Lukion kemian uusi opetussuunnitelma – mitä kaikkea se mahdollistaa tai ei – osa1

Mitä peruskoulussa opimme?

Peruskoulun kemian opetussuunnitelma vaikuttaa melkoisesti myös lukion kemian opetukseen. Mitä voimme olettaa, että uudet lukiolaiset osaavat peruskoulun kemian opetuksen (opetussuunnitelman) perusteella. Rehellisesti täytyy sanoa, että pulmia on tiedossa. Uuden  opetussuunnitelman mukaan yläkoulun kemian suorittaneita on odotettavissa lukioihin aikaisintaan vasta syksyllä 2018?

Miten muutamme peruskoulun kemian opetusta, jotta se vastaa myös lukion kemian opetuksen tarpeita? Ainakin Viikissä olemme löytämässä uusia linjauksia yhteistuumin kemian opettajien kesken. Siitä myöhemmin lisää.

Lukion kemian opetuksen muutostarpeet ja uusi kemian opetussuunnitelma

Se, että lukion opetussuunnitelman uudistaminen jäi vain päivitykseksi, ei estänyt Opetushallitusta tekemästä joitakin melko merkittäviäkin uusia linjauksia. Se, miten ne vaikuttavat, jää nähtäväksi. Osa on kuitenkin todella pulmallisia ja asettavat mm. kirjan tekijät hankalaan tilanteeseen. Yliopistoihin pyrkiville saattaa myös muodostua tilanteita, joissa uuden lukion kemian oppimäärät eivät välttämättä ole riittävät. Ja asettuuko ylioppilastutkintolautakunnan kemian jaosto ruotuun uuden opetussuunnitelman asettamien ajatusten kanssa. Näitä seuraavassa analyysissä on useita.

KE1 – Kemiaa kaikkialla

Kurssin tavoitteiden määrittelyssä positiivisena ajatuksena on kiinnostuksen herättäminen kemiaan. Kuitenkin unohtuu käsitys kemiasta kokeellisena tieteenä, kemiallisista reaktioista puhutaan vasta 3.kurssilla. Toki kokeellisuus (mikä sellaisenaan ei ole tiedettä) mainitaan, mutta vain ilmiöiden tutkimisena. Miten lukiolainen voi osallistua yhteiskunnalliseen keskustelaan kemian näkökulmasta, jos hänellä on mielikuvat kemiallisista reaktioista vain yläkoulun tietopohjalla.

Keskeisiin sisältöihin kirjatut ”merkitykset nykyaikana ja merkitys jatko-opinnoissa ja työelämässä” tekevät ainoasta pakollisesta kurssista osin opinto-ohjauksen ja yhteiskuntaopin kurssia. Opinto-ohjauksen kurssimäärä tuplattiin, olisi voinut kuvitella, että se merkitsee jotain. Jos tämä aika on tarkoitettu opiskelutaitojen kehittämiseen tai henkilökohtaisten opiskelusuunnitelmien laatimiseen, hyvä niin. Tässä voi tosin kysyä, onko alakoulun kaikki kuusi vuotta menneet johonkin ilmiöpohjaiseen ja projektiluontoiseen mukaopiskeluun, ennemmin kuin valmistautumiseen itsenäisempään opiskeluun ja vastuunkantoon omasta oppimispolusta.

elektronien_energiatasot

Atomin rakenne on nostettu – ja syystä – KE1-kurssin sisältöihin. Orgaanisen kemian ”mölinä” on siirretty KE2-kurssiin ja toivon mukaan jäntevöittäen orgaanisen kemian sisältöjä. Onko meillä rohkeutta unohtaa ”helppo tie” eli Bohrin mallin mukainen lähestymistapa? Niille, jotka jatkavat kemian opintoja 1.kurssin jälkeen, tarjottaisiin heti alkuun nykyaikainen kuva tieteen käsityksestä atomista ja sen elektronipilven rakenteesta. Atomin ytimeen liittyvistä mielenkiintoisista asioista – kvarkit, vahva vuorovaikutus – kertonee fysiikan opettaja. Yläkoulussa puhuisimme jo heti alkuun elektronien energiatasoista ja KE1-kurssilla ryhtyisimme kutsumaan niitä orbitaaleiksi – ehkä emme tuo kvanttilukuja käsittelyyn. Paulin kieltosäännön ”suomennamme” kuuluvaksi, että yhdelle orbitaalille mahtuu vain kaksi elektroni, jotka kuvataan vastakkaiseen suuntaan osoittaville nuolilla (spinkvanttiluku eri merkkinen).

