Portfolio suklaasta, idea eheyttävään opetukseen

Tämä idea ilmiölähtöisestä portfoliosta perustuu eheyttävän opetuksen lähtökohtiin (josta enemmän eheyttävä opetus-sivulla). Portfolio työskentely ei ole uusi idea opetuksessa, mutta tässä portfolio ei toimisi vain yhden oppiaineen osaamisen arviointitapana vaan osoituksena oppilaan kyvystä hahmottaa luonnollisia kokonaisuuksia uudella käsitteellisellä tasolla aiempaan verrattuna ja portfolion sisältöä arvioitaisiin täten osana usean oppiaineen arvosanaa.

Portfoliotyöskentely

Portfoliotyöskentelyssä oppilas kerää osaamisestaan näyttöjä kansioon, jonka palauttaa opettajalle kurssin/lukukauden päätteeksi ja joka huomioidaan oppilaan osaamisen arvioinnissa. Tärkeä osa portfoliotyöskentelyä on oppilaan itsereflektointi. Oppilas itse valitsee tekemistään töistä ne, jotka mielestään kuvaa parhaiten omaa osaamistaan. Oppilaan olisi myös harjoitettava itsearviointia ja kerrottava perusteet sille, miksi juuri nämä työt kuvaavat osaamista parhaiten.

Portfolio voi sisältää monipuolisia ja erilaisia töitä. Kemian osalta ne voivat olla esimerkiksi esseitä, videoituja esitelmiä, laskutehtäviä, käsitekarttoja, vastauksia ylioppilaskoe kysymyksiin, kokeellisia töitä tai jopa laajempia tutkimusprojekteja. Portfolioon tehtäviä töitä voi tehdä yksin tai yhdessä, mutta jokainen oppilas palauttaa  mahdollisesti tekemistään ryhmätöistä oman dokumentin osana omaa portfoliotaan.

Opettaja voi itse määritellä monipuolisia ja erilaisia töitä, joista oppilas voi valita haluamansa osaksi portfoliotaan. Lisäksi opettaja voi myös antaa oppilaille mahdollisuuden ehdottaa omia ideoitaan osaksi omaa portfoliotaan.

Portfolion voi laatia myös verkkoportfoliona. Lisä tietoa portfolioiden käytöstä ja erityisesti verkkoportfolioiden käytöstä tarjoaa Tampereen yliopistossa Heidi Marttilan ja Taina Rantasen tekemä IPOPP-seminaarityö vuodelta 2001 Digitaaliset verkkoportfoliot oppimisen tukena.

Suklaaportfolio

Koska kyseessä on usean oppiaineen yhteistyö on opettajien syytä yhdessä luoda raamit suklaaportfoliolle. Miten portfolio tehtävät pisteytetään ja arviointi toteutetaan ja millaisia näyttöjä opettajat oman aineensa kohdalla haluavat portfolion sisältävän. Oppilaan tulisi kuitenkin opettajien yhteistyössä luomien raamien sisällä saada valita itse omista lähtökohdistaan se, miten ja mistä suklaa-aiheesta haluaa tehtä töitä. Lisäksi oppilaan oman valinnan pitäisi vaikuttaa myös siihen minkä oppiaineen osaamisnäytöksi työt haluaa esittää, sillä moni työ voi soveltua useampaan aineeseen (esimerkiksi essee suklaan historiaan liittyvästä kemiasta voidaan arvioida historiallisen tai kemiallisen sisällön syvyyden perusteella). Opettajat voivat oppilaiden kanssa sopia myös näyttötöiden laajentamisesta, jolloin sama työ voi olla osa kahden aineen arviointia.

Oppilaan olisi mielestäni palautettava portfolioonsa töitä useaan eri oppiaineeseen liittyen sekä itsearviointi voidakseen osoittaa kuinka oma ymmärrys suklaasta ja siihen liittyvistä tieteen, teknologian, historian sekä yhteiskunnan kytköksistä on kasvanut. Jos portfolion kokonaisuutta ja monipuolisuutta voisi liittää osaksi arviointia kannustaisi se oppilaita monipuolisempaan tekemiseen.

