Month: joulukuu 2017

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

admin

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

admin

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

admin

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.