ОТЧЕТ

 

по мероприятию № 2.4.3
Разработка учебно-методического обеспечения основной образовательной программы подготовки  магистров «Физика и диагностика биомолекулярных систем» по направлению «Техническая физика»

в рамках реализации Программы развития национального исследовательского университета

 

вид отчета: аннотационный

 

 

Ответственный исполнитель:________________ (Фотиади А.Э.)

 

 

г. Санкт-Петербург

2011 г.


Содержание

 

 

Введение

1

Цели мероприятия

 

1.1

Общие положения магистерской подготовки по направлению 223200 «Техническая Физика»

 

1.2

Цели мероприятия «Разработка учебно-методического обеспечения основной образовательной программы подготовки  магистров «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

2

Задачи мероприятия

 

2.1

Профиль программы магистерской подготовки

 

2.2

Концепция программы магистерской подготовки

 

2.3

Задачи профессиональной деятельности выпускника

3

Описание работ по мероприятию

 

3.1

Компетенции

 

3.2

Особенности разработанной ООП

 

3.3

Программы научно-исследовательской и педагогических практик

 

3.4

Программа научно-исследовательской работы

 

3.5

Методические указание по организации самостоятельной работы студентов. Основные положения

 

3.6

Требования к выпускной квалификационной работе

 

3.7

Виды и формы оценки формирующихся компетенций

 

3.8

Использование в учебном процессе  оборудования, закупленного в рамках Программы развития

4

Результаты

 

4.1

Описание системы оценки компетенций ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем» по направлению 223200 «Техническая физика»

 

4.2

Учебные дисциплины учебного плана разработанной ООП подготовки магистров «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

4.3

Аннотации разработанных рабочих программ учебных дисциплин

 

4.4

Аннотации разработанных рабочих программ учебных дисциплин и учебных пособий

5. Использование в учебном процессе

 

5.1.

Перспективы внедрения разработанной ООП

 

5.2

Предполагаемые виды деятельности выпускника

6. Реализация и подготовка инноваций в образовательной деятельности в рамках ООП магистерской программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

Введение

 

Современный уровень развития мировой науки и техники, стремительное развитие принципиально новых технологий привели к необходимости подготовки высококвалифицированных кадров, сочетающих глубокие знания фундаментальных наук и инженерно-физическую подготовку, что предполагает наличие у выпускника достаточного опыта самостоятельной работы над актуальными проблемами современной технической физики. Формирование творческого профессионального потенциала выпускника вуза требует изменений структуры и содержания образовательных программ, использования (в числе других) новых педагогических методов и технологий, а также новых критериев оценки поступающих на обучение и обучающихся.

 

Важнейшим требованием к выпускнику вуза является обеспеченность его профессиональными компетенциями. В традиционном понимании это определяется накоплением знаний, а также практических навыков и умений, перечень которых зафиксирован в соответствующих ФГОС ВПО РФ. Учитывая, что инженерная деятельность в условиях динамично развивающихся потребностей личности, рынка труда, сфер экономики, общества, государства должна быть инновационной, традиционное (казалось бы, незыблемое) толкование инженерной компетенции коренным образом изменяется. Компетентность – сформированное ядро знаний, навыков и умений фундаментального и специального («профильного») характера плюс сформированное творческое инженерное мышление.

 

Такая трактовка профессиональных компетенций обусловливает существенные изменения в подходах к реализации образовательного процесса. Формирование творческого профессионального потенциала выпускника вуза требует изменений структуры и содержания образовательных программ, использования (в числе других) новых педагогических методов и технологий, а также новых критериев оценки поступающих на обучение и обучающихся.

 

Магистратура, как наукоемкий образовательный институт, может функционировать лишь в условиях, благоприятных для развития научных исследований. Достижение высокого качества магистерской подготовки означает перестройку всего образовательного процесса в направлении «обучения через исследование».

 

Защита магистерской диссертации является гарантией того, что выпускником освоена схема вхождения в самостоятельную работу с достижением авторского видения профессиональных проблем и наличием собственных представлений о наиболее адекватных методах их решения. Магистерская диссертация должна обеспечивать не только закрепление академической культуры, но и необходимую совокупность методологических представлений и методических навыков в избранной области профессиональной деятельности. Выпускник магистратуры должен быть широко эрудированным специалистом с фундаментальной научной подготовкой, владеющим методологией научного творчества, современными информационными технологиями, методами получения, обработки и хранения научной информации, подготовленным к участию в исследовательской инженерно-инновационной и научно-исследовательской деятельности.

 

 

1. Цели мероприятия

 

1.1. Общие положения


Основная образовательная программа магистерской подготовки по направлению 223200 «Техническая Физика», реализуемая в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования санкт-Петербургский государственный политехнический университет, представляет собой разработанную и утвержденную вузом совокупность учебно-методической документации, на основе Федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС ВПО) по данному направлению подготовки дипломированных специалистов, с учетом рекомендованной примерной основной образовательной программы и учетом требований рынка труда, включающей в себя учебный план, рабочие программы учебных курсов, предметов, дисциплин (модулей) и другие материалы, обеспечивающие качество подготовки и воспитание обучающихся, а также программы практик и научно-исследовательской работы, календарный учебный график и методические материалы, обеспечивающие реализацию соответствующей образовательной технологии;

 

ООП регламентирует цели, ожидаемые результаты, содержание, условия и технологии реализации образовательного процесса, оценку качества подготовки выпускника по данному направлению подготовки и включает в себя:

 

Нормативные документы для разработки ООП магистерской подготовки по направлению 223200 «Техническая Физика»


Нормативную правовую базу разработки ООП магистратуры составляют:

 

  • Федеральные законы Российской Федерации: «Об образовании» (от 10 июля 1992 года №3266-1) и «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» (от 22 августа 1996 года№125-ФЗ);
  • Типовое положение об образовательном учреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении), утвержденное постановлением Правительства Российской Федерации от 14 февраля 2008 года № 71, (далее - Типовое положение о вузе);
  • Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) по направлению подготовки 223200 «Техническая Физика» высшего профессионального образования (ВПО) (магистратура), утвержденный приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 8.12.2009 г. N 703;
    • Нормативно-методические документы Минобрнауки России;
    • Примерная основная образовательная программа (ПрООП ВПО) по направлению подготовки,  утвержденная ________ (носит   рекомендательный характер);

•   Устав вуза

 

Общая характеристика вузовской основной образовательной программы высшего профессионального образования (магистратура)


1. Цель (миссия) ООП магистратуры


ООП магистратуры по направлению 223200 «Техническая Физика»   имеет своей целью  формирование общекультурных универсальных и профессиональных компетенций в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению подготовки.

 

2. Срок освоения ООП магистратуры

Нормативный срок освоения магистерской программы – 2 года

 

3. Трудоемкость ООП магистратуры – 120 зачетных единиц (60 зачетных единиц за учебный год).

 

1.2. Цели мероприятия «Разработка учебно-методического обеспечения основной образовательной программы подготовки  магистров «Физика и диагностика биомолекулярных систем»


ООП магистратуры «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

по направлению 223200 «Техническая Физика» имеет своей целью формирование общекультурных универсальных и профессиональных компетенций в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению подготовки.

 

1. Повышение качества образования и конкурентоспособности образовательной деятельности вуза по подготовке бакалавров и магистров по направлению 223200 «Техническая физика» на основе создания основной образовательной программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

2. Развитие и совершенствование политехнической модели системы образования, обеспечивающей высокое качество подготовки всесторонне развитых, высококвалифицированных и конкурентоспособных специалистов в области физики и диагностики биомолекулярных систем.

3. Обеспечение престижности российского политехнического образования, концентрация в СПбГПУ конкурентоспособных научно-педагогических кадров, включая лучших молодых специалистов, путем создания привлекательной научно-образовательной среды.

 

 

2. Задачи мероприятия

 

Основная образовательная программа (ООП) СПбГПУ  по направлению подготовки представляет собой комплект нормативных документов, определяющий цели, содержание и методы реализации процесса обучения и воспитания. Структура основной образовательной программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем» соответствует структуре ООП, определенной ФГОС ВПО (СОС) по направлению 223200 Техническая физика, включая:

 

– общие положения ООП подготовки магистров;

– аннотацию магистерской программы;

 – рабочий учебный план;

– рабочие программы дисциплин учебного плана;

– программы научно-исследовательской работы и других видов работ студента (для образовательных программ магистерской подготовки);

– программы практик;

– методические рекомендации по применению образовательных технологий, методик обучения, оценочных средств;

– фонды контрольно-измерительных материалов;

– методические указание по организации самостоятельной работы студентов;

– требования к выпускной квалификационной работе;

– учебные пособия по 6 профильным дисциплинам ООП подготовки магистров.

 

2.1. Профиль программы магистерской подготовки:


Необходимость и актуальность разработки общей образовательной программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем» обязаны тому, что биомолекулярная электроника является важнейшей и безальтернативной перспективой развития электроники в целом. Данная программа является междисциплинарной, возникшей на стыке таких наук как физика твердого тела, органическая и неорганическая химия, биология и медицина.

 

Развитие нового подхода 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 физических принципов функционирования электронных устройств на их основе.

 

К основным областям знаний, определяющим профиль данной магистерской 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.
  • Энергетическая, потенциальная, электронная и колебательно-вращательная структуры биомолекул.
  • Макроскопические свойства молекулярных  систем, отражающие внутримолекулярные эффекты.
  • Физические процессы  в нано - и молекулярных структурах.
  •  Физические процессы в нанобиоструктурах, происходящих в них под воздействием различного рода полей. Методы  их  регистрации.
  •  Физические основы разработки и инженерно-технологические характеристики элементной базы и функциональных устройств биомолекулярной электроники.
  • Приборы биомолекулярной электроники. Применение нанобиоэлектроники в медицине.

 

Данные области знаний могут быть реализованы при освоении потенциальными специалистами следующих учебных дисциплин


  • Математическое моделирование биологических объектов
  • Физика макромолекул
  • Обратные и некорректные задачи технической физики
  • Физические основы молекулярной электроники
  • Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами
  • Атомно-молекулярная флуктуационная динамика
  • Эффективные алгоритмы вычислительной математики
  • Физики и химия наноструктурированных материалов и биомолекулярных систем
  • Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы
  • Биомолекулярнаяю электроника
  • Вакуумная электроника в биологии и медицине
  • Информационные технологии в биологии и медицине
  • Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии
  • Ядерно-физические методы в физике твердого тела
  • Основы томографии

 

2.2.Концепция программы магистерской подготовки


Концепция разработанной ООП, отражающая актуальность последней заключается в следующем: в последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; трубок, пор, квантовых слоев, проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов. Однако реализация таких структур сопряжена с большими технологическими сложностями даже при создании единичных элементов, и 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. Они на фундаментальном уровне способны воспринимать и переносить заряды, акустические и электромагнитные волны, генерировать и обрабатывать сигналы, обмениваться сигналами с окружающей средой, изменять оптические  свойства под воздействием излучения, генерировать электронные каскады, что необходимо для усиления электрического и оптического сигнала.

 

В настоящее время реально могут быть использованы молекулярные системы, в которых внутримолекулярные эффекты имеют макроскопическое проявление. На первом этапе развития молекулярной электроники следует использовать макроскопические свойства молекулярных  систем, которые обуславливались бы структурными реорганизациями, происходящими на уровне отдельных молекулярных  ансамблей. Физический принцип функционирования подобных электронных устройств должен снять размерностные ограничения, по крайней мере, до размеров больших молекулярных образований.

 

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. Наноматериалы на основе полимеров и композитов включают: полимерные микросферы, мембраны и наноструктуры, углеродные нанотрубки, фуллерены, кремний, диоксид кремния и оксид железа. К материалам молекулярной электроники относят органические полупроводниковые и диэлектрические материалы, органические и полимерные пленки субмикронной толщины и пленки Ленгмюра-Блоджета.

 

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.

 

Для того, что бы успешно работать в сфере применения нанотехнологий в медицине, необходимо иметь хорошую базу в виде фундаментальных курсов, разработанных на радиофизическом факультете, в области физики твердого тела, общей биологии, физике и химии макромолекул, физической химии, квантовой и физической электронике и оптике. В то же время для работы в наноотрасли потребуются специалисты, владеющие знаниями в мультидисциплинарных областях: молекулярной электронике, физике макромолекул, радиационной медицине, зондовой микроскопии, биомолекулярной электронике и т. д. Обучение по данным дисциплинам может быть осуществлено в рамках новой программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

2.3 Задачи профессиональной деятельности выпускника


         Объектами профессиональной деятельности магистров являются физические процессы и явления, определяющие функционирование, эффективность и технологию создания новых материалов, производства физических и физико-технологических приборов, систем и комплексов различного назначения, а также способы и методы их исследования, разработки, изготовления и применения.

 

                Магистр должен быть подготовлен к решению профессиональных задач, в области «Физики и диагностики биомолекулярных систем в соответствии с видами профессиональной деятельности: 


а) научно-исследовательская деятельность:


– сбор, обработка, анализ и систематизация научно-технической информации по теме научного исследования в области физики и диагностики биомолекулярных систем;

– формулирование задачи и плана научного исследования, подготовка отдельных заданий для исполнителей;

– выбор оптимального метода и разработка программ научных исследований, проведение их с разработкой новых и выбором существующих технических средств, обработка и анализ полученных результатов;

– построение математических моделей физико-технических объектов и процессов и обоснованный выбор инструментальных и программных средств реализации этих моделей;

– выполнение математического моделирования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств;

– оформление отчетов, статей, рефератов по результатам научных исследований;

– осуществление наладки, настройки и опытной проверки наукоемких физических и физико-технических приборов, систем и комплексов;

 

б) производственно-технологическая деятельность:


– анализ состояния научно-технической проблемы, постановка цели и задач по совершенствованию и повышению эффективности наукоемкого производства в области физики и диагностики биомолекулярных систем;

– определение наиболее перспективных направлений развития техники и технологии в области физического материаловедения  и смежных областей;

– совершенствование существующих, разработка и внедрение новых наукоемких технологических процессов;

– разработка технических заданий на проектирование и изготовление нестандартного физико-технического оборудования и инструментальных средств реализации технологических процессов;

– руководство работой по доводке и освоению техпроцессов в ходе технологической подготовки производства;

– обоснование и выбор систем обеспечения экологической безопасности производства;

 

в) проектно-конструкторская деятельность:


– разработка функциональных и структурных схем физических и физико-технических комплексов и систем;

– разработка эскизных, технических и рабочих проектов изделий с использованием средств автоматизации проектирования, передового опыта разработки конкурентоспособных изделий;

– проектирование и конструирование различных типов физико-технических систем, блоков и узлов; проведение проектных расчетов и технико-экономических обоснований;

– разработка методических и нормативных документов, технической документации, а также предложений и мероприятий по реализации разработанных проектов;

 

г) организационно-управленческая деятельность:


– организация работы научно-производственного коллектива; разработка планов научно-исследовательских работ и управление ходом их выполнения;

– нахождение оптимальных решений при создании продукции с учетом требований качества, стоимости, сроков исполнения, конкурентоспособности и безопасности жизнедеятельности;

– размещение технологического оборудования, техническое оснащение и организация рабочих мест, расчет производственных мощностей и загрузки оборудования;

– осуществление технического контроля и управление качеством производства;

– организация в подразделении работы по совершенствованию, модернизации, унификации выпускаемых изделий, их элементов и по разработке проектов стандартов и сертификатов;

– координация работы персонала для комплексного решения инновационных проблем – от идеи до серийного производства.

