Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по умр е. Г. Елина " " 2011 г. Рабочая программа
| Вид материала | Рабочая программа |
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор по умр профессор, 189.39kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 143.27kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 149.05kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.35kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.56kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 229.8kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.29kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 217.53kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 233.64kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 193.22kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по УМР
_______________ Е. Г. ЕЛИНА
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Биоизика неионизирующих излучений
Направление подготовки
Физика живых систем
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Биоизика неионизирующих излучений» является приобретение теоретических знаний об основных закономерностях и механизмах взаимодействия электромагнитного излучения и биообъектов. В рамках одной из основных целей ООП бакалавриата по направлению «Физика живых систем» изучение данной дисциплины направлено на формирование интереса к изучению современной физики и пониманию ее важнейшей роли в развитии различных сфер человеческой деятельности.
Конкретными задачами освоения дисциплины являются: формирование целостного и научно обоснованного взгляда на разнообразные проявления
взаимодействия электромагнитного поля с биотканями; включая понимание влияния частоты электромагнитного поля на механизмы этого взаимодействия, а также возможность их использования для целей медицинской диагностики и терапии; расширение и углубление знаний студентов по вопросам действия света на биологические системы; изучение фундаментальных основ фотобиологических процессов и механизма фотодинамических и фототермических реакций в биологических системах и разработанных на их основе методов фотомедицины.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла (Б3ДВ1). Данный курс является основным в рамках профиля «Биофизика» в части изучения взаимодействия и распространения неионизирующих излучений ( терагерцового, оптического) в живых системах на самых различных уровнях, и базируется на общефизических знаниях и представлениях обучаемых. Для освоения дисциплины необходимы ранее приобретенные знания по общим дисциплинам математического и естественнонаучного цикла (Б2), таким, как математический анализ, аналитическая геометрия, теория функций комплексного переменного, дифференциальные уравнения, а также профессионального цикла (Б3), таких, как общая физика и биофизика, общий физический и биофизический практикум.
Освоение дисциплины «Биоизика неионизирующих излучений» необходимо как для расширения общенаучного кругозора обучающихся в части выработки методологии и практических подходов к анализу сложных процессов в окружающей природе и обществе, а также при персонализированном взаимодействии с социумом.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении аттестационной работы бакалавра и в последующей профессиональной деятельности, а в случае продолжения образования - для изучения следующих дисциплин магистратуры: «Фототерапия и бактерицидное действие света», «Управление оптическими свойствами биотканей», «Биофизические основы фототерапии», «Методы фототермической и фотодинамической терапии».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Биоизика неионизирующих излучений»
В результате освоения данной дисциплины должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
- Способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);
- Способность приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-3);
- способностью владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
- способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК-16);
общепрофессиональные:
- способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
- способностью применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);
- Способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3);
- Способность использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);
- Способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-5);
- пособностью пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-6);
- способностью понимать и применять на практике методы управления в сфере природопользования (ПК-12);
- способностью понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований (ПК-13).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать на качественном уровне основные понятия и подходы в рамках современных представлений оптической биофизики, основанных на методологии теории переноса излучения и волновых взаимодействий в сложноорганизованной рассеивающей среде с поглощением, свойства электромагнитного излучения (ЭМИ) тегагерцового диапазона, механизмы взаимодействия ЭМИ с молекулами вещества; механизмы поглощения энергии излучений терагерцового и оптического диапазона в биологических объектах; структуру и свойства воды как важнейшего элемента биотканей; характер зависимости диэлектрической проницаемости биологической ткани от частоты; механизмы мембранного транспорта; методы СВЧ–термометрии;
основные физико-химические механизмы действия света на биологические системы разных уровней организации; механизмы фотосенсибили-зированных реакций в биологических системах в присутствии и в отсутствие кислорода; основные фотобиологические процессы, инициируемые в коже.
Уметь выделить причинно-следственные взаимосвязи в типовых задачах оптической биофизики, предложить качественное модельное описание указанных взаимосвязей; использовать физическую и биологическую информацию о распределении ЭМИ в пространстве и изменение во времени; анализировать механизмы взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами; делать расчетные оценки воздействия электромагнитного поля терагерцового диапазона на биоткани;применить интегральный подход к анализу фотобиологических эффектов на разных уровнях их проявлений; описывать и критически анализировать основные методы фотомедицины.
