КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КУРСАХ «БИОФИЗИКА»
И «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА» НА ПРИМЕРЕ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ»
, ФГБОУ ВО "Кубанский государственный агарный университет имени ", кафедра биотехнологии, биохимии и биофизики, профессор,
Номинация | 4. ИКТ в обучении физико-математическим наукам, естественно-научным предметам |
Предмет (предметная область) | Биофизика, Биологическая физика |
Дата(-ы) проведения занятия | 2010-2016 гг. Представленная тема лекции в течение учебного года читается 5 раз, по ней проводятся три лабораторные работы по 5 раз. Конкретные даты даны в прилагаемых фотографиях. |
Общая продолжительность занятия (серии занятий / проекта и т. д.) | Мультимедийные лекции 18 – 36 часов, лабораторный практикум 18 – 40 часов (часы лекционные и лабораторные в зависимости от специальности), по данным программам обучаются студенты восьми специальностей и направлений. |
Участники (возраст, класс) | 18-19 лет, студенты 1-2 курсов по специальностям: 36.03.01 "Ветеринарно-санитарная экспертиза", 36.05.01 "Ветеринария", 35.03.07 "Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции", 36.03.02 «Зоотехния», 35.03.05 "Садоводство (Виноградарство и виноделие)", 35.03.05 "Садоводство (Декоративное садоводство и ландшафтный дизайн)" 35.03.03 "Агрохимия и агропочвоведение", 35.03.04 Агрономия, профиль "Защита растений". |
Ориентировочная продолжительность работы учащихся (воспитанников) с компьютером | Курсы включают: 11 лабораторных работ (22-28 часов), в которых используется компьютер для обработки полученных результатов или он является частью лабораторной установки. Перед сдачей работы студент может пройти тренировочное тестирование по контрольным вопросам работы (10 минут). Три групповых тестирования после каждого из трех разделов программ (30 минут). |
Оборудование, необходимое для проведения занятия | Компьютерный класс (24 раб. места), по 2 компьютеры в учебных аудиториях, компьютеризированные лабораторные установки, LED телевизоры. Сеть интернет в режиме онлайн на всех рабочих местах. |
Используемый учебник и/или дополнительные пособия | 1. Плутахин, . Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. / , А. Г. Кощаев .– СПб.: Лань, 2012. – 240 с. (Изд. 2-е, перераб. и доп.) http://e. /books/element. php? pl1_id=4048 2. Белановский, биофизики в ветеринарии: Учебное пособие. / . – М.: ДРОФА, 2007. – 332 с. http://www. /file/1281090/ 3. Плутахин, . Методические указания и рабочая тетрадь к лабораторным работам для студентов, обучающихся по специальностям 36.05.01 "Ветеринария" 36.03.02 "Зоотехния"36.03.01 "Ветеринарно-санитарная экспертиза" / , , Л. М. Кораблева – Краснодар.: КубГАУ, 2016 – 48 с. http://www. kubsau. ru/upload/iblock/824/82439fdf17c1af8838d81a6a45720f2d. pdf |
Аннотация
В работе представлен материал темы «Электрические явления и живые организмы», входящей в учебную программу «Биологическая физика» для студентов Кубанского ГАУ, обучающихся по специальности 36.05.01 "Ветеринария". Он содержит описание работы и приложение. В приложении презентация лекция с необходимыми гиперссылками, 1 видеофрагмент для лекции, фотографии лекций и лабораторного практикума. Представлены лабораторная работа, протокол работы, тесты, написанные самими студентами к этой работе, студенческий доклад по теме лекции. В процессе изучения биофизики студенты могут провести самостоятельное научное исследование, результатом которых становятся публикации в научных журналах.
Конспект
Представленные материалы являются частью лекционного курса и лабораторного практикума по дисциплинам «Биологическая физика» и «Биофизика» для студентов ветеринарного факультета КубГАУ. Основная задача, ставившаяся при подготовке курса – доведение в доступной и понятной форме до необходимого уровня овладения студентами теоретических знаний и практических навыков, а также развитие влечения к научно-исследовательской работе.
