TEEMA 4.

On tullut aika käsitellä kurssin viimeinen teema-osuus. Tämä osuus koskee koulussa pidettävää ja mallintamista ja/tai visualisoimista sisältävää opetustuokiota. Kommentoin tässä merkinnässä itseni ja parini pitämän opetustuokion lisäksi toisen parin opetustuokiota, jota kävin seuraamassa. Nämä opetustuokiot olivat tuokioiden kohderyhmästä johtuen kiitettävän erilaisia.

Pidin opetustuokion parini Henri Tunturin kanssa hänen vanhassa opinahjossaan Vuosaaren lukiossa. Kysellessään sopivaa tuokionpitoajankohtaa, onnistui Henrin hankkia meille puolen tunnin opetusaika KE3-kurssilta. Päätimme pitää opetustuokion EDUMOL-ohjelmasta, koska meistä ilmaisen, suoraan selaimessa (ja älypuhelimella) toimivan molekyylimallinnusohjelman esitteleminen olisi todella hyödyllistä lukiolaisille -antaisihan se heille työkalut tarkastella helposti erilaisten molekyylien rakennekaavoista vaikeasti hahmoteltavia 3D-malleja ja antaisi vielä tietoa niiden varausjakaumista ja muista laskennallisista ominaisuuksista. Lisäksi tuntia seuraava opettaja saisi mahdollisesti uuden työkalun kemian opetukseensa.

Sunnitelmamme opetustuokiolle oli seuraavanlainen:

Ohjaustuokion suunnitelma

16.11. Vuosaaren lukio, klo 15.00

Pidämme lukion kemian 3. kurssin ryhmälle 30 minuutin ohjaustuokion, jossa esittelemme edumol.fi -sivuston tarjoamaa molekyylimallinnusohjelmaa ja sen ominaisuuksia. Tarkoituksena on antaa opiskelijoille työkalu, jonka avulla voivat harjoitella molekyylien rakennekaavojen piirtämistä ajatellen esimerkiksi tulevia sähköisiä ylioppilaskokeita. Lisäksi opiskelijat voivat kyseisen sivuston avulla syventää ymmärrystään erilaisten molekyylien poolisuudesta ja avaruudellisesta rakenteesta.

Tavoitteet

• Opiskelija kykenee muodostamaan molekyylejä EDUMOL -ohjelmalla ja arvioimaan niiden reaktiivisuutta
• Opiskelija syventää ymmärrystään molekyylien rakennekaavan ja kolmiulotteisen rakenteen välillä
• Saamme kokemusta TVT-opetuksesta (opiskelijat käyttävät koneita ja älypuhelimia)
• LOPS 2015: osaa käyttää erilaisia malleja ilmiöiden kuvaamisessa ja selittämisessä sekä ennusteiden tekemisessä

Tuokion kulku

• Aluksi esittelemme opiskelijoille ohjelman ja sen tärkeimmät ominaisuudet molekyylien piirtämisen ja kolmiulotteisen rakenteen tarkastelun osalta. (10 min)
• Tämän jälkeen opiskelijat saavat tehtäväkseen etsiä epigallokatekiinigallaatin (EGCG) rakenteen. Opiskelijoiden tulee nimetä kyseisestä molekyylistä erilaisia funktionaalisia ryhmiä ja pohtia, mitkä rakenteista luultavimmin ovat reaktiivisia. Tässä he voivat käyttää apunaan molekyylin jakautunutta elektronitiheyttä sekä molekyylin kaksiulotteista rakennekaavaa. Opiskelijat voivat tehdä tämän omilla älypuhelimillaan tai tietokoneilla. (10 min)
• Lopuksi käymme yhdessä tehtävää läpi ja esittelemme Henrin kandidaatintutkielman pohjalta EGCG -molekyylin kemiaa. (10 min)

Arviointi

Opiskelijoiden oppimista opetustuokion aikana voidaan arvioida seuraamalla heidän toimintaansa EGCG -molekyylin tutkimisen yhteydessä. Lisäksi erilaiset opiskelijoiden ajattelua ohjailevat kysymykset EDUMOL -molekyylimallinnusohjelman läpikäynnin yhteydessä auttavat ohjaajia näkemään opiskelijoiden tietotason. Opiskelijoiden tekniset kysymykset ohjelman käytöstä antavat yleisen kuvan opiskelijoiden sisäisistä malleista liittyen molekyylimallinnusohjelman käyttöön. Näihin paneutuminen auttaa kehittämään omaa opetusta.

Saimme tunnin kulumaan käytännössä täysin suunnitelmamme mukaisesti. Hauskan yhteensattuman seurauksena kyseiselle lukioryhmälle oli varattu täysin opetustuokiostamme riippumatta tietokoneluokka, jossa opiskelijoiden oli tarkoitus tehdä estereihin liittyvää raporttia Chem Sketch-ohjelmaa hyväksikäyttäen. Pystyimmekin nyt antamaan heille toisen työkalun raportin tekoa varten.

