UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
MATEJA BURGAR
UPORABA INFORMACIJSKO-KOMUNIKACIJSKE TEHNOLOGIJE ZA IZVAJANJE EKSPERIMENTALNEGA DELA PRI POUKU KEMIJE
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2018
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
DVOPREDMETNI UČITELJ KEMIJA IN GOSPODINJSTVO
MATEJA BURGAR
Mentor: prof. dr. VESNA FERK SAVEC
UPORABA INFORMACIJSKO-KOMUNIKACIJSKE TEHNOLOGIJE ZA IZVAJANJE EKSPERIMENTALNEGA DELA PRI POUKU KEMIJE
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2018
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorici prof. dr. Vesni Ferk Savec za vodenje in podporo pri nastajanju diplomskega dela.
Lepo se zahvaljujem tudi laborantki mag. Bernardi Urankar, ki me je podpirala in spodbujala moje kritično mišljenje v laboratoriju.
Zahvala je namenjena tudi vsem ostalim, ki so me moralno podpirali in kakorkoli pripomogli k uspešni izvedbi diplomskega dela.
I POVZETEK
V današnji informacijski družbi ima informacijsk-komunikacijska tehnologija pomembno vlogo na vseh področjih človekovih dejavnosti. V diplomski nalogi sem želela izpostaviti vidike uporabe informacijsko-komunikacijske tehnologije, pri učenju in poučevanju kemijskih vsebin.
Informacijsko-komunikacijsko tehnologijo lahko vključimo v poučevanje in učenje različnih kemijskih vsebin, v diplomski nalogi je poseben poudarek na njeni uporabi pri eksperimentalnem delu. Ob didaktični uporabi informacijsko-komunikacijske tehnologije lahko le-ta pripomore k boljšemu razumevanju učnih vsebin. V diplomskem delu sem želela razviti in primerjati eksperimentalne vaje za uporabo pri pouku kemije v osnovni šoli-vsako v dveh izvedbah( z uporabo informacijsko-komunikacijske tehnologije in brez uporabe informacijsko-komunikacijske tehnologije). Pri izvedbi eksperimentalnih vaj z uporabo informacijsko-komunikacijske tehnologije sem uporabila Vernier senzorje za temperaturo, pH in tlak. Za omenjene eksperimentalne vaje v dveh izvedbah sem izdelala učne priprave terpripadajoče delovne liste. Po mojem mnenju je za primere v diplomski nalogi razvitih eksperimentalnih vaj veliko lažji in učinkovitejši način zbiranja podatkov s pomočjo Vernier senzorjev, ena izmed eksperimentalnih vaj, pa brez uporabe informacijsko-komunikacijske tehnologije sploh ni izvedljiva pri pouku kemije. V prihodnje bi bilo potrebno v diplomski nalogi razvite eksperimentalne vaje preizkusiti in tudi evalvirati z učenci.
KLJUČNE BESEDE
IKT, eksperimentalno delo, izkustven pristop, Vernier, senzor za temperaturo, senzor za tlak, senzor za pH, Spekter TM
II SUMMARY
In today's information society, information and communication technology plays an important role in all areas of human activities. In my graduation thesis, I wanted to highlight aspects of the use of information and communication technology in the teaching and learning of chemical content. Information and communication technology can be involved in the teaching and learning of various chemical contents, and in the diploma thesis is a special emphasis on its use in experimental work. In the case of a didactic use of information communication technology, it can help to better understand the learning content. In the diploma thesis I wanted to develop and compare experimental exercises for use in chemistry in elementary school - each in two versions (using information communication technology and without the use of information and communication technology). In carrying out experimental exercises using information- communication technology, I used Vernier sensors for temperature, pH and pressure. For these experimental exercises in two versions, I have developed teaching methods and the adhesive worksheets. In my opinion, for example, in the thesis of the developed experimental exercises, is a much easier and more efficient way of collecting data with Vernier sensors, and one of the experimental exercises, without the use of information-communication technology is not even practicable in chemistry lessons. In the future, in the diploma thesis, experimental exercises should be tested and evaluated with pupils.
KEY WORDS
ICT, experimental work, experiential approach, Vernier, temperature sensor, pressure sensor, pH sensor, Spectrum TM
III
Kazalo vsebine
1.UVOD ... 1
2.TEORETIČNI DEL DIPLOMSKE NALOGE ... 2
2.1. Pomen eksperimentalnega dela pri pouku kemije ... 3
2.2. IKT in eksperimentalno delo ... 6
2.2.1 Vernier senzorji ... 7
2.2.1.1. Opis aparature ... 7
2.2.1.2. Sestavni deli Vernierjevih aparatur ... 8
2.2.1.3. Uporaba sistema Vernier pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije ... 17
2.2.2. Spectra TM ... 19
2.2.2.1. Opis aparature ... 19
2.2.2.2. Uporaba pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije ... 20
3. EKSPERIMENTALNI DEL DIPLOMSKE NALOGE ... 21
3.1. Eksperiment 1: Spreminjanje barve čaja ... 22
3.1.1. Razvoj in optimizacija eksperimenta z oziroma brez uporabe IKT ... 22
3.1.2. Izdelava učiteljevih in učenčevih navodil za eksperimentalno delo z oziroma brez uporabe IKT ... 35
3.1.3. Vrednotenje obeh načinov izvedb ... 60
3.2. Eksperiment 2: Katero poleno boš izbral? ... 62
3.2.1. Razvoj in optimizacija eksperimenta z/brez uporabe IKT ... 63
3.2.2. Izdelava učiteljevih in učenčevih navodil za eksperimentalno delo z oziroma brez uporabe IKT ... 71
3.2.3. Vrednotenje obeh načinov izvedb ... 99
3.3. Eksperiment 3: Česa ne vidimo? ... 100
3.3.1. Razvoj in optimizacija eksperimenta z uporabo IKT ... 101 3.3.2. Izdelava učiteljevih in učenčevih navodil za eksperimentalno delo z uporabo IKT 107
IV
3.3.3. Vrednotenje načina izvedbe ... 125
4. SKLEP ... 126
5. SEZNAM LITERATURE ... 127
PRILOGE: ... 132
V
Kazalo slik
Slika 1:Go Direct senzorji (Vernier Software & Technology, 2018). ... 7
Slika 2: LabQest2 (Vernier Software & Technology, 2018)... 9
Slika 3: LabQuest 2 (Vernier Software & Technology, 2018)... 9
Slika 4: LabQuest 2 (Vernier Software & Technology, 2018)... 10
Slika 5: LabQuest Stream (Vernier Software & Technology, 2018). ... 11
Slika 6: LabQuest Mini (Vernier Software & Technology, 2018). ... 11
Slika 7: Go! Link (Vernier Software & Technology, 2018). ... 12
Slika 8: Temperaturni senzor (Vernier Software & Technology, 2018). ... 13
Slika 9: pH senzor (Vernier Software & Technology, 2018). ... 14
Slika 10: Senzor tlaka (Vernier Software & Technology, 2018). ... 15
Slika 11: Senzor električne prevodnosti (Vernier Software & Technology, 2018). ... 16
Slika 12: Senzor za merjenje absorbance ali transmitance (Vernier Software & Technology, 2018). ... 16
Slika 13: Spektrometer Spektra TM (Gros in Vrtačnik, 2005) ... 19
Slika 14: Vzorci različnih vrst čajev ... 24
Slika 15: Vzorci različnih vrst čajev pred in po dodatku limoninega soka ... 28
Slika 16: Sprememba pH in temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa ... 29
Slika 17: Sprememba pH po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa ... 29
Slika 18: Sprememba temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa ... 30
Slika 19: preskok barve čaja borovnica po dodatku 15 mL limoninega soka ... 31
Slika 20: preskok barve čaja jagoda po dodatku 15 mL limoninega soka ... 31
Slika 21: preskok barve čaja šipek po dodatku 15 mL limoninega soka ... 32
Slika 22: preskok barve čaja hibiskus po dodatku 15 mL limoninega soka... 33
Slika 23: Sprememba pH čajev po dodatku 15 mL limoninega soka v odvisnosti od časa ... 34
Slika 24: pH lestvica (e-kemija, 2003) ... 41
