mahonick Üye Puan: 1768.5  | Gönderilme Tarihi: 07 Aralık 2009 22:32:32
BAĞLANTILI KİMYA : İNTERAKTİF SİMİLASYONLARI KİMYA SINIFLARINA DAHİL ETMEK
Mike Stieff ve Uri Wilensky
Journal of Science Education and Technology
BİLGİLENDİRME
Birçok öğrenci kimyayı tüm okul seviyelerinde çalışması en zor konular olarak görürler. Kimyayı öğrenme durumları öğretmenler ve öğrencilere üstesinden gelinmez görünebilir. Eğitimciler öğrenciler için tam olarak açık olmayan fenomenleri tanımlamak için matematiksel formülleri, kimyasal sembolleri ve bilimsel ölçüleri eş zamanlı olarak gösterirler. Ayrıca, kimya kavramları sık sık soyut düşünceler olarak görülüp, kimya sınıflarına sınırlandırılır ve okulun dışında uygulanmaz. Bu gibi zorluklara değinmek için kimya eğitimcileri, oldukça fazla zamanlarını öğrencilerin moleküler dünyayı hayal etmelerine ve sınıftaki kavramları gözlemlenebilir olgularla ilişkilendirmelerine yardım edecek müfredat programını geliştirmeye adadılar. Özellikle birkaç müfredat programı-bilgisayar destekli öğrenme çevrelerine hizmet eden- tıpkı 4M: kimya ve e-kimya, öğrencilerin kimya hakkında düşündükleri gözlerinde canlandırılabilir aletler gibi. Geçmişteki bu çabaları düzenlerken, bu makale kimyayı öğrenmek için bilgisayar destekli modelleme çevresini tanıtıyor. Çevreyi modelleme, kimyayı birleştirme bir “cam kutu” kullanır ki bu sadece öğrencilerin moleküler dünyayı hayal etmelerini sağlamaz aynı zamanda, onlara adeta birbirlerini etkileme ve kimyasal kavramların ve olguların esasını anlamak için bir simule edilmiş moleküler dünyayı kullanma fırsatı sağlar. Burada kavramsal temel oluşturmayı ve bağlantılı kimyanın yapısını ve kimyasal denge hakkındaki kavramları öğrenmek için bağlantılı kimyayı kullanma çabaları hakkındaki buluşları tanıtıyoruz.
KİMYA EĞİTİMİNDE KAVRAMSAL ZORLUKLAR
Oldukça çok araştırma kimyadaki öğrenci yanlış kavramalarını tanımlama ve sınıflamaya içten bağlı kalmıştır. Bu çalışmaların çoğunluğu, eğitimcilerin yeni müfredatı geliştirmelerine yardım etmek için öğrencilerin kabul edilmiş bilimsel kavramlardan nerelerde farklı anlamalar yaptığını aydınlatmayı dener ki bu müfredatlar öğrencilerin isteyerek anlamalarını sağlar. ( Qilez-pardo ve Solaz-Portoles, 1995; Tyson ve Treagust 1999; Voska ve Heikkinen, 2000) Bu sonuca göre eğitimsel araştırmacılar şunu vurguladılar; geleneksel kimya müfredatı konuşmalar ve alıştırmalar ile dopdolu ve bu müfredat öğrencilerin teorileri kavramsal anlamalarında başarısız olmalarını sağlıyor ( Johnstone, 1993; Kozma et al,1990; Thomas ve Schwarz, 1998). Ne yazık ki araştırma ve müfredat gelişiminin 10 yılına rağmen modern öğrenciler hala kimyada başarılı olmak için gereken kavramları tam olarak öğrenmiyorlar.( Nakhleh, 1992; Tyson ve Treagust, 1999)
Şimdiki bazı araştırmacılar, öğrenciler karışık konularla karşılaştıkları zaman-örneğin, kimyasal denge, moleküler orbital teori ya da reaksiyon hızı gibi- yaşadıkları zorlukların altında yatan yanlış kavramaların sınıflamasının ne olduğuna bakmaya başladılar. Özellikle kimya eğitimi araştırması öğrencilerin çok yönlü düzeylerde kimyasal olgularının “temsil etmesini” anlamadaki özel zorlukları keşfetmek için odağın yönünü değiştirdi. Tecrübeli kimyacılar şunu kabul ettiler; kimyasal olgu çok yönlü bir düzeyde oluşur – submikroskobik(mikroskobik altı), makroskobik ve sembolik (Johnstone, 1993). Moleküller ve atomlar arsındaki etkileşim submikroskobik düzeyde olduğundan kimyacılar şundan bahsetmeliler; onların bilgi alanlarındaki ve direk gözleyemedikleri objeler ve işlemler bir sembolik düzeydedir. Dahası olgunun molekül sonuçlarının toplamı ki bu sonuçlar öğrencilerin direk gözleyemedikleridir, makroskobik bir düzeydedir – örneğin suyun donması ya da buzun erimesi. Burada tekrar açıklığın amacı için kimyacılar bu makroskobik olguları sembolik düzeyde gösterirler. Bu düzeyde çoğu öğretim ve öğrenim yerini geleneksel kimya sınıflarında almıştır – eğitimciler çok yönlü gösterimleri aynı olguları tanıtmak için kullanabilirler. (Kozma ve Russel, 1997) Özel bir kimyasal reaksiyon harflerle, moleküler diyagramlarla ya da zamanda konsantrasyonun hikayesi ile gösterilebilir. Laboratuarda öğrenciler ders kitabındaki sembolik gösterimlerle makroskobik fiziksel maddeleri ilişkilendirmeyi umarlar. Onlar deneylerinde laboratuar aletlerinden aldıkları numaralı ölçüleri kullanırlar. Kimyacıların, submikroskobik, sembolik ve makroskobik düzeyler arasındaki ilişkinin ve birçok gösterimdeki olguyu temsil etmenin kolaylıkla farkına varmalarına rağmen öğrenciler için oldukça büyük zorluklar vardır.( Banerjee, 1995)
Bir müfredat tasarımı yaklaşımı, direk çeşitli düzeler ve gösterimler arasındaki ilişkiyi aydınlatmak için kimyasal reaksiyonların bilgisayar animasyonlarını kavramsal zorluklarda başarı sağlamak için adres gösterdiler. (Kozma et al,1996) Bu bilgisayar destekli müfredat programı kimya öğretiminde sorgulayıcı araştırma yaklaşımı için fırsatlar sağlar. Bu müfredatın doğası öğrencilere özel bir sistemle ilgisi olan bir kavramı çalışacakları bir öğrenme ortamı sağlar, bir kimyasal reaksiyon yapabilecekleri ya da bir evrimsel merdiven.(Barowy ve Roberts, 1999) Bu yaklaşım, kavramsal anlamayı ve problem çözerken kritik düşünmeyi cesaretlendirirken, ezbere hafızada tutmayı ve algoritmik problem çözme cesaretini kırar. ( Garnett ve Kenneth, 1988). Sorgulayıcı araştırma yaklaşımı birçok fen bilgisi alanında oldukça başarılı görülmektedir ve bir çok kimya eğitimcisi onun kimya sınıflarında kullanımını destekler. ( Bodner, 1992)
Burada öğrenciler, kimyayı moleküler animasyon gösterimi ile yan yana olan grafiksel çıktılar ve kimyasal formüllerle öğrenirler. Bu tamamıyla geleneksel kimya konuşmalarının zıttıdır ki bu konuşmalar hemen hemen öğrencilere moleküler etkileşimi gözlemleme için hiç fırsat vermez ve kavramların sözel açıklamalarına dayanır. Bilgisayar destekli çevrede öğrenciler çalışmalarında kimyasal reaksiyonun çeşitli parametrelerini hareket ettirebildikleri için onlar yararlı kimyasal kavramları anlamada tahmin yürütebilirler. Sonuç olarak öğrenciler, sistem değişkenlerinin hareketlerinin sonuçlarını gözleyerek kendi öğrenmelerini izleyebilirler.
