Во многих вузах страны за последние пять лет были открыты новые бакалаврские направления, так, в Томском политехническом университете открыто новое бакалаврское направление «Техносферная безопасность», и, кроме того, согласно Федеральному образовательному стандарту (ФОС), для многих бакалаврских направлений произошла переработка рабочих программ по всем дисциплинам. Унификация и разработка новых рабочих программ по шести кластерам выполнена на кафедре общей и неорганической химии ТПУ.
Поэтому для данных направлений возникает необходимость разработки учебно- методического комплекса дисциплины «Химия». В основе новых ФОС заложен компетентностный подход, который предполагает, что во время обучения у студента формируются компетенции, позволяющие им в будущем действовать эффективно в ситуациях профессиональной, личностной и общественной жизни [1]. Особое значение придается умениям, позволяющим действовать в новых, проблемных ситуациях, для которых заранее нельзя предсказать пути решения.
На кафедре общей и неорганической химии ТПУ существует учебно-методический комплекс, состоящий из пособий по теоретическим и практическим разделам химии, разработанный коллективом кафедры, но пособий касающихся новых специальностей нет. Для формирования у студентов профессиональных компетенций, изложенных в ФОС, необходима разработка новых пособий, которые дают возможность расширить представления о выбранной специальности.
Рассмотрим основные цели освоения дисциплины «Химия» для направления «Техносферная безопасность»:
- Формирование знаний в области строения неорганических и органических веществ и применение их при изучении общенаучных и специальных дисциплин, а также для решения профессиональных задач;
- Формирование навыков поиска научной информации в области химии;
- Формирование навыков, необходимых для работы в условиях химической лаборатории, получение веществ, их выделения, очистка и идентификация экспресс-методами;
- Формирование навыков обработки экспериментальных данных и составление отчета о полученных экспериментальных результатах;
- Формирование знаний о роли химии в развитии современной цивилизации, о существующих негативных последствиях научно-технического прогресса, о вкладе химии в решении проблем устойчивого развития.
Цели дисциплины «Химия» вносят вклад в формирование у студентов основ научно-исследовательской и проектно-образовательной деятельности, что соответствует целям ООП ТПУ для направления «Техносферная безопасность» и профилей подготовки «Инженерная защита окружающей среды» и «Защита в чрезвычайных ситуациях»:
- подготовка выпускников к научно-исследовательской и творческой инновационной деятельности в междисциплинарных областях, связанных с выбором, оптимизацией и разработкой высокоэффективных технологий для защиты окружающей среды и для предотвращения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;
- подготовка выпускников к самообучению и непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
Результатом процесса обучения студентов является способность применять глубокие знания в области техносферной безопасности в деятельности по прогнозированию, измерению и профилактики негативных воздействий на человека и природную среду.
Целью нашей работы явилась апробация созданного нами нового пособия «Определение химических загрязнений в биосфере» [2]. Оно направлено не только на развитие интеллектуальных компетенций студентов, но и является практической компонентой в таком курсе как «Ведение в специальность». Работа с предлагаемым пособием позволит студентам активно приобретать, преобразовывать и использовать знания в действии.
Студент направления «Техносферная безопасность» в чрезвычайных ситуациях должен уметь применять физико-химические методы анализа для определения техносферных загрязнений, чтобы правильно ликвидировать их последствия.
Данное пособие знакомит студентов первого курса с практическими методиками качественного и количественного определения вредных веществ в биосфере.
Пособие состоит из трех глав. В первой главе приведен теоретический анализ загрязнений окружающей среды (воздуха, воды и почвы), во второй - представлены качественные реакции неорганических и органических веществ. Применяя теорию качественного анализа, студенты обнаруживают в определенных химических реакциях функциональные группы органических веществ и ионы неорганических веществ. В третьей - приведены методики количественного обнаружения вредных веществ биосферы. Для количественного обнаружения вредных соединений или их ионов студентам предлагается освоить доступные методы: титрование и фотоколориметрию. В пособии приведены следующие методики:
- кислотно-основного титрования, которая может применяться в случае аварийного розлива кислот во время их транспортировки;
- окислительно-восстановительное титрование, которая может применяться при определении содержания сероводорода в почве, загрязненной нефтепродуктами или определения перманганатной окисляемости;
- комплексометрическое титрование для определения жесткости воды;
- фотоколориметрические методы определения фенола, ионов никеля, ионов хрома, ионов железа, нитрат ионов, хлорид ионов, ионов аммония, сульфат ионов.
