Природные объекты как эффективное средство обучения студентов химико-биологического профиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природные объекты как эффективное средство обучения студентов химико-биологического профиля

Целью исследования было изучить эффективность усвоения студентами методов качественного и количественного химического анализа при помощи методических указаний по использованию высокоминерализованных природных вод (рассолов), разработанных преподавателями кафедры химии УО «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины». В исследовании, которое проводилось на протяжении 3 лет, приняли участие две группы студентов по 50 человек: контрольная и экспериментальная. Студенты контрольной группы использовали растворы, приготовленные в лабораторных условиях, а экспериментальной - природные рассолы. Для определения: искомых характеристик рассолов использовались потенциометрический, титриметрический, колориметрический, турбометрический, гипохлоридный и другие методы, а также статистический анализ. Эффективность обучения определялась расчётом степени обученности и качества знаний по итогам самостоятельных работ и компьютерного тестирования.

Современный этап развития общества повысил его потребности в формировании развитых, творчески мыслящих личностей, способных принять правильное и быстрое решение в сложившейся ситуации. Поэтому одной из важных задач современного высшего образования является развитие интеллекта студентов (Ясюкевич, 2011, Нагаева, 2016). В связи с этим, особенно актуальным является формирование у студентов не только знаний и умений, но и способностей к самостоятельному познанию.

Кроме того, снижение уровня базовой школьной подготовки по дисциплинам естественнонаучного профиля, в том числе по химии, в настоящее время создает значительные трудности подготовки специалистов. Современному специалисту нужны базовые знания, проблемное, аналитическое мышление, социально-психологическая компетентность, интеллектуальная культура (Савицкая, 2000). Вместе с тем известно, что глубокое усвоение теоретических основ профессиональных знаний должно подкрепляться приобретением студентами практических умений и навыков применения этих знаний в будущей профессиональной деятельности (Кропивка, 2019). Это требует применения действенных мер по улучшению организации образовательного процесса, особое место в котором занимает практико-ориентированный подход.

Цель и задания исследования: изучить эффективность усвоения студентами методов качественного и количественного химического анализа при помощи методических указаний по использованию высокоминерализованных природных вод (рассолов).

Материалы и методы исследования: в ходе апробации методических указаний

использовался практический метод обучения, который включал постановку следующих задач:

• изучение, по данным научной литературы, условий формирования, классификаций, возможного катионного и анионного состава высокоминерализованных природных вод;

• отбор проб и пробоподготовка природных рассолов к изучению;

• подбор и освоение методик анализа воды на содержание основных катионов и анионов, рН среды, минерализации;

• количественный анализ объектов (рассолов) на содержание основных компонентов.

Для изучения особенностей отбора проб, пробоподготовки, а также методов качественного и количественного анализа природных рассолов студенты использовали разработанные на кафедре химии УО «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» методические указания.

В исследовании приняли участие две группы студентов по 50 человек: контрольная и экспериментальная (для увеличения выборок названных групп исследования проводились на протяжении 3 лет). В контрольной группе обучение проводилось с использованием растворов, приготовленных в лабораторных условиях, в экспериментальной - с использованием природных рассолов.

Сравнение результатов в этих группах при равенстве общих условий осуществляемой педагогической деятельности позволяет сделать вывод об эффективности или неэффективности тех нововведений, которые включены в педагогический процесс (Мазурок, 2016).

Эффективность использования разработанных методических указаний определялась расчётом степени обученности (СОУ) и качества знаний (КЗ) по итогам самостоятельных работ и компьютерного тестирования.

Степень обученности - это количественная характеристика степени усвоения студентами учебного материала в соответствии с требованиями учебных программ и образовательных стандартов за определённый промежуток времени.

Для оценки степени обученности и качества знаний использовались следующие формулы (Панфилова А. П., 2013):

где КЗ - качество знаний; К - количество оценок от 6 до 10; п - количество студентов,

получивших данные оценки.

Результаты исследований. На первом этапе практического обучения студентам экспериментальной группы предлагалось подготовить презентативные сообщения о формировании, возможном качественном и количественном составе, а также практическом применении высокоминерализованных природных вод Припятского прогиба - рассолов.

