Tietokoneavusteinen molekyylimallinnus -oppimisympäristö yhdeksäsluokkalaisten oppilaiden kemian kiinnostuksen tukena

Transkriptio

1 Tietokoneavusteinen molekyylimallinnus -oppimisympäristö yhdeksäsluokkalaisten oppilaiden kemian kiinnostuksen tukena Piia Jääskeläinen & Maija Aksela Kemian opettajankoulutusyksikkö, Kemian laitos, Helsingin yliopisto Tietokoneavusteista molekyylimallinnusta käyttämällä perusopetuksessa voidaan tukea oppilaan kemian kiinnostusta. Tässä artikkelissa esitellään tapaustutkimus, jossa tutkittiin 117 peruskoulun 9. vuosiluokan oppilaan käsityksiä molekyylimallinnuksen kiinnostavuudesta oppimisympäristönä kemian opetuksessa. Tutkimuksen aikana oppilaat tekivät pareittain annettujen työohjeiden avulla kaksi mallinnustehtävää veden ja glukoosin kemiaan liittyen. Työohje sisälsi mallinnuksen vaiheet yksityiskohtaisesti sekä oppimista ja ajattelua tukevia kysymyksiä. Mallinnusharjoituksen jälkeen oppilaat vastasivat työtavan kiinnostavuutta mittaavaan kyselylomakkeeseen. Kyselytutkimuksen viimeisen osan kysymykset olivat avoimia ja niihin oppilaita pyydettiin vastaamaan sanallisesti. Arviointitehtävistä laskettiin frekvenssit, keskiarvot ja hajonnat. Avoimissa kysymyksissä pääluokat muodostettiin sisällönanalyysimenetelmällä. Tutkimustulosten mukaan yhdeksännen luokan oppilaat ovat kiinnostuneita tietokoneavusteisesta molekyylimallinnuksesta oppimisympäristönä. Oppilaiden mielestä se tuo vaihtelua kemian opetuksessa käytettyihin työtapoihin. Käytetyistä tehtävistä glukoosin visualisointia pidettiin vesimolekyyliä mielenkiintoisempana tehtävänä. Tutkimustuloksista voidaan päätellä, että kemian opetuksessa tulisi harkita tietokoneavusteiden molekyylimallinnuksen käytön lisäämistä opetuksen työtapana oppilaiden kiinnostuksen tukemiseksi. 1. Johdanto Kemian perusopetuksen kiinnostavuudella on tärkeä vaikutus oppilaiden jatkovalinnoille. Monille peruskoulun oppilaille yläluokkien kemian opetus jää usein viimeiseksi mahdollisuudeksi saada hyvä kemian yleissivistys ja kiinnostus aiheeseen. Useat nuoret eivät koe kemiaa kiinnostavana oppiaineena. PISA-tutkimuksen mukaan alle puolet (45%) 15-vuotiaista oppilaista on kiinnostunut kemiasta (Arinen & Karjalainen, 2007). Vastaava tulos on saatu ROSE-tutkimuksessa (Lavonen ym., 2005). Sen mukaan oppilaiden kiinnostus kemian tiedonalan ilmiöihin oli toiseksi alhaisin tutkimuksessa esitetyistä kolmestatoista luonnontieteellisestä tiedonalasta. Tutkituista kemian aiheista räjähtävät kemikaalit ja ruokiin liittyvät ilmiöt olivat kiinnostavimpia. Kemian keskeiset perusasiat, kuten atomit ja molekyylit, olivat nuorten mielestä vähiten kiinnostavat ilmiöt. Tutkimuksen mukaan tyttöjä ja poikia kiinnostavat tilastollisesti merkittävästi eri aihekokonaisuudet (Lavonen ym., 2005). Kiinnostus määritellään ilmiöksi, joka tulee näkyviin yksilön vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa (Krapp, Hidi & Renninger, 1992). Kiinnostus voidaan jakaa tilannesidonnaiseen ja henkilökohtaiseen kiinnostukseen. Tilannesidonnainen kiinnostus muodostuu ympäristön tekijöistä, jotka keskittävät oppilaan huomion ja muodostavat tunnereaktion. Se saattaa ajan myötä, suotuisissa oloissa, muodostua pysyväksi henkilökohtaiseksi kiinnostukseksi (Hidi, Renninger & Krapp, 2004). Kiinnostuksen syntyyn vaikuttaa tilanteen virikkeiden ja olosuhteiden lisäksi henkilön