Kemian opetusta hybridinä

Mitä hybridiopetus on?

Corona-pandemia pakotti useassakin kouluissa siirtymään yhdessä yössä etäopetukseen. Ei ole väärin sanoa, että tuolloin opettajat tekivät valtavan digiloikan, ja kuten liian usein tapahtuu, pakon edessä. Tieto- ja viestintätekniikan hallitseminen kuuluu nykypäivän opettajan perustaitoihin ja se aktualisoitui tässä ja nyt. Parin aikana digiopetukseen paneuduttiin laajalla rintamalla ja haettiin erilaisia toimintamalleja niin ”puhtaan” etäopetuksen että lähi- ja etäopetuksen risteytyksiin.

Opetuksen erilaisia toteutusmuotoja ja rakenteita

Hybridiopetus on noussut ei niinkään uutena, mutta vakava vaihtoehtona tilanteisiin, joissa oppijoita osallistuu samanaikaisopetukseen sekä lähiopetuksessa että etäopetuksessa. Lähiopetuksen ja etäopetuksen erot on helppo todeta ja ymmärtää. Kun yhdistetään näitä kahta, kysymys kuuluu, tapahtuu nämä synkronisesti (esim. streamauksella) tai asynkronisesti (esim. hyödyntämällä videotallenteita). Hybridiopetusta kuvaa tilanne, jossa lähi- ja etäopetusta tapahtuu synkronisesti. Asynkroninen etäopetus muistuttaa lähinnä monimuoto-opetusta (blended learning). Viereisessä kuvassa on hahmotettu erilaiset opetuksen toteuttamismuodot. Kuvasta puuttuu pohdinta käänteisestä oppimisesta (flipped learning), joka keskittyy erityisesti monimuoto-opetuksen uudelleen järjestämiseen, ns. perinteisen opetusmuodon sijaan.

Linder on artikkelissaan (Linder 2017) kuvannut hybridiopetuksen piirteitä ja mahdollisuuksia mm. toteamalla hybridiopetuksessa on kyse luokkahuoneaktiiviteettien lisäksi teknologiaa hyödyntäviä aktiviteetteja, jotka mahdollistavat etänä työskentelevien oppijoiden mukanaolon. Hybridiopetuksen suunnittelussa luokkahuonekäytäntöjen muuntaminen verkossa toteutettavaksi ei välttämättä ole mielekkäin tapa lähteä liikkeelle. Digipedagogiikka asettaa erilaisia vaatimuksia, varsinkin tilanteessa, jossa toteutetaan synkronista opetusta lähi- ja etäopetuksen osalta. Ensimmäinen lähtökohta on teknologinen osaaminen niin opettajan että oppijoiden kohdalla, toinen on se, miten teknologiaa hyödynnetään pedagogisia ratkaisuja tehtäessä.

Linder (em.) mainitsee osana hybridiopetusta ”lähiopetuksen” tuntimäärän vähenemisen ja sen korvaamisen esim. käänteisen opetuksen mukaisilla internetiä ja yhteisöllistä mediaa hyödyntävillä toimintamuodoilla. Tästä ei pitäisi olla kysymys hybridiopetuksessa. On eri asia puhua omaan tahtiin tapahtuvasta opiskelusta tai streamattujen oppituntien ja luentotyyppisten osioiden nauhoittamisesta ja niiden ajamisesta.

Kemian opetus etänä – miten kokeellisuudesta huolehditaan – tärkeä asia pohdittava (KESKEN)

Kemian opetuksen tärkeä osa on kokeellisuus, jo pelkästään opetussuunnitelman perusteella. Opetussuunnitelma toteaa: ”Kemian opetuksessa käytetään vaihtelevia ja monipuolisia opetus- ja opiskelumenetelmiä, joilla kehitetään opiskelijan käsitteellistä ja menetelmällistä osaamista. Opetuksen keskeisiin lähtökohtiin kuuluu havainnointi ja tutkiminen. Kokeellisuus eri muodoissaan tukee käsitteiden omaksumista ja ymmärtämistä, tutkimisen taitojen oppimista ja luonnontieteiden luonteen hahmottamista. Kokeellisessa työskentelyssä toimitaan kemikaali-, jäte- ja työturvallisuuslainsäädännön mukaisesti. Opiskelijat harjaantuvat ottamaan vastuuta yhteisestä turvallisuudesta, jolloin myös työelämässä tarvittava turvallisuusosaaminen kehittyy.” (Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019).

