автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и создание оптико-электронного лабораторного комплекса по курсам экологического мониторинга и его методического, программного и метрологического обеспечения

Введение.

Глава 1. Экологическое образование и учебные лаборатории экологического профиля в России.

1.1. Экологическая ситуация в России.

1.2. Экологическое образование в университетах России.

1.3. Состав учебных экологических лабораторий в технических университетах Санкт-Петербурга.

1.4. Выводы по 1-й главе.

Глава 2. Основные этапы разработки и создания комплекса учебных лабораторий по экологическому мониторингу.

2.1. Разработка принципов построения лабораторных работ по экологическому мониторингу.,

2.2. Обоснование выбора методов, приоритетных для реализации в лабораторных работах на основе учебной программы по дисциплине "Оптико-электронные приборы для экологических исследований".

2.3. Обоснование перечня выбранных приборов для учебного комплекса.4*

2.4. Состав учебных лабораторий комплекса и содержание лабораторных работ.

2.5. Особенности методического обеспечения лабораторных работ.

2.6. Система метрологического обеспечения установок учебного комплекса.

2.7. Выводы по 2-й главе.

Глава 3. Особенности разработки и создания аппаратурного, методического, метрологического и программного обеспечения для лабораторных работ по основным методами экологического контроля.'.

3.1. Разработка и метрологическое обеспечение лабораторной работы по атомно-абсорбционному методу анализа.

3.1.1. Основные этапы разработки лабораторной работы.

3.1.2. Выполнение 1-й части лабораторной работы.

3.1.2. Выполнение 2-й части лабораторной работы. Разработка методики оценки погрешностей в Excel -97.

3.2. Разработка и метрологическое обеспечение лабораторной работы но хемилюминесцентному методу анализа. Разработка алгоритма и программы обработки многократных измерений.-.

3.3. Разработка и создание лабораторной работы по инфракрасным методам анализа. Разработка алгоритма и программы расчета спектров пропускания газов TRANS.

3.4. Разработка и создание лабораторной работы по дистанционному методу анализа. Разработка новой версии программы ТМ.

3.5. Разработка и создание лабораторной работы по фотометрическим методам анализа с использованием голографического фильтра.

3.6. Выводы по 3-й главе.

Глава 4. Разработка цикла лабораторных работ на основе учебной программы по дисциплине "Метрологическое обеспечение экологического мониторинга".

4.1. Состав цикла лабораторных работ по дисциплине "Метрологическое обеспечение экологического мониторинга".

4.2. Особенности разработки и создания по дисциплине "Метрологическое обеспечение ЭМ" лабораторной работы "Поверка оптико-акустического газоанализатора".

4.2.1. Теоретические особенности вопроса поверки измерительной аппаратуры.

4.2.2. Создание методики поверки для оптико-акустического газоанализатора.,.;.

4.2.3. Порядок выполнения лабораторной работы по поверке.

4.3. Выводы по 4-й главе.

В результате неразумной хозяйственной деятельности на больших территориях в России произошли глубокие отрицательные изменения природной среды, следствием которых является существенное ухудшение здоровья людей и истощение природно-ресурсного потенциала. Для сохранения качества среды обитания необходимо принятие срочных мер на национальном правительственном уровне. В первую очередь такими мерами должны стать контроль, оценка и прогноз экологической ситуации, то есть осуществление экологического мониторинга (ЭМ).

Активная экологическая политика государств мирового сообщества становится насущной потребностью современности. Одним из важнейших компонентов такой политики является подготовка специалистов, способных решать экологические задачи самого разного масштаба. Ключевая роль в подготовке таких специалистов должна I принадлежать техническим университетам. Успешное решение задач по контролю загрязнений окружающей среды в зарубежных странах было связано с тем, что в эту область пришли квалифицированные физики, химики и программисты.

В нашей стране в годы перестройки происходил процесс свертывания отраслей военно-промышленного комплекса и высвобождение большого количества аналитической аппаратуры. В результате оказался невостребованным потенциал специалистов-аналитиков высокого уровня. Переориентация учебных заведений, осуществляющих подготовку таких специалистов на решение задач гражданского приборостроения, в первую очередь экологии и медицины могли бы привести к существенному улучшению качества природной среды обитания и здоровья населения России.

