MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 3: MarvinSketch ja reaktioyhtälöt (KE3-kurssi)

Mitä uusi LOPS sanoo?

Uuden opetussuunnitelman myötä reaktioita käsitellään laajasti KE3 – Reaktiot ja energia -kurssilla. ”Kurssin tavoitteena on, että opiskelija (1) osaa käyttää ja soveltaa reaktioihin liittyviä käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön, yhteiskunnan ja teknologian ilmiöissä, (2) osaa tutkia kokeellisesti ja erilaisia malleja käyttäen reaktioihin liittyviä ilmiöitä ja (3) ymmärtää aineen ja energian häviämättömyyden merkityksen kemiassa.” (LOPS15).

Kurssin keskeisiksi sisällöiksi on listattu:

  • kemian merkitys energiaratkaisujen ja ympäristön kannalta
  • kemiallisen reaktion symbolinen ilmaisu ja tasapainottaminen
  • epäorgaanisten ja orgaanisten yhdisteiden reaktioita sekä niiden sovelluksia
  • aineen häviämättömyys kemiallisessa reaktiossa ja sen yksinkertainen laskennallinen käsittely
  • energian häviämättömyys kemiallisessa reaktiossa, sidosenergia ja Hessin laki
  • kaasujen ominaisuudet ja yleinen tilanyhtälö
  • reaktioiden tutkiminen kokeellisesti, titraus analyysimenetelmänä, tutkimustulosten käsitteleminen, tulkitseminen ja esittäminen

Reaktioyhtälöiden kirjoittaminen – erityisesti orgaanisen kemian molekyylien – on tuottanut oman tuskan. Kuten aiemmassa kappaleessa mainitsin, MarvinSketch mahdollistaa oikeiden rakennekaavojen (lue viivakaavojen) tuottamisen ja useamman yhdelle näytölle. Myös reaktioyhtälön tekeminen on optimoitu: piirtämällä reaktionuolen saat automaattisesti kahden edellä mainitun molekyylin (lähtöaineet) väliin plus-merkin.

Reaktioyhtälöiden kirjoittaminen (piirtäminen) MarvinSketchillä

Tietokoneavusteisesti reaktioyhtälöiden kirjoittaminen tulee mielekkääksi, kun rakenteet ovat isompia ja kopioimalla aiemmin tehtyjä molekyylejä saa täsmälleen oikeat rakenteet jatkossa käsittelyyn. Perusrungon rakentamisen jälkeen on helppoa lisätä elementtejä, esim. katalyyttejä, reaktiomekanismiin liittyviä nuolia jne. Seuraavassa pari esimerkkiä.

Esimerkki 1: Esteröitymisreaktion reaktioyhtälön kirjoittaminen (piirtäminen)

Eteneminen vaiheittain:

1.vaiheessa rakennetaan rakennekaavat (viivakaavat). Jos aiemmin oli jäänyt päälle hiiliketjun päähän merkittävät hiilet, ne kannattaa poistaa viivakaavasta. 2.vaiheessa, kun molemmat lähtöaineet on piirretty, tuottamalla reaktionuoli, saadaan reaktioyhtälöön plus-merkki. 3.vaiheessa piirrettiin reaktiotuote (näitä rakenteita kannattaa käydä korjaamassa: valikosta Structure / Clean 2D tai pikanäppäimillä ctrl+2). 4.vaiheessa valitaan teksti-työkalu, vasempaan alareunaan tulee tekstieditorin toiminnat (ainakin versiossa 17.5.). Sieltä voi valita mm. alaindeksin ja yläindeksin merkinnät. Tällä työkalulla voi tuottaa niin reaktionuolen päälle esim. katalyytit ja kuten tässä esimerkissä veden molekyylikaavan. 5.vaiheessa kuvaan on piirretty ”auttavat” osittaisvaraukset tekstityökalulla ja kaarinuoli nuolityökalulla kuvaamaan reaktiomekanismia.

Reaktiotuotteen nimen voi pyytää ohjelman tekemään – valitaan valintatyökalulla reaktiotuote ja valikosta Structure / Generate Name. Voi vielä valita joko IUPAC- tai triviaalinimen (jos sellainen on olemassa).

Esimerkki 2: Polymeroitumisreaktion kirjoittaminen (piirtäminen)

Polymeerin rakentaminen MarvinSketch -ohjelmalla on esitelty lyhyesti videolla osoitteessa: http://bit.ly/2E18kZP . Tämä on syntynyt osana MAOL:n TVT-koulutuksia.

Mitä muuta MarvinSketch voisi tehdä KE3-kurssilla?

Sähköisen ylioppilaskirjoituksen työkaluihin on tullut kaavaeditori, jonka käyttöä on syytä harkita reaktioyhtälöiden (epäorgaaninen) kirjoittamisessa. Orgaanisen kemian osalta tilanne on toinen, kuten edellä ilmeni. Ko. kaavaeditori luo LateX-koodia, mikä on (omasta mielestäni) ollut vahvoilla tyylistä ja työkalusta, millä voisi lukiossa tuottaa tieteellisiä tekstejä. Tässä esimerkki sokerin palamisesta:

 

Association of Science Education ASE -konferenssin antia 2.-7.1.2018

Tiistai – saapuminen Liverpooliin

Liverpooliin tultiin Manchesterin kautta, lentokoneella Manchesteriin ja junalla Liverpooliin.

Ja majoittuminen paikalliseen hotelliin (1-2 tähden hotelli).

Keskiviikko, 1.päivä – International Day

ASE-konferenssi on Euroopan laajin tiedeopetuksen konferenssi. Paikalla oli osallistujia Aasiaa ja Etelä-Amerikkaa myöden. Suomesta tänään osallistuivat Hgin yliopiston Viikin normaalikoulusta allekirjoittaneen lisäksi kollegat Tea Kantola ja Taina Makkonen. Kaiken kaikkiaan odotetaan yli 2.000 tiedeopetuksen opettajaa paikalle.

Tahtotila konferenssiin osallistumiselle tuli siitä, että niin itse kuin kollega olimme kiinnostuneita eurooppalaisen tiedeopetuksen sisällöistä ja tekijöistä. Halusimme antaa myös oman panoksemme eurooppalaiseen tiedeopetuksen kehittämiseen tuomalla omia kokemuksia suomalaisten ja amerikkalaisten PIRE-hankkeesta (kts. 2.päivä) ja kokeellisuuden nostamisesta uudelle tasolle Viikin normaalikoulun kokeiluihin vedoten.

Cognitive Load Theory – Kognitiivisen kuormituksen teoria

Päivän mielenkiintoisimman luennon (johon itse osallistuin) piti Bob Pritchard (opettajakouluttaja, konsultti). Otsikkona oli Kognitiivinen kuormitus tiedeopetuksessa. Hänen lyhyt esittelynsä oli:

What is Cognitive Load Theory (CLT), why is it so important, and how can it be applied to the Science Classroom? In January Professor Dylan Wiliam tweeted that “…Cognitive Load Theory is the single most important thing for teachers to know”. This session explains the principles of CLT and shows how an understanding of how CLT can be used to improve teaching and learning in Science.

Bob johdatteli CLT:n perusteisiin lyhyesti – lähdeluettelossa hyviä linkkejä (palaan näihin myöhemmin). Mielenkiintoisia kohtia olivat ne, joissa viitattiin tehtävänantoihin ja niiden rakentamiseen liittyviin huomioihin CLT:n valossa. Palaan näihin, kun olen itse tutustunut lähdekirjallisuuteen – erittäin tärkeitä näkökulmia myös suomalaiseen pedagogiseen keskusteluun (didaktisia huomioita).

Good Practical Science – Kokeellisen työskentelyn raportti

Päivin Keynote-puheenvuoron piti tai alusti professori Sir John Holman. Hän on vetänyt säätiön rahoittamaa tutkimushanketta, jossa on analysoitu eri maiden kokeellisen työskentelyn malleja ja siihen liittyjä taustatekijöitä (mm. opettajakoulutus, välineistö). Suomesta asiantuntijaryhmässä on ollut mukana professori Jari Lavonen Helsingin yliopistosta ja Taina Makkonen Helsingin yliopiston Viikin normaalikoulusta.

Raportin ja sen liitteet voi ladata seuraavan linkin takaa: http://www.gatsby.org.uk/education/programmes/support-for-practical-science-in-schools

Suomalaisena tiedeopetuksen konferenssissa

Kuten monesti aiemminkin maininta kotimaasta johtaa keskusteluun Suomen opetuksen hyvyydestä jne. Tänään parissa kohtaa joutui miettimään asiaa hieman tarkemmin:

  • tiedeopetuksen kannalta pidettiin esimerkillisenä ja hyvänä sitä, että koululla on käytettävissä assistentteja (kemikaali- ja laitevarastojen omia hoitajia); kysymykseni on, miksi muualla niitä tarvitaan? Toki Suomen tilanne ei ole (ainakaan vielä) edes kohtuullinen, koska opettajilla ei ole ollut tilaisuutta tai mahdollisuutta saada kemikaali- ja/tai välinevaraston hoitajan koulutusta (kemia ja fysiikka). Mutta toisaalta opettajien aineosaaminen on sellainen, että he hyvinkin kykenisivät homma hoitamaan ja siitä maksetaan erikseen.
  • jossakin maassa kokeellisuuteen käytetään 60% oppitunneista, Suomessa vain 30%. Kysymys on kuitenkin, miksi ja mitä ko. ajalla tehdään. Ja tähän liittyen kollegani kanssa pidämme omaa esitystä PIRE-hankkeen tuomista kokemuksista.

