IMPLEMENTACE MOLEKULÁRNÍCH A KRYSTALOVÝCH STRUKTUR V INTERAKTIVNÍ PODOBĚ DO VÝUKY ANORGANICKÉ CHEMIE

(1)

IMPLEMENTACE MOLEKULÁRNÍCH

A KRYSTALOVÝCH STRUKTUR V INTERAKTIVNÍ PODOBĚ DO VÝUKY ANORGANICKÉ CHEMIE

Diplomová práce

Studijní program: N7503 – Učitelství pro základní školy

Studijní obory: 7503T009 – Učitelství anglického jazyka pro 2. stupeň základní školy 7503T036 – Učitelství chemie pro 2. stupeň základní školy

Autor práce: Bc. Michaela Kupcová Vedoucí práce: RNDr. Michael Rouha, Ph.D.

Liberec 2014

(2)

(3)

(4)

Prohlášení

Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

(5)

Poděkování

Děkuji panu RNDr. Michaelovi Rouhovi, PhD. za vedení práce a panu Ing. Janu Grégrovi za poskytnuté konzultace a cenné rady. Velké poděkování patří i Ing. Pavlovi Psotovi za trpělivost, obětavost, ochotu, pomoc, pochopení a podporu během posledních několika měsíců.

(6)

Anotace

Diplomová práce se zaměřuje na zdroje a možnosti tvorby interaktivních modelů chemických sloučenin. Práce stručně popisuje vybrané volně dostupné programy pro vizualizaci vnitřní stavby molekul, které lze využít pro tvorbu interaktivní prezentace s trojrozměrnými modely anorganických struktur. Práce se také zabývá vytipováním vhodných sloučenin a posouzením výhodnosti implementace interaktivních modelů do výuky anorganické chemie na základní škole.

Klíčová slova

Vizualizace, počítačové programy, anorganické látky, implementace modelů, interaktivní prezentace

Annotation

The diploma thesis is focused on the resources and possibilities of an interactive molecular models creation. The thesis describes various free molecular visualization programs, which can be used for creating interactive presentations. The thesis deals with a choice of suitable inorganic compounds and taking into consideration the advantages and disadvantages of implementation of interactive forms of molecular and crystal structures in the teaching of inorganic chemistry.

Key words

Visualization, molecular visualization software, inorganic compounds, implementation, interactive presentation

(7)

7

Obsah

Seznam obrázků ... 9

Seznam tabulek ... 9

Seznam grafů ... 10

Úvod ... 11

1 Teoretická část ... 12

1.1 Vizualizace v pedagogice ... 12

1.1.1 Vizuální gramotnost ... 12

1.1.2 Funkce obrazového materiálu ... 13

1.1.3 Vizualizace dat jako výukový prostředek ... 14

1.1.4 Vizualizace ve výuce chemie ... 15

1.1.5 Možnosti využití vizualizace podle definice učiva v RVP: ... 18

1.2 Grafické zobrazení anorganických struktur ... 20

1.3 Vizualizační programy vhodné pro zobrazení anorganických struktur ... 21

1.3.1 CrystalMaker ... 22

1.3.2 Mercury ... 23

1.3.3 Jmol ... 24

1.3.4 ViewerLite ... 25

1.3.5 Diamond ... 26

1.3.6 ACD/ChemSketch ... 26

1.3.7 Discovery Studio Visualizer ... 29

1.4 Studentská semestrální práce ... 33

1.4.1 Návod pro vypracování ... 33

1.4.2 Zadané úkoly ... 34

1.4.3 Shrnutí výsledků studentských prací ... 35

2 Praktická část ... 37

(8)

8

2.1 Didaktický test ... 37

2.1.1 Typy didaktických testů ... 37

2.1.2 Vlastnosti didaktického testu ... 38

2.2 Cílová skupina žáků ... 42

2.3 Pracovní listy ... 42

2.3.1 Motivační prvek v pracovních listech ... 43

2.3.2 Interaktivní pracovní list ... 43

2.3.3 Neinteraktivní pracovní list ... 43

2.3.4 Metodický list ... 43

2.4 Interaktivní prezentace ... 44

2.4.1 Struktura interaktivní prezentace ... 46

2.4.2 Zařazení do výuky ... 47

2.4.3 Sady prezentací s pracovními listy ... 47

2.5 Vyhodnocení testů ... 47

2.5.1 Sada 1 ... 49

2.5.2 Sada 2 ... 53

2.5.3 Sada 3 ... 57

2.5.4 Sada 4 ... 60

2.5.5 Sada 5 ... 64

2.5.6 Sada 6 ... 68

2.5.7 Sada 7 ... 72

3 Závěr ... 77

Seznam použité literatury ... 79

Seznam příloh ... 81

(9)

9

Seznam obrázků

Obrázek 1: CrystalMaker ... 22

Obrázek 2: Mercury ... 23

Obrázek 3: Jmol ... 24

Obrázek 4: ViewerLite ... 25

Obrázek 5: Diamond ... 26

Obrázek 6:ACD/ChemSketch ... 27

Obrázek 7: Discovery Studio Visualizer ... 29

Obrázek 8: Popis Discovery Studio Visualiser ... 30

Obrázek 9: Získání a využití CIF formátu ... 34

Obrázek 10: Ukázka prezentace ... 46

Seznam tabulek

Tabulka 1: Celkové dosažené skóre jednotlivými skupinami a základní statistické parametry .. 50

Tabulka 2: Úspěšnost úloh ... 51

Tabulka 3: Výpočet relativní četnosti žáků p, kteří řešili úlohy správně, a obtížnosti úlohy q .. 51

Tabulka 4: Výpočet reliability ... 52

Tabulka 6: Relativní skóre dosažené srovnávanými skupinami v jednotlivých úlohách ... 55

Tabulka 7: Výpočet relativní četnosti žáků p, kteří řešili úlohy správně, a obtížnosti úlohy q .. 56

Tabulka 10: Relativní skóre dosažené srovnávanými skupinami v jednotlivých úlohách ... 59

Tabulka 11: Výpočet relativní četnosti žáků p, kteří řešili úlohy správně, a obtížnosti úlohy q 59 Tabulka 12: Výpočet reliability ... 60

Tabulka 13: Celkové dosažené skóre jednotlivými skupinami a základní statistické parametry 61 Tabulka 14: Relativní skóre dosažené srovnávanými skupinami v jednotlivých úlohách ... 62

(10)

10 Tabulka 15: Výpočet relativní četnosti žáků p, kteří řešili úlohy správně, a obtížnosti úlohy q 63

Seznam grafů

Graf 1: Průměrné skóre ... 50

(11)

11

Úvod

S rozvojem informačních a komunikačních technologií došlo v posledních několika letech k významným pokrokům v oblasti vzdělávání. Součástí učeben základních škol nejsou pouze tabule klasické, ale své pevné místo našly i tabule interaktivní, které nabízí mnoho možností využití a způsobů obohacení výuky. Chemie se díky své abstraktnosti řadí mezi obory, v nichž je využití výpočetní techniky velmi žádoucí, protože umožňuje náhled do mikrosvěta, který je bez vizualizace pro žáky velmi obtížně představitelný. A právě to je důvodem, proč jsem se rozhodla zabývat implementací molekulárních a krystalových struktur v interaktivní podobě do výuky anorganické chemie na základní škole.

Prvním cílem práce je shrnutí poznatků o zdrojích a možnostech tvorby modelů struktury. Vytvoření interaktivní prezentace předchází prostudování vhodných vizualizačních programů a možností jejich uplatnění. Jmenovitě se jedná o programy CrystalMaker, Mercury, Jmol, ViewerLite a Diamond, které by měly být v diplomové práci stručně shrnuty. Blíže by měl být prostudován program ACD/ChemSketch, ve kterém lze struktury snadno přímo vytvořit, a poté software Discovery Studio Visualiser. S jeho použitím je možné vložit trojrozměrné interaktivní modely anorganických struktur do prezentace PowerPoint, kterou lze poté využít při výuce chemie.

