Разработка методического обеспечения лабораторного практикума по биофизике

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет Кафедра физики и информационных систем ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Разработка методического обеспечения лабораторного практикума по биофизике Работу выполнил Глинов Дмитрий Викторович Научный руководитель канд. пед. наук, доц. Л. Ф. Добро Краснодар 2013

Реферат

Глинов Д.В. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО БИОФИЗИКЕ.

БИОФИЗИКА, УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКС, ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ, ПОРОГ СЛЫШИМОСТИ, АУДИОМЕТРИЯ, ВРЕМЯ ПРОСТОЙ СЕНСОМОТРОНОЙ РЕАКЦИИ, ПОЛЕ ЗРЕНИЯ, СЛЕПОЕ ПЯТНО.

Объектом разработки данной дипломной работы является элементы учебно-методического комплекса по биофизике, лабораторный практикум.

Цель работы — разработка и изготовление лабораторного оборудования по биофизике.

В результате выполнения дипломной работы были сконструированы приборы для лабораторных работ по биофизике, дополнены уже имеющиеся лабораторные работы, методический материал с теоретическими сведениями и указаниями к выполнению работ по биофизике.

1. Организация учебного процесса в высшей школе

1.1 Лабораторные работы, их роли в учебном процессе

1.2 Лабораторные работы, их роли в учебном процессе

1.2.1 Вводно-мотивационный этап

1.2.2 Операционно-познавательный этап

1.2.3 Контрольно-оценочный этап лабораторных работ

2. Учебно-методический комплекс по биофизике

2.1 Требования к уровню освоения содержания дисциплины «Биофизика»

2.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины

2.3 Содержание разделов дисциплины «Биофизика»

2.3.1 Разделы дисциплины и виды занятий

2.3.2 Содержание разделов дисциплины «Биофизика»

2.3.3 Лабораторный практикум по биофизике

2.4 Требования к результатам освоения образовательных программ бакалавриата

3. Создание лабораторного практикума по биофизике

3.1 Лабораторная работа «Определение порога слышимости человека методом аудиометрии. Построение аудиограмм»

3.2 Лабораторная работа «Измерение времени простой сенсомоторной реакции «

3.3 Лабораторная работа «Определение поля зрения глаза, поля обзора. Обнаружение слепого пятна»

4. Педагогический эксперимент

4.1 Описание условий проведения эксперимента

4.2 Проведение педагогического эксперимента

Заключение

Список использованных источников

Введение

В 90-е годы XX века перед образованием в нашей стране встали новые задачи, а именно: переход России к рыночной экономике требовал преодоления опасности накапливающегося отставания России от мировых тенденций экономического и общественного развития. Обновление содержания образования стало важной задачей развития российской системы образования. Поэтому от современного образования требовалось и требуется уже не простое фрагментарное включение методов исследовательского обучения в образовательную практику, а целенаправленная работа по развитию исследовательских способностей, специально организованное обучение студентов умениям и навыкам исследовательского поиска[1]. Самые ценные и прочные знания добываются самостоятельно, в ходе собственных творческих изысканий. Для учащегося естественнее и гораздо легче постигать новое, действуя подобно ученому (проводить собственные исследования — наблюдая, ставя эксперименты, делая на их основе собственные суждения и умозаключения.

Исследовательская деятельность дает возможность развивать познавательную активность, но ее нужно уметь использовать. Для этого необходимо создать условия для овладения культурной исследовательской деятельности при обучении студентов биофизике.

Формирование лабораторного комплекса по биофизике ставит своей целью развитие у студентов способности быть субъектом исследовательской деятельности через освоение культурных способов решения исследовательских задач в процессе обучения биофизике. Для этого необходимо:

3 Обладать способностью выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений;

4 Обладать способностью видеть естественную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат;

5 Обладать готовностью к участию в проведении медико-биологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов.

Лабораторные работы играют большую роль в учебном процессе по многим фундаментальным, общеинженерным и специальным дисциплинам, которые изучаются в высших и средних учебных заведениях. На лабораторных занятиях студенты воспринимают, наблюдают, исследуют явления природы, технические и другие процессы, изучают объекты техники, устройство и принцип действия измерительной аппаратуры, методику измерений.

Выполнение лабораторных работ необходимо для достижения образовательных целей на уровне специальности, а также дидактических и развивающих целей учебных дисциплин и их составляющих.

Так, они обеспечивают связь теории с практикой, развивают самостоятельность и способность к постановке и проведению экспериментов, пониманию и интерпретации фактов, к анализу явлений и синтезу, к оценке полученной информации, применению знаний на практике.

Целью дипломной работы является разработка лабораторного практикума по биофизике и обоснование необходимости лабораторных работ в учебном процессе.

1. Организация учебного процесса в высшей школе

1.1 Формы организации учебного процесса Учебный процесс в высшей школе — это сложная система организации, управления и развития познавательной деятельности студентов, это процесс многостороннего формирования специалиста высшей квалификации. Учебный процесс функционирует как единое целое в составе определяющих его сущность элементов и вследствие этого является результативным.

Процесс обучения реализуется через конкретные формы его организации.

К организационным формам обучения, которые одновременно являются способами непрерывного управления познавательной деятельностью студентов, относят:

— лекции;

— семинары;,

— коллоквиумы;

— лабораторные работы;

— практикумы;

— самостоятельную работу;

— научно-исследовательскую работу студентов;

— производственную;

— педагогическую;

— дипломную практики и др.

