Highlighting the chemical diversity of plants: modern tools for chemistry education
Manninen, Marianna (2022-10-28)
Highlighting the chemical diversity of plants: modern tools for chemistry education
(28.10.2022)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9009-2
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9009-2
Tiivistelmä
The chemical diversity of plants is enormous as plants produce a variety of compounds that play key roles, for instance, in the growth, defence and reproduction of plants. This diversity is not well recognised in chemistry education. To understand the chemical diversity of plants, modern research instrumentation is needed. However, the cognitive and affective outcomes of using modern instrumentation in chemistry education have not been extensively studied. In this thesis, tools for demonstrating the chemical diversity of plants by liquid chromatography and mass spectrometry (LC-MS) and spectrophotometry were created. In addition, first-year university chemistry students’ conceptions of plant chemistry were investigated. The changes in students’ knowledge of research instruments through hands-on exposure were studied using pre- and post-tests, and the influence of different background factors in learning and experiences were analysed.
The first tool demonstrated the differences in the pigment compositions of autumn leaves. Altogether, 34 upper secondary school and university students analysed the pigment concentrations spectrophotometrically and studied the pigment composition in more detail with LC-MS. With the second tool, 130 upper and lower secondary school and university students studied the defence compounds of leaf buds spectrophotometrically and identified white birch and silver birch samples by their LC-MS fingerprints. This tool provided students a basic understanding of how the instruments function and what they are used for. Their knowledge of the chemistry of plants was concentrated on primary metabolites, but the tool widened their views of specialised metabolites and their functions in plants. To accompany the method for distinguishing the birch species, a chemotaxonomic tool was created for the identification of additional 13 common Finnish deciduous trees and shrubs from the leaf bud extracts. These species were screened for potential markers, which represented a wide range of plant metabolites, thus exemplifying the chemical diversity of leaf buds. The results of the final part of this thesis showed that the use of a deep learning approach resulted in better learning outcomes and positive experiences, whereas the use of a surface approach affected the learning outcomes and experiences negatively. The perceived relevance of research instruments for studies and chemistry research affected positively students’ experiences. Kasvien kemiallisen monimuotoisuuden havainnollistaminen: nykyaikaisia työkaluja kemian opetukseen
Kasvit ovat kemiallisesti valtavan monimuotoisia, sillä ne tuottavat laajan joukon yhdisteitä, joilla on merkittäviä tehtäviä liittyen esimerkiksi kasvien kasvuun, puolustautumiseen ja lisääntymiseen. Tämä monimuotoisuus tunnistetaan huonosti kemian opetuksessa. Kasvien kemiallisen monimuotoisuuden ymmärtäminen vaatii moderneja tutkimuslaitteita. Sitä ei kuitenkaan ole laajasti tutkittu, millaisia kognitiivisia ja affektiivisia tuloksia saavutetaan, kun tutkimuslaitteita hyödynnetään kemian opetuksessa. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin työkaluja kasvien kemiallisen monimuotoisuuden havainnollistamiseksi hyödyntäen nestekromatografiaa ja massaspektrometriaa (LC-MS) sekä spektrofotometriaa. Lisäksi kartoitettiin kemian ensimmäisen vuoden yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä kasvien kemiasta. Ennakko- ja jälkikyselyiden avulla tutkittiin, miten opiskelijoiden tiedot tutkimuslaitteista muuttuivat käytännön kokemuksen kautta. Lisäksi analysoitiin eri taustamuuttujien vaikutusta opiskelijoiden oppimiseen ja kokemuksiin.
Ensimmäinen työkalu havainnollisti eroja ruskalehtien väriainekoostumuksessa. Yhteensä 34 lukio- ja yliopisto-opiskelijaa analysoi väriainepitoisuuksia spektrofotometrisesti ja tutki väriainekoostumusta tarkemmin LC-MS:lla. Toisen työkalun avulla 130 yläkoulu-, lukio- ja yliopisto-opiskelijaa tutki lehtisilmujen puolustusyhdisteitä spektrofotometrisesti, sekä tunnisti hies- ja rauduskoivunäytteet niiden LC-MS-sormenjälkien avulla. Tämä työkalu antoi opiskelijoille perustiedot siitä, kuinka käytetyt laitteet toimivat, ja mihin niitä voidaan käyttää. He tunsivat ennalta pääasiassa kasvien primäärimetaboliitteja, mutta kyseisen työkalun avulla he oppivat erikoistuneista metaboliiteista ja niiden tehtävistä kasveissa. Koivujen tunnistamiseen käytettävän menetelmän täydentämiseksi luotiin kemotaksonominen työkalu, joka mahdollisti 13 suomalaisen puun tai pensaan tunnistamisen lehtisilmusta tehdyn uutteen avulla. Näille kasvilajeille seulottiin lupaavia markkereita, jotka edustivat laajaa joukkoa kasvien metaboliitteja ilmentäen samalla lehtisilmujen kemiallista monimuotoisuutta. Väitöskirjatyön viimeisen osan tulokset osoittivat, että syväsuuntautunut lähestymistapa oppimiseen vaikutti positiivisesti opiskelijoiden oppimiseen ja kokemuksiin. Pintasuuntautunut lähestymistapa vaikutti puolestaan negatiivisesti. Tutkimuslaitteiden pitäminen merkityksellisinä opintojen tai kemian tutkimuksen kannalta vaikutti positiivisesti opiskelijoiden kokemuksiin.
