Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Mallinnusprojektin raportti
Kemian mallit ja visualisointi 2010
Kemian mallit ja visualisointi
Sonja Martikainen & Linnea Töyrylä
3.5.2010
Sisällysluettelo
1. Työn tavoitteet ................................................................................................................................. 1
2. Kemiallinen näkökulma ................................................................................................................... 1
3. Mallinnustuokion kulku ................................................................................................................... 2
4. Pajan toteutuminen ........................................................................................................................... 4
4.1 Itsearviointi pajan toteutumisesta ............................................................................................... 5
5. Tutkimus .......................................................................................................................................... 5
5.1 Tutkimussuunnitelma ................................................................................................................. 5
5.2 Tutkimuksen kokoaminen .......................................................................................................... 5
Liite 1. Ohjeet Spartanin käyttöön ....................................................................................................... 7
Liite 2. Kyselylomake ........................................................................................................................ 10
Liite 3. Oppilaiden mentaalimallipiirustuksia vedestä. ...................................................................... 11
1
1. Työn tavoitteet
Kohderyhmä: 4. luokkalaiset oppilaat
Aihe: vesi ja sen ominaisuudet
Tavoitteet: tutustutaan veden molekyylimalliin ja veden ominaisuuksiin. Pohditaan veden eri
olomuotoja. Selvitetään oppilaiden mentaalimalleja vedestä ennen ja jälkeen mallinnuksen. Oppilas
oppii veden ominaisuuksia ja osaa mallintaa vesimolekyylin.
OPS-kytkentä: Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteissa (POPS 2004) 4. luokan ympäristö-
ja luonnontiedon yleisissä tavoitteissa mainitaan, että oppilas oppii esittämään eri tavoin
ympäristöön ja sen ilmiöihin liittyvää tietoa ja käyttämään niitä käsitteitä, joiden avulla ympäristöä
sekä niihin kuuluvia ilmiöitä ja kohteita kuvataan ja selitetään. Keskeisten sisältöjen Ympäristön
aineita-osiossa tavoitteiksi asetetaan että oppilas oppii arkielämään kuuluvista aineista ja
materiaaleista sekä perehtyy veden ominaisuuksiin ja olomuodon muutoksiin sekä osaa tutkia näitä
asioita.
2. Kemiallinen näkökulma
Oppilasryhmän osaamisesta ei saatu tarkkaa tietoa, sillä opettaja ei ollut ollut paikalla niillä
tunneilla, joilla aihetta oli käsitelty. Ryhmän opettajan suosituksena oli, että lähdetään liikkeelle
alkeista.
Vesi on mauton ja hajuton poolinen yhdiste, jonka molekyylikaava on H2O. Maapallon pinnasta
70% on veden peitossa ja ihmisessä vettä on 60-70%. Vesi on elintärkeää eliöille ja lisäksi se on
hyvä liuotin useille poolisille aineille. Veden moolimassa on 18,015 g/mol eli 18,015 grammassa on
moolin verran vettä. Nestemäisen veden tiheys on 1,00 kg/dm3, mikä tarkoittaa, että yksi
kuutiodesimetri eli litra vettä painaa yhden kilogramman.
Vesimolekyylien väliset vetysidokset pitävät veden koossa. Molekyylin happiatomi voi muodostaa
vetysidoksen enintään neljään läheiseen vetyatomiin. Kiinteässä vedessä eli jäässä vesimolekyylit
ovat tiiviisti ja happi muodostaa neljä vetysidosta. Nestemäisessä olomuodossa vetysidoksia on
vaihtelevasti (noin 3) ja vesihöyryssä vielä harvempaan. Veden korkea kiehumispiste johtuu
vetysidoksista.
2
Vedellä on kolme olomuotoa: neste, kiinteä (jää) ja kaasu (vesihöyry). Vesi on nestemäistä
lämpötilavälillä 0-100 °C. Kun lämpötila laskee alle 0°C:een, vesi jäätyy. Nestemäisen veden
kiehumispiste ja höyrystymislämpötila on 100 °C, minkä yläpuolella vesi on kaasumaisessa
muodossa, vesihöyrynä.
3. Mallinnustuokion kulku
Mallinnustuokio aloitetaan kertomalla oppilaille mentaalimalleista. Oppilaille selitetään lyhyesti
mikä mentaalimalli on, esimerkiksi pyytämällä heitä kuvittelemaan mielessään kalaa. Oppilaille
selvennetään, että kaikkien ”mentaalikala” on erilainen, vaikka kaikista todennäköisesti löytyykin
samat piirteet kuten pyrstö ja evät. Esimerkkinä voidaan käyttää myös mitä tahansa vastaavaa.
