Fokus på samlende prinsipper - mekanistisk organisk kjemi

Jeg har fullstendig revidert kurset KJE3301 Organisk kjemi 2 som et prøveprosjekt høsten 2017 (se kursplan nederst på siden). Kurset ble lagt om fra en mer tradisjonell organisering av temaer til et mer moderne fokus på mekanistisk organisk kjemi. Dette er overraskende nok litt kontroversielt i det faglige miljøet, men en stadig økende mengde fagdidaktisk og pedagogisk litteratur siden tidlig på 90-tallet peker nærmest unisont i retning av at dette er fremmende for læring hos studentene (Flynn 2015, Coppola 1997, Coppola 2010, Anderson et al. 2007, Wentland 1994, samt referanser i disse).

Historisk sett ble organisk kjemi undervist med en organisering av temaer etter såkalte funksjonelle grupper. Dette var i tråd med kjemi i praksis på tidlig 1900-tallet og var dermed et naturlig utgangspunkt for lærebøker og undervisning i organisk kjemi. Denne tradisjonelle organiseringen lever fortsatt i dag i de aller fleste lærebøkene. Men, feltet organisk kjemi har gått langt forbi funksjonell-gruppe organisering – spesielt gjennom utviklingen av mekanistisk organisk kjemi som hadde en voldsom vekst og utvikling gjennom hele 1900-tallet. Forskjellen mellom funksjonell-gruppe orientering og mekanistisk organisk kjemi er stor fra et pedagogisk ståsted. Mekanistisk organisk kjemi tilbyr et sett med samlende prinsipper for hvordan all organisk kjemi foregår, mens funksjonell gruppe fokus ikke har noen iboende god logikk eller rød tråd. Mekanistisk organisk kjemi er et konseptuelt rammeverk som omfatter alt innenfor emnet, og som fører til økt forståelse, reliabilitet i forutsigbarheten til nye eksperimentelle resultater og mulighet for rasjonell design av enhver substans. I mekanistisk organisk kjemi kan noen få prinsipper anvendes på ethvert system, noe som utklasser hundrevis av transformasjoner som måtte læres basert på funksjonell-gruppe logikk. Sistnevnte er ikke unyttig eller uviktig, men er underlagt den mekanistiske kjemien som utgjør de samlende prinsippene. Det å lære samlende prinsipper som utgjør en rød tråd representerer dyp læring og studenten vil kunne ha et mer meningsfylt utbytte av å lære organisk kjemi (Coppola 1997, Coppola 2010).

Omlegging til mekanistisk fokus er likevel ikke uproblematisk. En rekke studier, flere som er relativt nye, peker på problemer (Flynn et al. 2017, Ferguson et al. 2008, Cooper et al. 2010, Battacharyya et al. 2005, Battacharyya et al. 2014, Anzovino et al. 2015, Anzovino et al. 2016) Essensen av disse studiene er at det er veldig krevende for studentene å mestre det mekanistiske språket, symbolene og formalitetene, noe som igjen gjør at de ofte ikke er i stand til å anvende dette på en god måte. Dette er problematisk fordi man må mestre disse for å kunne høste fruktene av mekanistisk forståelse. Selv om de fleste studiene tar for seg introduksjonskurs til organisk kjemi på universitetsnivå, er dette også et problem i høyere kurs. I kurset KJE3301 Organisk kjemi 2 har jeg hvert år brukt mye tid innledningsvis til å repetere grunnleggende aspekter i organisk kjemi, spesielt mekanistisk språk og symbolikk. Litteraturen antyder at en omlegging til mekanistisk fokus og å bruke tid på å mestre det mekanistiske språket vil fremme læring og forståelse. Høsten 2017 gikk jeg dermed over til å undervise fra et mekanistisk ståsted, hvor emnene er organisert etter mekanismer, samt at den mekanistiske forståelsen angripes fra to ulike synsvinkler (Okuyama et al. 2013). Den ene er den klassiske elektronpilmodellen (Wentland 1994), som er den mest anvendte modellen for å forstå reaktivitet og reaksjoner i organisk kjemi i både undervisning og forskning. Det andre aspektet er å forstå det mekanistiske utfra moderne beregningsmetoder i kvantekjemi som blant annet gir grafiske bilder av elektronstruktur som gjør det mulig å forstå hva som skjer med molekylene og hvorfor.

Studentene var generelt veldig positive til det mekanistiske fokuset i kurset. Gjennom semi-strukturerte intervjuer gjennomført omtrent halvveis i kurset (nærmere beskrevet under Vurdering), kom utelukkende positive erfaringer til uttrykk om den nye boka og fokusområdet. Det fremkom at mindre tid ble brukt på pugging og mer tid på å forstå mekanismene, og at dette fremmet tenking i større grad. Dette gjorde temaene mer interessante. Quizzer og oppgaver som ligger som ekstramateriale på internett i forbindelse med boka gjorde det greit å følge med på at man hadde forstått konseptene. I tillegg til studentenes egne tilbakemeldinger ble det gjennomført en innholdsanalyse av besvarelsene til en bestemt eksamensoppgave (som var sammenlignbar på tvers av årene) fra årene 2015, 2016 og 2017. Eksamensoppgaven er mekanistisk intensiv og blander sammen en rekke ulike konsepter som må dekonvolueres fra oppgaven og anvendes sammen for å kunne løse den. I analysen klassifiserte jeg ulike feil av mekanistisk art som for eksempel «pKa-forståelse», «elektronpil forståelse» og «valg av mekanisme». Disse er typiske problemområder for studenter i organisk kjemi. Forekomsten av denne type feil i besvarelsene ble telt opp og det ble funnet omtrent samme hyppighet av feilene i årene 2015 (16 forekomster) og 2016 (14 forekomster), mens det i 2017 var halvert (8 forekomster). Dette antyder at omleggingen til mekanistisk fokus har hatt en signifikant positiv læringseffekt, men mer data vil måtte samles over tid for å kunne konkludere mer definitivt.

Overgangen fra et tradisjonelt fokus til mekanistisk organisk kjemi i kurset KJE3301 var et svært positivt grep for studentenes læring og mestring. Det at studentene opplevde økende interesse, bedre forståelse og mer fokus på læring er i stor grad avgjørende for at jeg mener dette. Det representerer også min pedagogiske filosofi fordi det innebærer at dyp forståelse og studentenes mestring av faget blir viktigere enn det å dekke mest mulige temaer. Kvaliteten på kunnskapen og forståelsen fremtrer som viktigere enn kvantiteten. Dette understøttes videre av generell pedagogisk teori, utdanningspsykologi, disiplin-basert utdanningsforskning og den fagdidaktiske forskningen innen organisk kjemi. Jeg vil fortsette å omlegge min undervisning i organisk kjemi mer mot mekanistisk forståelse, men i fortsettelsen forsøke å styrke båndene mellom dette og moderne transformasjoner som ofte er mekanistisk komplekse og kanskje har uvanlige, men viktige, aspekter. Videre må det fokuseres på at studentene først mestrer det mekanistiske språket, symbolbruken og hvordan dette som modell henger sammen med virkeligheten på mikroskopisk nivå.

KJE3301 Organic Chemistry II PLAN 2017