В последнее время существенно трансформировались и приоритеты институтов Госстандарта РФ: важнейшая роль отводится обеспечению единству аналитических измерений, связанных с экологией. Именно экологический контроль наряду с торговлей является сейчас основным объектом внимания специалистов, занимающихся проблемами обеспечения единства измерений метрологами. Так как измерения состава веществ и материалов особенно нуждаются в обеспечении единства измерений, то для того, чтобы измерения, производимые на разных приборах разными методами, были сопоставимы друг с другом, необходимо тщательно следить за соответствием аппаратуры, подготовки пробы и методик измерений международным стандартам. Исторически так сложилось, что решения этих проблем наиболее полно оказались представлены в службах стандартизации многих стран, а в России - в Госстандарте РФ. Выигрышным моментом явился факт создания и утверждения в 1986 году в РФ Государственного первичного эталона единицы молярной доли и массовой концентрации компонентов в газовых средах (ГЭТ 154-88).

Смена государственно-политического устройства и социально-экономического строя в России в 90-е годы нынешнего столетия, технологическое развитие мирового сообщества создали принципиально новую ситуацию и в сфере высшего образования. Радикально трансформируется сам способ развития высшего образования. В последнее время на базе бывших институтов стали создаваться технические университеты, в учебные программы которых входит большое количество гуманитарных и естественно-научных дисциплин. Существенная роль в технических университетах отводится экологическом дисциплинам для воспитания нового поколения специалистов, бережно относящихся к окружающей среде.

Экологическое образование в техническом университете должно строится на основе реалий глобальной экологической ситуации и концепции устойчивого развития, провозглашенной в Рио-де-Жанейро в 1992 году. Ее содержательный смысл заключается в разработке и реализации стратегии перехода к обществу, способному обеспечить условия совместной1 эволюции человека и природы. Для разработки такой стратегии необходим научно-практический поиск по следующим направлениям: практическая и инженерная экология; создание новых «экологически чистых» технологий; экономико-правовые вопросы природопользования; экологическое воспитание и образование. Среди указанных направлений воспитание и образование является важнейшими. Студенты, получившие экологическое образование, должны не только освоить необходимый объем знаний, но также научиться их применять в соответствие с потребностями человечества.

В данной работе рассматривается проблема экологического образования для студентов технических университетов. 3 Санкт-Петербурге на хорошем уровне поставлено школьное экологическое образование: насчитывается порядка 60 общеобразовательных экологических школ, 5 экологических центров, в которых школьники работают в экологических кружках, ходят в экологические экспедиции, участвуют в экологических олимпиадах. Экологическое образование в школах находит финансовую поддержку муниципальных властей (Экологический фонд С-Петербурга финансирует многие программы). Высшая школа поставлена в настоящее время в трудное финансовое положение, поэтому оснащение многих учебных экологических лабораторий не соответствует должному уровню, что сказывается на уровне подготовке специалистов в области сохранения качества окружающей среды. Л ведь именно специалисты с высшим экологическим техническим образованием должны решать многие экологические проблемы России в ближайшем будущем. После завершения образования в техническом университете выпускники должны иметь профессию, гарантирующую востребованность на рынке труда и уровень знаний, достаточный для успешной деятельности.

Значительную часть приборов ЭМ составляют оптико-электронные приборы. Активные оптические методы анализа играют ведущую роль в ЭМ и позволяют решать самые сложные научно-исследовательские и прикладные задачи. Эти методы не возмущают анализируемую систему, являются экспрессными, позволяют автоматизировать измерение и обработку данных. Оптические методы анализа, которые основаны на взаимодействии падающего излучения со средой, являются наиболее удобными для контроля различных систем. Особенно это важно при использовании уникальных возможностей новейшей спектральной аппаратуры, наземных дистанционных и космических измерительных систем, альтернативы которым пока не существует.

В последнее время наметились положительные тенденции в развитие общества: ориентация на восстановление своей промышленной базы в России. Растущая стоимость приборов экологического назначения иностранного производства обусловила потребность в специалистах по экологическому приборостроению.

Знакомство автора с данной проблемой показало, что почти в каждом техническом университете Санкт-Петербурга готовят специалистов по целому ряду экологических инженерных дисциплин (Приложение 1). В С-Петербургском институте точной механики и оптики (СПбГИТМО), который является одним из ведущих в РФ в области оптического приборостроения, на ряде кафедр начали осуществлять подготовку специалистов в области приборов для медицины и экологии.

