Формирование исследовательских компетенций в области естественных наук у студентов, обучающихся по специализации «Аналитическая химия», при изучении курса общей

Формирование исследовательских компетенций в области естественных наук у студентов, обучающихся по специализации «Аналитическая химия», при изучении курса общей физики Четверикова А.Г., Узенбаев В.Г., Осипова Е.А., Дюсенов А.И. Оренбургский государственный университет, г. Оренбург В курсе общей физики предусмотрены классические методы изучения фундаментального предмета: лекции, практические занятия по решению задач и лабораторные занятия. На всех видах занятий обучающиеся начинают развивать общепрофессиональные компетенции, например, способность использовать теоретические основы фундаментальных разделов математики и физики в профессиональной деятельности (ОПК-3). [1] Характерной особенностью физики и химии как учебных предметов является такое изучение явлений, при котором познание качественных сторон обязательно сочетается с определениями количественных соотношений, характеризующих данное явление. Таким образом, если привлечь студентов к решению конкретной экспериментальной задачи, то в этом случае изучение того или иного физического явления или закона приобретает для них особую профессиональную значимость, вызывая повышенный интерес к предметам. Важным достоинством экспериментальных задач является непосредственная связь с реальными событиями. Одной из задач обучения является формирование стиля научного мышления студентов, структурирование физического знания и обработки этих отдельных структур. В число структур как составной элемент входит и научный факт. Основной задачей химии и физики как экспериментальных наук является самостоятельное открытие такого научного факта. Учебно-исследовательская работа учит студентов раскрывать суть явлений, выделять главное, позволяет вырабатывать навыки системного подхода к изучаемому материалу, творчески подходить к его разработке и интерпретации. На наш взгляд, в настоящее время сложились условия, которые позволяют формировать у студентов современные исследовательские компетенции на междисциплинарном уровне, например, при изучении физико-химических явлений. Использование интернет-ресурсов в процессе обучения позволяет получить многопрофильную информацию, наглядные иллюстрации по многим природным явлениям, а также, инструкции или описания экспериментов по исследованию соответствующих явлений. Студенты, обработав эту информацию, формируют свои исследовательские цели и задачи, создают экспериментальные методы и установки, приходят к научным выводам и подготавливают свои первые серьезные публикации. Следовательно, на базовом уровне начинают реализовываться и профессиональные компетенции: способность применять основные естественнонаучные законы при обсуждении полученных результатов (ПК-4), готовность представлять полученные в исследованиях результаты в виде отчетов и научных публикаций (стендовых докладов, рефератов и статей в периодической научной печати) (ПК-7). [1] Например, перед студентом 1-го курса, обучающимся по специальности «Фундаментальная и прикладная химия» была поставлена цель подобрать материал по колебательным процессам (раздел курса общей физики), проявляющимся в химических процессах (курс неорганической химии), т.е. сочетание химического эксперимента, методов физической регистрации. В результате сформировались компетентностно-ориентированные задачи общепрофессионального цикла: - систематизация материала по автокаталитическим реакциям; - воспроизведение приведенного в литературе эксперимента в лабораторных условиях; - экспериментальное исследование автокаталитических колебательных реакций на примере реакции Белоусова-Жаботинского. Актуальность научно-исследовательской работы студента химико-биологического факультета А. Дюсенова заключается в том, что к настоящему времени реакция Белоусова-Жаботинского занимает достойное место в мировой науке, особенно в ее новой перспективной области – синергетике. Экспериментальные работы в данном направлении инициировали развитие современной теории динамических систем. Под динамической системой понимают любой объект или процесс, для которого однозначно определено состояние как совокупность некоторых величин