Faggruppe for kjemometri

Flere sider:

Symposium 2007

Sammendrag symposium 2006

Generalforsamling 2006

Årsmelding 2005

Sammendrag symposium 2005

Ref. fra generalforsamling 2004

Reisebrev fra Åland, SSC8

Ref. fra generalforsamling 2003

Sammendrag symposium 2003

Reisebrev fra Australia

Sammendrag symposiumet 2002

Ref. fra generalforsamling 2002

Årsmelding 2001

Ref. fra general- forsamlingen 2001

Årsmelding 2000

Sammendrag symposium 2001

Ref. fra general- forsamlingen 2000

Besøk i Russland

Gi ungene kjemometri før pappsløyd og drama tar dem!

 

For å kopiere fabrikken og prøve selv :::>

 

Egil Nodland
Kenneth Mikalsen, Apeltun skole

Under forskningsdagene i Bergen 2006 inviterte faggruppen og Kjemisk institutt bergenselever til kjemometrisk runddans og virtuell sjokoladekakebaking. Hensikten var å vise frem kjemometrifaget og dets tilhørende herligheter og store nytteverdi. Håpet var at det vil øke interessen for kjemometri spesielt og naturfagene generelt. Ideen var basert på Prosessoptimaliseringsprisen 2006. Terje Karstang hos faggruppens samarbeidsbedrift MUST AS omarbeidet spillet til bruk for elever i grunn- og videregående skole.
Målet for oppgaven var å produsere sjokoladekaker av 5 stjerners kvalitet. Produksjonen bestod av to trinn:
1) Blanding av to forskjellige rører og steiking. To tanker inneholdt to forskjellige rører. Første del av produksjonen gikk ut på å blande rørene og steke kakene. Her skulle elevene finne riktig blandingsforhold mellom rørene og riktig steiketid og temperatur.
2) Påføring av glasur. Her skulle elevene bestemme sammensetningen av glasuren som bestod av smør, melis og kakao. Etter påføring av glasur tok et spektrofotometer opp et spektrum av kaken. Dette spektrumet benyttes til kvalitetskontroll av glasuren. Hver kake ble testet av hunden. Den gav karakter for kaken og glasuren. Målet var å lage en kake som ble bedømt til 5 stjerner for selve kaken og 5 stjerner for glasuren. Dersom elevene klarte dette ble det mulig å få listet hele oppskriften på kaken.

Elever i sjette trinn på Apeltun skole utførte prosjektet i perioden 18.august til 22. september. Kontaktlæreren Kenneth Mikalsen hadde sørget for at elevene var topp motiverte til oppgaven. Mikalsen har fordypet seg i matematikk, og er med i Kompetansegruppen i Matematikk i Bergen Kommune.
Første møte med klassen var første ordinære skoledag etter ferien, om morgenen. Det var en god del puteavtrykk å se i ansiktene og mange av elevene var nok i en tidssone tilsvarende UTC /GMT(-3). Kviknet de til når de omsider fikk slippe til spillet på skolens overraskende mange personlige confusere? Ja. Trengte de lang innføring i spillet før de skjønte poenget? Nei. Fikk de til glasuren etter en lyninnføring i Beer-Lamberts lov? Ja. Gikk de rett i fellen og brukte Ein Variabel I Gangen (EVIG-hetsprinsippet) for å finne frem til 5-stjerners kaker? Nei, men det var så som så med systematikken i forsøkene deres. I ettertid antok de forsiktig at de laget omlag 5600 kaker totalt. Etter å ha sjekket priser på bakervarer på nærbutikken kom de frem til at utgiftene ville kommet på omlag 224000 kr. ” Slik kunne det jo ikke fortsette” sa de under presentasjonen. Hvorfor var ikke dette en mulig vei å gå for et bakeri som skal lage nye kaker? Deres egne svar, politisk korrekte og kan hende påvirket av noen, men dog;

• Kostnader
• Avfallsmengde. (I vårt tilfelle kastet vi 5596 kaker før vi fant den optimale kaken.)
• Tid
• Miljøaspektet (Vi brukte og kastet gode råvarer som kunne ha blitt brukt til matlaging)

Kontakt oss:

- for å bli medlem
- for å få mer informasjon

Postadresse:

Norsk Kjemisk Selskaps Faggruppe for Kjemometri
c/o Martin Høy Matforsk Osloveien 1430 Ås

Oppdatert 23.05.2007
kjemometri [Q] kjemometri.org

Dermed lot vi det stå til med enkel forsøksplanlegging for å demonstrere hvordan man kunne komme fra det på et på alle områder enklere vis. Tre runder med en 23-1 faktoriell design hvor generatoren for den tredje variabelen var satt til [X3] = - [X1][X2] var det som skulle til. Pilotforsøk hadde avslørt at responsflaten var en ”Terje Karstang-spesial”, altså så u-lineært som det kan bli og som vil få gressmatten på Ullevål stadion etter en kvinnecupfinale i november til å fremstå som speilblank. Sleppes kyr ut på veddeløpsbaner foresten? For at de 5-stjerners bakebetingelsene som elevene fant skulle samsvare med de som ble avslørt i oppskriften, ble den negative generatoren for [X3, steiketid] brukt. I motsatt fall fant vi et område i responsflaten som var enda høyere, men som altså ikke stod i stil med oppskriften. De fire første systematiske forsøkene er vist i figur 1 og i tabell 1.

Figur 1 De fire første forsøkene vist som svarte kuler. Terningen representerer hele det aktuelle leiteområdet. Vi håpet at bare halvparten av de 8 mulige forsøkene kunne si oss noe om sammenhengen mellom innstillingene i sjokoladekakefabrikken.

