DINAMIČNA VIZUALIZACIJA NARAVOSLOVNIH POJMOV S …

DINAMIČNA VIZUALIZACIJA

NARAVOSLOVNIH POJMOV

S POSKUSI IN MODELI

PRIROČNIK ZA UČITELJE

Margareta Vrtačnik, Vesna Ferk, Mojca Fir, Danica Dolničar,

Vesna Renič, Bojana Potisk in Nataša Pozderec

Ljubljana, 2003

Priročnik za učitelje

2

DINAMIČNA VIZUALIZACIJA NARAVOSLOVNIH POJMOV S POSKUSI IN MODELI: PRIROČNIK ZA UČITELJE Avtorji: prof. dr. Margareta Vrtačnik, dr. Vesna Ferk, Mojca Fir, prof., Danica

Dolničar, univ. dipl. ing., Vesna Renič, prof., mag. Bojana Potisk, Nataša Pozderec, prof.

Uredila: prof. dr. Margareta Vrtačnik Tehnična urednika: mag. Irena Sajovic, Igor Cerar Založila: Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta Ljubljana 2003 Priročnik je sofinanciralo Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport v okviru CRP projekta Večanje zanimanja za naravoslovje z dinamično vizualizacijo naravoslovnih zakonitosti in sodelovalnim učenjem. ISBN 86-81449-14-1 VSE PRAVICE PRIDRŽANE. REPRODUCIRANJE IN RAZMNOŽEVANJE DELA PO ZAKONU O AVTORSKI IN SORODNIH PRAVICAH NI DOVOLJENO.


3

Spoštovani bralci!

Priročnik je rezultat projekta “Večanje zanimanja za naravoslovje z dinamično vizualizacijo naravoslovnih zakonitosti in sodelovalnim učenjem“, ki ga je v letih 2001 do 2003 v sklopu ciljnega raziskovalnega programa (CRP) “Konkurenčnost Slovenije 2001-2006” sofinanciralo Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport. Delo temelji na metodoloških spoznanjih petih empiričnih študij, ki so bile izvedene v sklopu magistrskih del podiplomskega programa “Kemijsko izobraževanje” na Naravoslovnotehniški fakulteti, Univerze v Ljubljani. Vključene so naslednje empirične študije: Vpliv različnih predstavitev zgradbe molekul na procese zaznave, rotacije in zrcaljenja (Ferk, 2000) Vpliv vizualnih elementov na zaznavo in sposobnost razlage posnetkov eksperimentov (Renič, v pripravi), Sodelovalno učenje z uporabo kemijskih baz podatkov (Potisk, 2003), Povezovanje makroskopske in sub-mikroskopske ravni zaznave kemijskih procesov (Fir, v pripravi) in Sposobnost povezovanja rezultatov kemijskega eksperimenta z razlago opažanj na nivoju delcev (Pozderec, v pripravi).

Kljub na začetku zelo visoko zastavljenim ciljem, smo se bili v realizaciji projekta, zaradi občutno manjših finančnih sredstev kot so bila pričakovana, prisiljeni omejiti zlasti na področju načrtovanih animacij izbranih naravoslovnih - kemijskih pojmov in procesov. Zato smo animacije vključili v nadaljevanje projekta, ki je specifično usmerjen v razvijanje uporabe informacijske in komunikacijske tehnologije pri učenju in poučevanju kemije in bo zaključen leta 2004.

Bistveni prispevek pri uspešnem zaključku projekta imajo gotovo številne šole, učitelji, učenci in dijaki, ki so se prostovoljno vključili v empirične študije projekta in s tem prispevali k večji uporabni vrednosti rezultatov. V vseh študijah skupaj jih je sodelovalo več sto iz vse Slovenije. Na tem mestu se jim želimo ponovno zahvaliti za požrtvovalno in visoko motivirano sodelovanje. Hvala pa tudi Ministrstvu za šolstvo, znanost in šport za finančno podporo projektu.

Zahvaliti se želimo tudi ge. Vidi Mesec za potrpežljivo pripravo in številna ponavljanja poskusov ter g. Branetu Pajku za snemanja in montažo posnetkov.

Priročnik posvečamo vsem učiteljem kemije in naravoslovja, ki nenehno iščejo nove poti do svojih učencev v želji, da bi jim čim bolj približali in osmislili naravoslovna spoznanja in jim tako privzgojili ljubezen in spoštovanje do vsega, kar nas obdaja ter jim morda malo olajšali iskanje resnic o svetu, v katerem živimo. Želimo, da bi bilo vaše vodilo pri morebitni uporabi tega priročnika misel Rudija Kerševana o Resnici: “Ne učimo ljudi resnic. Zaradi njih nastajajo verstva in vojne. Učimo jih ljubezni in spoštovanja. Pustimo jih, naj razmišljajo, naj se zavedajo sebe in iščejo svojo resnico.” Za projektno skupino: Margareta Vrtačnik


4


5

Vsebina

1. Uvod 7 2. Jezik “delčnega” sveta 8 2.1. Molekulski modeli 9 2.1.1 Vrste molekulskih modelov 9 2.1.2 Računalniško generirani modeli 10

2.1.3 Premagovanje težav pri uporabi računalniško generiranih modelov 10 2.1.4 Spletne strani z interaktivnimi modeli 14 2.1.5 Nevarnosti pri uporabi modelov 17 2.1.6 Kako učenci/dijaki pojmujejo modele 17

2.2 Od modelov do stereokemijskih formul 19 2.3 Razvijanje osnovne kemijske vizualne pismenosti 21

2.3.1 Kemijski vizualizacijski test (KVT) 21 2.3.2 Didaktični napotki za uporabo Kemijskega

vizualizacijskega testa 23 2.3.3 Rezultati testiranja s KVT 24 2.3.4 Didaktični pomen rezultatov 38

2.4 Didaktična priporočila pri delu z modeli 39

3. Vplivi na zaznavnost in razlago video izvlečkov poskusov 40 3.1 Poskus kot sredstvo vizualizacije 40 3.2 Razvijanje zaznave sprememb pri poskusih 41 3.3 Didaktični napotki za uporabo TZP 57 3.4 Rezultati testiranja – sposobnost zaznave in razlage 62 3.5 Didaktičen pomen rezultatov 71 3.6 Didaktična priporočila pri izvajanju poskusov 72

4. Zasnova interaktivnih enot za individualno in/ali sodelovalno učenje 74 4.1 Interaktivna zgoščenka “Spoznajmo eterična olja” 74 4.1.1 Baza podatkov 75 4.1.2 Uporabniški vmesnik 76 4.1.3 Didaktični napotki za delo z zgoščenko 78 4.1.4 Testiranje programa in mnenja uporabnikov 79 4.2 Namesto didaktičnih priporočil 81 4.3 Aktivna vizualizacija temeljnih naravoslovnih pojmov 81

4.3.1 Aktivna vizualizacija pojmov in procesov na makro- in sub-mikroskopski ravni z uporabo navideznih 3D modelov 81

4.3.2 Predstavitev makroskopske ravni poskusov 82 4.3.3 Vizualna podpora sub-mikroskopski ravni poskusov 84 4.3.4 Didaktični napotki za uporabo PowerPoint predstavitve 85 4.3.5 Didaktični napotki za delo v razredu 87 4.3.6 Didaktična vrednost poskusov in vizualizacijskega gradiva 88 4.3.7 Magnetni modeli za vizualizacijo kemijskih sprememb 90

4.4 Didaktična priporočila 95

5. Zaključki 96

6. Literatura 97 Priloge: 1. Kemijski vizualizacijski test (KVT) – na spletni strani KemInfo 2. Test zaznavnosti poskusov (TZP) – na zgoščenki 3. Interaktivna zgoščenka “Spoznajmo eterična olja” – na zgoščenki 4. Aktivna vizualizacija pojmov in procesov – na zgoščenki 5. Delovni lističi – uporaba magnetnih modelov (na zgoščenki priloge 4)


6


7

1. Uvod Nove, nenehno razvijajoče se tehnologije puščajo vse močnejši pečat na izobraževanju, ki počasi, vendar vztrajno prehaja iz svojih značilnih okvirjev, ki jih je v preteklosti omejevala velikost razredov, učnih delavnic, laboratorijev in dostopnost učnih gradiv, v odprto računalniško posredovano elektronsko izobraževanje, kjer so meje med učencem in učiteljem zabrisane. Vsi smo lahko učitelji in hkrati učenci. V nekaj minutah ali urah se lahko sprehodimo po vesolju in se poglobimo v zadnja dognanja o starosti vesolja, ali pa se posvetimo odkrivanju zgradbe encimov, novim zdravilom, novim tehnologijam za razstrupljanje okolja in podobnim zanimivim temam. Ko se utrudimo, se lahko naše oči za nekaj trenutkov odpočijejo na umetniških delih, ki si jih ogledamo v navideznem svetu svetovno znanih galerij, ali pa se enostavno prepustimo najnovejšim računalniškim igricam. Kje so meje možnosti? Navidezno jih sploh ni. Vse, kar se v svetu zgodi pomembnega, je že pred nami v slikah in besedi. Vendar pa uspešna uporaba novih izobraževalnih medijev terja od uporabnikov tudi obvladovanje novih spretnosti, ki jih v klasičnem sistemu izobraževanja razvijamo le v zelo omejeni obliki. Na prvem mestu sta to splošna informacijska in računalniška pismenost, ki morata biti dopolnjeni še z dobro razvito vizualno pismenostjo. Vizualna pismenost je zlasti pri naravoslovju izredno pomembna, saj nam pomaga zaznavati pomembne spremembe pri poskusih in premoščati prepad med naravoslovnimi zakonitostmi in njihovo često abstraktno teoretično razlago. Napačno pa bi bilo misliti, da je vizualna pismenost pomembna le za naravoslovje, saj celo za moderno glasbo pravijo, da jo dojemamo v znatni meri tudi z očmi in ne le z ušesi. Novi mediji imajo v izobraževanju še eno prednost, podpirajo uvajanje aktivnih oblik učenja pri katerih učitelj prevzema novo, zahtevno vlogo “upravljalca” in “režiserja” razredne aktivnosti, učenci pa pridobivajo nova znanja samostojno ali sodelovalno v majhnih skupinah. O vplivih socialnih, psiholoških in izobraževalnih vidikov na rezultate sodelovalnega učenja poročajo številne študije, vse pa ugotavljajo, da čeprav ni nujno, da sodelovalno učenje vpliva na večjo kvaliteto znanja, ima močan vpliv na osebnostno rast učencev, zlasti na samozavest, delovne navade in motivacijo. Spontano izražene misli učencev in dijakov, ki so bili vključeni v naši raziskavi v sodelovalno učenje, povedo morda več o pomenu takega dela, kot zgolj izsledki raziskav. Po sodelovalnem delu z uporabniškim vmesnikom “Spoznajmo eterična olja” je gimnazijka Ines zapisala: “Delo mi je bilo zelo zanimivo. Mogoče se mi je na začetku zdela baza nekoliko preobširna, ampak ko enkrat ugotoviš, kje lahko najdeš želene informacije, postane delo zelo enostavno in to je predvsem tisto, kar pogrešam pri rednih urah kemije. Marsikdo od sošolcev bi s takšnim delom spremenil odnos do kemije.” (Potisk, 2003).


8

2. Jezik “delčnega” sveta Za kemijo, kot naravoslovno vedo, je značilno zaznavanje pojavnega sveta snovi, pojavov in procesov na makroskopski ravni, za njihovo razlago in napovedovanje pa moramo uporabiti jezik sub-mikroskopskega sveta. Pri učenju kemije je pomembno, da učenci oz. dijaki razumejo in znajo povezovati pojme na vseh treh predstavnih ravneh (makroskopski, sub-mikroskopski in simbolni), kar je mnogim težko (Johnstone, 1991). Prepad med tremi predstavnimi ravnemi pa lahko v veliki meri premostimo z uporabo vizualizacijskih elementov, npr. molekulskih in kristalnih modelov (Barke in Wirbs, 2002; Slika 2.1). Tako sodi sposobnost uporabe modelov pri učenju in poučevanju kemije med ključne elemente kemijske vizualne pismenosti.

Ko uporabljamo modele kot pomoč pri razlagi oz. napovedovanju kemijskih sprememb pa moramo imeti vedno v mislih vprašanje, kaj lahko predstavimo z modeli atomov in molekul. Model ne more v popolnosti predstaviti modeliranega predmeta, lahko nas celo zavede, če verjamemo, da se bo modeliran predmet obnašal tako, kot smo predvideli z modelom (Keenan et al., 1980). Zanimiva je primerjava učenja kemije z učenjem materinega jezika, ki jo v eni svojih študij navaja Bent (1984). Pravi, da na enak način, kot naučimo otroka pomena besed in stavkov ter drugih abstraktnih pojmov iz resničnega sveta s kazanjem in pripovedovanjem, učimo jezika kemije s pomočjo modelov. Pri tem pa se moramo kot učitelji zavedati, da so molekulski modeli kvantno-mehanske metafore, kvantno-mehanski deskriptorji pa so samostalniki in pridevniki za opisovanje kemije.

Slika 2.1: Trije nivoji predstavitve naravoslovnih pojmov in vloga vizualizacijskih elementov pri njihovem povezovanju (Johnstone, 1991; Barke in Wirbs, 2002)

Makroskopska raven

Sub-mikroskopska raven

Simbolna raven

Vizual. elementi


9

2.1 Molekulski modeli 2.1.1 Vrste molekulskih modelov Najbolj znani in najpogosteje uporabljeni so kroglični, kalotni in skeletni modeli (Tabela 2.1). Vsako izmed omenjenih vrst odlikujejo specifične značilnosti, ki so izražene na različne načine. Tabela 2.1: Najpogosteje uporabljane vrste molekulskih modelov

V krogličnih modelih predstavljajo kroglice z utori za vezi atome, vezi pa palčke, žičke ali vzmeti. Dimenzije kroglic so v sorazmerju z dimenzijami atomov posameznih elementov. Kroglice so značilno obarvane, npr. za prikaz vodikovega atoma belo, ogljikovega črno, kisikovega rdeče, klorovega zeleno, itd. Povezave med kroglicami so lahko različno dolge, glede na medjedrne razdalje med gradniki v strukturi. Možen je nazoren prikaz dvojnih in trojnih vezi med atomi v molekuli. Kroglični modeli so zlasti primerni za prikaz vezi in kotov med atomi.

Računalniško generiran kroglični model molekule metana

Kalotni modeli so sestavljeni iz kroglic, ki so med seboj v tangencialnem stiku, zato jih imenujemo tudi tangencialni modeli. Vez med atomi je prikazana s prekrivanjem atomskih orbital, tako bolje ustrezajo resnični obliki molekul kakor kroglični modeli, pri katerih so atomi preveč oddaljeni med seboj. S kalotnimi modeli lahko prikažemo, kako se atomi, ki tvorijo molekulo prekrivajo, vendar so kalotni modeli znatno manj nazorni od krogličnih.

Računalniško generiran kalotni model

molekule metana

Skeletni ali žični modeli poudarjajo povezave med gradniki, sami gradniki pa so le stične točke, v katere se stekajo povezave. Vezi so predstavljene z jeklenimi paličicami in cevkami, njihove dolžine so praviloma v sorazmerju z dolžinami vezi med atomi. Skeletni modeli so tako znatno bolj abstraktni od kalotnih in krogličnih in so namenjeni prikazu prostorske zgradbe kompleksnih molekul in ponazarjanju reakcijskih mehanizmov.

Računalniško generiran skeletni model

molekule metana


10

Seti molekulskih modelov so dostopni pod različnimi tržnimi imeni, vendar je zaradi omejenega števila kroglic in paličic ali kalot ter žičk v posameznem setu, za aktivno delo v razredu potrebno imeti na voljo večje število setov. Če upoštevamo še omejitve posameznih vrst modelov, bi morali imeti za optimalno delo z modeli na voljo različne vrste modelov, kar pa predstavlja že zelo veliko finančno breme. 2.1.2 Računalniško generirani modeli Z uporabo informacijske tehnologije se težavam lahko izognemo. Molekulske modele, generirane z ustreznimi računalniškimi programi, npr. Chime, si lahko predstavimo v navideznem 3D prostoru računalniškega zaslona, v kolikor je struktura molekule zapisana v formatu, iz katerega lahko Chime generira model. Prednost takih modelov je, da s spreminjanjem predstavitve modela z ukazom “display” enostavno in hitro prehajamo med krogličnimi (ball & sticks), žičnimi (wire) in kalotnimi (spacefill) predstavitvami modela izbrane molekule (Slika 2.2). Navidezno resničnost nam pričara tudi možnost obračanja modela v prostoru.

V kolikor je na vašem računalniku aktivni dodatek (plug-in) za program Chime, kliknite na sliko modela etana. Preverili boste prednosti uporabe navideznih 3D modelov. Če boste kjerkoli v črnem prostoru ekrana kliknili z desnim gumbom miške, se vam bodo pokazale možnosti (desna slika) za spreminjanje oblike prikaza molekule. S klikom na sliko modela etana boste prišli na spletno stran KemInfo, kjer so izbrani primeri molekul in kristalnih struktur že zapisani v ustreznih formatih, ki jih program Chime prepozna in predstavi v navideznem 3D prostoru.

Slika 2.2: Navodila za uporabo pomožnega programa Chime

2.1.3 Premagovanje težav pri uporabi računalniško generiranih modelov Najpogosteje je vzrok težav, da nimamo naloženega programa Chime. Dobimo ga brezplačno na spletnem naslovu http://www.mdli.com, pri čemer se je potrebno registrirati (Register) kot uporabnik - izpolniti registracijsko prijavo in izbrati uporabniško ime. Le-to skupaj z geslom, ki je poslano na naš


11

naslov elektronske pošte uporabimo za prijavo v sistem (Login). Nato lahko med produkti izberemo Chemscape Chime in sprožimo postopek prenosa, ki mu sledi namestitev na naš računalnik. Postopek:

Registracija je enkraten postopek za pridobitev uporabniškega imena in gesla, kasneje le-to uporabimo za prijavo v sistem (Login). Na naslovni strani (http://www.mdli.com) kliknemo na Register (v zgornjem desnem kotu strani).

Dobimo obrazec za prijavo, ki ga izpolnimo z našimi podatki. Vpišemo svoj naslov elektronske pošte, na katerega bo poslano geslo (Password) in si izberemo uporabniško ime (User Name). Registracijo sprožimo z gumbom Continue.


12

Računalniško generirano geslo je poslano na naš naslov elektronske pošte. Po registraciji izberemo gumb Login. Vpišemo naše uporabniško ime in geslo.

Izbira produkta: kliknemo MDL® Chime na seznamu (Download No-Fee Software) in izberemo eno od obeh variant za okolje Windows: MDL® Chime 2.6 SP4 for Windows (za Windows XP, 2000, NT) ali MDL® Chime 2.6 SP3 for Windows (za Windows 95,98, 2000, NT).


13

Za prenos kliknemo na gumb Start Download, Save in izberemo direktorij na disku, kamor želimo program shraniti.


14

Slika 2.3: Postopek za aktiviranje programa Chime

Za zagon namestitve programa po prenosu dvakrat kliknemo na prenešeni dokument in sledimo navodilom. Ob ponovnem zagonu spletnega brskalnika postanejo okenca s strukturami aktivna. 2.1.4 Spletne strani z interaktivnimi modeli Na medmrežju je kar nekaj, za učitelje zanimivih spletnih strani, kjer so dostopni modeli molekul in kristalnih mrež v ustreznih formatih za pregledovanje s programom Chime. Začetnikom pripročamo spletno stran Kemijska informacijska mreža – KemInfo (http://www.keminfo.uni-lj.si/) (Slika 2.4), kjer so zbrani, ali s programi za molekulsko modeliranje pripravljeni, formati molekul in kristalnih mrež, ki jih lahko vizualizirate s programom Chime. Priporočamo tudi uporabo spletne strani WebElements (http://www.webelements.com/), ki je namenjena spoznavanju lastnosti kemijskih elementov in spojin in vključuje aktivne modele kristalne zgradbe. Zgradba ponavljajočih se enot polimernih makromolekul pa je dostopna prek spletne strani The Macrogalleria (http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm).


15

Slika 2.4: Spletna stran Kemijske informacijske mreže - KemInfo Pomembna prednost navideznih modelov pred seti modelov je tudi ta, da z njimi lahko vizualiziramo tudi zahtevno zgradbo npr. beljakovinskih makromolekul (Slika 2.5) in kristalnih mrež. Sestavljanje takih modelov z uporabo setov modelov zahteva veliko znanja in časa, zato smo se običajno v šolski praksi omejevali le na nekaj značilnih slik modelov, na osnovi katerih pa so učenci/dijaki dobili le površen vpogled v kompleksnost zgradbe.

Slika 2.5: Zgradba beljakovinskega dela encima mangan peroksidaze

Računalniško izdelani modeli pridobivajo z razvojem računalniške tehnologije in dostopnostjo programov za molekulsko modeliranje vse pomembnejšo vlogo tako v raziskovanju, kakor tudi pri učenju in poučevanju kemije. Ne le, da je vedno več spletnih naslovov, ki omogočajo vizualizacijo zgradbe molekul, ionov in kristalnih mrež, dostopni postajajo tudi programi za


16

molekulsko modeliranje, s katerimi lahko sami izdelamo interaktivne navidezne modele. Nekatere preproste tovrstne programe je za namen pedagoškega dela možno brezplačno dobiti na medmrežju (npr. eChem, ChemDraw). Poleg statičnega prikazovanja struktur molekul je možno simulirati tudi molekulsko dinamiko, npr. vibracije atomov v molekuli, animirati kemijske in fizikalne sprememebe ter živo prikazati lastnosti površin molekul, ki so ključne za razlago lastnosti molekul. Razlike v reaktivnosti npr. etena in etana lahko razložimo na osnovi prikaza razporeditve elektrostatičnega potenciala na površini molekule (Slika 2.6 in Slika 2.7). Področje (rdeča barva) ob dvojni vezi kaže, da ima molekula na tem mestu prebitek elektronov, na katerega se bodo lahko vezali delci z elektrofilnim značajem. Nasprotno na površini molekule etana ni zaznati izrazitih mest s kopičenjem pozitivnih ali negativnih nabojev. Molekula etana bo do napada elektrofilnih delcev nevtralna.

Slika 2.6: Razporeditev elektrostatičnega potenciala na površini modela molekule etena (temno modra barva pomeni pozitiven potencial, rdeča negativen)

Slika 2.7: Razporeditev elektrostatičnega potenciala na površini modela molekule etana

Na spletni strani KemInfo smo pripravili PowerPoint predstavitve modelov organskih molekul za prepoznavanje narave reaktivnih mest (Slika 2.8). PowerPoint predstavitev lahko kopirate na trdi disk svojega računalnika in jo neposredno vključite v razlago ali pa uporabite HTML predstavitev neposredno.

Slika 2.8: Vizualizacija zgradbe molekul


17

2.1.5 Nevarnosti pri uporabi modelov Vizualizacija sub-mikroskopskega sveta nosi v sebi veliko nevarnost, da bo uporabnik poistovetil iluzijo zgradbe, ki nam jo ustvari model, z resničnostjo. Iluzija je posledica dejstva, da smo lastnosti makroskopskega sveta (velikost, barvo, hitrost gibanja) pripisali sub-mikroskopskim delcem. Delci, ki jih modeli vizualizirajo pa so veliki manj od enega nanometra (nm = 10 –9 m) (molekula vode npr. ima premer 0,3 nm) do nekaj nanometrov.

Če bi želeli videti molekulo vode tako veliko, kot je model na levi strani, bi jo morali povečati 30-milijonkrat.

Slika 2.9: Približno 1 cm velik model molekule vode. Prava molekula vode pa ima premer le 0,3 nm.

Model predstavlja makromolekulo encima. Prava velikost makromolekule je 5 nm. Molekula encima je približno 18-krat večja od molekule vode. Zato ji tudi pravimo makromolekula.

