Применение информационных технологий в преподавании курса «Физическая химия» Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 544:004

13.00.00 - педагогические науки

Степановских Елена Ивановна

Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н.Ельцина

Россия, Екатеринбург1 Кандидат химических наук, доцент E-Mail: [email protected]

Кушнарева Татьяна Валерьевна

Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н.Ельцина

Россия, Екатеринбург Студент

E-Mail: [email protected]

Применение информационных технологий в преподавании курса «Физическая химия»

Аннотация. В настоящее время в процессе подготовки будущих инженеров представляется актуальным обновление традиционных средств обучения и контроля знаний студентов, и внедрение информационных технологий в учебный процесс. К информационным технологиям, применяемым в процессе обучения, можно отнести: электронные учебно-методические комплексы, электронные учебные пособия, видеолекции, учебные фильмы; электронные лабораторные и практические работы, дидактические тесты, электронные справочники и др. Особо актуальным является использование информационных технологий при преподавании ряда фундаментальных дисциплин, в частности физической химии. В статье рассмотрены способы использования перечисленных информационных технологий при обучении студентов физической химии на кафедре физической и коллоидной химии Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н.Ельцина. Показаны преимущества использования новых технологий обучения по сравнению с традиционными, отмечены особенности их применения в процессе обучения студентов физической химии и контроля их знаний. Проведенный подробный анализ использования информационных технологий позволяет авторам сделать вывод, что процесс обновления традиционных средств обучения при преподавании курса физической химии протекает по всем направлениям и охватывает практически весь учебный процесс.

Ключевые слова: информационные технологии; физическая химия; электронные лабораторные работы; электронные учебно-методические комплексы; электронные тесты; учебные фильмы; видеолекции, электронные учебные пособия.

Идентификационный номер статьи в журнале 96РУЫ414

1 620002, Екатеринбург, Мира, 28. Кафедра физической и коллоидной химии 1

В настоящее время остро стоит вопрос об обновлении традиционных средств обучения, в том числе с помощью применения информационных технологий. Особенно актуальным это представляется в процессе подготовки будущих инженеров. Однако в процессе преподавания ряда фундаментальных дисциплин, в том числе физической химии, такие инновации встречают ряд трудностей. Среди них и неразработанность соответствующих обучающих материалов, и неготовность педагогов к широкому применению новых средств обучения взамен традиционных, и высокая математическая сложность, требующая соответствующего программного обеспечения и графического представления материала. Но, несмотря на эти и другие трудности, предпринимаются попытки внедрения информационных технологий в процесс преподавания дисциплины «Физическая химия». Данная дисциплина достаточно трудна для изучения, требует большого объема самостоятельной работы студентов, поэтому разработка современных компьютерных средств обучения представляется особенно актуальным.

Информационные технологии, применяемые в процессе обучения, можно разделить на несколько видов. Среди них электронные учебники, лекции, конспекты, электронные лабораторные и практические работы, тренажеры, справочники энциклопедии, тестирующие технологии.

Рассмотрим, как эти технологии применяются в процессе обучения физической химии. Н.Г.Гуреев [1] отмечает, что учебник по физической химии, выполненный в электронном варианте выполняет новые роли и функции, т.к. может одновременно являться тренажером и контролером в ходе самостоятельной работы, а, следовательно, значительно повышает эффективность обучения. Авторами [1] накоплен достаточно большой объем информационно-методического материала с использованием компьютерных технологий и начата разработка электронного учебника.

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.

Т.Л. Анисова [3] 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.

Н.В.Жукова [4] сообщает о разработке электронного тест-тренажера по физической химии, содержащего шесть содержательных блоков: «Агрегатные состояния», «Основные законы термодинамики», «Термодинамическое равновесие», «Химическая кинетика», «Растворы неэлектролитов», «Растворы электролитов». Каждый блок состоит из теоретической части, раскрывающей основные вопросы блока; задач-тренажеров с подробным решением; вопросов-тренажеров, представляющих собой тестовые задания с обратной связью; контрольного теста, предназначенного для осуществления текущего

контроля знаний студентов. Кроме того, в пользовании обучающегося имеется весь необходимый для решения заданий справочный материал.