Kansainvälinen päivä päättyi illanviettoon. Paikka oli komea, ohjelma ei sitten sen mukainen.

Torstai, 2.päivä – Oman ja kollegan yhteisen esityksen päivä

Ennakkotiedot kertoivat, että esityksemme ajaksi paikalle olisi tuloissa 18 kuulijaa. Paikka oli meluisa (ATK-luokka, jossa talon serverit hyrräsivät kohtuullisen kovaa), mutta kyllähän opettajien äänet kantavat. Esitys kesti 45 min ja päälle tuli kysymyksiä. Palaute oli positiivinen. Esityksen diasarja löytyy linkin takaa. Tämän jälkeen alkaa artikkelin työstäminen tästä esityksestä ja teemasta ASE:n omaan julkaisuun. Esitys ja tulevaisuudessa artikkeli puhukoon puolestaan.

DNA fingerprinting using PCR and Gel Electrophoresis -työpaja

Oman luennon jälkeen oli mahdollisuus osallistua työpajaan, jossa esiteltiin koulun budjettiin sopivaa tapaa esitellä ja toteuttaa ”DNA-tutkimusta” (aineistoa koulumme ensi lukuvuoden CSI-kemiaa -kurssille). Tutustuttiin Timstar-nimisen yrityksen luomaan konseptiin toteuttaa DNA-analyysiä ja elektroforeesia koulun puitteissa. Perusvälineillä ja yksikertaisilla aineilla rakennettiin systeemi, jossa syntyi geeli (jos erottelu tapahtuu) ja voidaan toteuttaa DNA:n polymerointi tutkimusta varten sekä itse tehdä elektroforeesiajo. Laitteiston hinnoista oli vaikea saada käsitystä – selviää yrityksen sivuilta. Itse työ ei onnistu 75 minuutin oppitunnin puitteissa, joten asia vaatii suunnittelua ja sovittelua.

Selvästi KE6-kurssin tai labrakurssin materiaalia.

Cards for A2/Y13 Organic Chemistry -työpaja

Kortti-ideaa – Suomessa tehty jo vuosi tämän idean pohjalta. Vieläpä jäsennellymmin ja pedagogisesti jo edistyneemmällä tavalla. Ulkoaopiskelun tukeminen pelin elementeillä ei ole ehkä sitä nykyaikaisinta pedagogiikkaa, vaikka itse pelillisyys onkin lähestymistapana ihan hyödyllinen lisä monessakin tilanteessa.

Using Technology in Science

Luennon piti ”science technician” eli opettajan apuhenkilö. Suomessa ja muutamassa muussakin Euroopan maassa tällaisia ei ole. Yliopistoissa kylläkin on. Miksi tällaisia tarvitaan kouluissa, heräsi kysymyksenä – Suomessa kemian opettajat (pääaine) kelpaavat myös teollisuuteen tutkijoina (jos ja kun syventävissä on opiskellut muutakin kuin opettajakursseja), joten osaavat itse asioita, mm. kemikaalien valmistus. Eipä tullut uutta (yhtään mitään). Ehkä muutama linkki – kaveri oli koonnut AR-appsien linkkejä – joita olin jo itsekin selaillut. Britanniassa tämän esityksen mukaan uutta oli mm. Kahoot! (tulossa osaksi Microsoft Teams -ympäristöä), iPadien käyttö opetuksessa (onneksi tästä ollaan Suomessa pääsemässä eroon). Augmented reality (AR) on yksi tulevaisuus työkaluista. Tähän liittyen Viikki on mukana eurooppalaisessa EL-STEM-hankkeessa, jossa rakennetaan työkaluja, joilla opettajat itse voivat rakentaa AR-elementtejä opetuksen tueksi. Tästä luvassa omia postauksia.

Perjantai, 3.päivä – Tutustuminen erilaisiin kokemuksiin ja kokeiluihin jatkuu

Aamupäivä meni hotellilla pikaisen toimeksiannon hoitamiseen – PIRE-hankkeemme seuraava vaihe alkaa kollegalla ja esitestin sisältö täytyy päättää ja saattaa lopulliseen muotoon (varmaankin viikonlopun aikana säätö jatkuu).

Free Web-based Learning Resources for Post-16 Chemistry

3D-mallinnus ei ole uutta Suomessa, täällä se taitaa olla vasta tulossa? Luennolla esiteltiin aineistoja, joissa on hyödynnetty 3D-mallinnusohjelmaa (WebMO). Lukuisa määrä PDF-matskuja löytyy osoitteesta: http://www.ncl.ac.uk/nes/outreach/chemistry/resources/ccdc/#d.en.606483

Sivustolla myös videoita, joissa esitellään ohjelman toiminnallisuuksia. Mielenkiintoisia, mutta meillä MarvinSketch ottaa paikan ja siihen liittyvät ohjeita löytyy peda.net -sivustolta: https://peda.net/p/myllyviita/marvinsketch .

Lauantai, 4.päivä – Tutustuminen Liverpooliin

Tämä oli ensi käynti Liverpoolissa, joten hieman aikaa piti käyttää myös itse kaupunkiin tutustumiseen. ja tietenkin yhdet Fish and Shipsit täytyi syödä. Pieni kuvakollaasi: Clayton square, keskustaa – Crown hotelli ja pubi, aseman lähellä – katukuvaa – opiskelija-aukio kampukselta – paikallinen kirkko – Wetherspoon

 

MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 2: MarvinSketchin pedagoginen merkitys ja KE2-kurssi

Yleisesti molekyylimallinnuksesta ja mallien käytöstä

Tähän asti molekyylimallinnusohjelmien käyttö on ollut riippuvaista siitä, miten laajasti ja miten monella oppilaalla on oppitunnilla käytettävissä tietokone. Nykyään, kun lukioissa on käytännössä läppäripakko (tai koulu tarjoaa), molekyylimallinnusohjelmien asentaminen on selviä – rutiinia? Pitkään käytettiin ChemSketch-ohjelmaa, tai Avogadroa (kuten itse käytin). Myös Molview.org -palvelua (selainpohjainen molekyylimallinnusohjelma) on käytetty laajasti. Näistä on esittelyä aiemmissa blogipostauksissani.

Uuden ohjelman, MarvinSketch, myötä ohjelmien hyödyntämiseen tulee selkeästi uusia ulottuvuuksia ja mahdollisuuksia, jotka vaikuttavat merkittävästi kemian opetuksen sisältöihin ja painotuksiin. Itse kuitenkin lasken näiden merkityksen ja vaikutuksen tulevan eteen vasta KE2-kurssin myötä, jolloin niistä otetaan irti oikeat tehot.

Kemia 1 -kurssi

Opetussuunnitelman mukaan Kemiaa kaikkialla (KE1) kurssin tavoitteena on mm., että opiskelija osaa tutkia … erilaisia malleja käyttäen erilaisia kemian ilmiöitä … osaa käyttää aineen ominaisuuksien päättelyssä aineen rakenteen malleja, jaksollista järjestelmää ja tietolähteitä. Kurssin keskeisenä sisältöä on mm. aineiden ominaisuuksien selittäminen aineen rakenteen, kemiallisten sidosten ja poolisuuden avulla.

Lukion kemian 1.kurssin on kaikille pakollinen, joten kursseilla on mukana myös lukiolaisia, joille tämä kurssi on ainut kemian kurssi lukioaikana. Kurssin tavoitteena voi olla toisaalta motivointi kemian jatko-opintoihin lukiossa ja/tai varmistaa kemian perusasioiden hallinta ja mikrotason ilmiöiden mallintamisen taidot (muun muassa).

Molekyylimallinnusohjelmista itse olen käyttänyt ”vain” Molview.org -ohjelmaa 1.kurssilla, koska se tukee mainiosti – ja helpommin opittavana – poolisuuden opettamista. Kurssilla ei varsinaisesti käsitellä orgaanisen kemian reaktioita eikä yleensäkään orgaanisia molekyylejä, kuten sitten tapahtuu KE2-kurssilla. Tällä kurssilla on tukeuduttava yläkoulussa opittuun, mikä osaltaan oli varmasti monelle sekä yllätys että harmitus. Tosin onhan KE1-kurssi muutenkin yläkoulun kemian kertausta. PS. Jos tämä oli tarkoitus, monelle kemiaa pitemmälle opiskelevalle tässä syntyy joutavaa tyhjäkäyntiä.

