Uusi LOPS – kommentteja kemian osuuteen ja hieman yleiseenkin 2

JATKUU

LOPS 2015 LOPS 2021
KE3 Reaktiot ja energiaKE3 Kemiallinen reaktio
KE4 Materiaalit ja teknologia KE4 Kemiallinen energia ja kiertotalous
KE5 Reaktiot ja tasapaino KE5 Kemiallinen tasapaino

KE3 – Kemiallinen reaktio

KE3-kurssissa näkyy nykyisen KE4-kurssin (Materiaalit ja teknologia) sisältöjä, ehkä selkeimmin vasta esimerkeissä. Tässä lienee haettu kemiallisten reaktioiden kokonaisuutta, jossa pohditaan myös erilaisten reaktiotuotteiden käyttöä ja merkitystä. Tämä tuntuu perustellulta. 

KE3-kurssin ”reaktiotyyppi”-lähestymistapa on vanhanaikainen näkemys kemiallisten reaktioiden ymmärtämisessä. Nykytekniikka ja mallintaminen mahdollistavat molekyylien tarkastelun – ja johon mm. orgaanisen kemian sisältöjä pitäisikin suunnata – ja sitä kautta reaktioon vaikuttavien rakenneosien ja reaktiivisuuden todentamisen ja elektronipilven rakenteen merkityksen ymmärtämisen reaktioissa. Reaktiomekanismi-lähestymistapa voisi olla syvällisempi ja jatko-opintojen kannalta merkityksellinen uudistus kemian opetuksessa. Seuraavassa taulukossa on listattu ”reaktiotyyppejä”, joita kaiken kaikkiaan on lähes 20 kpl. 

Epäorgaaninen
kemia
Orgaaninen
kemia
Sekä että
tai joku muu
saostumisreaktio
ioninvaihtoreaktio
additio (Markovnikov)
ja eliminaatio
polymeroituminen
hajoamisreaktiokrakkaus

kondensaatio ja
hydrolyysi
kompleksin (kelaatin)
muodostus
neutraloituminen
substituutio
protolyysi, po.
happo-emäsreaktio
palaminenhapettuminen ja
pelkistyminen
hapettumis-
pelkistymisreaktio
(org. KE2 ja epäorg. KE4)
nimireaktiot

Reaktiotyyppi-lähestymistavan pulmallisuus tuli todistetuksi kevään 2019 kemian yo-kokeessa (tehtävä 10). Jos samaa reaktiota voidaan kutsua pelkistysreaktioksi, additioreaktioksi tai hydraukseksi, mikä on tämän tavan merkitys. Ainakin sekoittaa lukiolaisia, jos ei jo opettajiakin.

Reaktiomekanismi-pohdiskelujen lisäksi KE3-kurssilla olisi paikallaan paneutua happo-emäs-käsitteisiin. Onko mahdollista tutustua Lewisin happo-emäskäsitteeseen KE3-kurssilla? Hapot ja emäksen käsitellään KE5-kurssilla, mutta selkeästi Brönstedtin happo-emäs-teorian
(tai vain Arrheniuksen, vrt. palamistuotteiden reaktiot vedessä) näkökulmasta. Tämä osittain tukisi myös muutosta reaktioiden käsittelyyn.

KE4 – Kemiallinen energia (korjattu otsikko?)

KE4-kurssi on kokenut suurimman muutoksen. KE3-kurssin kemiallisen energian asiat on siirretty KE4-kurssin sisälle. Vastaavasti mm. polymeerit on siirretty KE3-kurssiin. Tämä voi jäsentää opetusta paremmin. Miten tämä vaikuttaa opettajien painotuksiin, jää nähtäväksi.

Materiaalit ja teknologia -kurssin (nykyinen KE4) sisällöistä metalli- ja sähkökemia ovat säilyneet KE4-kurssin sisältöinä. Jos tämän kurssin kuvauksessa halutaan pitäytyä konkreettisemmassa, miksei esim. geologia ja erityisesti mineralogiaa ole kirjattu tekstiin. Viittaukset kaivannaisteollisuuteen tai kiertotalouteen tuntuvat hieman haetuilta.

KE5 – Kemiallinen tasapaino

Heterogeenisen tasapainon -käsite on kadonnut kokonaan. Voimassa olevassa opetussuunnitelman perusteissa todetaan vielä keskeisissä sisällöissä: ” homogeeninen ja heterogeeninen tasapaino sekä tasapainotilaan vaikuttaminen”. Tämä on kyllä heikennys – saostuminen, liukoisuus, kylläinen liuos, liukoisuustulo ja ionitulo – käsitteet jäävät opettajan (ja oppikirjojen) varaan. Ja nämä ovat jatko-opintojen kannalta kyllä tärkeitä.

Voisi hyvin kyseenalaistaa puskurilaskut. Uusi kirjaus, jossa todetaan keskeisenä sisältönä ”puskurisysteemejä kvalitatiivisella tasolla”, huomio kiinnittyy kokeellisen työskentelyn esimerkkinä todettuun ”puskuriliuoksen valmistaminen ja puskurointikyvyn tutkiminen”. Onko tässä rajattu puskurilaskut ulos?

Yleisiä huomioita

Kemian laskennallinen (stoikiometrinen) puoli näkyy jokaisessa kurssissa, mikä on hyvä asia.