Для открытия новой специализации по экологическому приборостроению и мониторингу оптимально подошла кафедра «Оптико-электронные приборы -и системы» (ОЭПиС) СПбГИТМО, где проходит обучение по одноименной специальности. Разнообразие аналитического оборудования для экологических измерений как по назначению, так и по физико-химическим принципам работы настолько велико, что наилучшим вариантом явилась организация в рамках выше названной специальности специализации «Оптико-электронные методы и средства экологического мониторинга» для фундаментальной подготовки инженеров, ориентированных на проектирование, производство и обслуживание наиболее распространенных и перспективных наукоемких видов типовых устройств экологического назначения.

В1997 году при участии кафедры «ОЭПиС» и лаборатории Государственных эталонов в области аналитических измерений была создана базовая кафедра «Экологическое приборостроение и мониторинг» в ГП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Кафедра готовит специалистов по разработке и эксплуатации новейших приборов и систем экологического мониторинга по специальности «Оптико-электронные приборы и системы» со специализацией «Оптикр-электронные методы и средства экологического мониторинга».

При существующем многообразии методов и сложности экоаналитический аппаратуры только теоретически подготовить высококвалифицированных специалистов невозможно. Для практического изучения лекционного материала необходимо было создать цикл лабораторных работ, который являлся бы неотъемлемой частью учебного процесса. В ходе выполнения работы автор посетил существующие учебные лаборатории на кафедрах экологической направленности в вузах С-Петербурга и сделал вывод, что большинство из них образовано недавно и находится в стадии развития. Лабораторная база недостаточно обеспечена аппаратурой, слабо проработано методическое обеспечение, метрологическое обеспечение (МО) находится на низком уровне. Создание учебного лабораторного комплекса по ЭМ, оснащенного современной аппаратурой с высоким уровнем методического и МО, является актуальной задачей. Разработке и созданию такого комплекса, состоящего из трех учебных лабораторий, посвящена настоящая работа.

Измерения содержания в атмосфере, природных и сточных водах и почве различных компонентов, вредных для населения и окружающей среды, составляют информационную основу ЭМ. Для подготовки специалистов высокого уровня необходимо было разработать и создать такой цикл лабораторных работ, чтобы обучающиеся могли бы практически проводить, обрабатывать и анализировать результаты измерений при мониторинге параметров ОС. Первая учебная экологическая лаборатория была создана при поддержке городских властей и НПО «Мониторинг» во Дворце творчества юных в 1992 году для занятий со школьниками, серьезно интересующимися экологией. Она представляет собой хорошо оборудованную химическую лабораторию и имеет два фотоколориметра для анализа содержания различных компонент в водных средах и почвах. Фотометрические методы анализа являются наиболее широко употребляемыми в экологических лабораториях России из-за невысокой стоимости оборудования и хорошо проработанного методического обеспечения. На базе этой лаборатории проходили занятия студентов первого выпуска кафедры ОЭПиС СПбГИТМО по специализации "Оптико-электронные методы и средства экологического мониторинга". Однако ресурсов школьной экологической лаборатории было явно недостаточно для подготовки, соответствующей уровню технического университета. Поэтому в 1995 году на кафедре ОЭПиС была создана еще одна учебная экологическая лаборатория по плану и проработкам автора. Приборы для этой лаборатории были изготовлены по проекту автора и заказаны в ЗАО ОПТЭК с финансированием СПбГИТМО. Приборы, предназначенные для лабораторных работ, представляют собой аналоги современных промышленных экоаналитических приборов, модернизированные и адаптированные под учебной процесс. Приборы изготавливались с поблочным разнесением и маркировкой основных узлов под прозрачной крышкой для визуального представления их функционирования. Большинство приборов снабжено микропроцессорами, которые позволяют автоматизировать ход аналитического процесса, обрабатывать данные и корректировать показания с целью компенсации погрешности. На основе этой учебной лаборатории был разработан и внедрен в учебный процесс цикл, состоящий из шести лабораторных работ. Этот цикл лабораторных работ предназначен для практического изучения дисциплины "Онтико-электронные приборы для экологических исследований" для студентов, обучающихся по специальности "Оптико-электронные приборы и системы" и "Теплофизика". Лабораторные работы этого цикла предназначены для освоения йаиболее распространенных методов и средств ЭМ.

