Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Химический факультет
Рабочая программа дисциплины
«Получение и представление аналитической информации в химической
экспертизе»
Специальность подготовки
020201.65 «Фундаментальная и прикладная химия»
Специализация подготовки
Химия окружающей среды, химическая экспертиза
и экологическая безопасность
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
очная
Кемерово
2013
2
1. Цели освоения дисциплины
Цель и задачи изучения дисциплины:
- освоить основы теории вероятности и математической статистики, методологию обработки данных параллельных измерений в аналитической химии,
основы дисперсионного анализа, метод наименьших квадратов и его применение для обработки экспериментальных данных, основные методы обработки
аналитического сигнала, представление данных химического анализа, основы
планирования химического эксперимента для бакалавров на базе знаний по
аналитической химии и математике, объем которых определяется программой
Государственного образовательного стандарта;
- уяснить проблемы, связанные с планированием химического эксперимента, использованием методов математической статистики и численных методов
для обработки данных химического анализа различных органических и неорганических объектов, для магистров на базе знаний по аналитической химии и
математике, объем которых определяется программой Государственного образовательного стандарта.
В результате изучения дисциплины будут освоены математические основы
обработки аналитического сигнала, основы планирования химического эксперимента, научатся представлять данные химического анализа, научатся видеть
проблемы, связанные с применением математических методов в аналитической
химии, и возможные пути их решения.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Получение и представление аналитической информации в
химической экспертизе» относится к специальным дисциплинам вариативной
части.
Для успешного освоения дисциплины необходимо хорошо знать основы
аналитической химии, теории вероятности, математической статистики, математического моделирования и информатики. Эти сведения студенты получают,
изучая дисциплины математика, информатика и аналитическая химия на более
ранних этапах обучения. Изучение дисциплины «Получение и представление
аналитической информации в химической экспертизе» невозможно без знания
требований предъявляемых в заводских и учебных лабораториях к представлению результатов химического анализа и их математической обработке. Помимо
этого необходимо знать материалы, рекомендуемые IUPAC для представления
и обработки результатов химического анализа.
Студенты, выбирая различные профили подготовки на старших курсах,
широко применяют знания, полученные при изучении дисциплины «Получение
и представление аналитической информации в химической экспертизе» при
выполнении лабораторных работ, а также научных исследований, завершающихся выполнением выпускной квалификационной работы.
3
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Получение и представление аналитической информации в
химической экспертизе»
ПСК – 6.1.
Владение способами корректной обработки данных, полученных в ходе химической экспертизы, в соответствии с требованиями ГОСТов;
умение представлять полученные экспериментальные данные в квалификационных работах.
В результате освоения дисциплины “ Получение и представление аналитической информации в химической экспертизе ” обучающийся должен:
Знать:
- роль метрологической обработки данных химического анализа.
- место дисциплины “Получение и представление аналитической информации в химической экспертизе ” в системе наук и ее роль в аналитических исследованиях;
- требованиями IUPAC к представлению результатов химического анализа;
- погрешности, возникающие при проведении химического анализа конкретных объектов.
Владеть:
- метрологическими основами обработки данных химического анализа
- методологией выбора методики математической обработки данных химического анализа.
Уметь:
- корректно представлять конечные экспериментальные результаты,
- интерпретировать результаты анализа;
- сравнивать результаты анализа, полученные с применением различных
методов, методик и средств измерений.
4.
Структура и содержание дисциплины “ Получение и представление
аналитической информации в химической экспертизе ”
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы 72 часа.
4.1. Объѐм дисциплины и виды учебной работы (в часах)
4.1.1. Объѐм и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом
Вид учебной работы
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Семинары
Всего часов
72
54
36
18
4
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу
студентов и трудоемкость (в
часах)
Неделя
семестра
Общая
трудоѐмкость (часах)
№
п/
п
Раздел
Дисциплины
Семестр
Самостоятельная работа
18
Вид промежуточного контроля
Вид итогового контроля
Зачет
4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и
трудоемкость по видам занятий (в часах)
всего
1
Введение в
Учебная работа
лекции
Практ.