Tämän jälkeen heitä pyydetään piirtämään oma käsityksensä vedestä. Aikaa keskusteluun ja
piirtämiseen käytetään noin 10 minuuttia. Suoritukseen tarvitaan paperia ja kyniä.
Itse mallinnusharjoitus suoritetaan Spartanilla. Oppilaiden on hyvä antaa ”leikkiä” ohjelmalla
hetken ja samalla opetetaan peruskomennot (poisto, lisäys, siirtäminen jne.). Tällä pyritään
minimoimaan sijaistoimintojen määrä ja ylimääräisen kokeiluinto itse harjoituksen aikana.
Peruskomennot on esitetty Liitteessä 1.
Oppilaiden kanssa keskustellaan siitä, millainen vesi on kemiallisesta näkökulmasta. Tavoitteena
päästä ilmaisuun H2O. Jos vastausta ei suoralta kädeltä tule, käytetään johdattelevia kysymyksiä.
Voidaan esimerkiksi kysyä, mitä alkuaineita vedessä voisi olla, ovatko oppilaat nähneet jossain
pullon kyljessä mahdollisesti vettä tarkoittavaa kaavaa jne. Nuoret oppilaat vastaavat yleensä
innokkaasti kysymyksiin ja vuorovaikutteinen opettaminen saanee paremman vastaanoton kuin
pelkkä luennointi. Vesimolekyyli mallinnetaan ohjelmalla itsenäisesti, mutta apua saa kysyä.
Taululle piirretään avuksi malli vesimolekyylistä.
3
Kun vesimolekyyli on mallinnettu, keskustellaan miten vesi pysyy koossa kun molekyylit ovat
erillään. Kysytään oppilaiden mielipiteitä ja johdatellaan ideaan, että molekyylien välillä
jonkinlaista vuorovaikutusta tai vetovoimaa. Tässä yhteydessä on hyvä näyttää myös kuvia
esimerkiksi vesipisaroista. Vertauskuvallisesti voidaan puhua vaikkapa magneeteista ja niiden
välisestä vetovoimasta, myös siitä että vetovoimaa ei ole jos magneetit/molekyylit ovat liian
kaukana toisistaan. Mallinnetaan toinen vesimolekyyli ja havainnollistetaan vetysidosta. Oppilaat
voivat liikutella yksittäisiä molekyylejä ja kokeilla, kuinka kauas he voivat sitä siirtää ennen kuin
vetysidos katkeaa. Kemialliseen puoleen ei puututa tämän tarkemmin, ellei kysymyksiä tule. Itse
kokeilemalla oppilas pääsee testaamaan omia hypoteesejaan ja haastamaan omia ajatuksiaan.
Seuraavaksi pohditaan veden eri olomuotoja; neste, kiinteä ja kaasu. Myös tässä on hyvä käyttää
johdattelevia kysymyksiä ja antaa oppilaiden vastata itse. Esimerkkikysymyksinä esimerkiksi;
Miten veden rakenne eroaa eri olomuodoissa kun molekyylit ovat kuitenkin samanlaisia, miten
olomuodot voivat muuttua, mitä tapahtuu kiehumisessa, missä lämpötilassa vesi jäätyy jne. Taululle
piirretty etukäteen mallit veden eri hilarakenteista eri olomuodoissa tai ne on laitettu
powerpointkalvolle. Oppilailla äänestytetään, mikä hilarakenne vastaa mitäkin olomuotoa. Oikeista
vastauksista keskustellaan ja esitetään vetysidosten määrän yhteys olomuotoon.
Lopuksi pohditaan vielä, onko vesihöyryllä eli kaasulla samanlainen massa kuin kiinteällä tai
nestemäisellä vedellä. Tätä havainnollistettiin simulaatiolla. Samalla kerrataan vielä veden
hilarakennetta eri olomuodoissa hieman erilaisella mallilla. Kun oppilas saa erilaisia näkökulmia
samaan asiaan, on hänen helpompi muodostaa oma käsityksensä asiasta.
Mallinnustuokion lopussa pyydetään oppilaita piirtämään uudet mallit vedestä tuokion perusteella
saman paperin toiselle puolelle. Samalla teetätetään lyhyt kysely oppilaiden
kiinnostuksesta/oppimisesta.
Oppilaat eivät saa erillistä ohjetta tuokion kulkuun, vaan ohjaaminen suoritetaan suullisesti kyselyn
ja keskustelun kautta. Tunnilla keskustelun herättäjänä ja kysymysten apuna käytettiin powerpoint-
esitystä, jossa oli erilaisia kuvia veden eri olomuodoista ja vedestä eri tilanteissa. Kuvat oli haettu
flickr-kuvatietokannan (flickr.com) vapaasti käytettävissä olevista kuvahakemistoista.
