CC BY
92
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №3 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/100PVN315.pdf DOI: 10.15862/100PVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/100PVN315)
УДК 544:004
Степановских Елена Ивановна
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого
президента России Б.Н. Ельцина» Россия, Екатеринбург1 Кандидат химических наук Доцент
E-mail: [email protected] Кушнарева Татьяна Валерьевна
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого
президента России Б.Н. Ельцина» Россия, Екатеринбург Студент
E-mail: [email protected]
Физическая химия: разработка электронных лабораторных работ на базе Microsoft Excel
1 620002, Екатеринбург, Мира, 28
1
Аннотация. К информационным технологиям, применяемым в процессе преподавания такой фундаментальной дисциплины как физическая химия можно отнести: электронные учебно-методические комплексы, электронные учебные пособия, лекции, учебные фильмы; электронные лабораторные и практические работы, тесты, справочники. В статье рассмотрены особенности создания и использования электронных лабораторных работ при обучении студентов физической химии на кафедре физической и коллоидной химии Уральского федерального университета. Показаны преимущества электронных работ по сравнению с традиционными. Это возможности «работы» с химическими веществами и «использования» приборов, которые по технике безопасности в студенческом практикуме не разрешены; возможность усиления самостоятельности студента, отказ от бригадного метода выполнения лабораторной работы; возможность проведения работы дистанционно.
В результате работы сформулированы основные принципы работы с программой Microsoft Excel при создании электронных лабораторных работ. Подчеркивается, что важно оставить ведущую роль в электронных лабораторных работах учащемуся, поэтому при разработке электронных лабораторных работ формируются этапы, где студент самостоятельно вводит данные, считывает числовые значения с экспериментальных зависимостей и т.д. Выполнение данных методических приемов приводит к повышению активности познавательной деятельности студентов.
Ключевые слова: информационные технологии; физическая химия; электронные лабораторные работы; Microsoft Excel; касательная; цветовое оформление; познавательная активность.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Степановских Е.И., Кушнарева Т.В. Физическая химия: разработка электронных лабораторных работ на базе Microsoft Excel // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/100PVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/100PVN315
В настоящее время происходит постепенное обновление классических средств обучения, переход к использованию информационных технологий. Это сложный процесс, который имеет свои особенности при преподавании фундаментальных дисциплин, к которым относится и физическая химия.
Хекало [1] подчеркивает, что физическая химия является самой многогранной и сложной наукой в химическом образовании из всех химических дисциплин, наиболее математизированной наукой. Автор также отмечает, что хотя существует несколько форм обучения физической химии: лекции, лабораторный практикум, семинары, самостоятельная работа студентов, нельзя сомневаться в важности такой формы работы как лабораторный практикум. В работе рассмотрены особенности изложения материала в почти сорока лабораторных практикумах.
Е.Е. Гончаренко [2], рассматривая проблему инноваций в процессе преподавания физической химии, также отмечает огромную роль компьютерных технологий. В связи с этим для студентов, изучающих дисциплину «Физическая и коллоидная химия» был создан дидактический комплекс информационного обеспечения дисциплины. В состав его входит база данных, необходимая для выполнения двух домашних заданий и пяти лабораторных работ в компьютерном практикуме, а также совокупность других дидактических средств и методических материалов, обеспечивающих учебный процесс. Дидактический комплекс включает также: рабочую программу дисциплины, конспект лекционного курса, набор задач с примерами решения по каждому модулю, контрольные вопросы и задачи по разделам лекционного курса с элементами научно-технического творчества, электронные версии методических указаний к лабораторным работам. Таким образом, работая в лаборатории, студенты имеют весь необходимый учебный материал.