В.т.ч. Самостояактив- тельная
тивработа
ных
форм
6
1
2
-
2
Метрологические основы
химического
анализа
Пробоотбор
6
2-6
10
6
6
7
2
-
2
4
Дисперсионный анализ
6
8
2
2
-
5
Метод
наименьших
квадратов и его
применение в
аналитической
химии
Основы планирования
эксперимента
Методы оптимизации в математике
6
913
10
6
6
1416
1718
6
4
4
-
2
2
36
18
6
18
специальность
2
3
6
7
6
72
2
2
4
6
2
Формы текущего контроля успеваемости (по
неделям
семестра)
Форма промежуточной
аттестации
(по семестрам)
конспект
лекций
конспект
лекций
конспект
лекций
конспект
лекций
конспект
лекций
конспект
лекций
конспект
лекций
зачет
4.2. Содержание дисциплины
Содержание разделов базового обязательного модуля дисциплины
4.2.1 Содержание лекционного курса
№
Наименование раздела
дисциплины
1
Введение в
Содержание раздела дисциплины
Результат обучения, формируемые компетенции
Предмет и задачи хемометрики. Ана- Знать принцилиз исследовательских данных. Взаи- пы обработки
мосвязь между отдельными стадиями аналитического
5
специальность
2
3.
химического анализа.
Химический анализ как метрологическая
Метрологические
основы химического процедура. Результат анализа как случайная величина. Погрешности, способы
анализа
Пробоотбор
их классификации. Основные источники
погрешностей в химическом анализе.
Первичная обработка экспериментальных результатов. Идентификация формы
закона распределения погрешностей экспериментальных результатов. Построение полигона и гистограммы распределения экспериментальных результатов.
Классификация законов распределения
случайной величины. Нормальное распределение. Критерий Пирсона.
Статистические критерии. Математическое ожидание (генеральное среднее) и
генеральная дисперсия случайной величины, выборочное среднее, дисперсия,
стандартное отклонение, доверительная
вероятность и доверительный интервал,
моменты, мода, медиана.
Статистические гипотезы. Применение
статистических гипотез в анализе. Отбраковка грубых промахов, сравнение нескольких дисперсий и нескольких средних результатов химического анализа.
Систематические погрешности в химическом анализе. Правильность и способы
проверки правильности.
Дискретные случайные величины. Биноминальное распределение.
Предварительная подготовка пробы к
анализу как источник погрешностей.
Погрешности отдельных стадий пробоотбора и анализа и их влияние на
погрешность конечного результата.
Применение дисперсионного анализа
для оценки погрешностей отдельных
стадий и операций химического анали-
сигнала.
Уметь получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте.
Владеть основами математической статистики.
Знать статистическую
обработку
данных
химического
анализа, представление данных химического анализа.
Уметь получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте,
грамотно представлять полученную информацию.
Владеть основами математической
статистики
Знать статистическую
обработку
данных
химического
анализа.
Уметь корректно обрабатывать
аналитический
6
за. Оценка исполнения.
4.
Дисперсионный
анализ
Определение источника вариации
данных. Однофакторный дисперсионный анализ (на примере проверки
влияния различных методик проведения химического анализа в разных лабораториях). Двухфакторный
дисперсионный анализ.
5.
Метод наименьших
квадратов и его применение в аналитической химии
Методы калибровки. Использование
метода наименьших квадратов для
определения параметров градуировочного графика. Применение градуировочного графика в анализе. Интервальный предел обнаружения. Нелинейная
калибровка. Метод стандартных добавок.
Многокомпонентный
анализ.
Обобщенный метод стандартных добавок.
сигнал,
получить достоверную
химическую информацию об изучаемом органическом или неорганическом объекте.
Владеть основами математической
статистики.
Знать статистическую
обработку
данных
химического
анализа.
Уметь корректно обрабатывать
аналитический
сигнал,
получить достоверную
химическую информацию об изучаемом органическом или неорганическом объекте.
Владеть основами математической
статистики, численными методами
обработки аналитического
сигнала.
Знать статистическую
обработку данных
химического
анализа, представление данных
химического анализа.
Уметь корректно
обрабатывать аналитический
сигнал,
получить
достоверную хи-
7
6.
Основы планирования Однофакторный эксперимент. Критерии выбора вида математической моэксперимента
дели химического процесса. Требования к математической модели. Оценка
адекватности математической модели.
Многофакторный эксперимент. Поверхность отклика. Методы определения вида и параметров математической
модели химического процесса по экспериментальным данным. Метод Брандона.
Математическое планирование аналитического эксперимента. Полный факторный эксперимент. Оценка значимости факторов математической модели.
Повышение эффективности эксперимента. Дробные реплики. Центральное
композиционное планирование. Контурно-графический анализ. Латинские
квадраты и прямоугольники.
7.
Методы оптимизации Методы нахождения экстремума
функции одной переменной. Линейное
в математике
программирование. Симплекс-метод.
