Tieto- ja viestintätekniikka C- vitamiinin liukenemisen opetuksessa Pro gradu tutkielma Jyväskylän yliopisto Kemian laitos Kemian opettajakoulutus 27.6.2017 Pauli Sillanpää
Tiivistelmä Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää valmista oppimateriaalia kemian opetuksen tueksi. Tutkimus oli luonteeltaan kehittämistutkimus ja sen kehittämistuotoksena syntyi oppimateriaalia, joka käyttää hyväksi tieto- ja viestintätekniikkaa. Oppimateriaali on suunnattu ensisijaisesti lukiokäyttöön. Oppimateriaali kehitettiin tutkimuksessa käytetystä tehtävälomakkeesta. Kehittäminen tapahtui tutkimusdatan sekä aikaisempien tutkimusten ja artikkelien pohjalta. Oppimateriaali sisältää kolme osaa, joissa käydään tehtävä tehtävältä läpi C- vitamiinin liukenemiseen liittyviä kemiallisia ilmiöitä. Tehtävät suunniteltiin siten, että käydään ensin läpi pienempiä kokonaisuuksia ja lopuksi kootaan soveltavilla tehtävillä liukenemisen ilmiö yhdeksi kokonaisuudeksi. Opetusmateriaalin tavoitteena on, että tehtävien teon jälkeen oppilas ymmärtää liukenemisen käsitteen ja osaa soveltaa sitä muissakin kuin C- vitamiinin tapauksessa. Tutkimus tehtiin kehittämistutkimuksen menetelmin. Tutkimusdatan keräämiseen tutkimuksen aikana sovellettiin kvalitatiivisen tutkimuksen menetelmiä ja sitä käsiteltiin sisällönanalyysin menetelmin. Tutkimuksen avulla pyrittiin etsimään vastauksia kolmeen tutkimuskysymykseen: 1. tarvitaanko mallinnusohjelmien käyttöön opastusta opetuksen tarpeisiin?, 2. minkälaisilla tehtäväkohtaisilla ratkaisuilla voidaan vähentää oppilaan ohjausta tehtävien teon aikana? ja 3. miten animaatioita voidaan käyttää C- vitamiinin liukenemisen oppimisen tukena? Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että opastus koettiin tarpeelliseksi niin ohjelmien toimintojen löytämiseen kuin niiden avulla tehtävien ratkaisemiseen. Tehtävä- ja ohjelmakohtaiset opastukset liitettynä oppimateriaaliin vähentävät oppilaan ohjausta tehtävien teon aikana. Animaatiot havaittiin hyödyllisiksi selventämään opeteltavia asioita, jolloin niitä käytetään vaihtoehtoisena esitystapana jo opitulle asialle. i
Esipuhe Tämä pro gradu tutkielma aloitettiin syksyllä 2016 ja saatiin päätökseen kesällä 2017. Tutkimus tehtiin Jyväskylän yliopiston kemian laitokselle. Tutkimuksen aiheeseen päädyttiin halusta tehdä jotain konkreettisesti kemian opetukseen liittyvää ja C- vitamiini valikoitui tutkimuksen kontekstiksi, koska myös kandidaatin tutkintoni sivusi samaa molekyyliä. Tutkimuksessa käytetyt lähteet löytyivät pääasiassa Google scholarin hakutoimintoja käyttäen. Hyviä lähdevinkkejä sain myös ohjaajalta. C- vitamiinin kemian osuudessa käytin pääasiassa yliopiston oppikirjoja. Tutkimuksen ohjaajana toimi Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen professori Jan Lundell, jonka kanssa käydyt keskustelut ja häneltä saadut palautteet avasivat tutkimuksen edetessä tulleita haasteita ja edesauttoivat tutkimuksen valmistumista. Suuret kiitokset Jan Lundellille kaikesta avusta ja motivoivasta ohjauksesta! Kiitokset kuuluu myös vaimolleni ja kaikille niille läheisilleni, jotka kannustivat ja tukivat tutkielman tekemisen aikana. ii
Sisällysluettelo Tiivistelmä... i Esipuhe... ii Sisällysluettelo... iii 1 Johdanto... 1 2 C- Vitamiinin kemiaa... 3 2.1 C- vitamiini kemiallisesti... 5 2.1.1 Kemialliset sidokset: kovalenttinen sidos... 5 2.1.2 Kovalenttisen sidoksen poolisuus... 7 2.1.3 Molekyylin poolisuus... 8 2.2 Funktionaaliset ryhmät... 9 2.3 Molekyylin rakenteen esittäminen... 11 2.4 Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset... 12 2.4.1 Dipoli- dipolisidos ja vetysidos... 14 2.4.2 Ioni- dipolisidos... 15 2.4.3 Dispersiovoimat... 16 2.5 IR- spektroskopia... 17 3 Liukeneminen... 18 3.1 Energianmuutokset liukenemisessa... 20 3.2 Oppimisen haasteet liukenemisessa... 23 4 Kemian opetus ja oppiminen... 24 4.1 Oppimiskäsitys... 25 4.2 Johnstonen ja Mahaffyn kemiallisen tiedon tasot... 26 4.3 Oppilaiden virhekäsitykset liukenemisen kemiassa... 27 5 Mallit ja mallintaminen kemiassa... 29 5.1 Mallit... 29 iii
5.2 Molekyylimallit... 31 6 TVT:n käyttö kemian opetuksessa... 33 6.1 TVT molekyylimallinnuksessa... 34 6.1.1 Spartan... 35 6.1.2 ChemSketch... 36 6.2 Animaatiot kemian opetuksessa... 36 7 Kehittämistutkimus... 37 7.1 Kehittämistutkimuksen teoriaa... 38 7.2 Kehittämistutkimuksen mahdollisuudet ja haasteet... 41 7.3 Tutkimuksen tarveanalyysi... 42 8 Tutkimuksen suoritus... 43 8.1 Tutkimuskysymykset... 44 8.2 Tehtävälomake... 45 8.3 Aineiston kerääminen ja analyysimenetelmä... 47 9 Tulokset... 49 9.1 Tulosten analysointi... 53 9.2 Oppimateriaalin kehittäminen... 54 10 Johtopäätökset... 57 Lähteet... 61 Liitteet LIITE 1: Tutkimuslomake... 68 LIITE 2: Opetusmateriaali... 74 LIITE 3: Opettajan opas... 83 iv
1 Johdanto Tämän pro gradu tutkimuksen tarkoituksena on kehittää valmista opetusmateriaalia lukion kemian opetuksen tarpeisiin. Tutkimus vastaa kemian opettajien tarpeeseen saada valmista opetusmateriaalia sähköisessä oppimisympäristössä tapahtuvaan opetukseen. Nykyinen lukion opetussuunnitelman perusteet 1 ja tulevat sähköiset ylioppilaskirjoitukset (kemia, syksy 2018) luovat opettajille tarpeen käyttää tieto- ja viestintätekniikkaa opetuksessa joko sen osana tai tukena. Kemistit ovat käyttäneet tietokoneita apunaan niiden keksimisestä lähtien. Nykypäivän nopeat ja tehokkaat tietokoneet tarjoavat mahdollisuuden merkittävään lisäpanostukseen tutkimuksiin ja iso osa nykyisestä kemian tutkimuksesta käyttää tietokoneavusteisia menetelmiä apunaan. Siinä missä kemistit yrittävät ennustaa ohjelmien avulla reaktioiden ja synteesien kulkua sekä selittämään reaktiomekanismeja, opettajat käyttävät ohjelmia teorioiden selventämiseen sekä molekyylien rakenteiden tarkasteluun. 2 Teknologian kehitys on mahdollistanut tehokkaiden tietokoneiden hankkimisen koulukäyttöön, jolloin niitä voidaan käyttää monipuolisesti oppimisen tukena. Opettajalle jää valinta, tuoko tieto- ja viestintätekniikka lisäarvoa opetukseen. Tieto- ja viestintätekniikka tuo kemian opetukseen uuden ulottuvuuden, jota kynän ja paperin avulla ei voida saavuttaa. Nykypäivän tietokoneet kykenevät laskemaan raskaitakin laskuja mahdollistaen etsittävien tuloksien saavuttamisen inhimillisessä ajassa. Tämä avaa mahdollisuuden molekyylimallinnusohjelmien käyttämiseen opetuksen yhteydessä esimerkiksi molekyylien 2D- ja 3D- rakenteiden, energiatilojen, potentiaalipintojen ja orbitaalien aktiiviseen tarkasteluun ja visualisointiin. Tutkimusten mukaan molekyylimallinnusta on käytetty pääasiassa molekyylien avaruudellisten rakenteiden ja isomerioiden tarkasteluun, mutta myös orbitaalien ja kemiallisten sidosten on ollut suosittua. 3 Ohjelmien hyvä saatavuus mahdollistaa 1
tutkimuksellisuuden lisäämistä opetukseen ja vahvistaa oppilaan asemaa aktiivisena oppijana. Tämä rikastuttaa oppimista, kun sitä saadaan tapahtumaan mitä moninaisimmissa ympäristöissä. 1 Tutkittavaksi molekyyliksi valittiin C- vitamiini sen arkipäiväisyyden vuoksi. C- vitamiinin voidaan olettaa olevan tuttu käsite kaikille oppilaille. Kaikkia nuoria on opastettu syömään monipuolisesti, jotta myös päivittäiset vitamiinitarpeet täyttyisivät. Oppimateriaalin kehittäminen C- vitamiinin ympärille sitoo kemian ilmiöt johonkin oppilaalle tuttuun aineeseen. Tämä on todettu olevan hyödyllistä opetuksessa, koska oppilaiden on huomattu motivoituvan asioista, jotka liittyvät heidän arkipäivään. Tämä helpottaa myös asioiden linkittämistä johonkin ennalta tunnettuun. 4 Tutkielma etenee siten, että kirjallisessa osuudessa esitetään C- vitamiiniin ja liukenemiseen liittyviä kemiaa, jonka jälkeen käsitellään kemian oppimiseen liittyvää teoriaa. Tämän jälkeen tarkastellaan, miten tieto- ja viestintätekniikka näkyy koulumaailmassa ja kemian opetuksessa. Lopuksi esitetään kehittämistutkimuksen menetelmä. Tutkimusosuudessa esitetään tutkimuksen aikana havaittu data, jonka jälkeen pohditaan kehitystoimenpiteitä ja toteutetaan ne oppimateriaalin kehittämiseen. Lopuksi vastataan tutkimusta ohjaaviin tutkimuskysymyksiin. 2
2 C- vitamiinin kemiaa Vitamiinit ovat orgaanisia aineita, jotka ovat välttämättömiä elimistön kasvun, kehityksen ja terveyden ylläpitämisessä. Vitamiineja tunnetaan useita erilaisia ja eri vitamiineilla on omat tehtävät elimistössä. Elimistö ei itse pysty tuottamaan niitä riittävästi eikä tarpeeksi monipuolisesti, joten niitä on saatava ravinnon mukana puutostautien ehkäisemiseksi. Vitamiineja sanotaankin suojaravinto- aineiksi. Vitamiinit kuluvat elimistössä ja osa niistä ei varastoidu pitkäaikaisesti, joten niille on asetettu saantisuosituksia jokapäiväisen tarpeen täyttämiseksi (kuva 1). C- vitamiinia saa runsaasti hedelmistä sekä kasviksista ja esimerkiksi appelsiinin c- vitamiinipitoisuus on 50 mg/100 g ja lehtikaalin 120-180 mg/100 g. 5 C- vitamiini eli askorbiinihappo (2- oxo- L- threo- hexono- 1,4- lactone- 2,3- enediol) on elimistölle välttämätön vesiliukoinen vitamiini, jota elimistö ei pysty tuottamaan itse. C- vitamiini on kaksiarvoinen happo (pka = 4,1 ja pka = 11,8), jolloin se luovuttaa protonit syklisen rakenteen hydroksyyliryhmistä. C- vitamiinilla on useita tehtäviä elimistössä. Sen päätehtävänä on toimia antioksidanttina elimistön erilaisissa kemiallisissa prosesseissa. Antioksidantti on yhdiste, joka pelkistää muita yhdisteitä hapettuen itse. C- vitamiini pelkistää esimerkiksi metaboliassa syntyviä erittäin reaktiivisia happiradikaaleja O - - happimolekyyleiksi O 2, superradikaaleja O 2 vetyperoksideiksi H 2 O 2 ja rauta ioneja Fe 3+ Fe 2+ :ksi. Pelkistysreaktioissa C- vitamiini hapettuu itse dehydroaskorbiinihapoksi (kuva 2). Muita biologisia vaikutuksia on mm. verenpaineen, atherosgeneesin ja diabeteksen komplikaatioiden vähentäminen. 5 3
4
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä Kuva 1: Vitamiinien saantisuositukset. 6 HO HO HO O O HO O O + H 2 HO OH O O Kuva 2: C- vitamiinin hapettuminen dehydroaskorbiinihapoksi. 5
2.1 C- vitamiini kemiallisesti Vitamiinit ovat orgaanisia yhdisteitä. Orgaaninen molekyyli koostuu yhdestä tai useammasta toisiinsa liittyneistä hiiliatomeista. Hiiliatomit ovat liittyneet toisiinsa kovalenttisten sidosten avulla joko yksöis-, kaksois- tai kolmoissidoksella, jolloin niitä kutsutaan alkaaneiksi, alkeeneiksi tai alkyyneiksi (kuva 3). Toisiinsa liittyneet hiiliatomit muodostavat molekyylin rakenteen, joka voi olla joko ketjumainen eli asyklinen tai rengasmainen eli syklinen (kuva 4). Hiiliatomeihin voi liittyä erilaisia substituentteja, joita kutsutaan funktionaalisiksi ryhmiksi. Kuva 3: Hiiliatomien väliset sidokset. Kuva 4: Hiilivetyjen rakenteita. 2.1.1 Kemialliset sidokset: kovalenttinen sidos Kovalenttinen sidos on yksi vahvoista kemiallisista sidoksista. Kovalenttinen sidos muodostuu kahden epämetalliatomin välille sitoen atomit kahden tai useamman 6
atomin kokonaisuudeksi, molekyyliksi. Ionisidos muodostuu metalli- ja epämetalliatomin välille ja metallisidos kahden metalliatomin välille. Kovalenttisen sidoksen muodostumista voidaan yksinkertaisesti perustella atomien vapaiden valenssielektronien jakautumiseen atomien välillä. Valenssielektronit ovat Lewisin mallin mukaan atomin uloimmalla elektronikuorella olevia elektroneita. Esimerkiksi vedyllä H on yksi valenssielektroni, hiilellä C neljä ja hapella O kuusi. Sitoutuessaan atomit pyrkivät tilanteeseen, jossa niiden uloin elektronikuori on täynnä elektroneista. Tarkastellaan esimerkkinä vesimolekyylin H 2 O muodostumista. Vetyatomin ulkokuorelle mahtuu kaksi elektronia ja happiatomin kahdeksan, jolloin vety tarvitsee yhden ja happi kaksi elektronia, jotta ulkokuori täyttyisi elektroneista. Vetyatomien sitoutuessa happeen ne saavat tarvittavan elektronin hapelta ja happi puolestaan tarvittavat elektronit vedyiltä, jolloin ne jakavat ulkoelektroninsa muodostaen sidoselektroniparin. Hapen vapaat elektroniparit eivät osallistu sidoksen muodostamiseen (kuva 5). Usein molekyylit piirretään siten, että yksi sidoselektronipari merkitään viivalla ja vapaat elektroniparit jätetään piirtämättä, kuten kuvassa 5. 7 Kuva 5: Vesimolekyylin kovalenttiset sidokset. Kaksoissidoksen muodostumisessa atomien välille muodostuu kaksi sidoselektroniparia, jolloin atomit jakavat neljä elektronia, kuten happimolekyylin O 2 muodostumisessa (kuva 6). Kolmoissidoksessa sidoselektroni pareja on kolme, jolloin atomit jakavat kuusi elektronia keskenään. Kuva 6: Happimolekyylin kovalenttinen kaksoissidos. 7
2.1.2 Kovalenttisen sidoksen poolisuus Edellisessä kappaleessa todettiin, että kovalenttisessä sidoksessa atomit jakavat sidoselektronit keskenään. Eri atomeilla on kuitenkin erilaisia kykyjä vetää sidoselektroneja puoleensa, jolloin sidoselektronit jakautuvat atomien välille epätasaisesti, aiheuttaen varauseron. Tämän huomasi kemisti Linus Pauling, joka antoi määritelmän elektronegatiivisuudelle eli atomin kyvylle vetää elektroneja puoleensa. Mitä suurempi elektronegatiivisuuden arvo, sitä suurempi kyky vetää elektroneja puoleensa. Sen atomin ympärille, jolla on suurempi elektronegatiivisuus, tulee negatiivinen osittaisvaraus δ - ja sidoksen toiselle atomille positiivinen osittaisvaraus δ +, jolloin muodostuu poolinen kovalenttinen sidos. 7 Pauling tutki eri atomien elektronegatiivisuuden arvoja ja taulukoi ne elektronegatiivisuustaulukkoon (kuva 7). Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä Kuva 7: Elektronegatiivisuustaulukko. 8 Esimerkiksi vetyfluoridilla HF, fluorin ja vedyn elektronegatiivisuusero on suuri (4,0-2,1 = 1,9), jolloin fluori vetää elektroneja puoleensa aiheuttaen poolisen kovalenttisen sidoksen atomien välille (kuva 8). Vetyfluoridimolekyylille laskettu ja havainnollistettu 8
elektronitiheyskartta osoittaa, että poolinen kovalenttinen sidos aiheuttaa molekyylille varauseron, jolloin fluori sijaitsee elektronirikkaassa ympäristössä (punainen alue) ja vety elektroniköyhässä (sininen alue). Kuva 8: Vetyfluoridin elektronitiheyskartta. Atomien, joiden elektronegatiivisuuden arvot ovat samat tai liki samat, välille muodostuu pooliton kovalenttinen sidos. Näin tapahtuu esimerkiksi happimolekyylille O 2, jonka elektronitiheyskartasta huomataan, että varaukset jakautuvat tasaisesti molekyylin ympärille (kuva 9). Kuva 9: Happimolekyylin elektronitiheyskartta. 2.1.3. Molekyylin poolisuus Molekyylien poolisuus määräytyy sen atomien välisten kovalenttisten sidosten polaarisuuksista. Polaarinen kovalenttinen sidos aiheuttaa dipolimomentin sidoksessa olevien atomien välille. Dipolimomentti on vektorisuure ja se suuntautuu sidoksen suuntaisesti positiivisesta osittaisvarauksesta negatiiviseen osittaisvaraukseen. 9