Цели – привить интерес к изучаемой дисциплине методом яркости и доходчивости учебного материала в лекционном курсе, в лабораторном практикуме и при самостоятельной подготовке. Повысить уровень овладения дисциплиной путем демонстрации в лабораторном практикуме способов применения полученных теоретических знаний и практических навыков в профессиональной работе.
Все лекции – мультимедийные. В презентации вставлены интерактивные ссылки на подготовленные видеосюжеты, являющиеся частью познавательных и учебных фильмов, и аудиофайлы. В представленном на конкурс варианте лекции «Электрические явления и живые организмы» ссылки даны на сайты, в которых представлен данный материал. Презентация доступна в видеоформате по адресу: https://youtu. be/i1Gqf4x_qHc, и в приложение как презентация лекции. ppsx. В последнем варианте она управляема оператором, работают интерактивные ссылки, представленные в рамках.
ЛЕКЦИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Краткий конспект презентации.
Справочная информация
Справочный материал в начале лекции дается для напоминания некоторых определений и понятий прошлых лекций, которые будут использованы в текущей.
Выделяют следующие виды электрического тока: постоянный, переменный, импульсный. Постоянный ток – это ток, у которого величина силы тока и направление тока постоянны во времени. Переменный ток – это ток, у которого величина силы тока и направление тока зависят от времени. Электрические цепи характеризуются: сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Электрическое сопротивление (активное, R) – физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока.
Конденсатор состоит из двух электродов в форме пластин, называемых обкладками, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок и обладает емкостным сопротивлением переменному току (реактивное, Xc) – противодействию электродвижущей силы заряжаемого конденсатора заряду этого конденсатора.
Импеданс, Z – комплексное сопротивление для гармонического сигнала – сумма активного и емкостного сопротивлений.
Иммитанс, I – комплексное сопротивление, сумма активного, емкостного сопротивлений и индуктивного сопротивлений. Биологические ткани индуктивностью не обладают.
У технических резисторов сопротивление не зависит от типа тока (постоянный или переменный), у конденсаторов от этих параметров не зависит их емкость, в то время как сопротивление уменьшается с увеличением частоты для переменного тока.
Прохождение переменного тока через живые ткани. Дисперсия электропроводности и ее значение для определения жизнеспособности тканей
Биологические объекты представляют собой гетерогенные структуры, состоящие из проводников (электролиты) и диэлектриков (мембраны), поэтому обладают активным и емкостным сопротивлениями, а прохождение переменного тока в биологических объектах существенно связано с наличием емкостных свойств тканей.
Важные сведения о жизнеспособности биотканей дают дисперсионные кривые – графики зависимости сопротивления и емкости биообъекта от частоты переменного тока. С увеличением частоты в нормально функционирующих тканях уменьшаются поляризационные явления и резко уменьшаются и сопротивление, и емкость (графики имеет значительную крутизну).
При патологических процессах в тканях происходит изменение их электрических свойств: увеличивается проницаемость мембран и, как следствие, увеличиваются ионные потоки и, следовательно, ослабляется эффект поляризации границ раздела, что понижает сопротивление на низких частотах (крутизна кривой дисперсии уменьшается).
Дисперсионная кривая служит показателем жизнеспособности органов при трансплантации и морозостойкости растений при действии на них низких температур. Крутизна дисперсии оценивается коэффициентом поляризации К, равным отношению сопротивления ткани на частоте 104 Гц к сопротивлению ткани на частоте 106 Гц: (R6 / R4), введенного Тарусовым Б. Н. [1].
На основе измерения дисперсии сопротивления или импеданса разработаны диагностические методы в медицине и ветеринарии. Биоимпедансометрия – метод диагностики состава тела посредством измерения импеданса в разных частях организма: содержание жировой ткани во всем теле, содержание безжировой ткани, содержание активной клеточной массы, содержание воды.
В качестве материала для самостоятельного изучения по этому разделу студентам предлагается презентация лекции «Переменный электрический ток. Импеданс тканей организма».
