Projektimaiset kokeelliset työt kemian opetuksessa

Transkriptio

1 Projektimaiset kokeelliset työt kemian opetuksessa Judit Csikós-Pénzes & Maija Aksela Kemian opetuksen keskus, Kemian laitos, Helsingin yliopisto Tutkimuksellinen kokeellisuus on yksi kokeellisuuden toteutusmuodoista kemian opetuksessa. Aihe on myös huomioitu tulevien kemian opettajien koulutuksessa Helsingin yliopiston kemian laitoksella Kokeellisuus kemian opetuksessa II (5 op) -kurssilla. Kevään 2008 kurssilla uuden kokeellisen työn teemana oli projektimainen työskentely. Uusia projektimaisia töitä kehitettiin yhteensä 11 kappaletta. Töistä neljä on suunnattu perusopetukseen, kolme lukio-opetukseen ja neljä sopivat molemmille opetusasteille. Työn suunnitteluun kuului kaksi osaa: (i) työohje oppilaalle, sisältäen mm. virittäytymistehtäviä ja (ii) pedagoginen ohje opettajalle työhön liittyvästä kemiasta, työn toteutuksesta ja arvioinnista. Työn suunnittelussa huomioitiin kemian merkityksellinen oppiminen sekä korkeamman tason ajattelutaitojen tukeminen. Osa töistä liittyy johonkin tiettyyn opetussuunnitelman perusteiden kohtaan, toisissa töissä aihetta voidaan soveltaa monissa eri perusteiden yhteyksissä. Töistä kahdeksan on syntynyt kokoamalla ideoita eri ja kolme työtä on taas opiskelijoiden itse kehittämiä kemian tutkimustiedon pohjalta. Projektitöitä on mm. seuraavista kemian aiheista: ravintoaineet, metallit ja sähkökemia, veden ja maan tutkimus sekä jaksollinen järjestelmä. Töiden ajallinen laajuus vaihtelee, lyhin on muutaman oppitunnin pituinen pisimmän kestäessä puoli vuotta tai vuoden. Useimmat työt voi tehdä noin viikossa. Osa projektimaisista töistä on julkaistu tekijöiden luvalla Helsingin yliopiston kemian opettajankoulutusyksikön sivuilla ( kevään aikana. Näitä kemian opettajat voivat käyttää vapaasti omassa opetuksessaan. 1. Taustaa Viimeisimmät valtakunnalliset perusopetuksen ja lukion opetussuunnitelman perusteet ottavat hyvin huomioon tarpeen kokeelliselle työskentelylle sekä sen tavoitteet kemian opetuksessa. Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteissa (POPS, 2004) mainitaan mm., että kokeellisuuden tulee auttaa oppilasta hahmottamaan luonnontieteiden luonnetta ja omaksumaan uusia luonnontieteellisiä käsitteitä, periaatteita ja malleja. Lukion opetussuunnitelman perusteissa (LOPS, 2003) opetuksen tavoitteena määritellään mm., että oppilas osaa kokeellisen työskentelyn... avulla etsiä ja käsitellä tietoa elämän ja ympäristön kannalta tärkeistä kemiallisista ilmiöistä ja aineiden ominaisuuksista..., osaa tehdä ilmiöitä koskevia kokeita ja oppii suunnittelemaan niitä. Opetussuunnitelmien perusteiden tavoitteista huolimatta kokeellisuus kemian opetuksessa on useimmiten tavallisessa koulussa opettajan antamien suljettujen tehtävien suorittamista laboratoriossa (Aksela & Karjalainen, 2008; Aksela & Juvonen, 1999). IB-lukioissa tutkimuksellinen kokeellisuus kuuluu osana kemian opetukseen (Näsäkkälä ym., 2001). Kokeellisuuden toteuttamisesta jää puuttumaan