MAOL:n järjestämässä lukion kemian opetussuunnitelman perusteita käsitelleessä tilaisuudessa oli esillä kaksi esitystä uuden opetussuunnitelman sisällöksi. Ristikkäisiä ajatuksia niistä on hankala löytää, ehkä painotuseroja voi poimia, mutta yksi erottuu selkeämmin, lähtökohdiltaan ne ovat hieman eri tasoisia vai pitäisikö sanoa katsantokannaltaan eri tasoisia. Allekirjoittaneen ja ”Viikin ryhmässä” koottu esitys oli tällainen (supistettuna – ilman laajoja perusteluja): Kemia_LOPS2016_ViikinRyhma ja toinen esitys (Olga Sipilä ja Tuula Sorjonen), joka löytyy MAOL:in sivuilta (linkki).

Selkeä ero tulee matematiikan roolin ymmärtämisessä kemian opetuksessa. Tietenkin itselläni, jolla on toinen opetettava aine on matematiikka, matemaattinen lähestymistapa ei ole vieras, vaan haluaa sen merkitystä myös ei ehkä korostavan mutta ainakin selkeyttävän. Mooli-käsitteen tuominen on yleissivistystä (pitäisi kyllä tulla jo yläkoulun kemiassa, mitä esitinkin peruskoulun OPS:iin), ja vielä korostuneemmin ja moolin liittyen pitoisuudet (konsentraatio). Miten saadaan ymmärrettäväksi erilaiset pitoisuuksien esitystavat, massa-%, tilavuus-% ja minusta erittäin tärkeä konsentraatio (mol/dm3), on opettajan ja hänen työtään tukevien materiaalien toimivuudesta kiinni. Kun orgaanisen kemian höpinöistä vapautuu kurssiaikaa, ne voidaan kohdentaa matemaattiseen puoleen. Liuoksien valmistus (myös laimentaminen) työnä on pidettävä osana pakollista kurssia – ehdoton taito ja ymmärrys (juuri laimennuksen osalta varsinkin) on tarpeen.

Nykyinen KE5 (Tasapaino), omassa esitykssessä KE4, vaatii uudenlaista ajattelumallia, jolloin (sinänsä tärkeästä) laskennollinen (laskennallinen kemia lienee nykyään pyhitetty fysikaalisen kemian käsitteistöön) kemia kohtaa lukiolaisen ymmärryksen paremmin. ”Viikin esityksessä” lanseerattu järjestyksen muutos (eli liukoisuustulo – eli heterogeeninen tasapaino) tulisi ensin – yhtälökin selkeämpi kuin tasapainovakion kautta lähdettäessä – voisi haastaa opetusta uuteen tilanteeseen; itse aion kokeilla tätä heti ensi syksynä vielä nykyisen OPS:in puitteissa (mikä ei siis kiellä uutta järjestystä). Väite, että kurssi olisi laskennollisesti vaati, on hieman yliampuva – logaritmi-käsite voi olla uusi, jos 2.vuoden lukiolaiset suorittavat ko. kemian kurssia (matematiikassa logaritmi-käsite tulee myöhemmin – miksi?). Muuten laskutoimitukset ovat tasoa kerto-jakolasku ja parhaassa tapauksessa ehkä yhtälönratkaisua (joka nykyään tapahtuu laskimella suoraan).

Ehkä se, että selkeästi tuomme stoikiometriaa joka kurssille ja emme (kuten itsekin olen tehnyt) ylikorosta nykyisen KE5-kurssin matemaattisuutta (laskennollisuutta), saamme tasapainoa aikaan myös sisältöjen osalta. Kaasulaskut, sähkökemian laskut, reaktioyhtälöiden kertoimien määrityksen jälkeen ainemäärä- ja konsentraatiolaskujen muistiin palauttaminen on todella hyödyllistä.

Tästä lienee paikallaan keskustella enemmän.

