REAKTIONOPEUS IHMISKEHOSSA TUTKIMUKSELLINEN TYÖ YLÄKOULULAISILLE Essi Purhonen 1, Krista Iltanen 1 & Sini Hänninen 1 1 Kemian opettajankoulutusyksikkö, Helsingin yliopisto Tiivistelmä Ihmisen elintoiminnot perustuvat kemiallisiin reaktioihin, joita tapahtuu kehossamme tuhansia joka sekunti. Merkittävää näissä reaktioissa on niiden nopeus. Tässä artikkelissa esitellään tutkimuksellinen lähestymistapa reaktionopeuksien opiskeluun yläkoulussa. Oppimiskokonaisuuden tavoitteena on tutkia ja havainnollistaa reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä kemian ja biologian oppiaineita eheyttäen. Ihmiskehon kontekstiin sidotun työn avulla on tarkoitus luoda opittavista asioista merkityksellinen kokonaisuus ja näin herättää oppilaiden kiinnostus luonnontieteitä ja sen sovelluksia kohtaan. Tutkittavina ilmiöinä ovat lämpötilan sekä lähtöaineen konsentraation vaikutus entsyymaattisesti katalysoidun reaktion nopeuteen ihmiskehossa. Työssä kannustetaan oppilaita keskustelemaan kemian kielellä luonnonilmiöistä sekä kemian ja biologian prosesseista niin pienryhmissä kuin niiden välilläkin. Vertais- ja itsearvioinnilla tuetaan luonnontieteiden kokeellisen luonteen ymmärtämistä sekä oppilaan analyyttisten taitojen kehittymistä. 1 Johdanto Tämä työ on yläkouluikäisille suunnattu monipuolinen oppimiskokonaisuus, jonka avulla tutustutaan reaktionopeuteen vaikuttaviin tekijöihin. Työssä yhdistyvät tutkimuksen suunnittelu ja toteuttaminen, tieto- ja viestintätekniikka sekä prosessidraama. Työ liittyy perusopetuksen opetussuunnitelman sisältöalueisiin luonnontieteellinen tutkimus (S1) ja aineiden ominaisuudet ja muutokset (S6), johon kuuluu reaktionopeuksien havainnointi ja niihin vaikuttavien tekijöiden pohtiminen. (Opetushallitus, 2014). Työn kontekstina on ihmiskeho, mutta soveltavassa pohdintaosiossa sivutaan myös reaktionopeuteen vaikuttavien tekijöiden merkitystä teollisuudessa. Tarkoituksena on havainnollistaa oppilaille kemian ja sen sovellusten merkitystä arkipäivässä ja etenkin ihmiskehon elintoiminnoissa kemiaa ja biologiaa eheyttäen. Kahden tutkimuksen ja niihin liittyvien ennakkopohdintojen sekä tutkimusten toteuttamista edesauttavien kysymysten tavoitteena on kannustaa oppilaita muodostamaan omia kysymyksiä tarkasteltavista ilmiöistä sekä kehittämään kysymyksiä edelleen tutkimusten ja muun toiminnan lähtökohdiksi (POPS, T5). Oppilaita myös tuetaan ja innostetaan
keskustelemaan kemian ilmiöistä ja kehittämään kemian kielellä puhumisen taitoja sekä johtopäätösten tekoa (POPS, T1). Tekemiensä johtopäätösten käsittelyyn ja tulkintaan oppilaat saavat tukea Coloradon yliopiston PhET-sivuston Reactions and Rates -simulaatiosta, joka havainnollistaa reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä atomitasolla (Reactions & Rates). Oppilaiden raporttien tuottaminen yhteiselle pilvipalvelulle ja vertaisarviointi tukevat oppilaiden omien tutkimusten tuloksien esittämistä ja arvioimista sekä havainnollistavat luonnontieteellisen tiedon luonnetta ja tieteellisiä tapoja tiedon tuottamiseen (POPS, T7 ja T13). 2 Teoria 2.1 Työn kemia Törmäysteorian mukaan kemiallisen reaktion tapahtumisen edellytyksenä on reagoivien hiukkasten törmääminen riittävällä energialla. Törmäävien hiukkasten tulee törmätä toisiinsa sopivassa suunnassa (orientaatiossa) ja riittävän suurella energialla, jotta reaktion käynnistymiseksi vaadittava aktivaatioenergia ylittyy. Reaktiolle suotuisten törmäysten määrää ja siten reaktionopeutta voidaan kasvattaa muuttamalla reaktio-olosuhteita: lämpötilaa, konsentraatiota, aineen hienojakoisuutta ja käyttämällä katalyyttia. Reaktion nopeutta voidaan mitata lähtötuotteiden häviämisen tai reaktiotuotteiden muodostumisen ja ajan muutoksen suhteena. (Tro, 2014) Kun lämpötila nousee, hiukkasten kineettinen energia (liike-energia) kasvaa. Täten suotuisia törmäyksiä tapahtuu enemmän ja reaktio nopeutuu. Konsentraation kasvattaminen lisää hiukkasten määrää, jolloin ne myös törmäilevät toisiinsa enemmän ja todennäköisemmin myös sopivassa suunnassa, joten reaktio nopeutuu. Mitä hienojakoisempaa aine on, sitä suurempi on reagoiva pintaala ja törmäyksiä voi tapahtua enemmän, joten reaktionopeus kasvaa. Katalyytti on reaktiota nopeuttava aine, joka ei itse kulu reaktiossa. Katalyytti alentaa reaktion aktivaatioenergiaa ja siten nopeuttaa reaktion tapahtumista. (Tro, 2014) Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä, useimmiten proteiineja. Entsyymeillä on aktiivinen kohta, johon substraatit, eli reagoivat aineet, kiinnittyvät. Substraatit joko hajoavat tai yhdistyvät muodostaen reaktiotuotteita. Entsyymit ovat spesifejä, eli ne voivat sitoutua vain tietynlaisiin substraatteihin. (Tro, 2014) Työssä käytetään katalaasientsyymiä, jota on muun muassa maksassa ja hiivassa. Vetyperoksidi on vedystä ja hapesta koostuva voimakas hapetin, joka hajoaa itsestään vedeksi ja hapeksi.
