INTEGRATED EDUCATION IN CHEMISTRY

INTEGROVANÁ VÝUKA VE VZDĚLÁVÁNÍ V CHEMII INTEGRATED EDUCATION IN CHEMISTRY Michal Šíba, Helena Klímová [email protected], [email protected] Anotace Integrovaná výuka přírodních věd se dostala do povědomí učitelů především v souvislosti se zavedením Rámcových vzdělávacích programů. Možnost integrace přírodovědných oborů (chemie, biologie, fyziky či dalších) do jediného vzdělávacího předmětu však byla využita pouze v malém procentu středních škol. Existují ale i jiné přístupy integrace přírodních věd ve výuce, např. tematický přístup, ve kterém mohou být prostředky moderních informačních technologií neocenitelným pomocníkem. Klíčová slova integrovaná přírodovědná výuka, tematický přístup, prezentace v programu Microsoft Office PowerPoint, animace, Adobe Flash, fotosyntéza, historie přírodních věd ve vzdělávání Annotation Integrated education in Science is known for teachers in the first place from the Framework Educational Programmes. The possibility of integration of science in one subject (Science) is not in Czech schools popular. But there are many others possibilities of integrated education, for example Thematic Approach, in that we can use a help of ICT. Keywords Integrated Eduaction in Science, Thematic Approach, Microsoft Office PowerPoint´s presentation, Animation, Macromedia Flash, Photosynthesis, History of Science in Education

1. Integrovaná přírodovědná výuka Integrovaná přírodovědná výuka je obvykle definována jako snaha o jednotné pojetí přírodních věd ve vzdělávání (Lepil, 2006). Širší a konkrétnější vymezení integrace přírodních věd bylo vyjádřeno již v sedmdesátých letech minulého století na konferencích Mezinárodního výboru vědeckých společností (International Council of Scientific Unions ICSU): „Integrace přírodních věd jsou ty přístupy, při nichž jsou koncepce a principy přírodních věd prezentovány tak, že vyjadřují základní jednotu přírodovědného myšlení a pojmů a potlačují přežité nebo nevýznamné rozdíly mezi různými oblastmi přírodních věd (Matyáš, 1974).“ Ačkoliv je u mnohých učitelů často integrovaná přírodovědná výuka zúžena do představy sjednocené výuky přírodovědných oborů v rámci jednoho předmětu (Přírodní vědy) po vzoru anglosaských škol (Science), je důležité si uvědomit, že je tato varianta pouze jednou z krajních možností integrované přírodovědné výuky. Na českých školách a v českém školském systému se mnohem více uplatní jiná forma integrované přírodovědné výuky, tzv. koordinovaná (interdisciplinární) výuka. Při této výuce tvoří jednotlivé přírodní vědy samostatné vyučovací předměty, které však jsou tak koncipovány a organizovány, že směřují k témuž cíli a vytvářejí jednotný obraz světa (Janás, 1985). Tento model výuky je založen na koordinovaném přístupu při tvorbě vzdělávacích plánů jednotlivých přírodovědných předmětů. Koordinace výuky chemie, biologie, fyziky, geologie, geografie, popřípadě dalších přírodních věd nastává v několika rovinách: 1. obsahové; 2. časové; 3. metodické; 4. cílové.

Obsahové a časové vazby reflektují návaznost učiva jednotlivých předmětů a snahu o nalezení souvislostí a vztahů mezi nimi. Rovněž metody a cíle výuky přírodovědných předmětů by měly být vzájemně koordinovány, což se ne vždy děje (Trna, 2005). 1.1 Integrace a Rámcové vzdělávací programy