в данный момент времени и задан закон, описывающий его эволюцию. Важную группу динамических систем представляют системы, в которых возможны колебания. Колебательные системы с точки зрения их математических моделей разделяют на определенные классы. Различают линейные и нелинейные колебательные системы, сосредоточенные и распределенные, консервативные и диссипативные, автономные и неавтономные. Особый класс представляют так называемые автоколебательные системы. Основные свойства указанных систем подробно обсуждаются в работах по теории колебаний. Колебательная система называется линейной или нелинейной в зависимости от того, линейна или нелинейна описывающая ее система дифференциальных уравнений. Линейные системы являются частным случаем нелинейных. Однако в силу принципиальной важности линейных систем при исследовании вопросов устойчивости колебаний, а также возможности использования принципа суперпозиции решений такая классификация оправданна. Динамические системы с изменяющимся во времени запасом энергии называются неконсервативными. Большинство реальных колебательных систем в физике, радиофизике, биологии, химии и других областях знаний неконсервативны. Среди них выделяется особый класс автоколебательных систем, которые принципиально неконсервативны и нелинейны. Автоколебательной называют динамическую систему, преобразующую энергию источника в энергию незатухающих колебаний, причем основные характеристики колебаний (амплитуда, частота, форма колебаний и т.д.) определяются параметрами системы и в определенных пределах не зависят от выбора исходного начального состояния. Автокатализом называется ускорение реакции, обусловленное накоплением конечного или промежуточного продукта, обладающего каталитическим действием в данной реакции. Скорость автокаталитической реакции вначале возрастает вследствие увеличения количества продукта, являющегося катализатором, а затем падает в результате расходования исходных веществ. Б.П. Белоусов проводил исследования цикла Кребса, пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в 1951 году, а именно окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce3+, он обнаружил автоколебания. Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce3+) к жёлтому (Ce4+) и обратно. Эффект был ещё более заметен в присутствии pH индикатора - ферроина. [2] Белоусов провел достаточно подробное исследование этой реакции и выяснил, что период колебаний (10–100 с) существенно уменьшается с повышением кислотности среды и температуры, поэтому реакция оказалась наглядной и удобной для лабораторных исследований. До этого открытия считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Спустя некоторое время изучением механизма реакции Белоусова занимался другой ученый А.М. Жаботинский. Особенностью работ Жаботинского и его коллег было сравнение экспериментальных записей колебаний с кривыми, которые получались при компьютерном моделировании. Группа Жаботинского провела подробные исследования реакции, включая её различные варианты. Белоусов использовал лимонную кислоту, а в качестве пары окислитель–восстановитель – производные церия. Ученик и сотрудник Белоусова А.П. Сафронов посоветовал добавить в раствор комплекс железа с фенантролином. В этой ситуации окраска эффектно изменялась: с лилово красной – в ярко-синюю. Жаботинским, который занялся подробным изучением механизма реакции, было окончательно показано, что автоколебательная реакция может осуществляться и в том случае, когда лимонная кислота заменена любой другой дикарбоновой кислотой с активной метиленовой группировкой, а каталитическая редокс-пара Ce4+/ Ce3+ заменена парой Mn3+/Mn2+ или, как уже использовалось Белоусовым, парой ферроин/ферриин. Наиболее изящно, эстетически зрелищно выглядела колба, если использовали малоновую кислоту, а вместо ионов церия ионы железа Fе2+. Тогда раствор в колбе может часами со строгой периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого. Брутто-формула реакции выглядит достаточно просто, однако реакция протекает более чем в 20 стадий и соответственно с образованием такого же количества промежуточных продуктов. Рассмотрим БЖ-реакцию (реакцию Белоусова-Жаботинского), приведенную в самой цитируемой в данной области знаний статье [3]. Для