Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный политехнический университет”

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе      

                              (А.В. Речинский)

“____” _______________ 2012 г.  

М.П.          

 

 

ОТЧЕТ

 

по мероприятию № 3.4.1.2
Разработка учебно-методического обеспечения программ дополнительного профессионального образования «Физические методы исследования биомолекулярных систем»

по направлению «223200 Техническая физика» в рамках реализации Программы развития НИУ

 

вид отчета: аннотационный

 

 

Ответственный исполнитель:________________ (А.Э. Фотиади)

 

 

 

г. Санкт-Петербург

2012 г.

 

 


СОДЕРЖАНИЕ

 

  1. Краткая аннотация программы ДПО 
  2. Презентация программы ДПО, с указанием ссылки на размещение электронной версии учебных материалов по данной программе ДПО
  3. Использование в учебном процессе 

 

 

АННОТАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ


 «Физические методы исследования биомолекулярных систем» по направлению «223200 Техническая физика»

 

Необходимость подготовки кадров по программе дополнительного образования «Физические методы исследования  биомолекулярных систем» обусловлена потребностями рынка труда г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области, в котором весьма значителен спрос на молодых специалистов, имеющих высокий уровень подготовки в области нанобиоэлектроники и медицины.

Программа дополнительного профессионального образования реализуется выпускающими кафедрами технических университетов, осуществляющих подготовку бакалавров по направлению 223200 –

 

Техническая физика.


Целевая группа специалистов, на которых ориентирована  программа.

Поскольку данная дисциплина является междисциплинарной, возникшей на стыке таких наук как физика твердого тела, органическая и неорганическая химия, биология и  медицина, то к разряду слушателей можно причислить выпускников высших учебных заведений, имеющих степень бакалавра по направлениям «Техническая физика» и «Электроника и наноэлектроника».

 

Вид профессиональной деятельности, на который ориентирована программа. Программа повышения квалификации в области физических методов исследования биомолекулярных материалов адресована дипломированным специалистам, имеющим высшее профессиональное образование со специализацией в областях: физическая электроника, молекулярная электроника, физика полупроводников и наноэлектроники, биоэлектроника, физика разупорядоченных систем и физика наноструктур и нанокомпозитов, наноматериалы электронной техники и других смежных специальностей. Кафедры факультета имеют давние и устойчивые связи с промышленными предприятиями, отраслевыми институтами и институтами Российской Академии наук (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Институт Высокомолекулярных соединений РАН, Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины им. А.М. Никифорова, ВНЦ НИТИОМ ГОИ им. С.И. Вавилова, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, Институт аналитического приборостроения РАН). 

 

Краткое описание образовательной программы:


Необходимость и актуальность разработки образовательной программы «Физические  методы исследования биомолекулярных систем» обязаны тому, что биомолекулярная электроника является важнейшей и безальтернативной перспективой развития электроники в целом. Данная программа является междисциплинарной, поэтому развитие новых методик исследования в наноэлектронике требует решения ряда проблем в трех основных направлениях:

  • исследование физических процессов в нано- и молекулярных структурах и их характеризация с помощью физических методов;
  • разработка методов организации молекул в субмолекулярный ансамбль и исследование эффектов самоорганизации в физике наноструктур и биологии;
  • разработка новых методов использования ионизирующих излучений, ультразвукового воздействия в медицине для диагностических, терапевтических и хирургических целей.

К основным областям знаний, определяющим профиль данной программы относятся:

  • Молекулярные нано-, биоструктуры ансамбли, клеточные и внутриклеточные образования.
  • Формирование биомолекулярных структур в растворах, в твердой фазе, в том числе на поверхности твердого тела, и в газовой фазе.
  • Методы и аппаратура фундаментальных научных исследований электронно-физических и электронно-химических свойств биомолекулярных объектов.
  • Макроскопические свойства молекулярных  систем, отражающие внутримолекулярные эффекты.
  • Физические процессы  в нано - и молекулярных структурах.
  • Физические основы разработки и инженерно-технологические характеристики элементной базы и функциональных устройств биомолекулярной электроники.
  • Разработка доплеровских методов диагностики
  • Применение нанобиоэлектроники в медицине.