Kemia 2 -kurssi

KE2-kurssi on uuden opetussuunnitelmassa selkeämmin painottunut orgaanisen kemian asioihin. Kunhan ainemäärä- ja konsentraatioasiat on opetettu KE1-kurssilla (mitä siis suosittelen), KE2-kurssilla on oikeasti mahdollisuus paneutua opetussuunnitelman mukaisiin teemoihin ja myös uutena tulleeseen spektroskopiaan, mikä on sitä nykyaikaisempaa (analyyttistä) kemiaa, kuin perinteiset sakkareaktiot ja hopeapeilit (vaikka niitäkään ei kannata unohtaa – tosin missä laboratoriossa vielä aldehydi todennetaan hopeapeilikokeella?).

Viivakaava vai täydellinen rakennekaava vai mikä?

Orgaanisessa kemiassa on vakiintunut käytäntö piirtää molekyylejä viivakaavoilla ja myös YTL on tulkinnut ne (oikein?) rakennekaavoiksi. Juurikaan ei vaadita ”täydellisiä rakennekaavoja”, joihin on piirretty kemiallisten merkkien lisäksi atomien väliset sidokset. Tämä käytäntö on johtanut hieman haparoivaan nimityskäytäntöön, joka on eritysesti (muiden mainitsemana) huomattu Mooli-kirjasarjassa, jossa on käytetty täydellisen rakennekaava -termin sijaan jotain muuta termiä (en mainitse, ettei leviä). Niin ylioppilaskokeita kuin lukiolaisten maailmaa ei pitäisi sekoittaa uusilla (ja lukuisilla eri versioilla) kaavamuodoilla ja -käsiteillä. Lukio-opetuksen kannalta on mielekästä, että tässä olisi yhtenäinen ja selkeä linjaus niin kirjantekijöillä kuin opettajillakin.

MarvinSketch -ohjelma tuo asiaan vielä lisää mutkia matkaan. Sen mahdollistaa monenlaisia viiva-, hybridi-, rakennekaavoja. Näiden osalta täytyy selkeästi sopia jotain, ettei tulkinnat mene ihan mahdottomiksi. Tässä vieressä yksi linjaus – kova sellainen, mutta selkeä. MarvinSketch-sivustolta löytyy tarkempi kuvaus, mitä asetuksia tämä edellyttää itse ohjelmassa (katso linkki: viivakaava vai täydellinen rakennekaava).

Näissä rakennekaavojen kuvauksissa on ollut jo nyt horjuvuutta yo-tehtävissäkin. Jotta opetamme samaa asiaa ja myös yo-koetehtävät sisältävät selkeästi vain yhdessä sovittua (ja myös kaikissa kirjoissa käytössä olevaa) formaattia, näistä on sovittava pikaisesti.

Mitä mieltä itse olet?

Orgaanisten yhdisteiden nimeäminen

MarvinSketchin ”ilman lisenssi” -versiokin antaa ohjelman käyttäjän määritellä molekyylin nimen. Tähänkin saakka on ollut opettajakohtaista se, miten syvällisesti orgaanisten yhdisteiden nimeämistä opetetaan. Yo-kokeissa on välillä ollut niin nimestä rakennekaavaksi kuin viivakaavasta nimeksi tehtäviä. Onko tämä ”ulko-opettelu” ollut mielekästä tai edes välttämätöntä, olkoon oma keskustelunsa – sitä pohdintaa ei enää tarvitse tehdä, koska MarvinSketch antaa rakenteelle nimet ja myös (jos tietää englannin kielisen nimen) nimelle rakenteen (eri versioissa hieman eri paikoissa valikoissa).

Kun ohjelma suoltaa nimet pienellä vaivalla, on paikallaan miettiä nimeämiseen liittyen uudenlaista pedagogista asetelmaa – ei vain sitä, että opetellaan, miten ohjelma tuottaa nimen tai toisinpäin. Olisiko mahdotonta miettiä sitä, että voisimme todellakin syventää ymmärtämystä nimeämisen osalta esimerkiksi hiilirunkojen erilaisilla variaatioilla (runkoisomeriaa!!). Eli emme opiskele ”nimeämistä”, vaan tuotamme erilaisia runkoisomeerejä (kun puhumme isomeriasta, johon numerointi osaa mainiosti) jne. Tätä täytyy itsekin pohtia oman oppikirjan seuraaviin versioihin (joissa MarvinSketch näyttelee omaa tärkeää rooliansa).

Isomeriaa – onko tulevaisuudessa cis-trans-isomeria opetettava E/Z-isomeriana?

MarvinSketch tunnistaa (ei-lisenssiversiossa!) isomeriaa. Nyt kysymykseksi tulee, onko kirjoissa ja oppitunneilla puhuttava cis-tran-isomeriasta vai E/Z-isomeriasta (käytännössä sama asia, kemistille ei ehkä aivan niin, mutta lukion kemiassa kyllä). MarvinSketch tuntee vain E/Z-isomerian ja R/S-isomerian, kun puhumme stereoisomeriasta. Tämä ehkä tuntuu vain tulkinta-asialta, mutta MarvinSketch antaa ja näyttää nämä. Esim. kysymys siitä, mikä hiili-atomia on asymmetrinen (kiraalinen) on triviaali, koska ohjelma näyttää kaikki (ei toki anna  *-merkkiä ko. kohtaan, vaan kysymysmerkin – jos ei ole pyydetty ohjelmalta tarkennusta – kts. kuva).

Eli, miten tulevaisuudessa opetamme stereoisomerian ja huomioimme MarvinSketch-ohjelman valmiiksi antamat tiedot? Otamme ja opetamme cis-trans-isomerian ja E/Z-isomerian yhdessä – rakkaalla lapsella on monta nimeä -kuviolla.

Peilikuvaisomerian suhteen täytyy miettiä joko syventävää ulottuvuutta tai jotain muuta.

MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 1: Peruslähtökohtia

Abitti ja MarvinSketch

Pitkään odotetiin YTL:n päätöstä molekyylimallinusohjelmasta osana Abitti-koejärjestelmää ja osana tulevaa sähköistä kemian ylioppilaskoetta. Kouluissa oli pitkään ollut käytössä ChemSketch-niminen (mm. Mooli-nimisen oppikirjan rompullakin jaettu) 3D-molekyylimallinnusohjelma. Monen harmiksi tämä ei sitten tullut Abittiin mukaan. Kouluissa on ollut käytössä laajasti Molview.org -sivuston molekyylimallinnusohjelma, sen rajoitteista huolimatta – toisaalta sen erinomaisten elektronitiheyskuvausten vuoksi. Myös Avogadro -nimisen ohjelman käyttäjä löytyy.

Ohjelman valinta on tehty ja uusia lukiolaisia ajetaan sisään ohjelman käyttöön. Nyt on pohdittava ohjelman pedagogiset hyödyt ja erityisesti sen eri versioiden käytön pohdinta.

MarvinSketchin asennus

MarvinSketch-ohjelman asentamiseen on liittynyt runsaasti hankaluuksia. Opettajien oma osaaminen on joutunut koetukselle. Täytyy tunnistaa laitteet käyttöjärjestelmä ja sen 32/64-bittisyys, varmistaa Java-ympäristön olemassa olo (asennuksessa ohjelma ilmoittaa, jos ei ole) ja vaatii asennettavaksi vielä oikean version 32/64-bittisen. Opastusta löytyy peda.netin MarvinSketch-sivustolta: https://peda.net/p/myllyviita/marvinsketch/vk/diasarjat .

MarvinSketch-ohjelmasta on tällä hetkellä (3.12.2017) versio 17.28.0 (ja Abitin versio on 17.3.27).

MarvinSketch ja Academic Teaching Licence

MarvinSketch -ohjelma on maksullinen ohjelma, se voidaan ladata kokonaisuudessaan asennettavaksi koneelle. Ohjelman ilmainen ja lisenssiversio asennetaan samasta ohjelmapaketista. Ainut ero on siinä, onko ohjelmaan asennettu lisenssi vai ei. Abitti-ympäristöstä toimii ei-lisenssi-versio. Lisenssin myötä ohjelmassa avautuu lisää toiminnallisuuksia mm. Calculations -valikosta. Lisenssin hankintaa ja asentamista on esitelty em. diasarjassa.

Itse suosittelen opettajalisenssin hankkimista myöhemmin esillä tulevien syiden vuoksi. Lisenssitiedoston hakee opettaja, joka voi sen sitten jakaa oppilailleen haluamallaan tavalla.

MarvinSketch ja perustoiminnallisuudet

MarvinSketch-ohjelman ominaisuuksia ja perusohjeita löytyy ohjelmaa varten luodulta sivustolta peda.netistä: https://peda.net/p/myllyviita/marvinsketch . Sivustolle on vapaa pääsy. Ohjelman käyttöönoton prosessia tutkitaan. Jos haluat osallistua panoksellasi tutkimukseen, vastaathan sivustolla olevaan kyselyyn.

Sivusto täydentyy jatkuvasti uusilla ohjeilla (videoilla ja kuvaruutukaappauksiin perustuvilla ohjeilla).

