Nádech a výdech Návrh zařízení pro měření vitální kapacity plic Biomedicínské inženýrství

Nádech a výdech Návrh zařízení pro měření vitální kapacity plic Biomedicínské inženýrství Lidské tělo, dýchací soustava Určeno pro žáky ve věku 10 až 12 let

Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

Obsah Obsah ............................................................................................................................................. 2 Přehled projektu .......................................................................................................................... 3 Potřeby ......................................................................................................................................... 4 Lekce 1 – Jaké je zadání? Seznámení s úkolem ..................................................................... 10 Lekce 2 – Co potřebujeme vědět? ............................................................................................. 14 Lekce 3 – Začínáme stavět! ........................................................................................................ 21 Lekce 4 – Co jsme udělali? Splnili jsme zadání? ..................................................................... 24 Přílohy .......................................................................................................................................... 28 Úvodní příběh – Jak můžeme pomoci Yael? ..................................................................... 28 Překvapivá výzva na školním výletě .................................................................................. 28 Konstrukční proces ............................................................................................................ 29 Dýchací soustava .............................................................................................................. 30 Pracovní a odpovědní listy ......................................................................................................... 31 Pracovní list 1, lekce 1 – Konstrukční proces .......................................................................... 32 Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 1 – Konstrukční proces .......................................... 33 List vyhodnocení 1, lekce 2 – Dýchací proces ......................................................................... 34 Odpovědní list: List vyhodnocení 1, lekce 2 – Dýchací proces .............................................. 35 List vyhodnocení 2, lekce 2 – Měření objemu .......................................................................... 36 Legenda: ....................................................................................................................................... 38 Odpovědní list: List vyhodnocení 2, lekce 2 – Měření objemu ............................................... 39 Legenda: ....................................................................................................................................... 40 Pracovní list 3, lekce 3 – Přemýšlení - Navrhněte možná řešení a zvolte to nejvhodnější .............................................................................................................. 41 Pracovní list 4, lekce 3 – Plánování ............................................................................................ 43 List vyhodnocení 3, lekce 3 – Konečné posouzení po dokončení úkolu ................................ 44 List vyhodnocení 4, lekce 4 – Shrnutí projektu výuky oboru biomedicínského inženýrství 45 Vědecké poznámky pro učitele týkající se dýchací soustavy.............................................. 46 Některé klíčové pojmy a poznatky obsažené v lekci 2 ....................................................... 46 Představy některých žáků o dýchací soustavě a objemu ................................................... 49 Slovníček pojmů ................................................................................................................. 51


2

Přehled projektu Potřebná doba: 365 minut (plus 45 minut na volitelné doplňkové aktivity) Cílová skupina: žáci ve věku 11 až 12 let Popis: V tomto projektu se zaměříme na biomedicínské inženýrství. Prostřednictvím vhodného scénáře vyzveme žáky, aby navrhli biomedicínský přístroj. Hlavními aspekty obsaženými v tomto projektu jsou dýchací soustava, pojem objemu a různé metody jeho měření. Rámcově vzdělávací program: • člověk a svět práce – konstrukční činnosti – práce s návodem, předlohou, jednoduchým náčrtkem • člověk a svět práce – konstrukční činnosti – stavebnice (plošné, prostorové, konstrukční), sestavování modelů • člověk a jeho svět – člověk a jeho zdraví – lidské tělo • člověk a svět práce – práce s drobným materiálem – vlastnosti materiálu (přírodniny, modelovací hmota, papír a karton, textil, drát, folie aj.) Technický obor: Tento projekt představí technický obor biomedicínského inženýrství. V této lekci se žáci naučí následující: • Úkolem biomedicínského inženýra je vyvíjet metody a přístroje pro diagnostiku, léčbu, rehabilitaci a následnou péči. • Dýchání probíhá ve dvou fázích: nádech a výdech. • Vzduch je látka, která zabírá prostor, a lze tak měřit jeho objem. • Objem = prostor vyplněný danou látkou. Vitální kapacita plic = největší objem vzduchu, který je možné vydechnout po hlubokém nadechnutí. • Na vývoj a výrobu biomedicínského přístroje lze aplikovat konstrukční proces. Lekce v tomto projektu: Přípravná lekce je zaměřená na zlepšení povědomí žáků o tom, jak se inženýrství podílí na našem každodenním životě, i když to není na první pohled patrné. V lekci 1 bude představeno konstrukční zadání, jeho kontext a konstrukční proces. V lekci 2 se budeme věnovat fázi „zadání a pokládání otázek“ konstrukčního procesu, která zahrnuje seznámení se s dýchací soustavou, s pojmem objemu a s různými metodami jeho měření, s pojmem vitální kapacity plic a důležitými principy měření. Lekce 3 pomůže žákům aplikovat konstrukční proces pro splnění zadání. Úkolem je navrhnout zařízení pro měření vitální kapacity plic, tedy maximálního objemu vzduchu, který je možné vydechnout po hlubokém nádechu. Během lekce 4 vyhodnotíme proces vývoje a výroby přístroje pro měření vitální kapacity plic. Je to také chvíle, kdy žáci předvedou, zda jsou schopni vyhovět všem požadavkům zadání a diskutovat o tom, jaká provedli vylepšení.


3

Potřeby Seznam materiálu a jeho množství potřebné pro 30 žáků.

Materiál Poznámkové lístky

Celkový počet 1

Lekce 0 1

Brýle

1

1

Pouzdro na brýle

1

1

Neprůhledná (neprůsvitná) obálka

1

1

List papíru Průhledná plastová obálka na papíry

1 1

1 1

Levný šperk

1

1

Pouzdro na šperk

1

1

CD

1

1

Obal na CD

1

1

Sáček čaje

1

1

Lekce 1

Lekce 2

Lekce 3

Lekce 4


4

Materiál

Celkový počet

Lekce 0

Lekce 1

Lekce 2 Lekce 3

Lekce 4

Lepicí tyčinka

1

1

Poštovní obálka Krabička připínáčků

1 1

1 1

Nůžky s obalem

1

1

Krabička párátek

1

1

Sešívačka s obalem

1

1

Škrabka s obalem

1

1

Tabulka fází konstrukčního procesu (viz příloha).

1

1

1

1

Pracovní list 1 – Konstrukční proces

30

30

Pracovní list 2 – Dýchací soustava

30

30

List vyhodnocení 1 – Proces dýchání

30

30

List vyhodnocení 2 – Měření objemu

30

30

Injekční stříkačka (50 ml)

15

15

1

4


5

Materiál

Celkový počet

Lekce 0 Lekce 1 Lekce 2

1

1

Průhledná lepicí páska Nůžky Balónky Hluboká průhledná mísa nebo plastové akvárium

1 5 10 1

1 1 10 1

Voda (v ideálním případě použijte místnost s vodovodním kohoutkem)

Vodovodní kohoutek

Vodovodní kohoutek

Průhledná sklenička (plastová nebo skleněná)

1

1

Kapesník / savý papír

1

1

Nápojová brčka (průměr 4–5 mm, délka 4–5 cm)

30

30

Plastové trubičky (průměr 1–1,5 cm, délka 4–5 cm)

30

30

Nádoby na běžné potraviny s vyznačením jejich objemu (láhve od mléka, PET láhve, čisticí prostředky, oleje, láhve od kečupu apod.)