Kemian jälkeen opetussuunnitelman perusteissa on vuorossa filosofia. Sieltä voisi poimia kemian osioon lauseet (tässä jo valmiiksi muotoiltuna): Kemiaan pohjautuvan tieteellisen maailmankuvan opiskeleminen harjaannuttaa punnitsemaan kriittisesti erilaisten käsitysten perusteluja. Kriittisen ja kokeellisen luonteensa ansioista kemia auttaa jäsentämään nykypäivän informaatiotulvaa sekä erottamaan tosiaväitteet mielipiteistä.

Uusi LOPS – kommentteja kemian osuuteen ja hieman yleiseenkin 1

Kurssien nimet ja KE1-kurssin jako kahtia

Kurssien sisältöjen jäsentämisessä on saatu tuloksia aikaiseksi. Otsikoiden valossa kurssien sisällöt ovat selkeämpiä. Otsikoiden nimissä on kuitenkin hieman langettu ”aikaan sidottuihin” ja hieman demagogisten käsitteiden lisäämiseen otsikoihin: kestävä tulevaisuus, kiertotalous.

LOPS 2015 LOPS 2021
KE1 Kemiaa kaikkialla KE1.1 Kemia ja minä
KE1.2 Kemia ja kestävä tulevaisuus
KE2 Ihmisen ja elinympäristön
kemiaa
KE2 Molekyylit ja mallit
KE3 Reaktiot ja energiaKE3 Kemiallinen reaktio
KE4 Materiaalit ja teknologia KE4 Kemiallinen energia ja kiertotalous
KE5 Reaktiot ja tasapaino KE5 Kemiallinen tasapaino

Aiempi otsikko on minusta toimiva, ja kun ensimmäiseen kurssiin saadaan takaisin kemian tärkeä suure eli ainemäärä, on jotain todella kaikkialla olevaa mukana. Vuonna 2004 tehdyn opetussuunnitelman musta helmi ”ihmisen ja elinympäristön kemia” -käsite on saatu viimeinkin pois. Voisimme näissä kurssien otsikoissa vähitellen irrottautua ”vihreän kemian” ikeestä ja keskittyä takaisin tieteen käsitteen ja tieteen tekemisen ympärille.

Kurssien rakenteen puolesta KE1 poikkeaa muista. Se on jaettu kahteen yhden opintopisteen kurssiin. Pikaisesti tulkittuna – puhtaan kemian näkökulmasta – KE1.1 tuo atomin elektroniverhon rakenteen, ainemäärän sekä konsentraation ja KE 1.2 tuo vahvat ja heikot sidokset. Se, mihin tarvitaan jakoa kahteen eri kurssiin, jää ilmaan.

Lisää konkretiaa? Miksi?

Aiempaan opetussuunnitelmatekstin ”tavoitteet ja keskeiset sisällöt” -määrityksiin on nyt lisäksi moduulin (ei kurssin) kuvaus sekä tavoitteiden ja keskeisten sisältöjen jälkeen asiayhteydet ja maininnat mahdollisista kokeellisista töistä. Millainen vaikutus tällä on esim. ylioppilaskokeiden ns. kokeellisiin tehtäviin, jää nähtäväksi.

Se, että mainitaan erikseen liekkikokeet, orgaanisten yhdisteiden funktionaalisten ryhmien osoitusreaktiot, biomateriaalin valmistus, esineen pinnoittaminen elektrolyyttisesti, veden hajotus elektrolyysillä, … Mitä näillä esimerkeillä halutaan saavuttaa?

KE2 – Molekyylit ja mallit

KE1-kurssin – ennen 2015 muutosta – ainemäärän ja konsentraation käsittelyyn liitettiin kokeellisena työnä liuoksen valmistus (ja laimentaminen). Nyt tämä on edelleen tavallaan em. käsitteiden kertauksena KE2-kurssilla. Lisäksi siihen on tuotu konkreettisena lisänä käytännössä UV-spektroskopian sovellutus pitoisuuden määrittämiseksi standardisuoran avulla.

KE2 noudattaa sisällöntään melko hyvin aiempia opetussuunnitelmia, joskin nyt on selkeästi todettu käsitteet kvanttimekaaninen atomimalli ja hybridisaatio. Nämä ovat toki olleet opetuksessa jo nyt (osin siksi, että nämä löytyvät myös oppikirjoista). Tämän lähestymistavan rinnalla on usein esitelty VSEPR-teoria (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Mainitsematta jäävät käsitteet, kuten kvanttiluvut, orbitaalit, sigma- ja piisidokset, joskin nämä liittyvät läheisesti em. atomimalliin ja erikseen opetussuunnitelmassa mainittuihin isomeriamuotoihin (ja niiden olemassa oloon). Mitä käsitteitä oikeasti on syytä poimia opetussuunnitelmaan?

Spektroskopia tuli jäädäkseen. Se on hyvä asia analyyttisen kemian kannalta. Luonnoksessa asia esitetään aiempaa konkreettisemmin: ”tutustuminen spektrien antamaan informaatioon aineen rakenteesta”. Tämä ohjaa meitä selkeämmin spektritulkintaan, mikä on mielestäni hyvä asia. OPS-luonnos ei määritä, mitä spektroskopian lajeja tässä tarkoitetaan, mutta esim. MAOL-taulukko esittelee niin IR:n että HNMR:n spektriviivojen paikkoja. MarvinSketch-ohjelma osaa piirtää vain HNMR- ja CNMR-spektrejä. Massaspektrometriaa hyödynnetään molekyylikaavan (moolimassa) määrittämisessä, MarvinSketch piirtää ainoastaan molekyylipiikit (riippuen alkuaineista ja niiden isotoopeista). Varsinaisesti kyse tällöin ei ole massaspektreistä.

