scheLM cSt (chemische Strukturen transformieren)
Ausgangssituation
Chemische Strukturen sind dreidimensionale Gebilde. Dabei können Moleküle bei gleicher Verknüpfung der Atome eine unterschiedliche Anordnung im Raum haben. Dies kann man mit dem Aufbau der Hand vergleichen. Die rechte und linke Hand sind verschieden. Eine rechte Hand passt nicht in einen linken Handschuh. Offensichtlich sind die beiden Hände verschieden. Wenn man sich aber die Hand im Skelett betrachtet, so ist die Anordnung der Knochen die gleiche.
Die Tatsache, dass Moleküle bei gleicher Verknüpfung eine unterschiedliche Struktur haben können, ist in der Biochemie und Medizin von herausragender Bedeutung. Als bekanntestes Beispiel lässt sich hier Contergan nennen. Dieses Molekül kommt in zwei spiegelbildlichen Formen vor. Die eine Form wirkt als Schlafmittel, die andere Form ruft Schäden im ungeborenen Leben hervor, wenn während einer Schwangerschaft Contergan zu sich genommen wird.
Daher ist es für einen Chemiker*innen essentiell, diese beiden Formen sicher zu unterscheiden. Hierzu haben die Chemiker eine eigene Bildersprache – eine eigene Schrift – entwickelt. Dabei nutzten Chemiker*innen verschiedene Schreibweisen, je nachdem, welche strukturellen Eigenschaften gerade hervorgehoben werden sollen.
Die Weinsäure war das erste Molekül, bei dem es gelungen ist, alle drei möglichen Anordnungen zu trennen und zu unterscheiden. In Abb. 1 sind die drei möglichen Formen der Weinsäure in 7 verschiedenen Schreibweisen dargestellt.
Für Studierende ist es wichtig, mit allen diesen Schreibweisen sicher umgehen zu können, und verschiedene Schreibweisen sicher ineinander zu transformieren. Diese Kompetenzen erfordern ein erhebliches Maß an Übung.
Zielgruppe und Zielsetzung
Die oben genannten Kompetenzen sind für alle Studierenden, die sich mit Chemie auseinandersetzten, eine wichtige Voraussetzung. Dies gilt für die Studierenden mit dem Hauptfach Chemie (Biochemie, Chemie, Wirtschaftschemie), aber auch und insbesondere für Studierende mit der Chemie als Nebenfach (Biologie, Medizin).
Allen diesen Studierenden wollen wir mit scheLM cSt ein Werkzeug anbieten, um die erforderlichen Kompetenzen zu trainieren und zu erwerben.
Umsetzung
Wenn Studierenden scheLM cSt nutzen, so gelangen sie zunächst in ein Auswahlmenü. Hier können Sie auswählen, welche Arten von chemischen Schreibweisen im aktuellen Test enthalten sein sollen (siehe Abb. 2). Im Feld „Anzahl“ wird jeweils angezeigt, wie viele Beispiele zu der ausgewählten Kombination an Schreibweisen in der Datenbank enthalten sind.
Zusätzlich gibt es die Option, die verschiedenen räumlichen Anordnungen (Stereochemie) zu benennen. Dazu gibt es die drei Optionen (i) Stereochemie muss enthalten sein (es werden nur Beispiele mit stereochemischen Deskriptoren angezeigt), (ii) Stereochemie kann enthalten sein (es werden alle passenden Beispiele angezeigt – wenn es stereochemische Deskriptoren gibt, werden diese gezeigt) und (iii) Stereochemie wird ausgeblendet (es werden alle Beispiele angezeigt, wenn stereochemische Deskriptoren vorhanden sind, werden diese ausgeblendet).
Nachdem die Studierenden eine Auswahl getroffen haben, können Sie die Anzahl an Beispielen mit der Auswahlbox „Anzahl“ auswählen und den Test starten.
Abb. 3 zeigt ein einfaches Beispiel. In der Struktur oben links sind die Reste in allen vier Positionen vorgegeben. In der zweiten Struktur rechts daneben sind zwei Reste der Struktur vorgegeben. Die anderen beiden Reste fehlen zunächst. An deren Stelle stehen Auswahlfelder. In diesen Auswahlfeldern werden die richtigen Antworten – welcher Rest gehört an welchen Strich – ausgewählt. Wenn alle Felder einer Struktur ergänzt wurden, wird der Check-Button betätigt. Die Eingaben werden überprüft. Richtige Antworten werden in HHU-blau markiert, falsche Antworten in rot. Aus dem Check-Button wird ein Lsg.-Button (Lösung). Dieser erlaubt es, die richtige Lösung nach einem Fehler einzublenden. Dies hilft bei der Bearbeitung der nächsten Schritte.