luonnontieteille ominainen avoin, tutkiva lähestymistapa. Tästä johtuen (i) oppilas lakkaa lähestymästä kemiaa luonnollisella uteliaisuudella ja (ii) oppilas, omakohtaisen kokemuksen puutteessa, oppii, että kemia on vain joukko opeteltavia sääntöjä ja faktoja, muuttumatonta tietoa (Blonder ym., 2008). Lähtökohdat kemian opiskeluun ovat näin huonot. Yksi tapa tutkivan otteen tuomiseen ja säilyttämiseen kemian opetuksessa ovat avoimet, projektimaiset kokeelliset työt. Näissä oppilaalla on mahdollisuus löytää oma tutkimuskohteensa ja suunnitella oma tutkimuksensa, opettajan toimiessa ohjaajana (Näsäkkälä ym., 2001). Avoimet laboratoriotyöt tukevat tutkimusten mukaan kemian oppimista. Oppilaiden kemian ymmärtäminen ja oppiminen paranee avoimia laboratoriotöitä tehdessä oppilaan omasta tasosta riippumatta (Blonder ym., 2008). Tobinin mukaan mielekästä oppimista tapahtuu laboratoriossa vain, jos oppija saa vapaasti muunnella käyttämiään välineitä ja materiaaleja (Tobin, 1990). Mielekästä opiskelua tarvitaan myös korkeamman tason ajattelutaitojen kehittymisessä (Aksela, 2005). Helsingin yliopiston kemian laitoksella tulevat kemian opettajat tutustuvat tutkimukselliseen kokeellisuuteen yhtenä kokeellisuuden tyyppinä Kokeellisuus kemian opetuksessa II kurssilla (5 op). 99

2 Kurssilla opitaan muun muassa suunnittelemaan ja toteuttamaan kemian oppilastöitä sekä perehdytään kokeellisuuden eri toteutusmuotoihin. Kurssin osana suunnitellaan uusi, kemian opetuksessa käytettävä kokeellinen työ. 2. Töiden esittely Keväällä 2008 uusien töiden aiheena oli projektimainen työskentely. Uusia projektimaisia kokeellisia töitä syntyi yhteensä 11 kappaletta. Töistä neljä on tarkoitettu perusopetukseen, kolme lukio-opetukseen ja neljä molemmille asteille. Töiden suunnittelussa pyrittiin vastaamaan opetussuunnitelman perusteissa kemian opetukselle asetettuihin tavoitteisiin, sekä ottamaan huomioon mielekäs oppiminen ja korkeamman tason ajattelutaitojen kehittyminen. Töiden aiheet valittiin kohderyhmää mahdollisimman paljon kiinnostaviksi. Opiskelijat suunnittelivat erikseen ohjeet oppilaalle ja opettajalle. Opettajan ohje sisältää myös arviointiohjeet. Uudet projektimaiset työt on koottu luokka-asteen mukaan taulukoihin Perusopetukseen suunnitellut työt Perusopetukseen suunnitellut työt on koottu alla olevaan taulukkoon 1. Taulukossa näkyy työn nimi, tekijät, työn tutkittava aihe, työlle soveltuva luokka-aste, paikka opetuksessa sekä työn ajantarve. Viimeisessä palkissa näkyy, onko työ itse kehitetty vai koottu olemassa olevista. Työ 1: Ilmansaastetutkimuksia Työssä tutkitaan ilmakehässä olevia hiukkasia ja happamia sateita sekä niiden vaikutusta ympäristöön. Työn kautta tulisi huomata ilmassa olevat epäpuhtaudet ja myös miettiä niiden syitä ja vaikutuksia. Projektimainen työ ilmansaasteisiin liittyen koostuu orientoivista kysymyksistä sekä kahdesta kokeellisesta osiosta. Orientoivien kysymysten kautta pyritään herättelemään oppilaan aiempaa tietämystä ilmansaasteista sekä tuomaan hänet tietoiseksi omista vaikuttamismahdollisuuksistaan saasteiden vähentämiseksi. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan ilmansaasteiden vaikutusta ympäristöön. Ensimmäisessä kokeessa kerätään ja tutkitaan sadevettä, toisessa tutkitaan rikkidioksidin vaikutusta kasvin kasvuun. Koko projektityön aikana oppilaita kehotetaan pohtimaan ja suunnittelemaan työskentelyään ja kirjaamaan havaintojaan muistiin myöhempää miettimistä varten. Lopuksi tutkimuksesta kootaan raportti. Työ 2: Jaksollinen järjestelmä Jaksollisen järjestelmän opiskelu on usein oppikirjan pohjalta tapahtuvaa ulkolukua, jolloin hyvin perustavaa laatua oleva tieto voi helposti jäädä irralliseksi. Projektityömuotoisen työskentelyn on tarkoitus luoda syvemmän tason oppimista ja kehittää oppilaan omia tiedonkäsittely taitoja. Jaksollista järjestelmää käsittelevässä projektimaisessa työssä oppilasryhmät tutustuvat tiettyyn jaksollisen järjestelmän ryhmään ja jakavat tietonsa muiden kanssa. Kemian tietojen ohessa on tarkoitus kehittää oppilaiden tutkimustaitoja, median lukutaitoja ja lähdekriittisyyttä. Jaksollisen järjestelmän ryhmään tutustumisen osana oppilaat etsivät ja tekevät jonkin sille ryhmälle ominaisen kokeellisen työn, esimerkiksi liekkikokeet alkalimetalleille. Lopuksi oppilaiden tutkimukset kootaan yhteen esimerkiksi käsitekartan tai yhteisten muistiinpanojen avulla. 100

3 Taulukko 1. Opiskelijoiden kehittämät projektimaiset kokeelliset työt perusopetukseen. TYÖN NIMI TEKIJÄT TUTKITTAVA AIHE LUOKKA- ASTE PAIKKA OPETUKSESSA AJAN TARVE LÄHTEET Peruskouluun suunnatut työt 1 Ilmansaaste-tutkimuksia Kuronen J., Liukkonen M. ilmansaasteet, ympäristöongelmat peruskoulu ilmakehä, vesi, ympäristöongelmat noin viikko 2 Jaksollinen järjestelmä Kähkönen M., Meriläinen S. jaksollinen järjestelmä, alkuaineet peruskoulu Opettajan päätettävissä noin viikko 3 Kiteet kimpaleiksi Ikävalko V. kiteet, niiden rakenne, kidemäiset aineet, kiteen kasvatus peruskoulun 8. luokka Ionisidokset noin 2 tuntia + viikko kiteiden kasvuun 4 Kemiska reaktioner Donner H. kemiallinen reaktio, reaktiotyypit, niiden ominaisuudet ja tunnusmerkit peruskoulu raaka-aineet ja tuotteet noin 10 oppituntia

4 Työ 3: Kiteet kimpaleiksi Tehtävässä projektityössä on tarkoitus kasvattaa kidettä mahdollisimman suurikokoiseksi. Tutkittavat kiteet ovat ruokasuolan kaltaisia suoloja, joita kutsutaan myös nimellä ioniyhdiste. Kiteitä ja kiteytymistä käsittelevä projektityö lähestyy tärkeää ja moniulotteista kemian aluetta ja on tarkoitettu lapsille. Siinä kasvatetaan ryhmissä mahdollisimman suuri kide annetusta aineesta. Ohjeiden ja kysymysten kautta oppilasta johdatellaan tutkimaan ja pohtimaan kyseessä olevaa aihetta omasta näkökulmastaan. Oppilaat suunnittelevat ryhmissä omasta mielestään parhaan tavan mahdollisimman suuren kiteen kasvattamiseksi. Lisäksi oppilaat tutkivat omia aineitaan myös kirjallisuuden kautta. Lopuksi aineen ominaisuudet sekä kiteyttämisen työvaiheet ja tulokset kootaan posteriin. Työ 4: Kemiska reaktioner