Animaatioiden käyttö molekyyliyhdisteiden rakenteiden opettamisessa lukiolaisille

Animaatioiden käyttö molekyyliyhdisteiden rakenteiden opettamisessa lukiolaisille Ainedidaktiikka IV 1 Jenni Kaikkonen Heidi Kemi

Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa kartoitettiin lukion 1. vuosikurssin oppilaiden kokemuksia molekyyliyhdisteiden kolmiulotteisen rakenteen opiskelusta animaatioita hyväksi käyttäen. Tutkimus toteutettiin kyselylomakkeen avulla Oulun Normaalikoulun kemian. kurssille kevätlukukaudella 1 osallistuneiden opiskelijoiden kesken. Kysely sisälsi sekä strukturoituja kysymyksiä, joista tehtiin frekvenssianalyysiä, sekä avoimia kysymyksiä. Kysymykset käsittelivät animaatioiden käytön tarpeellisuutta, niiden vaikutusta opiskelun mielekkyyteen sekä animaatioiden käyttötapoja. Tutkimuksessa havaittiin, että opiskelijat kokevat yleisesti animaatioiden käytön auttavan molekyylien kolmiulotteisen rakenteen hahmottamisessa ja uusien asioiden oppimisessa. Animaatioiden käyttötapojen mielekkyys taas on hyvin oppilas- ja animaatiokohtaista. Suurin osa kokee, että animaatioiden selostuksesta, kelauksesta ja pysäyttelystä on heille enemmän hyötyä kuin haittaa. Lisäksi havaittiin hieman sukupuolten välisiä eroja.

Sisällysluettelo Tiivistelmä Sisällysluettelo 1. Tutkimuksen tarkoitus ja sisältö1 1. Teoriataustaa 1.1 Miksi kemian oppimista pidetään vaikeana? 1. Erilaisia oppimistyylejä.3 Virhekäsityksistä 3. Animaatioiden käytöstä 3. Tutkimuksen toteutus 7 3.1 Animaatioiden käyttö kurssilla 8. Tutkimustulokset 9. Pohdintaa 1.Viitteet 1

1. Tutkimuksen tarkoitus ja sisältö Koska oppijoita on erilaisia, halusimme selvittää, miten omat oppilaamme kokevat animaatioiden käytön opetuksessa. Omana kouluaikanamme ei animaatioita käytetty juurikaan. Lisäksi olemme omakohtaisesti todenneet niiden auttavan varsinkin avaruudellisessa hahmottamisessa. Molekyyliyhdisteiden rakenteiden opettaminen valikoitui aiheeksi opetusharjoittelussa meille osoitetun lukion kemian. kurssin sisällön perusteella. Kurssin keskeisiä sisältöjä ovat kvanttimekaaninen atomimalli, kemiallinen sidos ja isomeria, joten sisältö on huomattavasti teoreettisempi ja vaativampi, kuin pakollisella kemian kurssilla. Kurssi pidettiin ja tutkimus toteutettiin Juhani Vaskurin johdolla. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, kuinka tarpeelliseksi oppilaat kokivat havainnollistavien animaatioiden käytön opetuksessa. Lisäksi haluttiin saada selville, minkälaiset animaatiot koettiin hyödyllisiksi ja missä yhteydessä. Oppilaat seurasivat aiheeseen liittyvät tunnit ja täyttivät lopuksi palautekyselyn. Jakson alussa oppilaita heräteltiin suhtautumaan kriittisesti animaatioihin. Tutkittu aineisto koostui oppilaiden mielipiteistä ja kokemuksista.. Teoriataustaa Teoriataustassa tarkastellaan kemian oppimisen ja opetuksen haasteita, erilaisia oppimistyylejä, oppilaiden virhekäsityksiä sekä animaatioiden käyttöä kemian opetuksessa..1 Miksi kemian oppimista pidetään vaikeana? Koska tieteellisiä ilmiöitä esitetään useilla eri tasoilla makro-, mikro- ja symbolisella tasolla on niiden oppiminen haastavaa (Johnstone 1993). Opiskelijoiden kyky liikkua näiden tasojen välillä vaihtelee paljon ja on yleensä hyvin puutteellinen. Erityisen ongelmallinen on näkymätön mikroskooppinen taso, jonka ilmiöitä on vaikea yhdistää opiskelijoiden omaan elinympäristöön. (Hinton, Nakleh 1999) Kemiallisia ilmiöitä mallinnetaan monella tavalla. Kemisteiltä onnistuu sujuvasti mallien muuntaminen yhdestä esitysmuodosta toiseen vastaavaan esitysmuotoon, mutta opiskelijoille tämä

