УДК 372.862 ВОЗМОЖНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЭКОЛОГИИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС

Кокшетауский университет им. Абая Мырзахметова

1. 
   Некоторные эксперименты могут по времени длится дольше, чем один день, иногда даже дольше чем семестр (например природные процессы, явления, рассеивание вредных веществ в атмосфере, динамика численности популяций, смена сукцессий) [1, 25].
   
2. 
   Ряд экспериментов сложно провести в рамках лаборатории (например, трансграничное перемещение водных, воздушных масс).
   
3. 
   существуют лабораторные работы, при выполнении которых сложно обеспечить должный уровень безопасности (например, радиоэкология, ряд работ с использованием патогенных микроорганизмов, излучений и т.д.).
   
4. 
   Невозможно проследить все закономерности изучаемых явлений, что также сказывается на уровне знаний обучающихся.
   

5. 
   Достаточно сложно научить обучающихся самостоятельно добывать экологические знания, то есть сформировать у них информационную компетентность, применяя только традиционные технологии обучения.
   

• 
  анализировать, понимать и интерпретировать графики и таблицы, полученные в ходе эксперимента (не умеют использовать полученные математические знания при изучении экологии);
  
• 
  объяснять суть природных явлений и процессов (значительно увеличивается словарный запас терминологии по экологии);
  
• 
  понимать закономерности природных процессов (видят причинно-следственные связи);
  
• 
  самостоятельно добывать нужную информацию из различных источников, в том числе электронных (развиваются навыки самостоятельной работы с ПК).
  

Необходимо отметить, что виртуальные лабораторные работы могут дополнить “экспериментальную” часть курса экологии и значительно повысить эффективность проведенных занятий [3]. При его использовании можно выделить главное в природном явлении, убрать второстепенные факторы, выявить и изучить закономерности, многократно провести испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Данный вид эксперимента реализуется с помощью компьютерной модели того или иного закона, явления, процесса и т.д. Считаю, что работа с такими моделями открывает перед обучающимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

В результате проведенного исследования было установлено, что виртуальные лабораторные работы позволяют:

1. 
   Глубже понять природные процессы и закономерности, а также научиться применять полученные знания на практике.
   
2. 
   Реализовать личностно-ориентированный подход в обучении.
   
3. 
   Интегрировать знания обучающихся.
   
4. 
   Стимулировать обучающихся на освоение персонального компьютера.
   
5. 
   Поэтапно проводить эксперименты, создание ситуацию успеха на занятии, возможность применять методы дифференцированного обучения.
   
6. 
   Мотивировать обучающихся на исследовательскую работу по какой-либо интересующей его теме для самостоятельного создания мультимедийных моделей взаимодействия живых организмов между собой и с неживой природой, природных явлений и т.д., изменяя параметры которых, можно наглядно видеть результат.
   

Использование виртуальных лабораторных работ дают целый ряд преимуществ непосредственно педагогам:

1. 
   Осваивать новейшие достижения педагогической науки и практики.
   
2. 
   Использовать педагогу в своей работе новые технологии на актуально развивающей, личностно – ориентированной основе.
   
3. 
   Осуществлять оптимальный интегрированный отбор проблемных, исследовательских, практических, репродуктивных методов обучения.
   
4. 
   Использовать виртуальные манипулятивные модели, видеофрагменты натуральных опытов.
   
5. 
   Стимулировать исследовательскую и творческую деятельность, которая развивает познавательные интересы обучающихся.
   
6. 
   Использовать компьютерный эксперимент, который способен дополнить «экспериментальную» часть курса экологии и значительно повысить эффективность занятий.
   

1. 
   Беренфелъд Б.С., Бутягина К.Л. Инновационные учебные продукты нового поколения с использованием средств ИКТ (уроки недавнего прошлого и взгляд в будущее) // Вопросы образования. - М.: Айрис Пресс, 2005. №3. - С. 25-27.
   
2. 
   Опенков М.Ю. Развитие визуального мышления и компьютерная революция // Когнитивная эволюция и творчество.- М.: АСТ, 1995.- С. 205-224.
   
