VirtuaaliKemia. Lahden Teho-Opetus Oy

Transkriptio

1 VirtuaaliKemia Lahden Teho-Opetus Oy

2 1. Johdanto VirtuaaliKemia (VK) on peruskoulun yläasteen, ammattioppilaitosten ja lukion peruskurssien kemian opetukseen tarkoitettu opetusohjelma. Ohjelman lähestymistapa kemiaan on kokeellinen ja tutkiva unohtamatta kuitenkaan perusteorioiden harjoittelua. Mukaan on liitetty myös muutama oppimispeli keventäväksi oppimateriaaliksi. Lähes kaikkien harjoitusten loppuun on liitetty asioiden ymmärätmistä testaavia kysymyksiä. Kysymyksissä ei kysytä pelkästään puhdasta kemian teoriaa, vaan opiskelija joutuu tekemään monesti vaativiakin johtopäätöksiä oppimansa perusteella. Ohjelmaa voidaan käyttää havainnollistamaan kemian ilmiöitä tavanomaisessa luokkaopetuksessa, laboratoriotunnilla mittausten suorittamiseen ja teoriatuntien harjoitusmateriaalina. Ohjelma on helppokäyttöinen, joten kirjallisia ohjeita ohjelman varsinaiseen käyttöön ei ole laadittu. Tämä käyttöopas on tarkoitettu opettajan tueksi, jotta opettaja voi valita oppituntia varten sopivan harjoituksen ohjelmaa katsomatta. Laitteistovaatimukset: - 15 MB kiintolevytilaa - Käyttöjärjestelmä Win95 ja kaikki sitä uudemmat Windows-versiot MHz prosessori - 32 MB keskusmuistia 2. Ohjelman asentaminen ja asetukset Asentaminen tapahtuu mukana olevalla Asenna-ohjelmalla. Ohjelma tarvitsee toimiakseen lisäksi Macromedia Flash Player 6.0. Myös tämä ohjelma on mukana CD-levyllä. 3. Ohjelman yleisrakenne Ohjelma sisältää yhteensä 26 harjoitusta. Harjoitukset on jaettu kuuteen osa-alueeseen, jotka selviävät kuvassa 1 olevasta ohjelman päävalikosta. Kuva 1. VirtuaaliKemian päävalikko. 1

3 Kuva 2. ph:n mittausharjoitus. Kuvassa näkyy harjoitusten valikkorakenne. Kaikissa ei-pelityyppisissä harjoituksissa on lähes sama valikkorakenne, joka selviää kuvasta 2. Harjoituksen valikosta päääsee erilaisille välilehdille, joiden sisältöä esitellään seuraavaksi. Tehtävä Laboratorio Työkirja Sisältää harjoitustehtävän määrittelyn ja kyseiseen tehtävään liittyviä ohjelman käyttöohjeita. Virtuaalilaboratorio, jossa suoritetaan kaikki laboratoriomittaukset. Sähköinen työkirja, johon tehdään kaikki teoriaharjoitukset. Työkirjaan kirjataan ylös myös kaikki laboratoriosta saadut mitaustulokset ja havainnot. Kuva 3. Ohjelman sisältämä jaksollinen järjestelmä. Jokaisesta alkuaineesta saa lisätietoa klikkaamalla kyseisen alkuaineen ruutua. 2