Opettajan antaman palautteen perusteella, opetustuokiomme meni kaiken kaikkiaan hyvin. Kehitysehdotuksena hän huomautti, että voisimme alun ohjelman esittelyn ohella laittaa opiskelijat heti tekemään jotain aktiviteettia. Lisään vielä omaksi huomautuksekseni opintotuokiosta sen, että vaikka lukiolaiset pääasiassa tekivät heille annetut tehtävät ja vastasivat heiltä kysyttyihin kysymyksiin, olivat he ehkä aavistuksen apaattisia ja epäaktiivisia opetustuokiotamme kohtaan (vastauksia kysymyksiin siis tuli, mutta niitä piti hieman kaivella). Tämä johtui mielestäni pääasiassa siitä, että heillä oli tuo edellä mainittu raportin teko kesken ja luultavasti heidän ajatuksensa olivat pitkälti tämän projektin pauloissa. Tästä syystä mahdollinen poissaolevaisuus opiskelijoiden taholta oli mielestäni täysin ymmärrettävää.

Mitä tulee seuraamaani toisen parin opetustuokioon, niin se ei olisi voinut olla toteutustavaltaan omaamme erilaisempi. Tämä oli ymmärrettävää, sillä kyseinen opetustuokio pidettiin Oulunkylän Alakoulun 1. luokan oppilaille. Tästä johtuen opetustuokion täytyi sisälttää kokoajan erilaista toimintaa, jotta lasten vireyttä ja mielenkiintoa saataisiin pidettyä yllä. Aiheena opetustuokiolla oli vesi ja veteen liittyviä ominaisuuksia mallinnettiin jos jonkin laisilla mallinnusvalineilla -oli rakennettavia vesimolekyylejä, tietokonesimulaatiota sekä vedenkeittimellä suoritettu veden olomuodon muutos.

Viime visiitistäni alakouluun on jokunen tovi ja minusta oli riemastutta huomata, että lukiota ja peruskoulun ylempiä luokkia vaivaava apatia loisti alakouluryhmässä poissaolollaan -oppilaat olivat innokkaita ja puheliaita ja ennen kaikkea läsnä opetustilanteissa. Ymmärrä täysin, miksi jotkut opettajat haikailevat alempien luokkien opettamisesta. Kuinka paljon mukavempia lukionkin oppitunnit olisivat, jos lukiolaisilla olisi samanlainen innostus oppimisen riemu kuin näkemilläni ekaluokkalaisilla?

Tulevissa merkinnöissä vastailenkin sitten jotain vielä tekemättömiin tehtäviin.
  

Tehtävä 6.

OSA 1

Seuraavaksi olisi vuorossa EDUMOL:illa työskentelyä. Nyt, kun olen käyttänyt kyseistä ohjelmaa enemmän, on sen kanssa työskentelystä tullut suhteellisen vaivatonta. Ohjelma antaa mm. visualisoida elektronitiheydet ja molekyylien osittaisvaraukset sekä atominumerot ja kemialliset symbolit. Lieviä ongelmia on sidospituuden ja -kulman mittaamisessa -tuntuu kuin ohjelma ei aina oikein vastaa hiirenpainamista.

Ja tässä komea kuva aspartaamista:

Ei minulla sitten muuta.

Tehtävä 5.

Tässä kyseisessä tehtävässä olisi tarkoitus leikkiä hieman ChemSketch-ohjelmalla ja mallintaa jotakin orgaanista molekyyliä. Mallinnettavaksi molekyyliksi valitsen luonnollisesti kuningasalkoholin eli etanolin. Ja eikun mallintamaan:

Sain mallinnettua hyvin etanolin rakennekaavan:

  

En onnistunut siirtämään rakennetta 3D-muotoon Kumpulassa käyttämälläni ChemSketchillä, mikä voi johtua siitä, että Kumpulassa oleva versio oli vuodelta 2005. Päivittänen tähän merkintään 3D-kuvat kunhan saan käyttööni uudemman version ohjelmasta.

Mitä tulee molekyylienmallien hyödyllisyyteen kouluopetuksessa (tehtävän annossa kysytään tätä), niin minusta oppilaiden olisi hyvä nähdä näiden mallien avulla molekyylien muoto ja oppia molekyylien 3D-mallien yhteys näiden rakenne kaavoihin. 

PÄIVITYS:

Latasin ohjelman omalle koneelleni ja tässä olisi sitten tehtävän pyytämät pallo-tikku- ja kalottimallit:

TEEMA 3.

Tämän merkinnän tarkoituksena olisi puhua erilaisista TVT-mallinnustyökaluista ja niiden käytöstä kouluopetuksessa. Koska oma kokemukseni erilaisista TVT-työkaluista on jokseenkin minimaalinen, tyydyn suurimmaksi osaksi selittämään, minkä tyyppisiä TVT-työkaluja suosisin tietynlaisissa opetustilanteissa (pyrin mainitsemaan niiden TVT välineiden nimet mitkä muistan). Ja eikun asiaan.

Vähän aikaa sitten pääsin lopulta tutkimaan Spartan-mallinnusohjelmaa ja se sisältö, mitä ohjelmasta ehdin ottaa irti, vaikutti oikein lupaavalta. Pidän kovasti ohjelman tavasta näyttää erilaisten molekyylien varausjakaumia ja mallit soveltuvat hyvin jokseenkin hankalan elektronien delokalisaation sekä molekyylien välisten vuorovaikutusten, kuten dipolisidosten selittämiseen. Ohjelma mahdollistaa myössiirtymiset mikro- ja symbolitason välillä. Oletan myös (en siis ole täysin varma), että ohjelma mahdollistaa sinne muualta tuotujen (esim. erilaisista tietopankeista) molekyylien mallintamisen. Mikäli Spartania ei ole käytettävissä omassa koulussa, on sen "köyhän-miehen-versio" EDUMOL jokseenkin käyttökelpoinen korvike (paitsi, että varausjakaumat puuttuvat tai en vain osannut lisätä niitä tekemiini molekyyleihin).

