ФУНКЦІЇ МОДЕЛЮВАННЯ ЩОДО НАВЧАННЯ БІОФІЗИЦІ Й ІНФОРМАТИЦІ МАЙБУТНІХ ФАРМАЦЕВТІВ

УДК 371.134

Стадніченко Світлана, Філоненко Наталія, Дубінський Олексій

ДЗ “Дніпропетровська медична академія МОЗ України”

У ході вивчення курсів “Біофізика” та “Комп’ютерне моделювання у фармації” істотне значення має моделювання як метод наукового пізнання, що спрямований на вивчення явищ реального світу, та як мета, метод і засіб навчального пізнання.

Проаналізувавши навчально-методичну і наукову літературу ми виділяємо наступні функції методу моделювання у процесі навчання майбутніх фармацевтів: 1) пізнавальна функція – як метод навчального пізнання, мета якого в ознайомленні студентів з найбільш раціональним способом дослідження процесу або явища; 2) візуалізаційна (унаочнювальна) функція – як метод представлення інформації у вигляді зображення (рисунків, фотографій, графіків, діаграм, структурних схем, таблиць, карт), анімації, відео; 3) евристична функція – як засіб ефективного засвоєння нового навчального матеріалу (формування умінь математичного і комп’ютерного моделювання об’єктів, процесів і явищ); 4) методологічна функція – як метод вироблення певного наукового підходу до предмета; 5) діяльнісна функція – як засіб проектування й управління навчальною і пошуковою (дослідницькою) діяльністю; 6) інтегративна функція – як засіб об’єднання, систематизації і узагальнення; 7) розвивальна функція – як спосіб розвитку теоретичного мислення й творчих здібностей студентів.

Диференціальні рівняння є одним з головних інструментів сучасної теорії моделювання. При вивченні вищої математики майбутніми фармацевтами у розділі “Диференціальні рівняння” не розглядаються методи розв’язання систем диференціальних рівнянь, тому при викладанні курсу “Комп’ютерне моделювання в фармації” ми пропонуємо подавати навчальний матеріал дедуктивним методом: від загальних понять до розв’язання конкретних завдань. Інформаційна ємність одного рівняння дозволяє описати різні процеси (дифузія хімічних складових, перенесення тепла в суцільному середовищі тощо), тоді як система диференціальних рівнянь дає змогу змоделювати різні ситуації. Наприклад, процес взаємодії імунної системи з вірусом. Студенти, за допомогою баз медичних даних досліджують математичну модель за умов зміни дози інфекції, темпу накопичення вірусу, початкового рівня антитіл та ін. За допомогою спільних законів, понять, методів дослідження інтегративні зв’язки поєднують різні галузі знань при моделюванні об’єктів різної природи.

Виконання розрахункових завдань зі застосуванням математичного пакету Mathcad або за допомогою програм Matlab, SystemModeler тощо спрямоване на зростання якості засвоєння та осмислення студентами навчального матеріалу. Розширення можливостей наочності дає змогу будувати графіки відповідних залежностей фізичних величин і моделювати в динаміці реальні фізичні процеси. У випадку складності отримання та розв’язання диференціального рівняння, яке має величезну кількість розв’язків (множину функцій), застосовується імітаційна модель біофізичного явища або фармакокінетичного процесу [2, с. 85].

Формування вміння моделювати реальні процеси й явища є цілеспрямованим і тривалим процесом. За своїми теоретичними положеннями модельний підхід в принципі не відрізняється від звичайних наукових підходів до вирішення тих чи інших завдань аналізу, що використовуються в управлінні, наприклад, фармацевтичними системами. Моделювання систем, у тому числі фармацевтичних, передбачає такі етапи побудови моделі: 1) виділення основних показників (змінних), які характеризують функціонування системи; 2) формулювання гіпотези про істотні взаємозв'язки між цими змінними; 3) розроблення механізму і моделі поведінки системи; 4) виокремлення факторів впливу на систему; 3) здійснення експериментальної перевірки моделі в реальних умовах.

На основі цього алгоритму в курсах “Вища математика”, “Біофізика”, “Інформаційні технології у фармації” та “Комп’ютерне моделювання у фармації” розглядаються: фармакокінетичні моделі й закономірності зміни маси (концентрації) лікарського препарату в організмі при різних способах його введення; механічні моделі живих тканин та особливості їх реакцій на прикладання розтягуючої сили; моделі реакції імунної системи; моделі розвитку популяцій; моделі поширення епідемій, радіоактивного розпаду та ін. Такі моделі дозволяють виділяти суттєві елементи предмету дослідження; відокремлювати деталі, які є недоступними для унаочнення; демонструвати перебіг процесів у зручному для навчання темпі; інтегративно подавати теоретичні й експериментальні результати дослідження.

