Kjemi fagdidaktikk bla i bok

Vivi Ringnes • Merete Hannisdal Ringnes og Hannisdal

Kjemi fagdidaktikk Kjemi i skolen 3. utgave • Hva er kjemifagets egenart?

• Hvordan kan læreren fremme elevenes forståelse av kjemi?

Denne tredje utgaven av fagboken Kjemi fagdidaktikk – Kjemi i skolen er tilpasset de siste endringene i skolens læreplaner, den har et nytt under­ kapittel om organisk kjemi, og oppdaterte referanser.

Boken belyser utfordringer som elevene har i læringen av kjemi og gir ­anbefalinger for lærerens undervisning. Den diskuterer hvordan det ­praktiske arbeidet best kan utføres og bruk av modeller i kjemiunder­visningen. Den gir også en oversikt over skolefagets historie.

Boken er beregnet på kjemistudenter som tar praktisk-pedagogisk ut­danning, på studenter i lektor- og adjunktprogrammene i realfag og på studenter som tar masterutdanning i naturfag. Den er også aktuell for lærere som tar etter- og videreutdanning, og for lærere i skolen. merete hannisdal er førstelektor ved Høgskolen i Oslo og Akershus, Fakultet for lærerutdanning og internasjonale studier. Hun har lang erfaring fra undervisning i grunn­ skole, videregående skole og lærerutdanning. Merete Hannisdal har deltatt i ­nasjonalt fagplanarbeid og er medforfatter av Kjemi for lærere (Gyldendal akademisk) og lære­ verket Kjemien stemmer (Cappelen Damm) for programfaget kjemi i videre­gående skole.

Hun er også forfatter av kjemidelen i læreverket Eureka! 8–10 (Gyldendal) for ungdoms­ trinnet.

Kjemi fagdidaktikk

Dette er noen av spørsmålene forfatterne søker å gi svar på i denne boken.

Kjemi fagdidaktikk Kjemi i skolen 3. utgave

vivi ringnes er dr.scient. i kjemi fagdidaktikk. Hun har lang erfaring fra undervisning

ISBN 978-82-02-44679-6

3. utgave

i videregående skole og i lærerutdanningen ved Institutt for lærerutdanning og skole­ tjeneste og Skolelaboratoriet i kjemi ved Universitetet i Oslo. Vivi Ringnes er medforfatter av Kjemi for lærere (Gyldendal akademisk) og læreverket Kjemien stemmer (Cappelen Damm) for programfaget kjemi i videregående skole.

cda.no

Kjemi fagdidaktikk 3 utgave omslag.indd 1

20.10.14 14:12

Forord Fagboken Kjemi fagdidaktikk – Kjemi i skolen foreligger nå i 3. utgave. Den er tilpasset de siste endringer i skolens læreplaner, den har et nytt underkapittel om organisk kjemi, og litteraturen er oppdatert.

Kjemi fagdidaktikk belyser kjemiundervisningens «hva, hvordan og hvorfor». Boken omfatter derved kjemiundervisningens mål og innhold, og også den praktiske gjennomføringen av undervisningen. Den gir argumenter for hvorfor elever bør lære kjemi. Boken tar utgangspunkt i mål og innhold i kjemidelen av naturfaget i skolen og i kjemi programfag i videregående skole etter LK06.

Denne boken viser utfordringer elever har med å lære seg kjemi. Utfordringene har sammenheng med at kjemi er hierarkisk oppbygget, har et eget formelspråk og omtaler partikler som ikke kan sees. Kjemiens egenart tilsier at elevene skal observere stoffene i en kjemisk reaksjon på makronivå, gi forklaringer på mikronivå og representere reaksjonen med formler og likninger. Boken viser hvordan læreren kan fremme elevenes kjemiforståelse innen forskjellige deler av kjemien, og bygger på kunnskap om elevers forutsetninger og læringsvansker. Teksten er utformet med støtte i forskning og egen undervisningserfaring.

Kjemi fagdidaktikk viser leseren samspillet mellom teoretisk viten og praktisk arbeid og hvordan det praktiske arbeidet i kjemi best kan utføres i skolens laboratorium. Modeller og modellbruk og læring av kjemi er andre temaer som diskuteres. I tillegg har boken et kapittel om kjemifaget i skolen fra begynnelsen av 1900-tallet.