Molekyylin kokonaisdipolimomentti saadaan, kun summataan kaikkien sen sidosten dipolimomentit yhteen (kuva 10). Molekyylin avaruudellisen rakenteen vuoksi polaaristen sidosten aiheuttamat dipolimomentit saattavat myös kumota toisensa, jolloin kokonaisdipolimomentti on nolla ja molekyyli on luonteeltaan pooliton. Näin käy esimerkiksi hiilidioksidilla CO 2 (kuva 11), metaanilla CH 4 tai sitä pidemmillä alkaaneilla. Vaikka joillakin suoraketjuisilla alkaaneilla, esim. rasvahapoilla, on poolinen funktionaalinen ryhmä ketjun toisessa päässä, niin pitkän poolittoman hiilihännän vuoksi molekyyli on luonteeltaan pooliton. Kuva 10: Vesimolekyylin kokonaisdipolimomentti (paksu nuoli). Kuva 11: Hiilidioksidin kokonaisdipolimomentti on nolla. 2.2 Funktionaaliset ryhmät Yksinkertaisin orgaaninen yhdiste on metaani, joka koostuu yhdestä hiiliatomista, johon on kovalenttisilla sidoksilla liittynyt neljä vetyatomia. Jos yksi tai useampi vetyatomeista korvataan jollain muulla atomilla, kuten hiilellä C, hapella O, typellä N tai kloorilla Cl, niin molekyylin rakenne ja ominaisuudet muuttuvat. Liittyneitä atomeja 10
kutsutaan substituenteiksi. Substituenttien avulla voidaan orgaanisista ryhmistä erottaa erilaisia funktionaalisia ryhmiä, kuten esimerkiksi hydroksyyliryhmä, karboksyyliryhmä, karbonyyliryhmä, aminoryhmä, jolloin molekyylejä voidaan luokitella vastaavasti alkoholeihin, karboksyylihappoihin, aldehydeihin ja amiineihin. Myös hiilien väliset kaksois- ja kolmoissidokset ovat funktionaalisia ryhmiä. Funktionaaliset ryhmät määräävät molekyylin kemialliset ominaisuudet. Kuvassa 12 on esitetty erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Kuva 12: Erilaisia funktionaalisia ryhmiä. C- vitamiini sisältää useita erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Molekyylin hiiliketju sisältää kaksoissidoksen ja siihen on liittynyt myös neljä hydroksyyliryhmää sekä alkoksi- ja karbonyyliryhmä (kuva 13). Kuva 13: C- vitamiinin funktionaaliset ryhmät. 11
2.3 Molekyylin rakenteen esittäminen Molekyyli voidaan esittää eri tavoin. Yksinkertainen molekyylikaava esittää, mitä eri atomeja molekyyli sisältää. Esimerkiksi etaanin molekyylikaava on C 2 H 6, josta nähdään, että etaani koostuu kahdesta hiiliatomista C ja kuudesta vetyatomista H. Molekyylikaava voidaan myös esittää siten, että sen funktionaaliset ryhmät huomioidaan, esim. propaanihappo C 3 H 6 O 2 voidaan esittää C 2 H 5 COOH tai CH 3 CH 2 COOH. Molekyylin rakennekaava on malli, joka esittää, minkälaisilla sidoksilla molekyylin eri atomit ovat sitoutuneet ja asettuneet toisiinsa nähden. Rakennekaavoille on useita eri esitystapoja, jotka kuvataan 2D tasossa. Otetaan esimerkiksi C- vitamiini, jonka molekyylikaava on C 6 H 8 O 6. C- vitamiinin rakennekaava voidaan esittää siten, että piirretään kaikki atomit näkyviin ja niitä yhdistävät sidokset (kuva 14). Rakennekaava voidaan yksinkertaistaa viivakaavaksi siten, että piirretään pelkästään hiilien ja muiden atomien väliset sidokset näkyviin, jolloin hiilet jäävät piiloon viivakaavaan muodostuviin kulmiin ja viivojen päihin (kuva 14). Huomioitava on, että hiileen sitoutuneet vedyt jätetään piirtämättä ja kaikki muut atomit jätetään näkyville. Rakennekaavan voidaan lisätä molekyylin avaruudellista muotoa. Esimerkiksi metaanissa hiiliatomista lähtee neljä sidosta siten, että kaksi sidosta on samassa tasossa ja kaksi muuta suuntautuvat symmetrisesti tasosta poispäin siten, että kaikilla sidoksilla on sama sidoskulma toisiinsa nähden. Kun molekyylin 3D - rakennetta korostetaan, niin hiiliatomista lähtevät sidokset piirretään siten, että kaksi sidoksista on samassa tasossa ja yksi sidoksista suuntautuu tasosta katsojaan päin ja yksi katsojasta poispäin. Tasosta katsojaan päin oleva sidos merkitään paksunevalla viivalla ja poispäin katsojasta olevaa sidosta vaakaraidallisella viivalla (kuva 14). Jos molekyylin rakenne sisältää kaksois- tai kolmoissidoksia, niin sidokseen osallistuvista atomeista lähtee vain samassa tasossa olevia sidoksia. 12
Kuva 14: C- vitamiinin erilaisia rakennekaavoja. 2.4 Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset Molekyylit vuorovaikuttavat keskenään tavoilla, joita kutsutaan heikoiksi kemiallisiksi vuorovaikutuksiksi. Heikot vuorovaikutukset vaikuttavat aineiden kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten kiehumis- ja sulamislämpötiloihin, liukoisuuteen ja viskositeettiin. Heikot vuorovaikutukset aiheutuvat molekyylien funktionaalisten ryhmien ominaisuuksista sekä molekyylin rakenteista ja ne ovat aina heikompia sidoksia kuin kovalenttiset sidokset. Heikkoja vuorovaikutuksia ovat mm. dispersiovoimat, dipoli- dipolisidos, vetysidos ja ioni- dipolisidos (kuva 15). Molekyylien välillä saattaa olla useita erilaisia heikkoja vuorovaikutuksia muiden molekyylien kanssa sekä myös itsensä kanssa, jolloin puhutaan intramolekulaarisista vuorovaikutuksista. Kuva 15: Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset. 7 s.536 13
Molekyylien väliset vuorovaikutukset johtuvat molekyylien varausjakaumista. Sähköiset dipolit, ionit ja polarisaatio aiheuttavat molekyyleihin pysyviä ja hetkellisiä varauksia ja ne vuorovaikuttavat viereisten molekyylien varauksien kanssa. Sähköisesti erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, jolloin puhutaan attraktiivisesta vuorovaikutuksesta. Samanmerkkiset varaukset puolestaan hylkivät toisiaan, jolloin puhutaan repulsiivisesta vuorovaikutuksesta. Molekyylien varauksien käyttäytymisiä voidaan yksinkertaisimmillaan mallintaa Coulombin lain avulla (yhtälö 1), joka tarkastelee kahden pistemäisen varauksen q 1 ja q 2 välistä potentiaalienergiaa niiden ollessa etäisyyden r päässä toisistaan, (1) jossa ɛ 0 on luonnonvakio tyhjiön permitiivisyydelle. Yhtälöstä (1) huomataan että, kun kaksi erimerkkistä varausta lähestyvät toisiaan, saavuttavat ne energiaminimin, kun niiden etäisyys r on mahdollisimman pieni. Molekyylejä ei kuitenkaan voida ajatella pistemäisinä varauksina niiden fyysisen koon vuoksi, jolloin molekyylin atomien positiivisten ytimien lähestyessä toisiaan alkaa repulsiiviset voimat vaikuttamaan. Tämä havaitaan seuraavasta potentiaalienergiakäyrästä (kuva 16), joka mallintaa kahden atomin tai molekyylin välistä potentiaalienergiaa F etäisyyden R funktiona. Kuvaajasta voidaan määrittää dissosiaatioenergia F m, joka tarkoittaa sitä energiamäärää, joka vaaditaan vuorovaikutuksen katkaisemiseksi. Molekyylien ollessa r 0 etäisyyden päässä toisistaan, tilannetta kutsutaan minimienergiarakenteeksi 14
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä Kuva 16: Atomien ja molekyylien välisten vuorovaikutusten suuruus etäisyyden R funktiona. 9 2.4.1 Dipoli- dipolisidos ja vetysidos Dipoli- dipoli sidokset muodostuvat vain poolisten molekyylien välille. Molekyylien pooliset funktionaaliset ryhmät ja rakenne aiheuttavat sen, että molekyylin atomeilla on pysyviä negatiivisia ja positiivisia osittaisvarauksia, dipoleja. Näiden dipolien positiiviset osat δ+ vetävät toisen dipolin negatiivista osaa δ- puoleensa, jolloin niiden välille muodostuu dipoli- dipolisidos (kuva 17). Kuva 17: Asetonimolekyylien väliset dipoli- dipolisidokset. 15
Vetysidos on dipoli- dipolisidoksen erityistapaus. Vetysidokseen osallistuvista atomeista, toinen on aina vety, joka on kovalenttisesti sitoutunut huomattavasti elektronegatiivisempaan atomiin, kuten happeen O, typpeen N tai fluoriin F. Elektronegatiivisuuseron takia vety saa positiivisen osittaisvarauksen δ+ ja toinen atomi negatiivisen osittaisvarauksen δ-. Vedyn positiivinen varaus vetää puoleensa viereisen molekyylin negatiivista osittaisvarausta, jolloin muodostuu vetysidos (kuva 18) Kuva 18: Vesimolekyylien välinen vetysidos. 2.4.2 Ioni- dipolisidos Ioni- dipolisidos muodostuu ionisen atomin tai molekyylin ja poolisen molekyylin välille. Poolisen molekyylin negatiivinen osa muodostaa ioni- dipolisidoksen kationien kanssa ja positiivinen osa anionien. Esimerkiksi ruokasuolan eli NaCl liuetessa veteen, veden negatiivisesti varautunut happiatomi muodostaa sidoksen positiivisen kationin Na + kanssa (kuva 19) ja veden positiivisesti varautuneet vetyatomit negatiivisen anionin Cl - kanssa. 16
Kuva 19: Vesimolekyylin ja natriumionin välinen ioni- dipolisidos. 2.4.3 Dispersiovoimat Dispersiovoimat, joita kutsutaan myös Van der Waalsin voimiksi, johtuvat elektronijakaumien vaihteluista atomien ja molekyylien ympärillä. Kun elektronit liikkuvat vapaasti atomin ympärillä, ne joutuvat tilanteeseen, jossa molemmat elektronit ovat atomin samalla puolella aiheuttaen negatiivisen osittaisvarauksen, hetkellisen dipolin, kuten heliumatomin tapauksessa (temporary dipole, kuva 20). Dipolin positiivinen osittaisvaraus muodostuu atomin ytimen protoneista. Kuva 20: Heliumatomin hetkellisen dipolin muodostuminen. Mustat pisteet kuvaavat elektroneja. Hetkellinen dipoli indusoi viereiseen atomiin tai molekyyliin samansuuntaisen dipolin, jolloin negatiivinen osittaisvaraus vetää viereisen molekyylin positiivista varausta puoleensa (kuva 21). Kuva 21: Heliumatomien välinen dispersiovoima. 17
Dispersiovoimien suuruus riippuu elektronien liikkuvuudesta, eli kuinka voimakkaasti atomin ydin vetää elektroneja puoleensa, mitä kauempana elektronit ovat ytimestä sitä herkemmin elektronit liikkuvat. Molekyylin muoto vaikuttaa myös dispersiovoimien suuruuteen, mitä enemmän molekyylillä on vuorovaikuttavaa pintaa viereisen molekyylin kanssa, sitä laajemmin dispersiovoimat vaikuttavat niiden välillä. (kuva 22) Kuva 22: Heksaanilla dispersiovoimat vaikuttavat koko molekyylin matkalla. 2.5 IR- spektroskopia IR- spektroskopiaa käytetään orgaanisessa kemiassa yhdisteiden funktionaalisten ryhmien tunnistamiseen. Infrapunasäteily (IR, eng. infrared) on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on korkeampi kuin näkyvän valon aallonpituus. Infrapunasäteilyä esiintyy aallonpituusalueella 2,5 25 µm. IR- aallonpituusalue esitetään spektroskopiassa usein aaltolukuina, jolloin aaltolukualue on 4000 cm - 1 400 cm - 1. Molekyylit mallinnetaan usein staattisina kuvina, mutta todellisuudessa niissä tapahtuu jatkuvaa liikettä, värähtelyä ja taipumisia. Molekyylin atomien väliset sidokset venyvät ja supistuvat sekä atomista lähtevät sidokset taipuvat toisiinsa nähden jatkuvasti aiheuttaen värähtelyjä. Nämä värähtelyt ovat jokaiselle sidokselle 18
ominaisia ja niiden taajuudet vastaavat infrapunasäteilyn taajuuksia. IR- spektroskopiassa yhdisteen läpi saatetaan infrapunasäteilyä, jolloin sidosten värähtelyjä vastaavat aallonpituudet absorboituvat sidoksiin ja vastaanottimille saadaan vain yhdisteen läpi transmittoituneet säteilyt. IR- spektri esitetään kuvaajalla, jossa y- akselilla on transmittoituneen säteilyn suhteellinen osuus ja x- akselilla säteilyä vastaava aaltoluku (kuva 23). IR- spektriltä luetaan spektripiikin aaltoluku, jota verrataan kirjallisuusarvoihin ja voidaan päätellä, mitä sidosta spektrin piikki vastaa. 10 Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä Kuva 23: 2- propanolin (ylempi) ja propanolin (alempi) IR- spektrit. 11 3. Liukeneminen Liukeneminen on kemiallinen reaktio, jossa kaksi tai useampi homogeenistä faasia muodostaa yhden homogeenisen faasin, liuoksen. Liuos sisältää sen pääkomponentin eli liuottimen (eng. solvent), johon muut aineet liukenevat (eng. solute). Liuos, liuotin ja liukeneva aine voivat olla joko kaasumaisia, kiinteitä tai nesteitä (taulukko 1). 19
Taulukko 1: Erilaisia liuostyyppejä 7 s.611 Liuottimen faasi Liukenevan aineen faasi Liuosfaasi Liuostyypin esiintyminen Kaasu Kaasu Kaasu Ilma Neste Neste Neste Kaasu Neste Kiinteä Neste Hiilihapotettu vesi Alkoholijuoma Merivesi Kiinteä Kiinteä Kiinteä Pronssi Liukenemisen aikana liuotin molekyylit korvaavat keskinäiset vuorovaikutukset liukenevien molekyylin kanssa. Tarkastellaan kuvaa 24, jossa liukeneva- aine ja liuotin ovat omissa faaseissaan ja muodostavat vuorovaikutuksia vain samassa faasissa olevien molekyylien kanssa. Kun faasit yhdistyvät, liuotin molekyylit korvaavat liuotettavan aineen molekyylien väliset vuorovaikutukset omilla vuorovaikutuksilla, jolloin liukeneva aine joutuu liuottimen ympäröitäväksi. Lopulta saavutetaan tilanne, jossa liukeneva aine on vuorovaikutuksessa vain liuotin molekyylien kanssa. Liukenemisreaktion toteutumiseksi liuotin molekyylien vuorovaikutusten täytyy olla suurempia kuin liukenevien aineiden vuorovaikutukset. Pooliset molekyylit muodostavat keskenään voimakkaampia vuorovaikutuksia kuin poolittomat (kuva 15), joten pooliton liuotin ei pysty liuottamaan poolisia yhdisteitä, mutta liuottaa poolittomia yhdisteitä. Tästä tulee sanonta samanlainen liuottaa samanlaista. 20
3.1. Energianmuutokset liukenemisessa Systeemin entropia S ohjaa liukenemisreaktion kulkua. Entropialla tarkoitetaan energian hajaantumista (eng. energy dispersal) systeemissä. 7 s.882 Yleisesti ajatellaan, että luonto pyrkii tilaan, jossa energia ei olisi paikallistunut tietylle alueelle vaan hajaantuisi koko systeemiin tai, että energia muuttuisi vähemmän järjestelmällisempään muotoon. Toisin sanoen, mitä monimuotoisempana energia esiintyy, sitä suurempi on entropia. Termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että mikä tahansa spontaani muutos eristetyssä systeemissä on seuraamus entropian kasvusta. Esimerkiksi liukenemisreaktiossa kaksi järjestäytynyttä faasia (solute ja solvent) sekoittuvat, jolloin entropia kasvaa epäjärjestyksen kasvaessa (kuva 24). Eli kun S > 0, puhutaan kasvavasta entropiasta ja kun S < 0, niin vähenevästä entropiasta. Kuva 24: Liukenemisreaktiossa entropia kasvaa, jolloin S > 0. Liukeneminen on energian muutos tapahtuma, jossa ympäristön kanssa vaihtuvan energian määrää kuvaa termodynaaminen suure, entalpian muutos ΔH. Reaktion entalpian muutos voidaan laskea yhtälön (2) avulla, kun tunnetaan systeemin sisäenergian muutos ΔE sekä paine p ja tilavuuden muutos ΔV 21