4
4. Pajan toteutuminen
Mallinnuspajaan osallistunut ryhmä koostui 13 neljäsluokkalaisesta oppilaasta ja heidän
opettajastaan. Kokonaisuutena paja sujui hyvin; tavoitteena oli tutustua vesimolekyylin
ominaisuuksiin ja innostaa oppilaita kemian opiskeluun.
Tunti alkoi mentaalimallien pohtimisella ja piirtämisellä. Piirtäminen tuntui selvästi oppilaista
mielekkäältä, sillä kaikki hiljentyivät tekemään omaa kuvaansa.
Mallinnusohjelman käytön opettaminen sujui hyvin kahdella opettajalla. Toinen kertoi perusasioista
luokan edessä koneen ja projektorin avulla samalla kun toinen pystyi antamaan yksityiskohtaisia
neuvoja niitä tarvitseville. Oppilaat myös vastasivat mukavasti kysymyksiin, kun selvitettiin
vesimolekyylin rakennetta. Oikea molekyylikaava saatiin esille johdattelevilla kysymyksillä.
Itse vesimolekyylin mallinnus sujui oppilailta nopeasti. Se, että ohjelmaa sai aluksi hetken kokeilla
itsenäisesti mahdollisesti todennäköisesti rauhallisemman työympäristön kuin että olisi heti siirrytty
itse asiaan. Myös vetysidoksien mallinnus sujui suurimmalta osalta vaivattomasti. Esimerkkinä
käytetty magneettivertaus vaikutti selkeältä kaikille, tai kukaan ei ainakaan maininnut etteivät
ymmärtäisi.
Mallinnusohjelmaa käytettäessä erityisen hyvin onnistui rakenteen optimoinnin selittäminen.
Kun ”optimointi-painiketta” oli painettu, oppilaita pyydettiin ottamaan mahdollisimman hyvä
asento tuoleillaan. Kun kaikki olivat asettuneet, heidän kerrottiin juuri optimoineen oma asentonsa.
Rakenteiden muutos myös kiinnosti oppilaita heidän huomatessaan molekyylien pyörittelyn
lomassa kuinka rakenteet olivat optimoinnin jälkeen ”vääntyneet”.
Oppilaat tiesivät hyvin myös veden eri olomuodot. Ennakkokäsityksiä haastettiin, kun oppilaiden
kanssa keskusteltiin muun muassa siitä, miksi jää kelluu ja voiko vesi muuttua suoraan
kaasumaisesta kiinteäksi. Pajan aikana järjestettiin myös äänestys siitä, mikä esitetyistä
hilarakenteista kuului millekin olomuodolle. Äänestyksessä harva oppilas äänesti oikeaa vastausta,
mutta tämä saattoi johtua myös siitä että mallinnuksessa ei oltu käsitelty niin monen molekyylin
joukkoja eikä asia ollut ennestään tuttu.
5
4.1 Itsearviointi pajan toteutumisesta
Kehitettävää olisi erityisesti pajan rakenteessa ja selkeydessä. Opetuksen tahti vaikutti hyvältä ja
oppilaat pysyivät mukana. Johdattelevia kysymyksiä olisi kuitenkin voinut miettiä tarkemmin ja
pohtia, miten toimia missäkin tilanteessa (ei vastauksia, vain vääriä vastauksia jne.).
Kokonaisuudessaan koimme pajan kuitenkin onnistuneen todella hyvin.
5. Tutkimus
5.1 Tutkimussuunnitelma
Oppilaiden piirtämät mentaalimallit kerätään ja niitä vertaillaan. Lisäksi suoritetaan pienimuotoinen
kysely motivaatiosta mallinnukseen. Kyselylomake on esitetty liitteessä 2.
5.2 Tutkimuksen kokoaminen
Kyselyyn vastasivat kaikki mallinnukseen osallistuneet 13 neljännen luokan oppilasta. Kaikki
vastasivat kaikkiin kysymyksiin. Lisäksi oppilaat piirsivät oman mentaalimallinsa vedestä sekä
ennen mallinnuksen alkua että sen jälkeen.
Kysymyslomakkeessa oli kolme kysymystä. Ensimmäiseksi oppilailta kysyttiin: Mikä oli mielestäsi
kivaa mallinnuksessa? Yleisin vastaus oli, että mallinnuksessa oli kivaa molekyylin piirtäminen.
Vaikutti siltä, että oppilaat olivat pitäneet mallinnusta hauskana. Ohessa muutama oppilaiden
vastaus.
”Mielestäni kivaa oli saada oppia uutta vesimolekyylistä ja saada harjoitella tekemään
vesimolekyylejä.”
”Siinä oli kivaa se että voi tehdä erilaisia muotoja ja käännellä katsoakseen sitä eri kulmista.”