10

10

2 PET láhve, jedna s otvorem o průměru cca 0,5 cm a druhá vzduchotěsná

1–2

Odměrné válce (0,2/ 0,5 /1 litr)

Lekce 3

Lekce 4

5

Vodovodní kohoutek

Vodovodní kohoutek nebo přibližně 10 l vody

3–4 od každého objemu


6

Materiál

Celkový počet

Kádinky (100/500/1000 ml)

Lekce 0 Lekce 1 Lekce 2 Lekce 3 Lekce 4 7

1–2 (500 nebo 1000)

5

Kalibrované kuchyňské odměrky nebo podobné nádoby

5

5

Velký kámen nebo jiný těžký předmět neurčitého tvaru Průhledný plastový kanystr o objemu přibližně 4 litry

1

1

1

1

Široký lavor

8

1

Pružná plastová hadička 50 cm dlouhá, o průměru 1 1 cm.

1

Kousky plastové trubičky o průměru umožňujícím 10 zasunutí do plastové hadičky

10

Popisovač

1

4

8

4


7

Materiál

Celkový počet

Lekce 0 Lekce 1

Lekce 2

Lekce 3

Potravinářské barvivo (láhev) Nádoby s vyznačením objemu a s odříznutým dnem i hrdlem (PET láhve různých velikostí, láhve od netoxických rozpouštědel, láhve od čisticích prostředků – 2 l a 3 l

1 4 (2 od každého objemu)

Igelitové sáčky různých velikostí (½ až 4 l)

10 od každé velikosti

10 od každé velikosti

Kbelík se značkami objemu

3

3

Dlouhé igelitové pytle otevřené na obou koncích (2.5 m dlouhé, o průměru 10 cm)

4–5

4–5

Trychtýře (o průměru 10 až 15 cm)

4

4

Lekce 4

1 4 (2 od každého objemu)


8

Materiál

Celkový počet

Lekce 0

Lekce 1

Lekce 2 Lekce 3

Silné, široké pružné pásky

30

30

Náustky pro vydechování (z hygienických důvodů) 30 – 4 až 5 cm dlouhé, o průměru 2 až 3 cm)

30

2

Lekce 4

Hadry Různé trubičky o délce 0,5 m až 1 m, o průměru 1 až 2 cm Pracovní list 3 – Přemýšlení

6 4

Pracovní list 4 – Plánování

8

List vyhodnocení 3 – Závěrečný úkol po dokončení zadání

30

Krátký film představující spirometr: http://www.youtube.com/watch?v=LeXgXKI yRA0&feature=related Počítač Monitor/projektor Měřicí zařízení vyrobené žáky List vyhodnocení 4 – Konstrukční proces – shrnutí projektu

1

1

1 1 5-8 30

1 1 5–8 30

8

6 4 8 (1 pro každou skupinu) 8 (1 pro každou skupinu) 30


9

Lekce 1 – Jaké je zadání? Seznámení s úkolem Potřebná doba: 50 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • smysl biomedicínského inženýrství a jeho důležitost pro medicínu, • že konstrukční proces lze použít při vytváření důležitých vědeckých nástrojů, • že biomedicínské inženýrství pomáhá řešit každodenní medicínské problémy. Potřeby (pro 30 žáků) • 1 tabule představující fáze konstrukčního procesu, • 30 pracovních listů 1 lekce 1 „Konstrukční proces“, • 10 sklenic.

Příprava • Zhotovte kopie pracovních listů. • Připravte 10 různých brýlí. Způsob práce • Diskuse a předvedení v celé třídě, • samostatná práce. Hlavní myšlenky této lekce • Technické nástroje jsou výsledkem procesu, který zahrnuje několik kroků. Tento proces se nazývá konstrukční proces. • Úkolem biomedicínského inženýra je vyvíjet metody a přístroje pro diagnostiku, léčbu, rehabilitaci a následnou péči. Kontext a pozadí Tato lekce definuje konstrukční potřeby a představuje žákům zadání tohoto projektu: navrhnout přístroj pro měření vitální kapacity plic (maximálního objemu vzduchu, který lze vydechnout po hlubokém nádechu). Žákům je představen obor biomedicínského inženýrství a konstrukční proces prostřednictvím praktické práce s dobře známým biomedicínským nástrojem – brýlemi.


10

1.1

Úvodní aktivita – diskuse v celé třídě – 20 minut

V předchozí lekci jsme se naučili, co je inženýrství a jak inženýři pracují. Inženýrství se netýká jen jedné oblasti, ale existuje mnoho oborů, ve kterých se uplatňuje: elektrotechnika, strojírenství, stavebnictví atd. V našem projektu se zaměříme na biomedicínské inženýrství. Slyšel někdo z vás o této oblasti inženýrství? Odpovědi žáků můžete napsat na tabuli. Biomedicínské inženýrství je multidisciplinární obor využívající znalosti a nástroje z různých dalších oborů. Úkolem biomedicínských inženýrů je vyvíjet metody a přístroje pro diagnostiku, léčbu, rehabilitaci a vyšetřování. Při své práci kombinuje znalosti z různých technických a přírodovědných oborů, zejména lékařství. Příkladem práce biomedicínského inženýra je třeba výroba brýlí. Aby žáci lépe pochopili práci biomedicínského inženýra, seznámí se podrobně s dobře známou biomedicínskou pomůckou – s brýlemi. Nechte žáky, aby si prohlédli několik druhů brýlí. Ať si dobře prohlédnou jejich různé části a různé materiály, ze kterých jsou brýle vyrobené. Žáci si také brýle mohou na krátkou chvíli vyzkoušet. To jim poskytne praktickou zkušenost s tím, jak brýle rozostřují nebo zkreslují obraz. K čemu brýle slouží? Brýle se používají ke korekci zrakových vad: krátkozrakosti, dalekozrakosti, astigmatizmu a dalších. Co musejí inženýři znát, aby dokázali korigovat zrakové vady? • Oftalmologii a fyziologii oka. • Optiku – aby dokázali použít odpovídající čočky (spojky, rozptylky apod.) pro korekci konkrétní zrakové vady. • Materiálové inženýrství – aby vyrobili brýle z odolných, silných, lehkých a levných materiálů. • Ergonomii a design – aby vyvinuli pohodlné a odolné brýle. Inženýři musejí vzít také do úvahy další parametry, například rozpočet, čas, dostupné materiály, pracovní síly… Po úvodním shromáždění informací dají vývojáři a další odborníci hlavy dohromady a přijdou s nápady, jak vyřešit konkrétní zrakovou vadu, například krátkozrakost (myopii). Po dosažení shody na způsobu řešení, například na lehkých brýlích s konkávními čočkami, naplánují prototyp, který vyrobí a otestují. Pokud prototyp nevyhovuje, například jsou brýle příliš křehké, vzdálené objekty nejsou ostré nebo brýle nejsou pohodlné na nošení, pokusí se vývojářský tým brýle vylepšit tak, aby vyhovovaly všem požadavkům. Mohou například navrhnout záměnu čoček za multifokální, vyrobené z odolného plastu. Proces vývoje a výroby brýlí není tak jednoduchý a přímočarý jako ve výše uvedeném příkladu. Někdy je potřeba vrátit se na začátek, shromáždit další informace a vyrobit nové prototypy, nebo přijít s lepšími nápady.

