Инновационные образовательные технологии в учебном процессе по подготовке бакалавров инженерно-технического профиля с применением математического редактора Mathcad

Е.О. Забенькина, И.В. Артамонова
Московский государственный технический университет «МАМИ»,
г. Москва

В связи с изменением целей высшей школы существенно возрастает роль технологий обучения, ориентированных на развитие личности, её способности к научно-технической и инновационной деятельности. Переход на инновационную инженерную деятельность достигается за счёт, прежде всего, содержания, методов обучения и наукоемких технологий образования. Как показывает опыт ведущих отечественных и зарубежных вузов, в ряду приоритетных выделяются технологии обучения, базирующиеся на использовании персональных компьютеров, телекоммуникационных систем, программных продуктов для моделирования различных процессов. Преимущества информационной технологии заключаются в: возможности организации процесса познания, поддерживающего деятельностный подход к учебному процессу; индивидуализации учебного процесса; коренном изменении организации процесса познания путем смещения ее в сторону системного мышления; возможности построения открытой системы образования, обеспечивающей каждому индивиду собственную траекторию обучения и самообучения.

Выполнение профессиональных обязанностей кадрами инженерно—технического профиля в высокотехнологичных, наукоемких передовых отраслях промышленности в настоящее время невозможно без использования современных информационных технологий (ИТ). Подготовленный выпускник технического профиля должен уметь грамотно построить математическую модель задачи, выбрать оптимальный метод решения с учетом оценки рисков, суметь решить задачу с минимальными временными затратами и правильно интерпретировать результаты. При этом преимуществом на рынке труда будет обладать выпускник, владеющий навыками использования прикладных математических программ.

Одним из эффективных инструментов проведения научных исследований в области математического моделирования является современный многофункциональный интегрированный пакет MathCаd, в котором представлены современные методы и алгоритмы решения задач. Они позволяют не только решать широкий класс задач (от простых арифметических вычислений до решения уравнений с частными производными; решения задач оптимизации; проверки статистических гипотез), но и изящно описывать свой вычислительный алгоритм решения задачи и оформлять результаты на современном уровне. Программа имеет хорошие графические средства, позволяющие наглядно отображать результаты, как на плоскости, так и в пространстве.

В современной научно-методической литературе достаточно подробно рассмотрены достоинства, области применения и технические возможности использования информационных систем в учебном процессе. Значительно в меньшей степени освещены в периодических изданиях вопросы теории и практики моделирования. В то же время влияние моделирования (как метода изучения реальных объектов на моделях той же или иной химической природы) на содержательную часть обучения неизмеримо выше. Это относится, прежде всего, к методам математического моделирования (аналоговому, компьютерному), которые в сочетании с современными техническими средствами дают возможность решать достаточно сложные научно-технические задачи с использованием строгих теоретических моделей.

В МГТУ «МАМИ» накоплен опыт использования математической системы MathCad при изучении различных разделов курса химии, например, таких как физико-химические основы процессов в металлургии. Сокращение и отсутствие стратегически важных месторождений оксидов и их соединений (железа, марганца, молибдена, меди, никеля, кобальта, хрома) широко используемых в металлургических процессах требуют разработки рациональных технологий переработки обедненных руд с целью извлечения необходимых соединений. Основой технологии служат реакции растворения и выщелачивания, заключающееся в установлении природы лимитирующих стадий, что позволяет предложить новые эффективные технологии переработки сырья. Большинство технологических процессов получения соединений металлов из различного техногенного оксидного сырья в металлургии до сих пор не оптимизированы, т.к. не проводилось теоретическое и экспериментальное моделирование процессов растворения оксидов и солей металлов.

Так, например, в лабораторных условиях проводится исследование кинетики выщелачивания оксидов марганца различных степеней окисления в растворах серной кислоты из обедненных руд. Найдено, что уменьшение скорости растворения Mn₂O₃, Mn₃O₄ в серной кислоте происходитвследствие неполного растворения оксидов марганца, что связано с реакциями диспропорционирования: .

С целью подавления реакций диспропорционирования изучено влияние щавелевой кислоты при различных концентрациях, рН и температурах. [1].

