Введение
В современном мире медицинские технологии стремительно развиваются, требуя от специалистов не только глубоких знаний в области медицины, но и понимания инженерных принципов, лежащих в основе работы сложного диагностического и лечебного оборудования. По программе бакалавриата направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» в вузах готовят специалистов, способных разрабатывать, внедрять и обслуживать медицинскую технику, а также применять ее для решения клинических задач. Одной из фундаментальных дисциплин в инженерной подготовке медико-биологического профиля является физика, играющая ключевую роль в формировании метапредметного инженерного мышления и понимания принципов функционирования биомедицинских и биотехнических систем.
Профессия инженера любого направления подготовки традиционно привлекала внимание научного и культурного сообщества. Исследования О.В. Топорковой свидетельствуют о том, что в прошлом российская система высшего технического образования была одной из лучших в мире. Однако в последние годы наблюдается отставание страны в технологической сфере, что, в свою очередь, требует усиления внимания к вопросам подготовки инженерных кадров, сочетающих профессиональную компетентность с гуманистическими ценностями и гражданским самосознанием [1]. Долгое время в высших технических учебных заведениях преобладала узкая специализация, что затрудняло изучение новых дисциплин и ограничивало кругозор будущих инженеров. В условиях современного экономического и промышленного развития, а также активного внедрения компьютерных технологий и информационных систем во все аспекты жизни инженерное образование требует радикальных преобразований.
Цель исследования состоит в обосновании и разработке модели обучения физике бакалавров направления «Биотехнические системы и технологии», учитывающей специфику медико-биологического профиля.
Материал и методы исследования
Материал и методы исследования: анализ научно-исследовательской литературы по проблеме исследования, работа с понятийным аппаратом исследования, обобщение проблем подготовки по физике будущих инженеров в вузе.
Результаты исследования и их обсуждение
Проблемам подготовки будущих инженерных кадров в вузах России посвящено большое количество исследований. Например, в работах известных ученых-методистов В.С. Шарощенко, И.В. Разумовской и Н.В. Шароновой описаны теоретико-методологические основы подготовки инженерных кадров в России, и в качестве основной составляющей подготовки инженера любого профиля на различных этапах его становления, по их мнению, является физическая [2]. В современных исследованиях, посвященных ключевым проблемам обучения будущих инженеров, научное сообщество выделяет проблему подготовки инженеров в вузах России в соответствии с требованиями, предъявляемыми к специалистам инженерного профиля со стороны высокотехнологичного бизнеса и промышленности, а также проблему формирования цифровых компетенций как базовых во всех сферах профессиональной деятельности инженера [3].
Исследователь Т.И. Шишелова акцентирует внимание на необходимости практического применения моделирования в обучении физике будущих инженеров, идея которого состоит в разработке методического аппарата для активного использования моделей как инструмента познания будущих инженеров. В ее исследовании, посвященному поиску путей повышения качества инженерного образования, продемонстрирована значимость интеграции моделирования в практические занятия и лабораторные работы, как ключевого элемента современной методики преподавания физики для обучающихся технических специальностей, в том числе возможность применения различных видов моделирования с целью развития исследовательских навыков, формирования системного мышления и углубленного усвоения физики специалистами инженерного профиля [4].
Анализ проведенных исследований по проблемам инженерного образования в России показал, что для успешного развития личности студентов в области инженерного образования необходим целостный подход, включающий: интеграцию гуманитарных и естественно-научных знаний, активное использование междисциплинарности, внедрение практико-ориентированных методов обучения, развитие критического и творческого мышления, формирование коммуникативных и командных навыков работы, а также создание образовательной среды, стимулирующей саморазвитие и самореализацию будущих инженеров. Важной составляющей подготовки инженера является интеграция профильного специализированного и фундаментального физического аспекта в процесс изучения физики, т.к. это делает обучение не только актуальным для будущего специалиста, но и более инновационным и современным [5; 6].
В работе Э.Д. Алисултанова, Р.В. Юсупова акцентируется внимание на значимости индивидуализации инженерно-технического образования как основы развития личностно ориентированного подхода к обучению студентов инженерно-технических вузов [7].
