Kap. 4: Visualiseringer

Mange af de områder, der studeres i kemi, beskriver komplicerede fænomener, hvor en passende illustration underbygger påstanden om, at et billede siger mere end 1000 ord. Der er ofte tale om anskueliggørelse af fænomener, hvis årsag(er) findes på et mikroskopisk niveau, der ikke er direkte observerbart. Visualiseringen kan i denne sammenhæng opfattes som en afbildning af fænomener fra atomernes og molekylernes mikroskopiske verden, der under hensyntagen til formål og anvendelse danner et billede i den makroskopiske, observerbare verden. Dette synspunkt samt en grundig gennemgang af eksempler er beskrevet i Marco Zieglers "3D-Visualisierung in der Chemie", Fribourg, 1997. Heri finder man også denne figur, der placerer begreberne visualisering og simulation i sammenhæng med, hvad man kunne kalde "den gængse opfattelse af naturvidenskabelig metode" eller som et billede af en model for læreprocesser, hvis man vælger at opfatte mærkaterne "Virkelige verden", "Måling" og "Eksperimentelle data" i en undervisningssammenhæng.

Vi bruger visuelle fremstillingsformer, der i mange tilfælde baseres på IT, til bl.a.:

• Grafiske afbildninger af sammenhæng mellem forskellige (ofte målte) størrelser
• Periodiske systemer med atomdata (præsentation af data fra speciel database)
• Animationer og film (video)
• Bindingsforhold i kemiske forbindelser (strukturformler)
• Molekylmodeller (strukturformler i 3D)
• Elektronfordelinger (orbitaler og molekylers rumlige form (VSEPR )
• Simulationer.

Denne fremstillingsform er omtalt i kapitel 2 om databehandling.

Det periodiske system er den klassiske visualisering af kemiske informationer om grundstofferne. Systemet har med data fra atom- og kernefysikken fået en fast form, men der har gennem hele den moderne kemis historie været mange forsøg på visualisering af de underliggende lovmæssigheder. Den indbydende grafiske form har inspireret mange til at lave en webbaseret (interaktiv) udgave af systemet, hvor der med få museklik kan hentes og sammenstilles data, der illustrerer en lang række egenskaber for grundstofferne.

Et godt sted at begynde er WebElements – www.webelements.com/. Linket fører til Pro-udgaven. På forsiden heraf er der et link til en Scholar-udgave, hvor informationen er begrænset, og hvor der er gjort mere ud af visse af de visuelle sider af præsentationen. Man kan på WebElements finde alle de traditionelle grafer, der bruges i forbindelse med arbejdet med det periodiske system.

Et periodisk system med grundstoffer fra de første fire perioder, der viser elektronernes fordeling i skaller, ioniseringsenergi og grundstoffernes synlige spektrallinier kan ses på www.colorado.edu/physics/2000/applets/a2.html. Siden er baseret på java og kan være lidt langsom.

Hvis man vil se, hvad der findes, kan en søgning give mange resultater (næsten for mange). Prøv i stedet at besøge et indekseret sted som f.eks. www.about.com, der indsamler og kort annoterer links. Her kan man finde information om og links til en lang række periodiske systemer (chemistry.about.com/science/chemistry/cs/periodictables/index.htm ).

Som en ekstra bonus, der nok taler til vores sanser, men ikke den visuelle, er der Tom Lehrers sang The Elements (Youtube), hvor teksten hovedsagelig består af alle grundstoffernes navne. Da teksten afsynges i en rasende fart, er det bekvemt, at man også kan hente teksten (www.guntheranderson.com/v/data/elements.htm), så de mange navne kan kontrolleres.

Animationer er levende billeder. De har været brugt i lang tid i form af først film og siden video. Når glosen animationer bruges i forbindelse med computere, tænkes der ofte på et tegnefilmsagtigt produkt, hvor tegnede billeder vises i sekvens. Med hurtigere forbindelser og bedre teknologi er det også blevet muligt at overføre traditionelle film og videoprogrammer over (inter)netforbindelser.

Emnet animationer åbner (mindst) to perspektiver; brug af færdige animationer og konstruktion af nye.

