Нциональный проект «Образование» ставит своей целью обеспечение глобальной конкурентоспособности выпускников российских вузов. Это означает, что студенты университетов не должны специализироваться на каком-то одном направлении деятельности, а должны проходить многоуровневую подготовку на основе интеграции междисциплинарных знаний. Для этого предусмотрена модернизация профессионального высшего образования посредством внедрения гибких практико-ориентированных образовательных программ, освоение которых позволит выпускникам самостоятельно разрабатывать методы решения различных прикладных задач на основе приобретенных знаний для решения региональных проблем.
Стратегия развития современных университетов ориентирована на изменение структуры и содержания процесса обучения, целью которого становится овладение студентами навыками исследовательской, проектной и предпринимательской деятельности. Физика является обязательной дисциплиной в системе подготовки различных специалистов: врачей, биологов, программистов и инженеров различных профилей [1, с. 20], так как обладает огромным потенциалом для формирования у выпускников актуальных компетенций для современной экономики [2, с. 42]. В данном исследовании показана роль физических знаний для подготовки врачей и биологов.
В государственных классических и медицинских университетах ведется подготовка биологов, биотехнологов, биоинженеров, врачей, врачей ветеринарной службы и др. В практической послевузовской деятельности перед ними возникают проблемы, многие из которых решаются в том числе с применением физических знаний. Рассмотрим эволюцию применения физических знаний в лечебной практике человека и животных.
В эпоху первобытной медицины, когда представления людей о происхождении болезней и методов лечения были очень примитивны, уже был внесен вклад в создание физических методов терапии, которые используются до настоящего времени. Именно тогда был изобретен первый вариант суховоздушных банок, основанных на использовании силы атмосферного давления. Появились зачатки современной хирургии вследствие наблюдения людей, работающих с домашними животными.
С момента утверждения эмпирических методов естествознания начались исследования строения органов человека и животных на основе анатомического вскрытия. Возникли некоторые хирургические приемы, вошедшие в медицину всех последующих времен (например, кесарево сечение). Следующим этапом в применении физических знаний для решения медицинских задач явилось появление знаний о воздействии природных факторов для выявления причин заболевания и их лечения. Так появились первые физические модели биологических систем. Уже в XI в. в Египте были изготовлены модели хрусталика глаза из стекла и выдвинута идея коррекции зрения при помощи двояковыпуклых линз. В XVI в. во Франции были разработаны модели искусственных конечностей и суставов. Далее начали создаваться различные физические приборы для исследования физиологического состояния организма. Первым из таких приборов явился термометр Галилео Галилея. В начале XVII в. в Европе было изобретено множество оригинальных термометров.
В настоящее время роль физических знаний в решении медицинских задач приобрела особую актуальность. В основе диагностики любого заболевания лежат физические модели, описывающие происходящие процессы в биологических системах от субмолекулярного уровня до системы органов и целого организма.
Развитие физики отразилось на способах исследования состояния организма, появилась возможность измерения физических величин с помощью различных физических методов и приборов. Например, нахождение значений концентраций различных микроэлементов и веществ в жидких средах организма, запись биопотенциалов, прослушивание звуков от внутренних органов. Физические методы диагностики и лечения широко используются в физиотерапии – диатермия, индуктотермия, УВЧ-терапия, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, гамма-излучение и др. В современной хирургии широко используется лазерное излучение.
Курс физики изучается студентами рассматриваемых направлений подготовки на первом курсе в течение двух семестров. В медицинских вузах курс биологической физики изучается студентами первого курса в течение двух семестров. Курс биофизики студентам направления «Биология» преподается в течение одного семестра [3, с. 87]. При изучении этих курсов во все разделы включены знания физики, позволяющие понимать проявление различных физических закономерностей в живых системах. В разделе «Механика» рассматриваются вопросы биомеханики: колебательные и автоколебательные процессы в биологических системах; механические свойства биологических тканей, биомеханика кровообращения. Эти знания необходимы для успешного изучения таких дисциплин, как анатомия человека, нормальная физиология, цитология. В разделе «Акустика» рассматривается физика слуха, связи между характеристиками слухового ощущения и физическими характеристиками, изучаются физические основы звуковых методов исследования. В данном курсе особое внимание уделяется изучению физических процессов на клеточном уровне. Физический аспект рассмотрения структуры и моделей биологических мембран, современных методов их исследования, механизма обменных процессов на уровне клетки, образования биопотенциалов позволяет в дальнейшем применять студентам эти знания при усвоении курсов физиологии и гистологии [4–6].