 

Реализуемые формы обучения. Предлагаемый график обучения 


Срок обучения  по программе 72 часа. Форма обучения – очная. Режим занятий составляет 6 академических часов в день.

В связи с перечисленными выше областями знаний, необходимыми для продвижения на рынке труда Санкт-Петербурга и Ленинградской области в области биомолекулярной электроники и медицины учебный план данной программы ДПО сформирован исходя из целесообразности освоения слушателями рабочих программ следующих теоретическим тем:

  1. Введение в биомолекулярную электронику и масс-спектрометрию.
  2. Математическое моделирование биологических объектов.
  3. Биологические наноструктуры.  Исследование методами зондовой микроскопии
  4. Лучевая терапия.
  5. Принципы и методы ультразвуковой доплерографии.

Учебный план помимо теоретических занятий содержит практические занятия: лабораторные работы и выездные занятия.

Формами теоретического обучения являются лекции, семинарские занятия, курсовые задания для самостоятельной работы. По теме «Биологические наноструктуры.  Исследование методами зондовой микроскопии» учебного плана предусмотрен лабораторный практикум, а также выездное занятие с посещением научных лабораторий кафедры физической электроники и интегральной электроники с целью ознакомления с инновационным оборудованием: рентгеновской дифрактометрической системой SuperNOVA, атомно-силовым микроскопом Nano DST PACIFIC NANOTECHNOLOGY, криогенным атомно-силовым микроскопом AttoAFM I. Самостоятельная работа рассматривается как неотъемлемый вид обучения в рамках программы дополнительного обучения. По теме «Лучевая терапия» предусмотрено выездное занятие, которое проводится на базе радиологического отделения ГБУЗ Санкт-Петербургского государственного клинического научно-практического центра специализированных видов медицинской помощи (онкологической).

На радиофизическом факультете, где планируется открытие новой программы дополнительного образования, работают десятки профессоров и докторов наук, лауреаты Государственных премий России, премий Правительства Российской Федерации. Учебные и научные лаборатории факультета оснащены современным, зачастую уникальным оборудованием. Факультет имеет необходимое количество учебных помещений, укомплектованных современными методическими средствами, в том числе, мультимедийным оборудованием.

Слушатели программы ДПО «Физические методы исследования биомолекулярных систем», обучающиеся по направлению 223200 – «Техническая физика», обеспечены учебно-методической литературой по темам учебного плана. В Фундаментальной библиотеке СПбГПУ имеются необходимые научно-технические журналы. Дополнительно в кафедральных библиотечных фондах содержится ряд научно-технических журналов на русском и иностранных языках, не входящих в указанный перечень. Кроме этого в состав кафедральных фондов входят методические указания к практическим занятиям, лабораторным работам, хранящиеся в печатном и электронном видах.

 

 

Презентация ПРОГРАММЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «Физические методы исследования биомолекулярных систем» по направлению «223200 Техническая физика»

 

Необходимость и актуальность разработки основной образовательной программы дополнительного профессионального образования  ««Физические методы исследования биомолекулярных систем» связана с тем, что исследование биомолекулярных систем и живых организмов является важнейшей и безальтернативной перспективой развития как электроники, так и медицины. Данная дисциплина является междисциплинарной, возникшей на стыке таких наук как физика твердого тела, органическая и неорганическая химия, биология и  медицина. 

Предметом исследования современной физики становятся как молекулярные материалы, так и отдельные молекулы. Традиционная физика не способна описать физические процессы, протекающие в таких структурах под воздействием различного рода полей.