Рис. 1. Зависимость доли растворенного оксида (α) от времени (t, мин) при растворении диоксида марганца в щавелевой кислоте различных концентраций (моль/л): 1 – 0,005; 2 – 0,0075; 3 – 0,01; 4 – 0,02; 5 – 0,03; 6 – 0,04. (Т=353К)

На рис.1 представлены экспериментальные кинетические кривые зависимости доли растворенного диоксида марганца от времени при растворении в щавелевой кислоте различных концентраций с использованием редактора MathCad. Найдено, что оптимальное соотношение концентраций оксалат-ионов и ионов марганца при 80 ⁰С составляет 1:10. С целью поиска оптимальных режимов выщелачивания оксидов марганца из техногенного сырья исследовано влияние рН. Математический редактор MathCad позволяет быстро и эффективно воспроизводить системный анализ кинетических кривых (a-t) с целью определения удельной скорости растворения (W), что необходимо при создании рациональных технологий и их оптимизации.

При изучении химии основным методом анализа химических процессов являются теория и химический эксперимент. При этом возможности теоретического решения задач, например, по разделу кинетики, как правило, ограничено громоздким решением последовательных уравнений, а реализация тонкого химического эксперимента обычно сопряжена с большими затратами на материальное оснащение современной лаборатории. По нашему мнению, применение моделирования в учебном процессе рационально, прежде всего, для совершенствования лабораторного химического практикума. При экспериментальном изучении закономерностей скорости растворения окисных пленок, являющихся вторичным продуктом отложений, образующихся на конструкционных материалах, приводящих к его быстрому износу, вследствие происходящих коррозионных разрушений, на существующем лабораторном оборудовании определятся, как правило, доля растворенного вещества при различных условиях эксперимента (температура, концентрация, рН среды, вводимые добавки различной природы), но не осуществима визуализация течения и изменения скоростных закономерностей, в зависимости от заданных параметров, с целью понимания физико-химической сущности происходящих явлений и возможности управления процессами. К примеру, выполняя лабораторную работу с использованием кинетического реактора, студенты имеют возможность визуально наблюдать изменение окраски растворяющейся навески вещества при непрерывном перемешивании раствора различными мешалками, с заданными оборотами вращений, для устранения возможных диффузионных затруднений во взвешенном состоянии частиц, получить данные для определения скоростных характеристик процесса расчетным путем. Вместе с тем на имеющейся установке невозможны более детальное изучение структуры растворения, которое может проходить во всем объеме вещества или только по активным центрам растворения, учет зародышеобразования активных центров, распределение скоростей растворения в центрах зародышеобразования и, как следствие, получение данных для сопоставления результатов опыта с известными теоретическими положениями. Ярчайшим примером сложности растворения твердых тел, к которым принадлежат оксиды, является их представление фракталами. Это показывает интегрированную взаимосвязь с такой дисциплиной, как геометрия, которая необходима инженеру для развития пространственного воображения.

Поэтому, расширить и качественно улучшить содержательную часть лабораторных работ можно путем моделирования изучаемых физико-химических параметров кинетических процессов с использованием выше упомянутого программного продукта MathCad. Моделирование позволяет расширить диапазон изучаемых режимов и кинетических параметров, выполнить анализ по эффективности использования растворяющего агента, уяснить физико-химическую сущность наблюдаемых явлений и др. По своей сути рассматриваемое нововведение представляет собой сочетание известных способов изучения кинетических процессов (натурный эксперимент и математическое моделирование), которое дает качественно новый результат в обучении, способствуя развитию профессионально-творческой деятельности. В рамках такой модели обучения возможны постановка и реализация учебно-исследовательских задач, когда на фоне активизации познавательной деятельности студентов решается и важный дидактический принцип - получение новых инструментальных знаний о способах деятельности. Рассматриваемая технология обучения в большей степени соответствует целям высшего профессионального образования.

Список литературы

1. Артамонова И.В., Горичев И.Г., Забенькина Е.О., Годунов Е.Б., Русакова С.М.Изучение кинетики растворения диоксида марганца в растворах лимонной и щавелевой кислот /Известия МГТУ «МАМИ».2010г. Вып.(2).

2. 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 2009–2013годы» и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2011−2012 гг.» – контракты № 5.3., 5.6. 

Назад к списку