E-nauczanie chemii na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej

Ideą nowych sposobów nauczania jest stworzenie warunków do szybkiego i trwałego przyswajania wiedzy oraz ułatwienie dostępu do materiałów edukacyjnych przy jednoczesnym uatrakcyjnieniu kursów. Takie perspektywy dają kursy wspomagane i prowadzone w technice e-learningu, umożliwiające wykładowcy dostosowanie tempa prowadzonych zajęć do indywidualnych potrzeb odbiorcy i opracowanie materiału, który w łatwy sposób dociera do studenta. Niepodważalnym atutem e-nauczania jest praktyczne zniesienie ograniczeń związanych z miejscem i czasem studiowania, co umożliwia pracę zarówno w domu, jak i na uczelni, a także pozwala na zdalne uczestniczenie w kursach podczas popularnych programów wymiany zagranicznej. Wprowadzenie e-sprawdzianów daje ponadto możliwość efektywnego, obiektywnego i szybkiego oceniania znacznej liczby studentów. Opracowanie przedstawia różnorodne rozwiązania stosowane przy elektronicznym wspomaganiu dydaktyki na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Obecnie jednym z liderów we wprowadzaniu rozwiązań związanych z e-learningiem na Politechnice Wrocławskiej jest Wydział Chemiczny. Cztery lata po uruchomieniu Portalu Elektronicznego Wspierania Dydaktyki na Wydziale Chemicznym¹ opracowanych zostało ponad 70 kursów, które udostępnione są poprzez platformę Moodle. Prezentowane idee e-learningu odzwierciedlają różnorodne koncepcje elektronicznego wspomagania dydaktyki, wykorzystywane w dostępnych w portalu dydaktycznym kursach - począwszy od zamieszczania „statycznych” instrukcji i zadań dla studentów, skończywszy na elektronicznych sprawdzianach służących do testowania wiedzy studentów.

W semestrze jesiennym 2009 r. na Wydziale Chemicznym został uruchomiony pierwszy w pełni internetowy kurs Chemia ogólna - ćwiczenia, przeznaczony dla 64 studentów „zdalnych”, którzy nie uczestniczą w tradycyjnych ćwiczeniach w salach lekcyjnych, lecz kontaktują się z wykładowcami wyłącznie poprzez internet. Wzmiankowane zajęcia bazują na elektronicznych korepetycjach z chemii ogólnej, dostępnych dla wszystkich studentów tego przedmiotu. Na uwagę zasługuje nowatorska metoda, zgodnie z którą student śledzi tok rozwiązania zadania poprzez interaktywne wprowadzanie rozwiązań poszczególnych etapów zadania. Warto podkreślić, że możliwe jest nie tylko rozróżnianie odpowiedzi poprawnych i błędnych, ale także częściowo poprawnych.

Równolegle opracowano zadania obliczeniowe, w których poszczególne parametry generowane są w sposób losowy, co daje to możliwość tworzenia pytań, w których wielkości liczbowe nie będą się powtarzać. Fakt ten dodatkowo podnosi atrakcyjność kursów.

Każdy temat poprzedzony jest odpowiednim wstępem teoretycznym, a uzupełnienie kursów stanowi słownik chemiczny. Układ e-kursów ściśle odpowiada przyjętemu programowi nauczania chemii, a w realizację projektu zaangażowani zostali wykładowcy z wieloletnim stażem, co gwarantuje, że wprowadzane przykłady są reprezentatywne i stanowią swoistą odpowiedź na najczęściej zadawane podczas „tradycyjnych” konsultacji pytania. Oczywiście zarówno słuchacze kursów stacjonarnych, jak i komputerowych mają możliwość bezpośredniego kontaktu z wykładowcami właśnie na wspomnianych konsultacjach.