ΔH = ΔE + pδv. (2) Reaktion sisäenergian muutos ΔE tarkoittaa systeemin muutostapahtuman alku- ja lopputilanteen sisäenergioiden erotusta. Sisäenergia E on summa kaikista systeemin potentiaali- ja kineettisistä energioista, joka on sitoutunut esimerkiksi molekyylin värähdyksiin sekä sidoksiin. Sisäenergian muutos ΔE tarkoittaa kaikkea sitä energian määrää, mitä systeemi vaihtaa ympäristön kanssa kemiallisissa reaktioissa. Tämä sisältää lämpöenergian muutoksen sekä mahdolliseen laajenemiseen tehdyn työn. Reaktion entalpian muutosta kutsutaan myös reaktion lämmöksi, jos reaktio tapahtuu vakiopaineessa. Kun ΔH < 0, niin reaktio vapauttaa energiaa ympäristöönsä, jolloin puhutaan eksotermisestä reaktiosta. Kun taas ΔH > 0, niin reaktio sitoo energiaa ympäristöstä, jolloin puhutaan endotermisestä reaktiosta. Molekyylit ovat kiinni toisissaan heikkojen vuorovaikutusten avulla. Vuorovaikutusten katkaiseminen vaatii energiaa, mutta vuorovaikutusten uudelleen muodostaminen toisen molekyylin kanssa vapauttaa energiaa. Ajatellaan tilannetta eristetyssä systeemissä, jolloin energiaa ei tule ulkopuolelta. Liukenevien (solvent solvent) ja liuotin (solute- solute) molekyylien keskinäisten vuorovaikutusten katkaiseminen ovat endotermisia tapahtumia ja ne vaativat energiaa ΔH solute ja ΔH solvent verran. Niiden sekoittuminen keskenään muodostaa uusia vuorovaikutuksia (solvent- solute), jotka ovat puolestaan eksotermisiä tapahtumia, jolloin vapautuu energiaa ΔH mix verran. Hessin lain mukaan liuoksen muodostumisen kokonaisenergia ΔH soln on summa näistä energioista, jolloin 7 s.616 ΔH soln = ΔH solute + ΔH solvent + ΔH mix. (2) 22
Kaikkien kemiallisten reaktioiden, kuten myös liukenemisreaktion tapahtumista kuvaa Gibbsin energian yhtälö. Gibbsin energian muutos ΔG on termodynaaminen suure, jonka avulla voidaan ennustaa, tapahtuuko reaktio spontaanisti. Kun tunnetaan reaktion entalpian muutos ΔH ja entropian muutos ΔS vakiolämpötilassa T (yksikkö Kelvineinä K), voidaan Gibbsin energian muutos laskea yhtälöstä ΔG = ΔH TΔS. (3) Kun ΔG < 0, niin reaktio tapahtuu spontaanisti ja kun ΔG > 0, niin reaktio on ei- spontaani. Koska liukenemisessa entropia aina kasvaa, yhtälöstä 3 huomataan, että liukenemisessa entropian S sisältämä termi ohjaa aina spontaaniin reaktioon. Tämä johtaa siihen, että liukenemisreaktion toteutuminen spontaanisti riippuu liukenemisentalpian ΔH soln suuruudesta. Tarkastellaan seuraavaksi eri tilanteita. 1. Kun ΔH solute + ΔH solvent < ΔH mix, niin yhtälön (2) mukaan ΔH soln < 0, jolloin liukenemisreaktio on eksoterminen. Tällöin ΔG < 0 yhtälön (3) mukaisesti ja reaktio tapahtuu spontaanisti. 2. Kun ΔH solute + ΔH solvent = ΔH mix, niin ΔH soln = 0, niin reaktion ΔG < 0 ja reaktio tapahtuu spontaanisti, koska entropian kasvu (liukenemisreaktiossa S > 0) ohjaa liukenemisreaktion kulkua. 3. Kun ΔH solute + ΔH solvent > ΔH mix, niin ΔH soln > 0, niin reaktion ΔG > 0, jolloin reaktio ei tapahdu spontaanisti. Riittävän suuri entropian kasvu tai lämpötilan kasvaminen saattavat riittää liukenemisreaktion toteutumiseen, jolloin ΔG < 0. 23
3.2 Oppimisen haasteet liukenemisessa Monet kemian opiskelijat ponnistelevat kovasti oppiakseen oppiainetta, mutta eivät siltikään menesty siinä hyvin. Yksi syy tälle voi olla, että opiskelijat eivät opi kemian perusteita, joiden pohjalta pyritään selittämään myöhemmin laajempia kokonaisuuksia. 12,13 Liukenemisen kemia sisältää monia eri kemiallisia ilmiöitä ja käsitteitä ja jos johonkin aikaisemmin opetettuun asiaan on jäänyt väärinymmärryksiä tai puutteellisia tietoja, niin kokonaiskuva liukenemisesta ei välttämättä synny tai saattaa syntyä uusia virhekäsityksiä. Özmanin ja Nahum et al. 13,14 mukaan kemialliset sidokset ovat avain molekyylin rakenteeseen, joka puolestaan liittyy läheisesti molekyylin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten liukenemiseen. Kemiallinen sidos opetetaan usein käyttämällä monenlaisia malleja, jotka perustuvat eri periaatteisiin ja joiden symbolista esitystapaa oppilaan oletetaan osaavan tulkita. 14 Kemiallista sidosta pidetäänkin niin oppilaiden, opettajien kuin tutkijoiden mielestä hankalana aiheena. 14 Opettajat käyttävät monipuolisesti eri representaatioita ilmiöiden selittämisessä, jolloin oppilaat saattavat ottaa nämä uudet esitystavat vain uutena opittavana asiana eikä ilmiön selittämisen helpottavana tekijänä. 15 Opettajien käyttämät opetusmateriaalit, kuten tekstit, mallit ja multimediamateriaalit voivat olla oppilaiden näkökulmasta monitulkintaisia. 16 Ebenezer ja Erickson havaitsivat tutkimuksessaan, 16 että oppilaiden visuaaliset havainnot makrotasolla ohjasivat heidän järkeilyä mikrotasolla (Johnstonen kemiallisen tiedon kolme tasoa kpl 4.2). Tutkijat liuottivat kiinteää sokeria veteen, jolloin osa tutkittavista päätteli, että sokeri muuttui nestemäiseksi. Tutkijat huomasivat myös, että arkikielen sekoittuminen kemiallisten ilmiöiden selittämiseen aiheutti haasteita ymmärryksen saavuttamiseksi. Tämä johtuu Ebenezerin ja Ericksonin mukaan siitä, että oppilaiden oletetaan oppivat kemian kieli nopeasti, jolloin heidän käyttämän arkikielen ja kemian kielen erot eivät aiheuttaisi väärinymmärryksiä. Heidän artikkelissa todettiin, että esimerkiksi arkikielessä sokerijyvää saatetaan kutsua partikkeliksi, kun 24
taas oppikirjat ja opettajat käyttävät partikkelia kuvaamaan atomia, molekyyliä tai ionia. He huomasivat myös, että liukeneminen saatettiin sekoittaa sulamiseen ikään kuin ne olisivat synonyymejä toisilleen. 16 4 Kemian opetus ja oppiminen Kemia on kokeellinen tiede, joka tutkii aineiden ominaisuuksia ja niiden rakenteita sekä muuttumista toisiksi aineiksi. 17 Kemiaa aletaan opettamaan jo ala- asteella ympäristöopin oppisisällöissä 3.- 6. luokilla yhdessä muiden luonnontieteen alojen kanssa. 18s.239 Yläkoulussa kemia erotetaan omaksi oppiaineeksi muista luonnontieteen aineista ja se kuuluu perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteisiin 7.- 9. luokilla. 18s.393 Lukion opetussuunnitelman perusteet määrää, että ylioppilaaksi valmistuvan on opiskeltava kemiaa vähintään yhden pakollisen kurssin verran, jonka teemana on kemiaa kaikkialla. Pakollisen kurssin lisäksi kemiaa voidaan valita 4:n syventävän kurssin verran, jolloin saavutetaan lukion pitkän kemian oppimäärä. 1s.158 Usein lukioissa järjestetään syventävien kurssien lisäksi soveltavia kemian kursseja. Kemiaa pidetään yleisesti vaikeana oppiaineena oppilaiden keskuudessa. 19 Monet kemian käsitteet ovat abstrakteja ja niiden selittämiseksi tarvitaan analogioita ja malleja. Lukuisat käsitteet ja kemian kieli saattavat aiheuttaa väärinymmärryksiä ja vaikeuksia oppilaiden keskuudessa. Kemian oppikirjat sisältävät pääasiassa kemian abstrakteinta tasoa, symboliikkaa. 20 Siinä missä muut tieteenalat sisältävät vain kirjallisia esitystapoja, niin kemia sisältää lisäksi kaavamuotoisen esitystavan ja kuvallisen esitystavan. 17 Lukion opetussuunnitelmien perusteissa (LOPS) sanotaan, että kemian opetuksen tehtävänä on tukea opiskelijan luonnontieteellisen ajattelun ja nykyaikaisen 25
maailmankuvan kehittymistä osana monipuolista yleissivistystä. 1s.157 LOPS jatkaa, että opetus ohjaa ymmärtämään kemian ja sen sovellusten merkitystä jokapäiväisessä elämässä. LOPS pitää kemian opetuksen lähtökohtana elinympäristöön liittyvien aineiden ja ilmiöiden havainnointia ja tutkimista. Kemian teorioihin edetään opiskelijoiden aikaisemmista kokemuksista siten, että käsitteet ja ilmiöt rakentuvat kokonaisuudeksi, jossa kemian makroskooppinen, mikroskooppinen ja symbolinen taso (kappale 4.2) muodostavat loogisen kokonaisuuden. 19, 1 4.1 Oppimiskäsitys LOPS pohjautuu oppimiskäsitykseen, jonka mukaan oppiminen on seurausta opiskelijan aktiivisesta, tavoitteellisesta ja itseohjautuvasta toiminnasta ja että oppimisprosessin aikana opiskelija pyrkii käyttämään aikaisempia kokemuksia ja tietojaan erilaisten informaatioiden tulkitsemiseen, analysointiin ja arviointiin sekä uuden tiedon rakentamiseen. 1s.14 Nämä pohjautuvat oppijakeskeiseen konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen, joka on nykypäivänä yleisesti käytetty oppimiskäsitys. Siinä oppilaan aktiivisuutta korostetaan ja opettajan rooli tiedonjakajana on muuttunut opetustilanteiden järjestäjäksi ja ohjaavaksi. 21 Johnstone kuvaa tiedon prosessointia seuraavalla tavalla. Ihmisellä on käytettävissä työmuisti (eng. working place) ja pitkäaikaismuisti (eng. long- term memory). Työmuisti vastaanottaa suodatettua tietoa, joka on valittu sen mukaan, kokeeko ihmisen havaintokyky sen tarpeelliseksi. Tätä tietoa prosessoidaan vertailemalla sitä ennalta opittuun tai muokkaamalla sitä. Työmuisti voi käsitellä ja säilyttää tietoa vain rajatun määrän ja ajan, jonka jälkeen tieto päätetään joko poistaa tai säilyttää. Tieto säilötään pitkäaikaismuistiin, jolloin se pyritään linkittämään johonkin ennalta tiedettyyn. Johnstone sanoo, että jos uutta tietoa ei pysty linkittämään mihinkään ennalta tiedettyyn, niin se saatetaan liittää johonkin väärään yhteyteen, joka johtaa 26
väärinymmärryksiin. Uusi tieto saatetaan myös yrittää säilöä linkittämättömänä, jolloin se saattaa hävitä helposti. 19 Phelpsin tutkimusten mukaan 4 kemian opetus, jossa käytetään apuna tuttuja kemiallisia aineita, on hyödyllistä opiskelijoille. Tämä jo senkin takia, että oppilaat motivoituvat asioista, jotka liittyvät heidän arkipäivään. Myös Johnstonen mukaan, kun käsitellään niitä asioita, jotka oppilaat havaitsevat kiinnostaviksi ja tutuiksi, niin heidän on helpompi kiinnittää uusi tieto heidän pitkäaikaismuistiin. 4.2 Johnstonen ja Mahaffyn kemiallisen tiedon tasot Kemia koetaan haasteelliseksi, koska monia kemiallisia reaktioita voidaan havainnoida, mutta niitä voidaan selittää vain partikkeleiden avulla. Johnstone jakaa kemiallisen tiedon kolmeen eri tasoon: makro, (sub)mikro ja symboliseen tasoon. Johnstone kuvaa tasoja kolmiolla: jokainen taso on kolmion kärjessä, yksikään taso ei ole toista tärkeämpi, mutta kaikki tasot täydentävät toisiaan (kuva 25). 19 Kuva 25: Johnstonen kolmio. 19 27
Johnstone määrittää tasot seuraavalla tavalla: makrotaso kuvastaa kaikkea mitä voidaan aistein havaita esim. laboratoriossa tai luonnossa; mikrotaso kuvastaa kaikkea sitä, mitä ei voida havaita, kuten aineiden käyttäytymisiä ja rakenteita; symbolinen taso sisältää kemian merkkikielen, reaktioyhtälöt, kaavat ja matematiikan, joiden avulla yritetään selittää mikro- ja makrotason välisiä yhteyksiä. 19,20 Mahaffyn mukaan kolmiomalli ei riitä täysin kuvaamaan kaikkea kemiallisen tiedon tasoja, vaan tarvitaan vielä yksi taso: kemian inhimillisen yhteyden taso. 22 Mahaffy esittää, että inhimillinen yhteys huomioi tiedon siitä, miten oppilaat oppivat sekä miten kemia liittyy heidän ja yhteiskunnan elämään. Mahaffy korostaakin tarvetta yhdistää kemian tiedon ja oppilaiden kokemukset, jolloin aktiivisen opiskelun ja tapauskohtaisten tutkimusten tekeminen linkittää koulukemian oppilaiden arkielämään. 22 Johnstonen mukaan kokeneempi kemisti osaa käsitellä kaikkia kolmea tasoa, mutta kemiaa opiskelevalle tämä ei ole mahdollista. 19 Opiskelijoiden ei tarvitse olla jatkuvasti tekemisissä kaikkien kolmen tason kanssa, mutta opettajat saattavat huomaamatta liikkua tasojen välillä, jolloin opiskelijoille saattaa jäädä epäselväksi tasojen välinen yhteys. Tämä johtaa siihen, että tiedon palaset eivät kytkeydy mihinkään, jolloin opiskelijoille jää pirstaleinen kuva kemiallisista ilmiöistä. Auttamalla opiskelijoita tiedostamaan ja ymmärtämään kemiallisen tiedon tasojen väliset yhteydet, annetaan opiskelijoille paremmat mahdollisuudet käsitteiden ymmärtämiseen. 20 4.3 Oppilaiden virhekäsitykset liukenemisen kemiassa Kemian opiskelijoiden virhekäsityksiä oppiaineessa on tutkittu paljon ja niitä on havaittu kaikissa kemian ilmiöissä. Aikaisemmin todettiin, että oppilailla on haasteita oppia kemian perusteita, jolloin laajempien kokonaisuuksien, kuten liukenemisen, oppiminen muuttuu myös haasteelliseksi. Özmen kokoaa artikkelissaan 13 eri tutkimusten tuloksina havaittuja oppilaiden virhekäsityksiä kemiallisista sidoksista, 28
sidosten ja molekyylien poolisuuksista sekä molekyylin rakenteista. Özmanin koosteessa kovalenttisten sidosten poolisuudessa oli virhekäsityksiä muun muassa siinä, että kaikissa kovalenttisissa sidoksissa elektronit jakautuisivat tasaisesti tai poolisuus riippuisi sidokseen osallistuvien atomien valenssielektronien lukumäärästä. Molekyylin poolisuudessa oli virhekäsityksiä siinä, että oppilaat ajattelivat poolittoman molekyylin koostuvan pelkästään atomeista, joilla on sama elektronegatiivisuuden arvo tai että pooliset sidokset aiheuttavat aina molekyylin poolisuuden. Elektronegatiivisuus tulee opetuksessa mukaan vain kovalenttisten sidosten yhteydessä ja sitä käytetään määrittelemään, onko jokin sidos ioninen vai kovalenttinen. 14 Molekyylin poolisuuden sanottiin myös aiheutuvan ei- sitovien elektroniparien aiheuttamasta osittaisvarauksesta esimerkiksi molekyylin OF 2 tapauksessa. Molekyylien välisten vuorovaikutusten (eng. intermolecular forces) sanottiin olevan molekyylin sisällä olevia voimia. 13 Ebenezer havaitsi tutkimuksissaan, 16 että liuotettaessa sokeria veteen, oppilaat arvelivat sokerin muuttuvan kiinteästä nestemäiseksi, jolloin tapahtuisi aineen olomuodon muutoksia. Tämä tuki havaintoa siitä, että oppilaat käyttivät sanoja sulaminen ja liukeneminen synonyymeinä. Samassa tutkimuksessa havaittiin, että sokerin liuetessa veteen muodostuisi sokerin ja veden väline yhdiste: sokeri- vesi, joka poikkeaa lähtöaineista, niin ulkomuodoltaan kuin maultaan. Yleisesti atomien väliset sidokset mielletään oikeiksi kemiallisiksi sidoksiksi, mutta molekyylien välisiä sidoksia vain voimiksi. Esimerkiksi van der Waalsin voimien ja vetysidosten ajateltiin olevan molekyylien toisia puoleensa vetäviä voimia, eikä sitoutumista tapahtuisi. 23 Henderleiten et al. 24 tutkivat oppilaiden käsityksiä vetysitoutumisesta. He havaitsivat tutkimuksissaan, että jotkut oppilaat ajattelivat, että vetysidokseen kykenevä molekyyli pystyisi saattamaan ei- vetysidokseen kykenevän molekyylin sitoutuvan vetysidoksella. Osalla tutkittavilla oli myös virhekäsityksiä vetysidoksen aiheuttamista molekyylin fysikaalisista ominaisuuksista, kuten molekyylin funktionaalisten ryhmien vaikutuksesta kiehumispisteeseen. Jotkut myös ajattelivat, että kiehumisen aikana molekyylin kovalenttiset sidokset katkeaisivat. Karacop ja Doymus havaitsivat myös virhekäsityksiä vetysidoksien muodostumisessa. 25 29
