TUTKIMUKSELLINEN LÄHESTYMISTAPA POLYMEERIEN OPETUKSEEN

Transkriptio

1 TUTKIMUKSELLINEN LÄHESTYMISTAPA POLYMEERIEN OPETUKSEEN Armi Hopea-Manner 1, Pipsa Blomgren 1 & Julia Halonen 1 1 Kemian opettajankoulutusyksikkö, Helsingin yliopisto Tiivistelmä Tässä kuvataan polymeerien opetukseen tarkoitettu kontekstuaalinen, tutkimuksellinen oppimiskokonaisuus, jota voi käyttää osana kestävän kehityksen opetusta. Kokonaisuus sisältää muovien tutkimista ja niiden valmistusta sekä molekyylimallinnusta. Projektityön tuntisuunnitelmaosiota testattiin 9-luokkalaisten kanssa Kemianluokka Gadolinissa keväällä 2016, minkä jälkeen suunnitelmaa hiottiin helpommin toteutettavaan muotoon. 1 Johdanto Projektityön pääasiallisena tavoitteina on polymeerien kemian opettaminen tutkimuksellista lähestymistapaa hyödyntäen sekä muovien elinkaaren läpikäyminen kestävän kehityksen näkökulmasta. Perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteiden (POPS, 2014) mukaan kemian opetuksen tulisi välittää kuvaa kemian merkityksestä kestävän tulevaisuuden rakentamisessa. Kemiaa tarvitaan uusien ratkaisujen kehittämisessä sekä ympäristön ja ihmisten hyvinvoinnin turvaamisessa. Opetuksen tulee myös ohjata oppilaita ottamaan vastuuta ympäristöstään. (POPS, 2014) Muovien käytössä on kestävän kehityksen kannalta hyviä ja huonoja puolia. Muoveista käytävä yhteiskunnallinen keskustelu kattaa kaikki kestävän kehityksen osa-alueet: ympäristön, taloudellisen ja sosiaalisen näkökulman. Eri muovien ominaisuudet ovat niin monipuolisia, että niille löytyy käyttökohteita lähes rajattomasti, mistä johtuen muovien käytöstä tuskin tullaan helposti luopumaan. Perinteisten muovilaatujen rinnalle onkin kehitetty ekologisia vaihtoehtoja, jotka vastaavat paremmin kestävän kehityksen periaatteita. Myös perinteisten muovilaatujen kierrätettävyyttä pyritään jatkuvasti parantamaan, mutta prosessi etenee valitettavan hitaasti. (Wolf, Braitz & Kreissig, 2010) Muoviroskan kerääntymisen lisäksi muoviteollisuutta syytetään usein siitä, että muovien valmistus kuluttaa maailman kovaa vauhtia väheneviä öljyvaroja. Todellisuudessa muovin valmistukseen ei kuitenkaan kulu puhdasta raakaöljyä juuri lainkaan, sillä suurin osa muoveista valmistetaan polttoaineteollisuudelta saatavista ns. jätteistä, jotka ilman muoveja ohjattaisiin todennäköisesti öljynjalostamojen soihtuihin poltettaviksi. (Muoviteollisuus, 2013)