Данное пособие позволяет студентам изучить теоретические основы методов качественного и количественного определения органических и неорганических веществ. Экспериментальные методики позволят закрепить полученные знания на практике. Выполняя лабораторные работы, студенты получают навыки проведения эксперимента и обработки опытных данных, учатся анализировать состояние загрязненности биосферы.
Для достижения поставленных целей нами применяются деятельностные практико-ориентированные технологии, которые включают в себя анализ конкретных производственных ситуаций, решение ситуационных производственных задач, деловые игры, «погружение» в профессиональную деятельность, моделирование профессиональной деятельности в учебном процессе, контекстное обучение, организацию профессионально-ориентированной учебно-исследовательской работы.
Остановимся на некоторых из них: метод работа в команде применяется на лабораторных занятиях, студенты работают группами им необходимо распределить обязанности и совместно решить общую задачу.
В работе «Фотоколориметрическое определение фенола в сточных водах» студенты количественно определяют содержание фенола в сточной воде (на примере модельного раствора) и сравниваются с ПДК, затем проводят адсорбционную очистку этого раствора.
В работе «Качественные реакции определения катионов и анионов неорганических соединений» группы студентов в первом опыте получают разные растворы, содержащие ионы солей, и устанавливают их формулы. Во втором опыте качественно определяют легко и среднерастворимые формы химических элементов в почве городских улиц (на примере модельных растворов).
В работе «Определение сероводорода в местах загрязненных нефтепродуктами» студенты получают модельные растворы, имитируемые вытяжку почвы в местах загрязненных нефтепродуктами. Методом окислительно-восстановительного титрования количественно определяют содержание сероводорода, который является продуктом разложения нефти, и сравнивают значения с ПДК, в выводах студенты должны предложить методы очистки мест загрязненных нефтью.
Проблемное обучение необходимо для стимулирования студентов самостоятельно «добывать» знания. Конференц-недели, проводимые в ТПУ, позволяют активировать познавательную деятельность студентов, группа, состоящая из трех-четырех человек готовит доклад по предложенной преподавателем теме. Полученные темы имеют широкий спектр информации, поиском которой занимаются студенты, с помощью преподавателя информация отбирается, систематизируется и студенты формулируют более узкие проблемы. Результат работы доклад и презентация, которые студенты представляют в своем потоке. Лучшие работы студенты представляют на всероссийских конференциях.
Студенты направления «Техносферная безопасность» Института неразрушающего контроля ТПУ изучают химию два семестра. В первом нарабатываются навыки обучения при изучении теоретического материала и практические навыки при выполнении лабораторных работ, а во втором семестре студентам предлагается на выбор или выполнить необходимый объем лабораторных работ из нового пособия или выполнить небольшой проект с использованием методик предложенных в разработанном пособии.
Примеры проектов:
- «Анализ снежного покрова города Томска»;
- «Определение химического состава питьевых вод Томского района»;
- «Определение химического состава воды родников г. Томска»;
- «Определение состава минеральных вод, продаваемых в магазина г. Томска»,
- «Определение химического состава питьевой воды п. Кисловка и исследование эффективности работы бытовых фильтров для ее очистки»,
- «Анализ почвы».
Предложенные проекты выполняют не только студенты направления «Техносферная безопасность», но и иностранные студенты Института международного образования и языковой коммуникации, изучающие химию на первом курсе. Это позволяет им не только познакомиться с предметом и с будущей специальностью, но и в результате совместной работы с русскими студентами легче осваивать язык.
Учащиеся школ и гимназий, поступающие в центр довузовской подготовки ТПУ и выбирающие химические специальности, начиная с 10 класса знакомятся с физико-химическими методами анализа, а в 11 классе они выполняют проекты, которые представляют на конференциях различного ранга.
Мониторинг окружающей среды проводится ежегодно, в связи с этим возможно повторное выполнение данных работ студентами и сравнение с предыдущими показателями.
