ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΤΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ 13/11/2017 Κατερίνα Σάλτα ΔιΧηΝΕΤ 2017-2018
Πως Μαθαίνουμε; Τι Μαθαίνουμε; Μοντέλο Επεξεργασίας Πληροφοριών
Θέματα Διδακτικής της Χημείας 1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ & ΙΔΕΕΣ ΜΑΘΗΤΩΝ 2. Η ΓΛΩΣΣΑ ΤΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ 3. ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ 4. ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ - ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ 5. ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΝΘΕΣΗ
Η Γλώσσα Η αποτελεσματικότητα της διδασκαλίας εξαρτάται: σε όλα τα μαθήματα τη δομή της γλώσσας που χρησιμοποιεί ο διδάσκων τη δομή της γλώσσας του μαθητή, που καθορίζεται από κοινωνικο-πολιτισμικούς παράγοντες. το αναπτυξιακό επίπεδο των μαθητών επιπλέον στο μάθημα της Χημείας την ιδιαίτερη δομή της γλώσσας της Χημείας
Γνωστική Ψυχολογία Μοντέλο Επεξεργασίας Πληροφοριών Ο νους θεωρείται ως σύστημα επεξεργασίας συμβόλων Λαμβάνει πληροφορίες Αναπαριστά πληροφορίες με σύμβολα Επεξεργάζεται τις αναπαραστάσεις
Μοντέλο Επεξεργασίας Πληροφοριών Οπτικές Ακουστικές Απτικές Άλλες Πληροφορίες από το περιβάλλον εισέρχονται στο γνωστικό σύστημα με τη μορφή ερεθισμάτων και γίνονται αντικείμενο επεξεργασίας από μια σειρά συστημάτων όπως η αντίληψη και η μνήμη
Βραχύχρονη Μνήμη Μνήμη εργασίας: είναι το μέρος του μνημονικού συστήματος που επιτρέπει λεπτομερέστερη αναπαράσταση και επεξεργασία των πληροφοριών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν. Η ικανότητα συγκράτησης πληροφοριών στη μνήμη εργασίας είναι 7±2 τμήματα πληροφορίας Το εύρος της πληροφορίας που μπορεί να περιέχεται σε ένα τμήμα πληροφορίας μεταβάλλεται ανάλογα με τις προϋπάρχουσες γνώσεις Χρόνος αποθήκευσης 18 sec
Βραχύχρονη Μνήμη H H O H H C C C O C H H H H 27 τμήματα πληροφορίας για έναν αρχάριο μαθητή 9 τμήματα πληροφορίας για έναν πιο προχωρημένο μαθητή : CH 3 -CH 2 -CO-O-CH 3 1 τμήμα πληροφορίας για έναν πολύ προχωρημένο μαθητή : προπανικός μεθυλεστέρας
Μακρόχρονη Μνήμη Η ικανότητα αποθήκευσης στη μακρόχρονη μνήμη είναι εξαιρετικά μεγάλη Οι αποθηκευμένες γνώσεις στη μακρόχρονη μνήμη ελέγχουν ποια από αυτά που διδάσκουμε είναι σημαντικά ή ασήμαντα, κατανοητά ή μη, ενδιαφέροντα ή βαρετά Ισορροπία ανάμεσα στα στοιχεία που ανακαλούνται και σε αυτά που απομνημονεύονται
Θεωρία της διπλής κωδικοποίησης (Paivio) Η θεωρία της διπλής κωδικοποίησης υποστηρίζει ότι θυμόμαστε καλύτερα τις πληροφορίες όταν αυτές αναπαριστάνονται εικονικά και γλωσσικά
Ο ρόλος της Γλώσσας στη μάθηση Ο λόγος Ρόλος στη μάθηση Επιχειρηματολογία Επιδράσεις στη διδασκαλία Απόκτηση επιστημονικού γραμματισμού και γνώσεων (κοινωνικο-πολιτισμική σκοπιά) Ανάπτυξη γνωστικών δεξιοτήτων. Αξιοποίηση πρακτικών της κοινότητας Εργαλείο στην οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης Συσχέτιση απόδειξης και θεωρίας Επιστημονική συζήτηση (Lemke, 1990) Διδασκαλία Στρατηγικές και υλικά Επιμόρφωση
Με τι ασχολούνται οι χημικοί; Χημεία είναι μια πειραματική επιστήμη που μετασχηματίζει και τις χημικές ουσίες και τη (χημική) γλώσσα. Από την μια, οι χημικοί αναλύουν και συνθέτουν νέες χημικές ενώσεις στο εργαστήριο, ενώ από την άλλη διατυπώνουν προτάσεις για τις αναλυτικές και συνθετικές διαδικασίες τις σχετικές με αυτές τις ενώσεις στα ερευνητικά άρθρα. Είναι επομένως απαραίτητο να κατανοήσουμε πως οι χημικοί χρησιμοποιούν την γλώσσα τους, ποιοι κανόνες διέπουν τη χρήση της και ποια η σημασία που έχει η χρήση αυτής της γλώσσας για την Χημεία (Jacob, 2001).