Владеть техникой качественного анализа основных типов оптических моделей, описывающих морфологию и кинетику биотканей и клеток, практическими навыками по работе с научной литературой; методами измерения параметров электромагнитного поля терагерцового диапазона диапазона, экспериментальными методами диэлектрической радиоспектроскопии; методами анализа фотобиологических реакций;
навыками составления и анализа кинетических уравнений фотобиологических реакций; навыками самостоятельной подготовки и представления доклада на заданную тему.
4. Структура и содержание дисциплины «Биофизика неионизирующих излучений»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 13 зачетных единиц или 250 аудиторных часов, в том числе за 5 семестр: 36 часов лекций, 36 часов практических занятий, за 6 семестр: 32 часа лекций и 32 часа практических занятий, за 7 семестр: 36 часов лекций и 18 часов практических занятий, и за 8 семестр — 20 часов лекций и 40 часов практических занятий. Общее количество часов на самостоятельную работу - 164.
4.1. Структура дисциплины
| № п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Формы промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
| Часть I. Взаимодействие терагерцового излучения с биотканями | ||||||||
| 1 | Проблема воздействия на биологические объекты электромагнитного излучения (ЭМИ) различной интенсивности и частоты | 5 | 1,2,3 | Л(6) | П(6) | | | УО-1 |
| 2 | Термодинамический подход к описанию процесса взаимодействия ЭМИ терагерцового диапазона с биологическими тканями | 5 | 4,5,6,7 | Л(8) | П(8) | | | УО-1 |
| 3 | Резонансные частоты электромагнитных колебаний клетки (электродинамический расчет) | 5 | 8,9,10 | Л(6) | П(6) | | | УО-1 |
| 4 | Моделирование электродинамических процессов, происходящих в живой клетке, представленной в виде схемы замещения | 5 | с 11 по 14 | Л(8) | П(8) | | | УО-1 |
| 5 | Воздействия электромагнитного излучения на мембранный транспорт веществ | 5 | с 15 по 18 | Л(8) | П(8) | | | Итоговый зхачет по 1 части дисциплины |
| Часть II. Основы оптики биотканей | ||||||||
| 1 | Глаз и зрение | 6 | 1 | Л(2) | П(2) | | СР(8) | Проверка выполнения задания |
| 2 | Основные оптические явления, характерные для взаимодействия электромагнитного излучения светового диапазона с биологическими объектами | 6 | 2,3,4 | Л(6) | П(6) | | СР(8) | Проверка выполнения заданий |
| 3 | Структурные и оптические модели биологических тканей и клеток | 6 | с 5 по 8 | Л(8) | П(8) | | СР(8) | Проверка выполнения заданий |
| 4 | Рассеяние света биообъектами | 6 | с 9 по 12 | Л(8) | П(8) | | СР(10) | Проверка выполнения заданий |
| 5 | Взаимодействие когерентного света с биообъектами | 6 | с 13 по 16 | Л(8) | П(8) | | СР(10) | Итоговый экзамен по первым 2 частям дисциплины |
| Часть III. Фотобиология | ||||||||
| 1 | Взаимодействие света с веществом. | 7 | 1-4 | Л(6) | ПР (4) | | СР(7) | УО-1 |
| 2 | Общая характеристика фотохимических реакций. | 7 | 4-5 | Л(4) | | | СР(7) | УО-1 |
| 3 | Систематика фотобиологических процессов и их стадий. | 7 | 5-8 | Л(6) | ПР (4) | | СР(7) | УО-1 |
| 4 | Фотосинтез. | 7 | 9-10 | Л(4) | | | СР(7) | УО-1 |
| 5 | Фотохимические повреждения важнейших биологических молекул. | 7 | 10-12 | Л(4) | ПР (2) | | СР(7) | УО-1 |
| 6 | Фотосенсибилизированные реакции. | 7 | 12-14 | Л(4) | ПР (4) | | СР(7) | УО-1 |
| 7 | Фотофизика и фотохимия зрительной рецепции. | 7 | 15-16 | Л(4) | | | СР(7) | УО-1 |
| 8 | Биохемилюминесценция. | 7 | 16-18 | Л(4) | ПР (4) | | СР(7) | Зачет по разделу дисциплины |
| Часть IV. Основы фотомедицины | ||||||||
| 1 | Основные понятия фотомедицины | 8 | 1,2 | Л(4) | ПР(8) | | СР (12) | УО-1 |
| 2 | Применение методов оптической биофизики в биомедицине | 8 | 3,4 | Л(4) | ПР(8) | | СР (12) | УО-1 |
| 3 | Современные проблемы фототерапии | 8 | 5 | Л(2) | ПР(4) | | СР (15) | УО-1 |
| 4 | Диагностические методы в фотомедицине | 8 | 6,7,8 | Л(6) | ПР (12) | | СР (12) | УО-1 |
| 5 | Фототерапевтические и хирургические технологии | 8 | 9,10 | Л(4) | ПР(8) | | СР (15) | Итоговый экзамен по дисциплине |
4.2. Содержание дисциплины
Часть I. Взаимодействие терагерцового излучения с биотканями
Вводные замечания:
Шкала электромагнитных волн с точки зрения биофизических эффектов, возникающих в организме при взаимодействии излучения с живыми объектами
Задачи и проблемы биофизики неионизирующего оптического излучения
1. Проблема воздействия на биологические объекты электромагнитного излучения (ЭМИ) различной интенсивности и частоты
1.1. Шкала электромагнитных волн с точки зрения биофизических эффектов, возникающих в организме при взаимодействии излучения с живыми объектами. Характеристика терагерцового диапазона электромагнитных волн.
