Pomen vizualizacije za razvijanje predstav o pojmih in procesih v kemiji Margareta Vrtaènik, Vesna Ferk, Danica Dolnièar, Mateja Sajovec Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za kemijsko izobraževanje in informatiko, Aškerèeva cesta 12, Ljubljana, Slovenija Eden od kljuènih rezultatov projekta Raèunalniško opismenjevanje je dobra opremljenost naših šol z multimedijskimi raèunalniki in v nekaterih primerih tudi s sistemi za prenos raèunalniške slike na projekcijsko platno. Vendar naj bi praviloma v raèunalniških uèilnicah poleg osnovnega raèunalniškega opismenjevanja razvijali tudi uporabo raèunalnika pri drugih predmetih. Spletne strani medmrežja pomagajo uèiteljem kemije popestriti pouk kemije in premošèati prepad med konkretnimi in abstraktnimi predstavitvami kemijskih pojmov in procesov. Raziskave o vplivu prostorskih predstav na kvaliteto znanja kažejo, da dobro razvite prostorske predstave bistveno vplivajo na boljše rezultate pri reševanju zahtevnih problemov s podroèja dopolnjevanja veèstopenjskih reakcijskih shem in miselne manipulacije z 2-D predstavitvami zgradbe molekul. V prispevku predstavljamo, kako lahko uèitelj izkoristi vizualizacije procesov ter zgradbo molekul in kristalov, ki so dostopni na medmrežju, da razvija in dopolnjuje vizualnih predstave uèencev in dijakov za lažje razumevanje vpliva zgradbe na lastnosti in na potek kemijskih sprememb. Podani so tudi rezultati lastnih raziskav o vplivih vizualizacije na makro - mikro - in simbolni ravni, za boljšo kvaliteto znanja in motivacijo dijakov. Kljuène besede: prostorske predstave, vizualizacija kemijskih struktur in procesov 1. Uvod Že stari Kitajci so ovrednotili izraznost ene same slike z deset tisoè besedami; sodobne nevropsihološke študije razlagajo, zakaj je temu tako. Èlovek si zapomni % tega, kar prebere, % tega, kar sliši, %, kar vidi, kar %, kar pove, % ob aktivnem vkljuèevanju in %, kadar združi vse omenjeno (Collin R., 1993). Za pionirja vizualne metode pri pouku velja Jan Amos Komensky s svojim delom Orbis sensualium pictus (1657). Osnovna misel dela je, da naj bi vsako stvar predoèevali v nazorni obliki, tako bi uèenci vsako misel in vsebino pouka prepoznali tudi upodobljeno v sliki. Sodobna uèna tehnologija nam delo zelo poenostavi in omogoèa še veliko veè. Spletne strani na medmrežju uèiteljem nesluteno pomagajo popestriti pouk kemije in premostiti prepad med konkretnimi in abstraktnimi predstavitvami kemijskih pojmov in procesov. Pomen vizualizacije abstraktnih struktur znanja lahko povežemo z Gibsovimi tezami ekološke vizualne zaznave, ki predpostavljajo, da so miselna stanja organizma odvisna od kljuènih interakcij organizma z objekti okolja. Pri tem so lahko objekti konkretna, neposredna opažanja pojavov in procesov na makroskopski ravni, ali pa vizualizirane mikroskopske razlage procesov oz. njihova simbolna predstavitev z uporabo kemijskega jezika. V vseh treh primerih zaznave kemijskih pojmov in procesov izhajamo ENA SLIKA JE VREDNA DESET TISOÈ BESED. (Kitajski pregovor) iz predpostavke, da vizualizacija podpira spoznavni proces (Vrtaènik, 1998). Raziskave kažejo, da dobro razvite prostorske predstave bistveno vplivajo na boljše rezultate pri reševanju kemijskih problemov (S.R. Baker, L.H. Talley, 1972, 1974; C. S. Garter, M. A. La Russa, G. M. Bodner, 1987; E. N. Keen, M. Fredman, K. Rochford, 1988). Korelacija med vizualizacijo in razumevanjem je zlasti opazna pri reševanju problemskih nalog, manj pa pri