Osa tutkittavista virheellisesti päättelivät vetysidoksen muodostuvan kahden vesimolekyylin vetysidosten välille. Liukeneminen on termodynaaminen reaktio. Kind havaitsi kirjallisuustutkielmassaan, 26 että jotkut oppilaat arvelivat energiaa vapautuvan, kun sidokset katkeavat. Tähän päätelmään päästiin, kun oppilaat ajattelivat polttoaineen olevan energiavarasto, jonka molekyylien sidoksiin oli varastoitunut energiaa, joka vapautuisi niiden katketessa. 5. Mallit ja mallintaminen kemiassa Mallit ja mallintaminen ovat tärkeässä roolissa kemian opetuksessa, oppimisessa ja tutkimuksissa, jolloin aineiden ominaisuuksia ja muuttumisia toisikseen tehdään näkyviksi erilaisilla symboleilla ja visualisoinneilla. 27s.11,3 Kemian abstraktin luonteen vuoksi monia kemian käsitteitä ja ilmiöitä ei voi selittää ilman malleja. 20 Mallit ovat alun perin luotu tuomaan kemian mikrotason ilmiöt visuaaliseksi, jolloin niillä pyritään yksinkertaistamaan kemiallisia ilmiöitä. 28 LOPS huomioi mallien käytön kemian opetuksen tavoitteissa mainiten, että: opiskelija osaa käyttää erilaisia malleja ilmiöiden kuvaamisessa ja selittämisessä sekä ennusteiden tekemisessä. 1 5.1 Mallit Mallien ja mallintamisen kohteina ovat kemian mikrotason ilmiöt, joita ei voida muuten havaita, jolloin ne tuodaan visuaaliseksi. Visualisointiin voidaan käyttää apuna esimerkiksi kynää ja paperia, tietokoneita, eleitä tai omaa ajattelua. 29 Mallien 30
katsotaan yhdistävän luonnon ja teorian, sekä ne määritellään joukkona representaatioita, sääntöjä ja perusteltuja rakenteita, joten niiden avulla voidaan muodostaa ennustuksia ja selityksiä sekä määrittää aineiden käyttäytymisiä. 28 Malleja on erityyppisiä ja Gilbert et al. 28 jaottelevat niitä seuraavasti: konkreettinen malli (esim. muovinen molekyylimalli), verbaalinen malli (kielikuvien käyttö puheessa tai kirjoitettu kuvaus), matemaattinen malli (matemaattisista yhtälöt, jotka kuvaavat tiettyä ilmiötä, esim. yleinen kaasulaki), visuaalinen malli (kuva tai kuvaaja) tai elehditty malli (käsien liike). Harrison lisää malleihin vielä teoreettisen mallin (elektronien sijoittuminen atomin ympärille) sekä reaktioyhtälöt (mallintavat kemiallisen reaktion kulkua). 30 Mallit ovat kehittyneet ajan saatossa tieteen kehittyessä ja ne lähtevät kehittymään uusien mentaalimallien pohjalta. Mentaalimalli on jonkun henkilökohtainen malli ilmiöstä, joka muuttuu julkiseksi malliksi, kun se esitetään. Julkista mallia testataan, arvioidaan ja kehitetään eri sosiaalisten ryhmien toimista, jonka jälkeen se voidaan hyväksyä konsensusmalliksi. Kun konsensusmalli saavuttaa hyväksynnän tiedeyhteisöltä sitä voidaan pitää tieteellisenä mallina tai jos se muuttaa uusien tutkimusten valossa jotain aikaisempaa mallia, niin saavutetaan historiallinen malli. Niitä tieteellisiä tai historiallisia malleja, joita sisällytetään opetussuunnitelmiin, käytetään, usein yksinkertaistettuna, opetussuunnitelmamalleina. Näitä malleja opettajat ja oppilaat saattavat muokata opetus käyttöön soveltuviksi opetusmalleiksi. Hybridimallit ovat sekoitus tieteellisistä, historiallisista ja opetussuunnitelmallisista 17, 28 malleista. Mallien käyttämisessä on tiedostettava aina, että se on arvaus, miten systeemiä voidaan kuvata. Jokaisella mallilla on omat rajoituksensa ja mahdollisuutensa, eikä täydellistä mallia ole olemassa. 17 Kemian alan asiantuntijat käyttävät malleja säännöllisesti ja ovat näin harjaantuneita niiden tulkitsemisessa. Mallit voivat sisältää 31
hyvin paljon informaatiota, jota kemian asiantuntijat osaavat tulkita. Opetuksessa käytettävien mallien käytössä opettajan on otettava huomioon mallin käyttötarkoitus ja oppilaiden tietotaito. Oppilaat eivät välttämättä tulkitse malleja samalla tavalla ja yhtä harjaantuneesti kuin alan asiantuntijat. Oppilaat saattavat kokea itse mallin uutena opeteltavana asiana eikä sitä teoriaa mitä sillä mallinnetaan. 15 Opettajan on myös arvioitava mallin hyvyyttä opetustilanteessa, onko malli relevantti antamaan oikeanlaisia selityksiä ilmiölle. 31 Esimerkiksi, jos opetellaan tunnistamaan ensimmäistä kertaa orgaanisesta molekyylistä funktionaalisia ryhmiä, niin opettajan on arvioitava, kannattaako opetustilanteessa käyttää yksinkertaista molekyylin rakennekaavaa vai moniulotteisempaa molekyylimallia. 5.2 Molekyylimallit Molekyylimallinnus viittaa yksinkertaiseen malliin molekyylien rakenteesta ja niiden vuorovaikutuksista. Molekyylimallinnuksen avulla pyritään visualisoimaan molekyylin rakenteita joko fyysisillä malleilla, tietokoneohjelmien avulla tai mentaalimallein (mielikuvat). 32 Niin kuin muissakin kemiallisissa malleissa, molekyylimallit perustuvat johonkin hypoteesiin ja teoriaan, jolla pyritään selittämään kemiallisen systeemin käyttäytymistä. 17 Yksinkertaisin molekyylimalli saadaan piirrettyä 2D- tasoon, jolloin puhutaan molekyylin rakennekaavasta (kuva 14). Molekyylimallin rakentaminen tai piirtäminen 3D- tasoon avaa uusia mahdollisuuksia tutkia molekyylien avaruudellisia rakenteita, kuten sidosten pituuksia ja suuntautumisia toisiinsa nähden, atomien sijoittumista ja molekyylin suhteellista kokoa. Tietokonepohjaisessa mallintamisessa voidaan lisäksi havainnoida ja tutkia mm. atomien liikkeitä, elektronien jakautumista, molekyylien sähköisiä ominaisuuksia, IR- spektrejä, systeemin termodynaamisia ominaisuuksia ja atomien sekä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia. 17,33 Tässä pro gradu työssä 32
molekyylimallinnus suoritetaan tietokoneohjelmien avulla (Spartan, ChemSketch), jotka käyttävät ohjelmien ja tietokoneen laskentakykyä ennustamaan molekyylien rakenteita ja ominaisuuksia. Mallinnusohjelmat, esim. Spartan, käyttävät laskelmien tekemiseen eri teoriatasoja, jotka voidaan valita sen mukaan, minkälaisia 33 s.102 ominaisuuksia ja millä tarkkuudella ilmiötä halutaan tutkia. Molekyylimalleja on erilaisia ja niitä käytetään sen mukaan, mitä ominaisuuksia halutaan havainnoida tai tutkia. Rautalanka- (wire) ja putkimalli (tube) esittävät erilaiset atomit erivärisinä viivoina tai putkina. Rautalankamalli eroaa putkimallista siten, että se esittää eri sidostyypit (yksöis-, kaksois- tai kolmoissidos). Nämä mallit sopivat mallintamaan sidoskulmia ja molekyylin avaruudellista rakennetta. Pallo- tikkumallit (Ball- and- spoke) esittää erilaiset atomit erivärisinä ja - kokoisina palloina. Tämä malli sopii mallintamaan molekyylin avaruudellista rakennetta ja atomien sijoittumista molekyylissä. Kalottimalli (Space- Filling) on omiaan mallintamaan molekyylin kokoa, jolloin atomit esitetään erikokoisina ja värisinä palloina, jotka kuvastavat atomin ennustettua kokoa. Tässä mallissa ei esitetä atomien välisien sidosten laatua, vaan sidokset havaitaan päällekkäin menevistä palloista (kuva 26). 33 Rautalankamalli Putkimalli Pallotikkumalli Kalottimalli Kuva 26: Erilaisia molekyylimalleja C- vitamiinille. 33
6 TVT:n käyttö kemian opetuksessa Tieto- ja viestintätekniikkaa (TVT) on käytössä ympärillämme yhä enenevässä määrin niin arkielämässä kuin koulumaailmassakin. Koulumaailmassa TVT:n käyttöä lisää sähköisten ylioppilaskirjoitusten yleistyminen eri ainealueissa. 34s.5 Reaaliaineiden kokeet muuttuivat sähköisiksi syksystä 2016 lähtien, jolloin filosofia ja maantiede kirjoitettiin sähköisenä. Muidenkin reaaliaineiden kokeet muuttuvat sähköisiksi viimeistään syksyyn 2018 mennessä, jolloin mukaan tulevat fysiikka ja kemia. 35,36 Kaikilla tai ainakin lähes kaikilla opiskelijoilla on jonkinlaisen TVT:n käyttöä edellyttävät taidot, esimerkiksi internetin käyttäminen vaatii TVT:n käyttötaitoja ja tilastokeskuksen mukaan 37 97% opiskelijoista käyttää päivittäin tai lähes päivittäin internetiä. Hurmeen tutkimuksen mukaan opiskelijat myös kokevat TVT taitonsa hyviksi ja eritoten kirjallisten tuotosten laatimiseen, internetin avulla tapahtuva tiedonhakuun sekä lähteiden käyttämiseen on hyvä taidot. Hurmeen mukaan oppilaat arvioivat kuitenkin oman taidon tehdä animaatioesityksiä heikoksi. 34 s.10 TVT:n voidaan ajatella olevan jokin tekninen laite, jonka avulla opetus tapahtuu. Tämä laite voi olla esimerkiksi älypuhelin, tietokone, älytaulu, videotykki tai jokin sovellus, joka sisältää oppimisympäristön. 38 Tässä pro gradu tutkielmassa oppimisympäristönä on kolme erilaista ohjelmaa: ChemSketch, Spartan sekä Powerpoint, jotka ovat asennettu tietokoneelle. Tietokonetta käytetään myös tiedon hakemiseen. LOPS esittää opetuksen toteuttamisen yhteydessä, että opiskeluympäristöjä koskevissa ratkaisuissa otetaan huomioon, että oppimista tapahtuu mitä moninaisimmissa tilanteissa ja paikoissa. Opiskelijoita ohjataan käyttämään monipuolisesti digitaalisia opiskeluympäristöjä, oppimateriaaleja sekä työvälineitä opiskelukäytössä. TVT:n avulla on mahdollista luoda uudenlaisia opiskeluympäristöjä, jotka voivat mahdollistaa, tukea ja rikastuttaa opiskelua ja samalla laajentaa opetusta oppikirjojen ulkopuolelle. 38 LOPS:n kemian opetuksen yhteydessä sanotaan, että TVT:a käytetään muun muassa 34
mallintamiseen, tutkimusten tekemiseen sekä tuotosten laatimiseen. 1 Moni mieltää TVT:n sovellukset vain kynän ja paperin korvaajaksi, mutta sen avulla voidaan päästä käsiksi syvempiin oppimisprosesseihin, joihin ei kynän ja paperin avulla päästä. 34s.26 Näin esimerkiksi kemiassa voidaan päästä parempaan ymmärrykseen aineiden kolmiulotteisista rakenteista. 3 Tätä helpottaa TVT:n mahdollistava virtuaalimaailma, jolloin eri ilmiöistä voidaan saada havaintoja, jotka muistuttavat todellisuutta. 38 6.1 TVT molekyylimallinnuksessa Tietokoneavusteista molekyylimallinnusta käytetään hyväksi tieteellisten tutkimusten tekemisessä sekä opetuskäytössä. Sen tuomat edut on huomattu tärkeäksi niin tutkijoiden keskuudessa kuin koulumaailmassa. 39 TVT tuo mahdollisuuden molekyylimallien monipuoliseen visualisointiin, muokkaukseen ja aktiiviseen muuttamiseen oppimisen ja opetuksen tarpeiden mukaan. 17 Oppilaat, niin lukiossa kuin yliopistossa, ovat kokeneet TVT:n käytön molekyylimallinnuksessa positiivisena ja sen on sanottu helpottavan molekyylin rakenteiden ymmärtämisessä sekä parantaneen heidän visualisointitaitoja. 3,39 Opettajan roolilla on suuri merkitys tehtävien ja suoritusohjeiden laadinnassa, jolloin mallinnusohjelmien käyttö tukisi mahdollisimman hyvin käsiteltävien asioiden oppimista sekä oppilaiden korkeammat ajattelutavat harjaantuisivat. Ohjelmien käyttö ei tällöin jäisi pelkästään mukavaksi 3, 17, 40 tempuksi. Tutkimukset osoittavat, että TVT - avusteista molekyylimallinnusta käyttäneet opettajat ovat käyttäneet sitä pääasiassa molekyylien rakennetietojen havainnollistamiseen. Vaikeampien käsitteiden ja ilmiöiden mallintaminen on ollut vähäisempää. Haasteena TVT:n käytölle pidetään koulujen resurssipulaa, tiiviitä aikatauluja, ryhmäkokoja sekä opettajien kokemus- ja koulutustasoa. Molekyylimallinnusta on käytetty lähinnä opetuksen lisänä, joka ei täysin sovellu opeteltavaan aiheeseen. Lundell ja Akselan 35
tutkimus toteaa myös, että opettajat kaipaisivat valmiita malleja ja harjoituksia molekyylimallinnuksen soveltamiseen eri aihealueisiin. 3 6.1.1 Spartan Spartan 41 on Wavefunction Inc:n valmistama molekyylimallinnusohjelma tietokoneille. Spartan tarjoaa monipuoliset mahdollisuudet tutkia molekyylien rakenteita ja ominaisuuksia. Tässä pro gradu tutkielmassa Spartania (Spartan Student V3.02) käytetään molekyylin rakentamiseen ja vetysidosten esittämiseen sekä tasapainogeometrian, IR- spektrin, molekyylin potentiaalipinnan ja eri systeemien muodostumisenergioiden laskemiseen. Näiden lisäksi, Spartan ohjelmasta löytyy valmiudet tutkia muun muassa sidospituuksia ja kulmia, atomiorbitaaleja, transitiotiloja tai ionien ominaisuuksia. Ohjelmasta löytyy myös valmiita malleja esimerkiksi aminohappo- ja DNA ketjujen rakentamiseen. 33 Spartanissa tarvittavat rakennustoiminnot ovat sijoiteltu rakennusalustan ympärille ja ovat merkattu toimintoa kuvaavin symbolein. Kaikki käytettävät laskutoiminnot ovat piilotettu valikkojen taakse. Spartanin suorittamat laskut perustuvat atomien erilaisiin ominaisuuksiin. Laskut käyttävät teoriapohjanaan joko molekyylimekaniikkaa tai kvanttikemiaa. Molekyylimekaniikka käsittelee molekyylejä toisiinsa sitoutuneina varattuina atomeina, joilla Coulombisia vuorovaikutuksia keskenään. Sidospituudet ja kulmat ovat määritetty vastaamaan tunnettuja parametreja. Kvanttikemia tutkii atomien ja nukleonien ominaisuuksia Schrödingerin yhtälön avulla. Hartree- Fock (HF) laskutaso perustuu Schrödingerin yhtälöön, johon on tehty approksimaatioita elektronien ja nukleonin liikkumiseen sekä niiden liikettä kuvaaviin funktioihin. Semi- empiirinen laskutaso perustuu niin ikään myös Schrödingerin yhtälöön, jolloin laskutaso käyttää parametrisoitua Hartree- Fock - mallia. Parametrisoidut arvot perustuvat kokeellisuudesta saatuihin tuloksiin. 33 36
6.1.2 ChemSketch ChemSketch 42 on ilmainen verkosta ladattava tietokoneohjelma. Ohjelmaa voidaan käyttää molekyylien rakennekaavojen piirtämiseen ja niiden 3D rakenteiden tutkimiseen. Ohjelma kykenee optimoimaan molekyylien rakenteet niin 2D kuin 3D - malleista. Ohjelman avulla voidaan piirtää ja kirjoittaa reaktioyhtälöitä sekä rakentaa laboratoriolaitteistoja monipuolisista valmiina olevista malleista. Tässä pro gradu tutkielmassa ohjelmaa käytetään C- vitamiinin rakenteen tutkimiseen kaksi- ja kolmiulotteisesti sekä eri molekyylimallien vertailuun. ChemSketch:n molekyylin rakennustoiminnot ovat sijoiteltu rakennusalustan ympärille symbolein, joiden sanalliset selitykset avautuvat, kun hiiren kursori sijoitetaan symbolin päälle. Toiminnot löytyvät myös piilosta valikkojen takaa. 6.2 Animaatiot kemian opetuksessa Animaatio on sarja nopeasti vaihtuvia kuvia aiheuttaen mielikuvan liikkuvasta kuvasta. 25 Animaatiot ovat yksi tapa visualisoida kemiallisia mikrotason ilmiöitä. 29 Kemian opetuksessa animaatioiden avulla voidaan havainnollistaa esimerkiksi atomien ja molekyylien liikkeitä kemiallisten reaktioiden aikana ja ne sopivat täydentämään tekstipohjaisia selityksiä. Animaatiot kuvaavat tapahtumia usein yksinkertaistetusti 43 ja ne edustavat aina mallintajan näkökulmaa eli mitä mallintaja haluaa havainnollistaa animaation avulla. 44 Weiss et al. 43 mukaan animaatioilla on monta erilaista tehtävää opetuksessa. Niillä voi olla kosmeettisia tehtäviä, niiden avulla voidaan lisätä huomiota ja motivoida, jolloin opetus yritetään saada kiinnostavaksi. Niiden avulla voidaan myös tuoda erilaisia representaatioita opetukseen, jolloin esimerkiksi kirjallisuuden ja kuvien lisäksi voidaan esittää esimerkiksi dynaamisia prosesseja liikkuvan kuvan avulla. 37