Tip: Více informací o biomedicínském inženýrství můžete najít zde: http://www.mada.org.il/en/about/engineer/challenge/about-biomedical-engineering


11

1.2

Představení konstrukčního procesu – diskuse v celé třídě – 5 minut

Učitel představí konstrukční proces – obvyklý postup, který inženýři používají při vývoji konkrétního technologického nástroje. V následujících lekcích budou žáci pracovat jako inženýři a projdou celým konstrukčním procesem s cílem vyřešit zadání. Konstrukční proces • Cíl: definování problému a potřeby. • Zadání a pokládání otázek: shromáždění informací. • Přemýšlení: formulace nápadů a volba nejlepšího řešení. • Plánování: plánování a vývoj zvoleného řešení. Zkonstruování: výroba prototypu. • Vylepšování: testování, vyhodnocení a vylepšení.

Tip: Pro ilustraci jednotlivých fází procesu během práce na projektu je vhodné použít plakát nebo tabuli. V každé lekci byste měli upozornit na to, v jaké fázi se právě nacházíte.

Tip: Je důležité, aby žáci pochopili, že tento proces nemusí být nutně lineární. V každém okamžiku je možné se vrátit k některé z předchozích fází.

1.3

Definování problému – představení příběhu a diskuse v celé třídě – 15 minut

Představení příběhu: učitel přečte žákům příběh – viz příloha. Dokážeme pomoci Yael? Nečekaná výzva na školním výletě.

Učitel řekne žákům, co je jejich cílem (výzvou): navrhnout technologický nástroj schopný měřit vitální kapacitu plic, který pomůže lékaři správně určit Yaelinu diagnózu.

Tip: Medicínskou diagnózu stanovuje lékař. Tento proces má několik etap: popis symptomů a subjektivních pocitů pacienta, vyšetření lékařem, lokalizace potíží pomocí lékařských přístrojů nebo měření různých tělesných hodnot a parametrů.

Diskuse ve skupině: Yaelin problém souvisí s dýchací soustavou. Která část by to mohla být? Které problémy nebo nemoci související s dýchací soustavou znáte? V této chvíli se od žáků očekávají různé návrhy, avšak nevyžadujte prozatím správné odpovědi.


12

1.4

Vyplnění pracovního listu „Konstrukční proces“ – samostatná práce – 5 minut

Učitel rozdá pracovní listy 1 lekce 1 „Konstrukční proces“ a žáci je vyplní.

1.5

Závěr – v celé třídě – 5 minut

Po vyplnění pracovních listů vyzve učitel jednoho z žáků, aby představil cíl práce, a napíše na tabuli zadání: navrhnout biomedicínský přístroj schopný měřit vitální kapacitu plic. Učitel žákům sdělí, že od této chvíle budou pracovat jako inženýři. V další lekci začnou pracovat ve fázi ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK – budou shromažďovat informace, které jim pomohou vyřešit problém.


13

Lekce 2 – Co potřebujeme vědět? Seznámení se se vzduchem, dýchací soustavou a pojmem objemu Potřebná doba: 120 minut (135 s doplňkovou aktivitou)

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • jaká je struktura dýchací soustavy a dýchacích otvorů, • jaké jsou etapy dýchacího procesu (nádech a výdech), • co obnáší pojem objemu a způsoby jeho měření, včetně měření vitální kapacity plic. Potřeby (pro 30 žáků) • 30 listů vyhodnocení 1 – Dýchací proces, • 30 listů vyhodnocení 2 – Měření objemu, • 15–30 injekčních stříkaček, • 2 průhledné PET lahve, jedna s otvorem, • 1 průhledná lepicí páska, • 1 nůžky, • 10 balónků, • 1 hluboká průhledná mísa, • 1 průhledná sklenice, • 1 kapesník, • 30 nápojových brček (o průměru 4–5 mm a délce 4–5 cm), • 30 plastových trubiček (o průměru 1–1,5 cm a délce 4–5 cm),

•

• • • • • • •

•

nádoby na potraviny s vyznačeným objemem (láhve od mléka, PET láhve, láhve od čisticích prostředků, olejů, kečupu apod.), 1–2 odměrné válce (100/500 ml / 1 l), 7 kádinek (100 ml), 5 kalibrovaných kuchyňských odměrných nádob, 1 velký kámen nebo těžký předmět neurčitého tvaru, 1 průhledný plastový kanystr s objemem přibližně 4 litry, 1 pružná plastová trubička, 50 cm dlouhá, s průměrem 1 cm, 10 kousků trubičky o průměru umožňujícím zasunutí do pružné plastové trubičky, 1 popisovač.

Příprava • Zhotovte kopie pracovního listu 2 a listů vyhodnocení 1 a 2. • Roztřiďte všechny potřeby a vybavení. • Zhotovte model pro demonstraci dýchacího procesu (potřeby a instrukce naleznete v příloze). • Podívejte se na videoklipy: Kapesník, který nezvlhne http://www.youtube.com/watch?v=9N5rkI61o-U&feature=youtu.be Archimédův zákon 1 http://www.youtube.com/watch?v=Ryx1ELGJqeA&feature=youtu.be Archimédův zákon 2 http://www.youtube.com/watch?v=KYkh-9-Qs1M&feature=youtu.be Měření vitální kapacity plic http://www.youtube.com/watch?v=cnewH2HUbBw&feature=youtu.be

Způsob práce • Diskuse v celé třídě a předvedení, • práce ve skupinách po čtyřech až pěti žácích, • samostatná práce.


14

Hlavní myšlenky této lekce • Vzduch je látka, která zabírá prostor a může být vnímána. • Proces dýchání má dvě etapy: nádech (nasávání vzduchu do plic díky rozšíření objemu hrudníku) a výdech (vytlačení vzduchu z plic pomocí stažení hrudníku). • Díky působení různých vlivů, například prachových částic a znečištění ovzduší, může dojít k zúžení dýchacích cest (průdušnice a průdušek). Zúžení způsobuje zmenšení objemu vzduchu v dýchacích cestách, což vede k astmatu. • Objem = prostor zaujímaný určitou látkou. • Vitální kapacita plic = největší objem vzduchu, který lze vydechnout z plic po hlubokém nadechnutí.

Kontext a pozadí V lekci jsou zahrnuty vědecké informace pomáhající žákům vyřešit problém. Tyto poznatky jsou demonstrovány formou pokusů znázorňujících principy, na kterých probíhá dýchací proces. Další pokusy se zaměřují na objasnění pojmu objemu se zaměřením na objem vydechovaného vzduchu.