Boken er beregnet på studenter som har kjemi i fagkretsen og tar praktisk-pedagogisk utdanning, på studenter i lektor- og adjunktprogrammene

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 7

28.10.14 14:25

8 forord i realfag, og på studenter som tar masterutdanning i naturfag. Boken vil også være til støtte for naturfag- og kjemilærere i skolen.

Oslo, september 2014 Vivi Ringnes og Merete Hannisdal

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 8

28.10.14 14:25

Kapittel 1

Kjemi og kjemididaktikk 1.1

Kjemi som vitenskapsfag

Opprinnelsen til ordet kjemi Ordet kjemi eller chemistry (eng.) ble første gang benyttet i England på midten av 1600-tallet. Det har sitt opphav i alkymi, som var kunsten å omdanne metaller til gull. Opprinnelsen til kymi/kjemi er man usikker på.

Et forslag er at det har sin rot i kinesisk Kim-Iya, som betyr gullmaker-saft.

En annen tolkning er at ordet kjemi har sin opprinnelse i det greske ordet khymos (gr.) = saft. I alkymien lette man jo etter saften som skulle gi evig liv.

Definisjoner på kjemi I den første Encyclopedia Britannica fra 1770 ble kjemi definert på denne måten: The object and chief end of chemistry is to separate the different substances that enter into the composition of bodies; to examine each of them apart: to discover their properties and relations; to decompose those very substances, if possible; to compare them together, and combine them with others; to reunite them again into one body, so as to reproduce the original compound with all its properties; or even to produce new compounds that never existed among the works of nature, form mixtures of other substances differently combined.

Definisjonen er omfattende og beskriver hva kjemikere arbeidet med på den tiden. Vi ser at de var opptatt av å skille (separere) stoffer som inngår i kroppens organer, og å utforske disse stoffenes egenskaper og reaksjoner.

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 9

28.10.14 14:25

10 kapittel 1 kjemi og kjemididaktikk De var dessuten opptatt av å lage nye stoffer, også stoffer som ikke fantes naturlig. I den siste utgaven av leksikonet er kjemi definert slik: The science that deals with the properties, composition, and structure of substances (defined as elements and compounds), the transformations they undergo, and the energy that is released or absorbed during these processes. (Encyclopedia Britannica 2014)

Etter den siste definisjonen ser vi at kjemi handler om grunnstoffer og kjemiske forbindelser, og deres egenskaper, oppbygning (sammensetning og struktur) og reaksjoner. Nå er også energiforandringen i kjemiske reaksjoner tatt med. En tilsvarende definisjon brukes i vårt land på universitetsnivå, og også i kjemi i videregående skole: Kjemi er læren om stoffene, deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner og om energiforandringer ved stoffendringer. (Grønneberg mfl. 2012:8)

Utviklingen av kjemi som vitenskapsfag i Norge Kjemi som høyskolefag ble etablert ved Det kongelige norske bergseminar i Kongsberg med tilknytning til sølvverket. Undervisningen i kjemi startet opp i 1757 og da i et eget laboratorium. Bergseminaret ble i 1811 innlemmet i det nyopprettede Fredriks universitet – nå Universitetet i Oslo. (UKI 1981) Den første universitetslærer i kjemi ble utnevnt i 1814. J.J. Keyser ble ansatt som professor i både kjemi og fysikk. Han hadde vikariert for H.C. Ørsted i København i to år, og fikk innredet et laboratorium i Oslo der han demonstrerte de reaksjonene han foreleste om. Studentene var medisinere, farmasøyter og etter noen år også studenter innen bergverk. Studentene hadde ingen bakgrunn i kjemi fra egen skolegang, så dette var deres første møte med grunnleggende kjemiopplæring. Keyser fikk etter hvert en medhjelper i kjemi, og det var amanuensis M.C.J. Thaulow. Han utga i 1841 Norges første kjemibok: Chemiens Anvendelse i Agerdyrkningen. Thaulow fikk bolig i det samme huset som rommet «det chemiske Laboratorium».

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 10

28.10.14 14:25

1.2 kjemi fagdidaktikk 11

Figur 1.1 Ellen Gleditsch i laboratoriet i 1930årene sammen med assistentene Ernst Føyn og Ruth Bakken.