 

д) научно-педагогическая деятельность:


– участие в разработке программ учебных дисциплин и курсов на основе изучения научной, технической и научно-методической литературы, а также результатов собственной профессиональной деятельности;

– постановка и модернизация отдельных лабораторных работ и практикумов по дисциплинам профессионального профиля;

– проведение учебных занятий со студентами, участие в организации и руководстве их практической и научно - исследовательской работы;

– применение и разработка новых образовательных технологий, включая системы компьютерного и дистанционного обучения;

        

е) научно-инновационная деятельность:


– фиксация и защита объектов интеллектуальной собственности;

– управление результатами научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности и коммерциализация прав на объекты интеллектуальной собственности;

– участие в организации и проведении инновационного образовательного процесса;

– координация работы персонала для комплексного решения инновационных проблем – от идеи до серийного производства;

– участие в разработке и реализации проектов по интеграции высшей школы, академической науки и предприятий малого и среднего бизнеса.

 

3. Описание работ по мероприятию

           В процессе разработки ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем» сформированы компетенции по ФГОС ВПО, которыми должен обладать выпускник данной программы.

 

3.1. Компетенции выпускника В результате освоения ООП магистратуры по программе «Физика и диагностика биомолекулярных систем» выпускник должен обладать компетенциями, способствующими социальной мобильности, конкурентоспособности и устойчивости на отечественном и мировом рынке труда и позволяющими выполнять различные задачи, сформулированные работодателями. К важнейшим компетенциям по ФГОС ВПО следует отнести:

 

 

Компетенции по ФГОС ВПО


ОК-1       способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности

ОК-2       способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, пополнению своих знаний в области современных проблем технической физики и смежных наук, готовность к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности

ОК-3       готовность к активному общению в научной, производственной и социально-общественной сферах деятельности; способность свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения

ОК-4       способность использовать на практике навыки и умения в организации научно-исследовательских и научно-производственных работ, в управлении коллективом, готовность оценивать качество результатов деятельности

ОК-5       способность проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности

ОК-6       способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение

ПК-1       способность к профессиональной эксплуатации современного научного и технологического оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы)

ПК-2       способность демонстрировать и использовать углубленные теоретические и практические знания фундаментальных и прикладных наук, в том числе и те, которые находятся на передовом рубеже технической физики

ПК-3       способность демонстрировать навыки работы в научном коллективе, готовность генерировать, оценивать и использовать новые идеи (креативность), способность находить творческие, нестандартные решения профессиональных и социальных задач

ПК-4       способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ

ПК-5       способность осуществлять научный поиск и разработку новых перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, готовность к профессиональному росту, к активному участию в научной и инновационной деятельности, конференциях, выставках и презентациях

ПК-6       способность критически анализировать современные проблемы технической физики, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты

ПК-7       способность самостоятельно выполнять физико-технические научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств

ПК-8       готовность осваивать и применять современные физико-математические методы и методы искусственного интеллекта для решения профессиональных задач, составлять практические рекомендации по использованию полученных результатов

ПК-9       способность представлять результаты исследования в формах отчетов, рефератов, публикаций и презентаций

ПК-10     способность разрабатывать и оптимизировать современные наукоемкие технологии в различных областях технической физики с учетом экономических и экологических требований

ПК-11     способность разрабатывать, проводить наладку и испытания и эксплуатировать наукоемкое технологическое и аналитическое оборудование

ПК-12     готовность решать прикладные инженерно-технические и технико-экономические задачи с помощью пакетов прикладных программ

ПК-13     способность формулировать технические задания, разрабатывать и использовать средства автоматизации при проектировании и технологической подготовке производства, составлять необходимый комплект технической документации

ПК-14     готовность применять методы анализа вариантов проектных, конструкторских и технологических решений, разработки и поиска компромиссных решений

ПК-15     способность владеть приемами и методами работы с персоналом, методами оценки качества и результативности труда, способность оценивать затраты и результаты деятельности научно-производственного коллектива

ПК-16     способность находить оптимальные решения при создании продукции с учетом требований качества, стоимости, сроков исполнения, конкурентоспособности и безопасности жизнедеятельности

ПК-17     готовность управлять программами освоения новой продукции и технологии, разрабатывать эффективную стратегию

ПК-18     готовность управлять программами освоения новой продукции и технологии, разрабатывать эффективную стратегию

ПК-19     способность проводить учебные занятия, лабораторные работы, обеспечивать практическую и научно - исследовательскую работу обучающихся

ПК-20     способность применять и разрабатывать новые образовательные технологии

ПК-21     готовность и способность применять физические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий

ПК-22     способность разрабатывать планы и программы организации инновационной деятельности научно-производственного коллектива, осуществлять технико-экономическое обоснование инновационных проектов

ПК-23     готовность к участию в организации и проведении инновационного образовательного процесса

ПК-24     готовность к участию в разработке и реализации проектов по интеграции высшей школы, академической и отраслевой науки, промышленных организаций и предприятий малого и среднего бизнеса

 

Компетенции, введённые вузом – разработчиком ООП


ВК-1       способность получать с помощью сканирующей зондовой микроскопии, томографии, ядерно-физических методов и масс-спектрометрии количественные оценки и характеристические параметры бимолекулярных систем различной природы и использовать эти данные для медицинской диагностики, обработки информации, а также для решения физических и технологических задач

ВК-2       способность и готовность развивать существующие и осваивать новые методики зондовой микроскопии и томографии, используемые при работе с бимолекулярными системами

ВК-3       способность эффективно использовать современные информационные технологии для обработки и анализа экспериментальных данных, полученных с помощью различных методов исследования бимолекулярных систем

ВК-4       способность демонстрировать и использовать в профессиональной деятельности углубленные знания основных понятий, закономерностей и методов математического моделирования биомолекулярных систем различной природы

ВК-5            готовность и способность использовать знание физико-химических процессов, протекающих в различных биомолекулярных системах и наноструктурированных материалах в своей профессиональной деятельности

 

 

3.2. Особенности разработанной ООП


Особенности разработанной ООП отражены в методических рекомендациях по применению образовательных технологий, методик обучения, оценочных средств и рекомендациях по организации изучения дисциплин ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем»  и применению видов оценки полученных знаний и компетенций

 

Методические рекомендации по применению образовательных технологий, методик обучения, оценочных средств.


Настоящие методические рекомендации имеют своей целью установить определенные рамочные условия и подходы при разработке и применении образовательных технологий, методик обучения и оценочных средств в ходе образовательной деятельности вуза по подготовке магистров по направлению 223200 «Техническая физика».

 

Формирование общекультурных компетенций


Наиболее важными для формирования общекультурных компетенций являются технологии обучения, реализующие обратную связь со студентом, такие как интерактивные проблемные лекции, лекции-консультации, групповые дискуссии, семинары и проекты, анализ деловых ситуаций на основе имитационных моделей и другие технологии. В качестве примера рассмотрим формирование общекультурных компетенций ОК-1, ОК-2 и ОК-3 (см. табл. 1) в процессе проведения интерактивных проблемных лекций или выполнения индивидуальных заданий.

 

Первым этапом является самостоятельная работа студента при подготовке материала, проработке проблемных вопросов по теме задания, поиск решения поставленных перед обучающимся задач, подготовка подобранного, проработанного материала к лекции либо изложение результатов исследований, полученных при выполнении индивидуального задания по теме в виде, к примеру, презентации. На этом этапе преподавателю следует достаточно четко изложить требования к подготавливаемому и излагаемому материалу с тем, чтобы его объем был адекватен времени изложения, способности восприятия излагаемого материала другими обучающимися – недостаток материала приведет к недостаточности знаний необходимых для итоговой аттестации по предмету, его избыток – к невозможности запоминания материала, и как следствие, к той же недостаточности знаний.

 

Кроме того, при постановке задачи следует довольно четко обозначить требование к новизне материала, необходимости использования не только современной отечественной литературы, но и зарубежных изданий, что подразумевает знание определенного минимума технического иностранного языка, и, следовательно, развивает способность свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения. Таким образом, этот этап позволяет сформировать у обучающихся компетенции ОК-1 и ОК-2.

 

Вторым этапом является изложение материала перед аудиторией. Необходимо понимать, что первый этап представляет собой планомерную подготовку, то есть плановое мероприятие, в то время как второй этап является экстремальной стрессовой нагрузкой на студента, такие нагрузки не должны быть частыми. Однако именно этот этап позволяет оценить степень подготовленности обучающихся, и непосредственно реализовать обратную связь, то есть оценить готовность к активному общению в научной, производственной и социально-общественной сферах деятельности (ОК-3).

 

Формирование профессиональных компетенций


Формирование профессиональных компетенций у обучающихся возможно традиционными методами, однако понятно, что для реализации компетентностного подхода, требуемого ФГОС ВПО третьего поколения, и поддержания конкурентоспособности будущего специалиста необходима реализация современных методик обучения с привлечением средств аудиовизуальной информации – телевидение, видео, компьютер, Интернет-ресурсы и другие телекоммуникационные сети, таким образом, профессиональные компетенции успешно формируются при правильном сочетании разнообразных методов и приемов обучения при целесообразном использовании дидактических средств: натуральных объектов, наглядных пособий, а также современных технических средств обучения. Внедрение технических средств позволяет оптимизировать процесс обучения, улучшить восприятие студентами излагаемого материала, создать вариативность заданий при проведении практических занятий и практикумов, вести более объективную оценку формирования навыков у обучаемого, а также создает возможность работы в команде над одним проектом (работа в сети), использование программных продуктов обеспечивает реализацию таких принципов обучения, как научность, наглядность, доступность, активность и самостоятельность, что способствует развитию творческих способностей студента. При этом компьютерные программы служат дополнением к основному учебному материалу или выступают как средство, повышающее результативность обучения.

 

Оценка формирующихся профессиональных компетенций возможна в основном на практических занятиях (семинарах, семинарах-практикумах, практических занятиях, лабораторных работах, защите курсовых проектов, научно-исследовательских работ), то есть при выполнении конкретных заданий. Этот факт позволяет учитывать при оценке деятельности студента уровень проработки материала, личностное отношение к проблеме, а также способность обучаемого к индивидуальной и командной работе.

 

 Рассмотрим формирование профессиональных компетенций ПК-12, ПК-7 и ПК-9 на примере проведения лабораторных и выполнения научно-исследовательских работ.

Первый этап подразумевает подготовку к выполнению работы, соответственно цели и задачи работы должны быть сформулированы таким образом, чтобы возникала необходимость проработки теоретической базы для выполнения практической задачи, а также изучения основных функций пакетов прикладных программ, использование которых возможно непосредственно при выполнении работы, а также при последующей обработке результатов. Этот этап позволяет сформировать умение подготовить техническое решение поставленной задачи (ПК-12). Стоит отметить, что формирование компетенции в ходе выполнения научно-исследовательской работы является более полным, но основывается на первоначальных навыках, полученных в ходе выполнения лабораторных практикумов.

 

Вторым этапом является собственно выполнение работы, то есть непосредственное применение подготовленных решений на практике, при выполнении физико-технических научных исследований в области биомолекулярных технологий с целью оптимизации параметров изучаемых объектов и процессов, в том случае, если возможно, использование стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств (ПК-7).

Заключительный этап работ - представление результатов исследования в форме отчета или презентации (ПК-9).

 

Методические рекомендации по организации изучения дисциплин ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем»  и применению видов оценки полученных знаний и компетенций


Изучение дисциплин ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем» должно базироваться на использовании постоянно поступающих в Российскую книжную палату новых периодических и непериодических изданий, наиболее полно раскрывающих проблемы в области развития биомолекулярных систем и технологий.

 

Лекции. Содержание лекции должно охватывать либо тему в целом, либо ее логически завершенную часть. Последовательность изложения лекционного материала должна по возможности учитывать его востребованность в изучаемых параллельно дисциплинах. Ввиду ограниченного времени лекция должна представлять собой конспективное изложение ключевых вопросов изучаемой темы и отражать логику и методологию получения соответствующих ей теоретических и практических результатов. Для более подробного и глубокого ознакомления с изучаемым материалом можно отсылать студентов к имеющимся учебным пособиям, в том числе электронным, на основе которых поставлен курс лекций.

Для более эффективного восприятия материала и использования времени рекомендуется проводить лекции с применением ПК и электронных аудио, видео средств. В то же время основные математические выводы целесообразно делать на доске. Для контроля понимания материала и используемых методов необходимо в процессе лекции поддерживать обратную связь с аудиторией.

 

Кроме того, целесообразным является повторение основных тезисов и выводов излагаемого материала трижды: через 10 минут после произнесения, в конце занятия, а также в начале следующего занятия.

 

Интерактивная проблемная лекция. Лекция проводится в диалоговом режиме, при условии изложения материала непосредственно студентами при корректирующем участии преподавателя. Для более эффективного восприятия материала и использования времени рекомендуется проводить лекции с применением ПК и электронных аудио, видео средств.

 

Интерактивная лекция-консультация. Лекция проводится в диалоговом режиме, обсуждается материал, отданный на самостоятельное изучение студентов. Для оценки понимания материала, преподавателю следует отразить основные тезисы и выводы по изученному материалу.

 

Практические занятия. Проводятся традиционным образом – решение задач, проверка и оценка домашних заданий, проведение блиц-опросов.

 

Курсовая работа и индивидуальные задания. Курсовая работа выполняется в форме единого практикума с индивидуальными заданиями. Тема на курсовую работу выдается студентам в начале семестра на первом практическом занятии. Также на первом практическом занятии излагаются задачи курсовой работы.

 

Если РПД предусматривают выполнение курсовой работы, то рекомендуется, чтобы выполненные, оформленные и защищенные индивидуальные задания, составляющие не менее 40% общего объема курсовой работы, могли быть представлены в качестве курсовой работы и автоматически зачтены с оценкой "удовлетворительно". Оценку "отлично" могут получить только студенты, выполнившие курсовую работу в полном объеме и успешно ее защитившие.

 

Контрольная работа. Проводятся в виде тестов, либо предлагается комплекс задач по изложенному материалу с последующей их оценкой. Время проведения работы строго ограничивается, использование конспектов, либо других вспомогательных материалов не предусматривается. Полезен комплексный анализ результатов работы с последующей корректировкой плана практических занятий.

 

Экзамен. Рекомендуется, чтобы логическая структура курса и организация его изучения позволяли принимать экзамен у студентов в два этапа с итоговой оценкой его после защиты курсовой работы, либо других работ, предусмотренных РПД, во время сессии. Сдача распределенного экзамена осуществляется по контрольным вопросам, изложенным к моменту сдачи тем, дополняемых решением задач. При сдаче экзамена следует разрешить пользоваться литературой, так как это не препятствует объективной оценке знаний студента.

