A A A

IKT keemia õpetamisel põhikoolis

Heli Väärtnõu-Järv, Tartu Ülikool, 2010

 

Sissejuhatuseks

Keemia õpetamist põhikoolis on uues riiklikus õppekavas (VV, RTI, 11.02.2010, 6, 22) kirjeldatud mitu korda põhjalikumalt, kui seda tehti eelmistes õppekavades (1996. a ja 2002. a). See on võimaldanud detailsemalt avada õppesisu ning esitada eeldatavaid õpitulemusi. Väga oluline on, et esmakordselt on selles ainekavas mainitud vajadust kasutada keemia õpetamisel arvutit ning info- ja kommunikatsioonitehnoloogiat (IKT). Kuigi see teema ei ole paljudele keemiaõpetajatest enam uus, on arvuti kasutamine keemiatunnis selle seadusakti toel muutumas õpetaja entusiastlikust ettevõtmisest kohustuslikuks keemiahariduse osaks. See on suur muudatus, mis vajab selgitusi, laiapinnalist arutelu ja võimalik, et ka paljude keemia õpetamisega seotud mõttemallide muutust.

Neist aruteludest peab eelkõige kooruma arusaam, kust tõmmata piir IKT rakenduste vahele, mis iseloomustavad ühelt poolt koolielu ja õpetajate töö korraldust üldse (tekstitöötluse ja tabelarvutuse kasutamine, esitluste koostamine, kodulehtede pidamine, suhtlus veebis) ning teiselt poolt kajastavad arvuti spetsiifilisi rakendusi keemia õpetamisel. Sellise keemiaalase spetsiifika olemasolu tunnistamisele viitab kaudselt ka asjaolu, et IKT leiab ainekavas märkimist koos praktiliste töödega ehk keemiakatsetega. Selgus määrangutes on vajalikeelkõige õpetajale, aga ka kooli juhtkonnale, sest aitab teha valikuid ja keskenduda tähtsamale.

Milles seisneb see spetsiifika? Arvuti ja IKT meetodite kasutamist keemiatunnis (aga laiemalt kõikide loodusainete õpetamisel) iseloomustab eelkõige vajadus tervikliku virtuaalkeskkonna järele, mis võimaldab korraldada õpilase individuaalset tegevust ja seda kontrollida. Selleks peab õpikeskkond sisaldama piisaval hulgal õppematerjali, tagama selle materjali paindliku kasutamise/esitamise, võimaldama lihtsat ja kiiret navigeerimist materjali mahus ning olema kasutaja suhtes interaktiivne. Viimane neist tingimustest on eriti tähtis juhul, kui õppetöö on korraldatud õpilase individuaalse tegevusena arvutiklassis. Loetletut ei saa ignoreerida ka siis, kui arvutit kasutatakse rühmatööks või õppetööks kogu klassiga. Õppetööks sobiv virtuaalne keskkond võib asuda kasutaja arvutis, kohalikus arvutivõrgus või tänapäevaseid tehnilisi arenguid arvestades ka eemal asuvas võrguserveris, kui on tagatud võrguühenduse piisav kiirus ja stabiilsus. Eesti keeles oleme sellist keskkonda hakanud nimetama lihtsamalt ka õpitarkvaraks või õpitarkvara komplektiks. Viimasel juhul kaasnevad õpitarkvaraga ka tugiprogrammid ja dokumentide näol lisatud metoodiline materjal.

Need maailmas üldiselt tuntud ja õpetamise praktikas väga olulised põhimõtted on jäänud aastate kestel samaks ning neid ei ole märkimisväärselt mõjutanud arvutustehnika ega tarkvara arengud. Veelgi enam, kirjeldatud põhimõtted on leidnud kajastuse nüüdisaegsetes õppedisaini teooriates ning on igati kooskõlas ka uues keemia ainekavas püstitatud nõudmistega. Seetõttu pean tarvilikuks neid põhimõtteid tutvustada. Seda enam, et keemiahariduse vaatepunktist selline tutvustus tänaseni puudub.

Keemia ja teiste loodusainete õpetamiseks sobiva virtuaalkeskkonna loomisel peame arvestama ka keelenõudega, sest igal juhul on loodusteadusliku hariduse algetapis vajalik emakeelne õpe. Ainult nii on võimalik õpetada uusi ja enamasti abstraktseid mõisteid, neid omandada ning sobitada nende sisu emakeelsesse kultuurikonteksti. Siit tuleneb otsene vajadus eestikeelse õpitarkvara järele, mille loomine on paraku aga väga kallis ja töömahukas tegevus, eriti kui silmas pidada tervikliku interaktiivse virtuaalkeskkonna loomist. Seetõttu on arvestatavaks võimaluseks meie õppekavaga sobiva kompleksse õpitarkvara tõlkimine ja kohandamine ning tööks vajaliku eestikeelse metoodilise tugimaterjaligavarustamine. See ei ole ainult meie probleem, sest kvaliteetse õpitarkvara tõlkimisega tegelevad ka sellised arenenud haridussüsteemiga riigid nagu Soome ja Rootsi.