Først i 1882 fikk kvinner rett til å ta examen artium, som inntil da ble avlagt ved universitetet. Den første kvinnen som tok hovedfag i kjemi, var Liv Gleditsch, i 1923. Hennes søster, Ellen Gleditsch, var den første kvinnen som (i 1903) fikk ansettelse i kjemi ved universitetet – først som assistent – senere (i 1929) som professor i uorganisk kjemi ved Universitetet i Oslo.

Hun ble en internasjonalt anerkjent forsker i radiokjemi.

I starten var kjemi ved Universitetet i Oslo et støttefag for andre studier – spesielt medisin. Men ved Kjemisk institutt utviklet faget seg etter hvert til et eget forskningsområde under ledelse av de kjente kjemiprofessorene A. Strecker (1822–1871), P. Waage (1833–1900), H.J. Goldschmidt (1857–1937) og O. Hassel (1897–1981). På slutten av 1800-tallet delte man instituttet i en avdeling for uorganisk kjemi og en for organisk kjemi. På 1930-tallet ble det også opprettet en avdeling for fysikalsk kjemi og elektrokjemi. Senere er kjemien blitt stadig mer spesialisert, og nye fagområder er opprettet, som analytisk kjemi, biokjemi, teoretisk kjemi og miljøkjemi.

I våre dager brukes andre forskningsmessige inndelinger. Kjemisk institutt ved Universitet i Oslo tilbyr i dag tre bachelorprogrammer: Kjemi, Materialer, energi og nanoteknologi og Molekylærbiologi og biologisk kjemi.

1.2

Figur i labor samm Ernst

Kjemi fagdidaktikk

Kjemididaktikk Fagdidaktikk som fagfelt bygger på forskning og kunnskap fra vitenskapsfaget og pedagogikken og dessuten på erfaring fra undervisningspraksis.

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 11

28.10.14 14:25

12 kapittel 1 kjemi og kjemididaktikk Arbeidsområdene oppgis til: Fagdidaktikk er alle de refleksjoner en kan knytte til et fag og undervisning av dette faget, som kan gi økt kunnskap om fagets beskaffenhet, om fagets legitimering og økt kunnskap om hvordan faget kan læres, undervises og utvikles.

(Lorentzen mfl. 1998:7)

På de neste sidene nevnes eksempler på emner som diskuteres i fagdidaktikk i kjemi – i kjemididaktikk. Vi utdyper eksemplene senere i boken. Noen av problemstillingene diskuteres også i fagdidaktikk for andre fag. Dette er vel likevel ikke grunn nok til å samle enkeltfagenes didaktikk i ett kurs som naturfagdidaktikk. Det er fordi hvert av naturfagene kjemi, fysikk, biologi og geologi har sine spesielle begreper, teorier og modeller, og også arbeidsmåter.

Fagdidaktikk i dagens lærerutdanning Med kjemiutdanning fra universitet må man ta ett års praktisk-pedagogisk utdanning (PPU) for å bli ansatt i norsk skole. Utdanningen omfatter pedagogikk, fagdidaktikk i ett eller to skolefag og praksisopplæring på 12–14 uker i skolen. Fagdidaktikk i kjemi blir vanligvis ikke tilbudt som et eget kurs. Det inngår i et felles kurs i naturfag for studenter med kjemi, fysikk, biologi og/eller geologi i fagkretsen.

I grunnskolelærerutdanningen er fagdidaktikk og opplæring i faget integrert. Etter 2003 er naturfag ikke lenger et obligatorisk fag i lærerutdanningen. Studenter som i dag velger å spesialisere seg for undervisning på 5.–10. trinn, kan velge naturfag, og tar da 60 studiepoeng i faget. Studenter som spesialiserer seg for undervisning på 1.–7. trinn, kan velge 30 eller 60 studiepoeng i naturfag. Naturfaget består i tillegg til kjemi også av fysikk, biologi, geofag, teknologi og naturfagdidaktikk.

1.3

Emner innen kjemididaktikken

Kjemiens legitimitet i skolen Argumentene for kjemi i skolen vil for en stor del være de samme fire som Sjøberg (2009:187) har gitt for naturfag generelt.

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 12

28.10.14 14:25

1.3 emner innen kjemididaktikken 13

• Ut fra økonomiargumentet trenger samfunnet personer til å videreutvikle kjemisk kompetanse som kan bidra til økonomisk vekst og bærekraftig utvikling.

• Ut fra nytteargumentet er vi alle konsumenter som trenger kjemikunnskap for å tolke produktinformasjon for mat, vaskemidler og tekstiler og for å vurdere metoder for avfallsbehandling.