In der ersten Zeile in Abb. 3 sind zwei bearbeitete Strukturen gezeigt, bei der ersten wurde alles richtig bearbeitet, bei der zweiten wurde ein Fehler gemacht. In der zweiten Zeile ist ein halb bearbeitetes Beispiel gezeigt. Hier erkennt man noch den Check-Button.
Für den Aufbau einer Bibliothek an Tests wird eine Eingabemaske benötigt, die eine effiziente Erstellung von Beispielen erlaubt. Daher haben wir zusätzlich zur Testumgebung eine Eingabemaske entwickelt, die es uns erlaubt Beispiele einfach und schnell zu erstellen. Im ersten Schritt wird dabei eine Graphik ohne Beschriftung ausgewählt, in die später die Beschriftungen eingetragen werden. Dabei wird entweder eine Graphik ausgewählt, die schon aus früheren Beispielen auf dem Server zur Verfügung steht (Button: Server durchsuchen), oder aber es wird eine neue Graphik hochgeladen (Button: Computer durchsuchen). Anschließend kann diese Graphik skaliert werden, so dass sie den Anforderungen entspricht (Buttons: +++, ++, +, -, --, ---). Dabei gibt der rote Rahmen die erlaubte Maximalgröße vor.
Im nächsten Schritt werden dann die genutzten Schreibweisen (Fischer, Sägebock, …) ausgewählt. Dies ist wichtig, um später gezielt Beispiele aussuchen zu können.
Danach werden die fehlenden Beschriftungen generiert. In diesem Bsp. werden vier Textboxen benötigt, um die erste Struktur zu beschriften. Daher wird vier ausgewählt (siehe Abb. 4) und der Button „Textboxen einfügen“ geklickt. Es werden vier Textboxen hinzugefügt, die noch leer sind. Diese Textboxen können mit der Maus an die richtige Position geschoben werden. Unter dem Schema befinden sich weitere Kontrollen. Diese erlauben es, den Text für die Textboxen einzugeben. Dabei muss jede Textbox zweimal mit Text gefüllt werden. Steht der Text in der Aufgabe rechtsbündig, so wird die normale Beschriftung genutzt, steht sie linksbündig, wird die inverse Schreibweise genutzt. Zusätzlich müssen zwei Checkboxen gesetzt werden, (i) soll das Label rechts- oder linksbündig angezeigt werden und (ii) soll das Label in der Aufgabe angezeigt werden (fixiert), oder soll der Nutzer es ausfüllen.
Sind alle Label für die erste Struktur gesetzt, können diese Textboxen kopiert werden (Button „Textboxen kopieren“). Die vier vorhandenen Textboxen werden kopiert. Anschließend können diese an die richtige Position geschoben werden. Dann müssen nur noch die beiden Checkboxen (fixiert und rechts) bearbeitet werden und es geht zur nächsten Struktur. Die Check-Button werden jeweils automatisch mit erzeugt und können auch mit der Maus positioniert werden.
Ergebnisse
Bevor wir den eigentlichen Test entwickelt haben, haben wir uns zunächst mit der Erstellung einer Eingabemaske befasst. Dieser Schritt war aufwändig und anspruchsvoll und wir mussten uns in neue Techniken einarbeiten, die für das spätere Testmodul nicht benötigt werden. Dennoch war dieser Aufwand lohnenswert. Wir haben nun eine Methode, um schnell und effizient neue Beispiele zu erstellen. Sicher wäre es auch möglich, Beispiele von Hand in unsere Datenbank einzupflegen. Dies wäre aber kompliziert und unübersichtlich. Eine Pixelgenaue Platzierung von Textboxen über der Graphik würde für jede Textbox aufwendiges Ausmessen, Umrechnen und nachträgliches Feinjustieren erforderlich machen.
Durch die Entwicklung des Eingabetools können wir schnell und effizient Beispiele erstellen und korrigieren.
Die ersten Studierenden haben dieses Modul schon getestet. Es hat sich gezeigt, dass wir einige Beispiele noch einmal überarbeiten müssen, da diese zu unübersichtlich sind. Dennoch ist die erste Rezeption durch die Studierenden sehr positiv. Die Auswirkung auf die Kompetenzen der Studierenden ist über den Vergleich von drei Jahren (1. Jahr ohne Lernmodul, 2. Jahr Testversion des Lernmoduls, 3. Jahr fertige Version des Lernmoduls nur schwer möglich). Wir haben aber den Eindruck, dass Studierende jetzt sicherer mit den Transformationen von einer Schreibweise zur anderen umgehen.