 

Однако создание искусственных квантовых структур представляет сложнейшую технологическую задачу. В последнее время стало очевидным, что реализация таких структур сопряжена с большими технологическими сложностями даже при создании единичных элементов, непреодолимые трудности возникают при создании, например,  чипов с многомиллионными элементами.

В то же время существует неизмеримо более легкий путь – это использование тех наносистем, которые создала природа, а именно: биомолекул. Наряду с огромным количеством выполняемых  сложнейших биологических функций на молекулярном уровне, биомолекулы обладают рядом свойств, необходимых для создания наноэлектронных устройств.

Не случайно, что в настоящее время основное внимание сосредоточено на молекулярных системах. Во-первых, молекула представляет собой идеальную квантовую структуру, состоящую из отдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическими законами. Другой, не менее важной особенностью молекулярной технологии, является то, что создание подобных квантовых структур в значительной мере облегчено тем, что в основе их создания лежит принцип самосборки. Способность атомов и молекул при определенных условиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярные образования является средством организации микроскопических квантовых структур; оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтез молекулярной системы является первым актом самосборки соответствующих устройств. Этим достигается идентичность собранных ансамблей и, соответственно, идентичность размеров элементов и, тем самым, надежность и эффективность протекания квантовых процессов, функционирования молекулярных устройств.

 

Изучение физико-технических аспектов процессов формирования, организации и функционирования молекулярных нано- и биоструктур предусматривает исследование, анализ и разработку методов создания, организации и управления нанобиоструктурами, клеточными и внутриклеточными образованиями, молекулярными структурами и ансамблями, а также разработку методов регистрации изменений, происходящих в исследуемом образце под воздействием различного рода полей.

 

Если намечающиеся тенденции в развитии нано- и биотехнологии сохранятся, то наиболее всесторонне и весомо они могут быть реализованы в медицине.  Именно потребности медицины, медицинской биологии и экологии человека остаются мощными стимуляторами поиска все новых наноматериалов и методов исследований, и это положение в будущем не только сохранится, но и усилится. Появление качественно новых материалов и технологий на молекулярном уровне приведет соответственно к качественно иным методам лечения и диагностики. 

Для того, что бы успешно работать в сфере применения нанотехнологий в медицине, необходимо иметь хорошую базу в виде фундаментальных курсов в области физики твердого тела, общей биологии, физической химии, квантовой и физической электронике и оптике. В то же время для работы в наноотрасли потребуются специалисты, владеющие знаниями в области физики и диагностики биомолекулярных материалов: молекулярной электронике, радиационной медицине, зондовой микроскопии, доплеровкий ультразвуковой диагностики и т. д.  Обучение по данным темам, курсам или дисциплинам может быть осуществлено в рамках новой программы «Физические методы исследования  биомолекулярных систем».


Формирование групп слушателей целесообразно проводить с учетом той подготовки, которые они получили при окончании высшего учебного заведения.

Планируемые результаты изучения программы ДПО «Физические методы исследования биомолекулярных систем» можно прогнозировать с учетом освоения  совокупности пяти тем.

 

Таким образом, результатами изучения темы 1 «Введение в биомолекулярную электронику и масс-спектрометрию» должно стать:

- умение самостоятельно выбирать (строить) адекватный план реализации требуемых физических процессов для целей заданного исследования в области вакуумной биомедицинской электроники, в том числе масс-спектрометрии;

- умение использовать знания о методах восстановления физической картины изучаемого процесса средствами математической обработки соответствующих экспериментальных данных;

- умение критически оценивать возможности извлечения полезной физической информации из данных как прямых, так и косвенных физических экспериментов;

- понимание необходимости и владение способами критической оценки физических основ в области вакуумной биомедицинской электроники, в том числе масс-спектрометрии;

 

Планируемыми результатами изучения темы 2 «Математическое моделирование биологических объектов» являются:

-  знание основных понятий, закономерностей и методов математического моделирования изучаемых биологических объектов, и в частности, биомолекулярных систем;

-   умение самостоятельно выбрать адекватную модель изучаемой системы, составить алгоритм расчета, составить программу (в необходимых случаях – воспользоваться известными пакетами прикладных программ) и произвести необходимые вычисления на компьютере.

