Metatietoa LOPS 2021 -tapahtuman Modernia teknologiaa kemian opeteuksessa -esitykseen liittyen. Tekstissä on viitattu kalvojen numeroihin. Lähteet löytyvät kalvosta 23.

Rajaus

Kemian opetuksen tutkijana lähestymistavan tulee aina olla tutkimusperustainen, mutta opettajille suunnatun esityksen tulee myös olla käytännönläheinen. Sen vuoksi aloitin esityksen lyhyellä teoreettisella viitehyksellä, jonka jälkeen siirryin konkretiaan ylioppilaskirjoitusten ja virtuaalilaboratorioiden avulla.

Malleja ja viitekehyksiä

Modernin teknologian mahdollisuuksia ja haasteita kemian opetuksessa on tutkittu paljon. Lähtökohta on, että teknologian hyödyntäminen tuo paljon uusia mahdollisuuksia (mediatyypit, vuorovaikutuskanavat, tiedon prosessointi ja tallentaminen), mutta sen käyttöönotto on haastavaa. Teknologian käyttö kemian opetuksessa on uusi osaamisalue. Se monimuotoistaa tarvittavaa osaamista asettaen sisältötiedon ja pedagogisen osaamisen teknologiseen kontekstiin. Käyttöönottoon liittyy esteitä (laitteet ja asenteet), joista tulee selvitä ennen pedagogisesti mielekästä käyttöä.

Työskentelyn tueksi löytyy useita malleja ja viitekehyksiä, joihin alan tutkimuksesta kiinnostuneen on syytä perehtyä. Kalvossa 3 on mainittu joitain keskeisimpiä työkaluja, kuten sulautuvan oppimisen teoria, TPACK-viitekehys, Ertmerin esteet ja diffuusioteoriat.

Kemian oppimisen haasteet ja teknologian mahdollisuudet

Kemian opetuksen tutkimus on kemian ala, jonka tärkeimpiä tehtäviä on tutkia ja kehittää keinoja kemian oppimisen tueksi. Tutkimusten pohjalta tiedetään, miksi kemia koetaan vaikeana oppiaineena (kalvo 4). Syitä tälle ovat esim. kemian vieras kieli ja kompleksinen kolmitasoinen tietorakenne. Uusi tieto on abstraktia ja tilanne synnyttää helposti kognitiivisen ylikuormitustilan.

Tieto- ja viestintätekniikan (TVT) keinoin voidaan tuottaa oppimista tukevia materiaaleja, joilla ylikuormituksen tila voidaan minimoida. Esim. animaatioilla, simulaatioilla ja molekyylimalleilla voidaan visualisoida haastavaa submikroskoopista tiedon tasoa ja kehittää oppijoiden sisäisiä malleja vastaamaan tämän hetkistä tieteellistä mallia (kalvo 5). Yhteinen ymmärrys tukee asioista keskustelemista.

Tiedon prosessointi ja muistiinpanot

Alex Johnstone – edesmennyt tunnettu kemian opetuksen tutkija – esitti tiedon prosessointi -mallin, jossa mallinnetaan informaation jalostumista datasta pitkäkestoiseen muistiin (ks. kalvo 6). Teknologian näkökulmasta keskeistä on, että sekä lyhyen että pitkäkestoisen muistin toimimista voidaan tehostaa yksinkertaisilla TVT-työkaluilla, kuten muistiinpanosovelluksilla ja tiedon tallentamisella pilveen. Näin tieto on helposti saavutettavassa muodossa. Tietoon päästään käsiksi nopeasti suorittamalla tiedonhaku omaan tietovarastoon, ei internetin äärettömään tietovarastoon.

Tätä henkilökohtaista tiedonhallintaa ei osata, joten sitä tulee opettaa kaikilla opetusasteilla. Asia pätee kemian oppimisen lisäksi kaikkeen oppimiseen..

Datasta jäsentyneeksi tiedoksi – Opi oppimaan

Oppijan näkökulmasta tilanne on kaoottinen (ks. kalvot 7 ja 8). Ensinnäkin dataa on paljon ja se on vielä lisäksi vaikeasti ymmärrettävää sisältäen mm. tuntemattomia termejä.

Haastavan tilanteen hallintaan ei ole muuta keinoa, kuin opetella oppimaan. Oppimiseen liittyy

• teknisiä seikkoja, kuten sovellukset
• asenteellisia seikkoja (ei ketään voi pakottaa oppimaan hyvin)
• metakognitiivisten taitojen oppiminen.