Druhým cílem je vytipování sloučenin, jejichž modely by bylo vhodné zahrnout do vyučování, a posouzení samotné výhodnosti implementace interaktivních modelů do výuky anorganické chemie. Vytipování příslušných sloučenin by mělo být na základě prostudování témat Rámcového vzdělávacího programu pro základní vzdělávání a také používaných učebnic chemie. Modely by měly být začleněny do vyučování v podobě interaktivní prezentace, s jejíž pomocí budou žáci řešit úlohy v pracovních listech. Aby bylo možné posoudit výhody a přínos těchto prezentací, tak budou zároveň vytvořeny pracovní listy, které budou žáci řešit bez ukázky trojrozměrných modelů. Vzájemné porovnání výsledků by mělo vést k zodpovězení otázky, v jakých konkrétních tématech je vhodnější pracovat s interaktivními modely, jaké sloučeniny jsou pro trojrozměrné zobrazení vhodnější, jaké naopak matoucí a jaký celkový přínos pro žáky vizualizace měla.

(12)

12

1 Teoretická část

1.1 Vizualizace v pedagogice

Učení z obrázků, schémat či grafů je využíváno již od pradávna. Aristoteles používal ilustrace při výkladu anatomie, Platon jako pomůcku v geometrii a Jan Ámos Komenský ve svém světoznámém díle Orbis Pictus, kde jsou elementy živé a neživé přírody popisovány nejen slovy, ale i obrazovými prostředky. Podle Komenského je proces zapamatování tím výraznější, čím více smyslů je zapojeno. Na základě výzkumů je účinnost receptorů na proces zapamatování následující: sluch 10 % - 20 %, zrak 30 % - 40 % a kombinace zvukových a zrakových počitků 50 % - 70 % [1].

Podle [2] má pojem vizualizace svůj původ v latinském slově vider – viděti.

Vizualizace je tedy operace, která transformuje strukturu či charakteristické vlastnosti do podoby umožňující jejich zrakové vnímání. Je to tedy činnost, kterou daný jev zviditelňujeme.

Vizualizaci učiva můžeme definovat jako grafické vyjádření pojmů a vztahů mezi nimi, které žákům usnadňuje pochopení látky. Vizualizace je podmínkou pro tzv. vizuální učení, které představuje individuální styl učení žáka založený na nonverbálním způsobu sdělování informací. Obrazový materiál je tedy vedle mluveného slova ve výuce žáků důležitým komunikačním prostředkem.

V tradičních školách převládá verbální sdělování a to jako mluvené, psané a tištěné slovo [3]. Čtení obrazu přitom aktivizuje myšlení, zpřesňuje a konkretizuje představy a vede k odhalování a chápání vztahů a souvislostí [4]. Dle [5] vizualizace přispívá k výchově vizuální kultury a tím i k celkovému rozvoji estetického vnímání a prožívání světa. Rozvíjí tedy i vizuální gramotnost, což je schopnost porozumět a používat obrazy, myslet a učit se v termínech obrazů [3].

1.1.1 Vizuální gramotnost

Běžnou praxí na základních školách je, že učitelé učí žáka porozumět verbálnímu sdělení, číst text a pracovat s ním. Žák poslouchá výklad učitele, jsou mu slovně čí písemně kladeny otázky a musí se umět orientovat v textu na tabuli i učebnici.

Žák je veden, aby se učil učit se pomocí textu. Téměř vůbec ale není veden k tomu, aby se naučil učit pomocí obrazového materiálu. Obrázek či animace nebývají předmětem detailního rozboru a žáci tedy většinou neví, jak z daného obrazového materiálu získat

(13)

13 dostatek informací. Předpokládá se, že je obrazový materiál dostatečně názorný sám o sobě a vše je na první pohled jasné. Přesto ale zahraniční výzkumy poukazují na fakt, že podobně jako existují lidé, kteří neumí číst a psát a jsou tedy negramotní, tak existují lidé, kteří neumí porozumět obrazovému sdělení a nedokážou z obrázku vyčíst žádoucí informace. Tito lidé se řadí do skupiny obrazově negramotných [3].

Vizuální gramotnost je chápána buď jako schopnost, nebo jako dovednost. Lze ji vymezit například jako schopnost porozumět („číst“) a používat („vytvářet“) obrazy, myslet a učit se v termínech obrazů [6]. Může být ale také definována jako soubor dovedností, kterými disponuje jedinec, aby porozuměl vizuálnímu obrazu a dokázal jej používat k záměrné komunikaci s jinými lidmi [7].

1.1.2 Funkce obrazového materiálu

Podle [3] je obrazový materiál souhrnným označením pro široké spektrum materiálů od těch, které zobrazují skutečnost velmi věrohodně (fotografie, videoprogram, realistická kresba), až po abstraktnější vyjádření reality (mapa, graf, animace). Jde tedy o materiály použitelné při učení, v nichž dominují nonverbální prvky.

Hlavním kritériem pro použití obrazového materiálu v praktické části této diplomové práce bude jeho funkčnost.

Psychodidaktické funkce obrazového materiálu s důrazem na vztah obrazový materiál-učivo dělí [3] do několika kategorií, přičemž jeden obrazový materiál může plnit více než jen jednu funkci. V této práci se jedná hlavně o tyto kategorie:

1) Funkce reprezentující – obrazový materiál má vytvářet adekvátní obrazové představy s různou mírou schematizace (realistické zobrazení věcí a jevů až po grafy a diagramy).

2) Funkce interpretující – hlavním cílem je usnadnit pochopení učiva a utvořit u žáků správné představy o učivu. Zároveň má předcházet vzniku mylných představ a napravovat dříve vzniklé miskoncepce.

3) Funkce transformující – obrazový materiál má ovlivnit způsob, kterým se žák učí a jak zpracovává informace. Proces osvojování poznatků má být konkrétnější a snáze zapamatovatelný a vést k lepšímu vybavení potřebných informací z paměti.

(14)

14 Proces učení je u žáků spojen s emocemi a nebývá automaticky provázen příjemnými pocity. Obrazový materiál může oživit průběh učení, umožnit snadnější porozumění látce, probudit žákův zájem o učivo a navodit příznivou atmosféru.

Dobře zvolený obrázek či animace může žáka pozitivně motivovat k učení a kladně ovlivnit jeho vztah k osvojování nové látky. Z této myšlenky vyplývají další dvě funkce, a to:

1) Funkce koncentrování pozornosti – správně koncipovaný obrazový materiál usměrňuje žákovu pozornost na podstatné informace, řídí jeho orientaci v problému a slouží k udržení jeho pozornosti. Rizikem je špatná koncepce, kdy přemíra barev, prvků či podrobností odvede žákovu pozornost a znesnadní porozumění celku.

2) Funkce kognitivně-regulační – obrazový materiál vede učícího se jedince k lepší orientaci v problému a překlenuje mezeru mezi tím, co je už známé, a tím, co je pro žáka nové.

1.1.3 Vizualizace dat jako výukový prostředek

Využití informačních a komunikačních technologií (dále ICT) ve výuce patří v posledních několika letech mezi klíčová témata po celém světě. S ohledem na Evropu se hlavně diskutuje o tom, jaký je přístup žáků a učitelů k prostředkům ICT nejen ve škole, ale také mimo ni. Druhá diskuze, která je vedena odborníky v oblasti pedagogiky a didaktiky, pojednává o tom, jakým způsobem ICT ve vyučování efektivně využít [8].

O tom, že je vizualizace dat tématem posledních několika let svědčí i fakt, že se objevila již v roce 2010 na stránkách výroční zprávy projektu Horizon, který se řadí mezi nejvýznamnější předpovědi budoucího vývoje na poli vzdělávacích technologií.