Послідовність названих курсів для майбутніх фармацевтів дає змогу реалізувати етапи моделювання: 1) теоретичний – створення теоретичної моделі; 2) практичний – збір даних, виконання розрахунків, обчислень, комп’ютерне моделювання, графічна інтерпретації статистичних закономірностей. Теоретичній етап охоплює курси “Вища математика” та “Біофізика”. Частина курсу “ІТ у фармації” присвячена опануванню пакету MathCad як інструменту моделювання. Інтегративна практична частина віднесена до курсу “Комп’ютерне моделювання у фармації”. Існує два основні підходи до комп’ютерного моделювання в біофізиці й фармації [4]:

1. Використання відомих моделей для візуалізації медичних та біологічних процесів. Такий підхід не передбачає отримання нових результатів і є лише формальною імітацією реальних об’єктів та процесів. За допомогою таких моделей є можливість звернутися до тих аспектів біофізики, які раніше були недоступні студентам через складність наочності, обмеженість проведення експерименту тощо (розподіл температури, зображення електромагнітних полів, транспортування речовин крізь біологічні мембрани та ін.). Такий підхід має певні переваги, бо, наприклад, дозволяє визначити оптимальні параметри для застосування тієї чи іншої лікарської речовини; знайти межу її вживання, змінюючи вхідні параметри. Моделювання явищ та процесів на основі побудови математичної моделі дає змогу змінювати умови перебігу процесів, виділяти та розраховувати необхідні параметри й адекватно описувати реальні процеси та явища.

2. Розробка математичної моделі для надання опису того чи іншого процесу на підставі отриманих експериментальних даних. Цей підхід відрізняється від попереднього тим, що у студента повинні бути знання з предметів (математики, біофізики, фармації тощо), високий рівень логічного мислення, навичок аналізувати та узагальнювати експериментальні результати, визначати зв'язок та залежність між параметрами. Таке комп’ютерне моделювання інтегрує в собі теоретичні та експериментальні методи дослідження (фармакокінетичні моделі при різних способах введення лікарських препаратів: прийомі швидкодіючих препаратів, препаратів пролонгованої дії, ін’єкції в кров, ін’єкції в м’язову тканину тощо).

Таким чином, методи математичного і комп’ютерного моделювання дозволяють формувати професійно значущі предметні компетентності майбутніх фармацевтів, у тому числі інтегративні знання та уміння, розвивати теоретичне мислення і творчі здібності студентів.

Література

1. БеллманР. Математические методы в медицине / Р. Беллман. – М.: Мир, 1987. – 250 с.

2. Романовский Ю.М. Математическая биофизика / Ю.М. Романовский, Н.В. Степанова, Д.С. Чернавский. – М.: Наука, 1984. – 287 с.

3. Смолянинов В.В. Математические модели биологических тканей / В.В.  Смолянинов. – М.: Наука, 1980. − 359 с.

4. Стучинська Н.В. Моделювання як засіб реалізації діяльнісного підходу при вивченні курсу “Медична та біологічна фізика та медична апаратура у вищих медичних навчальних закладах”/ Н.В. Стучинська // Чернігів. Наукові записки. – К.: НПУ, 2002. – Вип. 48. – С. 130 – 138.

5. Турінов А. М. Застосування математичних пакетів програм для розв’язання квантово-механічних задач / А. М. Турінов, О. М. Галдіна // Актуальні питання природничо-математичної освіти. Збірник наукових праць. – Суми: СПУ, 2015. – Вип. 5-6 – С. 119-126.

ВІДОМОСТІ ПРО АВТОРІВ

СтадніченкоСвітлана Миколаївна – кандидат педагогічних наук, доцент, старший викладач кафедри медико-біологічної фізики та інформатики Дніпропетровської медичної академії МОЗ України;

Філоненко Наталія Юріївна – кандидат фізико-математичних наук; старший викладач кафедри медико-біологічної фізики та інформатики Дніпропетровської медичної академії МОЗ України;

Дубінський Олексій Георгійович – кандидат технічних наук, доцент; завідуючий кафедри медико-біологічної фізики та інформатики Дніпропетровської медичної академії МОЗ України.

Коло наукових інтересів: дидактика медичної біофізики та інформатики.