Opetussuunnitelman perusteiden mukaan kemian opetuksen tehtävänä on tukea opiskelijan luonnontieteellistä ajattelua sekä maailmankuvan kehittymistä.25,49 Lisäksi kemian opetuksen avulla pyritään saamaan opiskelijalle parempi ymmärrys kemian ilmiöistä sekä niiden sovel-luksista arkipäivän elämässä.49 Kemian opetuksen tavoitteena on myös ohjata oppilasta kohti parempia ympäristövalintoja ja ottamaan siten vastuuta ympäristöstään ja sen tulevaisuudesta.
Kemian opetussuunnitelman perusteet sisältävät monia abstrakteja aihealueita, jotka ovat tär-keässä roolissa kemian syvemmän ymmärryksen kannalta.47 Tämän vuoksi kemian opetus pe-rustuu Johnstonen luomaan kolmitasoiseen malliin, jossa kemian tieto voidaan jakaa makro-skooppiseen (macroscopic), mikromakro-skooppiseen (microscopic) ja symboliseen (symbolic) ta-soon.50-51 Makroskooppisella tasolla olevaa tietoa voidaan nähdä, koskea tai haistaa. Mikro-skooppisen tason tieto käsittelee puolestaan molekyylejä, atomeja, ioneja sekä niiden rakenteita ja kemiallisia reaktioita. Nämä ilmiöt eivät ole paljain silmin havaittavissa. Symbolinen taso sisältää kemiallisen merkkikielen, jonka avulla esitetään reaktioyhtälöitä ja matemaattisia las-kuja. Symbolinen taso usein monimutkaistaa ennestään kemian opiskelua liittämällä mukaan kemialliset symbolit, kaavat, kuvaajat ja reaktioyhtälöt.
Johnstonen kolmitasoinen malli esitetään usein kolmiona, jossa kolmion kärjet kuvaavat ke-mian tiedon eri tasoja (kuva 5).51 Mikään näistä kolmesta tiedon tasosta ei ole ylivertainen mui-hin nähden, vaan kaikki tasot täydentävät toisiaan.50 Lisäksi nämä kemiallisen tiedon kolme tasoa ovat välttämättömiä kemian oppimista ja ymmärtämistä varten.52
Kuva 5: Johnstonen kemiallisen tiedon kolmitasomalli.51
Johnstonen mukaan opetus tapahtuu usein kolmion sisällä, jolloin käsitellään kaikkia kemian tiedon tasoja samanaikaisesti.53 Tämä saattaa johtaa virhekäsitysten muodostumiseen. Tästä poiketen, opetuksen tulisi keskittyä samanaikaisesti yhden tai korkeintaan kahden kemian eri tiedon tason opettamiseen. Opettajan ei siis tarvitse jokaisella opetuskerrallaan yhdistää kemian tiedon kolmea tasoa, mutta opettajan on hyvä tiedostaa ne, sillä näiden tasojen yhteyden tulisi ohjata opettamista ja oppimista.47-48 Jos oppilaalla on vaikeuksia jollain tasolla, se voi vaikuttaa toisen tason ymmärtämiseen.47
Jatkuva vuorovaikutus makroskooppisen ja mikroskooppisen tason välillä luo suuren haasteen erityisesti aloitteleville kemian opiskelijoille.47 Kemian sisällölliset vaatimukset ovat hyvin vaativia usein jo makroskooppisella tasolla.53 Oppilaiden täytyy osata liittää tekemänsä havain-not eri aineista ja niiden reaktioista osaksi käsiteltävän aiheen ilmiötä. Monet makroskooppisen tason ilmiöt avautuvat oppilaille puolestaan vasta, kun aihetta käsitellään erilaisten mikro-skooppisen tason mallien avulla, sillä mikromikro-skooppisen tason selitys on usein makromikro-skooppisen tason selitystä täsmällisempi ja tarkempi.48,53 Kemian mikroskooppisen tason selitykset luovat kuitenkin suurimman haasteen kemian opetuksessa. Mikroskooppinen taso vaatii oppilaalta hy-vin kehittynyttä tiedollista ajattelua. Oppilaan täytyy samaan aikaan kyetä sekä hyväksymään teoreettisten kokonaisuuksien olemassaolo että oppia aineiden luonnetta. Lisäksi oppilaan tulee oppia käyttämään mikroskooppisen tason työkaluja apunaan, kun hän alkaa rakentaa selityksiä kemiallisille ilmiöille.