Slika 2.10: Model makromolekule Še tako izurjeno človeško oko ni sposobno razločevati niti največjih molekul. Valovna dolžina svetlobe je nekaj stokrat večja kot so dimenzije delcev, zato ni interakcije posameznega delca s svetlobo, ki bi jo lahko zaznali. Hitrosti s katero se gibljejo delci pri sobni temperaturi v vakuumu so nekaj deset tisoč km/h, nekatere kemijske spremembe pa se zgodijo celo v nekaj nanosekundah. Spremembe, ki se odvijajo na ravni delcev žal niso dostopne naši neposredni zaznavi. Zato je potrebno pri delu z modeli uporabnike opozarjati na razlike med modelom in realnostjo in te razlike večkrat izpostavljati in podkrepiti s primeri. 2.1.6 Kako učenci/dijaki pojmujejo modele Mnoge raziskave so potrdile, da uporaba molekulskih modelov poveča uspešnost učencev oz. dijakov pri učenju kemije (Goodstein in Howe, 1978; Yamana, 1989; Dori in Barak, 2001), potrebno pa je opozoriti, da učenci vloge modelov pogosto ne razumejo v celoti. Pojmovanje analognih modelov je možno na treh osnovnih stopnjah (Grosslight et al., 1991), ki izhajajo iz treh različnih načinov spoznavanja modelov in njihove uporabe. Na prvi stopnji uporabnik o modelu razmišlja kot o igrači ali preprostem dvojniku resničnosti in misli, da so morebitne


18

pomanjkljivosti modela posledica modelarjeve svobodne odločitve, da jih zanemari. Veliko uporabnikov na tej ravni meni, da je razmerje velikosti med realnostjo in modelom 1:1. Na drugi stopnji pojmovanja analognih modelov uporabnik misli, da modelar poljubno izbere specifičen kriterij za izdelavo modela. Na tej stopnji je uporabnikom že jasno, da model povsem ne ustreza resničnosti, vendar je zanje pri modelu še vedno bistven izgled, manj pa ideje, ki jih ponazarja. Na tretji stopnji pojmovanja modelov se uporabniki zavedajo, da je namen analognih modelov razvijanje in preizkušanje idej oz. teorij ter ne upodabljanje realnosti. Na tej stopnji uporabniki izdelujejo in uporabljajo različne modele, ne da bi jih razlike med njimi zmedle ali motile. Raziskave o pojmovanju modelov (Harrison in Treagust, 1996, 2000b; Noh in Scharmann, 1997; Copolo in Hounshell, 1995) so potrdile, da večina 13- in 15-letnikov dosega prvo in drugo stopnjo zaznave pomena analognih modelov. Vendar pa lahko istočasna uporaba različnih vrst modelov in zlasti razgovor z učiteljem, ki skrbi za sprotno odstranjevanje napačnih razumevanj, bistveno pripomoreta k boljšemu dojemanju pomena modelov. Vizualno gradivo podpira oblikovanje znanstveno ustreznejših predstav o delčni naravi snovi, omogoča uspešnejšo reševanje nalog s področja organske kemije in olajša razumevanje miselnih operacij z modeli v prostoru. Vendar bi bilo napačno misliti, da uporaba modelov lahko premosti pomanjkanje logičnega mišljenja, ki je potrebno za razvijanje pravilnih predstav o znanstvenih pojmih in pri reševanju zahtevnejših prostorskih problemov. Inteligenčno šibkejšim uporabnikom analogni modeli sicer omogočajo boljše razumevanje zgradbe snovi, ne pripomorejo pa k njihovi sposobnosti reševanja nalog, ki temeljijo na višjih kognitivnih ravneh znanja (npr. analiza, sinteza, reševanje problemov). Mnoge raziskave so potrdile povezavo med prostorskimi sposobnostmi učencev oz. dijakov in njihovo uspešnostjo pri učenju kemije in reševanju kemijskih problemov (Carter et al., 1987; Pribyl in Bodner, 1987; Rochford, 1985; Ferk in Vrtačnik, 2001). Raziskovalci so skušali to povezanost razložiti, na različne načine. Baker in Talley (1972, 1974) pravita, da imajo vizualizacijske sposobnosti pri reševanju kemijskih problemov vlogo katalizatorja. Po drugi strani, Coleman in Gotch (1998) smatrata, da je razumevanje kemijskih pojmov in procesov povezano s prostorsko inteligentnostjo zaradi pomembne vloge trodimenzionalne vizualizacije molekulske strukture in sposobnosti izvajanja miselnih operacij v trodimenzionalnem prostoru. Herron in Greenbowe (1986) pa sta opozorila na pomembno vlogo, ki jo ima uporaba vizualizacijskih elementov pri povezovanju treh ravni predstavitve naravoslovnih pojmov in procesov, pri čemer ima prostorska inteligentnost zagotovo velik pomen. Rezultati raziskav pa niso enotni glede vpliva spola na uspešnost pri delu z modeli. Tako nekateri dokazujejo statistično pomemebno razliko v prid dečkom (Benbow in Stanley, 1980; Kali in Orion, 1996), drugi pa v prid deklicam (Al Methen in Wilkinson, 1988; Klainin et al., 1989). Raziskovalci (Coleman in Gotch, 1998; Tuckey in Selvaratnam, 1991) zato domnevajo, da


19

vplivata na dojemanje analognih modelov tudi kulturna sredina in socialno okolje, iz katerih izhajajo testiranci. Pravilna uporaba modelov ima pozitiven vpliv na razumevanje delčne narave snovi in njenih lastnosti in vrsta raziskav (Baker in George, 1998; Bradley in Brand, 1985; Bradley, 1992; Crouch et al., 1996; Globočnik, 1993; Henderson in Liberatore, 1998; Jensen, 1980; Kemp, 1986; Kim, 1996; Kornhauser, 1972; Lipkowitz, 1989; Raemme, 1992; Rodriguez, 1987; Sajovic, 1992; Tarazona in Saiz, 1998; Vrtačnik, 1993; Vrtačnik, 1999) priporoča njihovo uporabo pri naslednjih vsebinah: (1) uvajanje in ponazoritev pojmov (npr. atomska orbitala, atom, molekula, kemijska vez, kristal, prostorska zgradba molekul, vezni koti, homogene, heterogene zmesi, (2) predstavitev zgradbe specifičnih molekul in kristalov, (3) ponazoritev molekulske dinamike, (4) ponazoritev soodvisnosti med zgradbo in lastnostmi ter aktivnostjo, (5) ponazoritev fizikalnih in kemijskih sprememb in poteka kemijskih reakcij, (6) ponazoritev pojma izomerija, (7) ponazoritev zakonitosti (npr. zakon o ohranitvi mase, zakon o stalni sestavi spojin). 2.2 Od modelov do stereokemijskih formul Ker pisana beseda in tiskana literatura običajno ne omogočata vključevanja trodimenzionalnih modelov, zgradbo molekul in kristalov pogosto prikažemo v dvodimenzionalnem prostoru (ravnini) npr. s fotografijami modelov, računalniško izdelanimi slikami modelov, shematskim zapisom modelov, strukturno ali stereokemijsko formulo. Pri projekciji trodimenzionalnega modela v ravnino pride praviloma do izgube dela informacije o zgradbi molekule, kar lahko ponazorimo npr. s preslikavo modela molekule metana na tablo s pomočjo grafoskopa (Slika 2.11).

H C

H

H

H

H C

H

H

H

Slika 2.11: Projekcija modela molekule metana v ravnino table

Strukturne formule so izpeljane iz projekcij trodimenzionalnih modelov molekul v ravnino. Nazorno prikažejo, kako so atomi med seboj povezani, ne omogočajo pa razviti predstave o dejanski obliki molekule v prostoru. Za nazornejši prikaz razporeditve atomov v prostoru uporabljamo stereo formule. Pri njihovem zapisu uporabljamo dogovorjene znake za prikaz razporeditve atomov ali atomskih skupin v prostoru. Za uporabnike pa

ϕ = 109o ϕ = 90o


20

postane stereo zapis zato dodatno zahteven, ker si morajo zapomniti pomen dogovorjenih znakov. V tabeli 2.2 so zbrane možne predstavitve zgradbe molekul etana, etene in etina. Tabela 2.2: Prikaz prostorske strukture molekul etana, etena in etina z različnimi vrstami molekulskih modelov oz. njihovimi dvodimenzionalnimi zapisi in stereokemijskimi formulami

Ime molekule ETAN ETEN ETIN

Kroglični model

Skeletno-kroglični model

Skeletni model

Kalotni model

Shematski zapis

modela

Stereokem. formula

C

HH

H

C

HH

H

C

H

H

C

H

H

C C HH


21

2.3 Razvijanje osnovne kemijske vizualne pismenosti Izurjen kemik brez težav prepozna trodimenzionalno strukturo molekul iz različnih vrst predstavitve molekulske zgradbe (npr. trodimenzionalni modeli, njihove fotografije, statični/interaktivni računalniški modeli, shematski prikazi, stereokemijske formule). Raziskave (Ferk et al., v tisku) pa kažejo, da imajo lahko nekateri učenci, dijaki ali študenti1 težave tudi pri tem, navidezno preprostem, opravilu. V primeru, če se pri učencih pojavijo težave že pri prepoznavanju trodimenzionalne molekulske strukture, bodo le-ti imeli težave tudi pri sledečih operacijah, npr. rotaciji, zrcaljenju (Ferk et al., v tisku), zato je zelo pomembno, da tej elementarni operaciji v učnem procesu posvetimo dovolj pozornosti. Pri ugotovljanju, ali imajo tudi vaši učenci težave pri pravilni zaznavi molekulske prostorske strukture vam bo v pomoč Kemijski vizualizacijski test (Ferk, 2000), ki je brezplačno dostopen na spletni strani KemInfa (http://www.keminfo.uni-lj.si). Uporabite ga lahko tudi pri razvijanju kemijske vizualne pismenosti s postopnim skupinskim reševanjem posameznih sklopov nalog, ki mu mora nujno slediti razprava o dobljenih rezultatih. 2.3.1 Kemijski vizualizacijski test (KVT) Premikanje skozi KVT je možno le v eni smeri, hkrati pa so naloge različnih tipov izmenično razporejene skozi test. Zaradi takšnega vrstnega reda nalog lahko zmanjšamo možnost prenosa informacij, med sicer podobnimi nalogami, ob uporabi različnih vrst predstavitev molekulske zgradbe. Pred začetkom testiranja je potrebno učence seznaniti z reševanjem testa z računalnikom. Reševanje testa on-line zagotavlja testirancem, da ob koncu testiranja dobijo povratno informacijo o svoji uspešnosti na posameznih nalogah, učitelj pa kumulativno informacijo za celotno skupino testirancev. Tako test deluje kot diagnostični instrument, ki omogoča učitelju vpogled v težave pri posameznih skupinah testirancev. Posameznikom pa daje možnost prepoznavanja težav pri prostorskem dojemanju zgradbe molekul. Test sestavljata dva dela: (1) zaznava prostorske strukture molekul na osnovi različnih predstavitev in (2) pretvorbe med različnimi predstavitvami. (1) Zaznava prostorske strukture molekul na osnovi različnih predstavitev Sklop je sestavljen iz sedmih nalog (2., 4., 6., 8., 9., 11., 13. naloga), ki imajo enako besedilo, vendar vključujejo različne vrste vizualnega gradiva za predstavitev molekulske zgradbe (Slika 2.12, Tabela 2.3).

1 V nadaljevanju poglavja je uporabljena skupna oznaka “učenec” za učeče se na vseh stopnjah šolanja.


22

Slika 2.12: Primer naloge iz KVT, ki ugotavlja pravilnost zaznave prostorske strukture

Tabela 2.3: Različni načini predstavitve zgradbe molekul pri nalogah Zaznava

Trodimenzionalni kroglični model v škatli

Fotografija trodimenzionalnega modela

Računalniški prikaz modela

B D

EF

GH

A C

Barvni shematski zapis modela

Barvni shematski zapis planarnega

modela

Črnobeli shematski zapis modela

Stereokemijska formula


23

(2) Pretvorbe med različnimi predstavitvami V tem sklopu nalog KVT ugotavljamo sposobnost učencev oz. dijakov, da medsebojno pretvarjajo različne predstavitve zgradbe molekul, npr. trodimenzionalne modele, njihove fotografije, statične računalniške modele, stereo-kemijske formule (Slika 2.13). V šestih nalogah (1., 3., 5., 7., 10. in 12. naloga) preverjamo sposobnost učencev za pretvorbo med različnimi vrstami dvo-dimenzionalnih predstavitev. V preostalih dveh nalogah (14. in 15. naloga) pa ugotavljamo sposobnost sestavljanja tro-dimenzionalnega modela molekule iz njene dvo-dimenzionalne predstavitve.

Slika 2.13: Primer naloge na KVT, ki ugotavlja sposobnost učencev oz. dijakov, da medsebojno pretvarjajo različne dvo-dimenzionalne predstavitve zgradbe molekul

2.3.2 Didaktični napotki za uporabo Kemijskega vizualizacijskega testa Priprava na testiranje Posebne priprave učencev ali dijakov na test niso zaželene, če naj bodo rezultati o stanju vizualne pismenosti realni. V skupini naj bo hkrati največ dvanajst učencev oz. dijakov, sicer boste težko nadzorovali njihovo delo, testiranci pa se bodo pri delu ovirali. Pred testiranjem je potrebno pripraviti trodimenzionalne modele za tri od petnajstih nalog na testu. Te naloge so zadnje na testu (13., 14., 15. naloga) in jih lahko učitelj po želji tudi preskoči. Pri tem izgubi povratno informacijo o sposobnosti prenosa med 3D molekulskimi modeli in njihovimi 2D zapisi, zato priporočamo, da jih učitelj kljub potrebni posebni pripravi izvede.


24

(1) Zaznava prostorske strukture molekul na osnovi različnih predstavitev Učitelj naj pred testiranjem po vzorcu fotografije (Tabela 2.3, slika zgoraj levo) za vsakega učenca pripravi kroglični model v škatli. Vpetost modela v škatlo je potrebna pri skupinskem testiranju, saj nedvoumno določa iz katere smeri si naj učenec model ogleda. V primeru individualnega testiranja škatla ni potrebna, saj lahko učitelj neposredno postavi model pred učenca in poda navodila za njegovo opazovanje. (2) Pretvorbe med različnimi predstavitvami Vsak učenec bo pri delu potreboval 6 črnih, 3 rdeče, 11 belih in 1 zeleno kroglic ter 11 kratkih trdih, 6 dolgih trdih ter 4 dolge mehke vezi (Molymod molecular models set). Inventar lahko prilagodite glede na tip modelov, ki jih imate na šoli. 2.3.3 Rezultati testiranja s KVT Kljub temu, da se vam naloge KVT najbrž zdijo zelo preproste, je bilo v predhodnih raziskavah (Ferk et al., v tisku; Ferk, 2003) ugotovljeno, da se težave pri nekaterih učencih lahko pojavijo tudi pri tako elementarnih nalogah. V nadaljevanju bomo predstavili izsledke naših raziskav. (1) Zaznava prostorske strukture molekul na osnovi različnih predstavitev Iz grafa 2.1 lahko razberemo, da uspešnost pravilne zaznave zgradbe molekul zavisi od načina njihove predstavitve.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tipi predstavitve zgradbe molekul

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]

3D kroglični modelFotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modelaBarv. shem. zapis modelaČ-b. shem. zapis modelaStereokemijska formula

Graf 2.1: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah Zaznava v odstotnih deležih

V skladu s pričakovanji so bili testiranci uspešnejši pri prepoznavanju prostorske zgradbe molekul na osnovi konkretnejših predstavitev (3D kroglični model, fotografija 3D krogličnega modela, računalniški model), kot na osnovi bolj abstraktnih predstavitev (shematski zapis, stereokemijska formula).


25

Večina testirancev je najpravilneje prepoznala prostorsko zgradbo molekule na osnovi računalniškega modela (84,7%), le nekoliko manjši delež testirancev pa na osnovi fotografije trodimenzionalnega krogličnega modela (83,1%) oz. na osnovi trodimenzionalnega krogličnega modela (80,6%). Kljub temu, da razlike v uspešnosti med omenjenimi predstavitvami niso velike (manjše od 4%), je rezultat presenetljiv, saj bi pričakovali največjo uspešnost pravilnega zaznavanja zgradbe molekule na osnovi trodimenzionalnega krogličnega modela.

Največ težav je povzročalo testirancem določanje prostorskih odnosov v molekuli na osnovi barvnega (50,8% pravilnih odgovorov) oz. črnobelega (58,1% pravilnih odgovorov) shematskega prikaza molekule, nekoliko uspešnejši pa so bili testiranci pri prepoznavanju prostorske zgradbe molekul na osnovi stereokemijske formule (67,7% pravilnih odgovorov). Rezultati kažejo, da je ob uporabi abstraktnejših načinov predstavitve zgradbe molekul potrebna dodatna razlaga uporabljenih oznak, saj sicer predstavitev za mnoge testirance ne nosi željene informacijske vrednosti.

Pri podrobnejši analizi rezultatov se pokaže, da imajo pri pravilnem zaznavanju prostorske zgradbe molekul pomembno vlogo stopnja šolanja ter razvitost prostorskih in zaznavnih sposobnosti, kot tudi izkušnje z uporabo posameznih načinov predstavitev. V podrobnejši analizi rezultatov nalog tipa Zaznava smo ugotavljali, ali imajo na uspešnost testirancev pri reševanju nalog vpliv stopnja šolanja, spol, prostorske in zaznavne sposobnosti.

• Stopnja šolanja

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

OŠ SŠ F

Stopnja šolanja

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]


Graf 2.2: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah Zaznava po stopnji šolanja v

odstotnih deležih

Iz grafa 2.2 lahko razberemo, da uspešnost reševanja nalog narašča v smeri zviševanja šolske izobrazbe testirancev. Razlike v uspešnosti reševanja nalog


26

so med skupinami testirancev manjše pri prepoznavanju prostorskih odnosov na osnovi trodimenzionalnih krogličnih modelov, zvišujejo pa se z večanjem abstraktnosti prikaza molekul (v smeri od konkretnega trodimenzionalnega krogličnega modela preko fotografij modelov, računalniških in shematskih prikazov modelov do najbolj abstraktnih stereokemijskih formul). Ugotovimo lahko, da so osnovnošolci najpravilneje določali prostorske odnose med atomi v predstavljeni molekuli na osnovi trodimenzionalnega krogličnega modela, nekoliko slabše pa na osnovi fotografije oz. računalniških modelov. Približno 40% osnovnošolcev je pravilno določilo prostorske odnose na osnovi črnobelega shematskega zapisa modela ali stereokemijske formule, manj (23,8%) pa jih je nalogo rešilo pravilno, če je bil model predstavljen z barvnim shematskim zapisom. Rezultate lahko preprosto razložimo, saj trodimenzionalni modeli neposredno izražajo informacijo o prostorski strukturi molekule, v dvodimenzionalnih predstavitvah pa je ta informacija izražena preko projekcije objekta v prostor nižje dimenzije. Nižji delež pravilnih odgovorov ob uporabi stereokemijske formule se ujema s pričakovanji, saj osnovnošolci v okviru rednega pouka niso seznanjeni s tem načinom predstavitve, rezultati pa kažejo, da del učencev kjub temu pozna njihov pomen. Srednješolci so najboljše reševali naloge, kjer so bile molekule predstavljene s fotografijo oz. računalniškim prikazom modelov (89,1%), presenetljivo pa so bili nekoliko manj uspešni (81,0%) pri prepoznavanju prostorskih odnosov iz trodimenzionalnih modelov. Opazimo lahko, da v glavnem razumejo pomen stereokemijskih formul (81,8%). Večje težave so jim povzročali shematski zapisi modelov, pri čemer so nekoliko pravilneje prepoznavali prostorske odnose iz črnobelih shem, kot iz barvnih shem modelov. Razmerja med uspešnostjo reševanja posameznih nalog so bila pri študentih podobna kot pri srednješolcih, le da so bolje razumeli tudi pomen shematskih prikazov modelov. Obarvanost shematskih zapisov molekulskih modelov ne prispeva k boljšemu dojemanju prostorskih odnosov, pri osnovnošolcih in srednješolcih opazimo celo negativen vpliv na pravilnost dojemanja le-teh. Nekateri testiranci so predvidevali, da z barvami označujemo položaj posameznih atomov v prostoru: s toplimi barvami naj bi obarvali manj oddaljene dele molekule, s hladnimi barvami pa bolj oddaljene dele modela molekule. Da bi dodatno preverili informacijsko vrednost, ki jo imajo za testirance shematski prikazi molekul, smo v sklop nalog tipa Zaznava v Kemijskem vizualizacijskem testu uvrstili še barvni shematski prikaz hipotetične ravninske molekule (6. naloga). Rezultati kažejo, da so to nalogo testiranci reševali bistveno slabše (f%(OŠ)=14,3%; f%(SŠ)=3,6%; f%(F)=3,7%), kot 11. nalogo, kjer je z barvnim shematskim zapisom modela predstavljena prostorska molekula (f%(OŠ)=23,8%; f%(SŠ)=58,2%; f%(F)=77,8%). Ugotovimo lahko tudi, da so 6. nalogo testiranci reševali slabše tudi od 9. naloge (f%(OŠ)=40,5%; f%(SŠ)=61,8%; f%(F)=77,8%), kjer je bila s črnobelim shematskim zapisom predstavljena “podobna”, vendar prostorska molekula. V splošnem velja, da prikazujemo v shematskih prikazih prostorske odnose s pomočjo prekrivanja


27

bolj oddaljenih delov predmeta s tistimi deli, ki so bližje. Za ravninske predmete tega prekrivanja v shematskih prikazih ni, saj so vsi deli predmeta enako oddaljeni. Na osnovi rezultatov lahko sklepamo, da informacije o planarni strukturi molekule shematski molekulski modeli ne posredujejo dovolj jasno (manj nejasnosti je ob prikazu prostorskih molekul), ampak na odločitev testirancev o oddaljenosti posameznih delov molekule v veliki meri vpliva tudi njihova obarvanost. • Spol

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Moški Ženske

Spol

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]

3D kroglični modelFotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modelaBarv.shem.zapis modelaČ-b.shem.zapis modelaStereokemijska formula

Graf 2.3: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah Zaznava po spolu v odstotnih deležih

Iz grafa 2.3 razberemo, da so pri reševanju večine nalog tipa Zaznava nekoliko uspešnejša dekleta, fantje pa so pravilneje rešili nalogi, kjer so bile molekule predstavljene z računalniškim prikazom oz. črnobelim shematskim zapisom. Razlike v uspešnosti reševanja nalog so med spoloma majhne (< 4%), ko so molekule predstavljene s trodimenzionalnim krogličnim modelom, računalniškim prikazom modela oz. črnobelim shematskim zapisom. Nekoliko večje razlike med spoloma se pokažejo v uspešnosti reševanja nalog, kjer so molekule predstavljene s fotografijo trodimenzionalnega krogličnega modela (Ž za 21,0% boljše od M), barvnim shematskim zapisom modela (Ž za 11,5% boljše od M) in stereokemijsko formulo (Ž za 17,2% boljše od M).


28

• Prostorske sposobnosti

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Slabši Povprečni Boljši

Stopnja razvitosti prostorskih sposobnosti

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]

3D kroglični modelFotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modelaBarv.shem.zapis modelaČ-b. shem. zapis modelaStereokemijska formula

Graf 2.4: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah Zaznava v odstotnih deležih po

stopnji razvitosti prostorskih sposobnosti

Iz grafa 2.4 razberemo, da obstajajo razlike v dosežkih testirancev glede na stopnjo razvitosti prostorskih sposobnosti za večino vrst uporabljenih molekulskih modelov. Skupina testirancev s povprečno razvitimi prostorskimi sposobnostmi je vse naloge, ne glede na tip predstavitve molekule, rešila uspešneje od skupine s slabše razvitimi prostorskimi sposobnostmi. Med skupino s povprečno razvitimi in skupino z boljše razvitimi prostorskimi sposobnostmi so razlike v korist boljše razvitih sposobnosti manjše. Pri nalogah, kjer so modeli predstavljeni s shematskim zapisom, se je skupina s povprečno razvitimi prostorskimi sposobnostmi celo nekoliko bolje odrezala od skupine z boljše razvitimi prostorskimi sposobnostmi.

