CC BY
27УДК 001.895:54
И.В. Артамонова, Е.О. Забенькина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОБУЧЕНИИ ХИМИИ
БАКАЛАВРОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗАХ
(Московский государственный технический университет «МАМИ») е -тай:тпа741@тай.ги
Предлагается методика использования современных математических программ, как инновационных технологий в процессе изучения общей химии в техническом вузе
Ключевые слова: подготовка бакалавров по химии, использование математических программ
Подготовка студентов к деятельности в соответствии с квалификационной характеристикой бакалавра по направлению, целенаправленное применение базовых знаний в области химии в профессиональной деятельности являются, на наш взгляд, первостепенными задачами преподавателей химии в непрофильных технических вузах в соответствии с требованиями новых образовательных стандартов. Реализация инновационного подхода в преподавании химии студентам МГТУ «МАМИ» осуществляется с использованием при проведении лабораторного практикума, выполнении курсовых и дипломных работ современных математических программ, в частности MathCad [1].
При проведении лабораторной работы используются следующие растворы:
1. Стандартный раствор Fe3+ (10-4 г/мл).
2. Роданид аммония, 10% раствор.
3. Азотная кислота (НК03 1:1).
Для приготовления стандартного раствора навеску 0,864 г («х.ч.») железо-аммонийных квасцов МН4Ре(804)212Н20 переносят в мерную колбу на 1000 мл, подкисляют 5 мл концентрированной Н2804 и доводят объем раствора дистиллированной водой до 1 л. Раствор содержит 0,1 мг железа в 1 мл (10-4 г/мг).
Для построения калибровочной кривой в мерные колбы на 100 мл наливают при помощи бюретки 0,5, 1, 2, 3, 4, 5 мл стандартного раствора соли железа, добавляют по 1 мл НК03 (1:1) и по 5 мл 10% раствора NH4SCN, затем доводят дистиллированной водой до метки, закрывают пробкой и тщательно перемешивают. Полученный раствор наливают в кювету с 1=10 мм и измеряют оптическую плотность D (3-4 раза), используя синий светофильтр (Х=415 нм). В качестве раствора сравнения используют дистиллированную воду.
Цель работы «Фотоколориметрическое определение иона Fe3+ роданидом аммония» - фотоколориметрическим методом определить содержа-
-г 3+
ние Ре в исследуемом растворе и провести математическую обработку данных в среде MathCad.
Первое, с чем знакомятся студенты по учебному пособию при выполнении работы, это краткие сведения по свойствам железа, далее происходит изучение техногенных источников, биологической роли и влияния избыточного содержания на организм человека [2]. После изучения методики проведения эксперимента, техники работы с фотоэлектроколориметром или спектрофотометром (в зависимости от оснащенности лаборатории) студенты приступают к построению калибровочной кривой на миллиметровой бумаге по полученным ими экспериментальным результатам. Следующий этап лабораторной работы заключается в определении ионов Fe3+ в исследуемом растворе. На этом этапе каждый студент получает колбу с раствором, концентрацию ионов железа(Ш) в котором нужно найти. Осуществляет необходимые операции в соответствии с методикой и по значению оптической плотности, используя калибровочный график, определяет неизвестную концентрацию.
Следующий этап лабораторной работы -математическая обработка экспериментальных данных в среде MathCad. Достоинство этого программного продукта в том, что он позволяет производить моделирование уже при начальном уровне освоения математики [3]. Сотрудниками кафедры «Химия» МГТУ «МАМИ» разработан ряд лабораторных работ в том числе «Фотоколориметрическое определение ионов Fe3+ роданидом аммония», «Фотоколориметрическое определение ионов Си2+ аммиачным методом», «Определение концентрации соляной и уксусной кислот методом потенциометрического титрования раствором КОН» и др., частью которых является математическая обработка экспериментальных данных в среде MathCad.