Makrotaso
Mikrotaso Symbolinen taso
Symbolisen tason tärkeys liittyy puolestaan kemian esitystapaan ja kommunikoitiin.53 Symbo-lista tasoa tarvitaan helpottamaan yksilön ajattelua ja makroskooppisten aiheiden käsittelyä, mutta sitä tarvitaan myös muiden kanssa kommunikointiin. Symbolinen taso liittää kemiaan sille ominaisen kielen, joka on verrattavissa esimerkiksi englannin tai suomen kieleen. Symbo-lisen tason avulla voidaan lisäksi ymmärtää paremmin sekä makroskooppisen että mikroskoop-pisen tason ilmiöitä. Esimerkiksi reaktioyhtälöiden avulla voidaan osoittaa, mitä havaitussa aktiossa tapahtuu, mitä atomeja tai molekyylejä reaktiossa esiintyy tai millaiset olosuhteet re-aktio tarvitsee.
Yläkoulussa opetuksen pääpaino on makroskooppisella tasolla ja opetus keskittyy ilmiöiden ymmärtämiseen yleisellä tasolla.25 Oppilaiden abstraktin ajattelun kehittyessä opetusta paino-tetaan myös mikroskooppiselle ja symboliselle tasolle. Lukiossa opetus painottuu näille kaikille kolmelle tasolle ja yläkoulussa opittuja makroskooppisen tason ilmiöitä pyritään syventämään ja vahvistamaan mikroskooppisen ja symbolisen tason avulla.49 Kemian alan asiantuntijat liik-kuvat puolestaan sujuvasti kaikkien kolmen tiedon tason välillä.51 Opettajan tehtävänä onkin kyetä tarjoamaan tehokkaita työkaluja oppilaiden tueksi, jotta he kykenisivät toimimaan asteit-tain eri tiedon tasojen välillä asiantuntijoiden tapaan.53 Tätä varten opettajan tavoitteena on ke-hittää oppilaan ajattelua ja ongelmanratkaisutaitoja. Opettaja voi esimerkiksi jäsennellä tehtä-viä, muokata vihjeitä ja tarvittaessa mallintaa tehtäviä oppilaalle, mutta erityisesti opettajan tu-lisi vähitellen vähentää oppilaalle annettavan tuen määrää oppilaan tason kehittyessä.
Mahaffy on myöhemmin lisännyt Johnstonen kolmitasomalliin neljännen tason, joka on inhi-millinen taso (human element).52 Tämä taso tarjoaa paremman ja laajemman ymmärryksen siitä, millainen merkitys kemialla on arkielämässä.54 Inhimillisen tason lisääminen Johnstonen kol-mitasomalliin muuttaa mallin kolmiulotteiseksi tetraedriksi (kuva 6).52 Samoin kuin Johnstonen kolmitasomallissa, tiedon tasot sijoittuvat tetraedrin kärkiin. Inhimillinen taso on kaksiulottei-nen ja se käsittelee sekä yhteiskunnallista merkitystä että oppijan inhimillisyyttä. Yhteiskun-nallinen merkitys pitää sisällään taloudellisen, poliittisen, sosiaalisen ja historiallisen näkökul-man osana kemian opetusta. Oppijan inhimillisyys sisältää puolestaan tiedon erilaisista oppi-joista ja heidän oppimistyyleistään. Tämä neljäs taso huomioi siis pedagogiset menetelmät ja ratkaisut, jotka auttavat havainnollistamaan kemian makro-, mikro- ja symbolista tasoa sekä ymmärtämään oppilaiden virhekäsityksiä.
Kuva 6: Kemiallisen tiedon tetraedrimalli, jossa Johnstonen kolmitasomalliin on Mahaffyn toimesta lisätty inhimillinen taso.54
Inhimillinen taso muistuttaa opettajia kiinnittämään huomion siihen, miten oppilaat oppivat ja miten kemia liittyy heidän arkielämäänsä.54 Inhimillinen taso nimittäin korostaa kemian liittä-mistä osaksi oppilaan kokemuksia. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että makroskooppinen, mikroskooppinen ja symbolinen taso liitetään osaksi arkielämän ongelmia ja ratkaisuja. Tällai-sia arkielämän ongelmia voivat olla esimerkiksi teollisuuden prosessit tai erilaiset ympäristö-sovellukset. Inhimillinen taso näkyy opetuksessa esimerkiksi aktiivisen oppimisen ja tutkimus-projektien muodossa, sillä niiden avulla kemia voidaan helposti liittää osaksi oppilaan arkielä-mää. Lisäksi pedagogisia ratkaisuja pyritään opetuksessa liittämään oppilaiden oppimistapoi-hin.52 Tetraedrinen malli auttaa liittämään kemian sisällön ja asiayhteyden toisiinsa siten, että kumpikaan ei kärsi toisesta. Menestyvät kemian opettajat käyttävät opetuksessaan jo tätä mallia liittämällä kemian käsitteet, symboliset esitykset ja kemialliset prosessit aitoihin asiayhteyksiin.