1.2. Особенности и основные закономерности воздействия ЭМИ терагерцового диапазона на биологические объекты
1.3. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов
1.4. Подходы к построению модели воздействия СВЧ и КВЧ излучения различной интенсивности на биологические объекты
2. Термодинамический подход к описанию процесса взаимодействия ЭМИ терагерцового диапазона с биологическими тканями
2.1. Особенности термодинамического анализа
2.2. Взаимодействие терагерцового излучения с биологическими объектами с точки зрения термодинамики
3. Резонансные частоты электромагнитных колебаний клетки (электродинамический расчет)
3.1. Н колебания сферического резонатора
3.2. Е колебания в сферическом резонаторе
3.3. Алгоритм расчета резонансных частот
3.4. Резонансные частоты мембраны
4. Моделирование электродинамических процессов, происходящих в живой клетке, представленной в виде схемы замещения
4.1. Эквивалентные схемы замещения клетки
4.2. Определение области резонансных частот клетки
5. Воздействия электромагнитного излучения на мембранный транспорт веществ
5.1. Изменение транспорта ионов через мембрану (электродиффузионная теория)
5.2. Дискретный способ описания пассивного транспорта веществ через мембраны
Часть II. Основы оптики биотканей
- Глаз и зрение
- Строение глаза как оптической системы и как пример одного из объектов изучения в рамках оптической биофизики
- Строение биотканей глаза. Роговица, склера, хрусталик, стекловидное тело и др.
- Механизм зрения
- Функции различных органов глаза и наиболее часто встречающиеся патологии
- Строение глаза как оптической системы и как пример одного из объектов изучения в рамках оптической биофизики
- Основные оптические явления, наблюдаемые при взаимодействии электромагнитного излучения с биологическими объектами
- Особенности оптического диапазона
- Элементы квантовой биофизики
- Поглощение света биосистемами
- Спектры поглощения
- Переход световой энергии в тепловую энергию при поглощении света в биообъектах
- Первый фотобиологический закон
- Спектры фотобиологического действия
- Люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция
- Фотосенсибилизированые фотобиологические процессы
- Фотодинамическая и фотохимическая реакции
- Особенности оптического диапазона
- Структурные и оптические модели биологических тканей и клеток
- Строение ядерных и безъядерных клеток
- Клетки крови
- Строение эпителиальной и соединительной тканей
- Типичные размеры, форма и функции органелл, мембран и волокон
- Показатель преломления сухих и гидратированных компонентов
- Простейшие оптические модели биологических структур
- Вода, белки, пигменты
- Строение ядерных и безъядерных клеток
- Рассеяние света биообъектами
- Упругое рассеяние, квазиупругое рассеяние, эффект Доплера
- Строение кожи и объяснение цвета кожи
- Элементы оптической диффузионной спектроскопии и томографии
- Эффекты рассеяния света и поляризации
- Упругое рассеяние, квазиупругое рассеяние, эффект Доплера
- Взаимодействие когерентного света с биообъектами
- Свойства когерентного излучения
- Лазеры
- Дифракция и интерференция света в живых объектах
- Формирование спеклов
- Свойства когерентного излучения