Г.М. Курунина [5] и Г.М. Бондарева [6] пишут о применении электронного тестирования при обучении физической химии: использование тестовых заданий в сочетании с другими видами проверки является эффективным инструментом, стимулирующим подготовку студентов к каждому занятию и повышающим мотивацию к изучаемому предмету.

Таким образом, в настоящее время в процессе обучения физической химии достаточно активно применяются различные электронные учебно-методические пособия и предпринимаются попытки внедрения электронных практических и лабораторных работ.

На кафедре «Физической и коллоидной химии» Уральского Федерального университета информационные технологии также внедряются в учебный процесс. Для успешного освоения дисциплины «Физическая химия» разработаны электронные учебно-методический комплексы (ЭУМК) для студентов, обучающихся по программам бакалавриата различных специальностей. Так для специальностей: Химическая технология синтетических биологически активных веществ, химико-фармацевтических препаратов и косметических средств; химическая технология органических веществ широко используется студентами ЭУМК 10780 [7]. При построении комплексов был применен многоуровневый модульный принцип, ведь известно, что качественно структурированный комплекс не только обеспечивает быстрый и удобный доступ к учебным материалам, но и помогает спланировать освоение курса и способствует более ритмичной и эффективной работе студента в течение семестра.

Весь лекционный материал в электронном виде входит в учебно-методический комплекс дисциплины и выдается студентам, что способствует успешному освоению курса.

Лекционный курс проводится с использованием электронных презентаций, показываемых на проекторе. Это позволяет:

• наглядно представлять математические формулы, использовать крупный и четкий шрифт, что облегчает восприятие для студентов и ускоряет процесс (по сравнению с использование традиционной доски);

• проводить показ портретов ученых, сопровождая его кратким рассказом, что повышает интерес к занятиям;

• показывать рисунки и графики с анимацией - это улучшает восприятие и запоминание зависимостей, способствует концентрации внимания студентов.

По некоторым разделам курса разработаны видеолекции. Кроме того, для повышения мотивации к изучению физической химии создан видеофильм «Возникновение физической химии», который в яркой и занимательной форме рассказывает о периоде становления химической науки, предшествующему возникновению физической химии. Показаны предпосылки возникновения физической химии, особенности этого процесса, рассказано о выдающихся ученых, способствовавших становлению этой науки и о главных количественных законах, легших в ее основу.

При работе на практических занятиях используются специальные презентации: они составлены таким образом, что необходимые для решения задач формулы появляются постепенно, со скоростью, задаваемой преподавателем. Это способствует протеканию диалога со студентом, дает время студенту подумать над проблемой, а не списывать все подряд с экрана.

Для решения задач, требующих длительных расчетов, созданы специальные расчетные программы. Эти программы используются:

• для расчета изменений экстенсивных свойств системы за счет протекания в ней газовой реакции;

• для определения мольной избыточной изобарной теплоемкости раствора;

• для определения парциальных мольных изобарных теплоемкостей компонентов бинарного раствора;

• для определения мольных объемов смешения при образовании бинарных растворов;

• для определения наиболее вероятной химической реакции, протекающей в многокомпонентной газовой системе;

• для расчета равновесного состава газовой системы, образующейся при крекинге углеводородов;

• для расчета равновесного состава идеальной газовой системы при протекании в ней нескольких реакций;

• для расчета изменений экстенсивных свойств системы при протекании в ней гетерогенной реакции.

Эти программы, созданные на базе Excel, позволяют студенту произвести расчеты гораздо быстрее, чем вручную. Кроме того в программах перед непосредственно расчетами приведены все необходимые формулы, имеются пояснения символов, в эти формулы входящих, показаны примерные графические зависимости изучаемых свойств. Такое повторение теоретического материала, несомненно, способствует лучшему усвоению его. Использование этих программ возможно как в зале ПК кафедры, так и на домашнем ПК.