Spartanilla tehty molekyylimalli varausjakaumineen.

Kuten olen jo useammassa blogi-merkinnässäni todennut, käyttäisin dynaamisien kemiallisien systeemien opettamiseen tietokone simulaatioita. Esim. galvaanista kennoa simuloiva ohjelma Voltaic Cell Virtual Lab toimii omissa tiedostetuissa puitteissaan oikein hyvin. Lisäksi esittäisin useimmat termodynaamiset systeemit ja kaasulait TVT-simulaatioina, joita löytää aika hyvin Internetistä, kuten myös kemiallisia tasapainotiloja kuvaavat simulaatiot. Materiaalin Phet-simulaatiot vaikuttavat tähän hommaan ihan toimivilta. Tietysti kaikki edellämainitut dynaamiset systemit voisi opettaa myös animaatioiden avulla.

Jos jonkinlaista mallinnusohjelmaa vielä haluaisin niin sellaista, jonka avulla voisi toimivasti opettaa atomi orbitaaleja tai orbitaalien hybridisoitumista. Tällaisia ohjelmia voi olla jo olemassa, mutta en ole niihin vielä törmännyt (eli jos joku tietää niin ilmoitelkaa). Orbitaalit kun ovat sen verran visuaalisia, että niiden opettaminen olisi minusta mielekkäintä juuri visuaalisten mallien avulla. Ja jos oppilaat saisivat mallintaa niitä vielä itse jollakin tietokone-ohjelmalla, niin vielä parempi. Tosin en ole enää varma, mitä orbitaaleista tullaan uudessa lukion OPS:issa opettamaan.  

Yliopilaskirjoitusten sähköistymisestä johtuen, uskon näiden TVT-ohjelmien käytön lisääntyvän valtaisasti kemian opetuksessa. Opettajille näiden uusien työkalujen käytön opetteleminen voi tuntua hankalalta, mutta onneksi kuulun itse siihen murrosryhmään, joka ei ole vielä leipiintynyt perinteisten opetustyökalujen käyttöön, eikä näiden uusien TVT-työkalujen käytön opettelu ole siksi itselleni mikään ylivoimainen haaste. Aika näyttää, milllaiseksi koulumaailma ja sen kemian tunnit muuttuvat tulevaisuudessa uusien TVT-työkalujen yleistyessä ja uusien opetustavoitteiden tullessa voimaan.

Tehtävä 4.

Aika pureutua seuraavaan tehtävään. Materiaalin artikkelit ovat oikein lähellä sydäntäni, koska kvanttikemia on jostain syystä lähellä sydäntäni. Pidän itse erittäin hyödyllisenä tuota energiatasoista opettamista eli sitä, että erillaisille yhdisteille voidaan esittää oma Gibsin-energiataso. Näistä tasoista kun käy ilmi, eetä mitä alemmalla energiatasolla yhdiste on, sitä yleisempi se on luonnossa. Energiatasoista näkyy muutenkin se minusta luontoa kaikkein eniten leimaava ominaisuus, että luonto menee yleensä aina siitä, mistä aita on matalin.

Lukion kemian opetuksessa energiaa käsitellään enimmäkseen kursseilla 2 ja 3, missä kurssilla kaksi käsitellään kvanttikemiaa ja sidosenergioita ja kurssilla 3 reaktioenergioita (nämä tulivat luultavasti muuttumaan kun lukion OPS päivittyy). Materiaalin 2. artikkelin muurahaishappoesimerkki sopisi mielestäni ehkä paremmin kurssille 2., koska esimerkki sisältää energiatarkastelun lisäksi molekyylin rakennetarkastelua, joka kuuluu myös kurssi 2. sisältöö.

Ainakin omasta mielestäni esimerkki olisi opetukseen hyvä, koska se osoitta, miten molekyylin muoto vaikuttaa sen energiaan (voidaan kuvallisesti selittää, miksi molekyylin trans-muoto on energeettisesti parempi kuin cis-muoto (koska trans-muodossa molekyylin vetyatomit ovat mahdollisimman kaukana toisistaan)). Lisäsi esimerkissä esiintyy konkreettisesti transitiotilan ja aktivaatioenergian välinen yhteys.

Haasteita esimerkin toteutukseen tulee mielestäni lähinnä sen toteuttavan mallinnusohjelman käyttöliittymään liittyvistä ongelmista. Opettajan pitäisi ensin itse opetella ohjelman käyttö, missä voi mennä paljonkin kallista tuntien suunnitteluaikaa. Lisäksi mallinnusohjelmien lisenssiin ei välttämättä saada resursseja, jos sen käyttö rajoittuu vain muutaman oppilastyön tekemiseen. Muut haasteet ovat sitten sellaisia, jotka liittyvät yleisesti erilaisten oppilastöiden tekemiseen. Olen kuitenkin sitä mieltä, että tästä muurahaishappoesimerkistä on lukio-opetuksessa enemmän hyötyä kuin haittaa.