2 Muovit ovat oppilaille tuttu aihe, sillä jokainen on väistämättä käyttänyt muoviesineitä elämänsä aikana. Niitä myös löytyy jokaisen kotoa. Muoveja pidetään itsestäänselvyytenä, mutta kemiallinen näkökulma muovien rakenteeseen on kuitenkin monille täysin vieras. POPS:n (2014) mukaan kemian opetuksen tehtävänä on auttaa ymmärtämään kemian ja sen sovellusten merkitystä jokapäiväisessä elämässä, elinympäristössä, yhteiskunnassa ja teknologiassa. (POPS, 2014) Muovit polymeerien opetuksen kontekstina tuovat hankalan asian lähemmän oppilaiden omaa kokemusmaailmaa, mikä helpottaa asioiden sisäistämistä. (Schwartz, 2006) 2 Teoria 2.1 Polymeerien kemiaa Muovit ovat polymeerejä, eli pitkiä ketjuja, jotka koostuvat pienimmistä toistuvista rakenneyksiköistä, monomeereistä. Esimerkiksi polypropeeni koostuu propeenimolekyyleistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa. Propeenissa on kolme hiiltä ja kuusi vetyä. Kaksi hiiltä on liittynyt toisiinsa kaksoissidoksella ja toinen hiilien välinen sidos on yksinkertainen sidos. (Biomuovia mikrossa) Propeeni Kun propeenit muodostavat polymeerin, hiilien välinen kaksoissidos katkeaa ja propeenimolekyylien välille muodostuu uusi yksinkertainen sidos. Polypropeeni on vain yksinkertaisia sidoksia sisältävä hiiliketju, jossa on metyyliryhmä joka toisen hiilen kohdalla. (Biomuovia mikrossa)

3 Polypropeeniketjua Polyetyleenitereftalaatin (PET) rakenne on monimutkaisempi kuin polypropeenin. Siinä on bentseenirengas, sekä happiatomeja. Yhdessä rakenneosassa on kymmenen hiiltä, neljä happea ja kahdeksan vetyä. Päässä olevat happi ja hiili ovat kiinnittyneet yksinkertaisella sidoksella toiseen rakenneosaan. (Biomuovia mikrossa) Polyeteenitereftalaatin rakenne Esimerkiksi fleecekangas kudotaan PET-kuidusta. PET on yksi esimerkki polyestereistä, joita käytetään muun muassa matoissa.

4 2.2 Kemia kokeellisen työn takana Tässä raportissa kuvattavat kokeelliset työt ovat biomuovityö sekä maitomuovityö. Mikrossa tehtävässä biomuovissa käytetään peruna- tai maissitärkkelystä, josta muodostuu mikron avulla muovia. Tärkkelys on pitkä hiiliketju, joka koostuu sokerimolekyyleistä eli se on polysakkaridi. Se sisältää hiilen ja vedyn lisäksi happea. Tärkkelyksessä on noin monosakkaridia. Työssä tärkkelys depolymeroituu eli polymeerirakenne hajoaa ja valmistuva muovi sisältää pienempiä polymeerejä kuin tärkkelys. (Biomuovia mikrossa) Toisessa kokeellisessa työssä maidosta olevasta proteiinista muodostuu etikan ja lämmityksen avulla polymeeriä, biomuovia. 2.3 Oppimiskokonaisuuteen liittyvää opetuksen teoriaa Luonnontieteellinen tieto perustuu tutkimukseen, joten tutkimuksellisuus on olennainen osa luonnontieteiden opetusta ja oppimista. Tutkimuksellinen lähestymistapa lisää oppilaiden mielenkiintoa ja luovaa, kriittistä ajattelua, kun he pääsevät itse esittämään kysymyksiä ja etsimään niihin vastauksia. (Abrams, Southerland & Evans, 2008) Perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteissakin painotetaan, että kemian opetuksen lähtökohtana on elinympäristöön liittyvien aineiden ja ilmiöiden havainnointi ja tutkiminen. Tutkimusten tekemisellä on POPS:n (2014) mukaan oleellinen merkitys käsitteiden sisäistämisessä, tutkimisen taitojen oppimisessa ja luonnontieteiden luonteen hahmottamisessa. (POPS, 2014) Biomuovia mikrossa -työn ohjetta on muokattu SOLO-taksonomian (Tomperi, 2015) mukaan niin, että oppilaat pääsevät kvantitatiivisella tasolla yksirakenteisesta tasosta monirakenteiseen. Oppilailla ei ole vain yksi ja sama ohje kaikilla vaan heille on viisi erilaista työohjetta. Työohjeissa on eri määrä vettä tai öljyä, tai eri tärkkelystä. Näillä eri ohjeilla oppilaat saavat päätellä parhaan ohjeen ja sen, miten eri ainesosat vaikuttavat lopputulokseen. 3 Projektityön toteutus 3.1 Projektityön testaus Projektityö sisältää biomolekyylien mallinnusta sekä kokeellista työskentelyä. Työtä testattiin Kemianluokka Gadolinissa vieraillun 9-luokan oppilaiden kanssa. Oppitunti aloitettiin työn tavoitteiden ja tunnin kulun läpikäymisellä, minkä jälkeen oppilaat tutustuivat erilaisiin muoviesineisiin ja etsivät niistä muovilaatuun ja kierrätykseen liittyviä merkintöjä. Tutkiessaan muoveja oppilaat samalla täydensivät taulukkoa (kts. työohje). Tähän osioon olisi voinut liittää myös tiedonhankintaa niin, että oppilaat olisivat saaneet käyttöönsä tietokoneet, joiden avulla he olisivat voineet etsiä tietoa tutkimistaan esineistä ja löytämistään merkinnöistä. Tämä olisi