Kuva 1. Vetyperoksidin hajoaminen vedeksi ja hapeksi. Vetyperoksidin hajoamisreaktio on erittäin hidas, mutta sitä voidaan nopeuttaa katalyytin avulla. Vetyperoksidi on syövyttävää, haitallista nieltynä ja vaurioittaa vakavasti silmiä. Vetyperoksidia käsiteltäessä on käytettävä suojakäsineitä, suojatakkia sekä suojalaseja. Jos kemikaalia joutuu silmiin, silmiä tulee huuhtoa välittömästi ja huolellisesti vedellä usean minuutin ajan. Piilolinssit tulee poistaa, jos sen voi tehdä helposti. Lopuksi on hakeuduttava lääkäriin. 2.2 Kontekstuaalinen oppiminen Kontekstilla tarkoitetaan aihepiiriä, johon opittavat asiat kytketään. Kontekstin avulla luodaan pohja opittaville asioille kytkemällä ne arkielämään sekä mahdollisesti eri tieteenalojen merkityksellisiin kysymyksiin. Kontekstissa opittavat asiat voivat olla sidoksissa oppilaiden omaan elämään ja henkilökohtaisiin kokemuksiin tai esimerkiksi yhteiskunnan kannalta relevantteihin ongelmiin. Kontekstuaalista oppimista voidaan käyttää useita oppiaineita integroivan opetuksen pohjana, koska arkielämän ilmiöt tarjoavat mielenkiintoisia tieteidenvälisiä konteksteja. Kun siirrytään tutusta kontekstista uuteen, opittavien asioiden merkityksellisyys on helpompi hahmottaa, mikä voi motivoida ja innostaa oppilaita oppimaan aivan eri tavalla.
Kontekstuaalinen oppiminen on tärkeää, sillä tutkimusten mukaan peruskoululaisten ja lukiolaisten kiinnostus tiedeaineita kohtaan on vähentynyt. Oppilaat eivät koe oppimansa tiedon olevan merkityksellistä heidän oman elämänsä kannalta (Aikenhead, 2006; Marks & Eilks, 2010). Oppilaiden elämään liittyvän kontekstin yhdistäminen opittaviin asioihin lisää kiinnostusta luonnontieteitä ja oppimista kohtaan (Gilbert, 2006). Koska ihmiskeho on konteksti, joka koskettaa meitä kaikkia, pyritään sen avulla parantamaan kemian opiskelun mielekkyyttä kehittämässämme tutkimuksellisessa työssä. 2.3 Tutkimuksellisuus Tässä työssä käytetään reseptimäisen kokeellisuuden sijaan ohjattua tutkimuksellista lähestymistapaa. Ymmärrys luonnontieteiden luonteesta syvenee, kun tieteen tekeminen hahmotetaan prosessina, johon kuuluu kokeellisen osuuden lisäksi paljon muutakin. Luonnontieteiden opetuksessa huomiota tulisi kiinnittää luonnontieteelliseen epistemologiaan eli siihen, miten tietoa tuotetaan, millä tavoin sitä arvioidaan ja miten keskustelu ja vertaisarviointi toimivat tiedeyhteisöissä. Oppilaat tarvitsevat tilaisuuksia tieteellisten ideoiden ja tieteellisen ajattelun harjoitteluun yhdessä muiden oppilaiden ja opettajan kanssa (Driver, Newton & Osborne, 2000). Tutkimuksellisuus voi tarjota näitä tilaisuuksia, kuten tässä työssä osoitetaan. Kuten tässäkin työssä on tehty, perinteisestä työohjeesta voidaan laatia ohjattu tutkimuksellinen työohje poistamalla siitä yksityiskohtaiset suoritusvaiheet. Oppilaita voidaan pyytää suunnittelemaan sellainen tutkimusmenetelmä, jonka avulla etsitään vastauksia tutkimuskysymykseen (Bell, Smetana & Bills, 2005; Brown & al., 2006; Wilke & Straits, 2005). Tässä työssä oppilaat kehittävät itse omat tutkimuksensa, joilla he pyrkivät vastaamaan annettuihin tutkimuskysymyksiin. Tässä työssä on siis kyse ohjatusta tutkimuksellisuudesta (engl. guided inquiry), jossa opettaja määrittää tutkimuskysymyksen, mutta oppija itse on vastuussa tiedon keräämisen menetelmän kehittämisestä sekä tulostensa tulkitsemisesta (Schwab 1962; Abrams, Southerland & Evans, 2008). Toisaalta tämä työ on suunniteltu niin, että siitä saa muokattua myös suljetumman kokonaisuuden, jos ryhmä tai aikataulu sitä vaatii. 2.4 Tieto- ja viestintätekniikka Tieto- ja viestintätekniikan avulla voidaan tukea oppilaan ajattelutaitojen kehittymistä. Erilaisten sovellusten välityksellä voidaan tukea myös oppilaan tiedonhankinta- ja tiedontuottamistaitojen kehitystä ja ohjata oppilasta asettamaan ongelmanratkaisutavoitteita, tekemään päätelmiä ja selittämään tutkimuksen kohteena olevia ilmiöitä. Samalla oppilaiden vastuu omasta oppimisprosessista lisääntyy. Tieto- ja viestintätekniikan sovellukset myös mahdollistavat tutkivan