Η χημική γλώσσα Απαραίτητο να διακρίνουμε Τα χημικά πειράματα από τη χημική γλώσσα Τα διαφορετικά επίπεδα της χημικής γλώσσας (Jacob, 2001)
Η χημική γλώσσα Ένα σύνολο συμβόλων - 110 στοιχεία (π.χ. Na, Cl) Χημική σύνταξη κανόνες για την γραφή των τύπων (π.χ. Na + Cl NaCl, σθένος, συγγένεια) Χημική ορθογραφία κανόνες για το συνδυασμό των στοιχείων στους τύπους (π.χ. Na και Cl μπορούν να συνδεθούν και να σχηματίσουν NaCl χρησιμοποιώντας την αναλογία: 1 Na μπορεί να συνδεθεί με 1 Cl) Χημική γραμματική κανόνες για τις εξισώσεις των χημικών αντιδράσεων (π.χ. στοιχειομετρικοί συντελεστές, χρήση των μονόδρομων βελών ή των βελών ισορροπίας, συνθήκες αντίδρασης) Χημική σημασιολογία σημασία/νόημα των συμβόλων, των τύπων, των εξισώσεων (π.χ. NaCl ως κόκκος αλατιού)
Χημική σύνταξη και Σημασιολογία Σημασία του NaCl (χημική, φυσική, κοινωνική, πολιτισμική) ανεξάρτητη και από την ορθογραφική (π.χ. NaCl αντί Na 3 Cl) και την γραμματική ορθότητα (π.χ. 2Na + Cl 2 NaCl 2 ). Ασυμμετρία μεταξύ των συντακτικών και σημασιολογικών κανόνων επιτρέπει την εισαγωγή χημικών τύπων που είναι συντακτικά σωστοί αλλά δεν έχουν (ακόμα) εμπειρική βάση
Επίπεδα χημικής γλώσσας Η χημεία χρησιμοποιεί μια συγκεκριμένη γλώσσα για να ονομάζει τα ερευνητικά της αντικείμενα («χημικές ουσίες»). Παρέχει ένα λεξιλόγιο για να συζητά για τις χημικές ουσίες. Επιπλέον, είναι δυνατόν να συζητάμε για τις χημικές ουσίες με πιο γενικούς όρους, να μιλάμε για τους νόμους, τα μοντέλα και τις θεωρίες που διέπουν τη συμπεριφορά των στοιχείων και των χημικών ενώσεων. Σε ένα άλλο επίπεδο, είναι δυνατή η εισαγωγή μιας επιστημολογικής συζήτησης σχετικά με τις θεωρίες, την προέλευσή τους και την εμπειρική βάση. Είναι όλα τα επίπεδα της χημικής γλώσσας ζωτικής σημασίας για τη χημική έρευνα και τη χημική εκπαίδευση;
Τα σύμβολα στη χημική συζήτηση Η σχέση μεταξύ των χημικών συμβόλων που χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση των χημικών ουσιών και αυτών των ίδιων των ουσιών είναι ένα από τα πιο κεντρικά στοιχεία του ερευνητικού χημικού. Με αυτή τη διασύνδεση μεταξύ του χειρισμού των χημικών ουσιών και του χειρισμού των συμβόλων, οι απλές λειτουργίες (όπως η ανάμειξη, η καύση) μπορούν να περιγραφούν και γενικά να αναπαραχθούν, δηλαδή γίνονται μέρος μιας επιστήμης.
