Процесс формирования профессиональных компетенций у бакалавров-материаловедов в области термостойких наноструктурированных композитов Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 378.1+541.18+666.3

ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ КОМПЕТЕНЦИИ У БАКАЛАВРОВ-МАТЕРИАЛОВЕДОВ В ОБЛАСТИ ТЕРМОСТОЙКИХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ

© У. Ш. Шаяхметов1, И. А. Фахретдинов1, Р. М. Халиков1, О. В. Иванова1*, В. В. Чудинов2, Е. А. Гончаренко1

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32. Тел./факс: +7 (347) 228 62 78. E-mail: [email protected]

2Бирский филиал БашГУ Россия, Республика Башкортостан, 452453 г. Бирск, ул. Интернациональная, 10.

Показан опыт создания образовательных программ для формирования ключевых компетенций технологов-материаловедов.

Ключевые слова: профессиональные талы, синергетика.

Для осуществления инновационной деятельности в области производства наноструктуриро-ванной керамики необходима подготовка бакалавров, владеющих соответствующими компетенциями. Актуальность компетентностного подхода конструирования образовательных программ и технологий обусловлена возрастающим количеством инвестиционных проектов в производстве огнеупорных нанокомпозитов.

Цель настоящей работы - анализ эффективных методов формирования профессиональных компетенций на примере подготовки бакалавров по направлению «Материаловедение и технологии материалов» в инженерном факультете БашГУ.

Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) ВПО требует при реализации основных образовательных программ бакалавриата по направлению подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов» [1], чтобы выпускник обладал следующими профессиональными компетенциями (ПК):

владеть основами методов исследования, анализа, диагностики и моделирования свойств веществ (материалов), физических и химических процессов в них и в технологиях получения, обработки и модификации материалов, некоторыми навыками их использования в исследованиях и расчетах (ПК-3);

уметь использовать на практике современные представления наук о материалах, о влиянии микро-и наномасштаба на свойства материалов, взаимодействии материалов с окружающей средой (ПК-7);

уметь применять основные типы современных неорганических и органических материалов для решения производственных задач, владеть навыками выбора материалов для заданных условий эксплуатации с учетом требований технологичности, экономичности, надежности и долговечности, экологических последствий их применения (ПК-9) и др.

В связи с ориентацией на компетентностный подход в профессиональном образовании и перехо-

компетенции, огнеупорные нанокомпозиты, фрак-

дом на стандарты нового поколения в образовательном процессе ВУЗа акцент делается на формировании ключевых компетенций бакалавров-материаловедов, обеспечивающих мобильность и профессиональный успех в инновационных отраслях экономики [2]. Фундаментальность университетского образования, освоение принципов и методов учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы дают выпускникам университетов существенные преимущества. Вместе с тем обучение в университете должно стать более прагматичным и включать нововведения, прежде всего, на обеспечение соответствующими кадрами малых предприятий и научно-производственных центров и др.

Для подготовки бакалавров, как специалистов, удовлетворяющих потребности современной экономики, необходимо создавать новые образовательные программы, которые могли бы обеспечить: формирование конкретных профессиональных компетенций; индивидуализацию и междисциплинарный характер образования; динамичность учебных программ и опережающий характер подготовки. Формы обучения студентов, основанные на дея-тельностном подходе учебного процесса, ориентируют преподавателя на создание условий для включения обучающихся в различные виды продуктивной деятельности, для формирования лично-стно значимого обучения. Инновация рассматривается в качестве конечного результата творческой деятельности, который реализован в виде новой или усовершенствованной продукции, реализуемой на рынке, либо нового или усовершенствованного технологического процесса, используемого в практической деятельности.

Область профессиональной деятельности бакалавров по направлению подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов» включает:

- разработку, исследование, модификацию и использование (обработку, эксплуатацию и утилизацию) материалов неорганической и органической природы различного назначения; процессы их фор-

* Автор, ответственный за переписку

мирования, структурообразования; превращения на стадиях получения, обработки и эксплуатации;

- процессы получения материалов, заготовок, полуфабрикатов, деталей и изделий, а также управление их качеством для различных областей (машиностроения и приборостроения, авиационной и ракетно-космической техники, атомной энергетики, твердотельной электроники, наноиндустрии, медицинской техники, спортивной и бытовой техники).

Например, алюмофосфатные нанокомпозиты позволяют создавать теплозащитные покрытия, которые выдерживают температуры до 2 000°С и вибрационно-механические нагрузки: поэтому востребованы в авиакосмической технике и других отраслях промышленности для узлов с высокой термической и динамической нагрузкой - обтекатели ракет, керамические детали двигателей для ракет, самолетов и др. Уникальные свойства безобжиговых огнеупорных нанокомпозитов: термостойкость, высокие механические и другие конкурентоспособные характеристики в настоящее время используются слабо в изготовлении многофункциональных материалов, т.к. недостаточно проанализированы физико-химические процессы, протекающие в гетерогенных системах с участием полифосфатных связующих. Технология конструирования нанокерамики на базе фосфатных композитов включает в качестве начальной стадии смешивание

жидких связующих с порошковой частью (оксидами металлов).