Среди перечисленных форм работы в вузе важнейшая роль отводится аудиторным занятиям: лекциям, семинарским и лабораторным занятиям.

Учебный процесс в вузе слагается из деятельности педагога — преподавания учебной дисциплины и деятельности студента — учения. Чтобы осуществлять этот процесс, необходимо его организовать.

На каждом этапе обучения решаются как общие (т.е., на решение которых направлен весь процесс обучения), так и специфические задачи (т.е., что доминируют в конкретном этапе этого процесса). В зависимости от доминирующих целей и особенностей усвоения знаний, умений и навыков выделяются следующие этапы процесса обучения:

— формирование новых знаний;

— закрепление и совершенствование знаний;

— формирование умений и навыков;

— применение знаний на практике;

— повторение;

— систематизация знаний;

— контроль усвоения знаний, умений и навыков.

Те или иные этапы, а чаще всего их совокупность лежат в основе конструируемых форм организации обучения.

Учение истолковывается как саморазвитие личности на основе собственной образовательной инициативы. Обучение же выступает как «механизм», поддерживающий данный процесс на уровне его стимулирования, выявления и предъявления студентам его наиболее значимых направлений, его текущей и итоговой диагностики, сопутствующей корректировки, оптимизации с точки зрения средств и способов достижения образовательного результата.

1.2 Лабораторные работы, их роль в учебном процессе Лабораторные работы играют большую роль в учебном процессе по многим фундаментальным, общеинженерным и специальным дисциплинам, которые изучаются в высших и средних учебных заведениях. Они являются одной из форм учебных занятий и одним из практических методов обучения, в котором учебные цели достигаются при постановке и проведении студентами экспериментов, опытов, исследований с использованием специального оборудования, приборов, измерительных инструментов и других технических приспособлений [2,3]. На лабораторных занятиях студенты воспринимают, наблюдают, исследуют явления природы, технические и другие процессы, изучают объекты техники, устройство и принцип действия измерительной аппаратуры, методику измерений.

Многие преподавателей высших учебных заведений сталкиваются с проблемой постановки лабораторных работ, разработки методических материалов по их постановке и проведению, испытывая при этом трудности методического характера в связи с тем, что в педагогической литературе этим вопросам уделено недостаточно внимания.

Выполнение лабораторных работ необходимо для достижения образовательных целей на уровне специальности, а также дидактических и развивающих целей учебных дисциплин и их составляющих.

Таким образом, они обеспечивают связь теории с практикой, развивают самостоятельность и способность к постановке и проведению экспериментов, пониманию и интерпретации фактов, к анализу явлений и синтезу, к оценке полученной информации, применению знаний на практике. На уровне учебных дисциплин лабораторные работы обеспечивают знакомство с оборудованием, приборами, средствами измерения, с методикой исследования, пополняя знания фактами, они позволяют определить и проверить теоретические зависимости.

В зависимости от задач, решаемых на лабораторных занятиях, различают ознакомительные, экспериментальные и проблемно-поисковые лабораторные работы.

В ознакомительных лабораторных работах проводится изучение конструктивных особенностей, устройство средств производственной деятельности (оборудования, инструментов приспособлений и т. д.) и средств исследовательской деятельности (испытательных установок, приборов и т. д.), а также их наладка и настройка.

Экспериментальные лабораторные работы включают экспериментальные и исследовательские задания. Это могут быть задания по изучению и отработке методики проведения различных исследований (например, методики определения ударной вязкости при изучении сопротивления материалов), по конструированию, переконструированию и доконструированию различных схем и приспособлений (например, составление электрических схем для измерения свойств объектов, изменение конструкции зубчатой передачи для достижения вариаций передаточного числа, по исследованию влияния различных факторов на свойства объектов, по определению степени соответствия экспериментальных и расчетных данных, по проверке, иллюстрации, подтверждению законов, закономерностей и т. д.

Проблемно-поисковые работы также включают постановку и проведение экспериментов. Отличаются они только степенью проблемности экспериментальных задач. При этом речь идет об уровнях проблемности этих задач для студентов: новизне объектов, условий, в которых проводится эксперимент по сравнению с известными ранее. К этой группе лабораторных работ относятся и работы по проверке различных гипотез учебного и научного уровня проблемности.

На основе деятельностного подхода к анализу лабораторных работ в их структуре выделяют такие этапы:

— вводно-мотивационный;

— операционно-познавательный;

— контрольно-оценочный;

— заключительный.

Вводно-мотивационный этап включает определение и сообщение темы лабораторной работы, формирование ее дидактической и развивающей цели и мотивацию цели.

Центральным звеном лабораторной работы является операционно-познавательный. Именно он включает подготовку к выполнению практических заданий и выполнение их. При подготовке к занятию преподаватель формирует перечень практических задач и заданий, формирует перечень и проектирует методику актуализации опорных знаний и способов деятельности, проектирует методику формирования ориентировочной основы деятельности и организацию проведения лабораторной работы. При проведении занятия на этом этапе сообщается перечень задач и заданий студентам, актуализируются опорные знания и способы действий, формируется ориентировочные основы деятельности, организуется исполнение дидактического проекта данного этапа работы, выполнение студентами лабораторных заданий.

На этапе контроля и оценки студенты проводят обработку экспериментальных данных и результатов выполнения лабораторных задач, формулируют выводы, а также оценивают степень достижения целей работы.

Заключительный этап включает оформление отчета и сдачу работы преподавателю.