prosessi on vaikea tai jopa mahdoton. (Kozma, Russell 1997) Keskeisyytensä vuoksi mallien ja mallintamisen tulisi näkyä myös kemian opettamisessa. Jotta oppiminen palvelisi tarkoitustaan, on siihen sisällyttävä olemassa olevien mallien tunteminen, pätevyysalueet ja rajoitukset, mallien pätevöittävän roolin ymmärtäminen ja muodostettujen kemiallisten mallien testaaminen. (Justi, Gilbert ) Opiskeltavan asian visualisointi rakennemalleilla tukee oppilaiden oppimista, koska ne auttavat liikkumaan makro-, mikro- ja symbolisen tason välillä (Barke, Wirbs ). Myös kolmiulotteiset molekyylimallit ovat tehokkaita molekyylirakenteen opettamisessa (Yamana 1989). Jos opiskelijalla olisi käytössään tietokonepohjaisia, vuorovaikutteisesti käytettäviä molekyylimalleja, auttaisivat ne erityisen paljon avaruudellisen kemian ymmärtämisessä (Hyde ym 199). Viime vuosina molekyylimallinnus on kasvanut merkittäväksi kokeellisen ja teoreettisen kemian yhdistäjäksi, koska se mahdollistaa vaikeiden asioiden selkeän esittämisen ja erityisesti kokeellisten ilmiöiden havainnollistamisen jo molekyylitasolla. Molekyylimallinnus siis yhdistää kemiallisen maailman teoreettisen tarkastelun ja tulosten visualisoinnin. Nykyään korostetaan oppimista aktiivisena kokemukseen perustuvana vuorovaikutusprosessina. (Lundell, Aksela 3). Siksi molekyylimallit ja erityisesti molekyylimallinnus opiskelijoiden itsensä tekemänä on tehokas tapa opiskella kemiaa.. Erilaisia oppimistyylejä On olemassa kaksi eri teoriaa siitä, kuinka oppija oppii sanoista ja kuvista (Mayer 199). Toisen, behavioristisen teorian, mukaan oppiminen on tiedon siirtoa oppijan muistiin. Opettajan rooli on siis esittää ja antaa tietoa, ja oppijan rooli on ottaa sitä vastaan. Jos jokin uusi asia selitetään sanoin, oppija varastoi sen muistiinsa. Kuvien (esim. animaatioiden) lisääminen esitykseen ei siis tämän teorian mukaan enää edesauttaisi oppimista, jos niiden sisältö on sama kuin sanoin selitetyssä tiedossa. Jotkut oppijat voivat kuitenkin oppia paremmin joko verbaalisista tai visuaalisista esityksistä. Näin ollen molempien esitystapojen käyttö antaa oppijalle mahdollisuuden valita oman oppimisen väylänsä. (Mayer ) Kognitiivisen teorian mukaan informaatiota prosessoidaan monilla eri tavoilla kuten havaitsemalla, muistilla, ajattelulla, kielellä ja opittavan aineksen organisoinnilla. Tämän oppimiskäsityksen mukaan oppiminen on oppijan aktiivista työskentelyä ja käsityksien rakentamista. Oppiminen ei siis tapahdu vain yhdellä tavalla vaan on paljon monimutkaisempi

prosessi ja vaatii oppijalta psyykkistä työtä. (Mayer ) Oli oppimiskäsitys siis kumpi tahansa, erilaiset tiedon esitystavat hyödyttävät sekä koko ryhmää että yksittäistä oppijaa..3 Virhekäsityksistä Koska kemian opiskelussa käytetään paljon teoreettisia malleja, on opiskelijoiden usein vaikea ymmärtää niitä ja tästä johtuen heillä voi olla paljon virhekäsityksiä (Gustafsson 7). Monet väärinkäsitykset johtuvat oppilaiden kyvyttömyydestä visualisoida rakenteita ja prosesseja mikro- ja molekyylitasolla. Oppilaiden mentaalista mallia ei voi muuttaa vain näyttämällä heille erilaisia malleja tai animaatioita. Animaatiot pitää suunnitella ja esittää niin, että ne rohkaisevat oppilaita kiinnittämään huomionsa avainasioihin. Lisäksi on vältettävä harhaanjohtamista. (Tasker, Dalton ) Ongelmia voi aiheuttaa myös mikro- ja makromaailman yhteensovittaminen. Siksi opettajan olisikin tärkeää esittää opiskelijoille yhteyksiä ja linkkejä näiden maailmojen välillä. (Coll & Treagust 3) 197-luvulla (Kleinman 1987) havaittiin, että monet oppilaiden vaikeudet ja väärät käsitykset johtuvat virheellisistä tai epätarkoista molekyylitason mentaalimalleista. Lisäksi monet virheet ovat lähes riippumattomia opetuksessa käytetyistä keinoista. Vaikeuksia opiskelijoille tuottaa myös erilaisten mallien yhteensovittaminen. Opiskelijat voivat sekoittaa esimerkiksi orbitaaliteorian ja Bohrin atomimallin keskenään ja kuvitella, että elektronit kiertävät orbitaalin ydintä kuten planeetat aurinkoa. Sidoselektronien liikkeen luullaan tapahtuvan tarkasti kahden atomin välillä ja niiden olevan juuri tietyn etäisyyden päässä ytimestä. (Nicoll 1) Osalle oktettisääntö ja molekyyliorbitaaliteoria voivat mennä sekaisin, ja niistä muodostetaan jonkinlainen yhdistelmäteoria (Coll & Taylor ). Lisäksi virhekäsityksiä syntyy, kun opiskelijat yrittävät selittää itselleen abstraktia asiaa konkreettisin keinoin. Joskus opiskelijat tyytyvät mielellään ensimmäiseen selitykseen jostakin asiasta, eikä sen jälkeen enää mietitä eikä kyseenalaisteta, onko se ristiriidassa jonkun toisen asian kanssa. (Coll & Treagust 3) Opiskelijoilla on usein taipumus käyttää mahdollisimman yksinkertaisia malleja kuvaamaan esimerkiksi kemiallisia sidoksia. Heillä ei ole siis tarvetta ottaa monimutkaisempia malleja käyttöön. Opettajan tulisikin pystyä osoittamaan vanha, yksinkertainen malli riittämättömäksi, jotta uusi malli hyväksytään ja opitaan. (Gustafsson 7) 3