Vaikka opetus jouduttaisiin toteuttamaan etänä, kokeellinen työskentely on tavalla tai toisella liitettävä opiskeluun ja oppimistilanteisiin. Tähän on tässä paneuduttu.

Hybridiopetus – ensimmäiset viritykset vuosi sitten

Kemianluokan hybridiopetuksen tekniset järjestelyt

Viereisessä kuvassa on ensimmäiset pohdinnat ”viritykseksi”. Erityinen mielenkiinto on kohdistettu kokeellisen työn toteuttamiseen niin, että myös etänä voidaan osallistua työn seuraamiseen ja vuorovaikutukseen sen aikana. Kokeelliseen työhön liittyy, kuten edellisessä kappaleessa on jo todettu, yhtenä osana ilmiöiden toteaminen ja datan kerääminen tulkintoja tai hypoteesien todistamista varten.

Vuorovaikutuksen aikaansaamiseksi perustan rakentaa kurssialustana toimiva Microsoft Teams. Kurssin verkossa tapahtuva asynkroninen vuorovaikutus ja viestintä, aineistojen ja esityksien jako tapahtuu sen kautta. Luentomuotoinen esittäminen onnistuu Teams-videoyhteyden avulla, samoin oppitunnilla käytettävien materiaalien esittäminen. Teamsin kautta on mahdollista jakaa streamauskuvaa vain yhden kannettavaan liitetyn kameran avulla. Koko luokan työskentelyn kuvaaminen – mikä ei ole opetuksen kannalta välttämätöntä – vaatii oman kameran (esimerkissä 360-kamera).

Tässä vaiheessa kokeelliseen työhön suunnatun kamerasysteemin muodostaa statiiviteline kännykällä varustettuna. Miten tämä esitetään etänä opiskeleville, vaatii hieman järjestelyä. Tässä mietittiin mahdollisuutena hyödyntää joko Teams-lisätunnusta (jonka avaaminen taas vaatii lisäohjelman, jota Microsoft ei tarjoa) tai Zoom-yhteyden hyödyntämistä.

Hybridiopetuksen pilotti – hieman lisää teknologiaa mukaan

1.pilotin tekniset järjestelyt

Pilottivaiheessa käyttöön oli saatu liikuteltava dokumenttikamera, joka korvasi statiivi-kännykkä-rakennelman. Lisäksi aiemman pohdiskelun jälkeen Teams-istunnon lisäksi tuntia varten avattiin Zoom-istunto, mikä mahdollistaa kaksi esityksen seuraamisen yhdeltä kuvaruudulta (ainoan erikseen pohdittavan asian muodostaa käytettävä audio-kanava). Tavoitteena oli toteuttaa kemian tunti, jossa osan tuntia muodosti kokeellisen työskentelyn osio. Käytännössä tässä toimintamallissa etänä työskentelyvä lukiolainen seurasi lähiryhmän tekemää työtä kommentoiden ja kuulleen, mitä työn aikana keskusteltiin. Se, mikä tässä jäi uupumaan oli etänä työskentelevän oma ”hands on” -kokemus kokeellisesta työstä.

Jatko?

Jos ja kun tavoitteena on tuottaa pedagoginen viitekehys ja kokeellisen työskentelyn toimintamalli kemian opetuksen toteuttamiseksi opetussuunnitelman kirjaimen mukaisesti myös etä- ja hybridiopetuksella, täytyy vielä paneutua siihen, miten mahdollistetaan kotona (tai yleensä etänä) tapahtuva kokeellinen työskentely. Tätä varten tarvitaan esim. kemian opetuksen etä- ja hybridiopetuksen työkalupakki, joka sisältää sopivan määrän välineitä, kemikaaleja ja ohjeita lukiossa toteuttavien kokeellisten töiden tekemiseen. Työkalupakkia voi pilotoida lukion eri kursseilla niiden sisältöjen ja lukion kemian tarpeiden kokonaisuuden hahmottamiseksi. Tämän tueksi voidaan työskentelyä ohjeistaa ja havainnollistaa virtuaalilaboratorio-tyypisten palvelujen avulla.