oppimisen kokeilun käytännössä sekä vaihtoehtoisten käytäntöjen kokeilemisen ilman aikaavievää perinteistä laboratoriotyöskentelyä. (Hakkarainen et al., 1999) Tieto- ja viestintätekniikan sovellusten, esimerkiksi tekstinkäsittely- ja muiden työvälineohjelmien, avulla oppilas voi hallita kognitiivista kuormitustaan ja suorittaa monimutkaisempia tehtäviä kuin muutoin olisi mahdollista. Ne myös rohkaisevat oppilasta kehittelemään käsityksiään kirjallisesti ja visuaalisesti, mikä tukee oppilaan käsitteellisen ymmärryksen syvenemistä. Samalla oppilaan tiedonkäsittelyprosesseista tulee näkyviä. (Hakkarainen et al., 1999) Tiedon aktiivisen kehityksen ja rakentumisen lisäksi tieto- ja viestintätekniikan sovelluksia voidaan käyttää yhteisöllisen ja vuorovaikutteisen oppimisen tukena. Oppilaan tuottamaa tietoa voidaan käyttää koko oppimisyhteisön hyväksi ja oppilaat voivat vertailla omia käsityksiään, selityksiään, argumenttejaan ja johtopäätöksiään toisten oppilaiden vastaaviin. Oppilaat voivat myös kommentoida toistensa töitä, jolloin jo työstämisvaiheessa oppilas joutuu tarkastelemaan omaa työtään ulkopuolisen näkökulmasta, mikä kehittää oppilaan metakognitiivista tietoa. Tämä voi myös rohkaista oppilasta pyrkimään parempaan lopputulokseen. Verkostopohjaisten yhteisöllisten oppimisen ympäristöjen avulla oppilaat saavat aitoja kokemuksia tutkimusprosesseista ja mahdollisuuden harjoitella niissä tarvittavia taitoja, mikä voi innostaa oppilaita ajattelemaan itseään tieteen tekijöinä tai tutkijoina. (Hakkarainen et al., 1999) 2.5 Arviointi Luonnontieteellisen tutkimuksen arvioinnissa olennaista on monipuolisuus (Näsäkkälä, Flinkman & Aksela, 2001). Arviointiin voi opettajan lisäksi osallistua oppija itse sekä muut opiskelijat. Tässä työssä käytetään itse- ja vertaisarviointia herättämään ajatuksia ja tuomaan esiin luonnontieteiden luonnetta, toisin sanoen teorioiden ja tutkimusten kehittämisprosessia, virhelähteiden analysointia sekä tutkimustulosten tulkitsemista. Vertaisarviointi on hyvä tapa saada oppilaat pohtimaan ja arvioimaan kriittisesti omaa ja toisten tekemistä. Vertaispalautteen käytöstä hyötyvät sekä arvioinnin kohteena oleva että arvioija. Rakentavan palautteen antaminen on tärkeä taito, jota opiskelijat pääsevät vertaisarvioinnin kautta kehittämään. Arvioidessaan itseään opiskelijat kehittävät analyyttisiä taitojaan. Oman työskentelyn ja ajatusmallien reflektoiminen on tärkeää. Itsearvioinnin myötä myös metakognitiiviset taidot kehittyvät, kun opiskelija tulee tietoisemmaksi omasta ajattelustaan ja oppimisestaan (Tynjälä, 1999). SOLO-taksonomia kuvaa tiedon hierarkkista järjestäytymistä. SOLO-taksonomiassa ajattelun tasot on määritelty seuraavasti: kvantitatiiviseen tasoon kuuluvat yksirakenteinen taso, joka liittyy lähinnä tiedon muistamiseen, sekä monirakenteinen taso, johon liittyy esimerkiksi tiedon
kuvaileminen, siitä keskusteleminen sekä sen arviointi. Kvalitatiiviseen tasoon taas kuuluvat suhteellinen taso, joka on ongelmanratkaisukeskeinen ja jolla tietoa sovelletaan, analysoidaan ja asioita päätellään, sekä laajennettu abstrakti taso, johon kuuluvat teoretisointi, hypoteesien tekeminen ja reflektointi (Tomperi, 2015). Kvantitatiivisessa vaiheessa tiedon määrä lisääntyy, kun taas kvalitatiivisessa vaiheessa ymmärrys aiheesta syvenee (Biggs & Tang, 2007). SOLO-taksonomiaa voidaan käyttää arvioinnin välineenä, jolloin arvioinnin kohteena on oppijan sijaan hänen ajattelunsa piirteet (Biggs & Collis, 1982). SOLO-taksonomian avulla opettaja voi kuvata ja arvioida oppilaiden vastausten perusteella, kuinka he jäsentävät ja käyttävät oppimaansa tietoa (Tomperi, 2015). Tässä työssä pyritään kannustavien kysymysten avulla kartoittamaan oppilaiden ajatusprosessia kaikissa työn vaiheissa. Työn avulla pyritään viemään oppilaiden ajattelua kvalitatiiviselle tasolle oman työn suunnittelun, oman työn analysoinnin ja evaluoinnin sekä reflektoinnin kautta. 