Mitä tulee tehtävän toiseen osioon eli pohdintaan materiaalin 3. mallinnustyökalujen hyödyllisyyteen kemian opetuksessa, niin minusta olisi rikos olla käyttämättä niitä siinä tapauksessa jos ne on opetukseen saatavissa. 3D-mallit ovat minusta nimittäin paras tapa käsitellä molekyylien rakenteitä osittain siitä syystä, että tietokone ohjelmalla voidaan vaihataa molekyylin mallinnustapaa lennosta viivamaisen rakennekaavan, pallotikkumallin sekä elektronitiheyden huomioivan mallin välillä. Tämä yhdistää tavattoman hyvin kemian mikro- ja symbolitason. Lisäsi 3D-malleista (niin tietokone- kuin fyysisista malleista) esim. molekyylien kiraalisuus on helposti havaittavissa.

Yhteenvetona pidän molemmissa materiaalessa esitettyjä opetustyökaluja/opetustapoja erittäin hyvinä kemian opetukseen.

           

Tehtävä 3. -visualisointi oppikirjoissa

Tässä blogi-merkinnässä olisi tarkoitus pureutua tehtävään kolme eli tutustua jonkun kemian oppikirjan visualisointitapoihin. Eritoten tulisi mainita valitun kirjan tapa visualisoida kemiallista sidosta. Valitsemani kirja on nostalgiasyistä valittu, vanhan lukion kemianopettajani osittain laatima lukion KE3-kurssin oppikirja MOOLI: Reaktiot ja energia (1. painos). Katsotaan, mitä opuksesta löytyy.

Ensimmäisenä huomiona kirjasta mainitsen takalehteen kiinnitetyn CD-rompun, joka sisältää videoita erilaisten kemian laboratoriotöiden suorittamisesta (luonnollisesti vanhan kemianmaikkani tekeminä). Ratkaisu on mielestäni hyvä, sillä se mahdollistaa etäopiskelun. Lisäksi videoidut työt ovat säästöä koulujen jo muutenkin niukkoihin resursseihin. Voidaan tietenkin väitellä siitä, opettaako videolta näytetty laboratoriotyö yhtä hyvin kuin oppilaiden itse tekemä. Mielestäni video korvaa tarpeeksi hyvin opettajan itsensä tekemät opetusdemot, mutta mikäli opetuksen tavoitteisiin halutaan sisällyttää (ja viimeisimmän OPS:in mukaan myös täytyy) ryhmä- ja laborointitaitojen opettamista, niin tällöin olisi videoiden sijaan hyvä teetättää näitä laboratoriotöitä konkreettisesti oppilailla.

Kun itse kirjaa alkaa selaamaan, voidaan sieltä bongata monia kaksiulotteiseen esitystapaan pohjautuvia visualisointilajeja. On opetettavan asian arkikontekstiin liittäviä valokuvia (esim. saippuoitumista käsiteltäessä löytyy kirjasta yllättäen kuva saippuasta), symbolisia esityksiä (esim. reaktioyhtälöt ja molekyylien rakennekaavat), erilaisia taulukoita ja kaavioita (esim. entalpia-kaavioita) sekä selkeitä kuvia kirjan laboratoriokokeiden koejärjestelyistä. Mielenkiintoisena huomiona kirjassa esiintyy hyvin vähän piirroksia molekyyleista. Kaikki kemialliset reaktiomekanismit on kuvattu molekyylien rakennekaavoillla. Ratkaisu on siinä mielessä ymmärrettävä, koska kirja käsittelee pääasiassa noita edellä mainittuja reaktiomekanismeja ja mielestäni niiden kuvaaminen muilla kuin molekyylien rakennekaavoilla olisi muistiinpanoja ja tehtäviä tehdessä tilaa vievää ja työlästä ja sen vuoksi epäkäytännöllistä (lisäksi reaktiomekanismien kuvaaminen rakennekaavoilla vastaa yliopistossa käytettäviä työtapoja).

Mitä tulee itse kemiallisten sidosten visualisoimiseen tässä kirjassa, ovat ne pääasiassa kuvattu edellä mainittuihin huomioihini viitaten molekyylien rakennekaavojen viivoilla. Muutamissa harvinaisissa tapauksissa, missä molekyyliä on visualisoitu rakennekaavan sijaan kuvalla (esim. kuvattaessa vesi- tai vetymolekyyliä), on sidos kuvattu yhteenliittyneiden pallojen avulla. Sidosten kuvaus on kirjan aihealueen huomioon ottaen mielestäni riittävää opetettavien asioiden ymmärtämisen kannalta.

Blogimerkinnän alussa mainittujen seikkojen lisäksi tehtävän 3. tehtävänanto pyytää minua selvittämään, millainen visualisointi on mielestäni parhainta ja millainen huonointa. Minusta visualisointi on parhaimmillaan silloin kun se sopii parhaiten opetettavan asian luonteeseen. Eli jos halutaan visualisoida rakenteita, käytetään kuvia tai fyysisiä (tai 3D) malleja ja kun jos halutaan visualisoida dynaamisia systeemejä käytettään liikkuvaa kuvaa tai simulaatioita (olen muistaakseni kirjoittanut toimivasta visualisoimisesta jo aikaisemmissani blogi-merkinnoissani). Huonoa visualisointia olisi mielestäni käsiteltävän ilmiön luonteen vastainen kuvaus (tyyliin dynaamisien systeemien tapauksessa epäselvät still-kuvat tai vain kirjallinen kuvaus siitä).

