Scienze Biologiche L-13

Il corso fornisce allo studente conoscenze di base di matematica, statistica ed elementi di bioinformatica. Per la parte di matematica lo studente svilupperà le capacità di comprendere gli aspetti essenziali del ragionamento matematico e della metodologia matematica. Lo studente affronterà i concetti base della teoria delle funzioni regolari e sarà introdotto al calcolo differenziale ed integrale. Completano la formazione la formazione l’acquisizione dei fondamenti della statistica descrittiva e l’introduzione al calcolo delle probabilità.

Per l’ambito bioinformatico, il corso si propone di fornire allo studente conoscenze di base per lo studio dei problemi biologici che vanno dall’ambito molecolare fino a quello in cui l’organismo è considerato in tutta la sua interezza.

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente dovrà avere acquisito la conoscenza e capacità di comprensione:

-       degli aspetti essenziali del calcolo e dell’algebra;

-       i principi del calcolo differenziale ed integrale;

-       i concetti base dell’ICT (Information and Communication Techonology) e della navigazione in rete;

-       gli aspetti fondamentali per l’elaborazione di testi, articoli scientifici e presentazioni;

-       la realizzazione e gestione di fogli di calcolo;

-       la gestione di una banca dati;

-       la conoscenza di base dei principali applicativi utili nel settore della biologia;

-       gli strumenti fondamentali della biostatistica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente dovrà sviluppare la capacità di applicare le conoscenze acquisite con particolare riferimento:

-       all’applicazione dei principi di matematica per la risoluzione dei problemi tipici del settore;

-       all’applicazione dei concetti base di statistica per la valutazione della ricerca e l’analisi dei problemi tipici della biologia;

-       all’utilizzo degli strumenti informatici per le ricerche, la preparazione di testi, di fogli di calcolo, di presentazioni, di gestione di banche dati;

-       all’utilizzo degli strumenti della bioinformatica per la risoluzione dei problemi.

Autonomia di giudizio

Lo studente dovrà aver acquisito capacità di giudizio critico nell’applicazione delle conoscenze acquisite nei vari ambiti della biologia. In particolare, dovrà orientarsi correttamente nell’applicazione dei principi fondamentali per la risoluzione dei problemi individuando adeguatamente le strategie di lavoro.

Abilità di comunicare

Lo studente svilupperà con l’aiuto dei docenti la capacità di sintesi e correlazione tra i vari argomenti, utilizzando un linguaggio scientifico appropriato ai fini di una comunicazione puntuale e rigorosa anche con altri specialisti.

Capacità di apprendimento

Lo studente dovrà aver acquisito le basi per mantenere una capacità di apprendimento adeguata all’approfondimento e aggiornamento continuo delle proprie competenze in particolare per quanto riguarda la scelta delle statistiche opportune alla descrizione di particolari fenomeni oggetto di studio e l’aggiornamento continuo dei tools utili per il suo lavoro.

Modulo I – Matematica e statistica

-    Insiemi e sottoinsiemi. Operazioni e relazioni fra insiemi. Principali insiemi numerici. Rapporti. Proporzioni. Percentuali. Potenze. Logaritmi. La notazione scientifica

-   Variabili. Coordinate cartesiane. Il piano cartesiano. Dalla tabella al grafico. Proporzionalità diretta. Proporzionalità inversa. I vettori. Rappresentazione e calcolo vettoriale. Definizione, esistenza, caratteristiche e rappresentazione grafica delle funzioni elementari. Retta. Funzioni polinomiali. Funzioni fratte. Funzioni esponenziale e logaritmica. Funzioni trigonometrche.

-    Definizione, principali teoremi ed operazioni sui limiti. Limiti delle funzioni elementari. Limiti notevoli. Progressioni. Serie. Serie aritmetica e serie geometrica.

-    Definizione, significato geometrico, esistenza della funzione derivata. Derivate delle funzioni elementari. Principali teoremi ed operazioni sulle derivate. Elementi di calcolo integrale: definizione, significato geometrico, teorema fondamentale. Alcune primitive di funzioni elementari.

-      Raccolta e presentazione dei dati. Principali indici di posizione e di dispersione nella statistica descrittiva. Tipi di variabili statistiche. Teoria della Misura. Precisione e accuratezza di un procedimento di misurazione. Errore casuale ed errore sistematico. Frequenze e intervalli di frequenza. Le rappresentazioni grafiche: i principali tipi di diagrammi e il loro utilizzo.

-       Introduzione al calcolo delle probabilità. Definizioni, concetti, primi teoremi.

Modulo II – Informatica

-       Fondamenti del computer: hardware, software, reti e sicurezza, uso del computer: gestione dei file e delle cartelle;

-       Navigazione in rete: ricerca delle informazioni, comunicazione online e uso della posta elettronica;

-       Documenti e fogli elettronici e di calcolo;

-       Gestione di basi di dati: preparazione di Data Base, sviluppo di formule standard e funzioni, creazione e formattazione di grafici o tabelle, utilizzo di applicazioni;

-       Realizzazione presentazioni. Creare, formattare, modificare e preparare presentazioni professionali. Strumenti avanzati per una comunicazione efficace.

