2010
Aarne Tõldsepp, Tartu Ülikool
Miia Rannikmäe, Tartu Ülikool
Keemia kui õppeaine eripära põhikoolis, eeskätt aga 8. klassis, tuleneb peamiselt sellest, et keemia süsteemne ja süstemaatiline õpetamine omaette õppeainena algab 8. klassist ning kahe õppeaasta jooksul peavad õpilased saama põhihariduse tasemel keemiaalase kirjaoskuse koos kõigi selle rahvusvaheliselt aktsepteeritud tunnustega. Lühidalt öeldes peavad õpilased omandama sellise eluks toimetuleku, kus keemiateadmistest ja -oskustest ning sellekohastest väärtushinnangutest piisab õigete valikute tegemiseks nii edasiste õpingute osas kui ka pikemaajaliste tulevikusoovide kavandamiseks. Keemia õpetamisele põhikoolis lisab uusi võimalusi keemiateadmiste ja -oskuste suurenenud osakaal eelnevates loodusõpetuse klassikursustes, millega tuleb kahtlemata arvestada, õppimise raames saadud kogemused oskuslikult ära kasutada ja kujundada need ühtseks terviklikuks arusaamaks keemiast kui ühest loodusteadusest, mis kuulub kogu inimkultuuri raamidesse. Õpilased peavad omandama eelkõige keemia kui teaduse keele alustõed sümbolite, valemite ja reaktsioonivõrrandite näol ning keemia terminoloogia ja nomenklatuuri alused põhikoolis käsitletavate aineklasside tasandil. Süvendamist ja edasiarendamist nõuavad ka loodusteadusliku meetodi kohta saadud teadmised, alustades füüsikaliste ja keemiliste uurimismeetodite eristamisest. Esmatutvus tuleb teha keemiatööstuse ja -tehnoloogia küsimustega, püüdes kõigepealt rõhutada tehnoloogiliste lahenduste rolli keemia põhitõdede elluviimisel teaduspõhise tootmise tingimustes. Põhikoolis saab seda küll kõige põhjalikumalt teha üldiselt vaid metallurgia näitel, selgitades rauasulamite tootmist. Õhu kui väärtusliku toorme näitel saab selgitada ka hapniku, lämmastiku ja väärisgaaside eraldamist fraktsioneeriva destilleerimise teel. Esmatutvuse raamidesse peaksid jääma põhikoolis ka esimesed keemiaarvutused, mille põhieesmärgiks ei saa olla niivõrd arvukate eritüübiliste ülesannete lahendamine, kuivõrd kindlate kvantitatiivsete seoste avamine nii üksikute keemiliste elementide vahel ühendites kui ka reageerivate ainete ja reaktsioonisaaduste vahel reaktsioonivõrrandites. Kui kõik loetletud küsimused ainevaldkonna ja üldpädevuste konteksti üle kanda, siis on ilmne, et keemia õppeainena annab juba põhikoolis mitmekülgse panuse isiksuse kujunemise ja kujundamise protsessi. Keemiaalast kirjaoskust tuleb vaadelda kui ühte osa isiksuse omadustest, ainult et keemia kontekstis. Et kõigi pädevuste kujundamine toimub põhikooli uue õppekava sätete kohaselt õpetaja pideva juhtiva ning suunava tegevuse kaudu kujundava hindamise vormis, siis tuleb ka keemia õpetamise paradigmat põhikoolis käsitleda õppimiskeskse õpetusena. See seisukoht mahub suurepäraselt veelgi üldisema metodoloogilise paradigma – keemiateadmised ja -oskused hariduse kaudu – raamidesse, kus võtmesõnaks ei ole mitte keemia, vaid haridus (Holbrook, J., Rannikmäe, M., 2007). Kõigi haridust tagavate õppeviiside, -meetodite ja -vahendite kaudu anname õpilastele ka õpitulemustega määratud pädevused. Sellest üldisest seisukohast lähtuvalt käesolev artikkel koostatud ongi.
Ehkki peatselt kehtima hakkav üldhariduse paradigma käsitleb õpetamist õppimiskeskse tegevusena ehk, globaalsemalt öeldes, aineteadmisi, -oskusi ja väärtushinnanguid kujundatakse hariduse kaudu, ei saa me kuidagi jätta kahe silma vahele õpetatava aine – antud juhul keemia sisemist struktuuri ning kehtivaid paradigmasid. Samuti ei saa ignoreerida neid muutusi, mis on aset leidnud keemia kui teaduse uurimissuundades, tehnoloogiates ja uurimismeetodites. Vastasel juhul ei teki õpilastel kunagi õiget ettekujutust keemiast kui dünaamiliselt ja mõneti ka vastuoluliselt arenevast inimkultuuri osast. Kõrvuti klassikaliste metodoloogiliste kolmnurkadega koostis-ehitus-omadused ja teadus-tehnoloogia-tööstus tuleb arvestada ka keemia kui õppeaine õpetamise eripäraga. See avaldub eeskätt tasandites, millel me üht või teist ainet või keemilist protsessi käsitleme (vt joonis 1).