Электростимуляция. Действие импульсного тока на организм животных.
Раздражающего действия постоянный ток не вызывает, оно появляется при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит, т. е. от dI/dt (закон Дюбуа–Реймона). Поскольку раздражающее действие свойственно быстрым изменениям силы тока, для этого используются электрические импульсы, т. е. импульсный ток. Применение электрического раздражения для изменения функционального состояния клеток, органов и тканей называется их электростимуляцией.
Наибольшая скорость изменения тока наблюдается при импульсах по форме близких к прямоугольным. В свою очередь, раздражающее действие прямоугольных импульсов в значительной степени зависит от их параметров: длительности, обусловливающей наибольшее смещение ионов за время действия импульса, и крутизны переднего фронта. Применение импульсного тока нашло место в электрофизиотерапии – диагностика и лечение мышц (в приложении фрагмент этого видеоролика представлен как электростимуляция. mp4), электрокардиостимуляция, электросон, электронаркоз).
В последние годы применяют собачьи электроошейники для управления собакой. Это не приносит пользы животному, но оберегает ее от неверных поступков.
Высокочастотное электромагнитное поле и физический механизм его действия на живой организм. УВЧ-терапия и индуктотермия
В медицинской и ветеринарной практике распространена магнитотерапия – группа методов физиотерапии, подразумевающих применение магнитного поля. Применяемые магнитные поля могут быть переменными (высоко - или низкочастотными) или постоянными. При этом и постоянные, и переменные магнитные поля можно использовать как в непрерывном, так и в импульсном (прерывистом) режимах. В зависимости от метода, импульсы могут иметь различную частоту, длительность и форму.
Метод ВЧ-терапии с использованием электрического поля УВЧ (30–300 МГц) для прогревания тканей называется УВЧ-терапией. Количество выделенной теплоты в этом случае определяется электропроводностью тканей и возрастает с увеличением частоты и напряженности электромагнитного поля, существенно зависит от электропроводности и диэлектрической проницаемости тканей. Благодаря различиям в них воздействие УВЧ поля сопровождается селективным (избирательным) нагревом тканей. Так, диэлектрики электромагнитное поле почти не поглощают ввиду отсутствия подвижных электрических зарядов. Электролиты поглощают поле тем интенсивнее, чем белее они концентрированы. Внутри металлов поле отсутствует ввиду того, что электроны смещаются к границе металла и создают равное по напряженности и противоположное по направлению поле. На этом основано экранирование металлом пространства от ЭМП.
По правилам техники безопасности все УВЧ-аппараты должны эксплуатироваться только в экранируемом помещении!
Магниты и их использование в ветеринарии
В терапевтических целях используют магнитофорные аппликаторы. Предварительная обработка ожоговых ран постоянным магнитным полем (ПМП) позволяет в более ранние сроки провести операцию по пересадке кожи, при этом она лучше приживается и выздоровление наступает значительно раньше. Магнитное поле уменьшает сродство кислорода к гемоглобину, что приводит к кислородному голоданию организма. В результате активизируется функция кроветворения.
Лабораторные исследования, а также клинические наблюдения над людьми показали, что магнитобиологические эффекты в основном сводятся к следующему. 1) Наибольшее воздействие ПМП оказывает на сосудистую систему. Происходит расширение сосудов, причем наиболее выражено в легких, печени, селезенке. 2) Увеличивается число лейкоцитов и повышается резистентность эритроцитов. 3) Происходит изменение электрической активности мозга. 4) Изменяется двигательная активность животных (у рыб при индукции электромагнитного поля не менее 150 10–4 Тл, а у птиц даже при индукции всего до 10 10–4 Тл, мыши при индукции 4 10–1 Тл полностью прекращают движение и впадают в оцепенение).