Modulo III – Bioinformatica

-       Biologia Computazionale: gli aspetti quantitativi dell'indagine molecolare e lo studio del rapporto fra sequenza/struttura e funzione delle macromolecole biologiche;

-       Metodi di caratterizzazione funzionale di acidi nucleici e proteine basati sulla loro sequenza;

-       Principali algoritmi e strumenti per analisi e confronto di sequenze di acidi nucleici e proteine;

-       Banche dati di sequenze di acidi nucleici e proteine;

-       Struttura e classificazione delle banche dati;

-       Sistemi informatici per la consultazione delle banche dati, formulazione della query ed utilizzo degli operatori booleani;

-       Struttura e consultazione di banche dati;

-       Metodi di allineamento e ricerca di biosequenze in banche dati;

-       Matrici di sostituzione. Allineamenti multipli e profili. Alberi filogenetici;

-    Motivi funzionali. Ricerca di elementi funzionali in sequenze. Annotazione funzionale di geni e genomi Classificazione, confronto e predizione di strutture secondarie e terziarie delle proteine;

Il docente stabilisce la necessità di integrare il materiale fornito (videolezioni, slides, esercitazioni) con i seguenti testi, cui il docente può fare riferimento durante le lezioni:

Modulo I

-       Matematica di base - Seconda edizione. Autori: Anna Maria Bigatti, Lorenzo Robbiano. Zanichelli Editore

-       Statistica di base. Autore: Moore D.S. Editore: APOGEO

-       Elementi di Matematica. Autore: Marcellini P., Sbordone C. Editore: Liguori

Modulo II

- Paolo Camagni, Algoritmi e basi della programmazione, Hoepli

- J. Glenn Brookeshear, “Informatica Una Panoramica Generale”, Pearson/Addison Wesley

Modulo III

·      Helmer Citterich M, Ferrè F, Pavesi G, Romualdi C, Pesole G, Fondamenti di Bioinformatica, Zanichelli, Bologna, 2018

·      Pascarella S, Paiardini A, Bioinformatica. Dalla sequenza alla struttura delle proteine, Zanichelli, Bologna,2010

L'esame consiste in una prova composta da 31 domande a risposta multipla, ognuna comprendente 4 opzioni. La 31esima domanda stabilisce l’assegnazione della lode e viene presa in considerazione solo se tutte le precedenti sono corrette. I punteggi d’esame sono in trentesimi; la soglia della sufficienza è posta a 18/trentesimi, al di sotto della quale la prova viene considerata non superata. Gli esercizi saranno della stessa tipologia di quelli illustrati nelle lezioni o nelle esercitazioni, o in ogni caso presenti nei testi di riferimento. In caso di risposta corretta a ciascuna domanda a risposta multipla sarà assegnato un punto; non sono previste penalità nel caso in cui sia selezionata una risposta non corretta. Per l’esecuzione della prova è di norma previsto un tempo massimo di 40 minuti ed è concesso l’uso della calcolatrice scientifica. In caso di esigenze didattiche particolari, lo scritto potrà essere integrato con un colloquio orale.

Propedeuticità

Non sono previste propedeuticità.

Prerequisiti

Non sono previsti specifici prerequisiti se non quelli riconducibili alla verifica delle competenze in ingresso dichiarate per l’ambito delle discipline matematiche e informatiche.

Modalità di erogazione del corso:

Il corso si articola in 3 moduli. Sono comprese videolezioni e attività di didattica interattiva. I contenuti delle videolezioni sono parte integrante del programma d’esame, ma per numerosi argomenti sono necessari ulteriori approfondimenti ed è raccomandata la consultazione dei libri di testo indicati dai docenti.

Attività didattiche previste

Le attività di didattica, suddivise tra didattica erogativa (DE) e didattica interattiva (DI), saranno costituite da 6 ore per CFU e ripartite secondo una struttura di almeno 2,5 ore di DE (5 ore, tenuta in considerazione la necessità di riascolto) e di 1 ora di DI per ciascun CFU.

Attività didattica erogativa (30 ore):

• 60 lezioni frontali, videoregistrate, della durata di circa 30 minuti ciascuna, sempre disponibili in piattaforma didattica (ogni videolezione corrisponde a 1 ora di didattica erogativa considerando la necessità di riascolto).

Attività didattica interattiva (12 ore):

• 12 ore in forma di esercitazioni interattive in aula virtuale, svolte in modalità sincrona, organizzate in date e orari concordati e su tematiche specifiche del programma per gli studenti che preparano l’esame.

• Forum di approfondimento tematici: ha lo scopo di approfondire gli argomenti del corso che risultano di difficile comprensione per gli studenti o che interessano maggiormente. Si tratta di uno strumento che dà a ciascun studente la possibilità di aggiungere un argomento di discussione che verrà successivamente approfondiremo insieme al docente.

Attività di autoapprendimento:

• test di autovalutazione con domande a scelta multipla, alla fine di ogni lezione

L'articolazione tra DE e DI, per ciascun modulo, sarà organizzata coerentemente con gli obiettivi formativi specifici dell’insegnamento.