KE2-kurssin sisältö oli rinnakkaisesityksessä hieman ”sotkettu”. Syitä ei kannata ruveta kelaamaan, mutta sidosteorioiden kohdalla (kovalenttiset sidokset, orbitaaliteoriat, hybridisaatiot) ei pidä ryhtyä harrastamaan vähättelyä tai yliolkaista asioiden poisjättämistä. Koko kemia perustuu sidoksiin – kemiallinen reaktio on sidoksien hajoamista ja uusien syntymistä, uusien aineiden muodostuminen (käytännössä aina kemiallinen reaktio) on sidoksien hajoamista ja uusien syntymistä (opetamme: vanhoista aineista muodostuu uusia aineita). Olomuodon muutokset ovat sidoksien hajoamista ja uusien muodostumista, siis kemiallisia ilmiöitä ei fysikaalisia). Jos nämä asiat ovat hankalia, kemian opettajien täydennyskoulutuksen (ellei ainelaitoksien opettajakoulutuskursseilla siihen mennä) pitää paneutua tähän. Ke2-kurssi on ”hankala” sivuainekemisteille”, mutta se ei voi olla selitys, etteikö tärkeitä asioita käsitellä. Olen turhaan kuunnellut yliopiston lehtoreiden tuskaisia kommentteja siitä, että yliopiston alkupään kemian kursseilla pitää opettaa lukion asiat uudelleen. Toki itse sain kuulla entisen oman lukiolaisen suusta, että HY:n kemian peruskurssien kokeet ovat helpompia kuin Viikin normaalikoulun lukion kemian kurssien kokeet.

Pientä lipsumista ”rinnakkaisesityksessä” on reaktion luonteeseen ja reaktion käsitteisin liittyvissä asioissa. KE3-kurssin selkeä ”Reaktiot ja energia” -otsikkokin pitää homman kasassa, reaktioiden nopeuteen (ja ennen tätä reaktioihin liittyen teoreettisten lähtökohtien: törmäysteoria ja siirtymätilateoria) liittyvät asiat ovat ehdoton KE3-kurssin perusta. KE2-kurssin – ehkä tosiaan se teoreettisin kurssi – konkretisoituminen sidosenergioineen (laskennollinen osio taas!) KE3-kurssilla on kova asiaa.

Yhteistä (uutena painotuksena) molemmilla on KE4-kurssin tutkivan oppimisen lähestymistavan nostamisen esille. Mutta se voisi soveltua parhaiten, jos nykyinen KE4-kurssi olisi viimeisenä kurssina, jolloin se voi osaltaan tukea myös asioiden kokoamista laajempaan asiayhteyteen.

Se, mikä oli ”Viikin esityksessä” kovaa ydintä oli KE1-kurssin elinkaarianalyysin nostaminen korkealle sijalla. Kyse ei ole mistään ”hiilijalanjäljestä”, ”aineet loppuvat maapallolta” vaan mielekkäästä ja asiallisesta tavasta ymmärtää aineen häviämättömyys ja erilaisten alkuaineiden ”elinkaari” erilaisissa materiaaleissa. Toki kierrätyksen ja alkuaineiden uudelleen käyttöönotto nousee tässä esiin, mielekkäällä tavalla. Ei hiilidioksidi ole paha asia … ilman sitä kasvit eivät elä; mitä teemme hapettumisen (käytännössä ruostumisen) estämiseksi; kun juomme maitoa, mitä jokaisen tarvitsee kalsiumin lähteenä, mikä on se ketju, joka tämän tuottaa ja mitä siitä maidon juomisen jälkeen tulee. Lääkkeet, antibiootit ovat tärkeitä, mikä on niiden elinkaari. Itselle tärkeä kemian haara -analytiikka – voi jäädä tässä käsittelemättä (vaikka se on se, millä mittaustuloksia sitten saadaan). Tätä voi jatkaa moneen suuntaan.

Näitä on kiva pohtia. Alkuviikosta olin OKL:ssä ”Eager-hankkeen” tilaisuudessa, jossa pohdittiin ”Science Practises” -ajattelua lanseeraavien jenkkiläisten (tästä myöhemmin omassa blokkauksessa) ajatuksia uudesta (?) toimivasta lähestymistavasta. Ehdottomasti yläkoulun kemiaan tuli uusia ajatuksia (täytyy siis kokeilla), mutta tämä ”science inquire vs. science practises” -asetelma haastaa kyllä mielenkiintoisiin pohdintoihin myös lukion opetuksessa. Ensi viikon alussa järjestettävään ”LUMA-kolmikantaristeilyyn” (OKL-ainelaitokset-normaalikoulut) tuli tästä uusi workshop-teema lisää?