V souvislosti se zavedením Rámcových vzdělávacích programů (RVP) jakožto závazných kurikulárních dokumentů do praxe základních a středních škol se mezi učiteli přírodovědných předmětů rozvinula hluboká diskuze nad možností integrované přírodovědné výuky. Vždyť v charakteristice vzdělávací oblasti Člověk a příroda v RVP pro gymnázia se doslova uvádí (RVP G, 2007): „Základní prioritou každé oblasti přírodovědného poznávání je odkrývat metodami vědeckého výzkumu zákonitosti, jimiž se řídí přírodní procesy. Přírodní objekty jsou totiž vesměs systémy nebo tyto systémy vytvářejí. Zkoumání přírody tak nezbytně vyžaduje komplexní, tj. multidisciplinární a interdisciplinární přístup, a tím i úzkou spolupráci jednotlivých přírodovědných oboru a odstraňování jakýchkoli zbytečných bariér mezi nimi. Vzdělávací oblast Člověk a příroda má proto také umožnit žákům poznávat, že bariéry mezi jednotlivými úrovněmi organizace přírody reálně neexistují, jsou často jen v našem myšlení a v našich izolovaných přístupech. Svým obsahovým, strukturním i metodickým pojetím má oblast vytvářet prostředí koordinované spolupráce všech gymnaziálních přírodovědných vzdělávacích oboru. Přírodovědné disciplíny jsou si velmi blízké i v metodách a prostředcích, které uplatňují ve své výzkumné činnosti. Používají totiž vždy souběžně empirické prostředky (tj. soustavné a objektivní pozorování, měření a experimenty) a prostředky teoretické (pojmy, hypotézy, modely a teorie). Každá z těchto složek je přitom v procesu výzkumu nezastupitelná, vzájemně se ovlivňují a podporují.“ Učitelé přírodovědných předmětů (chemie, biologie, fyziky, geologie a dalších) tak byli postaveni před problém, jakým způsobem požadavek na obsahovou a metodickou integraci implementovat do školních vzdělávacích programů (ŠVP) jednotlivých škol. Jednou z možností, jak zdůraznit mezipředmětové vztahy, je využít prostředky informačních technologií ve výuce. 1.2 Integrovaná témata s využitím multimediálních učebních pomůcek

Na Katedře učitelství a didaktiky chemie PřF UK byl v roce 2009 zahájen dotazníkový výzkum určený učitelům chemie na českých gymnáziích věnovaný problematice integrované výuky přírodovědných předmětů. Kromě snahy o zmapování situace na českých školách a zjištění názorů a zkušeností učitelů s integrací přírodovědných předmětů se snažíme podpořit výuku integrovaných témat tvorbou multimediálních učebních pomůcek – především výukových prezentací v programu Microsoft Office PowerPoint k tématu fotosyntéza a didaktických testů v programu Macromedia Flash k tématu historie přírodních věd. Jak vyplývá z řady výzkumů, nejpoužívanějším nástrojem mezi středoškolskými učiteli v předmětu chemie je doposud tvorba výukových prezentací v programu Microsoft Office PowerPoint. Tento program je vhodný nejenom k vytváření statických snímků (slidů), které se následně promítají dataprojektorem na promítací plochu učebny, ale umožňuje také tvorbu jednoduchých animací chemických procesů. Ačkoliv se chemie jakožto experimentální věda opírá ve výuce především o reálný chemický experiment, můžeme najít především v oblasti obecné chemie a biochemie řadu dějů (fotosyntéza, Krebsův cyklus, elektronová konfigurace, termodynamika aj.), pro které se jeví počítačová animace jako optimální výukový prostředek. Výrazně se tím zvyšuje nejenom motivace studentů pro studium, ale také vlastní pochopení probíraného tématu. V programu Microsoft Office PowerPoint byla v rámci diplomové práce (Šíba, 2009) vytvořena PowerPointová prezentace k interdisciplinárnímu tématu Fotosyntéza, která obsahuje mimo jiné řadu animací biochemických pochodů v chloroplastu rostlinné buňky a animované hry a úkoly k procvičení látky. Ačkoliv je tato prezentace primárně určena pro výuku chemie, je v ní kladen velký důraz na mezipředmětové vztahy s biologií, tudíž je použitelná i ve výuce tohoto předmětu.