Каждый из этапов лабораторной работы имеет свои особенности в проектировании, организации и проведении. Рассмотрим их более подробно.

1.2.1 Вводно-мотивационный этап Выбор и формулировка тем лабораторных работ.

Тематика лабораторных работ определяется учебной программой по дисциплине, конкретизируется для каждой специальности в рабочей программе по дисциплинам в зависимости от специфики и направления подготовки специалистов, часов, выделенных для лабораторного практикума в учебном плане и наличия необходимой лабораторной базы. При этом, в первую очередь планируют проведение лабораторных работ, наиболее значимых для профессиональной подготовки и формирования практических способов деятельности.

Формулировка названия лабораторной работы должна включать необходимые компоненты структуры основной задачи, решаемой на занятии, и указания на характер действий студентов по отношению к этой задаче. Действия студентов обычно указываются такими терминами, как изучение, конструирование, определение и т. д. Компонентами структуры основной задачи являются:

— объект — та часть материального мира, процесса, явления, на которую направлена деятельность учащегося при выполнении лабораторной работы;

— предмет — та сторона объекта, которая изучается или исследуется;

— процедура — характер, вид, способ воздействия на объект с целью получения результата. При этом объект, предмет или процедура должны быть новыми для студентов.

Формулировка цели лабораторной работы.

Цель — это сознательный образ ожидаемого результата [8], указатель будущего состояния системы (объекта), к которому она стремится. Поскольку лабораторные работы представляют собой одну из форм учебных занятий, их целью является изменение личности учащегося. В когнитивной области структуры личности студентов эти изменения могут быть охарактеризованы эталонами учебных действий с указанием уровня их сформированности в соответствии с таксономией целей так, как это предложено в [10]:

— выполнять действия с опорой на внешний источник информации (схемы, алгоритмы, инструкции, указания и т. д.);

— выполнять действия самостоятельно, с опорой на усвоенные ранее знания и способы действия;

— выполнять автоматизированные действия, то есть действия на основе прочно сформированных автоматизированных навыков.

Нередко цели лабораторных работ преподаватели формулируют через действия педагога (сформировать, развить, обеспечить…) или через цели выполнения эксперимента (определить магнитную проницаемость…, измерить твердость стали…). Однако такие формулировки не дают возможности оценить, достигнута ли главная цель — изменение в личности учащегося, сформирована ли его способность выполнять те или иные практические действия… Постановка цели должна обеспечить возможность диагностики достижения целей занятия. Например, цель лабораторной работы по изучению методов измерения твердости металлических материалов является формирование способности студентов измерять твердость таких материалов. Доказательством достижения этой цели будут служить умения самостоятельно и правильно выбирать метод измерения твердости, выполнять такие измерения и оценивать точность, с которой определена твердость.

Мотивация цели лабораторных работ чаще всего проводится путем раскрытия практического, профессионального значения результат лабораторной работы, обеспечения интереса к теме, организации соревновательности при выполнении заданий и т. д. Например: освоив методику измерения твердости металлических материалов, Вы сможете применить ее. Для контроля термической обработки изделий.

1.2.2 Операционно-познавательный этап Формирование перечня практических учебных задач лабораторной работы.

Средством достижения дидактической цели лабораторной работы являются практические задачи, решаемые на занятиях и выполняемые в определенных условиях и определенными методами. Они являются этапами достижения целей всей лабораторной работы и формируются в результате декомпозиции общей задачи исследования, определяя план действий по ее решению.

Компонентами структуры задач являются: предмет — задача, находящаяся в исходном состоянии, продукт — модель требуемого (конечного) состояния предмета, то есть требования задачи, процедура, приводящая к изменению предмета задачи, то есть средства, способы и методы достижения конечного состояния предмета задачи. Эта процедура может быть указана студентам, в этом случае их действия приобретают репродуктивный характер. Если же процедура им не известна или определена лишь в общем виде, деятельность студентов по решению задачи приобретает черты творчества. Представленный таким образом перечень задач лабораторной работы позволяет составить план выполнения операционно-познавательного этапа лабораторной работы. Следует указать, что составленный таким образом план может быть реализован в случае, если имеется в наличии материальное обеспечение лабораторной работы. В противном случае его приходится корректировать с учетом особенностей материальной базы.

Актуализация опорных знаний и способов деятельности.

Основные теоретические положения, актуализация которых необходима для выполнения практических задач лабораторной работы, обычно составляют раздел методических указаний к лабораторной работе, называемый «Основные теоретические положения», в виде текста и ссылок на рекомендуемые литературные источники. Текст чаще всего составляется путем перечисления, определения и пояснения основных содержательных элементов, знания которых необходимы для выполнения практических задач. Этот раздел студенты могут осваивать на занятии или при подготовке к нему. В любом случае для допуска студентов к выполнению практической части работы следует провести проверку усвоения опорного материала, уделив особое внимание вопросам техники безопасности. В лабораторных работах ознакомительного характера описание опорного материала зачастую входит в состав ориентировочной основы деятельности в виде описания объектов деятельности: натурных образцов, схем, оборудования, приборов и т. д.

Планирование проведения лабораторной работы требует учета ее типа (ознакомительная или экспериментальная), а разработка плана эксперимента — выбора его типа традиционный или факторный. При традиционном планировании изменяется лишь одна независимая переменная, при факторном плане их может быть две и больше.