• Kulturargumentet peker på naturvitenskapens virksomhet og dens produkter som en pilar i samfunnsutviklingen. Kjemiens medisiner, sprengstoffer, tilsetningsstoffer og nye materialer har endret vår livsform og bidratt til vår kultur – på godt og vondt.

• Demokratiargumentet går på at fremtidige samfunnsborgere trenger kunnskaper og ferdigheter fra kjemifaget for å delta i debatter og ta beslutninger på faglig grunnlag.

Et fag må i konkurranse med andre fag stadig forsvare sin plass i skolen.

Da er det viktig å kunne begrunne hvorfor vi skal ha kjemi i skolen. I de ulike fag- og læreplaner er forskjellige argumenter brukt, og vi har gruppert dem i seks punkter nedenfor. Vektleggingen av hensiktene vil først og fremst avhenge av utdanningstrinnet.

Hensikten med kjemi i skolen kan være å: 1 lære kjemi som elevene kan ha nytte av i dagliglivet 2 formidle kunnskap om kjemiske produkter og prosesser slik at elevene har faglig bakgrunn for å ta medansvar i samfunnslivet, inkludert sikker omgang med stoffer 3 vise at kjemi er en viktig del av vår kultur 4 danne et grunnlag for videre studier i kjemi og fag som bygger på kjemi 5 utvikle elevers evne til problemløsning og deres innsikt i naturvitenskapelige arbeidsmetoder 6 øke elevers interesse for kjemi og naturvitenskap

Kjemiens egenart Kjemien handler om kjemiske stoffer og deres egenskaper og reaksjoner.

Fagdidaktikken har til oppgave å beskrive de grunnleggende begreper, teorier, modeller og metoder i faget. Kjemien har sine egne modeller, og i

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 13

28.10.14 14:25

lusd mfl.

70 kapittel 4 undervisning av kjemibegreper

OH O Benzen CH 3

Et epoksid CH 2OH

Toluen

Benzylalkohol

Fenol COOH

Benzosyre

Figur 4.3 Omdanning av benzen og toluen i kroppen.

4.2 Partikkelmodellen i skolen Partikkelbegrepet I skolen brukes ofte ordet partikler som et fellesord for de minste byggesteinene i stoffene, og partikkelbegrepet inkluderer da atomer, molekyler og ioner. Vi snakker om partikler når vi skal beskrive for elevene hvordan faste stoffer, væsker og gasser er bygget opp, og også for å forklare faseoverganger, utvidelse ved oppvarming, gasstrykk og diffusjon. Partikkelmodellen har vært nevnt i alle læreplaner i naturfag fra M74, og den inngår i LK06 som et kompetansemål som skal være nådd etter avsluttet 7. trinn: Mål for opplæringen er at elevene skal kunne forklare sentrale egenskaper ved gasser, væsker, faste stoffer og faseoverganger ved hjelp av partikkelmodellen.

Et argument mot bruken av partikler som fellesbetegnelse på atomer, molekyler og ioner er at ordet også anvendes om andre «smådeler». Lære­bøkene skriver om partikler i forbindelse med atomets bestanddeler, altså om protoner, elektroner og nøytroner. Disse partiklene inngår ikke i «partikkel­ modellen».

Modellens muligheter og begrensninger Med partikkelmodellen kan vi på mikronivå forklare elevene dagligdagse hendelser som matlukt i stuen, solslyng på jernbaneskinner, at sukker­biten

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 70

28.10.14 14:25

4.2 partikkelmodellen i skolen 71

smelter ved oppvarming

fordamper ved oppvarming

størkner ved avkjøling

kondenserer ved avkjøling

fast stoff

væske

gass

Figur 4.4 Faseoverganger illustrert med partikler (Frøyland mfl. 2006).

løser seg raskere i varmt vann enn i kaldt, at termometersøylen stiger med økende temperatur, at ballonger blir slappe når de henges ut i vinter­kulden, og at kaldt vann har større tetthet enn varmt vann. Vi behøver ikke å spesifisere om partiklene er atomer, molekyler eller ioner. Slik unngår vi det kompliserende forhold at partiklene i jernmetall og heliumgass er enkeltatomer (Fe, He), mens partiklene i oksygengass og vann er molekyler (O2, H2O). Og videre at partiklene i salter (NaCl, NaHCO3) er ioner (Na+ og Cl–, Na+ og HCO3–).