• Zaznavne sposobnosti

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Stopnja razvitosti zaznavnih sposobnosti

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov[%

]


Graf 2.5: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah Zaznava v odstotnih deležih po stopnji razvitosti zaznavnih sposobnosti


29

Ugotovimo lahko, da obstajajo razlike v uspešnosti testirancev pri nalogah tipa Zaznava glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti za vse vrste predstavitve molekul. Iz grafa 2.5 razberemo, da so testiranci iz vseh treh skupin dobro reševali naloge, kjer so bile molekule predstavljene s trodimenzionalnim krogličnim modelom, fotografijo trodimenzionalnega krogličnega modela ali računalniškim prikazom modela. V skupini testirancev z boljše razvitimi zaznavnimi sposobnostmi pa opazimo še podobno uspešnost pri reševanju nalog ob uporabi stereokemijske formule. Ugotovimo lahko, da so imele vse skupine največ težav pri reševanju nalog s shematskim zapisom modela. Testiranci iz skupin s slabše oz. povprečno razvitimi zaznavnimi sposobnosti so nekoliko boljše reševali naloge, kjer so molekule predstavljene s črnobelimi shematskimi modeli, kot z barvnimi shematskimi modeli (obarvanost modelov deluje kot motnja), medtem ko opazimo v skupini z boljše razvitimi zaznavnimi sposobnostmi ravno obratno (obarvanost okrepi pravilno zaznavanje). Največje razlike med skupinami z različno stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti se pokažejo pri 4. nalogi, kjer je molekula predstavljena s stereokemijsko formulo (Povprečni boljši od Slabših za 13,3%; Boljši boljši od Povprečnih za 26,7%). Ob primerjavi grafa 2.4 in grafa 2.5 lahko ugotovimo, da ima stopnja razvitosti zaznavnih sposobnosti testirancev prevladujoč vpliv na uspešnost reševanja nalog Zaznava na Kemijskem vizualizacijskem testu, nekoliko manjši, vendar še zmeraj pomemben vpliv ima stopnja razvitosti prostorskih sposobnosti. (2) Pretvorbe med različnimi predstavitvami Tudi za skop nalog, s katerimi smo preučevali sposobnost pretvorbe med različnimi predstavitvami molekulske zgradbe, smo preučili vpliv stopnje šolanja, spola ter prostorskih in zaznavnih sposobnosti na uspešnost reševanja nalog.


30

(2a) Pretvorbe med različnimi dvodimenzionalnimi predstavitvami • Stopnja šolanja

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

OŠ SŠ F

Stopnja šolanja

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]

Fotog. 3D krogličnega modela ---> rač. prikaz modela

Fotog. 3D krogličnega modela ---> stereokemijska formula

Rač. prikaz modela ---> fotog. 3D krogličnega modela

Rač. prikaz modela ---> stereokemijska formula

Stereokemijska formula ---> rač. prikaz modela

Stereokemijska formula ---> stereokemijska formula

Graf 2.6: Prikaz odstotnega deleža pravilnih odgovorov pri nalogah medsebojne pretvorbe

med 2D predstavitvami po stopnji šolanja Iz grafa 2.6 razberemo, da uspešnost reševanja nalog, za vse vrste predstavitve molekul, narašča v smeri zviševanja stopnje šolanja testirancev. Vse tri skupine testirancev so bile na osnovi fotografije trodimenzionalnega krogličnega modela nekoliko uspešnejše pri prepoznavanju računalniškega prikaza, kakor stereokemijske formule molekule. Pri prepoznavanju drugih vrst predstavitve molekule na osnovi računalniškega modela so bili osnovnošolci nekoliko uspešnejši pri miselni pretvorbi v stereokemijsko formulo molekule, kot v fotografijo 3D krogličnega modela. Pri srednješolcih lahko opazimo prav obratno, študentje pa so bili pri obeh pretvorbah enako uspešni. Vse tri skupine testirancev so na osnovi stereokemijske formule uspešneje prepoznavale nekoliko zarotirano stereokemijsko formulo molekule kot računalniški prikaz modela, kar je razumljivo, saj je v prvem primeru miselna operacija glede na stopnjo abstraktnosti predstavitve molekule poenostavljena. Ob podrobnejši analizi deleža posameznih odgovorov v odvisnosti od stopnje šolanja ugotovimo, da je v vseh treh skupinah večina testirancev izbrala pravilni odgovor. Razpršenost odgovorov je največja pri osnovnošolcih, nekoliko manjša pri srednješolcih in najmanjša pri študentih, ki so nekaj nalog rešili vsi popolnoma pravilno.


31

• Spol

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Moški Ženske

Spol

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%] Fotog. 3D krogličnega modela

---> rač. prikaz modelaFotog. 3D krogličnega modela ---> stereokemijska formulaRač. prikaz modela ---> fotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modela ---> stereokemijska formulaStereokemijska formula ---> rač. prikaz modelaStereokemijska formula ---> stereokemijska formula


med 2D predstavitvami glede na stopnjo abstraktnosti molekulske predstavitve” po spolu

Iz grafa 2.7 razberemo, da so bila dekleta pri pretvarjanju med različnimi vrstami predstavitve molekul nekoliko uspešnejša od fantov. Razlike med dekleti in fanti lahko opazimo pri prepoznavanju drugih vrst predstavitev na osnovi fotografije 3D krogličnega modela pri čemer so dekleta za 15% boljše od fantov prepoznavala računalniške prikaze modela in stereokemijske formule molekule. Na osnovi stereokemijske formule so dekleta za 16% boljše od fantov prepoznavala računalniške modele, v primeru miselne pretvorbe v zarotirano stereokemijsko formulo molekule pa je bila razlika med spoloma neznatna (2,1%). Uspešnost prepoznavanja drugih vrst predstavitve molekul na osnovi računalniškega modela je bila med spoloma primerljiva (razlike manjše od 4%).


Iz grafa 2.8 lahko razberemo, da obstajajo razlike v sposobnosti medsebojne pretvorbe med različnimi 2D predstavitvami glede na stopnjo razvitosti prostorskih predstav testirancev, saj so bili testiranci pri reševanju nalog za vse vrste predstavitve molekul tem uspešnejši, čim boljše so njihove prostorske sposobnosti. Ob podrobnejši analizi deleža posameznih odgovorov v odvisnosti od razvitosti prostorskih sposobnosti lahko ugotovimo, da je razpršenost nepravilnih odgovorov največja pri testirancih iz skupine s slabše razvitimi prostorskimi sposobnostmi in najmanjša pri testirancih z boljše razvitimi prostorskimi sposobnostmi.


32

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100



Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [


---> rač. prikaz modelaFotog. 3D krogličnega modela---> stereokemijska formulaRač. prikaz modela ---> fotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modela ---> stereokemijska formulaStereokemijska formula ---> rač. prikaz modelaStereokemijska formula ---> stereokemijska formula


med različnimi 2D predstavitvami po stopnji razvitosti prostorskih sposobnosti • Zaznavne sposobnosti

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100



Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [


---> rač. prikaz modelaFotog. 3D krogličnega modela ---> stereokemijska formulaRač. prikaz modela ---> fotog. 3D krogličnega modelaRač. prikaz modela ---> stereokemijska formulaStereokemijska formula ---> rač. prikaz modelaStereokemijska formula ---> stereokemijska formula


2D predstavitev po stopnji razvitosti zaznavnih sposobnosti Iz grafa 2.9 lahko ugotovimo, da obstajajo razlike v uspešnosti reševanja večine nalog, ki zahtevajo medsebojno pretvorbo različnih 2D predstavitev glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti (izjemi sta: prepoznavanje stereokemijske formule na osnovi fotografije 3D krogličnega modela in prepoznavanje fotografije 3D krogličnega modela na osnovi računalniškega modela).


33

Podrobnejša analiza deleža posameznih odgovorov v odvisnosti od razvitosti zaznavnih sposobnosti pokaže, da je večina testirancev iz vseh treh skupin pravilno odgovorila, vendar je tudi v tem primeru razpršenost nepravilnih odgovorov največja pri testirancih iz skupine s slabše razvitimi sposobnostmi zaznave in najmanjša pri testirancih z boljše razvitimi sposobnostmi zaznave. Ob primerjavi grafov 2.8 in 2.9 ugotovimo, da korelacija med uspešnostjo reševanja tovrstnih nalog in sposobnostmi zaznave ni tako izrazita kot povezava z razvitostjo prostorskih sposobnosti. (2b) Pretvorbe dvodimenzionalnih predstavitev v trodimenzionalne • Stopnja šolanja

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

OŠ SŠ F

Stopnja šolanja

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]

Fotog. 3D krogl. modela --->3D krogl. modelStereokemijska formula --->3D krogl. model

Graf 2.10: Prikaz odstotnega deleža pravilnih odgovorov pri nalogah pretvorbe 2D

predstavitev v 3D po stopnji šolanja Iz grafa 10 razberemo, da so vse tri skupine testirancev zelo uspešno sestavile trodimenzionalni molekulski model na osnovi fotografije modela (uspešnost > 97%). Pri tem so bile uspešnejše, kot na osnovi njegovega prostorskega simbolnega zapisa. Razlike v uspešnosti reševanja nalog, ki izhajajo iz uporabe različnih vrst molekulskih modelov za predstavitev zgradbe molekule, so pri osnovnošolcih in srednješolcih precejšnje (f%(OŠ)=23,5%; f%(SŠ)=25%), medtem ko so pri študentih majhne (f%(F)=3,7%). Presenetljiva je uspešnost osnovnošolcev pri sestavljanju modelov na osnovi stereokemijske formule, kljub temu, da pri rednem pouku kemije praviloma še niso seznanjeni z njimi. Tudi pri analizi specifičnih težav pri sestavljanju trodimenzionalnih krogličnih modelov glede na stopnjo šolanja ugotovimo, da so specifične težave večje, če testiranci nalogo rešujejo na osnovi stereokemijske formule molekule, kot pa na osnovi fotografije modela. Osnovnošolci in srednješolci imajo v prvem primeru precej več težav s pravilno prostorsko orientacijo molekule (za 21,8%


34

v OŠ; za 17,5% v SŠ), težav s pravilno označbo dvojnih vezi (za 15,6% v OŠ; za 16,8% v SŠ), zviša se delež manjkajočih atomov v sestavljenem modelu (za 9,4% v OŠ; za 8,8% v SŠ) ter delež popolnoma napačno sestavljenih modelov (za 11,7% v OŠ; za 7,3% v SŠ). Študenti so zelo uspešno rešili obe nalogi, nekoliko (za 3,7%) se je povečal le delež težav s pravilnim označevanjem dvojnih vezi pri sestavljanju trodimenzionalnega modela na osnovi stereokemijske formule.

• Spol

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Moški Ženski

Spol

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]


Graf 2.11: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah pretvorbe 3D predstavitev v 3D po

spolu v odstotnih deležih Iz grafa 2.11 razberemo, da so tako dekleta kot fantje bistveno bolje rešili nalogo na osnovi fotografije trodimenzionalnega molekulskega modela kot na osnovi njegovega prostorskega simbolnega zapisa. Razlike med spoloma so majhne, nekoliko uspešnejši pa so bili fantje, npr. pri sestavljanju modelov na osnovi prostorskega simbolnega zapisa so bili fantje boljši za 7%, na osnovi stereokemijske formule pa le za 0,8%. Delež testirancev s specifičnimi težavami pri sestavljanju trodimenzionalnega krogličnega modela (pravilna prostorska orientacija molekule, težave s pravilnim označevanjem dvojne vezi, delež manjkajočih atomov v sestavljenem modelu, delež popolnoma napačno sestavljenih modelov) na osnovi fotografije pri nobenem spolu ne presega 3,5%. V uspešnosti reševanja naloge med spoloma ni večjih razlik, prav tako so razlike v uspešnosti testirancev majhne glede na različne stopnje šolanja. Tudi specifične težave testirancev pri sestavljanju trodimenzionalnega krogličnega modela na osnovi stereokemijske formule, niso povezane s spolom, saj se težave v primerljivem deležu pojavljajo tako pri dekletih kot fantih. Bistvenih razlik v deležu specifičnih težav pa ne opazimo niti med osnovnošolci (osnovnošolkami) in srednješolci (srednješolkami).


35


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100



Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]


Graf 2.12: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah pretvorbe 2D predstavitev v 3D po stopnji razvitosti prostorskih sposobnosti v odstotnih deležih Iz grafa 2.12 razberemo, da so vse tri skupine testirancev bistveno bolje reševale nalogo, ko so izhajali iz fotografije trodimenzionalnega modela, kot kadar so izhajali iz stereokemijske formule. Razlike glede na prostorske sposobnosti učencev so bolj izrazite pri nalogi sestavljanja trodimenzionalnega krogličnega modela na osnovi stereokemijske formule in nekoliko manj pri sestavljanju na osnovi fotografije trodimenzionalnega modela. Najbolj izrazite razlike v korist uporabe fotografije modela opazimo za skupino testirancev s slabše razvitimi prostorskimi sposobnostmi (npr. v primeru specifičnih težav s pravilno označitvijo dvojne vezi pri SŠ celo za 52,6%). Testiranci s povprečno razvitimi prostorskimi sposobnostmi so kar za 32% uspešneje sestavljali kroglične modele na osnovi stereokemijske formule od testirancev s slabše razvitimi prostorskimi sposobnostmi (Graf 2.12). Ob analizi specifičnih težav testirancev pri sestavljanju molekulskih modelov na osnovi prostorskega simbolnega zapisa molekule pa ugotovimo, da so imeli največ težav pri pravilnem prostorskem orientiranju molekule in s pravilnim označevanjem dvojne vezi. V skupini testirancev s slabše razvitimi prostorskimi sposobnostmi je delež specifičnih težav pri sestavljanju modelov na osnovi stereokemijske formule nekoliko višji pri srednješolcih kot pri osnovnošolcih, najmanj specifičnih težav v tej skupini pa zasledimo pri študentih. Pri skupinah testirancev s povprečno oz. boljše razvitimi prostorskimi sposobnostmi so razlike v uspešnosti sestavljanja modela glede na stopnjo šolanja majhne.


36

• Zaznavne sposobnosti

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100



Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov [

%]


Graf 2.13: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah pretvorbe 2D predstavitev v 3D po

stopnji razvitosti zaznavnih sposobnosti Tudi iz analize podatkov glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti (Graf 2.13) razberemo, da so vse tri skupine testirancev boljše reševale nalogo, ko so izhajale iz fotografije trodimenzionalnega modela, kot takrat, ko so izhajale iz stereokemijske formule. Ugotovimo lahko, da obstajajo razlike v dosežkih pri tovrstnih nalogah glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti, razlike v dosežkih so tudi tokrat bolj izrazite pri nalogi sestavljanja trodimenzionalnega krogličnega modela na osnovi stereokemijske formule, kot pri sestavljanju modela na osnovi njegove fotografije. Podrobnejša analiza pokaže, da so imeli največ težav pri sestavljanju modela na osnovi njegove fotografije osnovnošolci s slabše razvitimi zaznavnimi sposobnostmi, delež nepravilno sestavljenih modelov gre v tem primeru pripisati težavam s pravilno uporabo paličic za ponazoritev dvojnih vezi (10,5%) oz. sestavljanju modelov z manjkajočimi atomi (10,5%). Skupini osnovnošolcev s povprečno oz. boljše razvitimi zaznavnimi sposobnostmi ter srednješolci in študentje (ne glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti) pri sestavljanju modela na osnovi fotografije v glavnem niso imeli večjih specifičnih težav (< 3,3%). Specifične težave testirancev pri sestavljanju modela na osnovi streokemijske formule imajo vse tri skupine testirancev, ne glede na stopnjo razvitosti zaznavnih sposobnosti, največ je težav s pravilno prostorsko orientacijo modelov in pravilno uporabo paličic za ponazoritev dvojnih vezi.


37

• Uporaba modelov pri pouku kemije

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

N V P N V P

Odgovori

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov

Nikoli Včasih Pogosto OŠ SŠ

Graf 2.14: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah medsebojne pretvorbe različnih

predstavitev zgradbe molekul glede na pogostost uporabe molekulskih modelov pri pouku kemije

Iz grafa 2.14 razberemo, da so bili osnovnošolci in srednješolci pri sestavljanju trodimenzionalnih molekulskih modelov na osnovi stereokemijske formule uspešnejši, če imajo več izkušenj z uporabo molekulskih modelov pri pouku kemije.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

P U P+U P U P+U

Odgovori

Del

ež p

ravi

lnih

odg

ovor

ov

Profesor Učenci Prof. in učenci OŠ SŠ

Graf 2.15: Prikaz deleža pravilnih odgovorov pri nalogah medsebojne pretvorbe različnih

predstavitev zgradbe molekul glede na to, kako aktivno učenci molekulske modele uporabljajo pri pouku

Iz grafa 2.15 razberemo, da uspešnost pri sestavljanju molekulskih modelov na osnovi stereokemijske formule narašča z aktivnim vključevanjem učencev in dijakov v delo z molekulskimi modeli. Kadar molekulske modele pri pouku kemije aktivno uporabljajo tako dijaki kot tudi njihovi profesorji, je uspešnost še nekoliko večja.


38

2.3.4 Didaktični pomen rezultatov Pri preučevanju pomena uporabe različnih vrst predstavitve zgradbe molekul se je pokazalo, da navidezno preprosta naloga zaznave trodimenzionalne strukture molekule dela težave nekaterim učencem, dijakom ali študentom. Le-ti so bili uspešnejši pri reševanju nalog, pri katerih so bile molekule predstavljene s fotografijo trodimenzionalnega krogličnega modela oz. računalniškim modelom, kot pri predstavitvi z bolj abstraktnim shematskim oz. simbolnim zapisom molekule. V skladu z našimi predvidevanji, se razlike v uspešnosti reševanja nalog, ob uporabi različnih vrst molekulskih predstavitev, zmanjšujejo v smeri višje stopnje šolanja. Najmanjše so pri študentih, vendar tudi pri njih niso zanemarljive. Rezultati vsekakor opozarjajo, da je potrebno temu elementarnemu procesu nameniti več pozornosti in preveriti ali so učenci, dijaki in študenti osvojili to spretnost preden nadaljujemo z novo snovjo, pri kateri je ta spretnost potrebna. Rezultati tudi kažejo povezavo med pogostostjo uporabe trodimenzionalnih modelov pri pouku in številom točk, ki so jih testiranci dosegli na Kemijskem vizualizacijskem testu. Dijaki in študenti so bili uspešni tudi pri reševanju nalog s stereokemijskimi formulami molekul, učenci so imeli pri tem nekaj težav, saj z njimi pri pouku še niso bili seznanjeni. Prav gotovo ti rezultati govorijo o pomenu izkušenj pri uporabi posameznega tipa predstavitve molekulske zgradbe, ki ugodno vplivajo na rezultate testirancev. Testiranci so bili pri pretvarjanju med različnimi načini dvodimenzionalnih predstavitev molekulskih modelov oz. med modeli in stereokemijskimi formulami v glavnem uspešni. Razpršenost odgovorov je največja pri osnovnošolcih, nekoliko manjša pri srednješolcih in najmanjša pri študentih, ki so vsi rešili nekaj nalog popolnoma pravilno. Iz rezultatov lahko povzamemo, da je predvsem na nižjih stopnjah šolanja priporočljiva uporaba trodimenzionalnih modelov oz. njihovih fotografij ali računalniških modelov. Stereokemijski zapis strukture molekule je osnovnošolcem tuj, zato ga je primerno nadomestiti z manj abstraktnimi molekulskimi predstavitvami, primeren pa je za ponazoritev zgradbe molekul na srednješolskem in višjih nivojih šolanja. Ugotovitve naše raziskave podpirajo priporočila iz literature, ki svetujejo uporabo kombinacije različnih vrst molekulskih predstavitev, saj posamezniki določene vrste predstavitev različno dobro dojemajo. Z uporabo različnih vrst molekulskih predstavitev pa hkrati spodbujamo tudi pravilnejše dojemanje narave modelov in spodbujamo pri učencih sposobnosti oblikovanja molekulskih modelov na osnovi pridobljenega znanja.


39

2.4 Didaktična priporočila pri delu z modeli

1. Preden začnemo z delom z molekulskimi modeli, moramo učence opozoriti na pomen besede “model”. Namreč še tako dober model ne more v popolnosti predstaviti modeliranega pojma, predmeta ali ideje, zato ne smemo pričakovati, da se bo modeliran predmet obnašal tako, kot smo predvideli z modelom.

2. Spodbudimo učence k diskusiji v kateri bodo primerjali modele s sub-mikroskopskim svetom delcev, ki ga predstavljajo (npr. obarvanje atomov, velikost delcev, povezovanje delcev, statičnost delcev, ipd.).

3. Zaželjeno je, da pri poučevanju uporabljamo različne vrste molekulskih modelov (npr. kroglične, kalotne, žične), da lahko upoštevamo njihove omejitve. Pri tem lahko uporabljamo tradicionalne trodimenzionalne modele ali pa njihove računalniške analoge, ki omogočajo neposreden prenos med različnimi vrstami modelov.

4. Pravilna uporaba modelov ima pozitiven vpliv na razumevanje delčne narave snovi in njenih lastnosti in vrsta raziskav priporoča njihovo uporabo pri naslednjih vsebinah: (1) uvajanje in ponazoritev pojmov (npr. atomska orbitala, atom, molekula, kemijska vez, kristal, prostorska zgradba molekul, vezni koti, homogene, heterogene zmesi), (2) predstavitev zgradbe specifičnih molekul in kristalov, (3) ponazoritev molekulske dinamike, (4) ponazoritev soodvisnosti med zgradbo in lastnostmi ter aktivnostjo, (5) ponazoritev fizikalnih in kemijskih sprememb in poteka kemijskih reakcij, (6) ponazoritev pojma izomerija, (7) ponazoritev zakonitosti (npr. zakon o ohranitvi mase, zakon o stalni sestavi spojin).

5. Zavedati se moramo, da lahko prenos informacij o zgradbi molekule iz trodimenzionalnega sveta modelov v dvodimenzionalni zapis oz. pretvorbe med različnimi dvodimenzionalnimi zapisi predstavljajo nekaterim učencem oz. dijakom težave. Zato moramo ugotavljanu morebitnih težav posvetiti dovolj pozornosti in jih odpraviti preden nadaljujemo z novo snovjo.

6. Abstraktne predstavitve molekulske strukture pogosto vsebujejo dogovorjene oznake (npr. prekrivanje krožcev s črtami v shematskih predstavitvah ali prostorske oznake v sterokemijskih formulah, ipd.), ki so ključne za učinkovito prepoznavanje molekulske strukture. Poskrbimo, da jih bodo učenci poznali in utrdili.

7. Modeli so lahko zelo uporaben pripomoček tudi pri izvajanju miselnih operacij v prostoru (npr. rotacija, zrcaljenje). Kljub uporabnosti modelov pa se moramo poprej prepričati, da učenci, dijaki oz. študenti razumejo prostorske operacije, saj si v nasprotnem primeru tudi z modeli ne bodo znali pomagati.


40

3. Vplivi na zaznavnost in razlago video izvlečkov poskusov 3.1 Poskus kot sredstvo vizualizacije Pri utemeljujevanju pomena poskusov v šoli pogosto navajamo motivacijo kot enega od ključnih vzrokov za izvajanje poskusov. Motivacija mora biti integralni del vsake aktivnosti, tudi učiteljeve razlage, branja besedil, delanja domačih nalog, razprave. Enako velja tudi za poskuse, motivacija je lahko samo eden od elementov poskusov, saj se moramo zavedati, da je vsak poskus ekonomska kategorija. Kot ekonomska kategorija ima poskus svojo ceno, in bili bi skrajno slabi gospodarji, če bi zlivali denar v odtočne cevi ali ga metali v zbiralnike za smeti zgolj zaradi motivacije. Poskus v šoli mora biti podpora razumevanju pojmov, saj ima močan vizualizacijski učinek. Strateško pravilno vključen poskus v razlago novih pojmov povezuje in osmišlja tri osnovne ravni zaznave kemijskih pojmov: makroskopsko, sub-mikroskopsko in simbolno. Zato mora biti praviloma poskus, izveden kot demonstracija ali individualno/skupinsko delo učencev/dijakov, sestavni del vsake razlage.

