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
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 malleista.17, 28
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
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
molekyylimallinnus suoritetaan tietokoneohjelmien avulla (Spartan, ChemSketch), 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
Kuva 26: Erilaisia molekyylimalleja C-‐vitamiinille.
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 mukaan37 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