3. 
   Паршукова Г.Б. Виртуальная лаборатория как специфический инструмент технологии дистанционного образования: обзор проблемы. http://edu.nstu.ru
   

Кокшетауский университет им. Абая Мырзахметова

Основная цель создания виртуальных лабораторных работ особенно актуальной становится для подготовки студентов по экологическим специальностям. В свою очередь, построение и внедрение в учебный процесс такого комплекса лабораторных работ помогло бы автоматизировать процесс получения и обработки экологических исходных данных различной специфики, приобрести практические навыки работы оборудованием, предназначенным для измерения различных показателей, а также будет способствовать углублению знаний для проектной, исследовательской и научной деятельности. Положительным моментом внедрения в учебный процесс виртуальных лабораторных работ является необходимость выполнения их на конкретном “оборудовании” (виртуальном стенде), а это требует от студента регулярной посещаемости занятий и полной сосредоточенности при выполнении работ.

Необходимость создания указанных стендов подчеркивается оснащенностью большинства учебных заведений компьютерами достаточно высокого класса и при проблематичности выполнении работ со сложным и дорогостоящим оборудованием. В первую очередь это связана с тем, что дорогостоящие экспериментальные установки и стенды в вузе, предназначены для выполнения научно-исследовательских работ. Использование данных установок в учебном процессе ограничено сложностью монтажа, дорогим обслуживанием, большими материальными затратами и малой пропускной способностью при обучении.

С этой точки зрения альтернативой реальному лабораторному практикуму или его эффективным дополнением могут выступать виртуальные лабораторные работы. При этом реальные экспериментальные стенды заменяются моделями установок, создавая систему виртуальных лабораторий [1].

На данный момент известно немало аналогичных разработок, предназначенных для применения в различных системах обучения [2].

Среди существующих лабораторных программных средств следует выделить разработку группы компаний “АВИСАНКО” виртуальных стендов по физике [3]. В Московском институте энергобезопасности и энергосбережения разработан “Виртуальный лабораторный комплекс по физике. Механика и термодинамика” [4], позволяющий локально без использования интернета подготовиться и отработать навыки по выполнению виртуальных лабораторных работ. Указанные работы могут послужить прототипом для создания виртуальных лабораторных работ по экологии.

Анализ современных разработок позволяет сделать вывод, что чаще всего такие системы создают с помощью языков LabView и LabWork. Многие лабораторные стенды содержат анимации, которые включены в них для лучшего восприятия материала [5].

Следует также подчеркнуть, что известно немало подобных различных работ, выполненных в зарубежных странах. При этом в своем большинстве такие разработки относятся к точным наукам, таким как физика, термодинамика, радиотехника, электротехника, электроника, химия и т.п.

Что же касается работ, изучающих, характеризующих развитие и функционирование сложных экологических систем, то на данный момент количество таких разработок недостаточно, хотя в силу своих характеристик, экологические системы гармонично вписались бы в рамки виртуальных лабораторных работ (например, изучение силы ветра, динамики популяций, распространение трансграничных загрязнений и т.д.).

В этом плане можно выделить разработку в области безопасности жизнедеятельности Тульского государственного университета [6]. Она представляет собой комплекс компьютерных программ, включающий в себя лабораторные работы по моделированию чрезвычайных ситуаций при разливе на аварийно-химически опасных объектах и др.

Данный комплекс лабораторных работ включает в себя методическое, программное и информационное обеспечения в виде виртуальных лабораторных стендов. К каждой лабораторной работе комплекса прилагается техническая документация с подробным описанием и руководством пользователя. Например, в состав комплекса входят следующие лабораторные работы: «Определение зон возможного заражения и негативных последствий химического загрязнения окружающей среды», «Имитационное моделирование динамики изменения солености жидкости с учетом колебания различных параметров», «Объектно-ориентированное моделирование взаимодействия популяций» и т.д.

