Моделирование в биотехнических системах
Описание: Данная дисциплина нацелена на ознакомление магистрантов с основными методами решения задач на основе имитационного моделирования, получение навыков создания моделей биотехнических систем, изучение методов планирования экспериментов, применение полученных знаний при создании и проведении экспериментов с имитационными моделями систем различной сложности.
Количество кредитов: 6
Пререквизиты:
- Биотехнические системы и технологии
Трудоемкость дисциплины:
| Виды работ | часы |
|---|---|
| Лекции | 30 |
| Практические работы | |
| Лабораторные работы | 30 |
| СРОП | 30 |
| СРО | 90 |
| Форма итогового контроля | экзамен |
| Форма проведения итогового контроля | устный экзамен |
Компонент: Вузовский компонент
Цикл: Профилирующие дисциплины
Цель
- Формирование у студентов компетенций в области математического и компьютерного моделирования биотехнических систем, а также развитие навыков проектирования, анализа и оптимизации таких систем с использованием современных методов вычислительной биологии и инженерных подходов.
Задача
- получение навыков создания моделей биотехнических систем
- изучение методов планирования экспериментов
- применение полученных знаний при создании и проведении экспериментов с имитационными моделями биотехнических систем различной сложности
Результат обучения: знание и понимание
- описывать основные методы моделирования биотехнических систем, включая математические модели, стохастические процессы, методы машинного обучения
Результат обучения: применение знаний и пониманий
- разрабатывать математические и компьютерные модели биотехнических систем и адаптировать их под различные задачи,
- использовать вычислительные методы для анализа и оптимизации биотехнических процессов, медицинских устройств,
- анализировать и интерпретировать результаты моделирования для разработки биомедицинских решений,
Результат обучения: формирование суждений
- оценивать качество моделей и корректировать их параметры на основе экспериментальных данных,
- критически анализировать существующие модели и их применимость к реальным биотехническим системам,
- обоснованно выбирать методы моделирования в зависимости от целей исследования,
Результат обучения: коммуникативные способности
- оформлять научные и технические отчёты, описывая построенные модели и полученные результаты,
- использовать цифровые технологии для визуализации результатов (графики, 3D-модели, симуляции),
Результат обучения: навыки обучения или способности к учебе
- применять методы математического и компьютерного моделирования для анализа и оптимизации биотехнических систем, включая численные методы, машинное обучение и симуляции физиологических процессов,
- выбирать наиболее подходящие модели и вычислительные инструменты для решения конкретных задач в области биомедицинской инженерии, обосновывая свой выбор на основе научных данных и экспериментальных результатов.
Методы преподавания
Учебно-модульная, компьютерная
Оценка знаний обучающегося
Преподаватель проводит все виды работ текущего контроля и выводит соответствующую оценку текущей успеваемости обучающихся два раза в академический период. По результатам текущего контроля формируется рейтинг 1 и 2. Учебные достижения обучающегося оцениваются по 100-балльной шкале, итоговая оценка Р1 и Р2 выводится как средняя арифметическая из оценок текущей успеваемости. Оценка работы обучающегося в академическом периоде осуществляется преподавателем в соответствии с графиком сдачи заданий по дисциплине. Система контроля может сочетать письменные и устные, групповые и индивидуальные формы.
