CC BY
98
УДК 372.8
А. И. Хамитова
ДИСЦИПЛИНА «ХИМИЯ» ДЛЯ СТУДЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ В ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ВУЗЕ
Ключевые слова: высшее образование, дисциплина «Химия», содержание дисциплины, структура курса.
Рассмотрены проблемы формирования содержания и структурирования дисциплины «Химия» для ряда механических специальностей, представлено содержание дисциплины.
Key words: chemistry subject, educational content, course outline.
The problems of developing the academic contents and structuring the Subject of chemistry for a number of mechanical engineering areas of study are considered. The subject contents are presented.
Для студентов механических специальностей в химико-технологическом вузе государственным образовательным стандартом предусмотрено изучение дисциплины «Химия» следующего содержания: химические системы, растворы, дисперсные системы, электрохимические системы, катализаторы и каталитические системы, полимеры и олигомеры, химическая технология и кинетика, энергетика химических процессов, химическое и фазовое равновесие, скорость химической реакции и методы ее регулирования, колебательные реакции и реакционная способность веществ, химия и периодическая система элементов, кислотно-основные и окислительно-восстановительные реакции, химическая связь, комплементарность, химическая идентификация веществ, качественный и количественный анализ, аналитический сигнал, химический, физико-химический и физический анализ, химический практикум.
Как хорошо видно, ГОС весьма неопределенно характеризует содержание дисциплины и реально формирование содержания и структуры данной дисциплины не простая задача, поскольку дисциплина включает знания общей, физической, аналитической и органической химии. С данной целью мы обратились к требованиям Интернет-экзамена, которые конкретизируют знания четырех разделов химии. Содержания данных разделов следующие:
1. Блок (Общая и неорганическая химия): строение атома и периодическая система; химическая связь и строение вещества; классы неорганических соединений; способы выражения состава раствора; равновесие в растворах электролитов; окислительновосстановительные реакции.
2. Блок (Аналитическая химия): теоретические основы аналитической химии; качественный химический анализ; количественный химический анализ; физико-химические и физические методы анализа.
3. Блок (Высокомолекулярные соединения): органические и неорганические полимеры; методы получения полимеров; строение и свойства полимеров; биополимеры.
4. Блок (Физическая и коллоидная химия): основы химической термодинамики;
химическая кинетика и катализ; химическое равновесие; общие свойства растворов; электрохимические процессы, гальванический элемент, коррозия металлов;
электрохимические процессы, электролиз.
На изучение дисциплины для ряда механических специальностей (240801 - машины и аппараты химических производств, 130063 - оборудование нефтегазопереработки, 150801 -вакуумная и компрессорная техника, 140105 - энергетика теплотехнологий) отводится 150 часов (из них 60 часов - на самостоятельную работу студентов). Дисциплина изучается в первом семестре.
Хорошо известно, что основным принципом формирования содержания общехимического образования в вузе на современном этапе, четвертом этапе в развитии методики преподавания химии [1], является принцип фундаментализации, а применительно к
217
химии и принципы системности и систематичности, что предполагает системное построение курса, основанного на последовательном развитии общехимических знаний, характеризующих уровни организации вещества [2].
В соответствии с вышеперечисленными требованиями нами было отобрано содержание дисциплины «Химия» для студентов механических специальностей и осуществлено его структурирование. В процессе структурирования учебного материала главным требованием являлось сохранение логики развития химического знания, что естественно (учитывая необходимость включения знаний различных химических дисциплин) не всегда удавалось. Дисциплина представлена 18 часами лекционных занятий: 1) введение, строение атома; 2) периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева; 3) химическая связь; 4) химический процесс; 5) химическое равновесие; 6) химическая кинетика и катализ; 7) межмолекулярное взаимодействие и агрегатное состояние вещества, твердое состояние; 8) процессы в водных растворах; 9) понятие дисперсной системы, коллоидные растворы; 10) реакции без изменения степени окисления, гидролиз; 11) окислительно-восстановительные реакции; 12) электрохимические процессы; 13) простые вещества б- и р-элементов;14) простые вещества ё-элементов; 15) координационные соединения; 16) элементы органической химии; 17) органические полимеры; 18) химическая идентификация веществ, химический, физикохимический, физический анализ.
