OPETTAJIEN NÄKEMYKSIÄ DIGITAALISISTA
OPPIMATERIAALEISTA LUKION KEMIAN OPETUKSESSA Elsa Inkilä
Pro gradu – tutkielma Kemian laitos Epäorgaaninen kemia
Kemian aineenopettajan koulutusohjelma 598/2018
2
Sisällysluettelo
Tiivistelmä ... 3
1 Johdanto ... 4
2 Kemiallinen sidos ... 5
2.1 Molekyylien sisäiset sidokset ... 6
2.1.1 Kovalenttinen sidos ... 6
2.1.2 Ei-kovalenttinen sidos ... 9
2.2 Molekyylien väliset vuorovaikutukset ... 10
2.3 Kemiallisen sidoksen mallintaminen ... 14
3 Opettajien käsityksiä sähköisistä oppimateriaaleista ... 18
3.1 Toteutus... 18
3.1.1 Opettajien käyttämät digitaaliset oppimateriaalit kemian opetuksessa ... 19
3.1.2 Opettajien käyttämät materiaalit kemiallisen sidoksen opetuksessa ... 22
3.1.3 Syyt, joiden vuoksi opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja opetuksessaan... 25
3.1.4 Opettajien suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin ... 28
3.1.5 Opettajien saama tuki digitaalisten materiaalien käyttöön ... 31
3.1.6 Opiskelijoiden suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin ja heidän taitonsa käyttää niitä 33 3.1.7 Opettajien määritelmiä digioppimiselle ... 36
3.2 Tulosten yhteenveto ... 37
4 Johtopäätökset ... 39
5 Lähdeluettelo ... 41
6 Aineistolähteet ... 43
7 Liitteet ... 43
3
Tiivistelmä
Tämä tutkielma käsittelee digitaalisia oppimateriaaleja lukion kemian opetuksessa. Erityisesti tarkastelun kohteena on lukion kemian ensimmäinen kurssi, Kemiaa kaikkialla KE1, ja sen sisällöistä kemiallinen sidos. Aihetta lähestyttiin haastattelemalla Pohjois-Karjalan lukioiden kemian opettajia heidän näkemyksistään ja kokemuksistaan liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön. Lisäksi tutkimusta varten tutkittiin Lukion opetussuunnitelman perusteita 2015 sekä sen mukaisia lukion kemian kirjoja, Mooli 1 ja Lukion Kemia KE1. Lähemmän tarkastelun kohteeksi valittiin kemiallinen sidos, sillä se on oleellinen osa lukion kemian ensimmäistä kurssia ja aineiden ominaisuuksien ymmärtämistä.
Tutkimuksen tarkoituksena oli saada tietoa siitä, mitä digitaalisia oppimateriaaleja lukion kemian opettajat käyttävät opettaessaan kemiaa ja kemiallista sidosta, mitä syitä heillä tähän on ja miten he siihen suhtautuvat sekä millaista tukea he ovat saaneet digitaalisten materiaalien käyttöön.
Lisäksi haluttiin saada tietää, miten opettajat kokevat opiskelijoiden suhtautuvan digitaalisiin materiaaleihin ja miten he osaavat niitä käyttää.
Tuloksena voidaan sanoa, että haastatteluun osallistuneet opettajat käyttivät monia erilaisia digitaalisia materiaaleja opettaessaan kemiaa. Opettajien välillä oli kuitenkin jonkin verran vaihtelua siinä, miten opettaja digitaalisia materiaaleja käyttää opetuksessaan. Opettajien suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin oli suurilta osin neutraalia, mutta vaihteluakin esiintyi.
Oppilaat suhtautuivat opettajien mukaan digitaalisten materiaalien käyttöön pääosin myönteisesti, mutta heidän taitonsa käyttää niitä vaihtelivat suuresti.
4
1 Johdanto
Ympäröivän yhteiskunnan digitalisoituminen asettaa haasteita myös koulumaailman uudistumiselle. Lukion uudessa opetussuunnitelman perusteissa 2015 pyritäänkin lisäämään digitaalisten materiaalien ja ympäristöjen käyttöä lukio-opetuksessa. Tämä koskee myös kemian opetusta. Ylioppilaskirjoitusten sähköistyessä onkin välttämätöntä, että lukio-opiskelija hallitsee tarvittavat ohjelmat ja pystyy vastaamaan tehtäviin sähköisin välinein. Koska kemian ylioppilaskoe muuttuu sähköiseksi syksyllä 2018, kemian opettajien on täytynyt ottaa tämä huomioon opetuksessaan tarpeeksi aikaisin, jotta jokaisella kemian kirjoittavalla olisi tarvittavat taidot kokeeseen osallistuessaan.1
Teknologian ja digitaalisten materiaalien vaikutusta oppimiseen on tutkittu paljon.
Parhaimmillaan digitaalisten materiaalien käyttö tarjoaa uusia mahdollisuuksia toteuttaa opetusta, auttaa oppimaan ja esimerkiksi kemiassa visualisoimaan muuten vaikeasti mallinnettavia sisältöjä kuten kemiallista sidosta. Esimerkiksi virtuaaliset laboratoriot voivat auttaa opiskelijaa hahmottamaan opiskeltavaa aihetta ja toisaalta tarjoavat mahdollisuuden laboratoriotyöskentelyyn, mikäli siihen ei olisi muuten resursseja2. Digitaalisten materiaalien ja laitteiden avulla oppimista kutsutaan myös e-oppimiseksi3. E-oppimisen on tutkittu parantavan kemian opiskelijoiden aineenhallintaa ja luovuutta, sillä opiskelijat joutuvat tekemään itse enemmän töitä sekä tukeutuvat vähemmän opettajan apuun4. Opetuksen digitalisoituminen myös mahdollistaa opiskelun paikasta ja ajasta riippumatta. Lukion opetussuunnitelman perusteissa 2015 mainitaankin opiskeluympäristöjen laajentaminen oppilaitosten ulkopuolelle sekä mahdollisuus etäopiskeluun digitaalisten oppimisympäristöjen avulla1.
Teknologian ja digitaalisuuden määrällisen lisäämisen sijaan opetuksessa tulisi kuitenkin kiinnittää huomiota siihen, kuinka niitä käytetään tukemaan oppimista ja opetusta. Digitaalisten materiaalien käyttö onkin yleensä tehokkainta silloin, kun se on yhdistetty perinteiseen opetukseen eikä syrjäytä sitä. Jotta digitaalisia materiaaleja saataisiin hyödynnettyä opetuksessa tehokkaasti ja järkevästi, tulisi opettajien itse hallita opetettavat ohjelmat sekä tieto- ja viestintäteknologian taidot.5 Kaarinan kaupungin opetusteknologiapäällikkö Keijo Sipilän väitöstutkimuksen mukaan opettajat kuitenkin kokevat tietotekniikkataitojensa olevan puutteelliset. Tämä vaikuttaa väistämättä digitalisoitumisen etenemiseen koulumaailmassa.6
5
2 Kemiallinen sidos
Kemiallinen sidos on sähköinen vetovoima atomien, ionien tai molekyylien välillä ja se muodostuu kemiallisen reaktion seurauksena, kun aineen rakenneosaset ovat kosketuksissa toistensa kanssa. Kemiallinen sidos muodostuu, mikäli sitoutuneiden atomien energia on matalampi kuin erillään olevien atomien. Kemiallisen sidoksen luonteen määrää se, kuinka matalin energia voidaan saavuttaa. Jos matalin energiataso muodostuu elektronien jakamisen kautta, on muodostuva sidos kovalenttinen. Jos taas matalin energia saavutetaan ionien muodostumisen kautta, muodostuu ionisidos.7a, 8
Nykyään kemiallisten sidosten selittämiseen käytetään kahta mallia: valenssisidos- ja molekyyliorbitaaliteorioita. Molemmat teoriat perustuvat kvanttimekaniikkaan ja ne kehitettiin 1900-luvun alkupuolella.9 Molekyyliorbitaaliteorian keskeisenä ajatuksena on, että yhdisteen muodostuessa atomien elektronit siirtyvät yhdisteen uusille orbitaaleille. Nämä orbitaalit ulottuvat useiden atomien yli. Valenssisidosteoria puolestaan kuvaa sidosten muodostumista hybridiorbitaalien päällekkäisyydestä muodostuvien paikallisten sidosten avulla.
Valenssisidosteoria käsittelee vain valenssiorbitaaleja.10, 11a
Kemialliset sidokset luokitellaan usein vain kovalenttisiin- ja ionisidoksiin.7a, 12a Tässä tutkielmassa kemialliset sidokset on kuitenkin jaettu molekyylien sisäisiin ja molekyylien välisiin sidoksiin, sillä nämä saavat aikaan jonkin järjestäytyneen rakenteen muodostumisen.