5 kuitenkin vaatinut jonkin verran lisäaikaa kyseiseen tehtävään, sillä tehtävä olisi tällöin ollut huomattavasti laajempi. Taulukon läpikäynnin jälkeen oppilaat pääsivät tietokoneiden avulla mallintamaan muovien rakenneosia. Tarkoitus oli mallintaa sekä polypropeenin (PP), että polyeteenitereftalaatin (PET) rakenneosia, mutta tehtävä osoittautui sen verran vaativaksi, että emme ehtineet polypropeenin mallinnusta pidemmälle. Arvoimme jälkeenpäin, että tähän tehtävään olisi voinut käyttää jopa min suunnitellun 15 min sijaan. Mallinnusosion jälkeen toteutettiin hieman muokattu Kemianluokka Gadolinin työ Biomuovia mikrossa sekä biomuovia maidosta. Biomuovia valmistettiin viidellä hieman erilaisella ohjeella, jotta päästiin lopuksi vertailemaan, miten eri aineet ja niiden määrät vaikuttavat muovin koostumukseen. Testauksessa molemmat kokeelliset työt sujuivat hyvin ja loppuun jäi sopivasti aikaa töiden yhteenvetoon ja keskusteluun siitä, miten valmistamamme muovit erosivat toisistaan ja miksi. Biomuovien ominaisuuksista keskusteltiin myös yleisesti sekä siitä, mihin niitä erityisesti kannattaa käyttää. Biomuovien tutkimisen ongelmana on se, että muovien olisi hyvä antaa kuivua jopa kaksi päivää ennen lopullisia vertailuja. Testauksessa ei kuitenkaan ollut aikaa tähän kahden tunnin opetustuokion aikana. Koulussa tätä työtä toteutettaessa kokonaisuuden voisi suunnitella niin, että muovien valmistus ja niiden vertailu suoritettaisiin eri päivinä. Kaiken kaikkiaan kahden tunnin mittainen kokonaisuus sujui mielestämme hyvin. Oppilaat olivat jopa yllättävän kiinnostuneita ja jaksoivat hyvin työskennellä koko ajan. Aikataulutus oli onnistunut molekyylimallinnusta lukuun ottamatta, mutta siihen tarvittavaa lisäaikaa ei olisi voinut ottaa mistään pois. Kahden tunnin kokonaisuudessa olisikin siksi ehkä parasta jättää mallinnus pois ja käyttää enemmän aikaa johonkin muuhun osioon. Mallinnuksen kanssa kokonaisuuteen kannattaisi varata ainakin 2,5 tuntia. Alkuperäinen tuntisuunnitelma opetuskokonaisuudelle on kuvattu taulukossa 1.

