bij het argumenteren van de causaliteit.

3. Schaal, verhouding en hoeveelheid. Systemen en processen variëren in grootte, tijd, hoeveelheid energie en in de relatie tussen de verhouding van de verschillende hoe veel heden ( groot heden en eenheden). Verandering in schaal, steekproefgrootte en hun verhouding kunnen effect hebben op de structuur en werking van een systeem, zoals extrapoleren va n data (wetenschappen), constructie op grote schaal bouwen (techniek) en macroscopisch versus microscopisch. Het herkennen van wiskundige relaties start met tellen en meten en breidt uit tot het interpreteren van grafieken en tabellen.

4. Systemen en modellen. De natuurlijke en niet-natuurlijke wereld is te groot en complex om in één keer te onderzoeken en te begrijpen. Onderzoekers en studenten leren daarom systemen, kleinere delen binnen die wereld, te definiëren. Een systeem is een georganiseerde groep van gerelateerde objecten of componenten die interageren en samen een geheel vormen. Het bestudeerde systeem wordt bijvoorbeeld gedefinieerd door het bepalen van grenzen, de ‘flow’ en het maken van een expliciet model van dit systeem. Dit definiëren helpt bij het begrijpen en testen van ideeën die van toepassing zijn voor wetenschappen en engineering.

5. Energie en materie. Het bepalen van ‘flows’ of cycli aan de ene kant of het behoud van energie of materie aan de andere kant helpen bij het begrijpen van de mogelijkheden en beperkingen binnen een systeem. In om het even welk systeem kunnen bepaalde geconserveerde grootheden enkel veranderen door transfer van energie of materie in of uit het systeem. Deze wetten van behoud limiteren wat er wel en niet kan gebeuren binnen een systeem. Het gebruik van een universele taal voor energie en materie over de verschillende disciplines heen is noodzakelijk om misconcepties te vermijden.

6. Structuur en functie. De manier waarop een object of levend organisme is gevormd met zijn substructuren, bepaalt zijn eigenschappen en functies. Vorm, structuur en functie zijn complementaire aspecten van voorwerpen, organismen en systemen. Structuur of vorm ondersteunt hierbij de functie en omgekeerd. Systemen kunnen daarbij meerdere functies omvatten.

7. Stabiliteit en verandering. Het enige dat constant is, is verandering. Binnen een systeem is het belangrijk te observeren wat er wel of niet verandert. Stabiliteit is een conditie waarbij sommige aspecten binnen een systeem niet veranderen, tenminste voor de schaal waarbij ze geobserveerd worden. Wanneer de schaal verandert na het in- of uitzoomen in een systeem volgens tijd of grootte kan het zijn dat de oorspronkelijke stabiliteit niet meer geobserveerd kan worden. Een stabiele conditie kan de vorm van een statisch of dynamisch evenwicht met een stabiele in- en uitstroom aannemen. Bij extreme omstandigheden kunnen andere factoren een onevenwicht of disequilibrium veroorzaken. Een patroon dat zich cyclisch in stand houdt, kent meestal interne feedbackmechanismen (positief of negatief) die zorgen voor de stabiele werking ervan, zoals bij de hormoonhuishouding of het regelen van de temperatuur in een woning.

 
De volgende posters ondersteunen deze 7 verbindende concepten en zijn op elk niveau bruikbaar binnen het basis- en secundair onderwijs.