того чтобы ее осуществить, готовят два раствора – А и Б. А – раствор ферроина (комплекс двухвалентного железа с о-фенантролином (phen) – [Fe(phen)3]2+), который может быть приготовлен заранее: Fe2+ + 3phen = [Fe(phen)3]2+. (1) Неустойчивая броммалоновая кислота (раствор Б) готовится непосредственно перед началом эксперимента: BrO3+5 Br+6H+=3Br2+3H2O (2) 3Br2+10CH2(COOH)2+38H2O-30ē=6BrCH(COOH)2+4HCOOH+8CO2↑+30H3O+ Для непосредственной демонстрации опыта в чашку Петри последовательно вносят с помощью пипеток насыщенный раствор бромата калия, раствор броммалоновой кислоты и раствор ферроина. В течение нескольких минут на красном фоне в чашке появляются голубые участки. Это обусловлено образованием другого комплекса ферроина [Fe(phen)3]3+ при окислительно-восстановительной реакции комплекса ферроина [Fe(phen)3]2+ с бромат-ионами: 6[Fe(phen)3]2++6H3O++BrO3=6[Fe(phen)3]3++9H2O+Br (3) Этот процесс протекает с автоускорением. Затем образующийся комплекс [Fe(phen)3]3+ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов: 4[Fe(phen)3]3++BrCH(COOH)2+7H2O= (4) =4[Fe(phen)3]2++2CO2+5H3O++Br–+HCOOH Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплекса железа2+ бромат-ионами (3). Только когда концентрация [Fe(phen)3]2+ становится достаточно высокой, ингибирующее действие бромид-ионов преодолевается, и снова начинают протекать реакции получения броммалоновой кислоты и окисления комплекса. Процесс повторяется снова, и это отражается в окраске раствора. От голубых участков в чашке во все стороны расходятся концентрические круговые красно-голубые «волны» окраски. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов. До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций. Если содержимое чашки перемешать стеклянной палочкой, то раствор на непродолжительное время станет одноцветным, а потом периодический процесс повторится. В конце концов реакция прекращается из-за выделения диоксида углерода. Для проведения научного эксперимента в лабораториях ОГУ студенту понадобились: - яблочная кислота C4H6O5, т.к. образующаяся в реакции (2) броммалоновая кислота 6BrCH(COOH)2 весьма нестабильна, - серная концентрированная кислота H2SO4, - ферроин (редокс-индикатор), - бромат калия KBrO3, - химический стакан и часовое стекло. На первом этапе навеска яблочной кислоты массой 40 г растворяется в 160 мл дистиллированной воды. Отдельно подготавливаются навески ферроина и бромата калия массами 3,5 г и 16 г соответственно. На втором этапе, к раствору яблочной кислоты, предварительно нагретому до 40…50 оС, добавляется навеска бромата калия. На 3-ем этапе, поставив стакан с полученным соединением на белый лист бумаги, в него добавляем в навеску ферроина и несколько капель серной кислоты. На фоне белого листа бумаги сразу же наблюдается изменение окраски раствора с красной на синюю и обратно с периодом Т=30…40 с (рис. 1). П о истечении 8 минут колебания затухают, и изменение окраски раствора прекращается, свидетельствуя об установлении химического равновесия в системе между исходными веществами и продуктами реакции. Отметим основные моменты, без которых описанный колебательный процесс был бы невозможен. Во-первых, кооперативное поведение молекул в растворе невозможно без обратной связи. Если описывать колебательные химические реакции в терминах «хищник–жертва», то роль «хищников» выполняют промежуточные продукты, которые замедляют или совсем блокируют отдельные стадии процесса, – ингибиторы. Роль «жертв» выполняют катализаторы, которые ускоряют ход реакции. Хотя, как известно, сами молекулы катализатора (Fе) не расходуются в реакции, но соотношение концентраций ионов [Fе2+]/[Fе3+], как показали исследования, претерпевает сложную эволюцию. Эта упрощенная схема позволяет в общих чертах представить молекулярный механизм обратной связи в растворе. Во-вторых, колебательный процесс невозможен без источника энергии, В реакции Белоусова–Жаботинского источником энергии служит органическая малоновая кислота. Действительно, при ее полном окислении колебания в реакции затухают, а затем и сама реакция прекращается. В настоящее время кинетика колебательных реакций – бурно развивающаяся отрасль знаний, возникшая на стыке химии, биологии, медицины, физики, математики. Затруднения, с которыми