И. В. Дробышева кандидат педагогических наук, профессор

Вид материала

Документы

Содержание Использование моделей и компьютерного моделирования при изучении медицинской и биологической физики в медицинском вузе

Подобный материал:

• Федеральными Государственными Требованиями детство примерная основная общеобразовательная, 3629.29kb.
• Федеральными Государственными Требованиями детство примерная основная общеобразовательная, 7829.77kb.
• Декан, кандидат педагогических наук, доцент Е. В. Шустова Доктор педагогических наук,, 538.89kb.
• Программа воспитания и обучения в детском саду, 3936.51kb.
• Программа воспитания и обучения в детском саду, 3919.5kb.
• Программа воспитания и обучения в детском саду, 3924.08kb.
• Программа воспитания и обучения в детском саду, 3718.01kb.
• Л. Р. Муминова доктор педагогических наук, профессор; Е. В. Оганесян кандидат педагогических, 2948.06kb.
• «Слова о Полку Игореве», 3567.27kb.
• Умк занкова Дидактическая система развивающего обучения Л. В. Занкова академик, доктор, 139.44kb.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ В МЕДИЦИНСКОМ ВУЗЕ

С.А. Герус, С.Н. Деревцова

Калужский государственный педагогический университет
им. К.Э. Циолковского
Смоленская государственная медицинская академия
Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию

В естественном взаимодействии преподавателя и студента в учебном процессе, опосредствующий компонент не может пониматься только как содержание обучения, которое нередко называют информацией, объектом усвоения, содержанием изучаемого, содержанием учебного материала, содержанием образования.

В реальном учебном процессе опосредствующий компонент включает не только содержание обучения, но и другие информационные элементы, образующие вместе с содержанием обучения состав информационного обмена и служащие передаче, усвоению и практическому применению этого содержания, обеспечению обратной связи.

Использование средств обучения стимулирует и определяет образовательный процесс, но эффективность достигается при определённом сочетании с содержанием и методами обучения. “Отдельное средство всегда может быть положительным или отрицательным. Решающим моментом является не его прямая логика, а логика и действие системных средств, гармонически организованных” (А.С. Макаренко).

Эффективность использования технических средств обучения (информационные, программированное обучение, контроль знаний, тренажёры, комбинированные) зависит от частоты применения и длительности работы с ними. Их развитие стимулирует внедрение различного рода математических, физических, биологических моделей в процесс профессионального образования в медицинском вузе. При этом разработка унифицированных демонстрационных экспериментов и практикумов определяет требования к уровню профессиональной подготовки преподавателя и материально-техническому обеспечению кафедр.

Большое распространение получили понятия модели и метода моделирования в предметах естественнонаучного цикла в медицинском вузе, например, математика, физика, биофизика, медицинская и биологическая физика. Они используются на всех уровнях изучения живых систем, начиная от молекулярной биофизики, биофизики мембран, биофизики клетки и органов и кончая биофизикой сложных систем. Модель – это всегда некое упрощение объекта исследования и в смысле его структуры, и по сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающее те основные свойства, которые интересуют исследователя. В механике моделью является материальная точка – абстракция, модель реального тела, размерами которого можно пренебречь в условии данной задачи. При изучении сложных систем исследуемый объект может быть заменен другим, более простым, но сохраняющим основные, наиболее существенные для данного исследования свойства. Моделирование – это метод, при котором производится замена изучения некоторого сложного объекта (процесса, явления) исследованием его модели.

Психолого-педагогические исследования также требуют построения моделей и их интерпретации, так как модель – упрощённая форма реального процесса, явления, объекта.

Одна из задач школьного естествознания и ЕН цикла в вузе – научить учащихся ориентироваться в реальном мире и в профессиональной среде. Современное естествознание не только междисциплинарный курс, а наука познания мира, жизни, человека и профессии. По мнению И.Р. Пригожина, “естествознание есть диалог с природой. И как и должно быть в настоящем диалоге, ответы часто неожиданны, а иногда и просто поразительны”. Интеграционные процессы в системе высшего профессионального образования способствуют обеспечению методологической целостности предметного обучения, повышению качества знаний и умений студентов-медиков, развивают системный стиль мышления (один из элементов профессионального клинического мышления), осуществляют широкий перенос знаний и способов действий предметов естественнонаучного цикла на предметы клинических выпускающих кафедр.

