Mallinnusprojektin raportti Kemian mallit ja visualisointi 2010

Transkriptio

1 Mallinnusprojektin raportti Kemian mallit ja visualisointi 2010 Kemian mallit ja visualisointi Sonja Martikainen & Linnea Töyrylä

2 Sisällysluettelo 1. Työn tavoitteet Kemiallinen näkökulma Mallinnustuokion kulku Pajan toteutuminen Itsearviointi pajan toteutumisesta Tutkimus Tutkimussuunnitelma Tutkimuksen kokoaminen... 5 Liite 1. Ohjeet Spartanin käyttöön... 7 Liite 2. Kyselylomake Liite 3. Oppilaiden mentaalimallipiirustuksia vedestä

3 1. Työn tavoitteet Kohderyhmä: 4. luokkalaiset oppilaat Aihe: vesi ja sen ominaisuudet Tavoitteet: tutustutaan veden molekyylimalliin ja veden ominaisuuksiin. Pohditaan veden eri olomuotoja. Selvitetään oppilaiden mentaalimalleja vedestä ennen ja jälkeen mallinnuksen. Oppilas oppii veden ominaisuuksia ja osaa mallintaa vesimolekyylin. OPS-kytkentä: Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteissa (POPS 2004) 4. luokan ympäristöja luonnontiedon yleisissä tavoitteissa mainitaan, että oppilas oppii esittämään eri tavoin ympäristöön ja sen ilmiöihin liittyvää tietoa ja käyttämään niitä käsitteitä, joiden avulla ympäristöä sekä niihin kuuluvia ilmiöitä ja kohteita kuvataan ja selitetään. Keskeisten sisältöjen Ympäristön aineita-osiossa tavoitteiksi asetetaan että oppilas oppii arkielämään kuuluvista aineista ja materiaaleista sekä perehtyy veden ominaisuuksiin ja olomuodon muutoksiin sekä osaa tutkia näitä asioita. 2. Kemiallinen näkökulma Oppilasryhmän osaamisesta ei saatu tarkkaa tietoa, sillä opettaja ei ollut ollut paikalla niillä tunneilla, joilla aihetta oli käsitelty. Ryhmän opettajan suosituksena oli, että lähdetään liikkeelle alkeista. Vesi on mauton ja hajuton poolinen yhdiste, jonka molekyylikaava on H2O. Maapallon pinnasta 70% on veden peitossa ja ihmisessä vettä on 60-70%. Vesi on elintärkeää eliöille ja lisäksi se on hyvä liuotin useille poolisille aineille. Veden moolimassa on 18,015 g/mol eli 18,015 grammassa on moolin verran vettä. Nestemäisen veden tiheys on 1,00 kg/dm 3, mikä tarkoittaa, että yksi kuutiodesimetri eli litra vettä painaa yhden kilogramman. Vesimolekyylien väliset vetysidokset pitävät veden koossa. Molekyylin happiatomi voi muodostaa vetysidoksen enintään neljään läheiseen vetyatomiin. Kiinteässä vedessä eli jäässä vesimolekyylit ovat tiiviisti ja happi muodostaa neljä vetysidosta. Nestemäisessä olomuodossa vetysidoksia on vaihtelevasti (noin 3) ja vesihöyryssä vielä harvempaan. Veden korkea kiehumispiste johtuu vetysidoksista. 1

4 Vedellä on kolme olomuotoa: neste, kiinteä (jää) ja kaasu (vesihöyry). Vesi on nestemäistä lämpötilavälillä C. Kun lämpötila laskee alle 0 C:een, vesi jäätyy. Nestemäisen veden kiehumispiste ja höyrystymislämpötila on 100 C, minkä yläpuolella vesi on kaasumaisessa muodossa, vesihöyrynä. 3. Mallinnustuokion kulku Mallinnustuokio aloitetaan kertomalla oppilaille mentaalimalleista. Oppilaille selitetään lyhyesti mikä mentaalimalli on, esimerkiksi pyytämällä heitä kuvittelemaan mielessään kalaa. Oppilaille selvennetään, että kaikkien mentaalikala on erilainen, vaikka kaikista todennäköisesti löytyykin samat piirteet kuten pyrstö ja evät. Esimerkkinä voidaan käyttää myös mitä tahansa vastaavaa. Tämän jälkeen heitä pyydetään piirtämään oma käsityksensä vedestä. Aikaa keskusteluun ja piirtämiseen käytetään noin 10 minuuttia. Suoritukseen tarvitaan paperia ja kyniä. Itse mallinnusharjoitus suoritetaan Spartanilla. Oppilaiden on hyvä antaa leikkiä ohjelmalla hetken ja samalla opetetaan peruskomennot (poisto, lisäys, siirtäminen jne.). Tällä pyritään minimoimaan sijaistoimintojen määrä ja ylimääräisen kokeiluinto itse harjoituksen aikana. Peruskomennot on esitetty Liitteessä 1. Oppilaiden kanssa keskustellaan siitä, millainen vesi on kemiallisesta näkökulmasta. Tavoitteena päästä ilmaisuun H2O. Jos vastausta ei suoralta kädeltä tule, käytetään johdattelevia kysymyksiä. Voidaan esimerkiksi kysyä, mitä alkuaineita vedessä voisi olla, ovatko oppilaat nähneet jossain pullon kyljessä mahdollisesti vettä tarkoittavaa kaavaa jne. Nuoret oppilaat vastaavat yleensä innokkaasti kysymyksiin ja vuorovaikutteinen opettaminen saanee paremman vastaanoton kuin pelkkä luennointi. Vesimolekyyli mallinnetaan ohjelmalla itsenäisesti, mutta apua saa kysyä. Taululle piirretään avuksi malli vesimolekyylistä. 2

