Martin Bílek - Petra Tobo íková

VÝZNAM METODOLOGIE P ÍRODOV DNÉHO POZNÁVÁNÍ VE VIRTUÁLNÍM PROST EDÍ THE IMPORTANCE OF METODOLOGY IN NATURAL SCIENCE COGNITION IN THE VIRTUAL ENVIRONMENT Martin Bílek - Petra Tobo íková Katedra chemie a Katedra informatiky P írodov decké fakulty Univerzity Hradec Králové Department of Chemistry and Department of Informatics Faculty of Natural Sciences University of Hradec Králové Resumé: Interaktivní pojetí vyu ování a jeho preference p ed jednostranným sd lováním fakt je v dnešní dob stále ast ji zmi ovaným tématem. Jedním z nejvýznamn jších zástupc didaktické techniky v tomto typu výuky se stává interaktivní tabule. Podstatným zp sobem využití jejího potenciálu v p írodov dném vzd lávání je její aplikace p i podpo e empirických metod poznávání, tedy p i výuce, která se opírá zejména o pozorování, m ení a experimenty. Interaktivní tabule zde m že hrát významnou roli p i reálných i simulovaných demonstra ních experimentech, jejichž st žejním cílem je m ení r zných fyzikálních a chemických veli in. V takových vyu ovacích jednotkách je kladen d raz na r zné úrovn interaktivity, tj. na spolupráci a komunikaci žák s interaktivní tabulí, s u itelem, se spolužáky atd. Diskutované jsou p ednosti i rizika takovýchto aplikací po íta ve výuce chemie a jejich kombinace s reálným školním chemickým experimentem. Konkrétní ukázky orientujeme v tomto sd lení na m ení ph. Summary: Nowadays, the interactive teaching approach and its preference to one-side provided facts is a frequently mentioned topic. The interactive whiteboard has become one of the most important representatives of the didactic means in this type of teaching. The contributive use of its potential in the science education is its application in the process of supporting empirical methods in understanding, i.e. in the process of instruction which is primarily based on observations, measurements and experiments. The interactive whiteboard can play an important role in both real and simulated demonstration experiments, whose key objective is to measure various physical and chemical values. In such situations the emphasis is put on different levels of interactivity, i.e. the cooperation and communication among pupils and the interactive whiteboard, teacher, classmates, etc. Advantages and risks of the mentioned ICT applications in Chemistry instruction and their combination with the real school experiment are analysed and discussed. The provided examples focus on ph measuremenst. 1 ÚVOD V tšina p ístup k inovacím kurikula ve všeobecném vzd lávání považuje informa ní a komunika ní technologie (ICT) za vzd lávací oblast, která by m la procházet nap í osnovami všech p edm t. Z pop edí p írodov dné výuky s podporou ICT by se ale nem ly vytrácet metodologické aspekty, tedy podpora empirických a teoretických metod poznávání. Rychlý rozvoj technologií usnad uje dostupnost a ší i použití jak prost edk pro po íta em podporované reálné experimentování tak pro po íta ové simulace. Stále s v tší frekvencí jsou uvažovány i ve školním prost edí pojmy jako vzdálené a virtuální laborato e a vzdálená m ení. Digitální technika se tím stává organickou sou ástí výuky p írodov dných p edm t a umož uje významným zp sobem zefektivnit objevování nových poznatk a princip. Otázkou ale nadále z stává, zda virtuální experiment dokáže nahradit školní laboratorní praxi. Dle našeho názoru by reálný chemický experiment nem l ze školní praxe vymizet, ale nelze se ani vyhýbat zprost edkovanému pozorování a práci s modely. Nutné je tedy hledat vhodné kombinace aplikací obou p ístup [1]. To je d ležité i pro realizaci tzv. interaktivního pojetí vyu ování a jeho preference p ed jednostranným sd lováním fakt. Jedná se nejen o prost edek motivace žák k u ení a jejich zapojování do vyu ovacího procesu aktivní formou, ale prokazateln se tím zvyšuje i žákova motivace k poznávání a objevování souvislostí me- Návrat na obsah Media4u Magazine 3/2010 23