OSA 2/2: MarvinSketchin pedagoginen merkitys

 

KE3-kurssi lähes itsenäisenä suorituksena keväällä 2017

Valmistautumista – mitä opetussuunnitelma toteaa

Kurssin tavoitteena on, että opiskelija (1) osaa käyttää ja soveltaa reaktioihin liittyviä käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön, yhteiskunnan ja teknologian ilmiöissä, (2) osaa tutkia kokeellisesti ja erilaisia malleja käyttäen reaktioihin liittyviä ilmiöitä ja (3) ymmärtää aineen ja energian häviämättömyyden merkityksen kemiassa.” (LOPS15). Kurssin keskeisiksi sisällöiksi on listattu:

  • kemian merkitys energiaratkaisujen ja ympäristön kannalta
  • kemiallisen reaktion symbolinen ilmaisu ja tasapainottaminen
  • epäorgaanisten ja orgaanisten yhdisteiden reaktioita sekä niiden sovelluksia
  • aineen häviämättömyys kemiallisessa reaktiossa ja sen yksinkertainen laskennallinen käsittely
  • energian häviämättömyys kemiallisessa reaktiossa, sidosenergia ja Hessin laki
  • kaasujen ominaisuudet ja yleinen tilanyhtälö
  • reaktioiden tutkiminen kokeellisesti, titraus analyysimenetelmänä, tutkimustulosten käsitteleminen, tulkitseminen ja esittäminen

Miksi erityisjärjestelyjä?

Kemian yo-kirjoituksien sähköistyminen syksyllä 2018 ja lukiolaisten intressi suorittaa kemian opinnot kahdessa vuodessa mahdollisten kolmannen lukuvuoden aikana toteutuvien kemian yliopisto-opintojen vuoksi pakotti toteuttamaan lukion KE3-kurssin vielä kertaalleen lukuvuoden 5.jaksossa ja hieman kesätöiksi mennen. Kurssi siis toteutettiin järjestelyillä, jossa (a) ei ollut lukujärjestykseen lukittua oppitunteja eli opiskelu tapahtui itsenäisesti videoilla ja tukimateriaaleilla – vahvasti tehtävillä painotettuna – tuettuna; (b) kokeelliset työt toteutettiin ”kotityönä” ja erikseen järjestettyinä kokeellisen työskentelyn päivinä (laboratoriotyöajankohtien varaukset, koeviikon iltapäivät) paritöinä, (c) kotitehtävät hoidettiin erilaisilla palautettavilla tehtäväpaketeilla. Arviointi perustui kurssin aikana tuotettuihin työselostuksiin, esseihin, tehtäväpalautuksiin.

Mitkä asiat voisivat vaikuttaa onnistumiseen tai epäonnistumiseen?

Merkittävin tekijä kurssin onnistumiseen liittyy kurssilaisten motivaation. Kun kurssilaisilla on selkeät tavoitteet – eikä vain kurssinumerot – ja yhdessä sovittu aikataulu, kurssin onnistumismahdollisuudet paranevat merkittävästi. Kurssin aikataulu venyi kesäkuun puolelle, mikä osaltaan toi tietenkin opettajalle lisätöitä, mutta lukiolaisille antoi mahdollisuuden muiden opintojen haittaamatta tehdä kurssin työt kunnolla valmiiksi.

Itsenäiseen opiskeluun on liitettävä erilaisia tukitoimia. Kurssin sisällön opiskelua tukivat oppikirjan, Orbitaali 3, lisäksi Opetus.tv:n videot. Videot tuovat itsenäiseen opiskeluun oppituntien elementtejä, jossa kurssin sisältöä selitetään oppikirjojen lukemisen tueksi. Tämä siitä huolimatta, että ko. videot on rakennettu vanhan opetussuunnitelman mukaiseen opetukseen.

Pedagogisesti ajatellen videotuettu itsenäinen opiskelu vie oppimisprosessia takaisin perinteiseen ja luentotyyppiseen opetukseen. Kehotukseni työstää kurssin antia ja tehtäväpaketteja yhdessä joko parin kanssa tai ryhmässä pyrki tukemaan sellaista oppimisprosessia, joten omassa luokassa pyritään noudattamaan. Vaikka arviointi on yksilökohtaista, oppiminen on yhteisöllistä, jossa jaetaan omaa tietoa ja  työstetään muiden kanssa sen lisäksi yhdessä kerättyä tietoa.

Mahdollisuus hyödyntää opettajan apua koulupäivien aikana F2F ja muuten verkoin välityksellä on omiaan tukemaan opiskeluprosessia. Tähän mahdollisuuteen myös tartuttiin, mikä taas osaltaan todisti kurssilaisten sitoutumista oppimisprosessiin, ei vain kurssin tekniseen suorittamiseen.

Mitä näistä voimme oppia?

Itsenäiseen työskentelyyn perustuvan kemian kurssin onnistuminen on monesta seikasta kiinni. Tähän mennessä en ole onnistunutta versiota kokenut. Hyvin moni on jäänyt vaiheeseen jo alkutaipaleella. Kyse ei ole vain tarjonnasta – edellä mainittua kurssia ei ollut ”olemassa”, se rakennettiin toiveesta. Kurssien rakentamisen niin, että ne voitaisiin suorittaa em. tavalla, vaatii aikaresursseja ja hieman uudenlaista lähestymistapaa kokeellisuuteen ja sen toteuttamiseen. Voisiko tavalliseen tapaan toteuttavilta kursseillakin hyödyntää ajatusta ”kokeellisuuden päivistä tai ajankohdista”, jossa työskentelyä tuetaan hieman henkilökohtaisemmin ja ko. töille asetettaisiin hieman syvällisempiä tavoitteita. Toisaalta ”inquire based science education” -lähestymistapa vaatii tässä ehdottomasti tarkempaa pohdiskelua. Itse kokeelliset työt irrotetaan luokkatilanteen mahdollistamasta yhteisestä pohdiskelusta ja ohjeistukset vaativat väljyyttä ja uudelleen muotoiluja, jos niitä on osittain tarkoitus toteuttaa kotona.

KE2-kurssi vielä kerran – Uusi OPS

Toinen kerta KE2-kurssia uuden opetussuunnitelman mukaan. Ensi arvoisen tärkeää on se, että niin ainemäärä kuin konsentraatio -teemat on käsitelty ja opittu KE1-kurssilla. KE2-kurssilla pääsee silloin oikeasti paneutumaan kurssin olennaisimpiin asioihin, eli rakenne- ja analyyttiseen kemiaan. Itselle toki jo yliopistoaikoina tärkeitä teemoja, mutta koko kemian ymmärryksen kannalta merkittävimmät asiat.

KE2-kurssin aloitus

Orbitaaliteoria on tärkeä elementti aineen rakenteen ymmärtämisen perusteiden rakentamisessa. Hyväksi koetut mallit (EAGER- ja PIRE -hankkeiden kautta) ovat edelleen lähtökohtina. Niin aiemmin toteutunut kokemus mallintamisesta, tilastotietojen hyödyntämisestä, auttavat niin elektronikonfiguraatioiden että kvanttilukujen opetuksessa. Orbitaalit ovat sekä kemian taidetta että havainnollisuutta (mallintamista), jolla voidaan kuvata niin atomien että jatkossa myös molekyylien rakennetta.

Tästä eteenpäin hydridisaatiot (molekyyliorbitaalit sigma- ja pii-sidoksineen) ja VSEPR-teoria johdattelevat kovalenttisten sidoksien ja orgaanisten molekyylien avaruusrakenteisiin. Mitkä sitten todentuvat erinomaisesti isomerian kohdalla.

Funktionaaliset ryhmät

Orgaanisten yhdisteet ovat osalle tuttuja yläkoulun kemiasta – oiva paikka eriyttää opetusta. Viime kädessä funktionaalisten ryhmien tunnistaminen on tärkeää ja merkityksellistä. Sanoisin jopa niin, ettei nimeäminen ole se tärkeä asia. Funktionaalisten ryhmien ja yhdisteryhmien eron ymmärtäminen alkaa tästä. Orgaanisen kemian reaktiot tulevat vasta KE3-kurssilla, mutta on jo nyt tärkeää erottaa nämä kaksi asiaa – funktionaalinen ryhmä ja yhdisteryhmä, reaktiivisten kohtien tunnistaminen ja nimeämiseen tähtäävä luokittelu. On eri asia puhua hydroksyyliryhmästä kuin alkoholeista. Eri kirjojen hieman kirjava käytäntö karbonyyliryhmän toteamisessa ja luokittelussa on aiheuttanut harmia – ainakin yo-kirjoituksien sensoreille. Kirjoissa on erilaisia käytäntöjä. Voidaan puhua karbonyyliryhmästä, ketoryhmästä, aldehydiryhmästä, tarkoittaen periaatteessa samaa asiaa, joskus ”tarkemmin”, joskus spektroskopistin silmin. Tässä yksi syys myös spektroskopian opetukseen, koska se tunnistaa karbonyyliryhmän, millä on siis merkitystä. Nyt kun tiedämme yo-kirjoituksissa käytettävän molekyylimallinnusohjelma (Marvin Sketch), sen rooli kasvaa tässä – kuten myös KE3-kurssilla, jossa käsitellään orgaanisen kemian reaktioita.