Slika 25: Vzorci različnih vrst lesa ... 65
Slika 26: Sprememba temperature v odvisnosti od časa pri gorenju lesa bezga ... 68
Slika 27: Sprememba temperature v odvisnosti od časa pri gorenju različnih vrst lesa ... 69
VI
Slika 28: Vzorci različnih vrst lesa in ostanek (ogorki in pepel). ... 70 Slika 29: Reakcija nevtralizacije sode bikarbone in ocetne kisline ... 103 Slika 30: Sproščanje tlaka pri dodatku sode bikarbone ocetni kislini v odvisnosti od časa .. 106
VII
Kazalo tabel
Tabela 1: Tabela meritev pH čajev s pH lističi in Vernier senzorjem pred in po dodatku
limoninega soka ... 27
Tabela 2: Tabela faz učne ure Spreminjanje barva čaja ... 36
Tabela 3: Meritve pH in temperature pred in po dodatku limoninega soka ter sprememba barve čaja ... 44
Tabela 4: vrste čajev po padajočem pH pred in po dodatku limoninega soka ... 44
Tabela 5 Meritve pH in temperature pred in po dodatku limoninega soka ter sprememba barve čaja ... 49
Tabela 6: Vrste čajev po padajočem pH pred in po dodatku limoninega soka ... 49
Tabela 7: Meritve pH in temperature pred in po dodatku limoninega soka ter sprememba barve čaja ... 54
Tabela 8: Vrste čajev po padajočem pH pred in po dodatku limoninega soka ... 54
Tabela 9: Meritve pH in temperature pred in po dodatku limoninega soka ter sprememba barve čaja ... 57
Tabela 10 Vrste čajev po padajočem pH pred in po dodatku limoninega soka ... 58
Tabela 11: Tabela prednosti in slabosti izvedbe z IKT ... 60
Tabela 12: Tabela prednosti in slabosti izvedbe brez IKT ... 60
Tabela 13: Tabela faz učne ure Katero poleno boš izbral? ... 72
Tabela 14:Tabela meritev temperature in časa ... 80
Tabela 15: Tabela meritev temperature in časa ... 85
Tabela 16: Tabela meritev temperature in časa ... 91
Tabela 17: Tabela meritev temperature in časa ... 96
Tabela 18: Prednosti in slabosti izvedbe učne ure z uporabo IKT ... 99
Tabela 19: Prednosti in slabosti izvedbe učne ure brez uporabe IKT ... 99
Tabela 20 Sproščanje tlaka pri dodatku sode bikarbone ocetni kislini v odvisnosti od časa . 105 Tabela 21: Tabela faz učne ure Česa ne vidiš? ... 108
Tabela 22: Prednosti in slabosti uporabe IKT ... 125
1
1. UVOD
Živimo v dobi informacijsko-komunikacijske tehnologije (IKT). Že malčki uporabljajo pametne telefone ter tablične računalnike, pa čeprav le za ogled njihovih najljubših risank. Do nedavnega je bila šola ustanova, v kateri so učitelji uporabljali tradicionalne metode učenja in poučevanja, danes pa se vse bolj stremi k uporabi informacijsko-komunikacijske tehnologije na vseh področjih učenja in poučevanja (Rizman Herga in Dinevski, 2015).
Informacijsko-komunikacijska tehnologija se uporablja za zbiranje, shranjevanje, iskanje in predstavljanje informacij. Nekatere raziskave (Rebernak, 2008) poudarjajo pozitivne lastnosti uporabe IKT v osnovni šoli
Eksperimentalno delo je temeljna metoda učenja in poučevanja pri pouku kemije, ki se dopolnjuje z ostalimi metodami in oblikami dela. Učenec pri tem razvije eksperimentalne spretnosti te raziskovalni pristop. Pri pouku kemije ima eksperimentalno delo pomembno vlogo pri vizualizaciji, vendar pa ne sme služiti le kot sredstvo motivacije. Pri eksperimentalnem delu je pomembno tudi iskanje, obdelava ter vrednotenje podatkov (Učni načrt kemija, 2011; Učni načrt naravoslovje, 2011). IKT se pri eksperimentalnem delu pouka kemije lahko uporablja za namen zajemanja eksperimentalnih podatkov, pri čemer vključuje zbiranje, shranjevanje, obdelovanje in predstavitev eksperimentalnih podatkov. Njena uporaba pa mora biti didaktično premišljena in podpirati zastavljene učne cilje.
2
2. TEORETIČNI DEL DIPLOMSKE NALOGE
Eksperimentalno delo ima pri kemiji pomembno vlogo, to je razvidno tudi iz učnih načrtov za kemijo v osnovni šoli. Eksperiment ima močan vizualizacijski učinek, vendar ne sme služiti le kot sredstvo motivacije ampak tudi kot podpora pri razumevanju kemijskih pojmov (Kampos, 2006).
Učenci pri eksperimentalnem delu razvijejo odgovoren odnos do uporabe snovi, sposobnost in pripravljenost za zavzeto, odgovorno in utemeljeno ravnanje za področje kemijske varnosti, ter razvijejo eksperimentalno-raziskovalne spretnosti. Pri eksperimentalnem delu razvijejo tudi prostorske predstave, ob uporabi IKT pa tudi osnove kemijske vizualne pismenosti z uporabo vizualizacijskih sredstev, oziroma s sodobno IKT. Pri eksperimentalnem delu je pomembno tudi iskanje, obdelava ter vrednotenje podatkov iz več virov (Ministrstvo za šolstvo in šport, 2011).
Uporaba IKT bistveno prispeva h kakovosti in učinkovitosti pri pouku. Učenci ob prostem času uporabljajo različne vire IKT, zato je kot motivacijsko sredstvo pomembna integracija le- teh v pouk kemije. Računalniška oprema se uporablja za samostojno delo učencev, ter pri frontalnem pouku (Devetak, 2006; Krajnik in Pahor, 2003; Krajnik in sod., 2001).
IKT se uporablja za zbiranje, shranjevanje, iskanje in predstavljanje informacij, lahko pa jo uporabimo tudi za pridobivanje eksperimentalnih podatkov, tako učenci razvijejo eksperimentalno-raziskovalen pristop, se navajajo na izbiro in uporabo primerne in varne opreme, opredelijo več dejavnikov poskusov, razlikujejo med konstantami ter spremenljivkami in poznajo kontrolne oziroma referenčne poskuse, pri tem pa presojajo zanesljivost eksperimentov, ter se navajajo na argumentirano sklepanje pri predstavitvi. Posebej za namen uporabe v šolski praksi je bila razvita posebna oprema za uporabo na področju naravoslovja, tako imenovani Vernier senzorji ter spekter TM. V diplomski nalogi so podrobneje preučeni različni vidiki uporabe Vernier senzorjev pri pouku kemije ter razviti in optimizirani primeri eksperimentov v skladu z učnim načrtom za kemijo v osnovni šoli (Ministrstvo za šolstvo in šport, 2011; Sluga, 2010).
3
2.1. Pomen eksperimentalnega dela pri pouku kemije
Kemija kot učni predmet je v učnem načrtu v opredelitvi predmeta opisana kot temeljna eksperimentalna naravoslovna veda ki preučuje zgradbo, lastnosti ter spremembe snovi.
Usmerjena je v pridobivanje temeljnih kemijskih znanj, spretnosti, stališč in učencem omogoči razvijanje pojmovanja za delovanje v sodobni družbi (kemijska pismenost). »Pouk kemije je zasnovan na izkustvenem, eksperimentalnoraziskovalnem in problemskem pristopu, kar prispeva k razumevanju delovanja naravoslovnih znanosti in pozitivnemu odnosu do kemije in naravoslovja« (Učni načrt kemija, 2011, str. 4). Kemija je interdisciplinarno povezana z drugimi naravoslovnimi vedami, določena industrija je del njenih spoznanj, vpliva pa tudi na družbenoekonomske odnose v družbi (Učni načrt kemija, 2011).
V splošnih ciljih predmeta je navedeno, da učenci prednostno razvijajo eksperimentalnoraziskovalne spretnosti in veščine pri tem pa razvijajo kompleksno in kritično mišljenje. Prostorske predstave in kemijsko pismenost razvijajo z vizualizacijskimi sredstvi oziroma z uporabo sodobne IKT. Za razvoj kompleksnega ter kritičnega mišljenja učenci spoznavajo različne načine iskanja, obdelave in vrednotenja podatkov z uporabo IKT za zbiranje, shranjevanje, iskanje in predstavljanje informacij. Učenci razvijajo eksperimentalnoraziskovalen pristop, se navajajo na izbiro primerne in varne opreme, opredelijo dejavnike eksperimentov, razlikujejo med konstantami in spremenljivkami, poznajo kontrolne eksperimente ter na podlagi pridobljenih podatkov oziroma rezultatov argumentirano sklepajo pri predstavitvi rezultatov (Učni načrt kemija, 2011).