Brug af animationer kræver dels det rigtige værktøj til at vise animationen, dels egnede animationer. Det sidste stiller de samme krav til evaluering af tilgængeligt materiale som brug af film eller video i undervisningen. Hvis vi forudsætter, at vi har egnede animationer, så kan brugen af dem ske på noget andre præmisser med brug af IT, idet hver enkelt elev eller elevgruppe kan gennemse og arbejde med animationen i eget tempo, når animationen vises på en pc frem for på et lærred.

En glimrende gennemgang af mulighederne findes i Multimedia for Chemical Education(www.chem.ox.ac.uk/it_lectures/poznan/ ), et websidekompleks med mange illustrationer.

Værktøjerne er de rigtige programmer eller plug-ins til browseren. På oversigtsform kan de vigtigste nævnes:

• Animeret GIF (en serie GIF-billeder samles i en enkelt billedfil sammen med information om afspilningshastighed m.m.). Kræver ingen særlige værktøjer – kan vises af alle nyere browsere. Rigtig mange af de små bevægelige figurer på websider er animerede GIF-billeder
• Shockwave og Flash. (Kræver plugin fra Macromedia (www.macromedia.com/downloads/ ), gratis
• Videoformater:
  - Filtype: avi. Det klassiske Windows videoformat, der afspilles af Windows Media Player. Kan indlejres i websider og afspilles her
  - Filtype: mpg (mpeg). Et andet videoformat – afspilles også af Windows Media Player
  - Filtype: mov. Apple Quicktime-videoformat. Kræver Quictime-player fra Apple (www.apple.com/quicktime/download/ ) installeret på pc’en, gratis
  - Filtype: rm (rmm). Real Media er et såkaldt streaming media-videoformat, hvor afspilningen begynder inden hele filen er hentet. Kræver installation af Real Player fra Real.com (www.real.com/ ), gratis
• VRML (Virtual Reality Modelling Language). Under billedet på skærmen af den virtuelle verden (svarende til et tænkt kig ud fra et styrbart fartøj) vises et navigationspanel, der bruges til bevægelse rundt i modelverdenen (hvis du ikke kender det, så spørg en af dine elever!). Et meget anvendt produkt til visning er Cosmo Player. Programmet videreudvikles ikke længere, men på følgende sider http://www.karmanaut.com/cosmo/player/, kan man finde henvisninger til, hvor programmet kan hentes fra og hvilke alternativer, der findes.
• Chime kan vise filer i et særligt format, der hedder xyz-formatet, der er opbygget efter samme princip som de animerede GIF-billeder. En xyz-fil indeholder flere enkeltbilleder af atomerne i en molekylmodel. Mellem hvert billede flytter atomerne sig i modellen, så der fremkommer en illusion af bevægelse. Chime kan hentes på., se i øvrigt tastevejledning
• JAVA. Der findes efterhånden ganske mange JAVA-appletter til illustration af kemiske begreber.

Konstruktion af animationer er blevet lettere med bedre programmer og kraftigere maskiner, men er stadig en proces, der kræver talent og tid. Til konstruktion af de ovenfor nævnte typer animationer er der:

• Animationer kan laves som animerede GIF-billeder. Tegneprogrammet Paint Shop Pro har et glimrende værktøj til animerede GIF-billeder, men der findes andre
• De kan også konstrueres med (betalings)værktøjer, der giver betragteren bedre kontrol over forløbet, fx Macromedia Flash og Macromedia Shockwave
• Videoredigeringsprogrammer, der kan konvertere film eller video til formater egnet til brug på pc. Dette kræver særlig hardware (grafikkort med video ind- og udgang).Visse af konstruktionsprogrammerne kan også eksportere produktet i et videoformat
• VRML-animationer kræver særligt programmel. Det bruges ofte til andre typer animationer, spil og lign
• Konstruktion af JAVA-appletter er en egentlig programmeringsopgave, der ud over kemisk og pædagogisk indsigt kræver kendskab til programmering i JAVA
• Der kan også produceres animerede forløb med DHTML (Dynamisk HTML), der i de nyere browsere kan levere animerede eller dynamiske forløb.