Metakognitiiviset työkalut ovat oppimisen näkökulmasta mielenkiintoisia, koska ne ovat hyvin tehokkaita. Itse käytän tietokoneavusteisia käsitekarttoja. Ne ovat tehokkaita, sillä kun oman tietorakenteen aiheesta tekee näkyväksi, on toisten helpompi esittää siitä rakentavaa kritiikkiä. Kritiikkiin vastaaminen vie ymmärrystä eteenpäin nopeasti. Lisäksi työskentely on yhteisöllistä. Käsitekartat sopivat erityisen hyvin kemian opetukseen, sillä kemiassa oppijoilla on haasteita muodostaa yksittäisistä teitopalasista laajempia kokonaisuuksia. (ks. kalvot 9–11)

Mielekkään oppimisen palkintona on laaja siirtovaikutus. Tietoa on aikaisempaa helpompi soveltaa eri yhteyksissä. Uusia asioita on helpompi yhdistellä on aiheesta tietämiseen. Kaos alkaa vähitellen järjestyä. (ks. kalvo 12)

Konkretiaa

Kokonaisvaltaisen TVT-näkökulman lisäksi on syytä tarkastella teknologiaa tiettyjen sovellusten näkökulmasta. Tässä esityksessä pohdin MarvinSketchin mahdollisuuksia sähköisten YO-kirjoitusten kontekstissa sekä tarkastelin virtuaalilaboratorioita.

MarvinSketch YO-kirjoituksissa

Kalvossa 13 on esimerkki vaadittavasta osaamisesta. Vuoden 2019 mikonatsoli-tehtävässä on aineistossa MarvinSketch-tiedosto ja video. Videossa on esitetty tarvittava tieto, mutta video on mediatyyppinä vauhdikas. Tämä tekee molekyylien tarkastelun haastavaksi. MarvinSketchillä mediatyyppi voidaan muuttaa interaktiiviseksi molekyylimalliksi. Tämä tehdään poistamalla aineiston reaktiosarjasta kaikki muut vaiheet, paitsi lopputuote. Mallin tarkastelu voidaan suorittaa Marvin Space -tilassa.

Mielestäni tämä käyttötapa mahdollistaa korkeamman tason ajattelutaitojen aktivoimisen (ks. kalvo 14). Vastaavanlaisia mahdollisuuksia löytyy varmasti lähes jokaisesta tehtävästä, joissa visualisointi tukee ymmärtämistä tai tulosten varmistamista. TVT:n hyötynäkökulma on selkeä.

Virtuaalilaboratoriot

Tätä teemaa pyydettiin järjestäjän (Opetushallitus) taholta. Minulle aihe oli vieras, ja siksi erityisen mielenkiintoinen. Kävi ilmi, että virtuaalilaboratorioista oli julkaistu suomeksi hyvä artikkeli vuodelta 2014 LUMAT-lehdessä (kalvo 15). Sen mukaan virtuaalilaboratorio on vuorovaikutteinen ympäristö, jossa simuloidaan todellisia koeasetelmia. Virtuaalilaboratoriot ovat siis simulaatioita.

Vein virtuaalilaboratoriot uuden LOPSin suositeltujen kokeellisten töiden kontekstiin. Kalvoissa 16–21 nämä työehdotukset on pätkitty virketasolle, joihin hain teemakohtaisesti esimerkkejä erilaisista virtuaalilaboratorioista.

Virtuaalilaboratoriot vaikuttavat olevan oppimateriaalityyppi, jotka ovat erityisen herkkiä ajan vaikutukselle. Monet löytämistäni materiaaleista eivät enää toimineet. Syy voi olla esim. käytettyjen ohjelmointiratkaisujen vanhentuminen. Joka tapauksessa, tämä tekee resurssien etsintä työstä jatkuvaa. Työ on kuormittavaa, mutta sitä voidaan helpottaa joukkoistamalla. Jos kemian opettajat yhteisönä etsivät parhaat virtuaalilaboratoriot ja suosittelevat niitä toisilleen esim. Kemian opetuksen Facebook-ryhmän kautta, niin toimivat aineistot löytyvät nopeasti.

Pohdintaa

Koin esityksen laatimisen modernista teknologiasta kemian opetuksessa haastavaksi sen vuoksi, että a) olen puhunut aiheesta jo yli kymmenen vuotta, joten pitäisi pystyä tuottamaan uusia ajatuksia ja b) ala on kehittynyt (esim. VR, AR, avoin data), mutta kouluille soveltuvia uusia ratkaisuja ei ole juurikaan kehitelty. Keskiössä ovat siis aina vain simulaatiot, animaatiot, molekyylimallit, videot ja mittausautomaatio-työkalut. Sähköiset YO-kirjoitukset kiinnostavat opettajia paljon, joten tähän teemaan liittyvien konkreettisten ratkaisujen (esim. MarvinSketch-tekniikoiden) jatkokehittelylle olisi tarvetta.

Esityskalvot