On ollut ilo (ja kunnia) työstää omaa esitystä kemian opetuksen toimijoiden kesken, sekä väitelleiden että omien abiturienttien kanssa. Moni asia vaatisi ehkä syvällisempääkin muutosta, mutta tällä aikataululla ja rajoituksella ”päivitys” rohkenen esittää seuraavaa: LINKKI: Kemia_LOPS2016_ViikinRyhma. Kiitokset Veli-Matti Vesteriselle erinomaisesta sparrauksesta ja myös lopullisen version täydentämisestä kemian kurssien tavoitteiden osalta. Moni muukin ansaitsisi nimen listalle, mutta kun ei ole lupaa pyytänyt, en niitä laita. Panoksensa antaneet ja esitystä symppaavat voivat kommentoida tätä bloggausta.  Työ paremmin kemian opetuksen puolesta jatkuu.

Toimisiko se, että ottaisimme Lewisin happo-emäs-käsitteen oikeasti käyttöön, orgaanisessa kemiassa ryhdymme puhumaan oikeasti elektronirikkaista kohdista (kaksoissidokset) jne. nukleofiilisistä ja elektrofiilisistä yhdisteistä jne. Ja koko reaktioiden ”taulu” laitettaisiin uusiksi. Ei puhuta enää hirveästä määrästä erilaisia reaktioita, vaan kuvataan reaktiomekanismi? Vrt. Kemiallisten_reaktioiden_perusta.

Lukion kemian opetussuunnitelman uudistaminen ei liene siis uudistaminen vaan päivittäminen. Kuitenkin ajattelin, että joitakin hieman isompiakin asioita voisi korjata tällä kertaa. MAOL:in kyselyn mukaan KE1-kurssin sisältö vaatii eniten muutoksia määrän osalta. Tämä olikin hyvä lähtökohta omalle esitykselle. Tämän jälkeen on paikallaan hieman uudelleen järjestää seuraavien kurssien sisältöjä ja lopuksi vielä siirtää KE5-kurssin KE4-kurssiksi. Näin uudesta KE5-kurssista saamme sisällöllisesti sellaisen, johon on mielekästä liittää kemiallisen tutkimuksen osio ja kurssin suorittamiseen laajempi tutkimus ja/tai diplomityö.

Tässä ajatuksia kurssikohtaisesti – kalvoille koottuna. Kemia_LOPS2016_MYA (pdf-tiedosto). Kaikki kommentit ovat tervetulleita. Kaikkea en ole saanut koottuna kalvoille. Tavoitteena on kuitenkin kemian opetuksen punaisen langan löytäminen – määritelmien ja kemian perusteiden kautta kokonaisuuden hallinta. Kemian perustan muodostavat tietenkin aineen rakenteen, alkuaineiden ja niistä muodostuvien yhdisteiden  hallinta sekä sidosteorioista, sidoksien rikkoutumisesta ja uusien syntymisestä lähtevä kemiallisten reaktioiden ymmärtäminen. Maustettuna kvantitatiivisella otteella ja nykyaikaisen analytiikan tekniikoilla.

Opetushallituksen pääjohtajana vahvisti ennen joulua uuden perusopetuksen opetussuunnitelman. Niin myös kemian osalta. Valitettavasti OPS on – lienee syynä koko opetussuunnitelman uusi muoto – hieman monimutkainen ja sekava. Hyvää tarkoittavat matriisimaiset lähestymistavat ovat tuottaneen enemmän tekstiä kuin sisältöä. Useiden asioiden toistaminen ei palvele ainakaan kemian opetusta.

Olisin nähnyt selkeitä uusia painotuksia, esim. mooli-käsitteen (ja hieman matematiikkaa) peruskoulun kemian opetukseen. Ja vähemmän ulko-opettelua ja turhan aikaisen nimikkeistön opiskelua. Vaikka vastustankin lukion MAOL-taulukon käyttöä, tiettyjen nimeämiseen ja käsitteiden ymmärtämistä tukevien taulukoiden käyttö olisi paikallaan.