Operativni cilji in vsebine »…nakazujejo prednost učne metode oziroma dejavnosti za uresničevanje operativnih ciljev posameznega sklopa« (Učni načrt kemija, 2011, str. 7).
Standarde znanja, zapisane v ciljih in kompetencah, učitelj poskuša uresničiti z načrtovanjem in izvedbo pouka, učenec pa s sodelovanjem ter s sposobnostmi. Učenec naj bi obvladal osnovne eksperimentalne tehnike za izvedbo eksperimentov, z natančnim opazovanjem naj bi sistematično izbiral, beležil ter urejal pridobljene rezultate eksperimentalnega dela in iz pridobljenih eksperimentalnih podatkov izpeljal zaključke. V standardih znanja je zapisano tudi, da mora učenec opredeliti spremenljivke ter jih upoštevati pri izvedbi eksperimenta.
Zastavljati mora sprotna raziskovalna vprašanja ter načrtovati poskus tako, da lahko izpelje zaključke in predstavi sklep, oziroma da argumentirano predstavi potek opažanja in ugotovitve eksperimentalnega dela. V standardih znanja je zapisano tudi, da »…učenec zna uporabljati
4
podatke iz različnih informacijskih virov z IKT (poljudnostrokovna literatura, svetovni splet, zbirke podatkov idr.), jih ustrezno uporabiti in predstaviti (npr. pri izdelavi seminarskih nalog, plakatov, projektnem delu, raziskavi itd.)« (Učni načrt kemija, 2011, str. 15). V minimalnih standardih pa je zapisano, da so ti potrebni za napredovanje v višji razred, in je pomembno da učenec zna opazovati, opisovati in izvesti preproste poskuse, izpeljati osnovne ugotovitve ter obvladati osnovne eksperimentalne tehnike (Učni načrt kemija, 2011).
Ključna misel didaktičnih priporočil je da: »Sodobno poučevanje kemije temelji na eksperimentalnem in problemsko naravnanem pouku (eksperimentalnoraziskovalni pristop, izkustveno in problemsko učenje).« (Učni načrt kemija, 2011, str. 22). Eksperimentalno delo je temeljna metoda pouka kemije, ki se kombinira z drugimi metodami aktivnega učenja in poučevanja. Lahko ga razširimo tudi s terenskim delom in uporabo IKT. Eksperimentalno delo ima dvojno vlogo, saj obravnava kemijske pojme na podlagi eksperimentalnih opažanj ter primarnih virov in hipotez. Pri načrtovanju eksperimentalnega dela je: »…poudarek na samostojnem eksperimentalnem delu učencev…« (Učni načrt kemija, 2011, str. 23). Razvijanje eksperimentalnih spretnosti in raziskovalnega pristopa učencev je pomembno za uvajanje v raziskovalno delo, omogoča jim navajanje na opredelitev raziskovalnega problema, zastavljanje eksperimentalnoraziskovalnih vprašanj in hipotez, vključuje poznavanje osnovnih laboratorijskih pripomočkov in tehnik, skrbi za varno delo, povezovanje teorije z življenjskim okoljem ter kritično vrednotenje in iskanje predlogov za izboljšavo. Za kemijo kot naravoslovno vedo je značilno zaznavanja sveta na treh ravneh, makroskopski, submikroskopski in simbolni ravni. Pri uporabi vizualizacijskih elementov in sodobne IKT je pomembno povezovanje z eksperimentalnim delom. Pomembno je delo z različnimi informacijskimi viri, učitelj pa pri tem učence usmerja k uporabi sodobne IKT (Učni načrt kemija, 2011).
Do renesanse se izraza experimentum (poskus) in experientia (izkustvo) enačita. »V delu
»Experientia quaesita« F. Bacon trdi, da obstaja izkustvo – slučaj, na katerega pač naletimo in experiment, s katerim izkustvo iščemo. Uvede izraz exsperimentum crucis – to je eksperiment, ki je odločilen za veljavnost določene hipoteze oziroma teorije. Tako je poimenoval eksperiment tudi veliki fizik I. Newton. Za Goetheja pa experimentum crucis pomeni poskus, da bi se znebil vseh zmot in kaže neposredno na cilj spoznanja.« (Novak, 1990, str. 1)
»Eksperiment je ključen pri odkrivanju novega znanja, pa tudi pri učenju in poučevanju naravoslovnih ved. Kvalitetnega in zanimivega pouka kemije, fizike in biologije brez eksperimentalnega dela z različnimi pristopi ni. Eksperiment naj bi učencem približal teoretične
5
vsebine , ki so predpisane v učnih načrtih ter so velikokrat težje razumljive in abstraktne.« (Ferk Savec in Devetak, 2017, str. 21)
Učenje z raziskovanjem je kombinacija teoretičnega znanja in razumevanja ter praktičnega znanja, spretnosti in veščin (Krnel, 2007).
6
2.2. IKT in eksperimentalno delo
Eksperimentalno delo lahko nadgradimo z uporabo IKT. Kot didaktično priporočilo zasledimo razvijanje eksperimentalno-raziskovalnega pristopa, razvijanje prostorske predstave z vizualizacijskimi modeli in IKT, ter delo z viri in predstavljanje informacij z IKT (Smernice za uporabo IKT pri predmetu kemija, 2016)
Pri pouku naravoslovnih ved so vse več prisotni računalniki in računalniška tehnologija.
Informacijsko-komunikacijska tehnologija zajema razne pripomočke kot so merilniki, specializirani računalniški programi za zaznavanje manjših sprememb, vizualizacijski programi za animacije abstraktnih pojmov in procesov, videoposnetki nevarnih eksperimentov (Ferk Savec in Devetak, 2017).
IKT je postala pomembno orodje komunikacije povezave učencev in učiteljev. CSCL (Computer-supported collaborative learning) sedaj predstavlja dodatno dimenzijo sodelovalnega učenja. Njen razvoj je v zadnjem desetletju ustvaril veliko področje izobraževalnih modelov in raziskav. CMC (Computer mediated communication) komunikacijska orodja lahko podpirajo komunikacijo med učitelji in učenci. Kompleksne strukture znanja pogosto zahtevajo navzkrižno povezane predstavitve kot so miselne sheme in koncepti, meritveni programi, računalniške simulacije in podobno podporno IKT tehnologijo (Ingo in Byers, 2009).
Izobraževanje se s pomočjo IKT spreminja. Prehaja iz svojih značilnih okvirjev in se iz tradicionalnih načinov preoblikuje v sodobne z informacijsko-komunikacijsko tehnologijo podprte metode, saj te ponujajo nove možnosti za učenje učencev, učitelji pa imajo več izbire glede ustvarjalnosti pri poteku učne ure. To vpliva na potek izobraževanja, kajti zgoraj navedeno predstavlja in omogoča sodobnejši in kvalitetnejši pouk. Trojna narava kemijskih pojmov kar kliče po uporabi IKT za lažje razumevanje vseh treh ravni (Rizman Herga in Dinevski, 2015).
7 2.2.1 Vernier senzorji
Vernier senzorji so namenjeni zajemanju eksperimentalnih podatkov in so enostavni za uporabo. Zagotavljajo ponovljive in dovolj natančne eksperimentalne meritve za potrebe učenja in poučevanja učencev v osnovni in srednji šoli.
2.2.1.1. Opis aparature
Poznamo različne načine upravljanja s sistemom Vernier. Do sedaj so bili razviti štirje tipi aparatur sistema Vernier, glede na tip senzorja pa so sami povezavo razdelili na Go Direct, Lab Quest, USB in brezžično povezavo.
Aparatura tipa 1: Računalnik ali mobilna naprava , USB ali brezžični senzor (Go Direct povezava)
Senzor se poveže neposredno na Chromebook mobilne naprave ali računalnike (naprave z mobilnim Googlovim operacijskim sistemom Chrome OS). Vključuje USB in brezžično povezljivost.
Senzor se poveže brezžično preko Bluetooth povezave. Nova vrsta priključitve je GoDirect, ki zajema brezžične (tehnologija Bluetooth) in USB senzorje, ki se povežejo direktno na računalnik brez vmesnika. Računalnik praviloma sam prepozna priključeni senzor ko odpreš program (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 1:Go Direct senzorji (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 1 prikazuje brezžične senzorje Go Direct.
8
Aparatura tipa 2: Računalnik vmesnik in žični senzor (LabQuest povezava) Senzor LabQuest zahteva vmesnik za pošiljanje senzorskih podatkov na programsko opremo za zbiranje in analizo podatkov na različnih platformah.
