Maija Aksela Supporting Meaningful Chemistry Learning and Higherorder

Maija Aksela Supporting Meaningful Chemistry Learning and Higher-order Thinking through Computer-Assisted Inquiry: A Design Research Approach Lectio praecursoria 15. 10. 2005 Chemistry Education Center, Department of Chemistry, University of Helsinki

Maija Aksela Kemian ymmärtämisen ja ajattelutaitojen tukeminen tietokoneavusteisessa tutkimuksellisessa opiskeluympäristössä kehittämistutkimuksen avulla Lektio 15. 10. 2005 Kemian opetuksen keskus, Kemian laitos, Helsingin yliopisto yhteistyössä Soveltavan kasvatustieteen laitoksen kanssa

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

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

LEKTION SISÄLLYS n Kemian osaamisen merkitys ja kemian opetuksen haasteita n Kemiallisten reaktioiden ymmärtäminen n Ymmärtämisen ja korkeamman tason ajattelutaitojen tukeminen n Kemian opetuksen tutkimus ja kehittämistutkimus: uusi lähestymistapa tukea kemian opetusta, opiskelua ja oppimista n Tutkimus ja sen päätuloksia

KEMIA –KIEHTOVA LUONNONTIEDE Kemia on LUONNONTIEDE, joka n pyrkii ymmärtämään luontoa tutkimalla aineiden rakenteita, ominaisuuksia ja kemiallisia reaktioita n kehittää uusia materiaaleja, prosesseja, tutkimusmenetelmiä ja laitteita (KUVA 5).

KORKEAMMAN TASON AJATTELUTAIDOT KESKEISTÄ KEMIAN 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

KEMIAN OPETUS, SEN TUTKIMUS JA OPETTAJANKOULUTUS AVAINASEMASSA YLEISSIVISTYKSEN TUKEMISESSA n NOIN 60 000 OPPILASTA/IKÄLUOKKA OPISKELEE KEMIAA PERUSOPETUKSEN 5. - 9. LUOKILLA Noin 30000/ikäluokka lukion kemian 1. kurssi Noin 30000/ikäluokka ammatillisissa oppilaitoksissa ym.

KEMIA JA YHTEISKUNTA: Kemian erityisosaamista tarvitaan useilla aloilla Lähde:

Tulevaisuusluotain raportti 15. 9. 2005: OSAAMISHAASTEITA Lähde: Elinkeinoelämän keskusliitto, http: //www. ek. fi

KEMIAN OPETUKSEN HAASTEITA n 15 -vuotiaiden nuorten matematiikan ja luonnontieteiden taidot ovat OECD –maiden parasta, niin haasteita opetuksen kehittämisessä riittänee. n Vain 7 % Suomen 15 -vuotiaista luokiteltiin huippuosaajiksi. n Suomalaisnuorten kiinnostus matemaattisluonnontieteellisiä aineita kohtaan oli tutkimuksen mukaan keskimääräistä vähäisempää. Kemiaa on pidetty usein tylsänä ja tarpeettomana oppiaineena. n Kemian ulkoa oppiminen on usein tyypillistä oppilaille. Korkeamman tason ajattelutaitojen käyttö vähäistä.

TIETO –JA VIESTINTÄTEKNIIKKA KEMIAN YMMÄRTÄMISEN TUKENA n Käyttö vakiintumassa hitaasti maailmanlaajuisesti n Käytetään suhteellisen vähän kemian oppimisen tukena ja usein opettajakeskeisesti n Vähän tutkimustietoa sen käytöstä oppimisen tukena n Opettajat tarvitsevat enemmän tukea ja koulutusta aiheessa sekä tietoa eri mahdollisuuksista sekä resursseja n Kemian opettajat kiinnostuneita aiheesta (Kemia tänään -tutkimus) n Opetuksen monipuoliset työtavat keskeisessä roolissa oppimisessa; tietokone ja ohjelma ei yksin riitä

KEMIALLISTEN REAKTIOIDEN OPPIMINEN HAASTEELLISTA n Reaktioita luokitellaan esimerkiksi seuraavasti kirjallisuudessa: (a) näkyvien tai mitattavien ominaisuuksien mukaan (b) reaktiomekanismien mukaan, (c) reaktiossa tarvittavien ulkoisten olosuhteiden mukaan (d) kemian tieteen osa-alueen mukaan (e) funktionaalisten ryhmien mukaan (f) käyttökohteen tai esiintymisen mukaan (g) turvallisuuden mukaan

KEMIALLISEN REAKTION LUOKITTELUJA KIRJALLISUUDESSA: esim. n Saostusreaktiot n Happo-emäsreaktiot (protoninsiirtymisreaktiot) n Hapetus-pelkistysreaktiot (elektroninsiirtymisreaktiot) TAI n Hajoamisreaktiot n Ionireaktiot n Ketjureaktiot n Korvautumis –eli substituutioreaktiot n Lohkeamisreaktiot n Eliminaatioreaktiot n Additioreaktiot n Polymerointireaktiot n Hapetus-pelkistysreaktiot

KESKEISIÄ KYSYMYKSIÄ KEMIALLISISTA REAKTIOISTA n Mitkä lähtöaineet reagoivat keskenään? n n Miksi ja miten reagoivat keskenään? Mitä reaktiotuotteita muodostuu? Mitkä ovat lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden ainemääräsuhteet? Minkälaisia energiamuutoksia reaktiossa tapahtuu? Onko reaktio lainkaan mahdollinen? Kuinka nopeasti reaktio tapahtuu? Miten reaktiota voidaan nopeuttaa? Eteneekö reaktio loppuun saakka? Onko lopullisessa reaktioseoksessa tuotteiden ohella vielä lähtöaineita jäljellä? Mikä on reaktion mekanismi?

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

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

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.

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)

YHTEISTOIMINNALLINEN OPPIMINEN: PALAPELIMALLI 1. OPPITUNTI: A 1 A 2 A 3 Kotiryhmä 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 Kotiryhmä 2 2. OPPITUNTI: A 1 B 1 C 1 Asiantuntijaryhmä 1 B 2 C 2 Asiantuntijaryhmä 2 C 3 B 3 Asiantuntijaryhmä 3

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

TUTKIMUSTORI -OPISKELUYMPÄRISTÖ

KEMIAN OPETUKSEN TUTKIMUS: KEHITTÄMISTUTKIMUS UUSI LÄHESTYMISTAPA n Kemian opetuksen tutkimus on tieteenä nuori. n Kemian opetuksen tutkimuksen tavoitteena on OPPILAAN kemian ymmärtämisen tukeminen ja lisääminen. n Kehittämistutkimus (engl. design research) on uusi tutkimusmetodologia opetuksen tutkimuksessa. n Kehittämistutkimuksen tavoitteena on juuri opetuksellisten käytäntöjen parantaminen tutkimusperusteisesti aktiivisessa vuorovaikutuksessa opettajien ja tutkijoiden kanssa autenttisessa opiskeluympäristössä.

TUTKIMUSKYSYMYKSET n Tutkimuksessa pyrittiin hakemaan vastauksia seuraaviin kysymyksiin: (a) Minkälainen opiskeluympäristö innostaa opiskelijat merkitykselliseen kemian oppimiseen ja korkeamman tason ajatteluun? , (b) Miten kehitetty opiskeluympäristö tukee opiskelijoiden merkityksellistä kemian oppimista ja korkeamman tason ajattelua? ja (c) Mitä opiskelijat ajattelevat käyttämästään opiskeluympäristöstä?

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

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.