Формирование подземных вод на территории Припятского прогиба связывают с отложениями девона. Начало формирования рассолов связано с крупными субширотными разломами, разделившими осадочный чехол на северную, центральную и южную структурно-тектонические зоны, а мощные соленосные водоупорные толщи верхнефранского и фаменского циклов галогенеза разобщили его на подсолевые, межсолевые и надсолевые отложения (Беляева Л. А., Грапов А. А., 2018). В результате этих процессов выделились четыре водоносных комплекса с различными гидродинамическими и гидрохимическими особенностями: подсолевой терригенный, подсолевой карбонатный, межсолевой и верхнесолевой, и сформировалась основная часть рассолов (Гледко Ю. А., 2012).

Общая мощность подсолевых отложений 230-800 м. Температура подземных вод зависит от глубины их вскрытия и колеблется в пределах 45-57°С. Минерализация подземных подсолевых отложений 110-437 г/л. По составу они хлоридные, кальциевые и натриевые, с невысоким содержанием гидрокарбонатов (до 150-250, реже 400-911 мг/л) и сульфатов (28-880, реже до 3025 мг/л). Минерализация подземных вод возрастает с увеличением глубины залегания водоносного комплекса.

Подземные воды характеризуются повышенным и очень высоким содержанием микрокомпонентов: йода до 90, реже 130-223,7 мг/л, брома - до 1125-6407; аммония - до 381,8 мг/л. В воде содержится значительное количество закисного железа (до 1700-1809 мг/л). Содержание органического вещества достигает: Сорг - 1,02-12,36 мг/л; ^рг - 0,5-2,44 мг/л; фенолов - до 32,88 мг/л.

Состав растворенных газов: азотный, азотно-углеводородный и углеводородно-азотный. Наибольшее распространение имеют воды, в составе растворенных газов которых преобладают углеводороды. Сумма углеводородов достигает 60,8-84,0 об.%.

Общая мощность межсолевых отложений изменяется в пределах 0-1000 м. Температура подземных вод составляет 31,8-86,3°С. Минерализация подземных вод межсолевых отложений колеблется в диапазоне 158-387,7 г/л. По составу воды хлоридные, натриевые и кальциевые, с невысоким содержанием сульфатов (6-350, реже 1200-5000 мг/л) и гидрокарбонатов (до 100800 мг/л). Содержание йода 0-108,5 мг/л, брома 58,8-4029,4 мг/л; аммония - до 849,6 мг/л; Сорг - до 4,26-25,9 мг/л, ^рг - до 0,15-0,86 мг/л; фенолы - до 1,6-55,0 мг/л.

В составе растворенных в воде газов преобладают углеводороды (51,6-89,5 об.%), в том числе тяжелые (2,7-4,0 %); азот содержится в количестве 6-25,9%, водород - до 0,14-12,3%, углекислый газ - до 0,8-3,4%, редкие - до 0,31-0,86%.

Общая мощность верхнесолевых отложений варьирует от нескольких десятков до 700-1000 м, причем на долю солевых прослоев приходится до 42,8-74,9% всей мощности.

Температура подземных вод на глубинах 2000-3500 м составляет 34-37°С. Минерализация подземных вод верхнесолевых отложений - 12-314 г/л. По составу воды хлоридные, натриевые и кальциевые, часто с высоким содержанием сульфатов. Содержание йода 0-12,6 мг/л, брома 0-456 мг/л. Содержание Сорг в зависимости от состава породы колеблется в пределах 0,25-1,6%, реже - достигает 5%.

Минерализация подземных вод надсолевых отложений возрастает в направлении с северозапада впадины (на глубинах 720-1620 м вскрываются воды с минерализацией 132-367 г/л хлоридного натриевого состава). Содержание йода достигает 0,7-3,2 мг/л, брома 2,6-77 мг/л (Пещенко А. Д., Мычко Д. И., 2010).

Важную роль в исследовании минерализованных рассолов сыграли такие ученые, как П. Г. Альтшуллер, С. П. Гудак, А. В. Кудельский, В. М. Шиманович. Их исследования показали присутствие в природных рассолах больших количеств ценных элементов (брома, йода, бора, калия, магния, кальция и других редких элементов). Некоторые из указанных элементов образуют повышенный фон в пластовых водах вблизи залежей углеводородов и могут служить в совокупности с другими данными критерием нефтегазоносности.

Интерес к использованию промышленных вод связан не только с истощением запасов традиционных рудных месторождений редких металлов, но также с рядом преимуществ, присущих этому виду полезных ископаемых.