Ker je poskus ekonomska kategorija, se kaže vprašati, kako izvajati poskuse, da bo z minimalnimi materialnimi stroški dosežen kar največji učni učinek. Tudi na tem področju nam v znatni meri pomaga sodobna informacijsko-komunikacijska tehnologija. Posnetki poskusov, ki so dostopni na zgoščenkah in/ali na medmrežju ter njihova razlaga z uporabo animacijskih programov omogočajo samostojno ali sodelovalno učenje, ki ni več nujno vezano na šolsko uro, šolski laboratorij in dostopnost kemikalij ali laboratorijske opreme. Uporaba multimedijskih posnetkov poskusov je tudi cenovno zelo ugodna, saj ne zapravljamo dragih reagentov in ne potrebujemo laboratorijske opreme, posnetke istega poskusa si je mogoče večkrat ogledati, za iste ali sorodne pojme pa lahko izbiramo različne eksperimentalne ponazoritve. Odpadejo tudi problemi z odpadnimi reagenti in problemi varnosti. Nasprotniki uporabe informacijsko-komunikacijske tehnologije pri kemiji navajajo sicer močne razloge, s katerimi utemeljujejo neprimernost uporabe posnetkov poskusov, saj z njimi ne moremo razviti pravega občutka za kemijo in eksperimentalnih spretnosti. To je seveda res, vendar pa celo bolj bogate države kot je Slovenija prehajajo na uporabo IKT v izobraževanju, saj izračuni kažejo, da sicer kvalitetnega množičnega izobraževanja ne bo več moč zagotavljati iz proračunskih sredstev pa naj bodo ta še tako radodarna. Prav tako ne smemo pozabiti, da je kemija v večini programov osnovne in srednje šole v funkciji splošnoizobraževalnega predmeta, kar pomeni, da ni osnovni cilj poučevanja in učenja kemije razvijati eksperimentalne veščine, pač pa razvijati razumevanje naravnih pojavov in odnosa do kemije in kemijske industrije.

V raziskavi (Režek Donev, 2000) smo preverjali razumevanje dveh poskusov, ki so bili izvedeni na štiri različne načine: (1) kot multimedijska predstavitev, ki so jo učenci/dijaki spremljali na računalniku v paru, (2) kot laboratorijska izvedba v paru, (3) kot multimedijska predstavitev, posredovana prek LCD prikazovalnika in (4) kot učiteljeva demonstracija z razlago. Sodelovalo je 80 naključno izbranih osnovnošolcev in 100 srednješolcev. Rezultati so pokazali, da je imela na razumevanje poskusov pri osnovnošolcih največji učinek


41

učiteljeva demonstracija z razlago, nekoliko slabši so bili rezultati na po-testu (v povprečju za 5%) v primeru, da je bila učencem posredovana demonstracija na LCD prikazovalniku ali pa da so v paru izvajali poskusa v laboratoriju, najslabše rezultate so dosegli na po-testu učenci, ki so v paru delali samostojno z multimedijskim prikazom obeh poskusov na računalniku. Pri srednješolcih so bili najboljši rezultati na po-testu doseženi v skupini, ki je izvajala poskusa v laboratoriju, v povprečju le 4% slabše so se po znanju izkazali tisti, ki so poskusa spremljali na multimedijskem prikazu v parih, najslabši pa je bil rezultat srednješolcev, ki so opazovali oba poskusa prek LCD prikazovalnika. Sklepamo, da so osnovnošolci premalo zreli za povsem samostojno delo in nujno potrebujejo učiteljevo vodenje in usmerjanje, nasprotno pa so srednješolci že znatno bolj navajeni samostojnega dela in jim le-to predstavlja celo dodaten izziv, saj so v obeh primerih, ko so delali samostojno, dosegli boljše rezultate kot ob učiteljevi razlagi in demonstraciji ali prikazovanju poskusov prek LCD prikazovalnika. Čeprav rezultatov ne kaže posploševati, lahko ugotovimo, da se učiteljeva vloga pri uporabi multimedijske tehnologije pri prikazovanju poskusov ne bo zmanjšala, postala bo le drugačna. Učitelj bo moral ob poskusih razvijati sposobnost zaznave, ki je ključni element naravoslovne – kemijske vizualne pismenosti. Poglobljena analiza vzrokov, zakaj so zlasti osnovnošolci pri samostojnem delu z multimedijskim prikazom poskusov dosegli slabše rezultate je pokazala, da je bil eden ključnih vzrokov v tem, da nekaterih ključnih sprememb sploh niso opazili ali pa se jim niso zdele pomembne. Šele učiteljeva demonstracija, pri kateri so bili opozorjeni na ključne stopnje poskusa, jim je omogočila tudi boljše spremljanje sprememb in s tem tudi lažje razumevanje. 3.2 Razvijanje zaznave sprememb pri poskusih Za ugotavljanje sposobnosti zaznave sprememb in za razvijanje sposobnosti zaznave sprememb pri poskusih smo v sklopu projekta razvili dva testa zaznavnosti poskusov (TZP A in B; Ferk, 2000, 2003). Oba testa sta bila na osnovi rezultatov testiranja dopolnjena in optimizirana. Vsak od obeh testov je sestavljen iz šestnajstih enakih poskusov. Razlika med obema testoma so le dodani elementi, ki naj bi prispevali k lažji zaznavnosti sprememb in razlagi opažanj. S testoma lahko ugotavljamo, kako vplivajo: spremno besedilo k poskusu, zvok, podnapisi, formule in enačbe na zaznavnost sprememb in sposobnost razlage opažanj. Trinajst poskusov prikazuje spremembe na makroskopski ravni, dva na sub-mikroskopski ravni in eden na simbolni ravni. Vsebinsko izbrani poskusi ponazarjajo protolitske reakcije, pri katerih nastajajo težko topne oborine ali plini, oksidacijsko redukcijske reakcije in fizikalne spremembe kot so taljenje, solvatacija oz. hidratacija ter uparevanje in kondenzacija. Poskusi so izbrani tako, da je možna nazorna zaznava sprememb. Šest poskusov je bilo razvitih v multimedijskem laboratoriju NTF-KII, eden na Univerzi v Mariboru, Pedagoška fakulteta (Peruš, 1999) šest je bilo vzetih iz zgoščenke Chemistry: Molecules, Matter, and Change (Jones in Atkins, 1997). Loreta Jones je partnerica na projektu. Dve 3D animaciji sta tudi povzeti po istem tujem viru, 2D animacija nukleofilne substitucije pa je bila razvita na NTF-KII. Specifikacijski tabeli obeh testov sta podani v nadaljevanju. Iz tabel lahko razberemo razlike v dodanih elementih pri poskusih v testu TZP A in TZP B (Tabeli 3.1 in 3.2).


42

Tabela 3.1: Test zaznavnosti poskusov TZP A

št. naloga slike filmi podnapisi kem. reakc. zvok govor preverjamo pojmi

1

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv podnapisov na

razlago kemijskega procesa.

Reakcija med vodno raztopino NaHCO3 in konc. HCl; gorenje bencina; lastnosti ogljikovega dioksida – gašenje.

2

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv spremnega govora

na razlago kemijskega procesa.

Obarjalne reakcije; raztopina Pb(NO3)2 in KF(aq), KCl(aq), KBr(aq) in KI (aq); barva in izgled oborin.


43

št. naloga slike filmi podnapisi kem. rkc. zvok govor preverjamo pojmi

3

ne da ne ne ne da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv spremnega govora

na razlago kemijskega procesa.

Izhlapevanje tekočega dušika; kondenzacija vodne pare v okolici.

4

ne da da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv podnapisov na


Izhlapevanje in gorenje acetona; eksotermna reakcija.


44


5

ne da ne da ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.

enačbe na razlago kemijskega procesa.

Raztapljanje CuO v razredčeni žveplovi(VI) kislini; izparevanje; nastajanje brezvodnega bakrovega sulfata(VI).

6

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.


Redukcija srebrovih ionov v vodni raztopini z bakrom; nastajanje bakrovega nitrata in srebra.

7

ne da da da ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.


• Vpliv podnapisov na razlago kemijskega procesa.

Obarjalna reakcija med srebrovimi in kloridnimi ioni; lastnosti srebrovega klorida.


45


8




Oksidacija vodikovega peroksida s K2Cr2O7; dokaz kisika – gorenje.

9



• Vpliv zvoka (poka) na razlago kemijskega procesa.

Samovžig ogljikovega sulfida; sproščanje energije; vžig filtrirnega papirja.

10

da ne da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Informacijsko vrednost

slike/filma za opis poteka poskusa.

Reakcija natrija z vodo; Nastajanje vodne raztopine natrijevega hidroksida; gorenje vodika.


46


11

ne da da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Informacijsko vrednost


Gorenje magnezija; sproščanje svetlobe; nastajanje magnezije-vega oksida.

12

ne da da da ne da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.


• Vpliv spremnega govora na razlago kemijskega procesa.

Plamenske reakcije; atomska emisijska spektrosko-pija.


47


13

ne da ne da (pisno) ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.

enačbe na razlago kemijskega procesa – kem. enačbo zapišemo.

Razpad amonijevega bikromata(VI); eksotermna reakcija; aktivacijska energija.

14

Računalniški modeli. da ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje animacije. • Pomen (ne)podane

povezave med modeli in simbolnimi oznakami.

Animacija taljenja ledu na sub-mikroskopski ravni.


48

št. naloga nivo gibanje oznake preverjamo pojmi

15

Računalniški modeli. da da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje animacije. • Pomen podane povezave

med modeli in simbolnimi oznakami.

Animacija raztapljanja kristala natrijevega klorida v vodi; solvatacija.

16

Simbolni zapis kem. reakcije.

ne / • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje simbolnega

zapisa. • Vrednost (ne)animiranega

simbolnega zapisa.

Mehanizem nukleofilne substitucije prvega reda; primer sinteze 2-metilpent-2-ola.


49

Tabela 3.2: Test zaznavnosti poskusov TZP B


1

ne da da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv podnapisov na razlago

kemijskega procesa.

Reakcija med vodno raztopino NaHCO3 in konc. HCl; gorenje bencina; lastnosti ogljikovega dioksida – gašenje.

2

ne da ne ne ne da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv spremnega govora na


Obarjalne reakcije; raztopina Pb(NO3)2 in KF(aq), KCl(aq), KBr(aq) in KI (aq); barva in izgled oborin.

gasilni aparat

nastanek PbX


50


3

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv spremnega govora na


Izhlapevanje tekočega dušika; kondenzacija vodne pare v okolici; endotermna sprememba.

4

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv podnapisov na razlago

kemijskega procesa.

Gorenje acetona; eksotermna reakcija; sajavost plamena.

tekoči dušik


51


5

ne da ne ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanaja kem.


Raztapljanje CuO v razredčeni žveplovi(VI) kislini; izparevanje; nastajanje brezvodnega bakrovega sulfata(VI).

6

ne da ne da ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanaa kem.


Redukcija srebrovih ionov v vodni raztopini z bakrom; nastajanje bakrovega nitrata in srebra.


52


7




Obarjalna reakcija med srebrovimi in kloridnimi ioni; lastnosti srebrovega klorida.

8

ne da da da ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.



Oksidacija vodikovega peroksida s K2Cr2O7; dokaz kisika – gorenje.


53


9

ne da ne da da ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.


• Vpliv zvoka (poka) na razlago kemijskega procesa.

Samovžig ogljikovega sulfida; sproščanje energije; vžig filtrirnega papirja.

10

ne da da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Informacijsko vrednost


Reakcija natrija z vodo; nastajanje vodne raztopine natrijevega hidroksida; gorenje vodika.


54


11

da ne da ne ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Informacijsko vrednost


Gorenje magnezija; sproščanje svetlobe; nastajanje magnezije-vega oksida.

12

ne da da da ne ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanaja kem.


• Vpliv spremnega govora na razlago kemijskega procesa.

Plamenske reakcije; atomska emisijska spektrosko-pija.


55


13

ne da ne da (ustno) ne da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Vpliv poznavanja kem.

enačbe na razlago kemijskega procesa – kem. enačbo ustno povemo

Razpad amonijevega bikromata(VI); eksotermna reakcija; aktivacijska energija.

14

Računalniški modeli. da ne • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje animacije. • Pomen (ne)podane

povezave med modeli in simbolnimi oznakami.

Animacija raztapljanja kristala natrijevega klorida v vodi; solvatacija.


56


15

Računalniški modeli. da da • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje animacije. • Pomen podane povezave

med modeli in simbolnimi oznakami.

Animacija taljenja ledu na sub-mikroskopski ravni.

16

Simbolni zapis kem. reakcije.

da / • Sposobnost opazovanja. • Sposobnost opisovanja. • Razumevanje simbolnega

zapisa. • Vrednost (ne)animiranega

simbolnega zapisa.

Animacija nukleofilne substitucije prvega reda; mehanizem sinteze 2-metilpent-2-ola.


57

3.3 Didaktični napotki za uporabo TZP Testa za ugotavljanje stopnje zaznavnosti poskusov (TZP A in TZP B) lahko uporabite v šolski praksi na več načinov. Pripravljena sta v obliki PowerPoint predstavitve, znotraj katere je možno premikanje naprej. V kratkem uvodu se testiranci na primeru naučijo, kako aktivirati filmski posnetek, nato začnejo z reševanjem testa. Izvedba testiranja terja uporabo računalniške učilnice, opremljene z vsaj 15 multimedijskimi računalniki. Računalniki morajo imeti poleg standardne opreme aktivno še povezavo za prikazovanje filmskih posnetkov Windows Media Player, ki je del standarnih programov Windows. Na vse računalnike iz zgoščenke skopirajte celotno datoteko AZTP A in AZP B, nato učencem/dijakom naključno izberite ustrezno obliko testa. Ugotavljanje sposobnosti zaznave: v tem primeru naj testiranci rešujejo celoten test individualno. Na voljo imajo eno šolsko uro. Svoja opažanja vpisujejo na posebno testno polo. Za lažjo analizo odgovorov je potrebno testirance opozoriti, da opisujejo opažanja po stopnjah. Vsak posnetek poskusa si lahko ogledajo največ trikrat. Ko test končajo, se lahko vrnejo na tisti del testa, ki jim je morda predstavljal težavo. Ugotavljanje sposobnosti razlage: testiranci ponovno rešujejo celoten test, vendar tokrat od njih terjamo, da opažanja povežejo s kemijskim znanjem in razložijo rezultate poskusa. Za razlago opažanj uporabimo testno polo, kamor testiranci vpisujejo rezultate. Delno reševanje testa: učitelj izbere le tiste poskuse na testu, ki so povezani z obravnavano snovjo in sestavi test za preverjanje razumevanja obravnavane snovi. V tem primeru je primerno, da iz testa kopiramo v novo PowerPoint datoteko samo izbrane poskuse. Sodelovalno delo: učence/dijake po načelu preštevanja ali po vaši presolji razdelite v pare, vsak par pa mora opisati in razložiti samo en poskus. Svoje izsledke par predstavi celotni skupini. Učitelj nadzira predstavitev in opozarja na morebitne pomanjkljivosti v opažanjih in pomaga pri razlagi poskusa. Primerno je, da tiste poskuse, ki so predstavljali učencem/dijakom posebne probleme, tudi demonstrira v laboratoriju in tako še bolj nazorno predstavi poskus in opozarja na ključna opažanja. Ključne stopnje poskusov: za lažjo primerjavo zaznavnih stopenj pri posameznih poskusih smo skupaj s šestimi učitelji kemije pripravili za vsak poskus usklajen seznam ključnih stopenj vsakega poskusa, ki je predstavljen v Tabeli 3.3. S tem seznamom primerjajte svoje lastne zaznavne stopnje in zaznavne stopnje svojih učencev/dijakov. Pri tem vas ne sme motiti kvaliteta posnetkov, kajti ta odseva kvaliteto, kakršno danes lahko dosežemo na medmrežju s pomočjo splošno dostopnih pomožnih programov (plug-in) za prikaz filmov in računalniške opreme za montažo filmov.


58

Tabela 3.3: Zaznavne stopnje pri posameznih poskusih Poskus Zaznavne stopnje

Gasilni aparat*

14–stopenjski poskus

Erlenmajerica z nastavkom in cevjo, nalijemo detergent in brezbarvno tekočino. S kapalko v zamašku zajamemo drugo tekočino. Namestimo na erlenmajerico. Prižgemo tekočino na urnem steklu. Plamen, saje; stisnemo kapalko na zamašku erlenmajerice. Penjenje, pena izhaja, plamen ugasne. Aparatura – potrebščine:

• Presesalna erlenmajerica s plastično cevko, 2 čaši, urno steklo, kapalka, ki je vpeta v zamašek, steklena palčka, lesena palčka, bela krpa.

Gibke oborine 1

5–stopenjski poskus Brezbarvna tekočina, gladina se zatrese, pojavi se bela oborina, brezbarvna tekočina, gladina se zatrese, pojavi se bela oborina, gladina se zatrese, pojavi se rumenkasta oborina, brezbarvna tekočina, gladina se zatrese, pojavi se rumena oborina.

Aparatura – potrebščine:

• Epruvete.

Tekoči dušik*

3–stopenjski poskus Iz kovinske posode, iz katere se kadi, prelijemo tekočino v stekleno posodo na kovinskem podstavku. Tekočina vidno vre in izhlapeva, kondenzacija par v okolici. Aparatura – potrebščine:

• Dewarjeva posoda, stekleni valj v kovinski predložki.

Gorenje acetona*


S kapalko prenesemo nekaj kapljic tekočine na ploščico. Prižgemo trsko v plamenu gorilnika. Gorečo trsko približamo tekočini na ploščici. Tekočina na ploščici zagori s svetlečim plamenom. Aparatura – potrebščine:

• Reagenčna steklenica, kovinska plošča, prižgan gorilnik, kapalka, trska.


59

Poskus Zaznavne stopnje

Modra galica

8–stopenjski poskus Črno trdno snov natresemo v epruveto, dodamo brezbarvno tekočino, segrevamo, snov se raztopi, raztopina postane modre barve, vsebino epruvete prelijemo v izparilnico in postavimo na trinožno stojalo, segrevamo. Čez nekaj časa ostane v izparilnici sivo-bela snov.


• Epruveta, lesene klešče, spatula, reagenčna steklenička, gorilnik, izparilnica, trinožnik, keramična plošča.

Srebrenje*

6–stopenjski poskus Bakren kovanec v čaši prelijemo z brezbarvno tekočino. Novec potemni (počrni) in se prekrije s sivimi kristali. S stekleno paličico odstranimo sivo snov, vidimo bakreno površino, ki hitro temni. Aparatura – potrebščine:

• Čaša, kovanec, steklena palčka.

Gibka oborina 2*

5–stopenjski poskus Brezbarvna tekočina v epruveti, fazna meja. Kapljica druge tekočine, nastane oborina bele barve. Oborina potuje proti dnu epruvete, je plastična, kar dokažemo s stekleno palčko. Aparatura – potrebščine:

• Epruveta, steklena palčka.

Žareča kača

9-stopenjski poskus Merilni valj stoji v stekleni kadički. Dodamo detergent. Dodamo berzbarvno tekočino. Dodamo žličko oranžne trdne snovi. Pojavi se črna snov. Črna snov se sprva počasi, nato hitro dviguje in preliva kot sivo-rumena pena prek merilnega valja. V peno damo tlečo trsko, ugasne. Ponovimo še dvakrat, zažari. Aparatura – potrebščine:

• Merilni valj, kadička, žlička, čaša s tekočino, in oranžno snovjo, trska.


60


Lajajoči psi*


Trije različno visoki merilni valji, pokriti s filtrirnimi papirji. Na papir najnižjega valja kanemo nekaj kapljic brezbarvne tekočine. Papir ob robu počrni, se vžge in z zvokom pade na pult. Čez nekaj trenutkov začne črneti papir na srednje visokem valju, zagori, pade z drugačnim zvokom na pult. Nazadnje počrni in se vžge še papir na najvišjem valju in z najbolj globokim zvokom pade na pult (zvok je podoben pasjemu laježu). Aparatura – potrebščine: • Trije različno visoki merilni valji,

erlenmajerica, kapalka, filtrirni papir.

Natrij na vodi*

Poskus je v testu A prikazan kot serija slik, v testu B kot film.


Košček natrija držimo s pinceto in ga vržemo na vodno gladino. Ko se dotakne gladine vode, se ta obarva vijolično. Košček natrija brzi po vodni gladini, zagori, močna bela svetloba, tekočina pljuskne iz posode. Aparatura – potrebščine:

• Reagenčna steklenica z natrijem, pinceta, okrogla kadička z vodo.

Gorenje magnezija

Poskus je v testu A prikazan kot film v testu B kot serija slik.


Na urnem steklu je v spiralo zvit trak, kovinsko sive barve. Približamo gorečo vžigalico. Trak zažari v slepeči svetlobi, ki se širi po spirali. Ko plamen ugasne, ostane sivo-bela snov, še vedno v obliki spirale.


• Urno steklo, sivo-kovinski trak, goreča vžigalica.

Plamenske reakcije*


Pet urnih stekel z različnimi kovinskimi kloridi v metanolu. Z gorečo trsko prižgemo metanol, najprej modra barva, nato se plamen obarva v odvisnosti od klorida (rdeč, rumeno-oranžen, karminsko rdeč, zelen, modro-vijoličen). Aparatura – potrebščine: • Urna stekla, goreča trska.


61


Vulkan*


V izparilnici je oranžna snov, ki se jo dotaknemo z žarečo paličico, dokler ne začnejo iz sredine izhajati rumene iskrice in temna snov. Paličico odmaknemo, temne snovi je vedno več, iskrice so vedno višje. Analogija z izbruhom vulkana. Aparatura – potrebščine: • izparilnica, gorilnik, kovinska paličica

Taljenje ledu

4–stopenjski proces Vstopimo v urejeno kristalno strukturo. Gradniki so iz ene rdeče in dveh belih kroglic. Zaznamo nihanje gradnikov. Nihanje je vedno močnejše. Urejena struktura se ruši, orientacija delcev je taka, da se bele kroglice dotikajo rdečih in obratno.

Raztapljanje natrijevega klorida*

7–stopenjski proces

Približamo se površini modela kristala natrijevega klorida, navidezno vstopimo v notranjost modela, delci nihajo. Površini se približajo delci vode, obdajo delce kristala in jih iztrgajo iz kristalne mreže. Okoli sivih kroglic se modeli molekul vode usmerijo z rdečimi kroglicami, okoli zelenih kroglic, ki so večje, se modeli molekule vode obrnejo z belimi kroglicami.

Oprema A: animacija, legenda pomena različno obarvanih kroglic Oprema B: samo animacija

Nukleofilna substitucija*

5–stopenjski proces Bromidni ion se zamenja s hidroksidnim ionom. Vmes nastane intermediat – karbokation. Prikazana je nukleofilna substitucija na halogenoalkanu. Oprema A: reakcijska shema SN1 Oprema B: 2D animacija SN1 mehanizma po stopnjah

* Poskuse smo analizirali.


62

3.4 Rezultati testiranja - sposobnost zaznave in razlage Oba testa TZP A1 in TZP B1 sta bila v š.l. 2000 preizkušena na vzorcu 86 osnovnošolcev, povprečne starosti 15 let ter 82 srednješolcev, povprečne starosti 18 let, različnih šol v Sloveniji. Testiranci so bili razdeljeni v kontrolno (A1; 44 OŠ, 41 SŠ) in eksperimentalno skupino (B1; 42 OŠ, 41 SŠ), ki sta se razlikovali po načinu vizualne predstavitve poskusa. Rezultati, ki kažejo na delež zaznanih stopenj pri devetih poskusih in dveh animacijah so zbrani v grafu 3.1.