Projektets målsättning är att förstå vad en kemisk reaktion är, att veta vad som kännetecknar en kemisk reaktion, att kunna skilja mellan blandningar och kemiska föreningar, att veta hur man kan märka att en kemisk reaktion äger rum och att lära sig att kemiska reaktioner kan se väldigt olika ut. Projektimaisen työn aiheena oleva kemiallinen reaktio on hyvin laaja ja monitasoinen aihe. Työssä aihetta käsitellään peruskouluun sopivalla tasolla. Oppilaat viritetään aiheen käsittelyyn pohtivilla kysymyksillä. Tämän jälkeen oppilaat tekevät itsenäisesti tai ryhmissä yhdeksän pientä kokeellista työtä, tehden ensin hypoteesit, sitten työt, ja lopuksi pohtien tuloksia. Lopuksi oppilaiden ajatukset ja tutkimustulokset kootaan luokassa. 2.2 Lukio-opetukseen suunnitellut työt Työ 5: Saippuan valmistus Tavoitteena on tutustua saippuan valmistamiseen liittyvään kemiaan. Tämä tarkoittaa kemiallisen reaktioyhtälön ja työturvallisuuden selvittämistä ja työhön liittyvien kokeellisten menetelmien opettelua. Saippuaa käsittelevä projektimainen työ on tarkoitettu lukion ensimmäisen kurssin yhteyteen. Opiskelijat tutustuvat ryhmissä kirjallisuuden ja muiden lähteiden kautta saippuaan, sen valmistukseen ja ominaisuuksiin. Itse projektin aikana saippuaa valmistetaan kahdella eri menetelmällä ja tutkitaan, kumpi lopputuotteista on toimivampi. Valmiissa tuotteissa tarkastellaan happamuutta ja vaahtoavuutta. Lopuksi työn aikana syntyneet ajatukset ja havainnot kootaan luokassa. Työ 6: Tuntemattoman metallin arvoitus hapettumis-pelkistymistyö Työn tavoitteina on oppia seuraavat käsitteet: hapettumis-pelkistymisreaktio, sähkökemiallinen jännitesarja, normaalipotentiaali sekä kemiallinen pari (galvaaninen pari), sekä oppia rakentamaan galvaaninen kenno ja mittaamaan metallien potentiaaliero. Tutkimus on tarkoitettu lukion neljännelle kurssille, ja siinä käsitellään sähkökemiallista jännitesarjaa. Opiskelijoille jaetaan yksi tunnettu ja yksi tuntematon metalli-liuospari, joista heidän tulee selvittää tuntematon metalli sähkökemiallisin välinein. Lopuksi opiskelijoiden töistä tehdään posteri, joka sisältää työn dokumentoinnin lisäksi tietoa tuntemattomasta metallista sekä valokuvia työn kulusta. 102

5 Taulukko 2. Opiskelijoiden kehittämät projektimaiset kokeelliset työt lukio-opetukseen. TYÖN NIMI TEKIJÄT TUTKITTAVA AIHE LUOKKA- ASTE PAIKKA OPETUKSESSA AJAN TARVE LÄHTEET Lukioon suunnatut työt 5 Saippuan valmistus Tolvanen S. saippuan valmistus, vertailu kaupallisiin tuotteisiin lukion kurssi KE1 KE1-kurssi noin viikko 6 Tuntemattoman metallin arvoitus, hapettumis-pelkistymistyö Lahti O., Lempinen V., Nurminen N., Tapio S., Tuunanen A. hapettuminen-pelkistyminen, sähkökemiallinen jännitesarja, normaalipotentiaali, galvaaninen pari ja kenno lukion kurssi KE4 KE4-kurssi 4-7 oppituntia itse keksitty 7 Ravintoaineiden kemia projektiluontoisessa työskentelyssä Happonen M., Paavola K. ravintoaineiden kemia, tiedonhakumenetelmät lukio kurssit KE1 tai KE5 KE1 tai KE5-kurssi noin 5-6 oppituntia itse keksitty