Joonis 1. Ainete ja keemiliste reaktsioonide õpetamise tasandid.
Mõnes mõttes lihtsam on makrotasand, sest kõik sellel toimuv on meeleorganitega vahetult tajutav ning eeldab vaid õigeid vaatlusoskusi, -vilumusi ja kogemusi. Et kõik seletused jäävad aineosakeste ning nende vastastiktoimete tasandile, on teoreetiliste teadmiste ja arusaamade kujundamisel kesksel kohal mikrotasand. Keemiakeele kui üheselt mõistetava teaduskeele kasutamine viib meil formaalsete tegevuste tasandile, nähtuste põhjuslike seoste leidmisel on aga võtmesõnaks energia. Tõeliseks proovikiviks nii õpetajatele kui ka õpilastele saavad nii tasandisisesed kui ka tasandivahelised üleminekud. Näiteks suudab õpilane suurema vaevata kokku panna mingi orgaanilise aine molekuli mudeli, ent selle valemi kirjutamine osutub õpilasele ootamatult raskeks ülesandeks. Veelgi tõsisem katsumus on mudeli ja valemi järgi aine omaduste ennustamine, mis toodud mudeli puhul tähendab üleminekut formaalselt tasandilt makrotasandile.
Kui rääkida põhikooli keemia nüüdisajastamisest, siis käsitletakse siin rohkesti küsimusi, millele tänapäeva tehnoloogia on andnud uue tähenduse. Näiteks pihussüsteemide puhul ei saa enam rääkida ainult majoneesist, kätekreemist, deodorantidest jne. Kserogeelide rakendamise tehnoloogia on loonud rohkesti uusi võimalusi kas või näiteks kogu eluks mõeldud isereguleeruvate prillide näol. Kõik tänapäeval kasutatavad ehitussegud on suspensioonid, mille omadusi reguleeritakse keemia seaduspärasuste järgi. Tänapäeva keemilistes vooluallikates kasutatakse väga erinevate metallide tahkoksiide nii liht- kui liitoksiididena, mille mainimine aitab kindlasti väärtustada oksiidide teema õppimist argiste süsinikdioksiidi, vingugaasi ja väävlioksiidide kõrval. Nanosüsteemide ja nanotehnoloogia võidukäik eeldab suuremat tähelepanu aatomi omadustele – mõõtmed, mass, aatomitevahelised sidemed.
Põhilised õpitegevused, mis keemia õpetamisel põhikoolis tuleb kujundada, on vaatlus, võrdlus ja analüüs. Vaatlusoskusest koos laboritöö peamiste töövõtete oskusliku sooritamisega sõltub see, kui täpselt ja täielikult suudavad õpilased registreerida ainete omadusi ja keemilise reaktsiooni väliseid tunnuseid. Üheks tüüpilisemaks veaks aine omaduste kirjeldamisel on see, et õpilased fikseerivad vaid need aine välised tunnused, mis osutuvad närvisüsteemile kõige tugevamateks ärritajateks. Nii nimetatakse vaskvitrioli peamise omadusena selle sinist värvust, märkimata, et tegemist on tahke kristallainega. Ammoniaagi puhul jääb meelde eeskätt selle terav, omapärane lõhn, mitte aga asjaolu, et tegemist on värvusetu gaasiga. Tüüpiline väärarusaam on seotud värvuse muutusega, kui värviline lahus valastub. Värvilise lahuse valastumist (näiteks kaaliumpermanganaadilahus), kui sellele lisatakse värvusetut lahust, märkavad kõik. Vastupidiselt näidatud katse puhul täheldavad värvuse kadumist ainult vähesed. Sellepärast tuleb aine olekute ja värvuste kirjeldamisel pöörata erilist tähelepanu vaatluse täpsusele. Ei tohi unustada kujundamast arusaama värvusetust ainest, eristamaks seda teist värvi, eeskätt valge värvusega ainest (Tõldsepp, A., Toots, V., 2003).
Joonis 2. Aine füüsikaliste omaduste käsitlemise skeem.