 

Планируемыми результатами изучения темы 3 «Биологические наноструктуры.  Исследование методами зондовой микроскопии» являются:

-знание физических основ сканирующей зондовой микроскопии, устройства и принципов работы сканирующых зондовых, основных методик сканирующей зондовой микроскопии и особенностей их применения для исследования биомолекулярных систем, в том числе при исследованиях в вакууме, жидкости и при изменениях температуры;

- умение получать количественные оценки и характеристические параметры объектов исследования из экспериментальных данных, полученных методами сканирующей зондовой микроскопии;

- умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые методики зондовой микроскопии, используемые в профессиональной области;

- опыт самостоятельного выбора соответствующих методик сканирующей зондовой микроскопии, режима работы зондового микроскопа, а также параметров сканирования, исходя из предварительных данных об объекте исследования;

 

Для достижения указанных выше результатов при освоении данной темы предусмотрено выполнение лабораторного практикума.

1. Программное обеспечение микроскопа «Scan Master». Настройка параметров процесса сканирования. Фильтрация изображения в процессе сканирования. Представление результатов сканирования.

2. Сканирующая туннельная микроскопия. Подготовка иглы. Крепление образца в СТМ-режиме. Установка СТМ-столика. Включение и настройка СТМ-режима. Подвод иглы к образцу. Оптимизация параметров сканирования в СТМ-режиме на примере тестовых структур (калибровочных решеток).

3. Исследование поверхности золотой пленки, напыленной на стекло, методом сканирующей туннельной микроскопии. Проведение статистического анализа полученного изображения.

4. Снятие вольт-амперных характеристик туннельного контакта зонд-металл. Режим туннельной спектроскопии. Оценка качества острия зонда.

5. Исследования молекул, адсорбированных на проводящей подложке (например молекул фталоцианина кобальта на золотой подложке) методом сканирующей туннельной микроскопии. Проведения анализа полученного изображения.

6. Атомно-силовая микроскопия. Настройка оптической системы регистрации изгиба кантилевера. Установка столика с образцом. Включение и настройка АСМ-режима. Подвод зонда к образцу. Оптимизация параметров сканирования в АСМ-режиме на примере тестовых структур (калибровочных решеток).

7. Исследование клеток крови (на примере эритроцитов) методами атомно-силовой микроскопии. Определение морфологии клетки.

8. Исследование молекул ДНК, осажденных на подложку из слюды, методом атомно-силовой микроскопии.

9. Исследование упругих свойств биообъектов на примере клеток крови методами сканирующей атомно-силовой микроскопии.

 

Планируемые результаты изучения темы 4. «Лучевая терапия»

-знание физических основ взаимодействия ионизирующих излучений с веществом; основ дозиметрии; основ радиобиологии и радиобиологических принципов, заложенных в концепцию фракционированной радиотерапии;

-знание разновидностей техногенных источников ионизирующих излучений, применяемых для радиационного воздействия на организм человека в диагностических и терапевтических целях;

- умение грамотно интерпретировать и анализировать дозиметрические данные;

- владение фундаментальными знаниями, используемыми для дозиметрического планирования радиационного воздействия на организм человека.

Для достижения перечисленных выше результатов предполагается проведение выездного занятия  на базе радиологического отделения ГБУЗ Санкт-Петербургского государственного клинического научно-практического центра специализированных видов медицинской помощи (онкологической). На рис. 1а показан линейный медицинский ускоритель электронов, рис 1 б отражает проведение дистанционной лучевой терапии на линейном медицинском ускорителе. Фотографии выполнены в радиологическом отделении указанного  выше центра.