Ten se krom zájmu o obecné trendy pokouší odhalit také míru potenciálu jednotlivých témat pro budoucí využití [9].

Důvod uvedení vizualizace dat na seznam technologií, které jsou považovány za významné nástroje budoucnosti, je zřejmý. Zatímco dříve bylo počítačů pomálu a jejich výkon byl nízký, dnes je tomu přesně naopak. Počítače disponují velkým výkonem a kapacitou a stávají se běžnou součástí domácností i vybavení škol, kde jsou dnes běžnou součástí výuky.

Použití vizualizace dat při výuce je přitažlivé z několika pedagogických důvodů, které jsou již v práci uvedeny. Ráda bych ovšem zdůraznila i další pozitivum, a to

(15)

15 že napomáhá se vštěpováním informací a nových poznatků do paměti. Pokud žák pouze čte, zapamatuje si kolem 10 % z toho, co přečetl, 20 % poté z toho, co slyší, 30 % z toho, co vidí, 50 % z toho, co slyší a vidí, 70 % z toho, co řekne a 90 % z toho, co dělá [10]. Vizualizace kombinuje více smyslů najednou a tím tedy přispívá k efektivnějšímu učení a zapamatování většího množství informací.

1.1.4 Vizualizace ve výuce chemie

V současné době se stává role vizualizace nejen ve výuce chemie, ale i ostatních přírodovědných předmětů, aktuálním tématem a předmětem úvah a studií. Chemie je v porovnání s ostatními přírodovědnými předměty odlišná v tom, že používá specifický jazyk, který je postaven na chemických vzorcích. Tento „jazyk vzorců“ vyžaduje pro své pochopení abstraktní myšlení a prostorovou představivost, což může u některých žáků představovat problém a znemožňovat pochopení učiva. Jedním z hlavních cílů výuky nejenom chemie je seznámení žáka s optimálním množstvím informací podporujícím schopnosti, které mu budou v budoucnu potřebné. A to vše za co možná nejkratší časový úsek. Toho lze dosáhnout zapojením co nejvíce smyslů.

Už Komenský podporoval tuto myšlenku, když ve svém díle prohlásil, že „míti znalost znamená dovésti něco zobraziti, ať už myšlenkou, rukou či jazykem. Všechno totiž má svůj původ v zobrazování, to je ve vytváření podob a obrazů skutečných věcí. Kdykoli totiž smyslem vnímám nějakou věc, vtiskuje se mi její obraz do mozku. Kdykoli vytvářím podobnou věc, vtiskuji její obraz hmotě. A když jazykem oznamuji to, co si myslím nebo tvořím, vtiskuji představu téže věci vzduchu a vzduchem do uší, mozku a mysli osoby druhé. Prvnímu způsobu zobrazování říkáme věděti; druhému a třetímu způsobu zobrazování říkáme uměti. [11]“. Tato koncepce přetrvává do dnešní doby, kdy jsou učebnice chemie plné ilustrací mikrosvěta, které mají žákům látku přiblížit.

S přihlédnutím ke stále větším technickým možnostem se dvojrozměrné ilustrace v knihách mění přes mnohem sofistikovanější ilustrace zobrazující vnitřní stavbu atomů, molekul a iontů až na trojrozměrné animace, které zapojují více smyslů a přináší dynamiku.

Pochopení stavby mikrosvěta je pro chemii velmi důležité a plní zvláštní roli.

Abychom si byli schopni odpovědět například na otázku ohledně fyzikálně chemických vlastností dané látky (proč má látka dané skupenství, reaktivitu atd.) je nutné vědět, jaká je vnitřní stavba té chemické sloučeniny i jaká je stavba atomů prvků, ze kterých daná sloučenina vznikla. Vzhledem k vysoké abstraktnosti těchto teorií vyvstává problém,

(16)

16 jak je žákům vysvětlit tak, aby byly srozumitelné. Když se k tomu přidá fakt, že je tato látka probírána ve věku, kdy schopnost abstraktního myšlení u žáků teprve nastupuje, pak je žádoucí klást důraz na její obrazové znázorňování, které je dětem blízké a mnohem srozumitelnější [12].

Vizualizace tedy vede ke srozumitelnějšímu výkladu učiva a rozvíjí u žáků prostorovou představivost. Ačkoli je prostorová představivost zvláště klíčová pro výuku chemie, měla by se rozvíjet ve všech předmětech. Pomůckou pro rozvoj prostorové představivosti je žákova vlastní práce a experimentování, při které získává vlastní zkušenost a prohlubuje své znalosti. Prostorová představivost se rozvíjí spolu s uvědomováním si třetího rozměru, má úzký vztah s tvořivostí a je tedy předpokladem k mnoha dalším činnostem. Nelze bez ní zvládnout mnoho technických či uměleckých oborů, proto je důležité zabývat se možnostmi jejího dalšího rozvoje [13].

Na základních školách slouží k prvotnímu seznámení žáků s prostorovým vnímáním molekul takzvané stavebnice molekul. Žáci si mohou sami tvořit modely a seznámit se tak s uspořádáním atomů i chemických vazeb. Nevýhodou je prostorová náročnost, skladnost, časová náročnost při sestavování a někdy až přílišné zjednodušení, které vede k nepřesnostem a znemožňuje bližší zkoumání struktur. Výhodnější a atraktivnější pro žáky je využití chemických vizualizačních programů. Žáci mají k počítačům obecně velmi blízko a mnohým z nich nedělá práce s nimi nejmenší problém. Naopak, děti se obvykle na počítače těší, což může vést k pozitivní motivaci a zvýšení zájmu o chemii. Samostatná práce s vizualizačními programy pomáhá rozvoji prostorové představivosti a dává žákům věrohodně nahlédnout do vnitřní stavby látek.

Programy taktéž nabízí mnoho nejrůznějších funkcí a jsou díky svému barevnému provedení pro děti zajímavé.

Využití ICT ve výuce chemie s podporou Rámcového vzdělávacího programu

Využití informačních a komunikačních technologií ve výuce patří v současnosti mezi klíčová témata v oblasti vzdělávání. Počítačová vizualizace pod tento obor přímo spadá a proto i ona zažívá v posledních letech značný rozvoj a posun kupředu.

Podle [8] patří přírodovědné obory díky své abstraktnosti mezi obory, v nichž je využití výpočetní techniky velmi žádoucí. Výpočetní technika má nezastupitelné místo zejména v oblasti vizualizace některých obtížných procesů a jevů, které si žáci nedovedou bez názorné ukázky představit. Rámcový vzdělávací program pro základní

(17)

17 vzdělávání propojení ICT s přírodovědnými obory umožňuje. Charakter oblasti Člověk a příroda svým cílovým zaměřením ukazuje, že žáci nemají být vedeni pouze poznatkovým, ale také badatelsky orientovaným směrem, který vede k rozvoji dalších žákovských kompetencí, jako například dovedností nebo schopností.

V rovině poznatkové lze prostředky výpočetní techniky, konkrétně tedy vizualizaci, použít pro jednodušší pochopení některých jevů, které jsou zrovna vysvětlovány. Účelem je doplnit výklad tak, aby byla nová látka pro žáky snadněji uchopitelná a více názorná. Rovina badatelská představuje propojení vědomostí s dovednostmi a schopnostmi. Zde lze ICT využít například pro bližší zkoumání vlastností a struktury chemický látek, zjišťování a zpracování dat a odhalování souvislostí, které by bez použití ICT nebyly tolik zřejmé.