Необходимо отметить несколько отрицательных моментов, связанных с изучением дисциплины: малое количество часов, отводимое на изучение дисциплины; сложность дисциплины; отсутствие единой методологии изучения дисциплины, которая, по сути, является конгломератом знаний различных химических дисциплин, каждая из которых имеет свою методику изучения. Отрицательным моментом является так же тот факт, что студенты механических специальностей, как правило, не сдают ЕГЭ по химии и выбирают механические специальности именно потому, что практически не усвоили школьный курс химии.
Как показывают результаты проверки контрольных работ, тестирования и экзамена, наибольшие трудности у студентов вызывают вопросы, связанные с реакционной способностью представителей различных классов органических соединений, полимерными материалами, идентификацией веществ, дисперсными системами.
Данные проблемы связаны как с низким базовым уровнем школьных знаний по химии, что наиболее отчетливо проявляется при изучении химии полимерных материалов, так и с недостаточно информативным учебником Н.В. Коровина. Проблемы, связанные с усвоением вузовского учебного материала, базирующегося на знании органической химии, определены объективно - за 1 час, отводимый на изучение органической химии в 10 классе школы, мягко говоря, очень трудно овладеть системой знаний органической химии. Учебник Н.В. Коровина, рекомендуемый для студентов вузов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям, содержит информацию в очень сжатом виде, зачастую непонятном для студента-первокурсника.
В связи с вышеизложенным, нами (в сотрудничестве с доцентами кафедры неорганической химии Т.Е. Бусыгиной и Л.В. Антоновой) были разработаны учебные пособия «Процессы в водных растворах», «Органические полимерные материалы», «Химическая идентификация веществ и количественный анализ».
При написании пособия «Процессы в водных растворах» мы основывались на интегрированном подходе, который может быть реализован двумя путями: интеграция основных понятий, законов и закономерностей химии вокруг объекта исследования и интеграция наиболее общих положений науки, позволяющих описать значительное число фактов. Нами использован первый подход, где в качестве объекта исследования выбираются водные растворы, что позволяет рассмотреть процессы образования растворов и химические процессы в них происходящие, прежде всего с точки зрения термодинамики химических
процессов; рассмотреть классификацию растворов, коллигативные свойства и привлечь еще ряд понятий и наиболее значимых в общей химии теорий.
В пособии «Процессы в водных растворах» рассматриваются: понятие раствора; растворение как физико-химический процесс; понятие растворимости; влияние на растворимость природы и агрегатного состояния веществ, температуры и давления; растворение в жидкостях газов, жидкостей и твердых веществ; взаимное влияние растворяющихся веществ; способы выражения концентрации растворов; коллигативные свойства растворов (диффузия, осмос и осмотическое давление, давление насыщенного пара над раствором, температура кипения и замерзания раствора); растворы электролитов (электролитическая диссоциация, равновесия в растворах слабых электролитов, константа ионизации, ионное произведение воды, индикаторный метод оценки рН раствора); равновесия в растворах сильных электролитов (обменные процессы, процессы гидролиза, окислительновосстановительные реакции, понятие стандартного электродного потенциала); химические источники тока (гальванический элемент, элемент Лекланше, аккумуляторы (кислотные и щелочные)); электролиз (ионная теория электролиза, избирательный разряд ионов, законы электролиза Фарадея), дисперсные системы; поверхностные явления; понятие двойного электрического слоя; коллоидные растворы (лиофильные и лиофобные), их свойства (оптические, молекулярно-кинетические, электрические); устойчивость коллоидных растворов (агрегативная и седиментационная, понятие коагуляции, роль расклинивающего давления); моющее действие растворов ПАВ.
С целью закрепления изученного материала в пособии приводятся задачи для самостоятельного решения по каждому разделу: на определение растворимости веществ; концентрации веществ (массовой и мольной долей, молярной и эквивалентной концентрации, моляльности); коллигативные свойства растворов; с использованием степени электролитической диссоциации; на произведение растворимости; написание уравнений реакций необратимых процессов, гидролиза, окислительно-восстановительных процессов, электролиза; расчет количеств веществ, полученных на электродах. Приведены примеры решения задач.