Animaatiot sopivat myös selventämään asioita, jolloin ne eivät toimi uuden informaation lisääjinä, vaan vaihtoehtoisena esitystapana opitulle asialle. 43 Animaatioiden käyttöä kemian opetuksessa on tutkittu paljon. Jones sanoo kemian opetuksen tutkimuksessaan, 32 että animaatiot saattavat auttaa oppilaita ymmärtämään paremmin dynaamisia molekulaarisia prosesseja, mutta eivät sovellu suurimmalle osalle oppilaista pelkästään syvällisen ymmärryksen saavuttamiseksi. Myös Schank ja Kozma havaitsivat, 45 että animaatiot paransivat oppimistuloksia ilman animaatiota tapahtuvaan opetukseen verrattuna. Karacopin mukaan 25 animaatioista saadaan enemmän hyötyä, jos niiden kanssa käytetään myös verbaalista selitystä. Koska animaatiot ovat aina mallintajan omia näkemyksiä mallinnettavista tapahtumista 44, niin voidaan ajatella, että oppilaiden itse tekemät animaatiot voisivat auttaa opettajaa arvioimaan, onko oppilaille jäänyt virhekäsityksiä mallinnettavasta ilmiöstä. Vermaatin mukaan 46 omien animaatioiden tekeminen myös tukee oppimista paremmin kuin pelkästään niiden havainnoiminen, koska oppilaiden täytyy harkiten miettiä, mitä mikrotason prosesseja ilmiössä tapahtuu. Pernaan mukaan animaatiot myös auttavat oppilasta saamaan dynaamisemman mentaalimallin ilmiöistä, koska niiden avulla voidaan liikkua kemiallisen tiedon kolmen tason välillä, jolloin makrotason tapahtumia kuvataan mikrotasolla erilaisin kemiallisin symbolein. 25 7 Kehittämistutkimus Tämän pro gradu tutkimuksen tarkoituksena on kehittää oppimateriaalia ensisijaisesti lukion kemian opetuksen tueksi. Materiaalin kehittämisen lähtökohtana on valmistaa tehtäviä ja malleja, joiden avulla TVT:a ja erityisesti tutkimuksessa käytettyjä ohjelmia voidaan käyttää kemian ilmiöiden selittämisessä. Tutkimuksessa kehitettyjen tehtävien konteksti on luotu C- vitamiinin ympärille ja niiden tavoitteena on opettaa liukenemisen käsite. Tehtävät ovat suunniteltu siten, että liukenemiseen liittyvää 38
kemiaa opetellaan vaiheittain, käyttäen erilaisia malleja kuvaamaan liukenemisen käsitteeseen liittyviä ilmiöitä. Tehtävien avulla oppilaan oletetaan oppivan liukenemisen käsitteen sekä siihen liittyviä ilmiöitä, kehittämään kykyä hahmottaa molekyylin avaruudellista rakennetta, oppivan soveltamaan uutta tietoa ja tekemään hypoteeseja sekä kehittämään ongelmanratkaisukykyään. 7.1 Kehittämistutkimuksen teoriaa Tässä pro gradu tutkimuksessa käytetään kehittämistutkimuksen menetelmää tulosten saavuttamiseksi. Tutkimusmenetelmän käyttö on yleistynyt opetuksen tutkimuksissa sen tuomien etujen vuoksi, mutta sen avoimuus ja riippuvuus luovuudesta tekee siitä haastavan tutkijoille kuvata ja selittää. 47 Kehittämistutkimukselle on määritelty monta erilaista menetelmää eri tutkimuksissa. Englannin kielellä eri tutkimuksille on eri nimityksiä, 47 kuten design experiments, design research, development research, developmental research ja formative research. Eri menetelmissä on erilaisia vivahteita, mutta tutkimuksen pääpiirteet ovat samanlaiset. 48 Menetelmä ei ole selvinnyt ilman kritiikkiä, mutta sen tuomat edut opetukselle puoltavat tutkimusmenetelmän käyttöä. 47 Tässä kappaleessa tarkastellaan kehittämistutkimuksen menetelmää eri näkökulmista niin yleisesti kuin tämän tutkimuksen kannalta. Kehittämistutkimus on tutkimusmenetelmä, jossa kehittäminen ja tutkiminen yhdistyvät teoreettisia ja kokeellisia vaiheita sisältävässä syklisessä prosessissa. 29,47 Wang ja Hannaf määrittelevät kehittämistutkimuksen systemaattiseksi, mutta joustavaksi metodiksi, joka kohdistuu opetuksellisten käytänteiden edistämiseen iteratiivisen (toistuvan) analyysin, suunnittelun, kehittämisen ja toteutuksen kautta, yhdessä tutkimukseen osallistuvien tutkijoiden ja muiden osallisten kesken todellisessa ympäristössä, johtaen kontekstisidonnaisiin periaatteisiin ja teorioihin. 48 39
Kehittämistutkimus opetuskäytössä antaa siis mahdollisuuden testata teorioita käytännössä. Menetelmän avulla tutkijat kykenevät näkemään tutkimustensa välittömän vaikutuksen opetukseen, kehittäen samalla heidän ymmärrystä. Kehittämistutkimus onkin syntynyt tarpeesta kehittää opetusta ja oppimisympäristöjä käytännön tarpeiden näkökulmasta. 47 Edelson kuvaa kehittämistutkimusta kolmivaiheisena syklinä: 1. kehittämis- suunnitelma, 2. ongelma- analyysi ja 3. kehittämistuotos. 47 Kehittämissuunnitelmassa määritetään tutkimukseen osallistuvat henkilöt sekä tutkimusprosessi. Ongelma- analyysissä kuvataan tutkimuksen tavoitteet, tarpeet, rajoitteet ja mahdollisuudet siinä kontekstissa kuin tutkimusta tehdään. Tämä vaihe voi sisältää kehittämisprosessin arviointia kuten tarveanalyysin tekemistä, empiiristä tutkimusta tai tuotoksen testaamista. Kehittämistuotos määrittää tutkimustuloksen, joka muodostuu tutkijoiden vastauksesta haasteisiin, täyttäen annetut rajoitteet sekä käyttäen hyväksi tutkimuksen mahdollisuuksia. Kehittämistuotos kehittyy tutkimuksen aikana tutkijoiden ymmärryksen syventyessä analyysien ja formatiivisen arvioinnin seurauksena. Edelson tarkentaa, että kehittämistutkimuksen kolmea eri vaihetta ei tule ajatella rationaalisena prosessina tutkimusta tehdessä, vaan ne ovat ikään kuin tutkimuksen tekemisen eri tasoja. Vaiheet kuvailevat tutkimuksen aikana tehtyjä sille luonteenomaisia toimenpiteitä. Kehittämistutkimusten monimuotoisuuden vuoksi, joidenkin tutkimuksien menettelytavat ovat selkeästi ilmaistavissa ja noudatettavissa, mutta joidenkin tutkimusten joustavuuden ja dynaamisuuden vuoksi, eri tutkimusvaiheet voidaan määrittää vasta sitten, kun koko kehittämisprosessi on käyty läpi. 47 Wangin ja Hannafin mukaan teknologia- avusteisen oppimisympäristön (eng. technology- enhanced learning enviroment, TELE) kehittämistutkimuksessa on 9 periaatetta. 48 40
1. Ota tukea aikaisemmista tutkimuksista tutkimuksen alusta lähtien. Tukea saa niin kirjallisuudesta, julkaisuista kuin ohjelmien manuaaleista. Tämä auttaa saamaan erilaisia näkökulmia tutkimuksen perustamiselle ja fokusoinnille. 2. Aseta tavoitteet kehittämistutkimukselle ja tee alustava suunnitelma tavoitteiden saavuttamiseksi. Suunnitelma sisältää yleensä kuvauksen oletetusta tutkimusvaiheista, asetelmista, metodeista, tutkimukseen osallistuvista ja muista tutkimukseen liittyvistä tekijöistä. Suunnitelman on oltava muokattavissa tarvittavien parannustarpeiden lisäämiseksi. 3. Suorita tutkimus todellisessa ympäristössä. Tutkimuksen olisi vastattava todellista opetustilannetta, koska tuloksetkin ovat tarkoitettu opetuskäyttöön. 4. Tee tiivistä yhteistyötä osallistujien kanssa. Kaikki tutkimukseen osallistuvat ovat tutkimuksessa mukana avustajina tai tutkijoina. 5. Toteuta tutkimusmetodit systemaattisesti ja tarkoituksenmukaisesti. Tutkijat käyttävät useita tutkimusmetodeja: havaintoja, haastatteluja, tarveanalyysejä, dokumenttien analyysiä ja arviointeja. Kvalitatiiviset dokumentoinnit, esim. nauhoitus tai havaintojen kirjaaminen, sopivat hyvin kehittämistutkimukseen. 6. Analysoi data välittömästi tutkimuksen aikana ja jälkikäteen. Tutkimuksessa ilmenee kahdenlaista dataa. Data I sisältää tutkimuksen aikana tehdyt muistiinpanot ja yksityiskohtaiset kehittämiset. Data II kiteyttää data I:n ja sitä käytetään kehittämistutkimuksen selittämiseen ja periaatteiden rakentamiseen. Jälkikäteen analysointia käytetään hyväksi data II:n kehittämiseen vertaamalla dataa I kehittämisen kontekstiin, aikaisempiin tutkimuksiin ja kirjallisuuteen. 41
7. Jalosta kehityssuunnitelmaa jatkuvasti. Jalostusta tapahtuu datan II, vertailevan analyysin tai kirjallisuuden perusteella. Uudet innovaatiot voidaan esittää tutkimuksen aikana, jos ne koetaan tarpeelliseksi ja toteuttamiskelpoiseksi. 8. Dokumentoi kontekstin vaikutukset kehitystutkimuksen periaatteiden mukaisesti. Kehittämistutkimus raportoi yleisesti tutkimuksen tarkoituksen ja tavoitteet, raamit, kehittämisympäristön ja prosessin ja tutkimuksen seurauksen. Tutkimuksen tarkoitus ja tavoite esittelevät relevantin kirjallisuuden, asettaa kehittämisen tarkoituksen sekä selittää kehittämisen tavoitteet ja innovatiivisuuden. Tutkimuksen raamit selittävät perusteellisesti tutkimuksen alkuperän ja rajoitteet sekä miten niiden avulla päästään. Kehittämisympäristö ja - prosessi esittävät tutkimusympäristön ja prosessin yksityiskohdat (esim. luokkahuoneympäristö, koulun kulttuuri, oppilaiden taustat), tutkimusvaiheet, välitavoitteet, perustellut jalostukset sekä datan keräämistavan ja analysointi menetelmät. Tutkimuksen seuraus määrittää tutkimuksesta löydetyt tulokset. On hyvä myös esittää varoituksia ja sopivia soveltamistapoja tutkimustuloksille. 9. Arvioi tutkimustulosten yleistettävyyttä. Tutkimustulosten on oltava sopusoinnussa teoreettisten tavoitteiden kanssa sekä toteuttaa tutkimuksen vaatimukset. 7.2 Kehittämistutkimuksen mahdollisuudet ja haasteet The Design- Based Research Collective:n mukaan kehittämistutkimus tarjoaa johdonmukaisen menetelmän yhdistämään opetuksen teoreettisen tutkimuksen sekä käytännön. Se antaa mahdollisuuden tutkia uudenlaisia opetus- ja oppimisympäristöjä, jolloin kasvatetaan kykyä innovatiivisuuden käyttämiselle. Kehittämistutkimus kehittää 42
kontekstisidonnaisia teorioita oppimisesta ja opettamisesta, joita ei voida saavuttaa yksittäisten analyysien tai perinteisin empiirisin tutkimusmenetelmin (kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen tutkimus). 47,49 Siinä missä perinteiset tutkimusmenetelmät perustuvat tilastollisiin otantoihin, niin kehittämistutkimuksen tuloksellisuus perustuu sen havainnollistettavuuteen ja perustumiseen tarkoin määriteltyihin kokeiluihin. Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä tutkimuksensa tulokset välittömästi tutkimuksen yhteydessä. Kehittämistutkimuksen kehitystuotos tarjoaa opettajille valmista opetusmateriaaleja tai malleja, joita he voivat käyttää suoraan työssään. 47 Kehittämistutkimus on melko uusi tutkimusmuoto, eikä se ole selvinnyt ilman kritiikkiä. Koska tutkimustilanteet ovat usein luotuja tutkimustarkoitukseen, niin ongelmana saattaa olla tutkimustulosten yleistettävyydessä, varsinkin kun tutkimuksen otanta on usein pieni. 47 Yleistettävyyden haasteena on myös tieto siitä, että tutkimusdataa tulee usein paljon ja eri lähteistä, jolloin tutkimustilanteen ainutlaatuisuus saattaa vaikuttaa tutkimustuloksiin. 50 Tutkimustulosten luotettavuuden parantamiseksi, pitäisi ne tutkia myös muilla tutkimusmenetelmillä. 47 7.3 Tutkimuksen tarveanalyysi Akselan ja Lundellin tutkimus osoittaa, että opettajat ovat kiinnostuneita TVT:n tuomista mahdollisuuksista kemian opetuksen monipuolistajana. TVT:a käyttäneet opettajat ovat huomanneet, että molekyylimallinnuksella voidaan lisätä oppilaiden kemian ymmärtämistä ja mielenkiintoa. Opettajat ovat kuitenkin toivoneet saavansa valmiita harjoituksia ja malleja molekyylimallinnusohjelmien soveltamiseen eri kemian käsitteiden opettamisessa. 3 LOPS lisää opetuskäyttöön suunniteltujen materiaalien tarvetta ohjaamalla opettajia käyttämään TVT:a opetuksessa lukion 2. ja 4. kurssin tavoitteissa mallintamisen välineenä sekä tuotosten muodostamisessa. 1 Kemian lisääminen sähköisten ylioppilaskirjoitusten piiriin tuo opettajille tarvetta käyttää TVT:a opetuksen yhteydessä. 43
Yksi tutkimuksen lähtökohta oli, että mitä TVT:n avulla voidaan tehdä, mitä ei perinteisellä kynällä ja paperilla voida tehdä. Esimerkiksi molekyylien potentiaalipintojen, IR- spektrien, vuorovaikutusten suuruuksien tai termodynaamisten ominaisuuksien laskeminen voi olla haastavaa luokkahuone- ympäristössä. Molekyylien 3D- mallintaminen onnistuu luokkahuoneessa muovisten pallo- tikkumallien avulla, mutta TVT - ohjelmilla voidaan molekyylin rakenteen yhteys sen kemiallisiin ominaisuuksiin tuoda laskennallisen mallinnuksen avulla. Samalla mallinnusohjelmat tarjoavat mahdollisuuden molekyylin rakenteen aktiiviseen muokkaamiseen ja erilaisten molekyylimallien vertailuun. C- vitamiinin arkipäiväisyys luo oppilaille tutun kontekstin opeteltavan aiheen ympärille. Gabelin mukaan, 20 jos oppilaat eivät tunnista opetuksessa käytettävää kemikaalia, niin kemiallisen tiedon makrotaso ei täyty. Phelpsin tutkimukset tukevat Gabelin ajatuksia lisäten, että arkipäiväisten aineiden liittäminen opetukseen motivoi opiskelijoita. 4 Tämä tutkimus luo myös keinon tuoda kemiallisen tiedon kolme eri tasoa opetukseen mukaan. C- vitamiinin liukeneminen luo makrotason; atomit, molekyylit ja liukenemistapahtumat mikrotason sekä kemialliset merkinnät, suureet ja värit symbolisen tason. 8 Tutkimuksen suoritus Tutkimus suoritettiin Jyväskylän yliopiston kemian mallit ja visualisointi kurssin KEMS709 yhteydessä tammikuussa 2017 ja sen tarkoituksena oli saada vastaukset tutkimuskysymyksiin 1 ja 2. Kurssi on suunnattu kemian aineenopettajaksi opiskeleville, jotka opiskelevat kemiaa joko pää- tai sivuaineenaan. Kurssilla käsitellään laskennallista kemiaa sekä molekyylimallinnuksen ja tietokoneavusteiden kemian 44