          

Оценочные средства. Рабочие программы дисциплин учебного плана включают оценочные средства, которые в зависимости от целей и задач дисциплины, могут включать помимо обязательного списка экзаменационных вопросов, контрольные работы, комплекс заданий на контроль практических умений репродуктивного уровня (задачи, тесты). Кроме того, следует предусмотреть комплекс заданий, позволяющий оценить обобщённые профессиональные и общекультурные умения (компетенции) студентов. Они включают:

 

1. Выступление на практических занятиях-семинарах с изложением, подобранного и проанализированного материала по теме индивидуального задания, в виде презентаций.

2. Защита курсовой работы.

Качество освоенного материала дисциплины контролируется написанием контрольных работ по разделам курса, защитой курсовой работы по предложенной теме, а также по итогам индивидуальных заданий, контроль которых осуществляется посредством проведения интерактивных проблемных лекций (семинаров). Оценка, являющаяся результатом усреднения оценок, полученных в результате выполнения указанных выше заданий – допуск к экзамену. Итоговая оценка выставляется по результатам экзамена.

 

3.3. Программы научно-исследовательской и педагогических практик.


Аннотация программы научно-исследовательской практики

Научно-исследовательская практика студентов проводится в течение трех недель во втором семестре - согласно учебному плану. Студенты проходят практику на выпускающей кафедре, а также в научно-исследовательских лабораториях и отделах Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, Института аналитического приборостроения РАН и других заинтересованных организациях по профилю подготовки.

 

Учебная дисциплина «Научно-исследовательская практика» относится к циклу М.3 дисциплин учебного плана и  имеет своей целью систематизацию, расширение и закрепление профессиональных знаний, формирования у студентов навыков ведения самостоятельной научно-исследовательской работы: теоретического анализа, компьютерного моделирования физических процессов и экспериментального исследования. Указанные цели достигаются путем практической работы студентов под руководством преподавателей и научных сотрудников в лабораториях кафедр, научно-исследовательских институтов, а также на предприятиях и в  организациях, ориентированных на применение наукоёмких технологий в области нанобиоэлектроники.

 

Научно-исследовательская практика студентов 5 го курса имеет целью систематизацию, расширение и закрепление профессиональных знаний, формирования у студентов навыков ведения самостоятельной научной работы, исследования и экспериментирования.

 

Аннотация программы педагогической практики

 

Педагогическая практика студентов проводится в течение двух недель третьего семестра согласно учебному плану. Студенты проходят педагогическую практику на выпускающей кафедре. На РФФ, например, на кафедре физической электроники студенты проводят лабораторные занятия по курсу «Электронные приборы» в одной из групп 2 курса, на кафедре прикладной физики и оптики твердого тела студенты проводят занятия на семинарах по специальности по английскому языку.

Педагогическая практика студентов второго года обучения имеет целью приобретение практических навыков проведения учебных занятий.

 

3. 4. Программа научно-исследовательской работы.


Аннотация программы учебной дисциплины «Научно-исследовательская работа магистра»


Учебная дисциплина «Научно-исследовательская работа магистра» относится к вариативной части профессионального цикла дисциплин учебного плана и имеет своей целью приобретение студентами теоретических и практических знаний в области актуальной научной проблемы, соответствующей содержанию подготовки по конкретной магистерской программе, решение которой должно составить основу магистерской диссертации. 

 

3.5. Методические указания по организации самостоятельной работы студентов. Основные положения


Достижение высокого качества магистерской подготовки означает перестройку всего образовательного процесса в направлении «обучения через исследование». Руководствуясь данным принципом, рассмотрим каким требованиям должно удовлетворять содержание научно-исследовательской работы магистра.

 

Содержание данной работы опирается на ту область актуальных проблем технической физики, которая которые находятся в рамках интересов, как сотрудников кафедр, так и профильных научно-исследовательских институтов. Это может быть создание новых объектов - материалов, технологий, конструкций, проектных решений и др. Кроме того, содержание дисциплины может составлять разработку модели, теории для описания уже существующих процессов.

В самом общем виде реализация самостоятельной работы студентов осуществляется при изучении следующих дисциплин.:

 

1. Учебный семинар

2. Научно-исследовательская работа в лаборатории

3. Научно-исследовательская работа магистра

 

3. 6.Требования к выпускной квалификационной работе.


Согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению 223200 – Техническая физика итоговая государственная аттестация магистра включает:

-       защиту выпускной квалификационной работы;

-       государственный экзамен.

 

Цели выполнения и защиты выпускной квалификационной работы магистра


Выпускная квалификационная работа магистра (магистерская диссертация) для получения степени магистра техники и технологии по направлению  «Техническая физика» и магистерской программе «Физика и диагностика био-молекулярных систем» относится к итоговой государственной аттестации и имеет своей целью выявление уровня углубленной профессиональной компетентности магистра к выполнению им профессиональных задач, установленных Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению «Техническая физика».  Выполнение и защита выпускной работы являются заключительными этапами обучения студента на данной  ступени образования и должны способствовать:

 

-       расширению, закреплению и систематизации теоретических знаний и практических умений и навыков по направлению образования «Техническая физика» в рамках магистерской программы «Физика и диагностика био-молекулярных систем» и их применению при решении конкретных профессиональных задач;

-       развитию способности критически анализировать современные проблемы технической физики, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач в рамках физики биомолекулярных систем;

-       формированию и развитию способности самостоятельного выполнения физико-технических научных исследований био-молекулярных систем;

-       совершенствованию опыта в обработке и анализе результатов расчетов, исследований и экспериментов,  в оценке их практической значимости и возможности применения;

-       формированию способности осуществления научного поиска и разработки новых перспективных подходов и методов диагностики к решению профессиональных задач в рамках физики и диагностики био-молекулярных систем;

-       совершенствованию опыта публичной защиты результатов своей деятельности, написания научных статей, отчетов, и оформления презентаций.

 

3.7.         Виды и формы оценки формирующихся компетенций


Виды и формы оценки формирующихся компетенций отражены в разделе 4, где приведено описание системы оценки компетенций ООП «Физика и диагностика биомолекулярных систем» по направлению 223200 «Техническая физика». Здесь же необходимо подчеркнуть следующее.

 

Присутствующие в учебном плане базовые и вариативные (включая дисциплины по выбору) части общенаучного  и профессионального циклов дисциплин нацелены на формирование у студентов компетенций, которые несколько различаются по преследуемым целям. Базовая часть служит для закрепления в большей степени общекультурных компетенций. Вариативная часть основывается на необходимости реализовать у каждого студента профессиональные компетенции.  

 

Если студент готовится стать научным исследователем в области фундаментальной биомолекулярной физики, обучаться в аспирантуре, то образовательная программа должна способствовать развитию творческих способностей. К ним можно отнести: умение принимать нестандартные решения, способность увеличивать спектр осваиваемых компетенций, осуществлять поиск новых идей и их реализацию. Для специалистов в узкой области биомолекулярной физики, работающих  в научно-исследовательских институтах, предприятиях промышленности и сельского хозяйства, важно, чтобы при освоении учебных дисциплин в основном вариативной части должны больше закрепляться прививаемые навыки и осуществляться проверка закрепления задач. Следовательно, первое внимание при реализации учебных дисциплин необходимо уделить умениям и навыкам, отраженным в рабочих программах дисциплин в разделе «Планируемые результаты изучения дисциплины». Ниже в разделе 4 приведены аннотации разработанных новых учебных дисциплин, в которые включен данный раздел.

 

3.8 Использование в учебном процессе оборудования, закупленного в рамках Программы развития


Осуществляемое на радиофизическом факультете обучение студентов проводится в соответствии с учебным планом, который предусматривает использование нового инновационного оборудования, как при выполнении лабораторных практикумов, так и выполнении научно-исследовательской практики и научно-исследовательской работы магистра.

 

К оборудованию для научных исследований, которое используется в учебном процессе радиофизического факультета можно отнести криогенный атомно-силовой микроскоп AttoAFM I,  рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova, сканирующий зондовый мультимикроскоп СММ 2000 (10), атомно-силового микроскопа PACIFIC NANOTECHNOLOGY DSI.

 

На рис. 3.1 показан криогенный атомно-силовой микроскоп AttoAFM I, произведенный компанией Attocube Systems, предназначен для измерения различных свойств поверхности образцов в широком диапазоне температур и в сильных магнитных полях. Микроскоп позволяет проводить исследования топографии, проводить измерения проводимости, распределения магнитных свойств на поверхности образцов, работать в режиме силовой микроскопии пьезоотклика. Микроскоп оборудован криостатом и системой поддержки температуры образца в диапазоне температур от 4К до 300К. Для магнитных исследований используется сверхпроводящий магнит, создающий на образец однородное постоянное магнитное поле величиной до 9Тл.

 

 

 

Криогенный атомно-силовой микроскоп AttoAFM I.

 

Рис. 3.1. Криогенный атомно-силовой микроскоп AttoAFM I.

 

На рис. 3.2 показана рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova В состав двулучевого дифрактометра входит медный и молибденовый микрофокусные источники и CCD детектор. Современные рентгеновские трубки в совокупности микрофокусной оптикой позволяют достигать интенсивности излучения в 3-4 раза превышающие интенсивности классических источников с вращающимся анодом. Сочетание высокой интенсивности излучения и быстродействия CCD позволяет получать высококачественные данные даже для слаборассеивающих кристаллов. Это идеальный дифрактометр для лабораторных исследований кристаллографии белков.

 

 

 Рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova

 

 

Рис. 3.2. Рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova

 

4. Результаты

В процессе разработки ООП  магистерской программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем» была предложена система оценки компетенций, сформулированных в подразделе 3.1. Следует отметить, что по мере выполнения учебного плана магистерской программы студентами степень освоения ими компетенций особенно профессиональных должна, безусловно, повышаться. Это отражает тот факт, что компетентность – это не только сформированное ядро знаний, навыков и умений фундаментального и специального («профильного») характера, но и сформированное творческое «инженерное» мышление.

 

4.1. Описание системы оценки компетенций ООП магистерской программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем» по направлению 223200 «Техническая физика»


В результате освоения разрабатываемой магистерской программы должен быть освоен целый ряд учебных дисциплин и выполнен перечень компетенций. Эти компетенции отражены в каждой рабочей программе дисциплины и в совокупности составляют перечень компетенций, соответствующих направлению «Техническая физика». В перечне компетенций присутствуют шесть общекультурных компетенций и двадцать четыре профессиональные компетенции. Они отражены в таблице соответствия компетенций выпускника и дисциплин учебного плана. Таблица отражает реализацию данной компетенции в той или иной учебной дисциплине.

 

Очевидно, что уровень освоения компетенций должен расти по мере изучения дисциплин учебного плана, при переходе от одной дисциплины к другой. Оценка формирующихся профессиональных компетенций возможна в основном на практических занятиях (семинарах, семинарах-практикумах, практических занятиях, лабораторных работах, защите курсовых проектов, научно-исследовательских работ), то есть при выполнении конкретных заданий. Этот факт позволяет учитывать при оценке деятельности студента уровень проработки материала, личностное отношение к проблеме, а также способность обучаемого к индивидуальной и командной работе. Кроме того, способность студента творчески осваивать те или иные компетенции должна проявляться во время выполнения научно-исследовательской работы в лаборатории, при подготовке к защите магистерской диссертации. В конечном итоге, уровень освоения компетенции проявляется непосредственно в защите выпускной квалификационной работы.

 

Цели и задачи квалификационной работы:

 

- систематизация и углубление теоретических и практических знаний по избранной специальности, их применение при решении конкретных практических задач;

- развитие способности студента критически анализировать современные проблемы технической физики;

- приобретение навыков самостоятельной работы;

- приобретение опыта в обработке и анализе полученных результатов, в том числе их практического использования;

- овладение методикой исследования, обобщения и логического изложения материала;

- совершенствование опыта публичной защиты результатов своей деятельности, написания и оформления научных публикаций.

 

При выполнении квалификационной работы студент должен показать:

 

- прочные теоретические знания по избранной теме;

- умение изучать и обобщать литературные источники, решать практические задачи, делать выводы и предположения;

- навыки проведения анализа и расчетов, экспериментирования и владения современной вычислительной техникой.

 

В учебном плане присутствуют общенаучный цикл дисциплин, включающий базовую и вариативную части (последняя содержит дисциплины по выбору) и профессиональный цикл дисциплин, включающий базовую и вариативную части (последняя также содержит дисциплины по выбору). Базовая часть призвана базироваться на классическом образовании для закрепления в большей степени общекультурных компетенций. Вариативная часть основывается на необходимости реализовать у каждого студента профессиональные компетенции, то есть то, на что нацелена разрабатываемая образовательная программа.

 

Если студент готовится стать научным исследователем в области биомолекулярной физики, обучаться в аспирантуре, работать в научно-исследовательских коллективах, вести фундаментальные исследования, то образовательная программа должна способствовать развитию творческих способностей. К ним можно отнести: умение принимать нестандартные решения, способность увеличивать спектр осваиваемых компетенций, осуществлять поиск новых идей и их реализацию, способность руководить малыми коллективами научных сотрудников.

 

Разрабатываемая магистерская программа допускает освоения студентом дополнительных компетенций, суть которых состоит в следующем:

 

- способность критически анализировать современные проблемы физики, техники и технологии биомолекулярных систем, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических и прикладных задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты;

- способность самостоятельно выполнять физико-технические научные исследования для оптимизации параметров биомолекулярных объектов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств.

 

Все пять компетенций, введённых вузом – разработчиком ООП ВК-1, ВК-2, ВК-3, ВК-4, ВК-5 отражены в разделе 3 (подраздел 3.1)

 

Если студент собирается быть специалистом в узкой области биомолекулярной физики и связать свою дальнейшую профессиональную деятельность с научно-исследовательскими институтами, предприятиями промышленности, даже сельского хозяйства, то образовательная программа должна способствовать тому, что при освоении учебных дисциплин в основном вариативной части должны больше закрепляться прививаемые навыки и осуществляться проверка закрепления задач. Следовательно, первое внимание при реализации учебной дисциплины необходимо уделить умениям и навыкам, отраженным в рабочих программах дисциплин в разделе «Планируемые результаты изучения дисциплины».


Необходимо понимать, что по разным учебным дисциплинам степень освоения в основном профессиональных компетенций, перечисленных в таблице соответствия компетенций выпускника и дисциплин учебного плана, может быть различной, так как компетенции реализуются в зависимости от целей и задач, которые преследует каждая учебная дисциплина в отдельности.

 

Рассмотрим на примере конкретных профессиональных компетенций порядок их реализации при освоении образовательной программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем» согласно разработанному учебному плану.

Профессиональная компетенция: способность демонстрировать и использовать углубленные теоретические и практические знания фундаментальных и прикладных наук, в том числе и те, которые находятся на передовом рубеже технической физики (ПК-2).

 

Согласно таблице соответствия освоение данной компетенции осуществляется при изучении таких дисциплин, как «Физика макромолекул», «Физические основы молекулярной электроники», «Взаимодействие излучений с биомолекулярными системами», «Физика и химия биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов», «Введение в биомолекулярную электронику», «Введение в радиобиологию и радиотерапию», «Вакуумная электроника в биологии и медицине», «Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии», «Ядерно-физические методы в физике твердого тела», «НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики», «НИР в лаборатории оптической диагностики». Последовательность перечисления дисциплин соответствует порядку представления в таблице соответствия и в учебном плане. Целесообразно представить степень освоения упомянутой выше компетенции в следующем виде. При оценке степени освоения компетенции, по-видимому, следует руководствоваться, с одной стороны, целями и задачами изучения, которые преследует данная дисциплина, с другой стороны, совокупностью теоретических и практических знаний фундаментальных и прикладных наук, которые необходимы для глубокого изучения дисциплины.