JATKUU

Spektroskopiaa KE2-kurssilla

Uuden opetussuunnitelman myötä OPS:issa mainittuihin teemoihin nousi ansaitusti spektroskopia. Analyyttisen kemian – niin epäorgaanisen kuin orgaanisen analyyttisen kemian – merkitys on suuri kemian teollisuudessa ja kemian tutkimuksessa. Analyyttinen kemia on rakennekemiaa, rikoskemiaa, dopingkemiaa jne. Ympäristökemia haastaa jatkuvasti analyyttisen kemian menetelmiä, haetaan tarkempaa, helpompaa, monipuolisempaa tapaa tunnistaa aineita ja niiden pitoisuuksia.

Spektrometria vai spektroskopia

Noin puolet kemiallisen analyysin mittaustekniikoista perustuvat sähkömagneettisen säteilyn ja aineen väliseen vuorovaikutukseen. Sähkömagneettinen säteily voi absorboitua, emittoitua ja sirota aineesta. Eri aallonpituiset säteilyt vaikuttavat atomeihin, ioneihin ja molekyyleihin eri tavoin: Lyhytaaltoinen suurenerginen gammasäteily virittää atomin sisimpiä elektroneja korkeammille energiatasoille. Gammasäteily voi myös ionisoida hiukkasia ja katkaista atomien välisiä sidoksia. Ultravioletti säteily virittää valenssielektroneja. Näkyvä valon aallonpituuden ja infrapunasäteily aiheuttavat molekyylien värähtelyä sekä sidosten venymistä ja taipumista. Mikroaaltosäteily muuttaa molekyylien rotaatiota eli kiertymistä ja elektronin pyörimistä oman akselinsa ympäri eli spinniä. Radioaalloilla häiritään ytimen spinniä.

Varhaisimmat menetelmät perustuivat valon käyttäytymisen havainnointiin, mistä juontuu tutkimusalan vanhempi nimi spektroskopia (kreik. skopeion, katsoa). Uudempia tekniikoita nimitetään yleisemmin spektrometrisiksi menetelmiksi (kreik. metron, mitata). Niissä havaintojen tekeminen perustuu säteilyn voimakkuuden tai sen muiden ominaisuuksien mittaamiseen mittalaitteella. Toisinaan spektroskopialla tarkoitetaan yleisesti joukkoa tutkimusmenetelmiä, joissa hyödynnetään sähkömagneettista säteilyä aineiden tutkimisessa, ja spektrometreiksi laitteita, joilla tätä tutkimusta tehdään.

Mitä voisimme koulussa spektroskopiasta?

Spektrometrit (laitteet, joita käytetään mittaamiseen ja myös spektrien tuottamiseen) ovat yleisesti varsin kalliita laitteita, joten koulumaailmassa ei juurikaan törmää spektrometreihin. UV-Vis (käytännössä Vis) -spektrometrit ovat sillä rajalla, että niitä voi kouluihin hankkia. Esim. Vernier-laitteisiin lukeutuva spektrometri on noin 400-500 euron hintainen. Laitteen hyödyntäminen sopii erinomaisesti pitoisuuksien määrittämiseen.

UV-Vis-spektroskopia

UV-VIS-menetelmä sovelletaan metalli-ioneja sisältävien näytteiden, kaksoissidoksia sisältävien orgaanisten yhdisteiden ja biologisten makronolekyylien analysointiin. Molekyylin virittymisen edellytyksenä on, että yhdisteessä on pariton elektroni tai pii-sidoselektroneja. Riittävän pitkä konjugoitujen kaksoissidosten ketju aiheuttaa absorption näkyvän valon aallonpituusalueella. Porkkanalle tunnusomainen punertava väri johtuu siitä, että beetakaroteenimolekyylin ketjussa on konjugoituneita kaksoissidoksia, jotka aiheuttavat säteilyn absorption näkyvän valon aallonpituudella. Sopiva funktionaalinen ryhmä voi saada myös suoraketjuisen hiilivetymolekyylin absorboimaan säteilyä UV-alueella (Lähde: Orbitaali 2 -e-kirja).

Dimensio-lehdessä (3/2017) oli UV-spektroskopian osalta hieman laajemmin asiaa ja esimerkki kokeellisesta työstä.

Massaspektrometria

Itse massaspektrometrejä tuskin koulun käyttöön saadaan koskaan, sen verran kalliista laitteesta on kyse. Mutta massaspektrien tulkinta on kuitenkin tärkeä asia. Massaspektri, yleensä, antaa meille yhdisteen (molekyylin) moolimassa. Spektrejä löytyy runsaas mm. SDBS-tietokannasta (https://sdbs.db.aist.go.jp/), mutta myös molekyylimallinnusohjelmamme MarvinSketch antaa massaspektrejä. Massaspektrien tulkinnassa (ja opetuksessa) täytyy olla tarkka, koska tulkinta ei ole aivan yksiselitteinen.

MarvinSketchin antamissa spektreissä (jotka eivät kyllä oikeasti ole kummoisia massaspektrejä) näkyvät ns. M+1 ja jopa M+2 viivat. Nämä ovat hiilen C-13 -isotoopin aiheuttamia piikkejä spektrissä. Molekyylin moolimassa on osattava lukea suurimman piikin antamassa pisteestä.

Mitä isompi molekyyli, sitä enemmän on mahdollista, että hiilen raskaampi isotooppi löytyy molekyylistä
Tässä em. SDBS-tietokannata poimíttu massaspektri. Siinä näkyy myös tämä M+1 -piikki.