Формирование ориентировочной основы деятельности. Любое действие, в том числе действия студентов по выполнению лабораторной работы, включает ориентировочную, исполнительную и контрольно-корректировочную части. Ориентировочная часть действия направлена на правильное и рациональное построение исполнительной части или выбор одного из возможных вариантов исполнения. Содержание ориентировочной основы деятельности может быть различным и отличаться как полнотой определения условий выполнения действия, так и обобщенностью и способом получения. Полнота ориентировочной основы деятельности характеризуется наличием или недостатком компонентов в ее структуре [13], таких как:

— объект преобразования или исходный материал для деятельности (проблемы, задания, заготовки, материалы, компоненты схем и т. д.);

— образ конечного продукта или представление о результатах действий (описание закономерности, численного результата, модели, схемы, образца, изделия и т. д.);

— средства деятельности (справочники, таблицы, приборы, инструменты, а также знания, необходимых законов, фактов, способов преобразования, владение методами и способами выполнения действий в умственной и материальной форме);

— технология деятельности (алгоритм действия, расчетная формула, показ или описание последовательности выполнения операций в виде инструкции, технологической карты и т. д.).

В методических указаниях к лабораторной работе ориентировочная основа деятельности может быть разных типов: полной или неполной, в конкретном или общем виде.

Исполнительная деятельность студентов по выполнению лабораторного задания.

Структура операционной части и исполнительные действия студентов в ознакомительных лабораторных работах чаще всего включают такие действия, как наблюдение, эскизирование, зарисовка схем, запись алгоритма действия, сборка схем, регулирование и наладка механизмов и т. д. В результате выполнения этих лабораторных работ студенты должны демонстрировать такие действия, как: назвать и указать на образце или схеме отдельные конструктивные блоки и объяснить их функциональное назначение, перечислить конструктивные особенности устройства прибора, объяснить характер и указать сферу их использования, зарисовать схему установки или прибора и обозначить отдельные элементы, разобрать или собрать установку, измерительную схему, произвести регулировку или настройку прибора, станка и т. д.

Особым видом лабораторных работ являются те, центральной частью которых является проведение лабораторных учебных экспериментов (экспериментальные работы). По характеру задач, решаемых при выполнении таких лабораторных работ их можно разделить на два вида: работы по освоению методики измерения различных характеристик и работы по изучению поведения, характеристик объектов, измерению этих характеристик в зависимости от условий эксперимента. В последних методы измерения служат основой, базовыми операциями, которые используются студентами при проведении исследований.

В результате выполнения экспериментальных лабораторных работ по освоению методики измерений студенты должны демонстрировать такие умения, как: определять характеристики объектов и измерять их предусмотренными методами с требуемым качеством, использовать методы определения свойств объектов и измерение их характеристик для выполнения экспериментальных заданий, оценивать точность выполненных измерений и характер их интерпретации и т. д. При очевидности вспомогательной функции таких лабораторных работ им следует уделять должное внимание. Не освоив методов исследования и измерения характеристик объектов, студенты не смогут выполнить лабораторные задания по изучению зависимостей, определению влияния различных факторов, так как результаты исследований могут оказаться недостоверными. При выполнении лабораторных работ по освоению методики измерений следует уделять большое внимание отработке методов оценки точности измерений, учету систематических и случайных погрешностей доверительного интервала, возможностей и границ использования отдельных методов и оборудования.

Экспериментальные работы второго вида требуют разработки плана проведения эксперимента и выбора типа алгоритма его выполнения. При этом в зависимости от характера дидактической задачи, могут использоваться разные типы алгоритмов:

— алгоритм воспроизведения. Практическая лабораторная задача решается в строгом соответствии с системой правил, следуя которым студенты в определенном порядке воспроизводят те или иные операции (регламентированная последовательность действий);

— алгоритм распознавания. Словесное описание последовательности действий заменяют чертежом, фотографией, в соответствии с которыми требуется собрать схему, механизм. При этом студенты из несистематизированного набора деталей, узлов должны распознать те, которые подходят для данной конструкции, увидеть за условными обозначениями чертежа различные детали, элементы схем, отобразить их и сконструировать механизм, схему;

— проблемный алгоритм. Это система общепринятых правил и операций, выполняя которые в определенной последовательности студенты выполняют поисковую и исследовательскую деятельность, направленную на разрешение проблемной ситуации.

В зависимости от типа предложенного студентам алгоритма их исполнительные действия существенно отличаются. Если в лабораторных работах ознакомительного характера чаще всего используют алгоритмы распознавания, то в экспериментальных работах по изучению методики, приемов выполнения действий — алгоритмы воспроизведения. В исследовательских лабораторных работах наряду с алгоритмами воспроизведения используют проблемные алгоритмы.

Организация выполнения лабораторных работ может отличаться в зависимости от формы их проведения: фронтальной, цикловой, индивидуальной [14,15]. Различия в форме организации лабораторных работ определяют особенности их подготовки и методики проведения: с организацией индивидуальной или групповой деятельности студентов. В последнем случае необходимо продумать целесообразность принципов организации группы (цепочка, сеть, звезда и методику распределения ролей в группе, в том числе — выделение лидера).

Организация лабораторной работы включает также подготовку материальной базы: предметов и средств учебной деятельности. К ним относятся материалы, заготовки, детали, инструменты, приспособления, измерительные средства, испытательные установки, оборудование и т. д. Этот перечень с указанием характеристик и необходимого количества предметов обязательно приводится в методических указаниях в разделе «Организация лабораторной работы».