Практически в каждой теме курса биофизики рассматриваются разнообразные модели, например, жидкостно-мозаичная модель мембраны, модель формирования потенциала действия (модель Ходжкина—Хаксли), модель скользящих нитей при описании сокращения мышцы, модель кровеносной системы (модель Франка) и целый ряд других.

На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретический, так и экспериментальный. Выделяют основные этапы моделирования:

1.Первичный сбор информации. Исследователь должен получить как можно больше информации о разнообразных характеристиках реального объекта: его свойствах, происходящих в нём процессах, закономерностях поведения при различных внешних условиях.

2.Постановка задачи. Формулируется цель исследования, основные его задачи, определяется, какие новые знания в результате проведенного исследования хочет получить исследователь. Этот этап часто является одним из наиболее важных и трудоёмких.

3.Обоснование основных допущений. Другими словами, упрощается реальный объект, выделяются из характеристик не существенные для целей исследования, которыми можно пренебречь.

4.Создание модели, ее исследование.

5.Проверка адекватности модели реальному объекту. Указание границ применимости модели.

Таким образом, модель как бы согласовывает реальный объект с целью исследования: с одной стороны, упрощает объект, давая возможность провести исследование, но с другой – сохраняет то главное, что интересует исследователя.

В биофизике, биологии и медицине часто применяют физические, биологические, математические модели, также распространено аналоговое моделирование.

Физическая модель имеет физическую природу, часто ту же, что и исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируется движением жидкости по трубам (жестким или эластичным). При моделировании электрических процессов в сердце его рассматривают как электрический токовый диполь. Для изучения процессов проницаемости ионов через биологические мембраны реальная мембрана заменяется искусственной (например, липосомой). Липосома – физическая модель биологической мембраны. Физические устройства, временно заменяющие органы живого организма, также можно отнести к физическим моделям: искусственная почка – модель почки, кардиостимулятор – модель процессов в синусовом узле сердца, аппарат искусственного дыхания – модель легких.

Биологические модели представляют собой биологические объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных сложных объектах. Например, закономерности возникновения и распространения потенциала действия в нервных волокнах были изучены только после нахождения такой удачной биологической модели, как гигантский аксон кальмара. Опыт Уссинга, доказывающий существование активного транспорта, был проведен на биологической модели – коже лягушки, которая моделировала свойство биологической мембраны осуществлять активный транспорт. Закономерности сократимости миокарда устанавливают на основе модельных экспериментов на папиллярной мышце.

Математические модели – описание процессов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных. Для реализации математических моделей в настоящее время широко используются компьютеры. С помощью ЭВМ проводят так называемые "машинные эксперименты, при исследовании патологических процессов в кардиологии, развития эпидемий и т.д. При этом можно легко изменять масштаб по времени: ускорить или замедлить течение процесса, рассмотреть процесс в стационарном режиме, как это предложено в модели сокращения мышцы (модель Дещеревского), и по пространству. Например, ввести локальную пространственную неоднородность параметров, изменить конфигурацию зоны патологии. Изменяя коэффициенты или вводя новые члены в дифференциальные уравнения, можно учитывать те или иные свойства моделируемого объекта или теоретически создавать объекты с новыми свойствами, так, например, получать лекарственные препараты более эффективного действия. С помощью компьютера и современного программного обеспечения можно решать сложные уравнения и прогнозировать поведение системы: течение заболевания, эффективность лечения, действия фармацевтического препарата и т.д.