zi školní a každodenní realitou. Jedním z nejvýznamn jších zástupc didaktické techniky v tomto typu výuky se stává interaktivní tabule a s ní spojené interaktivní elektronické u ební materiály. 2 INTERAKTIVNÍ TABULE JAKO PODPORA EMPIRICKÝCH METOD POZNÁVÁNÍ V CHEMICKÉM VZD LÁVÁNÍ Chemie je rozmanitá a barvitá, ale kv li asto vzpomínané náro nosti vysv tlování zejména abstraktních prvk chemického u iva a leckdy i nebezpe nosti nebo nedostupnosti provád ných experiment (pokusy s nebezpe nými látkami nebo zm ny v oblasti mikrosv ta) ji v n kterých p ípadech nelze žák m zprost edkovat tzv. z první ruky. Díky interaktivní tabuli je možné adu z t chto p ekážek odstranit [2]. Leonard [3] uvádí, že mezi hlavní d vody pro použití interaktivních technologií v p írodov dném vzd lávání musí být považována zejména následující fakta: ekonomi t jší využití laboratorních za ízení a materiál, hospodárn jší využití vyu ovacího asu, individualizace studentské práce, cvi ení a praxe, rychlé vyhodnocování reakcí student a zp tná vazba, interaktivní simulace a hry, poskytování konkrétn jších zobrazení abstraktních pojm. Dialogická a interaktivní komunikace, plynoucí z využití interaktivní tabule, umož uje v p írodních v dách u iteli a žák m prohlubovat, specifikovat a porovnávat navzájem své myšlenky a sladit tak v decké a neformální úhly pohledu na danou problematiku [4]. V našem sd lení se zam íme na stru nou charakteristiku využití interaktivní tabule ve výuce chemie s d razem na empirické metody p írodov dného poznávání. 2.1 Využití interaktivní tabule p i pozorování Pozorování je empirická metoda poznávání, která má v chemii široké uplatn ní zejména p i r zných zp sobech získávání informací a také p i experimentování, jemuž je v nována další ást této studie. Chemie, obzvláš obecná chemie, je charakterem svého obsahu pro žáky pom rn složitou a t žko uchopitelnou v dou, nap íklad chemické d je, které vyžadují velkou míru prostorové p edstavivosti p i pochopení uspo ádání a pohybu molekul. Interaktivní tabule je nástrojem, který m že díky využívání r zných metod vizualizace žák m zp ístupnit chemické principy a d je. P i prezentaci r zných animací a aplet, modelujících fyzikální a chemické d je a stavy, je nutné tyto chápat jako virtuální realitu, která v zájmu názornosti ukazuje zna n zjednodušenou skute nost. P esto lze využitím rozmanitého chemického software žák m zp ístupnit i pom rn náro né ásti chemie, jako nap. tvorbu vzorc a zápis chemických reakcí (softwarové balíky ChemSketch, ISIS Draw) i prezentaci geometrie molekul (RasMol) a další. Díky interaktivit lze daný postup názorn popisovat a vysv tlovat, i ov ovat a upev ovat informace známé z d ív jších lekcí. 2.2 Využití interaktivní tabule p i m ení fyzikálních a chemických veli in Reálné m ení chemických a fyzikálních veli- in rozvíjí u žák kognitivní i senzomotorické dovednosti. A koli rozvíjení dovedností žák je nedílnou sou ástí výchovn vzd lávacího procesu, v praxi ho nelze, v závislosti na ekonomických i asových d vodech, uskute nit v každé výukové jednotce. V takových p ípadech m že být interaktivní tabule s p íslušným software ideální náhradou. S drahými a školám nedostupnými m icími p ístroji se mohou žáci seznámit díky simula ním aplikacím. V tomto p ípad se ovládá simulovaný p ístroj, který poskytuje, v rámci možností, srovnatelná data s p ístrojem reálným. P estože zde chybí reálný kontakt s praxí, žáci mohou získávat data, p ipravovat se na nácvik laboratorních dovedností a ov ovat hypotézy. Získaná data lze pomocí interaktivní tabule pohodln zpracovávat a uchovávat, což pomáhá žák m pochopit a uplatnit získané v domosti, které pomocí simulovaného m ení získali. Zajímavé simulace nabízí www-stránka http://www.chem.iastate. edu [5], kde jsou simulace i popsány a dopl kové informace žákovi vysv tlují podstatu chemických d j. Návrat na obsah Media4u Magazine 3/2010 24