. Animaatioiden käytöstä 199-luvulla opetus tapahtui usein oppikirjojen yliyksinkertaistettujen kaksiulotteisten mallien ja oppilaiden oman mielikuvituksen varassa. Animaatiot ovat tuoneet tähän muutoksen. Molekyylimaailma on moniosainen ja dynaaminen. Lisäksi molekyylien ja niiden osien väliset vuorovaikutukset ovat usein hyvin monivivahteisia ja monimutkaisia. Päinvastoin kuin tekstikirjojen kuvitus, animaatiot voivat tuoda esiin kemiallisten reaktioiden todellisen luonteen. Molekyylitason animaatiot voivatkin stimuloida opiskelijoiden mielikuvitusta tuomalla uusia ulottuvuuksia kemian opiskeluun. (Tasker & Dalton ) Tasker ja Dalton () tutkivat animaatioiden käyttöä tiedon audiovisuaalisen prosessointimallin (audiovisual information processing model) avulla. Malli (Mayer 1997, Johnstone 198) kuvaa oppimista audiovisuaalisena tiedonkäsittelyjärjestelmänä, jossa verbaalinen ja visuaalinen informaatio varastoidaan muistin eri paikkoihin. Tämän vuoksi oppilaiden pitäisi voida pysäyttää ja kelata animaatioita yhä uudelleen, jotta saatu tietoannos pysyisi sopivana ja syyseuraussuhteiden muodostamiselle jäisi riittävästi aikaa. (Mayer 1997, Johnstone & El-Banna 198) Verbaalisen ja visuaalisen informaation pitäisi myös täydentää toisiaan ja animaation tulisi sisältää myös tekstiä. Lisäksi olisi hyvä, jos animaatiossa olisi kuvan kanssa samanaikainen selostus. Nämä vaatimukset perustuvat Swellerin (199) ja Morenon () tutkimustuloksiin. Heidän mukaansa työmuistin kapasiteettia voidaan laajentaa yhdistämällä eri informaationtuottotapoja. On helpompaa käsitellä tietoa, joka on esitetty usealla tavalla, kuin jos tieto olisi esitetty kokonaan yhdessä muodossa. Tämä on vahva peruste muun muassa animaatioiden selostuksille pelkkien tekstiotsikoiden sijaan. Taskerin ja Daltonin () tutkivat, voidaanko näyttämällä molekyylitason animaatioita auttaa oppilaita ymmärtämään paremmin käsitteitä ja symbolien merkityksiä. Heidän mukaansa animaatiot auttavat heikkojakin opiskelijoita kehittelemään uusia ideoita pitkäaikaiseen muistiin ja luomaan mentaalimalleja. Ne opiskelijat, joilla on korkeat esitiedot, pystyvät omaksumaan animaatioista tarkkoja ja asianmukaisia tietoja omien mentaalimalliensa kehittämiseksi. Laajat esitiedot mahdollistavat myös animaation avulla työmuistiin luotujen kuvien ja pitkäaikaisen muistin mentaalimallien vertailun. Tämä johtaa mentaalimallien varmistumiseen tai tarkentumiseen. Jos oppilaalla on korkea kyky soveltaa tietoa, pystyy hän omaksumaan nopeastakin animaatiosta sen sisältämät avainasiat. Korkea työmuistin kapasiteetti puolestaan varmistaa, että oppilas voi tehokkaasti hankkia tietoa monimutkaisistakin animaatioista sekä rakentaa ja muokata ilmiötä koskevia mentaalimallejaan.