ominaisuudet, asenteet ja yleinen suuntautuneisuus. Opetuksen tulisi herättää tilannekohtainen kiinnostus, joka henkilökohtaiseksi kiinnostukseksi muuttuessaan johtaa syväoppimiseen (Krapp, 2002). Kiinnostus vaikuttaa oppilaan tarkkaavaisuuteen, tehtävien muistamiseen, sekä oppimisstrategioihin (Hidi, Renninger & Krapp, 2004) ja siten oppimisen prosessiin (Nenninger, 1992). Opetussuunnitelman perusteissa määritellään oppimisympäristön tavoitteiksi oppimismotivaation ja uteliaisuuden tukeminen tarjoamalla kiinnostavia haasteita ja ongelmia (POPS, 2004). Perusopetuksessa käytettyjen työtapojen tulee virittää halu oppia sekä antaa mahdollisuus luovaan toimintaan ja elämyksiin (POPS, 2004). Opettajan rooli on keskeinen kiinnostuksen tukemisessa: hän voi työtapojen ja oppisisällön aiheen valinnoilla herättää oppilaan kiinnostuksen, joka suotuisissa oloissa muuttuu oppilaan pysyväksi henkilökohtaiseksi kiinnostukseksi. Oppilaat opiskelevat ja oppivat kemiaa paremmin, jos he ovat kiinnostuneita siitä. Opetusmetodien valinnassa olisi hyvä suosia oppilaiden toivomia työtapoja. Kiinnostavia työtapoja oppilaiden mielestä ovat muun muassa 53

2 keskustelu sekä pienryhmissä että opettajan johdolla. Opetuksessa työtapojen käyttöä tulisi monipuolistaa, sillä mikään yksittäinen työtapa ei ole ratkaisu oppilaiden kiinnostuksen lisäämiseen opiskelua ja kemiaa kohtaan. Monipuolisten työtapojen avulla voidaan myös paremmin saavuttaa opetuksen tavoitteet. (Lavonen ym., 2005). Opetuksessa tulee käyttää oppiaineelle ominaisia menetelmiä ja monipuolisia työtapoja, joiden avulla tuetaan ja ohjataan oppilaan oppimista (POPS, 2004). Kemian nykytutkimuksessa pitkään käytetty tietokoneavusteinen molekyylimallinnus antaa uusia mahdollisuuksia myös kemian kouluopetukseen (esim. Aksela & Lundell, 2007). Sen avulla voidaan havainnollistaa kemian ilmiöitä: esimerkiksi molekyylien kolmiulotteista rakennetta, atomimallia, orbitaaleja, isomeriaa sekä orgaanisia molekyylejä ja niiden ominaisuuksia. Molekyylimallinnuksen käyttö auttaa ymmärtämään kemian ilmiöitä: molekyylien rakennetta, sidoskulmia, molekyylien dipoliluonnetta ja sidosten muodostumista. Mallinnus mahdollistaa oppilaan omakohtaisen tekemisen ja tutkimisen: oppilas voi rakentaa molekyylejä sekä mitata sidoksen pituuksia ja sidoskulmia. Molekyylimallinnuksen käyttö opetuksessa tukee myös kuvaa kemiasta tieteenä: se antaa oikean kuvan, kuinka nykyaikainen kemisti työskentelee kokeellisuuden rinnalla ja millaisia laitteita käytetään. Tietokoneavusteinen molekyylimallinnus tukee aikaisempien tutkimuksen mukaan oppilaiden kiinnostusta kemiaa kohtaan (Barnea, 2000; Aksela & Lundell, 2007). 2. Tutkimus Tässä Survey-tutkimuksessa selvitetään peruskoulun 9. luokkien oppilaiden kiinnostuneisuutta tietokoneavusteista molekyylimallinnusta kohtaan sekä kehitettyjen harjoitustöiden (vesimolekyylin ja glukoosin havainnollistaminen) kiinnostavuutta. Tutkimus suoritettiin kahdessa pääkaupunkiseudun kaupungin koulussa peruskoulun 9. luokilla kyselytutkimuksena. Tutkimukseen saatiin lupa rehtoreilta, kemian opettajilta ja kaupungin hallinnolta. Kouluista valittiin satunnaisesti luokat: toisesta kolme luokkaa ja toisesta neljä. Otokseksi saatiin 117 oppilaan vastaukset. Vastaajista tyttöjä oli 54 % (63 oppilasta) ja poikia 41 % (48 oppilasta). Kuusi oppilasta ei ilmoittanut sukupuolta (5 %). Tutkimus suoritettiin kemian oppitunnilla. Opetus pidettiin koulun tietokoneluokassa, jonka koneisiin oli etukäteen asennettu ilmainen Arguslab -molekyylimallinnusohjelma ( Ohjelmalla rakennettiin molekyylit atomi kerrallaan ja lopuksi optimoitiin valmiin molekyylin rakenne. Tutkimustilanteissa kahdessa luokassa koulun kemian opettaja ei ollut läsnä. Viidessä luokassa kemian opettaja oli luokassa osallistumatta varsinaisesti tunnin kulkuun. Oppilaat suorittivat työohjetta seuraten kehitetyt harjoitustyöt valitulla ohjelmalla. Oppilaita pyydettiin työskentelemään pareittain ja pareille jaettiin työohjeet sekä työnkoontilomakkeet. Työohje sisälsi mallinnuksen vaiheet yksittäin sekä vaiheiden lomassa oppimista ja ajattelua tukevia kysymyksiä. Harjoitustyön jälkeen oppilaat vastasivat työtavan kiinnostavuutta mittaavaan lomakkeen kysymyksiin. Molekyylimallinnuksen kiinnostavuutta tutkittiin vertaamalla sitä muihin työtapoihin. Kysymyslomakkeessa oli kysymys: Kuinka kiinnostavia mielestäsi ovat seuraavat tavat työskennellä kemian tunnilla. Vastaaminen tapahtui viisiportaiseen Likert-asteikkoon: Ei lainkaan (1), Hieman (2), Melko paljon (3), Erittäin paljon (4) tai En ymmärrä kysymystä (0). Erilaisia työtapoja valittiin 21 kappaletta ja avoimena kysymyksenä oli Jokin muu tapa, mikä?. Kyselyn työtavoiksi valittiin monipuolisesti kouluissa usein ja harvoin käytettyjä, sekä kiinnostaviksi ja vähemmän kiinnostaviksi tutkittuja työtapoja (Lavonen ym., 2005, Aksela & Juvonen, 1999). Kaavakkeen toisessa osassa oli kysymys Kuinka kiinnostavia olivat seuraavat asiat veden ja sokerin mallinnuksen harjoitustöissä?. Kyselyn viimeisen osan kysymykset olivat avoimia ja niihin pyydettiin vastaamaan sanallisesti. Kysymykset olivat Mikä harjoitustyössä oli?, Miksi?, Mikä harjoitustyössä ei ollut? ja Miksi?. Tutkimuksen suljettujen kysymysten aineisto analysoitiin kvantitatiivisesti SPSS (Statistical Package for Social Sciences) tilasto-ohjelmalla. Vastauksista laskettiin keskiarvot ja keskihajonnat. 54

3 Tietokoneavusteisen molekyylimallinnuksen kiinnostavuutta mittaavat avoimet kysymykset analysoitiin aineistolähtöisesti sisällönanalyysillä. Aineiston vastaukset ryhmiteltiin yhdistäen samantyyppiset vastaukset luokiksi, joiden perusteella oleellinen tieto erottui selkeämmin (Tuomi & Sarajärvi, 2004). Kyselylomakkeen väittämien yhteneväisyyden toteamiseksi laskettiin Cronbachin alfakerroin. Alfan arvot olivat välillä 0,8-0,9. Niiden perusteella voidaan sanoa, että käytetty mittari on yhtenevä. Suljetut kysymykset analysoitiin keskiarvojen ja hajonnan perusteella, mutta niin sanottuja keskiarvo-oppilaita ei kuitenkaan ole, joten tuloksia ei pidä yleistää suoraviivaisesti (Lavonen ym., 2005). 3. Tulokset Työskentely tietokoneiden avulla koettiin kiinnostavimmaksi työtavaksi (keskiarvo 2,90; keskihajonta 0,95). 33 % vastanneista ilmoitti tietokoneiden avulla työskentelyn erittäin paljon kiinnostavaksi ja 7 % vastanneista ei lainkaan kiinnostavaksi. Tietokoneavusteista mallinnusta pidettiin viidenneksi kiinnostavimpana työtapana tutkimukseen valituista työtavoista (kuva 1). kiinnostavuus 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1,9 2,4 1,7 1,6 Esitelmä Juliste Oppikirja Käsitekartta Tietokoneavusteinen mallinnus Työtapojen kiinnostavuus 2,4 2,4 Ongelman ratkaisu taululla 1,9 2,1 1,8 Kuva 1. Oppilaiden käsitykset kiinnostavista työtavoista. 