 

Другая профессиональная компетенция: способность самостоятельно выполнять физико-технические научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств (ПК-7)

 

Таблица 4.1

Степень освоения профессиональной компетенции ПК-2

 

Компетенция

Учебная дисциплина

Степень освоения,%

способность демонстрировать и использовать углубленные теоретические и практические знания фундаментальных и прикладных наук, в том числе и те, которые находятся на передовом рубеже технической физики (ПК-2)

«Физика макромолекул»

70

«Физические основы молекулярной электроники»,

70

 «Взаимодействие излучений с биомолекулярными системами»

80

«Физика и химия биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов»

80

«Введение в биомолекулярную электронику»,

80

 «Введение в радиобиологию и радиотерапию»,

80

 «Вакуумная электроника в биологии и медицине»,

80

«Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии»,

80

«Ядерно физические методы в физике твердого тела»

100

«НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики»

100

«НИР в лаборатории оптической диагностики»

100

 

Таблица 4.2

Степень освоения профессиональной компетенции ПК-7

 

Компетенция

Учебная дисциплина

Степень освоения, %

способность самостоя-тельно выполнять физико-технические научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разрабо-танных инструмен-тальных и программных средств (ПК-7)

«Математическое моделирование биологических систем»

70

 «Обратные и некорректные задачи технической физики»

80

 «Информационные технологии в биологии и медицине»

70

«Эффективные алгоритмы вычислительной математики»

80

 «Научно-исследовательская работа магистра»

100

 «НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики»

100

 «НИР в лаборатории оптической диагностики»

100

 

Согласно таблице соответствия освоение данной компетенции осуществляется при изучении таких дисциплин, как «Математическое моделирование биологических систем», «Обратные и некорректные задачи технической физики», «Информационные технологии в биологии и медицине», Эффективные алгоритмы вычислительной математики», а также «Научно-исследовательская работа магистра», «НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики», «НИР в лаборатории оптической диагностики». Таблица, отражающая степень освоения данной компетенции при изучении перечисленных выше дисциплин выглядит следующим образом.

 

Профессиональная компетенция: способность разрабатывать, проводить наладку и испытания и эксплуатировать наукоемкое технологическое и аналитическое оборудование (ПК-11).

 

Согласно таблице соответствия освоение данной компетенции осуществляется при изучении таких дисциплин, как «Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии», «Вакуумная электроника в биологии и медицине», «НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики», «НИР в лаборатории оптической диагностики», «Научно-исследовательская работа магистра».

 

Таблица 4.3, отражающая степень освоения данной компетенции при изучении перечисленных выше дисциплин приведена ниже.

 

 

Таблица 4.3

Степень освоения профессиональной компетенции ПК-11

 

Компетенция

Учебная дисциплина

Степень освоения,%

способность разрабатывать, проводить наладку и испытания и эксплуатировать наукоемкое технологическое и аналитическое оборудование (ПК-11)

«Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии»

20

«Вакуумная электроника в биологии и медицине»

40

«НИР в лаборатории ультразвуковой диагностики»

50

«НИР в лаборатории оптической диагностики»

50

«Научно- исследовательская работа магистра»

100

 

Таким образом, как показывает анализ сведений, приведенных в таблицах 4.1-.4.3 степень освоения каждой конкретной компетенции имеет тенденцию расти по мере освоения образовательной программы. Как правило, 100 % освоение компетенций следует добиваться при  выполнении научно-исследовательской работы в лаборатории и демонстрировать это при написании выпускной квалификационной работы (магистерской диссертации) и ее защите перед Государственной аттестационной комиссией.

 

4.2. Учебные дисциплины учебного плана разработанной ООП подготовки магистров «Физика и диагностика биомолекуляных систем»


В верхней части таблицы 4.4 приведен список учебных дисциплин (всего 8), по которым ведется обучение на факультете (за исключением «Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами»), ниже приведен список дисциплин, для которых разработаны рабочие программы дисциплин, фонд оценочных средств по дисциплине и учебные пособия (всего 7). Каждой учебной дисциплине поставлены в соответствие компетенции.

Таблица 4.4

Учебные дисциплины и соответствующие компетенции учебного плана ООП магистерской подготовки «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

ОК-2, ОК-4, ОК-6, ПК-1, ПК-2, ПК-4, ПК-11, ПК-21, ПК-23, ВК-1, ВК-2, ВК-3

Основы томографии

ОК-2, ОК-4, ОК-6, ПК-2, ПК-4, ПК-9, ПК-21, ПК-23, ВК-1, ВК-2, ВК-3

Ядерно-физические методы в физике твердого тела

ОК-2, ОК-4, ОК-6, ПК-2, ПК-6, ПК-9, ПК-11, ПК-14

Вакуумная электроника в биологии и медицине

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-6, ПК-11, ПК-12, ПК-14

Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами

ОК-2, ОК-6, ПК-6,ПК-7, ПК-8, ПК-19, ПК-20, ВК-3, ВК-4

Обратные и некорректные задачи технической физики

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-6, ПК-8, ПК-9, ПК-21, ПК-22, ПК-23, ВК-3, ВК-4

Эффективные алгоритмы вычислительной математики

ОК-6, ПК-4, ПК-6, ПК-7, ПК-8, ПК-9, ПК-21, ВК-4

Математическое моделирование биологических объектов

ОК-1, ОК-6, ПК-9

Философские проблемы технической физики

ОК-2, ОК-4, ОК-6, ПК-2, ПК-4, ПК-9, ПК-11, ПК-21, ВК-1, ВК-2, ВК-3

Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии (учебное пособие)

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-4, ПК-9, ПК-21, ПК-23, ВК-3, ВК-4, ВК-5

Физические основы молекулярной электроники (учебное пособие)

 

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-4,  ПК-9, ПК-21, ПК-22, ПК-23, ВК-4, ВК-5

Физика и химия наноструктурированных материалов и биомолекулярных систем (учебное пособие)

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-4, ПК-9, ПК-21, ПК-22, ПК-23, ВК-1, ВК-4, ВК-5

Биомолекулярная электроника (учебное пособие)

ОК-2, ОК-4, ПК-2, ПК-6, ПК-12, ПК-14, ВК-5

Физика макромолекул (учебное пособие)

ОК-2, ОК-4, ПК-8, ПК-21, ПК-22, ВК-3, ВК-4

Атомно-молекулярная флуктуационная динамика (учебное пособие)

ОК-2, ОК-4, ОК-6, ПК-2, ПК-4, ПК-8, ПК-9, ПК-21, ВК-2, ВК-4, ВК-5

Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы (учебное пособие)

 

4.3. Аннотации разработанных рабочих программ учебных дисциплин

 

Основы томографии

 

Цель изучения «Основы томографии» – сформировать специалистов, способных разбираться в физической, естественнонаучной сущности проблем томографии, проводить их качественный и количественный анализ; готовых и способных применять методы томографии, а также методы математического анализа и моделирования реконструкции структуры объектов для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Основы томографии» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП:

 

– знание принципов и методов организации томографических экспериментов в рентгеновском, оптическом и радиочастотном диапазонах электромагнитных волн и в ультразвуковом диапазоне акустических колебаний;

– знание особенностей применения томографических методов для решения задач медицинской диагностики, физических и технологических задач, а также задач обработки информации;

– умение применять знания о математических основах реконструкции пространственной информации о структуре объекта по регистрируемым интегральным (спектральным и др.) характеристикам для решения типичных задач определения структуры объекта с использованием стандартного программного обеспечения.

 

Ядерно-физические методы в физике твердого тела

 

Цель изучения дисциплины «Ядерно-физические методы в физике твердого тела» – сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие, а также развивать и разрабатывать новые методы исследования твердых тел с использованием проникающего излучения.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Ядерно-физические методы в физике твердого тела» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание основных принципов взаимодействия различных типов проникающего излучения с твердыми телами и концепций использования этих излучений для получения информации о физических параметрах твердотельных объектов;

– знание и умение применять существующие аппаратные решения реализации методов исследования твердых тел с использованием проникающего излучения и способность выработки рекомендаций по модификации существующих решений в случае необходимости улучшения возможностей метода для решения специфических задач;

– умение выбирать наборы комплементарных ядерно-физических методов для решения физических проблем, связанных с микроструктурой и динамикой твердых тел;

– умение спланировать реализацию экспериментальных исследований для решения научно-технической проблемы с учетом ограничений по времени, человеческим и материально-техническим ресурсам;

– умение представить результаты эксперимента с использованием проникающего излучения в виде научно-технического отчета, а также в формате, соответствующем формату публикаций в ведущих научных журналах и докладов на конференциях различной степени специализации.

 

Вакуумная электроника в биологии и медицине

 

Целью преподавания дисциплины «Вакуумная электроника в биологии и медицине» является формирование у студентов фундаментальных знаний и практического опыта, обеспечивающих понимание сущности физических процессов и методов, составляющих вакуумную биомедицинскую электронику, принципов функционирования и возможностей научной аппаратуры, в том числе масс-спектрометрической, умение активно использовать эти знания для проведения самостоятельных исследований и разработок, направленных на решение задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Вакуумная электроника в биологии и медицине» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– умение самостоятельно выполнять критический анализ физических основ заданного исследования в области вакуумной биомедицинской электроники;

– 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;

– представление об актуальных задачах и перспективах развития  вакуумной биомедицинской электроники и масс-спектрометрии на основе использования достижений современной физики и технологии.

 

Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами

 

Цель изучения дисциплины «Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами» - сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять в профессиональной деятельности фундаментальные знания и практические навыки в области воздействия электромагнитного излучения на биологические системы, имеющих опыт самостоятельных исследований и разработок, направленных на решение задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий в области биомолекулярной электроники.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание основных понятий, закономерностей, методов описания и исследования физических процессов, протекающих при взаимодействии электромагнитного, в частности оптического, излучения с биомолекулярными системами;

– знание основных физических и математических моделей, адекватно описывающих процессы  распространения электромагнитного излучения в биомолекулярных средах;

– умение правильно выбирать методы решения конкретных задач биомолекулярной диагностики и предлагать наиболее оптимальные алгоритмы их реализации;

– 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.

 

Обратные и некорректные задачи технической физики

 

Цель изучения дисциплины «Обратные и некорректные задачи технической физики» – сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы  математической обработки экспериментальных данных, способных выбрать наилучший метод решения конкретной задачи и его оптимальную алгоритмическую реализацию, владеющих современными программными средствами обработки экспериментальных данных.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Обратные и некорректные задачи технической физики» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание теоретических основ методов решения обратных некорректных задач;

– знание теоретических основ алгоритмической реализации методов решения обратных некорректных задач, а также особенностей программирования этих методов;

– знание программных средств и языков программирования;

– умение выбрать наилучший метод решения и его оптимальную алгоритмическую реализацию для решения данной конкретной задачи;

– умение реализовать наилучший вариант последовательности всех действий, необходимых для решения конкретной задачи;

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

– владение современными программными средствами обработки экспериментальных данных;

– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые методы решения обратных задач из различных профессиональных областей;

– умение самостоятельно создавать теоретическую основу программных средств обработки экспериментальных данных а, в ряде случаев, и сами эти программные средства.

 

Эффективные алгоритмы вычислительной математики

 

Цель изучения дисциплины «Эффективные алгоритмы вычислительной математики» - сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы математической обработки экспериментальных данных и математического моделирования физических процессов.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Эффективные алгоритмы вычислительной математики» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание теоретических основ работы эффективных вычислительных алгоритмов;

– знание особенностей программирования этих алгоритмов;

– знание программных средств и языков программирования;

– умение выбрать наилучшие алгоритмическую реализацию и вариант последовательности всех действий, необходимых для решения данной конкретной задачи;

– владение современными программными средствами обработки экспериментальных данных;

– умение критически оценивать возможности этих средств с точки зрения извлечения полезной физической информации из данных физических экспериментов, а также оптимальности составляемых при помощи этих средств математических моделей;

– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые эффективные алгоритмы решения задач из различных профессиональных областей;

– умение самостоятельно создавать программные средства, необходимые для решения конкретных прикладных задач.

 

Математическое моделирование биологических объектов

 

Цель изучения дисциплины «Математическое моделирование биологических объектов» – сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы компьютерного моделирования для построения математических моделей объектов технической физики, в частности, биологических объектов и процессов, способных грамотно использовать стандартные и специально разработанные численные методы и  программные средства, а также обоснованно выбирать математическую модель, описывающую поведение исследуемых биомолекулярных систем.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Математическое моделирование биологических объектов» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

–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;

– владение методами математического моделирования объектов технической физики.

 

4.4. Аннотации разработанных рабочих программ учебных дисциплин и учебных пособий

Представлены новые учебные дисциплины (всего семь), которые обеспечены разработанными учебными пособиями.

 

Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии

 

Цель изучения дисциплины «Исследования биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии» – сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы сканирующей зондовой микроскопии для изучения биомолекулярных систем, способных грамотно подбирать параметры и режимы работы зондовых микроскопов для исследования биологических объектов, а также обоснованно выбирать математическую модель, описывающую поведение объектов исследования, на основе полученных методами зондовой микроскопии экспериментальных данных.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Исследования биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) указаны в таблице 4.4

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Исследования биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии»и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание физических основ сканирующей зондовой микроскопии, устройства и принципов работы сканирующих 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;

– знание современных тенденций в развитии методов сканирующей зондовой микроскопии и инновационных результатов научных исследований, полученных с применением методов сканирующей зондовой микроскопии;

– умение грамотно интерпретировать и представлять специалистам и неспециалистам результаты исследования биообъектов методами сканирующей зондовой микроскопии;

– 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;

– владение математическим аппаратом, используемым для обработки и анализа экспериментальных данных сканирующей зондовой микроскопии;

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

 

Результаты обучения дисциплины  могут быть обеспечены при освоении  следующих разделов дисциплин

 

Таблица 4.5

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

 

Зондовые методы в исследовании биомолекулярных систем

 

0

1

2

1.

1. Устройство и принцип работы сканирующего зондового микроскопа

 

1.1. Принцип работы сканирующего зондового микроскопа.

0

2

2

 

1.2. Основные элементы сканирующего зондового микроскопа.

0

0

2

 

1.3. Методы защиты сканирующих зондовых микроскопов от внешних вибраций.

0

0

2

2.

2. Сканирующая туннельная микроскопия

 

2.1. Физические основы работы и устройство сканирующего туннельного микроскопа

0

2

2

 

2.2. Сканирующая туннельная спектроскопия

0

1

2

3.