Tasker ja Dalton () havainnollistivat tutkimuksessaan sitä, miten animaatioiden näyttäminen oppilaille yhdistettynä ilmiöiden piirtämiseen kasvatti merkittävästi opiskelijoiden käyttämien tieteellisesti hyväksyttävien avainkäsitteiden määrää. Lisäksi tutkimuksessa saatiin myös viitteitä siitä, että jotkut oppilaat pystyivät soveltamaan animaatioissa oppimaansa myös muihin aihepiireihin. Koska heidän tutkimuksessaan oli vain 3 koehenkilöä, eivät heidän tuloksensa ole yleistettävissä. Haastattelujen perusteella animaatioiden käytöllä havaittiin olevan seuraavanlaisia hyötyjä: animaatiot auttoivat molekyylitason tapahtumien ymmärtämisessä ja kolmiulotteisessa ajattelussa. Lisäksi ne voivat auttaa ja ohjata oppilaita kehittämään mentaalisia, moniosaisia, dynaamisia, vuorovaikutteisia ja kolmiulotteisia mielikuvia molekyylitasolta. Kaikesta huolimatta joidenkin opiskelijoiden kohdalla väärinymmärrykset ja huonosti muodostetut mallit jatkuivat. Taskerin ja Daltonin tutkimus osoittaa myös, että opettajan pitäisi selvittää opiskelijoiden lähtötaso opiskeltavan asian suhteen, jotta animaatiot voidaan esittää sopivalla tasolla ja rakentaa olemassa olevalle tietopohjalle. Jotta varmistutaan siitä, että opiskelijat voivat erotella avainasiat visuaalisesta informaatiosta, on niitä lisäksi korostettava jotenkin. Opiskelijoita pitäisi rohkaista pyrkimään syvään oppimiseen. Lisäksi animaatiot pitäisi suunnitella ja esittää niin, että ylimääräinen kognitiivinen tieto minimoituu. Animaatioilta vaaditaan tieteellistä tarkkuutta ja selkeää kommunikaatiota teknisten mahdollisuuksien rajoissa. Lisäksi opetuksessa on animaatiot pystyttävä sitomaan sekä makro- että symboliselle tasolle. Usein animaatiossa näyttää siltä, että ilmiöt tapahtuvat mekaanisesti ja määrätysti ilman satunnaisluonnetta, mikä niillä kuitenkin todellisuudessa on. Merkittävimmät rajoitukset animaatioille asettavat yleensä tekniset ominaisuudet sekä esitysajan ja tiedostokoon minimointi. Lisäksi animaatioissa ei useinkaan näytetä ymmärtämisen kannalta olennaisimpia asioita riittävän selkeästi. Tasker julkaisi vuonna tutkimusryhmänsä kehittelemän konstruktivistisen oppimismenetelmän (VisChem Learning Design), jota voidaan soveltaa mihin tahansa tieteellisesti hyväksyttävää molekyylitason mentaalimallia vaativaan kemian aiheeseen. Opiskelijan näkökulmasta tyypillisen oppimiskokemuksen pitäisi sisältää seuraavia vaiheita: Vaihe 1. Kemiallisen ilmiön havaitseminen ja sen havaintojen dokumentointi: oppilaat kirjoittavat havaintoja laboratoriotason kemiallisesta ilmiöstä. Ilmiö voidaan esittää demonstraationa tai videolla, mutta on tärkeää varmistaa, että kaikki tärkeät seikat tulevat havaituiksi. Tässä vaiheessa pitäisi myös antaa oppilaiden pohtia ja keskustella havainnoistaan. Tämän vaiheen tavoitteena on kiinnittää oppilaiden huomio asiaan ja herättää tarve tietää. Audiovisuaaliseen malliin tämä vaihe

liittyy siten, että aivojen huomiokeskukset aktivoituvat vallitsemaan olennaisia asioita silmien ja korvien vastaanottamasta informaatiosta. Vaihe. Molekyylitason tapahtumien sanallinen ja piirretty kuvaus havaintojen selittämiseksi opettajan selittäessä piirtämisessä huomioon otettavia asioita: tämä vaihe osoittaa, että molekyylitason kuvaustaitoa kannattaa kehittää. Tässä vaiheessa opettaja selvittää oppilaiden mentaalimalleja kyseisestä asiasta. Tämä vaihe pitäisi toteuttaa sekä sanallisesti että esimerkiksi kaaviona, jotta sekä verbaalinen että visuaalinen ilmaisutapa tulisi esille. Vaihtoehtoisesti voidaan piirtämisen sijaan käyttää molekyylimallinnustyökaluja. Audiovisuaalisen mallin näkökulmasta tässä vaiheessa palataan oppilaiden aikaisempaan tietoon ja valmistetaan heitä kiinnittämään huomionsa avainasioihin. Vaihe 3. Piirroksista keskusteleminen pareittain siten, että opettaja neuvoo kiinnittämään huomiota havaintoja selittäviin avainasioihin: tässä vaiheessa pyritään selittämään tehdyt havainnot ja oppilaat saavat suoraa palautetta omista malleistaan. Tässä vaiheessa ei vielä määritellä, mikä on oikeaa ja mikä väärää tietoa. Tämän jälkeen ollaan valmiita poimimaan esitettävästä animaatiosta oleellista verbaalista ja visuaalista tietoa. Vaihe. Ilmiötä molekyylitasolla kuvaavan animaation katsominen ensin ilman selostusta, sitten opettajan selostaessa: katsotaan havaintoja mahdollisesti selittäviä avainasioita. Animaatiot ja simulaatiot voivat syventää merkittävästi dynaamista molekyylimaailmaa. Animaatiot ovat tehokkaita kuitenkin vain, jos ne esitetään työmuistin puutteet ja rajoitukset huomioonottavalla tavalla. Ilman aikaisempaa tietoa samankaltaisista animaatioista työmuistin kognitiivinen kuorma saattaisi olla liian korkea. Tässä vaiheessa oppilaiden huomion pitäisi olla kiinnittynyt uuden etsimiseen. Vaihe. Pohdinta parin kanssa: animaation ja heidän omien pohdintojensa erot ja yhtäläisyydet: korjataan muodostettuja käsityksiä opettajan johdolla. Tämä vaihe paljastaa usein väärinkäsityksiä, jotka eivät muuten ole nähtävissä ja antaa oppilaille mahdollisuuden itse havaita ja korjata niitä. Vaihe. Molekyylitason näkökulman muuntaminen symboliselle ja matemaattiselle kielelle: tässä vaiheessa oppilaita pitäisi rohkaista muotoilemaan havaintonsa itse esimerkiksi opettajan johdattelevien kysymysten avulla. Vaihe 7. Selityksen sovittaminen opiskelijoiden omiin mentaalimalleihin ja uusiin tilanteisiin: oppilaita pyydetään esimerkiksi piirtämään molekyylitason kuva vastaavasta tilanteesta. Tämä auttaa oppilaita soveltamaan käsityksiään eri tilanteisiin. Opettajan esittämien kysymysten pitäisi

