Monipuoliset oppimistehtävät ovat oleellinen osa kemian opiskelua

Kemian opiskelussa kuten muidenkin luonnontieteiden opiskelussa, keskeistä on pystyä soveltamaan opittuja tietoja uusien ongelmien ratkaisemiseen. Tämän vuoksi oppimisen kannalta on tärkeää, että opiskelijat saavat ratkaistavakseen erilaisia oppimistehtäviä. Kokeilin viime syksynä vertaisohjaus- eli peer instruction –menetelmää, jossa opiskelijat ensin vastasivat tunnilla esitettyyn kysymykseen itsenäisesti ja seuraavaksi ryhmäkeskustelun jälkeen uudelleen. Menetelmä toimi hyvin, sillä yleensä keskustelun jälkeen suurin osa (> 80%) opiskelijoista vastasi oikein, eli jo muutaman minuutin keskustelu (vertaisohjaus) selkiytti aihetta suurelle osalle opiskelijoista. Havaitsin kuitenkin, että tunnilla käsitellyt Socrative-sovelluksen avulla toteutetut monivalintatehtävät eivät oikein soveltuneet kaikkien kemian käsitteiden opiskeluun ja lisäksi koin että hyvien kysymysten keksiminen oli hyvin haastavaa.


Oppimisen kannalta olisi parempi, jos harjoitustehtävät testaisivat monipuolisesti opitun asian ymmärtämistä ja soveltamista. Osa harjoitustehtävistä voi olla haastaviakin. Orgaanisen kemian oppiminen ja ymmärtäminen perustuu pitkälti visuaalisen havainnointiin rakenteista ja niiden eri osista. Isoistakin monimutkaisista rakenteista on mahdollista havaita yhdisteen reaktiiviset paikat ja funktionaaliset ryhmät, joihin yhdisteen kemia perustuu. Em. vuoksi orgaanisen kemian opiskellussa on tärkeintä oppia piirtämään molekyylirakenteita, reaktioita ja reaktiomekanismeja paperille ja näin käden ja silmän yhteistyöllä opiskelija oppii hahmottamaan molekyylejä ja reaktioita. Siksi erilaiset piirtämistehtävät ovat keskeisiä orgaanisen kemian opiskelussa. Ajattelin kokeilla tänä syksynä Learning catalytics- sovellusta, jolla opiskelijat voivat esimerkiksi vastata kysymykseen piirtämällä, ottamalla älypuhelimella valokuvan piirroksestaan ja lähettämällä sen opettajalle. Uskoisin tämän onnistuvan, koska nykyisin jokaisella opiskelijalla on älypuhelin, jossa yleensä on varsin laadukas kamera.

Ennen kontaktiopetusta opiskelijat katsovat luentokerran videot ja tekevät luentoihin liittyvät ennakkotehtävät, jotka olen laatinut Moodlen tentti-työkalulla. Planet eStreamiin tulossa uusi toiminnallisuus, jossa videoon on mahdollista liittää kysymyksiä ja monivalintatehtäviä. Tarkoitus on ottaa tämä toiminnallisuus käyttöön kurssillani, koska se pakottaa opiskelijan katsomaan videoita ja muutenkin elävöittää niitä. Videoluennot olen editoinut 3-10 minuutin pätkiin niin, että perinteinen 2 × 45 min luento tiivistyy 45-60 minuuttiin.


Ajattelin antaa opiskelijoille myös kotitehtäviä ja tarkoitus olisi, että opiskelijat ratkoisivat niitä 4-hengen ryhmissä. Ryhmätyöskentelyn tarkoituksena on tehdä oppimisesta yhteisöllistä ja saada pidemmälle edenneet opettamaan heikompia opiskelijoita. Ryhmät ajattelin muodostaa Moodlessa satunnaisesti, niin että ryhmän ensimmäiseksi nimetty toimisi ryhmän vastuuhenkilönä ja koollekutsujana. Ryhmien on tarkoitus kokoontua tekemään kotitehtävien kurssin kuluessa niin, että jokaiselle viikolle annetaan uusi kotitehtäväpaperi (kaikkiaan 5 tehtäväpaperia), jossa kussakin on n. 5 tehtävää. Ennakkotehtävistä ja oikein ratkaistuista kotitehtävistä on tarkoitus antaa lisäpisteitä, joilla voi korvata tenttipisteitä (maksimissaan 10 lisäpistettä, lopputentin maksimipistemäärä 100 p).