soveltamista kemian opetukseen. Tutkimusympäristönä toimi Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen ATK- luokka, jossa on 12 tietokonetta sijoitettuna luokan seinien edustoille vieri viereen, näytöt suunnattuina luokan keskustaa kohti. Tietokoneiden asettelu mahdollisti kaikkien opiskelijoiden toimintojen ja jokaisen näytön tapahtumien seuraamisen lähes yhtäaikaisesti. Opiskelijat jakautuivat ennalta määräämättömästi siten, että muodostui kolme paria, jotka olivat vierekkäisillä tietokoneilla. Tutkimukseen käytettiin aikaa 90 min. Tutkimukseen osallistui tutkijan lisäksi yliopisto- opettaja sekä kuusi opiskelijaa. Tutkimukseen opiskelevien pääainetta ei selvitetty. Tutkimuksen aluksi opiskelijoille kerrottiin tutkimuksen tarkoitus ja selvitettiin tutkimukseen osallistuvien kokemuksia käytetyistä ohjelmista (ChemSketch ja Spartan Student V3.02). Tutkimustehtävien tekoon varattiin alustavasti aikaa 75 min, opetustilanteen ollessa kokonaisuudessaan 90 min. Tehtävät suoritettiin itsenäisesti, mutta keskustelu sallittiin. Tutkimukseen osallistuvien työskentelyn tukena oli tehtävälomake (Liite 1), joka suunniteltiin siten, että opiskelijat tekivät tehtävät ilman ohjelmiin ennakkotutustumista, alkuopastusta tai tehtäväkohtaisia opastuksia. Tutkija sekä opettaja toimivat tutkimustilanteessa ohjaajina, jotka opastivat ohjelmien käytössä tarvittaessa. Tutkimus lopetettiin opetustilanteen päätyttyä, jolloin opiskelijat palauttivat tehtävälomakkeen tutkijalle. Tutkimuksen tarkoituksena oli havainnoida, miten opiskelijat vastaavat tehtävänannon tehtäviin ja miten opiskelijat toteuttavat tehtävät ilman ennakkotietoja ohjelmien käytöstä. Tutkimuksessa havainnoitiin myös opiskelijoiden toimintaa tutkimuksen aikana. Tutkimuksen aluksi sovittiin, että opettaja kirjaa tehtävälomakkeelle huomioita tehtävien mahdollisuuksista ja haasteista. 8.1 Tutkimuskysymykset Tutkimuskysymykset ohjaavat tutkimuksen aikana tehtyjä valintoja. Millä keinoin aineisto halutaan kerätä ja analysoida? Selkeät, tarkkaan määritellyt ja riittävän 45
suppeat tutkimuskysymykset antavat mahdollisuuden keskittyä aineiston analyysissä vain siihen dataan, mitä halutaan tutkia ja mistä halutaan tietoa. 51 Tässä kehittämistutkimuksessa etsittiin vastauksia seuraaviin tutkimuskysymyksiin: 1. Tarvitaanko molekyylimallinnusohjelmien käyttöön opastusta opetuksen tarpeisiin? 2. Minkälaisilla tehtäväkohtaisilla ratkaisuilla voidaan vähentää oppilaan ohjausta tehtävien tekemisen aikana? 3. Miten animaatioita voitaisiin käyttää C- vitamiinin liukenemisen oppimisen tukena? 8.2 Tehtävälomake Tutkimustehtävät olivat paperisella tehtävälomakkeella, joka löytyy liitteestä 1. Tehtävälomake sisälsi 10 tehtävää, joista 3 tehtävää sisälsi 2-3 alakohtaa. Tehtävät oli jaettu siten, että 1. ja 2. tehtävä tehtiin ChemSketchillä (A- osa) ja 3.- 10. Spartanilla (B- osa). Käytettyjen ohjelmien lisäksi tehtävämonisteella ei ollut muuta informaatiota tehtävien tekemiseen liittyen. Monisteen aluksi oli lyhyt tietopaketti C- vitamiinista. Tehtävämonisteen kysymykset aseteltiin järjestykseen siten, että liukenemiseen liittyviä ilmiöitä käydään läpi omissa tehtävissään ja lopuksi sovelletaan aikaisempien tehtävien tietoja liukenemisen kokonaiskuvan saavuttamiseksi. Tehtävämonisteesta kehitettiin lopullinen materiaali, johon lisättiin myös tehtäväkokonaisuus animaatiosta. Seuraavaksi käydään läpi tehtäväkohtaisia analyysejä tutkimustehtävistä. ChemSketch. Tehtävä 1:n tarkoituksena on havaita yhteys kahden erilaisen C- vitamiinimolekyyliä esittävän mallin, molekyylikaavan sekä rakennemallin, välillä. Tarkoituksena on myös tunnistaa C- vitamiinimolekyylissä olevat funktionaaliset 46
ryhmät. Mallinnusohjelmaa käytetään molekyylin rakentamiseen sekä rakenteen optimoimiseen. Tehtävä 2:ssa siirrytään molekyylin 2D- rakenteesta havainnoimaan sen 3D- rakennetta ja tutkitaan C- vitamiinimolekyyliä erilaisten molekyylimallien avulla. Tehtävässä oppilaat päättelevät erilaisten molekyylimallien käyttökelpoisuuksia. Spartan. Tehtävien aluksi pyydetään käyttämään semi- empiiristä laskutasoa. Tämä sen takia, että ohjelman suorittamat laskut nopeutuvat verrattuna tarkempiin laskutasoihin ja saadaan silti riittävän tarkkoja tuloksia päätelmien tekemiseen. Tällä säästetään aikaa itse tehtävien tekemiseen. Tehtävien 3 ja 4 tarkoituksena on tutkia poolisuuden käsitettä. Tehtävässä 3a) kysytään oppilaan ennakkotietoja molekyylin poolisuuteen liittyen. Vastauksessa oppilaan on lähdettävä atomitasolta selittämään koko molekyylin poolisuuteen liittyviä tekijöitä. 3b) tehtävässä tulkitaan teorian, molekyylimallin ja visualisoinnin välisiä yhteyksiä. Elektronitiheyskarttaa tulkitaan värien perusteella, jolloin voidaan havaita, että punainen väri kuvaa elektronirikkaan ja sininen väri elektroniköyhän alueen aiheuttaen molekyylille vastaavasti paikallisen negatiivisen ja positiivisen varauksen. Teoria tukee oppilaan visuaalisia havaintoja, jolloin voidaan päätellä, että vesimolekyylin ja C- vitamiinimolekyylin (teht. 4) epäsymmetriset rakenteet ja varausjakaumat aiheuttavat niille dipolimomentteja, jotka kuvaavat molekyylin poolisuutta. Tehtävässä 5 tunnistetaan funktionaalisia ryhmiä IR- spektristä. IR- spektroskopiaa käsitellään Mooli 2 - kirjassa 52, joten sen ottaminen tehtäviin mukaan on perusteltua varsinkin, kun Spartanin avulla molekyylin spektri voidaan laskea. Myös LOPS:n mukaan kemian 2. kurssin keskeisiin sisältöihin kuuluu aineen rakenteiden analyysimenetelmiä, kuten spektroskopiaa. 1 Tehtävässä havainnoidaan yhteyksiä sidosten värähtelyjen sekä niitä vastaavien spektripiikkien välillä. Tehtävässä oppilaat pääsevät myös arvioimaan oikeiden tutkimustulosten ja laskennallisen kemian välisiä eroja, jolloin mallin rajoitukset tulevat ilmi. 47
Tehtävät 6-9 liittyvät molekyylien välisiin heikkoihin vuorovaikutuksiin. Näihin tehtäviin tarvitaan aikaisempien tehtävien tietoja, jolloin molekyylin poolisuuden vaikutus heikkoihin vuorovaikutuksiin tulee ilmi. Tehtävän 6 tarkoituksena on tunnistaa C- vitamiinimolekyylien väliset vuorovaikutukset sekä tehdä hypoteesi eri systeemien (C- vitamiini - C- vitamiini, C- vitamiini - vesi, vesi - vesi) vuorovaikutusten suuruuksista. Tehtävässä olevat kuvat auttavat hypoteesien tekemisessä. Tehtävässä 7 on tarkoitus soveltaa Spartanin laskuominaisuuksia ja heikkojen vuorovaikutusten kemiaa siten, että oppilaat kehittelevät itse menetelmän vuorovaikutusten suuruuksien laskemiseksi. Tämä testaa ja kehittää oppilaiden kykyä soveltaa erilaisia tietoja ja menetelmiä sekä antaa mahdollisuuden arvioida, kuinka hyvin oppilaat tuntevat heikkoihin vuorovaikutuksiin liittyvän teorian. Tehtävässä 8 lasketaan edellisessä tehtävässä suunnitellun menetelmän mukaisesti vuorovaikutusten suuruudet, jolloin voidaan arvioida, pitikö 6b) - kohdassa tehdyt hypoteesit paikkansa. Tehtävän 9 tarkoituksena on, että oppilas kuvaa sanallisesti liukenemisprosessin energianmuutostapahtumien vaikutuksen liukenemisen kannalta, jolloin voidaan arvioida, ovatko liukenemisen taustalla olevat ilmiöt ymmärretty. Tehtävä 10 on soveltava tehtävä, jolla voidaan arvioida, miten liukenemiseen liittyvät ilmiöt ovat ymmärretty. Tehtävän tarkoituksena on laittaa oppilas soveltamaan aikaisemmin opittua tietoa erilaisessa systeemissä. Tehtävä voidaan ratkaista joko päättelemällä, vertaamalla eri vuorovaikutuksien suuruuksia, tai käyttäen Spartanin laskennallisia toimintoja tehtävässä 7 suunnitellulla menetelmällä. 8.3 Aineiston kerääminen ja analyysimenetelmä Tässä kehittämistutkimuksessa aineistoa kerättiin laadullisen tutkimuksen menetelmin. 53 Tutkimuksessa etsittiin vastauksia tutkimuskysymyksiin, joita varten kerättiin dataa siitä, miten opiskelijat oppivat käyttämään käytettyjä ohjelmia, mitä 48
haasteita ohjelmien käytössä on ja soveltuuko kehitetty tehtävälomake C- vitamiinin liukenemisen opettamiseen ohjelmien avulla. Dataa kerättiin avoimen haastattelun, osallistuvan havainnoinnin eli osallistuvan observoinnin ja tehtävälomakkeen avulla. Tutkimuksessa saatu aineisto analysoitiin sisällönanalyysin menetelmin. Avoin haastattelu ei ole sitoutunut tiettyyn haastattelua ohjaavaan formaattiin. Avoimessa haastattelussa on keskusteleva ilmapiiri, joka etenee vapaasti ennalta määrätyn aihepiirin sisällä. Haastattelijan rooli on tehdä keskustelutilanteesta mahdollisimman luonteva ja avoin haastateltavalle, kuitenkin johdatella keskustelua aihepiirin teemoihin. Avoimen haastattelun tavoitteena oli selvittää opiskelijoiden kokemukset ohjelmien käytöstä ennen tutkimusta sekä opettajan näkemys tehtävälomakkeen haasteista ja mahdollisuuksista. Havainnoimalla saadaan systemaattisen tarkkailun avulla suoraa informaatiota yksilön tai ryhmän toiminnasta ja käyttäytymisestä. Osallistuvassa havainnoinnissa tutkijalla on aktiivinen rooli havainnoitavassa toiminnassa. Ennen havainnointia on määritettävä sen tavoitteet ja tarkkuus, jotka kohdentavat havainnot olennaiseen. Verbaalisten asioiden lisäksi, havainnointi voi kohdistua esimerkiksi eleisiin, ilmeisiin ja asentoihin. 51 Havainnoinnin tavoitteena oli selvittää opiskelijoiden toimintaa tutkimustilanteessa, jolloin etsitään dataa siihen, miten opiskelijat onnistuvat käyttämään ohjelmia ja mitä haasteita ohjelmien käytössä on. Tehtävälomakkeen avulla selvitettiin, löysivätkö opiskelijat tarvittavia tuloksia ohjelmien avulla ja oliko opiskelijoiden päätelmät sopusoinnussa teorian kanssa. Havainnointien ja haastattelujen datat dokumentoitiin tutkijan toimesta kirjallisena tutkimuksen aikana ja sen jälkeen. Haastatteluja ei nauhoitettu eikä litteroitu. Tutkimuksen päätyttyä tehtävälomakkeet kerättiin tutkijan käyttöön ja niitä käsiteltiin täysin anonyymisti. Haastattelujen tulosten, havainnointien ja tehtävälomakkeiden välillä ei käytetty tunnisteita. Opettajan haastattelun tukena käytettiin 49
tehtävälomaketta, jossa oli opettajan merkintöjä tutkimuksen aikana tekemistään havainnoista ja kehitysideoista. Sisällönanalyysiä voi soveltaa kaikkiin laadullisen tutkimuksen menetelmiin. Se sopii kirjoitettujen, kuultujen ja nähtyjen sisältöjen analysoimiseen, ja sen tavoitteena on luoda sanallinen ja selkeä kuvaus tutkittavasta ilmiöstä tiivistetyssä ja yleisessä muodossa. Aineiston laadullisessa käsittelyssä, se hajotetaan ensin osiin, jonka jälkeen se käsitteellistetään ja kootaan uudestaan uudella tavalla loogiseksi kokonaisuudeksi. 53 Aineistolähtöisessä sisällönanalyysissä on kolme eri vaihetta: 1. aineiston pelkistäminen, 2. aineiston ryhmittely ja 3. teoreettisten käsitteiden luominen. Aineiston pelkistämisestä ohjaa tutkimuskysymykset, jolloin analysoitava data kirjoitetaan auki ja siitä poistetaan kaikki tutkimukselle epäoleellinen tieto. Aineiston ryhmittelyssä etsitään siinä olevat samankaltaisuudet, jotka luokitellaan omaksi kokonaisuudeksi. Ryhmittelyssä luodaan alustavia kuvauksia tutkittavasta ilmiöstä sekä pohja tutkimuksen perusrakenteelle. Lopuksi luodaan teoreettiset käsitykset, jotka koostuvat tutkimuksen kannalta olennaisista tiedoista, joita ryhmitellään yhä uudestaan, niin kauan kuin se aineiston sisällön näkökulmasta on mahdollista. Näin päästään sisällönanalyysin lopputulokseen, joka perustuu empiirisen aineiston tulkintaan ja päättelyyn, jotka johtavat kohti käsitteellistä näkemystä tutkittavasta ilmiöstä. 53 9 Tulokset Tutkimuksesta saatiin dataa niin tutkimuksen aikana tehdyistä havainnoista kuin tehtävälomakkeista. Tutkimuksen data sisältää tutkimustilanteessa observoinnin tuloksena saadut havainnot sekä haastatteluista ja palautetuista tehtävämonisteista 50
kerätyt havainnot. Tuloksien tarkastelussa tutkimuksen data jaettiin kolmeen ryhmään: yleiset, ohjelmakohtaiset ja tehtäväkohtaiset havainnot. Yleisiin havaintoihin koottiin tutkimuksen aikana observoinnin tuloksena saatu data, johon sisältyi läpi tutkimuksen toistuvat havainnot ja se tutkimukseen liittyvä data, joka ei muihin ryhmiin sopinut. Ohjelmakohtaisiin havaintoihin kerättiin ohjelmien käyttämiseen liittyvät havainnot, johon kerääntyi dataa observoinnista, haastatteluista ja tehtävämonisteista kerätyistä havainnoista. Tehtäväkohtaiset havainnot sisältävät tehtävien vastaamiseen, ymmärtämiseen ja tuloksiin liittyvät havainnot. Tähän liittyvä data kerättiin palautetuista tehtävämonisteista sekä opettajan haastattelulla. Yleiset havainnot. Ensimmäinen huomattavista havainnoista oli, että molempien ohjelmien käyttämiseen tarvittiin huomattavan paljon opastusta. Koska tutkimuslomakkeella ei ollut ohjelmien käyttämiseen liittyviä toimintaohjeita, niin opiskelijat tarvitsivat opastusta moneen toimintaan. Aluksi, kun opiskelijat tekivät samoja tehtäviä, toimintoja käytiin läpi kootusti, mutta nopeimpien edetessä myöhempiin tehtäviin, opastus muuttui yksilöllisemmäksi. Molempien ohjelmien molekyylin rakentamisen perustoiminnot, kuten halutun atomin valitseminen, sijoittaminen rakennusalustalle, yksinkertaisten kovalenttisten sidosten muodostaminen ja siten molekyylin rakentaminen onnistuivat hyvin ja omatoimisesti, mutta vaativat paljon aikaa. Moni ohjelmien toiminnoista on merkitty symboleilla, joista avautuu myös sanallinen selitys, kun siirretään kursori symbolin päälle ja osa taas piilossa valikkojen takana. Näiden symbolein ja piilossa olevien toimintojen löytäminen havaittiin aikaa vieviksi, eikä niitä yritetty tai arvattu omatoimisesti etsiä. Tutkimukessa havaittiin, että tehtävälomakkeen tekemiseen varattu 75 min venyi kaikilla opiskelijoilla 90 minuuttiin. Opiskelijoiden toiminta tutkimustilanteessa oli aktiivista. Tehtäviä yritettiin tehdä omatoimisesti ja tutkimustilassa oli keskusteleva ilmapiiri. Keskustelu liittyi pääsääntöisesti ohjelmiin ja tehtävien ratkaisemiseen opiskelijoiden kysellessä opastusta niin toisiltaan kuin ohjaajilta. 51
Ohjelmakohtaiset havainnot. Tutkimuksen aluksi selvitettiin tutkimukseen osallistuvien kokemuksia käytetyistä ohjelmista, jolloin selvisi, että opettajan kokemus ohjelmista oli hyvä, mutta opiskelijoilla oli hyvin vähän tai ei ollenkaan kokemusta niistä. Ensimmäinen havainto tutkimuksen aikana oli, että opiskelijat alkoivat aktiivisesti tehdä tehtäviä etsien tehtäviin tarvittavat ohjelmat. Osan opiskelijoiden käyttäjäprofiileissa ChemSketch - ohjelma ei avautunut, joten heidän osalta aikaa kului tehtävien aloittamiseen, kunnes ohjelma saatiin aukaistua joko tutkijan tai opettajan profiilissa. Tämän vuoksi yksi opiskelijoista käytti omatoimisesti ChemSketch:n sijaan ChemDraw Professional 15.0 - ohjelmaa tehtävien 1 ja 2 suorittamiseksi. ChemSketch:n molekyylin rakennustoiminnot löytyvät rakennusalustan ympäriltä ja niitä osattiin käyttää omatoimisesti. Kaksoissidoksen muodostaminen ei onnistunut kaikilta, koska sille ei löytynyt omaa toimintopainiketta, eikä tunnettu ohjelman toimintaperiaatetta sidoksen muodostamiselle. Osa keksi menetelmän kokeilemalla ja saivat rakennettua kaksoissidoksen sijoittamalla uuden sidoksen yksöissidoksen päälle. Toiminnat, kuten molekyylin rakenteen puhdistaminen, 2D- rakenteen muuttaminen 3D:ksi ja molekyylin siirtäminen 3D- wiever:iin eivät löytyneet omatoimisesti. 3D- wiever:n käytössä ei havaittu haasteita. Spartan - ohjelma löydettiin omatoimisesti ja sen avautumisessa ei havaittu ongelmia, mutta sen käyttö havaittiin haasteelliseksi. Ensimmäinen havainto oli, että ohjelman tarkka vaade siitä, missä kohdin kursoria on pidettävä, kun sijoitetaan tai poistetaan atomi, teki C- vitamiinimolekyylin rakentamisen vaivalloiseksi ja aikaa vieväksi. Tämä korostui varsinkin tehtävässä 6, jossa rakennettiin toinen C- vitamiinimolekyyli samaan systeemiin ja myöhemmin tämä poistettiin ja vaihdettiin vesimolekyyli tilalle, niin joidenkin opiskelijoiden kohdalla oli havaittavissa pientä turhautumista. Toisen molekyylin rakentaminen oli kuitenkin tässä vaiheessa jo nopeampaa, kun ohjelman toimintaperiaatteeseen oltiin totuttu. Toinen havainto oli se, että Spartanin laskutoimintojen ollessa piilossa valikkojen takana, niiden löytäminen ja käyttäminen eivät tapahtuneet omatoimisesti. Laskutoimintojen käyttäminen vaati opastusta kaikille, mutta tehtäväkohtaisten opastuksien jälkeen samoja laskutoimintoja osattiin 52