EMERGENT OLGULARI GİBİ KİMYA KAVRAMLARINI ÖĞRETMEK
Kimya için bilgisayar destekli öğrenme çevrelerinin öğrencilerin anlamasını geliştirmesiyle sonuçlanmasına rağmen, şimdiki çoğu yazılım “ilk jenerasyondur” ve henüz kimyayı öğretmede sorgulayıcı araştırma yaklaşımında tamamıyla kullanılamaz. Aslında, şimdi elde edilen çoğu yazılım “siyah kutu” tasarımları tarafından sınırlandırılmıştır. Bu paket bazı modellerle anlaşmaya varmıştır, mesela öğretmenler için birkaç küçük aktivite ve öğrenciler için küçük öğrenme amaçları. Öğrencilere sınırlı sayıda makroskobik değişken verilmiştir. Dahası, moleküler canlandırımlar, ki onlar öğrencilere moleküller arasındaki submikroskobik etkileşimlerden faydalanma imkanı verir, sık sık basit animasyonlara teslim edilirler: bir öğrencinin seçtiği değişkenler takımı olan özel bir animasyon defalarca gösterilir. Bu karakteristiklerin ikisi de gerçek kimya olgularının simülasyonları gibi bu çevrelerin sadakatini azaltırlar ve öğrencilerin sonuçları keşfettiği ve hipotezler ürettiği sorgulayıcı araştırmacı aletler olarak kullanılmasını sınırlandırırlar.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için biz kimya dayanakları için bir bilgisayar destekli öğrenme çevrelerinin tasarımı için daha iyi bir yaklaşım öneriyoruz. Meydana çıkan olguların kavramı şunu fark ediyor; örneklerde (modellerde) bir makro düzey “ortaya çıkış” gözlenir ve bunlar belirli kurallara göre olan mikro düzey olayların arasındaki etkileşimlerin dışındadır (Wilensky,2000,2001). Örneğin, bir damla sudaki milyarlarca molekül arasındaki özel submikroskobik etkileşimler, suyun makroskobik fiziksel durumu ile sonuçlanır. Ne zaman su molekülleri yüksek hızlara ulaşır ve etkileşimlerde elastik çarpışmalar olur, o zaman buhar makro düzeyde gözlemlenebilir. Aksine moleküller kımıldamadığında ama yerlerinde titreştiğinde ve her bir güçlü hidrojen bağı etkileşimleri arasındaki bağlantı devam ettiğinde gözlemci katı buz görür. Bu örnekler sıradan olmalarına rağmen bizim kimya müfredatımız öğrencilerin her günkü makro düzey deneyimleri ile mikro düzeydeki “kuralları” birleştirmelerine izin vermemektedir. Kimyayı birleştirmede, biz öğrencilere moleküllerin kendi davranışlarını idare eden kurallardan faydalanma imkanı veririz. Öğrenciler, makro düzey teoriler ve kavramlar nasıl submikroskobik düzeydeki moleküler etkileşimlerden ortaya çıkar diye daha iyi keşfedebilir ve gözlerinde canlandırabilirler. Biz şuna inanıyoruz; bu bakış açısından kimyayı öğrenmek onların hem özel kimyasal kavramları anlamalarını hem de çeşitli kimyasal konularda problem çözme yeteneklerini geliştirmelerini artıracaktır. Ortaya çıkan olgulardaki kimyasal kavramların kavranması ile öğrenciler, ezberden prosedürler ve ezberlenen doğruların basit uygulamasından öte biraz daha kimyayı mantıklı düşünme becerisi kazanırlar. Gelecekte biz çevreyi modellemeyi, kimyayı bağlamayı, ikinci sınıf ve ana okul sınıflarında ortaya çıkan olgulardaki çeşitli kimya kavramlarını öğretmek için olan tasarımları sunuyoruz.
ÇEVREYİ ÖĞRENME: BAĞLANTILI KİMYA
Bağlantılı kimya, Netlogo Multiagent modelleme dili (MAML) ile yazılan birkaç bilgisayar temelli modelden meydana gelir(Wilensky 1999). Netlogo dili çeşitli biyoloji ve fizik sınıflarında kullanılmıştır (Wilensky ve Reismann 1999) ki bu öğrencilerin, yalnız temsilciler arasındaki mikro düzey ilişkinin makro düzeyde gözlemlenebilir modeller ile sonuçlanmasının nasıl olduğunu anlamalarına yardım eder. Sık sık geleneksel bir sınıfta bu gözlemlenebilir modeller izole edilmiş kavramlar olarak düşünülür ve öğrencilerin ezbere öğrenmeleri gerektiği savunulur (Wilensky, 2000). MAML çevrelerinde öğrenciler, binlerce grafiksel “temsilci”nin davranışlarını kontrol edebilirler. Temsilcilerin davranışlarının kuralları arasındaki ilişkiyi keşfetmede ve bu kuralların sonucu olarak ortaya çıkan modellerde öğrenciler, mikro-makro düzey anlaşımlarının kafalarını karıştırmasıyla üretilen bir çok yanlış kavramalarını giderebilirler. Genellikle, müfredatta multiagent kullanılmasıyla (Gas lab, Wilensky, 1999; each, Centola et.al 2000) öğrenciler, hedef kavramlara odaklanmak için tasarlanan simülasyonların davranışlarını keşfetmeye başlarlar. Onlar, değişen örnek parametrelerinin altındaki modelin davranışları hakkında tahmin yürütürler ve model sonuçlarını inceleyerek tahminlerini test ederler.
Bağlantılı kimya paketi hedef kimya kavramlarını öğretmeyi tasarlayan bir çok yeni oluşturulmuş modeller içerir. Her bir model, öğrencilerin çeşitli yollarla birbirlerini etkileyebildiği kapalı kimyasal sistemleri gösterir.
Her bağlantılı kimya modelinin merkezi ara birim penceresidir. (figür 1: bağlantılı kimya ara birim penceresi bir grafik gösterimi, grafik çıktısı ve sistem değişkenlerini içerir.) Genellikle ara birim bir grafik penceresi, bir plotting penceresi ve öğrencilerin çalıştırabileceği birkaç slayt ve düğmelerden oluşan değişkeni içerir. İşte buradaki ara birim penceresinden öğrenciler direk olarak kimyadaki submikro ve makro düzeyler arasındaki etkileşimi gözlemleyebilirler. Grafik penceresinde öğrenciler onaylanmış kutudaki simule edilmiş moleküller arasındaki etkileşimin görsel bir gösterimini gözlemleyebilirler. Grafik penceresindeki moleküllerin hareket ve etkileşimleri onların davranışlarını idare eden kurallara benzer olarak moleküllerin hareket etmelerinden meydana gelmektedir. Animasyon. Reaksiyon durumunu göstermek için yapılmış olan statik(durağan) bir animasyon değildir. Örneğin; bir öğrenci sistemin sıcaklığını değiştirdiği zaman her molekül sıcaklık değişimine tepki gösterir. Sadece yüksek bir sıcaklıkta moleküler hareketin yeni bir animasyonunu göstermektense her molekül sanki sıcaklık kapalı sistemin sınırlarını kaplıyormuş gibi davranışlarını değiştirirler. Bir molekül sıcaklık sınırı ile karşılaştığında enerjinin bir miktarını absorblar. Sonuç olarak, sınır artışları ile çarpışan her molekülün hızı absorbladığı enerji miktarına göre sistemdeki diğer moleküllerden bağımsızdır. Böylece, grafik penceresinin başlıca yapabildiği şey şudur; öğrenciler makroskobik değişkenlerdeki değişimlerin nasıl olduğunu direk olarak gözlemleyebilirler (örneğin; sıcaklığı ayarlama, konsantrasyonu ayarlama) ki burada onlar moleküler türlerin submikroskobik etkileşimlerini etkileyebilir ve değişkenlerin makroskobik grafiğini alt üst ederler (konsantrasyon, pH, basınç gibi) Böylece öğrenciler sistemde makroskobik değişkenlerindeki hareketlerinin etkilerini gözlemleyebilirler. Her ara birim penceresi en azından bir plotting penceresi içerir. Bağlantılı kimya modelinde genellikle, temel bir plotting penceresi simulasyon devam ederken doğru zamanda her kimyasal maddenin bağıl konsantrasyonunu gösterir. Bir maddenin konsantrasyonu ölçümün makro düzey miktarıdır ki bu bağlantılı kimyada sistemdeki toplam moleküllerin bir miktarı ile ilgili olan özel kimyasal türlerdeki moleküllerin bir miktarı ile sınırlandırılmıştır. Bu da molaritenin makroskobik kavramları ile paralellik gösterir. İlk önce simülasyon başlar, sistem çabucak değişmeyen durum dengesine ulaşır ki burada öğrenciler, grafik penceresi ile konsantrasyon plotunu eş zamanlı bir şekilde gözlemleyebilirler. Her iki pencerede de model, sistemin özelliklerini gösterime kapatırsa o çok kez sınırlandırılabilir. Bağlantılı kimyanın temel bir becerisi (kimyayı öğrenmede öğrenme araçlarında olduğu gibi) şunu söyler, öğrenciler sistem parametrelerini biraz değiştirmek için sistemi etkileyebilirler ve çok yönlü düzeylerdeki çok yönlü gösterimlerle ilgili tahminleri hakkındaki şimdiki geri bildirimlerini kabul edebilirler. Birçok bağlantılı kimya modeli öğrenciler için ilave plot pencereler içerir ve öğrenciler bunlar ile olguların değişimini gözlemlerler-örneğin zamanla pH daki değişim, konsantrasyona bağlı basınç değişimi, eklenen kataliz miktarındaki değişimden reaksiyon ürünün konsantrasyon değişimi gibi.
Örneğin, (figür 1’de gösterilen) “basit kinetik 1” modelinde öğrenciler iki azot dioksit molekülü arasındaki çarpışmanın nasıl olduğunu ve uygun koşullar altında diazot tetraoksit molekülünü elde edebilir ve bunu grafik penceresinden gözlemleyebilirler. Sonuç olarak, kimyasal özelliklerin makro düzey gösterimleri değişir. Grafik penceresinde diazot tetraoksit moleküllerinin sayısında bir artış vardır ve plotting penceresinde diazot monoksit derişimi azalırken aynı zamanda diazot tetraoksit konsantrasyon plotu artar. “kolay kinetik 1”’deki yeni oluşturulmuş sistem değişkenleri için slaytları oynatırken öğrenciler, reaksiyonda değişen molekül davranışlarının sabit oranının nasıl değiştiğini ve konsantrasyon plotunu gözlemleyebilirler. Bununla birlikte, bağlantılı kimya modeli, yazılım tasarımının yeni oluşturulan değişkenleri ile sınırlı değildir. Modeller oldukça uysaldır: Öğrenciler ara birim pencerelerinden çeşitli durumlar altındaki bir kimyasal sistemi incelemek için değişkenleri ekleyip kaldırabilirler.