Tässä poiminta Kemian opettajien vertaisryhmän Facebook-keskustelusta:

(jatkuu)

EASE-ASET-konferenssissa 29.11.-1.12.2018 – Chemistry Education – Individual Learning Paths and The Flipped Classroom Pedagogy

Saimme kollegan kanssa esityksen abstraktin läpi – se on se prosessi, jolla ulkomaisiin konferensseihin pääsee varmuudella mukaan. Tällä kertaa tavoitteenamme oli välittää kokemuksia kemian opetuksessa tehdyistä kokeiluista ns. flipped learning -otsikon alla. Tea oli kokeillut yksilöllisten oppimispolkujen käyttöä KE1-kurssilla ja minä flipped classroom -toimintamallia KE5-kurssilla. Molemmat haastavia asioita ja mielenkiintoisia tutkimuskohteina. Ja tällä hetkellä suomalaisessa pedagogisessa keskusteluissa aika lailla keskiössä olevia asioita.

Itse konferenssista sen verran, että todellisuudessa osallistuimme samaan aikaan järjestettyyn ASET-konferenssiin (osa kokonaisuutta). Näiden kahden konferenssin ero on se, että EASE on koko itä-Aasian tiedeopetuksen organisaatio ja ASET on Taiwanin tiedeopetuksen organisaatio ja näiden konferenssit oli yhdistetty. ASET-konferenssissa oli myös kiinan kielisiä sessioita.

Matkalta

Onneksi tauluissa oli myös englanniksi tiedot

Hotelli

Matka Hualieniin ei ollut mikään itsestään selvyys. Lennot Taipeihin Hong Kongin kautta oli allekirjoittaneelle tuttu kuvio (kolmasti olen käynyt Taipeissa Computex-tapahtumassa, viimeksi kesäkuussa tänä vuonna). Siitä eteenpäin olikin sitten uutta. Taipein juna-asemalta lipun osto oli oma haaste, koska paikallisten englannin kielen taito oli arvoitus. Mutta ongelmitta pääsimme Hualieniin ja myös hotellille – hotellin vastaanotto taas ei ymmärtänyt englantia lainkaan, ja se oli aiheuttaa hotelliin kirjautumisessa pulmia. Sekin saatiin onneksi ratkaistua – onneksi, koska 24 tunnin matkustaminen oli pohjalla.

Torstai 29.11.

Konferenssin julisteen edessä

Konferenssin avauspäivänä oli ilmoittautuminen ja workshopit.  Emme kollegan kanssa olleet ilmoittautuneet työpajoihin, mutta kävimme tutustumassa pieneen näyttelyyn. Tapasimme kuitenkin muita osallistujia paikan päällä, jotka eivät myöskään vielä osallistuneet varsinaiseen ohjelmaan. Ruotsalainen kielten opettaja, joka tutki kielen merkitystä luonnontieteen opetuksessa, oli mielenkiintoinen tuttavuus. Paluumatkalla hotellille (lähes tunnin matka paikallisliikenteellä eli bussilla) oli tilaisuus keskustella IOSTE:n (International Organisation of Science and Technology Education) puheenjohtajan kanssa. IOSTE:n tämän vuoden konferenssi pidettiin Malmössä. IOSTE on tärkeä foorumi jatkossa.

Hualien

Hualien on samannimisen piirikunnan hallintokeskus Taiwanissa, itäosan suurin kaupunki. Hualienin kaupungissa asuu noin 100000 asukasta. Kaupungin talous perustuu pitkälti matkailuun. Muutaman kilometrin päässä Hualienista sijaitseva Taroko Gorgen kansallispuisto on Taiwanin saaren vierailluimpia kohteita. Hualienissä vallitsee trooppinen ilmasto. Ruokakulttuurista oli vaikea saada kuvaa, paikallinen streetfood ei oikein tuntunut houkuttelevalta vaihtoehdolta. Värikäs ympäristö, temppelit, erilaiset rakennukset antoivat mielikuvan pitkästä historiasta.

Perjantai 30.11.

Konferenssin (http://ease2018.ndhu.edu.tw/) avauspuheenvuorot ja perjantain keynote-luennot käsittelivät STEM-opetuksen laajuutta ja merkitystä alueen opetuksessa.

Keynote-puheenvuorot

Perjantain puheenvuorojen ja esityksien jälkeen oli yhteinen päivällinen, jossa mm. palkittiin pitkän opetustyön tehneitä professoreita.

Lauantai 1.12

Lauantaina oli vuorossa oma esitys. Se oli toiseksi viimeinen sessio koko konferenssissa, joten yleisömäärä ei ollut suuri. Kuvassa Tea Kantola vetää omaa osuuttaan. Samassa sessiossa oli toinen esitys, joka käsitteli Algodoo-nimisen ohjelman käyttöä fysiikan opetuksessa. Esityksien jälkeen keskustelin hänen kanssa mahdollisesta yhteistyöstä jatkossa, mm. ko. ohjelman hyödyntämisestä kemian opetuksessa.

Seuraava EASE-seminaari järjestetään Etelä-Koreassa Daegussa.

Sunnuntai 2.12

Aikataulujen vuoksi päädyimme siirtymään Hualienista Taipeihin ja aamupäivän junalla. Kävimme mm. katsomassa Torni101:tä eli World Trade Centerin ympäristöä. Illasta oli sitten lento Hon Kongiin.