Edellä mainitun kuvauksen pohjalta – orbitaalien käyttöönoton myötä – voimme jakaa jaksollinen järjestelmän eri lohkoihin (=lisäarvo yläkoulussa opittuun?), voimme puhua s-lohkosta alkali- ja maa-alkalimetallien osalta, d-lohkosta siirtymäalkuaineiden osalta, p-lohkosta IIIA-VIIIA-ryhmien osalta. Lantanoidit ja aktinoidit muodostavat sitten f- ja g-lohkot. Näin osaltamme voimme selittää jaksollisen järjestelmän muodon ja myös elektronien energiatasojen täyttymisen osittain limittäin menevien energiatasojen osalta.

Mitä muuta atomin rakenne ja jaksollinen ”pääpiirteittäin” voisi tarkoittaa? Opetammeko ymmärtämään atomin säteen ja ionisäteen säännönmukaisuuksia, ionisaatioenergioiden porrastumisen niin pääkvanttiluvun mukaan  kuin sivukvanttilukujen (orbitaalityyppien) mukaan määräytyvien energiatasojen osalta? Jaksollisessa järjestelmässä yleensä näemme järjestysluvun lisäksi suhteellisen atomimassan, mikä osaltaan sitten pakottaa selittämään erilaisten isotooppien olemassaolon (mikä lienee sekin tärkeä asia atomin rakenteen osalta).

Alkuaineiden ominaisuudet ovat jaksollisen järjestelmän perusasia, ryhmittelyn lähtökohta. Onko alkuaine metalli, puolimetalli tai epämetalli – ja mitä nämä tarkoittavat on varmaankin tärkeä asia selittää? Mikä selittää alkalimetallien ja halogeenien reaktiivisuuden tai toisaalta jalokaasujen inerttiyden?

Aineiden – joihin luokittelisin puhtaat aineet eli alkuaineet ja yhdisteet sekä homogeeniset ja heterogeeniset seokset – ominaisuuksien selittäminen onkin monenkirjava tehtävä. Yläkoulussa tutustumme jo happamuuteen (ja emäksisyyteen), liukoisuuteen, olomuotoihin, reaktiokykyyn toisten aineiden kanssa. Mitä uusia asioita lukio tuo tullessaan? Lukion KE1-kurssilla näitä ilmiöitä pitää selittää aineen rakenteen, kemiallisten sidosten ja poolisuuden avulla. Toivottavasti tämä tarkoittaa niin kaikkien vahvojen sidosten (metallisidos, kovalenttinen sidos, koordinaatiosidos/kovalenttisen sidoksen erikoistapaus, ionisidos) kuin heikkojen sidosten (dispersiovoimat/Londonin voimat, dipolisidos ja vetysidos erikoistapauksena, ioni-dipolisidos) opettamista. Tässä vaiheessa yhdisteiden (oletettavasti juuri orgaanisten molekyylien) avaruudellista rakennetta ei tarvitse selittää (opettaa). Poolisuus edellyttää elektronegatiivisuus -käsitteen opettamista.

Kurssin tavoitteissa todetaan, että lukiolaisen pitää osata ”käyttää ja soveltaa tietoa aineiden ominaisuuksista jokapäiväisen elämän ja ympäristön ilmiöissä”. Lähestymme mm. pesukemian ja keittiökemian perusasioita.

Tutkimuksellista lähestymistapaa tukee vaatimus osata käyttää malleja, jaksollista järjestelmää ja tietolähteitä mm. aineiden ominaisuuksien päättelemiseen. Mm. ”Scientific Practicies” -toimintamalli, josta olen kirjoittanut aiemmin, on oiva toimintamalli tämän kaltaisen vaatimuksen toteuttamiseksi.

Kysymykset tiedonhankinnan lähtökohtana? Mitä tällä halutaan sanoa?