При написании пособия «Органические полимерные материалы» перед нами стояла задача актуализации школьного курса органической химии, хотя бы тех ее разделов, которые позволяют успешно усвоить знания о строении полимерных материалов, способах их получения. В пособии представлены: основы теории строения органических соединений; классификация органических соединений (гомологические ряды органических соединений, функциональные группы); взаимное влияние атомов в молекулах (понятие индуктивного и мезомерного эффектов); основы номенклатуры органических соединений; виды изомерии органических соединений; классификация реакций органических соединений; методы получения полимеров: полимеризация (радикальная, ионная (катионная, анионная),
координационная); полимеризация диеновых соединений; поликонденсация; пластмассы (присоединения: полиэтилен, полихлорэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат,
политетрафторэтилен, полифенилэтилен; поликонденсации: фенолформальдегидные смолы); волокна (понятие, классификация); полиамидные волокна (капрон, найлон); полиэфирные (лавсан); каучуки (натуральный, синтетический).
Анализ вопросов Интернет-экзамена, касающихся методов идентификации веществ показывает, что студент должен знать соответствие между измеряемой величиной и названием метода исследования. На наш взгляд, такие требования приводят лишь к бездумному заучиванию и, естественно, что такие знания быстро забываются. В пособии «Химическая идентификация веществ и количественный анализ» рассматриваются методы исследования веществ, теоретические основы методов, схемы и принципы действия применяемых в исследовании приборов. Таким образом, содержание пособия несколько выходит за рамки требований, предъявляемых к дисциплине, но зато становятся понятными возможности методов, границы их применимости.
В пособии рассматриваются: качественный анализ: химические методы элементного анализа неорганических соединений (идентификация катионов и анионов), химические методы качественного анализа органических соединенийж физико-химические методы качественного анализа соединений (хроматографический анализ); физические методы качественного анализа соединений (спектроскопия, дифракционные методы исследования); количественный анализ: химические методы (гравиметрические и титриметрические методы), физико-химические методы количественного анализа, электрохимические методы; масс-спектроскопия.
В разработанной рейтинговой системе оценки усвоения студентами дисциплины предполагаются две рубежные контрольные работы и 12 текущих контрольных работ. Большой объем изучаемого материала, необходимость постоянного контроля процесса усвоения, при значительной загрузке преподавателей (в связи с тенденцией увеличения годовой нагрузки преподавателя) привели к необходимости создания тестовых заданий, которые легко и быстро проверяются (естественно, что ряд тем уже контролируется тестовыми заданиями, созданными на кафедре). Разработаны тестовые задания для самостоятельной работы студентов по темам: «Термодинамика химических процессов», «Способы выражения концентрации растворенного вещества в растворе». Работа над контрольными заданиями и тестовыми контрольными заданиями продолжается.
Анализ данной дисциплины и многолетний опыт ее преподавания показывает сложность ее усвоения, по сути, данная дисциплина является более сложной, чем двухсеместровая, но логичная и методически выверенная «Общая и неорганическая химия», преподаваемая студентам технологических специальностей.
Структуру курса нельзя однозначно назвать ни модульной, ни интегрированной, хотя нами выделены ряд достаточно традиционных модулей, как-то строение атома, представление о химической связи, термодинамика химических процессов, кинетика химических процессов, межмолекулярное взаимодействие и агрегатное состояние вещества, кислотно-основное взаимодействие (комплексообразование). Отдельным модулем выделены процессы в водных растворах, в котором теоретические положения интегрируются вокруг процессов, происходящих в растворах.
Литература
1. Хамитова, А.И. Основные этапы развития методики преподавания химии / А.И.Хамитова, В.Г. Иванов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006.- N 3. - С. 179-193.
2. Хамитова, А.И. Содержание общехимической подготовки в технологическом вузе / А.И.Хамитова, В.Г. Иванов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2006. - №3. -С. 303-307.
© А. И. Хамитова - канд. хим. наук, доц. каф. неорганической химии КНИТУ, [email protected].
