5. Mallintaminen
Miksi mallintamista?
Mallinnus on keskeisessä osassa kemian opetusta. Kemian opetuksen sisältö ja ulottuvuudet ovat laajentaneet tarvetta mallintamisen syvempään ymmärtämiseen. Kokeellisemmat työt (ja yleensä autenttisempi lähestymistapa) kemiassa eivät riitä - kemia ei ole vain jännittäviä ilmiöitä tai hienojen asioiden tekemistä.
Nykyaikaisen tietokonepohjaisen molekyylimallinnuksen käyttö on osoittautunut erittäin tulokselliseksi kemian tutkimuksessa (Justi & Gilbert, 2002). Tietokonepohjainen molekyylimallinnus avaa erilaisia mahdollisuuksia kemian opettamiseen (Aksela & Lundell, 2008). Barak ja Dori (2005) havaitsivat, että tietokonepohjaisten mallien käyttäminen auttoi oppilaita ymmärtämään kemiaa neljällä tasolla: makroskooppisella, mikroskooppisella, symbolisella ja kemiallisella prosessitasolla. He havaitsivat myös, että tietokonepohjaiset visuaaliset mallit auttoivat opiskelijoita ymmärtämään kemiallisia käsitteitä, teorioita ja molekyylirakenteita.
Nykyaikaisen tietokonepohjaisen molekyylimallinnuksen käyttö on osoittautunut erittäin tulokselliseksi kemian tutkimuksessa (Justi & Gilbert, 2002). Tietokonepohjainen molekyylimallinnus avaa erilaisia mahdollisuuksia kemian opettamiseen (Aksela & Lundell, 2008). Barak ja Dori (2005) havaitsivat, että tietokonepohjaisten mallien käyttäminen auttoi oppilaita ymmärtämään kemiaa neljällä tasolla: makroskooppisella, mikroskooppisella, symbolisella ja kemiallisella prosessitasolla. He havaitsivat myös, että tietokonepohjaiset visuaaliset mallit auttoivat opiskelijoita ymmärtämään kemiallisia käsitteitä, teorioita ja molekyylirakenteita.
Kemian opetuksen kokonaisuus ja mallintaminen
Nykyaikainen lähestymistapa luonnontieteisiin ja erityisesti kemian opetukseen sisältää näkemyksen mallinnuksesta. Kun tarkastelemme kemianopetuksen kokonaiskuvaa (kuva) ja erilaisia työkaluja, ne on jaettava tämä kolmeen osaan selittääksesi mallinnuksen roolia.
ENSIMMÄISESTI meidän on mietittävä pedagogiikkaa ja työkaluja, jotka tukevat oppimista ja opettamista. Tässä nousevat vahvasti esiin mallintaminenm simulointi ja visualisointi. Ne liittyvät toisiinsa monissa kohdin, joskin työvälineinä toimivat eri ohjelmat, palvelut ja toimintamallit. Käsitteiden hallinta ja niiden keskinäisten riippuvuuksien ja suhteiden ymmärtäminen vahvistavat kokonaisuuden hallintaa. Kokeellisuus ja ns. tutkiva oppiminen (myös eräs pedagoginen suuntaus) ovat oleellinen osa kemian opetusta ja oppimista.
TOISEKSI tarvitaan työkaluja kognitiivisiin prosesseihin (käsitteiden ja ilmiöiden muistamiseen, luokittelemiseen ja luokittelemiseen) ja opiskeluun (virtuaaliset oppimisympäristöt). Eri vaiheiden (Iniin kokeellisuudessa kuin mallintamisessa) dokumentointi on tärkeää, se kuvaa niin oppimisen prosessia kuin lopputulosta.
KOLMANNEKSI, jotta jo mainitut prosessit olisivat näkyviä ja kestävämpiä, käytämme metakognitiivisia työkaluja. Reflektointi ja arviointi ovat tärkeitä osia oppimisen kokonaisuudessa.