Rysunek 1. E-portal Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej Źródlo: http://eportal-ch.pwr.wroc.pl/
Nauczanie chemii to także kontrola postępów studentów w przyswajaniu wiedzy. Znakomicie w tym przypadku sprawdza się system Moodle, który pozwala na przygotowanie quizów obliczeniowych, numerycznych, opisowych oraz różnych wariantów pytań wyboru. Możliwe jest także powiązanie treści pytania z plikiem graficznym, co dobrze sprawdza się przy zadaniach z biochemii, biologii molekularnej i fizyki. Specjalnie na potrzeby nauczania chemii został stworzony ponadto moduł umożliwiający określanie stopni utlenienia poszczególnych reagentów oraz uzupełnianie współczynników stechiometrycznych w reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych, co pozwoliło na przygotowanie części quizów ze stechiometrii.

Niewątpliwym atutem e-kolokwiów dla studentów i nauczycieli jest możliwość natychmiastowego uzyskania oceny. Zadania są oceniane obiektywnie i każdy ze studentów po egzaminie, poprzez internet i portal dydaktyczny, ma dostęp do swoich rozwiązań i ocen. W przypadku zgłoszenia ewentualnych zastrzeżeń prowadzący może ponownie przejrzeć odpowiedź studenta i jeszcze raz ją ocenić. Każdy ze studentów na e-kolokwium lub egzaminie otrzymuje unikalny zestaw zadań, co ogranicza możliwość ściągania i wzajemnego podpowiadania. Przy okazji warto podkreślić, że w roku akademickim 2009/2010 przyjęto na pierwszy rok studiów na Wydziale Chemicznym 814 studentów - wcześniej przeegzaminowanie takiej liczby studentów wiązało się albo z problemami logistycznymi, albo z podjęciem decyzji o przygotowaniu osobnych zestawów pytań. Obecnie egzaminy można rozłożyć w czasie, a sam system informatyczny zapewnia niepowtarzalność testów.

Przygotowanie pełnej puli zadań jest niewątpliwie dużym obciążeniem dla grona wykładowców, jednak po skompletowaniu odpowiednio dużego zbioru znika konieczność czasochłonnego sprawdzania setek prac studentów, a prawdopodobieństwo popełnienia błędu staje się minimalne. W poprzednich latach „tradycyjne” kolokwium z chemii nieorganicznej pisało ponad 500 osób - kolokwium poprawkowe przewidziane było po 10 dniach, ale ze względu na konieczność ręcznego sprawdzania prac studenci dostawali wyniki dopiero na 3-4 dni przed powtórnym egzaminem. Obecnie student, wychodząc z egzaminu z chemii ogólnej, wie już, które zadanie napisał poprawnie i co ewentualnie powinien powtórzyć przed egzaminem poprawkowym.

Warto zaznaczyć, że system Moodle sprawdza się także jako narzędzie organizacyjne - przykładowo wykorzystując moduł Zapisy, osoba organizująca kolokwium może wyznaczyć terminy, sale i określić liczbę dostępnych miejsc, a studenci sami zapisują się na ten e-egzamin, który przeprowadzany jest w dogodnym dla nich czasie.

Za główną wadę e-kolokwiów uważa się fakt, iż za ich pośrednictwem nie jest oceniany tok myślenia - ocena wyznaczana jest jedynie na podstawie końcowego wyniku. Jednak podobny system oceniania „według klucza” został przyjęty w przypadku oceniania matur, testów na prawo jazdy, zbliżone zasady obowiązują często także w przypadku testów związanych z podjęciem pracy po studiach, a przyszłego pracodawcy przeważnie nie interesuje sposób rozwiązania problemu, lecz konkretny wynik. Niemniej w przypadku portalu internetowego często sama konstrukcja e-zadań ukierunkowana jest na sprawdzenie toku rozumowania studenta.

Przykładem może być tu kurs matematyki dostępny dla studentów siedmiu wydziałów Politechniki Wrocławskiej. W większości zadań związanych z rachunkiem macierzowym student wskazuje w odpowiednio przygotowanym „kalkulatorze” właściwe wiersze i kolumny, a komputer sam wykonuje odpowiednie obliczenia według zadanego schematu. W ten sposób sprawdzany jest tok rozumowania studenta, a za generujące błędy operacje rachunkowe na komórkach macierzy odpowiada komputer.