Lõpetuseks veel üks tähtis tähelepanek: ka väga täiuslik õpitarkvara ei asenda keemiatunnis õpetajat. Tõsi, teatud määral muutub õpetaja roll tunni läbiviimisel, sest koostöös arvutiga ei ole tema peamine ülesanne enam uue materjali esitamine. Samas suureneb aga õpetaja tähtsus juhendajana ja õpilaste tegevuse suunajana, paraneb tema võimalus kontrollida tunnis toimuvat. Sageli on sobilik rikastada sellist arvutitundi uurimusliku õppe elementidega ning juhtida õpilasi iseseisvate järelduste tegemiseni, mis võiks veelgi mitmekesistada ainetundi ning muuta õppimist ja õpetamist efektiivsemaks. Tahan seda rõhutada, et juba eos vältida väärarusaamade teket arvuti rolli suhtes keemiatunnis. Arvuti koos sobiliku õpitarkvaraga on ainult õppevahend, mida õpetaja saab efektiivselt kasutada teatud probleemide selgitamisel.

Loodusteaduste õpitarkvarast üldiselt

Arvuti on suurepärane demonstratsioonivahend, mille abil saab esitada teksti, jooniseid ja videolõike. Neid materjale on lihtne omavahel kombineerida ning nõnda tekitada näiteks linkidega seostatud illustreeritud tekstikogumeid. Lihtsamatel juhtudel ei erine need materjalid illustreeritud õpikust või slaidikavast selle tavalises tähenduses, sest õpilane saab materjali küll edasi-tagasi lehitseda ning valida sellega tutvumise eri variantide vahel, kuid puudub võimalus selle toimimist mõjutada. Samuti võib tavalist raamatut asuda lugema suvalisest kohast. Arvuti võimaluste täielikuma kasutamise korral sisaldab aga õppematerjal animatsioonide abil esitatud nähtuste ja protsesside „mudeleid“, mis illustreerivad seaduspärasusi ja kujutavad detaile, mida me tavalistes tingimustes ei taju. Nende objektide näiteks võivad olla aineosakesed, elektrit juhtivas keskkonnas liikuvad elektronid või magnetvälja jõujooned. Samal ajal võimaldab virtuaalne keskkond manipuleerida lisaks uuritavate objektide mõõtude skaalaleka nähtuse jälgimiseks vajaliku ajaskaalaga. Samuti on võimalik muuta virtuaalkatse temperatuuri või jälgida selle muutumist protsessi käigus (vt Lisa 1). Erinevalt raamatuillustratsioonidest on animeeritud mudelid dünaamilised, avades paremini protsesside sisu, ning on enamasti ka atraktiivsed ja õpilaste tähelepanu köitvad.

Lisaks sellele loob nüüdisaegne õpitarkvara võimaluse, et õpilane suhtleb oma „õppevahendiga“. Olenevalt tarkvara iseloomust saab ta seda teha mitmel tasandil. Nii võib kasutaja peatada või korrata mudelprotsesse, valida ise katsete ja protsesside lähtetingimusi, prognoosida oma teadmistest lähtudes katsetulemusi ja tehtud prognoose virtuaalsete katetega kontrollida. Katseid saab kavandada selliselt, et nende tulemustest lähtudes saab teha järeldusi teatud faktori mõju kohta protsesside kulgemisele. Neid võimalusi arvestades saab õppetööd kavandada nii, et arusaamine uuritavast teemast tekib uurimistöö ja selle käigus tehtavate „avastuste“ tulemusena. Samuti on oluline, et õpitava sisu mõistmist ning omandatud teadmiste taset saab kontrollida koos kohese tagasisidega. Kokkuvõttes iseloomustame selliste võimaluste kogumi abil õpitarkvara interaktiivsust.

Ka õpetaja seisukohast on õppematerjali interaktiivsus väga tähtis. Õpetajale tähendab see eeskätt võimalust suunata õpilase tegevust, muuta õpitavate teemade järjestust ja käsitletava materjali hulka. Samuti eeldab interaktiivsus seda, et õppetöösse saab põimida teadmiste ja probleemi sisust arusaamise kontrolli. Oluline on võimalusmaterjali korduvalt esitada.

Järelikult on hea õpitarkvara tunnuseks protsesside visualiseerimine ja näitlikustamine, mis parandab nende mõistmist ning sageli avab ka taustaks olevaid üldisemaid seaduspärasusi. Samuti motiveerib see probleemidesse süvenemist, haarab ja hoiab õpilaste tähelepanu ning pakub ka põnevust.

