Luento Kemian opetuksen päivillä 19.3.2015 Messukeskuksessa – TVT:n käyttö kemian opetuksessa

Minulla oli tilaisuus pitää luento ChemBio-messujen yhteydessä pidettävillä Kemian opetuksen päivillä. Aamupäivän teemana oli Tieto- ja viestintätekniikan käyttö kemian opetuksessa.

Ennen omaa luentoa esiteltiin Jyväskylän normaalikoulun kokemuksia ja yliopiston kemian opetuksen kehityshankkeita. Oli sen verran iPadeillä pilattu kuvio, etten kommentoi tässä – kommentoin itse tätä salissa niin, että olen saanut tietooni, ettei iPAdien käyttö olekaan niin hyvin toimivamalli (lukiossa) kuin julkisuudessa hehkutetaan. Ehkä sen verran vielä, että nykyaikainen pedagogiikka ja modernit sähköiset muokattavat oppikirjat ja oppimateriaalit sekä käyttökelpoiset animointi – ja 3D-molekyylimallinnusohjelmat eivät näissä leluissa toimi. Jos surffaaminen ja valokuvien ottaminen ovat kemian opetuksen ydintoiminnot, niin ehkä sitten. Jos kouluissa halutaan valmistautumaan sähköisen ylioppilastutkinnon myötä tuleviin vaatimukseen, nyt on aika unohtaa iPadit ja paneutua tieto- ja viestintätekniikan opiskeluun. Näistä myöhemmin.

KemianPaivat_LuentoOman luennon taustalla oli Hgin yliopiston Viikin normaalikoulun kemian opetuksen kehityskertomus kemian opetuksen nettisivuista muokattavien oppikirjojen ja virtuaalisten opiskeluympäristöjen kautta kokonaisvaltaisempaan ubiikkien (tvt aina läsnä) opiskeluympäristöjen kehittämiseen ja hyödyntämiseen.

Kuvassa lukion sähköiset oppikirjat – Orbitaalit. Kirjan nimestä tuli kommenttia, mutta nimen isänä täytyy sanoa, että kyllä nimi kertoo siitä merkityksestä, mikä sidoskemialla ja kvanttimekaanisen atomimallin ymmärtämisellä koko kemian osaamisessa on. Onneksi näiden opetuksen tukena on nykyään tieto- ja viestintätekniikan myötä mallintamisen työkalut. Tweetit ovat tulevaa arsenaalia.

Luennon kalvot pdf-tiedostona löytyvät kotisivuiltani ajankohtaista -kohdasta. Asiaan liittyvää aineistoa löytyy niin tässä blogista kuin myös Norssien LUTO-hankkeen blogista http://norssiluto.blogspot.com.

 

Eager-hanke Viikin normaalikoulussa – Science Practices (Tieteen käytännöt) työtapana kemiassa

K12_ScienceViikin normaalikoulussa ollaan mukana ns. Eager-hankkeessa. Kyse on Michiganin yliopiston käynnistämä STEM-opetuksen kehittämishanke. Taustalla on Yhdysvaltojen oma OPS-uudistus, jonka tueksi on tuotettu laaja julkaisu Tiedeopetuksesta (lataa oma).

Mitä uutta tämä tuo tiedeopetukseen – minun tapauksessa kemian opetukseen?

Lähtökohtana on kemiallinen ilmiön selittäminen (tästä myöhemmin lisää) tai ongelman ratkaisun suunnittelu ja toteutus. Sitä tukee 3D-oppiminen: a) rakennettu tieteellisille perusajatuksille (teorioille, lainalaisuuksille, malleille), b) tieteellisten käytäntöjen hyödyntämiseen (teoria/väite – todisteet/löydökset – perustelut, jossa em. kaksi osaa yhdistetään), c) asioita yhdistävien käsitteiden käyttö. Tärkeää on rakentaa ja liittää uusia ajatuksia koko prosessin ajan.

Itse toimintamallin käytäntöä voidaan kuvata seuraavalla kalvolla:

eager_sabluuna

Työskentely ei etene numerojärjestyksessä, vaan risteilee tarpeen mukaan kohdasta toiseen. Tässä hahmottuu, miten käytännössä 3D-oppiminen toteutuu käytännössä.