Visuaalselt saab otsustada ainult aine oleku ja värvuse üle. Seejuures, kas näitkatsetele ja/või õpilaste eelnevale kogemusele tuginedes saab kujundada arusaama vedelike erinevast viskoossusest – raske, õlitaoline, kergliikuv vedelik. Ülejäänud füüsikaliste omaduste määramine-mõõtmine eeldab aga juba katseid, kas näit- või õpilaskatsetena. Tahkiste tiheduse määramist käsitletakse juba 7. klassi loodusõpetuse kursuses (Pärtel, E., 2010). Vedelike tiheduse määramine areomeetriga jääb aga keemiaõpetaja ülesandeks. Vedelike tihedust uurides saab neid ühtlasi liigitada kergeteks ja rasketeks vedelikeks (orgaanilised lahustid, kontsentreeritud mineraalhapped). Lahuste korral on tiheduse määramisel sisuline tähendus vaid siis, kui see seostatakse lahuse protsendilise koostisega. Elektri- ja soojusjuhtivust saab 8. klassis käsitleda vaid võrdlevalt. Kõige paremini saavad õpilased ainete erinevast soojusjuhtivusest ülevaate oma taktiilse kogemuse kaudu hõbe- või alumiiniumlusika ja puu- või plastlusika üheaegsel asetamisel kuuma vette. Sama kogemuse annab ka erinevast metallist plaadikeste ühe otsa samaaegne hoidmine piirituslambi leegis. Sulamis- ja keemistemperatuuri katselisele määramisele peab kindlasti eelnema selge arusaam sulamisest ja keemisest kui aine olekute muutumisest ning temperatuurimuutustest aine üleminekul ühest olekust teise. Samuti eeldab sulamis- ja keemistemperatuuri määramine vajalike vahendite olemasolu, katsetehnikat ja metoodikat.
Õpitulemuste loetelud ainekavas algavad selliste tegusõnadega nagu „arutleb“, „tunneb“, „mõistab“, „analüüsib“, „eristab“, „hindab“ jne. Suurel osal nendest kognitiivsetest tegevustest on oma kindel struktuur, mida tundmata neid tegevusi õigesti sooritada ei saa ning õpilased tavaliselt ei sooritagi. Tähtis on antud juhul see, et nende tegevustega avatakse ka tegevuse enda struktuur ja algoritm, mis kuuluvad orgaaniliselt õpioskuste kui üldpädevuste kujundamise raamidesse. Ühe põhitegevusena algab kõik selles vanuseastmes analüüsist. Iga keemiaõpetaja teab, et enne labori- või praktilise töö juurde asumist uurivad õpilased vägagi tähelepanelikult, millised ained, millises olekus ja millise värvusega, millised nõud ja millised vahendid on töölaudadele välja pandud või välja jagatud. Öeldu ei kehti ainult psühhomotoorse, vaid ka kognitiivse tegevuse kohta. Seega soov analüüsida on õpilase loomusest johtuv tegevus, mida tuleb õppematerjali iga konkreetse struktuurielemendi omandamisel täpsustada ja edasi arendada.
Joonis 3. Analüüsiva-sünteesiva mõtlemise üldine struktuur
Väga tihti kasutatakse ainete ja keemiliste protsesside käsitlemisel õpitegevusena võrdlemist, millel põhineb ainete ja keemiliste protsesside identifitseerimine ning üksikmõistete kujundamine. Võrdlemine algab (vt joonis 4) võrreldavate tunnuste fikseerimisest, mis leitakse keemia kui teaduse eripärast lähtudes: aine koostis – aine ehitus – aine omadused – bioloogiline tähtsus – leidumine looduses – saamine – kasutamine.
Joonis 4. Ainete ja keemiliste protsesside võrdlemise struktuur.
Võrdlemise tõhusus oleneb sellest, kui täpselt ja täielikult on välja toodud võrreldavad tunnused, ja sellest, millises järjestuses neid esitatakse. Mida rohkem on võrreldavaid tunnuseid, seda täielikum on võrdlus. Õpetuslikult on tervitatav, kui võrdlemiseks tuleb kasutada (kasutatakse) käsiraamatuid ning teabekirjandust. Võrdlemine kui üks kindel kognitiivse tegevuse liik sobib eriti allotroopide koostise, ehituse ja omaduste tundmaõppimiseks. Põhikoolis kuuluvad selliste küsimuste hulka hapniku ja süsiniku allotroobid – di- ja trihapnik ehk osoon ning süsiniku allotroobid teemant, grafiit ja fullereenid. Arusaam aine koostise ja ehituse mõjust aine omadustele kujuneb samuti võrdlemise teel. Nii saab selgeks, miks süsinikoksiid ja -dioksiid või vääveldi- ja -trioksiid on oma omadustelt nõnda erinevad ained.
Õpitulemustega, mis algavad tegusõnaga „eristab“, seondub eeskätt mõistetevaheliste seoste loomine. Kahjuks ei täpsustata ainekavas selliste õpitulemuste puhul, kas mõisteid tuleb eristada kui soo- ja liigimõisteid, kui alluvussuhetes olevaid mõisteid või kui ühele ja samale üldistamistasemele kuuluvaid mõisteid. Konkreetseid aineid ja keemilisi reaktsioone võib liigitada rühmadesse või aineklassidesse üksikmõiste ja klassimõiste alluvussuhete alusel või siis eristada ühel ja samal üldistustasemel olevaid mõisteid, nagu liht- ja liitained, oksiidid, happed, alused, soolad jne.
Joonis 5. Keemiamõistete üldistamise etapid (Tõldsepp, A., 1982.)