52,151,346,248,5

0102030405060708090

100

OŠA1 OŠB1 SŠA1 SŠB1

Del

ež z

azna

nih

stop

enj [

%]

Graf 3.1 : Prikaz deleža zaznanih stopenj pri posameznih skupinah testirancev na celotnem

testu TZP

Iz grafa 3.1 je razvidno, da je zaznavnost poskusov in animacij na celotnem testu TZP šibka, saj so testiranci zaznali komaj polovico vseh razpoložljivih stopenj procesov, določenih z modelnimi zaznavami ekspertov. (Tabela 3.3). Dosežki posameznih skupin so precej izenačeni, nekoliko v prid srednješolcem pri obeh načinih predstavitve procesov (največja razlika v dosežkih za 5,9% med OŠ in SŠ skupine B). Čeprav kaže, da je vpliv dodanih elementov na zaznavo nekoliko moteč pri OŠ, pri SŠ pa nima vpliva, smo na osnovi statističnega vrednotenja razlik med skupinami testirancev (t-test in test ANOVA) ugotovili, da je statistično pomembna razlika le v dosežkih OŠ (46,2%) in SŠ (52,1%) pri načinu predstavitve B1 (t = 2,738, tk = 2,02, NOŠB1 = 42, NSŠB1 = 41, α = 0,05), medtem ko ni statistično pomembnih razlik med dosežki vseh štirih skupin, kar smo ugotovili s testom ANOVA (F = 2,769, Fk = 2,66, N = 168, α = 0,05). Na grafu 3.2 so primerjalno prikazani odstotni deleži zaznanih stopenj pri posameznih poskusih in animacijah na TZP za OŠ in SŠ, pri različnih načinih vizualne predstavitve. Iz grafa je razviden trend zmanjševanja uspešnosti zaznavanja z naraščajočim številom stopenj poskusa, na obeh ravneh šolanja. Očitno nižja je učinkovitost zaznavanja animacij v primerjavi s poskusi, saj znaša v povprečju okrog 32%, pri poskusih pa okoli 58% zaznanih stopenj procesov pri vseh testirancih. Iz grafične predstavitve razberemo, da so pri enostavnih poskusih (primera 1, 3), z nižjim številom stopenj (do 4), OŠ lahko boljši opazovalci kot SŠ, pri osnovnih predstavitvah procesov, statistično pomembnost razlik pa smo potrdili pri poskusu 3 (Natrij na vodi; t = 2,927, tk = 2,02, NOŠA1 = 44, NSŠA1 = 41, α = 0,05).


63

0

10

20

30

40

50

60

70

80

3 4 4 5 5 6 9 10 14 5 7

Število stopenj procesa

Del

ež z

azna

nih

stop

enj [

%]

OŠ - A1

OŠ - B1

SŠ - A1

SŠ - B1

Legenda: Graf 3.2: Prikaz deleža zaznanih stopenj pri poskusih in animacijah v odstotnih deležih po

stopnji šolanja in različnih načinih predstavitve na TZP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

A1 F F F+nO F+E F+E F F+E+P F+E F A A

B1

+ zO

+ P

S+nO

+ P

F+zE

+ E

+ zO

+ Z

+ P

RS

+ L

Oznaka poskusa

Vrsta poskusa in animacije

1 Tekoči dušik

2 Gorenje acetona

3 Natrij na vodi

4 Gibka oborina

5 Vulkan

6 Srebrenje

7 Plamenske reakcije

8 Lajajoči psi

9 Gasilni aparat

10 Nukleofilna substitucija

11 3D animacija raztapljanja NaCl

Oznaka Načini vizualne predstavitve F filmski izvleček

S slike: posnetki poskusa

P podnapis: kemijske formule snovi

E napisana enačba kemijske reakcije

Z zvok, sproščen pri kemijski reakciji

A animacija procesa

L legenda

RS reakcijska shema

nO napisan opis poskusa

zO zvočni opis poskusa

zE zvočni opis enačbe reakcije

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


64

Primerjava dosežkov pri osnovnih predstavitvah procesov (A1) pokaže, da je z večjim številom stopenj in dodatnimi vizualnimi elementi, zaznavnost pri dijakih lahko boljša (primeri 4, 5, 7), statistično pomembnost razlik pa smo dokazali na primeru 5, kjer je enačba reakcije pod posnetkom poskusa pripomogla k večji zaznavi pri SŠ (Vulkan; t = 2,370, tk = 2,02, NOŠA1 = 44, NSŠA1 = 41, α = 0,05). Pri OŠ se je izkazal vpliv dodane enačbe pri poskusu 6 moteč na zaznavanje, razlika med skupinama je statistično pomembna (Srebrenje; t = 2,350, tk = 2,02, NOŠA1 = 44, NOŠB1 = 42, α = 0,05). Pri poskusih 8 in 9, z velikim številom stopenj (10 oz. 14), razlik v uspešnosti zaznavanja med skupinami testirancev skorajda ni. Pri poskusu 3 opazimo, da je predstavitev niza slik poteka poskusa z dodatnim opisom učinkovitejša za zaznavanje od različice s filmskim posnetkom, bolj pri SŠ kot OŠ, razlika med skupinama SŠ je statistično pomembna (t = 2,347, tk = 2,02, NSŠA1, B1 = 41, α = 0,05). Iz grafične ponazoritve poskusa 7 razberemo moteč vpliv kopičenja dodatnih ponazoritev na uspešnost zaznavanja, več pri OŠ kot SŠ. Uspešnost zaznave zvoka, ki spremlja kemijsko spremembo (poskus 8), je bila pri SŠ večja (za 18 %), pri OŠ pa je opaziti rahlo moteč vpliv; razlika med skupinama OŠ in SŠ je statistično pomembna (t = 4,202, tk = 2,02, NOŠB1 = 42, NSŠB1 = 41, α = 0,05). Najbolj očitne so razlike v uspešnosti zaznavanja pri spremljanju animacije nukleofilne substitucije, ki je boljša pri SŠ za 20 %, medtem ko je prikaz reakcijske sheme omenjene reakcije deloval moteče na zaznavanje na obeh ravneh šolanja. Dokazali smo statistično pomembnost razlik med skupinami testirancev tako na ravni šolanja kot glede načina predstavitve (ANOVA; F = 20,211, Fk = 2,66, N = 168, α = 0,05). Podobno je bila pri SŠ večja uspešnost zaznavanja animacije raztapljanja natrijevega klorida, razlika med skupinama je statistično pomembna (t = 2,626, tk = 2,02, NOŠA1 = 44, NSŠA1 = 41, α = 0,05), dodatek legende k animaciji pa ni bistveno vplival na uspešnost zaznavanja.


65

65,9

36,2

50,7

39,5

49,2

56,8

34,3

61,7

1,9 3,7

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

OŠ - A1 OŠ - B1 SŠ - A1 SŠ - B1

Del

ež p

ravi

lne

razl

age

v za

pisi

h

Prisotni so bistveni elementi razlage, ki so ustrezni.Prisoten je element razlage, ki je ustrezen.Razlaga je napačna.

Graf 3.3: Delež razlage v petih poskusih Iz grafa 3.3 vidimo, da so dodani elementi na testu TZP B (B1) prispevali k povečanemu deležu ustreznih elementov razlage, vendar zelo malo tudi na pravilnost razlage. Na splošno lahko trdimo, da testiranci niso bili sposobni pravilno razložiti eksperimentalnih opažanj, ne glede na dodane elemente k osnovni predstavitvi poskusa. Poglobljena sinteza opažanj je podana v tabeli 3.4.


66

Tabela 3.4: Vpliv na zaznavanje

Zaznavanje procesa kot celote

Vpliv na zaznavanje

Kompleksnost poskusa ∗ Prirejena ocenjevalna

lestvica:

- zelo uspešno zaznavanje (75-100 % zaznanih stopenj procesa)

- uspešno zaznavanje (50-75 % zaznanih stopenj procesa)

- manj uspešno zaznavanje (do 50 % zaznanih stopenj procesa)

Neodvisno od načina vizualne predstavitve procesa se kaže trend zmanjševanja odstotnega deleža zaznanih stopenj z naraščajočim številom stopenj poskusa in sicer pravilneje pri OŠ kot SŠ. � Tako pri OŠ kot SŠ je zaznavanje uspešno∗ pri poskusih s 3-4, tudi 5-stopenjskim potekom (izraziteje pri SŠ

kot OŠ), kljub različnim načinom vizualne predstavitve. Izkaže se pozitiven vpliv dodanih vizualnih elementov k osnovni predstavitvi na zaznavanje, pri čemer je razpršenost rezultatov pri OŠ večja kot pri SŠ.

� Zaznavanje 5-6 stopenjskih poskusov je še vedno uspešno, čeprav so odstotni deleži zaznanih stopenj nižji. Z naraščajočim številom stopenj poskus a narašča moteč vpliv dodanih vizualnih elementov k osnovni predstavitvi pri OŠ, zaznavanje pa ocenjujemo kot manj uspešno∗. Pri SŠ je zaznavanje sicer še uspešno, a je razpršenost rezultatov večja, zaznanih pa je tudi več stopenj poskus a.

� Pri poskus ih z 10 in 14 stopnjami je zaznavanje na obeh ravneh šolanja ocenjeno kot manj uspešno. Pri OŠ je vpliv dodanih elementov k osnovni predstavitvi moteč za zaznavanje, pri SŠ pa nima vpliva.

� Pri animacijah ugotovimo, da je zaznavanje odvisno bolj od vrste animacije in načina vizualne predstavitve, kot od števila stopenj procesa.

Načini vizualne predstavitve procesa

Dodane elemente k osnovni predstavitvi lahko klasificiramo glede na vrsto čutila, ki ga zaznava (avdio/vizualni element) in glede vsebine, ki jo predstavlja (opis poteka poskusa, formule kemijskih snovi, enačba kemijske reakcije, zvok pri kemijski reakciji, legenda).

Kopičenje dodanih vizualnih elementov k osnovni predstavitvi

Na zaznavanje nima tolikšen vpliv kopičenje, kolikor vrsta dodanega elementa k osnovni predstavitvi procesa, ki je filmski posnetek/slika/animacija, upoštevati pa velja tudi kompleksnost in atraktivnost poskusa. Vpliv kopičenja dodanih elementov na zaznavanje ne moremo enoznačno opredeliti kot pozitiven ali moteč, zdi se kot da se informacijska vrednost posameznih elementov prekrije ali izgublja.

Atraktivnost poskusa Neodvisno od števila stopenj poskusa ugotovimo, da je prikaz procesov, kot so različne burne spremembe, gorenje snovi, plamenske reakcije z različnimi barvami plamenov, atraktivnejši za opazovalca, zato je zaznavanje takih procesov uspešnejše, pozornost pa usmerjena na »vidnejše dogodke« in tiste, ki vključujejo elemente dejavnosti, kar potrjujejo tudi rezultati analize posameznih stopenj poskusa.


67

Načini vizualne predstavitve procesa in vrste dodanih elementov k osnovni predstavitvi

Vpliv na zaznavanje

Slike – posnetki poskusa Zaznavanje je uspešno in vpliv pozitiven na obeh ravneh šolanja, v kolikor uporabimo slikovno gradivo kot možnost prikaza realnega dogajanja. Opremimo jih s kratkim napisanim opisom začetka poteka poskusa, ki naj bo enostavnejši (do 5±1 stopenj).

Podnapisi – kemijske formule snovi Zaznavanje je uspešno in vpliv pozitiven na obeh ravneh šolanja pri enostavnih poskusih. Pri kompleksnih je zaznavanje manj uspešno, vpliv pa moteč pri OŠ oz. nima vpliva na zaznavanje pri SŠ, če je podnapis edini dodani element k filmskemu posnetku. Zaznavanje je uspešno, vpliv pozitiven in nekoliko večji pri SŠ kot OŠ, v kolikor je podnapis drugi dodani vizualni element k filmskemu posnetku enostavnejšega poskusa (poleg enačbe kemijske reakcije).

Enačba kemijske reakcije Vpliv je moteč nekoliko več pri OŠ kot SŠ (oz. nima večjega vpliva za zaznavanje). V kolikor namesto vizualnega uporabimo zvočni opis enačbe kemijske reakcije s sodelujočimi reaktanti in nastalimi produkti, ima za OŠ in SŠ manjšo informativno vrednost in je vpliv moteč.

Opis poskusa Zaznavanje je uspešno in vpliv pozitiven na obeh ravneh šolanja pri enostavnih poskusih, četudi gre za zvočni opis poskusa. Vpliv je moteč za zaznavanje, če je zvočni opis poskusa dodan kot tretji element, k dvema vizualnima elementoma (enačba kemijske reakcije, podnapis).

Zvok Zvok, kot drugi dodani, avditivni element k filmskemu posnetku in enačbi kemijske reakcije, vpliva nekoliko moteče na zaznavanje OŠ in pozitivno pri SŠ.

Animacija procesa Animacija procesa na simbolni ravni ali submikroskopski ravni vpliva moteče na zaznavanje, ki je manj uspešno v primerjavi s poskusi. Zaznava simbolne predstavitve je uspešnejša kot submikroskopske, na obeh ravneh šolanja in boljša pri SŠ kot OŠ.

Reakcijska shema Moteč vpliv na zaznavanje, izraziteje pri OŠ kot SŠ. Zaznavanje je manj uspešno (do največ 50 % zaznanih stopenj poskusa).

Legenda Pozitiven vpliv na zaznavanje je zelo majhen na obeh ravneh šolanja.


68

Zaznavanje posameznih stopenj

procesa

Vpliv na zaznavanje

Kompleksnost poskusa

Ne glede na način vizualne predstavitve procesa ocenjujemo, da je v splošnem zaznavanje prvih stopenj

procesa uspešnejše, s kompleksnostjo poskusa pa se izraziteje kaže trend upadanja zaznavnosti nadaljnjih

stopenj in ponoven porast v zaznavanju zaključnih stopenj procesa. Zato je pri enostavnejših poskusih večja

verjetnost enakovrednega in uspešnega zaznavanja večine stopenj procesa.

Načini vizualne predstavitve procesa in vrste dodanih elementov k osnovni predstavitvi * vpliva ni mogoče jasno opredeliti kot posledico dodanega elementa v določeni stopnji procesa, saj se izkaže pozitiven ali moteč tudi pri ostalih stopnjah procesa.

Vpliv dodanega vizualnega elementa v določeni stopnji procesa, v večini primerov, na obeh ravneh šolanja ni mogoče jasno opredeliti* kot vzrok večje ali manjše uspešnosti zaznavanja posamezne stopnje, v kateri se element pojavi (neodvisno od kompleksnosti poskusa). Predpostavljamo, da je zaznavnost stopnje ali celotnega procesa odvisna tudi od drugih dejavnikov (natančnost in sposobnost zaznave posameznika in njegova motivacija, kvaliteta vizualne predstavitve poskusa in njegova atraktivnost, pravilna zasnova raziskovalnega dela). Elementi, pri katerih je vpliv izrazitejši: � zvok: na obeh ravneh šolanja je opaziti moteč vpliv na zaznavo stopenj, pri katerih se pojavi zvok,

sproščen pri kemijski reakciji, � reakcijska shema: na obeh ravneh šolanja je vpliv moteč.

Bistvene faze opazovanega procesa in atraktivnost poskusa

Pri opazovanju procesov je pozornost večine, na obeh ravneh šolanja, usmerjena k tistim fazam procesa, ki

opredeljujejo konkretna dogajanja (dodajanje, nastajanje snovi) in so za opazovalca atraktivnejši (vžig snovi,

barve snovi, plamena, burne spremembe).


69

Razlaga eksperimentalnih

opažanj

Vpliv na razumevanje in povezovanje opažanj s teoretično razlago

Splošno o opisih eksperimentalnih opažanj

Kvaliteta opisov eksperimentalnih opažanj je z vidika razumevanja in povezovanja sprememb s teoretičnim znanjem odvisna od stopnje šolanja. V opisih prevladujejo navedbe dejstev, brez razlage, vendar pa je delež tovrstnih opisov z višjo stopnjo šolanja manjši, medtem ko je večji delež opisov s poskusi razlage opažanj, med katerimi je več takih, ki vsebujejo element razlage, ki je ustrezen. Kvaliteta zapisa je odvisna od kompleksnosti poskusa in različnih predstavitvenih načinov in se odraža na obeh ravneh šolanja podobno, a različno izrazito, v splošnem pa v prid SŠ. Uporaba strokovne terminologije v opisih je slabo zastopana in pogosto neustrezna.

Opisi eksperimentalnih opažanj in kompleksnost poskusa

V opisih poskusov∗, prikazanih pri osnovni predstavitvi so večinoma navedena dejstva, več pri OŠ kot SŠ (več kot 2/3 zapisov pri OŠ). Na obeh ravneh šolanja je delež opisov z navedenimi dejstvi večji z naraščajočim številom stopenj poskusa, tudi pri predstavitvah poskusov z dodanimi vizualnimi elementi. Omembe vredno odstopanje od navedene ugotovitve se kaže pri razmeroma enostavnem poskusu Gorenje acetona, kjer so v zapisih večinoma prisotna le zapisana dejstva (večji delež kot pri kompleksnem poskusu Gasilni aparat), na obeh ravneh šolanja. Pri razlagi eksperimentalnih opažanj so na obeh ravneh šolanja testiranci manj uspešni, saj je večina opisov razlage napačna (več pri OŠ kot SŠ; 2/3 zapisov pri OŠ), neodvisno od kompleksnosti, temveč od vrste poskusa (kakor tudi kvalitete filmskega posnetka). S kompleksnostjo poskusa upada delež opisov z ustrezno razlago na obeh ravneh šolanja, izraziteje pri OŠ, pomemben pa je tudi vpliv vrste poskusa (prav tako pri predstavitvah procesov z dodanimi vizualnimi elementi). Na SŠ ravni je delež opisov, v katerih je prisoten element razlage, ki je ustrezen, nekoliko večji kot pri OŠ.

∗ Analizirani poskusi: Tekoči dušik (3 stopnje; film), Gorenje acetona (4 stopnje; film), Srebrenje (6 stopenj; film), Lajajoči psi (10 stopenj; film in enačba kemijske reakcije), Gasilni aparat (14 stopenj; film); Graf 3.2.


70

Razlaga eksperimentalnih

opažanj

Vpliv na razumevanje in povezovanje opažanj s teoretično razlago

Opisi eksperimentalnih opažanj in načini vizualne predstavitve procesa

V kolikor k osnovni predstavitvi poskusov dodamo različne vizualne/avditivne elemente ugotovimo, da je na obeh ravneh šolanja v opisih poskusov še vedno največ navedenih dejstev (več pri OŠ kot SŠ), sorazmerno s kompleksnostjo poskusa, kar pa se ne kaže tako izrazito pri SŠ. Sklepamo**, da dodani vizualni elementi k osnovni predstavitvi procesa pozitivno vplivajo na razumevanje in povezovanje znanja z eksperimentalnimi opažanji pri SŠ (manj opisov z navedbo dejstev in več poskusov razlage opažanj), medtem ko je pri OŠ vpliv manj izrazit (več je opisov z navedbo dejstev in manj poskusov razlage opažanj, a je med temi več ustreznih kot napačnih primerov razlage). V splošnem je na obeh ravneh šolanja večji delež opisov, ki vsebujejo ustrezen element razlage in manj takih, kjer je razlaga napačna. Vpliv dodanega vizualnega/avditivnega elementa na pravilnost razlage eksperimentalnih opažanj ne moremo opredeliti neodvisno od kompleksnosti in vrste poskusa. Na obeh ravneh šolanja je največ ustreznih opisov razlage pri razmeroma enostavnih poskusih ter najmanj pri kompleksnem poskusu, ne glede na dodani element (zvočni opis pri enostavnem in kemijske formule pri kompleksnem poskusu). Zapisana enačba kemijske reakcije ima pri SŠ večjo sporočilno vrednost kot pri OŠ, kjer je manjši delež ustreznih opisov razlage pri razmeroma enostavnem poskusu (6 stopenj), ki je opremljen z enačbo kemijske reakcije pod posnetkom poskusa. Posnetek zvoka, ki spremlja kemijsko reakcijo je v večji meri prisoten v opisih razlage pri SŠ kot OŠ. Ugotavljamo, da je izrednega pomena tudi kvaliteta znanja posameznika, kar pomeni, razumevanje kemijskih pojmov in sposobnost njihove pravilne uporabe ter tvorbe relacij med njimi.

Pojavnost in pravilnost zapisa dodanih elementov v opisih eksperimentalnih opažanj

V kolikšni meri je dodani vizualni/avditivni element prisoten v opisih opažanj in je njegov zapis pravilen? Na obeh ravneh šolanja je zapis/prepis popoln in povsem pravilen, z največjim deležem pri najenostavnejšem poskusu, predstavljenem z zvočnim opisom poteka poskusa in filmskim posnetkom. Zvok, sproščen pri kemijski reakciji so SŠ pogosto navajali v opisih, medtem ko se v opisih OŠ pojavlja v zelo majhnem primeru opisov. Pri SŠ je večji delež popolnega in pravilnega (pa tudi pomanjkljivega) zapisa enačbe kemijske reakcije kot pri OŠ, pri katerih se zapis enačbe kemijske reakcije v opisih v večji meri ne pojavlja. Pri kompleksnem poskusu so na obeh ravneh šolanja v večji meri pomanjkljivo zapisane formule kemijskih snovi, pri čemer največkrat manjkajo oznake agregatnih stanj snovi; delež popolnih in pravilnih zapisov kemijskih formul snovi je pri SŠ večji kot pri OŠ.

** Navedena ugotovitev velja za analizirane 4 poskuse skupaj, z različnimi dodanimi elementi, medtem ko se vpliv posameznih dodanih elementov različno odraža.

3.5 Didaktičen pomen rezultatov Sposobnost zaznave sprememb pri poskusih in povezovanje opažanj s teoretičnim znanjem sta ključna elementa naravoslovne vizualne pismenosti. Vendar rezultati kažejo, da je naravoslovna pismenost pri naših osnovnošolcih in srednješolcih relativno slabo razvita. Zlasti šibka je sposobnost povezovanja rezultatov poskusov s teoretičnim znanjem kemije. Očitno je, da se premalo zavedamo, da je potrebno naravoslovno pismenost, kot intelektualno veščino, razvijati tako kot vsako drugo spretnost. Samoumevno se nam zdi, da nihče ne more postati splošno pismen brez poznavanja abecede, pomena besedišča ter slovničnih pravil tvorbe stavkov. Zato tudi splošno pismenost razvijamo že od predšolskega obdobja dalje. Za naravoslovno vizualno pismenost pa smo prepričani, da se bo razvila sama od sebe ob nekajkratnih demonstracijah privlačnih poskusov in morda individualni ali skupinski izvedbi nekaj eksperimentalnih vaj. Rezultati naše in tujih raziskav kažejo, da na naravoslovno vizualno pismenost vpliva več dejavnikov: (1) kompleksnost poskusa – ta je opredeljena z zahtevnostjo

eksperimentalne izvedbe, številom stopenj poskusa ter poznavanjem teoretičnih osnov poskusa. Abeceda vizualne pismenosti se začne s spoznavanjem potrebščin in aparatur, ki jih uporabljamo pri izvedbi poskusov ter z razumevanjem njihove funkcije. Tipičen primer vpliva nepoznavanja funkcije aparature na sposobnost razlage eksperimentalnih opažanj je poskus “Gasilni aparat”, Tabela 3.3, Graf 3.2. Testiranci niso bili sposobni razložiti opažanj poskusa, ker niso razumeli funkcije aparature za izvedbo poskusa. Če bi poznali funkcijo erlenmajerice z nastavkom, bi lahko sklepali, da očitno pri poskusu ob mešanju dveh raztopin nastaja plin, ki preprečuje gorenje in zato pogasi goreči bencin na urnem steklu. Pomembno je tudi, da učenci/dijaki vsaj v osnovi poznajo teoretično osnovo poskusa, oziroma, da jo na osnovi rezultatov poskusa jasno in nedvoumno izpeljemo. Tak primer na testu je poskus “Plamenske reakcije”. Testiranci niso bili sposobni razložiti opažanj, ker za pravilno razlago potrebna teorija presega raven srednješolske kemije. Uspešna razlaga tega poskusa temelji na poznavanju osnov atomske emisijske spektroksopije, kar ni vsebina šolskih programov. Zato je lahko ta poskus uvod v razlago te vsebine na izbirni ravni, sicer pa je vključevanje takega poskusa v šolsko delo brez pomena, ker nič ne prispeva k boljšemu razumevanju. Lahko ga izvedemo zgolj kot motivacijski poskus. Največji vpliv na kompleksnost in s tem tudi na zaznavnost pa se je pokazalo, da ima število stopenj poskusa, Graf 3.2. Ta ugotovitev je povezana z delovnim spominom, ki je po ugotovitvah raziskovalcev, sposoben hkrati procesirati največ 6 ± 2 informaciji. Na grafu 3.2 lepo vidimo, da zaznavnost občutno pade pri poskusih z 10 ali več stopnjami.

