CC BY
26
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
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