Формирование твердофазной наноструктуры обусловлено процессами кислотно-основного взаимодействия, полимеризацией и конденсацией. И. В. Тананаев и соавторы установили, что гидрофосфаты поливалентных металлов и композиций на их основе после высушивания в интервале температур 20-200°С до камнеподобного (или порошкообразного) состояния при последующем нагревании в этом промежутке температур под нагрузкой проявляют свойство пластического течения [3].

Результаты рентгенофазных и петрографических исследований [4] показали, что аморфная фаза композиций при нагревании смачивает поверхность частиц наполнителя и склеиваемых поверхностей, тем самым определяет адгезионные свойства. Начало пластической деформации зависит от температуры предварительной сушки фосфатной массы и от величины нагрузки на образец во время испытаний. Дифференциально-термический анализ композиции в системе шамот-алюмохромфосфатное связующее обнаружил, что в интервале температур 70-2000С происходит дегидратация воды. Высушенные при температуре выше 2000С алюмофос-фатные наноструктуры утрачивают способность при последующем нагревании проявлять свойство пластического течения (рис. 1):

взаимодействие оксида металла с фосфорной кислотой -получение коллоидных систем —> гелеобразование и выпадение в осадок фосфатных солей —> кристаллизация и упрочение фосфатной композиции при нагревании

Рис. 1. Основные стадии ф

Поэтому для соответствующей подготовки бакалавров по направлению «Материаловедение и технологии материалов», профиль «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов» необходимо ввести в содержание дисциплин естественнонаучного цикла интегратив-ные физико-химические концепции структурообра-зования термостойких нанокерамических композитов. В результате изучения базовой части профессионального цикла студент бакалавр по направлению подготовки «Материаловедение и технологии материалов» должен формировать компетенции: закономерности структурообразования в рамках концепции синергетики, фазовые превращения в наноструктированной керамике.

¡ания фосфатной нанокерамики

Повышенная вязкость и адгезия алюмофосфатных связующих к различным материалам обусловлено формированием в композициях агрегированных полимеров, в которых взаимодействие между ионами алюминия и ортофосфатными группами ведет к образованию нанок-ластерных структур. При достаточно высокой концентрации вещества в фосфатной композиции наступает мицеллообразование - переход системы в коллоидное состояние. На этой стадии начинается агрегация длин-ноцепочечных электролитов в заряженные частицы -мицеллы (содержащие до 50-100 олигомеров), причем с увеличением ионной силы раствора кажущаяся молекулярная масса растет. С точки зрения фрактальной [5] концепции и математического моделирования происходит (рис. 2) агрегация нанокластеров:

Рис. 2. Схема иерархии фрактальных наноструктур.

Формирование геля начинается с образования фрактальной структуры золя, роста фрактальных агрегатов до таких размеров, пока они не начнут сталкиваться и сцепляться между собой. Около точки гелеобразования случайно расположенные соседние кластеры, состоящие из полимеров или агрегатов частиц, соединяются вместе, образуя единую структурную «сетку». Поэтому фосфатные нанокомпозиции являются микрогетерогенными фрактальными системами, содержащими в равновесии с мономерами полимерные по катиону или аниону частицы, наноассоциаты таких частиц. Использование теории фракталов для описания микроструктуры аморфно-кристаллических наномате-риалов, в том числе золь-гель систем считается перспективным.

Фракталы и фракталоподобные структуры достаточно широко распространены в природе и технических системах: иерархичность обеспечивает таким системам максимальную устойчивость. Фракталоподобные структуры обнаруживаются и в интегративных междисциплинарных связях учебных дисциплин [6]. Нелинейная динамика, синергетика, фрактальный анализ дают возможность исследователю и преподавателю увидеть всю картину в целом, а также по-новому взглянуть на хорошо известные вещи, перестроить свое восприятие, дают инструмент для выявления междисциплинарных связей. Фрактальный подход к анализу образовательных структур и путей их эволюции не только открывает возможности переформулировать в новых терминах известные факты и закономерности, но и позволяет объяснить и систематизировать их.

Современные тенденции развития образовательной системы выявляют назревшие противоречия между знаниями, умениями, навыками, мотивацией к труду будущего специалиста, с одной стороны, и требованиями, интересами экономики и общества, появляющимися в результате организационно-экономических и институциональных изменений. Переход на двухуровневую систему, в том числе, в области технического образования может лишь отчасти нивелировать остроту указанных противоречий, однако не является единственным инструментом повышения качества подготовки инженерных кадров. Поэтому нами разработаны соответствующие программы и учебно-методические комплексы дисциплин для бакалавров-материаловедов.

