rola animacji komputerowych w nauczaniu o reakcjach w chemii
advertisement
METODOLOGICKÉ OTÁZKY VÝSKUMU V DIDAKTIKE CHÉMIE TRNAVSKÁ UNIVERZITA V TRNAVE, PEDAGOGICKÁ FAKULTA, 2011. ROLA ANIMACJI KOMPUTEROWYCH W NAUCZANIU O REAKCJACH W CHEMII ORGANICZNEJ - ROZWAŻANIA WSTĘPNE THE ROLE OF COMPUTER ANIMATIONS IN ORGANIC CHEMISTRY TEACHING PAULINA ZIMAK, JAN RAJMUND PAŚKO, MAŁGORZATA NODZYŃSKA Uniwersytet Pedagogiczny im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie ul. Podchorążych 2, 30-084 Kraków, PL e-mail: [email protected], [email protected], [email protected] Abstract Organic chemistry is one of the compulsory courses offered to students entering the Natural Sciences Department. One of the most difficult concepts to understand in this course is the mechanism of chemical reactions (Bartoszewicz, Gulińska, 2007). However, a tri-dimensional computer animation seems to be both an effective instructional tool for teaching mechanisms of reactions and a crucial aid for students in visualizing the aforementioned chemical processes. Key words Animation, organic chemistry, reaction mechanisms, teaching, visualisation Wstęp Chemia organiczna jest obligatoryjnym kursem realizowanym w ramach kształcenia studentów Uniwersytetu Pedagogicznego na kierunkach: biologia i ochrona środowiska. Zajęcia z chemii organicznej są przewidziane w planie studiów licencjackich dla studentów pierwszego (biologia) i drugiego (ochrona środowiska) roku. Formalnym zakończeniem kursu jest złożenie przez studentów egzaminu pisemnego. Na realizację treści kształcenia - przedmiotu chemia organiczna przeznaczonych jest: 15 godzin wykładu (biologia, ochrona środowiska) oraz 30 godzin ćwiczeń laboratoryjnych (biologia) bądź 15 godzin (ochrona środowiska). W kartach omawianego kursu (dla poziomu studiów licencjackich w ramach wspomnianych kierunków) przedstawione są oczekiwane efekty kształcenia. Studenci po ukończeniu kursu powinni posiadać wiadomości z zakresu: właściwości podstawowych grup związków organicznych, podstawowych typów reakcji chemicznych dla związków zawierających określoną grupę funkcyjną, znajomości metod otrzymywania podstawowych grup związków organicznych, znajomości mechanizmów reakcji chemicznych oraz zależności ich przebiegu od środowiska reakcji. Ponadto studenci powinni umieć: wyjaśnić właściwości związków organicznych w zależności od rodzaju grup funkcyjnych, które w nich występują, napisać równania reakcji otrzymywania określonych związków organicznych, posługiwać się terminologią i nomenklaturą chemiczną oraz opisywać właściwości związków organicznych. Bardzo przydatną rubryką w karcie kursu jest rubryka dotycząca tak zwanych warunków wstępnych. Pojęcie to odnosi się do wiadomości i umiejętności, jakie powinien posiadać student przed przystąpieniem do kursu z chemii organicznej. Warunki wstępne tak zdefiniowane zakładają, że studenci w ramach innych kursów (chemia ogólna, chemia analityczna) bądź wcześniejszej edukacji opanowali wiadomości i umiejętności z zakresu: kwantowej teorii budowy atomu, teorii wiązań chemicznych, efektów elektronowych w związkach chemicznych, systematyki związków nieorganicznych, teorii kwasów i zasad, podstawowych założeń kinetyki i statyki chemicznej, rysowania wzorów strukturalnych związków kowalencyjnych, uzgadniania współczynników w równaniach reakcji chemicznych, w równaniach oksydacyjno-redukcyjnych, wykonywania obliczeń stechiometrycznych oraz obliczeń dotyczących stężeń roztworów i wydajności reakcji. W powyższych rozważaniach celowo odwołano się do informacji zawartych w kartach kursu z chemii 30 METODOLOGICKÉ OTÁZKY VÝSKUMU V DIDAKTIKE CHÉMIE TRNAVSKÁ UNIVERZITA V TRNAVE, PEDAGOGICKÁ FAKULTA, 2011. organicznej. Stanowią one, bowiem punkt wyjścia do badań własnych w aspekcie: oceny faktycznego poziomu wiadomości i umiejętności studentów rozpoczynających kurs, oceny poziomu zakładanych rezultatów kształcenia po zakończeniu kursu, zdefiniowania źródła ewentualnych trudności w procesie nauczania-uczenia się chemii organicznej, podjęcia działań metodologicznych optymalizujących efektywność kształcenia chemicznego. Dodatkowym argumentem skłaniającym do podjęcia badań nad problematyką kształcenia chemicznego studentów są wieloletnie obserwacje nauczycieli akademickich Uniwersytetu Pedagogicznego a także wyniki badań ankietowych przeprowadzonych przez Bartoszewicz i Gulińską (2007). Poczynione analizy wskazały na problem studentów z uczeniem się chemii organicznej zwłaszcza w kwestii zrozumienia mechanizmów reakcji. Powyższe stwierdzenia stały się inspiracją do podjęcia własnych badań, gdyż jak stwierdzili Morrison i Boyd (1985) „Właściwe zrozumienie zachodzących mechanizmów jest kluczowe w odnalezieniu prostego modelu licznych reakcji chemicznych a także odgrywa niebagatelną rolę w późniejszym wnioskowaniu o mechanizmach reakcji jeszcze nieomawianych”. Metodyka badań Cele i metody badawcze Cele badań oraz metody badawcze przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Cele badań i przyjęte metody badawcze Cele badań Metody badawcze Zapoznanie się z psychologicznymi i pedagogicznymi aspektami uczenia się i nauczania, ze szczególnym uwzględnieniem roli Analiza literatury wizualizacji w kształceniu chemicznym (chemia organiczna) Porównanie skuteczności nauczania tradycyjnego oraz nauczania z wykorzystaniem narzędzi technologii informacyjnej (animacji Eksperyment pedagogiczny1 komputerowej) Poznanie opinii studentów będących po kursie i w czasie kursu Metoda sondażu1 chemia organiczna w kwestii uczenia się chemii organicznej Pozyskanie informacji od nauczycieli akademickich odnośnie realizacji kursu z chemii organicznej (dydaktyka szczegółowa chemii Metoda sondażu1 organicznej, ocena wiadomości i umiejętności studentów przystępujących do kursu, efekty kształcenia) Określenie zmiany efektu kształcenia, wpływu zastosowanego środka dydaktycznego na kształcenie chemiczne, przeprowadzenie analiz Metoda analizy statystycznej2 danych uzyskanych z badania Zaprojektowanie i wykonanie narzędzi badawczych (program .exe – _____________ diagnostyczny, animacji komputerowych) Klasyfikację metod badawczych przyjęto za: 1 Łobockim (2008) i 2 Stawińskim (2006) Hipotezy badawcze Metody badawcze (tabela 1) zaproponowano w związku z weryfikacją przyjętych hipotez badawczych. Hipoteza główna: Zakłada się wpływ wizualizacji mechanizmów reakcji chemicznych z wykorzystaniem animacji komputerowych na efektywność nauczania-uczenia się przedmiotu chemii organicznej. Hipotezy szczegółowe: − Nauczanie z wykorzystaniem animacji komputerowych zwiększa efekty kształcenia studentów w ramach kursu z chemii organicznej. − Animacje trójwymiarowe mają korzystny wpływ na powstawanie prawidłowych wyobrażeń o strukturze mikroświata. − Animacje komputerowe ułatwiają studentom zapamiętanie i zrozumienie mechanizmów reakcji chemicznych. 