3 Tavoitteet ja suunniteltu oppimiskokonaisuus 3.1 Työn tavoitteet, sisältöalueet ja opetussuunnitelma Työ liittyy perusopetuksen opetussuunnitelman sisältöalueisiin luonnontieteellinen tutkimus (S1) ja aineiden ominaisuudet ja muutokset (S6), johon kuuluu reaktionopeuden havainnointi ja siihen vaikuttavien tekijöiden pohtiminen. (Opetushallitus, 2014). Työn tavoitteena on: tutkia ja havainnollistaa reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä (POPS, S6), saada oppilaat kiinnostumaan kemiasta ja näkemään kemian merkityksen arkipäivän prosesseissa (POPS, T1, T3), osoittaa reaktionopeuteen vaikuttavien tekijöiden merkitys myös ruokateollisuudessa (POPS, T3), syventää käsitystä ihmiskehon elintoiminnoista reaktionopeuksien kontekstissa (liittyy Biologian sisältöalueeseen S5), kannustaa oppilasta muodostamaan kysymyksiä tarkasteltavista ilmiöistä sekä kehittämään kysymyksiä edelleen tutkimusten ja muun toiminnan lähtökohdiksi (POPS, T5), innostaa oppilaita keskustelemaan kemian ilmiöistä ja kehittää kemian kielellä puhumisen taitoja sekä johtopäätösten tekoa (POPS, T1), ohjata oppilasta toteuttamaan kokeellisia tutkimuksia yhteistyössä muiden kanssa sekä työskentelemään turvallisesti ja johdonmukaisesti (POPS, T6), ohjata oppilasta käsittelemään, tulkitsemaan ja esittämään omien tutkimustensa tuloksia sekä arvioimaan niitä ja koko tutkimusprosessia (POPS, T7) sekä ohjata oppilasta hahmottamaan luonnontieteellisen tiedon luonnetta ja kehittymistä sekä tieteellisiä tapoja tuottaa tietoa (POPS, T13).
3.2 Suunniteltu oppimiskokonaisuus Tässä tutkimuksellisessa työssä kontekstina toimii ihmiskeho. Reaktionopeuksia käsitellään erityisesti ihmiskehon kontekstissa, mikä auttaa nostamaan esille reaktionopeuksiin vaikuttavien tekijöiden tärkeyden. Työn loppuvaiheessa opittuja asioita sovelletaan myös teollisuuden kontekstissa, jolloin korostetaan muitakin syitä, miksi reaktionopeuteen liittyvät tekijät on tärkeää ottaa huomioon. Kehittämässämme työssä pyritään kokeellisen tutkimuksellisuuden kautta toteuttamaan kokemuksellista kemian oppimista. Tarkoituksena on kannustaa oppilasta operoimaan käsitteellisesti korkeammalla tasolla. Kontekstin avulla pyritään luomaan eheyttävästä oppimiskokonaisuudesta merkityksellinen kokonaisuus, jonka tarkoitus on oppilaalle selkeä. Suunnittelemaamme oppimiskokonaisuuteen kuuluivat seuraavat osiot (yksityiskohtaiset työohjeet löytyvät opettajan ja oppilaan ohjeista). 1. Prosessidraama, joka toteutetaan edellisellä oppitunnilla. Prosessidraaman avulla visualisoidaan lämpötilan ja konsentraation vaikutusta reaktionopeuteen. 2. Ennakkokysymykset, jotka toteutetaan keskustellen oppilaiden kanssa. 3. Tutkimus lämpötilan vaikutuksesta reaktionopeuteen. Ensin oppilaat lisäävät leivinjauhetta lämpimään veteen ja havainnoivat, mitä tapahtuu, sekä pohtivat, mitä kysymyksiä heissä herää. Oppilaat etsivät tarvittaessa internetistä tietoa tapahtuvasta reaktiosta. Oppilaat tutkivat opettajan kannustamana, mitä ilmapallolle tapahtuu, kun se pingotetaan erlenmeyerpullon suuaukolle. Tämän jälkeen he saavat seuraavan ohjeistuksen tutkimuksellisen työn suorittamiseksi: Suunnittele tutkimus, jonka avulla voit testata lämpötilan vaikutusta leivinjauheen ja veden reaktionopeuteen. Käytettävänäsi on erlenmeyerpulloja, vettä eri lämpötiloissa, leivinjauhetta sekä ilmapalloja. Kirjoita ylös havaintosi. 4. Tutkimuksensa avulla oppilaat vastaavat liitteenä esitettyihin kysymyksiin ja selittävät tutkimustuloksiaan PhET-simulaation avulla (sis. formatiivinen ja summatiivinen arviointi). 5. Johdanto työn seuraavaan osioon kysymysten avulla, joiden tehtävänä on linkittää lämpötilan vaikutus reaktionopeuteen ihmiskehon kontekstissa ja esitellä entsyymien tarve. Seuraavan osion aiheena on konsentraation vaikutus entsymaattisesti katalysoidun reaktion nopeuteen. 