CC BY
59
Дисциплина «Информационные технологии прогнозирования и анализа биологической активности органических соединений» с элементами дистанционного обучения на платформе МооШе
Шамсутдинова Лариса Петровна доцент кафедры органической химии, к.х.н., ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический
университет»,
Российская Федерация, 420015 Казань, ул. К. Маркса, 68. larisasham@maП. т
Дмитриева Людмила Михайловна доцент кафедры «Методологии инженерной деятельности ИДПО ФГБОУ ВО
КНИТУ», к.ф-м.н.,
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический
университет»,
Российская Федерация, 420015 Казань, ул. К. Маркса, 68. dmitrieva 1946@icloud.com
Аннотация
В статье рассматриваются цели и задачи дисциплины «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» и их реализация методом проектов в среде Moodle. The goals and objectives of the discipline "Information Technologies for Analysis and Forecast of the Biological Activity of Organic Compounds" and their implementation by the project method in the Moodle are considered.
Ключевые слова
проектный метод, хемоинформатика, прогноз и анализ биологической активности органических соединений, элементы дистанционного обучения project method, chemoinformatics, forecast and analysis of biological activity of organic compounds, elements of distance learning
Введение
Развитие информационных и компьютерных технологий неизмеримо расширило возможности современной науки. На стыке теоретической физики, прикладной математики, информатики, биологии, фармокологии, математической статистики появилось новое мультидисциплинарное направление -хемоинформатика (компьютерная химия). Еще в 1966 году лауреат Нобелевской премии Р. Малликен, разработавший основы теории молекулярных орбиталей, писал, что наступит такая эра, когда химики сотнями, если не тысячами, пойдут не в лаборатории, а к вычислительным машинам [1]. В настоящее время компьютерные технологии стали привычным инструментом химиков-исследователей, преподавателей химии, инженеров, технологов и студентов.
Одной из важнейших задач современной химии является направленный синтез веществ с заданными свойствами. Привычные экспериментальные методы
создания новых соединений, а также способы определения биологической активности являются затратными и не всегда эффективными. В связи с этим, актуальным является вопрос предсказания свойств еще не полученных химических соединений или новых материалов. Эту задачу решает хемоинформатика.
Несмотря на актуальность этого направления, относительно немногие элементы хемоинформатики преподаются в университетах мира и нашей страны. В Страсбургском университете (Франция) и Университете штата Индиана (США) действуют магистерские программы по данной дисциплине с 2001 года. В России первая магистерская программа «Хемоинформатика и молекулярное моделирование» открыта в 2012 году в Казанском федеральном университете [2]. Отдельные главы хемоинформатики преподаются в МФТИ и МГУ им. М.В. Ломоносова, и с 2015 года в ФГБОУ ВО КНИТУ на кафедре органической химии введен курс для магистров «Информационные технологии прогнозирования и анализа биологической активности органических соединений».
Исследовательский подход в работе, умение отвечать на новые ситуации, анализировать и решать проблемы, способность осваивать и использовать новейшие информационные технологии наряду со знаниями и умениями в профессиональной области являются важными факторами успешной профессиональной деятельности химика в информационном обществе.
Использование проектного метода в процессе обучения студентов
Выпускники современной системы высшего образования должны обладать компетенциями, позволяющими им находить инновационные решения возникающих профессиональных проблем, ставить и решать новые задачи, развивать свой творческий потенциал для повышения эффективности деятельности. На основе анализа современных моделей обучения (проблемное, проектное, развивающее, контекстное, модульное, концентрированное), выполненного профессором Ибрагимовым И.Г., был сделан вывод, что все их объединяет идея проблемности, которая является объективно необходимым условием реализации компетентностного подхода [3].
Информационное и техническое развитие в XXI веке требует использования активного и интерактивного обучения студентов наряду с традиционными методиками. В связи с этим, модель проблемного обучения с привлечением информационных технологий, целью которой является формирование творческих способностей обучающихся и развитие их личности в целом, является наиболее эффективной и актуальной.
Возникает необходимость использования образовательных технологий, которые обеспечивают организацию учебно-воспитательного процесса, включающего в себя наиболее продуктивное взаимодействие участников друг с другом, совместный поиск и обмен информацией, технологии моделирования проблем и ситуаций. Эта образовательная технология должна быть ориентирована на перспективный уровень развития творческих и мыслительных способностей, а также способствовать саморазвитию студентов.