31 METODOLOGICKÉ OTÁZKY VÝSKUMU V DIDAKTIKE CHÉMIE TRNAVSKÁ UNIVERZITA V TRNAVE, PEDAGOGICKÁ FAKULTA, 2011. − − − Animacje komputerowe skracają czas studentów na naukę mechanizmów reakcji chemicznych. Zredukowanie lub wyeliminowanie błędnego wyobrażenia studentów o dwuwymiarowej budowie związków chemicznych (obraz płaskich wzorów strukturalnych). Kształtowanie holistycznego obrazu mikroświata – zależność między budową, właściwościami i przebiegiem reakcji. Organizacja badań Zaplanowane badania obejmują swym poziomem dydaktykę uniwersytecką chemii organicznej. Adresowane są do studentów kierunków biologia i ochrona środowiska prowadzonych na Uniwersytecie Pedagogicznym w ramach cyklu „chemia dla niechemików”. Ogólne informacje o próbie kontrolnej i próbie badawczej przedstawiono na Figurze 1. Liczebność każdej z prób szacuje się na około: 150 osób. Realizację badań zaplanowano na lata 2010 – 2013. Figura 1 Próba kontrolna i próba badawcza Nauczanie studentów Z punktu metodologicznego, dotychczasowe nauczanie o mechanizmach reakcji jest prowadzone w sposób tradycyjny. Polega na wyjaśnieniu przebiegu reakcji chemicznych przez poszczególne etapy z zastosowaniem wzorów strukturalnych związków chemicznych, strzałek, ładunków elektrycznych, wolnych par elektronowych, elektronów, wiązań. Zachodzące kolejno zmiany są zaznaczane w sposób symboliczny. Rdzeń tradycyjnego nauczania o mechanizmach reakcji stanowi, zatem ciąg płaskich, statycznych wzorów strukturalnych. Stosowane wzory płaskie są zaledwie niedoskonałym przybliżeniem rzeczywistej budowy cząsteczek, które jako twory materialne są strukturami trójwymiarowymi (Mastalerz, 1986). Płaskie wzory strukturalne nie oddają pełnego obrazu licznych efektów przestrzennych jak chociażby efektów sterycznych (zawada steryczna) wpływających na przebieg reakcji (Patrick, 2004). Właściwości wielu substancji są zależne od budowy przestrzennej związków chemicznych. Brak w nauczaniu tradycyjnym ukazania trójwymiarowej budowy związków i dynamiki mechanizmu reakcji, może prowadzić do powstawania błędnych wyobrażeń i trudności w uczeniu się. W nauczaniu przedmiotów chemicznych i biochemicznym ważne jest rozwijanie wyobraźni przestrzennej studentów. Nauczanie z zastosowaniem animacji komputerowej 3D+T (animacja trójwymiarowo z czynnikiem czasu) łączy budowę przestrzenną z dynamicznym aspektem przedstawiania poszczególnych etapów reakcji. Liczne badania przeprowadzone z użyciem animacji komputerowych wykazały pozytywny wpływ tego rodzaju modeli na kształtowanie wyobrażeń u uczniów o pojęciach z mikroświata (Chmielowska-Marmucka, Paśko, 2010). W związku z tym należy stosować środki dydaktyczne pozwalające jak najlepiej ukazać budowę atomu uwzględniając jego 32 METODOLOGICKÉ OTÁZKY VÝSKUMU V DIDAKTIKE CHÉMIE TRNAVSKÁ UNIVERZITA V TRNAVE, PEDAGOGICKÁ FAKULTA, 2011. strukturę przestrzenną czy przebieg omawianych procesów (Paśko, Kopek, 2008). Dotychczasowe animacje komputerowe tworzone były w programie komputerowym Macromedia Flash. Korzystając z podstawowych funkcji tego programu można bardzo łatwo stworzyć modele spełniające wszystkie „teoretyczne” założenia tworzonych modeli (Nodzyńska, Paśko, 2005). Jednakże podejmując badania nad mechanizmami reakcji w chemii organicznej pojawiają się „specjalne wymagania” dla tworzonych animacji. Chodzi głównie o całą gamę efektów przezroczystości orbitali i ich niekonwencjonalne zmiany kształtu podczas poszczególnych etapów reakcji. Z pomocą może przyjść darmowy program do grafiki 3D – Blender. Jest on udostępniany od 13.10.2002r. na licencji GPL. Licencja GPL gwarantuje, że Blender zawsze będzie programem do korzystania bez żadnych opłat zarówno do celów domowych, dydaktycznych jak i komercyjnych (http://www.blender3d.pl). Jest to program do modelowania i renderowania obrazów oraz animacji trójwymiarowych o niekonwencjonalnym interfejsie użytkownika (http://www.blender.org/). Z użyciem programu Blender, zaplanowano stworzenie