Лабораторные работы по химии как средство профессионально направленной химической подготовки будущих специалистов механизации сельского хозяйства

В статье показана роль профессионально ориентированных работ по химии как средства профессионально направленной химической подготовки будущих специалистов механизации сельского хозяйства, приводятся примеры лабораторных работ по химии, которые используются в образовательном процессе Урюпинского агропромышленного техникума.

Динамическое развитие экономики, повышение требований рынка труда к качеству подготовки выпускников учебных заведений потребовали перестройки системы образования в учебных заведениях СПО, в основу которой легло более четкое определение статуса и значения в этой системе курсов общеобразовательных дисциплин. Коснулось это и предмета «химия».

Обучение в техникуме должно не только обеспечить студентов знаниями фундаментальных основ химии, но и умением активно применять эти знания в своей будущей профессиональной деятельности. Изучение химии положительно сказывается на формировании общей и профессиональной компетентности будущего специалиста. Курс данной дисциплины сочетает общие и специфические задачи, связанные с профилем и спецификой специальности «Механизация сельского хозяйства», создает базу знаний необходимых для успешного освоения студентами обще профессиональных и специальных дисциплин. Поэтому преподавателю химии необходимо знать приоритетные профессиональные потребности обучающихся. В основе построения курса химии лежит содержание базового химического ядра, с одной стороны, и профессионально ориентированной части, содержащей наиболее значимые области применения химических теорий, - с другой. Одним из средств, позволяющих наиболее оптимально реализовать принцип профессиональной направленности обучения по химии, являются лабораторные работы профессионально ориентированного содержания.

Основные цели профессионально ориентированных лабораторных работ: экспериментальное подтверждение изученных теоретических положений; ознакомление с методикой проведения исследований; преобразование знаний в умение и навыки; овладение обучающимися способами деятельности, необходимыми для избранной специальности, а также подготовка студентов к будущей профессиональной деятельности. Лабораторные работы обязательно должны включать задания, иллюстрирующие роль химических знаний в профессиональной деятельности.

Лабораторные работы составлены на основе действующих программ для учреждений СПО, осуществляющих подготовку по специальности «механизации сельского хозяйства». Профессиональный компонент содержащийся в лабораторных работах иллюстрирует процессы которые протекают в растительных организмах: обмен веществ, приспособление к среде и т. д. Знание этих процессов поможет будущим специалистам сельского хозяйства определять методы и приемы повышения общей продуктивности растительных организмов; разработать систему мероприятий для увеличения урожая плодов и семян, сохранения и повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды; находить конкретные, оптимальные приемы по защите металлических деталей сельскохозяйственных машин от коррозии и т. д. В качестве примера можно провести лабораторные работы «Влияние концентрации раствора на прорастания семян», которые можно использовать при изучении раздела химии «Растворы»

Лабораторная работа № 11

Тема. Влияние концентрации раствора на прорастание семян

Материалы и оборудование: 1) семена пшеницы или других растений; 2) 1,0, 0,1 и 0,01 М растворы NаС1; 3) бюретки с воронками (4 шт.); 4) весы технические с разновесами; 5) разборная доска; 6) пинцет; 7) чашки Петри (4 шт.); 8) чистый сухой песок; 9) бумага; 10) клей; 11) пинцет; 12) миллиметровая линейка.

Краткий теоретический материал. Первый этап поступления воды в сухие семена обусловлен набуханием гидрофильных коллоидов, особенно белков, притягивающих воду с силой до 100 МПа. По мере увеличения количества воды в клетках эта сила быстро уменьшается и у вполне насыщенных водой семян падает почти до нуля. Дальнейшее поступление воды в семена происходит осмотически. На прорастание семян и рост проростков большое влияние оказывает концентрация растворимых солей в почве, точнее, разность между осмотическим давлением клеточного содержимого и почвенного раствора: чем больше эта разность, тем легче поступает вода в клетки.

Для понимания результатов данного опыта нужно иметь в виду, что осмотическое давление клеточного сока у молодых проростков обычно не превышает 1 МПа.

