Проектно-ориентированное обучение в профессиональной подготовке бакалавров направления "Химия"

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. Напри- мер, 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 измель- ченных 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, пробопод-готовка (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».

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.

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	+			+	+

Результаты о бучения:

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИОБРЕТЕНИЕ ЗНАНИЙ

2. ЭТИКА, СПРАВЕДЛИВОСТЬ И ДРУГИЕ

• 3.    РАБОТА В КОМАНДЕ

• 4.    КОММУНИКАЦИИ

• 5.    ПРОЕКТИРОВАНИЕ (Процесс проектирования системы, Стадии и методы проектирования. Применение знаний при проектировании. Междисциплинарный проект, Обеспечение устойчивости, безопасности, эстетичности, управляемости системы) б. ПРИМЕНЕНИЕ (Проектирование и оптимизация устойчивых и безопасных процессов эксплуатации, Обучение применению, Поддержка жизненного цикла продукции (системы), Системны е улучшения и

• эволюция продукции, Управление эксплуатацией)

Компетенции ФГОС (3++):

• 1.    ОПК-1. Способен анализировать и интерпретировать результаты химических экспериментов, наблюдений и измерений

• 2.    УК-5. Способен воспринимать межкультурное разнообразие общества в социально-историческом, этическом и философском контекстах

• 3.    УК-3. Способен осуществлять социальное взаимодействие и реализовывать свою роль в команде

• 4.    УКЛ. Способен осуществлять деловую коммуникацию в устной и письменной формах на государственном языке Российской Федерации и иностранном(ых) языке(ах)

• 5.    УК-2. Способен определять круг задач в рамках поставленной цели и выбирать оптимальные способы их решения, исходя из действующих правовых норм, имеющихся ресурсов и ограничений

• 6.    ОПК-2. Способен проводить с соблюдением норм техники безопасности химический эксперимент, включая синтез, анализ, изучение структуры и свойств веществ и материалов, исследование процессов с их участием

Рис. 1. Результаты обучения CDIO Syllabus и компетенции ФГОС (3++), реализуемые в дисциплинах «Введение в проектную деятельность» и «Проектная деятельность» бакалавриата «Химия»

Введение в проектную деятельность (1-2 семестр) и

Проектная деятельность (ЗЛ семестр)

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 об- разовательных программ по направлениям бакалавриата 04.00.00 «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.).