Анализ и мониторинг объектов окружающей среды является материалом, который наиболее эффективно реализуется при выполнении научно-исследовательских работ студентов. Студент приобретает навыки проведения химического эксперимента и выполнения аналитических работ, связанных с анализом объектов окружающей среды. При подготовке своей работы студент имеет возможность получить богатый и обширный материал, связанный с экологической ситуацией региона.
Проведение исследований по темам, представленным выше, является особенно эффективным для студентов Института природных ресурсов и Института неразрушающего контроля направления «Техносферная безопасность» ТПУ, так как позволяет выявить межпредметные связи дисциплины «Химия» с будущей специальностью. У студентов формируются навыки проведения пробоотбора, проведения химического анализа с использованием физико-химических методов, а также навыки составления отчета и анализа полученных данных и сопоставления их с состоянием окружающей среды.
Далее приведены примеры проектов, выполненных с помощью пособия.
Проект 1. «Анализ снежного покрова г. Томска», выполненный студентами направления «Техносферная безопасность». Целью этого проекта являлось определение состава снежного покрова в различных районах г. Томска, которое позволяет выявить загрязнения местности (сульфатами, нитратами и др. соединениями) за зимний сезон. Этот подход является достаточно экономичным, поскольку допускает на основе нескольких точек определять с высокой точностью уровни загрязнения снега. В результате выполнения проекта студенты выявляют источники наибольшего загрязнения, это могут быть производственные объекты теплоэнергетики, транспорта, стройиндустрии, деревообработки, химической и пищевой промышленности. С помощью методик, изложенных в пособии, определяются показатели содержания нитрат, сульфат, хлорид ионов, сводятся данные в таблице и приводится сравнение с ПДК. Далее делаются выводы, определяются наиболее загрязненные места в городе.
Проект 2. «Определение качества воды родников города Томска», целью которого явилось оценка качества питьевых источников.
Для установления качества воды в родниках города Томска студенты определяли жесткость, а также содержание ионов хрома, железа, аммония, нитрат, фосфат, хлорид, сульфат ионов и сравнивали полученные данные со значениями предельно допустимых концентраций определяемых компонентов для питьевых источников. После проведения анализов были выявлены источники загрязнения, составлены паспорта качества воды родников, а также сделана оценка их пригодности в использовании в качестве питьевых источников.
Проект 3. «Определение химического состава питьевой воды п. Кисловка и исследование эффективности работы бытовых фильтров для ее очистки». Целью проекта явилось исследование качества питьевой воды и выяснение пригодности бытовых фильтров для ее очистки от избытка железа и марганца.
Для достижения поставленной цели студентами были отобраны пробы воды, освоены методики определения ионов железа, марганца, аммония, ниратов, нитритов, а также построены калибровочные графики по методикам, изложенным в предлагаемом пособии.
Для определения концентраций ионов железа, марганца, аммония, нитратов, нитритов, фосфатов и фенола был использован фотоколориметрический метод, с использованием фотоколориметра КФК - 2. Проанализировав отобранные пробы, определено содержание вышеперечисленных ионов. Выполнено сравнение полученных экспериментальных данных с ПДК питьевой воды по железу и марганцу, а также определенно, что применение бытового фильтра очистки позволяет избавиться от повышенного содержания железа и частично устранить марганец.
Такой вид экспериментальной работы в реальных условиях расширяет представление о выбранной специальности. Любая из предложенных в пособии лабораторных работ активизирует познавательную деятельность студентов. Студенты с помощью эксперимента овладевают навыками работы на лабораторных установках, подтверждая теорию на практике. А также совместная работа преподавателей кафедры ОНХ ТПУ позволяет студентам реализовать свои интеллектуальные и творческие способности, приобрести навыки выполнения и написания исследовательской работы.
Таким образом, представленное пособие рассчитано на базовую естественнонаучную подготовку творческих специалистов, оно содержит в большинстве лабораторных работ элементы научного исследования, которые позволяют расширить кругозор, сформировать научное мировоззрение, дающее возможность в будущем получить высокообразованных и грамотных в вопросах экологии специалистов. Ведь именно им предстоит устранять последствия экологических катастроф и предотвращать их, создавая новые производственные технологии.
Рецензенты:
Ахмеджанов Р.Р., д.б.н., профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института неразрушающего контроля, Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.
Бакибаев А.А., д.х.н., заведующий кафедрой, физической и аналитической химии профессор, Института природных ресурсов, Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.