Molekyylien sisäiset vuorovaikutukset on lisäksi jaettu kovalenttisiin ja ei-kovalenttisiin sidoksiin.13 Lukion uuden opetussuunnitelman 2015 mukaisissa Mooli 1 ja Lukion kemia KE1 - oppikirjoissa kemialliset sidokset on jaettu atomien ja ionien välisiin sidoksiin sekä molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Atomien ja ionien välisiksi vuorovaikutuksiksi luetaan kovalenttinen sidos, ionisidos sekä metallisidos. Molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin puolestaan dipoli- dipoli-sidos, ioni-dipoli-sidos sekä dispersiovuorovaikutukset. Toisaalta Lukion kemia-kirjasarja jakaa sidokset vahvoihin ja heikkoihin, mutta luokittelu on silti sama kuin edellä esitetty. Näin ollen kemiallisten sidosten luokittelussa on huomattava ero kemian tieteenalan ja lukion oppikirjojen välillä. (I), (II)
Lukion kemian ensimmäisellä kurssilla kemiallisen sidoksen käsite on tärkeä ja suuri osa kurssin sisältöä. Sekä Mooli 1 että Lukion Kemia 1 –kirjassa kemiallisen sidoksen osuus on karkeasti ottaen neljäsosa koko kirjan sisällöstä. Lukion opetussuunnitelmassa 2015 puolestaan kemian
6
ensimmäisen kurssin keskeisenä tavoitteena on aineiden ominaisuuksien selittäminen aineen rakenteen, kemiallisten sidosten ja poolisuuden avulla. Tämä on ainoa viittaus kemialliseen sidokseen opetussuunnitelmassa ensimmäisen kurssin osalta.1, (I), (II)
2.1 Molekyylien sisäiset sidokset
Molekyylien sisäiset sidokset ilmenevät molekyylien sisällä esimerkiksi atomien tai ionien välillä ja ne muodostavat molekyylin tai ionin. Tässä tutkimuksessa molekyylien sisäiset sidokset jaetaan kovalenttisiin ja ei-kovalenttisiin sidoksiin, joita käsitellään seuraavissa kahdessa kappaleessa. Kuvassa 1 molekyylien sisäisiä sidoksia on kuvattu dijodobis(dikarbollidi)koboltaatti(II):n eri konformaatioisomeereissä. 14
Kuva 1. Molekyylien sisäsisiä sidoksia dijodobis(dikarbollidi)koboltaatti (II) -molekyylin eri konformaatioisomeereissä.14
2.1.1 Kovalenttinen sidos
Kovalenttinen sidos muodostuu usein alkuaineiden välille, joilla on samankaltainen elektronegatiivisuus. Usein tämä tarkoittaa kahta epämetalliatomia. Sidoksen muodostavat atomit eivät luovuta ulkoelektronejaan täysin, vaan jakavat ne yhteiseen käyttöön niin, että yhteiset elektroniparit sitovat atomeja. Näin ne muodostavat molekyylin. Kovalenttinen sidos on vahva
7
sähköinen vetovoima sidoksessa olevien negatiivisten elektronien ja positiivisten atomiytimien välillä.7b
Vaikka kovalenttisen sidoksen käsite on tunnettu jo 1920-luvulta lähtien, siitä on kehitetty lähiaikoina myös uusia sovelluksia.9 Yksi tällainen esimerkki on ortogonaalinen dynaaminen kovalenttinen sidos. Sitä voidaan käyttää orgaanisessa kemiassa monimutkaisten funktionaalisten systeemien kehittämiseen. Ortogonaalinen dynaaminen kovalenttinen sidos voi olla yhtä epävakaa kuin ei-kovalenttinen sidos tai vaihtoehtoisesti yhtä pysyvä kuin kovalenttinen sidos olosuhteista riippuen. Tämä tekee kyseisestä sidoksesta ainutlaatuisen. Kuvassa 2 on esitetty rakenteita, jotka ovat muodostuneet ortogonaalisen dynaamisen kovalenttisen sidoksen avulla.15
Kuva 2. Alkeellisia sekä kehittyneempiä rakenteita, jotka on muodostettu ortogonaalisen dynaamisen kovalenttisen sidoksen avulla. 15
Myös metallisidos luetaan kovalenttiseksi sidokseksi. Siinä metalliatomit muodostavat metallihilan luovuttamalla ulkoelektroneja yhteiseen käyttöön. Lukion kemiassa metallisidosta kuvataan elektronimeri-mallilla, joka on edellä kuvatun kaltainen: metalliatomit jakavat ulkoelektroninsa yhteiseen käyttöön, jolloin muodostuu ”elektronien meri”. Siinä elektronit vetävät muodostuneiden ionien ytimiä puoleensa ja muodostuu metallihila. Tarkempi ja tieteellisempi malli metallisidokselle on molekyyliorbitaaliteoriaan pohjautuva vyöteoria. Siinä elektronit liikkuvat metalliatomien atomiorbitaaleista muodostuneilla molekyyliorbitaaleilla.
Lähekkäin olevilla metalliatomeilla on erilaisia energiatiloja, jotka sulautuvat yhteen vyöksi.7c,
11b, 12b
8
Koordinaatiosidos on erityistapaus kovalenttisesta sidoksesta. Siinä sidoksen jaetut elektronit ovat peräisin samalta atomilta. Muuten koordinaatiosidos ei juuri poikkea tavallisesta kovalenttisesta sidoksesta. Siirtymämetalleilla on taipumus muodostaa koordinaatiosidoksia.8 Lukion kemian ensimmäisen kurssin kirjoissa, Mooli 1 ja Lukion kemia KE1, kovalenttinen sidos katsotaan epämetalliatomien väliseksi sidokseksi, jossa atomit jakavat yhteisen elektroniparin ja muodostavat molekyylin. Metallisidosta ei lueta kovalenttiseksi, eikä sen yhteydessä puhuta kovalenttisuudesta. Sen sijaan kirjojen esitys metallisidoksesta vaikuttaa olevan lähempänä ionisidosta, sillä metalliatomien katsotaan muodostavan ioneja, joiden luovutetut elektronit muodostavat sähköisen vetovoiman kationeiden kanssa. Metallisidoksen osalta lukion oppikirjoissa keskitytään elektronimerimalliin, joka on vyöteoriaa huomattavasti ymmärrettävämpi. Kuvassa 3 on Lukion Kemia KE1 –oppikirjasta löytyvä kuva metallisidoksesta, jossa esitetään metallisidoksen muodostuminen elektronimeri-mallilla. (I), (II)
Kuva 3. Metallisidoksen mallintaminen elektronimerimallilla Lukion Kemia KE1 -oppikirjan mukaan. (II)
Myöskään koordinaatiosidosta ei lukion oppikirjoissa mainita. Kovalenttisen sidoksen käsittely on lukion kirjoissa melko yksinkertaisella tasolla, eikä kvanttimekaniikan ilmiöitä liitetä juurikaan kovalenttiseen sidokseen tai muihin sidostyyppeihin. Toisaalta tämä saattaa olla välttämätöntä lukion ensimmäisellä kurssilla, sillä kemiallisen sidoksen käsite on lukiolaiselle haastava ymmärtää erityisesti, mikäli siihen liitettäisiin atomi- ja molekyyliorbitaalit, sillä näitä aiheita käsitellään lukion kemiassa vasta myöhemmillä kursseilla. 1, (I), (II)
9
2.1.2 Ei-kovalenttinen sidos
Tässä tutkimuksessa ei-kovalenttiseksi sidokseksi käsitetään ionisidos, vetysidos, metalli-metalli –sidos komplekseissa sekä metalli-ligandi –sidos. Näistä metalli-metalli- sekä metalli-ligandi – sidokset omaavat myös kovalenttisia ominaisuuksia ja ne ovatkin usein osittain kovalenttisia, osittain ionisia.13
Ei-kovalenttiset heikot vuorovaikutukset ovat merkittävässä asemassa biomolekyylien toiminnan säätelyssä. Tämän vuoksi niitä käytetään metalloproteiinien ja metallientsyymien suunnittelussa.
Tällaisia heikkoja vuorovaikutuksia ovat muun muassa hydrofobiset vuorovaikutukset ja vetysidokset.16
Ei-kovalenttisten vuorovaikutusten avulla voidaan myös kasvattaa laajennettujen π- elektronisysteemien tasomaisuutta ja jäykkyyttä. Tällä saadaan aikaan korkean liikkuvuuden omaavia orgaanisia puolijohteita. Tällaisia vuorovaikutuksia kutsutaan ei-kovalenteiksi konformaatiolukoiksi, sillä ne ikään kuin lukitsevat molekyylin rakenteen ja siten tekevät siitä jäykän. Kyseistä vuorovaikutusta on kuvattu kuvassa 4. Ei-kovalentteja konformaatiolukkoja on saatu aikaan muun muassa muodostettaessa sidoksia rikin kanssa, kun toisena osapuolena sidoksessa on happi, typpi, kloori, bromi, fluori tai vety.17
Kuva 4. Ei-kovalenttisen vuorovaikutuksen avulla aikaansaatu tasomainen π- elektronisysteemi.17
Lukion kemian ensimmäisen kurssin oppikirjoissa, Mooli 1 ja Lukion Kemia KE1, ei- kovalenttisina sidoksina käsitellään lähinnä ionisidosta. Se esitetään epämetalli- ja metalliatomin
10
väliseksi sidokseksi, jossa toinen on vastaanottanut elektroneja ja toinen luovuttanut. Vastakkain varautuneet ionit vetävät toisiaan puoleensa. Sähköinen vetovoima ionien välillä synnyttää ionisidoksen. Kuvassa 5 on Otavan Mooli 1 –kirjan mukainen ionisidoksen malli. (I), (II)
Kuva 5. Ionisidoksen mallintaminen Mooli 1 -kirjan mukaan. (I)
2.2 Molekyylien väliset vuorovaikutukset
Molekyylien välisiksi vuorovaikutuksiksi luetaan muun muassa vetysidos, halogeenisidos ja dispersiovuorovaikutukset.13 Vetysidos on vahvin molekyylien välisistä vuorovaikutuksista.