Если процессы в модели имеют другую физическую природу, чем оригинал, но описываются таким же математическим аппаратом (как правило, одинаковыми дифференциальными уравнениями), то такая модель называется аналоговой. Обычно в виде аналоговой модели используются электрические. Например, аналоговой моделью сосудистой системы является электрическая цепь из сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

К основным требованиям, которым должна отвечать модель относятся: адекватность – соответствие модели объекту, то есть модель должна с заданной степенью точности воспроизводить закономерности изучаемых явлений; должны быть установлены границы применимости модели – четко заданы условия, при которых выбранная модель адекватна изучаемому объекту, поскольку ни одна модель не дает исчерпывающего описания объекта. Границы применимости определяются теми допущениями, которые делаются при составлении модели. Как правило, чем больше допущений, тем уже границы применимости. Например, липосома является адекватной моделью биологической мембраны, если изучается проницаемость липидного бислоя мембран для различных веществ. Если же цель исследования – электрогенез в клетках, то в этом случае липосома не адекватная модель, границы ее применимости не удовлетворяют целям исследования.

Результатом моделирования является получение новых данных о протекании изучаемого процесса, его свойствах. Результат моделирования, как правило, не даёт исчерпывающих сведений об изучаемом объекте, но углубляет наши знания о нем, позволяет проводить дальнейшие более сложные исследования.

Использование биологических, физических, математических моделей на основе компьютерного моделирования, позволяет организовать учебный процесс и сделать его практическую часть более наглядной, особенно в тех случаях, когда иные подходы трудно реализовать. В разработке практикума по медицинской и биологической физике мы проводим занятия в компьютерном классе: изучение математической модели нейрона, анализ математической модели физической защиты от ионизирующих излучений, математическая модель дисперсии импеданса ткани организма, исследование механических моделей биологической ткани и др.

Рассмотрим в качестве примера, структуру лабораторной работы “Анализ математической модели физической защиты от ионизирующих излучений ”.

В настоящее время актуально рассматривать вопросы защиты от ионизирующего излучения. Медицинский работник должен обладать знаниями об источниках ионизирующего излучения и принципах химической и физической защиты. В лабораторном практикуме изучение различных способов физической защиты невозможно ввиду опасности для здоровья и жизни экспериментатора.

В настоящей работе на математической модели, используя современное программное обеспечение, изучается физическая защита от ионизирующего излучения. В качестве источника излучения используется рентгеновская трубка, изменение её параметров приводит к качественному и количественному преобразованию спектрального состава излучения. Увеличение анодного напряжение на трубке приводит к увеличению мощности излучения, станет короче длина волны излучения и увеличиться проникающая способность. Определение параметров излучения рентгеновской трубки позволяет подобрать физическую защиту, которая сделала бы безопасным пребывание человека на расстоянии 1 метра от рентгеновской трубки в течение 8 часов рабочего времени. За безопасную дозу принята доза равная 0,002 бэр/час, которая является предельно допустимой для рентгенолога.

В ходе начального диалога с программой происходит выбор варианта работы, при этом определяются основные параметры работы рентгеновской трубки и выбираются два элемента, из которых будет изготовлена защитная стенка (алюминий, кальций, барий, железо, медь, серебро, свинец и т.п.). Работа состоит из трёх частей. В первой части вводится величина анодного напряжения U_а (кВ), производится расчёт мощности дозы излучения М (бер/час), длины волны излучения _min (нм), наименьшего безопасного расстояния. При выполнении второй и третьей части работы, изучается зависимость полученной дозы в бэрах за 8 часов работы (Н) и вероятность летального исхода (Р) от толщины защитного слоя (d) и порядкового номера элемента (Z), из которого изготовлена защитная стенка.

В завершении практической работы необходимо подчеркнуть значимость и профессиональную необходимость знания физических основ ионизирующего излучения, основных методов защиты от ионизирующих излучений. Построение и использование моделей, создание на их основе компьютерных интерпретаций, является неотъемлемой частью учебного процесса в курсе медицинской и биологической физике, определяет специфику и динамику научного исследования, способствует развитию умения самостоятельно планировать эксперимент и проводить анализ полученных данных.