Vmesnik je vmesno elektronsko vezje, ki prilagodi električne signale tako, da lahko povežemo med seboj dve različni elektronski napravi. V računalništvu povežemo z vmesnikom vodilo na eni strani in vhodno izhodno napravo na drugi. Vmesnik prilagodi podatke, ki jih pošilja računalnik. Na eni strani je priključen na vodilo računalnika, na drugi strani pa ima priključke za naprave (Vernier Software & Technology, 2018).
Aparatura tipa 3: Računalnik Chromebook ali LabQuest 2 in USB senzor (USB povezava)
Senzorji USB se povežejo neposredno z računalnikom, Chromebookom ali Lab Quest 2.
Vmesnik senzorjev ni potreben (Vernier Software & Technology, 2018).
Aparatura tipa 4: Mobilna naprava ali LabQuest 2 in brezžični senzor (Brezžična povezava)
Brezžični senzorji komunicirajo neposredno z mobilnimi napravami in LabQuest 2. Vmesnik senzorjev ni potreben (Vernier Software & Technology, 2018).
2.2.1.2. Sestavni deli Vernierjevih aparatur
1.Vernier vmesniki
Vernier vmesniki so lahko različni. V preteklosti so se uporabljali vmesniki LabPro, ki pa jih danes na trgu ne zasledimo več, kajti nadomestili so jih vsestranski in zmogljivejši vmesniki LabQuest 2., LabQuest Stream, LabQuest Mini ter cenovno ugodni vmesniki Go!Link (Vernier Software & Technology, 2018).
9
Slika 2: LabQest2 (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 2 prikazuje zgradbo LabQuest2, ki je samostojni brezžični računalniški vmesnik za senzorje Vernier. Uporablja svoj barvni zaslon na dotik za zbiranje, grafiko in analizo podatkov v učilnici ali na terenu.
Slika 3: LabQuest 2 (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 3 prikazuje digitalna vhoda, USB vhod ter tri analogne vhode.
10
Vmesnik ima USB, analogne in digitalne vhode za senzorje. Analogne priključimo na desno stran vmesnika, in hkrati lahko priključimo tri takšne senzorje. Digitalne senzorje pa priključimo na spodnjo stran vmesnika. Hkrati lahko priključimo dva takšna senzorja. Vmesnik ima poleg digitalnih in analognih vhodov za senzorje tudi USB priključek za povezavo vmesnika z računalnikom, priključek za povezavo s kalkulatorjem, kontrolne lučke za signalizacijo o delovanju, priključek za adapter ter prostor za baterije (Seme, 2014).
Slika 4: LabQuest 2 (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 4 prikazuje priključitveni vhod za vir energije, mini USB vhod, prostor za spominsko kartico ter avdio vhodni in izhodni priklop.
11
Slika 5: LabQuest Stream (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 5 prikazuje brezžični in USB vmesnik. Z brezžičnim in USB vmesnikom LabQuest Stream, imajo učenci svobodo in fleksibilnost hkratnega zbiranja podatkov z več Vernier senzorji, z uporabo mobilne naprave, Chromebook-a ali računalnika. Tako kot že ime pove, učenci lahko prenašajo podatke neposredno v mobilno napravo z uporabo povezave Bluetooth in ne Wi-Fi. To je še posebej pomembno za šole, kjer je dostop do omrežja omejen. Poleg tega LabQuest Stream vključuje USB povezljivost, ki omogoča neposredno povezavo s Chromebookom ali računalnikom, ko je to potrebno.
Slika 6: LabQuest Mini (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 6 prikazuje LabQuest Mini USB žični vmesnik, ki je močan, cenovno ugoden in enostaven za uporabo. Zbirajo se lahko podatki, z računalniki z operacijskim sistemom Windows ali Macintosh, LabQuest Mini pa lahko deluje s programsko opremo Logger Pro 3, Logger Lite ali Graphical Analysis for Chrome (Vernier Software & Technology, 2018).
12
Slika 7: Go! Link (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 7 prikazuje Vmesnik Go! Link je USB žični vmesnik je hiter in cenovno dostopen način za začetek uporabe tehnologije za zbiranje podatkov. Je enokanalen vmesnik, ki povezuje večino senzorjev Vernier v računalnik ali USB Chromebook (Vernier Software & Technology, 2018).
2. Vernier senzorji
Senzorje lahko razdelimo na štiri osnovne tipe, analogne, digitalne, USB in brezžične. Spodaj je navedenih nekaj primerov Vernier senzorjev in njihovih podatkov o delovanju.
TEMPERATURNI SENZOR
Temperaturni senzor (Slika 8) je namenski senzor, ki se uporablja za merjenje temperature.
Neposredno se poveže brezžično prek povezave Bluetooth ali žično preko USB povezave.
Za razliko od tradicionalnega termometra omogoča zbiranje podatkov v realnem času v enem samem primeru ali v določenem časovnem obdobju. Senzor je vodoodporen, zato je bolj vzdržljiv kot samo vodotesni senzorji.
Senzor za temperaturo ima razpon od - 40 do + 125 ⁰C, ločljivost je 0, 01 ⁰C, natančnost izmerkov je +/- 0.25 ⁰C, njegov odzivni čas je 90 % v 10 s v vodi z mešanjem (Vernier Software
& Technology, 2018).
13
Slika 8: Temperaturni senzor (Vernier Software & Technology, 2018).
pH SENZOR
pH senzor (slika 9) je senzor, ki se uporablja za spremljanje pH vodnih raztopin. Poveže se neposredno brezžično preko povezave Bluetooth ali preko USB povezave. Senzor je sestavljen iz pH elektrode, priključene na ojačevalnik Go Direct Electrode preko priključka BNC(Bayonet Neill–Concelman, uporablja se za povezovanje radijskih frekvenc in opreme ter elektronskih instrumentov). S to zasnovo lahko uporabimo ojačevalnik Go Direct Electrode z drugimi Vernier elektrodami, kot so ploščata pH elektroda (možno merjenje pri nizkem nivoju tekočine in na gladini), ORP elektroda (elektroda za merjenje oksidacijsko redukcijskega potenciala) , ISE elektroda (ionsko selektivna elektroda) ali s tretjo elektrodo.
Delovno območje pH senzorja je od 0 - 14, natančnost z novo elektrodo je pH +/- 0,2. Elektroda ima zaprto z gelom napolnjeno telo, Ag/AgCl, shranjuje se v raztopini s pufra pH -4 /KCl (Vernier Software & Technology, 2018).
14
Slika 9: pH senzor (Vernier Software & Technology, 2018).
SENZOR TLAKA
Senzor tlaka (slika 10) meri absolutni tlak plina. Poveže se neposredno brezžično preko povezave Bluetooth ali žično preko USB povezave. Uporablja se za nadzor tlaka plina v različnih eksperimentih. Zapisuje odčitke glede na referenčno točko v notranjosti senzorja, kar omogoča de gre do Pmax = 400kPa. Enote se preprosto lahko spremenijo v katerokoli od sedmih možnosti ,kPa, mmHg, inHg, mbar, psi, atm, torr. Senzor vključuje brizgo, cevke in zamaške za nastavitev za eksperimente.
Senzor ima razpon od 0 do 400 kPa (pri čemer je Pmax = 4bar = 400 kPa), ločljivost je 0,03kPa, natančen je do +/-3 kPa najvišja stopnja vzorčenja je 50 vzorcev/s. Maksimalen tlak, ki senzor lahko prenaša brez trajnih poškodb je 450 kPa (Vernier Software & Technology, 2018).
15
Slika 10: Senzor tlaka (Vernier Software & Technology, 2018).
SENZOR ELEKTRIČNE PREVODNOSTI
Senzor električne prevodnosti (slika11) določi ionsko vsebnost vodne raztopine, z merjenjem električne prevodnosti. Ima vgrajen temperaturni senzor, za hkratno branje prevodnosti in temperature. Izmenični tok na elektrodah preprečuje polarizacijo in elektrolizo, kar zmanjšuje kontaminacijo raztopin. Povezuje se neposredno brezžično z napravo preko Bluetooth povezave ali žično preko USB povezave.
Razpon ima od 0 - 20.000 uS/cm (mikrosiemens na centimeter), ločljivost je 0,01 uS/cm, konstanta celice je 1,0 cm-1, delovna temperatura pa od 0 do 80⁰C (Vernier Software &
Technology, 2018).
16
Slika 11: Senzor električne prevodnosti (Vernier Software & Technology, 2018).
