PROJECT-ORIENTED TRAINING IN PROFESSIONAL LEARNING OF BACHELORS IN CHEMISTRY

Full Text

Инициатива CDIO (Conceive - Design - Implement - Operate) - крупный международный проект по реформированию базового инженерного образования, начатый в октябре 2000 г. в Массачусетском технологическом институте (MIT, США) с участием ученых, преподавателей и представителей промышленности. В начале 2013 г. Агентство стратегических инициатив (АСИ) приступило к работе по содействию ускоренному внедрению стандартов CDIO в российской образовательной системе. Цель инициативы - приведение содержания и результативности образовательных программ в соответствие с уровнем развития современных технологий и ожиданиями работодателей. Сургутский государственный университет присоединился к Международной инициативе инженерного образования CDIO в июне 2017 г. на XIII Международной конференции в Университете Калгари с тремя программами бакалавриата, в том числе «Химия» (Petrova et al. 2018). 12 стандартов CDIO выступают в качестве руководящих принципов для реформы образования и оценки образовательных программ, создавая ориентиры и цели для применения во всем мире, а также обеспечивая возможность для непрерывного совершенствования (Crawley 2013). Стандарты 4 и 5 посвящены вводным курсам в инженерную деятельность и опыту ведения проектно-внедренческой деятельности. В соответствии со стандартом 4 Международной инициативы CDIO в реформированный учебный план была добавлена новая дисциплина «Введение в проектную деятельность» (1-2 семестры), которая закладывает основы инженерной практики и проектной деятельности в области создания продуктов (химических веществ и материалов) и систем (методов и технологий) и нацелена на обучение основным личностным и межличностным компетенциям. В 1-м семестре студенты-химики погружаются в теорию проектной деятельности, во 2-м семестре выбирают направление проекта (например, создание новых материалов для покрытия кремниевых солнечных батарей или создание системы химического мониторинга за состоянием растений, выращенных в закрытых системах) и собираются в команду. Руководителем проекта студенческой команды является преподаватель, который помогает студентам сформулировать цель и задачи проекта, а также планировать этапы работы в проекте. Куратором проекта преподаватель назначает студентов 5-го курса или аспирантов, которые помогают студентам 1-го курса распределять задачи между членами команды и контролируют выполнение этапов проекта. Кроме того, руководитель и куратор имеют профессиональные компетенции, которые позволяют обучать студентов навыкам создания продуктов и систем. Например, студенты получают нанокомпозитные материалы с полупроводниковыми свойствами, используя технологию молекулярного импринтинга перилендиимидных красителей на поверхности наночастиц диоксида титана; или создают систему химического мониторинга за состоянием растений в междисциплинарном проекте «Локальная ферма», реализуемом в Институте естественных и технических наук Сургутского университета. Остановимся подробнее на последнем проекте. Локальные (вертикальные) фермы представляют собой многоярусные или трубчатые гидропонные установки, в которых выращивают, как правило, целый ряд культур зелени и салата, используя солнечное или искусственное освещение системой ламп. Такие фермы производительностью, более чем в 100 раз превышающей производительность традиционных тепличных хозяйств, появились в США, Японии, Сингапуре и странах Европы. Они способны производить сотни тонн продукции ежегодно, обеспечивая продовольственную безопасность населения городов и целых регионов. Сущность проекта Сургутского университета заключается в создании автоматизированной технологии выращивания растительных культур в закрытом грунте по принципам агрофотоники в локальных (вертикальных) фермах и интеллектуальной системы управления ресурсами локальной фермы. Технология предусматривает получение готовой продукции из предварительно проращиваемых семян, тем самым она может быть реализована в любых климатических условиях при наличии семенного материала, а также в удаленных и труднодоступных районах Севера и Арктики, обеспечивая коренное население и вахтовиков свежей продукцией, богатой питательными веществами и витаминами. По сравнению с мировыми аналогами в данном проекте будет создана автоматизированная система управления гидропонными установками локальных ферм с использованием контроллеров, камер видеонаблюдения, датчиков и системы химического мониторинга. Контроль качества и состояния растений каждой выращенной партии проводят с использованием методов химического анализа. Комплекс методик химического анализа, определяемые показатели и полученные данные о качестве растительной продукции и состоянии растений формируют систему химического мониторинга, которая хранится в облачной базе данных. Облачный сервер служит хранилищем для истории наблюдения за параметрами фермы, а также каналом связи между удаленным клиентом и контроллером. Удаленный клиент представляет собой web-приложение, с