6. Videon katselu johdantona entsyymien toimintaan. 7. Demonstraatio vetyperoksidin hajoamisesta. Tarkoituksena on näyttää, että ilman entsyymiä reaktio tapahtuu todella hitaasti, mutta entsyymin kanssa nopeasti. 8. Tutkimuksellinen työ, jonka tarkoituksena on tutkia lähtöaineiden konsentraation vaikutusta reaktionopeuteen. Oppilaat saavat seuraavan ohjeistuksen: Mitä jos lähtöaineen, eli vetyperoksidin, konsentraatiota muuttaa? Minkälainen vaikutus konsentraation muutoksella on reaktionopeuteen? Sinun tehtävänäsi on suunnitella tutkimus ja selvittää, miten asia on! Kirjoita ylös havaintosi. 9. Tutkimuksensa avulla oppilaat vastaavat liitteenä esitettyihin kysymyksiin ja selittävät tutkimustuloksiaan PhET-simulaation avulla (sis. formatiivinen ja summatiivinen arviointi). 10. Koontikysymykset ja soveltavat kysymykset (sis. summatiivinen arviointi). Suunniteltua oppimiskokonaisuutta testattiin kahdella ryhmällä kahdeksasluokkalaisia oppilaita. Aikaa kummallakin ryhmällä oli vain tunti, joten oppimiskokonaisuutta testattiin vain soveltuvin osin. Testauksessa toteutettiin osat 5-10.
3.3 Oppimiskokonaisuuden arviointi Oppimiskokonaisuuden arvioinnissa käytetään diagnostistista, formatiivista ja summatiivista arviointia. Diagnostisena arviointina toimivat ennakkokysymykset, joiden avulla kartoitetaan oppilaiden ennakkotietoja, sekä tukikysymykset, joita opettajan on tarkoitus esittää oppilaiden suunnitellessaan tutkimuksiaan. Tukikysymykset toimivat myös etenkin formatiivisena arviointina, sillä niiden avulla kartoitetaan oppilaan ymmärrystä ja edistymistä. Summatiivisena arviointina toimii yhteinen koonti sekä itse- ja vertaisarviointi, joissa oppilaat joutuvat sanoittamaan ajatuksensa ja pohtimaan tutkimustensa tuloksia kriittisesti. Myös mahdollinen oppilaiden tekemä raportti omasta tutkimuksestaan voi olla osana summatiivista arviointia. 3.4 Tieto- ja viestintätekniikka oppimiskokonaisuuden osana Coloradon yliopiston PhET-sivuston Reactions and Rates simulaatiota (Reactions & Rates) käytetään tässä työssä oppimisen tukena reaktion kinetiikan havainnollistamisessa. Simulaatiossa oppilas näkee sub-mikrotasolla yksittäisten hiukkasten törmäävän ja reagoivan keskenään muodostaakseen uuden yhdisteen. Simulaatio visualisoi reaktiota eri näkökulmasta ja on kokeelliselle tutkimiselle hyvä vastapaino ja lisä. Simulaation avulla oppilas voi todeta, ettei jokainen hiukkasten välinen törmäys johda reaktioon. Se, kuinka paljon oppilas antaa molekyylille tai atomille laukaisijalla vauhtia, määrää hiukkaselle siirtyvän kineettisen energian määrän. Hiukkasen kineettinen energia, tai oppilaan suoraan näkemä vauhti, määrää onko törmäyksessä tarpeeksi energiaa reaktion aikaansaamiseksi. Jos laukaisijaa vetää liian hiljaa, ei reaktiota tapahdu, koska hiukkanen ei pääse reaktion käynnistymiseksi vaaditun aktivaatioenergianyppylän yli. Kuitenkaan jokainen korkeaenergisistäkään törmäyksistä ei johda reaktioon, koska myös törmäysorientaation on oltava oikea. Molekyylit eivät yleensä voi reagoida missä tahansa orientaatiossa. Jos molekyylit ovat toisiinsa nähden väärässä asennossa, ei esimerkiksi sidosten katkeamista välttämättä tapahdu. Nopeuden ja orientaation vaikutuksen reaktion tapahtumiseen oppilas voi havaita "single collision -välilehdellä. Oppilaan siirtyessä many collisions -osioon hän voi tutkia konsentraation ja lämpötilan vaikutusta reaktionopeuteen. Rate experiments -kohdassa oppilas voi testata omia hypoteesejaan valitsemalla erilaisia reaktioita ja reagenssimääriä sekä muuttamalla reaktioolosuhteita. Kaikissa osioissa on energiadiagrammit, jotka auttavat oppilasta havainnollistamaan hiukkasen energian ja aktivaatioenergian välistä suhdetta sekä sen vaikutusta siihen, tapahtuuko reaktiota.