Л.В. Доброва [3] рассматривает проблемы применения современных информационных технологий в самостоятельной работе студентов инженерных специальностей в техническом вузе. В частности она отмечает, что анализ различных вариантов организации процесса обучения приводит к выводам о том, что самостоятельная работа студентов в условиях современного учебного заведения будет эффективна, если функция управления будет возложена на преподавателя, располагающего современными техническими средствами обучения. Для достижения качества обучения могут помочь новые информационные технологии в комплексе с традиционными методами преподавания.
Т.Л. Анисова [4] предлагает использовать MS Excel для решения задач по физической химии. В работе показан пример решения задачи по химической кинетике. Следует отметить, что весь процесс решения задачи выполняется самими студентами, т.е. программа выступает только как инструмент, а готовых форм и уже разработанных информационных сред не предлагается.
Г.М. Курунина [5] и Н.Г. Гуреев [6] отмечают, что происходит постепенное внедрение компьютерных технологий в учебный процесс для решения семестровых задач и выполнения ряда лабораторных работ, причем авторы [5] также рекомендует использовать MS Excell в случаях, когда один и тот же алгоритм расчета повторяется многократно, что бывает при расчетах в лабораторных работах.
Применение информационных технологий на лабораторных занятиях на кафедре физической и коллоидной химии Уральского Федерального университета [7] включает в себя входное компьютерное тестирование и электронные лабораторные работы, которые проводятся наряду с экспериментальными лабораторными работами.
Электронные лабораторные работы, как указано в [7] имеют ряд преимуществ перед экспериментальными:
1. Поскольку они не связаны непосредственно с реактивами, в них можно моделировать работу с такими веществами, которые по технике безопасности в студенческом практикуме использовать нельзя, например, использовать метанол, бензол и т.д.
2. Иногда электронные лабораторные работы имитируют использование высокотемпературных приборов, которые тоже не могут быть реализованы в лабораторном студенческом практикуме.
3. Электронные лабораторные работы часто основываются на данных, получение которых в экспериментальных условиях выходит далеко за рамки времени, отведенного на лабораторную работу и на оборудовании, которого нет в лабораторном практикуме.
4. Электронные работы позволяют студенту самостоятельно выполнять задания как в компьютерном классе, так и дома (дистанционно).
5. Электронные лабораторные работы позволяют выполнять задания с конкретным вариантом для каждого студента, что в принципе невозможно при работе непосредственно в лаборатории, где часто используется бригадный метод работы, который не способствует усилению самостоятельности при приобретении практических навыков и усвоения сущности изучаемого теоретического материала.
Электронными лабораторными работами охвачен практически весь курс физической химии. Имеются работы по следующим темам:
• Построение диаграммы плавкости различных систем.
• Расчет изменений экстенсивных свойств системы за счет протекания в ней газовой реакции (гомогенной и гетерогенной).
• Определение парциальных мольных изобарных теплоемкостей компонентов бинарного раствора.
• Определение мольных объемов смешения при образовании бинарных растворов.
• Определение мольной избыточной изобарной теплоемкости раствора.
• Определение наиболее вероятной химической реакции, протекающей в многокомпонентной газовой системе.
• Расчет равновесного состава газовой системы, образующейся при крекинге углеводородов.
• Расчет равновесного состава идеальной газовой системы при протекании в ней нескольких реакций.
• Построение и анализ диаграмм кипения бинарных систем.
• Определение скоростей химических реакций по кинетической кривой.
• Определение частных порядков реакции интегральным методом.
• Определение частных порядков реакции методом Оствальда-Нойеса.
• Определение частных порядков реакции дифференциальным методом.
• Расчет величины энергии активации.
Методические указания к таким работам имеются и в бумажном и в электронном варианте, они размещены на портале УрФУ. Некоторые работы объединены в практикумы [8,9].
Электронная лабораторная работа сохраняет все традиционные элементы классической лабораторной работы: теоретический блок, эксперимент, обработка экспериментальных данных. Рассмотрим особенности формирования этих блоков при разработке электронных лабораторных работ.