Lærebøker velger ofte vann som eksempel på et stoff i de ulike tilstandene. Det er naturlig fordi alle vannets tre faser – is, vann og vanndamp – er kjent for elevene, og fordi fasene lett lar seg demonstrere på skolen. Vann er imidlertid atypisk fordi det utvider seg når det går over til fast stoff (is), og fordi vannet utvider seg også når det avkjøles fra 4 oC til 0 oC (ved 4 oC er vannets tetthet størst). Det betyr ikke at partikkelmodellen er en dårlig modell, men at den også har sine begrensninger.

Oppvarming og faseoverganger Det er mange stoffer som ikke gjennomløper de tre fasene suksessivt. Noen stoffer går for eksempel direkte fra fast stoff til gass, slik som jod. Vi sier da at stoffet sublimerer. Det samme skjer med tørris, CO2(s), som ved oppvarming går direkte over til karbondioksidgass. Andre stoffer kan spaltes (dekomponeres) til nye stoffer når de varmes opp. Det skjer når vi lager knekk ved å varme opp sukker. Når sukkermolekylene (C12H22O11) brytes

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 71

28.10.14 14:25

72 kapittel 4 undervisning av kjemibegreper ned, dannes vannmolekyler og molekyler av hundrevis av aromastoffer og fargestoffer. Disse gir den gode karamellsmaken og den brune fargen. Også nitrater, karbonater og klorater blir spaltet ved oppvarming. Før laget man oksygengass i skolen ved å varme opp kaliumklorat: 2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g) eller kaliumpermanganat: 2KMnO4(s) → K2MnO4(s) + O2(g) + MnO2(s). Nå fremstiller vi oksygengass enkelt ved å spalte en løsning av hydrogenperoksid med kaliumjodid eller brunstein som katalysator: 2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g).

4.3 Elevers forestillinger om stoffer og partikler «Kjemiske stoffer er giftige, og naturlige stoffer er sunne» Disse oppfatningene er vanlige, men ikke nødvendigvis riktige. I dagliglivet skiller mange mellom naturlige stoffer på den ene siden og kjemiske eller kunstige stoffer på den andre siden. Dette var utgangspunkt for en oppgave som ble laget og gitt i den internasjonale naturfagundersøkelsen SISS. Elevene skulle velge ett av fem utsagn som var riktig om stoffer (Sjøberg 1986:196). Tre av de alternative svarene viste vanlige feilaktige oppfatninger om kjemiske stoffer. De tre alternativene var: «Kjemiske stoffer hører ikke hjemme i naturen», «Kjemiske stoffer er som regel skadelige» og «Naturlige stoffer kan ikke være skadelige». Vi har summert svarprosentene for disse tre utsagnene. Resultatet ble for 9. klasse 49 %, for 3. klasse på språkog samfunnsfaglige linjer i videregående skole 37 % og for 3. klasse på naturfaglinjen 17 %. Forestillingen om at kjemiske stoffer er skadelige og fremmede i naturen, avtar altså med årene og med utdanning i kjemi. Men forestillingen er seiglivet. Ideen er nok også utbredt i våre dager. Mediene bygger stadig opp under denne forestillingen, og mange villedes til å tro at kjemiske stoffer er giftige, skadelige og ikke naturlige.

«Stoffer brenner opp og forsvinner» Etter mange elevers mening brenner et stearinlys bare opp (Sjøberg 1986:228). Det gir fra seg varme og lys under forbrenningen, men noen nye stoffer dannes ikke. Elevene har ikke utviklet noen forståelse for at masse bevares i en kjemisk reaksjon. Spesielt vanskelig er det å forstå kon-

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 72

28.10.14 14:25

4.3 elevers forestillinger om stoffer og partikler 73

serveringen av masse når forandringen involverer gasser. Elever oppfatter jo gjerne gasser som vektløse. Antagelig vil en partikkelforståelse av stoffer være til hjelp for å forstå prinsippet om konservering av masse både ved faseoverganger og i kjemiske reaksjoner.

«Alt som kan helles, er væsker» Undersøkelser har vist at barn strever med å forklare hva en væske og hva et fast stoff er. De beskriver gjerne en væske som noe vandig, og noe som kan helles (Stavy 1994). De får da vansker med å avgjøre om honning, tyktflytende oljer, hårsjampo og pulvere er væsker eller faste stoffer. Som nevnt på side 52 oppfattes vann som prototyp på en væske, og også andre væsker bør derfor være uten farge, lukt og smak.