Haasteena kotitehtävien tarkistukselle on kurssin suuri koko, n. 200 opiskelijaa, mikä tietää n. 50 neljän hengen ryhmää. Voisin ehkä selviytyä tarkastuksesta, jos ryhmät palauttaisivat tekemiään kotitehtäviä kuvan muodossa Moodleen. Ryhmä siis ottaisi vastauksestaan kuvan esim. älykännykällä ja palauttaisi sen Moodlen kyseisen tehtävän palautuskansioon. Kotitehtävät olisivat enimmäkseen piirtämistehtäviä, jotka ovat nopeasti tarkastettavia. Seuraavalla kerralla olisi tarkoitus uudistaa kurssin arviointi jatkuvan arvioinnin suuntaan niin, että kurssin kuluessa suoritetut tehtävät olisivat osa arviointia ja lopputentin merkitys olisi vähäisempi.  

Vaihtoehtoja Socrative-kysely- ja äänestystyökalulle

Erilaisilla kysely/äänestys-sovelluksilla on mahdollista parantaa vuorovaikutusta ja aktivoida opiskelijoita massaluennolla.  Olen käyttänyt Socrative-sovellusta luennoilla, mutta sen maksuttomalla versiolla opiskelijoiden määrä on rajattu 50:een. Kussillani on kuitenkin n. 200 opiskelijaa ja kokemuksesta tiedän, että palauteen saaminen opiskelijoilta on tällä versiolla hidasta. Ohjelmasta on maksullinen  versio Socrative Pro, jonka vuosilisenssi on $ 49.99. Se riittäisi 150 opiskelijalle. Muitakin kyselytyökalua verkosta löytyy: esimerkiksi Kahoot. Se on ilmainen, eikä siinä ole rajattu osallistujamäärää. Löysin myös uuden sovelluksen Quizizz. Kahoot ja Quizizz ovat kuitenkin enemmän pellillisiä tietovisa-sovelluksia, joissa on pakko näyttää vastaajille oikea vastaus. Jos opiskelija tietää vastanneensa oikein tai väärin, se ei kannusta keskusteluun luennolla.

Luennolla käyttämässäni peer instruction- eli vertaisohjaus-menetelmässä kysymysten tarkoitus on nimenomaan herättää keskustelua. Luennoilla opiskelijoilta kysytään kysymyksiä, joihin he vastaavat sähköisesti esim. älypuhelimillaan ja joista he keskustelevat toistensa ja opettajan kanssa.  Menetelmän perusajatus on, että opiskelija joka tietää oikean vastauksen opettajan esittämään kysymykseen, pystyy perustelemaan vastauksensa vakuuttavammin kuin se opiskelija, jolla on väärän vastaus. Lisäksi opiskelija, joka juuri äsken oppinut opittavan asian, pysyy useimmiten selittämään asian opiskelijatovereilleen paremmin kuin opettaja (joka ei pysty asettumaan opiskelijan tasolle). Socrativella oikeaa vastausta ei tarvitse antaa ja siksi se soveltuu paremmin keskustelun herättämiseen.

Yammerista sain vinkin, että on olemassa myös sovellus Poll Everywhere, jossa on peruskyselyjen lisäksi reaaliajassa päivittyvä avainsanapilvi ja tekstiseinä. Lisäksi siinä kyselyihin on mahdollista vastata myös tekstiviestillä. Huonona puolena Poll Everywheressä on, että sen ilmaislisenssissä vastaajien määrä on rajattu 40:een ja että kysymyksiin ei voi liittää kuvia.  Kokeilin myös Microsoft Pulsea, mutta siinnäkään kysymyksiin ei voi liittää kuvia. Yammerissa mainittiin, että O365:ssä on forms-sovellus, jolla pitäisi pystyä tekemään  kyselyjä ja johon vastaaminen onnistuu myös mobiililla. Lisäksi myös Yammerissa ja Skype/Lyncissä on äänestys (poll) -toiminto. Löysin myös videon Office Mix -sovelluksen kyselymahdollisuudesta. Videosta jäi kuitenkin epäselväksi miten kyselyn tulokset saa koostettua.

Socrativen ja monen muun äänestys/kysely-sovelluksen kysymysvaihtoehdot rajoittuvat muutamaan kysymystyyppiin. Itse olen käyttänyt Socrativessa lähinnä monivalintakysymyksiä. Sopivan haastavia ja keskustelua herättäviä monivalintakysymyksiä on kuitenkin vaikea keksiä ja opettamassani oppiaineessa, orgaanisessa kemiassa on keskeistä osata piirtämällä esittää opittua asiaa, kuten reaktiomekanismeja ja molekyylirakenteita. Kevään flippariseminaarissa oli esitys Pearsonin Learning Catalytics-sovelluksesta, josta oheinen videoesittely.