1. Теоретическая часть. В силу особенностей программы Microsoft Excel стоит отдельно остановиться на оформлении текстового блока. Для удобства восприятия фрагменты текста форматируются в программе Microsoft Word и только затем переносятся в электронные таблицы. Особенно актуально это при использовании формул, т.к. математический аппарат физической химии очень сложен и требует корректного отображения. Выбор шрифтов, размера кегля и цветового решения лабораторных работа определяется общими требованиями к электронным средствам обучения.
2. Эксперимент. В рамках электронной лабораторной работы приводится описание эксперимента, а далее студенту предлагается самому ввести экспериментальные данные в таблицы. Данный прием позволяет сформировать у будущих инженеров полезные навыки обращения со справочной литературой и стимулирует активное участие в процессе расчета. Студент вводит предоставленные ему данные в соответствующую таблицу электронной лабораторной работы (рис. 1). Для удобства ячейки, в которых можно вводить данные, выделены иным, чем фон цветом. Остальные ячейки паролем защищены от изменений.
Рис. 1. Пример цветового оформления электронной лабораторной работы
3. Обработка экспериментальных данных. Данный раздел наиболее важен для формирования профессиональных навыков, и современные электронные средства предлагают множество возможностей для целей обучения. Большинство электронных лабораторных работ основано на графическом дифференцировании зависимости одного свойства системы от другого. Это может быть определение методом графического дифференцирования скорости реакции, определение парциальных мольных свойств компонентов бинарной системы (объемов, изобарных теплоемкостей), определение таких термодинамических свойств системы, как функции смешения и избыточные функции.
После ввода в таблицу экспериментальных данных программа с помощью Мастера диаграмм строит точечную диаграмму зависимости изучаемого свойства от введенного параметра - появляется графическое изображение изучаемой зависимости. Например, графическая зависимость концентрации исходного вещества от времени (рис. 2).
Рис. 2. Пример полученной зависимости на экране монитора после введения
студентом данных
В разных лабораторных работах проводятся различные действия с полученными зависимостями. Иногда необходимо определить изменение скорости реакции по мере ее протекания по кинетической кривой, иногда нужно найти время полупревращения. Рассмотрим случай, когда студенту нужно провести графическое дифференцирование. Для этого обычно проводят касательную к интересующей точке кривой и определяют затем угловой коэффициент этой касательной.
Удобным приемом в таком случае является «движущаяся» касательная. Если на координатную плоскость рисунка, выполненного в Excel, ввести посредством копирования линию, нарисованную в Word, то этот отрезок прямой можно двигать по плоскости рисунка и изменять его угол наклона (рис. 3). Студент самостоятельно подводит движущуюся касательную к нужной точке и определяет угловой коэффициент касательной в этом положении ее на рисунке.
Рис. 3. Движущаяся касательная
Конечно, можно определить угловой коэффициент автоматически и только предоставить студенту полученное значение углового коэффициента. Но с дидактической точки зрения, этого делать не стоит, а лучше предоставить студенту возможность самому определить угловой коэффициент, как тангенс угла наклона касательной к положительному направлению оси. Поэтому в программах предусмотрены ячейки, окрашенные в отличающийся от фона цвет, в которые студент вводит координаты двух произвольных, выбранных самостоятельно на касательной точек и затем программа вычисляет угловой коэффициент касательной.
Сформулируем несколько важных приемов работы с программой Microsoft Excel при создании лабораторных работа такого типа:
1. Основная часть рабочего листа в лабораторной работе защищается паролем. Незащищенными остаются ячейки, куда студент вводит данные, как первоначального эксперимента, так и полученные при анализе разного рода зависимостей.
2. На координатную плоскость рисунка нужно обязательно нанести все линии сетки. Причем рисунок нужно оставить незащищенным от изменений, чтобы студент мог увеличивать его, изменять формат оси, если это понадобится для удобства и большей точности считывания значений.