1.2.3 Контрольно-оценочный этап лабораторных работ Целью этого этапа лабораторных работ является обработка, анализ и оценка результатов выполнения заданий и формулирование выводов. В методических указаниях по этому разделу следует указать требуемую форму представления результатов (описание, таблицы, графики, зависимости), а также, при необходимости, конкретизировать эти требования в той или иной степени: представить заголовки таблиц, графиков, формулировки выводов с пропуском ключевых слов и т. д. очень важно обратить внимание студентов на необходимость сопоставления выводов с поставленными целями и задачами лабораторной работы для оценки достигнутого результата.

В заключительной части методических указаний к лабораторной работе формулируются требования к содержанию и оформлению отчета и критерии оценки результатов выполнения работы студентами. Как правило в отчете требуется привести:

— точное название темы лабораторной работы;

— формулировку целей и задач;

— протокол испытаний (если они предусмотрены) или протокол хода выполнения заданий;

— таблицы и графики, полученные зависимости;

— формулировку выводов;

— оценку результатов (степени соответствия результата цели).

Описанная методика проектирования и подготовки лабораторных работ позволит обратить внимание преподавателей на особенности этой формы учебных занятий, конкретизировать требования, предъявляемые к структуре и содержанию методических указаний по их выполнению и облегчить выполнение лабораторных работ студентам за счет унификации их структуры и требований в разных учебных заведениях, на разных кафедрах и по разным учебным дисциплинам.

2. Учебно-методический комплекс по биофизике

2.1 Требования к уровню освоения содержания дисциплины «Биофизика»

лабораторный практикум биофизика методический Дисциплина «Биофизика» входит в учебный план подготовки специалистов по направлению 200 402 «Инженерное дело в медико-биологической практике», бакалавров по направлениям 201 000.62 «Биотехнические системы и технологии», 11 200.62 «Физика», а также магистров по направлению 11 800.68 «Радиофизика». Цель его изучения состоит в ознакомлении слушателей с основами биофизических процессов в живых системах. Исходный уровень знаний студентов подразумевает знакомство с общей физикой, общей биологией и владение математическим аппаратом в пределах стандартного курса математического анализа, теории вероятности. В процессе освоения курса важную роль играет проведение семинарских занятий, практических лабораторных работ, контрольных работ. В конце семестра предполагается проведение коллоквиума. Итоговая оценка складывается из оценки теоретических знаний и выполнения практических лабораторных работ по основным разделам биофизики.

Данная дисциплина ставит своей целью: овладеть базовыми знаниями о сущности биофизических процессов, протекающих в организме живых систем.

Основные задачи дисциплины:

— усвоить основы общей биофизики и законы термодинамики жизнедеятельности организма;

— изучить биофизические явления на молекулярном, клеточном и органном уровне в биологических системах;

— изучить генез биоэлектрических явлений в живых системах;

— усвоить механизмы различных воздействий на биологические объекты.

2.2 Требования к уровню освоения содержания

В результате изучения дисциплины студент должен:

— знать основы и иметь общие представления о биофизических явлениях, происходящих в живых системах;

— уметь четко сформулировать современные понятия, законы и раскрыть генез биофизических процессов в организме;

— приобрести практические навыки дискуссий по основам биофизических явлений в живых системах.

Объем дисциплины и виды учебной работы.

В Кубанском государственном университете для студентов специальности «Инженерное дело в медико-биологической практике» учебным планом предусмотрен следующий объем дисциплины и виды учебной работы, представленный в таблице 1

Таблица 1 — Виды учебной работы

2.3 Содержание разделов дисциплины «Биофизика»

2.3.1 Разделы дисциплины и виды занятий Таблица 2 — Разделы дисциплины и виды занятий

2.3.2 Содержание разделов дисциплины Введение. Биофизические процессы в биосистемах. Предмет курса и его задачи. Структура, содержание курса, его связь с другими дисциплинами и место в подготовке специалиста.

Тема 1 Молекулярная биофизика. Макромолекулы, их физические свойства. Состав и структуры белковых молекул, сильные и слабые взаимодействия, связь между первичной и пространственной структурами белка. Нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Мутации. Проблемы молекулярной биофизики.

Тема 2 Функции клеток и клеточных структур. Физические свойства клеток Клетка как структурная и функциональная единица живого организма. Единые принципы строения клеток. Клеточные мембраны, их структура, конформационные свойства и роль в жизнедеятельности клеток. Искусственные мембраны и их роль в изучении свойств биомембран.

Тема 3 Мембранный транспорт веществ. Диффузия и уравнения диффузии. Электрохимический градиент. Фильтрация и осмос, осмотическое и онкотическое давления, водный обмен. Активный транспорт веществ, его роль в поддержании ионных градиентов. Основные биофизические методы определения физических свойств клеток.

Тема 4 Биоэлектрические явления. Пассивные электрические свойства биотканей и электрическая активность биообъектов. Электрическое сопротивление клеток, и тканей, сопротивление нервного волокна, находящегося в электролите. Поляризация, частотные свойства биообъектов.

Тема 5 Активные биоэлектрические явления. Механизм возникновения биоэлектрических потенциалов. Доннановский равновесный потенциал. Расчет мембранной разности потенциалов. Потенциал покоя клеток, его физиологические функции. Особенности регистрации биопотенциалов.