Med undtagelse af Chime (og til dels JAVA) har de ovennævnte teknikker alle det fællestræk, at de animerede objekter ikke har noget indbygget kemisk indhold. Objekterne kan i deres grafiske fremstilling fremkalde en illusion af kemisk indhold. Fx vil et tegnet "OH^-" få betragteren til at tænke på en hydroxidion, hvad der kan være bekvemt nok. Men objektet har intet kemisk indhold, som det samme symbol ville have i fx et Chime-billede, hvor der er knyttet nogle egenskaber til objektet af kemisk såvel som grafisk natur. De kemiske egenskaber omfatter ladning (én overskydende elektron), antal atomer og disses art (oxygen og hydrogen), bindingstypen mellem atomerne og atomernes rumlige koordinater. De grafiske egenskaber omfatter molekymodellens fremstillingsform (tråd, kugle-og-pind eller kalot), perspektivisk information ved oversættelse fra rumlig form til plan fremstilling, farver og belysning samt mulige bevægelser (translation og rotation).

Ved såvel produktion som ved anvendelse af animationer i kemi er det en væsentlig faktor at vurdere kvaliteten af de kemiske informationer, der vises. Som det fremgår, er der formater, hvor den kemiske information ikke er en del af formatet, og der derfor stilles større krav til forfatterens evne til tydeliggørelse af denne del af informationen.

Eksempler

Eksemplerne er valgt for at vise spændvidden i materiale, der kan findes ved søgning. Der er godbidder og materiale, der måske er mindre egnet. Med fare for at skrive noget helt selvfølgeligt, så skal dette blot understrege, at der skal foretages en faglig og pædagogisk evaluering af materiale fundet ved søgning. En større opgave er måske at få defineret og nedskrevet et sæt kvalitetskrav, der kan anvendes af elever, hvis de som led i et forløb søger materiale på nettet.

• Side med links til animerede GIF-filer, der viser forskellige organiske reaktionsmekanismer: home.clara.net/rod.beavon/slides.htm
  Billederne er tekstlige repræsentationer af strukturformler og ikke sædvanlige molekylmodeller
• Flash-animation af organisk reaktion: www.bojensen.net/Oakmoss/Oakmoss.htm
• QuickTime-film, der viser reaktioner mellem CoCl₂ og en række almindelige laboratoriereagenser (kræver QuickTime): www.chem.ox.ac.uk/it_lectures/poznan/slide6.html
• Real media-film, der viser reaktioner mellem CoCl₂ og en række almindelige laboratoriereagenser (kræver Real Media Player): www.chem.ox.ac.uk/it_lectures/poznan/slide7.html
• JAVA-apletter, se: fx The IrYdium Project eller Interaktiv Kemi.
• DHTML-side med illustration af organisk reaktion: www.chem.ox.ac.uk/it_lectures/poznan/slide24.html

Illustration af bindingsforhold mellem atomer og ioner og den indbyrdes rumlige placering af atomer og ioner i kemiske forbindelser er et af de store og traditionelle områder for visualiseringer i kemi. Brugen af disse fremstillingsformer begynder allerede sammen med forestillingerne om atomer, hvor man samtidigt med atomsymbolernes indførelse begyndte at illustrere bindingsforhold med tegnede modeller – dog uden at have helt klare opfattelser af, hvad en kemisk binding er. Da det blev klart, at også de rumlige forhold havde stor betydning for beskrivelse af stoffernes opbygning og egenskaber, begyndte de fysiske atommodeller (molekylbyggesæt) at vinde indpas. De er stadig vigtige undervisningsmidler for mange elever, der har brug for den fysiske fornemmelse ved bygning og/eller håndtering af en model for at internalisere informationerne fra de rumlige modeller.

Der findes en række gode IT-værktøjer til at komplementere og arbejde videre med strukturformler, fx de gratis tegneprogrammer ISISDRAW fra MDL Information Systems (www.mdli.com/downloads/downloadable/index.jsp) og ChemSketch fra ACDLabs (www.acdlabs.com ), hvor især det sidste skal fremhæves som et meget alsidigt og godt værktøj til tegning af såvel 2D som 3D molekylmodeller. ISISDRAW er også godt til 2D molekylmodeller, men mangler noget i fremstillingen af 3D molekylmodeller.

