CC BY
14целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2011-2012 гг.» - контракты № 5.3., 5.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Супоницкая И.И., Мартынова Т.В., Гоголевская Н.И.
Задания для индивидуальной работы по общей химии с
методическими указаниями к их выполнению. М. 2002. 105 с.;
Suponitskaya I.I., Martynova T.V., Gogolevskaya N.I.
Tasks for individual work on general chemistry with the methodological guidelines for their implementation. M.: 2002. 105 p. (in Russian).
УДК 001.895:54
Е.О. Забенькина, И.В. Артамонова
ИННОВАЦИОННЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПО ПОДГОТОВКЕ БАКАЛАВРОВ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ
(Московский государственный технический университет «МАМИ») e-mail: [email protected]
К инновационным технологиям обучения относят интерактивные технологии обучения. Рассмотрено использование информационных технологий обучения в среде MathCad для компьютерного моделирования химических процессов, протекающих при растворении оксидов металлов на основе принципов формальной кинетики гетерогенных реакций.
Ключевые слова: инновационная деятельность, компьютерное моделирование
В настоящее время на эффективность учебного процесса в высшей школе существенно влияют технологии обучения, ориентированные на развитие личности, ее способности к научно-технической и инновационной деятельности. Переход на инновационную инженерную деятельность достигается за счет, прежде всего, содержания, методов обучения и наукоемких технологий образования. Как показывает опыт ведущих отечественных и зарубежных вузов, в ряду приоритетных выделяются технологии обучения, базирующиеся на использовании персональных компьютеров, телекоммуникационных систем, программных продуктов для моделирования различных процессов. Преимущества информационной технологии заключаются в: возможности организации процесса познания, поддерживающего дея-тельностный подход к учебному процессу; индивидуализации учебного процесса; коренном изменении организации процесса познания путем смещения ее в сторону системного мышления; возможности построения открытой системы образования, обеспечивающей каждому индивиду собственную траекторию обучения и самообучения.
Выполнение профессиональных обязанностей кадрами инженерно-технического профиля в высокотехнологичных, наукоемких передовых отраслях промышленности в настоящее время невозможно без использования современных ин-
формационных технологий (ИТ). Подготовленный выпускник технического профиля должен уметь грамотно построить математическую модель задачи, выбрать оптимальный метод решения с учетом оценки рисков, суметь решить задачу с минимальными временными затратами и правильно интерпретировать результаты. При этом преимуществом на рынке труда будет обладать выпускник, владеющий навыками использования прикладных математических программ.
Одним из эффективных инструментов проведения научных исследований в области математического моделирования является современный многофункциональный интегрированный пакет MathCаd, в котором представлены современные методы и алгоритмы решения задач. Они позволяют не только решать широкий класс задач (от простых арифметических вычислений до решения уравнений с частными производными; решения задач оптимизации; проверки статистических гипотез), но и изящно описывать свой вычислительный алгоритм решения задачи и оформлять результаты на современном уровне. Программа имеет хорошие графические средства, позволяющие наглядно отображать результаты как на плоскости, так и в пространстве.
В современной научно-методической литературе достаточно подробно рассмотрены достоинства, области применения и технические воз-
можности использования информационных систем в учебном процессе. Значительно в меньшей степени освещены в периодических изданиях вопросы теории и практики моделирования. В то же время влияние моделирования (как метода изучения реальных объектов на моделях той же или иной химической природы) на содержательную часть обучения неизмеримо выше. Это относится, прежде всего, к методам математического моделирования (аналоговому, компьютерному), которые в сочетании с современными техническими средствами дают возможность решать достаточно сложные научно-технические задачи с использованием строгих теоретических моделей.
В МГТУ «МАМИ» накоплен опыт использования математической системы MathCad при изучении различных разделов курса химии, например, таких как физико-химические основы процессов в металлургии. Сокращение и отсутствие стратегически важных месторождений оксидов и их соединений (железа, марганца, молибдена, меди, никеля, кобальта, хрома) широко используемых в металлургических процессах требуют разработки рациональных технологий переработки обедненных руд с целью извлечения необходимых соединений. Основой технологии служат реакции растворения и выщелачивания, заключающиеся в установлении природы лимитирующих стадий, что позволяет предложить новые эффективные технологии переработки сырья. Большинство технологических процессов получения соединений металлов из различного техногенного оксидного сырья в металлургии до сих пор не оптимизированы, т.к. не проводилось теоретическое и экспериментальное моделирование процессов растворения оксидов и солей металлов.
Так, например, в лабораторных условиях проводится исследование кинетики выщелачивания оксидов марганца различных степеней окисления в растворах серной кислоты из обедненных руд. Найдено, что уменьшение скорости растворения Мп203, Mn3O4 в серной кислоте происходит вследствие неполного растворения оксидов марганца, что связано с реакциями диспропорциони-рования: Мп203, ¡5 + 2Н+^ ^ Мп% + Мп02, 5 + Н2О.
С целью подавления реакций диспропор-ционирования изучено влияние щавелевой кислоты при различных концентрациях, рН и температурах [1].