3. атомно-силовая микроскопия

 

3.1. Физические основы работы и устройство сканирующего атомно-силового микроскопа

0

2

2

 

3.2. Контактные методики атомно-силовой микроскопии

0

0

2

 

3.3. Исследование механических свойств и структуры биообъектов с помощью контактной атомно-силовой микроскопии

0

1

4

 

3.4. Колебательные методики атомно-силовой микроскопии

0

0

2

 

3.5. Исследование магнитных свойств материалов с помощью магнитно-силовой микроскопии

0

2

2

 

3.6. Исследование электрических свойств материалов с помощью электросиловой микроскопии. Применение методик электросиловой микроскопии для исследования биообъектов.

0

2

2

4.

4. сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия

 

4.1. Физические основы работы сканирующего ближнепольного оптического микроскопа

0

2

2

 

4.2. Устройство и режимы работы сканирующего ближнепольного оптического микроскопа

0

0

2

5.

5. Математическая обработка и визуализация данных сканирующей зондовой микроскопии

 

5.1. Математическая обработка и визуализация данных сканирующей зондовой микроскопии

0

2

4

6.

6. Сканирующая зондовая микроскопия в различных средах

 

6.1. Сканирующая зондовая микроскопия в различных средах

0

1

2

 

Итого по видам учебной работы:

0

18

36

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

0

18/0.5

36/1

 

 

 

Аннотация учебного пособия авторов Андреевой Н.В., Габдуллина П.Г. «Исследования биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии»

 

Учебное пособие «Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии» предназначено для студентов, обучающихся по специальности 223200.68 «Техническая физика» по программе 223200.68.04 «Физика и диагностика биомолекулярных систем». Пособие содержит разделы, которые могут быть интересны для специалистов в области зондовой микроскопии.

 

Учебное пособие состоит из двенадцати разделов, в которых подробно описаны основы работы сканирующих туннельного и атомно-силового микроскопов, а также особенности использования методик сканирующей зондовой микроскопии для исследования биомолекулярных систем.

 

Первый раздел пособия посвящен описанию основных принципов работы сканирующего зондового микроскопа. В разделе рассмотрены вопросы разрещающей способности, методов получения и формирования изображения в сканирующем зондовом микроскопе.

 

Во втором разделе пособия приводятся основные сведения по принципам работы и конструкции сканирующих элементов зондовых микроскопов. Подробно разобраны основные конструкции сканеров зондовых микроскопов: пьезотрубки и пьезостэка.

 

В третьем разделе пособия описаны некоторые методы обработки изображения в процессе сканирования.

Четвертый раздел пособия посвящен разбору физических основ работы сканирующего туннельного микроскопа. В разделе дается описание режимов работы туннельного микроскопа, рассматривается технология получения зондов для туннельной микроскопии, разбираются вопросы по работе микроскопа в режимах исследования локальной работы выхода и сканирующей туннельной спектроскопии. Приводятся данные по применению сканирующей туннельной микроскопии для атомной инженерии, локального окисления и локального химического осаждения.

 

В пятом разделе излагаются физические основы работы атомно-силового микроскопа.

 

Шестой раздел учебного пособия посвящен рассмотрению основных закономерностей силового взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью.

В седьмом разделе даны сведения по конструкции оптической системы регистрации положения зонда атомно-силового микроскопа, разобраны основные источники шумов системы оптической регистрации, влияющие на чувствительность и разрешение метода.

 

Вопросы организации системы обратной связи в атомно-силовом микроскопе рассматриваются в восьмом разделе учебного пособия. Разбирается работа пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора системы обратной связи атомно-силового микроскопа, приводится описание систем с открытой и закрытой петлей обратной связи.

 

В девятом разделе подробно рассмотрены основные режимы работы сканирующего атомно-силового микроскопа: контактные квазистатические и динамические методы сканирования. Приводится описание основных факторов, влияющих на разрешение микроскопа в различных режимах сканирования, разбираются условия получения атомарного разрешения по методикам атомно-силовой микроскопии, анализируются возможности и ограничения динамических режимов работы - модуляции амплитуды и частоты.

 

Десятый раздел пособия посвящен высокоскоростным системам атомно-силовой микроскопии для биологических исследований. Рассматриваются особенности организации системы обратной связи, оптической системы регистрации положения зонда. Даются основные сведения по специфике детектирования амплитуды зондовых датчиков и работе высокоскоростных сканирующих элементов. Отдельный подраздел посвящен вопросам выбора зондовых датчиков для высокоскоростных атомно-силовых микроскопов. Подробно разбираются основные требования к высокоскоростным системам для биомолекулярных исследований, приводятся примеры их применения для исследования биологических объектов.

 

В одинадцатом разделе описывается работа атомно-силового микроскопа в режиме силовой микроскопии пьезоотклика. Помимо физических основ метода и организации методики измерений, в разделе пособия детально рассматриваются возможности использования силовой микроскопии пьезоотклика для исследования биомолекулярных процессов на примерах изучения пьезоэлектрических свойств биополимеров и электромеханического отклика в биологических системах. В разделе даются основные сведения по организации спектроскопических измерений в режиме силовой микроскопии пьезоотклика.

 

Двенадцатый раздел содержит информацию по основам проведения трибологических исследований посредством атомно-силовой микроскопии. Отдельными подразделами выделены особенности организации измерений на уровнях микро- и нанотрибологии. В подразделе, посвященном микротрибологическим исследованиям, рассматриваются вопросы, связанные с измерением нормальных и латеральных сил в режиме атомно-силовой микроскопии. Приводятся разбор задачи Герца и ее применение при измерениях жесткости биологических образцов. Подробно описывается метод индентирования для локальных исследований жесткости и адгезионных свойств биообъектов. В отдельном подразделе подробно разбираются вопросы нанотрибологических исследований и возможность получения атомарного контраста методами атомно-силовой микроскопии.

 

Библиография содержит 96 источников литературы, в том числе ссылки на сайты разработчиков оборудования для сканирующей зондовой микроскопии.

Учебное пособие «Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии» может быть рекомендовано в качестве основного источника литературы при изучении дисциплины «Исследование биомолекулярных систем методами зондовой микроскопии».

 

Физические основы молекулярной электроники


Цель изучения дисциплины «Физические основы молекулярной электроники» – сформировать у обучающихся перечисленные ниже компетенции, основанные на усвоении современных представлений о физических и химических свойствах различных молекулярных материалов, знать и понимать особенности электронного строения этих материалов. В целом, курс направлен на приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков в области физики молекулярных твердых тел и воспитании высококвалифицированных и конкурентоспособных специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы и модели при решении задач профессиональной области.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Физические основы молекулярной электроники» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) указаны в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Физические основы молекулярной электроники» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание физико-химических процессов, протекающих в различных молекулярных материалах и их структурные особенности;

– знание размерных зависимостей электрических, магнитных, тепловых, химических, механических и оптических свойств молекулярных материалов;

– знание основных структурных элементов молекулярных систем, основных физических и химических процессов, протекающих в них, знание основных принципов, которым подчиняется формирование молекулярных систем;

– умение выполнять расчеты основных свойств молекулярных материалов;

– умение обоснованно выбирать методы изучения молекулярных материалов;

– умение использовать стандарты и другие нормативные документы при оценке контроля качества изделий молекулярной электроники;

– пользоваться общенаучной и специальной литературой;

– умения по анализу разнообразных молекулярных материалов для научно обоснованного выбора соответствующего материала, наиболее подходящего для решения конкретной задачи;

– умения по исследованию молекулярных материалов с использованием сканирующего туннельного, атомно-силового и электронного просвечивающих микроскопов;

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

Результаты обучения дисциплины  могут быть обеспечены при освоении  следующих разделов дисциплин.

 

Таблица 4.6

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

0.

0. Введение

0,5

0

0

1.

1. Структура и свойства молекул органических соединений

 

1.1. Электронное строение молекул

1

1

2

 

1.2. Химические связи в молекулах органических соединений

1

1

2

 

1.3. Фуллерены и нанотрубки

0

2

2

 

1.4. Макромолекулы полимеров

0

2

2

 

1.5. Поляризуемость молекул

0

2

2

2.

2. Особенности строения, структуры и свойств молекулярных твердых тел

 

2.1 Типы межмолекулярного взаимодействия

0,5

2

2

 

2.2. Органические молекулярные кристаллы

1,5

2

2

 

2.3. Молекулярная организация и морфология полимеров

0,5

2

2

 

2.4. Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в органических молекулярных телах

0,5

2

1

 

2.5. Прыжковый механизм переноса заряда

2

0

3

3.

3. Материалы молекулярной электроники

 

3.1 Фуллерит

0

1

2

 

3.2 Ленгмюровские пленки

0,5

1

2

 

3.3 Жидкие кристаллы

0,5

1

2

 

3.4 Полимерные материалы

0,5

1

2

4.

4. Элементная база молекулярной электроники

 

4.1. Органические полевые транзисторы

0

2

2

 

4.2. Органические светоизлучающие диоды

0

2

2

 

4.3. Органические солнечные элементы

0

2

2

 

4.4. Полимерные запоминающие устройства

0

1

2

 

Всего

9

27/1

36/1

 

Аннотация учебного пособия Сударя Н.Т. «Физические основы молекулярно электроники»

 

Учебное пособие посвящено описанию структуры и свойства молекул органических соединений, строению и свойств молекулярных твердых тел, а также обсуждению особенностей физических и химических свойств материалов молекулярной электроники.

 

Материал рукописи соответствует подготовке магистров направления 223200 - "Техническая физика",  210100 «Электроника и наноэлектроника», «Материаловедение и технологии материалов», дипломированных специалистов по специальности 210104 - "Микроэлектроника и твердотельная электроника" и 210602 – «Наноматериалы», а также и аннотациям дисциплин «Физика и диагностика биомолекулярных систем», «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов», «Физические основы молекулярной электроники».

 

По характеру изложения данное пособие предполагает знакомство читателя с квантовой механикой, статистической физикой и физикой твердого тела в объеме программ подготовки бакалавров по направлениям «техническая физика» и «электроника и микроэлектроника».

 

До сих пор в отечественной учебной литературе отсутствует издание, в котором в достаточной степени полно и последовательно были бы изложены физические основы молекулярной электроники. Настоящее учебное пособие имеет целью хотя бы частично восполнить этот пробел. Предполагается, что оно может быть использовано как основное учебное пособие к лекционному курсу «Физические основы молекулярной электроники», читаемому автором на радиофизическом факультете СПбГПУ студентам магистерских направлений «Техническая физика» и «Электроника и микроэлектроника».

Учебное пособие состоит из введения и четырех глав.

 

Во введении раскрывается история возникновения, развития, современный статус и перспективы молекулярной электроники. Отмечается, что в последнее время, когда стали практически ощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной идеологии построения базовых элементов электроники перешел в русло активных и целенаправленных исследований, которые стали сегодня одним из важнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники. Акцентируется внимание на том, что молекулярная электроника представляет собой междисциплинарную область, включающую физику, химию, микроэлектронику, компьютерную науку, и ставившую своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу — молекулярные электронные устройства.

 

В первой главе пособия основное внимание концентрируется на описании особенностей структуры и свойств органических молекул. Рассматриваются особенности химических связей в молекулах органических соединений, структура и физические свойства органических молекул. Обращается внимание на необходимость соблюдения терминологии, даны основные определения и термины.

 

Вторая глава посвящена детальному рассмотрению физических явлений в молекулярных твердых телах. В ней изложены основные представления о процессах поляризационного взаимодействия избыточных носителей заряда в этих веществах с локальным окружением. Обсуждаются условия локализации и делокализации носителей заряда. Показано, что характерная для молекулярных материалов электронная структура (наличие слабых сил межмолекулярного взаимодействия) обуславливает сильно выраженную тенденцию к локализации носителей заряда на молекулах. Обосновывается невозможность использования зонной теории твердого тела при описании процессов токопереноса в молекулярных телах. Рассматриваются методологические основы определения величин оптической и адиабатической энергетических щелей, а также соответствующих уровней электронного и молекулярного поляронов. Обсуждается связь структуры с электрическими и оптическими свойствами, особенности поведения молекулярных твердых тел в электрических полях. Излагаются основные представления прыжковой теории проводимости.

 

В третьей главе рассматриваются структура и свойства конкретных материалов (полимеров, жидких кристаллов, лэнгмюровских пленок, фуллерита), представляющих интерес для молекулярной электроники.

В четвертой главе обсуждаются физические принципы действия, конструкции и основы технологии изготовления основных активных компонент молекулярной электроники — органических полевых транзисторов, светодиодов, фотоэлементов и полимерных запоминающих устройств.

 

В конце каждой из глав сформулированы вопросы для самопроверки читателя.

В списке литературы (список библиографических наименований насчитывает 31 ссылку) приведены монографии, учебники и учебные пособия, а также основные обзорные публикации, в которых читатель может найти более полную информацию по различным вопросам молекулярной электроники.

 

Физика макромолекул

 

Цель изучения дисциплины «Физика макромолекул» — сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять статистическую физику макромолекул и кинетическую теорию к анализу релаксационных свойств макромолекулярных систем, способных обоснованно  выбирать полимерные материалы для применения в устройствах биомолекулярной и органической электроники, грамотно обосновывать использование физических свойств макромолекулярных систем как базиса диагностических методов в науке, технике и медицине.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Физика и химия биомолекулярных система и наноструктурированных материалов» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) указаны в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Физика макромолекул» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

-знание фундаментальных основ связи химического строения и структуры высокомолекулярных соединений с их физическими свойствами; химического строения и классификация высокомолекулярных соединений; конформационных свойств макромолекул, в том числе биологических; физических состояний и основных физических свойств отдельных макромолекул и их агрегатов;

– знание современных тенденций в развитии физики макромолекул и особенностей их применения для создания и диагностики биомолекулярных систем;

– умение грамотно интерпретировать и представлять специалистам и неспециалистам результаты исследования макромолекулярных, в том числе биологических, объектов современными физическими методами;

– умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новую информацию, исследовательские методики и прикладные разработки  в области науки о макромолекулах;

– опыт самостоятельного выбора макро- и биомолекулярных материалов для применения в различных устройствах диагностики, молекулярной и органической электроники.

Вклад дисциплины в формирование результатов обучения выпускника (компетенций) и достижение обобщённых результатов обучения (описаны в разделе 1) происходит путём освоения содержания обучения и достижения частных результатов обучения.

 

 

Таблица 4.7

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля[1]

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

0

Введение

1

0

1

1

Химическое строение макромолекул

 

1.1.Особенности химического строения полимеров

1

1

1

 

1.2.Классификация полимеров

0

0

1

 

1.3.Методы синтеза высокомолекулярных соединений

0

1

1

2

Внутреннее вращение и гибкость макромолекул

 

2.1. Внутреннее вращение в молекулах

1

0

1

 

2.2.Конфигурация и конформация молекул

1

1

1

 

2.3. Размер полимерного клубка

1

1

1

 

2.4. Персистентная длина и эффективный сегмент

1

0

1

 

2.5.Статистика конформаций свободно-сочлененной цепи

1

1

1

 

2.6. Факторы, определяющие гибкость цепи макромолекулы

0

1

2

3

Строение и конформации биологических макромолекул

 

3.1.Особенности химического строения биополимеров

1

1

2

 

3.2.Основные типы нековалентных взаимодействий в биомолекулах

0

1

1

 

3.3. Пространственная структура биомакромолекул

1

0

1

4

Растворы высокомолекулярных соединений и конформационные состояния макромолекул

 

4.1. Плотность полимерного клубка и концентрационные состояния полимерного раствора

1

0

1

 

4.2. Проблема исключенного объема

1

1

1

 

4.3. Теории растворов полимеров

0

2

4

 

4.4.Фазовые равновесия в растворах полимеров

1

1

1

 

Контрольная работа в тестовой форме по разделам 1, 2, 3, 4.