Таким требованиям отвечает проектный метод, целью которого является развитие самообразовательной активности студентов. Как отмечает Федотова Е.Л., проект определяется как организованная целенаправленная деятельность. Результатом проектной деятельности студентов под руководством преподавателя является новое знание, которое они применяют для подготовки и защиты проектной работы. В данном случае преподаватель не просто передает свои знания студентам, а учит приобретать их и использовать самостоятельно для решения проблемных ситуаций или задач, использовать исследовательские методы - сбор информации,
анализ, выдвижение гипотез, умение делать выводы, заключения, оформление в виде презентации и защиты. Разработка проекта подразумевает четкий алгоритм исследовательской деятельности по решению задачи под руководством преподавателя [4].
Реализация данного метода должна предусматривать целый комплекс образовательных услуг, предоставляемой с помощью специализированной информационной среды, сочетающей активные и интерактивные формы обучения на занятиях с преподавателем и внеаудиторную самостоятельную работу студентов.
Использование элементов дистанционного обучения в проектной образовательной деятельности позволит создать механизм дополнительного сопровождения самостоятельной работы студентов.
В комплекс используемых технических средств могут входить различные информационные ресурсы, компьютерные программы и технологии, спутниковое телевидение, компьютерные сети, мультимедиа, аудио и видеоматериалы, а также телекоммуникационные сети, которые позволяют организовывать общение студента с преподавателем в режиме реального времени в удобное для них время.
Одним из применяемых технических средств является инструментальная система многофункционального назначения DOCENS, разработанная на кафедре методологии инженерной деятельности ЦППКП КНИТУ [5]. Одной из ее функций, является создание автономных (offline) педагогических программных средств (обучающих, контролирующих, тестирующих программ). Использование ИС DOCENS является достаточно простым для преподавателей, желающих создать педагогическое программное средство для своей дисциплины и не требует специальных знаний.
Назначением инструментальной системы DOCENS является создание педагогического программного продукта и внедрения этого продукта в учебный процесс. ИС DOCENS позволяет создавать контролирующие и обучающие программы для любых алгоритмов, использовать графические объекты, различные виды обратной связи и способы обработки числовой и символьной информации [6].
III 1С. созданные в системе DOCENS, отличаются многообразием алгоритмических решений, допускают управление последовательностью действий со стороны обучающегося, предъявляют задания различных форм и формулировок, предоставляют студенту удобную эргономичную обратную связь.
Цели и задачи дисциплины «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений»
Целями освоения дисциплины «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» для магистров являются:
• изучение основ информационного поиска, эффективного использования различных информационных ресурсов (электронных и традиционных);
• освоение компьютерного молекулярного моделирования и конструирования лекарственных препаратов и веществ с потенциальной биологической активностью;
• ознакомление с инструментальными программными средствами компьютерного молекулярного моделирования и конструирования лекарственных препаратов;
• формирование у студентов знаний и умений, позволяющих проводить прогноз биологической активности и токсичности органических соединений и анализ
влияния различных функциональных групп на биологическую активность и токсичность;
Дисциплина «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» относится к базовой части математического и естественнонаучного цикла ООП и формирует у магистров по направлению подготовки «Химия и технология БАС (биологически активных соединений) в медицине и фармации» набор специальных знаний и компетенций, необходимых для выполнения научно-исследовательской и инновационной, и производственно-технологической профессиональной деятельности.
Для успешного освоения дисциплины «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» магистр по направлению подготовки «Химия и технология БАС в медицине и фармации» должен освоить материал предшествующих дисциплин:
а) высшая математика;
б) информатика;
в) физика
г) общая и неорганическая химия;
д) органическая химия.