В ходе математической обработки при определении концентрации ионов Fe3+ студенты реализуют следующие этапы подготовки отчета по лабораторной работе с использованием математического редактора MathCad:
1) создание массива экспериментальных данных;
2) построение полиномиальной регрессии;
3) графическое представление результатов экспериментальных данных с использованием линейной регрессии;
4) нахождение заданной концентрации ионов Fe3+ по измеренной оптической плотности.
Студенты получают возможность сравнить результаты, полученные при построении калибровочного графика на миллиметровой бумаге с теми, что получены на ПК в среде MathCad, оценить достоверность результатов и скорость их получения с использованием компьютера.
При выполнении курсовых работ по химии студентами, обучающимися по направлению 280700 «Техносферная безопасность», также реализуется применение программных продуктов. Например, студент в своей работе решает задачу переработки отработанных химических источников тока на предмет извлечения из них диоксида марганца. Перед студентом поставлена задача -провести эксперимент по подбору эффективных условий растворения диоксида марганца в щавелевой кислоте. Используя термостатируемый реактор для кинетических исследований и спектрофотометр, студент получает ряд экспериментальных точек. На следующем этапе перед ним стоит задача выбрать из множества известных в современной литературе [4] уравнений гетерогенной кинетики, то, что сможет адекватно описать полученные экспериментальные данные. Использование MathCad на этом этапе позволяет значительно сократить время на выбор уравнения. После выбора соответствующего уравнения необходимо перестроить экспериментальные данные в координатах доля растворенного вещества - время, за которое растворилась половина навески. Осуществление этой операции в среде MathCad занимает в среднем 0,5 часа, без использования математического редактора - несколько дней. Если кинетические кривые при перестроении в указанных координатах совмещаются, то это свидетельствует об инвариантности процесса. Используя выбранное уравнение и математический редактор MathCad, студент рассчитывает порядки по ионам водорода, оксалат-ионам, энергию активации и удельную скорость растворения. Имея информацию об этих параметрах растворения, студент в состоянии предложить эмпирическое уравнение процесса, которое позволяет производить расчеты скорости растворения, не проводя эксперимента. Ранее такая объемная работа не могла быть реализована за время, отведенное на подготовку курсовой работы.
Выполненная на высоком уровне курсовая работа, может быть взята за основу дипломной работы. Некоторые из таких работ, выполненные студентами МГТУ «МАМИ», после проведения соответствующих патентных исследований легли в основу заявки на получение патента.
Достоинством работ с применением математических программ служит резкое повышение мотивации студентов к прикладным научно-исследовательским работам за счет экономии времени и автоматизации расчетов.
Таким образом, через применение различных математических редакторов реализуется умение применять современные методы для разработки малоотходных, энергосберегающих и экологически чистых машиностроительных технологий, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности людей, умение применять способы рационального использования сырьевых, энергетических и других видов ресурсов в машиностроении.
Использование для обработки данных MathCad позволяет не только выбрать уравнение гетерогенной кинетики, которое достоверно описывает полученные студентами экспериментальные данные, но и рассчитать порядки по ионам водорода, анионам, энергию активации и удельную скорость растворения.
Таким образом у учащихся формируется правильное представление о необходимости применения современных вычислительных средств в расчетах при проведении производственных процессов.
Использование программных продуктов позволяет экономить время на расчетах и качественно улучшать процесс обучения химии в нехимических вузах.
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 20—2012 гг.» - контракты № 5.3., 5.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Забенькина Е.О., Артамонова И.В. // Известия МГТУ «МАМИ». 2010. Т.1. № 9. С.254-258;
Zabenkina E.O., Artamonova I.V. // Izv. МОТи «МАМ». 2010. V. 1. N 9. P.254-258 (in Russian).
2. Артамонова И.В., Забенькина Е.О., Горичев И.Г., Плахотная О.Н., Агеева Ю.С. Количественный анализ. М.: МГТУ «МАМИ». 2009. 68 с.;
Artamonova I.V., Zabenkina E.O., Gorichev J.G., Plak-hotnaya O.N., Ageeva Yu.S. Quantitative analysis. М.: МGTU «МАМ». 2009. 68 p. (in Russian).
3. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCad 11. СПб: БХВ-Петербург. 2003. 560 с.;
Kiryanov D.V. The self-instruction manual MathCad 11. SPb: BCHV-Peterburg. 2003. 560 p. (in Russian).
Кафедра химии
4. Горичев И.Г., Артамонова И.В., Изотов А.Д. Основы моделирования кинетических процессов растворения оксидов и солей. М.: МГТУ «МАМИ». 2009. 190 с.; Gorichev I.G., Artamonova I.V., Izotov A.D. Bases of modeling the process kinetics of dissolution of oxides and salts. М.: MGTU «МАМ1». 2009. 190 p. (in Russian).
С.А. Сырбу, Т.П. Кустова, М.В. Клюев
ПОДГОТОВКА К ИЗУЧЕНИЮ ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ В ВУЗЕ В КРУГЛОГОДИЧНОЙ ПРОФИЛЬНОЙ ШКОЛЕ «ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ» НА БАЗЕ ИВАНОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
(Ивановский государственный университет) e-mail: syrbue@yandex.ru, kustova_t@mail.ru, klyuev@inbox.ru
Рассмотрены структура и задачи профильной школы «Естествознание для любознательных», а также ее роль в подготовке к изучению общей и неорганической химии в Ивановском государственном университете.
Ключевые слова: общая и неорганическая химия, профильная школа, довузовская подготовка школьников
Развитие современного общества требует все новых достижений естественных наук. В то же время интерес к их изучению падает практически во всем мире, особенно в развитых странах. Такая же тенденция, к сожалению, складывается и в Российской Федерации. Несмотря на призывы Президента Медведева Д.А. выбирать естественнонаучное или инженерное образование, все большее число выпускников средней школы хотят получить высшее образование гуманитарного профиля. В связи с этим актуальна проблема овладения школьниками базовыми знаниями в области химии, физики и биологии, которые способствуют формированию целостной естественнонаучной картины мира.
Ивановский государственный университет имеет давние традиции по организации работы со школьниками, областью интересов которых являются естественные науки и математика. Начиная с 1968 г. в Ивановском педагогическом институте (предшественнике ИвГУ) работала летняя физико-математическая школа (ЛФМШ) для школьников Ивановской и Ярославской областей. С момента образования ИвГУ на его базе постоянно проводятся муниципальные и региональные туры Российской олимпиады школьников по естественным наукам, математике и гуманитарным наукам. Так в 2009 г. общее количество участников олимпиады составило около двух тысяч человек, в 2010 г. - более трех тысяч человек. С 1986 г. по настоящее время работает учебно-научно-педагогический комплекс (УНПК) «ИвГУ - лицей № 22». Многие преподаватели факультетов естественнонаучного
профиля давно и плодотворно сотрудничают с Центром развития детской одаренности г. Иваново. Все это создало предпосылки для организации на базе ИвГУ круглогодичной профильной школы «Естествознание для любознательных».
Основной целью профильной школы явилось создание системы непрерывной дополнительной профильной подготовки школьников, направленной на развитие познавательных интересов, творческих способностей, ключевых и предметных компетенций учащихся. Это стимулирует раннюю мотивацию школьников г. Иваново и Ивановской области к изучению естественных наук, обеспечивает преемственность между общим и профессиональным образованием путем эффективной подготовки учащихся старших классов и выпускников школ к освоению программ высшего профессионального образования, приобщает учащихся к достижениям современной мировой научной культуры, а в перспективе позволит обеспечить реализацию в Ивановской области национальной образовательной инициативы «Наша новая школа».
Система дополнительной профильной подготовки учащихся, которую в дальнейшем будем называть Профильная школа (ПШ), имеет следующую структуру:
- пропедевтический курс «Введение в естествознание» для учащихся 2-5 классов лицея № 22 и других школ г. Иваново;
- «Субботняя школа» - это очные занятия на базе лабораторий ИвГУ для учащихся 10-11 классов сельских школ Ивановской области;