tarvittaessa käyttää myöhemmissä tehtävissä. Laskutoiminnoista saatuja tuloksia osattiin kuitenkin havaintojen ja tehtävälomakkeen perusteella analysoida oikein. Tehtäväkohtaisiin havaintoihin liittyy vahvasti edellä mainitut yleiset ja ohjelmakohtaiset havainnot, kuten opastuksen puute ja käyttökokemukset. Joitain tarkempia havaintoja kuitenkin tehtiin. Tehtävässä 1 suurin osa opiskelijoista ei etsinyt C- vitamiinimolekyylin rakennekaavaa internetistä, vaan se yritettiin arvata molekyylikaavan perusteella. Tässä vaiheessa lisäohjeistettiin hakemaan rakennekaava sopivasta lähteestä ja piirtämään se tehtävämonisteelle. Tehtävässä 1 hydroksyyliryhmät osattiin mainita jokaisessa tehtävälomakkeessa, mutta muuten vastauksissa esiintyi vaihtelua. Kaksoissidos määritettiin funktionaaliseksi ryhmäksi vain 1 tehtävälomakkeessa sekä 2 tapauksessa karbonyyliryhmä ja alkoksiryhmä määriteltiin esteriksi, mutta muuten funktionaaliset ryhmät löydettiin ja tunnistettiin hyvin. Tehtävässä 2c) yksi opiskelija ilmaisi hämmennyksen tehtävää kohtaan, miten yksikään käytetyistä molekyylimalleista voi mallintaa elektronien sijoittumista molekyylissä. Muut opiskelijat eivät näyttäneet hämmentyvän tästä, vaan arvelivat kalottimallin sopivan mallintamiseen. Molekyylimallien käyttäminen eri tarkoituksiin osattiin hyvin. Tehtävien 1 ja 2 tekemiseen kului kaikilta n. 30 min. Tehtävien 3-6 ratkaisemisessa ei esiintynyt yleisissä ja ohjelmakohtaisissa havainnoissa mainittujen lisäksi muita toiminnallisia haasteita. Tehtävät 3 ja 4 osattiin ratkaista oikein. Tehtävässä 5, vain 2 tapauksessa lueteltiin lähes kaikkien funktionaalisten ryhmien aiheuttamat aaltoluvut (jostain syystä C- O venytystä ei mainittu yhdessäkään tapauksessa). 3 muussa tapauksessa mainittiin osa aaltoluvuista ja 1 tapauksessa ei yhtään aaltolukua. Taulukon ja Spartanin piikkien paikkojen vertailua tehtiin vain 4 tapauksessa. Tehtävässä 6 ei yhdessäkään tapauksessa mainittu dispersiovoimia. Tehtävää 7 yritettiin ratkaista 4 tehtävälomakkeessa ja muissa tapauksissa ei ehditty siihen asti. Tämä tehtävä vaati paljon ohjelmakohtaisten havaintojen kaltaista opastusta. Yksikään opiskelijoista ei ehtinyt laskemaan tulosta tehtävään 8. 2 tapauksessa kuitenkin ehdittiin laskemaan eri tilojen 53
muodostumisentalpiat. Vain 1 opiskelija teki tehtävät 9 ja 10 saaden niihin oikeat vastaukset, mutta tehtävässä 10 ei annettu perusteluja vastaukselle. Tutkimuksessa kehitetyssä oppimateriaalissa on myös tehtäväosuus animaation toteuttamisesta C- vitamiinin liukenemiselle. Tätä osuutta ei testattu tutkimustilanteessa vaan sen kehittäminen perustuu kirjallisuuteen sekä aikaisempiin tutkimuksiin. Animaation piirtäminen oli tarkoitus toteuttaa internetistä ilmaiseksi ladattavan ChemSense Animator ohjelman avulla. Ohjelman ominaisuuksia tutkittiin tutkijan sekä ohjaajan toimesta. 9.1 Tulosten analysointi Oppimateriaalin kehittämisen kannalta tutkimuksen suurimmaksi havainnoksi ilmeni ohjelmien käyttöohjeistuksien tarve. Alku- ja tehtäväkohtaisten opastuksien puute näkyi siinä, että osaa ohjelmien ominaisuuksista ei tunnettu ja ohjelmista tarvittavia toimintoja ei joko löydetty tai osattu etsiä, jolloin ohjelmien ominaisuuksien soveltaminen tehtävissä ei onnistunut. Edelliset seikat lisäsivät ohjaajien roolia tehtävistä selviytymisen kannalta. Opiskelijoiden kokemattomuus näkyi myös siinä, että molekyylien rakentamiseen kului huomattavan paljon aikaa. Alkuopastuksen ja kokemuksen puute saattaa johtaa siihen, että tehtävien itsenäinen suorittaminen kärsii ja opiskelija joutuu käyttämään kapasiteettiaan (kappale 4.1) uuden ohjelman toimintojen ja ominaisuuksien opettelemiseen, jolloin itse tutkittavan ilmiön tarkastelu saattaa jäädä vähemmälle. Ohjelmien yhtenä funktiona on kuitenkin olla mielekäs työkalu oppimistavoitteiden saavuttamiseksi. Tehtäväkohtaisissa analyyseissä pohditaan tehtävän kehityksen tarvetta. Lähes kaikissa tehtävissä kehitystarve tulee ohjeistuksen lisäämiseen. Tehtävässä 1 ei ohjattu 54
hakemaan molekyylin rakennekaavaa sopivasta lähteestä, joka johti opiskelijoiden yritykseen arvata rakenne. Rakenteen piirtäminen tehtävämonisteelle helpottaa sen siirtämistä lopulta ChemSketchiin, jolloin ei tarvitse tietokoneella vaihdella eri ikkunoiden välillä. Tehtävän 2c) aiheuttaneen hämmennyksen ja ChemSketchin rajoitteiden vuoksi se muutettiin tarkastelemaan molekyylin kokoa elektronien sijoittumisen sijaan. Tehtävän 5 vastauksissa esiintyi paljon variaatiota. Mahdollinen selitys tälle on epäselvä tehtävänanto, joka mahdollisesti johtuu toimintaa ohjaavasta sanasta tunnista. Tämä antaa valinnan olla kirjoittamatta aaltolukujen arvoja vastauskenttään, jolloin funktionaaliset ryhmät tunnistetaan vain mielessä. Huomattiin myös, että tehtävälomakkeessa olevasta taulukosta puuttui C- O venytyksen aaltoluku. Menestyminen tehtävässä 7 osoittautui haasteelliseksi, koska ei tunnettu ohjelman toimintoja. Tämä esti myös menestymisen tehtävässä 8. Tehtävään 10 saatiin 1 vastaus: ei liukene, joka on oikein, mutta ei anna mahdollisuutta arvioida, miten vastaukseen on päädytty. Kysymyksen asettelun muuttamisella, kuten esimerkiksi miksi C- vitamiini ei liukene tai selitä perustellen, mitä tapahtuu, kun, saadaan perustellumpia vastauksia sekä päästään käsiksi oppilaiden ajattelutapaan. Chemsense animator ohjelmassa todettiin seuraavanlaisia haasteita: C- vitamiinin rakentaminen aikaa vievää sekä sen rakenteen optimoiminen on rajattu pois ohjelman toiminnoista ja valmiiden rakenteiden tai piirrosten tuominen ohjelmaan ei onnistunut ohjelman rajallisten tiedostomuotojen tukemisen vuoksi. 9.2 Oppimateriaalin kehittäminen Tutkimustulosten analyysin pohjalta tutkimuksessa käytetystä tehtävälomakkeesta (liite 1) jalostettiin lopullinen tehtävälomake (liite 2) ja opettajan opas (liite 3). 55
Opettajan opas sisältää tehtäväkohtaiset oikeat ratkaisut ja huomioita niihin liittyen sekä vinkkejä tehtävien toteuttamiseen. Lopullisen tehtävämonisteen näkyvimmät muutokset ovat tehtävien jako eri tehtäväosuuksiin sekä tehtäväkohtaisten käyttöohjeistuksien lisääminen. Tehtävät jaettiin kolmeen kokonaisuuteen käsiteltävän aihealueen perusteella: A. C- vitamiinin rakenne, B. C- vitamiinin liukenemisen kemiaa ja C. Animaatiot. Jokaisella kokonaisuudella on omat oppimistavoitteet ja niitä voidaan käyttää yksittäin tai yhtenä kokonaisuutena. Jokaiseen tehtävään, jossa tarvitaan ohjelmien toimintoja, lisättiin seikkaperäiset käyttöohjeistukset toimintojen käyttämiseksi. Tämä selkeyttää ohjelmien käyttöä, vaatii opettajalta vähemmän ohjausta, säästää aikaa tehtävien tekemiseen ja madaltaa oppilaan kynnystä päästä käsiksi ohjelmista saataviin tuloksiin. Osaa tehtävälomakkeen tehtävistä jalostettiin myös tarkoituksenmukaisemmiksi ja selkeämmiksi. Näistä enemmän seuraavissa kappaleissa. A. C- vitamiinin rakenne. Tehtävä 1 muutettiin ohjaamaan oppilasta hakemaan C- vitamiinin rakenne sopivasta lähteestä, jolloin sitä ei lähdetä arvaamaan automaattisesti. Tehtävään lisättiin myös laatikko, johon on tarkoitus piirtää C- vitamiinimolekyylin rakennekaava. Tehtävää 2 muutettiin siten, että c) kohdassa kysytään, mikä molekyylimalli sopisi mallintamaan molekyylin kokoa. Tämä muutos ottaa huomioon ohjelman rajoitteet, eikä johda väärinymmärryksiin. Muuten tehtävät pysyivät ennallaan. B. C- vitamiinin liukenemisen kemiaa. Tässä tehtäväkokonaisuudessa huomattavin muutos on valmiiden molekyylimallien käyttäminen. Ajan säästämiseksi opettaja tekee valmiiksi tarvittavat rakenteet tehtäviin 2 ja 4 sekä tallentaa ne tiedostoina jokaiselle käytettävälle tietokoneelle tai lähettää ne tiedostoina oppilaille verkossa ennen tehtävien tekoa. Näin päästään käyttämään ohjelman laskuominaisuuksia vaivattomammin ja voidaan keskittyä enemmän tulosten analysoimiseen ja 56
soveltamiseen. Tämä johtaa myös siihen, että opettaja voi ohjata oppilaita saamaan parempia tuloksia laskuista, kun molekyylit ovat ennalta määrätyissä asennoissa toisiinsa nähden. Tehtävänumerot muutettiin siten, että tutkimuksessa käytetyn lomakkeen tehtävät 3-10 vastaavat kehitetyn tehtävälomakkeen tehtäviä 1-8. Tehtävien järjestystä ei muutettu. Tehtävät 1 ja 2 eivät muuttuneet alkuperäisestä. Tehtävä 3 jaettiin kahteen osaan, jolloin erotellaan funktionaalisia ryhmiä vastaavien aaltolukujen tunnistaminen ja kirjaaminen sekä piikkien paikkojen kirjallisuuteen vertaaminen. Tämä muutos selkeyttää oppilaiden toimintaa ja vastaamista sekä opettajan arviointia, kun yhtä tehtävänantoa vastaa yksi vastausalue. A) - kohdan neljä vastausriviä ohjaavat etsimään neljän eri funktionaalisen ryhmän aaltolukuja. Tehtävän teon tueksi vaihdettiin myös kattavampi taulukko spektripiikkien kirjallisuusarvoista, jolloin puuttuvaa C- O venytyksen aaltolukua ei tarvitse alkaa etsiä eri lähteistä. Tehtävässä 4 a) kohdan kysymyksen asettelua muutettiin hieman ja b) kohdan kuviin vaihdettiin happiatomien värit vastaamaan yleisesti käytettyä punaista väriä. Tehtävää 5 ei muutettu muuten kuin lisäämällä siihen lisäinformaatio systeemin muodostumis- entalpiasta sekä selitykset Equilibrium geometry:stä ja Singlepoint energy:stä, joiden perusteella oppilas selvittää laskentamenetelmän vuorovaikutusten suuruudelle. Tehtävässä oletetaan jo, että ohjelman laskutoimintoja osataan käyttää. Tehtävät 6 ja 7 pysyivät ennallaan. Tehtävän 8 kysymyksen asettelua muutettiin hieman, jolloin voidaan helpommin arvioida, miten oppilas ajattelee liukenemisen uudessa tilanteessa. Tehtävään lisättiin myös piirto- osuus, jolloin heksaanin rakennetta voidaan helpommin käyttää vastauksen tukena. C. Animaatiot. Vaikka animaatioita ei käytetty tutkimuksessa mukana, niin tehtäväkokonaisuuteen liitettiin osuus animaatioiden käytöstä samassa kontekstissa. Animaatiot liitettiin mukaan täydentämään oppimisprosessin kokonaisuutta tuomalla uusi representaatio C- vitamiinin liukenemistapahtumalle. Tehtävässä 1 on tarkoituksena piirtää yksinkertaisia malleja hyväksi käyttäen liukenemistapahtuma. 57
Tehtävässä 2 täydennetään tehtävän 1 animaatiot sanallisilla kuvauksilla, jolloin voidaan arvioida, mitä tietoja oppilas on käyttänyt luodakseen animaation. Tehtävässä 3 tehdään animaatio powerpointin avulla, jolloin voidaan tarkastella molekyylin rakenteen, elektronitiheyden ja molekyylien välisten vuorovaikutusten välisiä yhteyksiä liukenemisen kannalta. Powerpoint valittiin ohjelmaksi sen käytännöllisyyden vuoksi. Siihen voidaan tuoda valmiita molekyylimalleja, joita voidaan aktiivisesti monistaa, käännellä ja liikutella. Esimerkiksi ilmaisessa Chemsense animator ohjelmassa ei valmiiden kuvien tuominen onnistu. Tehtävä vaatii opettajalta hieman esivalmisteluja. Opettaja tekee valmiit mallit C- vitamiini- ja vesimolekyyleille ja lähettää ne oppilaille tiedostoina. Mallit sisältävät tietoa molekyylin rakenteesta sekä niistä aiheutuvista potentiaalipinnoista. 10 Johtopäätökset Tämän kehittämistutkimuksen tarkoituksena oli kehittää valmista oppimateriaalia C- vitamiinin liukenemisen opettamiseen tieto- ja viestintätekniikan avulla. Tutkimuksessa kehitetty oppimateriaali käyttää hyväksi kahta eri tietokoneella käytettävää molekyylimallinnusohjelmaa sekä powerpointia. Tutkimuksen aikana selvitettiin miten 1. kehittämistuotos eli tutkimuslomake soveltui opetusmateriaaliksi. Tutkimuksen jälkeen tutkimuslomakkeesta kehitettiin valmis opetusmateriaali (Liite 2) sekä tehtäviin liittyvä opettajan opas (Liite 3) ensisijaisesti lukio- opetuksen tarpeisiin käyttäen hyväksi tutkimusdataa sekä aikaisempia tutkimuksia ja julkaisuja. Tutkimuksen tarkoituksena oli myös saada vastaukset kappaleessa 8.1 esitettyihin tutkimuskysymyksiin. 1. tutkimuskysymyksen avulla haluttiin selvittää molekyylimallinnusohjelmien käyttämiseen tarvittavien opastuksien tarpeet. Tutkimushypoteesina oli oletus siitä, että ohjelmien käyttö oli helppoa ja sujuvaa sekä opiskelijat osaavat itse etsiä ja käyttää ohjelmien tarvittavia työkaluja ja löytää tuloksia niiden avulla tehtävänannon 58
kysymyksiin ilman ohjelmiin ennakkotutustumista. Edellisten seikkojen perusteella tutkimuslomakkeen tehtävänannot eivät sisältäneen ohjelmakohtaisia opastuksia vaan opiskelijoiden oletettiin selviytyvän tehtävistä itsenäisesti. Tutkimuksen aikana havaittiin, että molempien käytettyjen ohjelmien haasteina oli tehtäväkohtaisten opastuksien puute. Tämä lisäsi ohjaamisen tarvetta, jota aluksi käytiin yhteisesti läpi, mutta muuttui tutkimustilanteen edetessä henkilökohtaisemmaksi. Varsinkin, kun tutkittavilla ei ollut juurikaan aikaisempaa kokemusta ohjelmien käytöstä, niin niistä löytyviä laskutoimintoja ei osattu käyttää itsenäisesti. Molemmissa ohjelmissa laskutoiminnot ovat piilossa valikkojen tai kuvallisten painikkeiden takana, joten niiden löytäminen ja käyttäminen osoittautuivat haasteelliseksi ja aikaa vieväksi. Molekyylien rakennustoiminnot löydettiin kuitenkin helposti ja niiden käyttäminen opittiin helposti, joten niiden kohdalla ohjauksen ja opastuksen tarve oli vähäinen. Opastuksen tarve ei rajoitu pelkästään oppilaiden tehtävissä onnistumiseen ohjelmia käytettäessä. Akselan ja Lundellin tutkimuksen mukaan 3 myös opettajat, jotka ovat kokeilleet mallinnusohjelmia opetuksessa, mutta eivät ole ottaneet sitä aktiivisesti mukaan opetukseen perustelivat vähäistä käyttöä sillä, että heidän omat taidot ovat puutteelliset ja ohjelmien koulutuksien opit olivat unohtuneet. Eräs opettaja, joka oli ottanut ohjelman käyttöön ilman sen käyttöön sopivaa koulutusta, perusteli vähäistä käyttöä sillä, että hän tiesi liian vähän ohjelman käytöstä eikä tiennyt mihin ohjelman käyttö sopisi. Kaikki tutkimukseen osallistuvat opettajat, jotka olivat käyneet koulutuksessa, pitivät sitä hyödyllisenä. Koulutusta toivottiin myös jatkossa enemmän. Taidon käyttää ohjelmistoa sanottiin unohtuvan helposti ja pedagoginen koulutus koettiin tarpeelliseksi, miten ja missä tilanteessa mallinnusta kannattaa parhaiten soveltaa opetuksessa. Toisessa tutkimuskysymyksessä analysoitiin tutkimusdataa ja tehtiin päätelmiä tutkimuslomakkeen tehtävien kehittämiseksi vähemmän ohjausta vaativimmaksi, jolloin tehtävien suorittaminen onnistuisi opiskelijoilta itsenäisesti. Tutkimuksen aikana huomattiin, että aluksi kun opiskelijat etenivät samoissa tehtävissä, niin ohjausta 59