Изучаемый комплекс может использоваться при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Основы развития и самоорганизации сложных систем», «Методы, системы и приборы компьютерного экологического мониторинга», «Методы моделирования сложных эколого-экономических и социальных систем» и т.д. В основу виртуальных лабораторных работ должны быть положены следующие принципы:

• 
  многофункциональность – что позволяет получать исходные данные, решать задачи по оценке, моделированию и прогнозированию сценариев развития опасных событий, а также хранить, обрабатывать и представлять информацию в удобном для пользователя виде [7];
  
• 
  целостность - функционирование множества модулей программы подчинено единой цели, строго направленной на выполнение исследования, являющегося целью лабораторной работы;
  
• 
  доступность - после регистрации пользователя и прохождения им тестового контроля его взаимодействие с программой осуществляется через стандартные элементы: диалоговые окна, оконные и всплывающие меню, контрольные кнопки, клавиши быстрого доступа, а также списки для выбора;
  
• 
  наглядность – должна позволять имитировать и в реальном времени визуализировать лабораторную работу, отображать характеристики функционирования объектов, влияющие факторы, содержать описание поведения живых организмов, изменение состояния окружающей среды и его влияние на объект воздействия и т.д.
  

Программное обеспечение лабораторного комплекса реализовано с использованием среды программирования Delphi и содержит в себе элементы мультимедиа технологий.

Таким образом, использование виртуальных работ это довольно трудоемкая работа, требующая длительного времени, однако, ее использование позволяет заметно улучшить успеваемость студентов, путем повышения познавательного интереса и формирования практических навыков.
ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Виртуальные лабораторные стенды термодинамика, тепломассообмен, теплопроводность // Холодильщик: Выпуск 2(26), 2007
   
2. 
   Милых В.И. Концепция электромашинной виртуальной лаборатории и первые этапы ее воплощения // http://www.nbuv.gov.ua
   
3. 
   Баран Е. Web_лаборатория «Микроконтроллеры и сигнальные процессоры» // Современные технологии автоматизации. - 2005. - №1. - С. 64-67.
   
4. 
   Соколов Э.М. Программный комплекс «Методика аттестации рабочих мест» // Безопасность жизнедеятельности. -2005. - №9. - С. 2-5.
   
5. 
   Соколов Э.М. Программный комплекс информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, возможных при разливе аварийно-химически опасных объектов // Безопасность жизнедеятельности. - 2005. - №9. - С. 9-13.
   
6. 
   Евдокимов Ю.К. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.
   
7. 
   Соловов А.В. Виртуальные учебные лаборатории в инженерном образовании // Сб. Индустрия образования. - 2002. - Вып. 2. - С. 386-392.
   

Кокшетауский университет им. А. Мырзахметова

Не менее 5 млн. жителей Казахстана проживают в условиях загрязнения атмосферного воздуха, не менее 2 млн. - в условиях крайне высокого уровня загрязнения. На территории республики загрязнителями воздуха являются более 3,5 тыс. промышленных предприятий, расположенных в 80 городах, характеризуемых 1-5 классами санитарной вредности.

Хроническое неблагоприятное влияние относительно небольших концентраций загрязнителей воздуха на здоровье населения приводит к повреждению отдельных органов и систем, снижению общей резистентности. В условиях воздействия атмосферных загрязнителей наблюдается повышенная заболеваемость и смертность от сердечнососудистых заболеваний. Сегодня проблема влияния энергетики на природу становится особенно острой, так как загрязнение окружающей среды, атмосферы и гидросферы с каждым годом всё увеличивается [2].

Степногорская ТЭЦ является структурным подразделением товарищества с ограниченной ответственностью «Джет-7». Вид деятельности: производство, передача и распределение электрической и тепловой энергии, эксплуатация электрических сетей и подстанций.

В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще становится основным источником загрязнения биосферы. В природную среду во все больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы производств. Различные химические вещества, находящиеся в отходах, попадая в почву, воздух или воду, переходят по экологическим звеньям из одной цепи в другую, попадая, в конце концов, в организм человека.