Spektroskopia – aineen analysointi

Kuten ole aiemminkin jo sanonut aineen analysointi – analyyttinen kemian – on yksi tärkeimmistä kemian osa-alueista. Juuri sen takia, että siinä yhdistyy niin aineen (seoksien) analysointi ja erottelu että itse aineiden tunnistaminen. Nämäkin voi vielä jakaa kvantitatiivisiin (määrällisiin) että kvalitatiivisiin (aineen tunnistamiseen liittyviin) analyyseihin. Jo KE1-kurssilla ellei peräti yläkoulussa voidaan tutkia värillisten liuosten pitoisuuksia hyödyntäen UV- tai näkyvän valon spektroskopiaa. Liuosten valmistuksen yhteydessä tämä on oiva työkalu niin pitoisuuden että UV-VIS-spektroskopian merkityksen ymmärtämiseksi.

KE2-kurssilla spektroskopian voi nostaa – kuten OPS antaa ymmärtää – laadullisesti rakennekemian ymmärtämisen tasolle. Tutkimuksellinen työ, jossa aloitetaan polttoanalyysi laskujen kautta empiiristen kaavojen määrittäminen, siirtyy massaspektrometrian hyödyntämiseen molekyylikaavan määrittämiseksi ja lopuksi rakenteen määrittäminen hyödyntäen IR-spektroskopiaa tai jopa NMR-spektrejä on ihanteellinen mutta myös realistinen tavoite (no ei ehkä NMR). Tarjoamani toimintamalli, jossa opiskellaan IR-spektrien tulkinnan perusteet, tuntuu toimivan ja olevan mielenkiintoista myös lukiolaisten mielestä.

Orgaaniset yhdisteet ja isomeria

Isomeria on taas erinomaisen teema kerrata erilaisia funktionaalisia ryhmiä, ja hiilivetyjen rakenteita. Esseet, joilla mittaan lukiolaisten 3D-mallinnusohjelmien käyttöä, on toiminut useita vuosia. Nyt tässä joudun miettimään Molview-ohjelman erinomaisia ominaisuuksia suhteessa Marvin Sketch ohjelman käyttöön tulevaisuudessa. Täytyy miettiä.

Laitan kuvia myöhemmin.

KE2 -kurssi uuden OPS:in mukaan? Pikakurssi kurssin sisältöön

Uusin OPS:in mukainen KE2-kurssi on perusteiltaan erilainen kuin vanhan OPS:in mukainen KE2-kurssi. Viikin tapauksessa mielenkiintoiseksi teki ja osittain helpotuksen toi se, että uuden OPS:in mukaan kemian lukio-opinnot aloittaneet olivat KE1-kurssilla opiskelleet ainemäärään ja konsentraatioon liittyvät asiat (kuten KE1:ssa vanhan opetussuunnitelman mukaan oli).

KE2-kurssini arvioinnin sovimme rakentuvan seuraavien töiden tuloksiin:

  1. Animaatio (malli) kemian ilmiöstä (ChemSense Animator -ohjelmalla)
  2. Työselostus kokeellisesta työstä
  3. Isomeriaa koskeva essee (jossa todennettiin 3D-ohjelman osaaminen)
  4. Käsitetesti

Kurssin punainen lanka löytyy orbitaaliteoriasta (mistä kirjan nimikin on saanut innostuksen) ja hybridisaatiosta. Alkuaineiden ominaisuudet, hiiliyhdisteiden rakenteet, allotropia ja isomeriakin selittyy näillä teorioilla. Puhumattakaan ns. ulkoelektronien määräytymiseen liittyvät perusteet. Myöhemmin tulee vastaan lisää kemian ilmiöitä ja rakenteita, joita selitetään niin orbitaaliteorialla kuin hybridisaatioilla.

Atomi, atomin rakenne ja atomimallit

KE1-kurssilla on pohdittu atomimallien historiaa ja nykyaikaisen kvanttimekaanisen mallin merkitystä. Nykytietämyksen mukaan kvanttimekaaninen malli elää uutta murrosta, CERN:in hiukkasfysiikan ja antimaterian tutkimukset ovat vieneet standarditeoriaa sen äärirajoille, jopa saattavat asettaa sen perusoletuksia kyseenalaisiksi. Kemian opetuksessa. vaikka atomin ytimen rakenne ja siellä tapahtuvat ilmiöt eivät liitykään itse kemiallisiin reaktioihin ja ilmiöihin, koko atomin rakenteeseen liittyvät tutkimukset ja teoretisoinnit ovat mielekkäitä ja asiallisia lisiä kemian opetuksessa. universe_heavy_ion

Aika, jolloin väitettiin, että neutroni on protonin ja elektronin yhdistelmä, on auttamattomasti historiaa. Myös se, että ydin muodostuu vain protoneista ja neutroneista, on historiaa. Kvarkki-gluoni-plasma -tutkimukset (katso kuva, lähde: http://www.phy.uct.ac.za/ctmp/research) saattavat antaa tulevaisuudessa melkoisesti uusia ajatuksia ja suuntia hiukkasfysiikan mallien rakentamisessa. Oman mielenkiinnon luo niin teoreettiset pohdiskelut kuin CERN:in tutkimukset Higgsin bosonin ja kentän osalta. Pohdiskelut elektronin olemuksesta (vrt. keskustelut aalto-hiukkasdualismista) ja massan synnyttävästä Higgsin kentästä antavat aiheen ja mahdollisuuden tulevaisuudessa miettiä selityksiä myös elektronien kahtalaisiin ominaisuuksiin. Kysymykset, voiko elektroni olla kahdessa eri paikassa samaan aikaan tai miten selitetään se, että voiko elektroni oikeasti esiintyä kuin massaton aalto ja toisaalta käyttäytyä selkeästi kuin massallinen hiukkanen, saavat vastauksia.

Atomin rakenne saa tässä kurssissa melkoisesti uusia ulottuvuuksia, kun elektroniverhon rakennetta jäsennetään orbitaaliteorian kautta. En osaa miettiä, miten muuten elektronitasoja ja hieman monimutkaisempia sidosteorioita ryhdyttäisiin selittämään.

Alkuaineiden luokittelua ja jaksollinen järjestelmä

Jako metalleihin ja epämetalleihin (sekä puolimetalleihin) on helppo selittää viittaamalla jaksolliseen järjestelmään. Mutta miksi ko. jako on olemassa ja miksi siitäkin on ollut erilaisia versioita (vrt. Aine ja energia -kirjan ja esim. Ilmiön jaksolliset järjestelmät). Mendelejevin rLähde: https://empoweryourknowledgeandhappytrivia.wordpress.com/2014/09/04/periodic-table-of-the-elements/comment-page-1/akentaman jaksollisen järjestelmän merkitys perustuu perusajatukseen, jossa ryhmät muodostuvat alkuaineista, joilla on samankaltaisia ominaisuuksia. Tämä pitää erityisen hyvin paikkansa 1) alkalimetallien, 2) maa-alkalimetallinen, 3) halogenidien ja 4) jalokaasujen kohdalla.

Muut ryhmät ovatkin sitten hieman pulmallisia, pääryhmistä 3-6 (Booriryhmästä happiryhmään) löytyy erilaisia alkuaineita, joilla on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia. Kuvassa on taas erilainen jako alkuaineisto ko. ryhmien osalta. Kurssin alkuun on hyvä tutustua (ellei jo tehty yläkoulussa tai KE1-kurssilla) www.ptable.com -sivustoon. Ko. sivusto sisältää käytännössä kaiken tarpeellisen alkuaineisiin liittyvän tiedon.

Orbitaaliteoria: atomiorbitaalit ja jaksollinen järjestelmä (hapetusluvut)

Orbitaaliteoria on hyvää rakentaa kvanttilukujen pohjalle. Miten atomimalli energiatasoineen rakentuu ja selittyy erilaisilla kvanttiluvuilla on tärkeää. Kun orbitaalien määräytyminen on selvinnyt, ryhdytään pohtimaan orbitaalien ja energiatasojen täyttymistä. Em. ptable-sivuston hyödyntäminen orbitaalien täyttymisen määräytymistä koskevien sääntöjen määrittämisessä on ensiarvoisen tärkeää. Minimienergiaperiaatteen, Hundin säännön ja Paulin (kielto)säännön todentaminen ei ole hankalaa, mutta mm. kahden ”poikkeuksen” löytäminen johtaa mielenkiintoisiin keskusteluihin (sekä syistä että siitä, miten voidaan osoittaa sellaisten olemassa olo). Kromin ja kuparin erikoistapaukset vaatinevat oman pohdinnan – eivät ole aivan yksinkertaisia tapauksia (vrt. Madelungin sääntö).

Em. ptable-sivusto opastaa myös elektronikonfiguraatioiden laatimiseen. Tässä on kuitenkin todettava, että ko. sivuston elektronikonfiguraatioiden kirjoittamistapa noudattaa ideaa, jossa viimeisenä on aina se orbitaali, joka on viimeksi täyttämässä (ei siis välttämättä pääkvanttiluvun mukainen taso).

Hybridisaatio ja VSEPR-teoria

Orgaanisten yhdisteiden rakenteiden ymmärtäminen edellyttää hybridisaation ymmärtämistä. Sitä voidaan tukea VSEPR-teorian avulla. Netissä löytyy tähän tarkoitukseen erinomaisia videoita. Oma suosikki on: https://www.youtube.com/watch?v=keHS-CASZfc&t=44s . Hybridisaatio ja esim. hiilen allotropiat ovat oiva keino selittää molempien olemassaolo. Teoriaa hybridisaatiosta tukee myöhemmin myös pohdiskelut kompleksiyhdisteiden rakenteista ja avaruusgeometriassa.