Дисциплина «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» является предшествующей и необходима для успешного усвоения последующих дисциплин:
а) основы научных исследований и проектирования;
б) технология основного органического и нефтехимического синтеза;
в) катализ в органической технологии;
г) химия и технология органических веществ;
д) теория химико-технологических процессов органического синтеза;
е) технология тонкого органического синтеза;
Знания, полученные при изучении дисциплины «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» могут быть использованы при прохождении учебной, производственной, преддипломной практик и выполнении выпускных квалификационных работ.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины:
1. ОК-1 способность к абстрактному мышлению, анализу, синтезу;
2. ОК-5 способность к профессиональному росту, к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно -производственного профиля своей профессиональной деятельности;
3. ОК-9 способность с помощью информационных технологий к самостоятельному приобретению и использованию в практической деятельности новых знаний и умений, в том числе в областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности;
4. ОПК-3 способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в соответствии с направлением и профилем подготовки;
5. ОПК-4 готовность к использованию методов математического моделирования материалов и технологических процессов, к теоретическому анализу и экспериментальной проверке теоретических гипотез;
6. ПК-3 использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире;
7. ПК-14 способность строить и использовать математические модели для описания и прогнозирования различных явлений, осуществлять их качественный и
количественный анализ, способность использовать пакеты прикладных программ при выполнении работ;
8. СК-2 устанавливать взаимосвязи между химическим строением и его свойствами;
9. СК-6 владеть приемами регулирования свойств химических веществ с целью приобретения ими биологической активности;
10. СК-10 Умение работать с электронными поисковыми системами «Sciencedirect», «Scopus», «Web of Science» и т.п., а также осуществлять поиск информации по электронным библиотекам elibrary.ru, Учебно-научно-информационного центра КНИТУ и др.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
• о возможностях и способах информационного поиска научной и патентной литературы, критериях отбора нужной информации;
• об основных методологических подходах в компьютерном молекулярном моделировании и конструировании лекарственных препаратов;
• об основных этапах компьютерного молекулярного моделирования и конструирования лекарственных препаратов, определения их простейших параметров с помощью компьютерных программ;
• основы химии биологически активных веществ;
• о современных подходах к теоретическому исследованию биологической активности и токсичности химических соединений;
• об основных этапах проведения компьютерного прогнозирования биологической активности и токсичности органических соединений.
Уметь:
• проводить поиск научной, патентной и учебной информации по заданной
теме;
• применять программные средства для построения структур химических соединений и определения их параметров;
• проводить расчеты для определения физико-химических и возможных биологических свойств как известных, так и новых органических соединений с ранее неизвестной структурой с помощью компьютерных программ;
• делать анализ влияния функциональных групп на изменение биологической активности и токсичности химических соединений;
• оформить, представить и защитить исследование с помощью средств мультимедиа и презентации.
Владеть: основами работы на компьютере в операционных системах семейства Windows, в программах Microsoft Word, Microsoft Excel (для составления графиков и диаграмм), ChemOffice, ACD/CHEMSKETCH, HyperChem, ISIS/Draw, PASS, GUSAR (для создания молекулярных структур и расчетов их свойств, структурных химических формул) и др.
Реализация проектного курса с помощью использования современных информационных технологий
Проектный курс «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» сопровождается активным использованием Moodle. В 2016 году создан курс, который наполнен содержимым в виде текстов, вспомогательных файлов, презентаций, видеоматериалов, опросников, гиперссылок на используемые сайты и т.п.
Система дистанционного обучения Moodle - одна из новых педагогических технологий. Moodle - система управления курсами (электронное обучение), также известная как система управления обучением или виртуальная обучающая среда (англ.). Является аббревиатурой от англ. Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment (модульная объектно-ориентированная динамическая обучающая среда). Представляет собой свободное (распространяющееся по лицензии GNU GPL) веб-приложение, предоставляющее возможность создавать сайты для онлайн-обучения
[7].
Для использования Moodle достаточно иметь web-браузер, что делает использование этой учебной среды удобной как для преподавателя, так и для обучающихся. По результатам выполнения студентами-магистрами заданий, преподаватель может выставлять оценки и давать комментарии. Таким образом, Moodle является и центром создания учебного материала и обеспечения интерактивного взаимодействия между участниками учебного процесса [8].
Проектный курс «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» использует элементы дистанционного обучения наряду с традиционными.
Магистры, получив задание на исследование и прогнозирование биологической активности известного лекарственного препарата или соединения, в течение семестра проводят изучение его свойств с помощью компьютерных и информационных технологий, выдвигают гипотезу, делают анализ соответствия литературных данных с полученными с помощью программ, а также исследуют влияние функциональных групп на изменение биологической активности и токсичности этих соединений, подбирают аналоги.
Рис. 1 Схема проекта курса
В функции преподавателя входит мониторинг процесса обучения, консультации в случаях возникновения непреодолимых трудностей и контроль уровня усвоения знаний. Проект завершается оформлением и защитой работы в виде презентации.
Ниже приведены некоторые слайды из презентационных работ магистров 2016 года обучения.
