Разработка методического обеспечения лабораторного практикума по биофизике

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 стр

уктурами 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.

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.