Daha önce bahsedildiği gibi, bağlantılı kimyanın diğer bilgisayar temelli inquiry çevreleri yanında önemli bir avantajı şudur; her model bir “cam kutu” gibi yapılır. Her model bir bilgi penceresi (figür 2) içerir ki bu pencere modelde bulunan kimyasal kavramların bir tanıtımını ve prosedürdeki bazı başarılı değişimler ile ara birim penceresini nasıl kullanacaklarına dair bilgiyi içerir. Daha önce anlatıldığı gibi, öğrenciler, ara birim penceresinden sağlanan değişkenleri oynatabilirler ve ortaya çıkan model davranışlarını inceleyebilirler. Ama bağlantılı kimya aynı zamanda öğrencilerin bir düzey ileri gitmelerine imkan sağlar. İşlem penceresinde (figür 3) onlar aynı zamanda, moleküler davranışı idare eden Netlogo programlama kodunu inceleyebilir ve değiştirebilirler. Netlogo koduna kolaylıkla ulaşılabilir ve faydalanılabilir ki bu öğrencilerin, moleküllerin itaat ettiği “kuralları” okumalarına ve eğer isterlerse sonra onları biraz değiştirmelerine imkan sağlar. Bağlantılı kimya belgelemesi, eğitimcileri ve öğrencileri prosedürleri biraz değiştirmeleri ve kimyasal sistemlerin nasıl etkilendiklerini gözlemeleri konusunda cesaretlendirir. Örneğin, öğrenciler prosedürü değiştirebilirler. Bu şekilde onlar simülasyon devam ederken sisteme daha fazla giren ya da ürün ilave edebilirler.
Başlangıçta, Netlogo kodunu değiştirmek göz korkutuyor gibi görünse de her model öğretmenler ve öğrenciler için sayısız destek bulur. İlk başta her bağlantılı kimya modeli bir online öğretmenlik paketi haline ve Net logo modelleme dili için kullanıcı kılavuzu haline gelir. Netlogo doğal dil programlamasını vurgular ve online öğretmenliğin kullanılmasıyla öğrenciler, bir haftadan daha az bir sürede yeni modeller tasarlayabilirler. İkinci olarak, her bağlantılı kimya modelinin işlem penceresine (figür 3) kolaylıkla ara birim penceresinden ulaşılabilir, böylece öğrenciler grafikler ve plotting pencerelerinin görsel gösterimlerinin altında yatan prosedürleri araştırabilirler. Ayrıca, işlemler penceresinde listelenen işlemlere tamamıyla kısa yorumlar eklenmiştir ki bunlar ara birim penceresinin davranışlarının gözlemlenmesinin sonucunda özel kodların nasıl kullanıldığını açıklar. Üçüncü olarak, her bağlantılı kimya modelinin bilgi penceresi bir “uzama modeli” parçası içerir ki bu da öğrencilerin modelde vurgulanan kimyasal kavramları incelemeleri için kodu nasıl değiştirmeleri gerektiği hakkında başarılı olmalarını sağlar. İşlemlerin altında yatan açık dilden şimdi faydalanma imkanı, kimya öğrencilerine bilimsel bir avantaj sağlar. Bu bağlantılı kimyanın “cam kutu” tasarımı öğrencilerin dışındaki her modelin başlangıçtaki sınırlarındaki kavramları incelemelerine izin verir. Böylece yeni problemler ve kendiliğinden olan sorular sınıfta oluştuklarında kolaylıkla tespit edilebilir. Ara birim pencereleri ya da işlemlerdeki küçük değişiklikler ile birlikte öğrenciler, kendi tahminlerini test etmek için yeni değişkenleri modelin içine sokabilirler. Örneğin, “kolay kinetik 1” ile çalışan öğrenciler işlemleri değiştirmeye karar verebilir, böylece üç azot monoksit molekülü bir diazot tetraoksit molekülü için çarpışır. İşlem penceresinde değişikliklerini yaptıktan sonra öğrenciler, onların değişimlerini zamanla her kimyasal türün konsantrasyonunu ve reaksiyon hızını nasıl etkilediğini gözlemleyebilirler. Öğretmenleri ile birlikte çalışırken öğrenciler, bimoleküler ve trimoleküler reaksiyonlar arasındaki farklılıkları ve onların kimyasal sistemine ilişkin kinetik bilgileri gerçek dünyada meydana gelebilir mi diye tartışabilirler. İşlem penceresi, ara birim penceresi ve bilgi penceresi hep beraber kimyanın submikro, makro ve sembolik düzeylerini gösterebilir, bu şekilde öğrenciler sadece bir düzeye ya da gösterime mecbur bırakılmaz.
BAĞLANTILI KİMYAYI KULLANMANIN POTANSİYEL YARARLARI
Öğrencilere kimyayı anlamada yardım eden bağlantılı kimya öğrenme çevrelerinin yararlarını incelemek için biz geniş bir araştırma üniversitesindeki 6 öğrenci ile küçük bir çalışma yürüttük. Özellikle biz şunu gözlemlemeyle ilgilendik; bağlantılı kimya öğrencilerin kimyasal denge kavramlarını anlamalarında değişime neden oluyor mu diye gözlemlemeyle ilgilendik. Bağlantılı kimya tasarımı aslında ikinci düzeydeki tanıtıcı kimya kurslarında kullanılması üzerine tasarlanmasına rağmen, biz bu çalışmayı üniversite fen öğrencileri ile kimyasal denge kavramları hakkındaki yazılımın başarısını onlarla yürüttük. Şu doğrudur ki; bu altı öğrenci daha fazla alan bilgisine sahip olabilir ve ikinci sınıf öğrencilerinden daha fazla ileri problem çözme yeteneğine sahip olabilir. İkinci sınıf düzeyi öğrencilerle sonra devam eden çalışma şunu öne sürdü; her iki populasyonda da bağlantılı kimya aynı fırsatlardan faydalanır. Bizim buradaki amacımız şu; bağlantılı kimya ileri öğrenciler için bilimsel yararlar sağlıyor mu diye gözlemlemek ki bu bağlantılı kimya ikinci sınıf düzeyinde daha geniş bir uygulama alanını garanti eder.
ÇALIŞMA KATILIMCILARI
Bu çalışmada mülakat yapılan öğrencilerin her biri fendeki özellikle kimya ve biyolojideki başarılarını kendileri tanımladılar. 6 üniversite öğrencisinden ikisi dört yıldır öğrencilik eden ve biyokimya ile moleküler biyolojide doktora çalışması sürdürmek niyetinde olan öğrencilerdir. Diğer 4 öğrencinin hepsi tıp öğrenimini sürdürmekte, 2 tanesi üç yıllık, diğer 2’si dört yıllık öğrencidir. 6 öğrencinin hepsi de kimyasal dengeyi ilk olarak tanıtıcı lise kimyasında öğrendiklerini söylediler ve onlar kavramların tekrar hiçbir daha yüksek düzey kimya dersinde üstünden geçilmediğini açıkladılar. Her öğrenci genel kimya, organik kimya ve biyokimyayı üniversitede B den daha iyi bir not alarak başarı ile tamamladılar. Mülakatlara başlamadan önce her öğrenci kimyasal denge kavramları ile aşina olmak istedi.
ÇALIŞMA PROTOKOLÜ
Çalışma protokolü, 90 dk lık bir mülakat protokolünün tam hatlarından parçalanmış üç kısımdan oluşur (tablo 1’e bakınız, ek A’ya bakınız). Mülakatın ilk kısmı her katılımcının kimyasal dengeyi anlamasını ve hatırlamasını açığa çıkarmak niyetindedir. Bunun için katılımcılara kimyasal dengeyi kendi terimleri ile açıklamalarına izin verilen çeşitli sorular soruldu. Mülakatın ikinci bölümünde her katılımcı geleneksel ders kitapları sorularına kimyasal denge kavramlarını uygulama yeteneklerini keşfetmeye çalıştı. Mülakat protokolünün son bölümü, öğrencilerin özel bir reaksiyonun denge durumu hakkında tahmin yürütmelerini gerektirdi, sonra onlar bağlantılı kimya modelinden “kimyasal denge 1” modelini kullanarak 2NO2 ↔ N2O4 reaksiyonu hakkındaki tahminlerini kanıtlamaya çalıştılar. Mülakatın final bölümündeki her soru için katılımcılara sistemdeki koşulların ilk durumu ile bunu takip eden koşulların son durumu verildi ve bu durumlarda sistemdeki bir ya da iki parametre değişirken diğerleri sabit kaldı. Simülasyon ilk önce ilk koşulların durumunu kullanarak devam etti ve katılımcılar moleküler etkileşimleri gözlemleyebildiler. Sonra mülakatçı ortaya eğer sistem değişkenleri değişirse sistem nasıl değişir diye bir soru attı ve katılımcılar tahminler yürüttüler. Katılımcılar sonra, mülakatçının sorularına göre sistem değişkenlerini hareket ettirdiler, sistem gözlemlerini açıkladılar ve bunları ilk tahminleri ile karşılaştırdılar. İlk iki bölüm mülakatın ilk 45 dakikasını kapladı ve üçüncü bölüm kalan 45 dakikayı aldı.