V současnosti je problematice ICT a možnosti jejího zařazení do vyučovacího procesu věnováno hodně pozornosti. Krom již zmiňovaných žákovských kompetencí dochází i k prohloubení učitelských kompetencí. ICT je z toho důvodu předmětem dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků. Na podporu ICT na základních školách bylo vytvořeno mnoho národních projektů, například Internet do škol. Existují i zahraniční projekty, například Sokrates či Comenius, na kterých se podílejí i zástupci české odborné pedagogické veřejnosti. Využívání prostředků ICT ve výuce chemie má přínos nejen pro žáky, ale i učitele:

Přínos pro žáky:

 žáci se více aktivně podílí na vlastní výuce (zkouší různé možnosti řešení problémů, samostatně vyhledávají informace, prezentují svou práci atd.)

 ICT umožňuje vizualizaci některých procesů a jevů, které by jinak nebylo možné žákům ukázat

 ICT umožňuje snadné sdílení výukového materiálu, a to včetně animací a zvuků, který může být využit ve výuce nebo v žákově samostatné přípravě

 ICT lze využít tak, aby došlo k podpoře všech žáků bez ohledu na to, který typ učení žák upřednostňuje

 ICT nabízí další způsob komunikace mezi učitelem a žákem Přínos pro učitele:

 ICT usnadňuje vyhledávání informací a materiálů potřebných pro výuku

(18)

18

 ICT usnadňuje samotný proces výuky (možnost tvoření, ukládání a v případě potřeby i upravování prezentací a dalších výukových materiálů, jako např. pracovních listů)

 možnost vizualizace experimentů, které nelze z důvodu bezpečnosti předvést přímo během výuky

 ICT usnadňuje způsob hodnocení žáka

 ICT nabízí další způsob komunikace mezi učitelem a žákem, ale i učitelem a rodičem

Využití vizualizace pro výklad učiva podle Rámcového vzdělávacího programu

Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání (RVP) představuje hlavní kurikulární dokument na úrovni základních škol [14]. Obor chemie spadá společně s fyzikou, zeměpisem a přírodopisem do vzdělávací oblasti s názvem Člověk a příroda.

Vzdělávací obsah každého oboru je poté dále definován očekávanými výstupy, které jsou popisem toho, co má žák umět dělat po absolvování předmětu a jejichž naplnění se očekává po dokončení jednotlivých úseků předmětu, a přehledem učiva, které musí být ve výuce probráno. A právě k osvojení všech těchto schopností a dovedností napomáhá implementace molekulárních a krystalových struktur v interaktivní podobě.

1.1.5 Možnosti využití vizualizace podle definice učiva v RVP:

Voda

V případě této kapitoly představuje vizualizace spíše nástavbu k základnímu učivu, kterou je vhodnější zmínit ve chvíli, kdy mají žáci znalosti o částicovém složení látek. U vody lze zobrazit její molekulu a jasně demonstrovat rozdíly ve skupenství.

Ze struktur je patrné, že je vodní pára, led i voda tvořena molekulami vody, které se skládají z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Rozdíl je ovšem v tom, že je uspořádání molekul vodní páry velmi volné a nahodilé. Molekuly se budou v důsledku tohoto uspořádání v prostoru volně pohybovat. U kapaliny je již uspořádání těsnější.

Lze tedy odvodit, že se můžou stále volně pohybovat, ale jejich pohyb bude limitován přitažlivými silami, které drží kapalinu pohromadě. V případě ledu je již zřejmé pravidelné uspořádání, kdy mezi molekulami působí pevné chemické vazby. Molekuly

(19)

19 tedy mají své stálé místo uvnitř látky a nemohou se již pohybovat. Z tohoto důvodu mají tělesa z pevných látek také svůj stálý tvar, zatímco kapaliny zaujímají tvar nádoby.

Vzduch

U složení vzduchu se lze pozastavit nad strukturou molekuly kyslíku.

Dvouatomová molekula vzdušného kyslíku může být například porovnána s lomenou tříatomovou molekulou ozonu. Rozdíl jednoho atomu tedy hraje v chemii významnou roli a vede ke změně vlastností látek. Zatímco kyslík je životodárný plyn, ozon je pro člověka při vysokých koncentracích jedovatý.

Částicové složení látek a chemické prvky

Názorně lze vysvětlit základní pojmy jako atom, molekula, prvek, sloučenina.

Lze procvičit rozdíl mezi molekulou prvku a molekulou sloučeniny. Žáci díky vizualizaci vidí, zda jsou jednotlivé atomy stejné barvy a velikosti a jsou tedy jednoho druhu, nebo zda se barevně a velikostně liší a tvoří tedy molekulu sloučeniny.

Oxidy

Během tématu částicového složení látek se žáci poprvé seznamují s chemickou vazbou. Rozdíly v typech chemické vazby lze přehledně ukázat během výkladu oxidů.

Žáci mohou pozorovat odlišnosti chemických vazeb u jednotlivých oxidů a zároveň si všímat, jak se díky měnícím se centrálním atomům mění struktura celé sloučeniny.

Ačkoli je vzorec některých oxidů až na změnu centrálního atomu stejný, jejich struktura se liší. Změny lze pozorovat v délce vazeb či velikosti úhlů, které atomy svírají.

Oxidy v učebnicích chemie pro základní školy: NO, NO2, CO, CO2, Al2O3, P2O5, SiO2, SO2, TiO2.

Sulfidy

Stejně jako u oxidů lze pozorovat podobné vlastnosti i u sulfidů. Zároveň lze vzájemně porovnat struktury sulfidů a oxidů.

Sulfidy v učebnicích chemie pro základní školy: PbS, ZnS, FeS2.

(20)

20 Kyseliny

Žáci názorně vidí rozdíl mezi bezkyslíkatými a kyslíkatými kyselinami. Zatímco jsou bezkyslíkaté kyselinami tvořeny pouze dvěma prvky, kyslíkaté kyseliny patří mezi sloučeniny tříprvkové a jejich struktura je tedy složitější.

Kyseliny v učebnicích chemie pro základní školy: HCl, H2S, H2SO4, HNO3, H3PO4, H2CO3, H2SO3.

Soli

Žáci se seznámí se strukturami solí. Pomocí modelů rozeznají jak jednotlivé prvky, tak i kation a anion, který tvoří strukturu jednotlivých minerálů. U hydrátů se zaměří na přítomnost molekul vody a jejich uspořádání v krystalu.

Soli v učebnicích chemie pro základní školy: NaCl, KCl, CaF2, NH4Cl, (PbS, ZnS, FeS2), NaNO3, KNO3, CuSO4, CaSO4, Na2CO3, NaHCO3, CaCO3, Ca3(PO4)2.

Uhlovodíky

Žáci se seznámí s řadou alkanů, alkenů a alkynů a základními areny.

Plasty

Kvůli svému dlouhému řetězci patří plasty mezi specifické látky. Díky modelům mají žáci možnost porovnat řetězce plastů s řetězci základních uhlovodíků a uvědomit si, jaké změny ve vlastnostech polymerace látek přináší.

1.2 Grafické zobrazení anorganických struktur

Existuje několik možností, jak v praxi pracovat se strukturami krystalů a jak tyto pohyblivé modely posléze zařadit do výuky. Tato kapitola se zabývá využitím vizualizačních programů, a to vzhledem ke kapitole následující, ve které si studenti oboru Nanomateriály fakulty Mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity vyzkoušeli práci se strukturami minerálů „na vlastní kůži“.

Na internetu je k nalezení několik vizualizačních programů pro vytváření modelů krystalů, mnoho z nich i v bezplatné demoverzi. Tyto programy lze využít buď pro vytváření nových struktur dle vlastních požadavků uživatele, nebo pro vložení tzv. CIF dat a následnému prohlížení či úpravě struktur.