Výhodou použití programu Microsoft Office PowerPoint při tvorbě animací je jeho snadné (takřka intuitivní) ovládání a dostupnost tohoto programu. Lze však na něm vytvářet pouze animace jednoduššího typu s relativně nízkou grafickou úpravou. Existuje však celá řada dalších IT nástrojů, které umožňují vytvářet složitější animace a tím převést často abstraktní obsah učiva chemie do vizuální podoby. Příkladem programu, který umožňuje tvorbu animací s vysoce kvalitní grafickou úpravou, je program Macromedia Flash pracující s programovacím jazykem ActionScript. V programu Macromedia Flash je možné vytvářet i interaktivní kvizy a didaktické testy, které jsou automaticky vyhodnoceny. Ty tak mohou sloužit studentům pro domácí přípravu a opakování probrané látky nebo mohou být zařazeny jako součást e-learningových kurzů. Právě možnost vytváření interaktivních automaticky hodnocených testů byla využita při zpracování jednoho z integrovaných témat – Historie přírodních věd. 2. Integrovaná témata V roce 2009, jak uvádíme výše, jsme začali s rozsáhlým dotazníkovým výzkumem mezi středoškolskými učiteli chemie k problematice integrované výuky přírodovědných předmětů. Výzkum je realizován na českých gymnáziích (čtyřletých i víceletých, soukromých i státních) ve všech krajích v České republice. Jedním z cílů výzkumu je zjistit, jaké formě integrované výuky by dávali učitelé přednost, popřípadě s jakou z nich již mají zkušenosti. Jak vyplývá z dílčích výsledků v Jihočeském, Jihomoravském, Pardubickém, Moravskoslezském, Karlovarském a Královéhradeckém kraji a kraji Vysočina (celkem 70 respondentů), většina učitelů (61 %) se kloní k názoru, že nejvhodnější způsob realizace je začlenit společné prvky přímo do obsahu výuky konkrétního přírodovědného předmětu. 33% z respondentů se domnívá, že nejvýhodnější metodou výuky integrovaných témat je projektové vyučování. Pouze minimum učitelů (6%) by preferovalo vytvoření samostatného volitelného interdisciplinárního předmětu (viz. graf č. 1). Graf č. 1 Způsoby realizace integrované přírodovědné výuky 80% 60% 40% 20% 0% Začlenění mezioborových vztahů do výuky daného předmětu

Využití projektového vyučování

Vytvoření integrovaného volitelného semináře

Protože náš pohled na podobu integrace na českých středních školách je obdobný jako názor většiny učitelů, zpracováváme dílčí témata mezioborového charakteru s využitím prostředků moderní informační technologie. V rámci diplomové práce (Šíba, 2009) bylo rozpracováno téma Fotosyntéza, v rámci práce disertační je didakticky zpracováváno téma Historie přírodních věd. 2. 1 Fotosyntéza

Fotosyntéza je učivo spadající jak do oblasti výuky biologie (fyziologie rostlin či botaniky) tak i chemie (v biochemii). Jedná se o téma základní, které nelze ve výuce vynechat pro svou

nezpochybnitelnou důležitost pro život každého z nás, téma, které je však mezi studenty často neoblíbené pro svou složitost. Složitou ji činí především molekulární pochody v rostlinné buňce, o kterých je student přesvědčován, že tak probíhají, které ale je jen velmi obtížné si ve skutečnosti představit. Rozhodli jsme se toto téma zpracovat do podoby PowerPointové prezentace využívající všechny možnosti, které tento program umožňuje. Zároveň jsme dbali, aby byly v prezentaci zdůrazněny mezioborové vztahy, aby ji tedy bylo možno využít při výuce chemie i biologie. Výuková prezentace k tématu fotosyntéza je vytvořena v programu Microsoft Office PowerPoint 2007. Prezentaci tvoří 28 snímků, rozdělených do pěti částí: 1. Opakování základních pojmů 2. Úvod do tématu 3. Calvinův cyklus 4. Světelná fáze fotosyntézy 5. Didaktická hra Domino Většina snímků je doplněna poznámkami, které jsou určeny pro učitele. Tyto poznámky jsou napsány v okně pod příslušným snímkem v režimu normálního zobrazení prezentace. Poznámky jsou rozděleny do tří skupin: 1. didaktické poznámky; 2. technické poznámky; 3. odborné poznámky pro učitele chemie „nebiologa“. Didaktické poznámky jsou motivovány snahou o upřesnění cílů výuky a způsobu využití ve výuce. Řada snímků je doplněna animacemi, které jsou časovány aktivační událostí – spustí se tedy pouze po kliknutí na určitý objekt. Na řadu objektů jsou vloženy hypertextové odkazy, které mohou nebo nemusí být využity. Technické poznámky toto osvětlují, slouží učiteli pro snadnější práci s vlastní prezentací. V technických poznámkách také uvádíme, v kterých programech jsme malovali určité obrázky, popřípadě odkazy na obrázky stažené z webu. Ne každý učitel chemie musí být zároveň aprobován na biologii. Takovému učiteli samozřejmě mohou určité pojmy či dotazy studentů z oblasti biologie činit jisté komplikace. Proto jsme zařadili i doplňující a vysvětlující informace u ryze biologických pojmů použitých v prezentaci. Připravená PowerPointová prezentace respektuje základní princip integrované výuky – snahu o zdůraznění mezipředmětových vztahů. Klade důraz na schopnost studentů lokalizovat biochemické pochody, ať již z molekulárního hlediska (určení buněčných organel, v kterých probíhají) nebo z hlediska organismů (určení skupin organismů, v kterých probíhají). V naplnění tohoto základního cíle výrazně napomáhá využití animací v programu Microsoft Office PowerPoint a tvorby animovaných úkolů a úloh. Jeden z nich je i v samém úvodu prezentace, v kterém jsou veškeré organismy rozděleny do skupin dle zdroje energie (chemoorganotrofy, chemolithotrofy, fototrofy) a dle zdroje uhlíku (autotrofy, heterotrofy). K procvičení dané problematiky slouží následující snímky:

Anabeana variabilis

Escherichia coli

Kam patří?

Helix pomatia

Nitrobacter winogradskyi

Kam patří? Helix pomatia

Železité bakterie

Zea may

Zea may

Anabeana variabilis

Nitrobacter winogradskyi

CHEMOORGANOTROFOVÉ

CHEMOLITHOTROFOVÉ

CHEMOORGANOTROFOVÉ

FOTOTROFOVÉ

Escherichia coli

CHEMOLITHOTROFOVÉ

FOTOTROFOVÉ

Železité bakterie

Obr. 2... po kliknutí na název organismu, se políčko přesune na správné místo.

Obr. 1 Situace na počátku ...

Úkolem studentů je zařadit napsané organismy do správné skupiny (ať již s pomocí učitele nebo bez něj). Dalo by se říci, že se jedná o ryze biologický úkol (obr. 1 a 2). Toto má však své pokračování, ve kterém je ta samá situace ale z chemického hlediska (obr. 3 a 4). To znamená, že úkolem studentů není zařazovat organismy ale přímo biochemické reakce.

O P

+

+

OH

H

H2O

NADH+H+

OH

Fe2+→Fe3+ + e-

CH2O P

O

2

O

O

-

O

O

-

O

-

OH

O H

Jaké reakce umí?

Jaké reakce umí?

O

CO2

H

OH CH2O P

oxidace dusíku N-IIIH3→NIIIO2-→NVO3-

CH3

NAD+

AUTOTROFNÍ FOTOTROFOVÉ

CHEMOORGANOTROFOVÉ

oxidace dusíku N-IIIH3→NIIIO2-→NVO3-

CH3

CHEMOORGANOTROFOVÉ NADH+H+

CHEMOLITHOTROFOVÉ

O

-

O

+

e-

AUTOTROFNÍ FOTOTROFOVÉ O P O

O

-

O

CHEMOLITHOTROFOVÉ

CO2

+

H

OH

H

OH

NAD+

CH3

+

H2O

CH2O P

OH

O CH3

Fe2+→Fe3+

2

-

O

O

H

OH CH2O P

Obr. 3 Situace na počátku ...

Obr. 4... po kliknutí na reakci, se políčko přesune na správné místo.

Účel takového úkolu je víc než zřejmý: studenti si uvědomí, že probírané reakce neprobíhají sami o sobě, ale jsou vázány na konkrétní organismy, a zároveň za zcela konkrétními organismy uvidí celou řadu procesů, které jim umožňují žít. Tyto poznatky o lokalizaci biochemických procesů z hlediska buněčných struktur i systému organizmů jsou z pohledu integrované výuky přírodovědných předmětů velmi cenné a důležité. Animace jsou v prezentaci využity také při znázornění světelné fáze fotosyntézy, endosymbiotického původu chloroplastu či při didaktické hře domino, která je zařazena na úplný závěr pro zopakování základních pojmů. 2.2 Historie přírodních věd