4 Kysymykset Teoria Jaksollinen jarjestelmä Laskin Sulje harjoitus Sisältää kysymyksiä, joissa testataan asian ymmärtämistä ja syventää harjoituksessa opittua asiaa. Sisältää kyseiseen harjoitukseen liittyvän teorian, useasti animaatioilla havainnollistettuna. Sisältää ohjelman jaksollisen järjestelmän, josta löytyy perustietoa alkuaineista. Aluksi ilmestyy kaikki alkuaineet sisältävä jaksollinen järjestelmä (ks. kuva 3), josta näkyy jokaisen alkuaineen sijainti järjestelmässä, kemiallinen merkki ja järjestysluku. Kun tässä klikkaa jonkin alkuaineen ruutua, saa kyseisestä alkuaineesta yksityiskohtaisempaa tietoa. Täältä löytyy nelilaskin. Sulkee esillä olevan harjoituksen, ei koko ohjelmaa. Harjoituksia on kolmea eri tyyppiä: 1. Laboratorioharjoituksissa (ks. kuva 4) opiskelija joutuu aluksi suorittamaan tyypillisiä kemian laboratoriomittauksia kemian virtuaalilaboratoriossa. Näissä kuten kaikissa muissakin harjoituksissa pelejä lukuun ottamatta tehtäväasettelu löytyy aina Tehtävä-välilehdeltä. Mittaustulokset kirjoitetaan ohjelman työkirjaan. Lopuksi testataan asian ymmärtämistä kysymyksillä, jotka liittyvät mitattavaan asiaan. Kysymykset-välilehdelle ei pääse ennen kuin tehtävän muut osiot on suoritettu. Koko tehtävä saadaan suoritetuksi vasta kun kysymyksiinkin on vastattu. Kuva 4. Esimerkki laboratorioharjoituksesta. 2. Toisessa tehtävätyypissä on tehtäviä, joihin ei liity laboratoriomittauksia. Tehtävissä opiskellaan kemiaa erilaisten ohjelman tarkistamien harjoitusten avulla (ks. kuva 5). Harjoituksissa muodostetaan kovalenttisia sidoksia, määritetään reaktioyhtälöiden kertoimia, rakennetaan erilaisia molekyylejä jne. Myös näihin tehtäviin liittyy useasti asian ymmärtämistä testaavia kysymyksiä. Nämä tehtävät ratkaistaan ohjelman työkirjaan. Kuva 5. Esimerkki teoriaharjoituksesta. 3

5 3. Kolmas tehtävätyyppi on oppimispelejä, jotka yhtä peliä lukuunottamatta ovat yksin pelattavia pelejä. Pelit ovat harjoitusten vähemmistö Jokaisen harjoituksen tyyppi selviää ohjelmavalikosta harjoituksen edessä olevasta kuvakkeesta. Laboratorioharjoituksen edessä on aina kahdesta koeputkesta muodostunut kuvake, teoriaharjoituksen edessä lyijykynä-kuvake ja oppimispelin edessä joy stick -kuvake (ks. kuva 7). Kuva 6. Esimerkki oppimispelistä. Kuva 7. VirtuaaliKemian eri harjoitustyypit ja niiden kuvakkeet. 4. Ohjelman sisältö Tässä luvussa käydään läpi kaikki VirtuaaliKemian sisältämät tehtävät, jotka on jaettu kolmeen vaikeustasoon. Vaikeustasoon 1 kuuluvat ohjelman helpoimmat tehtävät, joista selviää peruskoulun tiedoilla. Näitä on ohjelman enemmistö. myös vaikeustason 2 tehtävistä selviää peruskoulun tiedoilla, mutta ne ovat vaikeustasoa 1 hieman vaikeampia. Vaikeustason 3 tehtävät ovat yli peruskoulun oppimäärän. Ne on tarkoittu lähinnä lukion kemian peruskurssille ja ammatilliseen koulutukseen. Koska ohjelmissa on mukana teoriat, voi vaikeustason 3 tehtäviä käyttää opetuksen eriyttämiseen myös peruskoulussa. Versiossa 1.0. vaikeustason 3 tehtäviä on vain kaksi kappaletta Aineen rakenne Tässä osassa on yhteensä 11 harjoitusta, joista kuusi on teoriaharjoituksia, yksi laboratorioharjoitus ja neljä oppimispeliä. Vaikeustaso Atomien rakentaminen Tämä on teoriapohjainen harjoitus, jossa opiskellaan atomien elektroniverhon rakennetta. Tehtävässä täytyy asettaa atomin energiatasoille sopiva määrä elektroneja, jotta saadaan kysytyn atomin elektronirakenne. Tehtävässä on yhteensä kymmenen atomia, joiden kaikkien elektronirakenteet täytyy 4