Ordet væske brukes på forskjellige måter. Noen mener at en væske er ett kjemisk stoff i væskeform, slik som H2O(l) eller Hg(l). I kjemien bruker vi ordet slik, som en betegnelse på tilstanden ett enkelt stoff er i. Men i dagligtale er en væske også en blanding av stoffer i flytende form. Eksempler på væsker i denne betydningen er bensin, saft og hårsjampo. Vi kan ikke si at én bestemt betydning er riktig, men vi bør vite at begge oppfatninger eksisterer.

«Fast stoff må være hardt» Mange barn mente at et fast stoff var noe som var hardt (Stavy 1994). Blant de fremlagte produktene valgte de pengestykker, stearinlys og metall som eksempler. Men plast var vanskelig å plassere i en bestemt gruppe for barna.

Plasten var ikke hard nok. Er vi lærere oppmerksomme på at elever har slike problemer med å angi og bruke kjennetegn på stoffenes ulike tilstander?

På norsk har vi ikke noe eget ord for den tilstanden vi symboliserer med (s). Et «fast stoff» er en ordkonstruksjon og finnes ikke i barnas daglige vokabular. Et fast stoff er bare noe de treffer på i naturfagtimene.

«Mellom luftpartiklene er det luft og vannpartiklene vann» Det er ikke alltid vi lykkes med å formidle at det er tomrom mellom partik­ lene i et stoff. Mange elever tror at det er luft mellom oksygen- og nitrogen­ molekylene i luft.

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 73

28.10.14 14:25

g den lekyenset sen &

74 kapittel 4 undervisning av kjemibegreper Tilsvarende tror de at det er vann mellom vannmolekylene. Kanskje kan vi lærere og lærebokforfattere ha noe skyld i slike oppfatninger. Når vi tegner partikler for å illustrere en væske i et kar, avgrenser vi ofte stoffet i karet med en rett linje. Den kan gi inntrykk av en væskeflate. Da er det ikke så rart at elever tror partiklene flyter i vann. Kjemikere mener derimot at partiklene er selve væsken, se figur 4.5.

Sur

OH– H2O H+ Overskudd av H+-ioner pH < 7 Figur 4.5 Skyggeleggingen og avgrensningen av væskemengden kan gi inntrykk av at vannmolekyler og ioner er omgitt og avgrenset av vann (Strandegaard Andersen & Parbo 1990:18).

«Det er andre partikler i vann enn i vanndamp» Når vi presenterer faseoverganger i et rent stoff, er det viktig å presisere at det ikke skjer noen endring med partiklene. Det er de samme vannmolekylene i vann som i vanndamp. Men dette er ikke selvfølgelig for elever.

Mange beskriver de store boblene i kokende vann som hydrogengass og oksygengass (Osborne & Cosgrove 1983). De tror at vannmolekylene blir spaltet til hydrogen- og oksygenmolekyler under kokingen.

«Kobberatomer er rødbrune og smibare» Skoleforskning har vist at elever overfører egenskaper som stoffer viser på makronivået, til partiklene på mikronivået. Kobber er rødbrunt, og elever tror at kobberatomene derfor må være rødbrune. Andre vanlige misoppfatninger er at partiklene i et stoff smelter når stoffet smelter, og at partik­

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 74

28.10.14 14:25

4.4 oppgaver om stoffer 75

lene utvider seg når stoffet utvider seg med temperaturen. Men et stoffs egenskaper kan ikke overføres til en enkelt partikkel. I opplæringen bør vi legge vekt på at stoffegenskaper som farge og hardhet har sammenheng med organiseringen av de mange partiklene i stoffet, og hvilke partikler stoffet er bygget opp av.

4.4 Oppgaver om stoffer Oppgave 4.1 Vi har ulike begreper for stoffer og stoffblandinger: et rent stoff, en blanding, et kjemikalium, et mineral, et produkt, et materiale, et kunstig stoff, et naturlig stoff og et syntetisk stoff. Gi ett eksempel på hvert begrep, og forklar kort hva vi legger i begrepet.