Lähteet

Linder, K. E. (2017). Fundamentals of hybrid teaching and learning. New Directions for Teaching and Learning, 2017(149), 11-18.

Augmented Reality (lisätty todellisuus) kemian opetuksessa – antaako AR jotain lisäarvoa

EL-STEM -hankkeessa (Enlivened Laboratories within STEM Education) pohdimme lisätyn todellisuuden käyttämistä mm. kemian opetuksessa. Tuoko AR jotain lisäarvoa kemian mallintamiseen, animaatioiden ja 3D-molekyylimallinnusohjelmien lisäksi? Ennakkotutustuminen AR:n mahdollisuuksiin ja olemassa oleviin toteutuksiin ei aivan kaikiltaan ollut rohkaiseva. Seuraava kuva kertoo yhden pulman – tekijä ei ymmärrä kemiaa, jos vesimolekyyli olisi lineaarinen, olisimme kaikki kaasupalloja.

Myöskään molekyylien syntyminen ei tapahtune niin kuin AR-elementtien yhteen vieminen antaisi ymmärtää.

Ensimmäinen päivä menossa, itse AR-elementtien luominen ei ole tuonut mitään sellaista, mitä ei voisi toteuttaa jo nykyisillä sovellutuksilla ja mitä voisi hyödyntää oman pedagogisen ajattelun pohjalta.

Augmented eli lisätty todellisuus

Wikipedian mukaan : lisätty todellisuus (engl. augmented reality, lyh. AR) viittaa näkymään, johon on lisätty tietokonegrafiikalla tuotettuja elementtejä ja jota käyttäjä tarkastelee läpikatseltavien (see-through) näyttöjen kautta. Se on siis järjestelmä, jossa keinotekoista, tietokoneella tuotettua tietoa (kuva, ääni, video, teksti, GPS-informaatio) on lisätty näkymään todellisesta ympäristöstä.

Käytännössä kemian ”maailma” on paljon muutakin kuin vain silmin nähtävä todellisuus. Mikromaailman ymmärtäminen on liitetty kemian opetuksessa mallintamiseen sekä mallien ja animaatioiden hyödyntämiseen ilmiöiden ja tapahtumien kuvaamisessa. Löytyisikö lisätyn todellisuuden avulla jotain pedagogisesti ja aineen käsitteiden hallinnan osalta merkityksellistä, sitä nyt haetaan.

AR-elementtien luominen

AR-elementtien luominen aloitettiin yksinkertaisten elementtien luomiselle: peruskuva (tigger) ja siihen lisätään esim. video. AR-elementtien katsomiseen riittää älypuhelin (johon asennettu HP Reveal -ohjelma). Tehokkaampi AR-elementtien luominen onnistuu läppärillä. Tietokoneeseen asennetaan HP Reveal Studio -ohjelma (ilmainen, vaatii rekisteröitymisen). Ohjelman aiempi nimi oli Aurasma.

HP Reveal ohjelmalla voidaan luoda jonkinlaisia AR-elementtejä, joita tigger-kuvan katsominen esim. älypuhelimella (jossa on HP Reveal -ohjelma) mahdollistaa kuvaan liitettyjen videoiden, kuvien tms. katsomisen (lisättyä todellisuutta).

Voit esim. kokeilla seuraavien kuvien (skannattu työsivulta, jossa listattuna Studio-ohjelmalla laaditut AR-elementit) katsomista ko. ohjelmalla:

Tässä on Marvinille tehdyt 2D-molekyylit ja videot ovat MarvinSpace autorotation -komennolla pyöriviä 3d-molekyylejä (videokaappaus Screencast-O-Matic-ohjelmalla). QR-koodeilla voisi saada samanlaisen vaikutelman aikaiseksi – hieman eri näkökulmasta ja tekniikalla. Toisaalta, miksi tehdä näitä, kun tarkoituksena on opettaa lukiolaiset tekemään niin 2D- että 3D-versiot ko. molekyyleistä.

Tämän toiminallisuuden hyödyntäminen vaatii vielä pohdiskelua. Olisiko lukijoilla ideoita?