Üksikmõiste peegeldab mingi üksiku aine või keemilise reaktsiooni kõiki olulisi tunnuseid ning selle mahtu kuulub ainult üks element: üks konkreetne aine või üks konkreetne keemiline reaktsioon. Hoolimata sellest, et tegemist on üksikmõistega, leiab siingi aset teatud abstraheerumine konkreetsest objektist. Üksikmõiste „vesinikkloriidhape“ all ei mõisteta ju ainult seda hapet, mis käesoleval hetkel antud kooli keemiakabinetis kolvis on, vaid vesinikkloriidhapet kui üht hapete esindajat üldse. Klassimõisted väljendavad teatud ainete või nähtuste klassile ühiseid olulisi tunnuseid. Viimaste hulka kuuluvad sellised mõisted nagu „eksoja endotermiline reaktsioon“, „anorgaaniliste ainete põhiklassid“, „pihuste üksikud liigid“, „küllastunud ja küllastumata süsivesinikud“ jne. Keemiamõistete edasise üldistamise tulemusena jõuame välja keemia üldmõisteteni, nagu „keemiline element“, „liht- ja liitaine“, „keemiline reaktsioon“ jne. Aste kõrgemal paiknevad mõistete hierarhiaredelil kõigile loodusteadustele ühised mõisted, nagu „aatom“, „molekul“, „ioon“, „mineraal“, „lahus“ jne. Üldteaduslike mõistete hulka kuuluvad aga sellised mõisted nagu „koostis“, „struktuur“, „süsteem“, „protsess“ jne. Mõistete üldistamine lõpeb väga laiade üldteaduslike mõistetega, mida nimetatakse kategooriateks. Nii ühendab kõiki aineosakesi fundamentaalmõiste „mass“, sest kõigil neil on olemas seisumass. Kategooria „aeg“ iseloomustab jällegi kõiki protsesse, sest nende kiirust mõõdetakse kindlates ajaühikutes. Nii ainekavades kui ka õpikutes kohtame sageli väljendeid „tähtsamad mõisted“, „põhimõisted“, „tähtsamad happed“ jne. Nendel juhtudel ei ole lähtutud mitte mõistete tegelikest alluvussuhetest, vaid autori (autorite) või ainekava koostajate väärtushoiakutest ja -hinnangutest. Happed võivad olla tähtsad keemiatööstusele, nagu seda on mitmed mineraalhapped, ja väetistetööstusele; happeid võib tähtsustada nende tugevuse järgi, samuti füsioloogilise toime järgi. Nii mõnigi hape võib olla puhtindividuaalse tähtsusega, näiteks inimese harrastuste seisukohalt. Siit koorub omakorda välja vajadus kasvatusteadusliku mõiste „relevantsus“ järele, mille järgi aineid ja keemilisi protsesse väärtustatakse mingi sisemise vajaduse või kindla otstarbe põhjal. Ühe või teise aine ja keemilise reaktsiooni tähtsus ei seostu otseselt nende loogilise struktuuriga, ehkki ühe või teise mõiste relevantsuse üle võib otsustada ka mõiste mahu järgi. Mõiste „vedel metall“ on siiski vaid üksikmõiste, kuna selle alla mahub vaid üks metall – elavhõbe.
Mõiste sisu avatakse selle oluliste tunnuste kaudu mõiste määratluse ehk definitsioonina. Seejuures sõltub oluliste tunnuste loetelu sellest, millise sügavusega, st millisel teoreetilisel tasandil või millisest paradigmast johtuvalt mõistet käsitletakse. Siinkohal kehtib mõiste sisu ja mahu pöördsuhte seadus, mille kohaselt oluliste tunnuste lisandumine mõiste sisu avamisel kahandab tunduvalt nende mahtu. Jagades näiteks happed hapnikusisalduse järgi kahte rühma, hapnik- ja hapnikuta happed, oleme ühe tunnuse lisamisega vähendanud märkimisväärselt nende mõlema mõiste mahtu. Probleem on aga praegu selles, et kogu Eesti Vabariigi taasiseseisvumise järgsel ajal ei ole keemia ainekavades täpsustatud, milliseid küsimusi millisel teoreetilisel tasemel tuleb käsitleda ja järelikult ka omandada. Jättes määratlemata konkreetse teooria või paradigma, mille raames antud ainelõiku käsitletakse, jääb lahtiseks nii käsitletavate mõistete sisu ja maht kui ka mõiste määratlus ehk definitsioon. Mõisteid „hape“, „alus“ ja „sool“ saab määratleda mitmeti, sõltuvalt sellest, millistest teoreetilistest seisukohtadest lähtutakse. Klassikalisest atomistikast lähtudes on nende määratlus üks, elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooriast teine, hapete-aluste protolüütilisest teooriast johtuvalt kolmas jne. Paraku on vähemalt ainekavas kõik need mõisted segi. Happeid liigitatakse ühes ja samas alalõigus nii hapnikusisalduse kui ka loovutatavate prootonite arvu järgi. Eeltoodust peaks olema selge, et sellised liigitused põhinevad erinevatel teoreetilistel seisukohtadel. Pealegi tekib siin kohe ka jäme loogikaviga, sest protolüütilise teooria seisukohalt on hape ja alus korrelatiivsed mõisted, mida tuleb käsitleda koos. Praeguses ainekavas määratletakse nimetatud teooria kohaselt aluse mõiste alles amiinide käsitlemisel, mis raskendab hapete-aluste olemuse mõistmist prootonite loovutamise ja sidumise ühtsuse põhimõttest lähtudes. Mõistete käsitlemise sügavusest lähtudes osutub veelgi problemaatilisemaks olukord siis, kui õpitulemusena peavad õpilased eristama kovalentset ja ioonilist sidet. On selge, et põhikoolis neid tänapäeva seisukohalt – sideme küllastatus, suunalisus ja kordsus – eristada pole võimalik. Ainsaks mõistlikuks võimaluseks on seda teha Lewise-Kosseli saja-aastase elektronteooria järgi, võttes aluseks aatomi väliselektronkihi ehituse ja oktetireegli.