Тема 6 Потенциал действия. Энергия раздражения и возбуждения, порог раздражения. Проницаемость мембраны при раздражении. Рефрактерные периоды, реобаза, хронаксия. Представление о модели Ходжкина-Хаксли. Распространение нервного импульса. Миелиновая оболочка нервного волокна, сальтаторная передача возбуждения. Моделирование процессов нервного возбуждения. Синаптическая передача, химический и электрический механизмы передачи информации в синапсах. Постсинаптический потенциал, трансформация ритма в синапсах. Высокопроницаемые контакты клеточных мембран.

Тема 7 Основы термодинамики процессов жизнедеятельности. Термодинамические системы. Функции состояния систем, энтропия биосистем. Основные закономерности термодинамики открытых систем. Кинетика биологических процессов. Неравновесные процессы и основные положения неравновесной термодинамики в биологии. Понятие о периодических химических и биологических процессах.

Тема 8 Теплообразование в организме животных. Места теплообразования в организме теплокровных животных. Условия передачи тепла из организма в окружающую среду. Регулирование температуры в живых организмах.

Тема 9 Мышечное сокращение. Структура мышц и мышечных белков. Механизм мышечного сокращения, роль кальция. Связь между силой сокращения и удлинением саркомера. Теплота активации и теплота укорочения мышечного волокна.

Тема 10 Зрительный анализатор. Строение глаза как оптической системы. Системы саморегулирования в зрительном анализаторе. Фоторецепторная система глаза. Передача информации от фоторецепторных клеток. Фотохимические теории световой и темновой адаптаций. Закон Вебера-Фехнера. Разрешающая способность глаза. Спектральная чувствительность. Субъективные и физические характеристики цвета. Субъективные эффекты при цветовых ощущениях. Трехкомпонентная теория цветового зрения, векторное представление цвета. Понятие о колориметрических системах. Кодирование информации в органе зрения.

Тема 11 Слуховой анализатор. Восприятие звука. Механорецепция. Этапы преобразования сигнала в органе слуха, микрофонный потенциал. Кодирование информации в органе слуха. Вестибулярный аппарат, его строение и функции.

Тема 12 Рецепция запаха и вкуса. Рецепция запаха и молекулярное узнавание. Стереохимическая теория восприятия запаха. Экспериментальные исследования рецепции запаха. Вкусовой анализатор, рецепторы вкусовых сосочков. Вкусовая адаптация. Химическое строение вещества и его вкус.

Тема 13 Кожный анализатор. Тактильная, болевая и температурная рецепции. Кожные рецепторы. Дифференцированная возбудимость кожного анализатора. Кожные системы связи. Рецепторы мышц и суставов. Электрорецепторы. Преобразование информации в электрорецепторах.

Тема 14 Биофизика кровообращения. Транспортная функция системы кровообращения. Физические свойства и основные компоненты крови. Текущая кровь как двухфазная система. Математические модели течения крови по жестким и эластичным сосудам. Исследования гемодинамических показателей системы кровообращения.

Тема 15 Биофизика дыхания. Система дыхания. Внешнее дыхание. Параметры системы дыхания. Растяжимость легких, сопротивление дыханию.

Заключение

Основные направления развития биофизики и практическое использование биофизических закономерностей функционирования биообъектов при создании медицинской техники.

2.3.3 Лабораторный практикум по биофизике Лабораторные занятия интегрируют теоретико-методологические знания и практические умения и навыки студентов в едином процессе деятельности учебно-исследовательского характера. Эксперимент играет существенную роль в подготовке студентов, которые должны иметь навыки исследовательской работы с первых шагов своей профессиональной деятельности. «Лаборатория» происходит от латинского слова «labor» — труд, работа, трудность. Его смысл с далеких времен связан с применением умственных и физических усилий для разрешения возникших научных и жизненных задач.

Лабораторные работы имеют ярко выраженную специфику в зависимости от учебной специальности. Поэтому в каждом конкретном случае уместны частные методические рекомендации. Из общепедагогических рекомендаций отметим следующие.

Совместная групповая деятельность — одна из самых эффективных форм. Ее конкретная ориентация зависит от усилий преподавателя. Важно так проводить практические задания, чтобы они активизировали мыслительную деятельность студентов, вооружали их методами практической работы.

Важнейшей стороной любой формы практических занятий являются упражнения. Основа в упражнении — пример, который разбирается с позиции теории, развитой в лекции. Как правило, основное внимание уделяется формированию конкретных умений, навыков, что и определяет содержание деятельности студентов — решение задач, графические работы, уточнение категорий и понятий науки, являющихся предпосылкой правильного мышления и речи. Проводя упражнения со студентами, следует специально обращать внимание на формирование способности к осмыслению и пониманию.

Опыт показывает, что в подавляющем большинстве случаев ни в школе, ни в институте не обучают целенаправленной логике рассуждений на материале отдельных предметов, не учат правилам и логическим требованиям определения понятий. В результате понимание определения, умение его самостоятельно сформулировать подменяется буквальным запоминанием готовой формулировки.

Эффективность обучения, как в вузе, так и в школе, зависит от органического сочетания двух сторонвысокого качества обучающей работы преподавателя и активной учебно-познавательной деятельности обучающегося. Поэтому совершенствование учебного процесса в вузе осуществляется путем повышения качества работы преподавателей: читаемых ими лекций, проводимых практических и лабораторных занятий, стимулирования активной учебно-познавательной деятельности студентов, рациональной организации процесса учения.