3. Ячейки программы, в которые нужно вводить данные (незащищенные ячейки) лучше выделить цветом, иным, чем фон, на котором расположен текст.
4. Для усиления внимания студентов и облегчения понимания сущности работы, ячейки в которых появляются результаты, лучше также выделить цветом, но другим, чем те, в которые вводятся данные.
5. Формулы, по которым производится расчет, нужно с одной стороны обязательно представить в теоретической части, а с другой стороны, расчетные формулы Excell лучше скрыть, чтобы не отвлекать внимания студента непосредственно от анализа данных.
6. Материал на листе нужно расположить таким образом, чтобы при считывании данных с рисунка и введении данных в программу, было удобно, т.е. стараться расположить рисунок и соответствующие ячейки в формате экрана.
Другой тип электронных лабораторных работ основан на использовании расчетных заданий с использованием средств Microsoft Excel. Это работы [8,11]. Они основаны на выполнении повторяющихся трудоемких вычислений и при таких лабораторных работах студент существенно сокращает время расчетов при работе в Microsoft Excel. Расчет изменений экстенсивных свойств системы при протекании в ней гомогенной или гетерогенной химической реакции, выбор наиболее вероятной химической реакции из нескольких возможных в системе - это те темы, которые решаются на данных лабораторных работах.
При создании таких работ авторы учитывали необходимость обучающего фактора: студент должен сам найти и корректно ввести данные в таблицы, по которым далее производится расчет. Пример таблицы приведен далее.
Таблица 1
Справочные данные и результаты расчета стандартных мольных изменений энтальпии, энтропии и коэффициентов температурного ряда мольной изобарной теплоемкости реакции
Вещество k Vk Стандартная мольная энтальпия образования вещества k, 298 К, Дж/моль Стандартная мольная энтропия вещества k, 298 К, Дж/(моль К) Коэффициенты температурного ряда стандартной мольной изобарной теплоемкости
ak bk Ck c'k
Значения стандартных мольных изменений свойств за счет протекания реакции
A rhc\ кДж/моль A г*ст, Дж/(моль K) A a A rb A rC A rc'
Значения стандартной мольной энергии Гиббса реакции и константы равновесия при разных температурах
T,K
A rg^, кДж/моль
Krp
В ячейки, выделенные в таблице серым цветом, вводятся необходимые данные. Эти ячейки не защищены паролем. В остальных ячейках получаются результаты вычислений. Эти ячейки защищены паролем. Формулы для расчета скрыты, но в теоретической части лабораторной работы они все приведены.
Если задать такие условия программы, когда при указании вещества и его агрегатного состояния она сама берет данные из базы данных и производит автоматически расчет, то конечно, расчет пройдет еще быстрее и в нем не будет ошибок. Но и обучающего фактора в нем тоже не будет, и студент не усвоит такие тонкости работы с таблицами, как правильное считывание значения, если степень внесена в шапку таблицы, как внимательное отношение к размерностям, поскольку в термодинамических таблицах, например, энтальпии всегда приводятся в кДж/моль, а теплоемкости и энтропии включают в свои размерности не кДж, а Дж. Не знание и не учет таких тонкостей ведет к ошибкам в расчетах.
Таким образом, при разработке электронных лабораторных работ, связанных с использованием вычислительных средств Microsoft Excel, основным методическим приемом можно считать стимуляцию поисковой деятельности студентов при работе со справочным материалом, осознанное выполнение расчетных заданий с полноценным пониманием физико-химических и математических процессов, лежащих в основе выполняемых расчетов.