symbolisen tason ymmärtämisen lisäksi vaatia oppilaita muotoilemaan molekyylitason mentaalisia mallejaan. Tämä oppimismalli kehitettiin, jotta jokainen audiovisuaalisen tiedonkäsittelymallin jokainen askel: havaitseminen, valinta, käsittely ja muuntaminen toiseen muotoon saavutettaisiin mahdollisimman tehokkaasti. Visualisointisuunnitelman onnistumiselle on muutamia avainkriteereitä. (1) Konstruktivistinen lähestymistapa rohkaisee opiskelijoita muotoilemaan aiempaa ymmärtämystään ja kiinnittämään huomiota aiemman molekyylitason mentaalimallin pääpiirteisiin ennen animaatioiden katsomista. Kun tähän yhdistetään mahdollisuus keskustella ajatuksista ja ongelmista pareittain () sekä visualisointitaitojen kehittämisen harjoittelu ja soveltaminen (3), voidaan päästä hyviin oppimistuloksiin. Oppimisen tuloksena oppilaiden pitäisi pystyä käyttämään mallejaan uusiin molekyylitason näkökulmaa vaativiin kemiallisiin ilmiöihin ja osoittamaan kirjallisuudesta yleisiä väärinkäsityksiä. Lisäksi heidän valmiutensa selittää molekyylitason ilmiöitä pitäisi parantua ja kiinnostuksensa kemiaa kohtaan kasvaa, koska kyky käyttää mielikuvitusta ulkoaopittujen käsitteiden ja mekaanisen ongelmanratkaisun sijaan parantuu oppimisen myötä. (Tasker ym. ) 3. Tutkimuksen toteutus Tutkimus toteutettiin määrällisenä tutkimuksena siten, että menetelmäksi valittiin poikittainen kyselytutkimus. Työssä tutkittiin oppilaiden kokemuksia ja mielipiteitä animaatioiden käytöstä molekyyliyhdisteiden kolmiulotteisen rakenteen opettamisessa. Tutkimus toteutettiin kaksiosaisena kyselynä: toinen puoli kyselystä sisälsi mielipiteitä, joiden sopivuutta itseensä oppilaiden (7 hlöä) piti miettiä Likertin asteikolla. Toinen puoli kyselystä koostui kahdesta avoimesta kysymyksestä, joihin oppilaat saivat vastata oman kokemuksensa perusteella. Lisäksi tutkittiin mahdollista poikien ja tyttöjen välistä korrelaatiota. Strukturoitujen kysymysten vastauksista piirrettiin frekvenssikuvaajat (liite 3.). Kysymysten laadinnassa on käytetty apuna Aki Taanilan oppimateriaalia määrällisen aineiston keräämisestä (Taanila, 11). Tutkimukseen kuuluivat seuraavat oppitunnit (7 min) kemian. kurssin loppuosasta: molekyyliyhdisteiden kaavat ja nimeäminen, orgaanisten yhdisteiden isomeria, molekyylien kolmiulotteinen rakenne, molekyyliorbitaalimalli, orgaanisten yhdisteiden isomeria sekä maitohapon pitoisuuden määrittäminen piimästä. Palautekysely (liite 1.) tehtiin kurssin loppukokeen yhteydessä. 7

3.1 Animaatioiden käyttö kurssilla Animaatioita käytettiin kurssilla pääasiassa kahdella eri tavalla. Esimerkiksi sigma- ja piisidoksia opiskeltaessa katsottiin ensin animaatio, jonka jälkeen palattiin yhdessä tutkimaan ilmiötä. Esimerkkitunnin tavoitteena oli, että opiskelijat ymmärtävät, miten kovalenttisia sidoksia voidaan mallintaa molekyyliorbitaalien avulla. Pohjatietona opiskelijoilla oli kurssin alussa läpikäyty kvanttimekaaninen atomimalli ja atomiorbitaalit. Monilla olivat kuitenkin alkuvaiheen asiat päässeet tässä vaiheessa jo unohtumaan. Tunnin alussa kerrattiin suullisesti atomiorbitaaleja ja kovalenttisen sidoksen muodostumista. Sen jälkeen katsottiin animaatio sigmaja pii-sidoksien synnystä. Animaatio katsottiin vaiheittain läpi ja koska selostus oli englanninkielinen, käytiin tärkeimmät asiat vielä yhdessä suullisesti läpi joka vaiheen jälkeen. Teoria koottiin yhdessä taululle animaation katsomisen jälkeen. Kuva 1. Animaatio sigma- ja piisidoksen synnystä (Mhhe) Cis-trans -isomeriaan tutustuttiin hieman eri tavalla. Tunnin alussa kerrattiin molekyyliyhdisteiden stereoisomeriaa. Esimerkkikuvien avulla kirjoitettiin cis-trans -isomerian ominaispiirteet ja rakenteita tutkittiin myös molekyylimallien avulla. Lopuksi katsottiin yhdessä kokoava animaatio. 8