Learning Catalytics on monipuolinen äänestys/kyselytyökalu, jolla on mahdollista tehdä muitakin kuin monivalintakysymyksiä ja sitä on ollut kehittämässä käänteisen oppimisen pioneeri prof. Eric Mazur. Opiskelijat voivat esimerkiksi vastata kysymykseen piirtämällä, ottamalla mobiililaitteella valokuvan piirroksestaan ja lähettämällä sen opettajalle. Opiskelijat voivat myös tehdä merkintöjä kysymykseen liitettyyn kuvaan. Opettaja näkee reaaliaikaisesti miten opiskelijat ovat kysymykseen vastanneet ja saa tiedon onko asia ymmärretty. Tämän jälkeen asiaa voidaan käsitellä ryhmissä, varsinkin jos opittava asia ei ole kaikille selvä. Mikäli opiskelijat ovat ilmoittaneet paikkansa opetustilassa, sovellus osaa automaattisesti ryhmittää opiskelijat niin, että kysymykseen eri tavoin vastanneet muodostavat ryhmän.  Learning Catalytics-sovellus olisi kurssilleni paras vaihtoehto, ja koska se on saatavissa koekäyttöön edullisesti, ajattelin ottaa sen käyttöön kemian perusteet -opintojaksollani.

Kokemuksia käänteisestä opetuksesta kemian perusteet -opintojaksolla

Julkaistu Itä-Suomen yliopiston blogissa 31.1.2016

Opetan orgaanista kemiaa Kuopion kampuksella. Kokemuksesta tiedän, että luentojen kuunteleminen ei riitä kemian omaksumiseen, vaan varsinainen oppiminen ja esitetyn asian ymmärtäminen tapahtuu vasta jälkeenpäin erilaisten harjoitusten ja oppimistehtävien avulla. Luento yksinään on tehoton tapa opettaa luonnontieteitä ja vuorovaikutus luennoilla on vähäistä. Luennoilla opiskelijat esittävät kysymyksiä harvoin ja tekemiini kysymyksiin on vaikea saada opiskelijoilta vastauksia. Ns. käänteinen opetus (flipped learning tai flipped classroom) on kuuma puheenaihe opetuksesta kiinnostuneiden opettajien keskuudessa. Käänteisessä opetuksessa opiskelijat tutustuvat ennen opetukseen osallistumista annettuun materiaaliin, esimerkiksi opetusvideoihin, jolloin opetustilanteessa jää enemmän aikaa aihepiiriin liittyvien tehtävien tekemiseen, sekä opettajan ja opiskelijoiden väliseen vuorovaikutukseen. Ajatus, että opiskelijat tutustuisivat luennolla käsiteltäviin aiheisiin jo etukäteen kuulosti hienolta, ja päätin kokeilla käänteistä opetusmenetelmää kemian perusteet, osa 2 –opintojaksolla (KP2). Kyseessä on todellinen massakurssi, jolle osallistuu yli 200 opiskelijaa.

Ihastui Salman Khanin tekemiin kemian opetusvideoihin, joita löytyy Youtube ja Khan Academy-sivustolta (kannattaa tutustua ensin ohessa olevaan Salman Khanin TED-luentoon).

Videoissa Khan havainnollistaa erittäin hyvin kemian käsitteitä ja reaktiomekamismeja käyttäen digitaalista piirtopöytää, jolle hän piirtää samalla selittäen käsiteltävää aihetta. Luennot ovat lyhyitä kestäen vain 5–15 minuutta. Khan Academy-tyylisten opetusvideoiden tekemiseen ei tarvita kalliita laitteistoja ja niitä on periaatteessa mahdollista tehdä missä vain. Tästä innostuneena ryhdyin tekemään keväällä 2015 samantyylisiä videoluentoa, käyttäen kuvankaappausohjelmaa (Camtasia Studio), piirto-ohjelmaa (SmoothDraw 3, Autodesk SketchBook), piirtopöytää (Wacom, Microsoft Surface) ja USB-mikrofonia. Tarvittavat ohjelmat ja laitteet hankin saamallani oppimisympäristöjen kehittämisrahalla. Videot tallensin YouTubeen linkitettynä Moodleen ja kaiken kaikkiaan 5-15 min pienoisluentoja kertyi n. 120 kpl. Videoluentojen tekemiseen on varattava aikaa. Yhden 15 minuutin videoluennon tallentaminen valmisteluineen ja editointeineen vei aikaa keskimäärin 1-2 tuntia.