5 Kun vesimolekyyli on mallinnettu, keskustellaan miten vesi pysyy koossa kun molekyylit ovat erillään. Kysytään oppilaiden mielipiteitä ja johdatellaan ideaan, että molekyylien välillä jonkinlaista vuorovaikutusta tai vetovoimaa. Tässä yhteydessä on hyvä näyttää myös kuvia esimerkiksi vesipisaroista. Vertauskuvallisesti voidaan puhua vaikkapa magneeteista ja niiden välisestä vetovoimasta, myös siitä että vetovoimaa ei ole jos magneetit/molekyylit ovat liian kaukana toisistaan. Mallinnetaan toinen vesimolekyyli ja havainnollistetaan vetysidosta. Oppilaat voivat liikutella yksittäisiä molekyylejä ja kokeilla, kuinka kauas he voivat sitä siirtää ennen kuin vetysidos katkeaa. Kemialliseen puoleen ei puututa tämän tarkemmin, ellei kysymyksiä tule. Itse kokeilemalla oppilas pääsee testaamaan omia hypoteesejaan ja haastamaan omia ajatuksiaan. Seuraavaksi pohditaan veden eri olomuotoja; neste, kiinteä ja kaasu. Myös tässä on hyvä käyttää johdattelevia kysymyksiä ja antaa oppilaiden vastata itse. Esimerkkikysymyksinä esimerkiksi; Miten veden rakenne eroaa eri olomuodoissa kun molekyylit ovat kuitenkin samanlaisia, miten olomuodot voivat muuttua, mitä tapahtuu kiehumisessa, missä lämpötilassa vesi jäätyy jne. Taululle piirretty etukäteen mallit veden eri hilarakenteista eri olomuodoissa tai ne on laitettu powerpointkalvolle. Oppilailla äänestytetään, mikä hilarakenne vastaa mitäkin olomuotoa. Oikeista vastauksista keskustellaan ja esitetään vetysidosten määrän yhteys olomuotoon. Lopuksi pohditaan vielä, onko vesihöyryllä eli kaasulla samanlainen massa kuin kiinteällä tai nestemäisellä vedellä. Tätä havainnollistettiin simulaatiolla. Samalla kerrataan vielä veden hilarakennetta eri olomuodoissa hieman erilaisella mallilla. Kun oppilas saa erilaisia näkökulmia samaan asiaan, on hänen helpompi muodostaa oma käsityksensä asiasta. Mallinnustuokion lopussa pyydetään oppilaita piirtämään uudet mallit vedestä tuokion perusteella saman paperin toiselle puolelle. Samalla teetätetään lyhyt kysely oppilaiden kiinnostuksesta/oppimisesta. Oppilaat eivät saa erillistä ohjetta tuokion kulkuun, vaan ohjaaminen suoritetaan suullisesti kyselyn ja keskustelun kautta. Tunnilla keskustelun herättäjänä ja kysymysten apuna käytettiin powerpointesitystä, jossa oli erilaisia kuvia veden eri olomuodoista ja vedestä eri tilanteissa. Kuvat oli haettu flickr-kuvatietokannan (flickr.com) vapaasti käytettävissä olevista kuvahakemistoista. 3