При изучении электродинамики, наряду с чисто физическими вопросами, рассматриваются физические основы электрокардиографии, реографии, воздействия токов и электромагнитных полей на ткани организма, собственные электромагнитные поля человека. В разделе «Оптика» изучается физика зрения, физические основы микроскопии и ее специальные приемы, волоконная оптика и ее широкое применение в диагностике, физические основы термографии. При изучении элементов квантовой биофизики студенты знакомятся с новейшими методами лазерной терапии, радиоспектроскопии [7, с. 46]. Находят отражение и такие актуальные проблемы, как воздействие ионизирующего излучения на человека, использование радионуклидов и нейтронов в медицине, применение ускорителей заряженных частиц в терапии, дозиметрии.
Таким образом, цель дисциплины «Физика» заключается в формировании у студентов системных знаний о физических свойствах и процессах и умений применять физический подход к решению медицинских и биологических проблем. При реализации учебной дисциплины «Физика» в образовательном процессе направлений биологической, медицинской, ветеринарной специальностей должны решаться следующие задачи: 1) освоение общих физических закономерностей, которые лежат в основе физиологических процессов, протекающих в организме человека, животных и других биологических объектов; 2) выделение характеристик физических факторов и механизм их действия на живые организмы; 3) формирование у студентов умения обрабатывать информацию, получаемую с помощью медицинских приборов, и устанавливать изменения физических свойств исследуемых объектов в определенном состоянии [8, 9]. Решение вышеназванных задач позволяет сформировать у студентов следующие знания, умения и навыки:
− знать: основные законы физики, физические явления и закономерности, лежащие в основе процессов, протекающих в организме человека; физические аспекты протекания физиологических процессов на молекулярном, клеточном, тканевом и органном уровнях; физические основы функционирования медицинских приборов;
− уметь: применять физические понятия и закономерности для объяснения медико-биологических процессов в организме человека; пользоваться регистрирующими приборами; проводить измерение физических и биофизических параметров;
− владеть: производить расчеты и представлять результаты исследований в графической и табличной формах; элементарными физическими методами получения и анализа медицинских данных при решении стандартных профессиональных задач.
Рассмотрим сложившиеся направления изучения курса физики студентами медико-биологических направлений подготовки. Следует отметить, что большинство исследователей и преподавателей подчеркивают необходимость качественного физического образования студентов всех направлений подготовки, так как любой выпускник-биолог, врач [10, с. 87] или ветеринар должен уметь работать как с моделями своего профессионального мира, так и с реальными биологическими объектами [11, с. 46].
Основное направление подготовки по физике рассматриваемых специалистов состоит в интеграции физических, биологических и медицинских знаний через изучение специальных учебных дисциплин, таких как «Биофизика» для биологов и будущих ветеринаров, «Медицинская и биологическая физика, медицинская аппаратура» для основных медицинских направлений подготовки в медицинских вузах.
Другое направление связано с включением в курс физики дополнительных профессиональных тем и вопросов. Например, в разделе «Динамика» изучаются такие вопросы: масса тела человека; распределение массы между звеньями тела человека; роль силы трения при ходьбе, в работе суставов, в различных видах спорта. При изучении раздела «Молекулярная физика» рассматриваются такие дополнительные вопросы, как диффузия при дыхании; процессы в легких; влияние влажности на человека; водяной пар при наркозе; давление крови; систолическое и диастолическое давление крови и др. [12, с. 570].
