rola animacji komputerowych w nauczaniu o reakcjach w chemii

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