Využitím internetových technologií v podob tzv. vzdálených (Remote Laboratory) nebo virtuálních laborato í (Virtual Laboratory) mohou žáci provád t nebo sledovat m ení fyzikálních i chemických veli in. N které projekty umož ují prosté pozorování jevu, p i kterém se snímají data (nap. meteorologické družice, seismografy, hmotnostní spektrografy, spektrální p ístroje), v jiných m že uživatel p ímo ovliv ovat pr b h m ení [6]. Jednou z takovýchto laborato í je nap. Interaktivní internetové laboratorní studio ises [7], kde lze m it elektromagnetickou indukci, ohyb elektromagnetického zá ení aj. 2.3 Využití interaktivní tabule p i chemických experimentech Velký podíl na motivaci žák mají chemické experimenty. Pokud není možnost, aby byly provád ny frontáln, je možné využít interaktivní tabuli bu pro videoprojekci reálných pokus nebo p i nemožnosti provedení reálných experiment využít internetových virtuálních laborato í. P i provád ní elektronických ( virtuálních ) pokus mají žáci v tší možnost riskování, protože se zbavují pocitu nejistoty z práce s chemikáliemi a drahými p ístroji, mohou pokusy n kolikrát opakovat apod. 2.3.1 Simulované chemické experimenty Pro simulované chemické experimenty existuje ada aplikací, které žák m umož ují provád t nep eberné množství pokus. Existuje ada aplikací zam ených na simulaci chemické laborato e od sestavení chemické aparatury až po samotné experimentování. Tento druh aplikací je v tšinou animovaný nap. v software Chem- Lab [8] nebo IrYdium Chemistry Lab [9]. 2.3.2 Demonstra ní reálné chemické experimenty asto využívaným typem experimentu je demonstra ní pokus, kdy u itel provádí experiment v tšinou v ele t ídy. Nevýhodou je nízká viditelnost ze zadních ástí u ebny, kde jsou žáci ochuzeni o nezbytné detaily experimentu, a v ad p ípad i neopakovatelnost experimentu. T mto limitujícím faktor m lze zamezit použitím promítaných pokus s aplikacemi odpovídající výpo etní techniky (videokamera s p íslušenstvím) a interaktivní tabule, kdy je možné provád ný pokus on-line snímat a prezentovat a pr b žn nebo i následn ho nebo jeho ásti se žáky analyzovat a komentovat. Na rozhraní mezi promítané reálné a simulované chemické pokusy m žeme za adit pokusy, kdy žák zvolí reaktanty a pr b h chemické reakce je prezentován pomocí videozáznamu reálného pokusu [10]. 3 P ÍKLADY REALIZACE M ENÍ PH PRO VYUŽITÍ INTERAKTIVNÍ TABULE VE VÝUCE CHEMIE Pro využití interaktivní tabule p i m ení ph jako p íkladu m ení fyzikáln -chemické veli- iny budeme využívat tzv. virtuálních m ících p ístroj. Jimi se rozumí všechna po íta em realizovaná nebo podporovaná m ení r zných veli in. V chemii jde zejména o veli iny fyzikální a fyzikáln -chemické. V principu je možné virtuální m ící p ístroje rozd lit na dv základní skupiny, a to: na virtuální p ístroje, kdy po íta vygeneruje prost edí k m ení na monitoru a data jsou získávána z reálného prost edí pomocí vlastních m idel nebo idel a analogov digitálních p evodník poskytujících po íta i upravený signál pro jeho zpracování [více nap. 11, 12 aj.], na virtuální p ístroje, kdy po íta generuje nejen prost edí pro m ení na monitoru, ale prost ednictvím matematických nebo formáln -logických model generuje (modeluje) i p íslušný signál, tedy hodnoty m ené veli iny. Prvním p ípadem virtuálních m ících p ístroj je využívání tzv. po íta ových m ících systém. Jejich aplikace p ispívají k zd razn ní významu kvantitativního experimentu a frekvenci jeho použití ve výuce chemie na všech stupních školského systému. Krom r zného rozd lení školních chemických experiment, nap. na demonstra ní a žákovské pokusy aj., tak hraje hlavní roli p i použití po íta e jako m ícího p ístroje i p ístup k realizaci tzv. "kinetického aspektu". Ten vychází z kritiky provád ní školních experiment tím zp sobem, že žáci pouze ur í hodnotu m ené veli iny v reak ní soustav p ed a po skon ení reakce. Tak mohou m it nap. teplotu laboratorním teplom rem, ph univerzálním indikátorovým papírkem, subjektivn ur ovat zm nu zabarve- Návrat na obsah Media4u Magazine 3/2010 25