Tässä alla oppiaineittain lajiteltuna mielestä aineisiin soveltuvia aiheita suklaaportfolion tehtäviin.

Kemia ja fysiikka:

• tässä materiaalissa olevia kokeellisia töitä: kaakaojauheen liukoisuustutkimus, kaakaovoin sulamistutkimus
• Suklaan valmistukseen liittyvään tieteeseen tutustuminen
• Suklaan historiaan liittyvään kemistiin/fyysikkoon ja hänen keksintöönsä tutustuminen
• tutkivaa kokeilua kotona tämän materiaalin reseptien mukaan ja työhön liittyvän kemian analysointia
• suklaatutkimukseen (tutkimusartikkeliin) tutustuminen

maantieto ja biologia:

• tutustuminen kaakaovyöksi kutsuttuun alueeseen
• tutustuminen yhteen maailman suurimmasta kaakaota tuottavasta maista
• tutustuminen kaakaon kasvina ja sen viljelyyn (esim tämän materiaalin perusteella)

historia:

• tutustuminen suklaateollisuuden kehitykseen
• tutustuminen kaakaoon hovin ylellisenä juomana 1500- ja 1600-luvulla
• tutustuminen maya tai asteekkikulttuureihin ja heidän kaakaon käyttöön
• tutustuminen siihen kuinka kaakao löysi tiensä eurooppaan

äidinkieli:

• äidinkielen osalta voi esimerkiksi arvioida muihin oppiaineisiin mahdollisesti tehtyjä novelleja tai esseitä tai raportteja
• mielipidekirjoitus suklaan eettisyydestä
• esitelmä suklaateollisuudesta Suomessa

kuvaamataito:

• valokuvanäyttely suklaasta
• mayakauden inspiroima kuvataidetyö suklaasta

englanti:

• Englanninkielisen suklaauutisen/lehtiartikkelin tai vastaavan suomentaminen
• muihin oppiaineisiin palautettavien raporttien tai esseiden kirjoitus englanniksi, jolloin sen voisi arvioida myös osana englannin opetusta

Muita mahdollisia tutustumisaiheita suklaasta:

• suklaan eettisyys ja reilun kaupan suklaa
• suklaateollisuus Suomessa
• suklaan terveysvaikutukset
• suklaaseen liitetyt mielikuvat (mm syntinen herkku)

Suklaa rasvojen opetuksessa

Kaikki tietävät suklaan olevan makea ja rasvainen herkku ja sellaisena se tarjoaa hyvän lähtökohdan ja kontekstin rasvan (ja myös hiilihydraattien) opettamiseen. Tässä artikkelissa esitellään kokeellinen rasvoihin liittyvä suklaatutkimus sekä aiheeseen liittyviä linkkejä joita hyödyntää opetuksessa.

Esimerkkejä materiaalille soveltuvista lukio-opetusyhteyksistä:

• KE1-kurssi biomolekyylit (rasvat)
• työkurssi

Artikkeli on jaettu kolmeen osioon.

• Kaakaovoi tutkimus sisältää opettajalle aktiviteetin kuvauksen. Itse työohje oppilaille on omana artikkelinaan
• Kaakaovoi sisältää keskeistä kemian tietoutta kaakaovoista rasvana
• Linkit kokeelliseen työhön ja muihin materiaaleihin ovat artikkelin lopussa

Kaakaovoin sulamistutkimus

Tässä työssä tutkitaan polymorfisen kaakaovoin sulamista. Tarkoituksena on kontrolloida kaakaovoin lämmitystä ja jäähdytystä kahdella tavalla (osa A ja osa B) ja tutkia missä lämpötilassa ja miten kaakaovoi kiteytyy. Tuloksista laaditaan jäähtymiskuvaajat, joita vertaillaan.