На земном шаре практически невозможно найти место, где бы не присутствовали в той или иной концентрации загрязняющие вещества. Даже во льдах Антарктиды, где нет никаких промышленных производств, а люди живут только на небольших научных станциях, ученые обнаружили различные токсические (ядовитые) вещества современных производств. Они заносятся сюда потоками атмосферы с других континентов. Вы знаете, что вещества, загрязняющие природную среду, очень разнообразны. В зависимости от своей природы, концентрации, времени действия на организм человека они могут вызывать различные неблагоприятные последствия. Кратковременное воздействие небольших концентраций таких веществ может вызывать головокружение, тошноту, першение в горле, кашель. Попадание в организм человека больших концентраций токсических веществ может привести к потере сознания, острому отравлению и даже смерти. Примером подобного действия могут являться смоги, образующиеся в крупных городах в безветренную погоду, или аварийные выбросы токсических веществ промышленными предприятиями в атмосферу [3].

Реакции организма на загрязнение зависят от индивидуальных особенностей человека: возраста, пола, состояния здоровья. Как правило, более уязвимы дети, пожилые и престарелые, больные люди.

При систематическом или периодическом поступлении в организм сравнительно небольших количеств токсических веществ происходит хроническое отравление. Это нарушение нормального поведения, привычек, а также нейропсихические отклонения: быстрое утомление или чувство постоянной усталости, сонливость или, наоборот, бессонница, апатия, ослабление внимания, рассеянность, забывчивость, сильные колебания настроения.

При хроническом отравлении одни и те же вещества у разных людей могут вызывать различные поражения почек, кроветворных органов, нервной системы, печени.

Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении окружающей среды. Так, в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате Чернобыльской катастрофы, заболеваемость среди населения, особенно детей, увеличилась во много раз.

Высокоактивные в биологическом отношении химические соединения могут вызывать эффект отдаленного влияния на здоровье человека: хронические воспалительные заболевания различных органов, изменения нервной системы, действие на внутриутробное развитие плода, приводящее к различным отклонениям у новорожденных [4].

Медики устанавливают прямую связь между ростом числа людей, болеющих аллергией, бронхиальной астмой, раком, и ухудшением экологической обстановки в данном регионе. Достоверно установлено, что такие отходы производства, как хром, никель, бериллий, бензопирен, асбест, многие ядохимикаты, являются канцерогенами, то есть вызывают раковые заболевания. Еще в прошлом веке рак у детей был почти неизвестен, а сейчас он встречается среди них все чаще и чаще. В результате загрязнения появляются новые, неизвестные ранее болезни. Причины их бывает трудно установить.

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Байтулина И.О. Экология Казахстана: Учебник для вузов. - Семипалатинск: Государственный педагогический институт, 2005. - 548 с.
   
2. 
   К.А. Алишева Экология: Учебник. - Алматы: HAS, 2006. - 304 с.
   
3. 
   Скалкин Ф.В. Энергетика и окружающая среда. - Учебник. - Алмата: Энергоиздат, 1981. - 234 с.
   
4. 
   Стадницкий Г.В. Экология: учебник для ВУЗов. - СПб: Химиздат, 2001. - 345 с.
   
5. 
   Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие: Учебное пособие. - М.: Прогресс-Традиция, 2000. - 214 с.
   

Как правило, такие очистные сооружения производств работают с недостаточной эффективностью, тем самым не обеспечивая достижения установленных нормативов, а устранение данной проблемы может быть достигнуто с применением биомембранных установок, которые сочетают процессы биохимического окисления и мембранной фильтрации. Такие технологии позволяют использовать на максимальном уровне все возможности биологических процессов и мембранного фильтрования, исключив при этом их недостатки. Мембраны используются не для удаления исходных загрязнений, а для задержания биомассы в биореакторе (аэротенке), тем самым не исключает вынос микроорганизмов из системы, а наоборот создает условия для многократного увеличения концентрации активной биомассы, автоселекции и адаптации микроорганизмов, что позволяет отказаться от ступеней отстаивания и фильтрования в существующих схемах обработки сточных вод. Кроме того, происходит частичное обеззараживание очищенной воды [1]. В результате производительность очистных сооружений может быть увеличена в 1,5-2 раза при существенном улучшении показателей очищенной воды.