Maanantai 3.12. HongKongissa

Aamupäivästä lähdimme kohti keskustaan. Pari tunnin jonotuksen jälkeen pääsimme Gondolimatkalle kohti Ngong Pingiä. Matkalla oli mahdollisuus kuunnalle ladattu esittely matkan kohteesta ja maisemista. Vuoristokylässä sijaitsee suuri pronssinen patsas nimeltä Big Buddha. Sen ympärillä on kuusi pienempää pronssipatsasta kuvaamassa kuutta täydelliseen valaistumiseen vaadittavaa asiaa, jotka täytyy toteutua valaistumisen saavuttamiseksi: anteliaisuus, moraali, kärsivällisyys, intohimo, meditaatio, viisaus, valaistuminen.

Voiko opettaja olla buddhalainen? Polku itsekurista vaatii mm. 1) oikeaa puhetta – sen täytyy olla rehellinen, hyväntahtoinen ja rauhaa edistävä; pidättäydytään valehtelusta, eripuraisesta ja vihaisesta puheesta sekä joutavien puhumisesta; 2) oikea toiminta – väkivallattomuus, pidättyminen ottamasta, mitä ei ole annettu ja kohtuullisuus aistinautinnoissa; 3) oikea elinkeino – se ei tuota vahinkoa tietoisille olennoille eikä vaadi edellä mainittujen periaatteiden rikkomista. Kukin päätelköön itse. (Lähde: Wikipedia)

Illasta alkoi matka kohti Helsinkiä. Tästä alkoi tosi pitkä odotus. Lennon piti lähteä klo 00.45 yöllä. Koneessa todettiin joku hydrauliikan ongelma, mitä venytti lähtöä 7 tuntia. Eli portilla odotettiin pitkään.

Ensimmäinen sähköinen kemian yo-koe

Pitkään odotettu, niin hyvässä kuin pahassa, ensimmäinen sähköinen kemian yo-koe on nyt nähty. Yleisarviona voisi todeta, että hieman varovaisesti on hyödynnetty kemian opetuksessa käytettyjä tietotekniikan apuvälineitä. Odotuksissa oli isompien data-aineistojen käyttö esim. erilaisten käyrien tai graafisten esitysten tekemisessä (titrauskäyrät, sähkönjohtokykytitraus, kemiallisten nopeuksien määrittäminen ym.). Myöskään MarvinSketchin käyttöä ei ole aivan optimaalisesti hyödynnetty. Tässä nyt hieman ajatuksia teknologian antamista mahdollisuuksista.

3. Tulehduskipulääkkeet

”Voit käyttää vastauksissasi sanallisia selityksiä rakenteista tai kuvakaappauksia eri ohjelmilla tuotetuista tai muokatuista rakenteista.” -ohjeella mahdollistettiin se, ettei ole välttämätöntä käyttää erikseen harjoiteltuja tietokoneohjelmia.

MarvinSketch isomerian esittäjänä

Kohdassa 3.2.  todetaan, että prostaglandiini E2:lla ja naprokseenilla esiintyy stereoisomeriaa. Tehtävässä kysytään mistä stereoisomerian lajista tai lajeista on kyse? Ja pyydettiin perustelemaan vastauksen. Perinteisesti tässä olisi odotettu piirrosta, johon merkitään kiraaliset (asymmetriset) hiilen asteriksilla, ja cis-trans-isomerian kohdat vaikka nuolella. Nyt kuitenkin MarvinSketch-ohjelma antaa suoraan kyseiset stereoisomerian kohdat molekyylistä. Sillä varauksella, että cis-trans-isomeriaa lähestytään E/Z-isomerian kautta (hieman eri asia kuin cis-trans-isomeria).

MarvinSketch ei tunnista syklopentaanin rakenteen aiheuttamia cis-trans-isomeerejä. Tässä MarvinSketchin valikon valinnat:


MarvinSketchin lisenssiversiolla saa sitten ohjelman myös piirtämään kaikki em. isomeerimolekyylit. Tätä sopii käyttää sitten opetuksen tukena.

5. Kemiallisen reaktion nopeus

(Edes) Tämän tehtävän yhteydessä olisin odottanut jonkinlaisen graafisen esityksen teettämistä annetun data-aineiston pohjalta. Kysymyksen asettelu oli taas hieman vapaampi, asian pystyi selittämään myös ilman piirroksia: ”Selitä, miten voit kokeellisesti määrittää kyseisen reaktion hetkellistä nopeutta eli reaktion nopeutta tietyllä hetkellä. Mitä mittauksia sinun tulee suorittaa? Miten
määrität mittaustuloksista hetkellisen nopeuden? (9 p.)”

Tässä tehtävässä kuitenkin saattoi olla eduksi, että rakensi itse esimerkkikäyrän annetusta reaktiosta ja esitteli sitten tangentin piirtämisen ja totesi, että sen kulmakertoimesta saamme tarvittavaa informaatiota.

10. Tuliset chilipaprikat

Kohdassa 10.2. pyydetään esittämään tehtävän reaktiosarjassa 5 muodostuvan yhdisteen F rakennekaava tai nimeä yhdiste. Rakennekaava (viivakaava) on helppo työstää valmiista MarvinSketch -tiedostosta poistamalla esterin alkoholirunko ja ”hydraamalla” kaksoissidos yksinkertaiseksi sidokseksi. Molekyylin nimeämisen apuna voi käyttää MarvinSketchiä. Tehtävässä pyydetään jompikumpi (ja se riittää pisteiden saamiseen).
Yhdisteen nimeämisessä saattaa numerointi tuottaa pulmaa, joten se ratkeaa em. tavalla. Väärästä numeroinnista pistemenetystä tuskin tulee, jos ja kun on esittänyt oikeanlaisen molekyylien viivakaavana.