15

2.1


Učitel žákům sdělí, že v této lekci získají vědecké poznatky, které jim pomohou vyřešit úkol navrhnout přístroj pro měření vitální kapacity plic (objemu vydechovaného vzduchu). Jaké informace potřebujeme získat, než se pustíme do práce? Učitel vyslechne odpovědi žáků a napíše je na tabuli. • Informace o stavbě dýchací soustavy (orgány, jako jsou plíce, průdušnice atd.), • informace o tom, jak dýchací soustava funguje, • okolnosti, které ovlivňují fungování dýchací soustavy, • další návrhy žáků. Učitel žákům oznámí, že se v této lekci budou o výše uvedených tématech učit, a připomene žákům za pomoci tabule s konstrukčním procesem, ve které fázi tohoto procesu se nyní žáci nacházejí: fáze shromažďování informací – fáze zadání a pokládání otázek.

2.2

Co vlastně dýcháme? – diskuse v celé třídě – 10 minut

Co dýcháme? Je vzduch vidět? Můžeme ho vnímat? Žáci navrhnou, jak bychom mohli vzduch vnímat: například při větru, při výdechu z plic atd. Učitel rozdá každému žákovi či dvojici žáků injekční a požádá je, aby stříkačky naplnili vzduchem, poté stiskli píst a vzduch vytlačili.

2.3

Vzduch zabírá prostor – individuální zkušenost, ve dvojicích – 5 minut

Žáci jsou vyzváni k dalším pokusům s injekčními stříkačkami: Naplnit stříkačku vzduchem, ucpat její trysku prstem a pokusit se stlačit píst stříkačky. Tím dojde ke stlačení vzduchu. Je možné stlačit píst až dolů? Není, protože vzduch obsažený ve stříkačce tomu brání. Vzduch je možné stlačit, avšak stále bude zaujímat určitý prostor.

2.4

Vzduch zabírá prostor – nafukování balónků do láhví – předvedení – 15 minut

Nafukování balónků do „utěsněné“ láhve a do láhve s otvorem. Dvě průhledné láhve s vloženými balónky. Obě láhve mají dole otvor, avšak otvor jedné z nich je přelepen páskou. Dva žáci jsou požádáni, aby se pokusili nafouknout balónky. Co se stane? Žák s láhví s otvorem bude úspěšný. Žák s láhví s otvorem přelepeným páskou nikoli. Proč k tomu dojde? Proč se jednomu žákovi balónek nafouknout podaří, a druhému ne? Věnujte pozornost odpovědím žáků a vyzvěte další žáky, aby si nafukování balónků vyzkoušeli. Jak si můžeme vyzkoušet a ověřit vysvětlení tohoto jevu?


16

Vyslechněte si odpovědi žáků a zkuste provést jejich návrhy. Poté odlepte pásku z otvoru na druhé láhvi a znovu zkuste nafouknout balónek. Vysvětlení: Protože vzduch v láhvi zabírá určitý prostor, nemá díky přelepení otvoru v láhvi vzduch kudy uniknout, a proto je mnohem obtížnější balónek nafukovat. Je-li otvor otevřený, je možné zvětšit objem balónku díky tomu, že vzduch z láhve může uniknout volným otvorem.

2.5 Volitelná doplňková aktivita: vzduch zabírá prostor – kapesník – předvedení Jak je možné, že suchý kapesník vložený do nádoby plné vody zůstane suchý? Pokud se učitel rozhodne tento pokus provést, je potřeba připočítat k času potřebnému pro dokončení lekce dalších 15 minut. Vyslechněte si návrhy žáků a pokuste se je provést. Poté diskutujte, k čemu došlo. Nakonec (možná to navrhne některý z žáků) umístěte kapesník na dno sklenice, sklenici otočte dnem vzhůru a ponořte ji do velké nádoby plné vody. Po vytažení sklenice ukažte třídě suchý kapesník ze sklenice. Vysvětlení: Vzduch ve sklenici „zabírá prostor“ a znemožňuje vodě proniknout do sklenice. Kapesník se tak nenamočí.

2.6

Dýchací soustava – samostatná práce a diskuse – 15 minut

Žáci budou potřebovat základní informace o dýchací soustavě. Vzduch je nosem nasáván do plic, kde okysličuje krev. Oxid uhličitý je v plicích vylučován do vzduchu obsaženého v plicích. Pohyb plic je řízen bránicí. Pokud dýchací proces nefunguje správně, budeme se cítit velmi špatně. A to je důvod, proč má lékař o Yael starost. Učitel může tento princip žákům znázornit pomocí schématu – viz přílohu.

2.7

Dýchací proces – nádech/výdech – předvedení/diskuse – 10 minut

Jak se vzduch dostane do plic? Aby žáci přišli na odpověď na tuto otázku, zadá jim následující úkol: Zavřete oči, nechte své tělo odpočívat, zhluboka se nadechněte a nasajte vzduch do svých plic. Poté vydechněte. Jak jsme dokázali nasát vzduch do plic a poté ho vydechnout? Zapojili jsme svůj hrudník a svaly bránice. Co se děje při nádechu? 1. Když se bránice (sval oddělující hrudní dutinu od břišní dutiny) stáhne, natahuje se a klesá dolů, což způsobí rozšíření hrudní dutiny. 2. Objem hrudníku se tak zvětšuje. 3. Tlak vzduchu v plicích klesá. 4. Tlak vzduchu v okolním prostředí je větší, než tlak vzduchu v plicích, a proto se vzduch z okolního prostředí tlačí do dýchacích cest a do plic. Plíce se tak plní vzduchem, dokud se zcela nenaplní. Co se děje při výdechu? Při výdechu je tlak vzduchu v plicích vyšší, než je tlak vzduchu v okolním prostředí. 1. Svaly dýchací soustavy se uvolňují, hrudní svaly se vrací do své původní polohy a žebra spojená s těmito svaly opět poklesnou. 2. Objem hrudníku se díky gravitaci opět zmenšuje. 3. Tlak vzduchu v plicích se zvětšuje. 4. Vzduch je z plic vytlačován do okolního prostředí, kde je nižší tlak.


17

2.8

Dýchací soustava – samostatný experiment a diskuse v celé třídě – 20 minut

Co může ovlivňovat proudění vzduchu v dýchací soustavě? Žáci přednášejí své návrhy a učitel je doplňuje dalšími informacemi. Prachové částice, kouř, saze apod. mohou pronikat do dýchacích cest, usazovat se v nich na jejich stěnách, a tím je zužovat (velký předmět, který pronikne do dýchacích cest, může způsobit i udušení, protože zcela zablokuje přívod vzduchu do plic). Dalšími faktory ovlivňujícími proudění vzduchu dýchacími cestami tím, že způsobí jejich zúžení, mohou být například křeče svalů dýchací soustavy, otoky nebo velká produkce hlenu. Dýchací potíže při astmatu jsou způsobeny zúžením dýchacích cest. Pro představu o průtoku vzduchu a faktorech ovlivňujících dýchací soustavu mohou žáci provést následující jednoduchý pokus: žáci se pokusí nasávat nebo protlačovat vzduch přes trubičky s různým průměrem, ale o stejné délce. Požádejte je, aby se zhluboka nadechli a pak všechen vzduch naráz vydechli přes trubičku. Žáci zjistí, že čím menší průměr trubička má, tím obtížnější je vzduch trubičkou vyfouknout, a tím déle to trvá (čas potřebný pro vydechnutí celého objemu plic je možné změřit pomocí stopek). Pokus demonstruje průtok vzduchu zdravými dýchacími cestami v porovnání s průtokem vzduchu zúženými dýchacími cestami. Čím užší je dýchací trubice (trachea), tím obtížnější je nasát vzduch do plic a opět ho vydechnout.