Материалы и методы исследования
Насколько эффективны результаты этих направлений работы в практике преподавания естественнонаучных дисциплин? При проведении констатирующего этапа было проведено анкетирование студентов – будущих биологов и врачей, которые ранее изучили курс физики. Им было предложено два задания: в первом требовалось установить физические явления, процессы, воздействия в конкретных ситуациях; во втором – предложены проблемы, возникающие в профессиональной деятельности биологов, врачей, ветеринаров. Авторов интересовало, используют ли студенты физические знания в предложенных ситуациях и умеют ли они планировать свои действия. Это потребовало разработать задания, которые испытуемым необходимо было выполнить в конкретных ситуациях, имеющих медико-биологическую направленность. И.А. Крутовой, Н.В. Жуковой [13, с. 7] описаны педагогические требования к разработке заданий на распознавание и воспроизведение конкретных практически значимых ситуаций, требующих применения физических знаний. Приведем пример содержания анкеты, включающей два задания, разработанных в соответствии с данными требованиями:
Задание 1. В перечисленных ситуациях укажите физические знания, которыми можно объяснить изменения состояния биологического объекта:
1. В бальнеологической практике для улучшения обменных процессов применяют грязевые аппликации.
2. В туристической группе при подъеме на высоту 3500 м у некоторых туристов наблюдаются головокружение и тахикардия.
3. При быстром подъеме с большой глубины аквалангист может погибнуть.
4. При резком спуске с высокой горы у лыжника «закладывает» уши.
5. При разгерметизации салона самолета у пассажиров развивается баротравматический отит.
6. У пациента с онкологическим заболеванием в головном мозге под воздействием аппарата «кибернож» изменяются размеры опухоли вплоть до полного исчезновения.
7. У пассажира, имеющего кардиостимулятор, при прохождении через электромагнитную рамку в аэропорту может нарушиться сердечный ритм.
8. Летом в жарком климате наблюдается «цветение» воды в искусственных водоемах и каналах.
Задание 2. Укажите последовательность ваших действий в следующих ситуациях и обоснуйте их:
1. Выбран участок земли под строительство детского сада. Необходимо убедиться, что земля не содержит химических загрязнений. Составьте технологическую карту очистки почвы выбранного участка земли.
2. В ботаническую лабораторию поступил образец части дерева из зеленого фонда города. Проведите биологическую экспертизу состояния данного образца.
3. При микроскопировании культуры обнаружены различные виды патогенных бактерий. Разработайте эффективный метод стерилизации культур для уничтожения патогенов.
4. Эффективность проведения биотехнологических исследований культивирования стволовых клеток зависит от питательной среды. Предложите состав раствора питательной среды для данного исследования.
5. Допустимость использования воды из водоема определяется суммарным ПДК. Предложите способ проведения анализа образца воды на установление ПДК.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследования, представленные на рис. 1, наглядно демонстрируют, что преобладающая часть респондентов не смогла справиться с заданием первого типа.
Рис. 1. Результаты I этапа констатирующего эксперимента, %
Результаты выполнения задания 2 показывают, что студенты не умеют планировать действия при решении профессиональных практических задач (рис. 2). Проведенный констатирующий эксперимент показал, что приобретенные студентами физические знания не применяются ими при анализе конкретных ситуаций. Студенты не понимают значение изучения курса физики для своей будущей профессиональной деятельности.
Рис. 2. Результаты II этапа констатирующего эксперимента, %
Возникает вопрос, каким образом приобретаемые студентами физические знания и знания естественнонаучных дисциплин сделать основой для формирования профессиональных компетенций выпускников – будущих биологов, врачей, ветеринаров.