Sitten Unityn pariin

Unity on ehkä yksi kovimmista peliteko-ohjelmista. Unity-ohjelmasta löydät enemmän ohjelman omalta sivulta: https://unity3d.com/ . Hankkeessa lähdettiin ajatuksesta, että jokainen opettaja pystyisi lyhyen koulutuksen jälkeen tuottamaan itse AR-elementtejä ja pieniä pelejä Unity-ohjelmaan hyödyntäen. Epäilyksen siemen kyllä on olemassa.

Perustekniikat ohjelmasta oppii parissa kolmessa tunnissa hyvällä ohjauksella. Tärkeää ohjelman käytössä on kuitenkin se, että on alun perin selkeä kuva siitä, mitä haluaa tuottaa. Tähän palaan seuraavassa bloggauksessa.

Alla kuva, jossa tämän hetken vaihe atomin rakennetta esittelevästä AR/VR-aihiosta. Onko huomenna tämän näköinen, … tuskin. Kuvassa jo (punainen) atomin ydin ja yksi elektroni (sininen), jota lähdetään kopioimaan. Elektronilla on jo ”rata” (ei kuitenkaan ympyränmuotoinen, eikä edes ellipsi), seuraavaksi niitä sitten kopioidaan. Vaalea pallo kuvaa itse atomin ”ulkoreunaa”, jota seuraavaksi työstetään läpinäkyväksi. Huomenna jatkuu …

 

Computex-tapahtuma Taipeissa 6.-8.6.2018

Computex-tapahtuma on yksi maailman suurimmista tietotekniikan tapahtumista, http://computextaipei.com.tw . Tapahtuma sijaitsee Taipein kolmessa suuressa messuhallissa, kahdessa lähellä World Trade Centeriä (ja 101 tornia) ja yhdessä hallissa Nangangissa.

TWTC Halli1

TWTC Hall1 – itse suuren näytön edessä sisääntuloaulassa

Nangangin messuhalli

Matkan erityisiä tavoitteena oli tutustua uusiin tulossa oleviin teknologioihin ja uusi ratkaisuihin:

  • kosketusnäytöt (70-80 tuumaiset)
  • langattomat yhteydet
  • AR/VR-teknologiat
  • uudet kannettavat tietokoneet

Isot näytöt

Luokkien teknologiset ratkaisut dokumenttikameroiden ja datatykkien sijaan näyttävät olevan erilaiset kosketustauluratkaisut.

Erilaiset näyttöjä seinälle

HABOOK-ylityksen iso kosketusnäyttö opetuskäyttöön

Esityksen myötä konkretiaan

Mitä erilaisia sovellutuksia löytyy. Taulu on windowstietokoen. Hinta ohjelmineen liikkui 4.000-5.000 hiutteissa

Isoja näyttöjä oli useita erilaisia malleja – tämä viimeksi esitelty tuntui edistyksellisimmältä – vaikka itse kosketuspinta ei ollut paras mahdollinen. Malliin saa lisäosina äänestysmoduulit, joskin sen toiminnallisuuden voi korvata älypuhelimilla (appsin avulla). Tässä linkki esitteeseen: http://www.habook.com.tw/english/download/dm/Haboard_Touchscreens_EN.pdf . Habook on panostanut opetuksen kehittämiseen, lisää tietoa saa yrityksen kotisivuilta: www.habook.com.tw . Tämä on vahva kandidaatti jatkotyöstöön.

Langattomat yhteydet

Luokkatilassa langattomien verkkojen merkitys tulee vastaan monessa kohtaa

  • wifi-yhteys internetiin – eli ns. perinteinen langaton verkko, wlan, jokaiselle tietokoneelle ja älypuhelimelle
  • langaton yhteys tietokoneen ja dataprojektorin välillä, nykyään toteutuu miracastin (Microsoft-yhteensopiva), chromecastin (Google-yhteensopiva) tai esim. AppleTV:n avulla
  • langaton yhteys tietokoneen ja jonkinlaisen kauko-ohjaimen välillä esim. diasarjojen esittämiseen (bluetooth-yhteys käytännössä)

Missä vaiheessa luodaan yhteinen standardi tai laite, joka mahdollistaa kaikkien laitteiden langattoman yhteyden esim. TV:hen tai dataprojektoriin?