Минерализованные рассолы Припятского прогиба рассматриваются как весьма перспективное горнохимическое сырье для извлечения целой гаммы редких рассеянных элементов, а также некоторых специфических соединений. Белорусские промышленные рассолы могут найти свое применение во многих областях экономики: строительной индустрии, бальнеологии, агрохимии, животноводстве и др.

На втором этапе студенты экспериментальной группы должны были изучить и освоить методики отбора проб природных рассолов, а также отработать методики пробоподготовки.

Пробы воды на общий анализ отбирают в полиэтиленовую или стеклянную посуду. Одним из основных условий при взятии пробы является чистота бутылки и пробки. Бутылки перед заполнением и пробки перед закупоркой ополаскивают отбираемой водой не менее трех раз. Перед окончательным заполнением бутылки желательно пропустить через нее несколько объёмов отбираемой воды при помощи трубки, опущенной на дно бутылки. Для укупорки пробы, предназначенной для определения микрокомпонентов, применяют корковые пробки, так как резиновые могут содержать цинк, сурьму и другие элементы, способные переходить в раствор. Бутылки должны быть герметически закрыты. При отборе проб воды на микрокомпоненты заливать пробки чем-либо нельзя, так как при их вскрытии можно загрязнить пробу. Если вода должна долго храниться, к ней добавляют хлороформ из расчета 2 мл на 1 литр воды. При отборе проб рассолов также отделяют кристаллы солей, находящиеся во взвешенном состоянии, фильтруя рассол на месте взятия пробы через сухой фильтр. Поэтому соли, иногда выделяющиеся при хранении пробы рассола, могут быть связаны только с жидкой фазой.

При отборе проб из самоизливающихся скважин, оборудованных трубопроводом с краном, необходимо спустить воду, находящуюся в трубопроводе. Перед взятием проб из несамоизливающихся и неэксплуатируемых скважин откачивается вода примерно в количестве двух объемов водяного столба скважины. Для отбора проб из глубинных скважин существует несколько видов пробоотборников.

При отборе пробы воды, добываемой с нефтью, необходимо их разделение, которое производится через фильтровальную бумагу и вату. Если нефть и вода образуют стойкую эмульсию, то необходимо провести термостатирование на водяной бане. Анализ проводится в тот же день.

После отбора проб воды анализ должен быть проведен как можно быстрее. Даже в герметически закрытом сосуде с течением времени происходит изменение соляного и газового состава. Так, например, в результате главным образом биологических процессов меняются количества, находящихся в воде иона аммония, нитритов, фосфатов, сероводорода, двуокиси углерода; а изменение газового состава (H2S, СО2) влечет за собой и изменение рН. При длительном хранении пробы из стекла выщелачиваются заметные количества кремнекислоты и некоторых микрокомпонентов; окисляется закисное железо, а окисное железо выпадает в виде гидроокиси в осадок и т. п. Особенно быстро эти процессы проходят при хранении проб в помещениях с высокой температурой.

Ввиду происходящих значительных изменений после того, как бутылка с водой вскрыта, необходимо каждую пробу воды отбирать в несколько (минимум 2) сосудов.

Консервация проб воды преследует цель сохранения компонентов, определяемых в воде ее свойств в том состоянии, в котором они находились в момент взятия пробы. Консервация необходима особенно в тех случаях, когда определяемый компонент подвергается изменениям и определение нельзя вести сразу на месте отбора пробы или в тот же день в лаборатории. В зависимости от степени изменяемости воды (если проба не была консервирована) определение проводится:

а) сразу - на месте отбора пробы или в лаборатории, если она находится вблизи места отбора пробы;

б) как можно раньше - не позже чем через два часа после взятия пробы;

в) в тот же день - приступают к анализу в день отбора пробы не позже чем через 12 часов после отбора;

г) через более продолжительное время.

В период времени между отбором пробы и ее анализом исследуемые вещества могут изменяться в различной степени. Очень быстро изменяется температура воды и pH. Газы, содержащиеся в воде, например, кислород, двуокись углерода, сероводород или хлор могут улетучиваться из пробы или появиться в ней (кислород, двуокись углерода). Эти и подобные им вещества надо определять на месте отбора проб или их фиксировать. Изменение величины pH, содержание карбонатов, свободной двуокиси углерода может вызвать изменение свойств других компонентов, содержащихся в пробе. Некоторые из них могут выделиться в виде осадка или, наоборот, из нерастворимой формы перейти в раствор. Это относится к солям железа, марганца, кальция.

