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