Kuva. Animaatio cis-trans isomeriasta (Youtube) Kaikki animaatiot olivat lyhyitä tai ne esitettiin lyhyissä jaksoissa. Tavoitteena oli teorian ja oppilaiden oman ajattelun rytmittäminen niin, että kerralla tuleva tietoannos ei kasvaisi liian suureksi ja että oppilaiden mielenkiinto heräisi ja pysyisi yllä lyhyiden videonpätkien ja tauluteorian vuorotellessa. Kurssilla käytettyjä animaatioita on listattu liitteeseen.. Tutkimustulokset Yleisesti opiskelijat olivat sitä mieltä, että animaatioiden käyttö auttaa molekyylien rakenteiden hahmottamisessa. Ne lisäävät melko paljon oppilaiden mielenkiintoa opiskeltavaa asiaa kohtaan ja pääosin myös helpottavat molekyyliorbitaalien ymmärtämistä. Osaa oppilaista animaatiot auttavat isomerian oppimisessa, mutta osalle sillä ei ole väliä näytetäänkö niitä vai ei. Yleensä animaatioita ei koeta tylsiksi. Suurimmalle osalle selostuksen englanninkielisyys ei ole ongelma, mutta joillekin kieli on liian vaikeaa. Suurin osa kokee, että selostuksesta on heille apua ja että opettajan selittäminen on tarpeellista. Sillä, katsotaanko animaatiot kerralla alusta loppuun, ei ole suurimmalle osalle mitään väliä, mutta tämä on animaatiokohtaista. Kelaustarve riippuu animaatiosta, mutta siitä on enemmän hyötyä kuin haittaa. Pysäyttäminen kesken ei ole turhaa, mutta on myös animaatiokohtaista. Yleisesti animaatiot auttavat kolmiulotteisessa hahmottamisessa ja helpottavat uusien asioiden oppimista. Havainnollistavaa materiaalia näistä yleisistä kysymyksistä on liitteenä (liite 3.). Opiskelijoiden vastauksia avoimiin kysymyksiin on koottu taulukoihin 1. ja. 9

Taulukko 1. Lainauksia opiskelijoiden vastauksista avoimeen kysymykseen 1. (Liite 1.) Millaiset animaatiot ovat mielestäsi toimivia ja missä tilanteissa? Toimivat silloin, kun asia on hieman hankala ja on tarve kolmiulotteiseen havainnollistamiseen. Mutta ei tarvetta silloin, kun asia yksinkertainen, melkein itsestäänselvyys. Parhaiten toimivat orbitaalien mallintamisessa, jolloin näkee muodon ja on helpompi ymmärtää. Cis-trans-isomeria on parasta selittää rakennekaavojen avulla, sillä itse opin sen parhaiten siten. Helpompi hahmottaa, kuinka ryhmät vaihtavat paikkaa. Ois kiva, jos ne ois suomeksi, niin ne toimisivat paremmin. Taulukko. Lainauksia opiskelijoiden vastauksista kysymykseen Jäikö joku asia kurssilla erityisesti mieleen?. Jäikö joku asia kurssilla erityisesti mieleen? Cis-trans-animaatio jäi mieleen. Se oli hauska. Animaatiot isomeriasta ja molekyyliorbitaalien muodostumisesta olivat tosi hyviä, samoin VSEPR-teoria oli huomattavasti helpompi hahmottaa animaatioiden avulla. Tykkäsin! Molekyyliorbitaaleista en tajunnut yhtään mitään. Animaatiot ihan mukavia. Oli kaikki vähän vaikeaa. Ryhmän tyttöjen ja poikien välillä havaittiin mielenkiintoisia eroja. Pojat pitivät animaatioita hieman tylsempinä ja olivat sitä mieltä, ettei englanninkielinen selostus ole liian vaikea. Tytöt kaipasivat opettajan selventävää animaation käsittelyä enemmän kuin (kuva 3.). Pojat kokivat animaatioiden pysäyttämisen ja kelaamisen edestakaisin tarpeellisemmaksi kuin (kuvat. ja.). Tyttöjen mielestä animaatiot pitäisi katsoa kerralla läpi, eikä siihen tarvitsisi palata jälkeenpäin. Lisäksi vaikka animaatiot yleisesti koettiin isomerian oppimista helpottaviksi, jakautuivat tyttöjen mielipiteet selkeästi enemmän kuin poikien. 1