Наряду с инвариантной естественно-научной подготовкой в вузе будущих инженеров, заключающейся в освоении дисциплин физико-математического блока, существует вариативная часть области знаний, применительно к профилю (или направлению) инженерной подготовки. В частности, инженерная компетентность в области медицины предполагает:
- стратегическую интеграцию: инженерные решения в медицине;
- междисциплинарную подготовку: интеграцию технических, биологических, медицинских, этических и социальных знаний;
- инновационное совершенствование: развитие технологий и внедрение инноваций;
- комплекс компетенций: интеграцию знаний, умений, навыков и способностей, включая аналитические, управленческие и этические аспекты;
- этичную ответственность: соблюдение этических норм и социальную ответственность.
Формирование инженерной компетентности направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» требует включения в содержание физики прикладного медицинского аспекта, изучения устройства и принципа действия медицинской техники на организм человека, в том числе и основ биомедицинской инженерии, а также решения задач и выполнения заданий по физике для приобретения навыков работы с медицинской техникой.
В качестве примера можно привести следующие задачи по физике для формирования профессиональных компетенций будущего инженера по ремонту и эксплуатации медицинской техники.
Задача 1. Предложите техническое решение для охлаждения установки мощностью 10 кВт, в которой используется проточная вода в трубке диаметром 15 мм. Известно, что проточная вода нагревается на 15°С. Определите, с какой скоростью движется вода по трубке? Считать, что вся мощность установки идет на нагрев воды.
Для решения данной задачи студенты, анализируя требования, проектируют систему, рассчитывают тепловую нагрузку, проводят экономический анализ и предлагают рекомендации по оптимизации. Задача нацелена на создание эффективной и экономичной системы охлаждения, обеспечивающей оптимальные условия для работы с биоматериалами, а также на развитие практических инженерных навыков.
Другим примером типовой физической задачи для будущих инженеров биотехнического профиля может стать преобразованная задача за счет введения в ее условие дополнительной учебной медико-биологической информации с акцентом на инженерно-технический аспект.
Задача 2. Для ультразвука частотой 800 кГц коэффициент поглощения мышечной ткани равен 0,19 см-1. Определить толщину биоткани, соответствующую уменьшению интенсивности ультразвука вдвое.
Цель состоит в определении оптимальных параметров датчика, таких как частота излучения и глубина проникновения, для получения наиболее четких изображений внутренних органов. Для достижения этой цели студенты применяют методы моделирования, экспериментальных исследований на образцах тканей и анализа полученных данных, что позволяет им выбрать лучший тип датчика для различных медицинских обследований.
В настоящее время при подготовке инженерных кадров наблюдается разноплановость подходов. Одни исследователи придерживаются мнения о необходимости сбалансированного сочетания фундаментальных знаний и профессиональной специализации, рассматривая их как взаимоусиливающие элементы, другие – перспективной стратегии подготовки специалистов широкого профиля, обладающих междисциплинарной эрудицией, способных к адаптивному применению современных технических средств и владеющих навыками предвидения и предотвращения форс-мажорных обстоятельств [8; 9].
Решение организационно-методических проблем преподавания физики в вузе, в том числе будущим инженерам направления подготовки «Биотехнические системы и технологии», сводится к практической ориентации профессии инженера, зачастую приближенной к реальной производственной среде. К выпускникам инженерного направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» предъявляются особые требования. Они должны знать теорию и практику эксплуатации медицинской техники, уметь работать с технической документацией, осуществлять ремонт различных аппаратов, инструктировать медицинских работников о правилах и технике безопасности эксплуатации приборов и иметь конкурентоспособные навыки разработки новых приборов и конструкций медицинского назначения.
Курс физики в инженерном образовании ориентирован на интеграцию фундаментальных знаний с профессиональной направленностью, применение практико-ориентированного подхода и адаптацию под конкретную специальность будущего инженера [10; 11]. Предназначенный для бакалавров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии», курс физики в вузе отличается ярко выраженной биомедицинской ориентацией и практической направленностью на медицинскую технику и ее применение к живому организму человека.