(21)

21 Jak již bylo zmíněno, pro zobrazení struktury je třeba tzv. CIF soubor. CIF je flexibilní a volně dostupný formát souboru, který obsahuje detailní informace o daném krystalu. Tento formát je srozumitelný jak lidskému, tak i strojovému vidění a může být editován pomocí jednoduchého textového editoru. Po jeho otevření ve vhodném vizualizačním programu je možné strukturou otáčet, přibližovat ji, zobrazit velikost atomů, měřit délky vazeb i velikosti úhlů a získávat další informace. CIF soubory krystalů jsou volně dostupné na webové adrese Americké mineralogické společnosti rruff.geo.arizona.edu/AMS.

CIF data lze vyhledat několika způsoby, nejjednodušší je zadání názvu anglického minerálu, popř. prvků, které minerál obsahuje do příslušné kolonky na úvodní stránce. Je důležité dát si pozor na překlepy. Stačí jedno špatné písmeno a CIF k dané sloučenině bude nedohledatelný. Poté již stačí kliknout na„Download CIF data” a uložit si soubor do počítače. Ten se následně otevře ve vybraném vizualizačním programu [15].

1.3 Vizualizační programy vhodné pro zobrazení anorganických struktur

Nabídka vizualizačních programů je obecně široká. Pokud ovšem hledáme program vhodný hlavně pro zobrazení anorganických struktur, pak se výběr rychle zužuje. S ohledem na další kapitolu je stručně popsáno pět základních programů, které jsou podrobně rozpracovány v [15]. Jedná se o programy CrystalMaker, Mercury, Jmol, ViewerLite a Diamond.

Na základě [15] byla interaktivní výuka s pomocí vizualizačních programů aplikována ve výuce studentů Technické univerzity [16].

Popis výhod a nevýhod jednotlivých programů podle [15]:

(22)

22

1.3.1 CrystalMaker

Obrázek 1: CrystalMaker

Výhody programu:

 Krom otvírání souborů například v CIF formátu nabízí program i možnost vytvoření vlastních krystalů a atomů struktury dle zadaných parametrů a vlastního nastavení.

 Demoverze disponuje širokou škálou nejrůznějších grafických úprav krystalů, které činí vnitřní stavbu struktury velmi přehlednou.

 Ovládání programu je velmi intuitivní a přehledné. Orientace je snadná i pro začátečníka.

 Při instalace demoverze se automaticky stáhne i šikovný průvodce programem.

 Program nabízí funkce nejen pro začátečníky v oblasti vizualizace struktur, ale nabízí i rozšířené ovládání pro profesionály.

Nevýhody programu:

 Nevýhoda demoverze spočívá ve výrazném omezení některých funkcí.

Například ve zredukovaném množství vstupních a výstupních formátů.

 Výslednou strukturu nelze uložit.

(23)

23

1.3.2 Mercury

Obrázek 2: Mercury

Výhody programu:

 Možnost otáčení modelem přesně o 90 v daném směru.

 Jednoduché měření vzdáleností a úhlů.

 Možnost přímého kopírování snímku.

 Jednoduché měření vzdáleností a úhlů.

 Zobrazí seznam pozic atomů a délek vazeb.

Nevýhody programu:

 Nelze tvořit vlastní struktury.

 Je nutné mít vlastní databázi struktur.

 Nelze mazat atomy.

(24)

24

1.3.3 Jmol

Obrázek 3: Jmol

Výhody programu [17]:

 Možnost vytváření animací. V hlavní nabídce zobrazíme skriptovací konzoli kliknutím na Soubor → Konzole. Základní informace o tvorbě animací a přehled příkazů včetně možnosti ukázky najdeme například na internetové adrese www.callutheran.edu/Academic_Programs/Departments/BioDev/omm/scripting/

molmast.htm.

 Možnost vytvoření makra, což je sled příkazů, který se dá uložit a následně spustit kliknutím na Makra v hlavní nabídce programu.

 Součástí softwaru je tzv. applet, což je softwarová komponenta, která funguje v rámci internetového prohlížeče. Dá se tedy spustit na internetu a využít jako součást webových stránek.

 Program je v českém jazyce.

 Program je zdarma dostupný na internetu.

(25)

25 Nevýhody programu:

 Nelze tvořit vlastní struktury, program modely pouze zobrazuje.

 Všechny modely se musí uložit přímo do adresáře programu na místním disku.

1.3.4 ViewerLite

Obrázek 4: ViewerLite

Výhody programu:

 Kvalitní 3D zobrazení.

 Intuitivní a přehledné ovládání programu.

 Hardwarová nenáročnost.

Nevýhody programu:

 Nelze tvořit vlastní struktury, program modely pouze zobrazuje.

 Software je sice volně dostupný na internetu, avšak jeho vyhledání je obtížné

 Program má poměrně málo funkcí a poskytuje minimum údajů vhodných pro zkoumání vnitřní stavby minerálů.

(26)

26

1.3.5 Diamond

Obrázek 5: Diamond

Výhody programu:

 Intuitivní ovládání.

 Pracovní prostředí je přehledné.

 Možnost vytváření vlastních struktur.

 Součástí je podrobný průvodce programem v anglickém jazyce.

Nevýhody programu:

 V demoverzi se přes uložené obrázky zobrazují popisky.

1.3.6 ACD/ChemSketch

Získání softwaru:

ACD/ChemSketch je produktem společnosti Advanced Chemistry Development, Inc. Tento chemický kreslící softwarový balík umožňuje nejenom kreslení chemických struktur, ale může být například použit i pro vytváření článků nebo kreslení diagramů.

Pro osobní potřebu a akademické účely je program volně dostupný na webové adrese http://www.acdlabs.com/resources/freeware/.

(27)

27 Systémové požadavky:

Tento program vyžaduje operační systém Windows či Linux a 7,8 MB volného místa na disku.

Základní orientace v programu:

Program nabízí možnost práce ve dvou různých prostředích. Prvním z nich je prostředí Structure (Struktura), které slouží pro kreslení struktur. Druhým je prostředí Draw (Kreslení), které slouží pro kreslení různých grafických objektů. Pro vytvoření struktur do interaktivních prezentací bylo využito pouze prostředí Structure.

Prostředí Structure:

Prostředí se skládá z hlavní nabídky, panelu nástrojů a grafického okna zobrazující strukturu. Dále je zde lišta s atomy a paleta barev [18].

Obrázek 6:ACD/ChemSketch hlavní nabídka

panel nástrojů grafické okno se strukturou

lišta s atomy paleta barev

(28)

28 Hlavní nabídka:

Hlavní nabídka obsahuje například možnost New (Nový), která otevře další grafické okno. Open (Otevřít) umožňuje načtení struktury do programu. Import (Vložení) nabízí vložení vybrané struktury do programu. Export (Odeslání) odešle strukturu ve vybraném formátu. Save (Uložit) a Save as (Uložit jako) uloží strukturu do vybraného souboru. Print (Tisk) otevře okno s nastavením tisku. Exit (Ukončit) ukončí program. Je možné vybírat z dalších možností jako například Undo (Krok dozadu), Redo (Krok dopředu). Dále Cut (Vyjmout), Copy (Kopírovat), Paste (Vložit), Delete (Smazat), Select (Vybrat) nebo Select all (Vybrat vše).

Panel nástrojů:

Krom rychlé volby funkcí, které jsou i v hlavní nabídce, obsahuje panel nástrojů hlavně tlačítka, která slouží ke kreslení struktur a jejich úpravě. Strukturou lze například různě otáčet či upravovat vazby mezi atomy.

Grafické okno se strukturou:

Grafické okno představuje plochu, kde jsou kresleny struktury.

Lišta s atomy:

Lišta je rychlou volbou pro výběr atomu při kreslení. Skryté atomy lze dohledat kliknutím na ikonu periodické tabulky.

Paleta barev:

Umožňuje měnit barvu atomů i vazeb ve struktuře.

Podporované vstupní formáty:

(29)

29 Podporované výstupní formáty:

1.3.7 Discovery Studio Visualizer

Obrázek 7: Discovery Studio Visualizer

Získání softwaru:

Discovery Studio Visualizer je volně dostupný program společnosti Accelrys.