Téma historie přírodních věd jsme se rozhodli zpracovat z několika důvodů. Především jde o jeho interdisciplinární charakter zasahující do oblastí přírodních i společenských věd. Na tomto tématu se snad nejlépe demonstruje myšlenka jednoty přírodních věd, která vzešla z jejich společných kořenů. Ačkoliv dnes žijeme ve světě, ve kterém se stále více uplatňují úzce profilovaní a specializovaní odborníci, nebylo tomu tak vždy. Počátky přírodních věd jsou naopak charakterizovány snahou o poznávání světa v jeho celistvosti a o pochopení

základních principů, na kterém funguje. Pokud chceme studenty motivovat pro hledání mezioborových vztahů v rámci přírodních věd, měli bychom je na tento společný historický vývoj upozornit, což se ne vždy děje. Ačkoliv je téma dějin přírodních věd implementovatelné do mnoha vyučovacích předmětů (chemie, fyzika, biologie, dějepis, základy společenských věd), často se paradoxně setkáváme s tím, že jako celek není probíráno nikde. Do jisté míry za to může právě jeho interdisciplinární charakter. Učitelé humanitních předmětů se obávají, že nedokážou správně interpretovat vývoj přírodovědeckého poznání, a učitelé přírodních věd zase nechtějí zabíhat do historických souvislostí, ve kterých si nemusí být jistí. Navíc pro výuku dějin přírodních věd na středních školách reálně neexistují pomůcky ve formě pracovních listů, prezentací či didaktických testů. Tuto mezeru jsme se rozhodli vyplnit přípravou výukového textu doplněného řadou úkolů a úloh určených středoškolským studentům. Texty a úlohy se týkají nejranějších fází vývoje vědeckého bádání v oblasti přírodních věd, protože právě v tomto raném období vědy ještě zdaleka neexistují ostré hranice mezi jednotlivými přírodovědnými disciplínami a je tak možné studentům ukázat, že přírodní vědy mají společný základ nejenom v metodách a cílech zkoumání, ale také v jejich historickém vývoji. Vytvořené texty se konkrétně týkají čtyř historických období v různých částech světa. Jde o starou Čínu, antické Řecko a středověkou a renesanční Evropu. Přírodovědné poznatky jsou v textech prezentovány na pozadí historických událostí, dochází tak k prolínání přírodovědných a společenskovědných předmětů, což je motivující podnět i pro spíše humanitně zaměřené studenty. Kromě výukových textů doplněných o úkoly a úlohy (stejně tak bychom mohli tyto texty označit za pracovní listy doplněné o učební text) jsme se rozhodli vytvořit také didaktické testy v programu Macromedia Flash. Tyto multimediální testy se sami vyhodnocují, proto jsou vhodným e-learningovým doplněním výukového textu a mohou tak středoškolským studentům usnadnit domácí přípravu. 3. Závěr Moderní informační a komunikační technologie, především programy sloužící k tvorbě prezentací a animací, jsou důležitým didaktickým prostředkem moderních forem vzdělávání, jakým je například integrovaná přírodovědná výuka. Využili jsme program Microsoft Office PowerPoint pro vytvoření prezentace doplněné řadou animací pro integrované téma Fotosyntéza. Téma Historie přírodních věd je rozpracováno do podoby čtyř výukových textů kombinovaných s pracovním listem, které budou doplněny čtyřmi didaktickými testy vytvořenými v programu Adobe Flash.

LITERATURA [1] MATYÁŠ, M.: Současný stav výzkumu v integrovaném vyučování. In: Současný stav a perspektivy vývoje vědecké práce v didaktice fyziky. Olomouc: UP 1974, s. 56-66 [2] LEPIL, O.: Integrovaný model přírodovědného vzdělávání. In: Konstruktivismus a jeho aplikace v integrovaném pojetí přírodovědného vzdělávání. Úvodní studie. Vydavatelství UP, Olomouc 2006, s. 61-66, ISBN 80-244-1258-6 [3] JANÁS, J. Mezipředmětové vztahy a jejich uplatňování ve fyzice a chemii na základní škole. 1. vydání. Univerzita J. E. Turkyně, Brno 1985 [4] TRNA, J. Didaktika přírodovědy a rámcové vzdělávací programy. In: Sborník konference Moderní trendy v přípravě učitelů fyziky 2. Západočeská univerzita v Plzni 2005 [5] Rámcový vzdělávací program pro gymnázia. Praha: Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2007. ISBN 97880-87000-11-3 [6] ŠÍBA, M. Integrace biologických poznatků do výuky chemie. Diplomová práce. Praha: UK v Praze, Přírodovědecká fakulta, 2009

Mgr. Michal Šíba Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Katedra učitelství a didaktiky chemie doc. RNDr. Helena Klímová, CSc. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Katedra učitelství a didaktiky chemie