Для самостоятельной работы студентов при выполнении домашних работ и подготовки к промежуточному контролю, предусмотрены учебно-методические пособия с подробными пояснениями к решению задач по физической химии [8]. Более сложные задачи, которые были представлены на нескольких всероссийских олимпиадах по физической химии, рассмотрены в специальном учебном пособии [9].Они также выдаются студентам в электронном виде. Кроме того, оформлены в электронном виде и выдаются студентам для работы все необходимые справочные материалы.

Применение информационных технологий на лабораторных занятиях включает в себя входное компьютерное тестирование и электронные лабораторные работы, которые проводятся наряду с экспериментальными лабораторными работами.

Входное компьютерное тестирование (убрать повтор перед лабораторной работой) позволяет оценить готовность студента к выполнению лабораторной работы. В настоящее время на кафедре для проведения тестирования используется MyTestX- система программ (программа тестирования учащихся, редактор тестов и журнал результатов) для создания и проведения компьютерного тестирования, сбора и анализа результатов, выставления оценки по указанной в тесте шкале. Тесты, составленные в этой программе по дисциплинам кафедры, основаны, на разных типах заданий: одиночный или множественный выбор, установление порядка следования; установление соответствия; указание истинности или ложности приведенных утверждений.

Электронные лабораторные работы 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.

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, некоторые работы объединены в практикумы [10].

Для проверки знаний студентов в рамках промежуточного контроля -дифференцированного зачета, также удобно использовать разработанные компьютерные тесты по физической химии.

Таким образом, в процессе преподавания дисциплины «Физическая химия» реализовано использование информационных технологий на всех этапах обучения. Это и электронные презентации на лекциях и практических занятиях, и специальные расчетные программы для решения задач, и электронные лабораторные работы, и компьютерные тесты перед лабораторными работами и для промежуточного контроля, и методические и

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 4 (23), июль - август 2014

http://naukovedenie.ru [email protected]

справочные материалы в электронном виде. Все эти современные формы обучения органично сочетаются с традиционными (экспериментальными лабораторными работами, традиционными формами тестирования и т.д.). Все это, несомненно, способствует успешному освоению дисциплины будущими инженерами и созданию прочной основы для изучения ими специальных предметов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуреев Н.Г. Об использовании компьютерных технологий в курсе физической химии / Н.Г. Гуреев, Г.И. Зорина, И.Е. Кожевникова // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2004. № 8. С. 95-96.

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. 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.

4. Жукова Н.В. Возможности использования электронных тест-тренажеров при обучении физической химии / Н.В. Жукова // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-12. С. 2778-2781.

5. Курунина Г.М. Использование компьютерных технологий для оценки качества знаний в курсе «Физическая химия» / Г.М. Курунина, Г.И. Зорина, Г.М. Бутов, А.В. Синьков, И.Е. Зверева // Международный журнал экспериментального образования. 2012. № 1. С. 95.

6. Бондарева Г.М. Использование тестирования как формы контроля знаний студентов по физической химии / Г.М. Бондарева // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. № 10 (139). С. 43-47.

7. Степановских Е.И. Физическая химия. Электронный учебно-методический комплекс ЭУМК 10780 [Электронный ресурс] / Е.И. Степановских. Режим доступа: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=10780 (дата обращения 09.08.2014).

8. Степановских Е.И., Брусницына Л. А., Алексеева Т.А. Физическая химия. Примеры решения задач: учебно-методическое пособие [Электронный ресурс] / Е.И. Степановских., Л.А. Брусницына, Т.А.Алексеева. Режим доступа: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=12277 (дата обращения 10.08.2014).

9. Булатов Н.К., Степановских Е.И. Физическая химия. Опыт решения задач на российских студенческих олимпиадах [Электронный ресурс] / Н.К. Булатов, Е.И. Степановских. Режим доступа: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=8471 (дата обращения 10.08.2014).