В неконсервированной пробе обычно протекают различные биохимические процессы, вызванные деятельностью микроорганизмов или планктона. Эти процессы протекают в отобранной пробе иначе, чем в первоначальной среде, и ведут к окислению или восстановлению некоторых компонентов пробы: нитраты восстанавливаются до нитритов или до аммония, сульфаты до сульфидов, расходуется кислород или, наоборот, происходит окисление сульфидов, сульфитов, железа (II), цианидов и т. д. Влияние различных факторов на изменение компонентов, содержащихся в воде, может быть непосредственным или косвенным. Некоторые компоненты (железо, медь, кадмий, алюминий, марганец, хром, цинк, фосфаты и др.) могут адсорбироваться на стенках бутыли или выщелачиваться из стекла или пластмассы бутыли (бор, кремний, натрий, калий, различные ионы, адсорбированные полиэтиленом при предшествующем использовании бутыли).

Дата отбора пробы и дата начала анализа указывается в протоколе анализа, особенно если анализ имеет важное значение, следует указать и способ консервации. При вычислении концентрации определяемого компонента следует учитывать возможное изменение объема пробы, вызванное прибавлением консервирующего вещества.

Универсального консервирующего вещества не существует. Для полного анализа воды требуется отобрать пробу в несколько бутылей, в которых ее консервируют добавлением различных веществ. Для определения некоторых компонентов, например, сульфидов, сульфитов, агрессивной двуокиси углерода следует брать пробы в отдельные бутыли для каждого из этих определений.

На третьем этапе практического обучения перед студентами экспериментальной группы была

поставлена задача определения физико-химических параметров, качественного (катионного и анионного) и количественного состава выданных преподавателем образцов природных рассолов.

Студенты использовали следующие методы для определения: потенциометрический - pH среды, титриметрический - гидрокарбонат-иона, кальция и магния, хлоридное определение ионов натрия и калия, колориметрический - ионов аммония, турбометрический - сульфат-ионов, гипохлоридный - галогенов: брома, йода, хлора (Кнорре Д. Г., 1990) и методы статистического анализа.

Некоторые результаты анализа приведены в таблицах 1,2. Данные математически обработаны.

Исходя из полученных результатов катионного и анионного состава природных вод, студентами было установлено, что изученные рассолы Припятского прогиба Республики Беларусь относятся к хлоридно-натриево-кальциевому типу.

Для проверки полученных знаний у студентов контрольной и экспериментальной групп после каждого этапа, а также в конце обучения (итоговая аттестация) проводились проверочные работы в форме компьютерного тестирования, по результатам которого были рассчитаны степень обученности и качество знаний. Полученные результаты представлены на рисунках 1-2.

Рис. 1. Показатели СОУ в контрольной и экспериментальной группах студентов

Рис. 2. Показатели качества знаний в контрольной и экспериментальной группах студентов

Полученные данные свидетельствуют о том, что показатели эффективности учебной деятельности экспериментальной группы, где занятия проводились с использованием природных рассолов, выше, чем в контрольной группе, где велись занятия с использованием лабораторных растворов. Максимальное значение СОУ в контрольной группе составило 60,1 %, минимальное - 54,1 %, тогда как в экспериментальной группе данный показатель варьировал от 62,9 % до 83,3 %.

Процент качества в экспериментальной группе был более высоким, чем в контрольной: минимальные значения - 66,1 % и 57,4 %, максимальные - 73,3 % и 58,8 %, в экспериментальной и контрольной группах, соответственно.

С целью оценки достоверности полученных результатов усвоения материала в исследуемых группах нами был проведен статистический анализ, который показывает, достоверны ли различия СОУ между группами, занятия в которых проводились в классической форме и с использованием природных объектов. Статистическая обработка проведена методом однофакторного дисперсионного анализа (пакет «Анализ данных») в табличном редакторе Microsoft Excel.

Результаты однофакторного дисперсионного анализа выявили значимые различия ^эксп=17,139; Fкр=5,987) между группами (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение результатов однофакторного дисперсионного анализа контрольной и экспериментальной групп студентов

Результаты апробации использования разработанных методических указаний при изучении основ отбора проб, пробоподготовки, а также качественного и количественного анализа на примере природных объектов (в частности, природных рассолов) показывают повышение эффективности обучения по сравнению со стандартными методиками использования лабораторных растворов.