6 osata tehdä koko tehtävän suorittamiseksi. Ensimmäiset kolme atomia ovat aina samat (vety, helium ja litium). Seuraavat seitsemän atomia arvotaan 17 atomin joukosta, joten eri opiskeijat saavat aina eri atomit rakennettavakseen. Tehtävä sisältää siis yhteensä 20 atomia, jotka ovat jaksollisen järjestelmän 20 ensimmäistä atomia. Vaikeustaso Kovalenttinen sidos Harjoituksessa rakennetaan atomien välille kovalenttinen sidos siirtämällä atomien elektronikuorilta sopiva määrä elektroneja atomien väliselle alueelle sidoksen muodostamiseen. Mukana on myös kovalenttinen kaksois- ja kolmoissidos. Tehtävän koko suoritus vaatii kuuden sidoksen rakentamisen. Nämä kuusi sidosta ovat kaikille samat. Sekä harjoitus- että teoriaosio sisältävät animaatioita kovalenttisen sidoksen muodostumisesta. Vaikeustaso Suolojen kaavat Harjoituksessa rakennetaan suolojen rakennekaavoja annetuista ioniryhmistä, jotka sisältävät 12 positiivista ja 12 negatiivista ionia. Mukana on yhteensä 33 suolaa, jotka ohjelma antaa aina samassa järjestyksessä, helpoimmat ensin periaatteella. Tämän harjoituksen kohdalla opettajan kannattaa kertoa etukäteen, kuinka monta suolaa pitää rakentaa. Vaikeustaso Molekyylien kaavat Harjoituksessa kootaan erilaisia molekyylejä annetusta atomijoukosta. Kun kaikki oikeat atomit ovat löytyneet, muodostuu molekyylistä värikäs ja havainnollinen kuva. Koottavat molekyylit on jaettu kolmeen tehtävätyyppiin, joista opiskelija voi valita hieman erilaisia tehtäviä. Tehtävätyypit ovat yhden alkuaineen molekyylit, epäorgaanisten yhdisteiden molekyylit ja orgaanisten yhdisteiden molekyylit. Vaikeustaso Jaksollinen järjestelmä 1 Harjoituksessa perehdytään jaksolliseen järjestelmään tutkimalla halogeenien joidenkin fysikaalisten ominaisuuksien muuttumista ryhmän sisällä. Tehtävänä on etsiä ohjelman jaksollisesta järjestelmästä fluorin, kloorin, bromin ja jodin kiehumis- ja sulamispisteet. Tulokset kirjoitetaan työkirjan taulukkoon ja merkitään myös koordinaatistoon. Kysymyksissä kysytään, miten sulamis- ja kiehumispiste muuttuvat halogeenien ryhmässä järjestysluvun funktiona Jaksollinen järjestelmä 2 5