Jos tässä olisi tarpeeksi materiaalia tehtävän vastaukseksi.      

Tehtävä 2.

Tässä blogi-merkinnässä olisi tarkoitus kuvata jonkun kemian käsitteen tai ilmiön visualisointiprosessia oppilaille. Valitsemani ilmiö on sellainen, jonka visualisoimatta jättäminen on mielestäni eräänlainen rikos ihmiskuntaa kohtaan. Käsittelemäni ilmiö on tietysti galvaaninen kenno.

Galvaaninen kenno on systeemi, jossa on paljon liikkuvia osia. Kuten olen edellisissä postauksissani tilittänyt, käy dynaamisten systeemien visualisointi parhaiten simulaatioilla ja/tai animaatioilla. Galvaanisen kennon tapauksessa aiheesta voi näyttä oppilaille esim. jonkun seuraavista Youtube-videosta:

• How it works! Galvanic cell / Daniell cell / Copper zinc battery (3D Animation)

• Galvanic Cell.swf

 Jälkimmäinen video on muuten hyvä, mutta harmillisesti ioneista puuttuu niiden sähkövaraus. Lisäksi molempien heikkous on se, että ne ovat molemmat englanniksi ja saattavat siten olla joillekin oppilaille epäselviä. Molemmat ovat kuitenkin dynaamisia animaatioita, joista näkyy selvästi galvaanisen parin osasten liike. Tässä vielä netistä löytynyt ilmainen simulaatio galvaanisesta kennosta: Voltaic Cell Virtual Lab

Mikäli ei halua turvautua animaatiooon tai sähköiseen simulaatioon, voi systeemiä simuloida kätevästi myös paperilla. Simulaatiota varten tarvitaan kuva galvaanisesta parista sähköjohtoineen ja suolasiltoineen sekä jonkin verran paperista leikattuja ympyroitä, joista osa edustaa elektroneja ja osa galvaanisessa parissa esiintyviä ioneja (näihin ioniympyröihin ei kuitenkaan merkitä sähkövarausta). Ioniympyröistä leikataan hieman elektroniympyröitä suurempia.

Paperisimulaatiossa aluksi katodi- ja anodi-kuvan päälle on asetettu oman alkuaineensa mukaisia ioniympyröitä (jotka ovat siis tässä vaiheessa vielä alkuaineatomeja ja siksi näiden ympyröiden päälle laitetaan niiden ulkoelektronien verran elektroniympyröitä). Ioniympyröitä laitetaan myös anodia ja katodia ympäröivään elektrolyyttiin ja näihin ympyröihin laitetaan sen verran elekroniympyröitä kuin katodin ja anodin alkuaineiden ionimuodoilla on. Loput elektroniympyrät laitetaan kennoja yhdistävän virtajohtokuvan päälle.

Paperisimulaatio käynnistyy siten, että anodissa olevilta atomeilta siirretään elektroniympyröitä johtoa pitkin katodille, jossa nämä ympyrät laitetaan katodin läheisyydessä olevan ioniympyrän päälle, joka tällöin kiinnittyy katodiin. Tämä visualisoi ionin pelkistymistä alkuaineatomiksi. Elektroninsa anodilla menettänyt ioniympyrä siirtyy anodia ympäröivään elektrolyyttiin. Tästä syntyvä varausepätasapaino korjataan liikuttelemällä elektrolyyttiliuoksessa olevia ioneja (esim. suolahapon tapauksessa vety ja kloridi-ioneja) suolasiltaa pitkin siten, että molemmissa kennoissa on yhtä paljon varausta. Kun ympyröitä liikutellaan tällä tavalla, antaa simulaatio jokseenkin hyvän käsityksen galvaanisen kennon toiminnasta.

Tässä vielä erittäin epäselvä Paint-töherrus paperisimulaatiosta. Kuvassa nuolet kertovat paperiympyröiden liikuttamissuunnan. Isot plus- ja miinus-ympyrät ovat elektrolyysiliuoksen ioneja (muita kuin katodi- ja anodi-kohtioiden atomeihin liittyviä). Toivottavasti ymmärrätte idean.

 

TEEMA 2.

Kurssin TEEMA:ssa 2 olisi siis tarkoitus pohtia visualisointia. Minulle visualisointi tarkoittaa asioiden kuvallista kuvailemista. Toisin sanoen visualisoinnissa ihmiselle jostain asiasta annettu  informaatio ei perustu kuulo- vaan näköärsykkeisiin (tässä herää tietysti se mielenkiintoinen kysymys, että voiko sokeille visualisoida). Näiden näköärsykkeiden lähteinä toimivat erilaiset "kuvalliset mallit" kuten kuvat, animaatiot tai fyysiset kappaleet. Myös erilaiset luonnontieteiden opetuksessa suoritettavat demonstraatiot ovat mielestäni visualisointia.