Oppgave 4.2 Diskuter følgende påstander, og avgjør om hver av påstandene kan sies å være riktig eller gal: a. Et kjemikalium er et giftig stoff. b. Kunstige stoffer er syntetiske stoffer. c. Naturlige stoffer er sunne. d. Et produkt er en blanding av stoffer. e. Et kjemikalium er et rent stoff. f. Syntetiske stoffer er giftige. g. Ren mat er mat uten kjemiske stoffer. h. Kvarts (SiO2) er en bergart. i. Om et stoff er et kjemikalium, avhenger av hvordan det brukes.

Oppgave 4.3 I Akershus har museet Fetsund Lenser et eget miljøhus med utstilling, informasjon og oppgaver i naturfag for barn og voksne. På Nysgjerrigark 3 stod denne innledningen for omtalen av mineraler og bergarter: Mineraler og bergarter Vi kjenner alle til at de minste delene vi forholdsvis greit kan dele alt jordisk materiale opp i er de delene vi kaller grunnstoffer eller atomer. Det er nå funnet

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 75

28.10.14 14:25

5.5 vurderinger ved valg av modell 173

5.5 Vurderinger ved valg av modell En god modell En god modell har fremtredende trekk som vi regner som positive sider, og disse må elevene gjøres oppmerksom på. Også en diskusjon om negative og nøytrale sider ved modellen er nyttig for elevers forståelse av både modell og virkelighet og for bevisstgjøring i bruken av modellen. Flere modeller kan av og til brukes for å beskrive den samme virkeligheten. Elevene bør derfor trenes i å finne frem til positive og negative sider ved modeller.

Kriterier for valg av modell kan være at den er enkel i sin konstruksjon, at ethvert forhold i virkeligheten som vi ønsker å poengtere, blir belyst i modellen, at modellen gir en forklaring på fenomener elevene møter på det aktuelle trinnet, at den kan forklare flere forhold ved virkeligheten, og at modellen stimulerer elever til videre refleksjon om virkeligheten.

Noen hevder at man på ett undervisningstrinn ikke må introdusere en modell som er i konflikt med en mer detaljrik modell som innføres på et senere trinn (Levine 1974). Vi deler ikke denne oppfatningen. Det er for eksempel ingen grunn for å presentere den vitenskapelig aksepterte Schrødingers atommodell (skymodellen) på ungdomstrinnet. Derimot kan Bohrs atommodell (skallmodellen) fra 1913 danne et godt grunnlag for beskrivelser av atomets oppbygning tilpasset elevenes behov. Bohrs modell blir derfor foretrukket. Hvis vi senere skulle ønske å ta skymodellen i bruk, må vi presisere overfor elevene hvorfor vi velger en ny modell.

Valg av modell Vi avslutter med å liste opp viktige forhold ved bruk av modeller i undervisningen. Flere av forholdene har vi presentert tidligere i kapitlet.

• Modeller er nyttige fordi de lar noe nytt, ukjent, dyrt, farlig og/eller komplisert bli representert med noe enklere og velkjent.

• Modeller er menneskeskapte konstruksjoner. De er aldri selve virkeligheten. Det er ulike grader av likhet eller overensstemmelse mellom en modell og originalen den skal representere.

• En modell er en overforenkling av virkeligheten som kan være et objekt, en prosess eller et system. Modellen kan beskrive enkelte forhold ved virkeligheten, mens andre forhold blir direkte galt representert. Det

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 173

28.10.14 14:26

174 kapittel 5 modeller og modellbruk i kjemi er viktig å ta opp både de positive og negative sidene ved modellen i undervisningen.

• Elever møter til undervisningen med sine egne private modeller. Vi lærere bør skaffe oss kjennskap til ideer som elever har om et bestemt fenomen, f.eks. elektrisk strøm i metaller, før vi starter undervisningen.

• Ulike modeller kan benyttes for å beskrive en bestemt virkelighet. Ved skifte av modell i undervisningen må vi poengtere hvorfor den nye modellen velges, og hva det er ved den tidligere modellen som gjør at vi foretrekker en annen.

• I lærebøker presenteres elever for todimensjonale illustrasjonsmodeller (tegninger) av konkrete modeller laget i tre dimensjoner. Mange elever har vansker med denne visualiseringen. Så ofte som mulig bør de få arbeide med tredimensjonale, konkrete modeller.