Kohdassa 10.3. kysytään ”Miksi vesi lievittää vain vähän chilin aiheuttamaa poltetta suussa, mutta sen sijaan rasvaisen jugurtin tai maidon nauttiminen vähentää poltetta?”. Tässä lähtökohtana on molekyylien poolisuuden tarkastelu. Annettujen molekyylien osalta voi hyvinkin antaa MarcinSketch-ohjelman puhua puolesta; piirretään molekyyleistä 3D -mallit niin, että näkyviin tulee elektronitiheyskuvat – niistä voidaan todeta / päätellä em. molekyylien poolittomuus. Ja poolittomuus tarkoittaa sitä, ettei ko. aineet liukene pooliseen veteen, vaan maidossa ja rasvaisessa jogurtissa olevaan rasvaan.

Mitä toivoo tulevaisuudessa?

Se, että kyse oli ensimmäisestä sähköisestä kokeesta kemiassa, oli yksi asia. Toki toinen asia on se, ettei kaikki kemian osa-alueet mahdu yhteen kokeeseen. Itse jäin odottamaan uuden opetussuunnitelman mukaista spektroskopia-tehtävää eli jonkinlaista spektritulkintaa, jonka tukena olisi ollut MAOL:in taulukon tiedot. Myös perinteinen titraustehtävä olisi nyt voinut toteutua ison data-aineiston käytön kanssa (millimetripaperista Geogebran tai LoggerPron käyttöön). Laskutehtävissä on selvästi jäänyt pois ionitulot eli heterogeenisen tasapainon laskut – toivottavasti asia korjataan lisäämällä käsite uuteen lukion opetussuunnitelmaan.

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 …

 

MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 6: MarvinSketch ja isomerian opetus

Muuttuuko isomerian opetus MarvinSketch -ohjelman myötä

Abitti-järjestelmän MarvinSketch- ohjelma asettaa isomerian opiskelulle ja ainakin sen osaamisen sähköiselle arvioinnille haasteita. Ohjelma kun ”osaa” isomerian ja antaa valmiiksi mm. asymmetria-keskuksen (jos 2D-ympäristö, se näkyy kysymysmerkkinä, 3D-ympäristössä se antaa R/S-merkinnän sen mukaan kumpi se on) ja tulkitsee onko yleensäkään cis-trans-isomeriaa (tai oikeammin E/Z-isomeriaa) molekyylissä.

Peilikuvaisomerian opetus

Asymmetrisen, kiraalisen, hiilen tunnistaminen MarvinSketch-ohjelman myötä asettuu uuteen tilanteeseen. Opetuksessa lienee tähän asti asiaa lähestytty esimerkkimolekyylien kautta ja selittämällä, että kiraaliseen hiileen on kiinnittyneenä neljä erilaista ryhmää tai alkuaineatomia.

Vasemmanpuoleinen kuva (viivakaava) on ehkä se tavanomaisin esimerkki (2-butanoli) peilikuvaisomeriasta. Ohjelmalla voi nopeasti saada näkyviin kaikki atomit ja kaikki sidokset (hiilet näkyviin Edit | Preferences | Structure | Carbon labels ja kaikki vedyt sidoksilla Stucture | Add | Explicit Hydrogens).

Oikeanpuolisessa kuvassa (täydellinen rakennekaava) voidaan jo selkeästi nähdä kaikki neljä erilaista ryhmää tai atomia kiinnittyneenä kiraaliseen hiileen (tässä merkitty siis kysymysmerkillä ohjelman puolesta). Tehtäviä tehtäessä tuon kysymysmerkin saa toki pois, mutta jos ja kun oppilaille on MarvinSketch -ohjelman asennettuna, he saavat sen myös nopeasti näkyville.

Tässä näkyy valinnat joilla saa kiraalisen hiilen näkyville (All / All Possible) tai pois (None). 

Ohjelman avulla on helppo tutkia erilaisia molekyyleja ja niiden kiraalisuutta. Atomien vaihtaminen on helppoa ja ohjelma tunnistaa kiraalisuuden ”reaaliajassa”.

Pohdittava asia on, pitäisikö tehtävissä vaatia kirjaamaan se, onko kyse R- vai S-isomeerista, kun kerran ohjelma sen helposti antaa. Lukion oppimäärään tuskin kuuluu eikä liene paikallaan edes lisätä se, miten ko. kirjain määräytyy isomeerien osalta. R- ja S-isomerian merkitsemiseen liittyisi lähinnä ohjelman käytön hallinnan varmistaminen ja/tai toisaalta juuri tämän molekyylin kolmiulotteisuuden ja tetraedrimäisen rakenteen (sp3-hybridisaation!) korostaminen.

Aiemmin piirretyt kaksi kuvaa todistaa hyvin sen, että myös täydellisen rakennekaavan piirtäminen on aina silloin tällöin paikallaan asioiden ymmärtämisen varmistamiseksi.

Cis-trans-isomerian opetus

MarvinSketch-ohjelma on käytä cis-trans-isomerian käsitteitä, vaan E/Z-kirjaimia (entgegen – zusammen) käytännössä saman isomerialajin luokittelussa. Ohjelma taipuu myös siihen, että se antaa mahdollisuuden liikuttaa rakenneosaa niin, että kirjaimen vaihtuminen näkyy – tässä kuvassa, kun tilanne on vaiheessa, tulee kysymysmerkki.