В нашем случае, был проведен анализ сточной воды взятой из реки Нуры, протокол анализа воды определения фоновых концентраций и протокол анализа воды поверхностных водных объектов и сточных вод (сточная вода при выходе, то есть до очистки). Экспериментальные исследования на реальных сточных водах позволяют определить следующие технологические параметры работы сооружений биологической очистки: глубину очистки по основным и специфическим загрязняющим компонентам; период аэрации в реакторах; дозу ила (концентрацию активного ила в иловой смеси); гидравлические характеристики процесса мембранной фильтрации [2]. Технология биологической очистки с использованием мебранного биореактора была реализована в аэротенке с установленным в нем мембранным модулем для отделения очищенной воды от активного ила (вместо вторичного отстойника). Конструктивно аэротенк был выполнен в виде колонки рабочим объемом 3,0 л.

Мембранный модуль изготовлен из поливолоконных микрофильтрационных мембран. Очищенная сточная вода отделялась от иловой смеси на половолоконной мембране и откачивалась в резервуар очищенной воды (в нашем случае, резервуаром очищенной воды является пруд-накопитель) [3]. Периодически по сигналу таймера запускался промывной насос, и осуществлялась обратная промывка мембраны для восстановления ее производительности. Вода для промывки отбиралась из резервуара очищенной воды. После очистки сточной воды, которая была взята из реки Нуры, был проведен анализ образцов очищенной воды, поверхностных водных объектов и сточных вод.

При эксплуатации очистных сооружений постоянно контролируется качественный и количественный состав сточных вод, эффективность работы очистных сооружений и отдельных звеньев лабораторий предприятия.

Лабораторные исследования проводились аккредитованной лабораторией КГСЭН МЗ РК по Акмолинской области, для определения качественных показателей поверхностных вод накопителя (Таблица 1).

Результаты приведены по следующим параметрам:

• 
  на входе в очистные сооружения;
  
• 
  на выходе из очистных сооружений;
  
• 
  пруд-накопитель.
  

Таблица 1. - Качественные показатели поверхностных вод накопителя

Примечание: [4]

• 
  увеличение степени очистки, а также достижение качества очищенной воды, до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;
  
• 
  повышение окислительной мощности аэрационных сооружений для удаления органических загрязнений и соединений азота, в 3-4 раза, за счет накопления до оптимальной величины дозы ила в системе [5];
  
• 
  обеспечивает полное задержание взвешенных веществ, стабильную эффективность очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше);
  
• 
  устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соединений азота.
  

• 
  изучены основные закономерности и особенности процессов биологической очистки в мембранных биореакторах на реальных сточных водах;
  
• 
  проведены оценка предельных возможностей технологии с применением мембранных биореакторов по производительности (окислительная мощность) и по глубине удаления органических загрязнений и соединений азота;
  
• 
  показаны преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (БПК -1-1,5 мг/л, взвешенные вещества 0-3мг/л, азот аммонийный <0,39 мг/л) без дополнительной ступени доочистки;
  
• 
  оценена стабильность технологического процесса в производственных условиях при существенных колебаниях состава и расходов сточных вод, температуры и других параметров;
  

1. 
   Хванг С.Т., Каммермеер К. Мембранные процессы разделения. - М., 1981. - 464 с.
   
2. 
   Швецов, К.М. Морозова, И.А., применения биомембранных технологий глубокой очистки сточных вод / Водоснабжение и санитарная техника, 2006, №12. - 130 с.
   
3. 
   Бесфамильный И.Б. Нанотехнологии и мембраны // Крит.технологии. Мембраны. 2006.№ 3. - С. 20-27.
   
4. 
   Электронный ресурс. http://otherreferats.allbest.ru/ecology/c00144082
   
5. 
   Разработка технологии третичной очистки хозяйственно-бытовых сточных вод. http://www.khnosfera.com/razrabotka-tehnologi-tretichnoy-ochistki-hozyaystvenno- bytovyh-stochnyh-vod.