2,0 2,2 2,3 Mallintaminen Keskustelu opettajan johdolla Opettajan kysely Oppilaiden kysely Väittely Uusi asia taululla Opettajan kokeellisten työt Oppilaiden kokeelliset työt 2,7 2,8 2,9 2,7 2,4 2,7 Asiantuntijan vierailu Vierailu Tietokonetyöskentely Videon katselu (kemiasta) Työtavan kiinnostavuuden keskiarvo Tietokoneavusteinen mallintaminen kiinnosti suurinta osaa oppilaista (ks. kuva 2). Se oli 19 oppilaasta erittäin paljon (keskiarvo: 2,43; keskihajonta: 0,99). 7,7 % oppilaista ei vastannut kysymykseen, koska he eivät ymmärtäneet kysymystä. Tutkimuksessa kysyttiin myös, miten kiinnostavia olivat tutkimukseen kehitetyt veden ja glukoosin kemiaan liittyvät harjoitustyöt ja niihin liittyvät tehtävät. Oppilaista glukoositehtävä oli jonkin verran kiinnostavampi kuin vesimolekyylitehtävä (ks. taulukko 1). Tehtävien kysymyksiin vastaaminen ja työnkoontilomakkeen täyttäminen oli oppilaista vähemmän. 55

4 Tietokoneavusteisen mallinnuksen kiinnostavuus % vastanneista Ei lainkaan Hieman Melko paljon Erittäin paljon Kuva 2. Oppilaiden kiinnostuminen tietokoneavusteisesta molekyylimallinnuksesta. Taulukko 1. Oppilaiden kiinnostuminen harjoitustöistä ja niiden tehtävistä. Vaihtoehto Keskiarvo Keskihajonta Glukoosimolekyylin rakentaminen 2,2 0,9 Glukoosimolekyylin tarkastelu 2,1 0,9 Vesimolekyylin rakentaminen 2,0 0,9 Vesimolekyylin tarkastelu 2,0 0,8 Kysymyksiin vastaaminen 1,9 0,9 Työnkoontilomakkeen täyttäminen 1,7 0,8 Tutkimuksessa kysyttiin myös syitä tietokoneavusteisen mallintamisen kiinnostavuuteen. 56 % vastaajista piti sitä kiinnostavana, koska se toi vaihtelua kemian opetukseen (ks. kuva 3). 13 % vastanneista koki harjoitustyöt hauskaksi (mainintoja: hauskaa, jännittävää, mukaavaa tai hupsua). 11 % koki tietokoneilla työskentelyn ja taas 9 % mallinnuksen olevan. 7 % vastanneista koki uuden oppimisen ja itse tekemisen olevan kiinnostuksen syy. 6 % ilmoitti vastaukseksi käytetyn työtavan (tietokonemallinnus tai Arguslab) uutuuden. Kolme vastaajaa ilmoitti syyksi helppouden. 19 % kyselyyn vastanneista ei pitänyt harjoitustyön lomassa olevia kysymyksiä ja niihin vastaamista kiinnostavina. 12 % kysymykseen vastanneista ei pitänyt työnkoontilomakkeen täyttämistä kiinnostavana. Vastanneista 7 % piti työskentelyn tai tehtävän vaikeutta, tai tasolleen liian nopeaa tai hidasta etenemistä kiinnostavuutta vähentävänä tekijänä. 15 % ilmoitti että kaikki ei ollut ja taas 13 % vastanneista vastasi kysymykseen ei mitään. Perusteluina tietokoneavusteisen molekyylimallinnuksen vähäiseen kiinnostavuuteen he esittivät seuraavia asioita: 18 % vastasi hyödyttömyys ja 16 % vaikeus. 12 % vastanneista ilmoitti syyksi kemian tai aiheen kiinnostamattomuuden. 7 % vastaajista ilmoitti, että tehtävä tai kirjoittaminen ei ollut, koska se oli tylsää. Neljä vastausta koski etenemisen kiireellisyyttä. Kolme vastaajaa koki toiminnan tutuksi ja kaipasi vaihtelua. 56