Παραδείγματα των επιπέδων Σύμβολα Na για το νάτριο, K για το κάλιο Αφαίρεση/έννοιες Το νάτριο και το κάλιο είναι στοιχεία Θεωρίες, νόμοι, μοντέλα Ο περιοδικός νόμος που περιλαμβάνει το Na & το K Επιστημολογική συζήτηση Ο μηχανισμός της αντίδρασης είναι η γλωσσική αναπαράσταση μιας χημικής αντίδρασης.
Ευρύτερος χημικός συμβολισμός Περιλαμβάνει σύμβολα των στοιχείων (H, He, Pb, Sn, ), του ατομικού και μαζικού αριθμού (Ζ και Α από τις γερμανικές λέξεις Zahl (αριθμός) και Atomgewichte (ατομικά βάρη) αντίστοιχα (Jensen, 2005), μετρήσιμων ποσοτήτων όπως: ποσότητα ουσίας, μάζα, όγκο, πίεση, θερμοκρασία, εντροπία, ενθαλπία, μήκος κύματος, χρόνος (n, m, V, P, T, S, H, λ, t) και άλλα,
Ευρύτερος χημικός συμβολισμός των μονάδων μέτρησης αυτών των ποσοτήτων (mol, kg, L, Pa, K, κλπ), διαφόρων σταθερών (k, h, ħ, Ka, κλπ), των στοιβάδων ηλεκτρονίων (K, L, M, ), του τύπου των τροχιακών (s, p, d, f, sp, κλπ. στα άτομα και σ, π, κλπ. στα μόρια), των ισομερών οργανικών ενώσεων (o-, p-, m- E/Z, D/L, R/S).
Ευρύτερος χημικός συμβολισμός Χρησιμοποιούνται επίσης μαθηματικά σύμβολα όπως βέλη (, ), τα σύμβολα +, -, <, >, =, [ ], Δ, p {για το ph}, αριθμοί λατινικοί (I, II, III, IV, V, κλπ για τις οξειδωτικές καταστάσεις) και αραβικοί (1, 2, 3, κλπ) συνδυασμός γραμμάτων, αριθμών και συμβόλων όπως: H 2, CH 3 OH, Na +, CO -2 3, cm -3, sp 3, [HCl], ΔH<0, (g), (s), (l) και (aq)
Οι χημικές εξισώσεις Απαιτούν Μάθηση των συμβόλων και της ορθογραφίας Μάθηση της βασικής γραμματικής Υπόβαθρο γνώσεων για την ερμηνεία της συμβολικής γλώσσας Διατήρηση της μάζας Συμβολισμός των μεταβολών της ενέργειας Διατήρηση του φορτίου Συμβολισμός της χημικής ισορροπίας
Κανόνες ορθογραφίας Ο πρώτος κανόνας απαιτεί τη τοποθέτηση των συμβόλων σύμφωνα με την ηλεκτροθετικότητα των στοιχείων Ο δεύτερος κανόνας συνδέεται με την έννοια του σθένους/ αριθμού οξείδωσης και τη χρήση δεικτών και έτσι διακρίνουμε το Fe 2 O 3 από το FeO.
Κανόνες ορθογραφίας Η διαφορά μεταξύ των δεικτών και των αριθμών που τοποθετούνται μπροστά τις «λέξεις» (τύπους) και ισοσταθμίζουν τις χημικές εξισώσεις. Εκθέτες αριθμοί σε συνδυασμό με τα μαθηματικά σύμβολα (+) και (- ) χρησιμοποιούνται για τα φορτία των ιόντων. Τα σύμβολα (s), (l), (g), (aq), για την έκλυση αερίου ( ), για την καταβύθιση ιζήματος ( ), καθώς και τα σύμβολα που δείχνουν αντίδραση ( ), συνθήκες αντίδρασης όπως θερμότητα (Δ), φως (hν ή u.v.) κ.α.
