Научная статья на тему 'Междисциплинарная биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по техническим направлениям с приставкой «Нано»'

Междисциплинарная биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по техническим направлениям с приставкой «Нано» Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
220
28
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Биотехносфера
ВАК
Ключевые слова
НАНОТЕХНОЛОГИЯ / NANOTECHNOLOGY / ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ / TECHNICAL EDUCATION / БИОЛОГИЯ / BIOLOGY / БИОНИКА / BIONICS / МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ / INTERDISCIPLINARY EDUCATION

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Лучинин Михаил Викторович, Хмельницкий Иван Константинович

Рассмотрена междисциплинарная биологическая составляющая образовательного процесса подготовки бакалавров и магистров по направлениям «Нанотехнологии и микросистемная техника» и «Электроника и наноэлектроника», реализуемая на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») с учетом необходимости формирования технологической культуры нового поколения в рамках развития междисциплинарных научных исследований и разработок, ориентированных на биотехносферу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Лучинин Михаил Викторович, Хмельницкий Иван Константинович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Interdisciplinary biological component in the educational process of bachelor’s and master’s degrees technical areas with the prefix «nano»

The article describes an interdisciplinary biological component in the educational process of bachelor’s and master’s degrees in areas of «Nanotechnology and Microsystem Techniques» and «Electronics and Nanoelectronics» implemented in St. Petersburg State Electrotechnical University (SETU «LETI»), taking into account the need to form a new technological culture generation in the development of interdisciplinary research and engineering which are oriented to biotechnosphere.

Текст научной работы на тему «Междисциплинарная биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по техническим направлениям с приставкой «Нано»»

УДК 378 + 621.37

М. В.Лучинин, И. К. Хмельницкий

Междисциплинарная биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по техническим направлениям с приставкой «нано»

Ключевые слова: нанотехнология, техническое образование, биология, бионика, междисциплинарное образование.

Keywords: nanotechnology, technical education, biology, bionics, interdisciplinary education

Рассмотрена междисциплинарная биологическая составляющая образовательного процесса подготовки бакалавров и магистров по направлениям «Нанотехнологии и микросистемная техника» и «Электроника и наноэлектрони-ка», реализуемая на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») с учетом необходимости формирования технологической культуры нового поколения в рамках развития междисциплинарных научных исследований и разработок, ориентированных на биотехносферу.

Введение

Среди приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Указом Президента № 899 от 7 июля 2011 г., значатся:

• науки о жизни (биотехнологии, медицина и здравоохранение);

• новые материалы и нанотехнологии.

В конце 2013 г. Правительство России сформулировало перечень приоритетных научных задач, среди которых следует выделить следующие задачи, относящиеся к направлению «Науки о жизни»:

• исследование, разработка и создание гибридных, биоподобных и искусственных биологических материалов, структур и систем, в том числе медицинского назначения, а также интеллектуальных технических систем, устройств и их компонентов, включая нейроморфные;

• мозг: когнитивные функции, механизмы ней-родегенерации, молекулярные мишени для ранней диагностики и лечения;

• клеточная и регенеративная медицина: трансплантация органов и тканей, созданных на основе технологии 3Б-культивирования;

• мультиплексные платформы для молекулярной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых, аутоиммунных и инфекционных заболеваний;

• персонализированная медицина социально значимых и орфанных заболеваний эндокринной системы;

• национальная коллекция экспериментальных моделей патологий человека и криобанк биологических материалов;

• разработка новых методов в биотехнологии твердых субстратов и возобновляемой биомассы.

В связи с этим особую роль приобретает «интерфейс» между живой и неживой природой. В области разработки и создания устройств на основе биосред и их аналогов сегодня можно выделить следующие направления:

• использование биосред в реализации прецизионных технологических операций, например операции биостереолитографии с наномолекулярным разрешением;

• создание биосенсоров и актюаторов инвазивно-го и неинвазивного типов для диагностики и коррекции состояния организма;

• создание функциональных биопротезов, обеспечивающих замещение утраченных органов или функций;

• попытка создания сверхмощных систем искусственного интеллекта на основе бионейрочипов и сред с нейроподобной структурой.