Näitlikustamise all on mõeldud eelkõige video- ja audiomeedia kasutamist ning animatsiooni. Nende võtete abil saab kirjeldada objekte, mis on vahetuks vaatlemiseks kas liiga väikesed või liiga suured. Samuti saab kirjeldada protsesse, mis on kas liiga kiired või liiga aeglased, et neid katsetena esitada. Keemia korral on heaks näiteks molekuli ja aatomi mõiste käsitlemine, molekulimudelite koostamine ja kasutamine, nende ruumilise ehituse uurimine ning nende struktuuri dünaamika jälgimine. Multimeedia mudelite abil saab lihtsalt illustreerida fakti, et kõik aineosakesed on pidevas liikumises ning aine oleku määrab selle liikumise iseloom. Visualiseerimise valdkonda kuuluvad ka näited reaktsioonidest, mida ei ole keemiatunnis lihtne läbi viia või mis on liiga ohtlikud isegi spetsiaalsete demonstratsioonkatsete korraldamiseks. Visualiseeritavate mudelite kaudu saab esitada ja selgitada abstraktseid mõisteid ja kontseptsioone, samuti kontrollida õpilaste arusaamist nende sisust.

Eraldi märkimist väärib võimalus, et arvutite kasutamisel ainetunnis saab õppetöö muuta õpilasekeskseks tegevuseks. Ideaalsel juhul eeldab see õpilase jaoks eraldi arvutitöökoha olemasolu, st keemiatunni läbiviimist arvutiklassis. Sellisel juhul avalduvad õpiprogrammide eelised kõige paremini. Samuti soosib kompleksne õpitarkvara õpilase iseseisvat tegutsemist, sest töö tempo määravad tema oskused ja võimed. Õpetaja saab aga anda hinnangu iga õpilase tegevusele konkreetselt ning vajaduse korral võib ta õpilasega individuaalselt suhelda. Sellisel viisil motiveeritakse eelkõige nõrgemaid õpilasi, kelle töö tempo on aeglane ning kes vajavad samade õpiülesannete lahendamiseks õpetaja detailsemaid suuniseid. Sellest tulenevalt on loodusteaduste õpetamisel arvuti kasutamise efekt kõige suurem eelkõige keskmiste ja nõrgemate õpilaste korral, sest nende puhul on tagasihoidliku õppeedukuse põhjuseks sageli huvi puudumine aine vastu. Uute, atraktiivsete aine esitamise võtetega saab seda huvi suurendada. Paljudel juhtudel piisab juba sellest, et parandada arusaamist õpitavast. Seda on esile toonud mitmes riigis tehtud uurimused ning sama kinnitavad ka Eestis tehtud uuringud.

Ülaltoodust peaks olema selge, et arvuti kasutamine ainetunnis toetab õppimist ja abistab õpetajat. Kindlasti ei asenda see aga vahetut kogemust pakkuvaid praktilisi töid ja katseid. Samuti tuleb rõhutada, et koolide varustamine arvutitega ilma õppetööks vajaliku tarkvarata ei paku terviklahendust ja loob ainult eeldused arvutite kasutamiseks ainetunnis.

Eestikeelne õpitarkvara ja põhikooli keemia ainekava

Põhikoolis keemia õpetamist silmas pidades võib seni meie koolidesse jõudnud eestikeelsetest õpitarkvara tervikkomplektidest nimetada „Keemia õppetükke“ (vt ka H. Väärtnõu, Multimeedia andmebaas keemia õpetamiseks, Haridus, lk 55–57, 1998). Kuigi see õpitarkvara jõudis meile umbes 10 aastat tagasi, vastab ta ülalkirjeldatud põhinõuetele ning on varustatud metoodiliste abimaterjalidega. Lisaks sellele on õpitarkvara kavandatud eelkõige õpilaste individuaalse töö korraldamiseks arvutiklassis. Paljude põhikooli teemade õpetamiseks on olemas ka õpetajate koostatud abimaterjalid, mis on saadaval internetis aadressil http://www.ut.ee/keemiaope/.See tarkvarakomplekt sisaldab ka ingliskeelset andmebaasi „The Chemistry Set“, milles toodud mudelid, illustratsioonid ja katsete videod on leidnud iseseisvat rakendust, eraldi „Keemia õppetükkidest“. Nüüd võib selliseid materjale leida aga ka mujalt ning suurepäraseks näiteks on Tartu Ülikoolis valminud videoklippide kogumik „100+ katset keemias“ (http://keemiavideod.ut.ee).