0

1

2

5

Физические состояния полимеров

 

5.1. Агрегатные и фазовые состояния полимеров

1

0

2

 

5.2. Кристаллическое состояние полимеров

1

1

1

 

5.3. Стеклообразное состояние полимеров

1

1

1

 

5.4. Надмолекулярные структуры в полимерах

0

0

2

6

Высокоэластическое состояние полимеров. Кинетика высокоэластической деформации

 

6.1.Деформационные и термодинамические свойства полимеров в высокоэластическом состоянии

1

1

2

 

6.2.Энтропийная упругость полимерной цепи и полимерной сетки

1

1

2

 

6.3. Кинетика высокоэластической деформации полимеров

1

1

2

 

 

 

 

 

 

Итого по видам учебной работы:

18

18

36

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

18/0,5

18/0,5

36/1

 

 

 

Аннотация учебного пособия Капраловой В.М. «Физика макромолекул»

 

Учебное пособие освещает современные сведения о строении и свойствах высокомолекулярных соединений, элементы статистической физики макромолекул, дает информацию о теориях растворов полимеров, а также о фазовых и агрегатных состояниях полимерных веществ.

 

Материал рукописи соответствует подготовке магистров направления 223200 –"Техническая физика",  210100 «Электроника и наноэлектроника».

 

Физика макромолекул, оформившаяся как самостоятельная наука в конце 30-х – начале 40-х годов XX века, является частью одного из наиболее быстро развивающихся направлений современной физики — так называемой физики мягкой материи (soft matter), являющейся основой нанотехнологий биологических и полимерных систем. Исследование организации материи на наноуровне в таких системах представляет значительный интерес, так как позволяет решать не только прикладные технологические задачи, но и фундаментальные и мировоззренческие проблемы. Биомолекулярные системы, которые состоят в основном из полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), выполняют разнообразные сложные функции, обладают способностью к самоорганизации, их строение воспроизводится при многократном биосинтезе с идеальной точностью. Все это делает биомакромолекулы идеальным решением проблемы нанотехнологий мягкой материи, которое предоставлено человечеству живой природой. Пока не представляется возможным полностью воспроизвести уникальные свойства этих объектов, но значительные успехи в создании наноустройств на основе синтетических и природных полимеров уже достигнуты.

 

К высокомолекулярным принято относить соединения с молекулярной массой свыше 5000, молекулы которых (называемые макромолекулами) состоят из большого числа одинаковых атомных группировок — повторяющихся звеньев, последовательно соединенных в цепь. Цепное строение макромолекул полимеров является их важнейшей особенностью, которая определяет наличие у полимеров ряда химических и физических свойств, принципиально отличных от свойств низкомолекулярных соединений.

 

Цепное строение макромолекул делает существенными по величине силы межмолекулярного взаимодействия в полимерных телах, что придает полимерам волокно- и пленкообразующие свойства. Наряду с гибкостью макромолекул цепное строение обусловливает специфическое свойство полимеров — эластичность. Цепное строение и большие размеры макромолекул являются причиной существования стадии набухания, предшествующей образованию полимерного раствора, а также больших значений вязкости растворов полимеров по сравнению с растворами низкомолекулярных соединений. Химические реакции полимеров также имеют ряд особенностей. Все это дает возможность рассматривать полимерное состояние как особое состояние вещества.

 

Полимеры имеют огромное значение для цивилизации, поскольку они необыкновенно широко распространены. Многие синтетические материалы (пластики, волокна, пленки, лаки, краски…) и все живые организмы состоят из макромолекул. Клетка функционирует за счет функционирования в ней биомакромолекул. Но, несмотря на огромное разнообразие свойств и функций высокомолекулярных соединений, их физические свойства определяются тремя главными факторами. Во-первых, это уже упомянутое цепное строение их молекул. Цепное строение означает отсутствие полной свободы трансляционного движения, поэтому полимерная система имеет пониженную энтропию. Низкая энтропия приводит к тому, что даже небольшое энергетическое воздействие вызывает упорядочение системы, а это делает макромолекулы способными к самоорганизации и, следовательно, к возможности существования живой материи. Во-вторых, большое число звеньев в цепях приводит к появлению специфических «полимерных» свойств (высокоэластичность, набухание при растворении, волокно- и пленкообразование). Число звеньев, кроме того, является большим параметром и наряду с малым параметром — отношением энергии межмолекулярного взаимодействия отдельного звена к энергии связи звеньев в цепи —  делает возможным удобное теоретическое описание полимеров, что, разумеется, немаловажно для прогнозирования свойств макромолекулярных систем. И в-третьих, полимерные цепи обладают гибкостью и, следовательно, могут принимать самые различные пространственные формы, обусловливающие разнообразие функций.

 

Важно, что макромолекулярные объекты принципиально наноразмерны. Так, клубки и глобулы большинства синтетических и биологических полимеров — типичные нанообъекты, имеющие характерные размеры порядка 100 и 10 нм соответственно. Многие надмолекулярные структуры в полимерах также наноразмерны. Единственный полимерный объект, выходящий за пределы наномира — молекула ДНК, размер нативной глобулы которой порядка 0,5 мкм, а денатурированной — около 10 мкм.

 

Естественно, что  область применения полимеров постоянно расширяется. С 1930-х гг. полимерные материалы применялись как основа для конструкционных материалов разнообразного назначения, волокон и пленок, электрической изоляции, лаков и клеев. Примерно с 1980 г. появились и непрерывно развивались функциональные полимерные  материалы: суперадсорбенты, материалы молекулярной электроники, носители информации, оптические материалы, медицинские материалы и т.д. Наконец, с 2000 г. продолжается этап «умных» (smart) полимеров, способных выполнять различные функции в различных условиях.

 

Для успешной работы по созданию и применению полимерных материалов в новых областях, в том числе разработке физических основ и принципов молекулярной электроники, для целей диагностики биомолекулярных систем необходимы глубокие фундаментальные знания по химии и физике высокомолекулярных соединений. Без таких знаний невозможно успешное освоение не только химии, физической химии и физики полимеров, но и смежных дисциплин, таких, как биологическая химия, биофизика, физические основы молекулярной электроники, материалы медицинской техники и других. Поэтому в учебное пособие «Физика макромолекул» включены современные сведения о строении и свойствах высокомолекулярных соединений, элементы статистической физики макромолекул, информация о теориях растворов полимеров, а также о фазовых и агрегатных состояниях полимерных веществ.

 

Пособие содержит 6 разделов: химическое строение макромолекул,  внутреннее вращение и гибкость макромолекул, строение и конформации биологических макромолекул, растворы высокомолекулярных соединений и конформационные состояния макромолекул, физические состояния полимеров, высокоэластическое состояние полимеров и кинетика высокоэластической деформации. Последовательно рассматриваются общие закономерности строения макромолекул, основные факторы, определяющие специфику полимерного состояния вещества, свойства изолированных макромолекул, а также их агрегатов.

 

Пособие не претендует на исчерпывающую полноту по всем вопросам физики высокомолекулярных соединений, а включает те разделы, без усвоения которых, по мнению автора, невозможно успешно работать в областях физики, диагностики и технологии биомолекулярных систем, создания новой элементной базы медицинской техники и биомолекулярной электроники.

 

Физика и химия наноструктурированных материалов и биомолекулярных систем

 

Цель изучения дисциплины «Физика и химия наноструктурированных материалов  и биомолекулярных систем»– сформировать у обучающихся перечисленные ниже компетенции, основанные на усвоении современных представлений о физических, химических и биологических свойствах различных биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов, а также показать возможности использования принципов функционирования биологических наноструктур (макромолекул, генов, клеток) в современных нанобиотехнологиях; сформировать высококвалифицированных и конкурентоспособных специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые методы и модели при решении задач профессиональной области.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Физика и химия биомолекулярных система и наноструктурированных материалов» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) указаны в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Физика и химия биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– знание физико-химических процессов, протекающих в различных наноматериалах, их структурные особенности;

– знание размерных зависимостей электрических, магнитных, тепловых, химических, механических и оптических свойств наообъектов и наноструктурированных материалов;

– знание основных структурных элементов биомолекулярных систем, основных физических и химических процессов, протекающих в них, знание основных принципов, которым подчиняется формирование биомолекулярных систем.

– умение выполнять расчеты основных свойств наноматериалов;

– умение обоснованно выбирать методы изучения наноматериалов и биомолекулярных объектов;

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

– пользоваться общенаучной и специальной литературой;

– учебные умения по анализу разнообразных наноматериалов для научно обоснованного выбора соответствующего нанообъекта, наиболее подходящего для решения конкретной задачи;

– учебные умения по исследованию наноструктурированных материалов с использованием сканирующего туннельного, атомно-силового и электронного просвечивающих микроскопов.

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

 

Таблица 4.8

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

0.

0. Введение

0,5

0

0

1.

1. Историческая справка, основные понятия и терминология

 

1.1. История развития физики нанотехнологий

0,5

0

0

 

1.2. Основные понятия и терминология в области наномасштабирования

2.

2. Относительная роль физических и химических связей и

взаимодействий применительно к био- и нанообъектам

 

2.1 Примеры доминирующих сил в наномире

2

2

1

 

2.2. Природа сил притяжения и отталкивания

 

2.3. Силы Ван–дер–Ваальса

 

2.4. Водородная связь

 

2.5. Силы Казимира

3.

3. Биомолекулярные системы: основные представления и понятия

 

3.1 Биомимметрический принцип

2

2

1

 

3.2 Клетка – основной структурный элемент живых молекулярных систем

 

3.3 Биологические строительные блоки

 

3.4 Биологические наноструктуры

4.

4. Особые физические и химические свойства наноструктурированных материалов. Зависимость свойств от размера частиц

 

4.1. Классификации нанообъектов

2

4

1

 

4.2. Особые свойства нанообъектов, обусловленные соизмеримостью их размеров и характерной длины физических свойств

 

4.3. Особые свойства нанообъектов, обусловленные огромной поверхностной энергией

 

4.4. Поверхности и геометрические размеры нанокристаллов

 

4.5. Поверхность и геометрические размеры нанообъектов

5.

5. Идеальная и реальная структуры наноразмерных материалов

 

5.1. Структурные и электронные магические числа

2

2

1

 

5.2. Зависимость периода решетки от размеров наноматериала

 

5.3. Дефекты кристаллической решетки наноматериалов

6.

6. Поверхностные явления и межфазные процессы

 

6.1. Величина поверхностной энергии

2

2

1

 

6.2. Границы зерен в наноструктурированных материалах

 

6.3. Поверхностное натяжение. Краевой угол и сцепление с поверхностью

 

Контрольная работа по разделам 1, 2, 4 – 6

0

2

2

7.

7. Физико-химические основы формирования наноструктурированных материалов

 

7.1. Формирования наноструктур по механизму «снизу – вверх»

1

0

0

 

7.2. Формирования наноструктур по механизму «сверху – вниз»

8.

8. Термодинамика явлений в наносистемах. Квазиравновесие в наносистемах

 

8.1. Основные термодинамические соотношения для наносред

2

2

1

 

8.2. Фазовые равновесия в наноразмерных системах

 

8.3. Изменение параметров фазового перехода I рода «твердое тело – жидкость» в наноматериалах

9.

9. Кинетика процессов в наносистемах

 

9.1. Зависимость параметров химической кинетики от размеров

2

2

1

 

9.2. Кинетика бимолекулярной химической реакции

 

9.3. Термодинамический подход к описанию влияния размерных факторов на сдвиг химического равновесия

 

9.4. Процессы окисления

 

9.5. Катализ

10.

10. Электронное строение наночастиц. Поведение электронной подсистемы в наноматериалах

 

10.1. Квантово-размерные эффекты в металлах, полупроводниках и диэлектриках

2

2

1

 

10.2. Зонная структура металлов и диэлектриков. Функция плотности состояний

 

10.3. Проявление особенностей электронной структуры низкоразмерных структур

11.

11. Физические и химические свойства неорганических аморфных наноструктур, неорганических композиционных материалов

 

11.1. Разупорядоченные твердотельные структуры

0

2

1

 

11.2. Природа стеклообразного состояния вещества

0

2

1

 

11.3. Наноструктурированные кристаллы. Кристаллы, построенные из упорядоченного массива наночастиц

0

2

1

 

Контрольная работа по разделам 7 – 9, 11

0

2

2

12.

12..Биомолекулярные системы растительного мира и проблемы их криосохранения (криопрезервации)  Молекулярные и супрамолекулярные системы, нанороботы, наномашины

 

12.1 Биомолекулярные системы растительного мира и проблемы их криосохранения (криопрезервации) 

0

4

1

 

12.2Молекулярные и супрамолекулярные системы

0

2

1

 

12.3 Нанороботы, наномашины

0

2

1

 

Итого по видам учебной работы:

18

36

18

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

18/0.5

36/1

18/0.5

 

 

 

Аннотация учебного пособия авторов Бочаровой Т.В., Власовой А.Н. «Физика и химия наноструктурированных материалов и биомолекулярных систем»

 

Учебное пособие «Физика и химия наноструктурированных материалов и биомолекулярных систем» предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по магистерской программе «Физика и диагностика биомолекулярных систем» направления подготовки магистров «Техническая физика» при изучении дисциплин «Физика и химия биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов», «Специальные вопросы физики твердого тела». Пособие может быть также использовано при обучении в системах повышения квалификации, в учреждениях дополнительного профессионального образования и пр.

 

В учебном пособии излагаются особенности биологических наносистем, термодинамических свойств, химической кинетики и термодинамики поверхностных явлений наночастиц и наноструктурированных материалов, обобщены современные представления о строении биомолекулярных систем, электрических, механических, оптических и химических свойствах различных композиционных материалов. Большое внимание уделяется относительной роли химических связей и взаимодействий применительно к нанообъектам. Проводится сравнительный анализ кристаллических структур макро- и наноматериалов. Предлагаются методики оценок влияния структурных особенностей нанообъектов на их свойства. Излагается инновационный подход к описанию особых физических и химических свойств наноструктурированных материалов. 