Tip: Je doporučeno trubičky od žáků po skončení pokusu vybrat. Mohli by s jejich pomocí ovlivnit pokračování lekce.

Tip: Pokud žáci zmíní inhalátor pro astmatiky, může je učitel poučit, že inhalátor (respektive lék, který uvolňuje) slouží ke snížení otoku dýchacích cest. Protože otok způsobuje zúžení dýchacích cest, pomáhá snížení otoku dýchací cesty opět rozšířit a umožnit normální dýchání.

Tip: Vitální kapacita plic = objem vzduchu, který lze z plic vydechnout po maximálním nádechu.

2.9

Co je to objem a jak ho lze měřit? – diskuse – 5 minut

Aby bylo možné splnit úkol, musíme získat další informace o tom, co znamená objem. Co je to objem a jak ho můžeme změřit? Po vyslechnutí odpovědí žáků učitel vysvětlí definici objemu a napíše ji na tabuli. Objem = prostor, který určitá látka zabírá. Objem se obvykle měří v litrech nebo v metrech krychlových (1m x 1m x 1m = 1m krychlový). 1 litr = 0,001 m krychlového. Metr krychlový má značku m3. Výsledky měření jsou uvedeny na měřicím zařízení v příslušných jednotkách. Při navrhování měřicího přístroje je nezbytné zajistit, aby značky odpovídaly daným jednotkám. Například pravítko je opatřeno značkami v centimetrech a milimetrech, teploměr je kalibrován značkami po 0,1 ° C a odměrka je označena po 0,1 l.


18

2.10

Určení objemu různých nádob – práce ve skupinách – 5 minut

Učitel ukáže žákům různé nádoby s vyznačeným objemem. Rozdá nádoby, které žáci znají z domova: obaly od oleje, javorového sirupu, kečupu, limonád a podobně a požádá žáky, aby zapsali objem každé nádoby.

Tip: Nadané žáky je možné požádat, aby místo určování objemu nádobu zvážili. Poté můžete zahájit diskusi o rozdílu mezi objemem a hmotností.

2.11

Pokus s měřením objemu kapalin – práce ve skupinách – 15 minut

Učitel žákům ukáže různé nádoby pro měření objemu: odměrky, stříkačky, chemické kádinky, odměrné válce atd. Po předložení nádob dostane každá skupina injekční stříkačku o objemu 50 ml naplněnou vodou a chemickou kádinku o objemu 100 ml /200 ml nebo odměrný válec o objemu 1 l / 2 l. Žáci zjistí, že stejné množství vody (10 ml) zaujímá vždy stejný objem, jak v úzké stříkačce, tak i v širší nádobě, jako je chemická kádinka, i když to může na první pohled vypadat jinak.

2.12

Měření pevných látek – demonstrace – 10 minut

Jedna z metod měření objemu pevných látek je založena na skutečnosti, že pevný předmět ponořený do kapaliny zvedne hladinu této kapaliny. Objem kapaliny takto vytlačené se rovná objemu daného předmětu. Na tomto místě může učitel stručně popsat Archimédův objev zaměřený na fakt, že při ponoření do vany hladina vody ve vaně stoupne. Je doporučeno, aby učitel ponořil předmět nepravidelného tvaru (třeba kámen, kus plastelíny apod.) do průhledné nádoby s vodou, takže žáci mohou na vlastní oči vidět, co se stane s hladinou kapaliny. Původní výši hladiny kapaliny v nádobě označte popisovačem. Je-li nádoba naplněna vodou až po okraj, lze vodu vytlačenou z nádoby zachytit do odměrky a určit její objem. Je-li nádoba opatřená značkami pro měření objemu, lze změnu výšky hladiny rovnou převést na jednotky objemu. Je třeba zdůraznit, že předmět ponořený do vody zaujal místo vody, která z nádoby vytekla. Toto „místo“ má stejný objem jako ponořený předmět.

Tip: Je doporučeno, aby učitel před prvním předvedením pokusu týkajícího se Archimédova zákona zhlédl následující videoklipy. http://www.youtube.com/watch?v=KYkh-9-Qs1M&feature=youtu.be http://www.youtube.com/watch?v=Ryx1ELGJqeA&feature=youtu.be Tip: Při těchto pokusech doporučujeme pro lepší viditelnost použít obarvenou vodu.


19

2.13


Učitel žákům připomene, že v lekci 2 shromáždili informace (fáze zadání a pokládání otázek), které jim pomohou vyřešit úkol. Dozvěděli se základní informace o dýchací soustavě, o objemu, zjistili, co je to vitální kapacita plic a naučili se měřit objem kapalin a pevných látek. Na konci lekce je možné žákům rozdat listy vyhodnocení a jejich vyplnění jim zadat jako domácí úkol, nebo je vyplnit v rámci lekce (vyplnění a kontrola zabere 15 až 20 minut). List vyhodnocení 1 z lekce 2 „Dýchací proces“ se zabývá procesem dýchání a faktory, které ovlivňují průtok vzduchu dýchací soustavou. List vyhodnocení 2 lekce 2 hodnotí znalosti žáků týkající se měření objemu. Tip: Tuto aktivitu lze provést na závěr nebo jako domácí úkol.

Tip: V této fázi lekce je doporučeno znovu připomenout Yaelin problém/potřebu a popsat zadání, kterému žáci čelí: Yael potřebuje zjistit, proč se jí špatně dýchá, a my jí máme pomoci s diagnózou. Žáci jsou postaveni před úkol navrhnout biomedicínský přístroj schopný měřit vitální kapacitu plic (jak je uvedeno v příběhu).


20

Lekce 3 – Začínáme stavět! Návrh vašeho přístroje pro měření vitální kapacity plic Potřebná doba: 110 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • jak navrhnout a vyrobit přístroj pro měření vitální kapacity plic za použití řady nástrojů a materiálů, • aplikovat vědecké poznatky získané v lekci 2 při navrhování biomedicínského přístroje, • aplikovat na svou práci pravidla konstrukčního procesu, a účinně si tak rozvrhnout práci. Potřeby (pro 30 žáků) • 3–4 odměrné válce (0,2 l + 0,5 l +1 l), • 2 kádinky (500 nebo 1 000 ml), • 5 kalibrovaných kuchyňských odměrek, • 4 popisovače, • 4 nádoby s označením objemu s odříznutými oběma konci (2 nádoby o objemu 3 l a 4 l), • 10 igelitových sáčků různých velikostí (0,5–4 l), • 3 kbelíky s objemovými značkami, • 4–5 dlouhých plastových vaků s oběma konci otevřenými (2,5 m dlouhé, 10 cm v průměru), • 4 trychtýře (o průměru 10–15 cm), • 30 silných širokých pružných pásků,

•

• • • • •

• • • •

30 trubiček pro vyfukování vzduchu (z hygienických důvodů) – 4–5 cm dlouhé, 2–3 cm v průměru, 1 plakát znázorňující konstrukční proces, 5 nůžky, 4 injekční stříkačky (50 ml), 6 hadrů, 4 různé trubičky 0.5 m – 1 m dlouhé, přibližně 1–2 cm v průměru, 8 širokých lavorů (mís), pracovní list 3 – Přemýšlení, pracovní list 4 – Plánování, list vyhodnocení 3 – Konečné zhodnocení po dokončení.