NEDEN KİMYASAL DENGE MODELİ
Bizim çalışmamızın ayrıntılarından önce neden bizim bağlantılı kimya modelinde kimyasal dengeyi ilk kavram olarak seçtiğimizin ayrıntılarına girmek yararlı olabilir. Kimyasal denge kavramı ve onunla ilgili fikirler, öğrencilere sık sık lise genel kimya derslerinde öğretilir ki bu dersler, kavramın ilk ve son olarak direk gösterildiği yerlerdir (Votka ve Heikkinen, 2000). Daha yüksek seviyedeki derslerde kimyasal dengenin nadiren düşünülmesine rağmen, o yinelenen bir kavramdır ki o kimyada değil aynı zamanda biyoloji, tıp ve mühendislikte birçok kimyasal işlemi anlamada çok önemlidir. Aslında kimyasal denge, yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarında, asit-baz davranışlarında, eczacılığın tasarımında ve çoğu biyolojik işlemin altında yatan biyokimyasal etkileşimlerde merkezi bir rol oynar (Quilez-Pardo ve Solaz-Portoles, 1995). Tecrübeli kimyacıların bu kavrama oldukça aşina olmalarına rağmen onlar nadiren onun gerçekliğini kabul ederler. Eğitimsel araştırmacılar şunu buldular; birçok öğrenci ve eğitimci bu kavramı ve ona eşlik eden ilkeleri uzmanlaşmak için zor olarak görmüşlerdir (Banerjee, 1991; Tyson ve Treagust, 1999; .Van Driel 1999). Öğrencilerin kavramda uzmanlaşmada edindikleri zorluklar yüzünden kimyasal dengenin daha iyi anlaşılmasını kolaylaştıran yeni bir müfredatın kimya eğitimcileri tarafından geliştirilmesine ihtiyaç vardır.
Onun en temel düzeyinde, kimyasal denge kavramı, öğrencilerin bir sorudaki kimyasal reaksiyonda şunları anlamalarını gerektirir: Ayrı fiziksel değişkenler arsındaki ilişkiler (örneğin; basınç, sıcaklık, konsantrasyon, değişik matematiksel ve sembolik ifadeler arasındaki ilişki, reaksiyon bölümü, denge sabiti, oran kuralı) ve denge hali. Genellikle, öğrenciler denge kavramını LeChatelier prensibini ezberleyerek öğrenirler-bir kimyasal reaksiyonun denge durumunu tahmin etmek için kuralların bir listesini ezberleyerek ( Tyson ve Treagust, 1999; ek B LeChatelier kuralının bir versiyonunu içerir). Diğer birçok bilimsel kavramda olduğu gibi ezberlemeye ve ezbere işlemlere dayanan geleneksel vurgular sık sık kimyasal denge kavramını hatırda tutup uygulamaya dair fakir öğrenimlerle sonuçlanır.
SONUÇLAR
Katılımcıların bağlantılı kimya ile olan etkileşimlerini gözlemlemek, kimyasal denge ve LeChatelier prensibinin yanlış uygulamaları hakkında birçok yanlış kavramayı ortaya çıkardı. Bu yanlış kavramalar, biz öğrencilerin düşünme ve problem çözmesindeki değişimleri gözlerken, referans noktası olarak vazifesini görmesine rağmen biz burada onları uzun uzadıya anlatmadık (Banerjee, 1991; Quilez-Pardo ve Solaz-Portolos 1995). Mülakat kursu boyunca öğrenci düşünmeleri hakkındaki gözlemlerimiz, en başta bağlantılı kimya kullanımı boyunca kavram, net telaffuz ve problem çözmenin merkezinde toplanmıştır. En önemlisi biz şunu gözlemledik; katılımcılar problem çözme ve gerçeği ezberlemede ezbere prosedüre bağlıydılar. Dahası, öğrencilerin kitaplardaki ve derslerdeki bilgilerinden olan otomatik kabulleri, gerçeklerden ve teorilerden; kendi cevapları ve bağlantılı kimyadaki gözlemlerine dayanarak şüphe ederek, isteklilikle değişime uğradı. Öğrenci düşüncelerinde göze çarpan bu değişimler üç farklı kategoride toplanır: (1) dengeyi kimyasal bir sistem olarak tanımlama, (2) dengeyi etkileyen faktörleri nitelemek, (3) problem çözme sırasında submikro, makro ve sembolik düzeyler arasında geçiş.
DENGE HAKKINDA DÜŞÜNMEYİ DENGELEMEK
Bağlantılı kimyadaki katılımcıların etkileşimlerinden bizim gözlediğimiz en önemli etki, her öğrencinin yaptığı kimyasal denge tanımının belirgin açıklamalarıydı. Dengeyi tanımlamanın zorluğu sık sık öğrencilerin kimyasal dengeyi statik bir durum gibi yanlış anladığını bulmuştur (Banerjee, 1995; Kozma 1990). Dengede bir kimyasal reaksiyon olduğunda girenlerin ürünlere dönüşüm hızı ürünlerin girenlere geri dönüşüm hızına eşittir. Böylece, dengede her molekül türünün bağıl konsantrasyonu makro düzeyde sabit kalır ancak, submikro düzeyde sürekli olarak her molekül girenden ürüne ve tekrar üründen girene dönüşür. Onlar dengeye ulaştığında kimyasal reaksiyon durmaz. Bu yüzden denge dinamik bir işlemdir ki öğrenciler he molekül türünün dengeli olması yüzünden bunu görmede başarısızlığa uğrarlar. Şaşırtıcı bir şekilde, bizim çalışmamıza katılan öğrenciler dengenin dinamik doğasını anlamada ilk zorluğu yaşamadılar. Mülakatın ilk kısmı sırasında sorulduğunda her katılımcı şunu belirtti; kimyasal türlerin konsantrasyonlarının sabit kalıyor gözükmesine rağmen, reaksiyonun dengede submikro düzeyde devam etmekte olduğunu belirttiler.
Jane ile yapılan mülakattan olan aşağıdaki örnek katılımcının cevaplarını gösterir
Mülakatçı: Dengede C ve D yi (ürünler) üretirken aynı miktar A ve B mi (girenler) almalıyız?
Jane: Hayır
Mülakatçı: Peki dengedeki eşitlik nedir?
Jane: İleri ve geri reaksiyon hızı
Mülakatçı: Dengede iki taraftaki konsantrasyon değişiyor mu?
Jane: Hayır, aynı kalıyor.
Mülakatçı: sonra dengede hiçbir şey değişiyor mu?
Jane: Evet galiba, bir miktar A ve B, C ve D ye dönüşüyor, ileri geri yönde dönüşüm hızları eşit, böylece o dışarıyı dengeliyor ve konsantrasyonlar sabit kalıyor.
İlk başta bizim her katılımcımız istikrar sahibi görünüyor olmasına rağmen, kimyasal dengenin doğru tanımı onların kavramsal anlamalarındaki tutarsızlıklar, onlara mülakatın ikinci bölümü sırasında özel kimyasal reaksiyon durumlarında dengeyi tanımlamaları sorulduğu zaman çabucak belli oldu. Bir denge durumu hakkındaki soruları ve farklı değişkenlerin dengeyi nasıl etkilediğini yanıtlarken tüm öğrenciler zorlandılar. Onların önceki sağlam tanımları ve kimyasal dengeyi kavrayışları bazen hıza bazen de konsantrasyona bağlı olarak değişti. Onların düşünceleri sık sık sorulardaki kimyasal türlerin önemli karakteristiklerini kapsamada başarısızlığa uğradı, tıpkı bir ürünün sıvıdan kaynayarak buhar olması gibi. Hatta mülakatçı bu karakteristikleri belirttiğinde öğrenciler, bilgileri kendi açıklamaları ile zorlukla birleştirdiler. Bir katılımcı olan Andrew reaksiyon 1 başladığında idare etmeyi tahmin etme uygulamasında bu yaygın karışıklıkları örnek gösterdi. O denge haline gelindiğinde ileri yöndeki hız ile geri yöndeki hızın eşit olduğunu belirterek soruyu doğru cevaplamasına rağmen, o her kimyasal türün makro düzey konsantrasyonlarını açıklamada başarısız oldu ve cevabını bu değişkenlere bağlı olarak yanlış yönde değiştirdi, bunu yapmasıyla o tamamen reaksiyon hızının rolünü bilmezden geldi.
Ag2CO3 + 2HCl(aq) ↔ 2AgCl(s) + H2CO3(aq)
Reaksiyon 1
Mülakatçı: Şunu söyleyelim bu reaksiyon belli molar konsantrasyonlarda zamanında donar…10 M (Ag2CO3), 10 M (HCl), 5M (AgCl) ve 5 M (H2CO3). Tekrar zamanı başlatırsak reaksiyon değişir mi yoksa bu şekilde kalır mı?
Andrew: Daha fazla üründen ürün alırsınız
Mülakatçı: Neden oluyor bu?
Andrew: Çünkü Ag2CO3 ve HCl nin molar konsantrasyonları sizin ürün tarafınızdakilerden çok daha fazla. Bu da reaksiyonu ileri yönde hareket ettirecek.
Mülakatçı: peki bu duru mu yani sağa doğru gidiş duru mu? Sen reaksiyonun bu yönde olacağını söyledin bu yöne gidiş hiç durur mu ya da girenler tükenene kadar devam mı eder?
Andrew: Ürünlerin oluşum hızı bu ürünlerin tekrar girenlere dönüşüm oranına eşit olduğu zaman reaksiyon durur.
Mülakatçı: Eğer biz ürünleri 5 M almak yerine, ürünler ve girenleri 10 M alsaydık ne olabilirdi? Ne değişirdi?