Магнитный зонд, представляющий собой фигурный шток-толкатель, на конце которого закреплен постоянный магнит, заключенный в капсулу, используется для профилактики и лечения кормового травматизма крупного рогатого скота при удалении профилактических магнитных ловушек из преджелудков, извлечения инородных ферромагнитных предметов. С помощью штока-толкателя капсулу забрасывают за корень языка животного. Использование капсулы значительно снижает травмирование пищевода извлекаемыми инородными предметами.
В лекции «Биологические мембраны» были рассмотрены липосомы и протеолипосомы (искусственные везикулярные липидные бислойные структуры) и их свойства. В настоящее время разработаны и исследуются «магнитные» липосомы. Их особенность – внедрение в липидный бислой наночастиц оксида железа. В результате липосомы приобретают два новых свойства. С помощью постоянного магнитного поля они могут быть использованы для доставки лекарственных препаратов, заключенных внутрь везикулы, в опухолевые клетки. После этого область опухоли подвергается облучению высокочастотным электромагнитным полем, в результате чего наночастицы железа повышают температуру липидов выше температуры фазового перехода, в результате липидный слой плавится и лекарственный препарат выходит в опухолевую ткань.
Геомагнитное поле и его влияние на биосферу.
Магнитное поле действует на биологические организмы, так как развитие организма проходит в постоянном магнитном геомагнитном поле Земли (ГМП). ГМП обусловлено процессами, происходящими в недрах Земли, но испытывает влияние электрических токов в ионосфере. Сильные изменения ГМП (магнитные бури) связаны с солнечной активностью, имеющей цикличность, и вращением Солнца вокруг своей оси (период 27 дней).
Последние годы характеризуются повышенным интересом к биологическому действию ГМП. Однако четкой теории, объясняющей физическое действие, пока нет. Было обнаружено, что в помещениях, экранированных от ГМП железными клетками, изменяется скорость роста некоторых растений и прорастания семян, образуются новые формы микроорганизмов, нарушается пространственная ориентация насекомых.
Высшие животные и человек также испытывают влияние магнитного поля. Под воздействием ПМП изменяется функционирование нейронов, а значит, и поведение животного – проявляется ослабление оборонительных реакций здорового животного и торможение его двигательной активности.
Аэроионы. Способы их получения и использования в лечебно-профилактических целях
В воздухе, благодаря естественным различным ионизаторам, образуются ионы, которые получили название аэроионов. Ионы, образовавшиеся из нейтральных молекул, могут присоединятся к частичкам неоднородностей в воздухе (дым, пыль), и сообщать частицам заряд. Среди аэроионов выделяют тяжелые, средние и легкие аэроионы. Тяжелые аэроионы – это заряженные твердые частицы воздуха. Легкие аэроионы – ионы молекул воздуха. Аэроионы через дыхательную систему и кожные покровы человека и животных проникают внутрь организма и влияют на его состояние. Тяжелые аэроионы у человека вызывают утомляемость, снижение тонуса, работоспособности. Большая концентрация тяжелых аэроионов наблюдается в промышленно-развитых городах, на территории заводов и промышленных предприятий. Легкие аэроионы повышают тонус, повышают общее самочувствие. Генераторами аэроионов являются электростатические поля высокой (видеосюжет из циркового номера, дарсольванизация) напряженности, электрические разряды (гроза), ультрафиолетовое излучение, трение воздуха о твёрдые предметы. Легкие аэроионы в большом количестве регистрируются в лесу, около водопадов, у фонтанов.
Лечебно-профилактическое проявление легких аэроионов используют в медицине и ветеринарии. Первопричина у разных болезней во многом едина: клетки и ткани организма теряют свой электрический заряд. Люстра Чижевского решает эту проблему. Она производит отрицательные аэроионы, которые проникают в легкие, заряжают кровь, и дальше восстанавливают утраченный отрицательный электроокислительный потенциал клеток. Болезнь отступает. В этой подзарядке и заключается секрет универсального действия популярнейшего теперь аппарата.