Vertailun vuoksi tutkimus suoritetaan myös steariinihapon kanssa. Steariinihappo on puhdas aine. Kun sulaa steariinihappoa jäähdytetään kylmässä vesihauteessa havaitaan kiteytymislämpötila tasona jäähtymiskuvaajassa. Tuo kiteytymislämpötila on aineen sulamispiste eikä se puhtaalla aineella ole riippuvainen siitä, mihin lämpötilaan näytettä on lämmitetty tai miten sitä jäähdytetään.

Osassa A kaakaovoi lämmitetään vain sen verran, että alhaisimman sulamispisteen kidemuodot ovat sulaneet. Näin ollen kaakaovoi näyttää sulalta, mutta sisältää vielä V ja VI kiderakenteen kiteitä, joiden ympärille kiteytymistä tapahtuu tämän saman kiderakenteen mukaisesti. Tämän pitäisi näkyä selkeämpänä ja korkeampana sulamispisteenä (n. 25 °C) kuin näytteessä B, jossa kaakaovoi lämmitetään noin 50 °C, jolloin se on täysin sulaa ja annetaan jäähtyä. Tällöin kiteytyminen tapahtuu nopeasti alhaisen sulamispisteen kiderakenteisiin. Lisäksi nämä hyvin alhaisen sulamispisteen kiderakenteet muuttuvat nopeasti pysyvimmiksi korkeamman sulamispisteen kiteiksi. Näin ollen B-osassa kiteytymistä siis tapahtuu useaan kiderakenteeseen, mikä näkyy jäähtymiskäyränä käyrän laakeampana muotona, josta ei selkeää sulamispistettä ole määriteltävissä.

Kaakaovoin sulamispistettä määriteltäessä on myös mahdollista havainnollistaa latenttilämmön vapautuminen kaakaovoin kiteiden muuttuessa stabiilimpiin korkean sulamispisteen omaaviin kiderakenteisiin. Kaakaovoin kiteytyessä vapautuu sulaan kaakaovoihin sitoutunutta lämpöenergiaa. Kiteytymisen tapahtuessa alhaisimman sulamispisteen kiderakenteisiin vain pieni osa tästä latenttilämmöstä vapautuu. Kun nämä kiteet muuttuvat korkeamman sulamispisteen kiteiksi vapautuu loput latenttilämmöstä, joka voidaan havaita lievänä lämpötilan nousuna kuvaajissa.

Lisähuomioita työhön liittyen:

vasemmalla näyte A, kiinteä. Oikealla näyte B, osin sula

• Kaakaovoi on luonnollinen aine, jonka rasvahappokoostumus vaihtelee. Näin ollen siitä saatavissa jäähtymiskuvaajissa on eroja eikä niihin välttämättä muodostu niin selkeästi luettavia tasoja kuin steariinihapon kanssa.  Osien A ja B välille kuitenkin saa selkeästi vertailtavia eroja, joista voi vetää johtopäätöksiä
• Huoneenlämmössä osan A näyte on lopulta kiinteä ja osan B osin sula.
• Latenttilämmön vaikutus voi jäädä havaitsematta, mikäli kylmävesihauteen veden lämpötilaa ei ylläpidetä 17 celsiusasteisena.
• Kannattaa ottaa  kylmävesihauteeksi mahdollisimman suuri astia, jotta veden lämpötila ei nouse liian herkästi ja pidä varalla jääkylmää vettä tai jääpaloja

Kaakaovoi

Kaakaovoi on ainoa jatkuva faasi suklaassa ja se määrittää pitkälti suklaan fysikaaliset ominaisuudet, kuten sulamisen. Kaakaovoi kuten muutkin rasvat ovat triglyseridien seoksia. Triglyseridit koostuvat glyserolista ja siihen esteröityneistä kolmesta rasvahaposta.

Rasvahapoilla on yleinen perusrakenne: R-COOH. Tyydyttyneen rasvahapon alkyyliketjun hiilet ovat kaikki sitoutuneet kahteen vetyyn, kun taas tyydyttymättömällä rasvahapolla voi olla yksi tai useampi kaksoissidos alkyyliketjun hiiliatomien välillä. Kaakaovoin rasvahappokoostumus on yksinkertainen verrattaessa muihin kasvirasvoihin, sillä kaakaovoin rasvahapot koostuvat yli 95 prosenttisesti kolmesta rasvahaposta:

• palmitiinihaposta CH₃(CH₂)₁₄COOH,
• steariinihaposta CH₃(CH₂)₁₆COOH sekä
• oleiinihaposta CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH.