6 Taulukko 1 Alkuperäinen tuntisuunnitelma opetuskokonaisuudelle Työn vaihe Kuluva aika (min) Projektin tavoitteiden läpikäynti, työturvallisuus ja johdanto aiheeseen 10 Erilaisten muoviesineiden ominaisuuksien ja pakkausmerkintöjen tutkimista sekä taulukon täydentäminen (kts. työohje) 20 Täydennetyn taulukon läpikäynti 5 Kahden muovin (PET ja PP) mallinnusta tietokoneella MolViewmolekyylimallinnusohjelmalla 15* ( Johdanto biomuoveihin ja biomuovia mikrossa -työn ohjeistus 10 Biomuovia mikrossa -työn tekeminen 15 Siirtyminen laboratorioon ja biomuovia maidosta -työn ohjeistus 15 Biomuovia maidosta -työn tekeminen 20 Koontikeskustelu biomuoveista ja kahden itse valmistetun biomuovin vertailua (10 10 min) *Tähän osioon todettiin testauksen jälkeen tarvittavan lisää aikaa 3.2 Opetusmenetelmät Opetuskokonaisuudessa on hyödynnetty monipuolisesti erilaisia opetusmenetelmiä. Teoriaa käsitellään lyhyesti ja mahdollisimman oppilaslähtöisesti kyselemällä paljon. Oletuksena tässä on se, että oppilailla on jo jonkin verran tietoa käsiteltävästä aiheesta. Jos muovit ja polymeerit ovat täysin vieras aihe, täytyy kysymykset suunnitella eri tavalla, jotta oppilailla olisi mahdollisuus vastata kysyttyihin kysymyksiin. Tutkimuksellista opiskelua hyödynnettiin kahdessa projektin osiossa, muovien tutkimisessa luokassa sekä kokeellisesti muoveja itse valmistamalla. Muoveja ja niiden pakkausmerkintöjä tutkittiin käytännön muoviesineistä. Käytännössä oppilaat tutkivat muoviesineitä ja miettivät, miksi ne ovat sellaisia kuin ovat ja miten erilaiset muovilaadut soveltuvat eri käyttökohteisiin. Biomuovia mikrossa -työtä on muokattu tutkimuksellisempaan suuntaan niin, että kaikki oppilaat eivät tee muovia samalla reseptillä. Lopuksi voidaan vertailla, mikä resepteistä toimi parhaiten eli miten eri aineet ja niiden määrät vaikuttavat muovin lopulliseen koostumukseen. Kokeellisten työskentelytaitojen oppiminen liittyy