Computex-tapahtumassa oli esillä joitakin teknologioita, mm. wlan-verkon jakamiseen ja langattoman yhteyden rakentamiseen.

Langattoman verkon jakamiseen

Hieman järeämpi versio langattoman verkon jakamiseen.

Erilainen versioita langattomaan yhteyteen. Anycast vaikutti mielenkiintoiselta.

3D-tulostusteknologiat

3D-tulostimia ja tulosteita

Jatkuvasti kehittyvä teknologia on 3D-tulostus. Vasemmalla laite, joka myös mahdollisti puun työstämisen ja polttamisen. 3D-tulostusteknologian hyödyntäminen opetuksessa lienee yksi eri oppiaineita yhdistävä asia. Laitteet halpenevat kovaa vauhtia ja niiden erilaiset mahdollisuudet lisääntyvät.

Langaton lataus

Langaton lataamine on tulevaisuutta

Mielenkiintoinen yksityiskohta tapahtumassa oli erittäin tehokas langaton laturi (110 W –> 100 W, hyötysuhde siis 90%). Eli sillä sektorilla edetään. ”Kännykkäparkki” olisikin latauslevy eikä takavarikko.

Normipaperilta muistiinpanot tietokoneelle

AceCAD, https://www.acecad.com.tw/index.php/en-us/

Tulevaisuudessa pohdiskelua käydään erilaisten tekstintuottamisen ja muuntotyökalujen kesken: kynä ja paperi (integroituna tietokoneeseen, vrt. kuvan tuote), kosketusnäytöllinen tietokone kynällä varustettuna (vrt. OneNote-ohjelman käyttö), puheentunnistusohjelmat (edelleen vaiheessa). Kuvan teknologia ehkä alakouluun sopiva. Samankaltaista on jo olemassa Suomessakin: LiveScribe-kynät, https://www.livescribe.com/en-us/.

Isot osastot – Microsoft

Microsoft-standi, Nangangin messuhalli.

Nangangin hallissa suuret laitetoimittajat pitivät omia osastojaan. Kuvassa Microsoft. Microsoft esitteli omia tulevaisuuden suunnitelmiaan, mm. tietoturvallisuuden ja pilviteknologioiden osalta. Microsoftin osastolla oli myös eri laitetoimittajien Win10-laitteita esittelyssä.

 

Matka Computex 2018 -tapahtumaan Taiwaniin – Digiloikkaan visioita ja käytännön ideoita kaksi vuotta edellä aikaansa

Kuva 1: Computex-tapahtuman näyttelyhallit

Computex-tapahtuma 5.-9.6.2018 on yksi maailman suurimmista, ellei suurin, tietotekniikan tapahtuma. Tapahtumassa ovat esillä kaikki mahdolliset tietotekniikan innovaatiot, kokonaisuuden otsikkona on ”Building Global Technology Ecosystems”. Tapahtuman pääteemat ovat: tekoäly, 5G, lohkoketju (Blockchain), esineiden internet (IoT), innovaatiot &  startupit, pelit & virtuaalinen todellisuus (VR).

Opetuksen saralla pohditaan jo nyt tekoälyn vaikutusta, esineiden internet on vahvasti STEM-opetuksen osana (teknologia, elektroniikka, ohjelmointi ja matematiikka kohtaavat tiedeopetuksessa). Viikin normaalikoulussa on meneillään kaksi eurooppalaista hanketta UMI-Sci-Ed (ubiikki- ja mobiilioppiminen sekä esineiden internet tiedeopetuksessa) ja EL-STEM (lisätty todellisuus tiedeopetuksessa). Lähitulevaisuudessa agendalle nousevat tekoäly ja virtuaalinen todellisuus realistisina mahdollisuuksina teknologian halpenemisen ja pedagogisen soveltamisen sekä kehitystyön myötä. Teknologian kehitystyössä mukana pysyminen on pedagogisen soveltamisen osalta ensiarvoisen tärkeää.

Tapahtuma sijoittuu neljään suureen näyttelyhalliin (kuva 1). Mukana ovat kaikki merkittävät laite- ja teknologiatoimijat sekä lukuisat alihankkijat ja pienet yritykset.