Нелинейное программирование. Методы нелинейного программирования.
Методы нахождения функции нескольких переменных. Метод деформируемого многогранника.
мическую информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте,
грамотно
представлять полученную информацию.
Владеть основами математической статистики, численными методами
обработки аналитического
сигнала.
Знать статистическую
обработку данных
химического
анализа.
Уметь планировать химический эксперимент, получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте.
Владеть основами математической статистики, основами планирования химического эксперимента.
Знать принципы обработки
аналитического
сигнала.
Уметь получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
8
неорганическом
объекте.
Владеть
численными методами обработки
аналитического
сигнала.
4.2.2 Содержание практических занятий
№
1
2.
Наименование раздела
дисциплины
Содержание раздела дисциплины
Химический анализ как метрологическая
Метрологические
основы химического процедура. Результат анализа как случайная величина. Погрешности, способы
анализа
Дисперсионный
анализ
их классификации. Основные источники
погрешностей в химическом анализе.
Первичная обработка экспериментальных результатов. Идентификация формы
закона распределения погрешностей экспериментальных результатов. Построение полигона и гистограммы распределения экспериментальных результатов.
Классификация законов распределения
случайной величины. Нормальное распределение. Критерий Пирсона.
Статистические критерии. Математическое ожидание (генеральное среднее) и
генеральная дисперсия случайной величины, выборочное среднее, дисперсия,
стандартное отклонение, доверительная
вероятность и доверительный интервал,
моменты, мода, медиана.
Статистические гипотезы. Применение
статистических гипотез в анализе. Отбраковка грубых промахов, сравнение нескольких дисперсий и нескольких средних результатов химического анализа.
Систематические погрешности в химическом анализе. Правильность и способы
проверки правильности.
Дискретные случайные величины. Биноминальное распределение.
Определение источника вариации
данных. Однофакторный дисперсионный анализ (на примере проверки
влияния различных методик проведения химического анализа в разных лабораториях). Двухфакторный
Результат обучения, формируемые компетенции
Знать статистическую
обработку
данных
химического
анализа, представление данных химического анализа.
Уметь получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте,
грамотно представлять полученную информацию.
Владеть основами математической
статистики
Знать статистическую
обработку
данных
химического
анализа.
Уметь коррект-
9
дисперсионный анализ.
Методы калибровки. Использование
метода наименьших квадратов для
определения параметров градуировочного графика. Применение градуировочного графика в анализе. Интервальный предел обнаружения. Нелинейная
калибровка. Метод стандартных добавок.
Многокомпонентный
анализ.
Обобщенный метод стандартных добавок.
3.
Метод наименьших
квадратов и его применение в аналитической химии
4.
Основы планирования Однофакторный эксперимент. Крите-
но обрабатывать
аналитический
сигнал,
получить достоверную
химическую информацию об изучаемом органическом или неорганическом объекте.
Владеть основами математической
статистики, численными методами
обработки аналитического
сигнала.
Знать статистическую
обработку данных
химического
анализа, представление данных
химического анализа.
Уметь корректно
обрабатывать аналитический
сигнал,
получить
достоверную химическую информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте,
грамотно
представлять полученную информацию.
Владеть основами математической статистики, численными методами
обработки аналитического
сигнала.
Знать статисти-
10
эксперимента
рии выбора вида математической модели химического процесса. Требования к математической модели. Оценка
адекватности математической модели.
Многофакторный эксперимент. Поверхность отклика. Методы определения вида и параметров математической
модели химического процесса по экспериментальным данным. Метод Брандона.
Математическое планирование аналитического эксперимента. Полный факторный эксперимент. Оценка значимости факторов математической модели.
Повышение эффективности эксперимента. Дробные реплики. Центральное
композиционное планирование. Контурно-графический анализ. Латинские
квадраты и прямоугольники.
ческую
обработку данных
химического
анализа.
Уметь планировать химический эксперимент, получить
достоверную
химическую
информацию об
изучаемом органическом или
неорганическом
объекте.
Владеть основами математической статистики, основами планирования химического эксперимента.
5. Образовательные технологии
Для эффективной реализации целей и задач ФГОС ВПО, для воплощения
компетентностного подхода в преподавании используются следующие образовательные технологии и методы обучения (табл.3).
Таблица 3.