Н.Ф. Талызиной установлено, что в цели подготовки специалиста любого профиля должны включаться его типовые профессиональные задачи и обобщенные методы их решения [14, с. 144]. С опорой на эту идею были выделены виды профессиональной деятельности будущего биолога и врача. Для этого был осуществлен опрос большого числа специалистов-биологов, медицинских работников, которые занимаются различными биологическими объектами как в естественных, так и экспериментальных условиях. В результате был получен довольно большой перечень таких видов деятельности, например: 1) выявить и классифицировать физические и химические явления и процессы, протекающие в биологическом объекте; 2) моделирование явлений и процессов, протекающих в биологических объектах под воздействием внешних факторов; 3) осуществление физических, химических и других воздействий на биологические объекты; 4) приведение в нормативное состояние свойств биологических объектов; 5) выполнение расчетов физических и химических параметров состояния биологических объектов, изменяющихся в результате определенных воздействий; 6) математическое моделирование биологических процессов; 7) выбор базовых физических и химических законов для объяснения свойств биологических объектов, полученных в результате определенных воздействий; 8) статистическая обработка полученных результатов; 9) систематизация биологических объектов; 10) применение современного оборудования для экспериментальных исследований свойств биологических объектов; 11) хранение и обработка информации о свойствах биологических объектов и процессов, протекающих в них; 12) мониторинг, охрана и восстановление биологических ресурсов; 13) создание прототипов биологических и медицинских объектов с заданными свойствами и многие другие [15, с. 34].
Анализ выявленных видов деятельности и обобщение их по конечному продукту позволил свести их к задачам четырех типов:
1. Создание прототипов биологических и медицинских объектов с заданными свойствами.
2. Нахождение или оценка значений физических, химических и биологических величин, описывающих свойства биологического объекта в определенном состоянии.
3. Устранение отклонений от нормы значений параметров состояния биологического объекта.
4. Эксплуатация современного медицинского и биологического оборудования.
Для формирования выделенных видов деятельности у будущего бакалавра-биолога необходимо дополнить их методами выполнения. Г.П. Стефановой разработан «механизм» выделения обобщенных методов решения типовых задач специалистов [16, с. 56].
Наиболее значимой для данных специалистов является «Устранение отклонений от нормы значений параметров состояния биологического объекта». Метод решения этой задачи представляет последовательность восьми действий, направленных на практическую реализацию условий, устраняющих явление-причину [17, с. 51]. Конкретизируем данный метод для решения конкретной задачи.
Задача. На юге России летом на осетровых фермах при повышении температуры окружающей среды вода нагревается до +32°С, в результате чего осетры прекращают питаться и могут погибнуть. Предложите способ, как обеспечить нормальные условия жизнедеятельности поголовья осетровых.
1. Биологическим объектом является поголовье осетровых, которые должны существовать в условиях соответствующих нормативным.
2. Нормативные параметры состояния воды для содержания осетровых: температура воды – +23°С, концентрация кислорода в воде – 8–10 мг/л, концентрация азота в воде – до 2 мг/л, постоянная аэрация воды.
3. Параметры состояния воды, отличающиеся от нормативных: температура – +32°С, концентрация кислорода в воде – 14 мг/л, концентрация азота в воде – до 2,9 мг/л.
4. Причины данных отклонений следующие: температура воздуха летом на юге России достигает днем +40°С, ночью – +28°С; снижение концентрации кислорода и повышение концентрации азота в воде происходит из-за повышения температуры воды.
5. Причиной отклонения от нормы данных параметров является высокая температуры окружающей среды.
6. Для исключения перегрева воды в садке целесообразно накрыть его оболочкой с отражательной поверхностью. Также можно увеличить испарение воды за счет вентиляции воздуха над садком. При испарении воды будет выделяться энергия, что приведет к понижению ее температуры. Для большего насыщения кислородом воды в садках необходимо усилить аэрацию.
7. Оборудование: светонепроницаемая оболочка для защиты от солнечных лучей и установление насосов для усиления аэрации.
8. Установить датчик концентрации кислорода в садках; разработать принципиальную схему включения насосов в зависимости от показаний датчика.
Заключение
Таким образом, изменение образовательного процесса, который будет направлен на формирование профессиональных умений будущих специалистов, состоит в разработке и включении компетентностно-ориентированных заданий и задач в процесс освоения студентами каждой дисциплины учебного плана соответствующего направления подготовки. Разработка таких заданий является новым видом деятельности для преподавателей высшей школы и требует компетенций как в области предметных, так и цифровых технологий. Для организации систематической работы студентов, направленной на овладение методами решения профессиональных задач, необходимы специальные дидактические средства в виде сборников задач-упражнений, учебных карт, электронных образовательных ресурсов.