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.