Andrew: Ben katıların önemli olduğunu düşünmüyorum. Siz sadece çözeltilerle ilgileniyorsunuz. Ben gazlarında böyle olduğunu düşünüyorum ama siz düşünmüyorsunuz. Böylece burada bir sonucunuz var, bizim 10 M (Ag2CO3) ve 10 M (HCl) miz var ve sizin 10 M (H2CO3) ünüz var, böylece burada bir dengesizlik var.
Mülakatçı: tamam senin için onu dengelememe izin ver. Şunu söyleyelim; bu 20 M (H2CO3), 20 M (girenleri) dengeler. Bir şey değişir mi?
Andrew: neye inandığıma takıldım, bu aynı kalmalı
Mülakatçı: Eğer sana AgCl nin çözeltide çöktüğünü söylersem ne olur?
Andrew: Onun bir şeyi değiştireceğini düşünmüyorum.
Andrew’in açıklamalarından şu açıkça görülüyor; onun kimyasal denge kavramı sağlam değil. O, ileri ve geri dönüş hızları eşit olduğunda dengeye ulaşılacağını doğru bir şekilde ifade etmesine rağmen, o yaygın bir yanlış kavramanın kurbanı oldu, o da şudur; iki yönlü denge okunun her iki yanındaki kimyasal türlerin konsantrasyonları eşit olsa da denge oluşur. Andrew aynı zamanda kendi cevaplarındaki yanlışları haklı çıkarmak için konu dışı bilgileri anlatmayı denedi. Örneğin, şunu söyledi; “Katılar önemli değildir”. Burada o, problemi çözmek için ezbere bilgilerine bel bağlıyor gözüktü. Andrew bir kuralı doğru hatırladı; anacak o bu parçadaki probleme uygulanamaz. Eğer Andrew’e bir matematiksel denge gösteriminde denge ifadesi sorulsaydı bu kural gerekli olabilirdi. Andrew’in ezberden söylemesine güvenmesi, onun kimyasal reaksiyondaki çökeleğin önemini ihmal etmesine neden olarak başarısızlığa uğrattı. Mülakat sonrasında o, çözeltiden AgCl nin çöktüğünü fark etmede başarısız oldu. Bu gerçeği ihmal etmesinin nedeni onun döneminin yanlışlarına ya da kimyasal reaksiyondaki sembolik gösterimlerin yorumlanmasının zorluğuna mal edilebilir. Dikkate karşın, mülakatçı şu noktayı belirtti; Andrew şunu söyledi, o problemle ilgili değildi. Kimyasal dengenin doğasını sağlam bir kavramsal anlama Andrew’in şunu fark etmesine izin verebilirdi; ürün türlerinden biri çözeltiden ayrılırsa, bu türün reaksiyondaki etkili konsantrasyonu azalır. Bu probleme LeChatelier prensibinin sonraki uygulaması doğru tahminle sonuçlanabilirdi ki o da reaksiyon ileri yönde hareket edecek ve daha fazla ürün meydana gelecekti. Bizim çalışmamızdaki öğrencilerin hiçbiri her öğrenci bir reaksiyondaki dengeyi etkileyen gerçekler ve kuralların etkilerini göstermelerine rağmen çökeleklerin rolünün önemini tanımlayamadı.
Andrew’in bağlantılı kimya ile etkileşimde olduğu 45 dakikalık kurs boyunca kimyasal denge düşüncelerindeki açıkta gittikçe artan bir değişim oldu. Andrew kimyasal denge hakkında soruları cevaplarken ezbere işlemlere ve ezberlediği gerçeklere öncelikle güvendiği için o bağlantılı kimyanın içine girerken, onun problem çözme teknikleri bir bilimsel araştırmacının daha kritik yönlerini benimsedi. Mülakatın üçüncü bölümü sırasında onun düşüncelerini tartışırken Andrew, kimyasal dengenin tanımı hakkındaki yanlış kavramlarını fark edip doğrulayabildi. Sistem değişkenlerine göre moleküller arası etkileşimlerin grafik penceresinde nasıl değiştiğini gözlemleyerek Andrew, onun öğrenmelerini tanımladı, değerlendirdi ve artırdı. Diğer sorgulayıcı araştırmaya dayalı müfredatlar gibi Andrew’in kimyasal dengeyi yeniden kavraması çoğunlukla bağlantılı kimya modelleme çevrelerine bağlı oldu. Model onun tahminler yapması ve o anki geri bildirimlerini kabul etmesine izin verdi ve aynı zamanda ona cevaplarını alternatif düşünme yolları kullanarak onaylama ve doğrulama fırsatları sağladı.
Andrew’in düşüncelerindeki değişimin doğası berrak olarak mülakatın final bölümünde oluştu. İlk başta o, ezbere işlemlerle kendi tahminlerini haklı çıkarmaya devam etti, ama tahminleri ile çelişen geri bildirimleri kabul ettiği zaman o, mantıksal düşünceler ve sağlam tartışmalarla kendi yanlış kavramlarını açık bir şekilde ifade etti ve ortadan kaldırdı. O kağıt-kalem çalışması yaparken, ilk önce hız ve konsantrasyon ile ilgili kafası karıştı ve şuna karar verdi, aynı ürün ve giren konsantrasyonları kimyasal dengeyi belirler. Simülasyonu izledikten ve dengede giren konsantrasyonu ile ürün konsantrasyonunun farklı olduğunu gördükten sonra, o durumu anladı ve dengeyi hız mı yoksa konsantrasyon mu belirliyor diye açıklamaya başladı.
Mülakatçı: (Konsantrasyon plotunu işaret ederek) Tamam, bu şu anlama mı gelir onların arasındaki oran sabittir?
Andrew: Evet, kırmızılar(ürünler), yeşillere(girenlere) dönerken ve yeşiller kırmızılara dönerken hız eşittir ama, her nasılsa onlar durumdan hoşnut ki ortada kırmızılardan daha fazla yeşil var.
Mülakatçı: Peki bunlar senin daha önce söylediğin eşit miktarlarda kırmızı ve yeşil elde ederiz deyişine uyuyor mu?
Andrew: Hayır
Mülakatçı: Bunun neden olduğunu açıklayabilir misin?
Andrew: Umm..belki şu yüzdendir; ben katsayıları gözden kaçırdım, siz iki molekül NO2 yi N2O4 e dönüştürmek istediniz. Bu birebir oran değil.
Mülakatçı: Oh…böylece biz daima kırmızılardan daha fazla yeşil elde ederiz?
Andrew: Evet, çünkü diğer yolun karşısında olduğu gibi sizin bir kırmızı yapmak için daha fazla yeşile ihtiyacınız olacak. Bu benin bildiğim temel bir kavram.
Andrew denge kavramlarını artırmak için modeli kullanmış olmasına rağmen, o öğrenmesini çabucak aydınlatamadı. Yukarıdaki parçada Andrew şunu gösterdi; katsayılar yüzünden ortada daima büyük bir oranda girenler olacak ki o bu katsayıları kimyasal eşitliğe dayandırdı, bu eşitlikteki durumdan bir N2O4 molekülünden iki NO2 molekülü oluşur. Andrew’e yardım eden bağlantılı kimyanın yararlarının onun kimyasal dengeyi anlamasını açık bir şekilde ifade edişi ve açıklamasını sağladığı onun gelecek parçadaki ilerlemiş etkileşimlerinde görülür. Burada Andrew, dengede daima ürünlerden daha fazla girenler olması gerektiği hakkındaki tahminlerini test etmek için bağlantılı kimyayı kullandı ve plotting ve grafik penceresindeki bilgileri koordine ederek kafasındaki karışıklığı çözdü.
Mülakatçı: Biz daima kırmızılardan daha fazla mı yeşil elde edebiliriz?
Andrew: Umm…Evet
Mülakatçı: Neden?
Andrew: Çünkü kesin olan nokta orda her biri ile tepkimeye girecek daha fazla NO2 yoktur ve sizin bir grup N2O4 ünüz var, o geri yönde gitmek isteyecek ve yeşillere ayrılacak. Bu noktada daha fazla kırmızınız olacak.
Mülakatçı: Tamam ama biz dengede kırmızıların yeşillerden daha fazla bulunduğu bir duruma sahip olabilir miyiz – şunun gibi 5 yeşil ve 20 kırmızı? Bu sayılar keyfidir, sadece kırmızlar fazla ve yeşiller sıfır olmasın.
Andrew: Hala hayır diyebilirim çünkü hala bir kırmızı yapmak için iki yeşil gerekir (Andrew modele daha fazla ürün ekler)
Mülakatçı: Peki şimdi ne olmasını bekliyorsun?
Andrew: Şimdi bizim başlarken daha fazla yeşilimiz oldu, galiba benzer bir eğilim göreceğim, kırmızılara ne olacağını merak ediyorum, onlar artacak mı? Ama sanmıyorum. Başlatabilir miyim?
Mülakatçı: İlerle…Böylece şaşkın görünüyorsun. Yeşillerden daha fazla kırmızımız var (plotting ve grafik penceresini işaret eder).
Andrew: Evet, bunun olacağından korkuyordum (güler)
Mülakatçı: Bu hiç anlamlı mı? Onların dengede olduğunu söyleyebilir misin?
Andrew: Evet, bunun ideal olarak ne olduğu açık, bu durum doğru yol mu?