Příprava • Zhotovte kopie pracovního listu 3 – Přemýšlení, pracovního listu 4 – Plánování a listu vyhodnocení 3 – Co jsme udělali v lekci 3? • Roztřiďte všechny potřeby a vybavení na hlavním stole. • Připravte prostor pro uskladnění přístrojů žáků do další lekce. Způsob práce • Práce ve skupinách po 4–5 žácích. Hlavní myšlenky této lekce • Týmová práce zahrnuje spolupráci a porady důležité pro konstrukční proces. • Konstrukční proces zahrnuje i pokusy a chyby. Kontext a pozadí V této lekci žáci projdou fázemi „přemýšlení“, „plánování“, „zkonstruování“ a „vylepšování“. Využívají vědecké poznatky, o kterých se dozvěděli v předchozí lekci, a pokoušejí se splnit podmínky zadání. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

21

3.1


Učitel žákům připomene záměr pomoci Yael tím, že navrhnou a vyrobí přístroj pro měření vitální kapacity plic. Měření musí být třikrát zopakováno, abychom získali dobré výsledky. Na schématu konstrukčního procesu učitel žákům ukáže fáze cíle a zadání a pokládání otázek, kterými žáci prošli, a také fáze, které projdou v následující lekci: přemýšlení, plánování, zkonstruování a případně vylepšování.

3.2

Měření vitální kapacity plic (přístroj vyrobený učitelem) – předvedení – 20 minut

Učitel žákům připomene, že se dosud naučili měřit objem kapalin a pevných předmětů. Je možné použít podobnou metodu i pro měření objemu vzduchu? Žáky o tom nechte přemýšlet a neodpovídejte jim. Později jim to pomůže při řešení jejich úkolu. Žáci poté budou sledovat postup měření vitální kapacity plic (maximální objem vydechovaného vzduchu) pomocí přístroje vyrobeného učitelem. Učitel zajistí, aby všechny děti na demonstraci dobře viděly, a poté jim předvede způsob měření vitální kapacity plic.

Jak pokus provést: 1. Naplňte mísu vodou do výšky 10 cm. 2.

Naplňte plastový kanystr až po okraj vodou.

3.

Utěsněte hrdlo kanystru rukou tak, aby žádná voda nevytekla, poté ho otočte vzhůru dnem a ponořte ho do mísy tak, aby bylo jeho hrdlo pod hladinou.

4.

Do kanystru vložte jeden konec pružné hadičky pod hladinu vody. Ujistěte se, že hadička není nikde zalomená ani ucpaná.

5.

Do druhého konce vložte kousek užší trubičky jako náustek.

6.

Zhluboka se nadechněte. Nyní co nejsilněji vydechněte vzduch do hadičky tak, aby se vzduch z vašich plic dostal do kanystru.

7.

Odhadněte množství vydechnutého vzduchu odhadnutím objemu vody vytlačené z kanystru.

8.

Je objem vydechnutého vzduchu roven přibližně polovině objemu kanystru? Nebo jedné třetině jeho objemu?

9.

Pokus je proveden s kanystrem bez kalibrovaných značek. Poté, co žáci změří „přibližný“ objem, může se jich učitel zeptat: „Jak bychom mohli přesněji změřit, kolik vzduchu jsme vydechli do kanystru?“ Učitel nechá žáky odpovědět, v rámci diskuse jejich odpovědi shrne a řekne, že pro přesné měření objemu musí být přístroj kalibrovaný.


22

Výsledky měření jsou uvedeny přímo na měřidle v příslušných jednotkách. Při návrhu přístroje je proto nezbytné zajistit označení příslušných jednotek objemu a také použít měřicí přístroj s objemem vhodným pro daný účel. Chcete-li změřit délku svého notebooku, můžete použít pravítko, avšak chcete-li změřit vzdálenost mezi domovem a školou, nepoužijete pravítko, nýbrž …… Podobně – pokud potřebujete změřit objem vzduchu v malém balónku, pravděpodobně nebude vhodné použít přístroj pro měření vitální kapacity plic.

Tip: Je doporučeno, aby před prvním předvedením pokusu učitel shlédl tento videoklip: http://www.youtube.com/watch?v=cnewH2HUbBw&feature=youtu.be

Tip: Plíce není možné zcela vyprázdnit. Vždy v nich určité množství vzduchu zůstane. Vzduch v plicních sklípcích a průduškách zabraňuje tomu, aby se slepily dohromady.

3.3

Výroba zařízení – práce ve skupinách – 75 minut

Třída je rozdělena do pracovních skupin a učitel jim zdůrazní význam týmové práce. Naslouchání názorům ostatních členů týmu a spolupráce s nimi jsou důležité aspekty týmové práce. Učitel žákům představí materiál a vybavení, které budou pro splnění svého úkolu potřebovat.

Jednotlivé fáze skupinové práce učitel napíše na tabuli: 1. Diskuse ve skupinách, přednesení návrhů a myšlenek (nejméně dvou) a dohoda na jednom řešení – použijte pracovní list 3 lekce 3 „Přemýšlení“ – 5–7 minut. 2. Naplánování a vývoj zvoleného řešení – použijte pracovní list 4 lekce 3 „Plánování“ – 5 minut. 3. Souhlas učitele se zahájením práce – 2 minuty. 4. Vyzvednutí materiálu z hlavního stolu – 2–5 minut. 5. Výroba a vyzkoušení přístroje – 45 minut. 6. Uspořádání a úklid místnosti – 10 minut. Žáci použijí připravené předměty a postaví přístroj, který navrhli. Každou fázi procesu jim učitel zkontroluje, aby jim pomohl splnit zadání. Tip: Zajistěte, aby byla během výroby a zkoušení prototypů dodržována pravidla hygieny.

3.4


Až skupiny dokončí svou práci, zopakuje učitel fáze konstrukčního procesu – zadání a pokládání otázek, plánování a zkonstruování a označí je na schématu. Učitel lekci zakončí v obecné rovině a shrne způsob, jakým žáci pracovali ve skupinách, jak ukázali tvořivost, pracovali metodou pokusů a omylů a vyzkoušeli si i neúspěchy a zklamání, které rovněž patří k práci inženýrů. Poté žákům sdělí, že následující lekce bude věnována vyzkoušení a vyhodnocení každého přístroje, které žáci vyrobili, a také jejich předvedení všem skupinám. Nakonec učitel rozdá list vyhodnocení 3 „Konečné hodnocení po dokončení úkolu“ a jeho vypracování uloží za domácí úkol.


23

Lekce 4 – Co jsme udělali? Splnili jsme zadání? Potřebná doba: 85 minut (plus 30 minut s doplňkovou aktivitou)

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • že existuje několik možností řešení konstrukčního zadání, která využívají různé vědecké poznatky, • zhodnotit přístroje, které navrhli a vyrobili, v souladu se stanovenými požadavky na tyto přístroje, • že díky spolupráci je možné dosáhnout cenných úspěchů.