помощью которого осуществляется первоначальная настройка фермы, а также наблюдение и управление процессом выращивания растений. Все части системы связаны с помощью глобальной сети Интернет. Проект «Локальная ферма» в Сургутском университете был запущен в октябре 2018 г. Первая пробная партия растений (14 видов салатных овощных культур и эфиромасличных растений) была получена в декабре 2018 г. Срезанные образцы были переданы для проведения химического анализа. Образцы хранили в холодильнике не более 2 суток. Для формирования системы химического мониторинга была организована команда, состоящая из пяти студентов 1-го курса бакалавриата «Химия», двух аспирантов, двух лаборантов и преподавателя кафедры химии. Для запуска системы мониторинга были выбраны три методики определения сухого вещества гравиметрическим методом, нитратов методом ионометрии и элементного состава методом рентгенофлуоресцентного анализа. Использовали стандартные методики: ГОСТ 26671-2014 «Продукты переработки фруктов и овощей, консервы мясные и мясорастительные. Подготовка проб для лабораторных анализов», ГОСТ 29270-95 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения нитратов» и ГОСТ 28561-90 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения сухих веществ или влаги». Студенты выполняли экспериментальные исследования командой под руководством и наблюдением кураторов, которые также обучали их работе с используемым оборудованием: сушильные шкафы, муфельная печь, иономеры с нитрат-селективными электродами, энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор. Полученные результаты по нормируемым показателям (нитратам и тяжелым металлам) сравнивали с допустимыми уровнями содержания нитратов для свежего салата, выращенного в защищенном грунте с 1 октября по 31 марта (СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов», раздел 1.6 «Плодоовощная продукция»), - 4500 мг/кг, и предельно допустимыми концентрациями (ПДК) тяжелых металлов в растениях (Baker 1981). Определение сухого вещества проводили в трех образцах салатных культур термогравиметрическим методом предварительно измельченных растиранием в ступке проб. Нитраты извлекали раствором алюмокалиевых квасцов с последующим определением концентрации нитратов с помощью ионоселективного нитратного электрода методом градуировочного графика. Повышение допустимого содержания нитратов в исследованных сортах салата может быть вызвано как индивидуальными особенностями растений (способностью растений аккумулировать нитраты в значительной степени зависит от их вида и сорта), так и низкой освещенностью и влажностью в лаборатории. При снижении освещенности и влажности концентрация нитратов в различных культурах может увеличиться в 2-10 раз (Андрющенко 1983). Элементный анализ проводили после сухого озоления 14 образцов культур в муфельной печи при температуре 500 °С в течение 4 ч. Полученную золу прессовали в таблетки массой 2,5-2,7 г диаметром 20 мм с борной кислотой (о.с.ч.) в качестве подложки с помощью лабораторного гидравлического пресса. Измерения интенсивности флуоресценции рентгеновского излучения атомов проводили на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-8000 (Шимадзу, Япония) под вакуумом. Содержание элементов в пробах рассчитывали с использованием программного приложения PCEDX-Pro методом фундаментальных параметров. Растения - промежуточное звено, через которое переходят элементы из почвы, воздуха, воды в организмы животных и человека. В исследованных образцах растений были найдены как макро- (калий, кальций, магний, фосфор, сера), так и микроэлементы (железо, цинк, медь, стронций и др.). К нормируемым суперэкотоксикантам относят тяжелые металлы, которые различают по классам опасности (Baker 1983): свинец - 1-й класс; хром, молибден, медь - 2-й класс; марганец - 3-й класс опасности. Из них в исследованных образцах обнаружены только марганец и медь. Следовательно, растения в защищенном грунте практически не накапливают тяжелые металлы и более безопасны по сравнению с выращенными в открытом (незащищенном) грунте, который подвержен техногенному загрязнению. Задачи, поставленные студентам в проекте преподавателем и кураторами, можно разделить на пять групп: обзор литературы по методам химического анализа растений, пробоподготовка (измельчение, экстракция, озоление и др.), измерения, обработка результатов и подготовка отчета, подготовка презентации и защита проекта (см. табл.). Студенты распределяли работы в проекте самостоятельно, придерживаясь принципов этики, честности, справедливости, доверия и лояльности. Каждую экспериментальную задачу в трех определениях (сухих веществ, нитратов и элементного состава) выполняли 1-2 студента. Кроме того, студенты, которые делали литературный обзор по выбранному из трех определений, занимались обработкой результатов и подготовкой отчета, части презентации и доклада по этому определению. Следовательно, каждый из пяти студентов в своей работе выполнял все виды задач проекта. В конце второго семестра студенты защищают проект на кафедре