nalogah, ki so rešljive algoritmièno ali na osnovi pomnjenja. Kljuène težave, ki jih je moè v znatni meri odpraviti z vizualizacijo, nastopijo npr. pri kemiji že pri pravilnem prepoznavanju trodimenzionalnih objektov iz njihove dvodimenzionalne predstavitve, še težje si je predstavljati te objekte iz drugaène perspektive ali pa vizualizirati posledice rotacije, preslikave, inverzije in drugih miselnih operacij (J. W. French, 1951; D. F. Lohman, 1979; M. McGree, 1979; J. Eliot, A. Hauptman, 1981; G. M. Seddon, R. G. Moore, 1986; H. P. Tuckey et al, 1991). Rezultati raziskav o tem, ali je sposobnost dobre prostorske predstave prirojena ali pridobljena, so si nasprotujoèi, vendar mnoge študije ugotavljajo, da je vizualizacijske sposobnosti mogoèe izboljšati z ustreznimi metodami oz. strategijami pouèevanja (A. Saunderson, 1973; E. De Bono, 1976; T. R. Lord, 1985; K. Rochford, 1987; H. P. Tuckey et al, 1991). 454
2. Vizualizacijski elementi na medmrežju in uèni naèrt kemije za osnovno in srednjo šolo V novem uènem naèrtu za kemijo je moèno poudarjena uporaba vizualizacijskih orodij. Medmrežje ima pri tem pomembno vlogo, saj omogoèa enostaven in hiter dostop do razliènih vizualizacijskih elementov, ki so izredno uporabni za nazorno predstavitev kemijskih pojmov. Uèna naèrta za osnovno in srednjo šolo smo analizirali po vsebinskih sklopih in za vsak sklop na medmrežju poiskali naslednje vizualizacijske elemente: n slike: vizualizacija na makroskopski ali mikroskopski ravni; n filme: vizualizacija na makroskopski ali mikroskopski ravni; n animacije procesov: vizualizacija na makroskopski ali mikroskopski ravni; n modele molekul: mikroskopska vizualizacija strukture; n simbolne zapise molekul in reakcij: simbolna vizualizacija; n sheme: reakcijske - simbolna vizualizacija; pojmovne - vizualizacija zvez med pojmi ali pojmovnimi sklopi; n n grafe, tabele: vizualizacija zvez med podatki; naloge za preverjanje razumevanja in uporabo znanja; vizualizacija na makroskopski, mikroskopski ali simbolni ravni. Dodane pa so tudi povezave na celovite uène enote z vkljuèenimi razliènimi vizualizacijskimi elementi. Povezave na medmrežju so opremljene naslednjimi oznakami: simbolni zapis molekul ali reakcij modeli molekul tabele grafi uène enote eksperimenti slike filmi, animacije naloge sheme Za pregled nekaterih spletnih strani potrebujemo dodatne programe k spletnim brskalnikom (npr. CHIME, RASMOL, VRML, FLASH), ki omogoèajo ali enostavno vizualizacijo zgradbe molekul v razliènih predstavitvenih oblikah ali prikaz animacij. Zbirka povezav je dostopna na medmrežju na spletni strani KemInfa (http://www.keminfo.uni-lj.si). 3. Rezultati lastnih raziskav o vplivih multimedijskih vizualizacij na znanje Kljub vedno veèji ponudbi multimedijskih izdelkov za uporabo pri pouku je izredno malo raziskav, ki bi bile usmerjene v vrednotenje vpliva multimedijskih izdelkov na kvaliteto znanja in razumevanje, oz. v motivacijo. Glede na visoko ceno multimedijskih izdelkov se moramo vprašati, kakšni izdelki in pod kakšnimi pogoji imajo izobraževalno vrednost, ki bo upravièila vložena finanèna sredstva v razvoj izdelka. Na Oddelku za kemijsko izobraževanje in informatiko smo v sklopu magistrskega dela M. Sajovec, 1998 prouèili vplive multimedije na spoznavno, motivacijsko in gibalno podroèje razvoja osebnosti ter na osnovi dobljenih rezultatov oblikovali predloge kriterijev vrednotenja izobraževalnih multimedijskih programov za kemijo. V raziskavo je bilo v