Вид
занятия
1
Лекции
Технология
Цель
2
Технология
проблемного обучения
3
Семинары
Технология
проблемного, модульного дифференцированного обучения
Усвоение теоретических знаний, развитие
мышления, формирование профессионального интереса к будущей деятельности
Развитие творческой и
познавательной самостоятельности, обеспечение индивидуального подхода с учетом
базовой подготовки
Самостоятельная ра-
Технологии концентрированного, мо-
Развитие познавательной самостоятельно-
Формы и методы
обучения
4
Лекция-объяснение,
лекция-визуализация,
лекция-объяснение с
частичным привлечением формы дискуссии, беседы.
Постановка проблемных познавательных
задач, индивидуальный
темп обучения, учитывающий динамику работоспособности студента.
Индивидуальные,
групповые
11
бота
дульного, дифферен- сти, обеспечение гибцированного обуче- кости обучения, развитие навыков работы с
ния
различными источниками информации,
развитие умений,
творческих способностей.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Таблица 4.
№
Виды самостоятель- Формы контроля
Сроки конУчебноной работы
трольнометодическое
зачетных ме- обеспечение*
роприятий, неделя семестра
1
Подготовка к семи- Индивидуальные
7, 15
1-3,11-14
нарским занятиям,
расчетные задавыполнение индивиния
дуальных расчетных
заданий
2
Работа с литературой Индивидуальные
17
1-6, 1-10 и др.
расчетные задания
3
Подготовка к сдаче
Зачет
18-20
1-6,9,10
зачета
* список литературы
ТЕСТ
(примерный)
1. Каким законом описывается функция распределения случайной погрешности, наблюдаемая в ходе анализа?
а. Равномерным
б. Гаусса
в. Коши
г. Лапласа
2. Каким из представленных ниже параметров характеризуется случайная
выборка, полученная при проведении ряда параллельных измерений одной и
той же величины?
а. Математическое ожидание
б. Среднее арифметическое
в. Среднее геометрическое
12
г. Медиана
3. От какого из представленных ниже параметров зависит коэффициент
Стьюдента?
а. Среднего арифметического
б. Стандартного отклонения
в. Числа измерений
г. Дисперсии
4. Статистической гипотезой называют утверждение, позволяющее определить:
а. Наличие грубого промаха
б. Величину стандартного отклонения
в. Уровень доверительной вероятности
г. Минимальное число измерений
5. Гипотеза о равенстве двух средних значений проверяется при помощи:
а. Критерия Кохрена
б. Критерия Бартлета
в. t критерия
г. 2 критерия
6. Какая величина позволяет утверждать, что сигнал от аналита регистрируется с полной определенностью?
а. 3t
б. 3s
в. 6t
г. 6s
7. Абсолютное стандартное отклонение суммы x = a + b равно:
x
1)
3) x
x
a
a
a
b ; 2) S x
b ; 4) S
x
b
x
Sa2
Sa2
a
2
Sb2 ;
Sb2
b
2
.
Контрольные вопросы к зачету
1. Введение в теорию вероятностей. Виды погрешностей.
2. Понятие о случайном событии. Использование параллельных измерений в
анализе.
13
3. Функция распределения вероятности. Математические характеристики
функции распределения.
4. Виды законов распределения случайной величины.
5. Гистограммы. Правила построения гистограмм.
6. Представление данных параллельных измерений в аналитической химии.
7. Статистические гипотезы. Использование статистических гипотез в анализе.
8. Грубые промахи и методы их исключения.
9. Систематические погрешности.
10. Обнаружение сигнала. Отношение сигнал/шум.
11. Точечное оценивание предела обнаружения.
12. Дисперсионный анализ.
13. Пробоотбор. Погрешность пробоотбора.
14. Оценка исполнения.
15. Планирование эксперимента. Понятие об одно- и многофакторном экспериментах.
16. Выбор математической модели изучаемого явления. Оценка погрешности
адекватности.
17. Корреляционный анализ.
18. Использование МНК в химическом анализе. Представление данных, полученных с помощью МНК, в аналитической химии.
19. Интервальная оценка предела обнаружения.
20. Полный и дробный факторные эксперименты.
21. Центральное композиционное планирование.
22. Контурно-графический анализ.
23. Латинские квадраты и прямоугольники.
24. Методы оптимизации. Понятие локального и глобального оптимума. Целевая функция.
25. Линейное программирование.
26. Нелинейное программирование.
27. Калибровка и химический анализ.
28. Оценка параметров, полученных при пересечении двух линий регрессии.
29. Метод добавок. Обобщенный метод стандартных добавок.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Получение и представление аналитической информации в химической
экспертизе»
Основная литература
14
1. Внутрилабораторный контроль качества результатов анализа с использованием лабораторной информационной системы Терещенко А.Г. Пикула Н.П.