Työhön liittyvää prosessia ja sen tuloksia voidaan koota esimerkiksi ryhmän tai luokan yhteiseen pilvipalveluun, kuten Padletiin tai Poppletiin. Näin oppilaat voivat luoda omannäköisensä tuotoksen raportoiden työn suorittamiseen liittyviä vaiheita ja prosessin aikana syntyneitä ajatuksia. Yhteisen pilvipalvelun avulla oppilaiden on myös helppo seurata toisten oppilaiden työskentelyprosessia ja vertailla sekä arvioida toistensa työskentelyä ja johtopäätöksiä. 4 Tulokset Suunniteltua oppimiskokonaisuutta testattiin kahdella ryhmällä kahdeksasluokkalaisia oppilaita. Tutkimuksen suorittamista varten oppilaat jaettiin vielä ryhmien sisällä pienempiin, kahden tai kolmen hengen, ryhmiin. Aikaa testauksissa oli vain tunti, joten oppimiskokonaisuutta testattiin vain soveltuvin osin. Ennakkokysymykset oli tarkoitus toteuttaa keskustellen, mutta ryhmät olivat hiljaisia eivätkä lähteneet keskusteluun mukaan, kuten oli ajateltu. Oppilaita yritettiin johdatella keskusteluun ja kannustettiin vastaamaan kysymyksiin sanomalla, ettei vääriä vastauksia ole ja mitä tahansa mieleen tulevaa saa sanoa, vaikkei täysin vastaisikaan esitettyyn kysymykseen. Vastahakoisten aloituskeskustelujen ajateltiin johtuvan uudesta vieraasta tilanteesta, jossa opettajina toimi kolme vierasta aikuista. Aikuisia oli myös kokonaisuudessaan oppimistilannetta seuraamassa miltei yhtä monta kuin oppilaita oli. Oletettavasti tämä oppilaiden toimintaa seuraavien silmäparien suuri lukumäärä vaikutti oppilaiden käyttäytymiseen. Koska keskustelusta ei tuntunut tulevan mitään, taktiikkaa vaihdettiin ja avoimien kysymysten sijaan oppilailta kysyttiin kysymyksiä, joihin vastatakseen tarvitsi vain viitata. Tämä paransi aktiivisuutta huomattavasti, sillä miltei kaikki oppilaat viittasivat vastaukseksi kysyttyihin kysymyksiin. Ennakkokysymysten ja kontekstin luomisen (teoriaosuus) jälkeen siirryimme suoraan konsentraatiotutkimukseen, eli oppilaat suunnittelivat omia tutkimuksiaan määrittääkseen, miten konsentraatio vaikuttaa entsymaattisesti katalysoidun reaktion nopeuteen. Oppilaita kannustettiin tutkimussuunnittelun aikana kysymään kysymyksiä toisiltaan, ja he silminnähden aktivoituivat. Oppilaat kyselivät toisiltaan paljon kysymyksiä: Miten näitä liuoksia laimennetaan? Mitä me mittaamme? Eikö meidän pitäisi testata tätä monta kertaa? Eikö kaikkien dekkojen tulisi olla samanlaisia? Eikö lämpötilaakin pitäisi jotenkin mitata? Oppilaat käyttivät keskusteluissaan kemian käsitteitä, kuten entsyymi, reaktionopeus ja konsentraatio. Oppimistuokio kannusti heitä puhumaan kemian kielellä, vaikka se aluksi vaikutti vaikealta. Ryhmissä, joissa keskustelu ei edennyt, ohjaajat johdattelivat olennaisten kysymysten äärelle johdattelevien kysymysten avulla. Kaikki ryhmät saivat keskusteluidensa innoittamana suunniteltua koeasettelun, jonka avulla he lähtivät selvittämään tuloksia. Tulostensa perusteella oppilaat pystyivät päättelemään
konsentraation vaikuttavan entsymaattisesti katalysoidun reaktion nopeuteen siten, että mitä suurempi konsentraatio, sitä suurempi reaktionopeus. Ryhmiä, joiden tulokset vaihtelivat todella paljon ja trendit eivät olleet yhtä selkeitä kuin toisilla ryhmillä, kannustettiin pohtimaan mahdollisia virhelähteitä suunnittelemassaan koeasettelussa sekä vertaamaan tuloksia ja koeasettelua toisen ryhmän kanssa. Muun muassa seuraavia mahdollisia virhelähteitä oppilaat keksivät: Entsyymin määrä vetyperoksidissa lisääntyy jokaisen kokeilukerran jälkeen eli vetyperoksidin hajoamisnopeus kasvaa. Suodatinpaperipalaa on vaikea saada samalla tavalla dekantterilasin pohjalle jokaisella kerralla. Hiivaliuosta unohdettiin sekoittaa. Kaikissa suodatinpaperipaloissa ei luultavasti ollut juuri samaa määrää hiivaliuosta. Hiivaliuos ei ollut homogeenistä. Joskus suodatinpaperipala jäi osin kiinni pinsetteihin ja pinsetit vetivät sitä ylöspäin niin, että se nousi nopeammin. Ajan ottaminen oli erittäin vaikeaa ja epätarkkaa. Kokonaisuudessaan oppilaiden työskentely oli innokasta, johdonmukaista ja itsenäistä. Ohjaajat toimivat keskustelun ylläpitäjinä ja rohkaisivat oppilaita kokeilemaan omia ideoitaan, mutta suurin osa ryhmistä ei tarvinnut johdattelua. Kokeellisen työskentelyn aikana huomattiin, että suurin osa oppilaiden spontaanisti toisilleen esittämistä oli samoja, joita olimme suunnitelleet käytettävän ohjaavina kysymyksinä oppilaiden työskentelyn tukena. Kysymyksiä olivat esimerkiksi: Mitä tutkimuksessa pitää kontrolloida ja miksi? Miten liuoksia laimennetaan? Mitä aika, joka suodatinpaperikiekon nousemiseen menee, kertoo meille reaktion nopeudesta? Riittääkö yhden kerran testaaminen antamaan meille luotettavia tuloksia? Koska oppilaat osasivat itse hyödyntää näitä kysymyksiä suunnitteluprosessinsa tukena, voidaan prosessin sanoa olleen kyseisillä oppilasryhmillä hyvin itseohjautuva. Oppilaat olivat innokkaita ja kiinnostuneita, vaikkakin alussa ujoja vastaamaan ennakkokysymyksiin. Itse- ja vertaisarviointikysymyksissä oppilaat pohtivat omaa rooliaan tieteentekijöinä, omaa onnistumistaan ja toisten onnistumista työn suunnittelussa ja toteutuksessa sekä luonnontieteiden luonnetta yleensä. Koontikysymysten perusteella monissa ryhmissä oli sujuvaa pohdintaa luonnontieteiden luonteesta, ja kaikki ryhmät osasivat selittää saamiensa tutkimustuloksen merkityksen ja jopa kytkeä sen laajempaan kontekstiin soveltavien kysymysten avulla. Ryhmäkeskusteluissa oppilaat toivat monipuolisesti esiin erilaisia näkökulmia esimerkiksi tulosten luotettavuudesta. Yksi ryhmä jopa kytki tähän kontekstiin taloudellisen näkökulman pohtimalla, kuinka monta testausta on tarpeeksi, jotta saadaan luotettavia tuloksia, ja onko toistaminen taloudellisesti kannattavaa. Lisäksi ohjaajat kykenivät tarvittaessa menestyksekkäästi ohjaamaan keskustelua oppilaiden omasta vertaisarvioinnista vertaisarvioinnin tarpeeseen tieteen tekemisessä ylipäänsä. Ajanpuutteen vuoksi varsinainen soveltava osuus (robottitehtävä, kts. työohje) jäi kotiläksyksi.
Diagnostinen, formatiivinen ja summatiivinen arviointi osoittivat, että oppilaat haastoivat omaa ja toistensa ajattelua kysymällä kysymyksiä sekä suunnittelemalla ja kehittämällä tutkimuksiaan kysymystensä ja esittämiensä huomioiden pohjalta. Ennakkotietoa oli jonkin verran, mutta se ei vaikuttanut kovin syvälliseltä, eivätkä oppilaat vaikuttaneet kovinkaan varmoilta vastauksistaan. Oppimistuokion jälkeen oppilaat vaikuttivat oppineen paljon, sillä he olivat selkeästi (johdattelevien kysymysten innoittamana) ajatelleet aihetta syvällisellä tasolla. Tämä kävi ilmi sekä ohjaajien keskusteluissa oppilaiden kanssa tutkimusten aikana (formatiivinen arviointi) sekä yhteisestä loppukeskustelusta ja vastauksista tutkimuksesta kysyttyihin kysymyksiin (summatiivinen arviointi). Oppimistuokioita seuraamassa olleet vertaisarvioijat kokivat, että ihmiskeho toimi hyvin kontekstina tässä työssä ja auttoi tekemään opittavista asioista merkittäviä oppilaille itselleen. Työssä oli arvioijien mukaan käytetty hyvin apuna TVT-työkaluja: PhET-simulaatio, entsyymivideo sekä kysymykset ja vastaukset diaesityksenä tukivat heidän mukaansa hyvin aiheen oppimista. Myös luonnontieteiden luonne tuli arvioijien mukaan selkeästi esiin. Alun pohjustusta arvioitiin liian pitkäksi tunnin testaustuokioon nähden, koska tutkimiselle jäi alkupohjustuksen vuoksi valitettavan vähän aikaa. Toisaalta tutkiminen helpottuu huomattavasti, kun siihen on riittävät eväät. Millään ryhmällä ei jäänyt tutkiminen kesken, ja vain yhden pienryhmän tulosten selittäminen PhETsimulaation avulla jäi liian lyhyeksi. Tähän ainoa lääke olisi se, että varattaisiin enemmän aikaa oppimiskokonaisuuden toteuttamiselle. Jälkimmäisellä kerralla simulaatio käytiinkin ajan säästämiseksi koko luokan kanssa yhteisesti, kun ensimmäisellä kerralla oppilaat saivat tutustua oman pienryhmänsä kanssa sovellukseen opettajan ohjauksella. 5 Pohdinta Kokonaisuudessaan opetustuokiossa käytetty diagnostinen, formatiivinen ja summatiivinen arviointi paljastivat, että ainakin useimpien oppilaiden kohdalla oppimistuokiolle asetetut tavoitteet täyttyivät. Oppilaat menestyksekkäästi ja turvallisesti tutkivat ja havainnollistivat reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä. He vaikuttivat kiinnostuneilta etenkin tutkimusvaiheessa. Oppilaat kykenivät itsenäisesti ja tuetusti pohtimaan reaktionopeuteen vaikuttavien tekijöiden merkitystä arkipäivän prosesseissa sekä esimerkiksi ruokateollisuudessa. Oppilaiden ymmärrys ihmiskehon elintoiminnoista tuntui syvenevän oppimistuokion myötä, sillä vastaukset ennakkokysymyksiin olivat ihmiskehon osalta molemmissa testiryhmissä haparoivia ja epävarmoja, mutta koontikysymyksissä vastauksia tuli paljon enemmän ja oppilaat vaikuttivat varmemmilta. Toki tähän mahdollisesti vaikutti myös se, että he alussa olivat muutenkin ujoja ja hiljaisia.