Dodatkowo na Wydziale Chemicznym w e-kolokwiach opierających się na zadaniach obliczeniowych przyjęto rozwiązanie, zgodnie z którym student po podaniu nieprawidłowej odpowiedzi jest o tym informowany i może poprawiać zadanie dwa lub trzy razy, w zależności od rozwiązywanego testu (student, podając kolejne odpowiedzi, uzyskuje za zadanie odpowiednio mniej punktów). Dzięki temu można sprawdzić nie tylko, czy potrafi rozwiązać dany problem, ale także - czy w przypadku podania nieprawidłowej odpowiedzi jest w stanie samodzielnie znaleźć błąd w swoim rozumowaniu lub w samych obliczeniach.

Jest to „ukłon” w stronę studentów, gdyż na typowym teście „na papierze” nie ma możliwości wielokrotnego odpowiadania na dane pytanie. Jednocześnie system taki gwarantuje obiektywność oceniania prac i jest dużym ułatwieniem dla wykładowców. Prawdopodobnie wiele osób oceniających kolokwium stawało przed dylematem, jak ocenić pracę, gdy student dobrze napisał wzór, ale źle wstawił dane. Podobnie trudno było ocenić pracę, jeśli podał prawidłowe dane, ale pomylił się w obliczeniach. Tutaj, jeśli student umie sam się poprawić, może „uratować” część swoich punktów, a jeśli w kilku próbach nie jest w stanie podać prawidłowego wyniku, to prawdopodobnie nie potrafi również samodzielnie rozwiązać do końca danego zadania.
Rysunek 2. E-kolokwium w pracowni komputerowej


Źródło: http://www.youtube.com/watch?v=Njer6cvPPFc
Dobrą praktyką na Wydziale Chemicznym stało się to, że studenci przed wpisaniem do komputera odpowiedzi rozwiązują zadania na oznakowanych i podpisanych kartkach, będących „brudnopisami”. W przypadku uzasadnionych wątpliwości istnieje zatem możliwość rozpatrzenia zgłoszonych zastrzeżeń w oparciu o zapisane na serwerze dane dotyczące e-kolokwium oraz notatki (brudnopisy) studentów, a następnie - ewentualnej korekty oceny.

Inną z często akcentowanych wad e-learningu jest to, iż system „wrzuca wszystkie prace do jednego worka” i nie pozwala na wyłonienie wybitnych osób. Czy tak jest w istocie? Przykładowo kolokwium z fizyki zostało przewidziane na 55 minut i w tym czasie studenci mieli do rozwiązania 5 zadań. Wśród studentów, którzy rozwiązali test bezbłędnie - na ocenę bardzo dobrą - znalazły się pojedyncze osoby, które skończyły pisać e-kolokwium w czasie dużo krótszym niż 10 minut. Dzięki systemowi komputerowemu możliwe jest wyłonienie tych, których warto uznać za wybitnych i którym być może warto zaproponować odrębny tok nauczania.