Kui rääkida õppeaine mahu ja seega ka õpilaste koormuse vähendamisest eeskätt aktiivmälu mahu vähendamise kaudu, siis tuleb seda teha esmajoones käsitletavate üksikmõistete arvu optimeerimise teel. Mingit mõtet ei ole lasta õpilastel pähe õppida ainekavas toodud ridadepikkuseid keemiliste elementide sümbolite või hapete valemite loetelusid. Seevastu tuleb õpilasi õpetada töötama keemiliste elementide perioodilisustabeli ja hapete, aluste ning soolade lahustuvustabeliga. Täielikust lahustuvustabelist leiavad õpilased ka vesinikiooni ning, tundes valemite koostamise põhimõtteid, saavad nad ise kõigi vajalike hapete valemeid ise tuletada. Muidugi saab õppeaine mahtu vähendada ka klassimõistete, anorgaaniliste ja orgaaniliste ainete põhiklasside arvu optimeerimise teel. Põhikoolis on praegu nende valik optimumilähedane, täiustamist vajab aga kindlasti orgaaniliste ainete klasside loetelu. Klassimõiste alla kuuluvad ka mitmesugused keemiliste reaktsioonide tüübid. Õpetajatel, esmajoones aga õppematerjalide koostajatel, tuleb põhjalikult kaaluda, kas liht- ja liitainete põlemisreaktsioonide, neutraliseerimisreaktsioonide ja metalli ning lahjendatud happe vaheliste reaktsioonide kõrval on ikka põhikoolis tarvis käsitleda veel teisigi reaktsioonitüüpe. Happesademete tekke seletamiseks võib ju kasutada paari tüüpilisemat näidet, kuid laiendada seda kõikidele mittemetallidele, veelgi enam aga kõikidele happelistele oksiididele üldse, oleks põhikoolis liiast. Vähendades eeskätt üksik- ja klassimõistete arvu ainete ja keemiliste reaktsioonide kontekstis, tuleb enam tähelepanu pöörata keemia ja üldse loodusteaduste üldmõistete õpetamisele, et õpilased suudaksid nende abil orienteeruda lausa astronoomiliseks kasvanud ainete ja keemiliste reaktsioonide maailmas.
Kui rääkida viimase aja kasvatusteaduslike uurimuste suundadest, siis üsna palju pööratakse tähelepanu õpilaste väärarusaamade väljaselgitamisele ning nende tekkepõhjuste uurimisele. Iga mõiste ise on kui mõttetegevuse „ühik“ – mõtlemise vorm peegeldab esemeid ja nähtusi nende olulistes tunnustes vastavalt teoreetilise tasandi sügavusele, mille alusel need olulised tunnused välja tuuakse. Keemiamõistetes väljenduvad seega ainete ja keemiliste protsesside üldised olulised tunnused, nende seosed teiste ainete ja protsessidega ning päritolu ja areng. Tegelikkuse peegeldamise vormide arengu seisukohalt on „mõistele“ väga lähedane termin ka „kujutlus“, kuid see erineb „mõistest“ siiski kvalitatiivselt. Kujutlus on individuaalne, seda mõjutavad nii õplase varasem kogemus kui ka kujutlusvõime. Seega ei pruugi ega peagi õpilase kujutlused ainetest ja keemilistest protsessidest täielikult ühtima mõistetega nendest ainetest ja/või keemilistest protsessidest. Arvestada tuleb veel sellega, et mõiste peegeldab ka ainete ja keemiliste protsesside selliseid tunnuseid ja seoseid, mis on meeleorganitele vahetult tajumatud. Õpetaja esmane ülesanne on suunata õpilasi, et nad suudaksid kujutluste tasandilt tõusta mõistete tasandile, ehkki ka kujutluste osa õppimisel ei tohi alahinnata. Sellega seostub ju eeskätt õpilaste loominguline mõtlemine. Kujundamaks mõisteid, peab väga hoolikalt lähtuma sellest teoreetilisest tasandist või paradigmast, mille alusel mõiste on määratletud. Väärarusaamade üheks põhjuseks võib paraku ollagi see, et õpilane käsitleb mõistet ühel teoreetilisel tasandil, õpetaja ootaks aga seda temalt hoopis teisel teoreetilisel tasandil. Väärarusaamade tekkimise oht seisneb veel ka selles, et erinevad loodusained käsitlevad ühtesid ja samu mõisteid erinevatest lähtekohtadest johtuvalt. Järelikult, selleks et toetada kujundavat hindamist, mis peaks viima ettenähtud õpitulemuste saavutamiseni, peab õpetaja iga õpilase puhul suutma eristada nende kujutlusi omandatud mõistetest ning nendest väärarusaamadest.