Palmitiinihappo sekä steariinihappo ovat tyydyttyneitä karboksyylihappoja. Tyydyttyneitä rasvahappoja pidetään yleisesti epäterveellisinä sillä niillä on taipumusta kohottaa kolesteroliarvoja.  Steariinihappo on tässä suhteessa poikkeus, sillä ihmiskeho pystyy muuttamaan sen oleiinihapoksi. Oleiinihappo on tyydyttymätön rasvahappo, jonka hiilivetyketjun yhdeksännen ja kymmenennen hiilen välillä on kaksoissidos.

Rasvahappojen alkyyliketjujen pituus, tyydyttyneisyysaste ja konformaatio vaikuttavat näistä rasvahapoista ja glyserolista muodostuvan rasvan käyttäytymiseen. Ryhmä identtisiä tai samankaltaisia rasvahappoja voivat muodostaa tiheämmän ja säännöllisemmän rakenteen kuin epäsäännölliset ja erilaiset rasvahapot. Mitä tiheämpi ja säännöllisempi rakenne, sitä kestävämpi se on ja sitä korkeampi on sen sulamispiste.

Kaakaovoi on polymorfinen aine, eli sillä on useita kiderakenteita, jotka kiteytyvät eri lämpötiloissa.  Kaakaovoin 6 kiderakennetta nimetään roomalaisin numeroin epävakaimmasta vakaimpaan: I,II,III,IV,V ja VI (ks. taulukko). Jokaisella kiderakenteella on oma sulamispisteensä: alhaisin I-kiteellä 17 °C ja korkein VI-kiteellä 36 °C.

Linkit työohjeeseen ja muuhun materiaaliin

• Kaakaovoin sulamistutkimus– työohje
• Suklaatehtaassa: kerrotaan tarkemmin temperoinnista, joka on prosessi jolla pyritään hallitsemaan suklaan kiteytymistä haluttuun kiderakenteeseen
• Suklaan koostumus: Suklaan sisältämiä aineita, mm. rakennekuvat kaakaovoin rasvahapoista
• Suklaan ravintoaineena: mm. taulukko, josta voi nähdä suklaan rasvakoostumuksen
• Rasvoista opetus.tv: opetusvideo, jossa tutustutaan rasvamolekyylin ja rasvahappojen rakenteisiin. Käydään läpi termit omega-3 rasva, tyydyttynyt rasva, tyydyttymätön rasva ja monityydyttymätön rasva.
• tee itse suklaata: vaikka kotiläksyksi oppilaille suklaanteko ohje. Tee oman maun mukaista suklaata ja koeta temperointia

Liukoisuuden opetusta suklaa kontekstissa

Liukoisuutta käsitellään sekä peruskoulun että lukion puolella. Tämä opetuskokonaisuus on suunniteltu lukiotason materiaaliksi, mutta sitä voi soveltaa myös peruskouluopetukseen.  Tarkoituksena on oppia ymmärtämään liukoisuutta kokeellisen liukoisuustutkimuksen avulla sekä samalla linkittää käsitteet arkielämään. Materiaali ei kata kaikkia liukoisuuteen liittyviä osa-alueita, vaan tässä keskitytään nimenomaan kiinteän aineen liukenemiseen nesteeseen.

Esimerkkejä materiaalille soveltuvista lukio-opetusyhteyksistä:

• KE1-kurssi aineiden luokittelu sekä eritusmenetelmät
• KE2-kurssi vesi liuottimena
• työkurssi

Materiaali tarjoaa kokeellisen liukoisuus työn lisäksi linkkejä muihin aiheeseen liittyvään opetusmateriaaliin. Kaikki artikkelissa mainitut linkit on koottuna artikkelin loppussa.