Jotta saisin opiskelijat katsomaan opetusvideot ja lukemaan kurssimateriaali ennen luentoja, laadin jokaiselle luentokerralle materiaaliin liittyviä ennakkotehtäviä. Ennakkotehtävät laadin Moodlen tenttityökalulla ja niitä oli jokaisella luentokerralla (13 luentokertaa) ja kukin ennakkotehtävä koostui 6-10 monivalintakysymyksestä. Ennakkotehtävistä sai maksimissaan 10 pistettä (10 % kokonaispistemäärästä) hyvitystä tenttisuoritukseen. Moodlessa oli myös opiskelijoiden saatavilla vanha luentomoniste ja luentokalvot sekä muuta opiskelumateriaalia, kuten vanhoja lopputenttejä mallivastauksineen. Ennen luentoa opiskelijoille siis annettiin esitehtäväksi verkossa olevien videoiden katsominen (tai vaihtoehtoisesti kirjallisen materiaalin lukeminen) ja niihin perustuvien ennakkotehtävien tekeminen.

Koska luennot ovat nyt videoina, on selvää, että perinteisiä luentoja en tule luennoilla pitämään. Ajattelin kokeilla Harvardin yliopiston fysiikan professori Eric Mazur kehittämää Peer Instruction eli vertaisohjaus-menetelmää, jota hän on menestyksellisesti käyttänyt fysiikan massaluennoilla. Eric Mazur aloitti kyseisen menetelmän käytön jo 1990-luvun alussa ja häntä voidaan pitää Flipped learning -käsitteen oppi-isänä (niille, joille Eric Mazur ei ole tuttu, suosittelen katsomaan videon).

Samaa menetelmää on myös soveltanut Pekka Koskinen Jyväskylän yliopistosta ja hän on kirjoittanut aiheesta valaisevan artikkelin Arkhimedes-lehteen.

Käytin siis luennoilla Peer Instruction-opetusmenetelmää, jossa kysymysten ja vertaiskeskustelujen avulla pyrittiin syventämään opittua asiaa. Ennen kysymyksiä kävin läpi luennon ydinasiat ja ennakkotehtävät. Tämän jälkeen siirryttiin Socrative-kysymyksiin, joiden tavoitteena on selvittää opiskelijat käsitteellistä ymmärrystä opittavasta asiasta. Kysymykset laadin Socrative-sovelluksella (http://www.socrative.com/), joka on ilmainen netissä toimiva sovellus, joka mahdollistaa opiskelijoiden vastaamisen luennolla esitettyihin kysymyksiin niin että vastaukset näkyvät reaaliaikaisesti opettajan esityksessä. Opiskelijat kirjautuvat järjestelmään sisään ja näkevät kysymykset omilla älypuhelimillaan, tableteillaan tai kannettavillaan. Ensin opiskelijat vastaavat ensin yksin oman ajatuksensa ja ennakkotietonsa mukaisesti. Jos lähes kaikki vastaavat oikein, on kysymys ollut liian helppo ja lyhyiden perustelujen jälkeen voidaan siirtyä seuraavaan kysymykseen. Jos vain osa opiskelijoista on vastannut kysymykseen oikein, on vuorossa ryhmäkeskustelut, joiden aikana opiskelijat perustelevat omat vastauksiaan toisille. Ajatuksena on, että oikein vastanneet saavat vakuutettua epävarmat tai väärässä käsityksessä olleet kanssaopiskelijat. Keskustelun jälkeen sama väittämä esitettiin uudelleen, jolloin yleensä kaikki olivat yksimielisiä oikeasta vastauksesta ja oppimistapahtuman voidaan katsoa onnistuneen. Lopuksi asia varmennettiin keskustellen koko luokan kanssa ja käytiin läpi sekä oikeat että väärät vastaukset perusteluineen. Kokemukseni mukaan Peer Instruction –opetusmenetelmä Socrative-kysymysten avulla ei toiminut niin kuin ajattelin. Tarkoitus oli, että vastausten reaaliaikainen näyttäminen tekisi oppimistilanteesta interaktiivisen ja että vastauksien analysointi yhdessä opettajan ja opiskelijoiden kanssa syventäisi oppimista. Kurssin alussa suurin osa opiskelijoista osallistui aktiivisesti keskusteluun ryhmissä tai pareittain. Kysymyksiin vastaaminen ja osallistumisaktivisuus kuitenkin hiipui kurssin edetessä. Opiskelijapalautteessa Socrative-kysymyksiin käytettiin monen vastaajan mielestä liian paljon aikaa, jolloin osa opiskelijoista kyllästyi vastausten odotteluun ja koki että perinteinen luento olisi toiminut paremmin. Hyvät tunnilla esitettävät kysymykset ovat avainasemassa ja haastavinta menetelmässä on opittavan asian ymmärtämistä edesauttavien ja keskustelua herättävien kysymysten keksiminen. Lisäksi luennoilla esitetyt monivalintakysymykset myös rajoittivat jossain määrin opittavien käsitteiden opiskelua, koska kemian oppimisessa on keskeistä molekyylien ja reaktioiden esittäminen piirtämällä. Nykyään on kuitenkin olemassa online-oppimisympäristöjä (esim. Sapling learning ), joilla on mahdollista laatia oppimistehtäviä, joissa opiskelija vastaa tehtäviin piirtämällä ja ohjelma myös tunnistaa oikean rakenteen.