| Период | Вид задания | Итого |
|---|---|---|
| 1 рейтинг | рубежный контроль 1 | 0-100 |
| лабораторная работа "Введение в моделирование биотехнических систем" | ||
| лабораторная работа "Численные методы решения биомедицинских задач " | ||
| лабораторная работа "Моделирование кровообращения и дыхательной системы " | ||
| 2 рейтинг | рубежный контроль 2 | 0-100 |
| лабораторная работа "Биомеханическое моделирование " | ||
| лабораторная работа "Компьютерное моделирование нейронных сетей и работы мозга" | ||
| лабораторная работа "Моделирование цифрового двойника пациента " | ||
| Итоговый контроль | экзамен | 0-100 |
Политика оценивания результатов обучения по видам работ
| Вид задания | 90-100 | 70-89 | 50-69 | 0-49 |
|---|---|---|---|---|
| Отлично | Хорошо | Удовлетворительно | Неудовлетворительно | |
| Лабораторная работа | Проявлена превосходная теоретическая подготовка. Необходимые навыки и умения полностью освоены. Результат лабораторной работы полностью соответствует её целям. | Проявлена хорошая теоретическая подготовка. Необходимые навыки и умения в основном освоены. Результат лабораторной работы в основном соответствует её целям. | Проявлена удовлетворительная теоретическая подготовка. Необходимые навыки и умения частично освоены. Результат лабораторной работы частично соответствует её целям. | Проявлена неудовлетворительная теоретическая подготовка. Необходимые навыки и умения не своены. Результат лабораторной работы не соответствует её целям. |
| рубежный контроль | рубежный тест оценивается по шкале: 18-20 баллов – продемонстрированы знания на высоком уровне | рубежный тест оценивается по шкале: 14-17 баллов – продемонстрированы знания на базовом уровне | рубежный тест оценивается по шкале: 13-10 баллов – продемонстрированы знания на удовлетворительном уровне | рубежный тест оценивается по шкале: 0-9 баллов – знания считаются не освоенными |
Форма оценки
Итоговая оценка знаний обучающего по дисциплине осуществляется по 100 балльной системе и включает:
- 40% результата, полученного на экзамене;
- 60% результатов текущей успеваемости.
Формула подсчета итоговой оценки:
| И= 0,6 | Р1+Р2 | +0,4Э |
| 2 |
где, Р1, Р2 – цифровые эквиваленты оценок первого, второго рейтингов соответственно; Э – цифровой эквивалент оценки на экзамене.
Итоговая буквенная оценка и ее цифровой эквивалент в баллах:
Буквенная система оценки учебных достижений обучающихся, соответствующая цифровому эквиваленту по четырехбалльной системе:
| Оценка по буквенной системе | Цифровой эквивалент | Баллы (%-ное содержание) | Оценка по традиционной системе |
|---|---|---|---|
| A | 4.0 | 95-100 | Отлично |
| A- | 3.67 | 90-94 | |
| B+ | 3.33 | 85-89 | Хорошо |
| B | 3.0 | 80-84 | |
| B- | 2.67 | 75-79 | |
| C+ | 2.33 | 70-74 | |
| C | 2.0 | 65-69 | Удовлетворительно |
| C- | 1.67 | 60-64 | |
| D+ | 1.33 | 55-59 | |
| D | 1.0 | 50-54 | |
| FX | 0.5 | 25-49 | Неудовлетворительно |
| F | 0 | 0-24 |
Темы лекционных занятий
- Введение в моделирование биотехнических систем
- Математические основы моделирования биологических процессов
- Методы верификации и валидации моделей
- Моделирование физиологических систем организма
- Биомеханическое моделирование
- Моделирование биохимических процессов и клеточных систем
- Компьютерное моделирование нейронных сетей и мозга
- Моделирование биосенсоров и медицинских приборов
- Моделирование лекарственного действия и фармакокинетики
- Цифровые двойники в медицине и биотехнических системах
- Моделирование в персонализированной медицине
- Моделирование взаимодействий человека и биотехнических систем
- Вычислительные методы для анализа биомедицинских данных
- Будущее моделирования в биомедицине
- Разбор реальных кейсов и обсуждение проектов
Основная литература
- Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем: Учеб. пособие / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.И. Муратова, А.А. Ермаков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005, 80 с.
- Устюжанин В.А. Моделирование биотехнических систем: учеб. пособие / В.А.Устюжанин, И.В.Яковлева. - Старый Оскол: ТНТ, 2014. - 215 с.
- Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001, 320 с.
Дополнительная литература
- Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Дворецкий Д.С. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003, 224 с.
- Протопопов И.И., Пащенко Ф.Ф. Компьютерное моделирование биотехнологических систем: Учеб. пособие. М.: МГУПБ, 2003 Ч. 1, 116 с.