Hiiliyhdisteet ja funktionaaliset ryhmät

Vanhan OPS:in mukaan otsikon teema käsiteltiin KE-kurssilla. Toki asia tuli uudestaan KE2-kurssilla, kun käsittelyyn tuli orgaanisten yhdisteiden avaruusrakenteet (orbitaalit ja hybridisaatio) ja isomeria. KE1-kurssilla uuden OPS:in mukaan hiiliyhdisteet tulevat lähinnä kovalenttisen sidoksen ja heikkojen sidoksien käsittelyn yhteydessä. Silloin tarpeellisten funktionaalisten ryhmien ymmärtäminen perustuu pitkälti yläkoulun kemian tuntemukseen. Elektronegatiivisuuden ja funktionaalisten ryhmien merkitys avautuu  3D-ohjelmien käytön avulla. Poolisuus ja elektronien sijoittumien molekyylissä onnistuu hyvin 3D-ohjelmien avulla (erilaiset elektronitiheydet saadaan näkyviin). Funktionaalisten ryhmien merkitys kemiallisissa ominaisuuksista todentuu ns. funktionaalisten ryhmien tunnistusreaktioissa (vrt. epäorgaanisten yhdisteiden, erityisesti metallien tunnistusreaktiot).

Aineen kaavan ja rakenteen määrittäminen, polttoanalyysi ja spektroskopia

Orbitaaliteorian vieminen käytäntöön onnistuu aineen kaavan ja rakenteen määrittämisen miettimisellä. Empiirisen kaavan (suhdekaava), molekyylikaavan ja lopuksi rakennekaavankin määrittämisessä spektroskopialla on suuri merkitys. Matemaattinen osuus empiirisen kaavan kohdalla antaa hyvän tilaisuuden kerrata moolimassan ja ainemäärän laskemista. Empiirisen kaavan määrityksen jälkeen on mahdollisuus paneutua tunnistusreaktioihin kokeellisella puolella tai syventyä spektroskopian alkeisiin niin IR:n kuin NMR:nkin osalta. Itse käytin jopa perikin tuntia spektroskopian opiskeluun, lukiolaiset laativat omat vertailutaulut IR-spektrien tulkintaa varten ja lopuksi selvitettiin sitä, miten NMR-spektrit mahdollistavat orgaanisten molekyylien rakenteen määrittämisen.

Isomeria

3D-mallintaminen nousee tärkeää rooliin juuri isomerian opetuksessa. Itse isomerian ymmärtäminen ei ole vaikea asia, mutta asioiden hahmottaminen helpottuu huomattavasti 3D-mallinnusohjelmien käytön avulla (soveltaen myös pallotikkumallien käytöllä). Itse toteutin isomerian tuntityöskentelyn lisäksi myös vaatimalla lukiolaisia tekemään esseet 3D-mallinnuksien kanssa.

Elämän rakennusaineet

Hiilihydraatit, proteiinit eli valkuaisaineet ym. muodostavat yhden ison kokonaisuuden jonka toteuttaminen voi hoitua monella tapaa. Otsikko on hieman lavea, mutta mahdollistaa pari- tai ryhmätyöskentelyssä rakennettujen teemojen läpikäymisen. Voi toimia myös vertaisarvioinnin kautta arvioitujen postereiden kokoamisena.

KE1-kurssi takana – Kemiaa kaikkialla

KE1-kurssin suunnittelua ja toteuttamista häiritsi mielikuva siitä, että tämä kurssi oli käytännössä yläkoulun kemian kertausta opetussuunnitelman mukaan. Elektronegatiivisuus ja poolisuus sekä sitä kautta uusi näkökulma sidosteorioihin ehkä selkeimmin se uusi asia. Ja todella tärkeää seuraavien kurssien kannalta. Viikin normaalikoulun uudessa kemian OPS:issa on ainemäärä ja konsentraatio sisällytetty KE1-kurssin sisällä, mikä oli jo tämän kokemuksen mukaan onnistunut valinta.

Kurssini kurssisuunnitelma löytyy osoitteesta: https://peda.net/p/myllyviita/kks2uo (peda.net). Kommentit ja kysymykset ovat tervetulleita.

Arviointiin

Kurssi alkoi ”alkutestillä” (Edmodossa), joka antoi jonkinlaisen kuvan siitä, miten yläkoulun kemia oli itse kullakin hallussa. Tässä arviointityökalu pyrki olemaan formatiivisen arvioinnin välineenä.

Kurssin tärkeänä oppimistukevana työkaluna toimii kurssin aikana rakennettava käsitekartta (siis lukiolainen laatii omaa koko kurssin ajan – laitan esimerkkejä, kunhan saan lukiolaisilta lupia niiden julkaisuun, nyt ne ovat arvioitavana – ovat yksi kurssin suoritus). Sitä laaditaan aina palanen jokainen tunnin jälkeen – ei kurssin jälkeen (ero näkyy kyllä tuotoksissa heti).

Muita arvioitavia kurssisuorituksia olivat projektityö (posterit, kts. alla) ja liuoksen valmistukseen liittyvä työselostus. Kurssin päätteeksi oli käsitetesti (monivalinta), kemian sanakoe, kuten sen lukiolaisille esittelin.

Työskentely ja pedagogiset valinnat

Kurssin toteutukseen vaikuttivat vahvasti aiemmat kokeilut niin flipped classroom -pedagogiikasta ja ns. projektioppimisen toimintamalleista (ns. PIRE-projektin toimintamalli). Mielenkiintoisia tuotoksia syntyi, kun pohdimme atomimalleja. Työtapa oli seuraava: Mieti yläkoulun tietojen pohjalta, miten atomi rakentuu. Seuraavaksi vaihdettiin näkemyksiä pöytäryhmissä. Katsoimme videon atomimallien kehityksestä ja keskustelimme nykyaikaisesta käsityksestä atomin rakenteesta. Kerroin myös omia kokemuksia ja ajatuksia CERN:in hiukkasfysiikan opettajakurssin annin pohjalta.

Lukiolaisten tuotoksia:

atomimalli_ke atomimalli_ke11 heliumvalmis

Hyvä kysymys on, miksi kaikki tässä ovat esitelleet helium-esimerkin? No KE2-kurssilla paneudutaan asiaan hieman syvällisemmin.

Jaksollisen järjestelmän ymmärtäminen ja hallinta valmistaa lukiolaista kemian syventäviin opintoihin. Jaksollinen järjestelmän sivusto www.ptable.com toimii erinomaisesti apuna.

Sidoksien (vahvat ja heikot sidokset, vanha asia ja uusi asia) käsittely alkoi ensin sijaisen pitämillä – 1) lähinnä yläkoulun asioiden kertaamisella 2) elektronegatiivisuuden mukaanotolla – tunneilla. Itse pääsin asiaan ”kokeellisuuden tunnilla”. Tehtävän anto oli yksinkertainen (tutkivaa oppimista mukaileva lähestymistapa): Mitä nesteitä seuraavissa neljässä koeputkessa on? Kuvassa näkyy itse kemikaalit, takana olevat koeputket sisälsivät lukiolaisille annetut näytteet.

pooliset_liuokset

Maistaa ja haistaa ei saanut (olisi ollut haitallista). Lupasin, että on mahdollisuus tehdä kaksi koetta (mietittävä tarkoin, koska aineet eivät riitä useampiin). Yhden tein malliksi (poltin yhtä ainetta, se paloi sinisellä liekillä – totesin kaikki muutkin palavat).

Kemiaa kaikkialla -teeman toteutin pari- tai ryhmätyönä toteutettavan projektityön avulla – laadi posteri-tyylinen esitys jostakin kemian alasta tai yhdisteestä tai yhdisteryhmästä tai kemian ammatista (näitä esiteltiin ja vertaisarvioitiin kurssin viimeisellä tunnille)… Tässä pari esimerkkiä:

posteri_maillard_reaktio

posteri_sitruuna

Postereiden ja esityksien kirjo oli melkoinen, ja erinomaisesti ne palvelivat itse otsikon linjaa: kemiaa on kaikkialla.

Alkusyksyä 2016 – Uusi opetussuunnitelma ja uudet kujeet

Neljäs vuosi ilman kurssikokeita – eli siis jo vanha keksintö Viikin normaalikoulun kemian opetuksessa. Tämä on tietenkin asettanut toisenlaisia haasteita arviointiin, kun kurssinumeroiden perusteena ei ole koenumerot. Nykyaikaisille opettajille tässä ei ole mitään uutta, vaikka käytäntöä en pidä ainoana oikeana – kuvio ei missään tapauksessa vähennä töitä. Opiskelijoilla sitä vastoin tämä on aina ollut perusteltava erikseen. Liian moni on tottunut siihen, että kurssinumeron saa pinnistämällä kurssin lopussa muutaman päivän ja kun opettelee ulkoa kurssin oleelliset asiat ja muistaa se kurssikokeessa, homma on saletti. Valitettavasti tällä ei ole oikein mitään tekemistä oppimisen kanssa, varsinkin oppiaineessa, jossa edellisen kurssin asiat ovat lähtökohtaisesti sellaisia, joiden päälle uutta tietoa rakennetaan.

