Биофизика — наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений. Основное содержание биофизики составляют нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии и математики. Изучение биофизики в медицинском вузе способствует формированию у будущих врачей научного взгляда на живой организм и протекающие в нем процессы, изучает основы современных физических, биофизических методов, раскрывает физико-химическую природу жизненных явлений. В статье рассматриваются проблемы обучения биофизике, вопросы интеграции и некоторые методы их решения.
Ключевые слова : биофизика, медицинский вуз, акустика, метод.
В последние годы значительно возрос научный интерес к разным аспектам интеграции. Проблема междисциплинарной интеграции имеет принципиально важное значение, как для развития научных основ педагогики, так и для практической деятельности преподавателей; она связана с проблемой структурирования содержания образования и определение системообразующих связей между ними. Первостепенное значение здесь приобретают компоненты образования, отражающие тенденции интеграции научного знания. Именно интеграция определяет сегодня стиль научного мышления и мировоззрения человека.
В современных словарях термин «интеграция» чаще всего определяется следующим образом: интеграция (лат.) — восстановление, восполнение, объединение частей в целое (integer — целый), причем не механическое соединение, а взаимопроникновение, взаимодействие. Интеграционный процесс означает новообразование целостности, которое обладает системными качествами общенаучного, меж научного или внутри научного взаимодействия, соответствующими механизмами взаимосвязи, а также изменениями в элементах, функциях объекта изучения, обусловленных обратной связью вновь образуемых системных средств и качеств.
Биофизика необходима и важна в профессиональной деятельности будущего специалиста медицинского профиля по решению профессиональных задач.
Медицинские учебные заведения по всему миру постепенно переходят от традиционного дисциплинарно-ориентированного учебного плана к интегрированному. Интегрированное обучение помогает будущим врачам собирать факты в единую цепь с тем, чтобы получить полную картину о клинической ситуации и разработать целостный подход к лечению конкретного пациента.
В подготовке врача большое значение имеет приобретение базовых теоретических знаний по основным фундаментальным дисциплинам, преподаваемых на 1–2 курсах медвуза.
Подготовка врача общей практики, происходящая на нескольких профильных и непрофильных кафедрах медицинских вузов, ставит целью привить студентам навыки постоянного совершенствования и эффективного применения знаний для анализа клинических заболеваний, способов лечения, прогнозирования эффективности их применения.
Наш опыт работы со студентами медицинского вуза позволил выявить ряд моментов, которые усложняют реализацию этой задачи, что обусловлено весьма скромным количеством часов по учебному плану; неодинаковым уровнем исходной подготовки по естественным дисциплинам и базисных знаний; различием личностных особенностей и целевых установок на обучение; ограниченным количеством современных учебных пособий по биофизики.
Методы интеграции содержания фундаментальных дисциплин
- Преподавание учебного предмета «Биофизика» предусматривает: аудиторный, лабораторный, практический и внеаудиторный методы.
- Формирование умений комплексного применения знаний и способов деятельности предусматривает:
— комплексный объяснительно-иллюстрационный метод;
— комплексный проблемный метод;
— комплексный частично-поисковый метод;
— комплексный исследовательский метод.
- Развитие естественно-научного и клинического мышления студентов осуществляется с использованием теоретических и практических методов.
Рассмотренная теория интеграции реализована в практическом аспекте на кафедре Биофизики и информационных технологий в медицине. Практическое занятие по Биофизике на тему «Звук. Звуковые явления. Характеристики звука. Закон Вебера-Фехнера. Определение длины звуковой волны и скорости звука» проведен интегрировано с предметом «Оториноларингология». Была изучена физическая акустика, которая изучает особенности распространения упругих волн в различных средах и физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека.
Целью изучения материала является ознакомление с природой возникновения и восприятия звука человеком; звуковыми, ультразвуковыми и инфразвуковыми методами диагностики и лечения заболеваний.
Были изучены вопросы акустики с физической стороны и даны определения.
Звук — это колебания частиц в упругих средах, совершающиеся с частотой, воспринимаемых человеческими органами слуха, т. е. в диапазоне 16–20000 Гц. Звуки частотой менее 16 Гц называются инфразвуками(ИЗ), а более 20 кГц– ультразвуками (УЗ). ИЗ и УЗ органами слуха человека не воспринимаются.