Mülakatçı: Burada aldatma yok
Andrew: Doğru. Buna dayanarak bu bana daha önce neyi yanlış söylediğimi anlatıyor. Buradan şu sonuca varabilirim, eğer NO2 nin tümünü boşaltırsanız, sonra siz çok daha fazla oranda N2O4(kırmızı) elde edersiniz ve elde ettiğiniz bu kadar çok kırmızı tekrar yeşillere ayrılır. Ama siz ilk olarak çok fazla yeşil eklerseniz, kırmızıların artmasına neden olursunuz.
Mülakatta Andrew’in bağlantılı kimya ile etkileşimi öğrenciler problem çözerken onlara destek sağlamayı simgeler. Katılımcı öğrenciler, tahminlerini test etmek ve o anki geri bildirimlerini anlamak için bağlantılı kimyayı kullanabildikleri için onlar kimyasal denge hakkındaki öğrenimlerini değerlendirip, değiştirebilirler. Bu geribildirimlerden olan kazanımlar önemsiz değildir.
Bağlantılı kimya modeller, mesela bu çalışmada kullanılan kimyasal denge modeli, öğrencilerin tahminlerinin doğru mu yoksa yanlış mı olduğunu anlatmaz. Bunun yerine, öğrenciler bağlantılı kimyadaki simule edilen kimyasal sistemin davranışlarını gözlemler ve sistemin durumu kendi tahminleri ile eşleşiyor mu diye karar verirler. Andrew’in bulduğu gibi, bağlantılı kimya öğrencilere “görsel bir laboratuar” sağlar ki burada onlar sistemdeki değişimlerin tekrarını yapabilir ve onların tahminleri sistemin davranışlarını açıklamada başarısızlığa uğradığında etkileri gözlemleyebilir. Bizim seçtiğimiz katılımcı üniversite öğrencileri şunu açıkladılar; bir kimya kavramını iyi bilen her öğrenci bağlantılı kimya geribildirimini öğrenimlerini değerlendirmek ve artırmak için kullanabilirler.
FAKTÖRLERE ODAKLANMAK, SADECE GERÇEKLERE DEĞİL
Katılımcıların kimyasal dengeyi kavramalarını kuvvetlendirmeye ek olarak, bağlantılı kimya, katılımcıları, sistem faktörlerinin bir kimyasal reaksiyonun dengesini nasıl etkilediğini düşünmeleri için destekler. Bizim mülakatımızda biz denge problemlerini tartışırken, LeChatelier ilkesinin kullanımına dair etraftaki anlaşmazlıklardan haberdar olmamıza rağmen bu ilkeyi kullanmanın önemini vurguladık. LeChatelier ilkesini kullanırken, katılımcılar, prensibin vurguladığı başlıca sistem faktörlerini (basınç, sıcaklık ve konsantrasyon) az anımsadıklarını gösterdiler. Daha dikkate değer durumlarda öğrencilerin, her faktörün kimyasal dengeyi nasıl etkilediğine dair olan nedensel mekanizmaları tanımlamadaki yetersizlikleriydi. Öbürlerinden kat kat daha, katılımcılar, her faktörün kavramsal etkilerini tanımlamada yetersizdiler. Biz bunu bu bölümde Darren’la gördük.
Mülakatçı: Bir reaksiyonun dengesini konsantrasyonun etkileyebileceğini söyledin. Onu etkileyebilecek başka bir şeylerin olabileceğini düşünüyor musun?
Darren: Evet, sıcaklık, konsantrasyon, bağ enerjisi…başka bir şeylerin olabileceğinden emin değilim.
Mülakatçı: Bu üç şeyden neden sıcaklık, konsantrasyon ya da bağ enerjisi olduğunu söyleyebilir misin?
Darren: Ben entropi demek istedim.
Mülakatçı: Tamam, entropi. Bunlar dengede ne yapmak zorundalar?
Darren: Onların hepsi kuvvettir, onların dengeyi farklı yönlere ittiğini tahmin ediyorum. Böylece, eğer eşitliğin bir tarafında daha yüksek konsantrasyon olursa, bu reaksiyonun diğer tarafa ilerlemesine yol açar. Eğer bir tarafta daha yüksek entropi varsa, bu reaksiyonu diğer tarafa çevirir. Eğer daha yüksek bir sıcaklık varsa…uh…sıcaklık reaksiyonu iki tarafa doğru da ilerletir gibi görünüyor.
Mülakatçı: Bu neden olur?
Darren: sadece, yüksek sıcaklık reaksiyonun daha kolay gerçekleşmesini sağlar. İki tarafa da aynı etkiyi yapıyor görünür.
Bu parçadan Darren’ın neden her faktörün dengeyi etkilediği hakkındaki kavramsal temelleri çok az anladığını görürüz. Onun söylediği üç faktörden sadece ikisinin (sıcaklık ve konsantrasyon) LeChatelier ilkesinde bulunmasına rağmen, o her faktörün etkilemelerinin arkasında bulunan nedensel mekanizmaları doğrulamada yetersizdir. Diğer öğrencilerde olduğu gibi, Darren’ın gerçekleri hatırlama dikkati belliydi. O şunu açıkladı; kimyasal eşitliğin bir tarafında bulunan büyük miktardaki değişken reaksiyonu karşı tarafa doğru iter. Bu prensibin ders kitaplarında bulunan standart halidir (Ek B ye bakınız). Onun kavramsal anlama eksikliği onun aynı düşünceyi entropiye uygulamasına neden oldu, sonradan o kimyasal denge durumunda bu faktörün dengenin önemli bir belirleyicisi olduğunu vurguladı. Ne yazık ki, aslında entropi dengeyi bir anlamda Darren’ın tahmininin aksi bir şekilde etkiler: entropinin yüksek olduğu durumlarda reaksiyonlar denge tarafına doğru ilerler.
Darren’ın dış faktör sorularına karşı cevapları, geleneksel kimyasal denge dersi almış olan lise ve üniversite öğrencileri gibi tipiktir (Banerjee, 1995; Kozma, 1990). Bağlantılı kimya müfredatının amacı, kuantum fiziği yolu ile dış faktörlerin etkileri altındaki tam açıklamaları sağlamak olmasına rağmen, bu öğrencilere her faktörün altında yatan nedensel mekanizmaya niteliksel bir bakış açısı sağlar. Bağlantılı kimyanın bu amacı yerine getirmesi Jane’in yazılım ile olan etkileşiminde açıktı. O, LeChatelier ilkesinin açıkladığı üç faktörü doğru tanımlamasına rağmen, Darren gibi, faktörlerin bir reaksiyonun dengesini neden ve nasıl değiştirdiğini açıklamak konusunda yetersizdi. Jane her faktörün etkisini şunu söyleyerek açıkladı; faktörler dengeyi etkiler çünkü LeChatelier ilkesi öyle söylüyor. Jane’in kavramsal anlamadaki eksikliğine rağmen, o kağıtlardaki soruları bağlantılı kimyayı kullanarak ve ezberden cevaplamada başarılı idi. Onun düşüncelerinin altında yatan kusurlar, ona daha zor sorular sorulduğunda ortaya çıktı.
Mülakatçı: Girenlerin ürünlere dönüşüm hızının 2 ye 1 olabileceğinin mümkün olduğunu düşünüyor musun?
Jane: Evet
Mülakatçı: onları bu oranda(hızda) tutabileceğini düşünüyor musun?
Jane: Evet
Mülakatçı: Bunu nasıl yapacaksın?
Jane: Miktarı değiştirerek onları elde edebilirsiniz. Önceden gördüğümüz gibi, eğer miktarı (hacmi) azaltırsak aniden daha fazla kırmızı elde ederiz. Böylece doğru oranı elde edene kadar miktarı bozabilirsiniz.
Mülakatçı: Tamam, şimdi bunu yapmayı dener misin?
Jane: Denemek mi?
Mülakatçı: Her bir kırmızı (ürün) için 2 yeşil (giren) elde etmeyi denemek (Jane modelle birkaç dakika etkileşim kurdu).
Mülakatçı: Ne yaptın burada?
Jane: Miktarı azalttım.
Mülakatçı: Doğru ve o 2 ye 1 oranında olmak için hareket ediyor.
Jane: Um..Hayır (plotting penceresini kontrol ediyor). O daha ilerdeki durum
Mülakatçı: Peki burada yapmayı düşündüğün başka bir şey var mı? Miktarı ya da başka bir şeyi değiştirmek?
Jane: Miktarı diğer tarafa değiştirmek belki
Mülakatçı: Tamam, bunu denemek ister misin? (Jane miktarı birkaç kere artırdı ama 2:1 oranına ulaşmada başarısız oldu).
Jane: Hayır…Belki sadece sıcaklığı değiştirmek
Mülakatçı: Peki sıcaklık değişiminin etkileri ne olur?
Jane: O, Qc yi değiştirir (bizim için denge sabiti)
Mülakatçı: Tamam
Jane: Böylece o oranları değiştirebilir.
Mülakatçı: Ah… tamam, peki bu şeylerin dışında hangi düşündüğün oranı değiştirebilirsin?
Jane: Sıcaklık
Mülakatçı: Sadece sıcaklık mı?
Jane: Oh! İleri ve geri reaksiyon hızını değiştirebilirsiniz.
Mülakatçı: Tamam, böylece onlar denge sabitini değiştirecekler
Jane: Evet
Mülakatçı: Bu değişkenleri oynatarak oranın 2 ye 1 olduğu bir noktayı elde edebilir misin?
Jane: Evet
Mülakatçı: Ama sen konsantrasyonu, miktarı(hacmi) ya da basıncı kullanamaz mısın?
