Роль изучения профильных разделов естествознания в подготовке студентов по профилю "Компьютерная биомеханика"

Подгаец Роман Михайлович , к.т.н., профессор кафедры теоретической механики и биомеханики, Пермь

Тютюнщикова Валентина Дмитриевна, к.б.н., доцент кафедры нормальной физиологии, Пермь Кузнецов Валерьян Федорович, д.мед.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии, Пермь

Никитин Владислав Николаевич, старший преподаватель кафедры теоретической механики и биомеханики, Пермь

В Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) на факультете прикладной механики и математики осуществляется подготовка студентов по профилю «Компьютерная биомеханика». Выпускающей кафедрой является кафедра теоретической механики и биомеханики. Необходимость в специалистах такого направления обусловлена ускоренным развитием в настоящее время наук о живой материи вообще и об организме человека в частности, постоянно увеличивающимся объёмом и сложностью прикладных инженерных исследований и практических решений в этой области.

На взгляд авторов, достаточно ёмким определением биомеханики является следующее. Биомеханика – раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем или организма в целом, а также происходящие в них механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности [1, 2]. Пользуясь методами теоретической и прикладной механики и математики, эта наука строит модели элементов в живом организме и процессов, происходящих в них, а также исследует механизмы взаимодействия различных структур и процессов.

Исходя из целей и задач биомеханики, изучение курсов «Профильные разделы естествознания» и «Экспериментальные методы анатомо-физиологических исследований» необходимо как базис для формирования общего представления о строении и функционировании человеческого организма, его отдельных органов и физиологических систем, методах исследования и оценки функционального состояния.

Преподавание профильных разделов естествознания включает в себя разделы анатомии и физиологии. Традиционно состоит из лекционных курсов, практических занятий и лабораторных работ. В процессе изучения дисциплины студенты овладевают знаниями, умениями и навыками анатомических и физиологических исследований человека, физиологических систем и отдельных органов. Полученные знания необходимы для выполнения исследовательских работ во время летней учебной практики на первом курсе, ориентированной на профессионально-практическую подготовку обучающихся.

Программа учебной практики разрабатывается на основании учебного плана и рабочих программ дисциплин, базовых для данного вида практики, в соответствии с требованиями Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

Во время учебной практики на базе диагностических центров студенты знакомятся с практическим применением различных методов исследований физиологических систем и органов, таких как лучевые методы диагностики: рентгенография, рентгеноскопия, компьютерная томография, ультразвуковые методы исследований, а также магниторезонансная томография (МРТ), спирометрия, спирография, методы исследований сердечно-сосудистой системы, функциональные пробы для различных физиологических систем. На базе ортопедического предприятия г. Перми студенты имеют возможность познакомиться с использованием механических систем для компенсации утраченных функций.

Учебная практика предусматривает также самостоятельное проведение исследований по утвержденным на кафедре темам, выполнение статистической обработки и анализ полученных результатов, формулирование выводов в соответствии с целями и задачами исследования, поиск литературы по изучаемому вопросу, написание и оформление работы по результатам исследования в соответствии с требованиями государственного стандарта, защиту выполненной работы.

Примерные темы для самостоятельных исследований:

• –    особенности биомеханики дыхания при различных функциональных состояниях;

• –    влияние вестибулярного аппарата на процессы реципрокного торможения мышц-антагонистов (сокращение мышц, вызванное нервным возбуждением и сопровождаемое расслаблением мышц-антагонистов, вызванным торможением нервных центров);

• –    роль вестибулярного аппарата и зрительного анализатора в поддержании равновесия, регуляции тонуса мышц и движений;

• –    вегетативное обеспечение двигательной активности;

• –    механизмы поддержания артериального давления при ортостатике;

• –    электрофизиологические корреляции развития утомления в скелетных мышцах;

• –    роль проприорецепторов скелетных мышц в обеспечении точности движений.

Наиболее успешные работы студентов могут быть опубликованы. Примером является работа по математическому моделированию суммации мышечных сокращений в тетанусе и условий возникновения локального ответа и потенциала действия в нервном волокне, выполненная студентами под руководством преподавателей [3]. Полученные результаты используются на кафедре нормальной физиологии Пермского государственного медицинского университета (ПГМУ) в качестве виртуальной практической работы при изучении биоэлектрической активности тканей. При выполнении данной практической работы студенты имеют возможность изучить характер и свойства электрических ответов возбудимой ткани в зависимости от силы раздражения, условия формирования суммарного электрического ответа.

Самостоятельная исследовательская деятельность студентов обеспечивает закрепление и расширение теоретических и практических знаний, полученных за время обучения. Выполнение практических заданий способствует приобретению заданных компетенций для будущей профессиональной деятельности, формированию первоначальных практических профессиональных умений в соответствии с направлением подготовки. Приобретаемые знания и умения потребуются при дальнейшем изучении таких дисциплин, как экспериментальные методы анатомофизиологических исследований, биомеханика, при выполнении выпускной квалификационной работы.

В связи с новым уровнем развития медицины, диагностической аппаратуры особое значение приобретает знание принципов получения достоверной информации о деятельности органов и систем и грамотной ее интерпретации.

Курс «Экспериментальные методы анатомо-физиологических исследований» направлен на более глубокое изучение возможностей и области применения наиболее распространенных методов исследования физиологических систем, что позволит студенту в дальнейшем самостоятельно выбирать оптимальные пути для решения поставленных прикладных задач. Кроме того, изучение курса играет значительную роль в развитии и углублении алгоритмического мышления студентов.

Для лучшего методического обеспечения учебного процесса коллективом кафедры теоретической механики и биомеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета совместно с кафедрой нормальной физиологии Пермского государственного медицинского университета создано учебное пособие «Экспериментальные методы в биомеханике» [4]. Оно посвящено методам экспериментального исследования живых систем и, в первую очередь, организма человека. Рассмотрены методы исследования дыхательной, сердечно-сосудистой систем, опорно-двигательного аппарата, центральной нервной системы, крови и костной ткани. Подробно обсуждаются физические основы рассматриваемых экспериментальных методов.

Таким образом, изучение профильных разделов естествознания закладывает основы функционального мышления, обеспечивает методическую подготовку будущих специалистов в области компьютерной биомеханики.