Модель обучения физике бакалавров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии»
|
СОСТАВЛЯЮЩИЕ МОДЕЛИ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ |
Физико-математическая |
способствует формированию знаний физических законов и закономерностей и развитию умений описывать математическим «языком» физико-технические процессы в биосистемах и биообъектах, а также осуществлять аналитические выводы систем уравнений, объясняющих физические явления и процессы в органах и биотканях человека |
|
Биотехническая |
направлена на формирование знаний биотехнических механизмов и устройств и навыков работы с медицинской электронной аппаратурой и оценки принципов ее действия на биосистемы и биообъекты, а также готовности к проектированию биотехнических моделей (конструкций и т.п.) |
|
|
Медико-биологическая |
подразумевает освоение учебного материала по физике медико-биологического содержания о влиянии физических факторов на биоткани и живой организм в целом и о применении медицинской физиотерапевтической аппаратуры и других технических устройств, используемых в медицинской практике |
Примечание: составлено автором.
Основной целью освоения физики медико-биологического содержания является формирование у будущих инженеров компетенций, позволяющих эффективно работать с медицинской аппаратурой и понимать биофизические аспекты ее функционирования. Содержание физики для инженера медико-биологического профиля охватывает изучение принципов работы электронной и физиотерапевтической медицинской техники, физических основ воздействия высокочастотных токов и полей, устройства и принципов действия аппаратов диатермии, дарсонвализации и микроволновой терапии, а также физических процессов, происходящих в биосистемах, и основ электробезопасности при использовании и ремонте медицинской техники.
По этой причине целесообразно внедрять новую модель обучения физике бакалавров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии», основная идея которой состоит в интеграции фундаментальной и прикладной области знаний для биомедицинского инженера через введение трех основных составляющих в содержание курса физики и процесс его освоения в вузе (таблица).
Такая модель обучения физике позволяет развивать «метапредметное инженерное мышление», под которым понимается процесс усвоения и логики использования совокупности физико-математических, биотехнических и медико-биологических знаний. При наличии метапредметного инженерного мышления с профильной ориентацией будущему инженеру направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» легче решать задачи, требующие понимания как технических характеристик медицинского оборудования (например, физиотерапевтических аппаратов УВЧ- и СВЧ-диапазонов), так и физических процессов, происходящих в живых системах (например, рост температуры растворов электролита и диэлектрика при их внесении в переменное электрическое поле ультравысокой частоты).
Выводы
1. Для соответствия требованиям подготовки инженерных кадров в вузах России и общественному запросу на высококвалифицированные инженерные кадры по ремонту и эксплуатации медицинского оборудования необходимо выстраивать обучение физике в вузе на основе предложенной модели через интеграцию медико-биологической, биотехнической и физико-математической составляющих обучения физике будущего биомедицинского инженера, что способствует развитию его метапредметного инженерного мышления.
2. Обоснована модель обучения физике бакалавров «Биотехнические системы и технологии», учитывающая профиль инженерной деятельности и интегрирующая фундаментальные и прикладные аспекты в содержания физики, изучаемой в контексте будущей профессиональной деятельности инженеров.
3. Разработана и внедрена в образовательный процесс ВолгГМУ модель обучения физике бакалавров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии».
4. Дополнено научное знание теоретико-практическим обоснованием новой модели обучения физике бакалавров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» и доказана необходимость и целесообразность интеграции физико-математической, биотехнической, медико-биологической составляющих при обучении физике будущих инженеров медико-биологического профиля в вузе с целью формирования у них «метапредметного инженерного мышления» как основы совокупности профессиональных компетенций.
Заключение
Обучение физике будущих инженеров направления подготовки «Биотехнические системы и технологии» должно учитывать медико-биологическую специфику будущей профессии данного профиля и включать в себя не только изучение общих разделов физики, но и применение знаний по физике из них к области медицины. Это, с одной стороны, требует интеграции физики с профильными областями знаний и клиническими дисциплинами, которые студенты изучают на старших курсах в вузе, с другой – ориентации на формирование практических навыков работы у будущих специалистов с медицинской аппаратурой. Следовательно, если подготовка по физике будущих инженеров медико-биологического профиля будет выстраиваться на основе предложенной модели, позволяющей учитывать специфику профессиональной деятельности будущего инженера по ремонту и эксплуатации медицинской аппаратуры, то формирование компетенций в соответствии с требованиями ФГОС ВО для бакалавриата по направлению подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» будет осуществляться комплексно, способствуя развитию метапредметного инженерного мышления у биомедицинских инженеров.