Созданная на кафедре ОЭПиС учебная лаборатория хотя и включала установки для изучения таких методов анализа, как хемилюминесцентный, оптико-акустический, фотометрический, инфракрасный, однако этого было недостаточно для подготовки высококвалифицированных специалистов, владеющих арсеналом всех средств современных и перспективных методов анализа. Поэтому в 1996 году была создана еще одна учебная лаборатория на базе лаборатории Государственных эталонов в области аналитических измерений, в которой находится ГЭТ-154-88. Лаборатория Государственных эталонов обладает мощной базой высокоточного аналитического оборудования и высококвалифицированным персоналом. Лаборатория находится во

Всероссийском научно-исследовательском институте им. Д.И. Менделеева (ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"), которое является старейшим метрологическим учреждением нашей страны, имеющем мировую известность. Таким образом, достижения научно-исследовательской лаборатории Госстандарта были внедрены в систему высшего технического образования.

Для практического освоения специальных дисциплин базовой кафедры «Экологическое приборостроение и мониторинг» в учебной лаборатории был разработан и создан автором 2-й цикл лабораторных работ на основе приборов и установок, выбранных автором в ГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". В состав учебной лаборатории вошли такие установки, как атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, атомно-абсорбционный спектрофотометр, масс-спектрометр. Подобного типа приборы широко используются в экоаналитических современных лабораториях в РФ и за рубежом. Созданный учебный комплекс из трех лабораторий позволяет эффективно проводить обучение по экологическим дисциплинам для студентов различных специальностей (отзыв руководителя лаборатории Государственных эталонов в области аналитических измерений приведен в Приложении 2).

Использование базы учебного комплекса в различных комбинациях в зависимости от уровня подготовки обучаемых, позволяет его гибко использовать под различные учебные задачи. Разработанные в работе циклы лабораторных работ внедрены автором в учебный процесс СПбГИТМО, С-Петербургского технического университета и С-Петербургского института (филиала) московского государственного университета печати (акты о внедрении приведены в Приложении 3). В 1998-1999 учебном году на базе учебного комплекса по ЭМ автором проводились занятия, семинары и экскурсии для школьников и учителей. Это позволило вести широкую просветительскую работу и повысить уровень экологической культуры жителей Санкт-Петербурга.

Для лабораторных работ по ЭМ необходимо было создать высокий уровень МО в виду сложности объектов для исследования (многокомпонентный анализ, большие количества проб для анализа, малые концентрации измеряемых компонентов на уровне фона). При знакомстве с учебными экологическими лабораториями в технических университетах автор пришел к выводу, что МО экологических измерений при выполнении лабораторных работ находится на недопустимо низком уровне. В работе была разработана система метрологического обеспечения, опирающаяся на

ГЭТ 154-88, а также образцовые средства измерений (ОСИ) и государственные стандартные образцы (ГСО) состава и свойств веществ в жидких средах. Созданная система обеспечивает высокую точность полученных результатов.

Конец XX столетия ознаменовался интенсивным развитием и активным внедрением информатики во все стороны жизни общества. Достижения информатики заняли достойное место и в сфере экологии. Компьютерная техника играет все большую роль в образовании и воспитании подрастающего поколения. Использование при проведении лабораторных работ компьютерных технологий является необходимым элементом в учебном процессе в силу специфики аналитических задач и позволяет обеспечить подготовку специалистов на высоком техническом уровне. В лабораторных работах компьютерные программы используются для различных целей: при управлении прибором и при обработке аналитических сигналов, при обработке результатов измерений и оценке погрешностей. Также в разработанном цикле лабораторных работ есть работа по измерению фоновых концентраций различных газов дистанционным методом с использованием модельной программы в режиме реального времени. Этот метод является одним из самых сложных и дорогостоящих, поэтому его было невозможно реализовать аппаратурным способом. Применение компьютерной программы, моделирующей данный процесс, позволяет подробно познакомиться при выполнении лабораторной работы с данным методом без существенных затрат. Также в перспективе автор планирует создание компьютерной лаборатории по ЭМ с использованием программ и обучающих систем, представляющих собой электронные учебники, учебные пособия, тренажеры, тьютеры. Информатизация должна охватить все ключевые моменты процесса обучения.