На рис. 1 представлены экспериментальные кинетические кривые зависимости доли растворенного диоксида марганца (а) от времени (() при растворении в щавелевой кислоте различных концентраций с использованием редактора МаШСа^ Найдено, что оптимальное соотношение концентра-
ций оксалат-ионов и ионов марганца при 80°С составляет 1:10. С целью поиска оптимальных режимов выщелачивания оксидов марганца из техногенного сырья исследовано влияние рН. Математический редактор MathCad позволяет быстро и эффективно воспроизводить системный анализ кинетических кривых (а -0 с целью определения удельной скорости растворения ), что необходимо при создании рациональных технологий и их оптимизации.
¿ / 1 / ^
5! /"/ 1ч / 1 í t 0/ / / >S ^ ' < X
<г: ; ],'' ;' ! ti : / i о V X / / / rJ 0' 1 0
j; f i - - i;n; / ' 1 ■ / 1: ;/ ' ■г ."«/X 0/
fi- 7 ' < ^ i / Í: i-y /o P/ó Ж ó
t, мин
Рис. 1. Зависимость доли растворенного оксида (а) от времени (t, мин) при растворении диоксида марганца в щавелевой кислоте различных концентраций (моль/л): 1 - 0,005;
2 - 0,0075; 3 - 0,01; 4 - 0,02; 5 - 0,03; 6 - 0,04. (Т=353К) Fig. 1. Dependence of fraction of dissolved oxide (a) on the time (t, min) at dissolution of manganese dioxide in the oxalic acid of different concentrations (mol/l): 1 - 0.005; 2 -0.0075; 3 - 0.01;
4 - 0.02; 5 - 0.03; 6 - 0.04 (T = 353 K)
При изучении химии основным методом анализа химических процессов являются теория и химический эксперимент. При этом возможности теоретического решения задач, например, по разделу кинетики, как правило, ограничено громоздким решением последовательных уравнений, а реализация тонкого химического эксперимента обычно сопряжена с большими затратами на материальное оснащение современной лаборатории. По нашему мнению, применение моделирования в учебном процессе рационально, прежде всего, для совершенствования лабораторного химического практикума. При экспериментальном изучении закономерностей скорости растворения окисных пленок, являющихся вторичным продуктом отложений, образующихся на конструкционных материалах, приводящих к его быстрому износу, вследствие происходящих коррозионных разру-
а
шений, на существующем лабораторном оборудовании определятся, как правило, доля растворенного вещества при различных условиях эксперимента (температура, концентрация, рН среды, вводимые добавки различной природы), но не осуществима визуализация течения и изменения скоростных закономерностей, в зависимости от заданных параметров, с целью понимания физико-химической сущности происходящих явлений и возможности управления процессами. К примеру, выполняя лабораторную работу с использованием кинетического реактора, студенты имеют возможность визуально наблюдать изменение окраски растворяющейся навески вещества при непрерывном перемешивании раствора различными мешалками, с заданными оборотами вращений, для устранения возможных диффузионных затруднений во взвешенном состоянии частиц, получить данные для определения скоростных характеристик процесса расчетным путем. Вместе с тем, на имеющейся установке невозможно более детальное изучение структуры растворения, которое может проходить во всем объеме вещества или только по активным центрам растворения, учет зародышеобразования активных центров, распределение скоростей растворения в центрах заро-дышеобразования и, как следствие, получение данных для сопоставления результатов опыта с известными теоретическими положениями. Ярчайшим примером сложности растворения твердых тел, к которым принадлежат оксиды, является их представление фракталами. Это показывает интегрированную взаимосвязь с такой дисциплиной, как геометрия, которая необходима инженеру для развития пространственного воображения.
Поэтому, расширить и качественно улучшить содержательную часть лабораторных работ можно путем моделирования изучаемых физико-химических параметров кинетических процессов с использованием выше упомянутого программного продукта MathCad. Моделирование позволяет расширить диапазон изучаемых режимов и кинетических параметров, выполнить анализ по эффективности использования растворяющего агента, уяснить физико-химическую сущность наблюдаемых явлений и др. По своей сути рассматри-
ваемое нововведение представляет собой сочетание известных способов изучения кинетических процессов (натурный эксперимент и математическое моделирование), которое дает качественно новый результат в обучении, способствуя развитию профессионально-творческой деятельности. В рамках такой модели обучения возможны постановка и реализация учебно-исследовательских задач, когда на фоне активизации познавательной деятельности студентов решается и важный дидактический принцип - получение новых инструментальных знаний о способах деятельности. Рассматриваемая технология обучения в большей степени соответствует целям высшего профессионального образования.
Рис. 2. Пример построения множества Коха подобием снежинок в среде MathCad, для наглядного представления геометрии формы растворяющихся частиц оксида Fig. 2. Example of constructing a Koch set with similarity of snowflake in MathCad environment to visualize the form geometry of dissolving oxide particles
Работа выполнена при поддержке государственных контрактов № П 205, №14.740.11.1095, 16.740.11.0679 Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2011-2012 гг.» - контракты № 5.3., 5.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артамонова И.В., Горичев И.Г., Забенькина Е.О., Годунов Е.Б., Русакова С.М. // Изв. МГТУ «МАМИ». 2010. Вып. (2) 10. С. 157-160;
Artamonova I.V., Gorichev I.G., Zaben'kina E.O., Godunov E.B., Rusakov S.M. // Izv. MSTY "MAMI". 2010. N (2) 10. P. 157-160 (in Russian).