Κανόνες βασικής γραμματικής αντιδρών προϊόν αντιδρών 1 + αντιδρών 2 προϊόν αντιδρών προϊόν 1 + προϊόν 2 αντιδρών 1 + αντιδρών 2 προϊόν 1 + προϊόν 2 διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου + θειικό οξύ διάλυμα θειικού νατρίου + νερό 2NaOH (aq) + H 2 SO 4(aq) Na 2 SO 4(aq) + 2H 2 O (l)
Διατήρηση της μάζας 2NaOH (aq) + H 2 SO 4(aq) Na 2 SO 4(aq) + 2H 2 O (l) 2Na + 6O + 4H + S = 2Na + S + 6O + 4H NaOH (aq) + H 2 SO 4(aq) Na 2 SO 4(aq) + H 2 O (l) Na + 5O + 3H + S 2Na + S + 5O + 2H 2NaOH (aq) + H 2 SO 4(aq) Na 2 SO 4(aq) 2Na + 6O + 4H + S = 2Na + S + 4O
Συμβολισμός των μεταβολών ενέργειας CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (g) ΔH 0 = - 890 kj mol -1 Αντί CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (g) + 890 kj mol -1
Διατήρηση του φορτίου MnO 4 - + 8H + + 5e - Mn 2 + + 4H 2 O (-1) + 8 (+1) + 5 (-1) = (+2) + 4 (0) - 1 + 8 5 = + 2 2 (MnO 4 - + 8H + + 5e - Mn 2+ + 4H 2 O) 5 (2Br - Br 2 + 2e- ) 2 MnO 4 - + 16 H + + 10 Br - 2 Mn 2+ + 8 H 2 O + 5 Br 2 2 KMnO 4 + 16 HCl + 10 NaBr 2 MnCl 2 + 8 H 2 O + 5 Br 2 + 10 NaCl + 2 KCl
Συμβολισμός της χημικής ισορροπίας N 2 + 3H 2 2 NH 3 Αντί N 2 + 3H 2 2 NH 3 2 NH 3 N 2 + 3H 2
Η ταξινομία των λέξεων του Wellington Επίπεδο «αφαίρεσης» 0 1 2 3 Κατηγορίες λέξεων Ονομασίες Διαδικασίες Έννοιες Μαθηματικές σίδηρος τήξη ενέργεια παράγωγος οξυγόνο πήξη δύναμη ακολουθία Παραδείγματα γάτα διάλυση δεσμός [ ], { } ζυγός διήθηση εντροπία +, -, <, >, = βιβλίο σύγκριση ενθαλπία α ν δέντρο αξιολόγηση αντίδραση P V=n R T
Επιπτώσεις στη χημική εκπαίδευση; Πώς ορίζουμε τη χημική γλώσσα στην τάξη; Σε ποιες πτυχές της χημικής γλώσσας πρέπει να δοθεί προτεραιότητα στη μάθηση; Τι στρατηγικές έχουμε για να διδάξουμε το πώς συζητάμε στη Χημεία;
Μελλοντική Έρευνα Μάθηση π.χ. Τα επίπεδα της χημικής γλώσσας σε μια ηλικιακή ομάδα και μεταξύ ηλικιακών ομάδων Σχεδιασμός αναλυτικού προγράμματος π.χ. Αποτελεσματικές στρατηγικές για την ενσωμάτωση του επιστημολογικού επιπέδου της χημικής γλώσσας Εκπαίδευση εκπαιδευτικών π.χ. Κατανόηση της φύσης της χημικής γλώσσας από τους νέους εκπαιδευτικούς
Βιβλιογραφία Erduran, S. & Scerri, E. (2002). The Nature of Chemical Knowledge and Chemical Education,. In Gilbert, J., de Jong. O., Justi, R., Treagust, D. & van Driel, J. (eds.) Chemical Education: Towards Research-Based Practice, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 7 27. Erduran, S. (2001). Philosophy of Chemistry: An Emerging Field with Implications for Chemistry Education, Science & Education, 10(6), 581 593. Jacob, C. (2001). Interdependent operations in chemical language and practice. HYLE--International Journal for Philosophy of Chemistry, 7(1), 31-50. Jensen, W. B. (2005). The origins of the symbols A and Z for atomic weight and number. Journal of Chemical Education, 82(12), 1764. Taber K.S. (2009) Learning at the Symbolic Level. In: Gilbert J.K., Treagust D. (eds) Multiple Representations in Chemical Education. Models and Modeling in Science Education, vol 4. Springer, Dordrecht, 75-105. Wellington, J. (1983). A taxonomy of scientific words. School Science Review, 64(229), 767-773.