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.