столкнулись студенты при первых попытках реализации БЖ-реакции, были подбор доступных реагентов, обуславливающих малый коэффициент затухания и удовлетворительную наглядность. После преодоления проблем, сделаны выводы, что физическая (неудачно подобранная температура) и химическая (низкая концентрация) причины не обеспечивают стабильное протекание реакции в течение длительного времени. Студенты ставлили и решали проблемные для себя теоретические, экспериментальные, организационные, аналитические задачи на каждом этапе своей работы. Как результат, работа получила свое развитие. Освоив электромагнетизм и оптику (разделы общей физики) и методы анализа веществ (аналитическая химия) студенты поставили очередную задачу: устранить вышеописанные недостатки и проверить влияние физических полей на скорость и устойчивость протекания БЖ-реакции. Список литературы 1. Проект приказа «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки (специальности) 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия (уровень специалитета)». Режим доступа: http://www.osu.ru/docs/fgos/proekt/spec_04.05.01.doc 2. Прилепская, Л.Л. К 60-летию открытия колебательных реакций / Л.Л. Прилепская, Е.Ю. Старикова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. Химические технологии. – 2012. - №1(89). – С.111-113. 3. Белоусов, Б.П. Периодически действующая реакция и ее механизм / Б.П. Белоусов // Сб. науч. тр. Автоволновые процессы в системах. – Горький: Изд-во ГГУ, 1981. – С. 176-186.

Похожие:

	Рабочая программа по дисциплине б химия неорганическая и аналитическая Целью освоения дисциплины «Химия неорганическая и аналитическая» является формирование базовых, системных и информационных компетенций...		Формирование исследовательских умений в проектной деятельности студентов... Е. В. Плащевая, В. А. Смирнов, Н. В. Нигей «формирование исследовательских умений в проектной деятельности студентов медицинской...
	Программа дисциплины дпп. Ф. 04 Аналитическая химия цели и задачи... Цель дисциплины «Аналитическая химия»: научить студентов основам количественного анализа		Творческий отчет формирование ключевых компетенций обучающихся в... Выступление на педагогическом совете по обобщению опыта работы по теме: Формирование ключевых социальных компетенций обучающихся...
	Формирование ключевых компетенций учащихся при использовании проблемных... ...		Выпускник образовательной программы на основе знаний, умений, навыков,... Целями дисциплины «Банковское дело» при подготовке будущего бакалавра в области коммерции являются
	Программа дисциплины статистика автор: к э. н., проф. А. Н. Пономаренко. Москва ...		Рабочая программа по дисциплине Целью освоения дисциплины «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» является формирование базовых, системных и информационных...
	Рабочая программа по дисциплине Целью освоения дисциплины «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» является формирование базовых, системных и информационных...		Аналитическая химия учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,...
	План работы школьного методического объединения учителей естественных Продолжить совершенствование уровня педагогического мастерства учителей естественных наук, физической культуры и их профессиональных...		Название: «Введение в психофизиологию» Связь общего курса с основными дисциплинами (разделами, темами) блока и специализации: курс обеспечивает психофизиологический, и,...
	Неделя естественных наук – физика, биология, география Неделя естественных наук проходила в школе с 3 по 7 декабря 2012 года. Цели и задачи недели естественных наук		Аннотация рабочей программы дисциплины Химия неорганическая и аналитическая «Химия неорганическая и аналитическая» на основе модульной технологии обучения составлена для студентов очной формы обучения в соответствии...
	Учебно-методический комплекс предназначен для студентов 1 курса факультета... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов 1 курса факультета естественных наук, направление подготовки 020400 «Биология...		Учебно-методический комплекс предназначен для студентов IV курса... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов IV курса факультета естественных наук, направление подготовки 03. 01 «Биология...