Der findes nogle gode betalingsprogrammer til det samme. Her kan nævnes Chem 3D eller Chem Draw fra Cambridge Soft (www.camsoft.com/ ), Spartan fra Wavefunction, Inc. (www.wavefun.com ) eller Hyperchem fra Hypercube (www.hyper.com/ ). De kan alt, hvad man kan ønske sig, men prisen er også derefter.

VRML (Virtual Reality Modelling Language) er en anden måde at visualisere 3D-molekylmodeller på. Under skærmens billede af molekylmodellen i den virtuelle verden (svarende til et tænkt kig ud fra et styrbart fartøj) vises et navigationspanel, der bruges til bevægelse rundt i modelverdenen (hvis du ikke kender det, så spørg en af dine elever!). Et meget anvendt produkt til betragtning af (alle mulige) virtuelle verdener er Cosmo Player. Programmet videreudvikles ikke længere, men på følgende sider http://www.karmanaut.com/cosmo/player/, kan man finde henvisninger til, hvor programmet kan hentes fra og hvilke alternativer, der findes.

På websiden The WWW Chemical Structures Database har man adgang til interaktivt at få dannet 3D-molekylmodeller i VRML-formatet. Man kan enten angive en fil med atomkoordinater eller tegne molekylet i en online-editor. Man kan derefter hente en fil hjem til lokal computer, der viser strukturen som VRML-fil (kan ses med fx Cosmo Player). Der kan dannes VRML-filer med mange forskellige egenskaber fra traditionelle molekylmodeller til modeller forsynet med forskellige overflader til illustration af molekylære egenskaber, fx ladningsfordeling.

Programmer til at vise molekylmodeller, dvs. arbejde med færdige strukturformler til belysning af bestemte strukturelle forhold, har en række fordele i forhold til de traditionelle molekylmodeller:

• Let skift mellem flere forskellige visningsformer (trådmodel, pind-og-kugle, kuglekalot) for de traditionelle modeller af mindre molekyler, men også særlige visningsformer for makromolekyler til illustration af særlige forhold ved disses struktur ("backbone", "ribbons", "strands" og "cartoons" med terminologi fra Chime), hydrogenbindinger og disulfidbindinger
• Målinger af afstande mellem atomer og bindingsvinkler på modellerne
• Beregning af forskellige data (fx molare masser, ladningsfordelinger og lign.)
• Der kan laves differentierede og interaktive undervisningsforløb, hvor eleverne i eget tempo arbejder med molekylmodellers egenskaber langt bedre end med en model, som underviseren peger på. Selv ikke brug af omhyggeligt udarbejdede plancher kan erstatte elevernes eget arbejde med interaktive modeller
• I samarbejde med tekstbehandlingsprogrammer kan der fremstilles bedre dokumenter til beskrivelse af forbindelsers struktur

Ud over at bearbejde og betragte molekylmodeller i de nævnte specielle programmer, kan de også bruges til at producere materiale, der kan indbygges i websider, der herved kan blive dynamiske. Det muliggør produktion af undervisningsmateriale, der ud over det interaktive indhold kan indeholde forklaringer, opgaver og henvisninger (links), så der kan fremstilles et samlet materiale til undervisning.

I forbindelse med Chime skal det nævnes, at websider med Chime-billeder kan anvende JavaScript sammen med Chimes eget scriptsprog (overtaget fra programmet RASMOL). Der kan tilføjes muligheder for, at brugeren kan styre fremvisningen i langt højere grad. Egen konstruktion af sådanne sider kræver dog nogen erfaring med programmering.

VRML-filer kan forsynes med aktive knapper, der kan bruges til en vekselvirkning med modellen. På den tidligere omtalte The WWW Chemical Structures Database kan man få dannet VRML-filer med nogen interaktivitet.

En vigtig forudsætning for alt det ovenstående er selvfølgelig adgang til et relevant udvalg af strukturfiler. Et godt sted at begynde er Klotho, Biochemical Compounds Declarative Database (http://www.biocheminfo.org/klotho/ ), hvor der findes oplysninger, herunder PDB-filer, om en lang række hovedsagelig biokemiske molekyler.