Teisena võib mainida samuti eestikeelset õpitarkvarakomplekti „Multimeedia õppevahendid loodusteadustes“, mis sisaldab metoodilisi juhendeid, abitekste ja töölehti (vt ka H. VäärtnõuJärv, Multimeedia õppevahendid loodusõpetuses, Haridus, lk 42–44, 2001). Selles õpitarkvaras esitatud materjal on kasutatav mitmete keemiateemade käsitlemiseks põhikoolis ning illustreerib hästi interaktiivse õpitarkvara võimalusi. Tunnis kasutamiseks saab õpetaja ette valmistada töövahendi, kombineerides selleks lisatud tarkvara abil CD-l leiduvaid materjale.On kujunenud traditsiooniks nimetada sellist õpetaja poolt koostatud õppematerjalidepaketti „slaidiprogrammiks“. Kahjuks ei anna seenimetustäpselt edasi töövahendi olemust, sest tegemist ei ole tavalises mõttes esitluste koostamisega, vaid need töövahendid sisaldavad kombineeritult kõiki õpitarkvara poolt pakutavaid meediavariante.Slaidiprogrammide koostamist on mitmete aastate jooksul selgitatud keemiaõpetajatele mõeldud täienduskursustel. Tarkvarakomplektile on lisatud slaidiprogrammide näidised ja nende juurde kuuluvad töölehed ning õpetaja märkmed. Palju kursustel osalenud õpetajate koostatud slaidiprogramme on saadaval selle õpitarkvara kodulehel www.edusoft.ee/om01.html.Nende slaidiprogrammide avamiseks ja kasutamiseks peab arvutisse olema installeeritud ülalmainitud õpitarkvara. Vähem on koolides levinud tarkvarapakett „Orgaaniline keemia“, mille poolt pakutav vastab ka teatud osale põhikooli keemia õppekavast, võimaldades eelkõige tutvuda orgaaniliste molekulide ruumilise ehitusega.

Arvestades seda, et käesolev artikkel on mõeldud keemiaõpetaja abistamiseks ainekavas esitatud IKT nõude elluviimisel, siis käsitlen lühidalt nimetatud õpitarkvara kasutamise võimalusi keemia uue ainekava seisukohast.

Õpitarkvara komplekti „Keemia õppetükid“materjalid on järgmised:

  • Halogeenid
  • Leelismetallid
  • Põlemine
  • Kvalitatiivne analüüs
  • Keemilise aktiivsuse read
  • Happed, alused ja neutralisatsioonireaktsioon
  • Gaasid
  • Perioodilisus
  • Redoksreaktsioonid

Selline teemade valik ja nende sisu on valdavas mahus vastavuses põhikooli uue keemia ainekavaga. Individuaalse töö korras saavad õpilased teha iseseisvaid uuringuid. Näiteks saab õpilane virtuaalkatseid teostades ning nende tulemusi võrreldes ise tuletada metallide (elektrokeemilise) pingerea. Iga õppetükk lõpeb küsimuste ja valikvastustega testiga. Tulemused saavad testi täitjale teatavaks kohe. Samuti salvestatakse õpilaste vastused neile küsimustele eraldi failina, mida õpetaja saab kasutada õpilase teadmiste hindamisel. Selle tarkvara kasutamise kohta on keemiaõpetajad koostanud mitmeid lisamaterjale.

„Multimeedia õppevahendid loodusteadustes“ on kasutaja jaoks palju paindlikum õpitarkvara, kuigi koosneb ainult viiest multimeedia õppevahendist:

  • Aine olekud
  • Keemilised ja füüsikalised nähtused
  • Lihtained, liitained ja segud
  • Perioodilisustabel
  • Vaatame aatomit

Need õppevahendid võimaldavad illustreerida tunnimaterjali ja korraldada õpilaste iseseisvat tööd arvutiklassis. Järgnevalt vaatleme täpsemalt selle tarkvarapaketi kasutamise võimalusi põhikooli keemia ainekavast lähtudes, sest varem sellist analüüsi tehtud ei ole.

Põhikooli keemia ainekava esimene osa on pühendatud ainete füüsikalistele omadustele, eelkõige nende agregaatolekutele, ja on jätkuks eelnenud loodusõpetuse kursusele. Aine olekutele, sh sulamis- ja keemistemperatuuri selgitamisele, on pühendatud „Multimeedia õppevahendid loodusteadustes“ esimene õppevahend. Selles toodud animatsioonid võimaldavad demonstreerida, kuidas muutub tahke aine ja vedeliku aineosakeste liikumine kuumutamisel ning kuidas sellega kaasneb agregaatoleku muutus. Samuti on võimalik jälgida aine temperatuuri muutust sulamisel ja keemisel. Õppevahend on osutunud üheks kõige populaarsemaks selle tarkvarapaketi osaks. Ilmselt on see seotud materjali väga näitliku esitusega ning teemaderingi põhimõttelise tähtsusega ainete füüsikaliste omaduste selgitamisel ja mõistmisel. Teataval määral mängis siin rolli ka asjaolu, et selle õpitarkvara juurutamisel niisugused animatsioonid hoopiski puudusid.

Õppevahend „Keemilised ja füüsikalised nähtused“ selgitab keemiliste ja füüsikaliste protsesside erinevusi ning võimaldab teostada mitmeid virtuaalseid katseid nähtuste erinevuste mõistmiseks. See materjal on vajalik ka järgmiste teemade käsitlemiseks kombineeritud slaidiprogrammide vahendusel.