6 4. Pajan toteutuminen Mallinnuspajaan osallistunut ryhmä koostui 13 neljäsluokkalaisesta oppilaasta ja heidän opettajastaan. Kokonaisuutena paja sujui hyvin; tavoitteena oli tutustua vesimolekyylin ominaisuuksiin ja innostaa oppilaita kemian opiskeluun. Tunti alkoi mentaalimallien pohtimisella ja piirtämisellä. Piirtäminen tuntui selvästi oppilaista mielekkäältä, sillä kaikki hiljentyivät tekemään omaa kuvaansa. Mallinnusohjelman käytön opettaminen sujui hyvin kahdella opettajalla. Toinen kertoi perusasioista luokan edessä koneen ja projektorin avulla samalla kun toinen pystyi antamaan yksityiskohtaisia neuvoja niitä tarvitseville. Oppilaat myös vastasivat mukavasti kysymyksiin, kun selvitettiin vesimolekyylin rakennetta. Oikea molekyylikaava saatiin esille johdattelevilla kysymyksillä. Itse vesimolekyylin mallinnus sujui oppilailta nopeasti. Se, että ohjelmaa sai aluksi hetken kokeilla itsenäisesti mahdollisesti todennäköisesti rauhallisemman työympäristön kuin että olisi heti siirrytty itse asiaan. Myös vetysidoksien mallinnus sujui suurimmalta osalta vaivattomasti. Esimerkkinä käytetty magneettivertaus vaikutti selkeältä kaikille, tai kukaan ei ainakaan maininnut etteivät ymmärtäisi. Mallinnusohjelmaa käytettäessä erityisen hyvin onnistui rakenteen optimoinnin selittäminen. Kun optimointi-painiketta oli painettu, oppilaita pyydettiin ottamaan mahdollisimman hyvä asento tuoleillaan. Kun kaikki olivat asettuneet, heidän kerrottiin juuri optimoineen oma asentonsa. Rakenteiden muutos myös kiinnosti oppilaita heidän huomatessaan molekyylien pyörittelyn lomassa kuinka rakenteet olivat optimoinnin jälkeen vääntyneet. Oppilaat tiesivät hyvin myös veden eri olomuodot. Ennakkokäsityksiä haastettiin, kun oppilaiden kanssa keskusteltiin muun muassa siitä, miksi jää kelluu ja voiko vesi muuttua suoraan kaasumaisesta kiinteäksi. Pajan aikana järjestettiin myös äänestys siitä, mikä esitetyistä hilarakenteista kuului millekin olomuodolle. Äänestyksessä harva oppilas äänesti oikeaa vastausta, mutta tämä saattoi johtua myös siitä että mallinnuksessa ei oltu käsitelty niin monen molekyylin joukkoja eikä asia ollut ennestään tuttu. 4

7 4.1 Itsearviointi pajan toteutumisesta Kehitettävää olisi erityisesti pajan rakenteessa ja selkeydessä. Opetuksen tahti vaikutti hyvältä ja oppilaat pysyivät mukana. Johdattelevia kysymyksiä olisi kuitenkin voinut miettiä tarkemmin ja pohtia, miten toimia missäkin tilanteessa (ei vastauksia, vain vääriä vastauksia jne.). Kokonaisuudessaan koimme pajan kuitenkin onnistuneen todella hyvin. 5. Tutkimus 5.1 Tutkimussuunnitelma Oppilaiden piirtämät mentaalimallit kerätään ja niitä vertaillaan. Lisäksi suoritetaan pienimuotoinen kysely motivaatiosta mallinnukseen. Kyselylomake on esitetty liitteessä Tutkimuksen kokoaminen Kyselyyn vastasivat kaikki mallinnukseen osallistuneet 13 neljännen luokan oppilasta. Kaikki vastasivat kaikkiin kysymyksiin. Lisäksi oppilaat piirsivät oman mentaalimallinsa vedestä sekä ennen mallinnuksen alkua että sen jälkeen. Kysymyslomakkeessa oli kolme kysymystä. Ensimmäiseksi oppilailta kysyttiin: Mikä oli mielestäsi kivaa mallinnuksessa? Yleisin vastaus oli, että mallinnuksessa oli kivaa molekyylin piirtäminen. Vaikutti siltä, että oppilaat olivat pitäneet mallinnusta hauskana. Ohessa muutama oppilaiden vastaus. Mielestäni kivaa oli saada oppia uutta vesimolekyylistä ja saada harjoitella tekemään vesimolekyylejä. Siinä oli kivaa se että voi tehdä erilaisia muotoja ja käännellä katsoakseen sitä eri kulmista. Toisena kysymyksenä kysyttiin: Mitä sinulle jäi mieleen mallinnustuokiosta? Yleisempiä vastauksia olivat veden olomuodot ja se, että jää on kevyempää kuin nestemäinen vesi. Seuraavassa esitetty muutamia oppilaiden vastauksia. Se että vedellä on kolme eri olomuotoa ja että jää on kevyempi kuin vesi vetenä. Veden monikyylit. 5