10. 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 10.08.2014).

Рецензент: Агранович Татьяна Владимировна, зам.главного метролога ЗАО «Институт стандартных образцов», к.х.н.

Elena Stepanovskikh

Urals Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Russia, Ekaterinburg E-Mail: [email protected]

Tatyana Kushnareva

Urals Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Russia, Ekaterinburg E-Mail: [email protected]

The application of information technology in the teaching of the course «physical chemistry»

Abstract. Traditional learning tools and controls of training of engineers should be updated including through the introduction of information technologies. In educational process there are the following information technologies: electronic educational-methodical complexes, electronic textbooks, video lectures, educational films; electronic laboratory and practical work, didactic tests, electronic directories and others. The use of information technologies in teaching a number of fundamental disciplines such as physical chemistry is very important. Use of information technologies in teaching students of Physical Chemistry at the Department of Physical and Colloid Chemistry, Ural Federal University named after the first Russian President Boris Yeltsin, discussed in the article. The use of new learning technologies in comparison with traditional has advantages. There are also some features of the application of information technology in teaching physical chemistry. The paper presents a detailed analysis of the use of information technologies. It allowed the authors to conclude that the update of traditional learning tools in teaching physical chemistry course covers the entire educational process.

Keywords: information Technology; physical chemistry; electronic laboratory work; electronic educational-methodical complexes; electronic tests; educational films; video lectures, electronic textbooks.

Identification number of article 96PVN414

REFERENCES

1. Gureev N.G. On the use of computer technology in the course of physical chemistry / N.G. Gureev, G.I. Zorina, I.E. Kozhevnikov // News Volgograd State Technical University. 2004. № 8. S. 95-96.

2. Goncharenko E.E. Innovations in technology teaching "Physical and Colloid Chemistry" for students of "Industrial Ecology" (bachelors) / E.E. Goncharenko A.M. Golubev, B.S. Ksenofontov // Engineering Journal: science and innovation. 2013. № 6 (18). C. 4.

3. Anisova T.L. Solution of problems of physical chemistry by using MS EXCEL / T.L. Anisova, S.I. Salpagarov // Modern problems of science and education. 2012. № 3. S. 417.

4. Zhukova N.V. The possibility of using electronic test simulators for teaching physical chemistry / N.V. Zhukova // Fundamental research. 2013. № 10-12. S. 2778-2781.

5. Kurunina G.M. Using computer technology to assess the quality of knowledge in the course "Physical Chemistry" / G.M. Kurunina, G.I. Zorina, G.M. Casks, A.V. Sinkov, .I.E. Zvereva // International Journal of Experimental Education. 2012. № 1. S. 95.

6. Bondareva G.M. The use of testing as a form of control of students' knowledge in physical chemistry / G.M. Bondareva // Advances in chemistry and chemical technology. 2012 T. 26. № 10 (139). S. 43-47.

7. Stepanovskikh E.I. Physical chemistry. Electronic training complex EUMK 10780 [electronic resource] / E.I. Stepanovskikh .. Mode of access: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=10780 (date accessed 09.08.2014).

8. Stepanovskikh E.I. Brusnitsyna L.A., Alekseeva T.A. Physical chemistry. Examples of problem solving: a teaching manual [electronic resource] / E.I. Stepanovskikh., L.A. Brusnitsyna, Alekseeva T.A. Mode of access: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=12277 (date accessed 10.08.2014).

9. Bulatov N.K., Stepanovskikh E.I. Physical chemistry. Experience in solving problems on the Russian student competitions [electronic resource] / N. Bulatov, EI Stepanovskikh. Mode of access: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=8471 (date accessed 10.08.2014).

10. Stepanovskikh E.I. Multicomponent homogeneous systems / workshop to electronic laboratory work [electronic resource] / E.I. Stepanovskikh. Mode of access: http://study.urfu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=9540 (date accessed 10.08.2014).