Keemia kui teaduse keele süsteemne ja süstemaatiline käsitlemine algab ikka kaheksandast klassist, kuigi mõningate keemiliste elementide sümboleid ja ainete valemeid on kasutatud juba varem loodusõpetuse kursustes. Sellest hoolimata ei tea õpilased, miks vee valem on H2O või hapniku valem O2. Samuti ei tea õpilased, miks ja kuidas on antud keemilistele elementidele just sellised sümbolid, nagu nähtub perioodilisustabelist, mida need sümbolid tähendavad, kuidas koostatakse ainete valemeid jne. Keemiakeele nagu iga teise keele õpetamine algab tähestikust, keemia puhul sümbolitest. Seadmata õppetöö põhieesmärgiks teatud kindla arvu keemiliste elementide sümbolite päheõppimist, peaks iga õpetaja hoopis enam tähelepanu pöörama õpilaste motiveerimisele õppida selgeks keemiakeel kui rahvusvaheline teaduskeel. Lihtsaima metoodilise võttena võib siinkohal soovitada erinevates keeltes keemiaalaste tekstide tutvustamist, näitamaks, et rahvuskeelte eripärast sõltumata on keemiliste elementide sümbolid kõigile arusaadavad.
Joonis 6. Keemia kui teaduskeele õpetamise üldine skeem.
Keemiakeelel nii nagu igal keelel on oma süntaktiline, pragmaatiline ja semantiline külg. Vastavaid reegleid ja algoritme mõistmata ei ole võimalik õigesti koostada valemeid ega kirjutada reaktsioonivõrrandeid. Ent igal sümbolil, valemil ja reaktsioonivõrrandil peab olema õpilase seisukohalt ka kindel tähendus ja rakendus. Ühelt poolt tähendab keemiakeele mõistmine kommunikatsioonioskuste avardumist, teiselt poolt aga võimalust vaadeldud aineid ja protsesse kirjeldada üheselt ja üldmõistetavalt esitatud viisil. Nagu senised uurimused näitavad, osutub keemia õpetamisel kõige keerulisemaks ülesandeks just seoste loomine reaalsete ainete ja keemiliste reaktsioonide ning nende mudelite vahel mis tahes formaliseerimise astmel. Sellepärast tuleks juba keemiakeele tähestiku, s.o sümbolite õpetamisel luua seosed sümboli, ladinakeelse nimetuse, nimetuse päritolu ja antud keemilisest elemendist moodustunud lihtaine vahel. Kui selgitada, et elavhõbeda ladinakeelne nimetus tuleneb kreeka keelest ja tähendab vedelat hõbedat, ja ühtlasi näidata elevhõbedat, siis on õpilastel kergem ka selle sümbolit konkreetse ainega seostada. Kui broomi sümboli puhul näidata ampulli vedela broomiga, saab kindlasti arusaadavamaks selle nimetuse päritolu, mis kreeka keeles tähendab midagi haisevat või lehkavat. Joodiaurude eraldumine on samuti kinnituseks joodi nimetusele, mis tähendab kreeka keeles tumevioletset. Õpilasi huvitavad ka teadlaste, riikide ja linnade järgi keemilistele elementidele antud nimetused ja vastavatest ladinakeelsetest nimetustest tuletatud sümbolid.
Reaalsusele vastava ettekujutuse teaduspõhise tootmise ja majandamise alustest tagab õpilastele kahtlemata tutvumine keemiatehnoloogia ja -tööstuse küsimustega. Põhikoolis saab seda kõige põhjalikumalt teha mustmetallurgia näitel. Et rauasulamite malmi ja terase tootmine moodustab maailma iga-aastasest metallurgiatööstuse toodangust lõviosa, on selle küsimuse mõnevõrra põhjalikum käsitlemine põhikoolis igati õigustatud. Keemiatööstuse eripära võrreldes teiste tööstusharudega seisneb selles, et lähtematerjal (toore) muudetakse tööstustoodanguks keemiliste protsesside teel. Muidugi kasutatakse keemilisi protsesse ka teistes tööstusharudes, nagu toiduainete-, energeetika- ja aparaaditööstuses, ent nendes tootmisvaldkondades on keemilistel protsessidel peamiselt abistav funktsioon. Juba rauasulamite tootmise käsitlemisel tahaks soovitada õpetajatel kasutada tööstusega seotud küsimuste õpetamise üldist skeemi, mis iseloomustab tööstuslikku tootmist kui sellist (vt joonis 7).
