Moderní pomůcky ve výuce chemie

• Thesis title in Czech: Moderní pomůcky ve výuce chemie
• Thesis title in English: Modern teaching aids in chemistry education
• Key words: videoexperiment, vzdělávání v chemii, natáčení chemických experimentů, speciální filmařské techniky, učební pomůcka, 3D tisk
• English key words: video-experiment, chemistry education, recording of chemistry experiments, special filmmaking techniques, teaching aid, 3D printing
• Academic year of topic announcement: 2013/2014
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Chemistry Education (31-280)
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Šmejkal, Ph.D.
• Author: RNDr. Luděk Míka, Ph.D. - assigned by the advisor
• Date of registration: 30.11.2013
• Date of assignment: 30.11.2013
• Date and time of defence: 25.09.2017 13:00
• Date of electronic submission: 13.07.2017
• Date of proceeded defence: 25.09.2017
• Opponents: doc. RNDr. Vojtěch Kubíček, Ph.D.

Preliminary scope of work

Ani vynikající učitel chemie, či jakéhokoliv jiného přírodovědně zaměřeného předmětu, nemůže svou výuku založit pouze na samotném výkladu. Je velmi žádoucí výuku doplňovat množstvím výukových pomůcek, ať už reálných nebo virtuálních, které lépe a názorněji demonstrují aspekty vyučovaného tématu, zejména s ohledem na abstraktní partie probíraného učiva. Dále je nezbytné výuku přírodních věd doplňovat demonstracemi vyučovaných jevů, ať už různými analogiemi až po reálné experimenty. Bohužel, vzhledem k omezeným možnostem škol je dostupnost řady pomůcek velmi omezená, stejně tak realizace laboratorních cvičení, které dále komplikují omezení spojená s bezpečností práce a uchováváním chemikálií. Přitom vhodně podaný experiment je mnohdy klíčový nejen pro pochopení dané chemické problematiky, ale může mít i motivační a z toho vyplývající formativní charakter pro daného žáka. Žák získává při laboratorní činnosti a správném využívání vhodných a názorných pomůcek nezkreslené postoje a názory, což je důležité nejen pro jeho osobní rozvoj, ale také pro společnost, jejíž je součástí. Podpora realizace experimentu ve školách při současném využívání kvalitních a názorných pomůcek je tak pro výuku přírodních věd kruciální. Mezi tyto výukové pomůcky pro výuku chemie ale nemusí patřit jen fyzické výukové modely, které se ve výuce chemie nejčastěji využívají. Např. i řada reálných experimentů není dostatečně názorná, třeba i proto, že tyto experimenty probíhají příliš rychle, nebo pomalu a nebo v příliš malém množství a důležité aspekty těchto experimentů pak nejsou viditelné. Je tedy třeba hledat, koncipovat a vytvářet takové pomůcky (např. videozáznamy, s nimiž lze pracovat), které budou tyto aspekty vizualizovat. Bohužel, kvalitních výukových pomůcek je v českých školách obecně nedostatek a tvorba vhodných a kvalitních výukových pomůcek, ať už virtuálních nebo (fyzicky) reálných, je tak nadmíru žádoucí.
S ohledem na řečené se práce zaměřila na tvorbu nových pomůcek pro výuku chemie. Prvním typem byly virtuální pomůcky ve formě digitalizovaných experimentů, pro něž byla jednotícím prvkem periodická soustava prvků, přičemž k asi 40 vybraným nejvýznamnějším prvkům periodické soustavy prvků bylo vytvořeno krátké didaktické video, mj. s využitím speciálních filmařských technik (rychloběžná kamera, časosběr, makro) tak, aby videozáznamy demonstrovaly jinak neviditelné či nezřetelné, ale důležité, aspekty daného experimentu a zároveň byly zajímavé a adekvátně kvalitní a didakticky názorné. V další části se práce zaměřila na prozkoumání možností využití tzv. aditivní výroby, konkrétně 3D tisku, pro tvorbu pomůcek pro výuku chemie. V rámci této práce byly navrženy způsoby využití 3D tiskáren pro tvorbu různých modelů pro výuku chemie, popsány obecné postupy tvorby některých pomůcek jako jsou modely molekul, 3D periodické tabulky nebo modely atomových orbitalů. Tyto modely byly publikovány na internetu v rámci databáze zaměřující se na distribuce modelů pro 3D tisk, kde si našly početnou skupinu svých příznivců, kterými byly hodnoceny pozitivně.
Evaluace vytvořených videí chemických experimentů prostřednictvím prezentace vybraných videozáznamů v hodině chemie a statistického vyhodnocení provedeného dotazníkového šetření ukázala, že prezentované videozáznamy žáky zaujaly, prezentace i videa samotná byla hodnocena velmi pozitivně a bylo prokázáno zvýšení motivace žáků po sledování vybraných videozáznamů pořízených v rámci práce.
Výsledky práce tedy naznačují, že oba typy v rámci práce vytvořených pomůcek, videa i 3D modely vytvořené pomocí 3D tisku, mohou být velmi užitečnými pomocníky ve výuce chemie na všech typech škol.