1 1 Väite 9 8 Kuva 3. Väite 9: Opettajan ei tarvitse selittää animaatiota. Esiintymistiheys vastauksen funktiona. 1= täysin eri mieltä, 3= en osaa sanoa, = täysin samaa mieltä. 7 3 1 Väite 1 Kuva. Väite 1: Animaation kelaus edestakaisin on turhaa. Esiintymistiheys vastauksen funktiona. 1= täysin eri mieltä, 3= en osaa sanoa, = täysin samaa mieltä. 11

8 7 3 1 Väite 11 Kuva. Väite 11. Animaation pysäyttäminen kesken kaiken. Esiintymistiheys vastauksen funktiona. 1= täysin eri mieltä, 3= en osaa sanoa, = täysin samaa mieltä.. Pohdintaa Yleisesti saamamme tulokset ja taustateoria tukevat toisiaan. Animaatioiden käytön koetaan olevan hyödyllistä ja tapa, jolla niitä hyödynnettiin, koettiin tehokkaaksi. Kuten luvussa.1 ilmeni, opiskeltavan asian visualisoinnilla koetaan siis olevan oppimisen kannalta positiivinen vaikutus. Tutkimusten mukaan oppilaiden mentaalista mallia ei voi muuttaa vain näyttämällä heille erilaisia malleja tai animaatioita, vaan animaatiot pitää suunnitella ja esittää niin, että ne rohkaisevat oppilaita kiinnittämään huomionsa avainasioihin. Käyttäessämme animaatioita esitimme ne yleensä lyhyissä pätkissä, jotta tietoannos pysyisi sopivana ja antaisi aikaa syy-seuraussuhteiden muodostumiselle. Esitysten jälkeen tai jo niiden aikana pyrimme korostamaan tärkeimpiä asioita ja selittämään ne omin sanoin. Tämä esitystapa oli kyselyn mukaan toimiva ja auttoi oppilaita sisäistämään asioita. Mayerin (1997) sekä Johnstonen ja El-Bannan (198) mukaan tietoannos ei saisi kasvaa liian suureksi. Tähän pyrittiin vaikuttamaan animaatioita pysäyttämällä ja kelaamalla. Pyrimme myös käyttämään Taskerin ja Daltonin (, ) kehittämää konstruktivistista oppimismenetelmää niiltä osin, kuin se tuntui sopivan omaan opetukseemme. Oppilaiden kokemukset tukivat pääosin teoriataustaa, sillä suurin osa koki ne hyödyllisiksi. Tuloksissa oli kuitenkin selkeää animaatiokohtaista vaihtelua. Toisiaan täydentävät kuva ja selostus samanaikaisesti esitettynä helpottivat asioiden oppimista aivan kuten Sweller (199) ja Moreno () ovat omissa tutkimuksissaan todenneet. 1

Olisi ollut järkevää kysyä opiskelijoilta myös heidän kokemuksiaan siitä, miten animaatioita kannattaisi hyödyntää: oliko heidän mielestään parempi tutustua asiaan ensin animaation kautta ja sitten vasta syventyä teoriaan vai toisinpäin. Tässä tutkimuksessa tähän ei kuitenkaan paneuduttu. Kyseessä oli lukion 1. vuosikurssilaisista koostuva 7 henkinen ryhmä, jossa oli 1 poikaa ja 13 tyttöä. Yleisesti ryhmän pojilla tuntui olevan selkeä halu oppia ja ymmärtää asioita syvällisemmin. He myös halusivat perehtyä asioihin rauhassa ja kyseenalaistivat heille opetettua tietoa. Poikien asenne oli usein ennakkoluulottomampi kuin tyttöjen. Tyttöjen vastaukset olivat hieman ristiriitaisia: animaatioiden selostus koettiin liian vaikeaksi, ne pitäisi katsoa kerralla alusta loppuun, opettajan selitystä pidettiin tarpeellisempana mutta animaatioihin ei pitäisi katsomisen jälkeen palata. Ryhmän eivät ehkä luottaneet itseensä eivätkä omiin kykyihinsä haastavien asioiden edessä vaan olivat helpommin ns. luovuttajaasenteella liikkeellä: jos asia tuntui heti alussa haastavalta, ei haluttu syventyä siihen, vaan odotettiin valmista. He vaikuttavat yleisestikin suhtautuvan liian kriittisesti itseään ja omaa toimintaansa kohtaan. 13