ní roztoku, vznik sraženiny apod. Virtuální - po íta em realizované - m ící p ístroje však umož ují jednoduché a operativní zavedení kinetického aspektu k provád ným experiment m tj. ur ovat a registrovat hodnoty m nící se veli iny v pr b hu chemické reakce. Pro sledování pr b hu reakce p ináší toto uspo ádání i další konkrétní výhody: registrovat m enou veli inu v malých intervalech nap. menších než 1 s (m ení laboratorním teplom rem vyžaduje cca 30 sekund pro ode tení a zápis p íslušné hodnoty teploty) nebo naopak provád t dlouhodobá m ení (nap. registraci zm n ph p i zkvašování alkoholického nápoje apod.), paralelní sou asnou tvorbu grafického záznamu, uložení a vyhodnocení experimentálních dat. Aplikace po íta ových m ících systém v chemickém experimentu využívají zpravidla trojího režimu registrace experimentálních dat: registrace hodnot m ené veli iny v p edem zvolených asových intervalech nebo registrace v asových intervalech daných kombinací kvality hardwarové realizace snímání dat a rozlišovací schopnosti monitoru, registrace hodnot m ené veli iny v p edem zvolených intervalech jiné veli iny (tzv. kroková m ení), registrace m ené veli iny v závislosti na jiné m ené veli in (automatická m ení, minimáln dvoukanálová). M ení ph je po m ení teploty druhým nej- ast jším p íkladem m ení s po íta ovými m - ícími systémy. Na obr. 1 je výsledný záznam m ení ph vzork chemikálií z kuchyn p i realizovaném miniprojektu Chemie v kuchyni pro žáky osmých a devátých ro ník základní školy [13]. Druhým p ípadem tzv. virtuálních m ících p ístroj jsou po íta ové simulace práce s t mito p ístroji. Jako p íklad m žeme z rozši ující se nabídky softwarových produkt zam ených na virtuální m ení vybrat pro všeobecné chemické vzd lávání z výše uvedeného portálu T. Greenbowea práv simulaci práce s ph-metrem. Veli ina ph se ve výuce tématu Kyselost a zásaditost roztok používá, a ada základních i st edních škol se t žko m že pochlubit dostatkem ph-metr. Proto je možné využít simulované m ení s virtuálním ph-metrem p ímo na t chto stránkách. Dají se m it hodnoty ph vybraných kyselin, bází, solí a neznámých vzork. Úloha se dá postavit tak, že žáci porovnávají výsledky m ení pomocí phmetru s reálným m ením pomocí univerzálního ph papírku, ur ováním ph neznámých vzork apod. M ení ph a související acidobazické titrace jsou pravd podobn jedním z nej- ast jších témat pro modelování a vytvá ení po íta ových simulací. Krom ph-metru T. Greenbowea (obr.2) m žeme uvést i další. Jde nap. o simulátor m ení ph vybraných vzork látek z každodenního života s názvem PhET, dostupný na www-stránkách Interactive Simulations Univerzity v Coloradu (obr.3) [14], prvky virtuální reality v projektu chemického distan ního on-line vzd lávání Univerzity v Soluni (obr.4) [15], chemická laborato pro potenciometrická m ení na portálu ChemCollective [16] nebo celá ada simulací acidobazických titrací se stanovováním molární koncentrace neznámé kyseliny nebo zásady [nap. 17]. Obr.1 M ení ph vzork z kuchyn [13] využití krokového m ení v po íta ovém m ícím systému Vernier [18] Obr.2 Virtuální phmetr T. Greenbowea Web Katedry chemie Iowa State Univerzity [19] Návrat na obsah Media4u Magazine 3/2010 26

Obr.3 Simulátor m ení ph PhET www-stránky Interactive Simulations University v Coloradu [14] 4 ZÁV R Použití interaktivní tabule m že podporovat jak individuální tak zejména skupinovou a frontální výuku, která dokáže žáky motivovat a udrží jejich pozornost na delší dobu než tradi ní výuka bez této didaktické techniky. V chemii m že být její použití rozmanité. Žáci jejím prost ednictvím nemusí být ochuzeni o chemické experimenty, které nemohou být realizovány ve školním laboratorním prost edí, mohou být motivováni vizualizací jev v makro i v mikrom ítku, mohou se sami podílet na registraci experimentálních dat, jejich zpracování atd. Jak bylo možné poznat v prezentovaných p íkladech, jsou