5 Miksi se oli? 60 % 55,90 % 50 % 40 % % vastanneista 30 % 20 % 10 % 6,30 % 10,80 % 9,00 % 12,60 % 7,20 % 0 % Uutuus Vaihtelu Tietokoneet kiinnostavia Mallinnus 1 % 2,70 % Hauskuus Vaikeus Helppous Itse tekeminen ja oppiminen 1 % Oheistoiminta Kuva 3. Syyt tietokoneavusteisen molekyylimallinnuksen kiinnostavuuteen. 4. Johtopäätökset ja pohdinta Tietokoneavusteinen molekyylimallinnuksen käyttö kemian opetuksessa oli suurimmasta osasta tutkimukseen osallistuneista yhdeksäsluokkalaisista kiinnostava työskentelytapa. Kemian opettajien tulisi harkita sen käytön lisäämistä perusopetuksen työtapana oppilaiden kiinnostuksen tukemiseksi. Myös molekyylien rakentaminen ja vertailu kiinnosti yhdeksäsluokkalaisia oppilaita. Erityisesti molekyylien rakennetta opiskeltaessa on tutkimustulosten perusteella suositeltavaa harkita tietokoneavusteisen mallinnusharjoituksen käyttämistä oppimisympäristönä. Kansainvälisessä ROSE-tutkimuksessa atomit ja molekyylit -aihe oli kymmenen vähiten oppilaita kiinnostavan aiheen joukossa (Jenkins & Pell, 2006). Kemian opetuksessa tulisi opetussuunnitelmien perusteiden mukaisesti käyttää kemialle ominaisia menetelmiä ja opetuksen työtapoja, joiden avulla tuetaan ja ohjataan oppilaan oppimista sekä kiinnostusta. Tietokoneavusteinen molekyylimallinnus kuuluu nykyaikaiseen kemian opetukseen perusopetuksesta lähtien. 5. Lähteet Aksela M. & Juvonen R. (1999). Kemian opetus tänään -tutkimus, Moniste 27/1999, Opetushallitus, Edita Oy, Helsinki. Aksela, M. & Lundell, J. (2007).Kemian opettajien kokemuksia tietokoneavusteisesta molekyylimallinnuksesta. Teoksessa Aksela, M. & Montonen, M. (toim.), Uusia lähestymistapoja kemian opetukseen perusopetuksesta korkeakouluihin, Opetushallitus, Helsinki, osa III, s Arinen P. & Karjalainen T. (2007). PISA 2006 ensituloksia 15-vuotiaiden koululaisten luonnontieteiden, matematiikan ja lukemisen osaamisesta, Yliopistopaino, Opetusministeriön julkaisuja 2007:38. 57

6 Barnea, N. (2000). Teaching and Learning about Chemistry and Modelling with a Computer Managed Modelling System. Teoksessa Gilbert, J. K. & Boulter, C. J. (toim.) Developing Models in Science Education, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, s Hidi, S., Renninger, A. & Krapp, A. (2004), Interest, a motivational variable that combines affective and cognitive functioning, Teoksessa D.Y. Dai & R.J. Sternberg (toim.), Motivation, emotion, and cognition, Lawrence Erlbaum Associates, Mahwah, NJ, USA, s , 455. Jenkins, E.W. & Pell, R.G. (2006). The Relevance of Science Education Project (ROSE) in England: a summary of findings. Centre for Studies in Science and Mathematics Education, University of Leeds, s. 16, 63. Krapp, A. (2002). Structural and dynamic aspects of interest development: theoretical considerations from an ontogenetic perspective. Learning and Instruction, 12, Krapp, A., Hidi, S. & Renninger, K.A. (1992). Interest, Learning and Development. Teoksessa Renninger, S., Hidi, A. & Krapp, A. (toim.), The Role of Interest in Learning and Development, Lawrence Erlbaum Associates, s Lavonen J., Juuti K., Meisalo V., Uitto, A. & Byman R. (2005). Attractiveness of Science Education in the Finnish Comprehensive School. Teoksessa Manninen, A., Miettinen, K. & Kiviniemi, K. (toim.), Research Findings on Young People s Perceptions of Technology and Science Education, Mirror results and good practises. Helsinki: Technology Industries of Finland. Nenninger, P. (1992). Task Motivation: An Interaction between the Cognitive and Content-oriented Dimension in Learning. Teoksessa Renninger,S., Hidi, A. & Krapp, A. (toim.), The Role of Interest in Learning and Development, Lawrence Erlbaum Associates, s , 461. POPS. (2004). Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet. Opetushallitus, Helsinki. 58