ENSIMMÄISESTI meidän on mietittävä pedagogiikkaa ja työkaluja, jotka tukevat oppimista ja opettamista. Tässä nousevat vahvasti esiin mallintaminenm simulointi ja visualisointi. Ne liittyvät toisiinsa monissa kohdin, joskin työvälineinä toimivat eri ohjelmat, palvelut ja toimintamallit. Käsitteiden hallinta ja niiden keskinäisten riippuvuuksien ja suhteiden ymmärtäminen vahvistavat kokonaisuuden hallintaa. Kokeellisuus ja ns. tutkiva oppiminen (myös eräs pedagoginen suuntaus) ovat oleellinen osa kemian opetusta ja oppimista.TOISEKSI tarvitaan työkaluja kognitiivisiin prosesseihin (käsitteiden ja ilmiöiden muistamiseen, luokittelemiseen ja luokittelemiseen) ja opiskeluun (virtuaaliset oppimisympäristöt). Eri vaiheiden (Iniin kokeellisuudessa kuin mallintamisessa) dokumentointi on tärkeää, se kuvaa niin oppimisen prosessia kuin lopputulosta.
KOLMANNEKSI, jotta jo mainitut prosessit olisivat näkyviä ja kestävämpiä, käytämme metakognitiivisia työkaluja. Reflektointi ja arviointi ovat tärkeitä osia oppimisen kokonaisuudessa.
Mallintamisen eri tyypit
Mallit ovat kahta tyyppiä: 1) henkiset mallit, jotka ovat esityksiä, jotka rakennamme selittääksemme tai ennustaksemme tilannetta, ja 2) aineelliset mallit. Aineelliset mallit ovat ilmaistuja henkisiä malleja, jotka on rakennettu kommunikoimaan muiden ihmisten kanssa. Mallinnus on nyt myös tärkeä osa uutta lukion opetussuunnitelmaa.
Mallintamisohjelmat (kuten ChemSketch, Avogadro, MarvinSketch) tai online-ohjelmat (kuten jmol-upotetut palvelut, Molview.org) ovat antaneet valtavan mahdollisuuden näyttää ja ilmaista submikroskooppisia ilmiöitä tai laskennallista kemian artefaktia. Napaisuus, elektronitiheys, funktionaaliset ryhmät, geometriset muodot (VSEPR), sidoskulmat, sidoksen pituudet voidaan näyttää informatiivisemmalla ja merkityksellisemmällä tavalla.
3D-mallinnusohjelmien avulla luodut mallit, jotka on selitetty lisätyillä teksteillä tai esimerkiksi nuolilla, voivat olla hämmentäviä (lisää kognitiivista kuormitusta). Mallien (submikroskooppinen taso), symbolisten ilmaisujen (molekyylikaavat) ja ilmiöiden yhdistäminen tarvitsee myös syvempää ymmärrystä kemian opetuksessa.
Mallintamisohjelmat (kuten ChemSketch, Avogadro, MarvinSketch) tai online-ohjelmat (kuten jmol-upotetut palvelut, Molview.org) ovat antaneet valtavan mahdollisuuden näyttää ja ilmaista submikroskooppisia ilmiöitä tai laskennallista kemian artefaktia. Napaisuus, elektronitiheys, funktionaaliset ryhmät, geometriset muodot (VSEPR), sidoskulmat, sidoksen pituudet voidaan näyttää informatiivisemmalla ja merkityksellisemmällä tavalla.
3D-mallinnusohjelmien avulla luodut mallit, jotka on selitetty lisätyillä teksteillä tai esimerkiksi nuolilla, voivat olla hämmentäviä (lisää kognitiivista kuormitusta). Mallien (submikroskooppinen taso), symbolisten ilmaisujen (molekyylikaavat) ja ilmiöiden yhdistäminen tarvitsee myös syvempää ymmärrystä kemian opetuksessa.