7 Vaikeustaso 1 Harjoituksessa tutkitaan jalokaasujen tiheyden riippuvuutta järjestysluvusta. Tiedot haetaan ohjelman jaksollisesta järjestelmästä ja tulokset kirjoitetaan työkirjan taulukkoon. Kysymyksissä kysytään, miten aineen tiheys muuttuu jalokaasujen ryhmässä järjestysluvun funktiona. Vaikeustaso Aineiden sähkönjohtavuus Laboratorioharjoitus, jossa tutkitaan erilaisten nesteiden sähkönjohtavuutta. Tutkittava neste on osa virtapiiriä, jossa on lisäksi paristo ja lamppu. Lampun palamisesta päätellään kunkin nesteen sähkönjohtokyky. Kysymyksistä selvitäkseen opiskelijan täytyy tietää, mistä nesteen sähkönjohtavuus aiheutuu. Vaikeustaso Alkuainepeli Oppimispeli, jonka aiheena on alkuaineiden kemialliset merkit. Yksin pelattava peli, jossa ilmassa oleviin ilmapalloihin on merkitty alkuaineiden kemiallisia merkkejä. Ruudun yläreunaan ilmestyy jonkin alkuaineen nimi. Pelaajan on puhkaistava helikopterin avulla se ilmapallo, jossa on kysytty kemiallinen merkki. Pelissä saa pisteitä sen mukaan kuinka nopeasti kykenee kaikki ilmapallot puhkaisemaan. Vääristä yrityksistä saa aina miinuspisteitä. Luokassa voidaan leikkimielisesti hakea vaikka luokan mestari tässä pelissä. Vaikeustaso Yhdistepeli Tässä oppimispelissä on samanlainen idea kuin edellisessäkin pelissä. Nyt ympäristönä on vesi ja moottorivene. Aiheena on tavallisimpien kemiallisten yhdisteiden kaavat, jotka on merkitty veden pinnalla oleviin lumpeen lehtiin. Pelaajan on löydettävä moottoriveneen avulla se lumpeen lehti, jossa on kysyn kemiallisen yhdisteen kaava. Pelissä saa pisteitä sen mukaan kuinka nopeasti kykenee kaikki yhdisteet löytämään. Vääristä yrityksistä saa aina miinuspisteitä. Luokassa voidaan leikkimielisesti hakea vaikka luokan mestari tässä pelissä Tietokilpailu Kahden pelattava oppimispeli, jossa testataan pelaajien tietämystä aineen rakenteeseen liittyvissä asioissa. Kysymykset liittyvät atomeihin, molekyyleihin, ioneihin, olomuotoihin, seoksiin ja aineosien erottamiseen seoksista. Perustiedot yhden vuoden kemian opinnoista yläkoulussa riittävät esitiedoiksi. Kysymykset ovat oikein/väärin väitteitä, suunnilleen yhtä paljon molempia. Ensin ehtinyt vastaa oliko väite oikein vai väärin. Jos vastaus on oikein, saa vastaaja pisteen. Jos vastaus oli väärin, saa vastustaja pisteen Ristikko 6

8 Aineen rakenteen tietämystä testaava ristikko. Annettujen vihjeiden perusteella täytetään ristikon vaakarivit. Jos sanan ensimmäinen kirjain ei ole oikein, kyseinen ruutu värjäytyy punaiseksi. Kun oikea sana löytyy ilmestyy sanan perään oikeinmerkki. Kun ristikko on valmis, ensimmäiselle pystyriville muodostuu haettava sana. Esitietovaatimus kuten edellisessä tietokilpailupelissä Aineen määrä Tämä osa sisältää kolme teoriaharjoitusta, joista viimeinen (ainemäärä) ei ole enää peruskoulun oppimäärää. Ensimmäinen harjoitus soveltuu myös peruskouluun, kun moolimassa liitetään peruskoulussa opittuihin mooli- ja kaavamassaan. Toisessa harjoituksessa on valittavan vaikeusasteen vuoksi haasteita kaikille kouluasteille, joille ohjelma on suunnattu. Vaikeusaste Moolimassa Harjoituksessa lasketaan eri yhdisteiden moolimassoja. Tarvittavat atomimassat löytyvät ohjelman jaksollisesta järjestelmästä. Yhdisteen kaavan saa tarvittaessa ensimmäisestä vihjeestä, mutta sen käyttö vähentää tehtävän maksimipisteet kuudesta neljään. Tehtävässä jää kahteen pisteeseen, jos katsoo vielä toisenkin vihjeen, jossa kerrotaan, miten moolimassa lasketaan. Kaikista tehtävistä on haluttaessa nähtävissä myös ratkaisu. Vaikeusaste Reaktioyhtälön kertoimet Harjoituksessa määritetään annettujen reaktioyhtälöiden kertoimet. Tehtävätyyppejä on kaksi: helpompia ja vaikeampia tehtäviä. Harjoitus on helpoimpien reaktioiden osalta suoritettavissa peruskoulun tiedoilla. Vaikeimmat yhtälöt ovat vaikeusasteeltaan lukion ja ammatillisten oppilaitosten tasoa. Opiskelija voi tarvittaessa käyttää ohjelman antamia vihjeitä, joita saa maksimissaan kolmelle reaktioyhtälön kertoimelle. Jokaisen vihjeen katsominen vähentää pisteitä kahdella. Ohjelma katsoo koko harjoituksen suoritetuksi, jos 10 helpompaa ja 5 vaikeampaa tehtävää on suoritettu. Myös harjoituksen osasuoritukset rekisteröidään ylös ja tulostetaan todistukseen. Vaikeusaste Ainemäärä Harjoituksessa lasketaan moolilaskuja. Tehtävässä annetaan aineen massa. Tehtävässä pitää laskea ainemäärä. Opiskelija voi tarvittaessa käyttää ohjelman antamaa kolmea vihjettä. Jokaisen vihjeen katsominen vähentää pisteitä kahdella Hapettuminen ja pelkistyminen Tämä osa sisältää kolme laboratorioharjoitusta Jalot ja epäjalot metallit 7