Ход работы. Насыпать в четыре чашки Петри по 50 г песка, снабдить чашки этикетками и смочить песок в 1-й чашке 10 мл 1 М раствора NаС1, во 2-й – 10 мл 0,1 М раствора NаС1, в 3-й – 10 мл 0,01 М раствора NаС1, в 4-й – 10 мл воды. Отобрать на разборной доске 4 порции по 20 шт. неповрежденных и по возможности одинаковых семян. Поместить семена в чашки, разложив их равномерно по поверхности песка, закрыть чашки крышками и поставить в темное место. Держать чашки закрытыми 2-3 дня, затем открыть крышки и ежедневно поливать соответствующими растворами. Через неделю определить размеры проростков, для чего взять из каждой чашки 10 проростков (подряд, не выбирая), измерить длину надземных частей и корешков (если у одного проростка несколько корешков, измерить один самый длинный) и найти среднее арифметическое из всех 10 измерений.

Вычислить осмотическое давление растворов по формуле π = RТСi.

Результаты записать в таблицу:

А такая работа как «Взаимодействие металлов с неметаллами, а также с растворами солей и растворами кислот» указывает на профессиональную деятельность специалистов о способах защиты металлов от коррозии.

Лабораторный опыт № 28

      Тема: Взаимодействие металлов с неметаллами, а также с растворами солей и растворами кислот.

Цель: Овладение умениями работы с реактивами, навыками проведения химических реакций в лабораторных условиях по взаимодействию металлов с неметаллами, а также с растворами солей и растворами кислот; взаимодействию серной и азотной кислот с медью. Определение окислительных свойств перманганата калия в различных средах

Оборудование и реактивы: фарфоровая чашечка, дистиллированная вода, порошок йода, кусочек натрия, стружка магния, раствор концентрированной и разбавленной серной кислоты, раствор гидроксида натрия, раствор гидроксида калия, алюминиевая фольга, кусочек цинка, хлорид железа (III), сульфат меди (II), нитрат свинца (II),концентрированная и разбавленная азотная кислота, кусочек меди,раствор перманганата калия, раствор сульфита натрия.

Теоретические основы

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Описание опыта

Схемы реакций

Наблюдения и выводы

        Задание 1. Изучение взаимодействия металлов с неметаллами, а также с растворами кислот и солей.

А) Взаимодействие металлов с неметаллами.

1. Смесь порошка цинка и мелко растертого порошка йода (1:1) поместите горкой в фарфоровую чашечку, затем в середину кучки добавьте из пипетки несколько капель воды. Опишите наблюдения, запишите уравнение реакции.
2. В широкую пробирку, закрепленную в лапке штатива, поместите несколько кристалликов йода и нагрейте пробирку до появления фиолетовых паров. В ложечке для сжигания нагрейте кусочек натрия до его расплавления и внесите в пробирку с йодом. Напишите уравнение протекающей реакции.
3. Тщательно перемешайте порошки серы и цинка (1:1) и поместите их в фарфоровую чашечку. Небольшую порцию смеси медленно посыпьте сверху на пламя спиртовки. Наблюдайте синевато-белые вспышки, сопровождающиеся образованием сульфида цинка.

Задание 2. Взаимодействие серной и азотной кислот с медью.

А) Взаимодействие меди с серной кислотой.

1. В пробирку поместите кусочек меди. Добавьте в пробирку на ¼ от объёма концентрированной серной кислоты и осторожно (обязательно подтягой!) нагрейте на спиртовой горелке. Какие вещества получаются? Составьте уравнение происходящей реакции, укажите процессы окисления и восстановления, подберите коэффициенты путём составления электронногоили ионно-электронного баланса.
2. В пробирку поместите кусочек медии прибавьте немного разбавленной серной кислоты. Составьте уравнение реакции, укажите процессы окисления и восстановления,подберите коэффициенты путём составления электронного или ионно-электронного баланса.

Профессиональные компетенции, полученные в ходе выполнения первой работы, могут быть применены студентами в будущей профессиональной деятельности для определения концентрации применяемых химических и биологических веществ при обработке семян от болезней и при их внекорневой подкормке, а при выполнении второй – защита металла от коррозии. А работы «Влияние ионов калия на состав почвы», рекомендуется проводить при изучении химии элементов и разделов биологии: «Минеральное питание растений».