Jane: Hayır
Mülakatın başında Jane’in problem çözme stratejileri sadece gerçeği hatırlama temelliydi ve o çoğu mülakat sorusuna ezberden başarılı cevaplar verdi. O, LeChatelier ilkesindeki üç faktörü tanımlayabiliyor olmasına rağmen, her faktörün bir sistemin dengesini etkileme yolunu doğru bir şekilde tanımlamada yetersizdi. Her faktörün etkisinin daha sağlam bir kavramsal anlaşılması Jane’i problemi cevaplamada yanlış miktar ayarlamadan caydırdı. O, yazılımla etkileşimi aracılığıyla, simülasyonda kendi bilgisini test edebildi. Onun bir değişkeni hareket ettirmesine ilişkin dengedeki değişimin nasıl olduğunu gözlemlerken, o şunu düşünebildi: sadece sıcaklık ya da hız sabitleri iki kimyasal türün oranını değiştirebilir. Konsantrasyon ya da hacmi oynatma-Jane’in ilk denediği- farklı ürün ya da giren konsantrasyonları ile sonuçlanır ama ikisinin oranı sabit kalır. Bizim mülakatımızda Jane cevaplarını deneme-yanılma hareketleri ile mantıklı kılmasına rağmen, biz öğrencilerin ve öğretmenlerin bağlantılı kimyayı sınıflarda daha etkili bir şekilde kullanabileceklerine inanıyoruz. Kimyasal denge kavramlarını öğrenme için bağlantılı kimyayı kullanırken işlem penceresini izleme ve grafik penceresinde molekülleri idare etmek için olan kuralları her değişkenin kimyasal sistemi nasıl etkilediğini görmek için kullanma fırsatları vardır. Eğer ara birim penceresinde gözlemledikleri şeyler onlar için karışıksa işlem penceresinde, grafik penceresinde olan moleküler etkileşimlerin açıklamalarını inceleyebilirler. Böylece, bağlantılı kimya her faktörün altında yatan nedensel mekanizmayı öğrencilere sağlamada bir potansiyele sahiptir.
SEVİYELERİ HAREKET ALANLARININ ÜZERİNE YÜKLEME
Bağlantılı kimyanın katılımcılara yararlarının üçüncü bir çeşidi onların; kimyanın submikroskobik, makroskobik ve sembolik düzeyleri arasındaki bağlantıyı gözlemlemelerine izin vermesidir. Ezbere gerçekleri hatırlama yetersizliklerinin yanı sıra çoğu zorluk bu seviyeleri tanımlama karışıklığına ilişkin öğrencilerin problem çözmelerine dayandırılabilir. Bizim katılımcılarımızın kimyasal dengeyi tanımlamada ya da dış faktörlerin bir reaksiyonu nasıl etkilediğini anlamalarındaki yetersizlik, öğrencilerin makro düzey olgularla submikro düzey olgular arasında iyi ilişki kurma yetersizliklerinden kaynaklanıyor gözüküyor. Daha önce bahsedildiği gibi, bu karışıklık, kimyanın gerektirdiği sembolik düzey gösterimler ile bu iki düzey arasında ilişki kurmakta zorlanan öğrenciler tarafından abartılır. Düzeylerdeki karışıklığın örnekleri her mülakatta bolca vardı. Mary ve Kathy’den kısa parçalar, katılımcılar sisteme bir katalizör ya da inert gaz eklemenin etkilerini tahmin ettiklerinde, bize tipik cevaplar sağlıyor.
Mülakatçı: Daha önce reaksiyona bir enzim ya da katalizör eklemekten bahsettin. Bunun ne yapabileceğini söyledin?
Mary: Bu reaksiyon hızını artırabilir
Mülakatçı: Tamam, hız ileri yönde mi yoksa geri yönde mi artar?
Mary: Bence yön için katalizör önemlidir
Mülakatçı: Peki, eğer biz sisteme bir enzim ya da katalizör (enzim bir biyolojik katalizördür)
Mary: Evet
Mülakatçı: eklersek, yeşiller(girenler) kırmızıya(ürünler) dönmeyi mi yoksa kırmızılar yeşile dönmeyi mi tercih eder?
Mary: Sağa (Mary bağlantılı kimyada senaryoyu uygular)
Mülakatçı: Sistemde onların (katalizör moleküllerinin) ne etkileri vardır? Denge tamamıyla değişir mi?
Mary: (O grafik penceresinden sonra plotting penceresine bakar). Hayır
Mülakatçı: Bu mantıklı mı?
Mary: Ben katalizörün reaksiyonu bir yönde hızlandırmasını umuyordum
Mülakatçı: Onun ne yaptığını düşünüyorsun?
Mary: Hmm…Belki o, her iki yöne doğru da hızlandırır
Mülakatçı: Bir kabın hacmini değiştirmiyoruz ve kaba biraz inert bir gaz olan argon gazı pompalıyoruz, böylece kaptaki basıncı artırıyoruz. Bu reaksiyonu değiştirir mi?
Kathy: Bence daha fazla N2O4 oluşacak (sonra Kathy simülasyonu oynatıyor)
Mülakatçı: İnert gaz eklemek sistemi değiştirdi mi? O sistemin dengesini bozdu mu?
Kathy: Hayır
Mülakatçı: Ama bu senin olacağını söylediğin şey değil
Kathy: Evet
Mülakatçı: Neden olmadığını söyler misin?
Kathy: Hmm…( o grafik penceresine dikkat ediyor). Çünkü o, diğerleri ile reaksiyona girmiyor. İnert gazın reaksiyona girmesi beklenmez, bu yüzden o inerttir. LeChatelier prensibi şunu söyler; basıncı artırırsak daha fazla kırmızı elde ederiz, ama açıkça bu gerçekleşmiyor. Belki prensibi ihtar etmeye ihtiyacımız var.
Bu iki katılımcının bölümleri, bağlantılı kimyanın öğrencilerin kimyadaki değişik düzeyler arsındaki ilişkiyi anlamalarına nasıl yardım ettiğini gösterir. Mary ve Kathy her ikisi de grafik penceresinde yanlış kavramalarını düzeltmek için gösterilen submikro düzey moleküler etkileşimlerin görsel canlandırımını kullanabildiler. Mary, ilk olarak katalizörlerin bir kimyasal reaksiyonda direk bir etkilerinin olduğunu tahmin etmiyordu. Kathy de makro düzey düşünmeye dayanan bir ilk tahmin yaptı; kapalı bir sisteme başka bir gaz eklemek iç basıncı artırır ve LeChatelier prensibine uygun olarak denge yer değiştirir diye varsayarak tahmin yaptı. Sadece submikro düzeyde moleküllerin nasıl etkileştiğinin gözlemlenmesinden sonra bu durum Kathy ve Mary’nin sistem davranışları hakkında doğru tahminler yürütmelerine yol açtı-diğer katılımcıların önceki kısımlarda yaptıkları gibi. Dahası, Kathy şunu öne sürerek makro düzey düşünmeyi eleştirdi; onun bağlantılı kimyadaki gözlemlerine göre LeChatelier prensibine bir uyarı verilmeliydi.
Diğer sorgulayıcı araştırma temelli modelleme paketlerinde olduğu gibi (Kozma, 1996), bağlantılı kimya, mülakat sırasında daha iyi bir öğrenme elde etmek için öğrencilerin düzeyler ile çok yönlü gösterimleri birleştirebilmelerini kolaylaştırdı. Bağlantılı kimya sınıflarda kullanıldığı zaman bu birleşme onun bir adım daha ilerlemesini sağlar. Önce olduğu gibi, biz katılımcıların öğrenmelerini, bağlantılı kimyanın konsantrasyon plotu (makro düzey) ile grafik penceresindeki görsel canlandırımları(submikro düzey) arasındaki ilişkiyi kurarak geliştirdiklerini gördük. Bu sınıfta öğrencilerin, işlemleri izleme fırsatı ve bağlantılı kimyanın bilgi penceresindeki sembolik düzeydeki kavramlarını artırma fırsatı ve bu kavramları submikro düzeydeki moleküller ve makro düzeydeki konsantrasyonlarla ilişkilendirme fırsatları vardı. Bilgi penceresindeki kimyasal sembollerle, işlem penceresindeki durumları karşılaştırmak, bir dış faktör kimyasal reaksiyonu nasıl etkiliyor diye öğrencilerin anlamasına yardım edebilir.
SON SÖZLER
Bu makale yeni bir modelleme paketi olan “bağlantılı kimya” yı tanıttı ve öğrencilerin anlamalarını ve özellikle kimyasal dengeye kimyasal kavramları uygulamalarını geliştirmeye yardım eden öğrenme yollarını tanımlamayı amaçladı. Bağlantılı kimya, StarLogoT (Wilwnsky, 1997) ve NetLogo (Wilensky, 1999) modelleme dilinde geliştirildi. Biz mülakat yaptığımız 6 başarılı fen üniversite öğrencisinde kimyasal denge ve LeChatelier prensibi hakkında yaygın birçok yanlış kavrama gözlemledik. Kağıt-kalem sorularını cevaplarken her öğrenci işlemlerden yararlandı ki bu cevaplar genellikle tamamlanmamış ve yanlış olarak sonuçlandı. Onların bağlantılı kimya ile etkileşimde oldukları kurs boyunca her öğrenci, problem çözmek ve gerekçeleri cevaplamak için algoritmalara ve gerçeği hatırlamaya daha az güvenirken, kavramsal bakış açısına daha fazla güvenir hale geldiler. Öğrenciler, bağlantılı kimyada en büyük gelişmeyi şunları denerken gösterdiler: (1) Kimyasal dengeyi tanımlamak, (2) Dengeyi etkileyen faktörleri ayırmak ve (3) Problem çözme sırasında submikro, makro ve sembolik düzeyler arasındaki değişim.