9 Laboratoriossa tutkitaan, mitkä kuudesta tuntemattomasta metallista ovat jaloja ja mitkä epäjaloja. Tutkimus tapahtuu pudottamalla metallipalat vuorollaan suolahappoliuokseen ja katsomalla vapautuuko vetyä vai ei. Kysymyksiin vastaaminen edellyttää tarkkaa perehtymistä metallien jännitesarjaan. Kun kysymyksiin on vastattu, on tehtävä vielä yksi laboratoriokoe. Tässä kokeessa kuparipala upotetaan typpihappoon. Lopuksi tapahtuneesta ilmiöstä annetaan selitys. Vaikeusaste Metallien päällystäminen Laboratoriossa on kahta liuosta, joista toisessa on kupari-ioneja (Cu 2+ ) ja toisessa sinkki-ioneja (Zn 2+ ). Lisäksi laboratoriossa on kolme metallipalaa (Fe, Ag, Pb). Kukin metallipala upotetaan vuorotellen liuoksiin ja katsotaan, mitä tapahtuu. Työkirjan täyttämisessä pitää huomata, että metallin päällystyminen liuoksessa merkitsee myös metallin liukenemista liuokseen, jota ei juuri havaitse kokeesta. Kysymyksissä kysytään, mitkä annetuista hapettumis- pelkistymisreaktioista ovat mahdollisia. Vastausten etsimisessä annetaan vihjeeksi harjoituksen teoriaosuus, josta selviää metallien jännitesarjan käyttö. Melkoisen vaativa tehtävä Sähkökemiallinen pari Työssä tutkitaan sähkökemiallisen parin muodostumista. Laboraroriossa tutkitaan, miten metallit pitää valita ja millaisia liuoksia pitää käyttää. Tutkimuksessa käytetään liuoksina suolahappoliuosta, vettä, suolaliuosta ja sokeriliuosta. Metalleina käytetään kahta kuparilevyä, kahta sinkkilevyä sekä kuparija sinkkilevyä. Sähkökemiallisen parin muodostuminen havainnoidaan pienen sähkölampun avulla Hapot ja emäkset Tämä osa sisältää kolme laboratorioharjoitusta, joista titrauskäyrä on yli peruskoulun oppimäärän ph-mittaus Työssä mitataan yhdeksän eri liuoksen ph. Mittaus tapahtuu yleisindikaattoripaperin avulla vertaamalla liuoksessa olleen paperin väriä ohjelmassa annettuun värikarttaan. Liuokset myös tunnistetaan mitattujen ph-arvojen perusteella Neutralointi 8