В заключение следует отметить, что использование электронных лабораторных работ по физической химии в настоящее время находит все более широкое применение. Однако для полноценной реализации обучающего потенциала таких практикумов при их создании важно учитывать ряд особенностей. Программа Microsoft Excel предоставляет очень широкие возможности для выполнения расчетных задач по физической химии и для обработки графических зависимостей. Однако важно оставить ведущую роль в этих процессах учащимся, поэтому при разработке электронных лабораторных работ формируются этапы, где студент самостоятельно вводит данные, считывает числовые значения с экспериментальных зависимостей и т.д. При выполнении данных методических приемов, а также реализации требований к электронным обучающим средствам применение лабораторных работа в Excel приводит к повышению активности познавательной деятельности студентов, и, следовательно, повышению эффективности и качества обучения в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хекало Т.В. Историко-содержательный анализ особенностей преподавания курса физической и коллоидной химии / Т.В. Хекало // Теория и практика общественного развития. 2013. №1. С. 186-193.
2. Гончаренко Е.Е. Инновации в технологии преподавания дисциплины «Физическая и коллоидная химия» для студентов кафедры «Промышленная экология» (бакалавры) / Е.Е. Гончаренко, А.М. Голубев, Б.С. Ксенофонтов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. №6(18). С. 4.
3. Дуброва Л.В. Проблемы использования средств информационных технологий в самостоятельной работе студентов инженерных специальностей в техническом ВУЗе / XXVI Всероссийская научно-практическая конференция Проблемы и перспективы развития образования в России.07.04.2014.Новосибирск. с. 82.
4. Анисова Т.Л. Решение задач физической химии с помощью программы MS EXCEL / Т.Л. Анисова, С.И. Салпагаров // Современные проблемы науки и образования. 2012. №3. С. 417.
5. Курунина Г.М. Использование компьютерных технологий для оценки качества знаний в курсе «Физическая химия» / Курунина Г.М., Зорина Г.И., Бутов Г.М., Синьков А.Б., Зверева И.Б. // Международный журнал экспериментального образования. №1. 2012. с. 95.
6. Гуреев Н.Г. Об использовании компьютерных технологий в курсе физической химии / Н.Г. Гуреев, Г.И. Зорина, И.Е. Кожевникова // Известия Волг ГТУ, вып. №8, 2004 г, с. 95.
7. Степановских Е.И., Кушнарева Т.В. Применение информационных технологий в преподавании курса «Физическая химия» Интернет-журнал «Науковедение», 2014. №4(23). [Электронный ресурс]-М.: Науковедение, 2014, 9 с.
8. Степановских Е.И. Многокомпонентные гомогенные системы / практикум к электронным лабораторным работам [Электронный ресурс] / Е.И. Степановских. Режим доступа: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=9540 (дата обращения 10.06.2015).
9. Определение параметров кинетических уравнений: методические указания к электронным лабораторным работам по кинетике (К-7-К-11) Степановских Е.И.:[Электронный ресурс]: Екатеринбург: Образовательный портал УрФУ.
2008. Режим доступа:http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=7300. (дата обращения 10.06.2015).
10. Определение мольной избыточной изобарной теплоемкости раствора / методические указания для электронной лабораторной работы 6. Степановских Е.И. [Электронный ресурс]: Екатеринбург: Образовательный портал УрФУ.
2009.Режим доступа: http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=7313. (дата обращения 10.06.2015).
11. Расчет изменений экстенсивных свойств системы за счет протекания в ней газовой реакции: методические указания к электронной лабораторной работе 13 / Степановских Е.И., Брусницына Л.А. [Электронный ресурс]: Екатеринбург: Образовательный портал УрФУ. 2007. Режим доступа: http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=422. (дата обращения 10.06.2015).
Рецензент: Котляревская Элла Ниссоновна, кандидат технических наук, главный метролог ЗАО «Институт стандартных образцов».
