dinamiČna vizualizacija naravoslovnih pojmov...

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 pod

dinamiČna vizualizacija naravoslovnih pojmov...

Documents