Käytännössä työskentely voidaan aloittaa selkeän toimintamallin pohjalta, ajan mittaa työskentelyn eri vaiheet tuntuvat luonnollisilta. Itse kokeilin lähestymistapaa kolmen teeman ympäriltä:

  1. Atomin elektronien energiatasojen miehittyminen – teoria lähtee liikkeelle kvanttimekaanisen atomimallin ja kvanttilukujen  ymmärtämisestä. Data kerättiin jaksollisesta järjestelmästä, elektronijakaumakaavioista ja elektronikonfiguraatioista. Väitteiksi rakentuivat (myöhemmin näille nimille kirjattuina) minimienergiaperiaate, Hundin sääntö ja Paulin kieltosääntö.
  2. Vahvat ja heikot sidokset – peruskäsitteet eli erilaiset vahvat ja heikot sidokset otetaan tutkimuksen lähtökohdiksi. Tutkimuksen kohteena oli kokoelma erilaisia aineita, alkuaineita, ioniyhdisteitä ja kovalenttisia molekyylejä. Haettiin kokeellisia perusteluja niissä esiintyviin vahvoihin ja heikkoihin sidoksiin.
  3. Spektroskopia – spektroskopian periaatteiden ymmärtämisen kautta (aallonpituuksien absorptio ja emittoituminen). Tutkimuksessa konkreettisesti paneuduttiin orgaanisten molekyylien tunnistamiseen IR-spektrien avulla.

Lukiolaiset (lukion kemian 2.kurssi) tekivät tuloksien perusteella raportit. Se, mihin aiemmin en ole omassa opetuksessa tarpeeksi käyttänyt aikaa ja resursseja, on ollut 1) tuloksien kirjaaminen, myös ristiriitaisten, niiden avulla asioiden selittäminen ja erilaisten tulkintojen tekeminen (kohdat 3 ja 4) 2) keskusteluun ja ajatusten testaamiseen yllyttäminen ja lopuksi 3) todisteiden ja väitteiden kokoaminen perusteluiksi (raporteiksi).

Työtapa on työläs ja vaatii selkeästi enemmän aikaa, kuin tilanteessa jossa näitä teemoja lähestytään enempi vain teorioiden kautta (mikroskooppisten ilmiöiden mallintamisen kautta).

Tutustuminen Etelä-Afrikan lukion kemian opetukseen ja kirjoihin (6.2.2015)

Minulla oli tilaisuus Johannesburgin matkan yhteydessä tutustua kahteen yläkouluun ja lukioon, jotka ovat tiiviissä yhteistyössä Johannesburgin yliopiston kasvatustieteellisen tiedekunnan kanssa. Opettajat ovat olleet mukana yliopiston toteuttamissa PD-koulutuksissa. Tässä erään koulun luonnontieteiden opettaja yhteiskuvassa (minä ja Josef, joka toimi isäntänä matkan toisen osan).

WP_20150206_051

Minulla oli tilaisuus keskustella hieman opetussuunnitelman sisällöistä ja käydä läpi oppikirjoja. Kuvassa ollut – erinomainen – opettaja moitti, että opetussuunnitelma on liian kunnianhimoinen. Lukiossa kemiaa ja fysiikkaa opetetaan saman oppiaineen sisällä – Physical science. Seuraavassa kuvassa ote sisällysluettelosta.

Lukion_oppikirja_kemiaa_aine

Huomio kiinnittyy mm. Lewis diagrammien merkitykseen sidoksien esittämisessä sekä VSEPR-teorian (Valence Shell Electron Pair Repulsion) merkitykseen molekyylien rakenteen ja avaruudellisen muodon selittämisessä.

Keskustelu jatkukoon – nyt on kaksi esitystä, ei niinkään ristikkäisiä, mutta lähtökohdiltaan eri tasoisia

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?

Lukion kemian OPS – vaihe 2 – lopullinen esitys

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.

Kemian reaktiot – Lukioon?

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 uuden opetussuunnitelman emmeitä LOPS 2016

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.

Vuosi vaihtuu – peruskoulun OPS on vahvistettu

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.