Stepanovskikh Elena Ivanovna
Urals Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russia, Ekaterinburg E-mail: [email protected]
Kushnareva Tat'yana Valer'evna
Urals Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russia, Ekaterinburg E-mail: [email protected]
Physical chemistry: development of electronic laboratory work
based on Microsoft Excel
Abstract. The various information technologies are applied in the teaching of the fundamental discipline "physical chemistry", for example, electronic educational and methodical complexes, electronic textbooks, lectures, educational films; electronic laboratory and practical work, tests, guides. The article describes the features of creation and use of electronic laboratory work in teaching of students of physical chemistry at the Department of Physical and Colloid Chemistry of the Ural Federal University. The benefits of electronic works in comparison with traditional works are shown. These are the following features:
"Work" for chemicals and "use" of devices that safety in the student workshop is not allowed; strengthening the independence of the student, the rejection of the group method of laboratory work; the possibility of working remotely. As a result, the basic principles of the work with program Microsoft Excel to create electronic laboratory work are formulated. The article emphasizes that the students have an important role in the implementation of electronic laboratory work. Therefore, the development of electronic laboratory work formed the stages where the student enters the data yourself, read the numerical values with the experimental curves, etc. Implementation of these instructional techniques leads to increased activity of the cognitive activity of students.
Keywords: information technology; physical chemistry; electronic laboratory work; Microsoft Excel; the tangent; color design; cognitive activity.
REFERENCES
1. Hekalo T.V. History and content analysis features of the teaching of the course of Physical and Colloid Chemistry / T.V. Hekalo // Theory and Practice of Community Development. 2013. №1. S. 186-193.
2. Goncharenko E.E. Innovations in technology teaching "Physical and Colloid Chemistry" for students of the department of "Industrial Ecology" (bachelors) / E.E. Goncharenko A.M. Golubev, B.S. Ksenofontov // Engineering Journal: science and innovation. 2013. №6(18). S. 4.
3. L.V. Dubrova Problems of use of information technologies in the independent work of students of engineering specialties in a technical college / XXVI National scientific-practical conference Problems and prospects of development of education in Rossii.07.04.2014. Novosibirsk. p. 82.
4. Anisova T.L. The solution of problems of physical chemistry using MS EXCEL / T.L. Anisova, S.I. Salpagarov // Modern problems of science and education. 2012. №3. S. 417.
5. G.M. Kurunina Using computer technology to assess the quality of knowledge in the course "Physical chemistry" / Kurunina G.M., G.I. Zorina, Butov G.M. Sinkov A.B., Zvereva I.B. // International Journal of Experimental Education. №1. 2012. p. 95.
6. Gureev N.G. On the use of computer technologies in the course of physical chemistry / N.G. Gureev, G.I. Zorina, I.E. Kozhevnikova // News Volg STU, no. Number 8, 2004, p. 95.
7. Stepanovskikh E.I. Kushnareva T.W. application of information technology in the teaching of the course "Physical chemistry" / online magazine "Science of science", 2014. №4(23) [electronic resource] - M.: Naukovedenie, 2014. p 9.
8. Stepanovskikh E.I. Multi-homogeneous systems / workshop for electronic laboratory work [electronic resource] / E.I. Stepanovskikh. Access: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=9540 (date accessed 10.06.2015).
9. Determination of the parameters of kinetic equations: guidelines for electronic laboratory work on the kinetics (K-7, K-11) Stepanovskikh E.I. [Electronic resource]: Ekaterinburg: Ural Federal Educational Portal. 2008. Mode of access: http: //study.ustu.ru/view/aid_view.aspx? AidId = 7300. (date accessed 10. 06.2015).
10. Determination of the molar excess isobaric heat capacity of the solution / guidelines for electronic laboratory work 6. Stepanovskikh E.I. [Electronic resource]: Ekaterinburg: Ural Federal Educational Portal. 2009. Rezhim access: http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=7313. (date accessed 10.06.2015).
11. Calculation of the extensive changes in the properties of the system due to leakage of gas in her reaction: guidelines for e-lab 13 / Stepanovskikh E.I Brusnitsyna L.A. [Electronic resource]: Ekaterinburg: Ural Federal Educational Portal. 2007 Access: http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=422. (date accessed 10. 06.2015).
