• Ei tuloksia

Mallit  ja  mallintaminen  kemiassa

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