Tämä reaaliaikainen tulkinta antaa hyvän mahdollisuuden opettaa erot näiden kahden isomeerin välillä. Miten syvällisesti on tarpeen selittää E/Z-isomeerien ero, kun tilanne ei ole selkeästi nykyisen cis-trans-isomerian opetusaikakauden esimerkeistä.

 

Kemian viimeinen ”paperinen” yo-koe – mitä opittiin ja mitä jatkossa?

Heti alkuun täytyy todeta, että kevään 2018 kemian yo-koe oli yksi onnistuneimmista kokeista mun historian. Toki puutteita löytyy – mm. liukoisuustulon lasku – mutta kokonaisuus määrittää kuvion. Tässä lyhyt analyysi itse tehtävistä.

Tehtävä 1

Harvinaisen selkeä kuvio. Mielenkiintoisen pohdinnan aiheutti NaOH, saippuana. Itse en noista ainetta saippuana käyttäisi, mutta joku puhui NaOH-saippuasta? Mistä ja kuka tällaista puhuu? Saippua-termi lienee kuitenkin yleistiedon mukaan aine, jolla pestään käsiä ja käsin jotain – eli se ei voi olla natriumhydroksidia. Ja piste. Suomalainen journalismi on saavuttanut (?) tason, jossa ei voi olla mistään varma – asiantuntemus tieteestä ja lähes kaikesta muustakin on todella ala-arvoista.

Tehtävä 2

Tehtävä 2 oli peruslaskutehtävä. Hienosta kompana oli tehtävään ujutettu ilma-käsite, joka sekoitti lukuisan määrän kirjoittajia. Eikä ollut ensimmäinen kerta. Ilmassa on kuitenkin yli 70% typpeä ja happea vain alle 21%. Aina on tärkeää lukea tehtävänanto tarkasti ja ymmärtää se.

Tehtävä 3

Kemia on oppiaine, jolla on oma kieli – kemian kieli. Erilaiset käsitteet täytyy ymmärtää ja niitä pitää opiskella (joitakin jopa opetella ulkoa – todella). Itse omassa opetuksessa suosin käsitekarttojen tekemistä ja korostan juuri käsitteiden ymmärtämisen merkitystä. Ilman niitä ei ole kemian osaamista. Tässä oiva tehtävä tähän liittyen. Olisivat toki voineet olla vaikeampiakin, mutta kyse oli 3.tehtvästä.

Tehtävä 4

Edelleen kemian osaamisen – laaja-alaisen osaamisen – tehtävä. Ei yksinkertainen, mutta sidosteorian ja liukoisuuden hallitseville helppo. Yleensä pitkä selitys tarkoitti sitä, ettei oikeasti tiennyt, mistä on kysymys.

Tehtävä 5

Hyvä orgaanisen kemian tehtävä – varmasti / toivottavasti viimeinen tämän kaltainen. Funktionaalisten ryhmien tunnistaminen on tärkeä taito ja – kuten tässä on tehty – yhdisteryhmien määrittäminen funktionaalisen ryhmien perusteella on tarvittava osaaminen. Tehtävänantoon liittyi uutta tietoa, miten on hyvä asia – nykytiedettä annetaan opetuksen tueksi – mutta tulevaisuudessa tähän tehtävätyyppiin vastaukset antaa MarvinSketch-ohjelma (teen tästä oman bloggauksen pian). Tässä d-kohdan kysymys on hyvä, koska se ei ollut ns. reaktiotyyppikysymys, vaan selkeästi funktionaalisen ryhmän ominaisuuksiin liittyvä kysymys. Jos ei ymmärrä happo-emäs-reaktiota ja/tai aminoryhmän emäksisyyttä, tähän ei löydä oikeaa vastausta.

Tehtävä 6

Erinomainen reaktioon liittyen energioiden ymmärtämiseen liittyvä tehtävä. Tässä haetaan mielestäni sitä oikeaa kemian reaktioiden ymmärtämistä, mitä meidän pitää myös opettaa. Upea tehtävä.

Tehtävä 7

Tehtävä 7 sisältikin sitten monia kompastuskohtia. Jos tätä työtä ei ole tehty kursseilla, pelataan mielikuvilla. Titraus menetelmänä lienee tuttu, takaisintitrauskin lienee kokeiltu, mutta muu saattaa tuntua vieraalta. Virheiden ja epätarkkuuksien määrittely ei ole yksinkertaista. Ei varsinkaan tehtävä 6:n jälkeen, jossa kokeellinen arvo pitäisi todeta oikeammaksi.

Tehtävä 8

”Pakollinen” sähkökemian tehtävä on normitehtävä. Tulevaisuutta ajatellen kuvailutehtävät ovat hyviä, koska silloin on kuvankäsittelyohjelmat käytössä.  Kasitehtäväksi tämä oli riittävän haastava – joskin z:n määrittäminen oli liian helppo.

Tehtävä 9

Orgaanisen kemian avaruusgeometriatehtävä. Jälleen kerran erinomainen. Nyt ei kysytty enää nimiä – jatkossa MarvinSketch antaa ne. Mutta nyt paneudutaan oikeaa orgaaniseen kemiaan. Vielä kun tulevaisuudessa opiskellaan enemmän orgaanisten reaktioiden mekanismeja, ei reaktiotyyppejä, löydämme helpommin vastauksia myös b-kohdan mukaisiin tehtäviin. B-kohdan tehtävä on juuri niitä, missä erottuu E- ja L-arvosanan abiturientit (onko koko valtakunnassa oikeaa vastausta?). Minusta kuitenkin erinomainen 9-tason tehtävä ja tätä jatkossa, jotta lähdemme opettamaan myös reaktiomekanismeja, eikä vain paria kymmentä reaktiotyyppiä ulkoaopetteluna.