Для естественнонаучных дисциплин особенно важны практические формы организации обучения, поскольку фундаментальные понятия нельзя усвоить без прямых наблюдений и экспериментального изучения явлений и процессов.

Лабораторные занятия в наибольшей степени требуют активной деятельности студента по сравнению с другими формами организации обучения. Они предусматривают обязательное общение преподавателя с каждым студентом и позволяют эффективно управлять его самостоятельной работой.

Лабораторные занятия можно рассматривать как форму организации учебного процесса, на которой формируются умения применять полученные теоретические знания при постановке и проведении экспериментальных исследований, практические навыки обращения с оборудованием, что способствует развитию творческих способностей.

Лабораторные работы наиболее благоприятны для выяснения непонятного, для осознания изучаемых физических явлений, показа значимости приобретенных теоретических знаний.

Соотнесение содержания и формы учебного эксперимента с современными научными представлениями постоянно обсуждается в научно-методической литературе, включая учебные пособия с разработкой тех или иных лабораторных занятий. Однако организационная сторона затрагивается редко, хотя играет отнюдь не второстепенную роль. Недостаточно исследованы возможности практических и лабораторных занятий по биофизике для осуществления профессионализации обучения студентов, улучшения их экспериментальной и общей подготовки.

Можно выделить ряд недостатков в методике подготовки и проведения лабораторных занятий по дисциплинам естественнонаучного цикла:

— оборудование, применяемое на лабораторных занятиях, не всегда отвечает современным требованиям;

— темы лабораторных работ часто не совпадают с уже изученным материалом;

— слишком подробные методические описания для лабораторных работ, что придает им воспроизводящий характер;

— недостаточная самостоятельная подготовка студентов к выполнению работы;

— у студентов не всегда хватает навыков в анализе наблюдаемых явлений и умений делать выводы из эксперимента;

— основное время студенты тратят на выполнение промежуточных второстепенных действий, в результате эффективность эксперимента значительно снижается;

— недостаточное внимание обращается на формирование культуры педагогического труда студентов;

— не всегда учитывается индивидуальная подготовка студентов;

— оценивается довольно часто предоставленный отчет о выполнении лабораторной работы, а приобретенные практические умения и навыки учитываются недостаточно.

Вышеприведенные недостатки организации и проведения лабораторных занятий по естественнонаучным дисциплинам, а также характерные недостатки в знаниях и умениях студентов свидетельствуют о необходимости совершенствования теории и методики организации и проведения лабораторных занятий.

Методические описания лабораторных работ содержат подробные указания к выполнению, и что порой препятствует повышению активности, самостоятельности студентов на занятии.

Следует отметить, что содержание и методика проведения лабораторных занятий совершенствуются более медленными темпами по сравнению с другими видами учебных занятий.

2.4 Требования к результатам освоения основных образовательных программ бакалавриата Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК):

1 Общепрофессиональными компетенциями:

— способностью выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);

— готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

— способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

— способностью разрабатывать проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы в предметной сфере биотехнических систем и технологий (ПК-11);

— готовностью осуществлять контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации на изделия и устройства медицинского и экологического назначения стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам (ПК-12).

2 Производственно-технологической деятельностью:

— способностью выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений (ПК-19);

— готовностью к участию в проведении медико-биологических, экологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов (ПК-20).

3 Монтажно-наладочная деятельностью:

— способностью проводить поверку, наладку и регулировку оборудования, и настройку программных средств, используемых для разработки, производства и настройки биомедицинской и экологической техники (ПК-28).

3. Создание лабораторного практикума по биофизике Лабораторный практикум по курсу «Биофизика» органически связан со многими областями современного естествознания и служит научной основой решения многих прикладных технических задач.

Формирование навыков выполнения физического эксперимента — необходимый элемент физико-технического образования. Анализ экспериментальных данных позволяет убедиться в соответствии выводов теории результатам опытов.

В ходе исследования устанавливаются количественные зависимости между различными явлениями, которые определяются в результате измерений. Вследствие различных причин никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, поэтому следует не только определять саму величину, но и оценивать погрешность измерений.

Описания лабораторных работ настоящего практикума построены по общей схеме и включают необходимые сведения о цели работы, используемом оборудовании, порядке выполнения и форме представления результатов измерений. В каждой работе излагаются также основы теории рассматриваемых физических явлений. При подготовке к лабораторным работам необходимо также пользоваться конспектами лекций, учебной и специальной литературой.

3.1 Лабораторная работа «Определение порога слышимости человека методом аудиометрии. Построение аудиограмм»

Цель лабораторной работы: исследование слухового анализатора методом тональной пороговой аудиометрии.

Приборы и принадлежности: генератор синусоидальных волн (Sine Wave Generator), стереоскопические наушники, вольтметр В7−38.

Краткая теория:

Проблемы со слухом встречаются у 4−6% населения земного шара. По данным Минздрав-соцразвития РФ острая сенсоневральная тугоухость составляет 62,2% среди заболеваний внутреннего уха, требующих экстренной ЛОР-помощи. Сенсоневральная тугоухость относится к числу социально значимых заболеваний, поражает все возрастные группы населения.

Функциональная характеристика слухового анализатора имеет важное значение не только для диагностики ушных заболеваний, но и для профотбора (отбор кандидатов для некоторых профессий, определение выносливости). Особенно важным является массовое исследование детей с целью выделить группы с начинающимися нарушениями слуха (для последующей профилактики тугоухости). Наконец, большую роль играют методы функционального исследования уха при выборе приборов, улучшающих слух. Каждая из упомянутых задач имеет определенный объем и свой метод исследования функций звукового анализатора. Картина заболевания бывает иногда настолько ясна, что используют только самые несложные приемы, позволяющие получить достаточные сведения о функциональных способностях уха.