Visualisointi on minusta tarpeen erityisesti silloin, kun kuvailtava asia on niin monimutkainen, että sen symbolisessa esityksessä (tekstin pätkänä, reaktioyhtälönä tai matemaattisena kaavana) menetetään liikaa tarpeellista informaatiota ilmiön laadusta.  Tällaisia ilmiöitä ovat mielestäni monimutkaiset dynaamiset systeemit, kuten kemiallinen tasapainotila. Toisaalta vaikka sellaiset oliot kuin atomit voidaan varmasti kuvata yksiselitteisesti matemaattisena esityksenä, on minusta niiden visualisointi kuvana tai 3D-esityksenä monessa tapauksessa ladullisesti symbolista merkintätapaa mielekkäämpää (yritäppä opettaa lukiolaiselle jotain kvanttimekaanisesta atomista käyttäen pelkästään matematiikkaa).

Suhteellisen lyhyen opettamiskokemuksen perusteella olen huomannut turvautuvani runsaasti visualisointiin -erityisesti liitutaululla tehtävään sellaiseen. Minusta on jotenkin äärimmäisen luontevaa piirtää aiheesta kertomisen oheessa sitä havainnollistavia piirroksia taululle. Taululle piirtämisen suurin etu on mielestäni mahdollisuus piirtää ja selittää vaihe vaiheelta esittämäni kuvat ja mallit. Lisäksi pystyn aina keskeyttämään piirtämiseni ja tarkistamaan oppilailtani, ovatko he päässeet jyvälle selityksestäni. Nykyään tämän kaltaisen opettamisen pystynee myös tekemään älytaululla.

Älytaulusta päästäänkin kätevästi TVT:hen. Yhä suurempi osa koulussa tehtävästä visualisoinnista tehdään nykyään TVT:tä hyödyntäen. Näitä sähköisiä visualisoinnin välineitä kouluissa ovat  mm. erilaiset PowerPoint- ja slide-esitykset, animaatiot sekä edellisessä blogipostauksessa käsitellyt mallinnus- ja simulaatio-ohjelmat. Vaikka mielestäni animaatiot ja simulaatiot visualisoivat aikaisempana esimerkkinä käyttämiäni monimutkaisia dynaamisia systeemejä huomattavasti liitutaululle piirrettyjä kaavakuvia paremmin, voittavat taululle kirjoitettavat muistiinpanot minusta sähköiset PowerPoint-esitykset. Tämä siksi, koska liitutaulu on minusta formaattina slide-esityksiä joustavampi ja taululle kirjoitettaessa oppilaat pysyvät paremmin opetuksen mukana (slide-esitykset muuttuvat helposti pikakalvosulkeisiksi).

Myös perinteisiä opetusdemonstraatiota on viimeaikoina pyritty siirtämään sähköisiksi luultavasti ennenkaikkea taloudellisista syistä (koemateriaaleja ei kulu). Tämä on minusta sääli, sillä nämä demot ovat ainakin omasta mielestäni paljon vaikuttavampia livenä kuin videolta nähtynä. Lisäksi erilaisissa virtuaalilaboratoriotöissä ei välttämättä käy ilmi varsinaiseen laboratoriotyöskentelyyn liittyviä seikkoja, kuten työturvallisuutta. eikä aina onnistuva virtuaalikoe anna mahdollisuutta mahdollisien virhelähteiden pohtimiselle.

Näen kuitenkin, että sähköinen visualisointi on mullistanut ja mullistamaan kouluopetusta edelleen säköisen visualisoinnin työkalujen tullessa entistä helpommin saataviksi ja käyttäjä ystävällisemmiksi. Minua kiehtoo erityisesti yleistyvä 3D-tulostus ja sen mahdollisuudet opetuksessa. On se vaan hienoa, kun itse mallinnusohjelmalla suunnitteleman molekyylin saa käsinkosketeltavaan muotoon.

P.S. Ei kuvia näköjään tähänkään merkintään.

Tehtävä 1.

TEEMA:n 2 tarkastelun sijasta ajattelin kirjoitta ajatuksia liittyen Tehtävään 1, joka kehottaa tutustumaan Internetin erilaisiin mallinnusohjelmiin. Oma kemian mallinnusohjelmilla työskentelyni on ollut suhteellisen vähäistä, joten minulla ei ole tutkailemistani mallinnusohjelmista aikaisempia omakohtaisia kokemuksia (jollain kurssilla käytettiin jotain ohjelmaa, en vain muista mitä). Tässä ajatuksia ja huomioita, mitä ohjelmiin tutustumisessa noisi esille.

Kurssimateriaalissa olleessa kemian opettaja sivujen linkeistä muutamassa valitettiin erroria (CAChe ja Materials Studio) ilmeisesti vanhentuneiden sivustojen takia. Toimivien linkkien ohjelmat olivat harmillisesti maksullisia. Tämä tulee rajoittamaan ainakin minun osaltani näiden ohjelmien käyttöä ellei koululla ole niihin lisenssiä. Maksulliset Spartan ja HyperChem vaikuttivat ihan mielenkiintoisilta ja suhteellisen monipuolisilta vaikka niiden kvanttikemialliset toiminnot sopinevatkin paremmin yliopisto- kuin peruskoulu- tai lukio-opintoihin. Ainakin toisessa näistä ohjelmista taisi olla mobiili/Ipad mahdollisuus, joten ohjelman käytön voisi parhaassa tapauksessa ulkoistaa oppilaiden omille laitteille.