Nejnovější verzi programu v anglickém jazyce lze zdarma stáhnout z webových stránek společnosti na adrese http://accelrys.com/products/discovery-studio/visualization- download.php. Podmínkou je vyplnění registračního formuláře, kdy je následně zájemci zaslán email s odkazem na stažení.

(30)

30 Systémové požadavky:

Tento program vyžaduje operační systém Windows 7, Windows 8 či Linux a minimálně 1 GB volného místa na disku.

Základní orientace v programu:

Program se skládá z hlavní nabídky, panelu nástrojů, grafického okna zobrazující molekulu a datové tabulky se základními informacemi o struktuře.

Obrázek 8: Popis Discovery Studio Visualiser

Hlavní nabídka:

Tlačítka:

File: Obsahuje možnost New (Nový), která otevře další grafické okno. Open (Otevřít) umožňuje načtení molekuly do programu. Insert from (Vložit z) nabízí například možnosti vložení File (Soubor). Close (Zavřít) zavře okno se strukturou. Save (Uložit) a Save as (Uložit jako) uloží strukturu do vybraného souboru. Page setup (Nastavení stránky) zobrazí nastavení stránky. Print preview (Náhled tisku) zobrazí vzhled stránky před tiskem a Print (Tisk) otevře okno s nastavením tisku. Refresh (Aktualizovat)

hlavní nabídka

panel nástrojů grafické okno s 2D strukturou

grafické okno s 3D strukturou datová tabulka

(31)

31 zaktualizuje stránku. Pomocí Recent files (Posledních souborů) lze opět zobrazit naposledy prohlížené soubory a Exit (Ukončit) ukončí program [19].

Edit: Zahrnuje například Undo (Krok dozadu), Redo (Krok dopředu). Dále Cut (Vyjmout), Copy (Kopírovat), Paste (Vložit), Delete (Smazat), Select (Vybrat) nebo Select all (Vybrat vše).

View: Díky Display style lze změnit styl zobrazení na Line, Stick, Ball and stick nebo polyhedron. Je možné upravit i barvy jednotlivých atomů, změnit barvu pozadí, upravit na atomech směr světla a jeho barvu, stíny, odlesky i vlastnosti materiálu molekuly. Color otevře okno, ve kterém lze měnit barvu vybraného objektu. Transform nabízí přiblížení molekuly, oddálení molekuly, přizpůsobení velikosti molekuly obrazovce nebo přenesení molekuly do středu obrazovky. Po stisknutí Spin začne molekula rotovat, Rock molekulu rozhoupe a Wiggle rozkýve. Pomocí myši se ovládá rychlost i směr otáčení. Full screen nastaví náhled okna se strukturou přes celou obrazovku. I v tomto režimu je možné pomocí myši provádět základní úpravy. Zpět do původního režimu se přejde stisknutím klávesy Escape. Visibility nabízí skrytí nebo zviditelnění označených objektů. Vybrané objekty je možné uzamknout i odemknout.

Toolbars spravuje panel nástrojů. Ten se dá rozšířit o další rychlé volby tlačítek například pro animaci nebo změnu barev atomů.

Chemistry: Nabídka obsahuje funkce, které mohou měnit chemickou strukturu molekuly. Hydrogens přidá, skryje nebo odebere ze struktury vodíky. Příkaz Element změní ve struktuře označený prvek. V hlavní nabídce je v rychlém výběru pouze osm prvků, je ale možné změnit prvek i kliknutím na ikonu periodické tabulky prvků a z ní poté vybírat. Bond mění označené vazby. Ve výběru je vazba jednoduchá, dvojná, trojná, aromatická a částečně dvojná. Insert atom vloží atom mezi dva vybrané atomy.

Oxidation state přidá popisek s oxidačním číslem k vybranému atomu. V nabídce jsou oxidační čísla od –V do +VIII. Calculate basic properties zobrazí do datové tabulky základní vlastnosti molekuly jako například počet atomů, vzorec sloučeniny nebo molekulovou hmotnost. Po kliknutí na Element properties se otevře periodická tabulka, ve které lze změnit barvy prvků a upravit další vlastnosti.

Structure: Labels přidá nebo odebere popisky atomů. Animation obsahuje nabídku Play (Přehrát), Create (Vytvořit) Remove (Odebrat) a Load (Nahrát). Zobrazení vlastností

(32)

32 povrchu se otevře po výběru Surface. Vytvoření buňky, úprava parametrů, vytvoření atomu a odebrání buňky je možné výběrem příkazu Crystal cell. Show 2D structure otevře další grafické okno s molekulou ve 2D zobrazení.

Sequence: Slouží k úpravě nukleových kyselin a proteinů.

Chart: Slouží k sestrojení grafů.

Scripts: Obsahuje další možnosti úpravy molekul.

Tools: Zahrnuje nástroje pro práci s nukleovými kyselinami a proteiny.

Windows: Určuje možnosti zobrazování oken. Například synchronizuje molekulová okna tak, aby byly struktury ve všech oknech stejně umístěné, zvětšené a natočené.

Také umožňuje přepínání mezi okny a jejich různé uspořádání.

Help: Slouží jako nápověda.

Podporované vstupní formáty:

(33)

33 Podporované vstupní formáty:

1.4 Studentská semestrální práce

Schopnost naučit se pracovat s vizualizačními programy a využívat jejich možností vyžaduje nejen čas strávený u počítače, ale pro většinu programů také nutnost znalosti cizího jazyka. Práce učitele je zvláště v prvních letech časově velmi náročná a pro mnoho učitelů může být představa toho, že by měli ve svém volném čase studovat vizualizační programy a připravovat žákům vlastní aktivity s interaktivními strukturami krystalů, demotivující. Smyslem studentské práce tedy bylo zjistit, do jaké míry jsou studenti dle připraveného návodu schopni porovnat vlastnosti anorganických sloučenin za pomoci interaktivních modelů a jaké informace o vnitřní struktuře krystalů jsou schopni vyčíst díky trojrozměrnému zobrazení ve vybraných programech.

Tato individuální seminární práce byla zadána studentům prvního ročníku oboru Nanomateriály na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci v rámci předmětu Anorganická chemie a to dva ročníky za sebou.

Poprvé v roce 2012, podruhé roku 2013. Získané informace mají pomoci v přípravě interaktivních materiálů využitelných na úrovni základní školy.

1.4.1 Návod pro vypracování

Pro znázornění jednoduché chemické sloučeniny postačí chemický vzorec načrtnutý na papíře. Molekulový, funkční či strukturní vzorec naznačuje bližší informace o poměru atomů či jejich uspořádání. V případě složitějších struktur je ale načrtnutí vzorce nedostačující a jako ideální řešení se jeví počítačová vizualizace.

Jak již bylo zmíněno v kapitole 1.2 zabývající se grafickým zobrazením anorganických struktur, k vizualizaci je potřeba CIF soubor a vhodný vizualizační program. V něm je poté možné strukturu zobrazit, různě otáčet, přidávat atomy či měřit nejrůznější vzdálenosti. CIF soubor je možné stáhnout přímo na webových stránkách Americké mineralogické společnosti rruff.geo.arizona.edu/AMS. V případě nejistoty

(34)

34 ohledně názvu minerálu odpovídajícího hledané sloučenině si lze pomoci vyhledávačem na stránkách databáze minerálů mindat.org.

Studentům byl v návodu dále poskytnut přehled jednotlivých programů a popsány základní informace o typech krystalů.

Poslední částí bylo samotné zadání úkolů. První část byla pro všechny studenty stejná, látky pro splnění druhé části úkolu si studenti vytáhli losem.