5.6 Oppgaver Oppgave 5.1 Ta for deg et kapittel i en lærebok i naturfag eller kjemi. Velg klassifiserings­system, og klassifiser de modellene du finner i kapitlet. Presenter dine funn, gjerne i tabellform.

Oppgave 5.2 Diskuter fordeler og ulemper ved å presentere den historiske utviklingen av atommodeller i undervisningen.

Oppgave 5.3 a. Nevn tre positive og tre negative sider ved i) kulepinnemodeller og ii) kalott­ modeller. b. Hva kalles klassen for kulepinne- og kalottmodeller i hvert av de tre klassifiseringssystemene som er nevnt i dette kapitlet?

Oppgave 5.4 Hva representerer hver av pinnene a. i en kulepinnemodell av et vannmolekyl b. i en krystallmodell av koksalt

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 174

28.10.14 14:26

5.6 oppgaver 175

Oppgave 5.5 Nedenfor i figur 5.10 er det gjengitt tegninger fra forskjellige lærebøker. Hva står en prikk/kule for i den enkelte figuren? Hvor mange ulike representasjoner blir dette?

Kommenter forholdet og også hvordan du vil ta hensyn til dette i din egen under-

Figur fra for naturf

visning.

?

?

?

a Cu

b Vannmolekyk H2O ?

?

?

d NaCl

c Termoplast

? ?

e Oppvarming av vann

f Diamant

Figur 5.10 Modeller hentet fra forskjellige skolebøker i naturfag og kjemi.

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 175

28.10.14 14:26

r av

176 kapittel 5 modeller og modellbruk i kjemi Oppgave 5.6 Modellene av metanmolekylet i figur 5.11 er hentet fra en bok for ungdomstrinnet. a. Hvor mange forskjellige modeller av metanmolekylet finnes i figuren? Gi hver modell et navn. b. Vurder fordeler og ulemper med hver av modellene.

Et karbonatom møter fire hydrogen­atomer.

Når karbonatomet danner elektron­par med fire hydrogenatomer, oppnår både karbonatomet og hydrogen­ atomene edelgassstruktur.

H

H CH 4

H

C

H

H Molekylformelen sier oss hvor mange atomer det er av hvert grunnstoff i et molekyl. Molekyl­formelen sier oss ingenting om hvordan atomene er bundet til hverandre.

H

C

H

H

Strukturformelen gir et forenklet bilde av hvordan elektronene er bundet til hverandre.

Elektronparene er erstattet av en bindestrek.

Figur 5.11 Modeller av metan (Gulbrandsen og Tanggaard 1999:50, 51).

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 176

28.10.14 14:26

Kapittel 6

Praktisk arbeid i kjemi 6.1

Begrunnelser for praktisk arbeid

Kjemi også et praktisk fag Dagens viten i kjemi er basert på eksperimenter gjennom flere hundre år.

I middelalderen utviklet alkymistene en rekke metoder som destillering, oppløsning, filtrering og sublimering, men stoffene de fremstilte, ble gjerne hemmeligholdt. Senere har kjemikeres nøyaktige observasjoner og omhyggelige notater ført til stadig økt erfaring med og kunnskap om stoffers egenskaper og reaksjoner. Mer avansert apparatur har også ført til at kjemikere i dag kan skaffe seg data for oppbygningen av stoffene på mikronivå.

Stadig nye stoffer og prosesser er beskrevet, og i dag er 89 millioner stoffer syntetisert og beskrevet (http://www.cas.org/index, avlest 15.9.2014).

Moderne analyseapparatur gjør at man nå kan bestemme et stoff i en prøve i konsentrasjoner helt ned til ppt (1:1012) og ppq (1:1015).

All den praktiske kunnskap om stoffers egenskaper, oppbygning og reaksjoner har kjemikere i årenes løp systematisert og også restrukturert. De har utviklet teoretiske modeller som samsvarer med resultater fra laboratoriearbeidet. Kjemi er derfor både et praktisk fag og et teoretisk fag.

Illustrerer stoffers oppbygning, egenskaper og reaksjoner I naturfag- og kjemibøker beskrives fragmenter av dagens kjemikunnskap, og denne teorien bør knyttes til praktisk arbeid på alle nivåer i skolen.

Elevene må gjøres kjent med de stoffene de leser om. De bør bli fortrolige med behandling av stoffene og skaffe seg erfaringer og opplevelser med

104734 GRMAT Kjemi fagdidaktikk 140301.indd 177

28.10.14 14:26