SENZOR ZA MERJENJE ABSORBANCE ALI TRANSMITANCE (kolorimeter) Senzor (slika 12) meri absorbcijo ali prepustnost tekočega vzorca. Poveže se neposredno brezžično prek povezave Bluetooth ali žično prek povezave USB.
Senzor ima razpon od 0 – 3 (absorbanca), uporabno območje je od 0,05 – 1,0 (absorbanca) 90%
- 10 % prepustnosti (%T). Izbira se lahko med štirimi valovnimi dolžinami, in sicer 430nm, 470nm, 565nm, 635nm (Vernier Software & Technology, 2018).
Slika 12: Senzor za merjenje absorbance ali transmitance (Vernier Software & Technology, 2018).
17 3. Vernier programska oprema
Programska oprema Logger Pro za zbiranje podatkov in analiz je nagrajena, vsestranska in močna programska oprema, ki omogoča izvoz podatkov v Word ali Excel. Obstaja več verzij te programske opreme, najnovejša pa je Logger Pro 3. Podpira več kot 80 Vernier senzorjev za grafiko in analizo v realnem času. Omogoča zbiranje podatkov iz različnih virov, vključno z LabQuest 2, LabQuest Stream, LabQuest Mini, LabPro, WDSS, spektrometri,…
Graphical Analysis 4 je brezplačna programska oprema za Chrome, Windows, MacOS, iOS in Android, s katero lahko zberemo, delimo in analiziramo podatke za več kot 60 senzorjev.
Povežemo jih lahko na LabQuest Mini, LabQuest Stream, Go Link ali LabQuest 2, odvisno od potreb povezave.
Spectral Analysis 4 je brezplačna programska oprema za Chrome, Windows, MacOS, iOS in Android, s katero lahko zberemo, analiziramo in delimo podatke o spektrometru. Omogoča preprosto vključitev spektroskopije v eksperimentalno delo pri kemiji in biologiji.
Programska oprema Logger Lite je brezplačna programska oprema z osnovnimi funkcijami za zbiranje in analizo podatkov. Omogoča lažje in hitro zbiranje naravoslovnih in matematičnih podatkov.
2.2.1.3. Uporaba sistema Vernier pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije
Sistem Vernier je namenjen izključno uporabi pri učenju in poučevanju in ni primeren oziroma priporočen za rabo v industriji, medicini ali komercialni rabi. V nadaljevanju so navedeni nekateri senzorji za področje kemije ter njihova uporaba pri eksperimentalnem delu pri kemiji.
TEMPERATURNI SENZOR
Senzor se uporablja pri različnih poizkusih kot so endotermne in eksotermne reakcije-
»Endotermic and Exothermic Reactions« (Vernier Software & Technology, 2018), zamrzovanje in taljenje vode »Freezing and Melting of Water« (Vernier Software &
Technology, 2018), meritvah energijske vrednosti živil-»Energy Content of Foods«(Vernier Software & Technology, 2018),... (Vernier Software & Technology, 2018).
18
pH SENZOR
Senzor zajema podatke v realnem času in se uporablja pri poizkusih titracij kislin in baz –»Acid- Base Titration« (Vernier Software & Technology, 2018), spremLjanju sprememb pH med kemijskimi reakcijami, preverjanju pH in alkalnosti vodnih teles, preučevanju kislin in baz v gospodinjstvu »Household Acids and Bases« (Vernier Software & Technology, 2018).
SENZOR TLAKA
Senzor se lahko uporablja pri različnih poskusih pri raziskovanju Boylovega zakona razmerje med tlakom in količino plinov- »Boyle's Law: Pressure-Volume Relationship in Gases«
(Vernier Software & Technology, 2018 , raziskovanju lastnosti plinov-»Exploring the Properties of Gases« (Vernier Software & Technology, 2018), Charlesovega prava, merjenju plina kisika, ki nastane ob encimski katalizi vodikovega peroksida, nadzorovanju transpiracije rastlin... (Vernier Software & Technology, 2018).
SENZOR ELEKTRIČNE PREVODNOSTI
Senzor se lahko uporablja pri različnih poskusih kot so prevodnost raztopin: učinek koncentracije-Conductivity of Solutions: The Effect of Concentration« (Vernier Software &
Technology, 2018), difuzija ionov preko membrane, razlika med ionskimi in molekularnimi spojinami, močnimi in šibkimi kislinami ali ionskimi spojinami... (Vernier Software &
Technology, 2018).
SENZOR ZA MERJENJE ABSORBANCE ALI TRANSMITANCE (kolorimeter) Senzor se uporablja za raziskovanje absorbance in prepustnosti v različnih eksperimentih, vključno z Beerovim zakonom npr. določanje koncentracije raztopine : Beer-ov zakon-
»Determining the Concentration of a Solution: Beer's Law« (Vernier Software & Technology, 2018) in kinetičnimi študijami (Vernier Software & Technology, 2018).
19
2.2.2. Spectra TM
2.2.2.1. Opis aparature
Spektrometer Spektra TM je večnamenski instrument, ki je namenjen izkustvenemu poučevanju naravoslovnih predmetov, za kvantitativne in semikvantitativne določitve sestavin v realnih vzorcih. Deluje na osnovi tribarvne svetleče led diode , katere emisijski maksimum je pri 430 nm (modra), 565 nm (zelena) in 625 nm (rdeča) in svetlobnega senzorja (Gros in Vrtačnik, 2005).
1. Zgradba Spektra TM
Slika 13: Spektrometer Spektra TM (Gros in Vrtačnik, 2005)
Slika 13 prikazuje merilni učni pripomoček spektra TM. S številom 1 je označeno stikalo za vklop. S številom 2 so označene tri barvne LED diode. S številom 3 so označeni gumbi za uravnavanje svetilnosti. S številom 4 je označen blister, zraven pa je označeno tudi merilno mesto. S številom 5 je označen gumb za grobo nastavitev prepustnosti s številom 6 pa gumb za fino prepustnost ter njeno nastavitev. S številom 7 je označen zaslon, iz katerega razberemo podatek o prepustnosti (Gros in Vrtačnik, 2005).
Spektrometer je sestavljen iz svetila, merilne komore in senzorja. Kemijske reakcije se izvajajo na blistrih, za katere zadošča volumen 0.35mL, kar ustvarja tudi majhen volumen odpadnih raztopin. Pri manj zahtevnih eksperimentih se uporabljajo 10mL plastenke s kapalnim
20
nastavkom, steklenega pribora ne potrebujemo, kajti količine reagentov so minimalne (Gros, Harrison, Kapun Dolinar in Štrumbelj Drusany, 2010).
2.Delovanje Spektra TM
Bela svetloba v spektrometru izhaja iz svetlobnega vira in vstopa v monokromator. Iz monokromatorja izstopa le svetloba izbrane valovne dolžine oziroma barve, od tam pa potuje naprej do raztopine v blistru. Raztopina v blistru absorbira del svetlobe in detektor zazna zmanjšanje moči svetlobe, kar se pokaže kot absorbanca. Bolj intenzivno, kot je raztopina obarvana , višjo absorbanco izmerimo (Gros, Harrison, Kapun Dolinar in Štrumbelj Drusany, 2010).
2.2.2.2. Uporaba pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije
Spektrometer Spekter TM se uporablja pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije. V spektrometer vstaviš blister z vzorci. Merjenje na blistrih pa omogoča:
hitre določitve spektrometričnih kemijskih parametrov v vodi, hrani in pijači »Analiza prehrambenih izdelkov in pijač s spektrometrom Spektra TM« (Dimitrijevič, 2005),
poskuse s področja svetlobe in barv: »Aditivno mešanje barv« (Gros, Dolničar in Vrtačnik, 2005)
vpeljavo Lambert-Beerovega zakona »Izkustveni pristop k Lambert-Beerovemu zakonu« (Gros in Vrtačnik, 2005),
spoznavanje kemijskega ravnotežja »Le Chatelierovo načelo« (Gros, 2005),
spremljanje kinetike kemijskih reakcij »Razlika v hitrosti oksidacije različnih alkoholov« (Gros in Vrtačnik , 2005),
spektrometrične titracije…
Instrument podpira učenje z raziskovanjem, mogoče ga je nadgraditi tudi v druge analizne inštrumente kot npr. v plinski kromatograf, ki omogoča vpeljavo kromatografskih parametrov in tekočinski kromatograf, kar razširja področje šolskih eksperimentov (Gros in Vrtačnik, 2005).