Скорость распространения звука в различных средах различна и зависит от упругих свойств и плотности среды следующим образом:
где E — модуль Юнга, ρ — плотность.
В твердых телах звуковые колебания распространяются в форме продольных и поперечных волн с v=2–5 км/с .
В жидкостях могут распространяться практически только продольные волны сжатия и растяжения с v=0,7–2 км/с .
В воде vзв≈1,34 км/с . Эта скорость принимается как средняя для мягких тканей тела человека.
В воздухе при 0º C v=331,5 м/с . С повышением температуры на 1º С скорость увеличивается примерно на 0,5 м/с и при t º=20º С vзв ≈340 м/с .
Скорость звука не зависит от частоты колебаний.
Звуковой тон (колебание с постоянной или закономерно изменяющейся во времени частотой) характеризуется частотой, амплитудой и формой колебания (гармоническим спектром). Звуковая волна характеризуется интенсивностью (J~А² ) и звуковым давлением ( J~Δρ² ). Это физические характеристики.
Физической характеристике частоте соответствует психофизическая или субъективная характеристика высота звука. Малым частотам соответствуют низкие тоны, большим — высокие.
Физической характеристике интенсивности звука соответствует психофизическая под названием громкость. Громкость звука — субъективное понятие, зависящее от чувствительности и частоты. Синонимы интенсивности — сила звука, плотность потока энергии, вектор Умова. Интенсивность — это количество энергии волны, переносимой за единицу времени через единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению волны. Обозначение J . Это векторная величина, совпадающая с направлением скорости перемещения.
Единица измерения J→Дж/с•м²=Вт/м² ;
У=Ω*ν=1/2ρω²А²*ν,
где ρ — плотность среды, ω — круговая частота, А — амплитуда.
Физической характеристике «гармонический спектр» соответствует психофизическая характеристика под названием тембр.
Тембр — это качественная характеристика слухового ощущения. Тембр звука — это его «окраска». Сложные тоны одинаковой основной частоты могут отличаться по форме колебания или по его гармоническому спектру. Тогда они различаются по тембру.
Интенсивность и громкость звука связаны между собой законом Вебера-Фехнера:
Если раздражение (т. е. интенсивность звука) возрастает в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения (т. е. громкость) растет в арифметической прогрессии.
Формула закона:
где k — коэффициент пропорциональности, E — громкость, J — интенсивность данного звука, J 0 — нулевая интенсивность или порог слышимости J0=10ˉ¹²Вт/м²
Для характеристики интенсивности звука принимают десятичный логарифм следующего отношения:
где β — уровень интенсивности. β — измеряется в Белах.
Уровень интенсивности β =2Б соответствует интенсивности звука,
т. к. запись
означает
Отсюда если β=2, то
или
Порог слышимости или нулевая интенсивность — это минимальная интенсивность звука, вызывающая слуховое ощущение при частоте 1 кГц .
Звуковым давлением называется максимальное добавочное давление, избыточное над средним давлением окружающей среды, образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне и обозначается Δр . Связь Jи Δр следующая:
следовательно
где Δр эф — эффективное значение Δр ;
Δр max — амплитудное значение, ρ -плотность среды,
v — скорость звука, ρν — наз. удельным акустическим сопротивлением среды.
Наглядные пособия представлены: таблицей связи физических и физиологических характеристик звука; рисунками: голосового аппарата человека; слухового аппарата человека; эффекта Доплера; графика акустического спектра.