Usein se luetaan dispersiovuorovaikutukseksi tai sen erityistapaukseksi. Vetysidos voi siis olla paitsi sidos molekyylin sisällä, myös molekyylien välinen vuorovaikutus. Kuvassa 6 on esitetty molekyylien välisiä vetysidoksia kobolttikarboraani-rakenteessa14.
11
Kuva 6. Molekyylien välinen vetysidos kobolttikarboraani-rakenteessa.14
Vetysidos on kenties tutkituin ei-kovalenttinen sidos. Sitä käytetään nykyään jatkuvasti muun muassa erilaisissa katalyyttireaktioissa. Koska vetysidoksia on pystytty käyttämään katalyyttireaktioissa onnistuneesti, myös muiden molekyylien välisten, ei-kovalenttisten sidosten, kuten halogeeni- ja kalkogeenisidosten, oletetaan nousevan tärkeään rooliin katalyyttien tutkimuksessa. Halogeenisidos on ei-kovalenttinen vuorovaikutus halogeeniatomin elektrofiilisen alueen ja Lewis-emäksen välillä. Sen muodostuminen selitetään polaroituneen halogeeniatomin päällä olevan posittivisen -reiän avulla: positiivisen -reiän ja negatiivisen elektronin luovuttajan välille syntyy elektrostaattinen potentiaali, joka synnyttää vuorovaikutuksen. Kalkogeenisidos muistuttaa halogeenisidosta. Se on myös ei-kovalenttinen vuorovaikutus Lewis-happona toimivan kalkogeeniatomin ja kalkogeenisidoksen akseptorina toimivan Lewis-emäksen välillä. Kalkogeeniatomina sidoksessa voi toimia esimerkiksi rikki, seleeni, telluuri tai polonium. Kuvassa 7 on esitetty vasemmalla halogeenisidos ja oikealla kalkogeenisidos.13, 18, 19, 20, 21, 22
12
Kuva 7. Halogeenisidos jodin (violetti) ja klooriatomin (vihreä) välillä ja oikealla kalkogeenisidos rikki- (keltainen) ja klooriatomin (vihreä) välillä.18
Halogeenisidoksia käytetään myös muun muassa proteiini-ligandi komplekseissa. Kloori ja jodi muodostavat halogeenisidoksia proteiinin pääketjun hapen kanssa, kuten kuvasta 8 voidaan nähdä.19
Kuva 8. Proteiinin ja kloorin välinen halogeenisidos.19
Halogeeni- ja kalkogeenisidosten lisäksi lähiaikoina on löydetty monia muitakin ei-kovalenttisia molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, kuten esimerkiksi pniktogeenisidos. Tätä kutsutaan myös -reikä sidokseksi.22, 23, 24
π-π-vuorovaikutukset eli dispersiovuorovaikutukset ovat myös molekyylien välisiä vuorovaikutuksia.
13
Lukion kemiassa molekyylien välisinä vuorovaikutuksina käsitellään dispersiovoimia, dipoli- dipolisidoksia sekä vetysidosta, jonka katsotaan olevan erityistapaus dipoli-dipolisidoksesta.
Kuvassa 9 on esitetty vetysidoksen mallintaminen Mooli 1 –oppikirjan mukaan. (I)
Kuva 9. Vetysidoksen mallintaminen Mooli 1 –kirjan mukaan.(I)
Lisäksi sekä Lukion Kemia KE1, että Mooli 1 mainitsevat ioni-dipolisidoksen, mutta sitä käsitellään lähinnä liukenemisen yhteydessä. Lukion kemian kirjojen perusteella voikin saada helposti sen kuvan, että kovalenttiset, metalli- ja ionisidokset sekä edellä mainitut molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat ainoat olemassa olevat kemialliset sidokset. Todellisuudessa kemiallisten sidosten kirjo on huomattavasti suurempi ja monipuolisempi, eivätkä eri luokittelutapojen rajat ole niin selvät, kuin annetaan ymmärtää. Toisaalta kemiallisen sidoksen käsite voi olla hyvinkin sekavan tuntuinen erityisesti ensimmäisellä lukion kemian kurssilla, joten kirjojen tulee tehdä selvät rajat kunkin sidostyypin kohdalle ja esittää tieto mahdollisimman selkeästi ja ehkä jopa yksinkertaisesti.1, (I), (II)
14
2.3 Kemiallisen sidoksen mallintaminen
Mallinnus on yksi keino saada lisää tietoa kemiallisesta sidoksesta ja se tukee kokeellista tutkimusta. Koska kemiallisen sidoksen käsitteen on todettu olevan vaikeaa ymmärtää lukiolaisille, voisi mallinnus tuoda ymmärrystä opiskelijoille tähän haastavaan aiheeseen.
Erilaisia molekyylimallinnusohjelmia on olemassa useita erilaisia. Osa näistä on maksullisia, mutta myös ilmaisversioita on saatavilla. Tässä osiossa on esitelty muutama lukiotasolle kemiallisen sidoksen mallintamiseen sopiva ohjelma.25, 26
Tällä hetkellä lukioissa kenties eniten käytetty kemian ohjelma on MarvinSketch, sillä se on käytössä sähköisissä ylioppilaskirjoituksissa syksystä 2018 lähtien. MarvinSketchillä voidaan molekyylien piirtämisen lisäksi muun muassa kirjoittaa reaktioyhtälöitä ja –mekanismeja, jonka vuoksi se onkin valittu ylioppilaskirjoituksiin ja Abitti-järjestelmään. Vaikka MarvinSketch on monipuolinen ohjelma, se ei kuitenkaan sovellu ehkä parhaiten kemiallisten sidosten mallintamiseen ja havainnollistamiseen, vaan ennemmin juuri molekyylien piirtämiseen ja reaktioyhtälöiden kirjoittamiseen. Kuvassa 10 on MarvinSketch-ohjelman piirtoikkuna.
Kuva 10. Näkymä MarvinSketch-ohjelman piirtoikkunasta.
(Kuva Jan Jensenin YouTube videosta: https://www.youtube.com/watch?v=Nouy8QNM6cE (avattu 23.5.2018))
15
Spartan Student on maksullinen molekyylimallinnusohjelma, joka on tarkoitettu ehkä enemmän korkeammalle asteelle kuin lukioon. Toisaalta ohjelma on melko helppokäyttöinen, joten se soveltuu käyttöön myös toiselle asteelle. Spartan on melko monipuolinen molekyylimallinnusohjelma, jolla voidaan muun muassa piirtää molekyylejä, mitata sidospituuksia ja –kulmia. Kuvassa 11 on mallinnettu vetysidoksia Spartan Student -ohjelmalla.
26, 27
Kuva 11. Spartan Student –molekyylimallinnusohjelmalla piirrettyjä vetysidoksia vesimolekyylien välillä. (Kuva Steven Neshyban YouTube videosta:
https://www.youtube.com/watch?v=YLhRObKONlc (avattu 23.5.2018))
16
Molview on internetistä ilmaiseksi löytyvä selainpohjainen mallinnusohjelma. Sillä voidaan piirtää molekyylejä ja esimerkiksi mallintaa erilaisia hiloja. Kuvassa 12 on mallinnettu natriumkloridin ionihilaa MolView ohjelmalla.
Kuva 12. MolView ohjelmalla mallinnettu natriumkloridin ionihila.
17
Varsinaisten molekyylimallinnusohjelmien lisäksi internetistä löytyy muutakin materiaalia sidosten havainnollistamiseen. Esimerkiksi Coloradon yliopiston Phet-simulaatioista löytyy muutama kemiallisen sidoksen opetukseen sopiva simulaatio. Tällainen on esimerkiksi simulaatio, jossa voidaan tutkia molekyylin polaarisuutta (Kuva 13). Simulaatiossa oppilas voi itse havainnoida elektronegatiivisuuden vaikutusta molekyylin polaarisuuteen.
Kuva 13. Phet-simulaatio, jolla voidaan havainnollistaa molekyylin polaarisuutta.
(https://phet.colorado.edu/sims/html/molecule-polarity/latest/molecule-polarity_fi.html (avattu 4.5.2018))
Edellä esiteltyjen lisäksi on olemassa muitakin molekyylimallinnusohjelmia, joita voidaan käyttää molekyylien piirtämiseen ja kemiallisen sidoksen mallintamiseen. Tällaisia ovat esimerkiksi Avogadro, ChemSense, ChemSketch, Jmol ja Molecules.
Vaikka erilaisia molekyylimallinnusohjelmia onkin lukuisia, ohjelmia, joista olisi selkeää hyötyä opetettaessa kemiallista sidosta lukiossa on melko vähän. Esimerkiksi molekyylien sisäisten ja molekyylien välisten sidosten eron havainnollistamiseen on hyvin vaikeaa löytää hyvää
oppimateriaalia, erityisesti, jos opiskelijoiden tulisi oppia käyttämään ohjelmaa järkevässä ajassa opettajan ohella.