Osobną kwestią są sprawy techniczne związane z przeprowadzaniem e-kolokwiów. Tutaj dużym wsparciem jest Dział Kształcenia na Odległość Politechniki Wrocławskiej², którego misją jest promocja, koordynacja i prowadzenie prac w zakresie wdrażania technik informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) w kształceniu. Portal Dydaktyczny Wydziału Chemicznego wchodzi w skład platformy edukacyjnej zarządzanej przez Dział Kształcenia na Odległość Politechniki Wrocławskiej³. Generalnie ideą e-kursów jest zaoferowanie studentom zdalnego dostępu do materiałów z dowolnego miejsca na świecie za pośrednictwem internetu. Jednak w przypadku e-kolokwiów, ze względu na problemy związane z weryfikacją tożsamości użytkowników, przyjęto, że kolokwia elektroniczne na Wydziale Chemicznym odbywają się w wyznaczonych pracowniach komputerowych, pod nadzorem upoważnionych osób, w ściśle określonych ramach czasowych. W uzasadnionych przypadkach możliwe jest jednak napisanie egzaminu w innych, ściśle określonych miejscach, pod kontrolą upoważnionej osoby (tzw. proktorowanie) - przykładowo w ubiegłym semestrze jedna ze studentek, przebywająca na wymianie, pisała e-kolokwium za granicą w tym samym czasie, co jej koledzy w Polsce. Egzamin odbywał się pod nadzorem jej zagranicznego opiekuna, a do puli adresów IP wydziałowych pracowni komputerowych został dodany odpowiedni numer komputera, z którego korzystała studentka.

Obecnie e-kolokwia przeprowadza na Wydziale Chemicznym pięć zespołów naukowych (chemii ogólnej, fizyki, chemii fizycznej, biochemii oraz biotechnologii), łącznie z czternastu przedmiotów. Co ciekawe, każdy zespół wypracował inny system egzaminowania. Jednym z pierwszych zespołów przeprowadzających e-kolokwia na dużą skalę była grupa chemii ogólnej. Przyjęto tu zasadę, że student przystępujący do sprawdzianu może spróbować odpowiedzieć na każde pytanie aż cztery razy, jednak każda błędna odpowiedź pociąga za sobą odjęcie punktów możliwych do uzyskania za dane pytanie.

W przeciwieństwie do chemii ogólnej, gdzie e-kolokwium składa się z problemów obliczeniowych i pytań stechiometrycznych, kolokwia z biochemii, biologii molekularnej i biotechnologii opierają się na pytaniach wielokrotnego wyboru, podobnie jak na klasycznym „papierowym” teście, w którym przykładowo przynajmniej jedna odpowiedź jest prawdziwa, ale mogą prawdziwe być także wszystkie niewykluczające się odpowiedzi. Ponieważ odpowiedź na jedno pytanie w teście może niekiedy sugerować odpowiedź na inne pytanie, przyjęto, iż po zaznaczeniu swojego wyboru student zatwierdza cały test, a tym samym ma do dyspozycji tylko jedną próbę rozwiązania testu. Dodatkowo zespół biochemii umieścił w teście pojedyncze zadania obliczeniowe oraz zadanie graficzne, w którego rozwiązaniu student za pomocą specjalnego edytora musi narysować wzór zadanego związku. Z kolei e-kolokwia z chemii fizycznej zawierają pięć pytań, z których każde losowane jest z odrębnego działu, a ze względu na różnice programowe materiał e-kolokwiów został zindywidualizowany dla poszczególnych kierunków. Ponadto zmienne w zadaniach obliczeniowych są generowane w sposób losowy, co gwarantuje, że każdy ze studentów otrzyma niepowtarzalny zestaw pytań na kolokwium.

Interesujące podejście zaproponował zespół fizyki na Wydziale Chemicznym, udostępniając uczestnikom kursu część zadań egzaminacyjnych na serwerze http://eportal-ch.pwr.wroc.pl jeszcze przed e-kolokwium. Ponieważ zmienne w zadaniach są losowane, nie ma możliwości zapamiętania samego wyniku liczbowego - trzeba sobie przyswoić metodę rozwiązania zadania. Ci, którzy dysponują fenomenalną pamięcią, mogą oczywiście zapamiętać 500 zadań i odpowiednich wzorów będących rozwiązaniami, łatwiej chyba jednak po prostu nauczyć się fizyki.

