KEMIAN YMMRTMINEN JA AJATTELUTAIDOT Maija Aksela 03 2006

KEMIAN YMMÄRTÄMINEN JA AJATTELUTAIDOT Maija Aksela 03. 2006

ESITYKSEN SISÄLTÖ • TAUSTAA • AJATTELUTAIDOT JA YMMÄRTÄMINEN • AJATTELUTAITOJEN TUKEMINEN • AIHE KÄYTÄNNÖSSÄ (Elsi Torn) • KESKUSTELUA JA KYSYMYKSIÄ

Maija Aksela Kemian ymmärtämisen ja ajattelutaitojen tukeminen tietokoneavusteisessa tutkimuksellisessa opiskeluympäristössä kehittämistutkimuksen avulla 15. 10. 2005 Kemian opetuksen keskus, Kemian laitos, Helsingin yliopisto

TAUSTAA n Luonnontieteellisten ajattelutaitojen kehittäminen yksi kemian opetuksen päätavoitteista n Ulkoaopettelu vrt ”syväoppiminen” yleistä kemiassa: jopa 90 % opettelee ulkoa!

TUTKIMUS (Nurminen & Aksela, 2005) n 1) Mitä ovat opettajien mielestä korkeamman tason ajattelutaidot kemian kontekstissa? n 2) Miten opettajat opettavat korkeamman tason ajattelutaitoja kemian kontekstissa?

TAUSTAA n Ajattelutaitojen opettaminen on usein opettajille varsin vieras aihealue eikä siihen ainakaan tietoisesti ole opetuksessa panostettu (Nurminen & Aksela, 2005): n Pääasiassa kuitenkin aika heikosti, koska en mielestäni hallitse asiaa riittävän hyvin. n Huh, opetanko! n En ilmeisesti mitenkään! n En ole ajatellut asiaa. n Opettajat toivovat koulutusta ajattelutaitojen opettamiseen liittyen (Nurminen & Aksela, 2005).

TAUSTAA n Ajattelutaitojen tukeminen ja käyttö tulisi alkaa mahdollisimman aikaisin (Resnick, 1987). n Ajattelutaitoja voidaan opettaa kaikille

AJATTELUTAIDOT KESKEISTÄ KEMIAN INNOVAATIOISSA JA YMMÄRTÄMISESSÄ n Kemian tieteellisiä julkaisuja 2500 päivässä n Noin miljoona julkaisevaa kemistiä maailmassa n Noin 300 kemiaan liittyvää keksintöä päivässä Kokeellisuus § Noin 20 milj. orgaanista yhdistettä tunnetaan § Noin 30 milj. kemiallista reaktiota tunnetaan Mallintaminen

LUONNONTIETEELLINEN AJATTELU: KORKEAMMAN TASON AJATTELUTAIDOT Bloomin taksonomia Kognitiiviset Andersonin ja (1956) prosessit eli Krathwohlin ajattelutaidot taksonomia (2001) Tieto Alemman tason Muistaa Ymmärtäminen Alemman tason Ymmärtää Soveltaminen Korkeamman tason Soveltaa Analyysi Korkeamman tason Analysoida Synteesi Korkeamman tason Arvioida Arviointi Korkeamman tason Luoda/rakentaa uutta tietoa

AJATTELUN TASOT KEMIASSA Makroskooppinen Ihminen Mikroskooppinen Symbolinen Gabel et. al 1987, Johnstone 1991, Nakhleh & Krajcik, 1991 Na. OH, n=m/M

TIETOJA, JOITA TARVITAAN KEMIAN MERKITYKSELLISESSÄ OPPIMISESSA n Nk. FAKTATIETOA: tietoa terminologiasta ja yksityiskohdista n Nk. KÄSITTEELLISTÄ TIETOA: tietoa erilaisista luokista, tietoa perusteista ja yleistyksistä sekä tietoa teorioista, malleista ja rakenteista n Nk. PROSESSITIETOA: tietoa oppiainekohtaisista taidoista ja algoritmeistä, tekniikoista ja menetelmistä sekä kriteereistä tiedon käyttöön n Nk. METAKOGNITIIVISTA TIETOA: strategista tietoa, tietoa tehtävän kognitiivisista vaatimuksista sekä tietoa omista vahvuuksista ja heikkouksista

KORKEAMMAN TASON AJATTELUTAIDOT n SOVELTAMINEN: rutiinitehtävä/ei-rutiinitehtävä n ANALYSOINTI: -erittely (epäolennainen olennaisesta) -organisointi (kuinka reaktio tapahtuu? ) n ARVIOINTI: -tarkastelu (esim. tukeeko data hypoteesia? ) -kritisoiminen (esim. tutkimustulosten arviointi) n UUDEN TIEDON LUOMINEN: -hypoteesin luominen -suunnittelu -tuottaminen/rakentaminen

KEMIAN OPETTAJAT (Nurminen & Aksela, 2005) Soveltaminen Lukiossakaan ei kovin paljoa päästä soveltamaan, ehkä joissakin esim. kemiakilpailun tehtävissä. Analysointi Huonosti osattuja Arviointi Vaativaa, ei realistisella pohjalla heikoilla oppilailla. Huonosti osattuja Uuden tiedon rakentaminen Ei vielä yläkoulu/lukiotasolla. Vaikeaa

TIETOJA, JOITA TARVITAAN KEMIAN MERKITYKSELLISESSÄ OPPIMISESSA n Nk. FAKTATIETOA: tietoa terminologiasta ja yksityiskohdista n Nk. KÄSITTEELLISTÄ TIETOA: tietoa erilaisista luokista, tietoa perusteista ja yleistyksistä sekä tietoa teorioista, malleista ja rakenteista n Nk. PROSESSITIETOA: tietoa oppiainekohtaisista taidoista ja algoritmeistä, tekniikoista ja menetelmistä sekä kriteereistä tiedon käyttöön n Nk. METAKOGNITIIVISTA TIETOA: strategista tietoa, tietoa tehtävän kognitiivisista vaatimuksista sekä tietoa omista vahvuuksista ja heikkouksista