Kokeellinen työ: Kuinka hyvin kaakaojauhe liukenee veteen

Tässä työssä oppilaat tutkivat eri suolojen ja kaakaojauheen liukoisuutta veteen sekä lämpötilan vaikutusta liukoisuuteen. Työ tehdään pari tai pienryhmätyönä.

Työn kesto: n. 60 min. Mikäli aika loppuu kesken voi lähes haihdutetun näytteen jättää kuivumaan yön yli ja punnita seuraavana päivänä ja jatkaa tulosten käsittelystä seuraavalla tunnilla. Kuvaajan piirtäminen taulukon perusteella ja kysymykset soveltuvat myös hyvin kotitehtäviksi.

Kuvaus työstä

Työn ideana on, että jokainen pienryhmä tutkii yhden suolan ja kaakaojauheen liukoisuutta jossakin tietyssä lämpötilassa. Tarkoituksena on työn päätteeksi kerätä ryhmien tulokset yhteiseen tulostaulukkoon, jonka perusteella oppilaat voivat laatia kuvaajat aineiden liukoisuuksista.

Työvaiheet koostuvat kylläisen liuoksen tekemisestä, suodattamisesta ja lopuksi haihduttamisesta. Kylläisyyden varmistamiseksi koeputkessa olevaa seosta sekoitetaan ja haudutetaan noin 10 minuuttia tutkimuslämpötilassa olevassa vesihauteessa ennen suodattamista.

Opettajan tehtävänä on kertoa ryhmille mitä suolaa he tutkivat sekä mikä on kunkin ryhmän tutkimuslämpötila. Olen valinnut tutkimussuoloiksi ruokasuolan sekä kaliumkloridia (KCl), jonka liukoisuus on selkeästi riippuvainen lämpötilasta, toisin kuin ruokasuolan. Toki muitakin suoloja voi tässä käyttää.

Eri suolojen liukoisuuksia lämpötilan suhteen. Lähde: http://www.sciencegeek.net

Kaakaojauhetta ei kannata sekoittaa koeputkeen yli 0,50g, sillä jos sitä on liikaa se saattaa muodostaa tahnan. Suoloja taas kannattaa laittaa koeputkeen reilusti, n. 5g, jotta varmistetaan kylläisen liuoksen olevan myös korkeissa lämpötiloissa mahdollinen.

Tarkkojen lämpötilojen ylläpito voi olla oppilaille haastavaa, joten lämpötilat voi antaa 5 asteen väleinä. Esimerkiksi tutkimuslämpötilat voisivat olla 10-15 / 35-40 / 60-65 / 90-95. Mikäli jäähdyttäminen tuottaa hankaluuksia voi liukoisuutta tutkia yhtälailla huoneenlämmöstä ylöspäin.

Tutkimustulosten saanti vaatii oppilailta mittaamisen lisäksi laskemista. Heidän on hoksattava seuraavat laskutoimenpiteet, joita ei työohjeessa ole suoraan annettu:

• suodatetun liuoksen massa sekä haihduttamalla saadun kuiva-aineen massa saadaan vähentämällä astioiden paino eli haihdutusmaljan ja kellolasin massat
• veden massa lasketaan näiden edellisten laskutoimitusten avulla
• liukoisuus (/100g vettä) saadaan jakamalla kuiva-aineen massa veden massalla ja kertomalla 100.

Kaakaojauheesta

Kaakaojauhe on käytännössä veteen liukenematon aine. Tarkkaa arvoa liukoisuudelle on hankala määrittää sillä kyse on luonnonaineesta, joka koostuu sadoista yhdisteistä. (linkki: kaakaojauheen ravintosisältö)

Suurin osa suklaateollisuuden tuottamasta kaakaojauheesta on kuitenkin alkaloitua. Alkalointiprosessi (puhutaan myös ”dutch” prosessista) lisää kaakaojauheen vesiliukoisuutta ja siten työn tuloksena voidaan havaita vähäistä liukoisuutta. Kaakaojauheen vesiliukoisuus on suklaateollisuudelle keskeinen tutkimuskohde. Esimerkiksi suklaajuomien tai jäätelön kannalta vesiliukoisuus on tärkeä ominaisuus. Vuonna 2009 Barry Callebaut (maailman johtava suklaa ja kaakaotuotteiden tuottaja) haki patentin menetelmälle, jolla voidaan valmistaa vesiliukoista kaakaojauhetta. (linkki patenttiin)