Bu çalışma şunu gösterir ki; bağlantılı kimya, kimyada başarılı olmak için gereken kavramsal düşünmeyi geliştirmek için verdiği sözü tutmuştur. Geleneksel kimya sınıflarında bağlantılı kimya modelini kullanmak için olan tasarımız, onun bu çalışmadaki rolünden daha değişiktir. Lise düzenlemelerinde, biz şimdiden, bağlantılı kimyayı öğrenme ile ilgili geniş çalışmalar ile meşgulüz. Biz onun, lise kimya sınıflarında ve üniversite genel kimya laboratuarlarında kullanılması için çalışmalar yapmak niyetindeyiz. Bağlantılı kimya sınıflarda birçok rol oynayabilir: gösteri araçları, bir laboratuar simülatörü, öğrenci görsel canlandırımı ve geribildirim aracı. Her metodun pratikliği ve faydaları, gelecek araştırmaların vazgeçilmez amacıdır.
Model temelli araştırmacı öğrenme çevreleri-bağlantılı kimya gibi- diğer fiziksel bilimlerde olduğu gibi, öğrencilerin kimyayı anlamalarını geliştirmede önemlidir. Kavramsal ve model temelli düşünme yetersizliğini ve mekanik olarak ezberlemeyi öğrenciler, kendilerindeki problem çözme yetersizliğinin “temeli” olarak gördüler. Kavramları çok yönlü gösterimleri kullanarak ve çok yönlü düzeylerde sunarak ve öğrencilerin o anki geri bildirimleri kullanmalarına yol gösterme fırsatları sağlayarak, bağlantılı kimya gibi öğrenme çevreleri öğrencilerin kimyaya olan ilgilerini yeniden diriltir ve öğrenmelerini geliştirmeyi sağlar.
EK A: PROTOTİPSEL MÜLAKAT PROTOKOL VE SORULARI
PROTOKOL BÖLÜMÜ 1: KİMYASAL DENGEDE KİŞİSEL KAVRAMLAR
1. Kimyasal denge kavramını yüksek sesle düşünün.
• Kendi kelimelerinizle kimyasal dengenin ne anlama geldiğini açıklayabilir misiniz?
• Bu sadece bir tanım mı yoksa kafanda onun ne anlama geldiğine dair bir resim var mı?
• Neden reaksiyonlarda denge kurulur?
• Bir reaksiyon kimyasal dengedeyken herhangi bir yöne doğru değişir mi?
• Tüm kimyasal reaksiyonlar denge reaksiyonları mıdır?
• Bir reaksiyonda kimyasal dengeyi hangi faktörün belirlediğini biliyor musun?
2. Radyoaktif CH3I problemi
• Eğer biz bunu bu behere bırakırsak, bir tarafta su ve hava geçirmez zarda radyoaktif CH3I ve diğer tarafta radyoaktif olmayan CH3I, gece güvenlice üstü kapatılırsa ertesi gün gelindiğinde sıvı seviyesi değişmemiş olmasına rağmen bileşimde her hangi bir değişim gözlemleyebilir miyiz?
• Bu değişime ne sebep olmuştur?
• İki taraftaki radyoaktivite miktarı eşit midir?
• Sistem dengede midir? Nasıl dengeye gelmiştir? Çabucak mı?
3. Radyoaktif NaI problemi
• Eğer biz bunu bu behere bırakırsak ki bu katı radyoaktif NaI’dır ve suda doymuş radyoaktif olmayan NaI ile örtülmüştür, ertesi gün gelsek suyun bileşiminde herhangi bir değişim gözler miyiz?
• Bu değişime ne sebep olmuştur?
• Orada eşit miktarlarda katı ve çözünmüş radyoaktif NaI olur mu? Eğer bileşimi uzun süre bırakırsak ne olur?
• İki yerdeki radyoaktiflik miktarı sabit mi kalmıştır?
• Sistem dengede midir? Nasıl dengeye gelmiştir? Çabucak mı?
4. LeChatelier prensibinin incelenmesi
• LeChatelier prensibini duydunuz mu?
• LeChatelier prensibinin ne söylediğini bana anlatabilir misiniz?
• Eğer bir kaptaki basıncı azaltırsam bu bir denge reaksiyonuysa hiç değişim olur mu?
• Eğer denge reaksiyonuna daha fazla ürün eklersem bir değişim olur mu?
• Denge reaksiyonuna bir inert gaz ekler ve bu şekilde basıncı artırırsam bu reaksiyonu nasıl etkiler?
• Eğer denge reaksiyonuna bir katalizör eklersem bu reaksiyonu nasıl etkiler?
• Basıncı düşürmek neden bu etkiyi yapmıştır anlatabilir misin?
• Bir türün konsantrasyonunu değiştirmek neden bu etkiyi yapmıştır?
• Yukarıdaki değişkenlerden hiç biri reaksiyon hızını ve sabitini değiştirir mi?
•
PROTOKOL BÖLÜMÜ 2: GELENEKSEL PRIBLEM ÇÖZME
5. Sembolik tanımlama ve kimyasal dengenin matematiksel ifadesi
2HF(g) ↔ H2(g) + F2(g)
• Bu reaksiyonun denge reaksiyonu olup olmadığını söyler misin? Bunu nasıl söyleyebilirsin?
• Karşılıklı hız sabitleri reaksiyonda eşit midir?
• İleri reaksiyon hızı ile geri reaksiyon hızı eşit midir?
6. Dengeyi etkileyen durumları anlama
Ag2CO3(aq) + 2HCl(aq) ↔ 2AgCl(s) + H2CO3(aq)
• Yukarıdaki reaksiyonun denge reaksiyonu olup olmadığını söyler misin?
• Bunu nasıl söyleyebilirsin?
• Eğer bu reaksiyonu dengede başlatırsak dengede kalır mı? Neden kalır ya da kalmaz?
• Bu değişkenlerin her birinin durumu dengeyi etkiler mi?
• Hızı etkiler mi? Hız sabitini? Hız kuralını yazabilir misin?
HCl(aq) + NaH(aq) ↔ H2(g) + NaCl(aq)
• Yukarıdaki reaksiyonun denge reaksiyonu olup olmadığını söyler misin?
• Bunu nasıl söyleyebilirsin?
• Eğer bu reaksiyonu dengede başlatırsak dengede kalır mı? Neden kalır ya da kalmaz?
• Bu değişkenlerin her birinin durumu dengeyi etkiler mi?
• Hızı etkiler mi? Hız sabitini? Hız kuralını yazabilir misin?
• Denge ifadesini yazabilir misin?
• Denge sabiti Kd= (CO2) neden budur açıklayabilir misin?
7. Kimyasal dengenin beklenen sonuçları
2NO2(g) ↔ N2O4(g)
• Kapalı bir kapta bir denge reaksiyonu olan bu reaksiyonumuz var. İleri ve geri hız sabitleri eşit midir?
• Eğer kabın hacmini azaltır ve basıncı artırırsam ne olur?
• Eğer karışıma daha fazla N2O4 gazı koyarsam ne olur?
• Eğer sistemin sıcaklığını 100°C ‘den 300°C’ye çıkarırsam ne olur?
•
PROTOKOL BÖLÜMÜ 2: BAĞLANTILI KİMYAY KULLANMAK
8. Ödev bitimi
• Ben size modelin nasıl çalıştığını anlattıktan sonra aşağıdaki reaksiyona ilişkin bazı ödevleri tamamlamanızı ve problemi çözerken neler düşündüğünüzü ban anlatmanızı istiyorum.
2NO2(g) ↔ N2O4(g)
• Sistemin hacmini düşürebildiğiniz kadar düşük hacme düşürüp bana sisteme ne olduğunu söyleyebilir misiniz? Neden bu oldu?
• Eğer sisteme daha fazla yeşil eklersek sistem değişir mi? Nasıl?
• Girenlerin oranını ürünlerin oranına 2:1 şeklinde eşitleyebilir misiniz?
• Eğer sisteme katalizör eklersek ne olur?
• Eğer basıncı artırırsak ne olur?
•
EK B: LECHATELİER PRENSİBİNİN ÖZETİ
LeChatelier ilkesi şunu belirtir; kimyasal dengede bir sistem sıcaklı, basınç yada konsantrasyon değişimleri tarafından bozulursa sistem bu değişkenlerin değişimini önlemek için denge durumuna doğru yön değiştirir. Bir dengedeki faktörlerin her değişimi sistemin yeniden düzenlenmesine neden olur.
Özet olarak
Bir kabın hacmini düşürmek toplam gaz miktarı üretim işlemini en aza indirmenin tarafını tutar.
Sıcaklığı artırmak enerjiyi tüketmenin tarafını tutar.
Girenleri artırmak reaksiyona girenler konsantrasyonunu azaltmanın tarafını tutar.
Kabullenme
Bu makalenin hazırlığı Ulusal fen kurumu tarafından desteklenmiştir. Burada geçen fikirler tam anlamıyla destek veren acentanın görüşlerini yansıtmaz. Biz Shoran Levy, Lorenzo Pesce ve Seth Tsiue ‘ya teşekkür ederiz.
|
Ara
Bu içeriğin geçmişi: 
12 Aralık 2009 00:03:52 tarihinde 