Järgmine osa ainekavast on pühendatud märksõnadele „aatomiehitus“,„perioodilisustabel“ja „aineteehitus“,haarateslihtaine,liitaineja ainete segumõisted. Aatomiehituse ja perioodilisustabeli õpetamiseks on õpitarkvarasse paigutatud eraldi õppevahendid „Vaatame aatomit“ ja „Perioodilisustabel“. Neist esimene kirjeldab perioodilisussüsteemi 20 elemendi aatomi elektronstruktuuri, iseloomustab elektronide paigutust elektronkihtidel ning kirjeldab keemilisi omadusi määravat välist elektronkihti. Elektrone on võimalik vaadelda liikuvatena elektronkihtidel ning nende liikumist valikuliselt peatada. Õppevahendi ülesehitus võimaldab seda kasutada iseseisvas õppes, samuti testide ja kontrolltööde tegemisel. Õppevahendi abil on lihtne illustreerida metalliliste ja mittemetalliliste elementide erinevusi, lähtudes nende elektronskeemist. Selle õppevahendi baasil on õpetajad koostanud mitmeid töökomplekte, kus koos slaidikavaga on saadaval töölehed ning metoodiline juhend õpetajale. Praktiliste tööde ja IKT rakendamise alal nähakse siin ette ainete füüsikaliste omaduste uurimist ja kirjeldamist. Seda saab teostada ka pakutavas virtuaalkeskkonnas olemasolevaid tööjuhendeid ning töölehti kasutades. Samuti käsitletakse ainekava alguses keemilisi reaktsioone üldiselt, nende toimumise tingimusi ja tunnuseid. Selle teema kohta leiab õppevahendites hulgaliselt näiteid ja selgitusi, mida õpetaja saab oma äranägemist mööda probleemi kirjeldamiseks kasutada. Lahuste teemat kõne all olev tarkvarakomplekt ei hõlma.

Aatomi ehituse õppevahendit on võimalik kombineerida perioodilisustabeliga, milles on lisaks aatomi ehitusele andmed niielemendikeemiliste omaduste, füüsikaliste omaduste kui elementide avastamise ajaloo kohta. Tabelit kasutades on võimalik saada ülevaade sellest, kus paiknevad tabelis metallid ja mittemetallid ning millised on peamised erinevused nende elektronstruktuuris, kuidas muutuvad ainete füüsikalised omadused ja agregaatolek tabeli erinevate piirkondade lõikes. Samuti saab seostada keemilise elemendi asukohta perioodilisustabelis andmetega elemendi aatomi ehitusest, arvestades tuumalaengut ehk prootonite arvu tuumas, elektronkihtide arvu ning väliskihi elektronide arvu.

Õpitarkvara komplektis on õppevahend „Lihtained, liitained ja segud“. Selles käsitletakse liht- ja liitainete molekulide ehituse erinevusi mitmete animeeritud näidete abil ja tuletatakse nende koostist iseloomustavad reeglid. On võimalik demonstreerida, kuidas on omavahel seotud aine molekulmass ja tema valem. Põnevalt on iseloomustatud keemiliste ainete ja segude erinevusi, sealhulgas ka nende füüsikaliste omaduste erinevusi. Nende andmete baasil suudavad õpilased ise tuletada reegleid, kuidas teha vahet ainete segu ja keemilise ühendi vahel.

Toodud loetelust ilmneb, et kolme multimeedia õppevahendi baasil on võimalik käsitleda suuremat osa aatomi ja molekulide ehitusele pühendatud ainekavast. Otsest käsitlemist ei leia keemilise sideme moodustumine, ioonide teke aatomitest ning nende laengud, samuti aatomitest molekulide moodustumise temaatika. See materjal on olemas teistes õppevahendites, mille tõlkimise lõpetamine ja kasutuselevõtt oleneb mitmestasjaolust. Kokkuvõttes võib öelda, et kirjeldatud õppevahend sobib hästi selle ainekava osa õpetamiseks.

Järgmine lõik ainekavast haarab enda alla hapniku ja vesiniku ning nende tuntumate ühendite tutvustuse. Ka selle teema kohta on arutluse all olevates õppevahendites hulgaliselt materjali. See on paigutatud peamiselt õppevahenditesse „Lihtained, liitained ja segud“ ning samuti „Keemilised ja füüsikalised nähtused“. Loomulikult saab hapniku ja vesiniku keemiliste omaduste selgitamiseks kasutada lõike nende aatomite ehituse kohta ja asukohast perioodilisuse süsteemis. Selline võimalus rõhutab veel kord materjali integratsioonivõimaluste tähtsust õpitarkvara koostamisel. Hapniku rolli põlemisreaktsioonis saab demonstreerida klassikalise küünlapõlemiskatse abil. Seejuures tulevad eriti selgelt esile eelised, mis on seotud virtuaalkatsete ajaskaala muutmise võimalustega. Illustreerida saab ka vesiniku põlemise katset ehk nn paukgaasi katset ja katses toimuvat veetekkereaktsiooni. Seega on virtuaaltasandil võimalik tutvuda katsetega, mille ohutu korraldamine keemiaklassis on küsitav (nn paukgaasi katse). Samuti saab selle virtuaaluuringu korraldada lühikese ajaga ning seda on võimalik korrata.