Рис. 2 Анализ биологической активности препарата «Норсульфазол», вполненной в программе PASS ONLINE
Построение моделей молекулярных структур и определение их простейших параметров с помощью компьютерных программ
ф Manuele«* ОнМгкс
ln*4 Manuele« Daune* |N 7 С St 241ЭА
lnMBondAnc*lC3 С5.Н20» 119 87$ Deg
tm 119 876 -t- [i^
<»«г0е|Н7.С6.С5.Н2П 0662D«g • : Dm
IP*,
О
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ, А ТАКЖЕ НАХОЖДЕ^Е ДЛИНЫ СВЯЗИ И ВЕЛИЧИНЫ УГЛОВ С ПОМОЩЬЮ 3D VIEWER
: ндхожДЕф? длины связи и 41
Рис. 3 Построение модели химического соединения с помощью программы 3D
VIEWER
Токсичность триптофана проверенная на крысах
Kai acute toxicity predicted by Gl'SAR
Rai IP LD50 LogKXmmol k«l Rai IV I.D50 loglOiaimol kg) Rai Oral LD50 log 1<X mmol k«) |Ral SC' LD50 logKH mmol kg)
11 ...AD in AD : • .., AD p'Ts ...AD
|1Ы IP LD50 Rai IV LO50 (mg kf) Rai OralLD50(mgkg) ¡Rai SC LD50 (oif kg>
[1445 ООО ш АО ¡|i:0 600 Ш AD "*'(6890 000 «AD [5г*Ю u.AD
Aral* Rodrai ToiKin Cbttificjlioi i of ( bnurah b> OECD ProjKl
Kit IP LD50 t Ымбсамоа Rai IV LD50 ( lj»\ifit jiion Rai Oral LD50 CMflatffea К и м LD*0 Clatufxalioa
¡Noa Тохк ш AD ¡Clav» 4 in AD |Noo Toxic ш AD |CU«4 in AD
1Р- Внутрибрюшное введение IV внутривенное введение Ога1- пероральное введение ЭС внутримышечное введение 1п АО - в области применимости Ои» о! Ай - вне области применимости
Рис. 4 Анализ токсичности препарата «Триптофан», выполненной в программе
2три Исключении III формулы кофеина : атомов кислорода пропадаю! следую] астианостеА:
- Muscle relaxant (еннжаег мышечный тоиус)
- Radiosensitive! (прогавоопухолевый! • ЧчМ1К>Ь,к (подавляет мышечный спатм) ' P«pa\cnn-hkc(ncuaMaei мышечный спатм) -Cyclic AMP phosphodiesterase inhibitor (для расширенна сосудов в Леш»)
- Respiratory' analeptic ( дня снижения сосудистого тонуса)
• Nucleotide metabolism гсви!.1"чг(рс1уднрус1 метаболиты нуклеошдов)
• Пшг^мувелнчсние мочеиспускание)
- Vasodilator (в rcpaluiu сердечной недостаточности н гипертонии)
- Phospholipid-tiaiislocatiini.\rP«se inhibitor ■ Analq>iic(cnniy]tHpyrr дыхетельный и сосудо-двкгаельный центры головного Moira)
- Vasodilator penplieral
(нышвает расширение периферических сосудов)
си««. taswrassrasi
■TtSSSSiq
Рис. 5 Анализ влияния функциональных групп на основные виды биологической активности «кофеина», производимый с помощью моделирования структур различного строения
При изучении дисциплины Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений предусматривается выполнение лабораторных работ (60 баллов), написание отчетов-рефератов (10 баллов), подготовка презентации и доклада (20 баллов), текущая успеваемость (10 баллов).
Таким образом, максимальное количество баллов, набранное за семестр -100, минимальное количество баллов - 60.
Шкала оценивания приведена в таблице 1
Таблица 1
Шкала оценивания_
Цифровое выражение Выражение в баллах БРС: Словесное выражение Описание оценки в требованиях к уровню и объему компетенций
5 от 87 до 100 Отлично (зачтено) Освоен превосходный уровень всех составляющих компетенций ОК-1, ОК-5, ОК-9, ОПК-3, ОПК-4, СК-2, СК-3
4 от 73 до 87 Хорошо (зачтено) Освоен продвинутый уровень всех составляющих компетенций ОК-1, ОК-5, ОК-9, ОПК-3, ОПК-4, СК-2, СК-3
3 от 60 до 73 Удовлетворит. (зачтено) Освоен пороговый уровень всех составляющих компетенций ОК-1, ОК-5, ОК-9, ОПК-3, ОПК-4, СК-2, СК-3
2 до 60 Неудовлетворит. (незачтено) Не освоен пороговый уровень всех составляющих компетенций ОК-1, ОК-5, ОК-9, ОПК-3, ОПК-4, СК-2, СК-3
Превосходный уровень достигнут, когда студентом проведена защита исследовательской работы в виде презентации и доклада к ней, даны ответы на все вопросы, выполнены все текущие лабораторные работы, написаны рефераты и отчеты по занятиям.