Толстихина Т.В. 2-е изд "Бином. Лаборатория знаний" 2012.312 с ISBN:9785-9963-1476-8.
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=4364
2. Ананьев В.А. Анализ экспериментальных данных. Часть 1. Томск: Изд-во
Томского государственного педагогического университета. 2009.- 108 с.
Список дополнительной учебной литературы
1.. Шараф, М. А. Хемометрика / М. А. Шараф, Д. Л. Иллмэн, Б. Р. Ковальски Л.: Химия. Ленинградское отделение, 1989. - 270 с.
2. Дерфель К. Статистика в аналитической химии / К. Дерфель - М.: Мир, 1994.
– 350 с.
3. Чарыков, А. К. Математическая обработка результатов химического анализа /
А. К. Чарыков - Л.: Химия, 1984. – 168 c.
4. Представление результатов химического анализа (рекомендации IUPAC 1994 г.)
// Журнал аналитической химии. - 1998. - Т. 53. - № 9. - С. 999 – 1008.
5. Колде Я.К. Практикум по теории вероятностей и математической статистике
/ Я.К. Колде - М.: Высшая школа, 1991. - 160 с.
6. Отто М. Современные методы аналитической химии. Серия: Мир химии /
М. Отто - М.: Техносфера, 2006. - 416 с.
7. Дребущак Т.Н. Введение в хемометрику. Практика анализа экспериментальных данных: Учебное пособие / Т.Н. Дребущак - Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. - 88 с.
8. Кибзун А.И. Теория вероятностей и математическая статистика. Базовый курс
с примерами и задачами. Учебное пособие / А.И. Кибзун, Е.Р. Горяинова, А.В.
Наумов, А.Н. Сиротин - М: Физматлит. 2002. - 204 с.
9. Кельнер Р. Аналитическая химия. Проблемы и подходы. Том 2. Серия: Лучший зарубежный учебник / Р. Кельнер, Ж.-М. Мерме, М. Отто, М. Видмер - М.:
АСТ, Мир, 2004. - 728 с.
10. Основы аналитической химии. В 2 кн. Общие вопросы. Методы разделения.
Серия "Классический университетский учебник". Кн.1 / Под редакцией: Золотова Ю. А. - М.: Высшая школа, 2004. - 360 с.
11. Систематические и случайные погрешности химического анализа / Под редакцией: Черновьянц М. С. - М.: ИКЦ Академкнига, 2004. - 157 с.
12. Марьянов Б. М. Избранные главы хемометрики / Б. М. Марьянов - Томск:
Изд-во Томского университета, 2004. – 260 с.
13. Дворкин В.И. Метрология и обеспечение качества количественного химического анализа / В.И. Дворкин. - М: Химия, 2001. - 263 с.
14. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных / К. Эсбенсен - Черноголовка:
Изд-во ИПХФ РАН. 2005. - 160 с.
15. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. 2-е изд.,
перераб. и доп. / Н.Ш. Кремер - М.: Юнити-Дана, 2004. - 573 с.
15
Ресурсы Интернета
1. IUPAC orange book. http://www.iupac.org/publication/analytical compendium.
2. Основы хемометрики и химической метрологии. Гармаш А. В. http: // chemstat. com.ru / lections / index.html
3. Статистика в аналитической химии. http://chemstat.com.ru/
4. О.Е. Родионова, А.Л. Померанцев. Хемометрика в аналитической химии.
PDF. Ин-т хим. физики РАН. 60 с. http: // www.chemometrics.ru/materials/articles/
chemometrics _review.pdf
Обеспеченность литературой
Терещенко А.Г. Внутрилабораторный контроль качества результатов
анализа с использованием лабораторной информационной системы.
2-е изд /Терещенко А.Г. Пикула Н.П. Толстихина Т.В. "Бином. Лаборатория знаний" 2012.-312 с ISBN:978-5-9963-1476-8.
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=4364
Ананьев В.А. Анализ экспериментальных данных. Часть 1. Томск:
Изд-во Томского государственного педагогического университета.
2009.- 108 с.
50
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Получение и представление аналитической информации в химической экспертизе»
Для материально-технического обеспечения дисциплины «Получение и
представление аналитической информации в химической экспертизе»
используются персональные компьютеры на каждого студента.
Чтение лекций проводится в лекционном зале, обеспеченном мультимедийными средствами.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по специальности 020201.65 «Фундаментальная и прикладная химия» и специализации подготовки «Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность».
16