18
3 Opettajien käsityksiä sähköisistä oppimateriaaleista
3.1 Toteutus
Tutkimuksessa haastateltiin kymmentä Pohjois-Karjalan lukion kemian opettajaa heidän kokemuksistaan ja käsityksistään liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön lukion kemian opetuksessa. Haastattelut toteutettiin syksyllä 2017 suullisina strukturoituina haastatteluina, jotka nauhoitettiin. Haastattelurunko on liitteenä 1.
Haastateltuja opettajia oli 10, joista viisi naista ja viisi miestä. Kahdella haastateltavalla oli ollut kemia pääaineena opinnoissaan ja lopuilla kahdeksalla sivuaineena. Opettajakokemusta haastatelluilla oli 0-30 vuotta, keskimäärin 12 vuotta.
Haastattelujen perusteella saatu aineisto analysoitiin sisältöanalyysin keinoin. Analyysillä haettiin vastauksia seuraaviin tutkimuskysymyksiin:
Mitä digitaalisia materiaaleja opettajat käyttävät opettaessaan kemiallista sidosta?
Mitä materiaaleja opettajat käyttävät kemiallisen sidoksen opettamiseen?
Miksi opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja opetuksessaan?
Miten opettajat suhtautuvat digitaalisiin materiaaleihin?
Millaista tukea opettajat ovat saaneet digitaalisten materiaalien käyttöön?
Miten opiskelijat suhtautuvat digitaalisiin materiaaleihin ja kuinka hyvin he osaavat niitä käyttää?
Miten opettajat määrittelevät digioppimisen?
Aineisto analysoitiin tutkimalla litteroituja haastatteluja ja poimimalla niistä avainsanoja liittyen tutkimuskysymyksiin. Kuhunkin tutkimuskysymykseen liittyvät avainsanat ja kohdat haastatteluista koottiin samaan tiedostoon. Tutkimuskysymyksistä tehtyjen tiedostojen perusteella muodostettiin kaaviokuvat kustakin kysymyksestä. Analysoinnin yhteydessä esiintyvät lainaukset on merkitty haastatellun opettajan numerolla, esimerkiksi (#2).
19
3.1.1 Opettajien käyttämät digitaaliset oppimateriaalit kemian opetuksessa
Haastatteluista saadun aineiston perusteella haastatteluun osallistuneet kemian opettajat käyttivät digitaalisia oppimateriaaleja laajasti ja monipuolisesti. Osa oli toteuttanut digitaalista työskentelyä jo kauan ja esimerkiksi tuottanut kaiken materiaalin itse sähköisessä muodossa, kun taas jotkut vasta aloittelivat digitaalista työskentelyä oppilaiden kanssa. Tähän vaikutti selvästi opettajan oman perehtyneisyyden lisäksi koulun resurssit ja oppilailla käytössä olevat välineet.
Kuvassa 14 on esitetty digitaalisia materiaaleja, joita opettajat kertoivat käyttävänsä kemian opetuksessa.
Lähes kaikki haastateltavat (9/10) olivat tutustuneet ja käyttäneet opetuksessa käytössä olevan oppikirjan kustantajan digitaalista materiaalia. Kaikilla haastateltavilla opettajilla oli opetuksessaan käytössä joko Otavan Mooli tai Sanoma Pron Lukion Kemia -kirjasarja. Näihin materiaaleihin kuului digikirja, opettajan opas sekä mahdollisia lisämateriaaleja. Useimmiten opettajat kertoivat käyttävänsä digitaalista materiaalia kuten painettuakin, lähinnä esitysmateriaalina, esimerkiksi kuvien näyttämiseen ja vastausten esittämiseen, tehtävänantoihin sekä tehtävien tekoon. Lisäksi yksi haastateltava mainitsi käyttävänsä oppikirjan kustantajan valmista digitaalista materiaalia kokeelliseen työskentelyyn ja yksi kertoi tekevänsä kurssikokeita niiden pohjalta.
20
Kuva 14. Opettajien käyttämät digitaaliset materiaalit lukion kemian ensimmäisellä kurssilla.
Varsinaisista kemiaan liittyvistä ohjelmista MarvinSketch oli selvästi useimmin mainittu. Tämä johtuu mitä luultavimmin siitä, että kyseinen ohjelma tulee käyttöön kemian sähköisiin ylioppilaskirjoituksiin syksyllä 2018. Muutama opettaja mainitsikin, että käyttää sitä ylioppilaskirjoitusten sanelemana. Tosin jotkut opettajat sanoivat myös, että eivät ole halunneet vielä ensimmäisellä kemian kurssilla aloittaa Marvinsketch-ohjelman käyttöä, sillä suurin osa
Opettajien käyttämät digitaaliset oppimateriaalit
Oppikirjan kustantajan sähköinen materiaali
Digikirja
Opettajanopas
Lisämateriaalit
Kemian ohjelmat
MarwinSketch Chemspider ptable Spartan
Molview
Koulun käytössä olevat alustat (mahdollisesti maksulliset)
Laskinohjelmistot Pedanet
OneNote Google Classroom
Abitti Edmodo Moodle Toimistotyökalut
Powerpoint
Excel Word
Internetin yleiset ohjelmat
YouTube Kuvat Uutiset Opetus.tv Phet- simulaatiot
21
ensimmäisen kurssin opiskelijoista ei valitse kemiaa enää jatkossa tai kirjoita sitä ylioppilaskirjoituksissa, joten heille olisi hyödytöntä opetella sen käyttöä.
”Ylioppilaskirjotukset sanelee sen, että mä esimerkiks joudun marvinscketchiä ottamaan myöhemmillä kursseilla” (#1)
Muista varsinaisesti kemiaan liittyvistä digitaalisista materiaaleista opettajat mainitsivat Molview- ja Spartan –molekyylimallinnusohjelmat sekä sähköisen jaksollisen järjestelmän (ptable) ja Chemspider-sivuston.
Haastateltavat opettajat käyttivät laajasti myös erilaisia sähköisiä alustoja, jotka olivat koululla mahdollisesti laajemminkin käytössä. Tällaisiin alustoihin luettiin koulussa käytössä ollut laskinohjelmisto, joka yleisimmin oli TI-Nspiren Cas-laskin. Osa opettajista käytti kyseistä ohjelmistoa laskimen lisäksi tehtävien ja kokeiden tekoon sekä palautusalustana. Suurin osa mainitsi myös Abitti-järjestelmän kurssikokeiden tekemiseen liittyen. Myös Nspiren ja Abitin yhteiskäyttö mainittiin. Syyksi kerrottiin, että Abitti-järjestelmän koettiin olevan huonosti luonnontieteisiin soveltuva.
”on sähkönen koe minkä oppilaat tekee Nspiressä ja Abittiin laittaa kuvankaappauksena. Mulla on Abitissa koe liitteenä, joka on Nspirellä tehty ja
sinne tulee maholliset vaikka rakennekaavojen piirtojen lisäosat tai jotain muuta” (#2)
Laskinohjelmiston ja Abitti-järjestelmän lisäksi opettajat käyttivät paljon erilaisia alustoja tehtävien palautukseen ja esimerkiksi muistiinpanojen jakamiseen. Tällaisista alustoista mainittiin Pedanet, Moodle, OneNote, Google Classroom ja Edmodo.
Kaikkien edellä mainittujen digitaalisten materiaalien lisäksi haastateltavat kertoivat käyttävänsä melko paljon yleisiä internetistä löytyviä opetusmateriaaleja, kuten kuvia, videoita ja animaatioita. Lisäksi kymmenestä haastateltavasta opettajasta yhdeksän mainitsi internetistä löytyvät simulaatiot tai niin sanotut appletit. Näistä viisi mainitsi nimeltä Coloradon yliopiston Phet- simulaatiot, jotka ovatkin ilmeisen yleisiä opetuksessa. Toinen yksittäinen sivusto, joka nousi esille yleisyytensä vuoksi, oli Opetus.tv. Sen mainitsi haastattelussa viisi opettajaa.
Myös perinteisiä toimistotyökaluja kerrottiin käytettävän kemian opetuksessa. Yleisimmin mainittiin PowerPoint, jota käytettiin muistiinpanojen esittämiseen. Lisäksi muutama opettaja
22
kertoi käyttävänsä oppilaiden kanssa Excel- tai Word-ohjelmia. Näiden käyttö tosin oli selvästi vähäisempää. Tämä saattaa johtua siitä, että haastateltavat opettajat eivät ole ymmärtäneet tai muistaneet mainita kyseisiä ohjelmia, vaikka oppilaat niitä käyttäisivätkin, esimerkiksi sähköisten työselostusten tekoon.
3.1.2 Opettajien käyttämät materiaalit kemiallisen sidoksen opetuksessa
Yhtenä osa-alueena opettajien haastattelussa oli kemiallisen sidoksen opetukseen käytettävien digitaalisten materiaalien käyttö. Opettajat kertoivat käyttävänsä pääosin samoja materiaaleja ja ohjelmia kuin ylipäänsä kemian opetuksessa. Haastateltavien oli selvästi vaikeaa eritellä kemialliseen sidokseen käytettäviä materiaaleja. Muutama opettaja olikin opettanut kemian ensimmäistä kurssia viimeksi edellisenä vuonna tai jopa kauemmin aikaa sitten. Kaikki haastatellut opettajat, yhtä lukuun ottamatta, olivat käyttäneet joitakin digitaalisia materiaaleja tai sähköistä työskentelyä opettaessaan kemiallista sidosta. Opettaja, joka ei ollut käyttänyt digitaalisia materiaaleja kemiallisen sidoksen opetuksessa oli kuitenkin käyttänyt niitä muuten kemian opetuksessa.