химии. Представлять результаты проекта могут один или несколько членов команды, в дискуссии принимают участие все студенты группы, а оценивает студентов комиссия из преподавателей кафедры. По итогам защит и представленного отчета студенты получают зачет по дисциплине «Введение в проектную деятельность». Таблица Распределение задач в проекте Студент Задачи Обзор литературы Пробоподготовка Измерения Обработка результатов и отчет Презентация и доклад 1. Определение сухих веществ Студент 1 + + + Студент 2 + Студент 3 + Студент 4 + Студент 5 + 2. Определение нитратов Студент 1 + Студент 2 + + + + Студент 3 + + + Студент 4 + Студент 5 + 3. Элементный анализ Студент 1 + Студент 2 + Студент 3 + Студент 4 + + + + Студент 5 + + + Итогом проектной деятельности студентов-химиков 1-го курса, интегрированной в междисциплинарный проект СурГУ «Локальная ферма», явилось создание системы химического мониторинга состояния и качества растений, выращенных в защищенном (закрытом) грунте. Такая система мониторинга позволяет оптимизировать технологию выращивания различных культур в лабораторных условиях (на стадиях реализации проекта), а также может быть использована в условиях производства продукции растениеводства. На 2-м курсе команда студентов продолжает работу в проекте по дисциплине «Проектная деятельность». Главная задача второго этапа заключается в подтверждении выдвинутых гипотез (исследование физико-химических свойств веществ и материалов, оптимизация технологий) и апробации созданных продуктов и систем в реальных условиях. На этом этапе студенты не только получают новые знания о методах исследования, но и приобретают опыт работы на аналитическом оборудовании и обработки результатов анализа. Кроме того, апробация продуктов и систем может проходить на предприятиях индустриальных партнеров университета. Следовательно, результат проекта может оценивать представитель индустриального партнера, которого приглашают на защиту проекта. Так, в проекте «Локальная ферма» на 2-м курсе студенты-химики продолжают расширять созданную систему химического мониторинга новыми методами химического анализа растений, апробируют ее в реальных условиях с новыми объектами, оптимизируют технологию выращивания продукции растениеводства, формируют облачную систему данных мониторинга. В соответствии с перечнем планируемых результатов обучения выпускников образовательных программ в области техники и технологий (CDIO Syllabus), который был выработан участниками Всемирной инициативы CDIO (Crawley 2001), провели сравнительный анализ и согласование содержащихся в нем требований с компетенциями бакалавров направления 04.03.01, изложенными в новых стандартах ФГОС (3++) и реализуемых в дисциплинах «Введение в проектную деятельность» и «Проектная деятельность» (см. рис. 1). Было показано, что требования к результатам обучения хорошо согласуются с компетенциями в категориях общепрофессиональных навыков (ОПК-1 и ОПК-2), межкультурного взаимодействия (УК-5), командной работы и лидерства (УК-3), коммуникации (УК-4), разработки и реализации проектов (УК-2) . Это демонстрирует применимость стандартов CDIO к реализации образовательных программ по направлениям бакалавриата 04.00.00 «Химия». Рис. 1. Результаты обучения CDIO Syllabus и компетенции ФГОС (3++), реализуемые в дисциплинах «Введение в проектную деятельность» и «Проектная деятельность» бакалавриата «Химия» Таким образом, в соответствии со стандартом 5 CDIO студенты 1-го и 2-го курсов в программе бакалавриата «Химия» участвуют в проектной деятельности в двух дисциплинах «Введение в проектную деятельность» (1-2 семестры) и «Проектная деятельность» (3-4 семестры) по проектированию и созданию продуктов (изделий), например, системы химического мониторинга. На 1-м курсе студент выполняет проект на начальном уровне, где формируются теоретические (знание методов химического анализа растений, включая методы пробоотбора и пробоподготовки) и практические компетенции (умение воспроизводить методики химического анализа, навыки работы с лабораторной посудой, реактивами и на специализированном оборудовании), а на 2-м курсе - на продвинутом уровне, где формируются практические компетенции (умение ставить аналитическую задачу, проектировать схему химического анализа, оптимизировать методики анализа, обрабатывать результаты и навыки работы с большими данными, используя облачные технологии). Наряду с профессиональными компетенциями студенты развивают свои личностные и межличностные компетенции (коммуникативность, гибкость, умение работать в команде), а также повышают уровень личной мотивации к инженерным профессиям (инженер-технолог, лаборант химического анализа и др.).

About the authors

Yu. Yu Petrova

Surgut State University

Candidate of Chemical Sciences, Director of the Institute of Natural and Technical Sciences, Associate Professor of Chemistry Department

E. V Sevast'yanova

Surgut State University

Candidate of Chemical Sciences, Head of Chemistry Department, Associate Professor of Chemistry Department

References

Supplementary files