Целью данной работы является изложение базового компонента междисциплинарной образовательной парадигмы, реализуемой на базе Санкт-Петербургского государственного электротехниче-

Магистратура

Бионаноинженерия и бионика

1. Конструктивно-архитектурные бионические аналогии опорно-двигательного аппарата

2. Биоэнергетические процессы

3. Биосенсорные системы и их имитация

4. Информационная нейробионика

5. Биомиметика и биоимпринтные технологии

6. Биотехнология и генная инженерия

Химия наносистем

1. Физическая химия поверхности твердого тела

2. Модели нанокластеров и их реакций

3. Химия наночастиц металлов и их оксидов

4. Наночастицы элементов группы углерода

5. Химия коллоидных кластеров и наноструктур

6. Макромолекулярные и супрамолекулярные наноструктуры

7. Размерные эффекты в нанохимии

8. Безопасность материалов и процессов наноиндустрии

Основы биологии и биофизики

1. Основы молекулярной биологии и генетики

2. Основы молекулярной биофизики

3. Биофизика клетки

4. Биоэлектрические явления

5. Биоэнергетика

6. Биомоторика

7. Биофизика органов чувств

Бакалавриат

Органическая и коллоидная химия

1. Классификация органических соединений

2. Углеводороды

3. Галогенопроизводные углеводородов

4. Простые органические кислород- и серосодержащие соединения

5. Органические соединения азота

6. Карбонильные соединения

7. Карбоновые кислоты и их производные

8. Элементы биоорганической химии и биохимии

9. Классификация дисперсных систем

10. Термодинамика и строение поверхностного слоя

11. Адсорбционные равновесия

12. Кинетические свойства и методы исследования дисперсных систем

13. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем

14. Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Химия

Математика Информатика Физика

Базовые дисциплины

Рис. 1

Биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника»

Магистратура

Бионаноинженерия и бионика

1. Конструктивно-архитектурные бионические аналогии опорно-двигательного аппарата

2. Биоэнергетические процессы

3. Биосенсорные системы и их имитация

4. Информационная нейробионика

5. Биомиметика и биоимпринтные технологии

6. Биотехнология и генная инженерия

Химия наносистем

1. Физическая химия поверхности твердого тела

2. Модели нанок ластеров и их реакций

3. Химия наночастиц металлов и их оксидов

4. Наночастицы элементов группы углерода

5. Химия коллоидных кластеров и наноструктур

6. Макромолекулярные и супрамолекулярные наноструктуры

7. Размерные эффекты в нанохимии

8. Безопасность материалов и процессов наноиндустрии

Бакалавриат

Биоорганическая химия

1. Классификация и номенклатура биоорганических соединений

2. Биополимеры

3. Аминокислоты, белки, пептиды

4. Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

5. Углеводы

6. Липиды

7. Низкомолекулярные биорегуляторы

8. Физико-химические методы выделения и исследования биоорганических соединений

Органическая и коллоидная химия

1. Классификация органических соединений

2. Углеводороды

3. Галогенопроизводные углеводородов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Простые органические кислород- и серосодержащие соединения

5. Органические соединения азота

6. Карбонильные соединения

7. Карбоновые кислоты и их производные

8. Элементы биоорганической химии и биохимии

9. Классификация дисперсных систем

10. Термодинамика и строение поверхностного слоя

11. Адсорбционные равновесия

12. Кинетические свойства и методы исследования дисперсных систем

13. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем

14. Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Химия

Математика Информатика Физика

Базовые дисциплины

Рис. 2

Биологическая составляющая в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника»

| № Б(3Б)/2014

биотехносфера

Содержание дисциплин для обеспечения элементов «биологических» компетенций при подготовке студентов по техническим направлениям с приставкой «нано»

Наименование дисциплины

Содержание дисциплины

Органическая и коллоидная химия

Биоорганическая химия

Основы биологии и биофизики

Химия наносистем

Бионаноинженерия и бионика

Биоорганическая электроника

Б а к а л а в р и а т

Целью изучения дисциплины является формирование представлений об основных положениях органической и коллоидной химии, о строении и реакционной способности важнейших классов органических соединений. Рассматриваются основные классы органических соединений, методы их получения и свойства. Даны представления об агрегативной устойчивости и получении дисперсных систем, термодинамике и кинетике поверхностных явлений, а также об основных свойствах аэрозолей, суспензий, эмульсий, гелей

Целью изучения дисциплины является формирование представлений об основных положениях биоорганической химии, классификации биополимеров, строении, реакционной способности и биологической роли важнейших классов биоорганических соединений. Рассмотрены основные физико-химические методы выделения и исследования биоорганических соединений

Целью изучения дисциплины является формирование представлений о базовых положениях молекулярной биологии и генетики, биофизических процессах на различных уровнях организации и функционирования биосистем

М а г и с т р а т у р а

Целью изучения дисциплины является ознакомление с химическими свойствами, методами получения, принципами функционирования и использования наночастиц и нанокластеров, включая термодинамику и кинетику межфазных границ, механизмы проявления химической активности, а также безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии

Целью изучения дисциплины является формирование представлений о возможности применения при создании технических систем архитектуры, материаловедческой базы и процессов, характерных для объектов живой природы, а также приобретение навыков использования принципов организации и функционирования биообъектов при решении инженерных задач на микро- и наноуровнях

Целью изучения дисциплины является формирование представлений о проблемах создания и использования биоорганических молекул и комплексов при решении инженерных задач формирования биомолекулярных систем, обладающих способностью к восприятию, преобразованию, генерации и передаче информации в рамках бионического и квантово-информа-ционного подходов

ского университета «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») в рамках обеспечения биологической составляющей в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлениям «Нанотехнологии и микросистемная техника» и «Электроника и на-ноэлектроника».