Kemiallisesta sidoksesta keskusteltaessa useammastakin haastattelusta nousi esille, että se on lukion opiskelijoille hyvin hankala ja vaikeasti ymmärrettävä aihe. Opettajat kokivat, että erityisesti heikkojen ja vahvojen sidosten erottaminen on opiskelijoille haastavaa, kuten seuraavasta lainauksesta käy ilmi:
”ilmeisesti ne ei hahmota sitä vaikka niitä harjotellaan että mikä noista on molekyyliyhdiste mikä on ioniyhdiste niin silti ne ei niin kun ja sitten niillä menee atomien väliset sidosvoimat
sekasi ja molekyylien väliset sidosvoimat sekasi” (#10)
Tähän digitaalisten materiaalien katsottiin tuovan apua. Toisaalta osa koki, että edes digitaaliset materiaalit eivät tähän auta ja toivoivat materiaalien tekijöiltä ja muun muassa kirjojen kustantajilta parempia oppimateriaaleja, jotka toisivat ymmärrystä opiskelijoille. Kuvassa 15 on esitetty opettajien käyttämiä materiaaleja heidän opettaessaan kemiallista sidosta.
23
Kuva 15. Opettajien käyttämät digitaaliset materiaalit kemiallisen sidoksen opetuksessa.
Kuten kuvasta 15 nähdään, opettajien käyttämät digitaaliset materiaalit kemiallisen sidoksen opetuksessa ovat samoja, kuin muutenkin kemian opetuksessa käytössä olevat. Varsinaisista kemian ohjelmista kemiallisen sidoksen opetuksessa käytössä olivat Spartan ja Molview- molekyylimallinnusohjelmat. Nämä ohjelmat mainittiin kolmessa haastattelussa, eivätkä näin ollen ole kovin suuressa käytössä ainakaan vielä ensimmäisellä kurssilla. Sen sijaan lähes kaikki haastateltavat mainitsivat internetin ja sieltä löytyvät videot ja kuvat sekä simulaatiot. Erityisesti käytössä olivat Opetus.tv:n videot, joita kertoi käyttävänsä neljä opettajaa sekä Phet-simulaatiot, jotka mainitsi kolme opettajaa. Nekin, jotka eivät maininneet Phet-simulaatioita nimeltä kertoivat käyttävänsä ylipäänsä simulaatioita tai appletteja. Näiden lisäksi muutama opettaja kertoi hyödyntävänsä käytössä olevan oppikirjan kustantajan digitaalisia materiaaleja. Näistä kemiallisen sidoksen opetuksessa käytettiin lähinnä kuvia ja muita opettajan esitysmateriaaleja.
Kemiallisen sidoksen opetuksessa käytettävät digitaaliset
materiaalit
Kemian ohjelmat
Spartan
Molview
Kirjan kustantajan sähköinen materiaali
esitysmateriaali
Kuvat
Internetin yleiset ohjelmat
Videot
Kuvat
Simulaatiot
24
Haastattelussa kävi ilmi, että opettajien oli melko vaikea eritellä kemialliseen sidokseen liittyviä aihealueita, joihin he digitaalisia materiaaleja käyttävät. Osa kertoikin, että käyttää kaikkeen kemialliseen sidokseen liittyvään kyseisiä materiaaleja. Kuvassa 16 on eritelty aihealueita, joita haastatellut opettajat mainitsivat.
Kuva 16. Kemiallisen sidoksen aihealueet, joiden opetuksessa opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja.
Erityisesti aihealueista esille nousi molekyylin poolisuus sekä siihen liittyvät elektronijakauma ja elektronegatiivisuusero. Näitä useat opettajista kertoivat havainnollistavansa digitaalisten materiaalien, kuten Phet-simulaatioiden avulla.
”Phet-appletteja et semmonen missä saan niinku sen molekyylin ja sitä saa pyöritellä ja miettiä onks se poolinen vai pooliton” (#3)
Aihealueet, joiden opetuksessa opettajat
käyttävät digitaalisia materiaaleja
Molekyylien sisäiset sidokset
Ionihila
Kovalenttinen sidos
Poolisuus
Sidosenergiat
Elektronijakauma
Elektronegatiivisuusero
Molekyylien väliset sidokset
Dispersiovoimat
Hilarakenteet
Liukeneminen
Vetysidos Muut aihealueet Atomirakenne
25
Poolisuuden lisäksi opettajat mainitsivat myös kovalenttisen sidoksen, ionihilan ja sidosenergiat liittyen molekyylien sisäisiin eli vahvoihin sidoksiin. Molekyylien välisiin sidoksiin liittyen opettajat mainitsivat dispersiovoimat, vetysidoksen, liukenemisen sekä hilarakenteet ylipäänsä.
Näiden lisäksi muutamat opettajista puhuivat atomirakenteen opettamisesta digitaalisten materiaalien avulla.
3.1.3 Syyt, joiden vuoksi opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja opetuksessaan
Yhtenä tutkimuskysymyksenä haluttiin selvittää syitä, joiden vuoksi opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja kemian opetuksessaan. Kuvassa 17 on esitetty näitä syitä.
26
Kuva 17. Syitä, joiden takia opettajat käyttävät digitaalisia materiaaleja kemian opetuksessaan.
Opettajilla havaittiin olevan moninaisia syitä käyttää digitaalisia materiaaleja ja sähköistä työskentelyä opetuksessaan. Päällimmäisenä esille tuli digitaalisten materiaalien hyödyllisyys opiskelijoille. Kysyttäessä, mitä hyötyä digitaalisesta työskentelystä on opiskelijoille, lähes kaikki haastatteluun osallistuneet opettajat mainitsivat digitaalisten materiaalien havainnollisuuden. Digitaalisten materiaalien koettiin olevan visuaalisempia sekä selventävän ja havainnollistavan opiskeltavaa asiaa huomattavasti paremmin kuin perinteisempien menetelmien, kuten taululle tai vihkoon piirtämisen. Havainnollistamisen lisäksi yksi opettaja
Opettajien syyt käyttää digitaalisia materiaaleja
Resurssit Ei välineitä tehdä
oikeita labratöitä
Hyöty opiskelijoille
Visuaalisuus
Havainnollisuus
Itseopiskelu
Motivaatio
Viihdyttävyys
Oma halu
Helppous
Tallennettavuus
Nopeus
Muunneltavuus
Pakko Ylioppilaskirjoitukset
Opetussuunnitelma
Ympäristösyyt Paperin
vähentäminen
27
mainitsi digitaalisten materiaalien viihdyttävyyden. Hän koki sen auttavan oppilaita motivoitumaan.
”videomateriaali on monesti viihdyttävämpää kuin se että minä demonstraationa jonkun näytän” (#1)
Myös muutama muu haastateltava kertoi digitaalisten materiaalien motivoivan perinteisiä menetelmiä paremmin.
”mie en oo ite ihan hirveen hyvä piirtämään ni se että jos ne on niinku valmiita kuvia ja ne valmiit kuvat vielä liikkuu nii se luo siihen motivaatiota” (#3)
Yksi esille noussut hyöty opiskelijalle oli digitaalisen materiaalin toistettavuus, jonka vuoksi opiskelijoilla on mahdollisuus itseopiskeluun kotona. Moni kertoikin oppilaiden esimerkiksi katsovan tunnilla näytettyjä videoita tai muita materiaaleja vielä kotona uudelleen. Näin opiskelu ei ole paikkaan sidottua.
”miusta sen etu on älyttömän hyvä se että opiskelijat voi kattoo sen miun antaman materiaalin ihan millon tahansa millon haluaa” (#4)
Lisäksi yksi opettaja koki, että digikirjat voisivat olla oppilaille hyödyksi siten, ettei opiskelijan tarvitsisi kantaa monen eri aineen kirjoja mukanaan kouluun. Suurin osa opettajista toi esille myös oman halun digitaalisten materiaalien käyttöön. Opettajat saattoivat kuvata digitaalisten materiaalien käyttöä käteväksi ja aikaa säästäväksi sekä muutenkin opetustyötä nopeuttavaksi.
Tästä esimerkkinä mainittiin muun muassa muistiinpanojen jakaminen valmiiksi opiskelijoille, jolloin aikaa säästyi esimerkiksi tehtävien tekoon ja asian opiskeluun tunnilla muistiinpanojen kirjoittamisen sijaan. Myös muun muassa kuvaajien ja työraporttien tekeminen koettiin huomattavasti helpommaksi ja nopeammaksi tietotekniikan avulla samoin kuin demonstraatioiden tai oppilastöiden. Toisaalta oppilastöitä saatettiin tehdä sähköisesti esimerkiksi simulaation avulla siksi, ettei koulussa ole työhön tarvittavia aineita tai välineitä.