Tehtävä 10

Erinomainen laskutehtävä – Hendelsson-Hasselbalchin -kaavan käyttö ei vain ole oikein, eikä siitä pitäisi pisteitä antaa – ei ole puskuriliuos – sen määritelmän mukaan. Tässä työstä maksetaan pisteillä.

Tehtävä 11

Haastava lasku- ja kemian analytiikan tehtävä. Lääkekemiaa voidaan lähestyä monella tapaa – taisi olla kemian preliminäärissä ylikorostettu – ja tässä yksi. Oikeastaan kromatografian tuominen tällä tapaa toimi, muu oli hieman liikaa kemian ulkopuolella (tästä voi olla erimieltäkin, mutta itse en tällaiseen paneutuisi).

Tehtävä 12

Jälkeen erinomainen tehtävä. Hieman erilaisia medioita esillä – tulevaisuudessa tämän monipuolistuu entisestää. Kemiallisten prosessien selittämien kaavioista ja malleista on tärkeä taito. Tässä siitä annettiin hyvä esimerkki. Itse rakastan Le Châtelier’n periaatteen selittämistä ja ymmärtämistä. Tässä on erinomainen case tätä varten. Ja kuvat tukivat erinomaisesti asian ymmärtämistä ja selittämistä.

Lopuksi

On tietenkin hyvä, että paperiset kokeet päättyvät ehkä onnistuneimpaan kokeeseen 2010-luvulla. Kysymyksien pitää kuitenkin muuttua monelta osin sähköisen version myötä, joten onnistuneesta edellisestä kokeesta ei ole paljoa iloa. Toivottavasti opettajat saavat hyvissä ajoin käsityksen, mihin suuntaan ollaan menossa uudessa tilanteessa. MarvinSketch-ohjelman käyttö ja mahdollisuudet antavat paljon ajattelemisen aihetta, ja toivottavasti ne antavat suuntaan kemian opetuksen kehittämiseen. Itse olen avoin pohdintoihin ja myös kehittämisideoiden testaamiseen.

MarvinSketch – lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus – OSA 5: MarvinSketch ja vapaat elektroniparit

Vapaat elektronit parit (lone pair)

Wikipedia määrittelee vapaan elektroni parin: Vapaa elektronipari eli sitomaton elektronipari on yhdisteissä yhdelle atomille valenssikuorelle lokalisoituneita kemiallisen sidoksen muodostumiseen osallistumattomia elektronipareja. Lewis-rakenteissa vapaat elektroniparit piirretään kahtena pisteenä sille atomille, jolle ne kuuluvat. Teksti on hieman harhaanjohtava tai ainakin johtaa helposti väärään tulkintaan. Tämän määritelmän voisi kirjoittaa toisinkin: Vapaa elektronipari on yksittäisen atomin ulkoelektroneja (valenssielektroneja), jotka eivät ole yhdisteessä muodostamassa sidosta. Ne voivat muodostaa kovalenttisia koordinaatiosidoksia (toimia Lewis-emäksenä) luovuttaen elektroniparin toisen atomin kanssa muodostettavaan koordinaatiosidokseen (engl. a lone pair refers to a pair of valence electrons that are not shared with another atom). Esimerkkeinä tästä ovat esimerkiksi: ammoniumioni, jossa typpi muodostaa neljännen sidoksen luovuttamalla vapaa elektroniparin vety-ionin kanssa muodostuvaan sidokseen. Tai hiilimonoksidissa, jossa hiilen hapen välissä olevasta kolmoissidoksesta kaksi muodostuu kovalenttisesta sidoksesta ja yhdessä koordinaatiosidoksesta, jossa happi-atomi on luovuttanut yhden vapaan elektroniparinsa yhteiseen sidokseen.

MarvinSketch piirtää vapaat elektroniparit

MarvinSktech-ohjelman saa näyttämään vapaat elektroniparit niin pisteinä kuin viivoina. Valinta viivan ja pisteen välillä tehdään Edit | Preferences -valikossa kohdassa General settings (kts. yllä). Tämä ei vielä anna näkyviin vapaita elektronipareja.

Kun piirretään molekyylejä, täytyy miettiä piirretäänkö myös atomien välisiä sidoksia näkyviin, jolloin vapaan elektroniparin merkitsemisellä on jotain mielekästä merkitystä.

Vapaat elektroniparin saadaan näkyviin valitsemalla View –valikosta Advanced | Lone Pairs (kts. vasemmalla).

Alempana on kuva, jossa vapaat elektroniparit näkyvät pisteinä.

 

Samat molekyylit, jossa elektroniparit merkitty viivalla.  

Miten opetetaan vapaat elektroniparit

Eli MarvinSketch piirtää vapaat elektroniparit – miten tämä asia nyt opetettaisiin. Olisiko nyt mahdollisuus miettiä Lewis-rakenteiden opettamista hieman syvällisemmin. Ohjelmassa yksi valinta (tai sen muuttaminen) osoittaa, mitä viivalla tarkoitetaan. Tarvitseeko tätä enää kysyä esim. yo-kirjoituksissa. Vai voisiko tässä jo kysellä Lewis-emästen perään?