Лабораторная работа № 8

Тема. Определение калия в почве

Цель работы: овладеть методом определения калия в почвенных объектах.

Теоретическое обоснование

В разных почвах количество калия колеблется от 0, 5 до 3% и зависит от их гранулометрического состава. Все почвы, за исключением торфяных и рыхло-песчаных, характеризуются высоким валовым содержанием калия (К₂О) – 1,2-2,5%, или 35-75 т на 1 га пахотного слоя. Преобладающая часть калия связана с глинистыми частицами почвы.               Поэтому существует прямая связь между механическим составом почв и содержанием в них калия. Чем больше в почве мелкодисперсных частиц, тем больше в ней калия.

Соединения калия по степени подвижности и доступности для растений можно разделить на следующие группы:

1. Калий, входящий в состав прочных алюмосиликатных минералов, главным образом полевых шпатов (ортоклаза) и слюд (мусковита, биотита).

Калий полевых шпатов для растений малодоступен. Но под влиянием воды, изменений температуры среды и деятельности почвенных микроорганизмов происходит постепенное разложение этих минералов с образованием растворимых солей калия.

2. Калий обменный, поглощенный почвенными коллоидами, составляет 1,5% общего содержания этого элемента в почве. Ему принадлежит основная роль в питании растений. Хорошая доступность для растений обменного калия обусловлена его способностью при обмене с другими катионами легко переходить в раствор, из которого он усваивается растениями. При усвоении растениями калия из раствора новые порции его переходят из поглощенного состояния в почвенный раствор. По мере использования обменного калия этот процесс замедляется, а остающийся калий все прочнее удерживается в поглощенном состоянии.

Содержание обменного калия может служить показателем степени обеспеченности почвы усваиваемым калием. Типичные черноземы и сероземы богаче обменным калием, чем дерново-подзолистые почвы, особенно песчаные и супесчаные.

3. Водорастворимый калий представлен разными солями, растворенными в почвенной влаге (фосфаты, нитраты, сульфаты, хлориды, карбонаты калия), которые непосредственно усваиваются растениями. Содержание его в почве незначительно, так как из раствора калий сразу переходит в поглощенное состояние и потребляется растениями.

Водорастворимый калий в некоторых почвах может поглощаться в необменной форме, в результате снижается его доступность для растений. Необменная фиксация калия сильно выражена в черноземах и сероземах, особенно при их попеременном увлажнении и высушивании.

У зерновых культур калия содержится больше в соломе, чем в зерне, а у картофеля и свеклы – больше в ботве, чем в клубнях и корнях. При более полном использовании растительных отходов в корм и на подстилку скоту большая часть калия с навозом снова возвращается в почву.

ПДК калия в пересчете на хлористый калий составляет 560 мг/кг.

Приборы, посуда, реактивы: прибор ВИУА; цилиндр; кобальтнитрит натрия; пипетки; пробирки; штатив.

Ход работы

Запас калия в подзолистых почвах определяют с помощью прибора ВИУА. Главная часть его – шкала из восьми запаянных пробирок, помещенных в штатив с темной задней стенкой. В пробирках находится желто-оранжевая жидкость, а на дне осадок. Перед работой все пробирки тщательно встряхивают, и жидкость в пробирках становится мутной.

В первой пробирке осадка нет, поэтому после встряхивания в ней не образуется никакой мути. Во второй после встряхивания появляется небольшая муть, в третьей – больше, в четвертой – еще больше. А в последних пробирках шкалы осадок большой, и после встряхивания образуется большая муть. На фоне темной стенки штатива пробирки хорошо отличаются одна от другой по количеству мути.

Кроме шкалы, в приборе имеются реактивы и посуда, необходимые для определения калия в почве.

На технических весах взвешивают 20 г сухой почвы. Почву пересыпают в стакан или колбу. Реактив А 1 перемешивают так, чтобы поднялся осадок со дна бутылки. Цилиндром отмеривают 50 мл реактива А и заливают им почву в стакане или колбе. Содержание стакана перемешивают палочкой в течение 5 минут (в колбе взбалтывают). После этого суспензию фильтруют. Первые порции фильтрата отбрасывают. Вытяжку отфильтровывают полностью. В пробирку с меткой на 5 мл мерным черпачком насыпают 0,2 г сухого кобальтнитрита натрия и приливают туда 5 мл фильтрата (до метки на пробирке). Пробирку встряхивают до полного растворения кобальтнитрита натрия и оставляют на 30 минут.