Реализация компетентностного подхода предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий (компьютерных симуляций, разбор конкретных ситуаций) в сочетании с внеаудиторной самостоятельной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков студентов. В рамках учебных курсов должны быть предусмотрены встречи с представителями российских и зарубежных компаний, мастер-классы экспертов по специальности.

Тематика образовательных программ подготовки бакалавров 150100 «Материаловедение и технологии материалов» в основном была связана с технологией материалов, и технологией различных видов технической керамики по следующим направлениям:

1) сырьевые материалы, техника подготовки высокодисперсных, вплоть до наноразмерных, активно-спекающихся порошков; утилизации отходов; 2) дообжиговые процессы, смешивание компонентов, введение временной технологической связки, формование заготовок - пластическое формование, литье из шликеров, прессование, в том изостатическое, реология жидкотекучих и пластичных масс; 3) теория и практика спекания - твердо-фазового, жидкофазного, реакционного; методы интенсификации процесса термической обработки при пониженных температурах; 4) технология керамики - однофазной и композиционной, тонкозернистой и грубозернистой, прозрачной, пористой и высокопористой; 5) изучение строения и свойств керамики при комнатной и максимально возможной для данного материала температуре; 6) технологии изготовления функциональной керамики -конструкционной керамики для деталей машин и приборов, теплоизоляции и теплозащиты, звукоизоляции, носителей катализаторов, покрытий, электронагревательных элементов, имплантатов костных тканей и др.

Нововведения в технологии изготовления на-нокомпозиционных материалов, у которых дисперсионная среда (матрица) и (или) дисперсная фаза (армирующая фаза) состоят из керамики, обладает столь широкими возможностями, что ее успешно применяют для порошков металлов (порошковая металлургия), для полимеров (изготовление изделий из порошков полимеров). Широкий ассортимент исходных неорганических (неметаллических) веществ позволяет применять технологию керамики для получения керамических материалов с полифункциональными свойствами, из которых пока далеко не все реализованы.

Еще большие возможности открывают создаваемые по технологии керамики композиты, например, в системах керамика - керамика, керамика -стекло, керамика и вяжущий материал, керамика -металл, керамика - полимер и в более сложных системах. Переход на наноуровень - естественный шаг в дальнейшем развитии технологии керамики, дающий возможности для более тонкого регулирования структуры, и, соответственно, свойств керамического наноматериала.

Учебные исследования в образовательных технологиях включают углубленное рассмотрение физико-химических процессов в нанокомпозициях на основе тугоплавких оксидов, бескислородных соединений и минерального сырья: • разработку и создание многофункциональных

керамических материалов со специальными

свойствами для машиностроения, нефтехимии, нефтепереработки, авиационной промышленности, энергетики и строительного комплекса;

• методы и средства контроля качества наноке-рамических материалов;

• моделирование и оптимизация технологических процессов синтеза нанокерамики с использованием компьютерных технологий. Развитие практических навыков в области на-

нокерамики, которые востребованы современным образовательным процессом, осуществлялось за счет вовлечения практиков в образовательный процесс и участия студентов в научных и производственных проектах:

1) фундаментальных и прикладных научных исследованиях и разработках;

2) внедрении технологий и разработок, в том числе образовательных;

3) организации производства конкурентоспособной наукоемкой и инновационной продукции.

Междисциплинарные модули практических занятий были направлены на формирование определенной профессиональной компетенции или группы компетенций [7]. Текущий контроль проводился на практических занятиях путем оценивания выполнения технических заданий.

Итоговый контроль сформированности профессиональных компетенций проводился в форме теста: содержательная валидность теста обеспечивалась применением контрольно-измерительных материалов, предназначенных для определения соответствия (или несоответствия) индивидуальных достижений основным показателям. Тестовая работа содержала 18 заданий открытого типа, время выполнения теста - 45 минут; параллельность вариантов - 2 варианта.

Таким образом, нововведения в создании образовательных программ подготовки бакалавров-материаловедов инновационного типа, которые будут востребованы на рынке труда, многоплано-

вы. Разнофакторность проблемы затрудняет выбор оптимального подхода, тем не менее, можно надеяться, что обнаруженные успехи и положительные тенденции, с одной стороны, и вскрытые неудачные пути решения проблем, с другой стороны, дают ориентиры для выработки правильной стратегии «конструирования» образовательной среды для формирования профессиональных компетенций бакалавриата по направлению подготовки «Материаловедение и технологии материалов».

Работа выполнена в рамках реализации проекта «Разработка образовательных программ ФИОП РОСНАНО».