Vuosina 2013 ja 2014 osallistuin kyseiseen tapahtumaan, jolloin esillä oli useita innovaatioita ja teknologisia ratkaisuja, jotka tulivat parin vuoden päästä Euroopan markkinoille, mm. isot muistikortit

Kuva 2: Erittäin suuret muistikortit

(kuva 2), teräväkärkiset tablettikynät (kuva 3), langattomat tv-vastaanottimet (kuva 4), miniprojektorit (kuva 5), USB-lisälaitteet (kuva 6), erilaisia tabletteja ml. Windows-tabletteja ja pieniä kannettavia (kuvat 7 ja 8), käsialantunnistusohjelmat ja -laitteet (kuva 9).

Tämän vuoden tapahtumassa pääteemana on ”Building Global Technology Ecosystems”. Keynote-puheenvuoron pitää Gregory Bryant Intellistä.

Kuva 3: Teräväkärkiset tablettikynät

Kuva 4: Langattomat TV-vastaanottimet

Kuva 5: Miniprojektorit

Kuva 6: USB-lisälaitteet, tässä digitaaliset mikroskoopit

Kuva 7: Erilaisia tabletteja

Kuva 8: Opiskelijalaitteita

Kuva 9: Käsialantunnistusohjelma ja -laite

Tämän vuoden tapahtumassa pääteemana on ”Building Global Technology Ecosystems”.

MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 4: MarvinSketch ja orgaanisten yhdisteiden nimeäminen

Miksi lukiossa opiskellaan orgaanisten yhdisteiden nimeämistä?

Ei vanhassa ja eikä uudessa lukion opetussuunnitelmassa mainitaan mitään orgaanisten yhdisteiden nimeämisestä. Nykyisen käytännön on siis pitkältä (taas) määrittänyt oppikirjat ja oppikirjailijat. Ja tähän päälle myös YTL on maustanut soppaa tuomalla ylioppilaskokeissa oman tehtävätyypin ”nimeä yhdisteet”:

Nimeäminen on tietenkin oma osa-alueensa kemiassa – pulmalliseksi sen tekee se, että hyvin nopeasti yhdiste saa triviaalinimen, josta on lähes mahdoton päätellä molekyylin rakennekaavaa, ei edes mukana olevia alkuaineita (esim. parasetamoli, bromitymolisininen, mönjä). Onko lukion oppimäärässä mielekästä tähän käyttää aikaa? Funktionaalisten ryhmien tunnistaminen ja yhdisteryhmiin luokittelu on toki aivan eri asia – nimistä huolimatta.

MarvinSketch ja nimeäminen

MarvinSketchin tulon myötä voimme keskustella uudelleen nimeämiseen liittyvän kuvion. Mielestäni orgaanisten molekyylien kohdalla on tärkeää, että lukiolainen tunnistaa funktionaalisen ryhmän ja ymmärtää rakenteen (osaa luokitella molekyylit eri yhdisteryhmiin), nimen tuottaminen ei niinkään kuulu syvällisempää osaamiseen. Runomitat ovat kivoja (metaani, etaani, propaani, butaani, pentaani, heksaani, heptaani, oktaani), mutta eivät lisää kemiaa asiaan.

MarvinSketch generoi rakenteesta nimen (Structure | Generate Name …) ja myös nimestä rakenteen (Structure | Name to Structure)

ja

Toki oman pienen pulman teettää englannin kielisyys, mutta miksi se olisi ongelma. Ohjelma tunnistaa joka kaksi eri nimeämiskäytäntöä 2-butanol ja butan-2-ol.

Kemian yo-koe ja nimeäminen

On siis mielekästä asettaa kysymysmerkki tämän tehtävätyypin perään. Ja tuskin on mielekästä testata sitä, osaavatko abit tuottaa ohjelmalla näitä nimiä tai nimistä rakenteita. Voimme näiden sijaan miettiä syvällisempiä pohdintoja vaativia tehtävätyyppejä, molekyylien luokitteluun tai rakenneanalyysiin liittyviä tehtäviä.

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.

Abitin kaava-editori

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:

 

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