6 Työ 7: Ravintoaineiden kemiaa projektiluontoisena työskentelynä Projektin on tarkoitus luoda oppilaalle yhtenäinen ja selkeä kuva ravintoaineiden kemiasta. Projekti opettaa itsenäiseen tiedonhakuun ja opettaa kokeellisen työn suunnittelua, toteutusta ja arviointia. Projektityön aiheena oleva ravintoaineiden kemia on helppo liittää jokaisen opiskelijan arkeen ja käsityksiin. Opiskelijaryhmät valitsevat jonkin ravintoaineen, jota tutkivat, toisaalta kirjallisuuden avulla, toisaalta kokeellisten töiden kautta. Lopuksi ryhmät valmistavat omasta ravintoaineestaan yhteisen sopimuksen mukaisen esityksen muille. 2.3 Peruskoulussa ja lukiossa käytettävät työt Työ 8: Jännittävät metallit Tämän työn tarkoituksena on opettaa sähkökemiaa. Työn tiimellyksessä kerrataan metallien ominaisuudet, tutustutaan hapettumiseen ja pelkistymiseen sekä laitetaan metallit jännitesarjan mukaiseen järjestykseen. Metallien jännitesarjaa käsittelevä projektimainen työ koostuu opettajan ja oppilaan ohjeista sekä oppilaalle tarkoitetusta itsearviointi -monisteesta. Paketti on mahdollista suorittaa myös itsenäisesti, mutta käytännössä opettajan apua esimerkiksi laitteiden käytössä ja pohtimisen ohjauksessa tarvitaan. Työn aikana metallien jännitesarjaa tutkitaan kuuden kokeellisen työn kautta, sekä töihin liittyvien pohdintakysymysten avulla. Tutkimuksissa viimeisessä sovelletaan alkupään tutkimuksissa havaittuja tietoja. Työ 9: Kemiaa vedestä! Tämä projektityö antaa sinulle mahdollisuuden suunnitella ja toteuttaa oma kemiaan liittyvä luonnontieteellinen työ. Lisäksi opit laatimaan projektimaisen työn työohjeen ja raportoimaan saamistasi tuloksista. Projektimaisen työn aluksi opiskelijat tutustuvat oman ympäristönsä vesivaroihin. Tämän jälkeen opiskelijat suunnittelevat oman projektimaisen tutkimuksensa lähivesien kemiaan liittyen. Tutkimussuunnitelmassa tulee määritellä mm. näytteenottopaikat, tutkittavat ominaisuudet, tutkimusmenetelmät ja tutkimuksen aikataulu. Vesialueet kartoitetaan ja tutkitaan niistä otettuja näytteitä. Lopuksi opiskelijat kokoavat tutkimustuloksensa ja pohtivat annettuja kysymyksiä niiden pohjalta. Työ 10: Tutkimuksia vedestä ja maaperästä Tässä työssä tutustutaan erilaisiin kemiallisiin ja biologisiin analyysimenetelmiin sekä näytteenottoon vesistä ja maaperästä. Omien havaintojen tekeminen ja niiden kirjaaminen on tärkeä osa laboratoriotyöskentelyä ja projektityötä. Veteen ja maaperään liittyvä tutkimus alkaa aiheeseen virittäytymistehtävillä. Tämän jälkeen opiskelija suunnittelee oman tutkimuksensa välineiden ja ajan mahdollistamissa puitteissa. Tutkimuksen tekoa tuetaan sopivien ja pohdintaa herättävien kysymysten avulla. Opiskelijaa kehoitetaan myös tekemään hypoteeseja matkan varrella sekä kirjaamaan ylös tutkimuksensa havainnot vaiheittain. Lopuksi tutkimustulokset kootaan yhteen. 104