Potřeby (pro 30 žáků) • Měřicí přístroje vyrobené žáky, • rozšíření: krátký film demonstrující použití spirometru: http://www.youtube.com/watch?v=LeXgXKIy RA0&feature=related, • počítač, projektor/monitor, • • plakát konstrukčního procesu, • list vyhodnocení 4 – Konstrukční proces – shrnutí technického projektu.

Příprava • Připravte videoklip na lokálním počítači nebo na webu.

Způsob práce • Diskuse v celé třídě, • práce ve skupinách, • prezentace ve skupinách.

Hlavní myšlenky této lekce • Přesnost, spolehlivost a snadné použití jsou důležité faktory při navrhování a výrobě měřicích přístrojů. • Vitální kapacita plic = objem vzduchu, který lze vydechnout z plic po maximálním nádechu. • (Je-li použito) Spirometr je biomedicínský přístroj používaný při diagnostice dýchacích problémů. Ve srovnání s přístroji, které vyrobili žáci, je tento tovární přístroj přesnější a umožňuje i další funkční diagnostická vyšetření plic.

Kontext a pozadí V této lekci si žáci prohlédnou a představí třídě měřicí přístroje, které navrhli a vyrobili v poslední lekci. Budou diskutovat o svých zkušenostech z výroby přístrojů a o návrzích na vylepšení. Žáci se seznámí s biomedicínskými přístroji používanými lékaři při diagnostice dýchacích obtíží. Lekce skončí shrnutím celého projektu, uzavřením kruhu a návratem k první lekci, k příběhu o Yael a úvodu do oblasti biomedicínského inženýrství. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

24

4.1

Úvodní aktivita – diskuse v celé třídě - 5 minut

Učitel zkontroluje listy vyhodnocení, které žáci vypracovali doma. Vrátí se k fázím konstrukčního procesu, kterými žáci prošli v lekci 3, a ukáže je na schématu konstrukčního procesu. Připomene metodu pokusu a omylu i neúspěchy stejně jako úspěchy, které také patří k práci inženýrů.

4.2

Příprava prezentace – práce ve skupinách – 20 minut

Pomocí vyrobených přístrojů mohou žáci změřit vitální kapacitu plic (maximální objem výdechu). Musejí věnovat pozornost požadavkům zadání: třikrát změřit vitální kapacitu plic a pokaždé získat podobný výsledek. Své výsledky zapíší. Každá skupina připraví krátkou prezentaci (2–3 minuty) svého přístroje.

4.3

Předvedení přístrojů – prezentace ve skupinách – 40 minut

Každá skupina představí před třídou svůj přístroj a předvede jeho funkci. Během prezentace by se měli žáci vyjádřit k těmto skutečnostem: • vědecké principy, na jejichž základě je postaveno jejich řešení, • další řešení, která zvažovali v raných fázích výroby svého přístroje, • kritéria stanovená na začátku: přesnost (maximální odchylku mezi naměřenou a skutečnou hodnotou), spolehlivost (schopnost zopakovat měření a získat podobné výsledky). Během prezentací by měl učitel žáky při předvádění vědeckých principů vést a tyto principy vztáhnout na příčiny rozdílů v jejich výsledcích. Co může být příčinou v rozdílech naměřených výsledků jednotlivých skupin? Různé výsledky při měření vitální kapacity plic může být způsoben pouze věkem, tělesnou stavbou a pohlavím. Mezi naměřenými hodnotami by neměly být žádné významné odlišnosti. Pokud se takové objeví, je třeba zdůraznit, že to není způsobeno závadou, ale jednou z následujících příčin: 1. Rozdíly způsobené měřením: a. použití různých metod měření s různým stupněm spolehlivosti, b. nepřesností měření způsobenou kvalitou daného přístroje. 2. Rozdíly vyplývající z fyziologických odlišností mezi žáky: výška, věk, pohlaví. V rozporu s obecně přijímanými představami se neodlišuje objem a funkce plic zdravých a nemocných lidí. Objem plic však mohou ovlivnit určité nemoci, které jsou ale u dětí velmi vzácné.

Tip: Protože některé z měřicích přístrojů budou pro svou funkci vyžadovat vodu, je doporučeno provádět prezentace na hlavním stole.

4.4

Vylepšení měřicích přístrojů – diskuse v celé třídě – 10 minut

Zeptejte se žáků: • Dosáhli jste při měření vždy stejných výsledků, nebo mezi nimi byly velké rozdíly? (Toto byl hlavní požadavek na přístroj). • Jak můžete vylepšit přístroje, které jste postavili? • Lze váš přístroj snadno obsluhovat? • Učitel napíše podmínky zadání na tabuli, aby žáci mohli zhodnotit kvalitu svých přístrojů. Žáci mohou předkládat návrhy a učitel je může v případě potřeby komentovat.


25

• Návrhy na vylepšení přístrojů: ▫ Provoz – snadnost použití a doba potřebná pro přípravu přístroje na opakované měření. ▫ Přesnost měření (porovnání naměřených hodnot s hodnotami pro zdravé plíce z příslušné literatury). ▫ Estetický vzhled přístroje.

4.5

Doplňková činnost: spirometr – diskuse v celé třídě – 30 minut

Učitel rozhodne na základě zájmu žáků a pochopení toho, jak vztáhnout tento projekt na komerční využití biomedicínského inženýrství. Učitel sdělí žákům, že postavili přístroj pro měření vitální kapacity plic, jedné složky celkového objemu plic. Je známo, že objem plic závisí na pohlaví, výšce a stáří, vyjma případů onemocnění plic. Jak se dozvěděli v první lekci, Yael trpí dechovou nedostatečností. Protože to bohužel bude pravděpodobně způsobené nemocí, přístroj, který žáci postavili, nebude pro stanovení správné diagnózy stačit. Biomedicínské přístroje v nemocnici budou schopné provést další měření a vyšetření, například objem plic v různých situacích nebo čas potřebný pro úplné nadechnutí a vydechnutí celého objemu plic. Vyhodnocením všech těchto údajů získá lékař potřebné informace k tomu, aby mohl stanovit správnou diagnózu. Tyto měřicí přístroje jsou navrhovány a vyráběny inženýry pracujícími v oblasti biomedicíny. Jedním z těchto přístrojů, který je určen pro měření vitální kapacity plic, je spirometr. Učitel žákům ukáže krátké video představující důležitost a užitečnost spirometru a také princip jeho činnosti: http://www.youtube.com/watch?v=LeXgXKIyRA0&feature=related Učitel doprovodí video vysvětlujícím výkladem. Spirometr – přístroj určený pro měření vitální kapacity plic. Používá se při diagnostice problémů s dýchací soustavou, jako jsou překážky v dýchacích cestách a snížený průtok vzduchu (objem vzduchu, který projde dýchacími cestami za určitou jednotku času) způsobený astmatem nebo jiným plicním onemocněním. Při vyšetření pacient silně vydechne do přístroje. Jsou změřeny a spočítány různé hodnoty objemu plic. Lékař poté výsledky vyhodnotí a určí, zda má pacient problém, a pokud ano, tak o jaký problém jde. Vyšetření zahrnuje měření maximálního objemu vydechovaného vzduchu po hlubokém nadechnutí a „normální“ objem vydechovaného vzduchu (tyto hodnoty byly změřeny přístroji postavenými žáky). Spirometr spojuje různá čidla a jednotky sloužící k měření hodnot a jejich převodu na elektrické signály. Můžete poukázat na to, že nemáme dostatek informací z oboru biomedicínského inženýrství a nemáme vhodné technické prostředky. Přístroje vyrobené žáky nedokážou provést většinu měření, jak to dokážou komerční přístroje, a samozřejmě nemají takovou přesnost, aby se mohly vyrovnat komerčním spirometrům. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

26

4.6

Závěr – v celé třídě a samostatná práce – 10 minut

Učitel rozdá list vyhodnocení 4 Konstrukční proces – shrnutí projektu pro žáky. Poté, co každý ze žáků samostatně vyplní list vyhodnocení, zkontroluje učitel spolu s žáky odpovědi a za využití příslušného schématu prodiskutují a identifikují jednotlivé fáze konstrukčního procesu.