šolskem letu 1996/97 vkljuèenih dijakov 3. letnikov gimnazije. Testiranci so bili razdeljeni v eksperimentalno skupino (26 dijakov: 15 moških in 11 žensk) ter kontrolno skupino (24 dijakov; 8 moških in 16 žensk). Dijaki obeh skupin so najprej pisali pred-test. Pred-test je bil sestavljen iz šest vprašanj izbirnega, dopolnilnega in odprtega Delež (%) 2 4 6 8 Naloga ES (%) KS (%) Graf 1: Delež dijakov v obeh skupinah, ki je pravilno rešil celotno nalogo predtesta Legenda: ES (eskperimentalna skupina), KS (kontrolna skupina) tipa. Vsebina testa je zajemala poznavanje in razumevanje naslednjih pojmovnih sklopov: snov in gradniki snovi, svetloba, spekter elektromagnetnega valovanja, interakcije svetlobe s snovjo absorpcija in emisija, fotosinteza ter radikalsko halogeniranje alkanov. Dijaki eksperimentalne skupine so tri ure v parih samostojno delali s pomoèjo multimedijske zgošèenke, Svetloba in kemijska sprememba, za utrjevanje znanja doma niso dobili nobene literature. Dijaki v kontrolni skupini pa so dobili izbrano literaturo iz uèbenikov za 1. letnik biologije, 4. letnik fizike in 3. letnik kemije, ki so jo obdelali skupaj z uèiteljem prav tako v treh šolskih urah. Teden po delu z literaturo oz. zgošèenko so vsi dijaki istoèasno pisali test. Le-ta je imel podobno pojmovno zgradbo kot predtest, le da je bilo bolj poudarjeno razumevanje pojmov na mikroskopski ravni. Rezultati predtesta so podani na grafu 455
Delež (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Naloga ES (%) KS(%) Graf 2: Delež dijakov v obeh skupinah, ki je pravilno rešil celotno nalogo testa Legenda: ES (eskperimentalna skupina), KS (kontrolna skupina) 1, potesta pa na grafu 2. Primerjava obeh grafov pokaže, da sta bili eksperimentalna in kontrolna skupina dijakov pred delom z zgošèenko oz. literaturo in uèiteljevo razlago po znanju dokaj izenaèeni, tudi porazdelitev doseženih toèk je bila med obema skupinama podobna, po konèanem testiranju pa so opazne razlike v znanju eksperimentalne skupine, razlike je moè pripisati vizualizaciji pojmov v zgošèenki. Za ponazoritev vpliva vizualizacije na razumevanje pojmov ter uporabo pridobljenega znanja izbranega vsebinskega sklopa podajamo poglobljeno analizo nekaterih nalog testa. Vsaka naloga je predstavljena s kljuènimi o d D g e o l v e o ž r o v pravilno manjka 6 nm dodano 1 nm niso reševali ES (%) KS (%) Graf 3: Rezultati reševanja prvega dela naloge, primerjalno za ES in KS skupino Legenda: ES (eskperimentalna skupina), KS (kontrolna skupina) elementi vizualizacije, ki so uporabljeni v zgošèenki, s tekstom naloge, ter grafièno analizo uspešnosti reševanja naloge v eksperimentalni in kontrolni skupini. Rezultati, ki so podani na grafu 3, kažejo, da sta nazorna predstavitev spektra klorofila in razlaga absorpcije prispevali k boljšemu razumevanju in uporabi znanja za opredeljevanje absorpcijskih maksimumov klorofila v vidnem delu spektra. % dijakov eksperimenatlne skupine in le 28% dijakov kontrolne je pravilno sklepalo na absorpcijske maksimume klorofila v vidnem delu spektra. % dijakov kontrolne skupine in le % dijakov eksperimenatlne skupine je Elementi vizualizacije: slike spektrov, Naloga 4 animacija procesa absorpcije Na sliki je absorpcijski spekter klorofila. Napišite obmoèja valovnih dolžin vidnega spektra, pri katerih absorbira klorofil. Ali absorbira klorofil v UV delu spektra? Ali absorbira klorofil zeleno svetlobo? 456