annettiin yhteisesti. Tutkimukseen osallistuvat henkilöt etenivät kuitenkin tehtävissä eri tahtiin ja jotkut löysivät ratkaisut tehtävänannon kysymyksiin nopeammin kuin toiset. Kun tehtävissä edettiin itsenäisesti, niin ohjausta ei enää pystytty antamaan yhteisesti, vaan se muuttui henkilökohtaisemmaksi. Tämä lisäsi tutkijan sekä opettajan työtä ohjaajana. Ohjaamisen vähentämiseksi tehtävänantoihin lisättiin seikkaperäiset tehtäväkohtaiset ohjeet ohjelmien käyttämiseksi, jolloin oppilaat pystyvät itsenäisesti etenemään tehtävissä ja löytämään vastauksia tehtävänannon kysymyksiin. Tämä ratkaisu helpottaa myös eriyttävää opetusta, jolloin vastataan kunkin oppilaan yksilöllisiin tarpeisiin ja otetaan huomioon heidän erilaiset lähtökohdat niin tietoteknisissä taidoissa kuin ongelmanratkaisukyvyissä. 1 s.20 3. tutkimuskysymyksen vastaamiseksi perehdyttiin aikaisemmin julkaistuihin artikkeleihin ja tutkimuksiin. Animaatioiden avulla voidaan luoda uusi representaatio C- vitamiinin liukenemiselle, jolloin teoreettisista mikrotason ilmiöistä ja makrotason tapahtumia kuvataan mikrotasolla kuvasarjana, joka luo illuusion liikkuvasta tapahtumasta, dynaamisesta prosessista. Animaatiot soveltuvat selventämään asioita, jolloin niitä käytetään nimenomaan vaihtoehtoisena esitystapana opitulle asioille. 43 Kappaleessa 6.2 todettiin useiden tutkimusten perusteella animaatioiden parantavan oppimistuloksia varsinkin, kun niitä käytetään opetuksen lisänä tapahtuvana uutena representaationa. Tutkimuksen luotettavuuden kannalta arvioidaan, mitkä tekijät vaikuttavat kehitystuloksen (oppimateriaalin) soveltuvuuteen lukio- opetukseen. Aikaisemmin todettuna, kehittämistutkimus ei ole selvinnyt tutkimusmuotona ilman kritiikkiä. Tässäkin tutkimuksessa otanta oli pieni (N=6) ja tutkimustilanteen ainutlaatuisuus heikentää yleistettävyyttä, varsinkin kun tutkittavat eivät vastanneet sitä kohderyhmää, johon oppimateriaali kehitettiin. Kuitenkin tutkittavien vähäinen kokemus käytetyistä ohjelmista vastasi ennakko- oletusta, joka auttoi yleistyksien tekemisessä. 60
Tutkimuksen aikana yksikään tutkittavista ei ehtinyt tekemään kaikkia tehtävämonisteen tehtäviä määräaikaan mennessä (75 min) ja vain 1 opiskelija sai kaikki, tai lähes kaikki, tehtävät tehtyä 90 min aikana. Tämä johti siihen, että Spartanin tehtävistä 5-8 (tehtävänumerot kehitetystä oppimateriaalista) ei saatu yleistettäviä tuloksia tehtävien toimivuudesta. Animaatiotehtävien soveltuvuutta C- vitamiinin liukenemisen oppimiseen ei tutkittu, joten kehittäminen tehtiin pelkästään aikaisempien tutkimusten ja kirjallisuuden pohjalta. Kehitettyä oppimateriaalia ei testattu, joten sen soveltuvuutta arvioitiin vain tutkimusdatasta tehtyjen analysointien perusteella. Tehtävälomaketta ja kehitettyä oppimateriaalia arvioi vain 1 yliopisto- opettaja tutkijan lisäksi. Tutkimuslomakkeen jalostuksessa oppimateriaaliksi tartuttiin perusteellisesti tutkimuksen aikana havaittuihin haasteisiin, kuten ohjeistukseen ja ajan käyttöön. Jalostuksen aikana tehdyt ratkaisut johtivat sellaisiin kehitysratkaisuihin, jotka välittömästi sujuvoittavat ohjelmien käyttöä säästäen aikaa niin oppilaalta kuin opettajalta (ohjauksen tarpeen väheneminen). Näin aikaa säästyy ohjelmista saatavien tulosten arviointiin ja soveltamiseen. Kehitysratkaisut tehtiin yhdessä opettajan kanssa heti tutkimuksen jälkeen. Oppilaiden vähäinen kokemus ohjelmien käytöstä vastasi ennakko- oletusta, jolloin tutkimuksen aikana tehdyt havainnot vastasivat tutkimuksen tarkoitusta. 61
Lähteet 1. Lukion opetussuunnitelman perusteet 2015. Helsinki: Opetushallitus; 2015. 2. Bunce D, Gabel D, Herron JD, Jones L. Chemical education research. Journal of Chemical Education. 1994;71(10):850-852. 3. Aksela M, Lundell J. Kemian opettajien kokemuksia tietokone- avusteisesta molekyylimallinnuksesta. Uusia lähestymistapoja kemian opetukseen perusopetuksesta korkeakouluihin. 2007:15. 4. Phelps AJ. Teaching to enhance problem solving. Journal of Chemical Education. 1996;73(4):301-304. 5. G. F. Combs J. The vitamins - fundamental aspects in nutrition and health. 3rd ed. USA: Elsevier Academic Press; 2008. 6. Fogelholm M, Hakala P, Kara R, Terveyttä ruoasta. Suomalaiset ravitsemussuositukset. 2014. 7. Tro NJ. Chemistry - A molecular approach. 4th ed. England: Pearson Education; 2017. 8. https://www.boundless.com/chemistry/textbooks/boundless- chemistry- textbook/basic- concepts- of- chemical- bonding- 9/electronegativity- 74/electronegativity- and- oxidation- number- 343-8723/. (13.2.2017) 9. http://practicalphysics.org/images/explaining%20the%20deformation%20of%20 metal%20solids_2203.jpg. (10.6.2017) 62
10. Smith JG. Organic chemistry. 5th ed. New York: McGraw- Hill Education; 2017. 11. Housecroft CE, Constable EC. Chemistry. 3rd ed. London: Pearson Eduction; 2006. 12. Nakhleh MB. Why some students don't learn chemistry. Journal of Chemical Education. 1992;69(3):191. 13. Özmen H. Some student misconceptions in chemistry: A literature review of chemical bonding. Journal of Science Education and Technology. 2004;13(2):147. 14. Nahem TL, Mamlok- Naaman R, Hofstein A, Taber K. Teaching and learning the concept of chemical bonding. Studies in Science Education. 2010;46(2):179-207. 15. Treagust DF, Chittleborough GD, Mamiala TL. Students understanding of the descriptive and predictive nature of teaching models in organic chemistry. Research in Science Education. 2004;34:1-20. 16. Ebenezer JV, Erickson GL. Chemistrv students conceptions of solubility: A phenomenography. Science Education. 1996;80(2):181-201. 17. Lundell J, Aksela M. Molekyylimallinnus kemian opetuksessa, osa 1: Molekyylimallinnus ja kemian opetus. Dimensio. 2003;67(5):47-49. 18. Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet 2014. 4.painos, Helsinki: Opetushallitus; 2014. 19. Johnstone AH. Teaching of chemistry- logical or psychological? Chemistry Education Research and Practice. 2000;1(1):9-15. 63
20. Gabel D. Improving teaching and learning through chemistry education research: A look to the future. J Chem Educ. 1999;76(4):548. 21. Lehto JE. Konstruktivismi peruskoulun didaktiikan ohjenuoraksi? In: Hillilä M, Räihä P, eds. Samalta viivalta 2. Jyväskylä: PS- kustannus; 2008:59-82. 22. Mahaffy P. Moving chemistry education into 3D: A tetrahedral metaphor for understanding chemistry. union carbide award for chemical education. J Chem Educ. 2006;83(1):49. 23. Taber KS. An alternative conceptual framework from chemistry education. International Journal of Science Education. 1998;20(5):597-608. 24. Henderleiter J, Smart R, Anderson J, Elian O. How do organic chemistry students understand and apply hydrogen bonding? Journal of Chemical Education. 2001;78(8):1126-1130. 25. Karacop A, Doymus K. Effects of jigsaw cooperative learning and animation techniques on students understanding of chemical bonding and their conceptions of the particulate nature of matter. Journal of Science Education and Technology. 2013;22:186-203. 26. Kind V. Beyond Appearances: Students' Misconceptions About Basic Chemical Ideas. Durham University; 2004. 27. Prins G, T., Teaching and Learning of Modelling in Chemistry Education - Authentic Practices as Contexts for Learning, Freudenthal Institute for Science and Mathematics Education, Väitöskirja, University of Utrecht, 2010. 64
28. Gilbert JK, Boulter CJ, Elmer R. Positioning models in science education and in design and technology education. In: Gilbert JK, Boulter CJ, eds. Developing models in science education. 1st ed. Kluwer Academic Publisher; 2000:3-17. 29. Pernaa J. Kehittämistutkimus: Tieto- ja viestintätekniikkaa kemian opetukseen, Väitöskirja, Kemian opettajakoulutusyksikkö, Helsingin yliopiston kemian laitos, Helsinki, 2011. 30. Harrison AG, Treagust DF. Secondary students' mental models of atoms and molecules: Implications for teaching chemistry. Science Education. 1996;80(5):509-534. 31. Gilbert JK, Boulter CJ, Rutherford M. Explanations with models in science education. In: Gilbert JK, Boulter CJ, eds. Developing models in science education. 1st ed. Netherlands: Kluwer Academic Publisher; 2000:193-208. 32. Jones LL. How multimedia- based learning and molecular visualization change the landscape of chemical education research. Journal of Chemical Education. 2013;90:1571-1576. 33. Wavefunction I. Getting started with spartan. 3rd ed. Yhdysvallat: Wavefunction, Inc; 2004. 34. Hurme T, Nummenmaa M, Lehtinen E. Lukiolaisten tieto- ja viestintätekniikan käyttäjänä. 1. painos. Turku: Opetushallitus; 2013. 35. ChemSense, https://chemsense.sri.com/. (14.5.2017) 65
36. Ylioppilastutkintolautakunta, Reaaliaineiden sähköisten kokeiden määräykset, 2016 https://www.ylioppilastutkinto.fi/images/sivuston_tiedostot/ohjeet/koekohtaiset/fi_ maaraykset_reaaliaineet_2016.pdf. (15.5.2017) 37. Tilastokeskus, Väestön tieto- ja viestintätekniikan käyttö 2015, http://www.stat.fi/til/sutivi/2015/13/sutivi_2015_13_2016-12- 14_fi.pdf. (15.5.2017) 38. Tella S, Vahtivuori S, Vuorento A, Wager P, Oksanen U. Verkko opetuksessa - opettaja verkossa. 1. painos. Helsinki: Edita Oyj; 2001. 39. Barnea N. Teaching and learning about chemistry and modelling with a computer managed modelling system. In: Gilbert JK, Boulter CJ, eds. Developing models in science education. 1st ed. Kluwer Academic Publisher; 2000:307-323. 40. Webb ME. Affordances of ICT in science learning: Implications for an integrated pedagogy. International Journal of Science Education. 2017;27(6):705-735. 41. Spartan Student, Wavefunction, Inc., http://wavefun.com/. (15.5.2017) 42. ChemSketch, ACD/Labs, http://www.acdlabs.com/resources/freeware/ chemsketch/. (15.5.2017) 43. Weiss RE, Knowlton DS, Morrison GR. Principles for using animation in computer- based instruction: Theoretical heuristics for effective design. Computers in Human Behavior. 2002;18:465-477. 44. Burke K, Greenbowe TJ, Windschitl MA. Developing and using conceptual computer animations for chemistry instruction. J Chem Educ. 1998;75(12):1658. 66
45. Schank P, Kozma R. Learning chemistry through the use of a representation- based knowledge building environment. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching. 2002;21(3):253-279. 46. THE USE OF ANIMATIONS IN CHEMICAL EDUCATION, https://chemsense.sri.com/about/papers/vermaataect2004.pdf. (17.6.2017) 47. Edelson DC. Design research: What we learn when we engage in design. Journal of the Learning Sciences. 2002;11(1):105-121. 48. Wang F, Hannafin MJ. Design- based research and technology- enhanced learning environments. Educational Technology Research and Development. 2005;53(4):1042-1629. 49. The Design- Based Research Collective. Design- based research: An emerging paradigm for educational inquiry. Educational Researcher. 2003;32(1):5-8. 50. Kelly A. Design research in education: Yes, but is it methodological? Journal of the Learning Sciences. 2004;13(1):115-128. 51. Saaranen- Kauppinen A, Puusniekka A, Kuula A, Rissanen R, Karvinen I. Menetelmäopetuksen tietovaranto KvaliMOTV - kvalitatiivisten menetelmien verkko- oppikirja. 2. painos, Tampere: Yhteiskuntatieteellinen tietoarkisto Tampereen yliopisto; 2009. 52. Lehtiniemi K, Turpeenoja L. Mooli 2, ihmisen ja elinympäristön kemiaa. 1.painos, Helsinki: Otava; 2016. 67
53. Tuomi J, Sarajärvi A. Laadullinen tutkimus ja sisällönanalyysi. 5. painos, Tammi; 2009. 68
Tuntitehtävä LIITE 1 C- vitamiini eli askorbiinihappo on yksi elimistön välttämättömistä vitamiineista, joita se tarvitsee ravinnon mukana. C- vitamiinilla on useita eri tehtäviä elimistössä. Se toimii esimerkiksi antioksidanttina sekä osallistuu kudosten ja luun kasvuun. Seuraavissa tehtävissä tutkitaan C- vitamiinin kemiallista rakennetta sekä sen liukenemiseen liittyvää kemiaa. A. Tee seuraavat tehtävät ChemSketchillä. 1.Piirrä C- vitamiinin C 6 H 8 O 6 rakennekaava. Mitä funktionaalisia ryhmiä löydät? 2. Tutki C- vitamiinin molekyylimalleja. Mitä molekyylimallia käyttäisit, jos haluat mallintaa a) molekyylin sidoksia, sidospituuksia ja sidoskulmia? b) molekyylin avaruudellista rakennetta? 69
c) elektronien sijoittumista molekyylissä? B. Tee seuraavat tehtävät Spartanilla. Käytä kaikissa laskuissa semi- empiiristä laskutasoa. 3. Rakenna vesimolekyyli. Laske molekyylin potentiaalipinta ja vastaa seuraaviin kysymyksiin. a) Mikä/mitkä tekijät vaikuttavat molekyylin poolisuuteen? b) Miten vesimolekyylin poolisuus näkyy elektronitiheyskartassa? 4. Rakenna C- vitamiini. Laske molekyylin potentiaalipinta. Vastaa perustellen, onko C- vitamiini poolinen vai pooliton? 70
5. Laske C- vitamiinin IR- spektri. Tunnista spektristä vitamiinin funktionaaliset ryhmät. Miten Spartanilla toteutetun spektrin ja taulukkoarvojen piikkien paikat poikkeavat toisistaan? Taulukko: Eri sidosten aiheuttamien spektripiikkien aallonpituudet Lähde: http://www.queensu.ca/asu/instrumentation/other 6. Rakenna kaksi C- vitamiinimolekyyliä. a) Miten C- vitamiinimolekyylit vuorovaikuttavat keskenään? 71
b) Arvioi, missä seuraavissa tilanteissa vuorovaikutus on suurin ja missä pienin. i) C- vitamiini C- vitamiini ii) C- vitamiini Vesi iii) Vesi Vesi 72