При изучении материалов данной темы междисциплинарная связь проявляется дисциплинами геометрией, математикой, общей физикой, биофизикой и медицинской физикой и клиническими дисциплинами, которую представляем в виде таблицы
Таблица 1
Связь между физико-математическими и медицинскими клиническими дисциплинами
|
Тема: Биоакустика |
|
|
Дисциплины |
Учебные элементы |
|
Математика |
Формула связи между объективными и субъективными характеристиками звука, выражаемая законом Вебера — Фехнера: Е = k lg ( I / Io ) |
|
Геометрия |
Графики области речи и области слуха |
|
Общая физика |
Звук как продольная механическая волна, ее характеристики |
|
Биофизика |
Звуки животных, их особенности в восприятии |
|
Медицинская физика |
Голос человека; звуки, издаваемые при работе внутренних органов в норме и патологии. |
|
Терапия |
Звуковые и ультразвуковые методы исследования и лечения в клинике; музыкотерапия. |
|
Оториноларингология |
Аудиометрия, острота слуха, спектральная характеристика уха. |
Ниже представлены примеры задач в рамках раздела «Биоакустика», которые можно эффективно использовать при изучении дисциплины «Биофизика» в медвузе.
- Звуковая волна с уровнем интенсивности 56 дБ попадает на барабанную перепонку площадью 50 мм 2 и полностью поглощается. Определите энергию, которая поглощает при этом барабанная перепонка в одну секунду.
- Наблюдатель, находящийся на берегу озера на расстоянии 800 м. от источника звука, воспринимает сначала звуковой сигнал пришедший по воде, а затем через 1,78 с — сигнал, пришедший по воздухе. Определите скорость распространения звука в воде. Температура воздуха 20 о С
- Человек находящийся на берегу реки, кричит своему товарищу. Через 1 с он слышит эхо, пришедшее с противоположного отвесного берега реки. Какова примерно ширина реки?
Таким образом, как показали результаты нашего исследования решение задач профессиональной направленности в процессе изучения биофизики в медицинском вузе положительно влияет на их мотивацию к учению, способствует формированию умения решать будущие профессиональные задачи на основе физических знаний и умений.
После окончания занятия проводилось анкетирование среди студентов. Суть анкетирования является выяснения мнения студентов о занятии интегрированного характера. Во время анкетирование участвовало 54 студента. Все студенты дали положительную оценку.
Заключение. Особая роль в процессе обучения должна отводиться развитию системного мышления, умению пополнять свои знания, ориентируясь в потоке информации различной степени сложности и направленности. Результатом интеграции является новое качество образования, характеризующееся определенным уровнем целостности, упорядоченности, взаимосвязи, взаимообусловленности структурных элементов.
Литература:
- Абдуганиева Ш. Х., Нурматова Ф. Б. Биомедицинская информатика //Теоретические и практические проблемы развития современной науки. — 2017. — С. 24–25.
- Кобзарь А. Н., Нурматова Ф. Б. Из опыта преподавания биофизики в медицинских вузах (на примере России и Узбекистана) //Актуальные проблемы образовательного процесса в высшей медицинской школе: от теории к практике. — 2019. — С. 140–146.
- Абдуганиева Ш. Х., Нурматова Ф. Б. Прогнозирование атмосферного давления воздуха на город Антананариву на основе учета перераспределения гравитационных сил солнечной системы //The priorities of the world science: experiments and scientific debate. — 2018. — С. 6–10.
- Рахимова, Х. Ж. Основные физико-химические свойства стоматологических материалов / Х. Ж. Рахимова, Ф. Б. Нурматова // Stomatologiya. — 2018. — № 2. — С. 83–86.
- Нурматова Ф. Б. Междисциплинарная интеграция биофизики в медицинском вузе //Методы науки. — 2017. — №. 4. — С. 78–79.
- Рахмонова М. С., Нурматова Ф. Б., Муминов Р. Т. Использование музыкальной терапии при лечении больных в стоматологии //педагогика и психология в медицине: проблемы, инновации, достижения: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции с международным участием 3–4 июня 2019 года/Под редакцией Ванчаковой НП–СПб.: Изд-во:«ПСПбГМУ им. ИП Павлова», 2019 г.-341с. — С. 233.
- Bakhtiyarovna N. F. Organization and Methodology Laboratory Works on Biophysics for Dental Direction //Psychology and Education Journal. — 2021. — Т. 58. — №. 1. — С. 3509–3517.
- Рахимова Х. Д., Нурматова Ф. Б. Физические основы рефлексотерапии. Определение электроактивных точек на кожной поверхности //Stomatologiya. — 2018. — №. 4. — С. 85–86.