Elementi vizualizacije mikroskopska raven; Naloga 5 absorpcija svetlobnega kvanta, sprememba geometrije molekule in razlaga pojava Izberite kombinacijo pravilnih trditev. a Molekule snovi preidejo v elektronsko vzbujeno stanje pri interakciji s svetlobo, neodvisno od valovne dolžine oziroma energije svetlobe. b Svetlobno energijo absorbirajo zunanji elektroni. c Molekule snovi lahko ostanejo v vzbujenem stanju poljubno dolgo èasa. è Pri prehodu v vzbujeno stanje se molekuli spremeni energija. d Reaktivnost vzbujenih molekul se glede na molekule v osnovnem stanju ne spremeni. e Zaradi interakcije s svetlobo lahko pride do homolitske prekinitve vezi med atomi molekule. f Vzbujene molekule snovi se lahko vrnejo v osnovno stanje tako, da oddajo foton (svetlobni kvant). Napišite kombinacijo pravilnih trditev. KS Graf 4: Prikaz zastopanosti pravilne kombinacije odgovorov (P) in nepravilnih odgovorov (NP) v odstotnih deležih v ES in KS ES P NP spregledalo absorpcijski maksimum pri 6 nm, dodatno pa je 14% veè dijakov kontrolne skupine k vidnemu obmoèju spektra štelo tudi absorbcijo klorofila pri 1 nm, ki sega že v UV obmoèje. Nalogo, ki je dokaj težka, so slabo reševali dijaki kontrolne, in tudi, eksperimenatlne skupine. Vendar je obèutna razlika v dosežkih obeh skupin, saj je 45% dijakov eksperimentalne skupine izbralo pravilno kombinacijo trditev in le 19% dijakov kontrolne skupine. Zanimiva je tudi podrobnejša analiza izbire posameznih trditev, ki šele pokaže, ali je vizualizacija zahtevnih pojmov, ki jih ta naloga preverja, prispevala k veèji stopnji njihovega razumevanja. Pravilne trditve so b, è, e in f. Iz grafa razberemo, da je kar 35% veè dijakov iz kontrolne skupine izbralo napaèno trditev a za pravilno, nasprotno pa je kar % veè dijakov eksperimentalne skupine izbralo trditev b za pravilno. Iz tega lahko ugotovimo, da so oèitno dijaki, ki so delali z zgošèenko, bolje razumeli pojem absorpcije svetlobe, ki je v zgošèenki na veè nivojih simuliran. Da molekule ne vztrajajo 457
a b c è d e f Trditve ES KS Graf 5: Prikaz zastopanosti posameznih odgovorov v odstotnih deležih celotne ES in KS v vzbujenem stanju dolgo èasa, je vedela veèina testirancev (trditev c), neodvisno od skupine, da se spremeni pri prehodu v vzbujeno stanje geometrija molekul (trditev è) je vedelo 35% veè dijakov eksperimentalne skupine, ki so si lahko spremembo geometrije molekule broma pri absorbciji svetlobnega kvanta ogledali s pomoèjo animacije in še dodatno poglobili znanje s teoretièno razlago. Prav tako je veèina dijakov iz obeh skupin vedela, da se reaktivnost molekul v vzbujenem stanju spremeni (trditev d), vendar pa je 11% veè dijakov kontrolne skupine vedelo, da pri interakciji svetlobe s snovjo lahko prihaja do homolitske prekinitve vezi med atomi v molekuli (trditev e). V multimedijski enoti pojem homolitska prekinitev ni uporabljen. Tudi pri izbiri zadnje trditve, da se molekule iz vzbujenega stanja lahko vrnejo v osnovno stanje z izsevanjem fotona (trditev f), sta bili skupini dokaj izenaèeni. Prvo reakcijsko shemo je pravilno zapisalo le 8% veè dijakov iz eksperimentalne skupine. Drugi del naloge, kjer so morali dijaki napisati reakcijski shemi za širjenje reakcije (shemi 2 in 3), je kar 25% veè dijakov iz eksperimenatlne skupine rešilo pravilno, v tretjem delu, ki je vkljuèeval reakcijske sheme za zakljuèek reakcije (sheme 4, 5 in 6) pa so razlike med skupinami zopet znatno manjše, vendar je v kontrolni skupini za 12% veè dijakov, ki tega dela naloge sploh niso reševali. V povpreèju je