En anden god samlinger:

• mc2.cchem.berkeley.edu/Smells/index.html – samling med modeller af duftstoffer

Programmer til at tegne eller konstruere molekylmodeller kan som regel alt det, som de specielle fremvisere også kan. Brug af disse programmer giver mulighed for arbejde med opbygning af molekylmodeller og optimering af de rumlige forhold som selvstændige forløb eller som forudsætning for forløb med undersøgelser af strukturernes egenskaber.

I de to IKT-bøger til kemi (se eventuelt henvisninger på siden "Ministeriet for Børn og Undervisning/Andre materialer") er der beskrevet forløb, hvor der beregnes molekylstrukturer med programmet HyperChem og med ChemSketch.

Elektronernes fordeling omkring atomkerner er et oplagt område for visualisering, hvor der netop er brug for en måde at anskueliggøre de ellers så utilgængelige elektroner på.

Billeder af orbitaler kan konstrueres med det lille gratis program, Orbital Viewer (http://www.orbitals.com/orb/ov.htm ). Med programmet kan man få beregnet forskellige orbitaler på flere forskellige måder. Programmet giver mange muligheder for at ændre på indstillinger til visning af orbitalernes konturer.

VSEPR-modellen giver en forudsigelse af molekylers og ioners rumlige form, når man kan svare på ganske få spørgsmål om valenselektroner, ladning og bindinger mellem de atomer, der indgår i forbindelsen. Den rumlige form kan efterfølgende illustreres – ofte vha. Chime – så betragteren kan undersøge modellen fra alle sider. Fra Virtual Laboratory er der adgang til en Chime-baseret tutorial med eksempler på forbindelser: www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/vsepr/intro/vsepr_splash.html.

En side med statiske eksempler på VSEPR-strukturer og med links til Chime-udgaver af molekylmodeller med denne struktur er www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/banque.htm.

En søgning efter VSEPR på nettet giver rigtig mange hits.

Denne fremstilling behandler animationer og simulationer som to forskellige områder, men der er en glidende overgang fra den rene animation, hvor vi har en tilskuer, der ikke har indflydelse på animationsforløbet, over til en meget interaktiv simulation, hvor forløbet i høj grad styres af "spillerens" handlinger. I en simulation bliver et teoretisk begreb eller et eksperiment modelleret.

Begrundelser for at anvende simulationer i stedet for den ægte vare i laboratoriet kan være, at apparaturet er utilgængeligt på grund af pris, eller at eksperimentet ikke kan udføres under normale omstændigheder på grund af tidsmæssige omstændigheder eller på grund af sikkerheds- eller risikoforhold. Ved oplæring af personer til arbejde med denne type opgaver kan simulationer være meget vigtige; men også i mere almindelig undervisningssammenhæng kan man have godt udbytte af arbejde med simulationer.

Til beskrivelse af simulerede systemer opstilles et sæt matematiske relationer, der beskriver sammenhængen mellem de fundamentale størrelser, der styrer systemets tilstand(e). Brugeren af simulationen har adgang til at ændre på visse størrelser og kan derefter iagttage, hvorledes de angivne ændringer influerer på systemets egenskaber. Egenskaberne kan illustreres på forskellig vis, men der vil ofte være et ganske stort islæt af grafisk karakter.

Mange af de systemer, der beskrives ved en simulation er komplekse systemer, hvis respons på ændringer af parameterværdier styres af ligningssystemer, der er matematisk komplicerede at løse, fx differentialligningssystemer, men det kan også være forholdsvis enkle systemer, fx egenskaber for en indespærret gas i en beholder. For at eftergøre den variation, der som regel er på gentagelser af det samme eksperiment i laboratoriet, vil mange simulationer af eksperimenter have indbygget et element af tilfældighed, der ofte i høj grad kan være med til at få simulationen til at virke troværdig.

Den gode simulation udfordrer elevens nysgerrighed og er med til at skabe forståelse for simulationens emne – på samme måde som det gode eksperiment. De to typer aktiviteter supplerer ideelt set hinanden, således at man med forankring i en virkelig (laboratorie)situation kan udforske området yderligere vha. af simulationen. Det er vigtigt at betone simulationens akilleshæl – at den ikke er virkeligheden, men kun en model af samme virkelighed, og at modeller altid har begrænsninger. Den gode simulation arbejder selvfølgelig med en god model.