Preliminary scope of work in English

Even an excellent chemistry (or science) teacher cannot teach the subject by oral lectures only. It is highly desirable to support the teaching process using suitable teaching aids, whether real or virtual, which better and more clearly demonstrate the aspects of the subject to be taught, especially with regard to the conceptual parts of the curriculum. It is also necessary to supplement the teaching of science subjects with demonstrations of the taught themes and/or phenomena, from various analogies to the real experiments. Unfortunately, due to the limited possibilities of schools, the availability of the teaching aids is very limited. In addition to that, the implementation of laboratory courses is further complicated by obstacles associated with safety issues and/or rules of storage of chemicals. However, the appropriately presented experiment is often crucial not only for the understanding of the given chemical problem, but may also possess the motivational and formative character for the pupils. The pupils acquire non-distorted attitudes and opinions during the (proper) laboratory work and/or appropriate employment of illustrative teaching aids, which is important not only for his personal development but also for the society, he is part of. Support of the implementation of the experimental activities in schools and appropriate utilization of suitable and illustrative teaching aids is therefore crucial for education in the field of science subjects as well as chemistry. These teaching aids for chemistry education may not only include physical learning models that are most commonly used in chemistry education. For example, many real experiments are not sufficiently illustrative as these experiments are taking place too quickly or slowly or they are just too small and important aspects of these experiments are not visible. In such situations, virtual teaching aids in forms of videos, simulations or animations can be helpful to support the teaching process. It is therefore necessary to research, design and create such tools to visualize originally invisible aspects of the experiments. Unfortunately, high quality teaching aids are generally deficient in Czech schools, hence, creation of suitable and high quality illustrative teaching aids, whether virtual or (physically) real, is necessary.
Based on necessity and lack of teaching aids (real as well as virtual), the Ph.D. theses were focused on design, production and testing of new, modern and illustrative teaching aids for chemistry education. The first type of such aids were virtual aids in the form of digitized experiments (video records of chemistry experiments). With respect to that, the records of most interesting experiments of ca 40 basic chemistry elements were made and published. The records demonstrate otherwise invisible or obscure, but important, aspects of the experiments which are not usually observable doing real experiments. The records were made using “special” filmmaking techniques (high speed camera, time-lapse, macro) and are made with respect to achieve the best technical quality as possible according to used equipment. The Ph.D. thesis also discusses the aspects of employment of the “special” filmmaking techniques for production of records of chemistry experiments and best experience to prepare the educational and illustrative records. Using the videos, a new webpage focused on selected properties and characteristics of the selected elements of periodic system of elements (PSE) has been made, as the records of chemistry experiments are integral part of information related to the elements in PSE. The elements are presented in the form of PSE (long version) which acts as unifying element of the webpage.
In the second part, the Ph.D. thesis deal with exploration of the possibilities of utilization of additive manufacturing, in particular of 3D printing, for a production of illustrative teaching aids for chemistry education. In the framework of these Ph.D. thesis, ways and general procedures for production of various models by 3D printing were tested and discussed. The procedures consist of all the steps of the process, hence, design of 3D model and its treatment for 3D printing, refinement of printing parameters and printing of physical models and their post-processing. With respect to this part, 3D models of 3D periodic tables, atomic orbitals, various proteins and functional parts of some devices were designed, printed and tested. These models were published on the Internet as part of the 3D distribution database thingieverse.com, where they found a large group of their supporters and were rated positively by their respective users.
Evaluation of produced records of chemical experiments through statistical analysis of questionnaire research showed that the pupils participating the research indicated very positive attitudes and opinions to the presented videos (the evaluation of overall satisfaction showed a value of median as 6 on the 7 point Lickert scale). The results also showed increase the intrinsic motivational orientation of the participating pupils after watching the selected videos. Therefore, the results of the Ph.D. thesis indicate that both types of teaching aids produced in the framework of the Ph.D. thesis, video records of chemistry experiments as well as 3D models produced by 3D printing, can be very useful aids in chemistry education at all types of schools in the Czech Republic.