eksperimentalna skupina na testu znanja dosegla za,5% boljše rezultate od kontrolne. Dijaki eksperimentalne skupine so bolje reševali tako težje, kakor tudi lažje naloge. Prav tako smo ugotovili, da so dijaki eksperimentalne skupine na testu znanja dosegli znatno višje ocene kot jih imajo sicer pri kemiji. Seveda se zavedamo, Elementi vizualizacije animacija reakcijskih mehanizmov bromoranja cikloheksana Naloga 6 Bromiranje etana poteka po radikalskem mehanizmu. Prva stopnja je iniciacija reakcije, ki poteèe zaradi osvetlitve. Katera od molekul absorbira svetlobo? Napišite reakcijsko shemo za to stopnjo. Druga stopnja je širjenje reakcije. Kateri procesi potekajo v tej stopnji? Napišite reakcijske sheme. Tretja stopnja je zakljuèek reakcije. Kateri procesi potekajo v tej stopnji? Napišite reakcijske sheme. 458
da dobljenih rezultatov ne kaže posploševati, vendar pa gotovo nakazujejo pozitiven vpliv kombiniranja razliènih vizualinih elementov na višjo kvaliteto znanja. Pri tem pa ne kaže zanemariti, da je preverjanje motivacijskega uèinka novega medija pokazalo, da dijaki nekaterim vsebinam niso mogli samostojno slediti in da so izrazili potrebo po prisotnosti uèitelja, ki naj bi usmerjal njihovo pozornost zlasti pri predstavitvi animacij mikroskopskih procesov. 4. Zakljuèki Dobro razvite vizualne zaznave so kljuènega pomena za lažje razumevanje abstraktnih kemijskih in naravoslovnih pojmov. Medmrežje ponuja uèitelju kemije izredno veliko vizualizacijskih elementov, ki ustrezno integrirani v pouk lahko bistveno olajšajo procese zaznave. Da bi uèiteljem olajšali dostop do najbolj uporabnih spletnih strani, smo skladno s strukturo uènega naèrta izbrali za vsak pojmovni sklop nabor spletnih strani z razliènimi vizualizacijskimi elementi in jih uredili v bazo, ki je dostopna vsem uèiteljem na spletnih straneh Slovenske Kemijske Informacijske Mreže. 5. Literatura 1 2 3 4 5 6 Reakcijske sheme ES KS Graf 6: Uspešnost zapisovanja posameznih reakcijskih shem Baker, S.R., Talley, L.H., (1972): The relationship of visualization skills to achievement in freshman chemistry, Journal of Chemical Education, 49, 11, 775-777. Baker, S.R., Talley, L.H., (1974): Visualization skills as a component of aptitude for chemistry: a construction validation study, Journal of Research in Science Teaching, 11, 2, 95-97. Carter, C. S., La Russa, M. A., Bodner, G. M., (1987): A study of two measures of spatial ability as predictors of success in different levels of general chemistry, Journal of Research in Science Teaching, 24, 7, 645-657. Collin, R., Goll, L., (1993): Umetnost uèenja, Tangram, Ljubljana. De Bono, E., (1976): Teaching thinking, Template Smith, London. Eliot, J., Hauptman, A., (1981): Different dimensions of spatial ability, Studies in Science Education, 8, 45-66. French, J. W., (1951): Description of aptitude and achievement in tests in terms of rotated factors, Psychometric Monographs, 5. Keen, E. N., Fredman, M., Rochford, K., (1988): Relationships between the academic attainments of medical students and their performance on a test requiring the visual synthesis of anatomical sections, South African Journal of Science, 84, 5-8. Komensky, J. A., (1995): Velika didaktika, Pedagoška obzorja, Novo mesto. Lohman, D. F., (1979): Spatial ability, A review and re-analysis of correlation literature, Technical Report 8, Stanford University, Stanford. Lord, T. R., (1985): Enhancing the visuo spatial aptitude of students, Journal of Research in