KEMIALLINEN REAKTIO –ILMIÖN KESKEISIÄ PÄÄKÄSITTEITÄ KEMIALLINEN REAKTIO Erilaisia reaktioita Stoikiometria Reaktioyhtälöt Ainemäärä Termodynamiikka Energia Entropia Vapaa energia ja spontaanisuus Reaktiokinetiikka Reaktion nopeus Törmäysteoria Kemiallinen tasapaino Reaktiomekanismit

Korkeamman tason ajattelutaitojen opettaminen (Nurminen & Aksela, 2005) n Oppilasta aktivoivat metodit n Soveltavat tehtävät ja/tai kirjalliset tuotokset (5) n Kyseleminen ja/tai pohtiminen (4) n Keskustelut (4) n Käsitekartat (2) n Kokeelliset työt ja niistä raportointi (1) n Opettajan toiminta n Korostan, että kemia ei ole ulkolukua n Ilmaisen asiat johdonmukaisesti ja selkeästi n Selitän syy-seuraus-suhteita n Otan huomioon oppilaiden kehitysvaiheen n Opetan perusasiat hyvin

AJATTELUTAITOJEN TUKEMINEN n OPPILAAN OSALLISTUMINEN n OPETTAJAN KANNUSTUS JA PALAUTE n OPPILAS-OPPILAS VUOROVAIKUTUS sisältäen aktiivisen osallistumisen, motivaation ja palautteen n OIKEAT ONGELMAT JA RELEVANTTI OPPILAALLE n STS –OPPIMINEN n KESKUSTELUT n YHTEISTOIMINNALLINEN OPPIMINEN n OPPILAAT SUUNNITTELEMAAN, KEHITTÄMÄÄN, TUOTTAMAAN OMIA TUTKIMUKSIA n AJATTELUTAITOJEN TIEDOSTAMINEN (”ÄÄNEEN”) n KÄSITEKARTAT YM. ESIJÄRJESTIMET n ROHKAISEMINEN KYSYMYSTEN TEKEMISEEN

KEMIAN YMMÄRTÄMISTÄ VOIDAAN TUKEA MONIN ERI TAVOIN n Jonassenin (1999) mukaan opiskelu tietokoneavusteisessa opiskeluympäristössä on merkityksellistä, jos opiskelu on aktiivista, konstruktiivista ja reflektoivaa, tavoitteellista, autenttista, ja yhteistoiminnallista.

KOKEELLISUUDESSA n HYPOTEESIN MUODOSTAMINEN n MITTAUKSEN SUUNNITTELMINEN JA TOTEUTUS n MUUTTUJIEN MUUTTAMINEN n TULOSTEN TUTKINTA JA LUOTETTAVUUDEN TARKASTELU

TUTKIMUSTORI -OPISKELUYMPÄRISTÖ

PEDAGOGISET OPETUSMALLIT KORKEAMMAN TASON AJATTELUN TUKENA n TUTKIMUKSESSA KEHITETTY OPPIMISSYKLI: 1. VIRITTÄYTYMINEN AIHEESEEN (tutkimustori) 2. ILMIÖN TUTKIMUSVAIHE (tutkimustori) 3. SELITYSVAIHE (käsitekartat) 4. ESITYSVAIHE (suullinen esitys) 5. ARVIOINTIVAIHE (oppimispäiväkirjat) 6. RAPORTOINTIVAIHE (työselostus)

TUTKIMUKSESSA KEHITETYN OPISKELUYMPÄRISTÖN PÄÄELEMENTIT ”RIKAS” OPISKELUYMPÄRISTÖ PEDAGOGINEN OSA: OPETUSMALLIT/STRATEGIAT FYYSINEN OSA: TUTKIMUSTORI -MALLI TUTKIMUSFOORUMI MITTAUSAUTOMAATIO TUTKIMUKSELLINEN OPISKELU KIRJASTO KESKUSTELUFOORUMI AUTENTTISETT UTKIMUSTEHTÄVÄT OPPIMISSYKLI YHTEISTOIMINNALLISUUS PALAPELIMALLI ARVIOINTIFOORUMI MIKROMITTAKAAVASSA VIHREÄN KEMIAN PERIAATTEET

TUTKIMUSTORI -OPISKELUYMPÄRISTÖ

MITTAUSAUTOMAATIO TUO UUSIA MAHDOLLISUUKSIA KEMIAN KOKEELLISUUTEEN Empirica 2000 –ohjelmalla titrauskäyrä Mittaussysteemi

TUTKIMUKSEN PÄÄTULOKSET n Kehittämistutkimuksen tuloksena saatiin kolmenlaista tietoa: (a) tietoa opiskeluympäristön yhdeksänvaiheisesta suunnitteluprosessista ja sen menetelmistä, (b) tietoa opiskeluympäristöstä ja sen ominaisuuksista sekä (c) tietoa merkityksellisestä kemian oppimisesta ja korkeamman tason ajattelusta tietokoneavusteisessa opiskeluympäristössä.

Supporting meaningful chemistry learning and higher-order thinking through computerassisted inquiry: A design research approach Maija Aksela Academic Dissertation, October 2005. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry. As a PDF file (ISBN 952 -10 -2708 -8) - 4850 k. B http: //ethesis. helsinki. fi/julkaisut/mat/kemia/vk/ aksela/