Актуальность работы. Неблагоприятная экологическая ситуация в РФ обусловила необходимость в подготовке специалистов, способных решать задачи, связанные с сохранением качества окружающей среды (ОС), в том числе в области экологического мониторинга (ЭМ). Оптико-электронные приборы составляют значительную часть приборов ЭМ. В С-Петербургском институте точной механики и оптики (СПбГИТМО) на ряде кафедр начали осуществлять подготовку специалистов в области экологического приборостроения и ЭМ. При существующем многообразии методов и сложности экоаналитйческий аппаратуры только теоретически подготовить высококвалифицированных специалистов невозможно. Для практического изучения лекционного материала необходимо было создать цикл лабораторных работ. Большинство существующих учебных лабораторий на кафедрах экологической направленности в вузах С-Петербурга образовано недавно и находится в стадии развития. Лабораторная база недостаточно обеспечена аппаратурой, слабо проработано методическое обеспечение, метрологическое обеспечение (МО) находится на низком уровне. Создание учебной лаборатории по ЭМ, оснащенной современной аппаратурой с высоким уровнем методического и МО, является актуальной задачей и неотъемлемой частью учебного процесса при подготовке высококвалифицированных кадров в области ЭМ.

Цель работы состояла в разработке и создании учебного оптико-электронного лабораторного комплекса с использованием научно-методического потенциала Госстандарта для обеспечения учебного процесса по курсам ЭМ циклом лабораторных работ.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1. Выбор методов ЭМ на основе разработанных учебных программ в СПбГИТМО по курсам ЭМ.

2. Формирование аппаратурной базы с учетом выбранных методов на основе оптико-электронных приборов.

3. Исследование созданных учебных установок комплекса в соответствии с учетом требований нормативных документов с целью определения возможности их использования для решения задач ЭМ.

4. Разработка и создание алгоритмов и программ для выполнения лабораторных работ.

5. Создание методической основы лабораторных работ с основным акцентом на обеспечение единства измерений.

6. Внедрение цикла лабораторных работ по ЭМ в учебный процесс экологических кафедр СПбГИТМО и в другие вузы С-Петербурга.

При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, спектрального анализа, лабораторные экспериментальные исследования и испытания в условиях эксплуатации. Для исследования метрологических характеристик созданных учебных установок использовались чистые газы и смеси, состав которых определялся на оборудовании, входящем в комплексы Государственного первичного эталона единицы молярной доли и массовой концентрации компонентов в газовых средах (ГЭТ 154-88), а также образцовые средства измерений (ОСИ) и государственные стандартные образцы (ГСО) состава и свойств веществ в жидких средах.

Научная новизна результатов работы.

1. Создан учебный лабораторный комплекс на основе оптико-электронных приборов по курсам ЭМ с использованием научно-методического потенциала Госстандарта. Цикл лабораторных работ комплекса является неотъемлемой частью программы сбалансированной подготовки специалистов в области экологического мониторинга.

2. Предложена и разработана система метрологического обеспечения учебного оптико-электронного лабораторного комплекса по экологическому мониторингу, позволяющая гарантировать достоверность результатов измерений, опирающаяся на Государственный первичный эталон единицы молярной доли и массовой концентрации компонентов в газовых средах, образцовые средства измерений и государственные стандартные образцы свойств и состава водных растворов.

3. Предложены и разработаны учебные методики выполнения измерений, учитывающие рекомендации и требования ГОСТ.8.563-9$ (Методики выполнения измерений), позволяющие эффективно освоить процедуры аналитических измерений и получать надежные результаты во время выполнения лабораторных работ.

4. Создана ориентированная на WINDOWS система математического обеспечения, позволяющая получать и обрабатывать результаты измерений, полученные во время выполнения лабораторных работ. Разработанные алгоритмы и программы рекомендованы для использования в аналитических лабораториях.

Практическая значимость диссертационной работы.

1. Создан цикл лабораторных работ по курсам экологического мониторинга, охватывающий основные современные и перспективные методы, применяемые в ЭМ, что позволяет осуществлять сбалансированную подготовку специалистов.

2. Разработаны, созданы и опробованы на лабораторных занятиях методики, алгоритмы и программы, которые позволяют обеспечить высокую точность результатов измерений в соответствие с рекомендациями Госстандарта.