Peruskoulun uusi opetussuunnitelma ei tee asioita helpommaksi ja ilmiöoppimisille sekoitetaan opettajia lisää

Uusi peruskoulun opetussuunnitelma ei helpota lukion kemian opetusta lainkaan. Edelleenkin kemia pidetään ”luonnontieteenä”, ja vieläpä sitä yritetään ohjata yhä enemmän pinnallisen oppimisen suuntaan. Yläkoulun kemia ei käsittele kemian omia suureita, ainemäärää tai konsentraatiota, kemia on myös eksakti luonnontiede, ei kokoelma ilmiöitä. Pitoisuus toki mainitaan, koska sillä on kuitenkin merkitystä kemiallisten ominaisuuksien pohdiskelussa ja vertailussa. Mutta se, että yläkoulun kemiassa yritetään pitää matematiikka ja tarkkuus sivussa, ei saa minun myötätuntoa. Kun vielä orgaanisen kemian – mikä minusta luokittelukriteerinä edelleenkin on relevantti – oppisisällössä julistetaan epämääräisyyttä ja muka valinnanvapautta, olemme hukkatiellä. ”Perehdytään johonkin orgaaniseen yhdisteryhmään” on  huvittava lausahdus 550 sivun mittaisessa opuksessa. Voisi jopa epäillä, että kemian osuutta eivät ole olleet pohtimassa kemian opetuksesta jotain ymmärtävät (olen pahoillani tästä väitteestä) – itsekin taustatyössä mukana olleeni tiedän, että näin ei ollut.

Nyt lukion uudessa opetussuunnitelmassa orgaaninen kemia on sijoitettu KE2-kurssiin, mikä on syventävä, ei pakollinen, kemian kurssi. Nyt kauheimman skenaarion mukaan meillä voi olla lukion suorittanut ylioppilas, joka ei ole kuullutkaan karboksyylihapoista, siis muurahais- ja etikkahapoista tai aminohapoista, eli DNA:n rakenneosista. Kemian opetus on nyt täysin riippuvainen yläkoulun kemian opettajien panostuksesta ja motivaatiosta.

Pieni varoituksen sana. Kun yläkoulun kemian opetussuunnitelman sisältö on valitettavasti menossa nyt juuri väärään suuntaan, voi kysyä miksi näin. Onko taustalla pyrkimys siihen, että kemiaa voisi opettaa ”kuka vain jonkinlaisen opettajapätevyyden” saanut? Halutaanko suomalainen – PISA-saavutusten takuu – vahva aineenopettajaperusta murentaa jonkin pinnallisen ”ilmiöoppimisen” paradigmalla? Tekemällä opetussuunnitelmasta epäselvä ja ilman punaista lankaa sisältävä kyhäelmä ollaan menossa vaarallisesti edellä mainittuun suuntaan. Toivottavasti olen väärässä. Ilmiöoppiminen on kuitenkin klisee, jossa kemian ja tieteen todelliset ILMIÖT katoavat ”isojen otsikoiden” mahdollistamaan pedagogiseen sumuun.

Peruskoulun kemian opetuksen uudet suuntaviivat – miksi emme tartu uusiin lähestymistapoihin?

Markkinoille tulleet ”uuden opetussuunnitelman mukaiset” paperiset oppikirjat ovat tuoneet varsin vähän uutta itse opetuksen sisältöihin. Mielenkiintoista onkin se, että vaikka peruskoulun opetussuunnitelmaprosessi oli pitkä ja perusteellinen, se ei ainakaan kemian osalta päivittynyt oppimateriaaleihin. Mm. Ilmiö-kirja ja Aine ja energia -kirjasta päivittynyt versio ei käytännössä tuo mitään uutta (tekijät voisivat kyllä avautua tässä), e-Opin Yläkoulun kemiasta en osaa sanoa vielä mitään.

Itse omaan versiooni yläkoulun kemian kirjasta (muokattu e-Opin kirja) olen ottanut 7.luokalta lähtien punaiseksi langaksi jaksollisen järjestelmän. Seuraava etenemismalli on kirjattu myös Viikin normaalikoulun peruskoulun kemian opetussuunnitelmaan.

  1. Ensin opiskellaan atomi. Kvanttimekaaninen atomimalli, ei Bohrin mallia eikä oktettia! Elektronit energiatasoilla. Ympyrä on yhtä abstrakti kuin viiva, mutta energiatasoajattelu on jatkossa hyödyllisempi.
  2. Alkuaine.
  3. Hahmotetaan jaksollinen järjestelmä.
  4. Sitten vasta ”sekoitellaan”. Eli seokset ja erotusmenetelmät

Atomimallin kehittymisen lisäksi toinen kemian historian merkittävä kehitystarina kuuluu happo-emästeorioihin. Peruskoulussa paneudumme kemiallisissa ominaisuuksissa happamuuteen, ja niin kauan kun puhumme vain tästä ilmiöstä ja selitämme sitä pH:n kautta (ja vielä ajatuksella ”alle 7 eli hapan”, ”7 eli neutraali” ja ”yli 7 eli emäksinen”), tämä Arrheniuksen määritelmään perustuva malli toimii – toki ammoniakki- ja vetykloridikaasujen emäksisyys ja happamuus ei siihen määritelmään sovi. Mutta muistammeko yläkoulun kemian opetuksessa selkeästi opettaa eri happo-emäs-teoriat (edes em. Arrhenius ja sitten Bröndstedt), jotta lukiossa ne olisivat sitten hallussa.

Miten saisimme orgaanisen kemian osuuden muokattua mielekkäämmäksi kokonaisuudeksi. Funktionaalisten ryhmien läpikäynti ei vielä toimi, koska emme saa elektronegatiivisuuden ja niiden erojen tuomaan viritystä mukaan. Onko tähän kenelläkään toimivaa ideaa, ja nyt en hae mitään ilmiöoppimisen höpinää. Uusi opetussuunnitelmamme ei tässä meitä auta, päinvastoin – kuten aiemmin jo totesin.

Otan tässä aikalisän peruskoulun kemian opetuksen pohdiskeluun. Ensi lukuvuonna minulla on 8. ja 9.lk:n kurssit, jotka menevät vielä vanhan OPS:in mukaan. Mutta sitten on aikaa kehitystyölle.

Lukion kemiaa – Orbitaali 1 asettaa tavoitteet kuitenkin korkealle

Tuore e-Opin lukion kemian ensimmäinen oppikirja Orbitaali 1 – muuten oli aikoinaan maailman ensimmäinen sähköinen kemian oppikirja – on valmistumassa entistäkin ehompana. Vaikka lukion uuden opetussuunnitelman mukainen oppisisältö ei vastannut kemian opettajien näkemyksiä – sen verran kemian opettajia olen LOPS-prosessin aikana tavannut ja jututtanut, että näin voin sanoa – uudistettuun Orbitaali 1 -kirjaan on saatu rakennettua selkeä punainen lanka ja tukeva paketti kemian perusasioita. Sähköinen kirja on mahdollistanut erilaisten videoiden ja animaatioiden käytön, joten (kemian) ilmiöiden havainnollistaminen helpottuu. Jo nyt on valmistunut 100 diaa sisältävä opettajan diasarja. Sähköinen kirja on e-Opille tyypilliseen tapaan editoitava, samoin em. diat. Opettaja pääsee siis toteuttamaan omaa opetustaan haluamassaan laajuudessa ja järjestyksessä. Lukiolaisille myytävä kirja voi olla oman opettajan ”editoima” koulukohtainen versio (opettaja tietenkin huomioi, että se edelleen sisältää kaiken opetussuunnitelmassa vaaditun). Orbitaali 1 sisältää myös selkeästi KE1 – Kemiaa kaikkialla -kurssin opetussuunnitelmasta harmillisesti poistettuja osioita, mm. ainemäärän ja konsentraation käsittelyn. Ja näihin liittyy myös liuoksen valmistus. Opettajat voivat omalla esimerkillään osoittaa, että näiden – kemiassa tärkeiden suureiden – poisjättäminen pakollisen kurssin sisällöistä oli virhe.

Orbitaali 1 -kirjassa on selkeästi paneuduttu kemian peruskäsitteiden opiskeluun, nykyaikaisen atomimallin eli kvanttimekaanisen atomimallin mahdollistamaan sidosmaailman ymmärtämiseen. Kirjan nimeä seuraten kirjassa esitellään orbitaaliteoria. Orbitaaliteorian seuraavat ”vaiheet” käsitellään myöhemmin Orbitaali 2 -kirjassa (mm. hybridisaatio). Opettaja voi toki jättää nämä käsittelemättä – jopa poistaa omista opiskelijoille myytävästä versiosta – pitäytymällä muissa selitysmalleissa, esimerkiksi VSEPR-teoriassa.