8 Yleisesti ottaen oppilaat vaikuttivat sisäistäneen tärkeimmän tavoitteen eli sen, että vedellä on kolme eri olomuotoa ja että vesi koostuu molekyyleistä. Viimeiseksi tiedusteltiin: Haluaisitko tehdä mallinnusta myös omassa koulussasi? Miksi? Miksi et? Yhdeksän oppilasta haluaisi mallintaa myös omassa koulussaan, neljä vastasi kieltävästi. Kyllävastauksissa esille nousi, että mallinnus oli hauskaa, kiinnostavaa, kivaa ja siinä oppi paljon. Eivastauksissa oppilaat kokivat että mallinnus kestää liian kauan, on tylsää ja pitkästyttävää ja ei ollut niin kivaa. Yksi oppilas kirjoitti, ettei pidä tietokonetunneista. Johtopäätöksinä ajattelimme, että koulussa mallinnusta voisi tehdä pienemmissä osioissa eikä siellä olisikaan aikaa pitää pitkiä mallinnustunteja usein. Pohdimme myös, johtuivatko negatiiviset vastaukset siitä, että mallinnus oli liian helppoa tai liian vaikeaa. Kyselylomakkeen kysymykset olisivat voineet olla jopa enemmän johdattelevia, jotta oppilaat olisivat perustelleet vastauksensa tarkemmin. Mentaalimallipiirustukset olivat hauskoja. Omaan mentaalimalliinsa vedestä oppilaat olivat piirtäneet esimerkiksi kaloja, vesikasveja, uima-altaan, veneitä ja muita merielämiä. Mentaalimallikäsite selitettiin oppilaille pyytämällä heitä kuvittelemaan kalaa ja sitten selittämällä, että vaikka kaikkien kala on vähän erinäköinen niin niissä on kaikissa kalalle ominaiset piirteet kuten evät. Tästä saattoi johtua, että juuri kala esiintyi piirroksissa usein. Toiseen piirustukseen oppilaiden oli tarkoitus piirtää mentaalimalli vedestä mallinnustuokion perusteella. Suurin osa piirustuksista oli todella hienoja ja tieteellisestikin katsoen oikeanlaisia. Oppilaat olivat hienosti ymmärtäneet muun muassa vetysidoksen ja mihin se muodostuu ja myös olomuotojen erilaisia hilarakenteita oli piirretty. Toki heti mallinnuksen jälkeen piirretyt kuvat saattavat olla vielä pintaoppimista, mutta toivon mukaan oppilaille jäi jonkinlainen käsitys vesimolekyylistä ja sen ominaisuuksista. Liitteessä 3 on esitetty muutaman oppilaan mentaalimallipiirustukset. 6

9 Liite 1. Ohjeet Spartanin käyttöön Molekyylejä voidaan alkaa lisäämään klikkaamalla vasemmassa yläreunassa näkyvää sivukuvaketta. Ylävalikossa oleva punainen tähtimäinen kuvake on poistonappula, jolla jo rakennettuja molekyylejä tai niiden osia voi poistaa. 7

10 Valitaan happi-molekyyli josta lähtee kaksi yksinkertaista sidosta. Siirrytään View- valikkoon (V) jolloin vedyt tulevat molekyyliin automaattisesti. Tehdään mieluummin tosin lisäämällä vedyt itse. Optimoidaan molekyylin rakenne (miten selitetään optimointi? vertaus!) painamalla kuvaketta, jossa on E jonka yläpuolella on nuoli. Lisää molekyylejä kuvaan saadaan siirtymällä takaisin +-valikkoon ja Insert-nappia painamalla. 8

11 Model-valikosta poistetaan Coupled-valinta. Rakenteet optimoidaan edellä mainitulla tavalla. Vetysidokset Model-valikon Hydrogen bonds-kohdasta. Nyt voidaan pohtia vesimolekyylien järjestäytymistä. 9

12 Liite 2. Kyselylomake VESI Mallinnus Mikä oli mielestäsi kivaa mallinnuksessa? Mitä sinulle jäi mieleen mallinnustuokiosta? Haluaisitko tehdä mallinnusta myös omassa koulussasi? Miksi? Miksi et? 10

13 Liite 3. Oppilaiden mentaalimallipiirustuksia vedestä. 11

14 12