Når elever arbejder med simulationer, skal man også være opmærksom på det element af spil, der kan findes i visse simulationer. "Belønningen" for fx at finde et sæt af koncentrationer, der får en given kemisk reaktionsblanding til at befinde sig i en ligevægtstilstand, er nogle point, lyd eller andet "flimmer". For nogle elever kan "belønningen" virke motiverende for overhovedet at beskæftige sig med emnet. Det er et åbent spørgsmål, om der hænger noget kemi ved, når der er blevet arbejdet med en meget spilagtig kemisk simulation. Er der blevet uddraget nogle almene kemiske erfaringer, der kan transformeres og anvendes i andre sammenhænge? Eller er den pågældende "blot" blevet god til at komme på "high score"-listen i denne simulation (spil)?

I stedet for den ovenfor beskrevne beregning af systemers egenskaber ud fra grundlæggende parametre kan man også lave simulationer i et mere begrænset univers. Der bliver så tale om en slags film, hvor der til de forskellige mulige indgreb i et system findes færdige billedsekvenser svarende til de valgte indgreb (ændring af parameterværdier). Denne type simulation kan sikre, at brugeren kommer igennem typiske forløb (via de begrænsede muligheder for parametervalg), men er ikke så velegnede til mere induktive forløb, hvor brugeren på baggrund af tidligere erfaringer vælger nye simuleringsforløb i sin udforskning af systemet (og dermed af den bagvedliggende virkelighed).

Til udvikling og konstruktion af den førstnævnte type af simuleringer (de beregnede) kræves ofte en del programmering, og yderligere beskrivelse falder uden for rammerne her. Simulering af forholdsvis simple systemer kan fx foregå i et regneark eller et modelværktøj som FPro, hvor opstillingen af modellen kan være en udbytterig aktivitet. Modellens forudsigelser kan vises dynamisk i fx en graf.

Til denne første gruppe hører også nogle af de specielle programmer til kemi, som nævnt i kapitel 2. Den sidste type simulationer nævnt ovenfor (de "filmiske") kræver en forfatter med et godt kendskab til det system, der skal simuleres. Med et egnet værktøj, fx Macromedia Flash, Shockwave eller et andet multimedieværktøj, beskrives de ønskede sekvenser. Efterfølgende kædes de forskellig sekvenser sammen med simulationens styrings- eller navigeringsredskaber. Også her er konstruktionen et job for eksperter, hvorimod brug af færdigt materiale er ligetil på det rent tekniske plan. Der er dog nogle pædagogiske overvejelser, man skal igennem, da meget af dette materiale er af udenlandsk oprindelse. Det betyder dels mulige sprogproblemer i forbindelse med anvendelsen, der dog kan afhjælpes med eget materiale, dels overvejelser affødt af en anden pædagogisk tradition hos konstruktøren.

Brug af selv de programmeringsmæssigt tunge systemer kræver derimod "kun" de almindelige overvejelser, man gør sig i forbindelse med undervisningsforløb. Eksempler på sådanne systemer er enten selvstændige simulationsprogrammer, fx til simulering af syre-base-titrering, eller JAVA-applets, der kan nås fra en webbrowser, se fx The IrYdium Project eller Interaktiv Kemi.

Brug af simulationsprogrammer behøver ikke at være et enten-eller-valg mellem program og eksperiment i laboratoriet. Et eksperiment, hvor den eller de relevante størrelse(r) registreres digitalt ved dataopsamling i laboratoriet, kan efterfølgende bruges som mål for et simuleringsforløb. Kendskab til stoffernes egenskaber og kendskab til teorien kan bruges til at justere parametre i et simuleringsforløb, så der opnås maksimal overensstemmelse mellem eksperiment og simulation. Der bliver så ofte lejlighed til at diskutere afvigelser mellem resultater fra eksperiment og simulation, hvorved den matematiske model, der er anvendt i simulationen, kan vurderes.