Линейный медицинский ускоритель электронов

Рис. 1 а. Линейный медицинский ускоритель электронов

Проведение дистанционной лучевой терапии на линейном медицинском ускорителе

 

Рис. 1 б. Проведение дистанционной лучевой терапии на линейном медицинском ускорителе.

 

Планируемые результаты изучения темы 5 «Принципы и методы ультразвуковой доплерографии»

– знание физических законов, определяющих распространение, рассевание и поглощение ультразвука в биологических средах;

– знание размерных зависимостей акустических характеристик биологических материалов;

– знание устройства основных ультразвуковых диагностических приборов на уровне построения их блок-схем.

– умение использовать стандарты и другие нормативные документы при оценке контроля качества изделий ультразвуковой медицинской техники;

– умение пользоваться общенаучной и специальной литературой;

– учебные умения для научно обоснованного выбора соответствующего материала, наиболее подходящего для решения конкретной задачи применения ультразвука;

– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые математические методы и модели, используемые в профессиональной области.

 

Оценка знаний осуществляется путем выполнения тестовых заданий и решения практических задач соответственно по каждой теме.  Итоговое решение принимается по результатам выполнения заданий по всем темам. Процедура выявления соответствия соискателя требованиям, предъявляемым к специалистам по направлению дополнительного профессионального образования "Физические методы исследования биомолекулярных систем " в рамках направления «Техническая физика»,  дифференцированно учитывает вклад различных тем.

 

Для лучшего освоения материала слушателем предоставляется возможность использоваться фонды фундаментальной библиотеки СПбГПУ и работать в читальных залах университета. В рамках выполнения программы преподавателями радиофизического факультета подготовлены следующие учебные пособия:

  1. Сударь Н.Т. «Принципы и методы ультразвуковой доплерографии» : учеб. пособие / Н.Т. Сударь – СПб.; Изд-во Политехн. ун-та, 2012 – 153 с.
  2. Бочарова Т.В. «Биологические наноструктуры. Исследование методами зондовой микроскопии»: учеб. пособие / Т.В. Бочарова, А.Н. Власова – СПб.; Изд-во Политехн. ун-та, 2012 – 230 с.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

 

Программа ДПО «Физические методы исследования биомолекулярных  систем» по направлению 223200 «Техническая физика» полностью разработана, учебные дисциплины обеспечены учебными пособиями, в ее подготовке и реализации участвуют преподаватели – специалисты высшей квалификации (4 профессора и 4 доцента – сотрудники радиофизического факультета), и поэтому она может быть внедрена после ее открытия с 01 сентября 2013.

 

Условия внедрения  программы ДПО «Физические методы исследования биомолекулярных  систем» обеспечены тем обстоятельством, что в состав контингента обучаемых по программе могут войти выпускники СПбГПУ, получившие степень бакалавра по направлениям «Техническая физика» и «Электроника и наноэлектроника». Высокий уровень разработки, обеспеченность учебными пособиями, возможность работать на инновационном оборудовании позволяет констатировать, что контингент слушателей программы ДПО может быть расширен за счет бакалавров и дипломированных специалистов других университетов Северо-Запада.

 

Наличие современного учебно-научного класса на базе сканирующей зондовой микроскопии и лаборатории математического моделирования физического эксперимента, оснащенной современными лицензионными программными продуктами LabVIEW (National Instruments), а также инновационного  оборудования: рентгеновской дифрактометрической системы SuperNOVA, атомно-силового микроскопа Nano DST PACIFIC NANOTECHNOLOGY, сканирующих зондовых мультимикроскопов СММ 2000 открывает перспективы использования разработанной программы ДПО в рамках чтения факультативных дисциплин для студентов старших курсов других факультетов (институтов) СПбГПУ, учебные программы которых не содержат заявленных в программе ДПО тем, подразделения не имеют инновационного оборудования. Указанное выше уникальное оборудование используется студентами старших курсов радиофизического факультета для выполнения лабораторных практикумов и научно-исследовательской работы.