Ilahduttavasti kurssimateriaalien linkistä (LUMA.fi) löytyi linkkejä useisiin maksuttomiin mallinnusohjelmiin. Linkkien ohjelmat sisälsivät niin molekyylien kolmiulotteista mallintamista kuin termodynamisiä simulaatioita eli monille kemian tunnilla käytäville aiheille löytyi jonkinlainen mallinnusohjelma. Koneelle ladattavian ohjelmien tapauksessa tyydyin vain silmäilemään kyseisen ohjelman esittelyteksitit, koska en voinut/halunnut ladata ohjelmia yliopiston koneelle -saati sitten omalle koneelleni. Onneksi näiden maksuttomien ohjelmien joukusta löytyi useita Java-pohjaisia ja suoraan netissä pyöriviä ohjelmia, joita pääsin kokeilemaan.

Kerron seuraavaksi joitain huomioita näistä ohjelmista. Ensimmäisenä ohjelmana tutkailin EDUMOL:lia. Ohjelma muuntaa piirretyt kaksiulotteiset molekyylien rakennekaavat 3D-malleiksi. Tässä tulee hyvin esille symboolisen rakennekaavan ja mikrotason 3D-mallin yhteyden  Harmittavasti ohjelma ei näyttänyt (tai en ainakaan löytänyt tätä toimintoa) näiden 3D-mallien varausjakaumia. Ohjelmalla voi myös hakea eri molekyylejä nimen perusteella, mutta koska nimen on oltava englanniksi, saattaa tämän toiminnon käyttö olla hankalaa peruskouluopetuksessa.

Toinen toinen selainpohjainen tutkimani ohjelma oli Molecular Workbench. Ohjelmassa (tai tarkemmin sivustolla) oli useita yksinkertaisia simulaatioita erilaisiin kemian ilmiöihin. Ehkä liiankin yksinkertaisia, sillä suurimman osan sivuston simulaatiosta saisi simuloitua omasta mielestäni helposti liitutaululla. Simulaatioita on kuitenkin paljon ja monenlaisista eri aiheista, joten eiköhän tällekin sivulle tule joskus käyttöä.

Lopuksi tutkailin vielä ChemDoodle 2D Sketcher-ohjelmaa. Ohjelma tuntui jotenkin köyhemmältä versiolta EDUMOL:lista, sillä tämä ohjelma mahdollisti vain molekyylien 2D-rakennekaavojen piirtämisen (en ainakaan löytänyt mitään 3D-toimintoa). En keksi, miksi käyttäisin tätä EDUMOL:lin sijaan opetuksessa. Ehkä en vain ymmärrä ohjelman todellista potentiaalia ja funktiota.

Tutustumiseni perusteella paras tapa, johon näitä tutkimiani ohjelmia voisin opetuksessani soveltaa, olisi nimenomaan molekyylien 3D-mallien esittely ja esim. niiden stereoisometrian tutkiminen sekä molekyylin varausjakauman näyttäminen. Joistain molekyylien kinetiikkaan liittyvistä simulaatioista voisi olla apua esim. tasapainotilanteiden havainnollistamisesssa, mutta edelliseen tekstiini nojaten useat kemian kineettiset ilmiöt voi demota minusta oikein hyvin liitutaululla.

Ja lopuksi anteeksi siitä, ettei tässäkään julkaisussa ole yhtään kuvia.      

TEEMA:n 1 pureskelua

 

Tämän blogimerkinnän tarkoituksena olisi käsitellä ainakin osaa TEEMA:n 1. materiaalien sisällöistä seuraavien tavoitekysymysten valossa:

• Mitä tarkoitetaan mallintamisella kemiassa ja kemian opetuksessa?
• Millaisia seikkoja opettajan tulee huomioida käyttäessään erilaisia malleja ja mallinnusta opetuksessaan? Huomioi myös eri luokka-asteet sekä tutki, mitä OPSissa (myös uudessa 2016) kerrotaan mallintamisesta.
• Miten huomioit opetuksessasi makrotason, symbolisen tason ja sub-mikrotason mallintaessa?
• Millaisia haasteita mallintaminen saattaa aiheuttaa opettajalle? Entä oppilaalle?

Mitä mallit ovat?

Jotta voidaan ylipäätään puhua mallintamisestä, täytyy meillä olla jonkinlainen määritelmä mallin käsitteelle. Mallilla  tarkoitetaan tässä yhteydessä eräänlaista teoreettista työkalua, jolla pyritään ymmärtämään, jäsentämään ja ennustamaan ympäröivän maailmamme asioita ja ilmiöitä. Jokaisella mallilla on myös tälle ominainen pätevyysalue, jonka sisällä mallia on luontevaa käyttää ja joka pitää mallia käytettäessä muistaa huomioida. Esimerkkinä annettakoon fysiikan puolelta Newtonin mekaniikka, jonka pätevyysalueen raja tulee vastaan, kun mallinnettavan olion nopeus lähestyy valonnopeutta c. Edellä kuvatun määritelman perusteella voidaan mallin sanoa olevan käsitteenä hyvin lähellä tieteellisen teorian käsitettä.