21
3. EKSPERIMENTALNI DEL DIPLOMSKE NALOGE
Pri izdelavi diplomske naloge sem razmišljala v smeri rabe naravnih, vsakodnevnih snovi pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije. Poleg naravnih snovi sem želela predstaviti možen način uporabe IKT pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije. IKT sem uporabila za zajem eksperimentalnih podatkov, prav tako pa sem želela iste eksperimente izvesti še brez uporabe IKT. Moj namen je presoditi, kateri možen način je primernejši za uporabo pri eksperimentalnem delu pri pouku kemije.
Cilji
Razvoj in optimizacija treh eksperimentalnih vaj za uporabo Vernier senzorjev in izvedbo brez uporabe IKT pri pouku kemije.
Izdelati navodila za eksperimentalno delo učencev ter pripadajoče gradivo za delo učitelja.
Hipoteze
Uporaba Vernier senzorjev pri izvedbi eksperimentov v šolskem laboratoriju omogoča učinkovito spremljanje temperature in pH reakcijske zmesi ter tlaka v reakcijski posodi.
Ob upoštevanju ciljev učnega načrta za kemijo v OŠ je možno tradicionalno izvedbo nekaterih eksperimentov smiselno nadgraditi z uporabo Vernier senzorjev.
Opis uporabljenih postopkov
V diplomskem delu sem razvila in optimizirala eksperimente v skladu z učnim načrtom (Učni načrt kemija, 2011).
Pri delu v laboratoriju sem uporabila naslednje Vernier senzorje:
senzor za merjenje temperature,
senzor za merjenje pH,
senzor za merjenje tlaka.
22
3.1. Eksperiment 1: Spreminjanje barve čaja
Namen:
Razvoj in optimizacija eksperimentalnega dela za izbran eksperiment merjenje pH čaja pred in po dodatku limoninega soka, ob uporabi dveh možnih izvedb in sicer z uporabo Vernier senzorja za merjenje pH in pH lističev za merjenje kislosti in bazičnosti raztopin.
Na osnovi optimiziranega eksperimentalnega dela določiti prednosti in slabosti obeh načinov izvedb, ter izdelati smiselni učiteljevi pripravi in pripadajoče gradivo za uporabo pri pouku kemije.
Umestitev v učni načrt:
Tema/vsebinski sklop: Kisline, baze in soli
o Predlagane vsebine: Kisline in baze v okolju, Indikatorji, pH-lestvica
o Operativni cilji: »z uporabo indikatorjev razlikujejo med kislimi, bazičnimi in nevtralnimi snovmi iz svojega okolja; uporabljajo pH-lestvico, kot merilo za oceno kislosti in bazičnosti raztopin; uporabljajo eksperimentalno-raziskovalni pristop oziroma laboratorijske spretnosti; poznajo pomen, uporabo in vpliv kislin, baz in soli v življenju in okolju« (Učni načrt kemija, str.11).
3.1.1. Razvoj in optimizacija eksperimenta z oziroma brez uporabe IKT
Raztopine ki se vsakodnevno uporabljajo v gospodinjstvu imajo lahko kisle ali bazične lastnosti. Kislinsko-bazni indikatorji kot sta na primer lakmusov papir in sok rdečega zelja spremenita barvo, zato jih uporabljamo za ugotavljanje kislosti in bazičnosti raztopin. Na primer kislina modro obarvan lakmusov papir spremeni v rdeče, baza pa rdeč lakmusov papir spremeni v modro. Kislost oziroma bazičnost raztopin lahko izrazimo s pomočjo pH lestvice.
Kisle raztopine imajo pH vrednosti manj kot 7, bazične raztopine imajo vrednosti več kot 7, nevtralne raztopine pa 7 (Holmquist, Randall in Volz, 2007).
Eksperiment sem izvedla na dva možna načina, pri tem pa sem uporabila računalniški Vernier senzor za merjenje pH ter pH liste za merjenje kislosti in bazičnosti raztopin.
23
Na oba možna načina sem določila pH štirih različnih vrst čajev (borovnica, jagoda, šipek, hibiskus). Čaju sem dodala ekvivalent enega krhlja limoninega soka. Izbrane vrste čajev vsebujejo naravna barvila. Naravna rastlinska barvila se lahko nahajajo v različnih rastlinskih delih (cvetovi, plodovi, listi, skorja, korenika). Rastlinske dele običajno prelijemo z vročo vodo, da se ekstrahira barvilo. Naravna barvila, ki jih vsebujejo izbrane vrste čajev, delujejo kot indikator, zato je po dodatku limoninega soka prišlo do preskoka barve (Boh, Cvirn in Ferk, 2000).
Barvila, ki jih vsebujejo izbrane vrste čajev so antocianidini ali antocianini:
Navadna borovnica (Vaccinium myrtillus): delfinidin, peonidin, petunidin, miritilin Jagoda (Jagodnjak-Fragaria): pelargonidin, cianidin
Navadni šipek (Rosa canina): cianidin
Hibiskus (Hibiscus): cianidin, peonidin, petunidin, delfinidin, malvidin (Botanični vrt, 2000)
Skupni pripomočki in materiali:
štirinožno stojalo
steklokeramična plošča
plinski gorilnik
osem 250 mL čaš
kuhinjska krpa
spatula
tehtnica
štiri urna stekla
cedilo
nož
limone
ožemalnik limon
25 mL merilni valj
trinožno stojalo
mufa
24
prižema
steklena palčka
pufer pH 5
posušene borovnice
posušene vrtne jagode
posušeni plodovi šipka
posušeni hibiskusovi cvetovi
Specifični pripomočki za izvedbo z IKT:
Vernier senzor za merjenje pH
računalnik s programom Logger lite
Specifični pripomočki za izvedbo brez IKT:
alkoholni termometer
Slika 14: Vzorci različnih vrst čajev
Na sliki je prikazana količina izbranih vrst čajev ter velikost delcev. Delci izbrane vrste čaja naj bodo čim manjši, da je njihova aktivna površina čim večja.
Varnost:
Pri delu v laboratoriju je potrebno nositi zaščitno obleko ter očala.
25 Odpad:
Materiali ki se jih uporablja pri danem eksperimentu niso škodljivi človekovemu zdravju ali okolju, zato jih po končanem eksperimentiranju lahko odvržemo v koš za organske odpadke oziroma odpadne tekočine zlijemo v odtok.
Postopek za izvedbo z IKT:
a) Na trinožno stojalo namestimo mufo in prižemo ter vpnemo Vernier senzor za merjenje pH in temperature.
b) Senzor povežemo z računalnikom, na katerem je nameščen program za merjenje količin z uporabo Vernier senzorjev.
c) Na štirinožno stojalo postavimo keramično ploščo, nanjo pa 250 mL čašo v katero nalijemo 200 mL vode.
d) Pod štirinožno stojalo postavimo plinski gorilnik ter ga priključimo na dovod plina.
e) Prižgemo plinski gorilnik ter vodo segrejemo do temperature vrelišča.
f) Med segrevanjem vode do temperature vrelišča zatehtamo 3g plodov ali cvetov.
g) Ugasnemo plinski gorilnik ter s pomočjo kuhinjske krpe, čašo odstavimo na delovni pult.
h) V čašo primešamo 3g izbrane vrste posušenih plodov ali cvetov ter čašo pokrijemo z urnim steklom. Posušene plodove/cvetove pustimo v vroči vodi 10min.
i) Pripravek precedimo v drugo 250 mL čašo, ter v čašo namestimo Vernier senzor za merjenje pH ter Vernier senzor za merjenje temperature ter nastavimo program Logger lite.
j) V programu Logger lite pritisnemo start za merjenje pH in temperature. Dodamo limonin sok, katerega količina je ekvivalentna količini enega krhlja limone (15mL) in z enakomernimi gibi premešamo s stekleno palčko.
k) Z Vernier senzorjem spremljamo spremembo pH in temperature, na makroskopskem nivoju pa opazujemo spremembo (preskok) barve čaja pri dodajanju limoninega soka.
l) V tabelo na učnem listu zapišemo barvo čaja pred in po dodatku limoninega soka.
m) Iz tabel ali grafov v programu Logger lite poiščemo podatke, ki jih od nas zahteva tabela na učnem listu. V tabelo na učnem listu zapišemo zahtevane podatke.
n) Postopek ponovimo za vsako vrsto čaja.