Kokeellisuus mainitaan vain ilmiöiden tutkimisina ja on ymmärrettävä vähintään aineen erotusmenetelmien opiskeluna. Liuosten valmistus – selkeä opinnollinen kokeellinen työ – on opetussuunitelmassa siirretty KE2-kurssin sisältöihin. Mikä on harmittava asia. Toisaalta se on ymmärrettävää, kun myös ainemäärän ja konsentraation käsitteet ja opiskelu on siirretty KE2-kurssille. Nämä on ehkä vakavimmat erehdykset KE1-kurssin osalta. Orgaanisen kemian funktionaalisten ryhmien ja aineryhmien siirtäminen KE2-kurssille kevensi KE1-kurssia aivan riittävästi. Tämä asia voidaan korjata koulukohtaisissa opetussuunnitelmissa.

(seuraavassa osassa KE2 ja KE3-kurssien sisältöjen pohdintaa)

Flipped classroom vs. perinteinen kolmivaiheinen opetus

Aloitin oman FC-minitutkimuksen a) selvittääkseni itselleni flipped classroom -pedagogiikan käytännön toteuttamiseen liittyviä asioita b) hakeakseni tutkimuksellista asetelmaa kahden erilaisen (itse toteuttamani) lähestymistavan vertailemiseksi ja c) hahmottaakseni kahden erilaisen toimintamallin toimivuutta nyt saatavien tuloksien perusteella. Tässä ja jatkossa käytän lyhennettä FC-luokka kuvaamaan Flipped-opetuksen ryhmää ja F2F-luokka kuvaamaan ryhmää, jossa uuden asian opetus tapahtuu oppitunnilla.

Käytännön asioita mielestäni alussa olivat mm.

  1. oppilaiden suostumuksen saaminen kokeiluun (tutkimuseettinen näkökulma) – reliabiteettiin liittyen tämä tietenkin aiheuttaa lisäelementin ”ulkoisen motivaation” kohdalla, muuttuko tutkimuskohde, kun se tietää, mitä tutkitaan
  2. miten mitataan (varmistetaan?), että FC-luokka on katsonut pyydetyt videot ennen oppituntia – tämä varmistamiseksi toteutan tunnin alussa (3-5 min) kahden kysymyksen testin, jossa pitäisi ilmetä, onko teorian hallintaan liittyvät videot katsottu etukäteen
  3. miten varmistan, etten itse omassa opetuksessa F2F-luokan kanssa keskity em. testin kysymyksiin vastaamiseen – vai olenko jo etukäteen määritellyt tehtävät niin, että minun uuden asian esittelyosuudessa niihin tulee ”oikea” vastaus
  4. kun oppilaita on poissa, miten heidän osalta toimitaan, pitäisi olla eri seuranta (molemmissa ryhmissä ”Italian matkalaisia”).
flipped_classroom_tyoskentelya

Huomioita heti alkuun:

  1. Oppilaiden valmius lähteä mukaan kokeiluun oli yllättävän hyvä, kahden tunnin ajan työskentely on onnistunut FC-luokassa erinomaisesti (toki niin on F2F-luokassakin)
  2. Videoissa – opetus.tv – erään pulman muodostaa se, että niiden lähtökohtana on alun perin ollut eri etenemisjärjestys, ja omassa opetuksessa tämä kuitenkin ei näy (heterogeenisen tasapainon ja liukoisuustulon käsittely ennen homogeenisen tasapainon syventämistä).
  3. Opetuksen painotukset eivät muutu, koska videon kanssa työskentely ei mahdollista kysymyksiä tai tarkennuksia, toisin kuin F2F-opetuksessa.

Ainakin aluksi tutkimus on narratiivinen ja perustuu tutkijan omiin valintoihin sisältöjen osalta ja omiin tulkintoihin luokkatilanteista. Oppimistuloksia mitataan tehtävien ja kertyvien tuotoksien perusteella. Toki myös keväällä 2016 ylioppilaskirjoitukset kertovat jotain.

 

Tvt kemian opetuksessa -katsaus on päivitetty

Olen tehnyt laajan koosteen lukion kemian opetuksesta ja opiskelusta painottaen tieto- ja viestintätekniikan käyttötarkoituksia niissä. Käytännön esimerkkien lisäksi olen pyrkinyt kirjaamaan myös pedagogisia perusteluja käytölle. Artikkeli löytyy kotisivuilta linkistä: http://www.myllyviita.fi/aineistot/artikkelit/Tvt_kemian_opetuksessa_Dimensio.pdf . Kaikki kommentit ovat tervetulleita, myös ajatukset uusista kokeiluista.