7 olennaisesti kemian oppimiseen. Projektiimme kuuluu kaksi kokeellista työtä, joista erityisesti Gadolin-työ Muovia maidosta kehittää oppilaiden kokeellisen työskentelyn taitoja. Tieto- ja viestintätekniikkaa on käytetty molekyylimallinnuksen muodossa. Mallinnusohjelmien käytön opettelusta on oppilaille todellista hyötyä, kun tietokoneiden käyttö kouluissa lisääntyy kovaa vauhtia. Ylioppilaskirjoituksetkin ovat todennäköisesti jo täysin sähköiset, kun ne ovat tämänhetkisille yläkoululaisille ajankohtaiset. TVT-taitoja olisi voinut kehittää myös tiedonhankinnan avulla. Oppilaat olisivat voineet käyttää tietokoneita apuna muoviesineiden tutkimisessa, mutta tällöin tähän tehtävään vaadittu aika olisi lisääntynyt. Jos tämä projekti toteutettaisiin laajempana kokonaisuutena koulussa, voitaisiin siihen liittää myös yritysvierailu johonkin muoviteollisuuden yritykseen. Esimerkiksi Porvoon Kilpilahdessa sijaitseva muovipellettejä valmistava Borealis ottaa vastaan oppilasryhmiä. Alla esimerkki siitä, mitä vierailu Borealikselle voisi pitää sisällään. Esimerkissä on oletettu, että vierailu tehdään kokonaisuuden aluksi niin, että oppilaiden tiedot muoveista ovat vielä melko rajalliset. Vierailumalli Borealikselle: Ennakkotehtävät vierailua varten: 1. Perehdy Borealiksen nettisivuihin. Mieti sivujen perusteella yksi kysymys vierailua varten. 2. Tutki kotoasi löytyviä muoviesineitä. Valitse niistä kolme ja valmistaudu kertomaan niiden ominaisuuksista luokalle. 3. Minkälaisia yhdisteitä muovit ovat kemiallisesti? 4. Minkälaisia ominaisuuksia muoveilla on? Vierailulle voisi varata aikaa noin kaksi tuntia, joista toinen käytettäisiin asiantuntijoiden puheenvuoroihin ja toinen tutustumiskierrokseen. Myös matkoihin kuluva aika tulee ottaa huomioon. Helsingistä Kilpilahteen matka omalla autolla kestää minuuttia. Tehtävät vierailun jälkeen: 1. Mitä kemian menetelmiä muovien valmistukseen liittyy? Ainakin krakkaus ja polymerointi 2. Kerro kolme erilaista työtehtävää, joihin kemian opiskelija voi päätyä valmistuttuaan. 3. Minkälaisia vaiheita liittyy muoviesineen elinkaareen?

8 4. Mitä erilaisia ominaisuuksia muoviesineillä voi olla? 5. Katsokaa yhdessä video Älä viskaa muoveja mäkeen Video on hyvä johdanto erilaisten muovilaatujen tutkimisen aloittamiseen! 3.3 Arviointi Perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteiden (POPS, 2014) mukaan monipuolista arviointia tukee se, että työskentely on jäsennetty pienemmiksi kokonaisuuksiksi, projekteiksi tai kokeellisiksi töiksi, joilla on omat tavoitteensa ja arviointiperusteensa. Tässä kokonaisuudessa on tarkoitus hyödyntää monipuolisesti erilaisia arviointimenetelmiä niin, että oppilaiden työskentelyä arvioitaessa hyödynnetään formatiivista arviointia sen sijaan, että keskityttäisiin vain kokonaisuuden päättyessä pidettävään loppukokeeseen. Ennen työskentelyn aloittamista on hyvä kartoittaa oppilaiden tieto- ja taitotasoa aiheeseen liittyen. Näin opettaja voi myös helposti arvioida, miten oppilaat kehittyvät kokonaisuuden aikana. Oppilaiden kokeellista työskentelyä muoveja tutkittaessa ja niitä valmistettaessa arvioidaan keskustelemalla oppilaiden kanssa ja huomioimalla erityisesti se, miten oppilaat suhtautuvat työturvallisuuteen. Myös yleisiin kokeellisen työskentelyn taitoihin kiinnitetään huomiota. Molekyylimallinnuksen aikana voidaan arvioida myös oppilaiden TVT-taitoja. POPS:n (2014) mukaan kannustava palaute tukee oppilaan tutkimisen taitojen kehittymistä ja motivaation rakentumista, joten arviointia tehdessä opettajan on hyvä muistaa antaa myös positiivista palautetta pienistäkin onnistumisista. Kokonaisuuden päätteeksi oppilaat saavat täytettäväkseen itsearviointilomakkeen. Lomakkeessa voi olla esimerkiksi seuraavanlaisia kysymyksiä: Mitä opin muoveista/biomuoveista kokonaisuuden aikana? Miten biomuovit eroavat tavallisista muoveista? Mitä tarkoittaa kestävä kehitys? Miten suoriuduin mielestäni yleisellä tasolla? (hymynaama-asteikko) Miten hyödyllinen vierailu Borealikselle mielestäni oli? (hymynaama-asteikko) Itsearvioinnin lisäksi muuta loppukoetta kokonaisuudesta ei varsinaisesti ole, mutta muovit aiheena kuuluvat kuitenkin oppilaiden koealueeseen. Summatiivinen arviointi on osa arviointia, ja se myös motivoi oppilaita olemaan kuulolla uutta asiaa käsiteltäessä.