После отстаивания пробирку снова встряхивают, чтобы взболтать осевший осадок, и сравнивают со шкалой образцовых пробирок. Пробирки образцовой шкалы перед этим тоже встряхивают.

Испытуемую пробирку помещают рядом с образцовыми; держат в руках и стоят, повернувшись спиной к свету.

Найдя пробирку образцовой шкалы, которая по мутности больше всего подходит к испытуемой пробирке, записывают ее номер в журнал против номера почвы, взятой на анализ.

Во время анализа нужно обязательно измерить температуру раствора в пробирках.

Содержание калия в почве рассчитывают по табл. 8 и выражают в условных единицах содержания оксида калия в миллиграммах на 100 м почвы (К₂О мг/100 г почвы).

Если муть в испытуемой пробирке гуще, чем муть в восьмой пробирке, вытяжку разбавляют. Делается это так: в пробирку насыпают 0,2 г кобальтнитрита натрия и туда приливают отмеренный пипеткой 1 мл или 2,5 мл фильтрата. Раствор доливают до метки отфильтрованным реактивом А. Потом пробирку встряхивают, отстаивают 30 минут, снова встряхивают и сравнивают с образцовой шкалой.

Если температура в пробирке отличается от приведенных в табл. 8 значений, берут по таблице графу с температурой, более близкой к замеренной.

Таблица 8

Расчет содержания К₂О в почве

Если температура раствора одинаково отличается от значений, приведенных в таблице, находят оба результата по таблице, складывают их и делят пополам.

По содержанию калия все почвы делятся на следующие пять групп

По анализам почв на содержание калия составляют агрохимическую цветную картограмму.

Вопросы для самоподготовки

1. Особенности круговорота калия.
2. Содержания калия в различных типах почв.
3. Связь содержания калия и механического состава почвы.
4. Классификация калия по подвижности и доступности растениям.
5. ПДК калия в почве.

Приобретенное в ходе выполнения данных работ умения могут пригодиться будущим специалистам при выполнении мероприятий по оптимизации минерального питания растений и подготовки почвы.

Для повышения познавательной активности обучающихся на лабораторных занятиях по химии нами используется различные типы таких работ:

• сравнительно простые работы, иллюстрирующие теоретические положения лекционного курса, которые могут бить выполнены на лабораторных занятиях в любом учебном заведении, в том числе не располагающем сложным оборудованием; они могут быть проведены в форме лекционных демонстраций;
• более сложные работы, связанные с количественным определением различных физиологических показателей, которые как правило, рассчитаны на несколько занятий.

Для повышения эффективности проведения профессионально ориентированных лабораторных работ по химии студентам техникума предлогается определенный алгоритм оформления лабораторных работ (название работы, краткое  описание ее хода,  результаты, выводы) и способы подведения итогов их выполнения (обсуждение в начале каждого занятия результатов работ, выполненных на предыдущем занятии; проведение семинаров по пройденному материалу с одновременной проверкой преподавателем сделанных студентами записей и т. д.)

Таким образом, профессионально ориентированные лабораторные работы, реализующие межпредметные связи общеобразовательной дисциплины «Химия» и предметов профессионального цикла специальности «Механизации сельского хозяйства», несомненно, усилят мотивацию и интеллектуальную активность обучающихся, а также приблизят студентов к сфере будущей профессиональной деятельности.

Библиографический список

1. Актуальные проблемы модернизации химического образования и развития химических наук: материалы 53-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (5-8 апреля 2006 года, г.Санкт-Петербург). – СПб. : Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2006. – С. 3-6.
2. Лабораторные и практические занятия в образовательных учреждениях начального и среднего профессионального образования (Текст): методические рекомендации / М. А. Фрахретдинова, Н. И. Нагимова, Л. Б. Глазунова. – Ульяновск: УИПКПРО, 2010. – 54 с.