wizualizacji procesów zachodzących w chemii organicznej w ramach odpowiednio zaprojektowanych trójwymiarowych animacji komputerowych ukazujących zarówno mechanizm reakcji jak i przestrzenne aspekty budowy omawianych związków chemicznych. Tematyka animacji ma dotyczyć mechanizmów substytucji elektrofilowej w pierścieniu benzoesowym z uwzględnieniem kompleksów przejściowych π i σ: − SE do pierścienia benzenu; − SE do pierścienia benzenu z obecnym w pierścieniu podstawnikiem metakierującym; − SE do pierścienia benzenu z obecnym w pierścieniu podstawnikiem ortokierującym, parakierującym; Badania zostały podzielone na trzy fazy (Figura 2). W fazie pierwszej (wstępnej) planuje się określenie sytuacji badawczej (wywiad z nauczycielami akademickimi prowadzącymi kurs, zebranie opinii studentów o kursie, określenie uwarunkowań procesu kształcenia chemicznego). Faza ta obejmuje również czynności przygotowawcze między innymi stworzenie narzędzi badawczych dla późniejszych faz (Figura 2. – Wcześniejsze etapy). Faza druga (właściwa) została przewidziana na nauczanie tradycyjne i nauczanie z użyciem animacji. Z fazą tą wiążą się nierozerwalnie poszczególne etapy badań: pre-test, post-test i post-test II (po 3,5 miesiącach od post-testu) oraz ich ewaluacja. Faza trzecia zawiera opracowanie i zestawienie wyników z badań (Figura 2. – Późniejsze etapy badań). Figura 2 Kluczowe etapy badań w aspekcie czasowym 33 METODOLOGICKÉ OTÁZKY VÝSKUMU V DIDAKTIKE CHÉMIE TRNAVSKÁ UNIVERZITA V TRNAVE, PEDAGOGICKÁ FAKULTA, 2011. Podsumowanie Niniejsze badania stanowią próbę określenia skuteczności narzędzia - animacji komputerowej – jako środka dydaktycznego komplementarnego z środkami tradycyjnego nauczania o mechanizmach reakcji w chemii organicznej. Celem badań jest określenie czynników warunkujących efektywny proces uniwersyteckiego kształcenia chemicznego. Literatura BARTOSZEWICZ, M., & GULIŃSKA, H. (2007). Tworzenie programów multimedialnych dla studentów - narzędzia pracy informatycznej In I. Maciejowska, M. Ruszak, & S. Witkowski (Eds.), Wykorzystanie technologii informatycznych w akademickiej dydaktyce chemii, (pp. 47-53). Kraków. CHMIELOWSKA-MARMUCKA, A., & PAŚKO, J.R. (2010). Zmiana wyobrażeń uczniów o strukturze mikroświata po zastosowaniu animacji komputerowej w klasach I-III gimnazjum w powiecie nowosądeckim. vol. 5, pp. 69-76. Chemické Rozhl'ady. ŁOBOCKI, M. (2008). Metody i techniki badań pedagogicznych. Kraków: Oficyna Wydawnicza „Impuls”. MASTALERZ, P. (1986). Chemia organiczna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe PWN MORRISON, R. T., & BOYD, R. N. (1985). Chemia organiczna. vol. I, p.73. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe. NODZYŃSKA, M. & PAŚKO, J.R. (2005). Rola programu Macromedia Flash w diagnozowaniu wyobrażeń studentów o strukturze materii. In J. Morbitzer (Ed.), Komputer w edukacji: 15. Ogólnopolskie Sympozjum naukowe, Kraków 23-24 września 2005 Kraków: Wydawnictwo Naukowe AP. pp. 201-206. PAŚKO, J., KOPEK, W. (2008). Program wizualizacyjny Macromedia Flash jako element kształcenia przyszłych nauczycieli (pp. 95-98). In Technologie informacyjne dla chemików. Kraków PATRICK, G. (2004). Chemia organiczna. Krótkie wykłady. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN. STAWIŃSKI, W. (2006). Metody badań. In W. Stawiński (Ed.), Dydaktyka biologii i ochrony środowiska (pp. 31-33). Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN. TEJCHMAN, W. (2007). Karta kursu chemia organiczna I. Załącznik nr 2 do zarządzenia Rektora nr R-12/2007 http://www.blender3d.pl (11.11.2010) i (http://www.blender.org/) (8.11.2010). 34