Lisäksi omasta tahdosta käyttää digitaalisia materiaaleja kuvaa se, että yksi opettajista kertoi haluavansa olla sellainen opettaja, joka ohjaa opiskelijoita digitaalisten materiaalien käyttöön:
”haluan olla sellanen opettaja, joka on opettanu niitä asoita miten ne hoidetaan sillä välineellä” (#2)
28
Oman halun lisäksi monet opettajista kokivat digitaalisten materiaalien käytön ja niiden opettamisen oppilaille velvollisuutenaan tai opetussuunnitelman sanelemana pakkona. Tosin monet lisäsivät, että käyttäisivät digitaalisia materiaaleja muutenkin opetuksessaan, mutta eivät välttämättä samassa laajuudessa tai tiettyjä ohjelmia ja alustoja. Kun haastattelussa kysyttiin syitä käyttää digitaalisia materiaaleja opetuksessa, ei kukaan haastateltavista maininnut sähköistyviä ylioppilaskirjoituksia. Vasta asiasta kysyttäessä lähes kaikki, yhdeksän kymmenestä, sanoi ylioppilaskirjoitusten olevan syy, miksi digitaalisia materiaaleja täytyy käyttää ja opettaa oppilaille. Vaikka ylioppilaskirjoitukset eivät nousseet opettajien itsensä ottamana esille, oli se selvästi yksi tekijä, joka vaikutti digitaalisten materiaalien käyttöön.
”kyllä se [ylioppilaskirjotukset] vaikuttaa taustapiruna, että kyllä se vaikuttaa esimerkiks ohjelmat käytettävät ohjelmat on valittu sen mukaan mitä on
ylppäreissä” (#5)
Edellä mainittujen lisäksi kolme opettajaa mainitsi haastattelussa paperin vähentämisen syyksi käyttää enemmän digitaalisia materiaaleja. Tämä ei kuitenkaan vaikuttanut olevan suurin syy digitaaliseen työskentelyyn, lähinnä sen positiivinen seuraus.
3.1.4 Opettajien suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin
Tutkimuksen haastattelun yhtenä teemana oli opettajien suhtautuminen ja kokemus digitaalisten materiaalien käytöstä kemian opetuksessa. Yllättävää oli, että kaikki haastatellut opettajat suhtautuivat melko samankaltaisesti digitaalisiin materiaaleihin ja ylipäänsä digitalisaatioon opetuksessa. Toki osa suhtautui hieman negatiivisemmin ja osa oli enemmän innoissaan asiasta, mutta suurin osa oli sitä mieltä, että tietotekniikan ja digitaalisten materiaalien käyttö opetuksessa ei saa olla itse tarkoitus, vaan opiskeltavan asian täytyy pysyä keskiössä, kuten seuraavista lainauksista voi huomata:
”hyvä renki huono isäntä” (#5)
”se on hyvä mauste niin kuin on suolakin mutta sitä ei saa olla liikaa” (#1)
29
Kuvassa 18 on esitetty opettajien suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin kaavion avulla.
Suhtautuminen ja asenteet on jaettu positiivisiin, negatiivisiin ja neutraaleihin suhtautumistapoihin. Suurin osa haastatelluista opettajista suhtautui digitaalisiin materiaaleihin ja sähköiseen työskentelyyn melko neutraalisti. Lisäksi muutama haastateltava suhtautui pääosin myönteisesti. Vaikka negatiivisesti suhtautuneitakin opettajia haastattelujen perusteella ilmeni, hekin mainitsivat joitakin hyviä puolia opetuksen sähköistymisestä.
Kuva 18. Kaavakuva opettajien suhtautumisesta digitaalisiin oppimateriaaleihin.
Opettajat myös toivat esille, ettei kaiken opetuksessa tarvitse eikä voikaan olla digitaalisessa muodossa. Erityisesti kemia koettiin oppiaineeksi, jossa oleellista on itse kokeellisten töiden tekeminen. Tätä ei voi korvata digitaalisella työskentelyllä. Tärkeäksi koettiin tasapaino
Opettajien suhtautuminen
digitaalisiin materiaaleihin
positiivinen suhtautuminen
nähdään hyötynä
on totuttu käyttämään
neutraali suhtautuminen
väline oppimiseen, ei itseisarvo
negatiivinen suhtautuminen
ahdistus,
"vanhanaikaisuus"
ongelmia käytössä
liian kiire
30
digitaalisen ja muun työskentelyn välillä. Yksi opettaja myös pohti, auttaako kaiken digitalisoituminen oikeasti opettajia työssään, vai työllistääkö se vain entistä enemmän.
Vaikka pääosin opettajien suhtautuminen oli melko neutraalia, kaksi opettajaa kuitenkin koki olevansa ”vanhanaikaisia”, sillä opettaisivat mieluummin perinteisin menetelmin. Yksi opettaja myös kertoi digitalisoitumisen ahdistavan hieman.
”mua nyt suoraan sanottuna pikkusen ehkä vähän ahistaakin että joka paikkaan pitää tunkea sitte sitä digitaalista mutta kyllähän se varmaan sitä nykymaailmaa on ja opiskelijoille tarpeellinen ja pitää vaan ite yrittää rypistellä siinä mukana” (#6)
Kaksi opettajaa nosti esille myös sähköisten ylioppilaskirjoitusten aikataulun. Heidän mielestään sähköistymistä tuodaan kouluihin liian kiireellä ja sähköiset ylioppilaskirjoitukset tulevat liian nopeasti. Kaksi haastateltavaa myös koki, että opetuksen digitalisoituminen ja sähköistyminen lukiossa on haastavinta ja raskainta juuri matemaattisten aineiden opettajille, sillä monissa muissa oppiaineissa muutos digitalisoitumiseen ei ole niin suuri kuin matemaattisissa aineissa, joissa tietokonetta ja muita laitteita täytyy käyttää muuhunkin kuin kirjoittamiseen ja videoiden katsomiseen. Yksi opettaja myös pelkäsi kemian ylioppilaskirjoituksissa kirjoittavien määrän vähenevän, mikäli oppilaat kokevat tietotekniikan liian haastavaksi. Muutkin opettajat toivat haastattelussa esille, että ovat kemian ensimmäisellä kurssilla ottaneet sähköistymisen ja tietokoneen käytön kevyemmin ja aloittavat esimerkiksi joidenkin ohjelmien käytön vasta seuraavilla kemian kursseilla. Tämä johtui siitä, että opettajat toivoivat, ettei kukaan opiskelijoista lopettaisi kemian opiskelua sen vuoksi, että kokisivat digitaalisten materiaalien käytön liian vaikeaksi.
Haastattelussa kysyttiin myös ongelmista, joita opettajat ovat kohdanneet digitaalisia materiaaleja käyttäessään. Lähes kaikki kertoivat, että ongelmia, kuten tietoteknisiä vikoja, on usein ja runsaasti. Yhtenä ongelmana nähtiin ajan puute, joka vaikutti opettajan omaan perehtyneisyyteen ja käytettäviin ohjelmiin: ei ollut aikaa etsiä uusia ohjelmia ja alustoja ja opetella niiden käyttöä. Lisäksi ongelmana oli esimerkiksi se, että opettajat eivät kykene lataamaan tai asentamaan itse ohjelmia tietokoneille tai muille laitteille. Toisaalta opettajista muutama kertoi, että kaikista vastaan tulleista ongelmista oli päästy yli ja ne oli saatu selvitettyä.
31
Vaikka opettajilla on selvästi ongelmia digitalisoitumisen kanssa, kaikki kuitenkin toivat esille jotakin hyvää siihen liittyen. Kolme opettajaa kertoi suoraan tykkäävänsä opettaa digitaalisin materiaalein ja heidän haastatteluistaan kävi ilmi, että he suhtautuvat selvästi positiivisesti digitaalisiin materiaaleihin ja haastattelusta saadun kuvan mukaan kenties käyttivätkin niitä muita enemmän. Digitaalisiin materiaaleihin suhtauduttiin myös suurena apuna ja monipuolistavana tekijänä opetuksessa. Kolme opettajaa myös kertoi olevansa koulunsa tietotekniikan opettaja tai digituutori, joka asetti heidän positiiviseen asemaan, sillä he kokivat pystyvänsä ratkaisemaan tietotekniikkaan liittyviä ongelmia ehkä hieman helpommin kuin muut koulun opettajat.
3.1.5 Opettajien saama tuki digitaalisten materiaalien käyttöön
Haastatellut opettajat olivat saaneet vaihtelevasti apua digitaalisten materiaalien käyttöön. Suurin osa kertoi saaneensa jonkinlaista tukea, mutta digitaalisiin materiaaleihin on täytynyt silti pitkälti perehtyä itse. Kuvassa 19 on esitetty erilaisia tukimuotoja, joita opettajat kertoivat saaneensa liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön.
Kuva 19. Opettajien saama tuki liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön.
Opettajien saama tuki
Ei ole saanut tukea
Internet Itsenäinen
opiskelu
On saanut tukea
Koulutukset
Kollegat
Tukihenkilöt Facebook-
ryhmät Perheenjäsen On itse
tukihenkilö
32
Opettajista suurin osa, kahdeksan kymmenestä, kertoi saaneensa jonkin asteista tukea liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön. Tukea oli saatu esimerkiksi kollegoilta ja koulussa toimivilta tukihenkilöiltä. Mikäli haastateltu opettaja oli koulun ainoa kemian opettaja, oli tukea silti saatu muiden aineiden, kuten fysiikan ja matematiikan opettajilta.