(2) privlačnost poskusa – je opredeljena z vizualno zaznavnostjo sprememb pri poskusih. Privlačnost spremembe aktivira vizualno zaznavo in usmeri pozornost. Zato lahko tudi pri poskusih z več stopnjami zaznamo več stopenj, kot bi jih glede na kapaciteto našega delovnega spomina, če te pritegnejo pozornost naših zaznavnih kanalov. Potrditev te trditve smo


72

dobili tudi v naši raziskavi. Tako je bila zaznava tako osnovnošolcev, kakor tudi srednješolcev pri poskusu “Plamenske reakcije”, ki ima devet stopenj boljša, kot v primeru poskusa s šestimi stopnjami “Srebrenje”, Graf 3.2. Vzrok je v tem, da je očitno pojav raznobarvnega plamena za opazovalca bolj privlačna sprememba, kot izločanje srebra na bakrenem kovancu. Nasprotno pa je bil delež zaznavnih stopenj pri poskusu “Žareča kača”, Tabela 3.3, tako slab, da smo poskus izločili iz nadaljnjih analiz. Privlačnost poskusa smo povečali tako, da smo reakcijski zmesi dodali detergent. Penjenje detergenta naj bi opazovalce opozorilo, da pri poskusu nastaja veliko plina, žal pa testiranci, razen pene, ničesar drugega niso opazili. Rezultat kaže, da nepotrebni dodatki pri poskusu opazovalca prej zavedejo, kakor pa usmerijo njegovo pozornost na bistvena opažanja poskusa. Zanimiva je bila tudi razlaga poskusa, saj je večina testirancev ugotovila, da je pena gorela. Žal danes velikokrat opažamo pri razvijanju “novih” poskusov trend večanja privlačnosti poskusa z izvedbami, ki nimajo nobene neposredne zveze s samo vsebino poskusa in zgolj odvračajo pozornost od bistvenega oz. predstavljajo dodatno težavo pri razumevanju poskusa.

(3) dodani elementi – avdio oprema poskusa, napisi imen reagentov in produktov, formule reagentov in produktov ter enačbe reakcij oz. reakcijske sheme, ki jih dodamo filmskemu posnetku poskusa, imajo na zaznavnost in sposobnost razlage opažanj zelo različne, celo nasprotujoče si vplive. Rezultati pa so vendar potrdili, da ima predstavitev poskusa, ki ga sočasno spremlja še simbolni zapis poskusa, negativni vpliv na zaznavnost. Takšna predstavitev tudi ni izboljšala sposobnosti razlage eksperimentalnih opažanj. Očitno je, da večina učencev/dijakov ni sposobna hkrati procesirati informacije na konkretni in simbolni ravni, zato morata biti ti dve ravni jasno ločeni. Podobno tudi kopičenje dodanih elementov k filmskemu posnetku zmanjša sposobnost zaznave in ne prispeva k večji kvaliteti razlage. Nasprotno pa ima kombinacija avdio in vizualne predstavitve ugoden vpliv na zaznavo stopenj poskusa, ker s tem aktiviramo dva različna sprejemna kanala in povečamo pozornost.

3.6 Didaktična priporočila pri izvajanju poskusov 1. Predno začnemo s predstavitvijo poskusov, bodisi kot demonstracijo,

individualno delo ali skupinsko delo oz. ogled filmskega posnetka, se moramo prepričati, da učenci/dijaki poznajo potrebščine in aparature, ki so vključene v poskus in razumejo njihovo funkcijo. Za utrjevanje znanja o eksperimentalnih potrebščinah in aparaturah priporočamo spletno stran Kemijski laboratorij, http://www.keminfo.uni-lj.si/proj/ro01v/kazalo.htm. S pomočjo te spletne strani lahko v obliki igre spoznavamo laboratorijski pribor in njegovo funkcijo pri sestavljanju preprostih aparatur.

2. Izbirajmo poskuse tako, da bo za razumevanje potrebna teorija učencem/dijakom že poznana ali pa jo po izvedbi poskusa skupaj z učenci/dijaki uvedemo.

3. Ne izbirajmo poskusov s preveliko stopnjami; v takem primeru je najbolje poskus razdeliti na več delov in vsakega posebej obdelati.

4. Zlasti za demonstracijo ali predstavljanje poskusov kot video izvlečkov, izberimo tiste, kjer so spremembe dobro vizualno zaznavne.


73

5. Ne komplicirajmo izvedbe poskusov z dodatki, ki niso v funkciji večanja zaznavnosti in razumevanja, ker ti zgolj odvračajo pozornost od bistva poskusa.

6. Pri video posnetkih poskusov bodimo pozorni na dodane elemente. Preveč dodanih elementov megli pozornost in ne prispeva k boljšemu razumevanju.

7. Po vsakem poskusu se prepričajmo, ali so učenci/dijaki opazili bistvene spremembe, če niso, poskus ponovimo in jih nanje posebej opozorimo.

8. Spodbujajmo učence/dijake na povezovanje opažanj poskusov s teorijo. 9. Opozarjajmo na varno izvedbo poskusov, zlasti v primeru demonstracij in

individulanega/skupinskega dela učencev. Pred izvedbo poiščimo podatke o reagentih in produktih poskusa na spletni strani Baza nevarnih snovi http://ull.chemistry.uakron.edu/erd/, se o njih pogovorimo ter ustrezno zaščitno ukrepajmo.


74

4. Zasnova interaktivnih enot za individualno in/ali sodelovalno učenje

Na osnovi metodoloških in didaktičnih spoznanj o stanju naravoslovne vizualne pismenosti, ki so opisana v poglavjih 2 in 3, smo zasnovali tri interaktivne enote za individualno ali sodelovalno učenje, ki so namenjene razvijanju naravoslovne pismenosti pri kemiji v osnovnih in srednjih šolah. 4.1 Interaktivna zgoščenka “Spoznajmo eterična olja” Računalniška pismenost postaja vse bolj pomembna kvaliteta sodobnega izobraževanja in sodi skupaj s sposobnostjo reševanja problemov in vodenjem med ključne višjenivojske, prenosljive spretnosti, ki jih morajo diplomanti, ob solidnih strokovnih znanjih, obvladovati za uspešno delo v stroki (MacFarlane, 1998). Kljub temu, da tudi naša družba vlaga sorazmerno velika finančna sredstva za zagotavljanje primerne računalniške infrastrukture na osnovnih, srednjih in v zadnjem času tudi visokošolskih zavodih, ugotavljamo, da mladi niso ustrezno računalniško pismeni oziroma, da ne obvladajo specifičnih spretnosti, ki so značilne za posamezne stroke. Eden od vzrokov za tako stanje je gotovo dejstvo, da preveč pogosto prepuščamo razvoj računalniške pismenosti le učiteljem računalništva in informatike, učitelji stroke pa le redko, ali sploh nikoli ne uporabljajo sodobne informacijsko komunikacijske tehnologije (IKT) pri delu v razredu. Kemija sodi med stroke, za katero je ustrezna računalniška pismenost diplomantov izredno pomembna, poleg tega pa ima kemijska računalniška pismenost tudi svoje posebnosti, ki izhajajo iz značilnosti kemijskih podatkov in informacij, ki niso zgolj alfanumerične narave, pač pa dodatno tudi strukturne. Na osnovi vprašalnika za učitelje kemije v gimnazijah v R Sloveniji (odgovarjalo je 54 učiteljev) smo ugotovili, da 9,26% gimnazijskih učiteljev kemije ne pozna programov za prikazovanje modelov molekul v navideznem prostoru, 62,96% te programe pozna, vendar jih ne uporablja pri pouku in le 27,78% učiteljev navaja, da znajo te programe uporabljati. Vendar od teh jih kar 20,37% uporablja modele v povprečju manj kot enkrat na mesec in komaj 3,7% jih uporablja več kot enkrat na mesec (Ferk, 2003). Žal tudi anketa med bodočimi učitelji kemije, na katero je odgovarjalo 21 absolventov kemijskega izobraževanja z obeh univerz, ni pokazala bistveno boljšega poznavanja programov za procesiranje kemijskih podatkov. Le 19% vprašanih absolventov je navedlo, da znajo take programe aktivno uporabljati. Vprašati se moramo, ali so univerzitetni programi resnično prilagojeni sodobnim potrebam strok? Odgovor se ponuja sam od sebe, nekateri očitno niso. Hakkarainen s sodelavci (1999) so ugotovili, da na motiviranost učencev/dijakov pri delu z računalnikom ter na kvaliteto tako pridobljenega znanja, zlasti vplivata celovito vzdušje v razredu in narava problema. Kaartinen in Kumpulainen (2002), ki sta preučevala učinkovitost učencev/dijakov pri delu z multimedijskimi bazami podatkov v sodelovalnem okolju, sta prišla do spoznanja, da širši družbeni kontekst znanstvenih


75

informacij bistveno prispeva k poglobljemu razumevanju in pomnenju znanstvenih pojmov. Zato smo zasnovali interaktivno zgoščenko »Eterična olja« tako, da omogoča doseganje naslednjih izobraževalni ciljev: (1) Predstaviti učencem/dijakom bazo kemijskih podatkov, ki ne vključuje le

kemijskih podatkov in informacij, pač pa omogoča integracijo kemijskih pojmov s širšimi vidiki njihove uporabe v vsakdanjem življenju;

(2) Omogočati interaktivno pridobivanje in utrjevanje znanja o spojinah s prepoznavnimi strukturnimi fragmenti, ki jih učenci/dijaki lahko povežejo z vrstami spojin, ki so vključene v program kemije v osnovni in srednji šoli;

(3) Razvijati spretnosti uporabe programov za vizualizacijo zgradbe molekul v navideznem 3D prostoru;

(4) Spoznavati in utrjevati različne strategije iskanja podatkov tako po ključnih besedah, kakor tudi molekulskih formulah aktivnih spojin;

(5) Razvijati sposobnost za sodelovalno delo; (6) Razvijati veščine predstavljanja in sporočanja naravoslovnih informacij. 4.1.1 Baza podatkov Glede na zastavljene cilje smo izbrali multimedijsko bazo »Eterična olja«, ki je grajena v HTM urejevalnik »Namo Web Editor 2.0« in je dostopna na medmrežju (Voda et al., 2001). Baza vključuje opise sestave in uporabe 100 različnih vrst eteričnih olj ter zgradbo in lastnosti 300 aktivnih sestavin eteričnih olj. Predstavljene so tudi slike rastlinskih virov eteričnih olj. Aktivne spojine eteričnih olj sodijo v skupino ogljikovodikov ter kisikovih in žveplovih organskih spojin, tako da lahko učenci/dijaki na osnovi strukturnih formul in interaktivnih modelov molekul prepoznajo ključne funkcionalne skupine. Posebno popestritev baze predstavljata eksperimentalni segment z opisi poskusov ter slikovnim in filmskim gradivom rezultatov poskusov ter slovarček tujk. Program omogoča iskanje po slovenskih in latinskih imenih rastlin in po molekulskih formulah aktivnih sestavin eteričnih olj. Baza vključuje možnost vizualizacije zgradbe molekul aktivnih sestavin eteričnih olj z uporabo programa Chime.

Slika 4.1: Vstopna stran v bazo »Eterična olja«


76

4.1.2 Uporabniški vmesnik Uporabniški vmesnik je grajen v programu PowerPoint. Osnovna struktura je prikazana v tabeli 4.1. Tabela 4.1: Primeri posameznih strani vmesnika

Pred vstopom v program se uporabnik seznani z vsebino: (1) Kako vonjamo in okušamo? (2) Vstopni test za preverjanje

predznanja (3) Baza podatkov (4) Urjenje spretnosti iskanja podatkov –

individualno delo (5) Skupinsko delo – reševanje problema (6) Ponovno iskanje podatkov in

skupinska priprava posterske predstavitve

(7) Kaj smo se naučili – zaključni test

Primer naloge vstopnega testa. Naloga vključuje filmska posnetka dveh enostavnih poskusov. Z nalogo preverjamo, kako dobri opazovalci so učenci/dijaki in v kolikšni meri so sposobni opažanja pri poskusu povezati s teoretičnim znanjem.


77

Primer strani vstopnega programa. Ta del je namenjen razvijanju spretnosti pri delu z navideznimi 3D modeli molekul v različnih predstavitvenih oblikah (žični, kalotni, cevni) in prepoznavanju strukturne formule molekul na osnovi modelnega prikaza.

Baza podatkov omogoča več načinov iskanja podatkov. Uporabnik se postopno seznani z vsemi. Ena od iskalnih opcij je tudi možnost iskanja na osnovi molekulske formule aktivne sestavine eteričnega olja, vendar morajo pri tem uporabniki slediti določeni poti, če naj bodo pri iskanju uspešni.

Poleg programa RasMol, se učenci in dijaki seznanijo pod vodstvom učitelja tudi s programom vizualizacije modelov molekul Chime, ki vključuje nekatere dodatne funkcije, ki niso vključene v program RasMol, npr. vizualizacijo površin molekul.

Samostojnemu delu, v katerem uporabniki spoznavajo strukturo baze, vrste podatkov, načine iskanja, uporabo programov za vizualizacijo zgradbe molekul, sledi skupinsko delo, v katerem uporabniki preverijo sposobnost uporabe spretnosti, ki so jih pridobili pri delu z bazo, hkrati pa se lahko tisti, ki teh spretnosti niso še dovolj osvojili, učijo od boljših.


78

Skupinskemu delu sledi problemska naloga, ki jo skupina rešuje v kombinaciji samostojnega in skupinskega dela. Problem ima tri stopnje: (1) poiskati je potrebno rastlino, iz

katere je možna izolacija evgenola, (2) preučiti metodo izolacije evgenola iz

rastlinskega materiala, (3) preučiti teste za dokaz evgenola.

Člani skupine združijo svoje ugotovitve jih po potrebi dopolnijo in skupno zasnujejo postersko predstavitev, ki jo predstavijo učitelju in drugim skupinam.

Sledi zaključni test, ki je sestavljen iz osmih nalog. Uporabnik ima tako možnost, da preveri, v kolikšni meri je osvojil spretnosti iskanja podatkov v bazi in v kolikšni meri je sposoben podatke povezati z znanjem kemije.

4.1.3 Didaktični napotki za delo z zgoščenko Baza in vsi potrebni programi so na zgoščenki. Program se vključi avtomatično. Prepričajte se le, da je na vašem računalniku aktiven program Chime za vizualizacijo molekulske zgradbe v navideznem prostoru. Za pomoč pri delu z uporabniškim vmesnikom so delovni lističi, ki so tudi na zgoščenki in jih je potrebno pred začetkom dela natisniti in razmnožiti. Na delovne lističe učenci/dijaki vpisujejo rezultate dela in odgovarjajo na morebitna dodatna vprašanja. Ločeno od delovnih lističev učitelj razdeli vstopni test ter zaključni test. Oba testa sta na zgoščenki, potrebno ju je natisniti in razmnožiti. Testa lahko služita samopreverjanju znanja; učenci/dijaki se na osnovi ocenjevalne predloge ocenijo samostojno oziroma para zamenjata test in


79

ocenita drug drugega. Lahko pa učitelj ocenjuje dosežke in tako na osnovi primerjave dosežkov posameznikov na pred-testu in po-testu dobi vpogled v napredek in na vrzeli v znanju, rezultate po-testa pa lahko tudi uporabi kot ocene. Za uspešno delo s programom smo predvideli optimalno štiri šolske ure. Željeno je, da sta dve uri izvedeni kot blok ura. Prva ura je namenjena spoznavanju programa in pisanju vstopnega testa. Sledita dve združeni uri, ki sta namenjeni individualnemu in skupinskemu delu, zadnja ura pa naj bi bila namenjena zaključnemu testu ter morebitnemu izpolnjevanju anketnega lista, kjer uporabniki zlasti zapisujejo svoje refleksije o opravljenem delu in programu. Ni nujno, da si ure sledijo, med posameznimi izvedbami je lahko tudi tedenski presledek. Daljši presledki pa niso zaželjeni, ker bo učinek dela zaradi pozabljanja manjši. Ker je računalniški vmesnik grajen v standardnem programu PowerPoint 97, ki je dostopen znotraj sistema Windows, ga je možno v skladu s potrebami in željami učiteljev poljubno spreminjati. Edini pogoj je, da se učitelj predhodno dodobra seznani z bazo in izbere primere spojin in eteričnih olj, ki bodo učencem omogočala prepoznati povezavo izbranega olja, rastline ali aktivne spojine z uporabo eteričnih olj v domačem zdravilstvu, kozmetiki ali gospodinjstvu. Možno je povečati ali zmanjšati število nalog vstopnega in zaključnega testa, spremeniti primere za razvijanje sposobnosti iskanja podatkov v bazi ter izbrati različne aktivne spojine za njihovo izolacijo in dokazovanje funkcionalnih skupin, seveda pa je potrebno tudi ustrezno uskladiti delovne lističe. Program omogoča kombinacijo individualnega in sodelovalnega dela. Na voljo mora biti računalniška učilnica z vsaj 15 multimedijskimi računalniki, na katere je potrebno prenesti program z zgoščenke v posebno datoteko. Prvi del programa je namenjen samostojnemu delu učencev/dijakov, ki ga učitelj samo usmerja in nadzira ter po potrebi pomaga manj veščim dela z računalnikom. Drugi del programa izvajajo trojice učencev/dijakov, vendar tako, da skupaj zasnujejo stretegijo iskanja podatkov, nato pa vsak posamezno reši svoj del naloge. Po opravljenem delu se trojice ponovno združijo in skupaj zasnujejo predstavitve rezultatov dela. Svoje delo predstavijo kot postersko predstavitev sošolcem in učitelju. V zadnjem delu rešujejo učenci/dijaki zaključni test lahko individualno ali tudi skupinsko. 4.1.4 Testiranje programa in mnenja uporabnikov Program je bil v šolskem letu 2001/2002 testiran na petih osnovnih in petih srednjih šolah v R Sloveniji (Potisk, 2003). V celoti je program testiralo 66 osnovnošolcev in 111 srednješolcev. Povprečna starost osnovnošolcev je bila 15 let, srednješolcev pa 18 let. Ugotavljamo, da sta tako zasnova uporabniškega vmesnika, kakor tudi izbrana strategija njegove uporabe v razredu - kombinacije samostojnega in skupinskega učenja, ugodno vplivala na znanje učencev in dijakov in zlasti na motivacijo.


80

Na grafu 4.1 so predstavljene srednje vrednosti doseženih točk na pred-testu in po-testu ter 95% intervali zaupanja za obe skupini testirancev: G1 – osnovnošolci in G2 – srednješolci. Na predtestu je opazna dokaj velika razlika v znanju osnovnošolcev v primerjavi s srednješolci. Razliko smo glede na razlike v letih in raven šolanja tudi pričakovali, vendar se je razlika v znanju obeh skupin na po-testu občutno zmanjšala. Zlasti osnovnošolci so pri delu s programom veliko pridobili na znanju. Pomembna je tudi ugotovitev, da so se osnovnošolci izkazali enako spretni pri iskanju podatkov, kakor tri leta starejši srednješolci, kar pomeni, da je potrebno tudi specifično računalniško pismenost, tako kot splošno, razvijati čimbolj zgodaj v sistemu šolanja.

60

65

70

75

80

85

90

95

100

G1 Pre-test G1 Post-test G2 Pre-test G2 Post-test

⌧

Legenda: G1- osnovnošoli G2 – srednješolci Graf 4.1 : Srednje vrednosti točk in 95% intervali zaupanja na pred-testu in po-testu. Največji vpliv pa je imel program na motivacijo učencev in dijakov, na kar kažejo njihove refleksije, ki so jih zapisali ob koncu dela s programom. V njih so izražali spoznanje, da se jim je kemija nenadoma pokazala v čisto drugačni luči, veliko bolj prijazna, domača in uporabna kot se jim zdi šolska. Pohvalili so tudi strategijo skupinskega dela, ki jim je utrdila samozavest, saj so imeli možnost, da so tisto, kar niso razumeli, izvedeli od sošolcev in ne nujno od učitelja. Nekaj značilnih mnenj testirancev o programu in delu z njim: »Mislim, da je ta program res super, saj se naučiš veliko novih in uporabnih

pojmov. Zelo veliko izveš o rastlinah nekaj pa tudi o eksperimentalnem delu. Ob koncu dela s programom so mi nekateri pojmi bolj jasni,« je zapisala Katja.

»Delo se mi je zdelo zanimivo, saj smo delati z »lastno glavo«, hkrati pa smo se lahko posvetovali s sošolci in učiteljem. Želim si več takih ur kemije.« Tako misli Mirjam.

»Zelo rad sem prihajal k uram, kjer smo spoznali veliko novega na področju eteričnih olj. Začuden sem bil, ko sem ugotovil, da je tema zanimiva, čeprav sem sprva okleval, ali naj se priključim sošolcem ali ne, pa mi ni žal.« Grega.

»To je način dela, ki bi ga morali vpeljati v šolski sistem. Vsaj enkrat več znanja ti ostane, če podatke iščeš sam, jih izbiraš, analiziraš in delaš zaključke, kot pa če ti kdo z vsem »postreže« pred tablo,« ugotavlja Martina.