7 Taulukko 3. Opiskelijoiden kehittämät sekä peruskouluun että lukioon soveltuvat projektimaiset kokeelliset työt TYÖN NIMI TEKIJÄT TUTKITTAVA AIHE LUOKKA- ASTE Peruskoulussa ja lukiossa käytettävät työt PAIKKA OPETUKSESSA AJAN TARVE LÄHTEET 8 Jännittävät metallit Kemppainen O. sähkökemia, metallien ominaisuudet, hapettuminen-pelkistyminen, metallien jännitesarja peruskoulu ja lukio opettajan päätettävissä noin 6 oppituntia 9 Kemiaa vedestä! Soini A., Saarinen M., Linnansaari J. vesi ja sen ominaisuudet, veden happija klooripitoisuus, ph peruskoulu ja lukio opettajan päätettävissä ½-1 vuotta itse keksitty 10 Tutkimuksia vedestä ja maaperästä Heino R., Martikainen S., Sievänen K. kemialliset ja biologiset analyysi-menetelmät, näytteenotto-tekniikat vedestä ja maaperästä peruskoulu ja lukio peruskoulu: Ilma ja vesi, lukio: KE1-kurssi noin viikko 11 Täs' on protskuu! Projektimainen työ proteiineista Ahvenniemi R., Rantaniemi M., Tammela H. proteiini, koostumus ja merkitys ihmiselle peruskoulu ja lukio peruskoulu: Elollinen luonto ja yhteiskunta, lukio: KE1-kurssi noin 4 oppituntia Koottu eri

8 Työ 11: Täs on protskuu! Projektimainen työ proteiineista Työn tavoitteina on ymmärtää proteiinien rakenne ja koostumus sekä merkitys ravintoaineina, sekä tutustua proteiinien kokeellisiin tunnistusmenetelmiin. Projektityö voidaan lukiossa toteuttaa kokonaan itsenäisenä työskentelynä. Peruskoulussa opettajan on hyvä pohjustaa aihetta ennen työhön ryhtymistä. Projektityö koostuu virittävistä tehtävistä, proteiineihin liittyvästä teoriasta, artikkelitutkimuksesta ja kokeellisista töistä. Kokeelliset työt tehdään pääasiallisesti itsenäisesti, ja ne on avoimia töitä, jotka tukevat opiskelijan omaa pohdintaa. 3. Loppusanat Uudet projektimaiset kokeelliset työt tuovat uutta kemian opetukseen ja kokeelliseen työskentelyyn tavallisessa kouluopetuksessa. Mielekäs kokeellinen työskentely tukee oppilaiden kemian oppimista sekä ennen kaikkea kiinnostusta kemiaa kohtaan. Uuden työtavan käyttöönotto voi osoittautua myös opettajalle mieluisaksi: siinä saa tutkia kemian ihmeitä yhdessä oppilaiden kanssa. 4. Lähteet Aksela, M. (2005). Supporting Meaningful Chemistry Learning and Higher-order Thinking through Computer-Assisted Inquiry: A Design Research Approach. (luettu ). Aksela, M. & Karjalainen, V. (2008). Kemian opetus tänään: nykytila ja haasteet Suomessa. Kemian opetuksen keskus, Yliopistopaino. Aksela, M. & Juvonen, R. (1999). Kemian opetus tänään, Opetushallitus, Helsinki. Blonder, R., Mamlok-Naaman, R. & Hofstein, A. (2008). Analyzing inquiry questions of high-school students in a gas chromatography open-ended laboratory experiment. Chemistry Education Research and Practice, 9, LOPS (2003). Lukion opetussuunnitelman perusteet Opetushallitus. Helsinki. ( Näsäkkälä, E., Flinkman, M. & Aksela, M. (2001). Luonnontieteellisen tutkimuksen tekeminen koulussa, Opetushallitus, Helsinki. POPS (2004). Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet Opetushallitus. Helsinki. ( Tobin, K. (1990). Research on science laboratory activities: in pursuit of better questions and answers to improve learning. School science and mathematics, 90,