Kurssimateriaalina toimivan Lavosen ja Meisalon tekstin (linkki: http://www.edu.fi/perusopetus/fysiikka_ja_kemia/opetuksen_kokeellisuus/mallit_ja_mallintaminen) mukaan ihmiselle on luontaista rakentaa itselleen ns. mentaalimalleja, jotka ovat yksilön kokemuksen pohjalta rakennettuja representaatioita todellisuudesta. Nämä mentaalimallit eivät luonnollisesti aina täysin vastaa ihmisen aistien rajallisuudesta johtuen todellisuuden perimmäisiä totuuksia, kuten käsityksiä kemian mikrotason ilmiöistä. Tämä mentaalimallien ja ns. konsensus mallin eli viimeisimmän tieteellisen tiedon pohjalta tehdyn mallin välinen ristiriita näyttäytyy koulumaailmassa oppilaiden erillaisina virhekäsityksinä. Opettajan koulussa käyttämien mallien perimmäisenä tarkoituksena onkin pyrittävä saamaan oppilaiden mentaalimallaja siirtymään lähemmäksi tiedeyhteisön hyväksymää konsensusmallia.

Kemian tiedon tason.

Kemian opetuksessa käsiteltävä tieto on perinteisesti jaettu kolmeen tasoon: makroskooppiseen, mikroskooppiseen ja symboliseen. Koska kykenemme pelkkien aistiemme avulla havaitsemaan ainoastaan kemian makrotasoa täytyy mikrotason kohdalla tyytyä erilaisiin malleihin, joita kemiassa on olemassa samalle ilmiölle tai oliolle useita erilaisia. Esimerkki tällaisesta, aistiemme tavoittamattomissa olevasta oliosta on etanoli-molekyyli, jonka mallintamiseen voidaan käyttää tilanteesta riippuen niin symboolista molekyyli- tai rakennekaavaa kuin molekyylin muotoa mallintavia pallo-tikku- ja tietokoneella tuotettuja kolmiulotteisia malleja.

Kemiallisen tiedon tasoista makroskooppinen luonnollisesti korostuu mentäessä alimmille luokka-asteille (http://www.oph.fi/ops2016/perusteet), koska hyvä makroskooppisen tiedon tuntemus on edellytys tiedollisesti korkeampien abstraktimpien mikroskooppisen ja symbolisen tason ymmärtämiseen (tämä huomioitiin myös kurssimateriaalissa: "The Effect of Viewing Order of Macroscopic and Particulate Visualizations on Students’ Particulate Explanations", Vickie M. Williamson, Sarah M. Lane..). Olen myös saanut sen käsityksen, että mikroskooppiseen ja symboliseen tasoon vaadittava abstraktin ajattelun taito ei ole oppilailla yläkoulun alemmilla luokilla vielä tarpeeksi kehittynyt, jotta he saisivat tästä tiedosta mitään mielekästä irti. Tämä tulee kysyisen luokka-asteen opettajien ottaa mallejaan laatiessaan huomioon.

Jotta oppilaat saisivat kemian sisältämästä tiedosta mahdollisimman perinpohjaisen ja tiedeyhteisön konsensusta vastaavan kuvan, tulisi erilaisia kemian ilmiöitä tutkittaessa käsitellä ilmiötä niin makro-, mikro- kuin symbolitasolla, sillä jokainen makrotason kemian ilmiö redusoituu lopulta mikrotason ilmiöiksi, joita voidaan kuvailla symbolisilla reaktioyhtälöillä. Esimerkkinä tästä voisi antaa vedyn palamisen: Ensin tehdään konkreettinen koe vedyn palamisesta (makrotaso), sitten näytetään vedyn palamisen dynamiikka pallomalleilla tai tietokoneanimaatiolla (mikrotaso) ja lopuksi kirjoitetaan reaktiosta reaktioyhtälö (symbolitaso).

Kemian opetuksen sähköistyminen.

Lähi historiassa tapahtunut ja edelleen jatkuva digitalisoitumisen ja TVT:n lisääntyminen niin kouluissa kuin vapaa-aikana on antanut kemian opettajille entistä enemmän työkaluja kemian ilmiöiden eri tasojen mallintamiseen. Tällaisia mallinnustyökaluja ovat mm. erilaiset molekyylimallinnusohjelmat, joissa itse piirretylle molekyylin rakenne kaavalle saadaan tuotettua kolmiulotteinen vastine elektronitiheyksineen kaikkineen. Tästä huolimatta sähköinen kemian opetus aiheuttaa edelleen lukuisi haasteita niin opettajille kuin oppilaille. Näitä haasteita ovat kurssimateriaalina toimivan Akselan ja Lundellin artikkelin: "Computer-based molecular modelling: Finnish school teachers’ experiences and views" mukaan mm. opettajien puutteelliset TVT-taidot, kouluopetuksen nykyinen rakenne (TVT:tä ei nähdä pääasiallisena oppimistyökaluna vaan "extrana" perinteisen opetuksen seassa) sekä resurssien puute. Näihin haasteisiin tultaneen tulevaisuudessa puuttumaan.

Toivottavasti olen tässä blogimerkinnässä vastannut edes jotenkuten tekstin alussa asettamiini tavoitekysymyksiin ja tuonut ajatukseni esitte edes jotenkin ymmärrettävällä tavalla. Seuraaviin merkintöihin voisi yrittää liusätä myös kuvia.