Selles õppevahendite komplektis leidub veel materjali süsiniku lihtsamate ühendite, nende keemiliste omaduste ja mõnede rakenduste kohta. Põhjalikumaks orgaanilise keemia alustega tutvumiseks on aga sobiv multimeedia õppevahendite tarkvarapakett „Orgaaniline keemia“, mille võimalused rahuldavad täielikult põhikooli ainekava vajadused ning on kasutatavad ka gümnaasiumis orgaanilise keemia kursuse õpetamiseks. Ka selle õppevahendigasaab slaidikavasid koostada ning tarkvaraga on kaasas töölehtede komplekt.Õppekavas ette nähtud hapete ja aluste, metallide ning anorgaaniliste ainete põhiklasside õpetamiseks soovitame „Keemia õppetükke“.

Kokkuvõtteks võib märkida, et kirjeldatud õpitarkvara võib juba praegu leida paljudes Eesti koolides ning neid vahendeid on juba aastate vältel kasutatud keemia õpetamiseks. Paljud õpetajad on andnud oma panuse selle tarkvara rakenduse arendusse, eelkõige slaidikomplekte, töölehti ja metoodilisi juhendeid koostades. See materjal on internetis kõikidele soovijatelekasutamiseks. Pealegi on selle õpitarkvara kasutamist õppinud mitmesugustel kursustel enam kui 350 õpetajat. Mitmed tegevõpetajad on selle tarkvara baasil koostanud ka oma diplomi- ja magistritöö. Neis on uuritud õpitarkvara rakendusi ning kasutamise efektiivsust, samuti keemia ja loodusõpetuse ainekavade kattumise ja integratsiooni probleeme. Näitena loetlen viimastel aastatel kaitstud magistritöid (vt Lisa 2), mille sisuga võib sügavama huvi korral tutvuda Tartu Ülikooli raamatukogus.

Teisi võimalusi IKT kasutamiseks keemiatunnis

Loomulikult on õpetajal võimalik keemiatunnis kasutada lisaks nimetatud valmisproduktidele teisigi IKT vahendeid. Seda soodustab tänapäevane kiire internetiühendus, aga ka asjaolu, et viimastel aastatel on märkimisväärselt suurenenud õpetajate huvi arvuti kasutamise vastu loodusteaduslike ainete õpetamisel, ning õpilaste üha süvenev inglise keele oskus. Viimast soosib näiteks ingliskeelsete arvutimängude populaarsus. Neid muutusi on jälgitud paljude aastate jooksul seoses keemiaõpetajate koolitamisega IKT ja keemiahariduse alal.

Alternatiivsed IKT meetodite kasutusvõimalused võib tinglikult jagada kolme gruppi. Esimese grupi moodustavad eestikeelsed spetsiaalselt keemia õpetamiseks koostatud animeeritud arvutimudelid, mis sarnaselt ülalkirjeldatud tarkvaraga on varustatud töölehtede näidistega. Need mudelid leiab internetiaadressil http://mudelid.5dvision.ee ning nad käsitlevad järgmisi teemasid:

  • Keemilise reaktsiooni tunnused
  • Keemiline side
  • Reaktsioonivõrrandi tasakaalustamine
  • Redoksreaktsioonid
  • Lahuse pH
  • Oksiidid
  • Keemilise reaktsiooni kiirust mõjutavad tegurid
  • Metallide korrosioon
  • Ainete lahustumine
  • Vee karedus
  • Lahuse protsendiline koostis

Animeeritud mudelite tööpõhimõtted vastavad ülalkirjeldatud õpitarkvara nõuetele ning nad sobivad õpilaste individuaalse töö korraldamiseks arvutiklassis. Kuigi mitmed õppevahendid haakuvad omavahel sisu poolest, näiteks „Ainete lahustumine“ ja „Lahuse protsendiline koostis“, ei ole kasutajal võimalik neid kombineerida ega esitada tervikliku töövahendina.

Siia gruppi paigutub veel ülalmainitud videokomplekt „100+ katset keemias“ (http://keemiavideod.ut.ee), mille vaatamise teeb meeldivaks eestikeelsete tekstide ja juhendite olemasolu. Tänapäevasel tasemel on ka videomaterjali kvaliteet.