9 4 Pohdinta Projektimme päätavoitteina olleet polymeerien kemian opettaminen tutkimuksellista lähestymistapaa hyödyntäen sekä muovien elinkaaren läpikäyminen kestävän kehityksen näkökulmasta toteutuvat mielestämme kehittämässämme opetuskokonaisuudessa hyvin. Projektissa harjoitellaan tutkimuksellisuutta erilaisia muoviesineitä tutkimalla, käytetään TVT:tä mallinnettaessa erilaisia molekyylejä, joista muovit koostuvat ja lisäksi oppilaat pääsevät harjoittamaan laboratoriotaitojaan kokeellisten töiden parissa. Mielestämme opetuskokonaisuus soveltuu hyvin toteutettavaksi yläkoulun kemian oppitunneille. Sen toteuttamisen onnistuu ilman erityisvarusteluja sen ollessa kuitenkin monipuolinen ja sisältäessä kokeellista työskentelyä. Sen avulla pystyy kytkemään kemian opetuksen hyvin arkikontekstiin ja erilaisten muovilaatujen tutkimukset voi ajan puutteessa antaa oppilaille vaikka kotitehtäväksi. Molekyylien mallintaminen onnistuu hyvin verkkoselaimessa puhelimella, tabletilla tai tietokoneella osoitteessa joten myös mallinnuksen pitäisi onnistua kaikilta ilman erityisiä varusteita. Opetuskokonaisuuteen kuuluvat kokeelliset työt biomuovin valmistus tärkkelyksestä sekä maidosta pystyy myös tekemään ilman laboratoriota ja kemikaaleja. Kokonaisuutta kehittäisimme siten, että mallinnusosuudelle varattaisiin alkuperäisen viidentoista minuutin sijaan 45 minuuttia, jos oppilasryhmä ei ole mallintanut aiemmin. Lisäksi tehtyjen muovien tulisi kuivua muutaman päivän ajan ennen niiden ominaisuuksien tutkimista ja vertailua. Muovien opetukseen on olemassa paljon erilaista materiaalia, esimerkiksi löytyy monipuolisesti materiaalia niin opettajille kuin oppilaillekin.

10 5 Lähteet POPS (2014) Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet Tampere: Juvenes Print Suomen Yliopistopaino Oy. Wolf M.-A., Baitz M. & Kreissig J., (2010), Assessing the sustainability of polymer products. Teoksessa P. Eyerer (ed.), Polymers Opportunities and risks II: Sustainability, product design and processing (s. 1 55). Dordrecht: Springer Muoviteollisuus (2013). Muoviteollisuus ry:n internet-sivut. Luettu: muovitieto/kysy_muovista/?cat=5&qst=33 Schwartz, A. (2006) Contextualized Chemistry Education: The American experience, International Journal of Science Education, 28(9), Biomuovia mikrossa. Työohje. Luettu: Biomuovia_mikrossa_oppilas.pdf Abrams, E., Southerland, S. A. & Evans, C. (2008). Inquiry in the classroom: Identifying necessary components of a useful definition. Teoksessa E. Abrams, S. Southerland, & P. Silva (toim.), Inquiry in the science classroom: Challenges and Opportunities (s ). Charlotte, NC: Information age publishing. Tomperi, P. (2015). Kehittämistutkimus: Opettajan ammatillisen kehittymisen tutkimusperustainen tukeminen käyttäen SOLO-taksonomiaa esimerkkinä tutkimuksellinen kokeellinen kemian opetus (Akateeminen väitöskirja). Muovia maidosta. Työohje. Luettu: Muovia_maidosta_oppilas.pdf