Yläkoulun kemian sisällön sijaan OPS tuntuu luettelevan koko joukon ”tavoitteita”, ”kemian tietojen käyttämiseen liittyviä opastuksia”, ”sisältöalueita”.  Mielenkiintoiseksi menee, miten tänä tulkitaan opetuksen teemoiksi ja niiden ympärille rakennetaan opetuksellisia kokonaisuuksia – oppimisympäristöt, työtavat, tuen muodot ja arviointi huomioiden.

Nyt on paikallaan laajalla porukalla miettiä, mitä käytännössä kemian opetuksessa sisällöissä halutaan opettaa.

Tunnilla käytiin läpi happo- ja emäs-teorioita. Arrheniuksen, Brönstedtin ja Lewisin teorioita. Tunnin kalvoissa ne koottuna. Lisäksi alustettiin happo- ja emäsvakion käsitteitä. Näitä lasketaan sitten jaksossa.

Tunti kului edellisellä tunnilla annettujen tehtävien läpikäyntiin. Erääseen tehtävään tuotin vuosi sitten ratkaisun LiveScribe-kynällä (audio-PDF-tiedosto). Malli löytyy kurssiympäristöstä (Yammer).

Le Chatelier: Jos tasapainossa olevaan reaktioseokseen vaikuttaa jokin ulkoinen häiriö eli paineen (kaasujen tapauksessa), lämpötilan tai konsentraation muutos, pyrkii reaktio kulkemaan siihen suuntaan, jossa häiriö lievenee. Toisin sanoen tasapainossa oleva reaktio pyrkii kumoamaan ulkoisen pakotteen vaikutuksen.

Wikipedia selittää tämän asian konkreettisesti näin:

Lämpötilan muutoksen vaikutus

Lämpötilan nosto siirtää eksotermisen reaktion tasapainoa lähtöaineiden puolelle eli siihen suuntaan missä lämpöä sitoutuu. Lämpötilan lasku taas lisää tuotteita eli reaktio siirtyy suuntaan missä lämpöä vapautuu. Endotermisessa reaktiossa lämpötilan lasku ja nousu vaikuttavat vastakkaisiin suuntiin kuin eksotermisessa reaktiossa eli lämpötilan nousu lisää tuotteiden määrää ja lasku lisää lähtöaineiden määrää.

Paineen muutoksen vaikutus

Paine vaikuttaa reaktion tasapainoon vain, jos reaktioon ottaa osaa kaasuja ja reaktioyhtälön molemmin puolin on eri määrä kaasumooleja. Paineen lisäys aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on pienempi. Paineen lasku taas aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on suurempi.

Konsentraation muutoksen vaikutus

Jos reaktiotuotteita tuodaan lisää tai reaktion lähtöaineita vähennetään, reaktion tasapainotila siirtyy vasemmalle eli lähtöaineiden puolelle. Vastaavasti jos lähtöaineiden konsentraatiota kasvatetaan tai reaktiotuotteiden konsentraatiota pienennetään, reaktion dynaaminen tasapaino siirtyy oikealle, jolloin siis tuotteita saadaan enemmän. Tätä hyödynnetään monissa kemiallisissa reaktioissa, kuten esimerkiksi ammoniakkisynteesissä. Siinä reaktiotuotteena olevaa ammoniakkia poistetaan reaktoreista jatkuvasti ja lähtöaineita, vety- ja typpikaasua, lisätään koko ajan, minkä ansiosta kyseisen reaktion dynaaminen tasapainotila on vahvasti oikealla. Näin saadaan reaktiotuotetta eli ammoniakkia enemmän.

Nämä antavat hyvän kuvan mitä konkreettisessa tilanteessa tapahtuu, mutta tärkeää on ymmärtää itse periaate, tapauskohtaisesti asia n pohdinta on silloin helppoa.

Tunnin teema oli massavaikutuksen laki ja tasapainovakio. Tasapainovakio on jatkossa merkittävässä roolissa kaikissa laskuissa. Oheisen kaavan mukaan tasapainovakio määritellään reaktiotuotteiden konsentraatioiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhteena (reaktioyhtälön kertoimilla eksponenttiin korotettuna). Laskuesimerkkejä löytyy erinomaisesti opetus.tv -palvelusta: http://opetus.tv/kemia/ke5/reaktiotasapaino/ .