Teise gruppi kuulub tarkvara, mis on rakenduste seisukohast universaalne ning võimaldab keemiaalaste tekstide, struktuurivalemite, molekuli mudelite ning katseseadmete skeemide koostamist. Seda tarkvara saab kasutada ka tõsisemate molekulaardisaini ülesannete lahendamiseks, nagu ainete spektrite ja füüsikaliste omaduste ennustamine. Viimastel aastatel on sellist tarkvara asutud levitama vabavarana, mis muudab selle kättesaadavaks igale õpetajale ja asjast huvitatud õpilasele. Seega on tegemist tõeliselt innovaatilise ja keemiaõpetajale vajaliku töövahendiga. Seda liiki tarkvara mõningad näited on järgmised:

  • MolWorks (BestSystems, Inc., Japan) – erinevad versioonid võimaldavad molekuli struktuurivalemi ja ruumilise struktuuri kujutamist, selle struktuuri optimeerimist ning isegi elementaarsete kvantkeemiliste arvutuste tegemist. Näiteks on selle abil võimalik kirjeldada laengute jaotust molekulis. Samuti saab selle tarkvara abil ennustada mitmeid aine omadusi. MolWorksi vabavara versioone saab alla laadida internetilehelt http://www.molworks.com/en/.
  • ChemSketch (Advanced Chemistry Development, Inc., Canada) – mitmed versioonid on saadaval vabavarana. See võimaldab joonistada molekuli struktuurivalemeid, neid struktuure optimeerida ning esitada ka ruumiliste kujunditena. Samuti kuuluvad selle vabavara koosseisu moodulid, mis võimaldavad arvutada molekulide tuumamagnetresonantsi spektreid ning hüdrofoobsuse parameetreid. Tarkvarale on lisatud andmebaas enam kasutatavatest struktuurifragmentidest ning ka keemiakatsete aparatuuri skeemide joonistamiseks vajalikest kujunditest (kolvid, jahutid, katseklaasid jne). Tarkvara allalaadimiseks on mitu võimalust, aga soovitav on kasutada ACD kodulehte: http://www.acdlabs.com/download/.

Mõlema soovitatud tarkvara töökeeleks on inglise keel, mistõttu on mõistlik tulevikus luua vastavad eestikeelsed juhendid. Sellest peaks piisama, et ka vähese inglise keele oskuse korral ja pärast mõningat harjutamist saaks seda tarkvara edukalt kasutada.

Lisaks nimetatutele on internetist võimalik leida veel teisigi tarkvaralahendusi ja vabavara, mida saab samuti kasutada molekulide ruumiliseks kujutamiseks, nende dünaamika uurimiseks ja muude spetsiifiliste ülesannete täitmiseks. Teatud valiku sellisest tarkvarast võib leida internetileheküljelt http://www.sciencegeek.net/Chemistry/chemware/chemware.shtml.

Arvestades selle tarkvara iseloomu ja kasutamise spetsiifikat, võib seda vaadelda ka keemiaõpetaja üldise arvutialase kirjaoskuse osana. Samas on tarkvara kasutusvaldkond selgelt keemiale suunatud ning see võiks olla keemiahariduse IKT üks alustaladest. Kindlasti ei maksa end lasta heidutada kirjeldatud võimaluste keerukusest, kui mainitakse lihtsamaid kvantkeemia arvutusi, spektrite arvutust ning molekuli struktuuri optimeerimist. Kõik need operatsioonid teostatakse automaatselt ning nende sisu ei ole selle tarkvaraga töötamisel vaja mõista. Samas on aga tervitatav, kui kasutajal on olemas keemiaalased põhiteadmised ning ta oskab lahti mõtestada molekulide ehitust kirjeldavaid fakte.

Samas tahan veel kord rõhutada, et tegemist on tõsiselt võetava keemikute töövahendiga, mis võimaldab keemiaõpetajal ette valmistada tunniks vajalikku materjali ning töölehti. Samas ei leia sellest tarkvarast kasutamiseks valmis materjale, samuti ei saa sellega vahetult seostada keemia õpetamise metoodilisi ega praktilisi aspekte.

Võimalike IKT vahendite kolmanda grupi moodustavad internetist leitavad ja valdavalt ingliskeelsed õppevahendid, milleks võivad olla animatsioonid, mudelid, videod ja muud multimeedia alla või juurde kuuluvad esitlusvormid. Nende hulgast võib õpetaja kindlasti leida ka valmis õppevahendeid, mis rikastavad keemiatundi, abistavad teda ennast ja on huvitavad õpilastele. Kuivõrd see materjal on võõrkeelne, eeldab nende õppevahendite otsing ja tunniks sobivasse formaati viimine suurt ja eriteadmisi nõudvat tööd. Siit võib järeldada, et seda teed suudavad minna ainult entusiastlikult meelestatud õpetajad, kellel on piisavalt kogemusi tööks arvutiga ning aega ja tahtmist seda tööd teha. See selgitab tagantjärele ka Inglismaal saadud kogemust, miks enamik õpetajaid eelistas õppetöös kasutada õpitarkvara terviklahendusi.

Mõned järeldused

Arvestades viimase aja arenguid oli keemiaalase õpitarkvara tõlkimine ja selle kasutuselevõtt Eesti koolides õige ja vajalik samm. Veelgi tähtsam on aga see, et nüüdseks on selle töö tulemusena paljudel keemiaõpetajatel olemas arvuti õppetöös kasutamise kogemus. Õpetajad on keemiaalasteks arvutitundideks koostanud õppevahendeid, metoodilisi materjale ning praktilisi soovitusi. Väga tähtis on seda tööd mitte ignoreerida ning leida sellest materjali hulgast vajalik. Seega saab väita, et arvuti kasutamiseks keemiatunnis on olemas head eeldused.