”kollegoiden kesken niin harjotellaan ja kysytään neuvoa” (#3)
”kyllä kollegoilta no kemian opettajia meillä ei tässä oo muita, mutta yleisesti tietotekniikan käytössä saa tukee kyllä” (#7)
Seitsemän opettajaa kertoi lisäksi käyneensä jossakin koulutuksessa liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön. Esimerkiksi Matemaattisten aineiden opettajien liiton Maolin koulutuksessa oli käynyt kolme opettajaa. Lisäksi muutama opettaja kertoi, että omalla lukiolla oli järjestetty koulutusta. Yksi opettaja myös kertoi joutuneensa pitämään itse koulutusta aiheesta. Vaikka erilaisissa koulutuksissa olikin käyty, varsinaista kemian digitaalisiin materiaaleihin liittyvää koulutusta ei ollut ollut juurikaan tarjolla ja muutama opettaja toivoikin, että sellaista järjestettäisiin. Kollegoiden, tukihenkilöiden ja koulutusten lisäksi tukea oli saatu myös perheenjäseneltä ja erilaisista Facebook-ryhmistä. Kaksi opettajaa kertoi kyseisten Facebook-ryhmien auttavan esimerkiksi ongelmatilanteissa.
”tietyt facebook-ryhmät ni siellä on tosi paljon just semmosia kysymyksiä, että minulla on nyt tässä ohjelmassa tälläinen ongelma, onko joku törmännyt ja sit sieltä yleensä saa
puolessa tunnissa vastauksen ja sit niitä mie oon myös lukenu sillee valmistautunu kaikkiin mahollisiin ongelmiin mitä voi sit tulla” (#3)
Kaksi opettajaa eivät olleet saaneet minkäänlaista tukea digitaalisten materiaalien opetuskäyttöön. He kertoivat, että kaikki materiaali, jota käyttää, täytyy itse etsiä ja opetella käyttämään. Ainakin toinen opettajista kertoi etsivänsä materiaalia internetistä. Toinen näistä kahdesta opettajasta kertoi myös olevansa koulunsa tietotekniikan opettaja, mikä kenties vaikuttaa siihen, ettei hän saa tukea esimerkiksi koulun muilta opettajilta. Nekin opettajat, jotka olivat saaneet tukea digitaalisten materiaalien käyttöön, kertoivat kuitenkin, että suurimman työn joutuu tekemään itsenäisesti ilman tukea.
”no tietysti aina kyssyy täältä opettajakollegoilta mutta kyllä on ite suurin työ pitäny tehä” (#8)
33
Opettajista neljä kertoi myös olevansa itse jonkin asteinen tukihenkilö koulussaan. Heistä kolme oli koulunsa digituutoreita tai tietotekniikan opettajia ja yksi kertoi muuten koulun muiden opettajien kysyvän häneltä usein neuvoa digitaalisiin materiaaleihin liittyen.
3.1.6 Opiskelijoiden suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin ja heidän taitonsa käyttää niitä
Opettajien kokemuksen perusteella sekä opiskelijoiden suhtautuminen, että taidot digitaalisiin materiaaleihin vaihtelevat suuresti. Opettajat kokivat, että osalle opiskelijoista tietokoneiden ja muiden laitteiden käyttö oli hyvinkin luontevaa, mutta osalle jo perustietotekniikkataidot tuottivat hankaluuksia. Samoin suhtautuminen oli hyvin vaihtelevaa ja tapauskohtaista.
Kuitenkin useammin opettajat kertoivat ja kuvasivat opiskelijoiden kielteistä suhtautumista.
Kuvaan 20 on eritelty oppilaiden suhtautumiseen liittyviä asioita.
Kuva 20. Opettajien näkemys oppilaiden suhtautumisesta digitaaliseen materiaaliin ja työskentelyyn.
Opiskelijoiden asenne digitaalisia materiaaleja
kohtaan (opettajien näkökulmasta)
Myönteinen Ymmärtää hyödyt
On tottunut käyttämään
Kielteinen
Ei näe hyötyjä
Ei halua digitaalisia materiaaleja
Opettaja joutuu kannustamaan tai
pakottamaan käyttämään tietokonetta
Kyllästyminen, digiähky
34
Monet opettajista kuvasivat oppilaiden suhtautumista ja asennetta pääosin myönteiseksi.
Kuitenkin suurin osa kuvaili enemmän negatiivista suhtautumista, kuten sitä, että opettaja joutuu tunnilla kehottamaan opiskelijoita ottamaan omat tietokoneet esille tai laskemaan tietokoneen laskinohjelmistolla kännykän sijasta.
”on niillä ykkösillä konneet aina mukana, mutta se on aina vähän semmosta, että pittääkö käyttää konetta, tarviiko ottaa konetta esille, eihän käytetä tännää konetta,
että vähän semmosta niskurointia siihen vielä on” (#8)
Yksi opettaja myös kertoi, että opiskelijat eivät halua oppimateriaalia digitaalisessa muodossa vaan toivovat saavansa materiaalin mieluummin paperisena monisteena. Eräs haastateltavista totesikin, että osa opiskelijoista ei ilmaisesti näe tietotekniikan tuomia hyötyjä ja siksi suhtautuminen saattaa olla kielteistä. Osa opettajista kertoi myös, että opiskelijat kokevat digitaalisten materiaalien ja ohjelmien käytön työläämpänä kuin esimerkiksi paperilla ja kynällä tehtäessä, sillä eivät ole vielä tottuneet käyttämään niitä.
”no siis osa tykkää ja pitää luontevana mutta osalle on vähä vaikeeta varsinki sellanen hyötykäyttö” (#7)
Opettajilta kysyttiin myös oppilaiden taidoista käyttää digitaalisia materiaaleja. Kuvassa 21 on esitetty opiskelijoiden tietotekniikka- ja digitaalisten materiaalien käyttötaitoihin liittyviä tekijöitä.
35
Kuva 21.Opettajien näkemyksiä opiskelijoiden taidoista käyttää digitaalisia materiaaleja ja tietotekniikkaa.
Opiskelijoiden taidoissa on opettajien mukaan myös suuria eroja. Osa käyttää tietotekniikkaa ja digitaalisia materiaaleja hyvinkin luontevasti, kun taas osalle se tuottaa hankaluuksia. Yksi opettaja myös sanoi, että hänen mukaansa opettajan kokemus opiskelijoiden taidoista on hyvinkin erilainen, kuin heidän oma kokemuksensa. Esimerkiksi tiedonhaku on kuulemma hyvinkin alkeellista, vaikka opiskelijat kuvittelevat sen osaavansa. Lisäksi opettajat mainitsivat muun muassa kuvankäsittelyn, tiedon tallennuksen ja järkevän jakamisen sekä ylipäänsä
Opiskelijoiden taidot käyttää tietotekniikkaa ja
digitaalisia materiaaleja
Suuret erot oppilaiden välillä
Osalla paremmat taidot kuin opettajilla
Osalla todella heikot taidot
Opiskelijan kokemus erilainen kuin
opettajan
Hyvät taidot
Sosiaalinen media
Viestien, kuvien ja videoiden lähettäminen ja siirtely
Kurssi, jolla opetellaan digitaitoja
Heikot taidot
Tiedon tallennus ja järkevä jakaminen
Kuvankäsittely
Perinteiset tietotekniikkataidot
Tiedonhaku
36
perinteisten tietotekniikkataitojen olevan puutteellisia tai heikkoja. Sen sijaan sosiaalisen median käytön opiskelijat opettajien mukaan hallitsevat. Lisäksi viestien, kuvien ja videoiden lähettämisen koettiin olevan opiskelijoille helppoa kännyköiden suuren käytön vuoksi. Osan haastateltujen opettajien kouluista lukiolaisille oli järjestetty erikseen kurssi, jossa harjoiteltiin erilaisten digitaalisten materiaalien ja välineiden käyttöä. Tämän koettiin myös parantavan opiskelijoiden taitoja.
3.1.7 Opettajien määritelmiä digioppimiselle
Haastattelun viimeisenä aiheena oli digioppiminen ja se, miten opettajat kyseisen käsitteen määrittelisivät. Digioppiminen-käsitteen määrittely olikin melko hankalaa osalle opettajista ja vastaukset ympäripyöreitä. Kuvassa 22 on esitetty opettajien näkemyksiä digioppimisesta.
Kuva 22. Opettajien määritelmiä digioppimiselle.
Suurimmassa osassa vastauksia tuli esille, että opettajat ajattelevat digioppimisen olevan oppimista digitaalisten välineiden avulla ja niiden käyttöä ylipäänsä opetuksessa. Useampi opettaja sanoi, että digitaalisuus ei saa olla itsetarkoitus vaan väline oppimiseen. Myös tasapainoa perinteisten ja digitaalisten opetusmenetelmien välillä pidettiin tärkeänä. Vastaukset kuvastivatkin hyvin opettajien suhtautumista digitaalisiin oppimateriaaleihin ja olivat hyvin saman tyyppisiä kuin suhtautuminenkin, kuten luvusta 3.1.4 ja seuraavista lainauksista voidaan huomata.