81

4.2 Namesto didaktičnih priporočil Priporočamo Vam, da preiskusite zgoščenko, če vam računalniška oprema na vaši šoli to omogoča. Gotovo boste tudi vi veseli ob prebiranju refleksij vaših učencev in dijakov. 4.3 Aktivna vizualizacija temeljnih naravoslovnih pojmov Na potrebo po vizualizacijskem gradivu pri pouku kemije je opozorila raziskava Nurrenberna in Pickeringa, 1987, ki sta ugotovila, da celo učenci in dijaki, ki so uspešni pri reševanju matematično-kemijskih problemov, največkrat ne znajo pojasniti, kaj se na nivoju delcev skriva za temi matematično-kemijskimi problemi. Pred tem je veljalo splošno prepričanje, da učenci/dijaki, ki so uspešni pri računskih nalogah, razumejo tudi, kaj se dogaja na ravni delcev. Zaradi takšnega prepričanja je zelo malo učiteljev preverjalo, ali imajo njihovi učenci in dijaki morda napačne predstave o kemijskih procesih in pojmih na ravni delcev. Raziskave (Gabel et al., 1987; Sawrey, 1990; Pickering, 1990; Nakhleh, 1993) so pokazale, da mnogi učenci in dijaki ne znajo razmišljati na ravni delcev, pa največkrat ne zato, ker ne bi bili tega sposobni, ampak zato, ker tega nihče od njih ne zahteva (Sanger, 2000, 2003). Ena izmed možnosti, da spodbudimo dijake in učence k razmišljanju na ravni delcev je, da jim kemijske procese in pojme razlagamo na sub-mikroskopski ravni s pomočjo primernih vizualizacijskih sredstev, zlasti statičnih in dinamičnih 3D modelnih prikazov. Vendar je za razvijanje pravilnega razumevanja delčne narave snovi ob uporabi vizualizacijskih sredstev ključna razprava z učenci in sprotno ugotavljanje morebitnih napačnih razumevanj (Harrison in Treagust, 2000). Spodbudo za uporabo vizualizacijskih sredstev pri razlaga kemijskih pojmov in procesov najdemo v rezultatih vrste raziskav (Russell et al., 1997; Sanger, 2000; Sanger in Greenbowe, 1997; Williamson in Abraham, 1995; Sanger et al., 2000), ki ugotavljajo pozitiven učinek slikovnega gradiva, modelov in animacij na razumevanje kemijskih procesov in pojmov. Kvalitetno vizualizacijsko gradivo pomaga osmišljati kemijske spremembe in pojme, kar prispeva k boljšemu razumevanju kemijskih procesov in hkrati preprečuje napačna razumevanja. Zavedati pa se moramo, da bomo z neprimernimi vizualizacijskimi sredstvi povzročili več škode kot koristi (Eilks, 2003). 4.3.1 Aktivna vizualizacija pojmov in procesov na makro- in

sub-mikroskopski ravni z uporabo navideznih 3D modelov Za aktivno vizualizacijo pojmov na makro- in submikroskopski ravni smo najprej izbrali temeljne pojme in procese v skladu z veljavnimi učnimi načrti kemije in naravoslovja za OŠ in SŠ. Začetni nabor pojmov in procesov je


82

vključeval: površinska napetost, medmolekulske sile, difuzija in topnost plinov, kisline in baze, topnost ionskih spojin, difuzija ionov in obarjanje. V nadaljevanju smo razvili in optimizirali osem eksperimentov v mikroizvedbi. Predložena izvedba omogoča podrobno in natančno opazovanje sprememb, hkrati pa so testiranci zaščiteni pred škodljivimi vplivi kemikalij, saj poskuse izvajajo v kapljicah, v pokritih petrijevkah. Za izbrane poskuse smo poiskali na medmrežju možnosti vizualizacije na sub-mikroskopski ravni. Tako pripravljeno gradivo je bilo predstavljeno kot demonstracija prek dvestotim osnovnošolskim in srednješolskim učiteljem. Izvedljivost poskusov v šolski praksi smo preverili na vzorcu osmih učiteljev in 24 študentov izobraževalne smeri kemija z vezavami, ki so individualno izvajali poskuse in reševali delovne lističe. Na osnovi analize dobljenih rezultatov smo dodatno optimizirali tri poskuse: difuzija in raztapljanje amoniaka v vodi, difuzija in raztapljanje vodikovega klorida v vodi ter reakcija med plinastim amoniakom in vodikovim kloridom. Za izbrane eksperimente smo razvili originalno statično in dinamično podporo z uporabo 3D modelov delcev za vizualizacijo procesov na sub-mikroskopski ravni. Žal nam odobrena finančna sredstva niso dopuščala, da bi razvili ustrezno vizualizacijsko podporo še za ostale poskuse, kar bi bilo izvedljivo le v primeru nadaljevanja projekta. 4.3.2 Predstavitev makroskopske ravni poskusov Potrebščine za izvedbo poskusov: Topnost in difuzija amonika, Topnost in difuzija vodikovega klorida Kemikalije: - 6 M vodna raztopina amoniaka, - 0,1 % vodna raztopina timol modro (indikator), - 9 M vodna raztopina klorovodikove kisline, - 0,1 % vodna raztopina brom-krezol zeleno (indikator). Reagenti so v majhnih plastičnih stekleničkah s kapalnim zamaškom. Potrebščine: - plastične petrijevke s premerom 9 cm, - steklena plošča z najmanjšo dolžino in širino 10 cm (namesto steklene

plošče lahko uporabite pokrov petrijevke), - papirnata brisača. Izvedba poskusa: - petrijevko postavimo na list papirja, na katerem so narisane točke za

nanašanje kapljic reagentov, - na koncentrične točke nanesemo kapljice ustreznega indikatorja, - v središče kanemo kapljico 6 M raztopine amoniaka ali pa 9 M raztopine

klorovodika, - petrijevko pokrijemo in opazujemo spremembo barve indikatorja.


83

Potrebščine za izvedbo poskusa: Reakcija med plinastim amoniakom in klorovodikom Kemikalije: - 6 M vodna raztopina amoniaka, - 9 M vodna raztopina klorovodikove kisline.

Potrebščine: - plastične petrijevke s premerom 9 cm, - steklena plošča, - papirnata brisača, - črn fotografski papir.

Difuzija in raztapljanje amoniaka – začetno stanje (v središčni kapljici je koncentrirana raztopina

amoniaka, v ostalih kapljicah je destillirana voda z dodanim indikatorjem timol modro).

Difuzija in raztapljanje amoniaka – končno stanje.

Slika 4.3.1: Primer poskusa – difuzija in raztapljanje amoniaka

Difuzija in raztapljanje vodikovega klorida – začetno stanje

(v središčni kapljici je koncentrirana raztopina klorovodikove kisline, v ostalih kapljicah je

destilirana voda z dodanim indikatorjem brom-krezol zeleno).

Difuzija in raztapljanje vodikovega klorida – končno stanje.

Slika 4.3.2: Primer poskusa – difuzija in raztapljanje vodikovega klorida


84

Izvedba poskusa: - petrijevko postavimo na črn papir, - na desno stran, odmaknjeno od roba za 1 cm, kanemo kapljico 6 M

raztopine amoniaka, na levo pa kapljico 9 M raztopine klorovodikove kisline,

- hitro pokrijemo s stekleno ploščo in opazujemo spremembe.

Začetno stanje Nastajanje umetne megle – končno stanje

Slika 4.3.3: Reakcija med plinastim amoniakom in vodikovim kloridom

Delovni lističi in natančna navodila za izvedbo poskusa so v prilogi 4. 4.3.3 Vizualna podpora sub-mikroskopski ravni poskusov Vizualna podpora (statična in dinamična) je bila razvita v več stopnjah. Najprej smo z uporabo programov za molekulsko modeliranje SPARTAN in Molucad pripravili statične 3D modele delcev, ki so vključeni v izbrane procese. Modele posameznih delcev smo nato pretvorili v pdb format. S pomočjo programa RasMol je mogoče izbrane modele delcev videti v navideznem 3D prostoru. Za statični prikaz procesov na ravni delcev smo uporabili program Cosmo Worlds za delovne postaje, za dinamični prikaz (animacije mehanizmov reakcij) pa smo uporabili tako program Cosmo Worlds kot tudi Molucad. Slabost obeh programov je, da potrebujeta veliko delovnega spomina, kar pa pomeni tudi omejitev števila delcev in upočasnjeno oblikovanje vizualnega gradiva. Za dinamični prikaz izbranih procesov na ravni delcev pa ni bilo dovolj, da izdelamo animacije, temveč je bilo potrebno izdelane animacije posneti, kar omogočata oba omenjena programa. Posnete animacije smo nato opremili z zvokom in napisi ter jih optimizirali glede na velikost filma v programu Adobe Premiere, ki je namenjen za montažo filmov. Opremljene animacije smo s programom Adobe Premiere pretvorili v mpeg format, ki ga lahko vključujemo v PowerPoint predstavitev.


85

Slika 4.3.4.1: Leva ikona povezuje delovne lističe, ki se nanašajo na preverjanje pred-znanja, desna pa delovne lističe, ki se nanašajo na poskus.

Model amoniaka v plinski fazi Model vodne raztopine amoniaka

Model vodne raztopine amoniaka s prikazom fazne

meje

Slika 4.3.4: Sub-mikroskopski statični prikaz eksperimenta difuzija in raztapljanje amoniaka

Statično in dinamično vizualizacijsko gradivo smo združili v PowerPoint predstavitev procesov na sub-mikroskopski ravni (Aktivna vizualizacija pojmov in procesov, Priloga 4). 4.3.4 Didaktični napotki za uporabo PowerPoint predstavitve Predstavitev je razdeljena na štiri dele: uvod (osnovni delci snovi), Topnost plinov in difuzija (amoniak), Topnost plinov in difuzija (vodikov klorid) in Topnost plinov in difuzija (amoniak in vodikov klorid). Uvod je kratek in nima povezav z drugimi deli programa, medtem ko sta v preostalih delih že na začetni strani ikoni, ki povezujeta program z Wordovimi dokumenti (Delovni lističi za dijake 1, 2, 3, 4, 5 in 6). Povezavo z delovnimi lističi sprožite tako, da kliknete z levim gumbom na miški na izbrano ikono in se vam bo v Wordu odprl povezani dokument. V drugem, tretjem in četrtem delu predstavitve razlagamo proces difuzija in mehanizme reakcij: baze z vodo, kisline z vodo in baze s kislino. Za proces difuzije in mehanizme reakcij smo pripravili v programih Cosmo Worlds in Molucad animacije, ki jih sprožite tako, da kliknete na sliko procesa ali mehanizma z levim gumbom na miški.


86

Slika 4.3.4.2: Na sliko kliknite z levim gumbom na miški in sprožila se bo animacija procesa difuzije oz. animacija mehanizma reakcije kisline z vodo.

V drugem, tretjem in četrtem delu so predstavljeni modeli delcev, ki so vključeni v izbrane procese. Te modele lahko predstavite tudi v navideznem 3D prostoru, vendar pa za to potrebujete program RasMol, ki je na zgoščenki priloge 4. Navidezne 3D modele delcev sprožite s klikom na sliko modela z levim gumbom na miški. Nato se vam bo pokazalo pogovorno okno, kjer boste videli žični model izbranega delca. Vrsto modela (kalotni, kroglični, palični in žični) lahko spreminjate tako, da v osnovnem meniju izberete ukaz Display, kjer imate možnost izbirati med različnimi vrstami modelov: žični (Wireframe), palični (Sticks), kroglični (Ball & Sticks) in kalotni (Spacefill). Vašo izbiro modela potrdite z levim gumbom na miški. Model lahko tudi vrtite v različne smeri, tako da hkrati držite levi gumb na miški in premikate miško v poljubno smer. Po končanem ogledu posameznega navideznega 3D modela delca zaprite program.

Slika 4.3.4.3: Shematski prikaz dela s programom RasMol

V predstavitev smo vključili tudi statične prikaze modelov in izbranih procesov na sub-mikroskopski ravni. Statične prikaze procesov smo skušali izdelati tako, da bi v gledalcu vzbujali občutek prostora. Pri statičnih prikazih procesov smo uporabili za ponazoritev in razmejitev tekoče in plinaste faze temno sivo in svetlo sivo barvo.

Display Z levim gumbomna miški potrditeizbrano vrstomodela delca


87

molekulaamoniakamolekula

vode

Modelni prikazraztopine amoniakana fazni meji

Slika 4.3.4.4: Na statičnih prikazih procesov sta tekoči in plinasti fazi ponazorjeni s temno in svetlo sivo barvo.

4.3.5 Didaktični napotki za delo v razredu - Za vsak poskus smo predvideli eno šolsko uro. Poskuse lahko izvajamo v

razredu, učenci/dijaki naj delajo v parih. Vsak par naj dobi za izbrani poskus potrebne kemikalije v plastičnih stekleničkah in potrebščine (petrijevke, predloge, brisačo).

- Pred začetkom praktičnega dela preverimo, če dijaki/učenci poznajo

osnovne delce snovi in razlikujejo med atomi, ioni, kristali. Poudarimo tudi pomen modelov za vizualizacijo osnovnih delcev in predstavimo nekaj značilnih primerov modelov. Temu delu namenimo največ 5 minut.

- Nato razdelimo delovne lističe in barvice. Vsak delovni listič je sestavljen iz

treh delov. V prvem delu preverimo poznavanje nekaterih osnovnih pojmov, ki so povezani z izbranim poskusom.

- V drugem delu preverimo predstave učencev/dijakov o delcih, ki so

vključeni v poskus, zato jih prosimo, da naj skušajo narisati modele delcev, ter zapisati enačbo spremembe. Za reševanje imajo na voljo 10 minut.

- V tretjem delu vsak par izvede poskus po navodilih v delovnem lističu in

odgovarja na zastavljena vprašanja. Za izvedbo poskusa ima par na voljo 15 minut.

- Sledi razprava, v kateri z uporabo vizualnega gradiva razložimo ključne

pojme in procese poskusa na sub-mikroskopski ravni ter se pogovorimo o težavah, ki so jih imeli učenci/dijaki pri reševanju posameznih delov delovnega lističa.

- Ker tretji poskus terja poznavanje pojmov prvega in drugega poskusa, predlagamo, da ga izvajate kot zadnjega.

Opisna metodologija izvedbe poskusov v razredu je le predlog. Morda bi bilo zlasti za učence, ki so manj vešči eksperimentiranja in se šele uvajajo v svet delcev snovi, primernejše vsaj za prvi poskus uporabiti blok uro, tako da bi lahko namenili eksperimentalnemu delu in zaključni učiteljevi predstavitvi ter


88

razpravi več časa. Primerna je tudi izvedba le s polovico razreda, ker omogoča boljši nadzor nad izvajanjem poskusov in olajša zaključno razpravo. 4.3.6 Didaktična vrednost poskusov in vizualizacijskega gradiva V kolikšni meri lahko razvito didaktično gradivo vpliva na globlje razumevanje izbranih pojmov na sub-mikroskopksi ravni, smo preverili na vzorcu 192 gimnazijskih dijakov treh različni usmeritev: splošne, naravoslovne in družboslovne. Iz vsake usmeritve smo v raziskavo vključili po 64 dijakov. Raziskavo smo izvedli tako, da so dijaki najprej reševali delovni listič Difuzija in raztapljanje amoniaka (Pola 1), sledila je predstavitev procesa na sub-mikroskopski ravni, kot intervencija učitelja z razpravo. V nadaljevanju pa nas je zlasti zanimalo, v kolikšni meri bo ta intervencija vplivala na sposobnost prenosa znanja v novo učno okolje – reševanje delovnega lističa Difuzija in raztapljanje vodikovega klorida (Pola 2). Na grafu 4.3.6.1 so prikazane srednje vrednosti doseženih točk v odstotkih na prvi (Pola 1) in drugi testni poli (Pola 2) za celotno populacijo testirancev. Učiteljeva razlaga procesa difuzije in prikaz raztapljanja amonika v vodi na sub-mikroskopski ravni z uporabo statičnih in dinamičnih 3-D modelnih prikazov je imela pozitiven učinek na prenos znanja v novo učno okolje, kjer so morali dijaki razložiti proces raztapljanja vodikovega klorida v vodi in nastajanje vodne raztopine klorovodikove kisline. Na drugi testni poli so testiranci dosegli v povprečju za 20 % boljši rezultat.

0102030405060708090

100

Pola 1 Pola 2

Sre

dnja

vre

dnos

t dos

ežen

ih to

čk

v %

Graf 4.3.6.1: Srednje vrednosti točk in 95% interval zaupanja na prvi in drugi testni poli

Na grafu 4.3.6.2 so prikazane razlike v doseženih srednjih vrednostih točk na prvi poli (Pola 1) za posamezne gimnazijske usmeritve. Naravoslovci so dosegli za približno 6% boljši uspeh kot dijaki splošne in družboslovne usmeritve.


89

0102030405060708090

100

D N S

Sre

dnja

vre

dnos

t toč

k v

%

Legenda: S (splošna smer) N (naravoslovna smer) D (družboslovna smer)

Graf 4.3.6.2: Srednje vrednosti dosežkov na prvi testni poli testirancev treh usmeritev Na grafu 4.3.6.3 so primerjalno prikazani dosežki na prvi in drugi testni poli (po intervenciji) ter povprečne razlike v dosežkih testirancev za tri gimnazijske usmeritve. Tudi po intervenciji so dosežki naravoslovcev za približno 10% boljši, dosegli so tudi največjo razliko glede na povprečni rezultat prve testne pole. Najmanj pa so napredovali po intervenciji družboslovci.

0102030405060708090

100

D N S

Sre

dnja

vre

dnos

t in

razl

ike

v %

Pola 1

Pola 2

Razlika

Legenda: S (splošna smer) N (naravoslovna smer) D (družboslovna smer)

Graf 4.3.6.3: Dosežki na prvi ter drugi testni poli testirancev treh gimnazijskih usmeritev

S t-testom smo dokazali, da med skupinami naravoslovcev, družboslovcev in dijaki splošne smeri ni bilo statistično pomembnih razlik v dosežkih na prvi in drugi testni poli. Ugotovljene pa so statistično pomembne razlike med dosežki prve in druge testne pole tako za celotno skupino (N=192), kakor med posameznimi skupinami. S t-testom smo potrdili, da med spoloma ni statistično pomembnih razlik v dosežkih na drugi poli, medtem ko so ugotovljene statistično pomembne razlike med spoloma v dosežkih na prvi poli. S testom ANOVA pa smo ugotovili, da ni statististično pomembnih razlik med dosežki vseh treh skupin znotraj prve in druge testne pole.


90

Naša raziskava je dokazala, da lahko že ena sama ustrezna intervencija učitelja bistveno prispeva k bolj poglobljenemu znanju in sposobnosti uporabe znanja, zato bi redna uporaba didaktično primernih vizualizacijskih pripomočkov, ki jih danes ponuja sodobna informacijska tehnologija, gotovo lahko prispevala k lažjemu osmišljanju teoretičnih kemijskih pojmov in njihovemu boljšemu pomnenju ter bolj poglobljenemu razumevanju. Na osnovi rezultatov, ki so predstavljeni na grafu 4.3.6.2 in grafu 4.3.6.3 ter statističnega vrednotenja razlik med skupinami testirancev na osnovi t-testa in testa ANOVA ugotavljamo, da ni statistično pomembnih razlik v dosežkih med naravoslovci in družboslovci, naravoslovci in dijaki splošne smeri ter med družboslovci in dijaki splošne smeri, tako na prvi, kakor tudi na drugi testni poli. Rezultat po eni strani preseneča, saj bi pričakovali znatno boljše rezultate naravoslovcev v primerjavi z rezultati družboslovcev in dijakov splošne smeri glede na njihovo usmeritev, po drugi strani pa je v skladu z izsledki Nurrenberna in Pickeringa (1987), ki sta ugotovila, da zgolj bolj izraženo matematično-logično mišljenje, ki ga pričakujemo pri naravoslovcih, še ni zagotovilo za pravilnejše razumevanje delčne narave materije. To pa dodatno kaže na nujnost dosledne uporabe primerne strategije povezovanja makro sveta poskusov in sub-mikro sveta delcev, za razvoj pravilnejših predstav o pojavih in procesih pri dijakih in učencih, ne glede na siceršnje razlike v njihovih sposobnostih. 4.3.7 Magnetni modeli za vizualizacijo kemijskih sprememb V primeru, da nimamo na voljo medmrežja ali dostopa do računalnika za delo v razredu, si lahko pri razlagi poskusov na sub-mikroskopski ravni pomagamo z uporabo magnetnih modelov. Magnetne modele izdelamo iz magnetnega traku in tršega barvastega papirja. Iz tršega barvastega papirja izdelamo modele atomov, na zadnjo stran modela pa nalepimo košček magnetnega traku. Za njihovo »aktivno« uporabo pa potrebujemo magnetno tablo, ki je na večini šol dostopna. Z razliko od komercialnih ali računalniško generiranih modelov, so magnetni modeli dvodimenzionalni in tako predstavljajo projekcije pravih 3D modelov. Pomembno je, da so atomi v modelu predstavljeni v razmerju atomskih oz. ionskih radijev. Za razlikovanje med modeli posameznih atomov pa uporabimo lepilni papir v barvah, ki jih standardno uporabljamo tudi pri označevanju atomov v 3D modelih (rdeča za model atoma kisika, bela za model atoma vodika, modra za model atoma dušika in podobno). Namesto standardnih barv pa lahko razvijemo lastno barvno lestvico, s katero seznanimo uporabnike. Uporaba različnih barv za označevanje modelov posameznih atomov je celo priporočljiva in predstavlja podporo v izogib često napačni predstavi, da so atomi obarvani. Podatki o radijih atomov posameznih elementov in njihovih ionov so dostopni na spletni strani WebElements the Periodic Table (http://www.webelements.com/).

Izdelali smo magnetne modele za ponazoritev sub-mikroskopske ravni treh poskusov: (1) Segrevanje bakrove ploščice, (2) Mešanje brezbarvnih vodnih raztopin in (3) Reakcija cinka z vodno raztopino bakrovega klorida.


91

Za atome vzamemo kot radij kar van der Waalsove radije, ki so opredeljeni na osnovi kontaktnih razdalj med neveznimi atomi. Podatki so podani v pikometrih, pm (1 pm = 10-12 m). Za enoatomne ione vzamemo kot izhodišče Shannov ionski radij, modele večatomnih ionov pa sestavimo iz ustreznih modelov atomov. Tabela 4.3.7.1: Radiji izbranih atomov in ionov

atom van der Waalsov radij

radij modela

N 155 pm 1,5 cm O 152 pm 1,5 cm Cu 140 pm 1,4 cm Zn 139 pm 1,4 cm Shannov ionski radij I- 206 pm 2 cm K+ 152 pm 1,5 cm Ag+ 129 pm 1,3 cm Cl- 167 pm 1,7 cm

Opozorilo! Zavedati se moramo, da so magnetni modeli molekul in ionov le grobi približki, saj so atomski in ionski radiji odvisni od razdalje med atomi v vezi, pri kristalnih mrežah pa še od koordinacije ionov in geometrijske razporeditve v prostoru. Tako je na primer van der Waalsov radij kalijevega atoma 196 pm, kalijev ion v kalijevem jodidu, kjer je vsak kalijev ion koordiniran s šestimi jodidnimi ioni in vsak jodidni ion s šestimi kalijevimi v oktaedrični razporeditvi pa ima ionski radij 152 pm. Spremembo velikosti delcev pri reakcijah pa je možno aktivno prikazati na sub-mikroskopski ravni le z ustreznimi animacijami.

Modelni prikaz kristalne

zgradbe KI (s) Modelni prikaz zgradbe vode

H2O (l) Modelni prikaz vodne

raztopine KI (aq)

Slika 4.3.7.1: Primer prikaza raztapljanja kalijevega jodida v vodi z uporabo magnetnih

modelov Izbor poskusov Izbrali smo poskuse, ki so primerni za ponazoritev pojma kemijska reakcija v osnovni šoli, lahko jih vključimo tudi v obravnavo elementov in njihovih lastnosti, na višji ravni pa za predstavitev pojmov oksidacija, redukcija, redoks reakcija.


92

1. Segrevanje bakra – je primer reakcije med trdno snovjo in plinom, dobro je zaznavna sprememba barve bakrove ploščice pred in po segrevanju v plamenu gorilnika.

2. Reakcija med srebrovimi in jodidnimi ioni – je primer reakcije med brezbarvnimi vodnimi raztopinami ionov, dobro je vidno nastajanje težkotopne oborine.

3. Reakcija med bakrovim kloridom in cinkom – je primer reakcije med trdno snovjo in obarvano raztopino ionov, dobro je zaznavna sprememba barve cinkove ploščice, na kateri se izloča baker in sprememba barve vodne raztopine, ki iz modre prehaja v brezbarvno.

Izvedba poskusov je enostavna in varna. Lahko jih predstavimo kot učiteljevo demonstracijo ali pa kot skupinsko oz. individualno delo učencev v mikroizvedbi. Priporočljiva strategija izvedbe v razredu Na osnovi testiranja uporabne vrednosti magnetnih modelov za razvijanje sub-mikroskopske predstave o poteku kemijskih sprememb priporočamo naslednjo strategijo za delo v razredu: 1. Učitelj demonstrira poskus »Segrevanje bakrene ploščice« in učenci

zapisujejo spremembe v delovni listič. 2. Učitelj z uporabo magnetnih modelov razloži rezultate poskusa in poveže

makroskopske spremembe s sub-mikroskopsko predstavitvijo. 3. Prvi poskus je zaključen z zapisom enačbe kemijske spremembe. 4. Učenci v paru izvedejo drugi poskus (Reakcija med ioni). Zapišejo

spremembe na makroskopski ravni. 5. Učitelj skupaj z učenci izpelje sub-mikroskopsko predstavitev rezultatov

poskusa in enačbo reakcije. 6. Učenci v paru izvedejo tretji poskus. Opišejo spremembe na makroskopski

ravni in samostojno z uporabo magnetnih modelov predstavijo rezultate poskusa na sub-mikroskopski ravni ter zapišejo enačbo reakcije.