Science Teaching, 22, 5, 395-6. McGree, M., (1979): Human spatial abilities, psychometric studies and environmental, genetic, hormonal, and neurological influences, Psychological Bulletin, 86, 889-918. Rochford, K., (1987): Underachievement of spatially handicapped chemistry students in an academic support programme at U.C.T. in 1986, Paper presented to staff of the Department of Education, Cornell University, Ithaca. Seddon, G. M., Moore, R. G., (1986): An unexpected effect in use of models for teaching the visualization of rotation in molecular structures, European Journal of Science Education, 8, 1, 79-86. Saunderson, A., (1973): The effect of special training programme on spatial ability test performance, Journal of College Science Teaching, 5, 15-23. Trstenjak, A., (1978): Èlovek in barve, Univerzum, Ljubljana. Tuckey, H. P., Selvaratnam, M., Bradley, J. D., (1991): Identification and rectification of student difficulties concerning threedimensional structures, rotation and reflection, Journal of Chemical Education, 68, 6, 4-464. Tuckey, H. P., Selvaratnam, M., (1993): Studies involving threedimensional visualization skills in chemistry: A review, Studies in Science Education, 21, 99-121. Vrtaènik, M., (1999): Vizualizacija v kemijskem izobraževanju, Kemija v šoli, 11,1,2-8. Margareta Vrtaènik je redna profesorica za kemijsko izobraževanje in naravoslovnotehnièno informatiko. Od 1997 leta je zaposlena na Naravoslovnotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani, Oddelek za kemijsko izobraževanje in informatiko. Njeno znanstveno-raziskovalno delo je usmerjeno v razvijanje metod in tehnik kemijskega izobraževanja ter v uporabo indukcijskih metod za veèanje informacijske vsebnosti podatkov. Je nosilka temeljnega in aplikativnega projekta pri Ministrstvu za znanost in tehnolgijo ter avtorica vrste èlankov s podroèja njenega raziskovalnega dela. V zadnjih dveh letih je bila mentorica dveh magistrskih del s podroèja vizualizacije kemijskih pojmov in študija vplivov vizualizacije na kvaliteto kemijskega znanja. 459
Danica Dolnièar je redno zaposlena kot asistentka za naravoslovnotehnièno informatiko in raziskovalna sodelavka na Naravoslovnotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani, Oddelku za kemijsko izobraževanje in informatiko. Njeno raziskovalno delo je usmerjeno v razvoj relacijskih in multimedijskih informacijskih sistemov za podroèje naravoslovja in tehnike ter multimedijskih uènih enot. Je soavtorica vrste èlankov s podroèja njenega raziskovalnega dela in kljuèna raziskovalka na dveh projektih. Vesna Ferk, je zaposlena kot asistentka stažistka na Naravoslovnotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani, Oddelku za kemijsko izobraževanje in informatiko. Je absolventka prvega letnika podiplomskega študija kemijskega izobraževanja, njeno magistrsko delo pa bo vkljuèevalo študij razliènih vizualizacijksih elementov na kvaliteto kemijskega znanja osnovno- in srednješolcev. Mateja Sajovec, je kot uèitelj - praktik vkljuèena v projektno skupino Oddelka za kemijsko izobraževanje in informatiko na projektu Kriteriji vrednotenja multimedijskih aplikacij. Leta 1998 je magistrirala s temo Vrednotenje uporabe multimedije v kemijskem izobraževanju, ki predstavlja pomemben prispevek k teoriji in praksi vrednotenja vplivov multimedijskih predstavitev naravoslovnih pojmov na razlièna podroèja razvoja osebnosti. Andrej Zupanèiè (6.b), OŠ Trnovo, Mentorja: Cveta Leban in Ðulijana Jurièiæ 4