ЛИТЕРАТУРА

1. ФГОС ВПО по направлению подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов» (квалификация «бакалавр»).

2. Белоновская И. Д., Шухман А. Е., Морковкина Э. Ф. Специфика разработки системы обобщенных профессиональных компетенций для подготовки работников инновационных отраслей экономики // Высшее образование сегодня. 2012. №9. С. 33-38.

3. Тананаев И. В., Копейкин В. А., Красный Б. Л. в поливалентных металлов при нагревании под нагрузкой // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. Т.21. №11. 1985. С. 1928-1930.

4. Шаяхметов У. Ш. Фосфатные композиционные материалы и опыт их применения. Уфа: Старая Уфа, 2001. 150 с.

5. Халиков Р. М., Шаяхметов У. Ш., Галяутдинов А. Г. Химия и структура композиций на основе фосфатов. Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. 162 с.

6. Юшин В. Н. Фракталы и фракталоподобные структуры в науке и образовании // Образование и общество. 2010. №3. С. 72-75.

7. Чудинов В. В., Шаяхметов У. Ш., Фахретдинов И. А., Иванова О. В. Программа переподготовки в области производства наноструктурированной многофункциональной композиционной керамики // Сб. трудов Всерос. конф. «Инновационные методы в современном образовательном процессе». Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. С. 23-26.

Поступила в редакцию 10.07.2013 г.

THE PROCESS OF FORMATION OF PROFESSIONAL COMPETENCIES OF MATERIALS SCIENCE BACHELORS IN THE FIELD OF HEAT-RESISTANT NANOSTRUCTURED COMPOSITES

© U. Sh. Shayakhmetov1, I. A. Fachretdinov1, R. M. Khalikov1, O. V. Ivanova1*, V. V. Chudinov2, E. A. Goncharenko1

1Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450074 Ufa, Russia. 2Bashkir State University, Birsk Branch 10 Internatsionalnaya St., 452453 Birsk, Russia.

Phone: +7 (347) 228 62 78.

E-mail: [email protected]

The experience of the development of educational programs for the formation of core competencies technologists-materials-scientists is given. The competency approach of designing educational programs and technologies is relevant due to the increasing number of investment projects in the manufacture of refractory nanocomposites. The aim of this work is to analyze effective methods of formation of professional competencies for Bachelor Degree on the Faculty of Engineering at Bashkir State University. Therefore, physicochemical concepts of structure of nanoceramic heat resistant composites for "Materials Science and Technology of Materials" bachelors on "Design and manufacture of composite materials" profile must be integrative introduced in the content of natural science disciplines cycle. A study of the basic part of the professional disciplines by Bachelor student of this training direction must build competence: patterns of structure within the concept of synergy, phase transformations in nanoceramics. Thus, innovations in the creation of educational programs of materials science bachelor, innovations that will be needed in the labor market, are complex. Miscellaneous factoriality problem is difficult to choose the best approach, however, it is hoped that the observed successes and positive trends on the one hand, and uncovered bad solutions to problems on the other, give guidance to develop the right strategy of "construction" of the educational environment for formation of professional competence. Relevant programs and training-methodical complex for material science bachelors were developed.

Keywords: professional competence, refractory nanocomposites, fractals, synergy.

REFERENCES

1. FGOS VPO po napravleniyu podgotovki 150100 «Materialovedenie i tekhnologii materialov» (kvalifikatsiya «bakalavr»).

2. Belonovskaya I. D., Shukhman A. E., Morkovkina E. F. Vysshee obrazovanie segodnya. 2012. No. 9. Pp. 33-38.

3. Tananaev I. V., Kopeikin V. A., Krasnyi B. L. Izv. AN SSSR. Neorganicheskie materialy. Vol. 21. No. 11. 1985. Pp. 1928-1930.

4. Shayakhmetov U. Sh. Fosfatnye kompozitsionnye ma-terialy i opyt ikh primeneniya [Phosphate Composite Materials and Experience of Their Application]. Ufa: Staraya Ufa, 2001.

5. Khalikov R. Moscow, Shayakhmetov U. Sh., Galyautdinov A. G. Khimiya i struktura kompozitsii na osnove fosfatov [Chemistry and Structure of Phosphate-Based Composites]. Ufa: RITs BashGU, 2012.

6. Yushin V. N. Obrazovanie i obshchestvo. 2010. No. 3. Pp. 72-75.

7. Chudinov V. V., Shayakhmetov U. Sh., Fakhretdinov I. A., Ivanova O. V. Sb. trudov Vseros. konf. «Innovatsionnye metody v sovre-mennom obrazovatel'nom protsesse». Ufa: RITs BashGU, 2013. Pp. 23-26.

Received 10.07.2013.