10 Työssä neutraloidaan natriumhydroksidiliuoksella (0,10 mol/l) eri väkevyisiä suolahappoliuoksia. Käytettävien suolahappoliuosten konsentraatiot ovat 0,1 mol/l, 0,05 mol/l, 0,025 mol/l, 0,01 mol/l, 0,005 mol/l ja 0,001 mol/l. Työssä mitataan tarvittava natriumhydroksidimäärä, jolla kukin suolahappoliuos saadaan neutraloitua. Tulokset merkitään työkirjan taulukkoon. Vaikeusaste Titrauskäyrä Työssä mitataan suolahappoliuoksen (0,20 mol/l) ph-arvoa, kun liuokseen lisätään natriumhydroksidia (0,10 mol/l). Liukosen ph-arvo mitataan kymmenellä erilaisella natriumhydroksidimäärällä. Tulokset kirjoitetaan työkirjan taulukkoon ja tulosten perusteella piirretään titrauskäyrä. Kysymyksissä tutkitaan ph-arvon muuttumisnopeutta eri kohdissa titrauskäyrää. Selvästi yli peruskoulun oppimäärän oleva harjoitus Aineiden tunnistaminen Tässä osassa on kaksi laboratorioharjoitusta. Työt ovat helpohkoja etenkin, jos huomaa käyttää ohjelman teoriaosuutta hyväksi Liekkireaktiot Työssä tunnistetaan neljä eri alkuainetta liekkireaktion perusteella. Tunnistettavat aineet ovat kupari, kalsium, kalium ja natrium. Kun aineet on tunnistettu tulee lisätehtävä, jossa ammutaan ilotulitusraketti. Ilotulitteen värin perusteella täytyy kyetä vastaamaan, mitä aineita raketissa oli. Kun tämäkin osa on tehty, palkinnoksi saa videoleikkeen oikeasta ilotulituksesta Sakkareaktiot Työssä tunnistetaan erilaisia ioneja sakkareaktioiden perusteella. Ensimmäisessä osatehtävässä täytyy löytää Ag + -ioneja sisältävä liuos neljän liuoksen joukosta. Tunnistaminen tapahtuu valkean hopeakloridisakan perusteella, joten liuoksiin tiputetaan suolahappoa. Toisessa osatehtävässä on erotettava toisistaan kaliumjodidin, kaliumkloridin ja kaliumbromidin vesiliuokset. Ongelma ratkaistaan pudottamalla liuoksiin muutama tippa hopeanitraattia. Kysymyksissä pitää kyetä annetun teorian perusteella päättelemään, mitkä annetuista suoloista ovat veteen liukenevia Orgaaninen kemia Tämä osa sisältää neljä hiilivetyihin ja alkoholeihin liittyvää teoriaharjoitusta Alkaanit 9

11 Tässä harjoituksessa on tunnistettava ja nimettävä alkaaneja molekyylikaavan perusteella Alkeenit Tässä harjoituksessa on tunnistettava ja nimettävä alkeeneja molekyylikaavan perusteella Alkoholit Tässä harjoituksessa on tunnistettava ja nimettävä alkoholeja molekyylikaavan perusteella. Vaikeusaste Hiilivetyjen kertaustehtävä Muita tämän osan tehtäviä vaativampi tehtävä. Tehtävässä annetaan hiivedyn nimi ja opiskelijan on koottava atomeista kyseinen molekyyli ja kirjoitettava yhdisteen molekyylikaava. Harjoituksessa on erikseen alkaaneja, alkeeneja ja alkoholeja käsittelevät osatehtävät. Näistä voidaan valita ne, jotka halutaan tehdä. 4. Opiskelijan etenemisen seuranta Opettaja voi seurata jatkuvasti opiskelijan suorituksia. Suoritukset näkyvät joko tehtävävalikoista (ks. kuva 8) tai sitten opiskelijan tulostamasta todistuksesta (ks. kuva 9). 10

12 Kuva 9. Ohjelmasta voi tulostaa todistuksen suoritetuista tehtävistä. Kuva 8. Ohjelmavalikossa näkyy kokonaan suoritetut tehtävät oikeinmerkillä merkittynä. Kaikista joko kokonaan tai osittain suoritetuista tehtävistä näkyy pistemäärä. 11