Воздействуя на слух, звук вызывает раздражение. В свою очередь раздражение создает у человека субъективный эффект — ощущение. Раздражение и его параметры — это физические величины, которые могут быть измерены. Параметры ощущения (громкость, высота, тембр) измерить нельзя. О них можно лишь составить представление, на основании словесного описания испытуемого.

Порог слышимости зависит от частоты, т. е. чувствительность слуха не везде одинаково высока во всем слуховом диапазоне. График кривой порога слышимости строится на основе зависимости порогового значения силы звука от частоты. Обычно сила звука выражается относительным значением: все пороговые значения имеют отношение к пороговому значению силы звука, полученному при 1000 Гц. Поскольку диапазон звуков, воспринимаемых ухом, определяется значениями в десятичной степени, слуховой порог обычно выражается логарифмическими единицами (децибелами: дБ). За 1Б принимают уровень, интенсивность которого в 10 раз больше L₀.

Таким образом, при расчете все пороговые значения амплитуды сначала относятся к значению, полученному для 1000 Гц и преобразовываются в дБ при помощи формулы:

(4)

где U₁₀₀₀ — пороговое значение амплитуды при 1000 Гц, U_x — пороговое значение амплитуды при других частотах.

Полученная зависимость интенсивности звука (звукового давления) L от частоты н тона называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой.

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

Аудиометрия (от лат. audio — cлышу и… метрия) — исследование чувствительности слуха с помощью электроакустических приборов, аудиометров, которые позволяют строго дозировать интенсивность звуковых сигналов, осуществлять исследование на всех звуковых частотах, функциональные пробы по диагностике пороговой дифференциальной чувствительности, интенсивности, маскировки.

Существующие в настоящее время аудиометрические тесты можно разделить на следующие основные группы:

1 Субъективные методы (психоакустические методы):

— тональная аудиометрия (пороговая, надпороговая);

— течевая аудиометрия;

2 Объективные методы:

— Акустическая импедансометрия (тимпанометрия, акустическая рефлексометрия);

— Регистрация различных классов слуховых вызванных потенциалов;

— Отоакустическая эмиссия.

В данной лабораторной работе студентам предложено исследовать слуховой анализатор методом тональной пороговой аудиометрии.

Цель тональной пороговой аудиометрии: определение порогов слышимости (порогов слухового восприятия) наименьшей интенсивности, воспринимаемой испытуемым в 50% предъявлении.

Аудиометр представляет собой генератор звуковой частоты, частоту и интенсивность звука которого можно регулировать.

При проведении аудиометрии отсчёт порога восприятия ведётся от нулевого уровня, который соответствует среднему порогу слышимости для молодых людей с нормальным слухом. Изменение порога восприятия по сравнению с нулевым уровнем указывает на отклонения слуха у испытуемого от среднестатистической нормы.

Отклонения порога восприятия от нулевого уровня на ± 10 дБ считаются лежащими в пределах нормы.

В медицинской практике принято при построении аудиограмм ось L направлять вниз (рисунок 1)

Рисунок 1 — Аудиограмма при нормальном слухе

Ход работы:

1 К генератору синусоидальных волн подключите наушники, убедитесь, что кнопка подачи сигнала на наушники находится в отжатом состоянии.

2 К выходу генератора (Amplifier Out) подключите вольтметр В7−38, который должен быть установлен в режим измерения переменного напряжения (нажата кнопка «V~», предел измерения 300 В).

3 Вращением ручки регулировки амплитуды против часовой стрелки до упора установите минимальное значение выходного напряжения генератора

4 Включите генератор (кнопка включения расположена на задней панели) и установите частоту 40 Гц.

5 Наденьте на испытуемого наушники и, медленно вращая ручку регулировки амплитуды, установите диапазон генератора в 200 Гц, а частоту в 100 Гц. Регулятор амплитуды должен находиться в положении «0». Отрегулируйте значение амплитуды так, чтобы звук можно было легко услышать. Проверьте, легко ли слышатся звуки с частотой 1000 и 10 000 Гц при одинаковой амплитуде, т. е. они должны быть ни очень громкими, ни слишком тихими. Если это условие не соблюдается, повторно отрегулируйте амплитуду и частоты.

6 Медленно вращая ручку регулировки амплитуды, зафиксируйте величину напряжения U, при которой пациент начнет слышать звук. Следите за тем, чтобы испытуемый не видел никаких значений хода эксперимента. Запишите в таблицу 3 полученные значения.

7 Продолжайте измерение на частотах н = 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 1500 Гц, 2000 Гц, 3000 Гц, 4000 Гц, 6000 Гц, 8000 Гц, записывая при этом значения напряжения на вольтметре. Полученные значения напряжения занесите в таблицу 3.

Таблица 3 -Зависимость напряжения от частоты

8 По формуле (4) рассчитайте пороговый уровень звукового давления и занесите рассчитанные данные в таблицу 3.

9 Полученные в ходе расчетов значения нанесите на систему координат, где на оси ординат отсчитывается значения порога слышимости в дБ, а логарифмическое значение частоты — на оси абсцисс (рисунок 3).

Рисунок 3 — График зависимости порога слышимости от частоты