Oppimistulosten perusteella opintojakso näytti onnistuneen hyvin, vaikka kontaktiopetuksen määrää vähennettiin 50 tunnista 26 tuntiin. Oppimistulos oli silti yhtä hyvä kuin perinteisellä luento-opetuksella. Ensimmäisessä tentissä hylätyn suorituksen sai vain 25 % tenttiin osallistuneista ja 37 % opiskelijoista menestyi tentissä erinomaisesti saaden arvosanan 4-5/5. Opiskelijapalautteen perusteella 40 % opiskelijoista piti opintojakson työmäärää liian suurena. Käänteinen opetus selvästi lisäsi opiskelijoiden työmäärää perinteiseen luentoon verrattuna ja tämä myös näkyi opiskelijoiden sanallisissa palautteissa, joissa he totesivat, että he eivät ehtineet kunnolla paneutua käsiteltävään aiheeseen ja ennakkotehtäviin kurssin tiukan aikataulun takia. Kurssin tiivis aikataulu, jossa luentoja oli lähes joka päivä, oli opintojakson suurin ongelma. Videoiden ja muun luentomateriaalin läpikäymiseen ja itsenäiseen opiskeluun pitäisi varata riittävästi aikaa. Seuraavalla luentokerralla kurssin luennointiaikataulua on pyrittävä muuttamaan siten, että kurssin luennot olisivat jaettu hieman pidemmälle aikajaksolle. Lisäksi pitäisi vielä läpikäydä opintojakson sisältö ja tunnistaa sieltä kaikkein tärkein sisältö (ydinaines), joka sitten esitetään opetusvideoiden muodossa. Seuraavalla luentokerralla videoiden ja ennakkotehtävien lukumäärää on tarkoitus supistaa ja Socrative-kyselyjen rinnalle tai tilalle täytyy kehittää muita aihetta syventäviä ja vuorovaikutteisia opetusmenetelmiä. Luennoilla saattaisi olla hyödyllisempää käsitellä perinteisiä kemian harjoitustehtäviä monivalintatehtävien sijaan. Luennoille osallistumisaktiivisuutta voisi lisätä jokaisen oppitunnin alussa järjestävällä Socrative-pikatestillä, joihin osallistuminen vaikuttaisi kurssin arvosanaan.

Kokonaisuudessaan kokeilu oli rohkaiseva. Vaikka opiskelijapalaute oli ristiriitaista, uskon edelleen että käänteisellä opetusmenetelmällä on mahdollista parantaa oppimistuloksia, lisätä vuorovaikutusta luennolla ja erityisesti uskon sen helpottavat lähtötasoltaan heikompien opiskelijoiden opiskelua, koska videotallenteiden avulla opiskelijan on mahdollista edetä opiskelussaan omaan tahtiin.

Käänteisen opetusmenetelmään siirtyminen vaatii paljon työtä. Erityisesti videoiden tekeminen ja hyvien oppimistehtävien laatiminen vei paljon työaikaa. Onneksi seuraavalla kerralla suurin osa materiaalista on jo valmiina. Olen päättänyt muuttaa muunkin luento-opetukseni flipped-muotoon.