Междисциплинарный научно-образовательный базис

Биоорганические и конвергентные бионеорганические надмолекулярные композиции рассматриваются как основа «функциональных» сред будущего. Это обусловлено их структурно-морфологическим и химическим многообразием, особенностями переноса в них энергии и заряда, а также проявлением свойств, присущих биосредам (сверхбольшая информационная емкость, высокая удельная энергонасыщенность, селективность к внешним воздействиям, ассоциативность и распределенность процессов обработки информации) [1]. Кроме того, в таких средах могут сочетаться процессы функционирования и самообновляющегося синтеза. Неорганический элемент надмолекулярной композиции

может выполнять функции не только субстрата, но и активной диагностирующей или исполнительной среды.

В рамках Программы стратегического развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» на 2012-2016 гг. реализуются проекты по следующим междисциплинарным тематическим направлениям:

1) биомедицинские технологии.

Проведение комплекса научных исследований, экспериментальных работ и практико-ориентированных инновационных разработок в области микро- и наноанали-тических систем на кристалле для иммунологического и генетического анализа, контактного и дистанционного контроля и прогнозирования состояния биологических объектов и человека;

2) нано-, био-, информационные и когнитивные технологии.

Проведение НИОКР по технологиям превосходства в области микро- и наноразмерных структур спин-волновой электроники, синтеза бионических наносистем, эволюции открытых био- и техносферных систем;

3) безопасность и противодействие терроризму.

Проведение НИОКР по разработке сверхминиатюрных сенсоров для обеспечения медико-биологической безопасности и массового скрининга населения, а также

информационной безопасности инфотелекоммуникаци-онных систем.

Реализация в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» платформы «Биотехносфера» предполагает исследовательскую, инженерную и образовательную деятельность по следующим направлениям:

• молекулярный дизайн искусственных протеиновых систем для биосенсорики и трансплантологии;

• биомиметические материалы, биокомпозиты, ЭБ-биопечать;

• мультикомплексные микроплатформы («лабо-ратории-на-чипе») для биомолекулярной экспресс-диагностики патологических состояний и патогенных инфекций;

• интеллектуальные ткани («умная одежда») для персонального неинвазивного медико-биологического экспресс-мониторинга;

• микро- и наносистемы биометрической идентификации личности;

• бионические робототехнические системы, включая биоподобные и антропоморфные устройства, искусственные органы и конвергентные (гибридные) системы на основе интеграции биообъектов и технических микро- и наносистем;

• информационные технологии дополненной и виртуальной реальности биомедицинского назначения.

При реализации профессионально ориентированной подготовки бакалавров и магистров в первую очередь необходимо ответить на нижеследующие вопросы.

• Какова сфера будущей профессиональной деятельности обучающегося?

• Какие реальные компетенции должны быть сформированы у обучающихся?

• Какова планируемая востребованность обучающихся с данными компетенциями?

• Какая программа подготовки необходима для достижения востребованных знаний и умений?

• Какие знания и умения необходимы преподавателям с учетом особенностей технической направленности образования у обучающихся?

С учетом необходимости формирования технологической культуры нового поколения в рамках развития междисциплинарных научных исследований и разработок, ориентированных на биотехносферу, в рабочие программы подготовки студентов по направлениям с приставкой «нано» (рис. 1 и 2) был включен комплекс дисциплин, обеспечивающих приобретение базовых элементов «биологических» компетенций [2].

Содержание дисциплин биологической ориентации при подготовке бакалавров и магистров «Нанотехнологии и микросистемная техника» и «Электроника и наноэлектроника» представлены в таблице.

Заключение

Формирование на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» мульти-дисциплинарного научно-образовательного кластера «Биотехносфера» определило реализацию подготовки бакалавров и магистров в рамках направлений «Нанотехнологии и микросистемная техника» и «Электроника и наноэлектроника» и включение в образовательный процесс парадигмы, отражающей функциональные и прикладные основы биомедицинских и бионических систем и технологий для обеспечения жизнедеятельности человека и расширения его функциональных возможностей.

Литература

1. Лучинин В. В. Наноиндустрия и «человеческий капитал» // Наноиндустрия. 2007. № 6. C. 2-8.

2. Профессионально ориентированное кадровое обеспечение наноиндустрии / A. C. Иванов, А. В. Корляков, В. В. Лучинин, Ю. М. Таиров // Наноиндустрия. 2009. № 4. C. 76-81.

биотехносфера

I № Б(3Б)/2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.