Työhön liittyvästä kemiasta

Liuos muodostuu liuottimesta sekä siihen liuenneesta aineesta. Tässä työssä vesi toimii liuottimena ja  liuotettavia aineita ovat suolat sekä kaakaojauhe. Liuennut aine leviää tasaisesti vesiliuokseen lämpöliikkeen vaikutuksesta. Tällaista aineiden sekoittamiseen liittyvää ilmiötä kutsutaan diffuusioksi.

Kun liuotettavaa ainetta lisätään riittävästi päädytään tilanteeseen , jossa sitä ei enää kyseisessä lämpötilassa liukene. Tällöin liuos on kylläinen. Kylläisyys on ainekohtainen ominaisuus. Toisin sanoen, vaikka tätä kyseistä ainetta ei liukene enempää liuokseen voi siihen liueta vielä muita aineita. Tätä kylläisen liuoksen ominaisuutta havainnollistetaan You Tubesta löytyvässä suomenkielisessä demossa: kylläinen liuos.

Liukoisuus ilmoittaa liuenneen aineen määrän kyseisessä kylläisessä liuoksessa ja tietyssä lämpötilassa. Usein liuenneen aineen liukoisuus ilmoitetaan yksikössä g/100g liuotinta.

Liukoisuuteen vaikuttaa sekä liuottimen että liuotteen ominaisuudet ja keskenäiset vuorovaikutukset. Jo alkemistit tunsivat liukoisuuden perussäännön ”similia similibus solvuntur” eli samanlainen liuottaa samanlaista. Vesi on poolinen aine ja sellaisena liuottaa hyvin poolisia molekyyliyhdisteitä sekä ioniyhdisteitä eli suoloja.

Myös lämpötila vaikuttaa liukoisuuteen. Yleisesti kiinteän aineen liukoisuus kasvaa lämpötilan kohotessa ja kaasumaisen aineen liukoisuus vähenee lämpötilan kohotessa.  Lisäksi liukenemista voi nopeuttaa pienentämällä liuotettavan aineen raekokoa ja sekoittamalla mekaanisesti. Liukenemisnopeutta voi demonstroida vaikka lasillisella lämmintä vettä, johon lisätään sokeria. Vastaava määrä hienoa sokeria liukenee nopeammin kuin sokeripala. Samoin lusikalla sekoitus nopeuttaa liukenemista.

Ruokasuolan liukeneminen veteen ja akvaionien muodostus. Kuvan lähde: Fundaments of Chemistry (http://www.chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/sstutorial/Text7/Tx75/tx75.html)

Suolayhdisteen muodostavat ionit, joiden välillä on sähköstaattinen ionisidos. Sähköstaattiset voimat vaikuttavat suokakiteissä kaikkiin lähellä oleviin ioneihin. Veteen joutuessaan suolan ionien väliset ionisidokset purkautuvat. Liuoksessa irronneet ionit hydratoituvat eli niiden ympärille kertyy poolisia vesimolekyylejä ja ionin ja vesimolekyylien välille syntyy ioni-dipolisidoksia. Ioneita ympäröivää vesikerrosta kutsutaan hydraattiverhoksi ja veden ympäröimää ionia akvaioniksi.

Suolojen liukoisuutta veteen on havainnollistettu suomenkielisessä phet-simulaatiossa.

Linkit työ- ja demo-ohjeisiin sekä muihin materiaaleihin:

• kokeellinen työ: kuinka hyvin kaakaojauhe liukenee veteen
• Barokkikaakaon resepti: hauskaksi kotitehtäväksi aiheesta
• demo: kylläinen liuos
• Opetus.tv:n liukoisuusvideo (pituus 2.25 min)
• simulaatio suolojen liukoisuudesta