Vaikka tunnissa kyettiinkin hyvin vastaamaan oppimistuokiolle asetettuihin tavoitteisiin oppimiskokonaisuudesta testatun osion osalta, olisi pidempi aika ehdottomasti ollut hyödyksi. Jos aikaa olisi ollut enemmän, ryhmille olisi voinut antaa enemmän tilaa pohtia tutkimuksiaan täysin itsenäisesti. Ohjaaminen toimi tässä tilanteessa hyvin, sillä sen avulla saatiin lyhyessä ajassa toteutettua näinkin avoin tutkimuksellinen kokonaisuus. Ihanteellista kuitenkin olisi, että aikaa itsenäiselle pohdinnalle varattaisiin reilusti. Myös vertaisarvioijilta kehuja saanut taktiikka muokata kysymyksistä viittaamalla vastattavia, on varmasti jatkossakin hyvä keino parantaa aktiivisuutta vieraan ryhmän kanssa, mutta myös ryhmäyttämiseen ja vapaamuotoisempiin keskusteluihin kannattaa käyttää aikaa. Jos aikaa on enemmän, kannattaa ennakkokysymykset toteuttaa porinatuokioina pienryhmissä niin, että opettaja kiertelee kuuntelemassa ja tarjoaa mahdollisesti lopuksi lyhyen synteesin kaikkien ryhmien keskusteluista, jolloin kukaan ei joudu koko luokan edessä estradille. Vähentämällä ohjeistuksen määrää ja johdattelevia kysymyksiä tätä oppikokonaisuutta voisi käyttää myös lukiossa. Vaikka materiaali on suunniteltu yläkouluikäisille, sopisi se ehdottomasti myös lukioon kemiaa ja biologiaa eheyttäväksi oppimiskokonaisuudeksi, jossa opittaisiin entsyymien ja reaktionopeuksien lisäksi myös tutkimisen taitoja sekä syvennettäisiin käsitystä luonnontieteiden luonteesta. Kokonaisuudessaan oppitunti vaikutti erittäin antoisalta sekä oppilaan että ohjaajan näkökulmasta. Testauksessa korostuivat ennen kaikkea ajattelutaidot sekä kiinnostus luonnontieteitä kohtaan, mikä olikin työn tavoite. Kun ottaa huomioon ryhmän tarpeet, tästä oppikokonaisuudesta voi muokata sopivan mille tahansa yläkoulu- tai lukioryhmälle.
6 Lähteet 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. 11-42). Charlotte, NC: Information age publishing. Aikenhead, G. (2006). Science education for everyday life: evidence-based practice. New York, NY: TC Press. Gilbert, J. (2006). On the nature of "Context" in chemical education. International Journal of Science Education, 28 9, 957-976. Hakkarainen, K., Lipponen, L., Ilomäki, L., Järvelä, S., Lakkala, M., Muukkonen, H., Rahikainen, M. & Lehtinen, E. (1999). Tieto- ja viestintätekniikka tutkivan oppimisen välineenä. Helsinki: Multiprint. Marks, R. & Eilks, I. (2010). Research-based development of a lesson plan on shower gels and musk fragrances following a socio-critical and problem-oriented approach to chemistry teaching. Chemistry Education Research and Practice, 11, 129-141. Overton, T., Byers, B. & Seery, M. (2009). Context- and problem-based learning in higher level chemistry education. Teoksessa I., Eilks & B., Byers, (toim.), Innovative methods of teaching and learning chemistry in higher education (s. 43-59). Cambridge: RSC Publishing. Reaction & Rates. Phet Interactive simulations. University of Colorado. Retrieved from: https://phet.colorado.edu/fi/simulation/reactions-and-rates Schwab, J.J. (1962). The teaching of science as enquiry. Teoksessa J.J. Schwab, & P.F. Brandwein (toim.) The teaching of science (s. 1-103). Cambridge, MA: Harvard University Press. Tro, N. (2014). Chemical kinetics. Teoksessa Chemistry: A molecular approach (3. painos, s. 660-701). Englanti: CPI UK.