. Viitteet Barke, H. D. & Wirbs, H. (). Structural units and chemical formulae. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 3(), 18. Coll, R.K., & Taylor, N. (). Mental Models in Chemistry: Senior Chemistry Students Mental Models of Chemical Bonding. Chemistry Education, (3), 17-18. Haettu osoitteesta: http://www.uoi.gr/cerp/_may/pdf/8coll.pdf Coll, R.K., & Treagust, D.F., (3). Investigation of Secondary School, Undergraduate, and Graduate Learners Mental Models of Ionic Bonding. Journal of Research in Science Teaching, (), - 8. Haettu osoitteesta: http://www.nclt.us/workshop/calpoly/learning_science_coll Treagust.pdf Gustafsson, L. (7). Kemialliset sidokset lukion kemian opetuksessa. Haettu sivustolta Helsingin yliopisto internetosoite: http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/ont/gustafsson- l- 7.pdf Hinton, M. E. & Nakhleh, M. B. (1999). Student s microscopic, macroscopic and symbolic representations of chemical reactions. The Chemical Educator, (), 1 9. Hyde, R. T., Shaw, P. N., Jackson, D. E. & Woods, K. (199). Integration of molecular modelling algorithms with tutorial instruction. Journal of Chemical Education, 7(8), 99 7. Johnstone A.H. & El- Banna H. (198). Capacities, demands and processes a predictive model for science education, Education in Chemistry, 3, 8-8..Johnstone, A. H. (1993). The Development of chemistry teaching: a changing response to a changing demand. Journal of Chemical Education, 7(9). 71 7. Justi, R. & Gilbert, J. K. (). Models and modelling in chemical education. Kirjassa J. K. Gilbert ym. (Toim.) Chemical Education: Towards Research-based Practice. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers, 7 8. Kozma R. B. & Russell J. (1997). Multimedia and understanding: Expert and novice responses to different representations of chemical phenomena. Journal of Research in Science Teaching, 3(9), 99 98. Lundell, J. & Aksela, M. (3.) Molekyylimallinnus kemian opetuksessa, osa 1: Molekyylimallinnus ja kemian opetus, Dimensio, 7(), 7 9. Mayer, R.E. (199). Learners as Information Processors: Legacies and Limitations of Educational Psychology s Second Metaphor. Educational Psychologist, 31(3/), 11-11. Haettu osoitteesta: http://www.tlu.ee/~kpata/haridustehnoloogiatlu/971189.pdf 1

Mayer, R. E. & Moreno, R. (). Animation as an aid to multimedia learning. Educational Psychology Review,1(1), 87-99. McGraw Hill Higher Education. (1) Sigma and Pi Bonds. Haettu osoitteesta: http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/animations/chang_7e_esp/boms_.swf Moreno R. & Mayer R.E. (). A learner- centered approach to multimedia explanations: deriving instructional design principles from cognitive theory, Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer- Enhanced Learning.. Nicoll, G. (1). A report of undergraduates bonding misconceptions. International Journal of Science Education, 7(3), 77-73. Sweller J. (199).Cognitive load theory, learning difficulty and instructional design, Learning and Instruction,, 9-31. Taanila, A. (11). Määrällisen aineiston kerääminen, haettu 3. toukokuuta, 1, sivustolta myy.haaga- helia.fi. Internetosoite: http://myy.haaga- helia.fi/~taaak/t/suunnittelu.pdf Tasker R., Dalton R., Sleet R., Bucat B., Chia W. & Corrigan D. (). VisChem: visualising chemical structures and reactions at the molecular level to develop a deep understanding of chemistry concepts Haettu 11. huhtikuuta 1. Internetosoite: http://trnexus.edu.au/uploads/examples%june%3/chemistry%3.pdf Tasker, R. & Dalton, R. (). Research into practice: visualisation of the molecular world using animations Haettu 1. helmikuuta, 1. Internetosoite: http://pubs.rsc.org doi:1.139/brp9d Yamana, S. (1989). An easy constructed bicabbed trigonal prism model. Journal of Chemical Education, (1), 1 1 1 Youtube- animaatiot haettu talvella 11-1. Internetosoite: http://www.youtube.com/ 1

Liitteet 1. Kyselylomake. Kurssilla käytettyjä animaatioita 3. Kysymyksiin 1-13 liittyviä kuvaajia 1

Liite 1. Palautekysely KE.1 kurssille 7.1.1 Vastaaja: tyttö / poika Valittuja kemian kursseja lukiossa: Mitä mieltä olet seuraavista väittämistä? Ympyröi. 1=täysin eri mieltä, 3= en osaa sanoa, = täysin samaa mieltä. Animaatioiden käyttö opetuksessa auttaa molekyylien rakenteiden hahmottamisessa. 1 3 Animaatiot lisäävät mielenkiintoa opiskeltavaa asiaa kohtaan. 1 3 Animaatiot helpottavat molekyyliorbiaalien ymmärtämistä. 1 3 Animaatiot auttavat isomerian oppimisessa. 1 3 Animaatiot ovat tylsiä. 1 3 Animaatio pitäisi katsoa kerralla alusta loppuun. 1 3 Englanninkielinen selostus on liian vaikeaa. 1 3 Englanninkielinen selostus on turha. 1 3 Opettajan ei tarvitse selittää animaatiota. 1 3 Animaation kelaus edestakaisin on turhaa. 1 3 Animaation pysäyttäminen kesken kaiken on tarpeetonta. 1 3 Animaatiot auttavat kolmiulotteisessa hahmottamisessa. 1 3 Animaatiot helpottavat uusien asioiden oppimista. 1 3 Millaiset animaatiot ovat mielestäsi toimivia ja missä tilanteessa? Jäikö joku asia kurssilla erityisesti mieleen (esim. erityisen kiinnostavaa, vaikeaa, joku tietty animaatio )? Kiitos vastauksestasi!