Tänu eestikeelse õpitarkvara olemasolule on olnud võimalik tõstatada küsimusi õpitarkvara kasutamise efektiivsusest ning Eesti koolides läbi viidud uurimistöödes seda ka hinnata. Võib märkida, et ülalnimetatud magistritöödes on selles osas saadud väga huvitavaid ja kohati intrigeerivaidki tulemusi. Kokkuvõtvalt on hinnangud igati arvuti kasutamist soosivad. Seda eriti siis, kui on vaja selgitada abstraktseid mõisteid ja nähtusi, mida ei saa vahetult meeltega tajuda. Keemias on selliseid teemasid palju ja eriti vastutusrikas on põhikooli tasemel mitmete alusmõistete selgitamine ning neist arusaamine. See on vajalik järgmiste keemiakursuste, aga veel üldisemalt tervikliku loodusteadusliku maailmapildi omandamiseks. Ülalnimetatud magistritööde oluline osa ongi pühendatud õpitarkvara rakendamise efektiivsuse analüüsile ning neis uuritud õpilaste hulk ulatub kuni kahe tuhandeni.

Samal ajal võib akadeemilist laadi analüüsi kõrval igast tööst leida ka teatud keemiakursuse õpetamiseks ja selle tulemuslikkuse kontrolliks loodud töövahendeid, mis põhinevad nimetatud õpitarkvaral ning on kasutatavad ka laiemalt. Seega soovitan asjast huvitatuil neid lahendusi ka oma õpetajatöös rakendada.

Lõpetuseks avaldan veendumust, et tulevikus on keemiatunnid kindlasti jaotatud keemiaklassi ja arvutiklassi vahel. Selleks on vaja eeskätt võimaldada koolidele ligipääs komplekssele õpitarkvarale, mille kasutamine ei tooks õpetajale kaasa lisakoormust ning tagaks õpilasele põneva ja köitva ainetunni. Nii peaks arenema õpilaste huvi loodusainete vastu. Samas suureneb aga veelgi õpetaja tähtsus, sest lisaks ainetunni läbiviimisele ning õpitu kontrollile peab ta olema üha enam iga õpilase individuaalseks nõustajaks ning suunajaks suhtlemisel arvutiga. Loodan, et käesolev kirjutis toetab uue õppekava elluviimist ning abistab ja julgustab keemiaõpetajat arvuti ja õpitarkvara toomisel keemiatundi.

Lisa 1.

IKT_keemia_1

Joonis 1

Õppevahendi „Aine olekud“ illustratsioon õpitarkvarast „Multimeedia õppevahendid loodusteadustes“. Aine sulamist illustreerivat virtuaalkatset (ülemised joonised) saab vaadata koos aineosakeste näitamisega. Parempoolsel paneelil märgitakse temperatuuri muutust katses. Õppevahend on interaktiivne ja katse temperatuuri saab muuta ka õpilane. Alumistel joonistel on vedeliku keemist ning auru kondensatsiooni kujutavate virtuaalkatsete kaadrid. Kõikides katsetes saab aineosakeste näitamise variandi välja lülitada. Katse illustreerib seda, kuidas aine agregaatoleku muutumisel muutub aineosakeste liikumine ning aine temperatuur.

Lisa 2

Tiina Õun (2010), Arvutipõhine õpe orgaanilise keemia teemade „Süsivesinikud“ ja „Süsiniku aatomite olekud molekulis“ õpetamisel õpiprogrammi „Orgaaniline keemia“ järgi, Tartu Ülikool, loodus- ja tehnoloogiateaduskond.

Ardi Kärberg (2008), Multimeedia õppevahendite kasutamine molekulide ruumilise struktuuri selgitamisel põhikooliõpilastele, Tartu Ülikool, loodus- ja tehnoloogiateaduskond.

Lilian Kippasto (2008), Õpilaste arusaamise kujunemine mõistest „aineosake“ ning selle teema esitamine õppekavas ja õpikutes, Tartu Ülikool, loodus- ja tehnoloogiateaduskond.

Ave Vitsut (2005), Teadmiste kujunemine struktuuriteooria põhiseisukohtadest keemias 4.–12. klassi õpilastel, Tartu Ülikool, füüsika-keemiateaduskond.

Marju Kirss (2005),9. ja 11. klassi õpilaste ettekujutus molekulide ruumilisest ehitusest ning selle mõjutamine arvuti molekulmudelite kasutamisega, Tartu Ülikool, füüsikakeemiateaduskond.

Maarika Avloi (2004), Aatomi ja molekuli mõistete kujunemine põhikooliõpilastel (vee näitel) ning multimeedia õppevahendite kasutamise võimalustest selle mõjutamisel, Tartu Ülikool, füüsika-keemiateaduskond.