Opettajien määritelmä digioppimiselle
Oppimista digitaalisten välineiden avulla
Digitaalisuus ei ole itsetarkoitus
Tasapaino perinteisen ja digitaalisen opettamisen välillä Digitaalisten välineiden
käytön opettelua
Opitaan myös, miten digitaalisia laitteita ja ohjelmiä käytetään itsenäistä opiskelua ja
tiedonhakua sähköisin välinein
37
”varmaan tuota se on asioitten oppimista teknisten tai tietoteknisten välineitten avulla” (#7)
”kyllä kai se on näitten digitaalisten havaintovälineitten käyttöä, mittausvälineitten käyttöä tai voiaan tehä perinteisiäkin mittauksia mutta siinä voiaan käyttää digitaalisia
analysointivälineitä” (#10)
Toisaalta muutama opettaja näki digioppimisen olevan paitsi digitaalisten välineiden avulla oppimista myös ohjelmien ja laitteiden käytön opettelua.
”väline toteuttaa helpommin asioiden ymmärtämistä ja oppimista ja tota mut on se kyllä myöskin niiden digitaalisten materiaalien oppimista” (#2)
Kaksi opettajaa kuvasi digioppimisen tarkoittavan myös opiskelua erialisten tietolähteiden avulla itsenäisesti. Tavoitteena olisi heidän mielestään, että opiskelija osaisi hyödyntää itsenäisesti esimerkiksi internetistä löytyvää tietoa ja opettaja voisi hyödyntää tämän opetuksessaan.
Kaikki haastatellut opettajat antoivat jonkinlaisen määritelmän digioppimiselle, vaikka se osasta tuntuikin hankalalta. Muutama opettaja myös sanoi suoraan, että ei oikein osaa määritellä sitä.
3.2 Tulosten yhteenveto
Haastatteluaineiston analysoinnin tuloksena voidaan sanoa, että opettajat käyttävät laajasti ja säännöllisesti erilaisia sähköisiä materiaaleja opettaessaan kemiaa lukion ensimmäisellä kurssilla. Osa käytetyistä ohjelmista ja materiaaleista on sähköistyvien ylioppilaskirjoitusten sanelemia, mutta opettajat käyttäisivät tietotekniikkaa opetuksessaan ylioppilaskirjoituksista ja uudesta opetussuunnitelmasta huolimattakin. Osalla haastatelluista opettajista opetus sähköisiä materiaaleja hyödyntäen on rutinoituneempaa ja läsnä opetuksessa jatkuvasti, kun taas toisilla lähinnä mausteena perinteisen opetuksen lomassa. Vastaavia tutkimustuloksia on saatu myös aiemmin tutkittaessa opettajien kokemuksia tieto- ja viestintätekniikan opetuskäytöstä.6 Osa opettajista kaipaisikin enemmän tukea ja koulutusta, jotta digitalisoituminen ja ”digiloikka”
saataisiin hyödynnettyä kunnolla lukion kemian opetuksessa.
Myös kemiallisen sidoksen opettamiseen tarvittaisiin ehkä neuvoja, sillä opettajat totesivat sen olevan sekä opettajille vaikea aihe opettaa, mutta myös opiskelijoille vaikea asia ymmärtää.
Vaikka sähköiset materiaalit auttavat mallintamaan sidoksia ja niiden avulla muodostuvia rakenteita, osa opettajista kaipaisi vielä parempaa ja havainnollisempaa valmista materiaalia,
38
joka auttaisi opiskelijoita muun muassa erottamaan molekyylien väliset ja sisäiset sidokset toisistaan. Erityisesti tämä vaikutti olevan hyvin haastava ja opiskelijoilla sekaisin menevä asia.
Opettajien suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin oli yllättävän samankaltaista. Pääosin se oli myönteistä tai neutraalia ja kantavana ajatuksena esille nousi teknologian välinearvo. Opettajat siis suhtautuivat digitaalisiin materiaaleihin oppimisen välineenä ja helpottavana tekijänä ja painottivat, että digitaalisia materiaaleja ei saa käyttää itse teknologian takia, vaan sen on jollakin tapaa autettava opettajaa opettamaan tai opiskelijaa oppimaan. Toisaalta suhtautuminen oli myös osittain negatiivissävytteistä, mihin varmasti vaikuttaa muun muassa opettajan omat taidot käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa.
Opettajien suhtautuminen heijastui myös siihen, miksi opettajat käyttävät sähköisiä materiaaleja:
se helpottaa ja nopeuttaa opetusta ja tekee siitä havainnollistavampaa. Lisäksi opettamisen sähköisin välinein koettiin olevan nykyaikaa. Toisaalta opettajat myös myönsivät, että sähköiset ylioppilaskirjoitusten vuoksi sähköisten materiaalien käyttöä on pakko harjoitella ja tämä on yksi syy käyttää niitä.
Suhtautuminen linkittyi myös opettajien näkemykseen digioppimisen määritelmästä sekä heidän saamaansa tukeen liittyen digitaalisten materiaalien käyttöön. Osa niistä opettajista, jotka suhtautuivat positiivisesti digitaalisiin oppimateriaaleihin, kokivat myös saavansa tarvittaessa tukea esimerkiksi kollegoilta ja saaneensa koulutusta aiheeseen liittyen. Suurin osa opettajista olikin saanut tukea digitaalisten materiaalien käyttöön liittyen. Tukea saattoi antaa erityinen tukihenkilö, kollega, koulutus, perheenjäsen tai Facebook-ryhmä. Toisaalta kaksi opettajaa ei ollut saanut tukea lainkaan.
Opiskelijoiden suhtautuminen digitaalisiin materiaaleihin koettiin hyvin vaihtelevaksi. Opettajien mukaan opiskelijoiden asenne sähköisiä materiaaleja kohtaan oli pääosin myönteistä, mutta opettajat kertoivat haastattelussa enemmän negatiivisesta suhtautumisesta. Myös opiskelijoiden taidot käyttää sähköisiä materiaaleja vaihtelivat huomattavan paljon. Opettajien mukaan on opiskelijoita, jotka osaavat käyttää tietotekniikkaa paremmin kuin opettajat, mutta toisaalta myös opiskelijoita, joilla on persustaidotkin hukassa.
Digioppimisen määritelmästä kysyttäessä opettajien vastauksista heijastui samoja asioita kuin heidän suhtautumisessaan digitaalisiin materiaaleihin. Suurin osa määritteli ja toivoi
39
digioppimisen olevan oppimista digitaalisin välinein. Toisaalta muutama opettaja ajatteli sen olevan lisäksi myös itse digitaalisten välineiden käytön opettelua.
4 Johtopäätökset
Koska lukioon tullaan usein monesta eri yläkoulusta, on opiskelijoiden tietotekniikkataidot ja kokemukset digitaalisten materiaalien käytöstä varmasti hyvin erilaisia. Tämän vuoksi digitaalisten materiaalien käyttöön pitäisi kiinnittää enemmän huomiota jo peruskoulussa, mikäli halutaan, että lukiolaisten taidot olisivat edes yhtään samalla tasolla keskenään lukioon tultaessa.
Tietysti aina on opiskelijoita, jotka ovat teknologiaan ja esimerkiksi tietokoneen käyttöön perehtyneempiä kuin toiset. Toisaalta, kuten opettajien haastatteluista kävi ilmi, monessa lukiossa on jo nyt järjestetty kursseja, joilla harjoitellaan tarvittavien digitaalisten materiaalien ja ohjelmien käyttöä. Tällaisten kurssien on huomattu auttavan oppilaita ja helpottavan opettajan työtä tunnin aikana, sillä ohjelmien käytön neuvomiseen ei mene yhtä paljon aikaa kuin ennen.
Digitaaliset oppimateriaalit ovat myös suhteellisen uusi asia osassa lukioita, joten tilanne varmasti paranee, kun opiskelijat saavat enemmän kokemusta tieto- ja viestintäteknologian käytöstä opetuksessa. Myös peruskoulun uuden opetussuunnitelman perusteiden 2014 myötä oppilaiden taitojen tulisi parantua, kun he tottuvat käyttämään digitaalisia materiaaleja enemmän jo peruskoulun aikana.
Opiskelijoiden tieto- ja viestintäteknologiataitojen lisäksi huomiota tulisi kiinnittää lukioiden välisiin eroihin. Tehtyjen opettajahaastattelujen perusteella voidaan sanoa, että Pohjois-Karjalan lukioiden välillä on suuria eroja digitaalisten materiaalien käytössä. Toisaalta myös saman lukion opettajien välillä voi olla yllättävän suuria eroja. Jotta kaikki opiskelijat olisivat teknologian käytön suhteen tasa-arvoisessa asemassa, tulisi kenties lukioiden välillä ja sisällä digitaalisten materiaalien käytön periaatteita yhtenäistää, sekä järjestää opettajille enemmän mahdollisuuksia kouluttautua. Myös resurssit vaikuttavat varmasti digitaalisten materiaalien käyttöön: jos koulussa tai opiskelijoilla ei ole laitteita, on opetuksen digitalisoitumista vaikea viedä eteenpäin.
Toisaalta, pelkkä laitteiden hankintakin on turhaa, jos niitä ei osata hyödyntää opetuksessa pedagogisesti järkevästi. Teknologia ei saa olla opetuksessa itseisarvo, vaan väline, joka auttaa