 

Учебное пособие позволяет создать представления о строении биомолекулярных систем, в состав которых входят такие биологические нанообъекты как ДНК и РНК, их основных особенностей и углубленного изучения физико-химических характеристик наноструктурированных материалов, на основе термодинамического подхода. Пособие имеет своей целью получение студентами знаний о тех особенностях биологических наноструктур, их принципах конструирования, которые выявляют особые физические и химические свойства различных наноматериалов, от наночастиц до неорганических композиционных материалов, стеклообразных органических и неорганических наноструктур. Нельзя не отметить междисциплинарную природу области исследований в рамках наномасштаба, это указывает на сложность понимания и использования исследователями в одном из разделов нанонауки результатов, полученных в другом ее разделе. Таким образом, чрезвычайно важно иметь руководство, которое позволило бы перенести представления о строении и принципах сборки биомолекулярных систем на наноструктурированные материалы. Также следует отметить, что в пособии подробно освещены основные разделы классической физической химии, это связано с тем, что содержание этих разделов применительно к нанообъектам коренным образом меняется. Такие важнейшие особенности нанообъектов, как соизмеримость доли поверхностных и объемных атомов, составляющих частицу, и, следовательно, поверхностной и объемной компонент свободных энергий Гиббса и Гельмгольца, а также близкие значения характерных параметров физических свойств и линейных размеров наночастиц обуславливает их особые физические, химические и биологические свойства. Описание этих свойств требует модификации аппарата термодинамики с привлечением разделов физики твердого тела и полупроводников. Понятно, что такая работа может быть полезна студенту только в том случае, если он уже освоил материал курсов дисциплин «Физическая химия», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Физика твердого тела и полупроводников», «Физика конденсированного состояния».

 

Следует отметить, что структура учебного пособия отклоняется от структуры пособий и монографий, освещающих основы физической химии макрообъектов. Особенности  построения данного учебного пособия заключаются в следующем. Раздел 1 является вводным, он знакомит студента с историей открытия мира нанообъектов, терминологией и классификацией наночастиц и наноструктурированных материалов. Раздел 2 посвящен, в целом, известному материалу ― природе химической связи с тем лишь отличием, что основные акценты делаются на тех типах взаимодействий, которые доминируют в области наномасштаба. Причины особых физических и химических свойств биомолекулярных систем, наночастиц и наноструктурированных материалов с точки зрения наномасштабирования, зависимость свойств от размера частиц изложены в разделе 3. В разделах 4 и 5 освещаются структурные аспекты нанообъектов с концентрацией на отличиях привычных понятий в макромире: кристаллическая структура, дефект, межзеренные границы, поверхность от их наполнения при рассмотрении объектов наномасштаба. Термодинамические основы зародышеобразования, фазовые равновесия и превращения освещены в разделах 6 и 7. Изменению законов кинетики различных реакций на наноуровне по сравнению с их формулировкой для объемных материалов и биологических систем уделено внимание в разделе 8. Глава 9 кратко освещает электронные свойства. В следующем разделе 10 изложены основы строения клетки ― основного структурного элемента, из которого выстраиваются строительные блоки и биологические наноструктуры. Таким образом, физические принципы, рассмотренные в главах 1―3, переносятся на биологические системы с учетом особенностей живых организмов. С другой стороны, глава 10 создает предпосылки перенесения принципов конструирования биологических наномолекул в физику наноструктурированных материалов.  Наконец, раздел 11, заключительный, содержит материал, посвященный многообразию проявления свойств разупорядоченных твердотельных структур, стеклообразных неорганических и органических наноструктур, а также фотонных кристаллов, как ярчайшего примера того, как свойства представителей животного мира были реализованы при изготовлении искусственных наноструктур, в нем приведены экспериментальные результаты, полученные в научных лабораториях всего мира, при изучении разупорядоченных твердотельных структур. Библиографический список насчитывает 30 наименований. С целью более глубокого усвоения материала дисциплины «Физика и химия биомолекулярных систем и наноструктурированных материалов» студенту предлагаются задачи для практического закрепления изложенного материала. Все необходимые для вычисления математические выкладки и табличные данные приведены в данном учебном пособии.


Биомолекулярная электроника

 

Цель изучения дисциплины «Биомолекулярная электроника»

Целью изучения дисциплины «Биомолекулярная электроника» является формирование у студентов фундаментальных знаний и практического опыта, обеспечивающих понимание сущности физических процессов и методов, принципов аппаратуры, составляющих биомолекулярную электронику, умение активно использовать эти знания для проведения самостоятельных исследований и разработок, направленных на решение задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий.

 

Результаты обучения (компетенции) компетенции выпускника ООП на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Биомолекулярная электроника» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) указаны в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Биомолекулярная электроника» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

– умение самостоятельно выполнять критический анализ физических основ заданного исследования в области биомолекулярной электроники;

– умение самостоятельно выбирать (строить) адекватный план реализации требуемых физических процессов для целей заданного исследования в области биомолекулярной электроники;

– 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 биомолекулярной электроники;

– представление об актуальных задачах и перспективах развития  биомолекулярной электроники на основе использования достижений современной физики и технологии

Результаты обучения дисциплины  могут быть обеспечены при освоении  следующих разделов дисциплин

 

Таблица 4.9

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

1

Введение

2

0

0

2

Определяющие положения и тенденции электроники

6

2

0

3

Методы исследования биомолекулярных объектов

8

2

4

4

Электронно-физические свойства биомолекул и молекулярных систем

10

6

6

5

Современные устройства и технологии биомолекулярной электроники

8

8

8

6

Выводы и заключение

2

0

0

 

Итого по видам учебной работы:

36

18

18

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

36/1

18/0,5

18/0,5

 

Аннотация учебного пособия авторов Цыбина О.Ю., Величко Е.Н. «Биомолекулярная электроника»


Учебное пособие «Биомолекулярная электроника» преследует цель сформировать у студентов фундаментальных знаний и практического опыта, обеспечивающих понимание сущности физических процессов и методов, принципов аппаратуры, составляющих биомолекулярную электронику.  

 

Основное содержание пособия отражено в шести разделах. Введение включает описание исторической преемственностьи этапов развития электроники, основные определения  параметров, характеристик и функций электронной системы. Отражено формирование основных научно-технических идей и концепций, состояние исследований, актуальные задачи и специальные вопросы биомолекулярной электроники, объекты исследований методами биомолекулярной электроники, а также  принципы выбора объектов и актуальные задачи исследования.

 

Первый раздел под названием «Определяющие положения и тенденции электроники» содержит базовые положения электроники, принципы, классификацию и сущность материальных сред, физических процессов и технологий, составляющих основу электроники.   Даются сведения о вакуумной и плазменной электронике, полупроводниковой электронике, молекулярной электронике и  биомолекулярной электронике. Приводятся базовые положения биомолекулярной электроники. Описываются электронно-физические  процессы в вакууме, в растворах и на поверхности твердого тела в биомолекулярной электронике.

 

Второй раздел «Методы исследования биомолекулярных объектов» описывает способы приготовления и характеристики образцов, методы приготовления объектов биоэлектронного исследования, молекулярные системы, самоорганизованные слои и кластеры, принципы, классификацию и сущность методов получения информации об объектах исследований в биомолекулярной электронике. Приводятся основные методы диагностики с использованием источников и приемников рентгеновского, ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, в том числе терагерцового, миллиметрового и радиодиапазона излучений, микроскопии, биомолекулярной масс-спектрометрии, а также потоков и единичных нейтральных частиц, электронов и ионов. Рассматриваются технология приготовления и разновидности образцов, а также        особенности электронных измерений в нано-цепях.

 

Третий раздел «Электронно-физические свойства биомолекул и молекулярных систем» рассматривает взаимодействие электромагнитного поля с биомолекулами, молекулярную динамику в приближении  точечных атомов. Анализируются стационарная энергетическая структура биомолекул, типы связей,  транспортировка энергии и зарядов в биомолекулах. Уделяется внимание механизмам переноса электрона.        

 

В четвертом разделе «Современные лабораторные образцы и технологии БМЭ» содержится информация об электронно-механических, электронно-химических устройствах биомолекулярной электроники. Приводятся сведения о двухполюсных биомолекулярных электронных устройствах, молекулярных проводниках, нелинейных двухполюсниках, двухполюсном бистабильном диоде на туннельном переходе, трехполюсных биомолекулярных электронных устройствах, биомолекулярных трехполюсных управляемых бистабильных переключающих устройствах. Большое внимание уделяется функциональным устройствам памяти и биомолекулярным компьютерам.

 

В конце пособия проводится обобщенный сравнительный анализ имеющихся научно-технологических решений в биомолекулярной электронике и описывается их возможный потенциал. Отмечаются основные направления поиска решений и их оценки. Приводятся перспективы развития биомолекулярной электроники.

 

Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы


Цель изучения дисциплины «Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы» – сформировать специалистов, подготовленных к освоению и применению существующих и новых методов использования ионизирующих излучений в медицинских целях, способных работать с таким оборудованием как медицинские ускорители и гамма-терапевтические аппараты, а также проводить дозиметрическое планирование радиационного воздействия на организм человека.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) отражены в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

-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.

 

Вклад дисциплины в формирование результатов обучения выпускника (компетенций) и достижение обобщённых результатов обучения происходит путём освоения содержания обучения и достижения частных результатов обучения.

 

Таблица 4.10

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

 

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

 

 

 

1.

1. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

 

 

4

 

4

2.

2. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

 

2.1. Рентгенография

2

 

2

 

2.2. Трансмиссионная компьютерная томография

4

 

4

 

2.3 Эмиссионная компьютерная томография

2

 

2

3.

3. ПЛАНИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

 

 

4

 

4

4.

4. ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

4.1. Рентгенотерапевтические аппараты

2

 

2

 

4.2. Гамма-аппараты для дистанционного облучения

2

 

2

 

4.3 Медицинские линейные ускорители

4

 

4

 

4.4 Томотерапия

2

 

2

 

4.5 Брахитерапия

2

 

2

5.

5. ДОЗИМЕТРИЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

 

4

 

4

6.

6. ПРОГРАММЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ И РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

 

 

4

 

4

 

Итого по видам учебной работы:

36/1

 

36/1

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

 

 

 









 

Аннотация учебного пособия  


Данное учебное пособие обобщает курс лекций «Физико-техническое обеспечение радиационного воздействия на живые организмы», разработанный в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете кафедрой физики полупроводников и наноэлектроники для студентов, обучающихся по направлению магистерской подготовки 140400 - «Техническая физика» в рамках образовательной программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем».

 

Первая глава пособия описание основных механизмов биологического воздействия ионизирующих излучений, основных дозиметрических величин, базовых принципов радиобиологии и фракционированной радиотерапии.

Вторая глава посвящена описанию диагностических методов визуализации, основанных на взаимодействии ионизирующих излучений с биосистемой человека. Глава содержит подразделы, посвященные таким диагностическим методикам как проекционная рентгенография, трансмиссионная и эмиссионная компьютерная томография. Подчеркивается особое место рентгеновской компьютерной томографии в контексте предлучевой подготовки, как метода, предоставляющего данные, на основе которых производится расчет доз.

 

Третья глава пособия освещает вопросы предлучевой подготовки и дозиметрического планирования радиационного воздействия в контексте радиотерапии опухолей. В главе подробно рассматривается методика виртуальной симуляции, лежащая в основе метода конформного подведения дозы к биологической мишени, широко применяемого во многих радиотерапевтических клиниках мира и внедряемого в настоящее время в клиническую практику отечественных радиотерапевтических подразделений. Обращается внимание на такой важнейший этап, как дозиметрическая подготовка специализированного программного обеспечения, используемого для расчета дозных распределений.

 

Четвертая глава пособия включает в себя подразделы, содержащие описание терапевтических источников ионизирующих излучений – рентгенотерапевтических аппаратов, гамма-терапевтических аппаратов для дистанционной радиотерапии, медицинских линейных ускорителей, а также аппаратов для контактного радиационного воздействия. Особое внимание в данной главе уделяется описанию современных средств формирования терапевтических пучков, а также фигурных полей облучения, необходимых для реализации конформных технологий подведения дозы к биологической мишени.

 

В пятой главе рассмотрены вопросы дозиметрической подготовки источников ионизирующих излучений, используемых в терапевтических целях. Рассматривается перечень дозиметрического оборудования, позволяющего реализовать в клинических условиях дозиметрический контроль, необходимый для безопасной реализации основных радиотерапевтических методик.

 

Шестая глава посвящена вопросам обеспечения радиационной безопасности персонала и пациентов радиотерапевтических подразделений медицинских учреждений и содержит обзорные сведения по проектированию помещений, в которых предполагается проведение работ с источниками ионизирующих излучений.

 

В целом, пособие направлено на формирование кругозора специалистов, круг профессиональных интересов которых будет связан с ионизирующими излучениями и их воздействием на живые организмы. В частности, пособие может быть использовано в качестве дополнительного материала медицинскими физиками и студентами медицинских специальностей, проходящими подготовку по радиологии, лучевой диагностике и лучевой терапии, а также по инженерным специальностям, связанным с медицинской физикой и радиационной медициной.

 

Атомно-молекулярная флуктуационная динамика


Цель изучения дисциплины «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика» – сформировать специалистов, умеющих результативно применять теоретический аппарат квантовой механики, статистической физики к анализу флуктуационных свойств атомных и молекулярных систем, способных успешно работать в областях физики, диагностики и технологии, связанных с грамотным обоснованием и прогнозированием эксплуатационных свойств и выбором функциональных материалов для применения в устройствах твердотельной (неорганической и органической) электроники и биоэлектроники, других систем технического и медицинского назначения.

 

Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика» (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5) отражены в таблице 4.4.

 

Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика» и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):

 

- знание фундаментальных основ физики флуктуаций энергии и флуктуаций координат и умение применять теоретический аппарат дисциплины к анализу свойств атомно-молекулярных систем;

- знания механизмов формирования флуктуаций и экспериментальных проявлений флуктуационно-обусловленных процессов (вплоть до биологического функционирования)

- знание тенденций в развитии флуктуационной динамики, современных подходов к разработке микроскопики флуктуаций энергии атомов, статистики флуктуаций;

- владение методиками компьютерного эксперимента, умение грамотно интерпретировать и представлять специалистам и неспециалистам результаты экспериментов по моделированию динамики атомов в газах и твердых телах;

- опыт самостоятельного выбора материалов для применения в устройствах твердотельной (неорганической и органической) электроники и биоэлектроники, других систем технического и медицинского назначения.

- умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новую информацию, исследовательские методики и прикладные разработки  в области флуктуационной динамики атомов и молекул.

 

Разделы дисциплины и виды учебной работы

 

 

Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля

Л, ач

ПЗ, ач

СРС, ач

 

Введение

0

1

0

1.

Краткая история динамических представлений

 

1.1. Понятие  флуктуаций как случайных отклонений величин от их среднего значения

0

1

0

 

1.2. Флуктуации физических величин

0

1

2

 

1.3. Решающая роль сильных флуктуаций энергии атомов в многочисленных физических и химических процессах

0

2

2

2.

Флуктуационная динамика молекул газа

 

2.1. Средние характеристики динамики газа

0

1

2

 

2.2. Флуктуации динамических характеристик газа

0

2

2

 

2.3. Распределение молекул газа по энергии.

 

2

2

 

2.4. Механизм формирования флуктуаций кинетической энергии молекул газа

 

2

4

3

Флуктуационная динамика в конденсированных телах

 

3.1. Характеристики динамики атомов в твердых телах и их средние значения

0

2

2

 

3.2. Эволюция осцилляторных представлений о динамике атомов в твердых телах

0

2

2

 

3.3. Флуктуации динамических характеристик твердых тел

0

2

4

4

Микроскопика флуктуаций энергии атомов в твердых телах

 

4.1. Результаты компьютерных экспериментов

0

2

2

 

4.2. Степень пространственно-временной локализации флуктуаций энергии

0

2

2

 

4.2. Механизм формирования флуктуаций энергии атомов

 

2

2

 

4.3. Статистика флуктуаций энергии атомов во времени

 

2

2

 

4.4. Квантовые флуктуации в твердых телах

0

4

2

5 .