Продвинутый уровень достигнут, когда студентом проведена защита исследовательской работы, даны ответы на 20-24 вопроса, выполнены 3 лабораторных работы, написаны 2 реферата.
Пороговый уровень достигнут, когда студентом проведена защита, даны ответы на 14-19 вопросов, выполнены 2 лабораторных работы, написан 1 реферат.
Пороговый уровень студентом не достигнут при отсутствии презентации, ответе на 10 вопросов и менее, выполнении только одной лабораторной работы и ненаписанных рефератах.
Анализ и оценка разработки
Самостоятельная работа студентов играет наиболее важную роль в процессе обучения магистров. Выполняемые дистанционно и на занятиях задания в рамках проекта позволяют максимально полно усвоить возможности компьютерных и информационных технологий.
Использование системы дистанционного обучения Moodle в качестве сопровождения проектного курса в технологическом вузе является одним из наиболее перспективных и современных инструментов обучения, что позволяет оптимизировать образовательный процесс и повысить его качество.
Заключение
Проанализирована эффективность использования инновационных образовательных методов и технологий в процессе обучения студентов в вузе. Выявлено, что такое обучение в технологическом вузе является перспективным современным организационным методом обучения, который позволяет оптимизировать образовательный процесс и повысить его качество.
Разработана структура и содержание проектного курса, составлена рабочая программа дисциплины. Результаты были представлены на X Международной конференции молодых учёных по химии «МЕНДЕЛЕЕВ-2017» и II школе-конференции «Направленный дизайн веществ и материалов с заданными свойствами» 4-7 апреля 2017 г. Санкт-Петербурге.
Усовершенствован проектный курс с помощью использования современных информационных технологий. Сочетание традиционного обучения с пользованием возможностей системы Moodle в качестве сопровождения проектного курса «Информационные технологии анализа и прогноза биологической активности органических соединений» стимулирует студентов к самостоятельному поиску материалов, творческому анализу, способствует началу самостоятельной научно-исследовательской деятельности обучающихся с разным уровнем начальной подготовки. Широкие возможности и простота ИС DOCENS позволяет создавать контролирующие и обучающие программы для любых алгоритмов, использовать графические объекты, различные виды обратной связи и способы обработки числовой и символьной информации.
Литература
1. Соловьев М.Е., Соловьев М.М. Компьютерная химия. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 536с.
2. Маджидов Т.И. Введение в хемоинформатику (серия пособий) // Международный журнал экспериментального образования. - 2015. - №10-2. - С.198-200.
3. Ибрагимов Г.И. Проблемное обучение в современном мире: оценка, состояние, перспективы развития // VI Международные Махмутовские чтения, 2016. - С.210-216.
4. Федотова Е.Л. Инновационные образовательные методы и технологии в условиях информатизации университета // Экономические и социально-гуманитарные исследования Проблемы общественного развития и образования. - 2014. - №3. -С. 125-131.
5. М.Е. Дмитриев, Л.М. Дмитриева, В.В. Кондратьев, А.Е.Серёжкина Компьютерные технологии в образовании аспирантов технологического университета. - Казанская наука. №1 2015г. - Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2015. - 232.
6. Инструментальная система DOCENS для проектирования автономных педагогических программных средств: методические указания / М.Е. Дмитриев, А.Е. Серёжкина, Л.М. Дмитриева. - Казань: изд-во МОиН РТ, 2016. - 36 с.
7. Valentina Caputi, Antonio Garrido. Student-oriented planning of e-learning contents for Moodle/ Journal of Network and Computer Applications, Volume 53, July 2015, Pages 115-127.
8. Irina Rymanova, Nikolai Baryshnikov, Anna Grishaeva. E-course Based on the LMS Moodle for English Language Teaching: Development and Implementation of Results/ Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 206, 17 October 2015, Pages 236240.