26 Postopek za izvedbo brez IKT:
a) Na štirinožno stojalo postavimo keramično ploščo, nanjo pa 250 mL čašo v katero nalijemo 200 mL vode.
b) Pod štirinožno stojalo postavimo plinski gorilnik ter ga priključimo na dovod plina.
c) Prižgemo plinski gorilnik ter vodo segrejemo do temperature vrelišča.
d) Med segrevanjem vode do temperature vrelišča zatehtamo 3g plodov ali cvetov.
e) Ugasnemo plinski gorilnik ter s pomočjo kuhinjske krpe, čašo odstavimo na delovni pult.
f) V čašo primešamo 3g izbrane vrste posušenih plodov ali cvetov ter čašo pokrijemo z urnim steklom. Posušene plodove/cvetove pustimo v vroči vodi 10min.
g) Pripravek precedimo v drugo 250 mL čašo.
h) S termometrom izmerimo začetno temperaturo čaja. ter jo zapišemo v tabelo na učnem listu.
i) V tabelo na učnem listu zapišemo tudi barvo čaja pred dodatkom limoninega soka.
j) S pH lističemčaju izmerimo pH ter vrednost zapišemo v tabelo na učnem listu.
k) Dodamo limonin sok katerega količina je ekvivalentna količini enega krhlja limone (15mL) in z enakomernimi gibi premešamo s stekleno palčko.
l) Na makroskopskem nivoju opazujemo spremembo (preskok) barve čaja pri dodajanju limoninega soka, ter barvo čaja zapišemo v tabelo na učnem listu..
m) S termometrom zopet izmerimo temperaturo čaja ter meritev zapišemo v tabelo na učnem listu.
n) S pH lističem prav tako zopet izmerimo pH ter tudi to meritev zapišemo v tabelo na učnem listu.
o) Postopek ponovimo za vsako vrsto čaja.
Zbiranje podatkov za obe možni izvedbi:
Konstante:
m(čaja) = 3 g V(H2O) = 200mL
V(limoninega soka) = 15 mL
27
Tabela 1: Tabela meritev pH čajev s pH lističi in Vernier senzorjem pred in po dodatku limoninega soka
Vrsta čaja Pred dodatkom limoninega soka Po dodatku limoninega soka
pH T [C⁰] Barva pH T [C⁰] Barva
Borovnica
(Vernier) 6,23 60,13 rjavordeča 2,61 58,14 vinsko rdeča Borovnica
(pH lističi) 6-7 60 rjavordeča 2-3 58 vinsko rdeča
Jagoda
(Vernier) 4,53 32,03 rjava 3,08 31,5 svetlo rjava
Jagoda
(pH lističi) 5 32 rjava 3 31 svetlo rjava
Šipek
(Vernier) 3,81 70,74 rdeča 2,54 67,04 svetlo rdeča
Šipek
(pH lističi) 4 70 rdeča 3 67 svetlo rdeča
Hibiskus
(Vernier) 2,74 28,69 temno rdeča 2,65 28,5 rdeča
Hibiskus
(pH lističi) 3 29 temno rdeča 2-3 28 rdeča
Tabela 1 zajema podatke obeh načinov izvedbe eksperimenta. Iz tabele je razvidno, kako natančno je merjenje pH ter temperature z uporabo Vernier vmesnikov.
pH listi vseh vrst čajev pred in po dodatku limoninega soka so zbrani v prilogi 1.
28
Slika 15: Vzorci različnih vrst čajev pred in po dodatku limoninega soka
Slika 15 prikazuje spremembo barve izbranih vrst čaja pred in po dodatku 15 mL limoninega soka. Od leve proti desni si sledijo borovnica, jagoda, šipek in hibiskus. Na levi strani je v čašah čaj pred dodatkom limoninega soka, na desni pa po dodatku limoninega soka. Pri čaju borovnica (čaša 1 in 2) ter jagoda (čaša 2 in 3) je razlika v barvi zelo intenzivna.
Rezultati:
Rezultati pridobljeni brez uporabe IKT:
Rezultati so zbrani v tabeli 1.
Rezultati pridobljeni z uporabo IKT:
Tabela meritev je v prilogi 2.
29
Slika 16: Sprememba pH in temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa
Slika 16 prikazuje spremembo pH in temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa. Iz grafa je razvidno, kako lahko z Vernier vmesnikom merimo dve količini istočasno in nato podatke interpretiramo v grafikonu.
Slika 17: Sprememba pH po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa
0 10 20 30 40 50 60 70
pH; T[⁰C]
t[s] t [s] pH T [⁰C]
0 1 2 3 4 5 6 7
pH
t [s] pH
30
Slika 17 prikazuje pH čaja borovnice po dodatku 15 mL limoninega soka. Čaj borovnice ima pred dodatkom limoninega soka pH=6.23, po dodatku limoninega soka pa pH=2,31. Razlika v pH je višja kot pri ostalih vrstah čajev, zato je tudi sprememba na grafikonu bolj izrazita in nazorna.
Slika 18: Sprememba temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa
Slika 18 prikazuje spremembo temperature po dodatku 15 mL limoninega soka čaju borovnica v odvisnosti od časa. Temperatura čaja pada zaradi hladnejše okolice glede na temperaturo čaja, ohlajanje pa pospešimo še z dodatkom hladnejšega limoninega soka, ki ima temperaturo okolice ter z enakomernim vmešavanjem le -tega v čaj.
56 57 58 59 60 61 62
T[⁰C]
t[s] T [⁰C]
31
Slika 19: preskok barve čaja borovnica po dodatku 15 mL limoninega soka
Slika 19 prikazuje preskok barve čaja, ki je dobro viden na beli podlagi. Barva čaja se po dodatku 15 mL limoninega soka spremeni iz rjavordeče v vinsko rdečo.
Slika 20: preskok barve čaja jagoda po dodatku 15 mL limoninega soka
32
Slika 20 prikazuje preskok barve čaja jagoda na beli podlagi. Barva čaja se po dodatku 15 mL limoninega soka spremeni iz rjave v svetlo rjavo.
Slika 21: preskok barve čaja šipek po dodatku 15 mL limoninega soka
Slika 21 prikazuje preskok barve čaja šipek na beli podlagi. Barva čaja se po dodatku 15 mL limoninega soka spremeni iz rdeče v svetlo rdečo.
33
Slika 22: preskok barve čaja hibiskus po dodatku 15 mL limoninega soka
Slika 22 prikazuje preskok barve čaja hibiskus na beli podlagi. Barva čaja se po dodatku 15 mL limoninega soka spremeni iz temno rdeče v rdečo.
34
Slika 23: Sprememba pH čajev po dodatku 15 mL limoninega soka v odvisnosti od časa
Slika 23 ponazarja spremembo pH čajev po dodatku 15 mL limoninega soka v odvisnosti od časa. Iz grafa je razvidno, da je najintenzivnejša sprememba pH pri čaju borovnica, saj je že pH pred dodatkom limoninega soka višji od pH ostalih vrst čajev, sledijo pa mu v zaporedju jagoda, šipek in hibiskus, kar je dobro razvidno iz grafa.
0 2 4 6 8 10 12 14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
pH
t [s]
borovnica in limona pH jagoda in limona pH šipek in limona pH hibiskus in limona pH
35
3.1.2. Izdelava učiteljevih in učenčevih navodil za eksperimentalno delo z oziroma brez uporabe IKT
UČITELJEVA PRIPRAVA: Spreminjanje barve čaja
KISLINE, BAZE IN SOLI
Priimek in ime učitelja/kandidata: / Šola: / Razred:
Število oddelkov: / Predvideni datum: /
Predmet: KEMIJA
Učna tema / vsebinski sklop: Kisline, baze in soli
Učna enota: Kisline in baze v okolju, indikatorji, pH lestvica
Operativni učni cilji:
uporabo indikatorjev razlikujejo med kislimi, bazičnimi in nevtralnimi snovmi iz svojega okolja,
uporabljajo pH lestvico kot merilo za oceno kislosti in bazičnosti raztopin,
uporabljajo eksperimentalno-raziskovalni pristop oziroma laboratorijske spretnosti,
obdelujejo in uporabljajo podatke iz različnih virov s poudarkom na uporabi grafičnih prikazov,
poznajo pomen, uporabo in vpliv kislin, baz in soli v življenju in okolju.
Didaktična (-e) oblika (-e):
frontalna,
individualna,
skupinska.
Metoda (e):
metoda razgovora,
razlage.
Učna sredstva:
a) Učila:
tabelni zapis,
delovni list.
b) Učni pripomočki:
računalnik, Vernier senzor za merjenje pH, temperaturo,
pH lističi, termometer,
laboratorij, laboratorijska oprema...