The first tool demonstrated the differences in the pigment compositions of autumn leaves. Altogether, 34 upper secondary school and university students analysed the pigment concentrations spectrophotometrically and studied the pigment composition in more detail with LC-MS. With the second tool, 130 upper and lower secondary school and university students studied the defence compounds of leaf buds spectrophotometrically and identified white birch and silver birch samples by their LC-MS fingerprints. This tool provided students a basic understanding of how the instruments function and what they are used for. Their knowledge of the chemistry of plants was concentrated on primary metabolites, but the tool widened their views of specialised metabolites and their functions in plants. To accompany the method for distinguishing the birch species, a chemotaxonomic tool was created for the identification of additional 13 common Finnish deciduous trees and shrubs from the leaf bud extracts. These species were screened for potential markers, which represented a wide range of plant metabolites, thus exemplifying the chemical diversity of leaf buds. The results of the final part of this thesis showed that the use of a deep learning approach resulted in better learning outcomes and positive experiences, whereas the use of a surface approach affected the learning outcomes and experiences negatively. The perceived relevance of research instruments for studies and chemistry research affected positively students’ experiences.
Kasvit ovat kemiallisesti valtavan monimuotoisia, sillä ne tuottavat laajan joukon yhdisteitä, joilla on merkittäviä tehtäviä liittyen esimerkiksi kasvien kasvuun, puolustautumiseen ja lisääntymiseen. Tämä monimuotoisuus tunnistetaan huonosti kemian opetuksessa. Kasvien kemiallisen monimuotoisuuden ymmärtäminen vaatii moderneja tutkimuslaitteita. Sitä ei kuitenkaan ole laajasti tutkittu, millaisia kognitiivisia ja affektiivisia tuloksia saavutetaan, kun tutkimuslaitteita hyödynnetään kemian opetuksessa. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin työkaluja kasvien kemiallisen monimuotoisuuden havainnollistamiseksi hyödyntäen nestekromatografiaa ja massaspektrometriaa (LC-MS) sekä spektrofotometriaa. Lisäksi kartoitettiin kemian ensimmäisen vuoden yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä kasvien kemiasta. Ennakko- ja jälkikyselyiden avulla tutkittiin, miten opiskelijoiden tiedot tutkimuslaitteista muuttuivat käytännön kokemuksen kautta. Lisäksi analysoitiin eri taustamuuttujien vaikutusta opiskelijoiden oppimiseen ja kokemuksiin.
Ensimmäinen työkalu havainnollisti eroja ruskalehtien väriainekoostumuksessa. Yhteensä 34 lukio- ja yliopisto-opiskelijaa analysoi väriainepitoisuuksia spektrofotometrisesti ja tutki väriainekoostumusta tarkemmin LC-MS:lla. Toisen työkalun avulla 130 yläkoulu-, lukio- ja yliopisto-opiskelijaa tutki lehtisilmujen puolustusyhdisteitä spektrofotometrisesti, sekä tunnisti hies- ja rauduskoivunäytteet niiden LC-MS-sormenjälkien avulla. Tämä työkalu antoi opiskelijoille perustiedot siitä, kuinka käytetyt laitteet toimivat, ja mihin niitä voidaan käyttää. He tunsivat ennalta pääasiassa kasvien primäärimetaboliitteja, mutta kyseisen työkalun avulla he oppivat erikoistuneista metaboliiteista ja niiden tehtävistä kasveissa. Koivujen tunnistamiseen käytettävän menetelmän täydentämiseksi luotiin kemotaksonominen työkalu, joka mahdollisti 13 suomalaisen puun tai pensaan tunnistamisen lehtisilmusta tehdyn uutteen avulla. Näille kasvilajeille seulottiin lupaavia markkereita, jotka edustivat laajaa joukkoa kasvien metaboliitteja ilmentäen samalla lehtisilmujen kemiallista monimuotoisuutta. Väitöskirjatyön viimeisen osan tulokset osoittivat, että syväsuuntautunut lähestymistapa oppimiseen vaikutti positiivisesti opiskelijoiden oppimiseen ja kokemuksiin. Pintasuuntautunut lähestymistapa vaikutti puolestaan negatiivisesti. Tutkimuslaitteiden pitäminen merkityksellisinä opintojen tai kemian tutkimuksen kannalta vaikutti positiivisesti opiskelijoiden kokemuksiin.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2812]