3. Проведены семинары, экскурсии, выставки и занятия среди школьников и учителей в созданном комплексе учебных лабораторий по ЭМ для повышения экологической культуры жителей Санкт-Петербурга.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Система метрологического обеспечения оптико-электронного лабораторного комплекса по курсам экологического мониторинга, опирающаяся на Государственный первичный эталон единицы молярной доли и массовой концентрации компонентов в газовых средах, образцовые средства измерений и государственные стандартные образцы свойств и состава водных растворов.

2. Алгоритм и программа на Visual Basic for Application для работы в приложении Excel 97 для определения вида распределения экспериментальных данных при многократных измерениях „в соответствии с ГОСТ Р8.563-96. Программа рекомендована для использования в аналитических лабораториях.

3. Алгоритм и программа TRANS (расчет спектров пропускания газов в инфракрасной области с использованием базы данных HITRAN-89) и методика обработки результатов работы в приложении Excel 97 для расчета концентрации газа по измеренному спектру. Программа рекомендована для использования в аналитических лабораториях.

4. Методика и программа для расчета концентрации атмосферных газов трассовым методом при выполнении модельной лабораторной работы на компьютере.

5. Методика, алгоритм и программа для пакета Mathcad для вычисления вероятности качества поверки при выполнении лабораторной работы. Программа рекомендована для использования при проведении поверки аналитических приборов.

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались на:

1. XXIX Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава "Прикладные вопросы точности машин, приборов и механизмов" (29-30 января 1997 г., СПб);

2. • Hhe First Petersburg International Conference "International and National Aspects of Ecological Monitoring" (May 25-28, 1997, St-Petersburg, Russia); на Международной конференции «Диагностика. Информатика. Метрология. Экология. Безопасность-97» (1-3 июля, 1997, СПб);

3. 3-й Международной конференции "Экологическое образование в университетах" (23-28 июня 1997 г., Владимир);

4. 6-й ежегодной научной конференции «Университеты в канун третьего тысячелетия: ноосфера, экология, образование» (28-29 января 1998 г., СПб);

5. 1У Всероссийская конференция по преподаванию аналитической химии (23-27 сентября 1998 г., Краснодар); с

6. Всероссийском научно-методическом семинаре "Проблемы подготовки специалистов по испытанию и эксплуатации техники" (27-28 апреля 1999 г., СПб);

7. Всероссийском научно-методическом семинаре "Теория и практика экологического мониторинга в образовательных учреждениях" (29 марта-2 апреля, 1999 г., СПб). '

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 30 наименований и 3 приложений, содержит 102 страницы основного текста, 34 рисунка и 21 таблицу.

Выводы по 1-ой главе.

1. Образовательный процесс для подготовки специалистов в области охраны и контроля окружающей среды в техническом университете должен осуществляться по двум основным направлениям: общетеоретическом и инженерно-техническом.

2. В настоящее время отсутствует единая система подготовки кадров в области ЭМ, лабораторная база на кафедрах экологической направленности недостаточно обеспечена аппаратурой, слабо проработано методическое обеспечение, метрологическое обеспечение находится на низком уровне.

3. СПбГИТМО, как технический университет, имеющий давние традиции, связанные с подготовкой специалистов в области оптических и оптико-электронных приборов, является наиболее подходящим для открытия специальности, связанной с экологическим приборостроением и мониторингом. Консорциум СПбГИТМО с ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", обладающим большим научно-техническим потенциалом в области аналитических измерений и метрологического обеспечения помогает, позволил создать базовую кафедру "Экологическое приборостроение и мониторинг".

4. Создание учебного лабораторного комплекса по ЭМ, оснащенного современной аппаратурой с высоким уровнем методического и метрологического обеспечения, является необходимым элементом учебного процесса для системы многоуровневой подготовки специалистов в области ЭМ.

Глава 2. Основные этапы разработки и создания комплекса учебных лабораторий по экологическому мониторингу.

2.1. Разработка принципов построения лабораторных работ по экологическому мониторингу.

Разработка и создание аппаратурного, программного и методического обеспечения для выполнения лабораторных работ на базе комплекса учебных лабораторий по ЭМ было связано с широким кругом задач и научных проблем, находящихся в процессе бурного развития. Для выполнения основной цели данной работы прежде всего необходимо было разработать основополагающие принципы построения цикла лабораторных работ, призванного обеспечивать и поддержи вам, на высоком уровне все составные части процесса обучения по специальным дисциплинам. Схема взаимодействия, иллюстрирующая основные этапы разработки учебного процесса представлена на (рис. 2.1).