36 IZVEDBENI NAČRT
V tabeli 2 so predstavljene posamezne faze izvedbe učne ure (uvajanje/pripravljanje, novo znanje/obravnava nove snovi, urjenje/vadenje, ponavljanje ter zaključek). Opis izvedbe, oziroma posebnosti pri posamezni izvedbi, so označene ob posameznih fazah.
Tabela 2: Tabela faz učne ure Spreminjanje barva čaja
37 Faze
Učna strategija
Metode/obli
ke dela Čas
Učila in učni pripomočki Učitelj Učenec
Uvajanje (pripravljanje)
Ponovitev sklopa kisline, baze in soli.
Zastavljanje vprašanj.
Učenci odgovarjajo na
zastavljena vprašanja.
Metoda razgovora, razlage.
3 min
Tabla, kreda.
Obravnava nove snovi
Razlaga navodil za izvajanje eksperimentov
na dva možna načina.
Razdelitev v skupine.
Učenci poslušajo, odgovorijo na sprotna zastavljena vprašanja.
Metoda razgovora,
razlage.
30 min
Tabla, kreda.
Obravnava nove snovi - Izvedba eksperimenta z uporabo IKT
Učencem velim naj se poskusa lotijo na način z uporabo IKT in
na hitro ponovim ključne
točke navodil.
Učencem razdelim delovne liste.
Usmerjanje učencev pri skupinskem eksperimentalne
m delu.
Po navodilih na delovnem listu se lotijo
izvedbe eksperimenta
. Izvajajo eksperiment z
uporabo Vernier senzorja za merjenje pH,
sledijo navodilom na
učnem listu.
Metoda razlage, skupinsko
delo.
Računalnik in program Logger lite,
Vernier senzor za merjenje pH
in temperature
, laboratorijs a oprema…
38 Obravnava nove
snovi - Izvedba eksperimenta brez uporabe
IKT
Učencem velim naj se poskusa lotijo na način z
uporabo pH lističev in na hitro ponovim
ključne točke navodil.
Učencem razdelim delovne liste.
Usmerjanje učencev pri skupinskem eksperimentalne
m delu.
Po navodilih na delovnem listu se lotijo
izvedbe eksperimenta
. Izvajajo eksperiment z
uporabo lističev za merjenje pH,
sledijo navodilom na
učnem listu.
Metoda razlage, skupinsko
delo.
pH lističi, termometer,
laboratorij- ska oprema…
Urjenje/vadenje
Učencem velim naj rešijo naloge na delovnem listu, povem jim
da imajo za reševanje 5 minut časa. Po
končanem reševanju naj si učenci prilepijo liste v zvezek.
Učenci rešujejo delovne liste.
List si prilepijo v
zvezek.
Individualno delo, metoda razgovora,
razlage.
5
min Delovni list.
39 Ponavljanje
Skupaj preverimo delovne liste obeh načinov izvedbe. V
primeru napačnih rešitev
podam razlago za pravilno
rešitev.
Preverim kaj so se naučili.
Zastavljam vprašanja.
Učenci, ki jih naključno pokličem, preberejo rešitev naloge.
Učenci odgovarjajo
na zastavljena
vprašanja.
Metoda razgovora.
5
min Delovni list
Zaključek
Za domačo nalogo naj rešijo
preostale naloge (ki jih nismo
rešili tekom učnih ur) v
delovnem zvezku za vsebinski sklop Kisline, baze in soli. Zahvalim
se jim za sodelovanje in
se poslovim.
Učenci poslušajo in se poslovijo.
Metoda razgovora
2
min /
KRATKA VSEBINSKA PRIPRAVA
Kisline: (latinsko acidus-kisel) so snovi, ki oddajajo protone. Pri reakciji z vodo oddajajo vodikove ione oziroma protone (H+), pri tem pa nastajajo oksonijevi ioni.(H3O+). Nahajajo se v naravi v rastlinah, živalih in človeku pa tudi v prehrani.
40 Primeri:
želodec – HCl,
urin - sečna kislina,
mišice - mlečna kislina,
kis - ocetna kislina,
v sadju - citronska, vinska, jabolčna kislina,
zelenjava - oksalna kislina…
Binarne spojine - kisline, ki jih sestavlja vodik in nekovina(HCl, HF, H2S…). Nastanejo z uvajanjem plinov v vodo.
Oksokisline - kisline, ki ji sestavlja vodik nekovina in kisik(HNO3, H2SO4, H3PO4...). Nastanejo pri raztapljanju nekovinskih oksidov v vodi.
Karboksilne kisline - (– COOH skupina). So kisline, ki imajo v molekuli več vodikovih atomov.
Pri reakciji z vodo lahko oddajo vodikov ion (H+), ki je vezan v karboksilni skupini.
Karboksilne kisline so šibke kisline, ker je v vodi več molekul kot prosto gibljivih ionov.
Baze: (latinsko basis - osnoven) so snovi, ki sprejemajo protone. Pri reakciji z vodo sprejmejo vodikov ion (H+) in tako nastanejo hidroksidni ioni (OH-), ki so nosilci bazičnih lastnosti. V naravi so manj pogoste kot kisline. V vsakdanjem življenju se pogosto srečujemo z njimi.
Nahajajo se v čistilih, izdelkih za osebno higieno, v prehrani, v rastlinah,…
V nekaterih rastlinah se nahajajo alkaloidi, ki so baze, v majhnih količinah imajo pogosto zdravilne učinke, v velikih pa delujejo kot strupi. Primeri alkaloidov: kofein, nikotin, morfij, atropin, kinin,… V čaju se nahaja alkaloid tein.
Baze so tudi oksidi, hidroksidi in karbonati elementov I. in II. skupine periodnega sistema elementov. Oksidi in hidroksidi so močne baze, v trdnem agregatnem stanju so bele kristalinične snovi, ki so večinoma dobro topne v vodi in so zelo jedke, enako velja tudi za njihove vodne raztopine.
Primeri:
rastlinski pepel - natrijev in kalijev karbonat (Na2CO3, K2CO3),
alakloidi - kofein, tein, nikotin, morfij, atropin, kinin,…
čistilna sredstva - amoniak (NH3),
41
v industriji - gašeno apno ali kalcijev hidroksid (Ca(OH)2 - gradbeništvo), pralna soda ali natrijev karbonat (Na2CO3 - za mehčanje vode), natrijev hidroksid (NaOH) - papirna industrija), kalijev hidroksid (KOH - pri proizvodnji mil)…
Indikatorji: (latinsko indicare - prikazovati) so barvila, ki se različno obarvajo v kislih in bazičnih raztopinah.
Kislinsko bazne indikatorje najdemo v sadju, cvetovih, plodovih, listih,… Vsebujejo antociane ali antocianine, ti pa so najbolj razširjena naravna barvila.
Univerzalni indikator: je zmes različnih indikatorjev, ki daje različne barvne spremembe v širokem pH območju.
pH vrednost: je število, ki nam pove ali je snov kisla bazična ali nevtralna.
pH lestvica: je merilo, s katerim označujemo kislost ali bazičnost vodnih raztopin.
Kisline imajo kisle lastnosti zaradi prisotnosti oksonijevih (H3O+) ionov. Večja kot je koncentracija oksonijevih ionov, bolj kisla je raztopina in manjša/nižja je njena pH vrednost (Devetak, 2011; Glažar, 2005; Smrdu, 2005 ).
Slika 24: pH lestvica (e-kemija, 2003)
Slika 24 prikazuje ph lestvico. pH lestvica vsebuje vrednosti od 0-14. 7 je nevtralno. od 0-7 kislo ter od 7-14 bazično.
42
PREDLOGA UČNEGA LISTA ZA UČENCE (Z UPORABO IKT)
DELOVNI LIST: Spreminjanje barve čaja
KISLINE IN BAZE V OKOLJU, INDIKATORJI, pH LESTVICA
I. Teoretične osnove: Razložite spodaj zapisane pojme.
Kisline:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Baze:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
pH lestvica:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Indikator:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
II. Navodila za delo: Na delovni pult si pripravite pripomočke in materiale za izvedbo eksperimenta ter sledite navodilom zapisanim pod točko 4 (postopek).
1. Pripomočki in materiali:
štirinožno stojalo
steklokeramična plošča
plinski gorilnik
osem 250 mL čaš
kuhinjska krpa
spatula
tehtnica
štiri urna stekla
cedilo
nož
limone
ožemalnik limon
25 mL merilni valj
trinožno stojalo
mufa
prižema
Vernierjev senzor za merjenje pH
računalnik s programom
Logger lite
steklena palčka
pufer pH 5
posušene borovnice
posušene vrtne jagode