На рис. 2 а, б размещены фотографии учебно-научного класса кафедры физической электроники. В классе размещены научно-обучающие стенды на основе сканирующих зондовых мультимикроскопов СММ 2000.  Лаборатория оснащена девятью стендами и имеет 18 посадочных мест. Стенды позволяют слушателям программы дополнительного образования и студентам познакомиться с конструкцией зондового микроскопа, получить необходимые знания о подготовке образцов для сканирования, научиться получать изображения поверхности образцов в режимах туннельной и атомно-силовой микроскопии. Научно-обучающие стенды сконструированы таким образом, чтобы сформировать у слушателей навыки проведения научных исследований по методикам зондовой микроскопии, предоставляют уникальную возможность научиться самостоятельно настраивать зондовый микроскоп, подбирать соответствующие образцу режимы сканирования, а также дают возможность освоить первичные навыки обработки полученных изображений.

Исследование биологических наноструктур методами зондовой микроскопии в учебно-научном классе

 

Рис. 2 а. Исследование биологических наноструктур методами зондовой микроскопии в учебно-научном классе

 

Фотография сканирующего зондового мультимикроскопа СММ 2000, на котором выполняются исследования эритроцитов

 

Рис. 2б. Фотография сканирующего зондового мультимикроскопа СММ 2000, на котором выполняются исследования эритроцитов.

атомно-силовой микроскоп Nano DST PACIFIC NANOTECHNOLOGY

На рис. 3 представлен атомно-силовой микроскоп Nano DST PACIFIC NANOTECHNOLOGY, с использованием которого студенты выполняют исследования в рамках  научно-исследовательской практики.

 

 

 

Рис. 3. Атомно-силовой микроскоп Nano DST PACIFIC NANOTECHNOLOGY, дающий информацию о форме биологических структур с точностью до расположения атомов

 

Подготовленные авторами учебной программы ДПО учебные пособия:

  1. Сударь Н.Т. «Принципы и методы ультразвуковой доплерографии» : учеб. пособие / Н.Т. Сударь – СПб.; Изд-во Политехн. ун-та, 2012 – 153 с.
  2. Бочарова Т.В. «Биологические наноструктуры. Исследование методами зондовой микроскопии»: учеб. пособие / Т.В. Бочарова, А.Н. Власова – СПб.; Изд-во Политехн. ун-та, 2012 – 230 с.

могут быть использованы не только слушателями программы ДПО, но также студентами старших курсов, которые обучаются в магистратуре по магистерской программе: «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

 

 

Выпускники программы дополнительного образования «Физические методы исследования биомолекулярных систем», а также магистры Техники и Технологии по направлению 223200 – «Техническая физика» могут продолжить  образование, обучаясь в аспирантуре по специальностям 01.04.04 – Физическая электроника; 01.04.07. – Физика конденсированного состояния; 01.04.21 – Лазерная физика.

 

В заключение следует отметить следующее.

Разработанная программа дополнительного образования «Физические методы исследования биомолекулярных систем» отражает преемственность инноваций в образовательной деятельности, отраженных в  ООП магистерской программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем», разработанной в 2011 году сотрудниками радиофизического факультета. В рамках разработанной программы ДПО, таким образом, удалось реализовать основные ключевые моменты аннотируемых инноваций в ООП магистерской программы. К ним относятся: проведение дополнительных занятий (факультативов) по современным направлениям развития техники, согласованных с требованиями предприятий заказчиков, разработка и выпуск комплектов учебных пособий, охватывающих все читаемые дисциплины, использование разработанной на радиофизическом факультете программы автоматического оценивания знаний студентов при проведении тестирования, дооснащение научных лабораторий и учебных классов современным оборудованием, приобретение нового материально-технического обеспечения лабораторных работ и практикумов, использование установленного на факультете в последние годы инновационного оборудования.