Экспериментальные проявления флуктуационной динамики

 

5.1. Примеры процессов, обусловленных флуктуациями энергии молекул газа

0

2

2

 

5.2. Примеры процессов, обусловленных флуктуациями в конденсированных телах

0

2

2

6.

Современные проблемы и перспективы развития физики флуктуаций

 

6.1. Современные проблемы и перспективы развития физики флуктуаций

0

2

0

 

Итого по видам учебной работы:

0

36

36

 

Общая трудоёмкость освоения: ач / зет

0

36/1

36/1

 

Аннотация учебного пособия авторов Слуцкера А.И., Карова Д.Д., Поликарпова Ю.И. «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика»

 

Пособие «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика» охватывает ряд вопросов динамики микрочастиц – возникновения и эволюции локальных флуктуационных состояний в атомно-молекулярных системах (газах и конденсированных телах: твердых и жидких).

 

Целесообразность освоения студентами предлагаемого в пособии материала обусловлена тем, что большое число важных физических процессов обязано своей реализации именно флуктуационным актам.

Слово «флуктуация» происходит от латинского «fluctuation», переводимого как «колебание». Понятие «флуктуация» принято использовать для обозначения специфической формы явления колебательного характера. Флуктуация – это случайное отклонение какой-либо величины от ее среднего значения. Таким образом, в этом определении понятия «флуктуация», наряду со словом «отклонение», фигурируют в качестве ключевых слова: «случайное» и «среднее».

 

Именно флуктуации – отклонения (особенно – сильные) динамических характеристик атомов (молекул) от их средних значений – обеспечивают протекание огромного числа процессов в атомно-молекулярных системах. В классической области – это флуктуации энергии атомов; в квантовой области – туннельные флуктуации координат. Этими флуктуациями осуществляются элементарные акты перегруппировки атомов, изменение их электронных состояний, диссоциация межатомных связей и др. Сюда входят такие процессы и явления как: свечение нагретых тел, химические реакции, испарение и диффузия в твердых телах и жидкостях, пластическое деформирование и разрушение твердых тел, электронные процессы, термоядерные реакции, биологическое функционирование и др.

 

Определяющую роль в данных процессах играют прежде всего флуктуации энергии атомов и молекул, а также – флуктуации амплитуды их колебаний в конденсированных телах, флуктуации длины и времени свободного пробега молекул в газах. Эта роль обусловлена тем, что элементарные акты указанных процессов требуют атомов или молекул с энергиями или амплитудой колебаний значительно более высокими, чем средние значения энергии или амплитуды, поскольку осуществление элементарных актов может происходить только с преодолением достаточно высоких потенциальных барьеров.

 

Разработка самой физики флуктуаций (т.е. их микроскопика) остается предметом современных исследований. В имеющейся литературе можно назвать примеры отсутствия или недостаточной детализации ряда вопросов, что способно приводить к затруднению должного понимания флуктуационных явлений у студентов и аспирантов.

 

Данное пособие и сосредоточивает внимание на таких вопросах динамики атомов и молекул, рассмотрение которых дополняет и детализирует атомно-молекулярную флуктуационную динамику в газах и конденсированных телах. Обсуждается так называемая внутренняя динамика тел (газообразных, жидких и твердых), которая заключается в движении (динамике) составляющих эти тела частиц – атомов или молекул. Именно для таких систем в пособии рассматривается флуктуирование их внутренних динамических характеристик, влияние флуктуаций на свойства тел, на протекающие в них процессы.

 

Отметим, что в классической области флуктуации энергии и амплитуды колебаний атомов в конденсированных телах тесно связаны, но в квантовой области эти характеристики можно считать автономными.

 

Роль флуктуаций в анализе различных явлений, процессов, свойств оказывается разнообразной: в круге одних вопросов их можно не принимать во внимание и рассматривать только средние значения величин, в других же вопросах флуктуации имеют решающее значение, так что без их учета невозможно понимание и использование явления.

 

В частности, существует понятие среднего роста. Исходя из него планируются и строятся помещения для жилья и работы, изготовляется мебель и т. п. Относительно этого среднего роста рост каждого отдельного человека выступает как флуктуация. Поэтому костюмы нельзя шить все на средний рост, а необходимо учитывать распределение людей, по росту, т. е. флуктуирование роста. А если ведется набор игроков в баскетбольную команду, то приходится просто выискивать большие флуктуации роста, поскольку при нынешних правилах этой игры только на таких флуктуациях можно добиться успеха. Расширяя сказанное по области демографии, следует признать, что выдающиеся деятели в области искусства, науки, спорта и т. д. являются примерами флуктуаций соответствующих человеческих способностей и без таких флуктуаций развитие человечества шло бы, очевидно, значительно медленнее.

 

В пособии последовательно рассматриваются феноменологические основы физики флуктуаций энергии (Максвелл, Гиббс) и флуктуаций координат (Блох). Особое внимание уделяется современной разработке микроскопики флуктуаций энергии атомов, статистики флуктуаций. Дается анализ флуктуационно-обусловленных процессов (вплоть до биологического функционирования).

 

Представляется, что постановка и обсуждение в пособии указанных вопросов будут способствовать более полному усвоению студентами флуктуационных аспектов в физике газов и конденсированных тел – возникновения и эволюции локальных флуктуационных состояний в атомно-молекулярных системах (газах и конденсированных телах: твердых и жидких). В частности, студенты должны получить знания основ статистических аспектов физики флуктуаций, умение применять теоретический аппарат дисциплины к анализу свойств атомно-молекулярных систем.

 

Пособие не претендует на исчерпывающую полноту изложения всех вопросов физики флуктуационных явлений, а включает те разделы, без усвоения которых, по мнению авторов, невозможно успешно работать в областях физики, диагностики и технологии, связанных с выбором и прогнозированием эксплуатационных свойств функциональных материалов для применения в устройствах твердотельной (неорганической и органической) электроники и биоэлектроники.

 

Пособие содержит 6 разделов: краткая история динамических представлений; флуктуационная динамика молекул газа; флуктуационная динамика в конденсированных телах; микроскопика флуктуаций энергии атомов в твердых телах (классическая область температур); экспериментальные проявления флуктуационной динамики; современные проблемы и перспективы развития физики флуктуаций.

 

Содержание пособия «Атомно-молекулярная флуктуационная динамика» ориентировано на студентов, обучающихся по направлению 140400 «Техническая физика». Соответствующая дисциплина излагается в 9-м семестре (19 недель) и связана с ранее изучаемыми дисциплинами: математикой, общей и прикладной физикой, квантовой механикой, статистической физикой и дисциплинами, изучаемыми на старших курсах: «Физика твердого тела», «Физика конденсированного состояния», «Молекулярная физика», «Физика полимеров», «Физика макромолекул».

 

5. Использование в учебном процессе

5.1. Перспективы внедрения разработанной ООП


Основная образовательной программы подготовки  магистров «Физика и диагностика биомолекулярных  систем» на базе ФГОС-3 ВПО по направлению 223200 «Техническая физика» полностью разработана, учебные дисциплины обеспечены учебными пособиями, в ее подготовке и реализации участвуют преподаватели – специалисты высшей квалификации (8 профессоров и 8 доцентов – сотрудников радиофизического факультета) и поэтому она может быть внедрена немедленно после ее открытия с 01 сентября.

 

Условия внедрения ООП магистерской подготовки «Физика и диагностика биомолекулярных систем» обеспечены тем обстоятельством, что в состав контингента обучаемых по данной ООП 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, как при выполнении лабораторных практикумов, так и при проведении исследований в рамках научно-исследовательской работы магистра позволяет констатировать, что контингент студентов, которые могут обучаться по данной ООП, может быть расширен за счет выпускников 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 PACIFIC NANOTECHNOLOGY DSI, сканирующих зондовых мультимикроскопов СММ 2000 открывает перспективы использования разработанной ООП в программках подготовки в рамках курсов повышения квалификации, как для сотрудников СПбГПУ, так и сотрудников других учреждений.

 

На рис. 5.1 приведена фотография одного из сканирующих зондовых мультимикроскопов СММ 2000, размещенных в учебно-научном классе (всего 10 посадочных мест).  Лаборатория оснащена пятью учебными стендами на основе сканирующих зондовых мультимикроскопов СММ 2000. Лабораторные стенды позволяют 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. Лабораторные стенды сконструированы таким образом, чтобы сформировать у студентов навыки проведения научных исследований по методикам зондовой микроскопии, предоставляют студентам уникальную возможность научиться самостоятельно настраивать зондовый микроскоп, подбирать соответствующие образцу режимы сканирования, а также дают возможность освоить первичные навыки обработки полученных при сканировании изображений.

 

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

 

 

Рис. 5.1 Фотография сканирующего зондового мультимикроскопа СММ 2000, на котором выполняются исследования эритроцитов.

 

На рис. 5.2 приведена фотография ультраширокополосного диэлектрического спектрометра с криосистемой типа turnkey broadband system NOVOCONTROL CONCEPT-80. Широкополосный диэлектрический спектрометр фирмы Novocontrol позволяет получать диэлектрические спектры макроскопических образцов широкого круга материалов различной природы. Позволяет проводить измерения частотных и температурных зависимостей проводимости, диэлектрической проницаемости, тангенса диэлектрических потерь, импеданса и т.д. широчайшего класса материалов в частотном диапазоне от 1мкГц до 20 МГц и в температурном диапазоне от 100К до 500К. Система крепления образца позволяет работать с различными по типу материалами: монокристаллами, тонкими пленками, веществами, внедренными в пористые матрицы и др.

 

Доцент кафедры физической электроники А.В. Филимонов  и аспирант этой же кафедры Н.И. Поречная выполняют исследования на широкополосном диэлектрическом спектрометре фирмы Novocontrol

 

Рис. 5.2 Доцент кафедры физической электроники А.В. Филимонов  и аспирант этой же кафедры Н.И. Поречная выполняют исследования на широкополосном диэлектрическом спектрометре фирмы Novocontrol.

 

На рис. 5.3 рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova. Рентгеновская дифрактометрическая система SuperNova участвует в исследованиях, проводимых в рамках выполнения выпускных квалификационных работ: «Изучение процессов плавления – затвердевания воды в нанопористых средах», «Исследование активных пористых структур для применения в антибактериальных фильтрах», «Белковая и макромолекулярная кристаллография».

 

  

Студенты кафедры физической электроники Алексеева Ольга и Андроникова Дарья выполняют исследования в рамках научно-исследовательской практики на дифрактометре SuperNova

 

Рис. 5.3 Студенты кафедры физической электроники Алексеева Ольга и Андроникова Дарья выполняют исследования в рамках научно-исследовательской практики на дифрактометре SuperNova

 

5.2. Предполагаемые виды деятельности выпускника:


Магистр техники и технологии по направлению 223200 – Техническая физика должен быть подготовлен для продолжения образования в аспирантуре по специальностям 01.04.04 – Физическая электроника; 01.04.07. – Физика конденсированного состояния; 01.04.21 – Лазерная физика.

 

Кафедры радиофизического факультета имеют давние и устойчивые связи с промышленными предприятиями, отраслевыми институтами и институтами Российской Академии наук, что позволяет выпускникам, обучавшихся по данной магистерской программе, продолжить научную деятельность в таких учреждениях как ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 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

 

 

6. Реализация и подготовка инноваций в образовательной деятельности в рамках ООП магистерской программы «Физика и диагностика биомолекулярных систем»

 

Характеризуемые области

ВПО - магистратура

1

Прогнозирование и проектирование новых образовательных целей

П

2

Установление новых норм качества подготовки

П

3

Проектирование нового содержания образования

П(1)

4

Разработка и внедрение новых образовательных технологий

П(1),

5

Разработка и внедрение новых технологий оценки

П(1)

6

Развитие ресурсного обеспечения образовательного процесса

В(1)

7

Развитие инфраструктуры организации образовательного процесса

П(1)

8

Развитие системы трудоустройства и адаптации выпускников на рынке труда

П(1)

9

Развитие информационно-компьютерной поддержки образовательного процесса

В(2)

10

Развитие системы мониторинга качества образования

П(1)

11

Развитие системы информирования общества о качестве образования в вузе

В(1)

 

При заполнении таблицы используются следующие обозначения степени внедрения инновации: Р – реализация инновации, П – подготовка к внедрению инновации; В – внедрение инновации. Рядом с обозначением степени внедрения инновации в круглых скобках указывается количество инноваций (например, В(1) – внедрена 1 инновация).

 

Ключевые моменты по аннотируемым инновациям


1. Новое содержание образования обеспечивается путем внедрения новых дисциплин и их методическим и материально-техническим обеспечением. В 2011 году издано и планируется к изданию семь учебно-методических пособий общим объемом около 1400 страниц. Также приобретено новое материально-техническое обеспечение лабораторных работ и практикумов.

2. Планируется проводить текущую компьютерную аттестацию по ряду дисциплин. При проведении НИР планируется создание творческих бригад по решению научно-исследовательских задач. При этом запланировано проведение семинаров, коллоквиумов и других видов интерактивного обучения. 

5. Предусматривается использование разработанной на радиофизическом факультете программы автоматического оценивания знаний студентов при проведении текущего тестирования.

6.  Предусмотрено использование установленного на факультете в последние годы инновационного оборудования, а именно рентгеновской дифрактометрической системы SuperNOVA, атомно-силового микроскопа PACIFIC NANOTECHNOLOGY DSI, криогенного атомно-силового микроскопа AttoAFM I, ультраширокополосного диэлектрического спектрометра с криосистемой типа turnkey broadband system NOVOCONTROL CONCEPT-80. а также учебно-научного класса с использованием сканирующей зондовой микроскопии  на базе СММ-2000.

7. Научные лаборатории и учебные классы постоянно дооснащаются современным оборудованием.

8. Предусмотрено проведение дополнительных занятий (факультативов) по современным направлениям развития техники согласованных с требованиями предприятий заказчиков. Ежегодно проводятся научно-технические конференции, на которых приглашаются представители промышленности со всей России и студенты старших курсов.

9. Выпускаются комплекты учебных пособий, охватывающие все читаемые дисциплины. Лаборатория математического моделирования физического эксперимента оснащена современными лицензионными программными продуктами LabVIEW (National Instruments), которые позволяют осуществлять автоматизацию научных установок и лабораторных практикумов для студентов и аспирантов.

10. Установление новых норм качества подготовки

- Планируется внедрение более современных методов исследования биомолекулярных систем.

 - В дисциплинах «Биомолекулярная электроника», «Физические основы молекулярной электроники», «Взаимодействие излучения с биомолекулярными системами» будут включены теоретические основы новых методов.

11. Ведущие ученые Физико-технического института РАН им. А.Ф. Иоффе, Института высокомолекулярных соединений, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, Институт аналитического приборостроения РАН одновременно с  преподавателями РФФ СПбГПУ принимают участие в руководстве выпускными квалификационными работами студентов.

12. Все сведения о программах и качестве образования размещены на сайте университета.

 



[1] Только контрольные работы и коллоквиумы трудоёмкостью не менее 1 зач, которые проводятся во время плановых аудиторных занятий.