Rysunek 3. Przykład prostego zadania z fizyki

*Zmienne oznaczające wysokość i prędkość początkową generowane są w sposób (pseudo)losowy

Źródło: Kolokwium demonstracyjne, ePortal Wydziału Chemicznego, http://eportal-ch.pwr.wroc.pl/mod/quiz/view.php?id=2960 (dostęp po zalogowaniu)
Na koniec warto wspomnieć o eksperymencie, który przeprowadził w ubiegłym semestrze dr Robert Góra z zespołu Chemii Fizycznej. Zorganizował on dwa kolokwia pod nadzorem, z których maksymalnie można było uzyskać 80 proc. punktów możliwych do zdobycia podczas zaliczania przedmiotu. Pozostałe 20 proc. studenci mogli otrzymać na pięciu testach bez nadzoru, które rozwiązywali w domu w konkretnych ramach czasowych. Przy okazji, za pośrednictwem testów, których nie można było poprawiać, studenci dowiadywali się, jakich zadań mogą się spodziewać na kolokwium. Dodatkowe punkty mogli uzyskać, pracując nad projektem, który zwykle polegał na wykorzystaniu metod numerycznych w zagadnieniach związanych z tematyką kursu. To pozwoliło kilku wyróżniającym się osobom uzyskać oceny celujące z kursu, który nie cieszy się dobrą opinią wśród studentów. W ocenie prowadzących zajęcia wyniki były dużo lepsze niż zwykle, ponieważ przynajmniej pięć razy w trakcie semestru studenci musieli poświęcić dwie godziny na rozwiązanie prostych problemów i zobaczyli, „jak wygląda podręcznik od środka”. Innymi słowy - za „cenę” 20 proc. punktów udało się „kupić” systematyczność słuchaczy kursu, przy czym - co ciekawe - wyniki prac pisanych w domu były zbieżne z wynikami kolokwiów pisanych pod nadzorem.

Podsumowanie
Ideą prezentowanego portalu jest wspomaganie dydaktyki na Wydziale Chemicznym, począwszy od wspierania organizacji zajęć, poprzez udostępnianie różnorodnych materiałów dydaktycznych, skończywszy na sprawdzianach elektronicznych. W ubiegłych latach na Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej przyjmowano corocznie ponad 700 studentów, z których obecnie praktycznie każdy styka się z zajęciami e-learningowymi. Uruchomienie elektronicznego korepetytora daje studentom możliwość samodzielnego analizowania omawianych zagadnień, a jego przewaga nad tradycyjnym podręcznikiem polega na istnieniu opcji interaktywnego rozwiązywania zadań oraz samodzielnej oceny stopnia przyswojenia wykładanego materiału. Portal wykorzystywany jest także do masowego egzaminowania studentów: zarówno zadania, jak i dane liczbowe w zadaniach są dobierane w sposób losowy, co ogranicza możliwość nauczenia się odpowiedzi na pamięć, dając jednocześnie gwarancję szybkiej i obiektywnej oceny wiadomości studenta.

Bibliografia

• J. Borkowska-Burnecka i in., Metodyka nauczania zagadnień chemicznych w oparciu o system zarządzania kursami Moodle, sympozjum Wykorzystanie technologii informatycznych w dydaktyce chemii na poziomie szkoły wyższej, materiały konferencyjne, 18.06.2007, Kraków.
• T. Martín-Blas, A. Serrano-Fernández, The role of new technologies in the learning process: Moodle as a teaching tool in Physics, „Computers & Education” 2009, nr 52.
• D.V. Smoline, Some problems of computer-aided testing and „interview-like tests”, „Computers & Education” 2008, nr 51.
• P. Wojciechowski, Wybrane koncepcje e-learningu - prezentacja portalu elektronicznego wspomagania dydaktyki Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, 51 Zjazd Polskiego Towarzystwa Chemicznego oraz Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Przemysłu Chemicznego, materiały konferencyjne, 7-11. 09.2008, Opole.
• P. Wojciechowski, Portal elektronicznego wspomagania dydaktyki na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej - wybrane koncepcje e-learningu, [w:] Nowe Media w Edukacji 2008. Zastosowania technik informacyjnych i komunikacyjnych w kształceniu, materiały konferencyjne, 22.09.2008, Wrocław.