Obrázek 9: Získání a využití CIF formátu

1.4.2 Zadané úkoly

Nalezněte CIF data a zobrazte struktury následujících solí a měřením porovnejte vzdálenosti mezi atomy (ionty) a úhly mezi vazbami (spojnicemi částic):

(35)

35 1. NaCl – KCl a KNO3 – NaNO3

2. Kyselina boritá a borax

3. Uhličitan vápenatý v modifikaci kalcit a aragonit 4. Oxid titaničitý v modifikacích rutil a anatas

5. Určete strukturální uspořádání vylosovaného hydrátu (vzdálenosti, úhly, koordinační čísla)

6. Určete strukturální uspořádání vylosovaných dvou krystalických kovů

1.4.3 Shrnutí výsledků studentských prací

Všichni studenti byli schopni nalézt CIF soubor v databázi a pomocí vizualizačního softwaru vytvořit interaktivní modely zadaných struktur. Kvalita práce byla ale ovlivněna nízkou prostorovou představivostí studentů a nepřesnou či neúplnou prezentací jejich výsledků.

Jedním z problémů byl v některých případech nesprávný výběr CIFu. CIF soubory jsou uvedeny vždy pro určitou teplotu a tlak. Studenti nevyhledávali CIF soubory pro normální tlak a teplotu, ale stahovali CIFy zcela náhodně.

U zobrazených struktur chyběly popisky, délky vazeb a velikost úhlů. Žáci by si usnadnili další práci a zvýšili přehlednost. I přes to ale byly jejich naměřené hodnoty uvedené v tabulkách správné.

Modely zobrazených struktur měly méně atomů, než je v samotném vzorci minerálu. Problém lze snadno vyřešit přidáním buňky nebo alespoň několika dalších atomů. Nedaly se tedy změřit ani základní parametry jako délky vazeb mezi různými atomy, natož usuzovat o vlastnostech minerálu. Mnohdy byla struktura minerálu ponechaná ve stavu, jak ji zobrazil program po otevření CIF souboru, což je náhled jedné buňky. Toho lze využít právě například pro změření základních parametrů, kdy je vše přehledné a čitelné. Chybí ale i oddálený náhled s více atomy, který může při správném otočení modelem podat bližší informace o struktuře, které se jinak snadno přehlédnou. Konkrétním příkladem ze zadání je porovnání kalcitu a aragonitu.

Minimum studentů zkoumalo struktury i z tohoto pohledu a přehlédlo tedy, že jsou skupiny CO₃^-2 u kalcitu uspořádány do dvou typů vrstev (liší se opačnou orientací aniontových skupin), které se vzájemně přitahují slabšími silami. Tyto tzv. skluzové roviny představují místa, kde dochází ke štěpení minerálu. Porovnání struktur, které bylo součástí zadání, úplně chybí.

(36)

36 Studenti nesprávně pochopili zadání a práci brali pouze jako seznámení s nejzákladnějšími funkcemi vizualizačních programů. Většina z nich pouze vypisovala data místo toho, aby spíše hledali souvislosti, vzájemně porovnávali dvojice minerálů a pozorovali prostorové rozložení a spojení jednotlivých atomů či celých skupin.

U dvojic minerálů chybí popis shod a rozdílů a formulace závěru. Příčinou mohl být příliš obecně formulovaný návod, ve kterém chyběl specifičtější a konkrétní popis úkolů k jednotlivým krystalům. Studenti z toho důvodu možná nevěděli, na co konkrétně se u látek soustředit a které poznatky mají větší význam a vyžadují více pozornosti. Tato nesrovnalost zadání z roku 2012 byla upřesněna v roce následujícím a kvalita odevzdaných prací se tak zvýšila. Popisky v programu použila již téměř polovina studentů a dvojice struktur porovnala téměř třetina. Roku 2012 používali všichni studenti vždy pouze jeden program, a to buď Jmol nebo Mercury. Studenti následujícího roku zašli dále, téměř polovina si vyzkoušela práci ve dvou programech a krom převažujícího Mercury a Jmol se našly i práce vytvořené za pomocí programu Diamond a CrystalMaker.

Pouze menšina všech prací splnila všechny body zadání. Přesto je ale zřejmé, že si studenti osvojili práci s vybraným vizualizačním programem a byli schopni nalézt v databázi informace o minerálu a poté i vyhledat konkrétní CIF soubor.

(37)

37

2 Praktická část

Hlavním cílem praktické části práce je posoudit výhodnost použití interaktivních molekulárních struktur ve výuce anorganické chemie na základní škole. Jedním z dílčích cílů je ověřit, zda se dříve popsaná teorie zdůrazňující přínos vizualizace v abstraktních předmětech opravdu v praxi potvrdí a vytipovat sloučeniny, které je výhodnější zobrazit interaktivně.

2.1 Didaktický test

Názory na konkrétní definici didaktického testu se v detailech u jednotlivých autorů liší. V základu se ovšem shodují na definici didaktického testu jako zkoušce, která se orientuje na objektivní zjišťování úrovně zvládnutí učiva u určité skupiny osob [20]. Didaktický test v užším slova smyslu lze chápat jako krátkou písemnou zkoušku, která je složená z otázek s výběrem možných odpovědí. V širším slova smyslu může ovšem didaktický test obsahovat i otázky otevřené. Ve vzdělávacím procesu je didaktický test využíván jako prostředek ke kontrole množství a kvality osvojených vědomostí a dovedností [20].

2.1.1 Typy didaktických testů

Didaktické testy lze dělit na základě různých hledisek například podle cílů, pro které jsou vytvářeny nebo podle podmínek, za kterých jsou zadávány. Jednou z možností je klasifikace testů podle P. Byčkovského (1982) [21]:

KLASIFIKAČNÍ

HLEDISKO DRUHY TESTŮ

měřená charakteristika

výkonu rychlosti úrovně

dokonalost přípravy

testu a jeho příslušenství standardizované kvazi-standardizované nestandardizované povaha činnosti

testovaného kognitivní psychomotorické

(38)

38 míra specifičnosti učení

zjišťovaného testem výsledků výuky studijních předpokladů interpretace výkonu rozlišující (relativního výkonu) ověřující (absolutního výkonu) časové zařazení do výuky vstupní průběžné výstupní

tematický rozsah monotematické polytematické

míra objektivity skórování

objektivně skórovatelné

kvaziobjektivně skórovatelné

subjektivně skórovatelné

2.1.2 Vlastnosti didaktického testu

Mezi základní vlastnosti didaktického testu se řadí objektivita, validita, reliabilita a praktičnost. Výše zmíněné pojmy budou stručně vysvětleny na následujících řádcích.

Objektivita

Některé druhy zkoušek mohou být ovlivněny faktory, které se jeví jako nepodstatné, ale v závěru díky nim mohou zkoušející dojít k rozdílným konečným výsledkům. Příkladem je subjektivní vliv vyučujícího při kladení otázek během zkoušení nebo hodnocení žáka při testu. Správný didaktický test je takový, kdy zkoušející nemůže výsledky žádným způsobem zkreslit pozitivním ani negativním způsobem [22]. Takový test poté poskytuje objektivní a tedy i srovnatelné výsledky, které jsou závislé jen na znalostech a dovednostech jednotlivých žáků [23].

Validita

Test je validní za předpokladu, pokud ověřuje ty znalosti a dovednosti, pro které byl sestaven. Validita testu představuje míru shody mezi naměřenými výsledky a tím, co jsme skutečně chtěli měřit. Pokud je test dostatečně validní, pak měří skutečně to, k čemu je určen. Nízká validita testu může být zapříčiněna například nesprávným postupem při konstrukci úloh nebo chybným výběrem učiva, které má být testem ověřováno [21].

(39)

39 Reliabilita

Pojem reliabilita představuje míru přesnosti a spolehlivosti testu a vypovídá o tom, jak jsou dosažené výsledky ovlivněny náhodnými vlivy. Je-li test reliabilní, pak jsou získané výsledky při opakovaném zadání stabilní [22].