Orbitaali 1 -kirjassa on kerrattu runsaasti yläkoulun kemiaa, mutta sen(kin) voi jättää vähemmälle, jos opiskelija-aines osoittaa ne hallitsevan. Mutta pelottavia kauhukuvia olen antanut edellä.

Viikin normaalikoulun kemian opetuksessa jo neljäs lukuvuosi ilman kurssikokeita – arvioinnin halutaan tukevan oppimista

Kemian osaamista voidaan mitata ja tulkita monella tapaa. Hyvä kysymys on aina, mikä on arvioinnin primääri tehtävä. Millaiset menetelmät tukevat oppimista ja millaiset toimintamallit eivät. Edelleen johtuen – ketään syyllistämättä – vallitsevasta summatiivisesta numerokeskeisestä arviointikulttuurista niin yläkoulussa kuin muissa oppiaineissa, opiskelijoiden suhtautuminen uuteen opiskelukäytäntöön ja uusiin työmuotoihin on konservatiivinen, jopa kielteinen. Eli haastetta riittää uudistajille ja uusien käytäntöjen kokeilijoille.

Mikä tekee kurssikokeettomasta lukiokurssista pulmallisen opiskelijan näkökulmasta? Koska arviointia tehdään, kurssinumeroiden perusteet haetaan jostakin. Jos kurssilla arvioidaan osaamista koko ajan, myös näyttöjä odotetaan koko kurssin ajan. Siihen ei riitä parin kolmen päivän ulkoa opiskelun osuus jakson loppusuoralla, juuri ennen kurssikoetta. Osa julkisuudessa vallitsevasta käsityksestä lukion opintojen ”ulkoaopiskelusta” perustuu tähän vääristyneeseen toiminta- ja opiskelukulttuuriin.

Kurssikokeeton lukiokurssi on myös vaikeasti uusittavissa. Runsaat poissaolot – ei siis vain fyysiset, vaan myös ”henkiset” – eivät helpota kurssin suorittamista. Kurssikokeella tavoitellaan tässä vain läpipääsyä, mikä ei pitäisi olla enää lukiossa kurssien suorittamisen tavoite. Jos tavoitteena on edes ”selviytyminen yo-kirjoituksissa”, se vaatii asioiden ymmärtämistä, mikä ei vain kurssikokeita läpikäymällä onnistu.

Kurssikokeet voivat toki tukea monipuolista ja opiskelua edistävää arviointia. Ne voivat toimia ”viestinä”, mitä asioita pitää vielä kerrata ja läpikäydä ennen seuraavalle kurssille osallistumista – aina monessa oppiaineessa uuden asian oppiminen perustuu aiemmin opiskellun hallintaan.

Uusi pedagogia lähestymistapoja kokeilemassa – projektioppimista ja flippaamista – kenelle suosittelen?

Päättyneen lukuvuoden aikana oli omalla kohdalla kaksi merkittävää pedagogista kokeilua: PIRE-hankkeen myötä projektioppimisen ja mallintamisen kokeilu KE2-kurssilla ja lukiopedagogiikan kehittämiseksi flipped classroom -kokeilu KE5-kurssilla. Näistä olenkin jo raportoinut tässä blogissa. Mutta kysymykseen kenelle suosittelen koetan nyt hakea vastausta.

Julkisuudessa yleensä esitellään vain onnistuneita kokeiluja ja heti perään vannotaan niiden nimeen. Tutkimusartikkelista ja -kirjallisuudesta ei yleensä ole vaikeaa löytää tukea omille ajatuksille – oman tutkimusartikkelin taustojen rakentaminenhan yleensä lähtee tästä, joten se puoli on yleisesti hoidettu oli tutkimusperinne kvantitatiivinen tai kvalitatiivinen. Jälkimmäisessä se lienee helpompaa. Tämän vuoksi lähdenkin väittämään, että oli pedagoginen kokeilu tai kehittämishanke mikä tahansa, jos opettaja on motivoitunut ja vakuuttunut omasta tekemisestään sekä saanut myös tarvittavan tuen työlleen (suunnitteluresurssia, uusia työvälineitä, verkostoja), se onnistuu ja tuottaa parempia oppimistuloksia. Tätä väitettä pohtiessa ja analysoidessa kannattaa tutustua mm. Hattien ja Kirschnerin metatutkimuksiin (tutkimuksiin tutkimuksista).

Opetusharjoittelu on aikaa, jolloin voi tutustua niin ohjaavien opettajien kuin vertaisten eli muiden opetusharjoittelijoiden. opetukseen, pedagogisiin ja didaktisiin valintoihin (jotka voivat olla hetkellisiä tai laajempia toimintamalleja). Tutkimusperusteisen opettajankoulutuksen pitäisi antaa meille valmiuksia analysoida erilaisia lähestymistapoja, haastaa meitä kokeilemaan ja reflektoimaan omaa työtä sekä tuottamaan dokumenttia tästä. Erilaisia tuotoksia, blogeja, tutkimusartikkeleita jopa kirjoja pitäisi syntyä opettajien oman työn kuvauksista ja kokeiluista. Oman opettajuuden kehittäminen on yksi perusajatus suomalaisessa opettajan täydennyskoulutuksessa.

Michiganin valtionyliopiston kanssa tehtävä tutkimus- ja kemian opetuksen kehittämisyhteistyö on ollut mielenkiintoista itsensä haastamista. Jenkkien lievä ylimielisyys osaamisensa kanssa häiritsee, mutta kun keskittyy oman työn kehittämiseen ja uusien toimintamallien hakemiseen – myös uuden opetussuunnitelman hakemien mallien kautta – hommassa on mieltä. Projektioppimisen ja mallintamisen malli, jota jenkkiasiantuntijat ovat markkinoineet, muistuttaa erinomaisesti 40 vuotta sitten Engeströmin lanseeraamaa opetuksen viitekehyksien rakentamista ja hyödyntämistä – mitä Suomessa on opetettu siis jo tuon ajan, joskin pienellä varauksella, koska malli edustaa marxilais-vygotskilaista suuntausta. Eli tässäkin olemme olleet jo 40 vuotta sitten kehityksen kärjessä. Hankkeen psykologit – pyskologit, kuten niitä aina kutsun – ovat taas ajatusmalleissaan kaukana nykyajasta, aineistojen keruun välineissä tietenkin ollaan ajan tasalla (mobiilikyselyt). Tieteen tekemisessä täytyy aina muistaa se, että tutkimusasetelma täytyy saada lähelle normitilannetta. Muuten itse tutkimus aiheuttaa omat faktorit tuloksiin. Suomalaisen kvalitatiivisen (erityisesti psykologian ja kasvatustieteen) tutkimuksen perinne on todella vielä alkutekijöissä – no eipä se muuallakaan edennyt ole.

 

Hattie, J. (2008). Visible learning: A synthesis of over 800 meta-analyses relating to achievement. Routledge.
Hattie, J. (2012). Visible learning for teachers: Maximizing impact on learning. Routledge.
Kirschner P. A., Sweller, J. & Clark, R. E. (2006). Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work: An Analysis of the Failure of Constructivist, Discovery, Problem-Based, Experiential, and Inquiry-Based Teaching. Educational Psychologis. Volume 41,  Issue 2, 2006

KE1-kurssin opiskelijat vierailivat yliopistolla ja kemian opettajankoulutusyksikön Gadolin-luokassa

Lukion pakollisen kemian kurssin sisältöön sopi mainiosti vierailu Helsingin yliopiston kemian laitoksella. Opettajankoulutusyksikön Gadolin-luokassa oli tilaisuus tutustua asioihin, joihin ei koulun kemian luokassa ole mahdollisuutta.

Metsä-teema (koulumme monialaisen oppimisen teema) ja kromatografiaa

Gadolin-luokan työmme liittyi syksyn lehtiin ja lehtien erilaisiin ”värianeisiin”. Mitä lehdille tapahtuu? Miksi värit muuttuvat? Mitä aineita lehdissä siis on?

Jotta lehtien erilaisia aineita saadaan eroteltua toisistaan, täytyy tietää, mitä tarkoitetaan poolisuudella ja poolittomuudella, miten nämä liittyvät liukenemiseen ja liuottimiin, miksi voimme erotella kromatografialla eri aineita.

1. Näytteen valmistus – Jauhaminen, liuotus ja suodatus

naytteen_jauhaminen

Näytteen jauhaminen

naytteen_liuottaminen

Aineiden uuttaminen ja liukeneminen asetoniin

 

naytteen_suodatus

Näytteen suodatus

 

2. TLC-levyn valmistus ja itse TLC-ajo ja lopputulos

tls_levylle_imeyttaminentlc_ajotlc_ajon_tulos

3. Johtopäätöksiä

Lehden aineita eroteltuna:

  • kellertävä kerros (ylin) = beta-karoteeni
  • harmahtava kerros = feofytiini
  • vihreä kerros = klorofylli a
  • kirkkaan vihreä = klorofylli b
  • keltainen = violaksantaani, neoksantaani ja kryproksantaani
  • ruskeankeltainen = kseansantaani
  • luteiini = keltainen

Vierailun lopuksi oli vielä demostraatioita nestetypen kanssa ja nallekarkin polttaminen.