Μοντελοποίηση φυσικοχημικών διεργασιών στην Βιολογία

Στόχοι του μαθήματος

• Ο τρόπος διδασκαλίας βασίζεται πέρα από τις κλασικές διαλέξεις στην διαδικασία μάθησης βασισμένης σε ένα πρόβλημα/θέμα, όπου οι φοιτητές καλούνται να υλοποιήσουν, σε ομάδες, συγκεκριμένες υπολογιστικές εφαρμογές που θα επιλέξουν, συνδυάζοντας την ατομική μελέτη την δυνατότητα αναζήτησης και σύνθεσης πληροφοριών μέσα στα πλαίσια συνεργασία σε μία μικρή ομάδα. Η διδασκαλία γίνετε αρχικά με διαλέξεις περί των βασικών εννοιών σε όλους τους φοιτητές ενώ στην συνέχεια γίνεται διαχωρισμός σε ομάδες (με μικρό αριθμό ατόμων) που ασχολούνται με την υλοποίηση ενός συγκεκριμένου προβλήματος μοντελοποίησης φυσικοχημικής διεργασίας το πεδίο της Βιολογία.
• Το μάθημα αποσκοπεί στην εξοικείωση των φοιτητών με τους φυσικούς νόμους που διέπουν τα βιολογικά συστήματα και πώς αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μοντελοποίηση διεργασιών μέσω :
  • της ανάπτυξης του κατάλαλου μαθηματικού μοντέλου.
  • την υλοποίηση (ή χρήση) λογισμικού για την επίλυση του μοντέλου
  • την εξαγωγή πληροφορίας, με ταυτόχρονη αξιολόγηση και εξαγωγή προτάσεων για επανασχεδιασμό της όλης διαδικασίας.
• Παραδείγματα μοντελοποίησης φυσικοχημικών ιδιοτήτων και διεργασιών που αναλλοίωτε στο μάθημα περιλαμβάνουν : αρχές σχεδιασµός φαρµάκων µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (computer–aided drug design, CADD. . Πληθυσμιακά μαθηματικά μοντέλα στην βιολογία ενός είδους (π.χ. μοντέλο ανάπτυξης καρκινικών κυττάρων ). Πληθυσμιακά μαθηματικά μοντέλα στην βιολογία πολλών ειδών (Θηρευτής–Θήραμα (Predator-Pray) ,Ανταγωνισμός (Competition) Συμβίωση (Mutualism ή Symbiosis). Επιδημιολογικά Μοντέλα π.χ. SIR : Ευπαθών (Susceptibles, S) , Μολυσμένων (Infectives, I): Αφερεμένων (Removed, R)). Μοντέλα δυναμική συμπεριφορά βιοχημικών συστημάτων: μελέτη δυναμικής συμπεριφοράς βιοχημικών δικτύων καθώς και μοντέλων δυναμικής απόκρησης νευρώνων.
• Τα βασικά μαθηματικά εργαλεία που περιγράφονται και χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια του μαθήματος είναι : Αρχές γραμμικής άλγεβρας (Διανύσματα, πίνακες), επίλυση συστημάτων από συνήθεις διαφορικές εξισώσεις και δυναμική ευστάθεια, αρχές στοχαστικών διεργασιών και τέλος αρχές αριθμητικής ανάλυσης. Σε όλες τις περιπτώσεις το βάρος δεν δίνετε ιδιαίτερα στο τεχνικό μαθηματικό κομμάτι αλλά στην φυσική σημασία των εργαλείων αυτών και γι’ αυτό σε κάθε περίπτωση παρουσιάζονται εργαλεία που επιτρέπουν την επίλυση των μαθηματικών μοντέλων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η εμβάθυνση στην κατανόηση της φυσικής διεργασίας.

Μαθησιακά αποτελέσματα
Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο/η φοιτητής/τρια θα είναι σε θέση:

• Να κατανοεί τα βασικά ερωτήματα στο χώρο της μοντελοποίησης Βιολογικών διεργασιών, και να είναι σε θέση να καταστρώνει και να υλοποιεί αντίστοιχες
  μοντελοποιήσεις.
• Να αντιλαμβάνεται της διαδικασία μοντελοποίησης μέσω των σταδίων της “επινόησης” του μαθηματικού μοντέλου, της ανάπτυξης ή χρήσης υπολογιστικών εργαλείων για την επίλυση του μοντέλου, την εξαγωγή συμπερασμάτων με βάση το αρχικό μοντέλο και τέλος τη διαδικασία αναθεώρησης/επέκτασης του μοντέλου με βάση την σύγκριση με την πειραματική παρατήρηση
• Να δουλεύει ομαδικά και ατομικά για την αναζήτηση νέων εννοιών.
• Να παρουσιάζει στα πλαίσια ομαδικής εργασίας με απλό και κατανοητό τρόπο αναδεικνύοντας τα σημαντικότερα στάδια από τα οποία πέρασε η εργασία
  κατά την υλοποίηση της, αναλύοντας τα σε ατομικές και ομαδικές συνεισφορές.