Toisena kysymyksenä kysyttiin: Mitä sinulle jäi mieleen mallinnustuokiosta? Yleisempiä vastauksia
olivat veden olomuodot ja se, että jää on ”kevyempää” kuin nestemäinen vesi. Seuraavassa esitetty
muutamia oppilaiden vastauksia.
”Se että vedellä on kolme eri olomuotoa ja että jää on kevyempi kuin vesi vetenä.”
”Veden monikyylit.”
6
Yleisesti ottaen oppilaat vaikuttivat sisäistäneen tärkeimmän tavoitteen eli sen, että vedellä on
kolme eri olomuotoa ja että vesi koostuu molekyyleistä.
Viimeiseksi tiedusteltiin: Haluaisitko tehdä mallinnusta myös omassa koulussasi? Miksi? Miksi et?
Yhdeksän oppilasta haluaisi mallintaa myös omassa koulussaan, neljä vastasi kieltävästi. Kyllä-
vastauksissa esille nousi, että mallinnus oli hauskaa, kiinnostavaa, kivaa ja siinä oppi paljon. Ei-
vastauksissa oppilaat kokivat että mallinnus kestää liian kauan, on tylsää ja pitkästyttävää ja ei ollut
niin kivaa. Yksi oppilas kirjoitti, ettei pidä tietokonetunneista.
Johtopäätöksinä ajattelimme, että koulussa mallinnusta voisi tehdä pienemmissä osioissa eikä siellä
olisikaan aikaa pitää pitkiä mallinnustunteja usein. Pohdimme myös, johtuivatko negatiiviset
vastaukset siitä, että mallinnus oli liian helppoa tai liian vaikeaa.
Kyselylomakkeen kysymykset olisivat voineet olla jopa enemmän johdattelevia, jotta oppilaat
olisivat perustelleet vastauksensa tarkemmin.
Mentaalimallipiirustukset olivat hauskoja. Omaan mentaalimalliinsa vedestä oppilaat olivat
piirtäneet esimerkiksi kaloja, vesikasveja, uima-altaan, veneitä ja muita merielämiä. Mentaalimalli-
käsite selitettiin oppilaille pyytämällä heitä kuvittelemaan kalaa ja sitten selittämällä, että vaikka
kaikkien kala on vähän erinäköinen niin niissä on kaikissa kalalle ominaiset piirteet kuten evät.
Tästä saattoi johtua, että juuri kala esiintyi piirroksissa usein.
Toiseen piirustukseen oppilaiden oli tarkoitus piirtää mentaalimalli vedestä mallinnustuokion
perusteella. Suurin osa piirustuksista oli todella hienoja ja tieteellisestikin katsoen oikeanlaisia.
Oppilaat olivat hienosti ymmärtäneet muun muassa vetysidoksen ja mihin se muodostuu ja myös
olomuotojen erilaisia hilarakenteita oli piirretty. Toki heti mallinnuksen jälkeen piirretyt kuvat
saattavat olla vielä pintaoppimista, mutta toivon mukaan oppilaille jäi jonkinlainen käsitys
vesimolekyylistä ja sen ominaisuuksista. Liitteessä 3 on esitetty muutaman oppilaan
mentaalimallipiirustukset.
7
Liite 1. Ohjeet Spartanin käyttöön
Molekyylejä voidaan alkaa lisäämään klikkaamalla vasemmassa yläreunassa näkyvää sivu-
kuvaketta. Ylävalikossa oleva punainen tähtimäinen kuvake on poistonappula, jolla jo rakennettuja
molekyylejä tai niiden osia voi poistaa.
8
Valitaan happi-molekyyli josta lähtee kaksi yksinkertaista sidosta.
Siirrytään View- valikkoon (V) jolloin vedyt tulevat molekyyliin automaattisesti. Tehdään
mieluummin tosin lisäämällä vedyt itse. Optimoidaan molekyylin rakenne (miten selitetään
optimointi? vertaus!) painamalla kuvaketta, jossa on E jonka yläpuolella on nuoli.
Lisää molekyylejä kuvaan saadaan siirtymällä takaisin +-valikkoon ja Insert-nappia painamalla.
9
Model-valikosta poistetaan Coupled-valinta. Rakenteet optimoidaan edellä mainitulla tavalla.
Vetysidokset Model-valikon Hydrogen bonds-kohdasta.
Nyt voidaan pohtia vesimolekyylien järjestäytymistä.
10
Liite 2. Kyselylomake
VESI
Mallinnus 7.4.2010
Mikä oli mielestäsi kivaa mallinnuksessa?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
Mitä sinulle jäi mieleen mallinnustuokiosta?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
Haluaisitko tehdä mallinnusta myös omassa koulussasi? Miksi? Miksi et?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
11
Liite 3. Oppilaiden mentaalimallipiirustuksia vedestä.
12