Tabell 1: Designmatrisen for en 23-1 forsøksplan. Det høyeste svar hunden kunne gi var 100. Svar > 90 gav 5-stjerners kaker.

Forsøk nr	forhold	temp	tid	svar fra hund			Lavt, -1	Høyt, +1
1	-1	-1	-1	0		forhold	50%	100%
2	+1	+1	-1	41		temp	150 °C	250 °C
3	+1	-1	+1	10		tid	15 min	45 min
4	-1	+1	+1	15

Nå kunne elevene finne ut hvordan endringene i svaret fra hunden fulgte en endring i én faktor. Forsøk 1 og 4 inneholder alle kombinasjoner av temperatur og tid ved det lave blandingsforholdet. Forsøk 2 og 3 inneholder alle kombinasjoner av temp og tid ved det høye blandingsforholdet. Ved å beregne middelverdien av de to forsøkene ved det lave blandingsforholdet og middelverdien av de to forsøkene ved det høye blandingsforholdet fant elevene et mål på effekten av blandingsforholdet. Den såkalte hovedeffekten ble funnet ved å regne ut differansen mellom de to middelverdiene. Alt kunne regnes for hånd slik;

Hovedeffekt av blandingsforholdet =

Ligning 1

Hovedeffekten måler middeleffekten av blandingsforholdet ved alle mulige betingelser for de to andre variablene. Forsøk 1 og 3 inneholder alle kombinasjoner av blandingsforhold og steiketid ved lav steiketemperatur, og forsøk 2 og 4 inneholder alle kombinasjoner av blandingsforhold og steiketid ved høy steiketemperatur.

Hovedeffekten av steiketemperaturen =

Ligning 2

Tilsvarende fant de hovedeffekten av steiketemperaturen som differansen mellom gjennomsnittsverdien av svaret fra hunden i forsøk 3 og 4 og gjennomsnittsverdien av forsøk 1 og 2.

Hovedeffekten av steiketid =

Ligning 3

Tolkningen av disse hovedeffektene er som følger; Ved å gå fra lave til høye innstillinger på blandingsforhold og steiketemperatur gav hunden oss flere stjerner! Hovedeffektene er positive. Ved å gå fra kort til lang steiketid gav hunden oss færre stjerner! Hovedeffekten er negativ. Leiteområdet kunne derfor innskrenkes til hhv 75 % -100 % for blandingsforholdet, 200-250 °C for steiketemperatur og til 15-30 minutters steiketid. Det nye leiteområdet er vist i figur 2.

Figur 2. Etter de fire første forsøkene kan leiteområdet innskrenkes til den lille terningen. Kun tre nye forsøk er kjørt

Legg merke til at her behøvde elevene kun å kjøre tre nye forsøk før den nye halvfraksjonen var klar. De utførte nye beregninger tilsvarende lign. 1 til 3 med de nye svarene fra hunden. Denne gangen var alle hovedeffektene negative. Ved å gå fra lave til høye innstillinger på alle variablene gav hunden dem færre stjerner. Etter å ha begrenset leiteområde ytterligere i henhold til hva de nye hovedeffektene fortalte, utført tre nye forsøk til den nye halvfraksjon og spandert på oss ett senterpunkt haglet det med 5-stjernes kaker. På elleve forsøk.

I sjokoladekakefabrikken er spekteret til den perfekte glasuren oppgitt. Hovedingrediensene som kunne endres på var smør, melis og kakao. Hver av dem har sin egen signalform. Denne formen endres ikke med økende mengde, men størrelsen gjør det. Da tok det ikke lang tid før de skjønte at spektrum av perfekt glasur = x gram smør multiplisert med smørspekteret + y gram melis multiplisert med melisspekteret + z gram kakao multiplisert med kakaospekteret, eller;

Sglasur = xSsmør + ySmelis + zSkakao Ligning 4

Kunnskapsnivået blant 11-åringene i denne klassen spriker, som i de fleste andre klasser formoder vi. Noen hadde full forståelse for at det var lurt å vente til ovnstemperaturen var konstant før de hentet svarene fra hunden vha av klipp og lim funksjoner og beregnet gjennomsnittsvar av 3-5 kaker med 3 desimalers nøyaktighet vha kalkulator. Andre slet med tallene opp til 1000, enn si å regne med dem. Det alle slet med var forståelsen av å gjøre systematiske forsøk som vist i tabell 1. Det husker jeg Svante Wold fortalte meg enn gang for lenge siden at voksne folk også gjør. Hvorfor lage sølekaker når vi husker hvordan man får ut kramgoda kakor? Svarene står i innledningen. Det som gjør susen da er å ha alliert seg med en pedagog, samt true med litt velment og -plassert pisk og deng. Den aller største bøygen var å håndtere lign. 1-3. Parenteser og multiplisering med positive og negative fortegn var for 96 % av elevene utenfor rekkevidde – og det inntil da dekkede pensum. Når parenteser forsvant og fortegnene ble satt for dem, klarte mange å regne ut hovedeffektene. Noe av det mest gledelige og oppmuntrende var at ingen av elevene begynte å tøyse med den såkalte EVIGmetoden. Det betyr at de ikke er univariat i hodene sine - det er veldig bra for nasjonen. Det vi må passe på er at de ikke blir forkvaklet gjennom kommende skoleår – at de beholder den flervariable tankegangen til de når arbeidslivet. Derfor må vi gi ungene kjemometri før pappsløyd og drama tar dem!
Og ungene, hva sa de? Vi siterer tre av dem” Jeg lærte ganske mye. Jeg syntes det var gøyt og prøve å lage sjokoladekake med datamaskin. Dette var gøy! Vi må gjøre det igjen!”

Virtuell sjokoladekakebaking; kommer snart til en skole nær deg!!