7. Učitelj preveri pravilnost njihove sub-mikroskopske predstavitve in enačbe reakcije.

Za izvedbo vseh treh poskusov je najbolj primerna blok ura. V primeru, da taka izvedba ni možna, priporočamo izvedbo v dveh zaporednih urah. Izvedba in rezultati testiranja Raziskavo o uporabi magnetnih modelov za razlago eksperimentalnih opažanj na sub-mikroskopski ravni smo izvedli v š.l. 2002/03. V raziskavi so sodelovali 103 učenci iz štirih osnovnih šol. V kontrolni skupini je bilo 51 učencev, v eksperimentalni pa 52. Na koncu raziskave so vsi učenci pisali test znanja, s katerim smo preverjali vpliv modelnih predstavitev reakcij na kvaliteto znanja. Raziskava je potekala sočasno v eksperimentalni in kontrolni skupini. Učence je v kontrolni skupini vodil učitelj, ki jih poučuje kemijo, v eksperimentalni skupini pa raziskovalec. Raziskava na šolah je potekala približno dve šolski uri (časovno trajanje v eksperimentalni skupini je daljše kot v kontrolni). V


93

uvodnem delu raziskave v razredu so učenci prejeli informacije o namenu dela ter dobili navodila za delo in delovne liste. Delovni list zahteva od učencev natančno opazovanje in beleženje sprememb in dogajanj med poskusom za vse tri vaje. Poleg tega zahteva še samostojni zapis kemijskih enačb pri vaji 2 in vaji 3 (pri vaji 1 kemijsko enačbo zapiše učitelj na tablo). Delovni listi učencev eksperimentalne skupine se razlikujejo od delovnih listov kontrolne skupine. Delovni list eksperimentalne skupine poleg navedenega, dodatno zahteva od učencev še beleženje (pri vaji 1 in pri vaji 2) ter samostojno ponazarjanje (pri vaji 3) kemijskih reakcij na submikroskopskem nivoju. Učenci eksperimentalne skupine pri vaji 1 in vaji 2 poslušajo učiteljevo razlago z magnetnimi modeli na magnetni tabli in v delovne liste prerišejo modele delcev na označena mesta v delovnem listu. Pri vaji 3 pa skušajo kemijsko reakcijo z modeli samostojno ponazoriti. Shema 4.3.7.1: Shematski prikaz izvedbe raziskave v razredu

Po končanem eksperimentiranju so učenci eksperimentalne skupine prejeli še strukturiran vprašalnik. S strukturiranim vprašalnikom smo skušali ugotavljati občutke in mnenja učencev o izvedenih eksperimentalnih vajah in o izvedeni strategiji magnetnih modelov. Po preteku enega tedna sta obe skupini učencev pisali enak test znanja. Vsak učenec je imel na voljo 45 minut. Test znanja je bil sestavljen iz 8 nalog. S petimi nalogami smo preverjali splošno znanje učencev, s tremi nalogami pa znanje, ki je bilo vezano na izvedeno strategijo uporabe magnetnih modelov za sub-mikroskopsko predstavitev rezultatov izbranih poskusov. Frekvence pravilnih odgovorov na testu za kontrolno in eksperimentalno skupino so podane v tabeli 4.3.7.2.

Kontrolna skupina Eksperimentalna skupina

Makroskopski nivo Zapisovanje učenčevih opažanj

Makroskopski nivo Zapisovanje učenčevih opažanj

Simbolni nivo Ponazoritev reakcije s simboli in formulami

Submikroskopski nivo Ponazoritev poteka reakcije z uporabo magnetnih modelov

Simbolni nivo Ponazoritev reakcije s simboli in formulami


94

Tabela 4.3.7.2: Frekvence pravilnih odgovorov na testu

Frekvence pravilnih odgovorov (%) in težavnost NALOGA

Eksperimentalna skupina Kontrolna skupina Skupaj

1 80,8 ustrezna 82,4 ustrezna 81,6 ustrezna

2 besedilo 84,6 ustrezna 80,4 ustrezna 82,5 ustrezna

2 slika 5,8 pretežka 15,7 pretežka 5,8 pretežka



Spl

ošno

zna

nje


6 51,9 ustrezna 21,6 pretežka 36,9 ustrezna

7 50,0 ustrezna 9,8 pretežka 30,1 ustrezna

Eks

per

im

enta

lno

znan

je


Z nalogami, ki preverajo splošno znanje, smo želeli primerjati pomnenjenje in razumevanje splošnega znanja, ki so ga učenci iz eksperimentalne in kontrolne skupine pridobili pri urah kemije v sedmem razredu. Naloge 6., 7. in 8. so se nanašale na sposobnost prenosa v eksperimentalni skupini pridobljenega znanja razlage poteka reakcij na sub-mikroskopski ravni s pomočjo magnetnih modelov, na nove učne situacije. Na osnovi primerjave uspešnosti pri reševanju teh nalog med kontrolno in eksperimentalno skupino lahko ugotovimo, da je bila eksperimentalna skupina znatno bolj uspešna od kontrolne, kar gotovo kaže na pozitiven vpliv uporabe magnetnih modelov na boljše razumevanje procesov na sub-mikroskopski ravni. Na podlagi odgovorov učencev eksperimentalne skupine na anketni vprašalnik lahko ugotovimo, da je bila razlaga s pomočjo strategije magnetnih modelov dovolj jasna in nazorna in da jim je metoda z magnetnimi modeli omogočala lažje in razumljivejše zapisovanje kemijskih enačb. Učenci menijo, da je pomembno, da potek poskusa razložijo na sub-mikroksopski ravni skupaj z učiteljem. Učencem samostojno izvajanje izbranega poskusa ni delalo težav. Prav tako niso imeli težav pri opazovanju in zapisovanju sprememb pri kemijski reakciji. Izbrani poskus je bil za učence primeren in zanimiv. Pri samostojni ponazoritvi kemijske reakcije na sub-mikroskopskem nivoju je naloga večje težave povzročala dekletom kot fantom. Podobno nalogo so tudi na testu znanja dekleta reševala slabše. Samostojno zapisovanje kemijske reakcije brez učiteljeve razlage poskusa na sub-mikroskopski ravni pa je vendar še skoraj polovici učencem povzročalo precejšnje težave, kar je potrdil tudi test znanja. Odgovori učencev na anketni vprašalnik kažejo na potrebo po večkratni uporabi podobne strategije predstavljanja poskusov na sub-mikroskopski ravni, kar bi gotovo še povečalo delež tistih učencev, ki jim sub-mikroksopska raven ne bi več povzročala težav. (Test in delovni lističi so na zgoščenki Priloge 4.)


95

4.4 Didaktična priporočila Temeljne naravoslovne pojme uvajajmo v šoli na osnovi poskusov. Poskus naj bo v funkciji pridobivanja znanja, zato je zlasti primerna

mikroizvedba, ki je cenovno primerna in okoljsko varna, hkrati pa omogoča zaznavanje sprememb in pridobivanje eksperimentalnih spretnosti.

Na začetku izbirajmo take poskuse, pri katerih so spremembe nedvoumno zaznavne.

Ob poskusih razvijajmo sposobnost opazovanja sprememb na makroskopski ravni, kar je prvi korak k razumevanju rezultatov poskusa na sub-mikroskopski ravni.

Pri razlagi opažanj si pomagajmo z dostopno informacijsko komunikacijsko tehnologijo (IKT), ki omogoča nazoren prikaz procesov na sub-mikroskopski ravni.

V primeru, da nimamo na voljo sodobne IKT si lahko pomagamo za prikaz dogajanj na sub-mikroskopski ravni z magnetnimi modeli, ki jih izdelamo sami. Paziti moramo na razmerje velikosti delcev, ki jih modeli predstavljajo.

Ob uporabi vizualizacijskih sredstev pa bodimo pozorni na njihovo kvaliteto in strokovno neoporečnost ter opozarjajmo učence/dijake na bistvene razlike med modeli in dejanskim svetom delcev.


96

5. Zaključki Razumevanje kemijskih pojmov in procesov ter s tem tudi v veliki meri priljubljenost kemije lahko povečamo, če skrbimo za razvoj kemijske vizualne pismenosti. Ključna elementa kemijske vizualne pismenosti sta (1) sposobnost zaznave in opisovanja sprememb na makroskopski ravni ter (2) pravilno dojemanje delčne narave zgradbe snovi na sub-mikroksopski ravni, kar terja pravilno dojemanje prostora in nekaterih elementarnih operacij v prostoru, kot so zaznava, rotacija in zrcaljenje. Prvega lahko razvijamo na osnovi skrbno izbranih kemijskih poskusov, drugega pa z uporabo molekulskih in kristalnih modelov. Čeprav sta oba elementa vizualne pismenosti odvisna tudi od psihičnih sposobnosti učencev/dijakov in študentov, ter od spola, naše raziskave kažejo, da je razlike možno v veliki meri premostiti s pravilno strategijo uvajanja poskusov in uporabe modelov v šolski praksi. Zlasti priporočljiva je oblika sodelovalnega učenja. Pri tej obliki dela se vrstniki praviloma učijo od vrstnikov, učitelj pa le vodi proces učenja in pomaga, ko je potrebno. Takšna oblika dela v razredu zmanjša generacijski prepad med učiteljem in učenci, bistveno oljaša medsebojno sporazumevanje in s tem prispeva k sproščenosti, motivaciji in boljšim rezultatom učenja. S tem priročnikom vam želimo posredovati izkušnje pri razvijanju kemijske vizualne pismenosti, ki jih nismo prepisali iz literature, temveč so bile razvite in preverjenje v naši učni praksi, z vašo pomočjo in vašimi učenci in dijaki. Želimo, da bi vsaj nekatere teh izkušenj posredovali tudi bodočim rodovom in jim s tem še bolj približali pomemben delček naravoslovnih zakonitosti.


97

6. Literatura

AL METHEN, A. E., in WILKINSON, W. J. In support of a sociological explanation of sex differences in science and mathematics achievement: evidence from a Kuwaiti study of secondary school certificate examinations. Research in Science and Technological Education, 1988, vol. 6, no. 1, pp. 91-101.

ATKINS, P.W., in JONES, L. Chemistry : molecules, matter, and change. New York : W.H. Freeman and Company, 1997.

BAKER R. S., in TALLEY H. L. Visualisation skills as a component of aptitude for chemistry – a construct validation study. Journal of Research in Science Teaching, 1974, vol. 11, pp. 95–97.

BAKER, R. S., in TALLEY, H.L. The relationship of visualization skills to achievement in freshman chemistry. Journal of Chemical Education, 1972, vol. 49, no. 11, pp. 775-777.

BAKER, R. W. in GEORGE, A.V. Models and molecules - a workshop on stereoisomers. Journal of Chemical Education, 1998, vol. 75, no. 7, pp. 853-855.

BARKE, H. D., in WIRBS, H. Structural units and chemical formulae. Chemistry Education : Research and Practice in Europe, 2002, vol. 3, no. 2, pp. 185-200.

BENBOW, C. P., in STANLEY, J. C. Sex differences in mathematical ability : fact or artifact? Science, 1980, vol. 210, no. 4475, pp. 1262-1264.

BENT, H. Uses (and abuses) of models in teaching chemistry. Journal of Chemical Education, 1984, vol. 61, no. 9, pp. 774-777.

BRADLEY, J. D. Carbon comes round. Education in Chemistry, 1992, vol. 29, no. 1, pp. 2-3.

BRADLEY, J. D., in BRAND, M. Stamping out misconceptions. Journal of Chemical Education, 1985, vol. 62, no. 4, pp. 318-319.

CARTER, C. S, LARUSSA, M. A., in BODNER, G. M. A study of two measures of spatial ability as predictors of succes in different levels of general chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 1987, vol. 24, no. 7, pp. 645-657.

COLEMAN, S. L., in GOTCH, A. J. Spatial perception skills of chemistry students. Journal of Chemical Education, 1998, vol. 75, no. 2, pp. 206-209.

COPOLO, C. F., in HOUNSHELL, P. B. Using three-dimensional models to teach molecular structures in high school chemistry. Journal of Science Education and Technology, 1995, vol. 4, no. 4, pp. 295-305.

CROUCH, R. D., HOLDEN, M. S., in SAMET, C. CAChe molecular modeling: a visualization tool early in the undergraduate chemistry curriculum. Journal of Chemical Education, 1996, vol. 73, no. 10, pp. 916-917.

DORI, Y. J., in BARAK, M. Virtual and physical molecular modeling: fostering model perception and spatial understanding. Educational Technology and Society, 2001, vol. 4, no. 1, pp. 61-74.


98

DOUGLAS, J. E. Visualization of electron clouds in atoms and molecules (CS). Journal of Chemical Education, 1990, vol. 67, pp. 42-44.

EILKS, Students' understanding of the particulate nature of matter and misleading ilustrations from textbooks [online], [citirano 31.3.2003]. Dostopno na svetovnem spletu: <www.chemie.unidortmund.de/groups/ dc1/VLFD/VLFDIllu.pdf>

FERK, V., in VRTAČNIK, M. Informational value of different kinds of molecular structure representations. In 2001, A chemistry odyssey : proceedings : 6th European conference on research in chemical education : 2nd European conference on chemical education : ECRICE. Edited by Cachapuz, A. F. Aveiro : Universidade de Aveiro, 2001, 9 p.

FERK, Vesna, VRTAČNIK, Margareta, BLEJEC, Andrej, GRIL, Alenka. Students’ understanding of molecular structure representations. Int. J. Sci. Educ., 2003 – v tisku.

FERK, Vesna. Pomen različnih vrst molekulskih modelov pri pučevanju in učenju kemije : doktorska disertacija = The significance of different kinds of molecular models in teaching and learning of chemistry : Doctoral Thesis. Ljubljana: [V. Ferk], 2003.

FERK, Vesna. Vpliv različnih predstavitev zgradbe molekul na procese zaznave, rotacije in zrcaljenja : magistrsko delo = The impact of different molecular structure representations on the process of perception, rotation and reflection : Master Thesis. Ljubljana: [V. Ferk], 2000.

FIR, M. Povezovanje makroskopske in sub-mikroskopske ravni zaznave kemijskih procesov. Magistrsko delo. Ljubljana (v pripravi).

GABEL, D. L., SAMUEL, K. V., HUNN, D. Understanding the particulate nature of matter. Journal of Chemical Education, 1987, vol. 64, pp. 695-697.

GLOBOČNIK, Z. Sinteza in karakterizacija kovinskih kompleksov z norfloksacinom. Prikaz kristalov z modeli v osnovni in srednji šoli : diplomsko delo. Ljubljana, 1993. 27 str.

GOODSTEIN, M., in HOWE, A. The use of concrete methods in secondary chemistry instruction. Journal of Research in Science Teaching, 1978, vol. 15, no. 5, pp. 361-366.

GREENBOWE, T. An interactive multimedia software program for exploring electrochemical cells. Journal of Chemical Education, 1994, vol. 71, pp. 555-557.

GROSSLIGHT, L., UNGER, C., JAY, E., in SMITH, C. Understanding models and their use in science: conceptions of middle and high school students and experts. Journal of Research in Science Teaching, 1991, vol. 28, no. 9, pp. 799-822.

HAKKARAINEN, K., LIPPONEN, L., JARVELA, S., in NIEMIVIRTA, M. The interaction of motivational orientation and knowledge-seeking inquiry in COMPUTER-supported collaborative learning. Journal of Educational Computing Research ,1999, vol. 21, pp. 263-281.

HARRISON, A. G., in TREAGUST, D. F. A typology of school science models. International Journal of Science Education, 2000b, vol. 22, pp. 1011–1026.


99

HARRISON, A. G., in TREAGUST, D. F. Learning about atoms, molecules, and chemical bonds : a case study of multiple-model use in grade-11 chemistry. Science Education, 2000a, vol. 84, no. 3, pp. 352-382.

HARRISON, A. G., in TREAGUST, D. F. Secondary students' mental models of atoms and molecules : implications for teaching chemistry. Science Education, 1996, vol. 80, no. 5, pp. 509-534.

HENDERSON, G., in LIBERATORE, C. Animated vibrational models of triatomic molecules. Journal of Chemical Education, 1998, vol. 75, no. 6, pp. 779.

HERRON, J. D., in GREENBOWE T. J. What can we do about Sue: a case study of competence. Journal of Chemical Education, 1986, vol. 63, pp. 528–531.

JENSEN, W. B. Extending ball and stick models by using three-center, two-electron bonding components. Journal of Chemical Education, 1980, vol. 57, no. 9, pp. 637-638.

JOHNSTONE, A. H. Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of computer assisted learning, 1991, vol. 7, pp. 75-83.

KAARTINEN, S., in KUMPULAINEN, K. Collaborative inquiry and the construction of explanations in the learning of science. Learning and Instruction, 2002, vol. 12, pp. 189-212.

KALI, Y, K., in ORION, N. Spatial abilities of high-school students in the perception of geologic structures. Journal of Research in Science Teaching, 1996, vol. 33, no. 4, pp. 369-391.

KEENAN, C. W., KLEINFELTER, D. C.in WOOD, J. H. General college chemistry. 6th edition. San Francisco: Harper and Row Publ., 1980. 717 pp.

KEMP, G. D. The display of protein conformation on a microcomputer. Biochemical Education, 1986, vol. 14, no. 1, pp. 22-24.

KIM, J. H. Alkanes in motion. Journal of Chemical Education, 1996, vol. 73, no. 11, pp. 1079-1080.

KLAININ, S. The superior achievement of girls in chemistry and physics in upper secondary schools in Thailand. Research in Science and Technological Education, 1989, vol. 7, no. 1, pp. 5-14.

KORNHAUSER, A. Konstrukcija in uporaba atomskih in molekularnih modelov pri pouku. Vzgoja in izobraževanje, 1972, let. 3, št. 1 , pp. 18-25.

LEWIS, N. S. The Caltech chemistry animation project (NSF). Journal of Chemical Education, 1993, vol. 70, pp. 739-740.

LIPKOWITZ, K. B. Molecular modeling in organic chemistry. Journal of Chemical Education, 1989, vol. 66, no. 4, pp. 275-277.

NAKHLEH, M. B. Are our students conceptual thinkers or algorithmic problem solvers? Identifying conceptual students in general chemistry. Journal of Chemical Education, 1993, vol. 70, pp. 52-55.

NOH, T., in SCHARMANN, L. C. Instructional influence of a molecular-level pictorial presentation of matter on students' conceptions and problem-solving


100

ability. Journal of Research in Science Teaching, 1997, vol. 34, no. 2, pp.199-217.

NURRENBERN, S. C., in PICKERING, M. Concept learning versus problem solving: is there a difference? Journal of Chemical Education, 1987, vol. 64, pp. 508-510.

PERUŠ MARUŠIČ, Bojana. Vpliv multimedije na kemijsko znanje v različnih programih srednjega izobraževanja : magistrsko delo = The influence of multimedia on the chemistry knowledge in different programmesin the secondary education : Master Thesis. Ljubljana: [B. Peruš Marušič], 2000.

PICKERING, M. Further studies on concept learning versus problem solving. Journal of Chemical Education, 1990, vol. 67, pp. 254-255.

POTISK, Bojana. Sodelovalno učenje z uporabo kemijskih baz podatkov : Cooperative learning by using chemical data bases. 2003. Ljubljana: [B. Potisk], 2003.

POZDEREC, N. Sposobnost povezovanja rezultatov kemijskih eksperimentov z razlago opažanj na nivoju delcev. Magistrsko delo. Ljubljana (v pripravi).

PRIBYL, J. R., in BODNER, G. M. Spatial ability and its role in organic chemistry: a study of four organic courses. Journal of Research in Science Teaching, 1987, vol. 24, no. 3, pp. 229-240.

RAEMME, G. Soap film models. Education in Chemistry, 1992, vol. 29, no. 6, pp. 159-160.

RENIČ, V. Soodvisnost učinkovitega spremljanja kemijskih procesov od načinov vizualne predstavitve. Magistrsko delo. Ljubljana (v pripravi).

REŽEK DONEV, Nataša. Pomen multimedije za pouk kemije : magistrsko delo = The importance of multimedia in chemistry teaching : Master Thesis. Ljubljana: [N. Režek Donev], 2000.

ROCHFORD, K. Spatial learning disabilities and underachievement among university anatomy students. Medical Education, 1985, vol. 19, pp. 13-26.

RODRIGUEZ, F. Classroom demonstrations of polymer principles. Journal of Chemical Education, 1987, vol. 64, no. 1, pp. 72-76.

RUSSELL, J. W., KOZMA, R. B., JONES, T., WYKOFF, J., MARX, N., DAVIS, J. Use of simultaneous-synchronized macroscopic, microscopic, and symbolic representations to enhance the teaching and learning of chemical concepts. Journal of Chemical Education, 1997, vol. 74, pp. 330-334.

SAJOVIC, I. Sinteza, karakterizacija in uporaba aluminofosfatnih molekulskih sit ter poskus vgradnje nekaterih kovinskih ionov. Prikaz zgradbe kovin z modeli : diplomsko delo. Ljubljana, 1992. 41 str.

SANGER, M. J. Computer animations in chemistry: what we have learned [on line]. [citirano 8.8.2003]. Dostopno na svetovnem spletu: <http://faculty.cns.uni.edu/~sanger /Review.htm>.

SANGER, M. J. Using particulate drawings to determine and improve students' conceptions of pure substances and mixtures. Journal of Chemical Education, 2000, vol. 77, pp. 762-766.


101

SANGER, M. J., GREENBOWE, T. J. Students' misconceptions in electrochemistry regarding current flow in electrolyte solutions and the salt bridge. Journal of Chemical Education, 1997, vol. 74, pp. 819-823.

SANGER, M. J., PHELPS, A. J., FIENHOLD, J. Using a computer animation to improve students' conceptual understanding of a can-crushing demonstration. Journal of Chemical Education, 2000, vol. 77, pp. 1517-1520.

SAWREY, B.A. Concept learning versus problem solving: revisited. Journal of Chemical Education, 1990, vol. 67, pp. 253-254.

TARAZONA, M. P. in SAIZ, E. Models for models: an introduction to polymer models, employing simple analogies. Journal of Chemical Education, 1998, vol. 75, no. 11, pp. 1425-1429.

TUCKEY, H., in SELVARATNAM, M. Identification and rectification of students’ difficulties concerning three-dimensional structures, rotation, and reflection. Journal of Chemical Education, 1991, vol. 68, no. 6, pp. 460-464.

VODA, K., BOH, B., in DOLNIČAR, D. Multimedijska baza podatkov “Eterična olja” [online]. Ljubljana : Naravoslovnotehniška fakulteta, 2002 [citirano 14.04.2003]. Dostopno na svetovnem spletu: <http://193.2.99.131/etolja/a.htm>

VRTAČNIK, M. Vizualizacija v kemijskem izobraževanju. Kemija v šoli, 1999, vol. 11, no. 1, str. 2-8.

VRTAČNIK, M. Živi modeli. Kemija v šoli, 1993, vol. 5, no. 1, str. 25-27.

WILLIAMSON, V. M., ABRAHAM, M. R. The Effects of Computer Animation on the Particulate Mental Models of College Chemistry Students. Journal of Research in Science Teaching, 1995, vol. 32, pp. 521-534.

YAMANA, S. An easy constructed bicapped trigonal prism model. Journal of Chemical Education, 1989, vol. 66, no. 12, pp. 1021-1022.

Documents

DINAMIČNA VIZUALIZACIJA NARAVOSLOVNIH POJMOV S …