Výsledek didaktického testu se vždy skládá ze dvou složek. První složkou je složka pevná, kterou představují skutečné vědomosti nebo dovednosti. Druhou složkou je složka náhodná, kterou se rozumí momentální fyzický či psychický stav, vnější podmínky nebo nedostatky v kvalitě otázek. Náhodná složka způsobuje, že se i za zdánlivě stejných podmínek mohou výsledky testování velmi lišit. Je-li test validní, vliv náhodné složky je pouze minimální [24].

Pokud je test reliabilní, dochází k minimálnímu zkreslení a výsledek testu se shoduje s žákovými skutečnými schopnostmi a dovednostmi. Spolehlivé měření je tedy to, kdy test poskytuje stabilní, opakovatelné výsledky. V ideálním případě by měl stejný žák při opakovaném zadání testu dosáhnout stejného výsledku. Jestliže test neměří spolehlivě, pak do výsledků zasahuje řada vnějších, náhodných vlivů. V případě takovýchto výsledků není možné činit závěry o žácích [23].

Velikost reliability

Míru reliability určuje tzv. koeficient reliability. Jeho velikost se udává od 0, která značí naprostou nespolehlivost a nepřesnost, až do 1, která naopak značí spolehlivost a přesnost [24].

Hranice reliability pro posouzení kvality testu v individuální pedagogické diagnostice se podle různých autorů liší. V případě zkoušky či přijímacího řízení, kdy se jedná o velké množství položek, jsou hranice reliability následující:

 nad 0,95 - vynikající

 nad 0,85 někdy nad 0,90 - dostatečná k tomu, aby na základě jedné zkoušky bylo možné činit rozhodnutí

 nad 0,65 - zkoušku lze použít jako jeden z podkladů pro rozhodnutí

 pod 0,65 - zkoušku již nelze pokládat za spolehlivý ukazatel pro rozhodnutí.

Testy s reliabilitou nižší než 0,65 mohou ovšem dobře posloužit v pedagogickém procesu k motivaci, či k diagnostikování konkrétních nedostatků [21].

(40)

40 Podle [24] je v případě didaktických testů s malým množstvím položek požadovaná výše koeficientu reliability nejméně 0,6.

Metody zjišťování reliability

Posuzování reliability didaktického testu není závislé na subjektivním názoru autora testu, ale provádí se na základě výpočtu. Výpočet koeficientu reliability lze provést pomocí několika metod. Vhodná metoda se volí podle druhu didaktického testu.

Základní metody zjišťování stupně reliability:

1) Test-retest metoda

V případě této metody je reliabilita zjišťována pomocí korelace výkonů testovaných osob při dvojím následném testování stejným testem [25]. Mezi oběma testy je časový odstup tři až šest týdnů, aby výsledky nebyly závislé na řešení, které si žáci pamatují z prvního testování. Tato metoda zjišťuje konzistenci výsledků testu v čase.

2) Konzistence paralelních forem

V případě, že má test paralelní varianty, lze uplatnit metodu konzistence paralelních forem. Testování probíhá dvakrát a testovaný skládá postupně jednu a poté druhou paralelní variantu. Paralelní varianty se vyznačují relativně stejnými průměry hrubých skóre, stejnými směrodatnými odchylkami a stejnou korelací s vnějšími kritérii [26].

3) Interní metody odhadu

Interní metody odhadu jsou vhodné pro didaktické testy, které jsou složeny z homogenních úloh, např. jen z úloh z oblasti chemie, matematiky atd. Tyto metody odhadu zjišťují vnitřní konzistenci testu [26].

Jedním ze způsobů výpočtu reliability je Kuderův-Richardsonův vzorec.

(41)

41 o Kuderův-Richardsonův vzorec

Jak zmiňuje [21], nejznámější verzí je tzv. Kuderův-Richardsonův vzorec 20:















 

 





s q r p

k

i i i

KR k

k

2 1

20 1

1 ^, ⁽¹⁾

kde rKR20 je koeficient reliability, k je počet úloh v testu, pi je podíl testovaných, kteří správně vyřešili i-tou úlohu, qi = 1-pi a s² je rozptyl.

Pro veličiny obsažené v Kuderově-Richardsonově vzorci (1) platí následující vztahy:

n

p  n

^s _, ₍₂₎

kde p je podíl úspěšných testovaných u dané úlohy, n_s je počet testovaných, kteří úlohu vyřešili správně, n je celkový počet testovaných

 

 ^



²

2

1 x x n

s _n

ⁱ ⁱ ⁽³⁾

kde s² je rozptyl, n je celkový počet testovaných, x je aritmetický průměr výsledků dosažených v testu

x n

x ^ _n ¹ 

ⁱ ⁱ^, ⁽⁴⁾

kde x_i je i-tý dosažený počet bodů a n_i je počet žáků kteří dosáhli výsledku x_i.

Praktičnost

Dobrý didaktický test je charakteristický tím, že je jeho použití jednoduché, zadání srozumitelné a jasné a oprava výsledků včetně hodnocení snadná a časově nenáročná.

(42)

42

2.2 Cílová skupina žáků

Pro práci byl zvolen postup vytvoření dvou skupin žáků osmých ročníků základní školy. První skupinu představuje třída, ve které byl aplikován „klasický“

přístup výuky bez použití interaktivních prezentací. Druhou skupinu představuje paralelní třída, ve které byly k výuce použity interaktivní prezentace s vybraným učivem podle definice učiva RVP. Dvě skupiny byly zvoleny za účelem možnosti vzájemného porovnání výsledků. Žáci jsou ve věku třinácti až čtrnácti let.

Celkem bylo vytvořeno sedm sad prezentací, z nichž každá obsahuje interaktivní prezentaci, pracovní list pro prezentaci (dále jen interaktivní pracovní list), pracovní list pro třídu, ve které byl aplikován „klasický“ přístup výuky bez použití interaktivních prezentací (dále jen neinteraktivní pracovní list) a pracovní list pro učitele, který obsahuje správné odpovědi a poznámky k prezentaci. Úlohy v obou typech pracovních listů byly zvoleny tak, aby bylo rozlišitelné, zda má prezentace s pohyblivými modely vliv na pochopení a tedy i výsledky žáků.

2.3 Pracovní listy

Podle klasifikačních hledisek dle [20] odpovídá typ úloh použitých v pracovních listech diplomové práce úlohám tzv. testu úrovně. Ten hodnotí čistě úroveň vědomostí nebo dovedností zkoušeného v dané oblasti. Dle povahy činnosti testovaného se jedná o test kognitivní měřící úroveň poznání u žáků. Mírou specifičnosti učení zjišťovaného testem se jedná o tzv. test výsledků výuky. Tento typ testu je v současné době téměř výlučně používán v pedagogické praxi a zjišťuje, co se žáci v dané oblasti naučili.

Z hlediska interpretace výkonu řadíme testové úlohy mezi ověřující. Jejich cílem je zjistit úroveň vědomostí a dovedností testovaného v konkrétní oblasti, přičemž jeho výkon není srovnáván s výkony ostatních testovaných, ale s předem stanoveným standardem, kterým je například procentuelní úspěšnost odpovědí. Úlohy jsou zaměřeny monotematicky, zabývají se jedním tématem probírané látky. U úloh testu lze vždy přesně určit, zda byly řešeny správně či nikoli, testy jsou tedy objektivně skórovatelné. Vyhodnocení takovýchto testů není ztíženo subjektivním hodnocením a může být provedeno libovolnou osobou.

IMPLEMENTACE MOLEKULÁRNÍCH A KRYSTALOVÝCH STRUKTUR V INTERAKTIVNÍ PODOBĚ DO VÝUKY ANORGANICKÉ CHEMIE