Эффект Кирлиана
В тридцатые годы прошлого века краснодарский инженер С. Д. Кирлиан обнаружил свечение предметов в высокочастотном электрическом (10-100 кГц) поле высокой напряженности – от 1 до 40 киловольт. Вместе с супругой В. Х. Кирлиан им были проведены многолетние эксперименты и созданы приборы для «высокочастотной» фотографии. Эффект получил международное признание и имя изобретателя, применяется также термины биоэлектрография или кирлианография
Эффект вызван свечением газового разряда, возникающего вблизи поверхности объекта. Кирлианография позволяет по форме ореола разряда и его цвету быстро и безопасно исследовать физическое, психоэмоциональное состояние человека, выявить болезнь и подобрать индивидуальные методики лечения.
Часто эффект Кирлиана применительно к биологическим объектам трактуют как доказательство существования и визуализации «биополя». Поскольку эффект проявляется только при физическом действии на организм высокочастотного электрического поля, никакого отношения к «биополю» этот эффект не имеет.
На некоторых лекциях и лабораторных работах удобными демонстрационными материалами являются примеры, приведенные на сайтах по интерактивным моделям в физике, например «Интерактивная физика».
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Основные задачи лабораторного практикума – закрепление теоретического лекционного материала, овладение современным лабораторным оборудованием, методами научных исследований, обработка материала и представлением качественного отчета.
По данной теме выполняются 3 лабораторные работы, в двух из них применяется компьютерная обработка материала с использование авторских программ, на которые получены свидетельства. В данном случае экран монитора компьютера дублируется светодиодным телевизором. Программа для лабораторной работы «Изучение дисперсии сопротивления и емкости куриной печени» приведена в приложении.
Работы оформляются в протоколах, выпущенных отдельными тетрадями и установленных на внутреннем образовательном портале вуза edu. kubsau. ru, не имеющего гостевого доступа. Материал доступен на странице кафедры.
Для подготовки к успешной сдаче выполненной работы по просьбе студентов и при их непосредственном участии к лабораторным работам разработаны компьютерные тесты, позволяющие подготовится к уверенной устной защите. В качестве примера в приложении приведен тест в двух форматах *.txt и *.ast по лабораторной работе «Изучение дисперсии сопротивления и емкости куриной печени» (Лабораторная работа №6_тест. txt. и Лабораторная работа №6_тест. ast). Компьютерная программа к этой работе находится на странице кафедры.
По трем разделам курса проводятся групповые тестирования, цель которых проверка полученных знаний и стимуляция подготовки к сдаче экзамена. Вопросы тестов приведены в приложении (первая тема_тест. txt)
ДОКЛАДЫ С ПРЕЗЕНТАЦИЕЙ
По желанию студенты готовят короткие доклады с презентацией по теме лабораторной работы. Условием является минимум текста в слайдах – все студент должен озвучить в докладе. Время, отводимое на доклад, 5 минут. Доклад на тему «Физиотерапевтические методы с применением переменного электрического тока» приведен в приложении в форме презентации и текста доклада.
НАУЧНАЯ РАБОТА
В процессе обучения биофизики студентам предлагается по желанию провести самостоятельное научное исследование. Не смотря на то, что добровольцев бывает немного, тем не менее, ежегодно такие исследования проводятся. По использованию коэффициента поляризации в оценке параметров куриного мяса в процессе его хранения была проведена коллективная работа студентами ветеринарного факультета, результатом которой стала научная публикация. Активное участие в исследованиях по влиянию способа активации водных растворов на скорость прорастания ячменя проявил студент Молчанов Я. Д.
Заключение
Форма проведения лекций и лабораторных занятий вызывает большой интерес у студентов и высокую посещаемость: по результатам текущего семестра более 90% (общее число обучаемых на ветеринарном факультете 114 студентов). При сдаче экзамена по опыту прошлых лет экзаменующиеся довольно хорошо описывают иллюстрации, приведенные в лекциях. Также активно пользуются знаниями, полученными в ходе выполнения лабораторных работ. Таким образом, поставленные цели выполнены.
Ссылки
1. Тарусов, как метод определения жизнеспособности тканей. / . Архив биологических наук, 2: 178-181. 1938.