pojmy virtuální m ící p ístroje a virtuální laborato e relativn dostupnou možností podpory základní esence p írodov dné výuky, jíž jsou bezesporu empirické metody poznávání úzce spojené s modelováním a simulacemi (aplety). Obr.4 Prvky virtuální reality projekt chemického distan ního on-line vzd lávání Univerzity v Soluni [15] P ísp vek vznikl s podporou projekt specifického výzkumu Pedagogické fakulty UHK.2127/2010 a 2128/2010 a projektu Grantové agentury eské republiky.406/09/0359. Použité zdroje [1] BÍLEK, M. et al. Interaction of Real and Virtual Environment in Early Science Education: Tradition and Challenges. Hradec Králové. Gaudeamus. 2009. [2] DOSTÁL, J. Interaktivní tabule ve výuce. Journal of Technology and Information Education. [online]. [cit.26-10-2009]. Dostupné na WWW: <http://www.jtie.upol.cz/clanky_3_2009/dostal.pdf/>. [3] LEONARD, W. H. A comparison of student performance following instruction by interactive videodisk versus conventional laboratory. Journal of Research in Science Teaching. 1992, 29, 1, s.93-102. [4] HENNESSY, S. - DEANEY, R. - RUTHVEN, K. - WINTERBOTTOM, M. Pedagogical strategies for using the interactive whiteboard to foster learner participation in school science. Learning, Media and Technology. 2007, 32, 3, s.283-301. [5] Iowa State University. College of Liberal Arts and Sciences. Department of Chemistry. c2009, [online]. [cit.23-06-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.chem.iastate.edu/> [6] BÍLEK, M. - SKALICKÁ, P. - RYCHTERA, J. - MYŠKA, K. Reálný a virtuální chemický experiment - sou asnost a perspektivy. In KME OVÁ, J. - LICHVÁROVÁ, M. (eds.) Sú asnos a perspektívy didaktiky chémie II. - Zborník z medzinárodnej konferencie. Banská Bystrica. FPV UMB. 2009, s.9-13. [7] ISES - Projekt e-laborato. 2009. [online] [cit.23-06-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.ises.info/index.php/en/ises>. [8] Modelscience software. 2010. [online] [cit.23-06-2010]. Dostupné na WWW: <http://modelscience.com/products.html?ref=home&link=chemlab>. [9] The ChemCollective. 2010. [online] [cit.23-06-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.chemcollective.org/vlab/vlab.php>. [10] LiveChem. c2005. [online] [cit.23-06-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/livechem/transitionmetals_content.html>. [11] OPEKAR, F. Virtuální p ístroje v elektroanalytické instrumentaci. Chemické listy 89, s.590-593 (1995). [12] BÍLEK, M. Školní chemický experiment s využitím po íta e. Chemické listy 91, s.1074-1080 (1997). [13] BÍLEK, M. Po íta em podporovaný chemický experiment i na základní škole. B-Ch-Z. Ro ník 8, íslo 3, kv ten 1999, s.140-145. [14] PhET at Interactive Simulations. [online] [cit.29-04-2010]. Dostupné na WWW: http://phet.colorado.edu/ simulations/sims.php?sim=ph_scale [15] GEORGIOU, J. - DIMITROPOULOS, K. - MANITSARIS, A. A Virtual Reality Laboratory for Distance Education in Chemistry. International Journal of Social Sciences 2:1. 2007, s.34-41. [16] The Chemistry Collective 2000. [online]. [cit.09-04-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.chemcollective.org/vlab/vlab.php>. [17] GREENBOWE, T. J. ph titration simulation. 2005. [online]. [cit.09-04-2010]. Dostupné na WWW: <http://www.chem.iastate.edu/group/greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/stoichiometry/acid_base.html>. [18] VERNIER. Vybavení pro výuku p írodov dných obor. [online]. Dostupné na WWW: http://www.vernier.cz, [cit.31-07-2010] [19] GREENBOWE, T. J. phmeter simulation. 2005. [online]. [cit.2010-04-09]. Dostupné na WWW: <http://www.chem.iastate.edu/group/greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/acidbaseph/ph_meter.html>. Kontaktní adresy prof. PhDr. Martin Bílek, Ph.D. Mgr. Petra Tobo íková e-mail: martin.bilek@uhk.cz e-mail: petra.toborikova@uhk.cz Katedra chemie Pedagogická fakulta Univerzita Hradec Králové Rokitanského 62 500 03 Hradec Králové Návrat na obsah Media4u Magazine 3/2010 27