Выводы

Разработанные сотрудниками кафедры химии УО «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» методические указания по исследованию качественного и количественного химического состава высокоминерализованных природных вод (рассолов) способствовали повышению эффективности образовательного процесса и могут быть рекомендованы к использованию в рамках практико-ориентированного обучения по специальностям химикобиологического профиля.

Природні об'єкти як ефективний засіб навчання студентів хіміко-біологічного профіля

Бєляєва Людмила

Установа освіти «Гомельський державний університет імені Франциска Скорини»,

Босенко Анатолі

Державний заклад «Південноукраїнський національний педагогічнийуніверситет імені К. Д. Ушинського», Одеса, Україна

Топчій Марія

Державний заклад «Південноукраїнський національний педагогічнийуніверситет імені К. Д. Ушинського», Одеса, Україна

Встановлено поліпшення показників засвоєння навчального матеріалу у студентів, навчання яких проводилося з використанням природних об'єктів. Рівень ступеня навченості у контрольній групі коливався в межах 54,1-60,1%, тоді як в експериментальній групі цей показник варіював від 62,9% до 83,3%. Якість знань в експериментальній групі була також більш високою, ніж у контрольній: 66,1-73,3% і 57,4-58,8%, відповідно. Результати апробації розроблених методичних вказівок при вивченні основ відбору проб, пробопідготовки, а також якісного та кількісного аналізу на прикладі природних об'єктів (розсолів) свідчать про підвищення ефективності навчання в порівнянні зі стандартними методиками використання лабораторних розчинів і є підставою для їх впровадження в процес підготовки фахівців хіміко-біологічно профілю.

Література

школьный химический методический

1.Beljaeva, L.A. & Grapov, A.A. (2018). Osobennosti formirovanija i himicheskij sostav prirodnyh vod devonskih otlozhenij Respubliki Belarus' [Features of the formation and chemical composition of natural waters of the Devonian sediments of the Republic of Belarus]. Aktual'nye nauchnye issledovanija v sovremennom mire - Actual scientific research in the modern world: Proceedings of the International Scientific and Practical Internet Conference (Vols 10 (42):2), (pp. 27-33). Perejaslav-Hmel'nickij [in Ukrainian].

2.Gledko, Ju.A. (2012). Gidrogeologija [Hydrogeology]. Minsk: Izdatel'stvo «Vyshjejshaja shkola» [in Belarus].

3.Jasjukevich, L.V. (2011). Vzaimosvjaz' himicheskogo obrazovanija v sisteme «shkola-tehnicheskij vuz» [The relationship of chemical education in the school-technical university system]. N. M. Golub at aii (Eds.), Metodika prepodavanija himicheskih i jekologicheskih disciplin. - Methods of teaching chemical and environmental disciplines: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, Brest: BrGU. P. 244 [in Belarus].

4.Knorre, D.G. (1990). Analiticheskaja himija i fiziko-himicheskie metody analiza [Analytical chemistry and physicochemical methods of analysis]. Mn.: Vysshaja shkola [in Belarus].

5.Kropivka, O.G. & Kononec, N.V. (2019). Seredovishhe distancijnoi' pidtrimki u procesi pidgotovki majbutnih uchiteliv prirodnichih nauk do organizaciT bezpechnoi' zhittedijal'nosti uchniv [The environment of distant support in the process of training future Natural Sciences teachers to organize pupils' safe life activities]. Naukovij visnik Pivdennoukrains'kogo nacional'nogo pedagogichnogo universitetu imeni K. D. Ushins'kogo - Scientific bulletin of South Ukrainian National Pedagogical University named after K. D. Ushynsky, 4 (129), 77-83 [in Ukrainian].

6.Mazurok, A.I. (2016). Metodologija pedagogicheskogo issledovanija: UMK [Methodology of pedagogical research: UMK]. Gomel': GUO «GGU im. Franciska Skoriny [in Belarus].

7.Nagaeva, I.A. (2016). Smeshannoe obuchenie v sovremennom obrazovatel'nom processe: neobhodimost' i vozmozhnosti [Blended learning in the modern educational process: necessity and opportunities]. Otechestvennaja i zarubezhnaja pedagogika - Domestic and foreign pedagogy, 6, 56-67 [in Russian].

8.Panfilova, A.P. (2013). Innovacionnye pedagogicheskie tehnologii: Aktivnoe obuchenie: uchebnoe posobie dlja stud. vyssh. prof. obrazovanija. [Innovative pedagogical technologies: Active learning: Textbook for students]. Moskwa: Akademija [in Russian].

Размещено на Allbest.ru