Так как целью лабораторных работ является практическое изучение методов и приборов дисциплины "Оптико-электронные приборы для экологических исследований", то и основной задачей был выбор базовых и перспективных методов и приборов. Выбранные приборы должны составлять единую многофункциональную систему, состоящую из блоков - установок, которые могли бы в наглядной и доступной форме демонстрировать как принципы работы приборов, так и все этапы выполнения исследований в области ЭМ.

Для создаваемого учебного комплекса необходимо было спроектировать и собрать установки на основе выбранных приборов и разработать для них программное и методическое обеспечение. План проведения лабораторных работ должен по основным этапам соответствовать традициям технических университетов и ключевым моментам аналитической процедуре, применяемой в аккредитованных экоаналитических лабораториях. После выполнения основной задачи создания лабораторных работ, обеспечивающих практическое подкрепление основных разделов курса, в перспективе автором планируется создание компьютерной лаборатории по ЭМ с использованием программ и обучающих систем, представляющих собой тренажеры и тьютеры.

Рис. 2.1. Схема взаимодействия, иллюстрирующая основные этапы разработки учебного процесса.

В настоящее время лабораторные работы проходит на базе комплекса, состоящего из трех учебных лабораторий. Процесс создания и оснащения этих учебных лабораторий шел поэтапно в течение нескольких лет.

1. Первая учебная экологическая лаборатория была создана во Дворце творчества юных.

2. В 1995 году на кафедре ОЭПиС была создана учебная экологическая лаборатория с использованием современных промышленных приборов, адаптированных для использования в учебном процессе по плану и проработкам автора. На основе этой учебной лаборатории в процессе выполнения диссертационной работы был разработан цикл, состоящий из шести лабораторных работ [7]. Общий вид этой лаборатории представлен на фотографиях (рнс.2.2 и рис.2.3).

3. В 1996 году была создана при участии автора третья учебная лаборатория более на базе лаборатории Государственных эталонов в области аналитических измерений в ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". Для обучения по специальным дисциплинам в третьей учебной лаборатории был разработан и создан автором цикл, состоящий из девяти лабораторных работ, на основе приборов и установок, предоставленных ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" (рис. 2.4, 2.5,2.6). [8].

Последние двадцать лет характеризуются бурным ростом численности аналитической аппаратуры для решения задач, связанных с экологическими задачами. Все чаще из практики вытесняются устаревшие приборы ручного типа, методы анализа, основанные на отборе проб с последующим анализом в лабораторных условиях. Взамен этих средств измерений пришли приборы экспрессного, полуавтоматического и непрерывного автоматического контроля, работающие в режиме прямых измерений. Такая аппаратура стоит довольно дорого и ее было сложно приобрести для оснащения учебных лабораторий. Поэтому при ограниченности финансовых ресурсов, выделяемых на оборудование необходимо было оптимально технически оснастить все учебные лаборатории комплекса, чтобы студенты не тратили время на овладение уже устаревшими знаниями. Для этого в учебном процессе использовались приборы выпуска прошлых лет, которые являются аналогичными по своим принципам современным дорогостоящим приборам. Такие приборы силами студентов старших курсов при выполнении курсовых и дипломных работ и проектов были адаптированы под учебный процесс, модернизированы и по возможности компьютеризированы. При этом студенты включались в научно-исследовательскую деятельность и хорошо усваивали особенности методов и

Рис.2.2. Общий вид учебном лаборатории по экологическому мониторингу в С116ГИТМО

Рис.2.3. Общий вид учебной лаборатории по жоло! ическому мониторингу в СПбГИТМО

Рис.2,4. Общий вид учебной лаборатории но экологическому мониторингу в ГУН "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"

Рис.2.5. Общин вид учебной лаборатории но экологическому мониторингу в ГУГ1 "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" з а

Рис.2.6. Общий вид атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связаной плазмой в учебной лаборатории по экологическому мониторингу в ГУН "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева". принципы построения приборов. В процессе обучения также использовалась возможность проводить выполнение курсовых и дипломных работ и проектов на современном оборудовании высокоточных установок ГУН «13НИИМ им. Д.И. Менделеева».