Joonis 7. Keemiatööstusega seotud mõistete süsteem.
Ükskõik millise klassikursuse ja millise tööstusliku tootmise protsessiga on tegemist, õpilastele tuleb kõigepealt katseklaasitasandil selgeks teha selle keemilise protsessi olemus. Metallurgiaküsimuste käsitlemisel saab seda üsna veenvalt teha metallioksiide katseklaasis söega kuumutades. Veel kümmekond aastat tagasi olid Põhja- ja Lääne-Euroopa koolides väga populaarsed projektid, mille raames püstitati raua sulatusahi kooliõuele. See näitab, kui kõrgelt väärtustati kõige levinuma metallurgiaharu tutvustamist õpilastele.
Nii nagu ilma keemiakatseteta ei saa keemiat õpetada ega õppida, nii ei saa seda teha ka ilma keemiaarvutusteta. Kui vaadelda arvutusülesannete sisu ja mahtu keemia ainekavades riikide lõikes, siis näeme äärmiselt kirjut pilti. Kvantitatiivsete seoste nägemine aine koostise ning reageerivate ainete hulkade vahel ja nende asetamine õigetesse vahekordadesse on matemaatika eesmärk ja ka võlu, nagu kirjutab matemaatikadoktor T. Kiho 3. septembril 2010 Postimehes. Meie ainekavas on rõhuasetus ilmselgelt kallutatud erinevat tüüpi arvutusülesannete lahendamise suunas, kusjuures sinna juurde püütakse pakkuda rohkesti lisatingimusi: lahuste tihedus, lähteainetena erineva kontsentratsiooniga lahused, lisandeid sisaldavad ained jne. On selge, et tegelikkuses ei esine ideaalseid olukordi (kõik ained on puhtad, reaktsioonidel kadusid ei ole, kõik ained reageerivad omavahel täielikult) ja reaalsusele vastavate tulemusteni jõudmiseks tuleb ka lähtuda reaalsetest olukordadest. Põhikooli esmaseks ülesandeks jäägu siiski kõige tähtsamate kvantitatiivsete seoste õpetamine, mis ainetes ja ainete vahel keemilistes protsessides esinevad.
Uudne on, et keemia kvantitatiivse külje õpetamist alustatakse valemimassi arvutamisest (kui lahuste protsendilise koostise arvutamine välja arvata). See on kahtlemata teaduslikult korrektsem kui rääkida molekulmassist, sest kõik ained ju molekulidest ei koosnegi ja paljud, mis koosnevad, esinevad molekulidena siiski vaid gaasina. Kuid selleks, et valemimass saaks kindla sisulise tähenduse, oleks mõistlik see kohe siduda ka mooli mõistega. Valemimassi arvulise väärtusega võrdne mass on vaid Avogadro arvuga võrdsel aineosakeste hulgal – moolil. Järelikult võib sellise aineosakeste arvu massi nimetada molaarmassiks. Kvantitatiivsed seosed aine hulga ning aine massi, ruumala, aineosakeste arvu ja soovi korral ka molaarse kontsentratsiooni vahel jäägu, nagu ainekavagi eeldab, üheksandasse klassi.
Joonis 8. Kvalitatiivsed seosed aine hulga ning aine massi, ruumala, aineosakeste arvu ja kontsentratsiooni vahel (Tõldsepp, A., Toots, V., 2001).
Põhikooli ainekava õpitulemustes nähakse ette, et õpilane oskab analüüsida keemilise reaktsiooni võrrandis sisalduvat kvalitatiivset ja kvantitatiivset teavet ning lahendada reaktsioonivõrranditel põhinevaid arvutusülesandeid, lähtudes reaktsioonivõrrandite stöhhiomeetriast. See tähendab, et lähtutakse reaktsioonis osalevate ainete moolsuhetest (moolide arvust), mis väljendub õigesti leitud kordajates. Samuti oodatakse õpilastelt ümberarvutuste oskust aine hulgalt aine massile ning ruumalale (gaasiliste ainete korral) ja vastupidi. Nende õpitulemuste saavutamiseks on soovitav seda teha etappide kaupa, mille sisu tuleks koondada nelja järgmisse reeglisse.
Reegel 1. Kordajad reaktsioonivõrrandites näitavad aine hulkade suhteid, mis antud reaktsiooni korral on jääv suurus.
