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.