 

Luento MAOL:in kevätpäivillä 18.4.2015

Minulla oli tilaisuus pitää luento MAOL:n kevät päiville TVT:n käytöstä kemian opetuksessa. Luento pohjautui vahvasti jo muutama viikko sitten Kemian päivillä pitämääni luentoon. Teemasta on ilmestymässä myös artikkeli ja päivitän tämän blogin Viikin opetuksen osiota.

Luennosta jäi koko joukko asioita mainitsematta – kuten luennolla totesin asiat ja niiden konkreettinen kokeilu vaatisi viikon mittaisin kurssin – näin alkuun. Kevään aikana käynnistyy LOPStuki2016 -hanke Opetushallituksen tuella, sen tueksi voisimme toteuttaa myös ainekohtaisia syventäviä koulutuspäiviä – ainakin kemian osalta, koska lukion kemian opetussuunnitelmassa on odotettavissa isompi muutoksia KE1 ja KE2 -kurssien sisällöissä.

Luentoni kalvot löytyvät kotisivuiltani: http://www.myllyviita.fi/aineistot/luennot/Tvt_kemian_opetuksessa_MAOL_paivat_180415.pdf .

Kevään 2015 kemian yo-koe

Kevään 2015 ylioppilastutkinnon kemian koe on tasapainoinen, vaihteeksi. Ainerajat ylittävät tehtävät olivat selkeästi kemian tehtäviä ei esim. biologian tai MAOL:n taulukon tulkinta (=löydän oikeat) tehtäviä. Mielenkiintoista oli, että sähkökemia loisti poissaolollaan täysin.

Tehtävä 1. Hyvä perustehtävä, joskin ”lämmittäessä vapautuu hiilidioksidia” aiheutti aiheellisesti pohdintaa. Kohdissa a)-c)  olevat yhdisteet palaessaan muodostavat hiilidioksidia. Palaminen jos mikään on lämmittämistä. Tämän mahdollisuuden olisi voinut välttää hieman tarkemmalla taulukolla. Pisteytysohjeessa neuvottu pisteen vähentäminen on minusta kohtuutonta.

Tehtävä 2. Rajoittavan tekijän käsitteen edellyttäminen on toki perusteltua. Jos sitä ei ole mainittu, ja silti on kahden reaktion lähtöaineen ainemäärät laskettuna, ja päätyy käyttämään reaktiotuotteiden määrän laskemisessa kalsiumoksidia, pitäisi voidaa päätellä, että itse asia on ymmärretty. Kahden pisteen menetys ehkä hieman kova linja. Muuten toimiva peruslaskutehtävä.

Tehtävä 3. Kemiallisia perusteluja lääkkeisiin liittyen. Kivasti yhdistyy isomeria, liukoisuus, reaktiivisuus ja reaktioympäristön merkitys.

Tehtävä 4. Orgaanisen kemian perustehtävä. Hyvin yhdistetty perusreaktio (esterin muodostus) sidoskemian osaamiseen (vetysidoksen merkitys). Reaktio magnesiumin kanssa oli sopiva lisä – tässä tule mieleen se, että pitäisikö lukion kemian opetuksessa lähteä opettamaan reaktioita mekanismien kautta (redox, lewis, radikaali, diradikaali, fotokemia), eikä opettelemalla ulkoa koko joukko ”nimireaktioita” (additio, eliminaatio, substituutio, kohdensaatio, happo-emäs, redox, …). Tässäkin ”arkijärjellä” (eli ei sekaannu kun kyse on orgaanisesta haposta) syntyi oikea lopputulos: magnesium hapettuu hapon läsnäollessa ja silloin joku pelkistyy (eli vety).

Tehtävä 5. ja Tehtävä 6. Itse en tarkastanut juuri näitä tehtäviä. Tehtävä 5 vaikutti hyvältä peruslaskutehtävältä. Sopivasti vaiheita mukana. Tehtävä 6 taas annetun taulukon tulkintaa, ehkä 6.tehtävä helpohko.