Reegel 2. Aine hulkadelt on võimalik alati üle minna massile ja gaasiliste ainete puhul ruumalale, sest m = n · M ja V = n · Vm ehk V = n · 22,4.
Reegel 3. Reaktsioonivõrrandi kohale kirjutatakse ülesande tingimustest tulenevad andmed – mis on antud, mis on otsitav. Reaktsioonivõrrandi alla kirjutatakse alati need andmed, mis tulenevad reaktsioonivõrrandist. Pea meeles, et ühe aine puhul kirjutatakse nii üles kui alla sama füüsikaline suurus – kas hulk, mass või ruumala.
Reegel 4. Kontrolli, et ühikud oleksid samas dimensioonis: mol-g-dm3(l); kmol-kg-m3.
Kõigi reaktsioonivõrranditel põhinevate keemiaarvutuste matemaatiliseks sisuks on võrdeline sõltuvus kõigi reaktsioonis osalevate ainete hulkade, masside ja ruumalade (gaasiliste ainete korral) vahel, mis tuleneb otseselt reaktsioonivõrrandi stöhhiomeetriast. Paljude riikide didaktikaasjatundjad soovitavad siinkohal näidata reageerivate ainete koguste omavahelist võrdelist sõltuvust graafiliselt. Ühe lihtsaima keemilise reaktsiooni – söe põlemine hapnikus – reaktsioonivõrrandi stöhhiomeetria alusel võime väita, et ühe mooli söe põlemisel tekib üks mool või 44 grammi või 22,4 liitrit (dm3) süsinikdioksiidi
Kui veel midagi juhtunud pole, on meil kõik suurused nullid, mis vastab koordinaattelgede nullpunktile. Kandes ühele teljele näiteks süsiniku moolide arvud, teisele aga tekkinud süsinikdioksiidi ruumala liitrites (dm3), saame reaktsioonivõrrandist lähtudes tõmmata läbi kahe punkti sirge, mis iseloomustab põletatud süsiniku ja tekkinud süsinikdioksiidi vahelist võrdelist sõltuvust kõikidel juhtudel. Arvestada tuleb sellega, et antud seos kehtib ainult ideaaljuhul, see tähendab siis, kui ained on puhtad ja reaktsioonil kadusid ei esine.
Joonis 9. Põletatud süsiniku hulga ja tekkinud süsinikdioksiidi ruumala vaheline võrdeline sõltuvus.
Põletatud süsinikuhulga ja tekkinud süsinikdioksiidi ruumala vahelist võrdelist sõltuvust võib esitada ka tabelina.
Võrdelisest sõltuvusest sisulise arusaamise kujundamiseks võib siinkohal kasutada argiseid arvutusi. Kui üks hamburger maksab 1,5 eurot, siis 2 hamburgerit maksab juba 3 eurot.
Stöhhiomeetria kui kvantitatiivsete suhete peegeldus ning seega ka võrdeline sõltuvus kehtib samuti kõigi püsiva koostisega ühendite daltoniidide koostiselementide hulkade ja masside vahel. Näiteks, vesiniku ja hapniku suhe 2:1 vee molekulis jääb kehtima iga suvalise vee hulga ja massi korral.
Keemia arvutusülesannete lahendamine on üks tõsiselt võetavamaid õppeainete lõimumise kohti keemia õpetamisel. Siin seostuvad keemiaga nii matemaatika (protsendi mõiste, suurustevaheline võrdeline sõltuvus), füüsika (füüsikaliste suuruste tähistamine, ühikud), geograafia (merevee soolsus), ühiskonna- ja majandusõpetus (saagis), tööõpetus (vajaliku kontsentratsiooniga lahuste valmistamine) kui teisedki õppeained. Keemiaõpetajale tähendab see head koostööd teiste ainete õpetajatega. Näiteks õpetavad matemaatikaõpetajad protsendi mõistet kolmel erineval viisil, mistõttu tuleb keemiaõpetajal kindlasti tutvuda sellega, kuidas õpilased matemaatikatundides protsendi mõistet kasutavad.
Kirjandus:
Holbrook, J., Rannikmäe, M. (2007), Nature of Science Education for Enhancing Scientific Literacy, International Journal of Science Education, 29 (11), 1347–1362.
Pärtel, E. (2010), Loodusõpetus, 7. klass – sissejuhatus füüsikasse ja keemiasse, Tallinn, Koolibri.
Tõldsepp, A. (1982), Keemia õpetamise alused üldhariduskoolis, Tallinn, Valgus.
Tõldsepp, A., Toots, V. (2003), Õpetame keemiat VIII klassis, õpetajaraamat, Tallinn, Koolibri.
Tõldsepp, A., Toots, V. (2001), Õpetame keemiat IX klassis, õpetajaraamat, Tallinn, Koolibri.
Artikkel avaldatud esmakordselt õppekava veebis põhikooli loodusainete valdkonnaraamatus 2010, ISBN: 978-9949-9110-2-8