При разработке и создании лабораторных работ были использованы принципы макетирования, визуализации функционирования отдельных узлов приборов и установок. Также были привлечены ведущие фирмы экологического приборостроения для апробации своих перспективных разработок в учебной лаборатории («Аналитприбор», «Оптэк», «AUER», «Кристмас+»). Это широко используется за рубежом, так как студенты привыкают работать на оборудовании определенных фирм и в дальнейшем будут стараться выбирать именно эти приборы. В студенческих учебных лабораториях готовят специалистов на перспективу, для работы в быстро меняющемся мире высоких технологий и темпов обновления науки.

При разработке и создании лабораторных работ учитывались и дидактические принципы с учетом специфики задач экологического образования: системность; комплексность; использование унифицированных методов; наглядность; доступность (в смысле сложности); систематичность; индивидуальный подход [9].

Но все-таки основным при выборе методов (рис.2.1) и приборов для учебной лаборатории является выбор объектов и приоритетных загрязнителей на основе анализа экологической ситуации в России. При организации системы экологического мониторинга приоритет определяется следующим образом [10, с. 152]: города и промышленные регионы; зоны, из которых вода используется для питья; места нерестилища рыб; атмосферный воздух и пресноводные водоемы; почвы сельскохозяйственных угодий.

На 1-м межправительственном совещании по мониторингу в Найроби в 1974 году были выбраны критерии определения приоритетности различных загрязнителей. В табл. 2.1 приведены основные загрязняющие вещества с указанием класса приоритетности.

Анализ существующей обстановки с учетом тенденций в развитии человеческой деятельности позволяет считать, что в ближайшее десятилетия наиболее серьезными будут являться проблемы распространения в различных средах следующих загрязнений [9., с. 148]: двуокиси серы; окиси углерода; двуокиси углерода; окислов азота; тяжелых металлов (ртути, свинца и кадмия);

1. Приложение, которое включает описание прибора, описание пользования программой для выполнения и обработки результатов измерений.

2. Введение аттестованных стандартных образцов в измерительную систему.4. Градуировка прибора.

3. Получение экспериментальных данных.

4. Обработка результатов измерений.

5. Интерпретация результатов.

6. Структура аналитической процедуры была сохранена автором при составлении методических указаний и являлась общей для большинства лабораторных работ.

7. Система метрологического обеспечения установок учебного комплекса.

8. Основной целью созданного лабораторного комплекса являлось обеспечение необходимой точности измерительных установок для получения достоверных результатов. Для этого комплекса автором была разработана система метрологического обеспечения (МО).

9. Система метрологического обеспечения представляет собой совокупность субъектов деятельности, эталонов и других технических средств, видов работ, правил и норм метрологии, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений.

10. Аппаратура, входящая в состав эталонных комплексов, реализует различные методы синтеза и анализа, позволяющие обеспечить воспроизведение и передачу размеров единиц молярной доли и массовой концентрации с наивысшей точностью.

11. Эталонный комплекс объемного масштабного преобразования предназначен для воспроизведения единицы массовой концентрации в промежуточных точках шкалы на основе ПЭИМ.

12. Эталонный комплекс динамического масштабного преобразования включает масштабные преобразователи для эталонных газовых смесей на базе динамических разбавителей, имеющие коэффициенты разбавления от 10 до 1000.

13. Разработаны принципы построения учебных лабораторий комплекса по экологическому мониторингу.

14. На основе выбранных методов обоснован выбор приборов для лабораторных работ.

15. Обоснован выбор загрязнителей, содержание которых измеряется в процессе выполнения лабораторных работ.

16. Глава 3. Особенности разработки н создания аппаратурного, методического, метрологического и программного обеспечения для лабораторных работ по основным методам экологического контроля.

17. Разработка и метрологическое обеспечение лабораторной работы но атомно-абсорбцнонному методу анализа.31.1. Основные этапы разработки лабораторной работы.

18. Данная лабораторная работа состоит из двух частей. На выполнение каждой части требуется 4 аудиторных часа. Для выполнения лабораторной работы необходимо освоить лекционный материал по данному разделу, который включает следующие элементы:

19. Рис.3.1.1. Общий вид установки на основе атомно-абсорбционного спектрофотометра "СПЕКТР-5-Г