Tehtävä 7. Hyvä, kun yo-kokeessa ei tarvitse vastata kaikkiin tehtäviin. Tässä on tehtävä, jossa on tämä orgaanisten yhdisteiden nimeämisen osaaminen (tai nimestä rakennekaavan rakentaminen). Tämä ei ehkä ole niitä kemian yleissivistyksen peruselementtejä (lukiossa), vaikka itsekin olen taustaltani orgaanikko. Toki tehtävässä tämän jälkeen testataan orgaanisten reaktioiden osaamista. Se aina ihmetyttää, että lähes aina on joku ”Markovnikovin säännön” mukaan pääasiassa toteutuva reaktio mukana ja sitten kuitenkin hyväksytään anti-Markovnikovilainen reaktiotuote vastaukseksi. Toki todellisuudessa reaktiotuote on usein seos molempia. Tehtävänannossa voisi ”vihjata”, että vastauksessa haetaan pääasiallista reaktiotuotetta, jolloin tuon Markovnikovin säännön osaaminen voisi olla se asia tehtävässä. Tässä pääsen taas siihen, että pitäisikö opettaa reaktiot reaktiomekanismeistä lähtien, jolloin näitä ei tarvitse osata ulkoa, vaan kaikki perustuu nukleofiilien ja elektrofiilien reaktioihin elektronirikkaissa ja elektroniköyhissä molekyylien osissa (Lewisin happo-emäs-käsitteen kautta lähestyminen).

Tehtävä 8. Liukoisuus- ja reaktioentalpiatehtävä. Hyvä yhdistelmä niin laskentaa, kokeellisuutta (b-kohta) että reaktioenergioiden perusosaamista.

Tehtävä 9. ja Tehtävä 10. Itse en tarkastanut juuri näitä tehtäviä. Tehtävän 9 titrauskäyrien tulkintatehtävä oli mielekäs, toisaalta kouluissa ei liene (voi olla että olen väärässä) työvälineita tuottaa itse titrauskäyriä (paitsi käsin), joten liian usein nämä tulevat opetelluiksi kirjoista. Ja kun joku merkittävä graafinen esitys on tulkittava ”vain kuvana”, siitä jää ulkopuolelle itse kokeellisen työn antama konkteksti. Tehtävä 10 oli kohtuullinen tasapaino-tehtävä täydennettynä kaasulain (yleinen kaasujen tilanyhtälö) soveltamisella. Le Châtelier’n periaatteen hallinta on kemian yksi perusasioista.

Tehtävä 11. Mielekäs ja haastava pohdiskelutehtävä. Ei ihan arkipäivän kemiaa, mutta lähtökohdiltaan todella yleissivistystä mittaava ja lopussa kemian tutkimuksen nykyvirtauksia koostava. Ainerajat ylittävä tehtävä. Se, että vedyn, hiilen, hapen ja typen lisäksi, mainitsee fosforin (ATP:ssä tärkeä alkuaine) ja rikin vaatii hieman paneutumista. Rikin tilalle olisi kelvanneet mm. tärkeät hivenaineet rauta, magnesium, kalsium, natrium ja kalium. Helium kelpasi myös – joskin viittaus fuusioreaktioon hieman oudoksutti. Toki fuusioreaktiota tapahtuu ”energialähteessä” auringossa – siis elämälle tärkeää on myös energia, säteily.

Tehtävä 12. Kemiallisen hapenkulutuksen mittaamiseen liittyvä tehtävä on monella tapaa ajankohtainen. Tehtävän reaktioyhtälön kertoimien määritys oli tehtävä hapetuslukumenetelmällä – eli vaikeimman kautta. Reaktioyhtälön varauksien tasapainottamisen ongelman olisi pitänyt kertoa jo tämän.  Tehtävässä mainittu menetelmä tyhjensi työturvallisuuteen liittyvän pakan tyädellisesti – vaati suojautumista, vetokaappia ja jätteidenkäsittelyä työskentelyn jälkeen. Virheanalyysin edellyttäminen viestitti, että edelleenkin täytyy muistaa kemian kurssien työselostuksissa vaatia paneutumaan myös virhelähteiden mnäärittämiseen. Tällä kertaa edellytettiin myös pohdiskelua, että näyte voisi olla kontaminoitunut (saastunut) näytteenotossa, säilytyksessä ja/tai käsittelyn aikana.

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.