Tip: Informace o měření lze nalézt v příloze a také zde: http://www.mada.org.il/en/about/engineer/challenge/measurement?from=ref-inpage


27

Přílohy Úvodní příběh – Jak můžeme pomoci Yael? Překvapivá výzva na školním výletě „Yael, jsi na řadě!“ Yael se postavila a vešla do ordinace. Byla lehce nervózní. Lékař se na ni usmál a vyzval ji, aby se posadila. „Ahoj Yael, já jsem Michal a jsem lékař. Specializuji se na dýchací soustavu. Jak ti mohu pomoci?“ Yael byla překvapená, že jí lékař místo vyšetření pokládá otázky. „Všechno to začalo asi před dvěma týdny,“ řekla mu Yael. „Hráli jsme si o prázdninách s míčem a uprostřed hry mě najednou začalo bolet v hrudníku. Přestala jsem hrát, abych mohla popadnout dech, a když jsem se pokoušela nadechnout, pískalo mi při tom v krku.“ „Před několika dny,“ pokračovala Yael, „když jsem šla s kamarády na nákup, projel okolo nás autobus, ze kterého se valila oblaka černého kouře. Všichni začali kašlat, ale já jsem kašlala víc než všichni ostatní.“ Lékař ji pozorně vyslechl a pak řekl: „Takže se ti špatně dýchá. Musíme tedy zjistit, proč tomu tak je.“ Yael se ulekla: „Ale my máme jet zítra na výlet! A já chci jet také!“ Lékař se usmál. „Žádný strach, Yael. Provedeme jenom jednoduché vyšetření, něco, co zvládneš sama během výletu. Vidím, že už jsi velká a zodpovědná a věřím, že to zvládneš.“ Yael se uklidnila. Také byla trochu hrdá na to, že ji lékař považuje za velkou a zodpovědnou. „Co bych měla udělat?“ zeptala se ho. „Dám ti s sebou přístroj určený pro měření vitální kapacity plic a poznámkový sešit. Po dobu jednoho týdne každý den provedeš jednoduché měření. Zhluboka se nadechneš a nejrychleji, jak dokážeš, vydechneš všechen vzduch do přístroje. Potom do zápisníku napíšeš hodnotu, kterou přístroj ukáže. Za týden se znovu sejdeme a ty mi ukážeš své zápisky. Výsledky nám pomohou zjistit, co stojí za tvými obtížemi.“ To neznělo zase tak strašně. Yael si vzala přístroj a zápisník. „Spolehněte se, pane doktore,“ řekla, „budu si zapisovat výsledky měření přesně tak, jak jste mi řekl. Uvidíte.“ Lékař se znovu usmál a rozloučil se s ní. Yaelina matka čekala venku před ordinací. Yael jí ukázala měřicí přístroj a zápisník a pověděla jí, co jí lékař řekl. *** Dalšího dne ráno Yael vstala brzy, aby se připravila na výlet. Samozřejmě pamatovala na to, co jí řekl její lékař. Připravila si tedy i měřicí přístroj a zápisník a nezapomněla ani na tužku, aby si mohla zapisovat výsledky měření. Pak už se svým velkým batohem spěchala do školy, aby se mohla kamarádům pochlubit přístrojem od lékaře. Chvíli poté přijel autobus a děti začaly nastupovat. Yael rychle uložila přístroj nahoru do batohu a batoh uklidila do zavazadlového prostoru autobusu. Potom běžela do autobusu, aby si zajistila sedadlo vedle své nejlepší kamarádky Avigail. *** Výlet byl super. Když zastavili, průvodce všem řekl, aby si vyndali láhve s pitím a pořádně se napili. Ale když Yael otevřela svůj batoh, aby si vzala láhev, zhrozila se. Přístroj na měření dechu byl rozbitý. Musel se asi poškodit, když její batoh za jízdy narážel na ostatní zavazadla. S pláčem na krajíčku Yael opatrně skládala kousky svého rozbitého přístroje k sobě. Jak teď bude provádět měření, která slíbila svému lékaři? Určitě bude velmi zklamaný. „Nebuď smutná, Yael“, řekla jí Avigail, když se všichni kamarádi okolo Yael shromáždili. „Pomůžeme ti to nějak vyřešit. Říkala jsi, že lékař po tobě chtěl, aby sis měřila objem vzduchu v plicích? Tak jsem si jistá, že určitě přijdeme na způsob, jak to udělat i bez přístroje, který ti tvůj lékař dal.“ Poznámka pro učitele: V této fázi byste měli žákům říci, že v následujících lekcích budou hledat cestu, jak Yael pomoci měřit vitální kapacitu jejích plic za použití předmětů a materiálů, které mají žáci na výletě s sebou. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

28

Konstrukční proces


29

Dýchací soustava

Nosní dutina

Průdušnice

Ústní dutina

Plíce

Průdušky

Průdušinky

Plicní sklípky

Bránice


30

Pracovní a odpovědní listy


31

Pracovní list 1, lekce 1 – Konstrukční proces Jméno: Datum: Vyplňte prázdná místa.

Cíl


32

Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 1 – Konstrukční proces

Cíl Navrhnout biomedicínský nástroj pro měření objemu vydechovaného vzduchu


33

List vyhodnocení 1, lekce 2 – Dýchací proces Jméno: Datum:

1. Seřaďte správně fáze dýchacího procesu: Fáze nádechu: • Objem hrudníku se zvětšuje. • Bránice a svaly hrudníku se stahují. • Vzduch z okolí, jehož tlak je vyšší než tlak vzduchu v plicích, vstupuje do dýchacích cest a do plic. • Tlak vzduchu v plicích se snižuje. Fáze výdechu: • Bránice a hrudní svaly se uvolňují a žebra klesají. • Objem hrudníku se zmenšuje. • Vzduch uniká z plic do okolí, kde je nižší tlak. • Tlak vzduchu v plicích se zvyšuje. 2. • • • •

Označte faktory, které mohou ovlivňovat průchod vzduchu dýchacími cestami: Prachové částice Kouř Hlen Vše z uvedeného

3. Najděte 8 slov souvisejících s dýcháním: Komentář[JJ1]: Upraveno na česká slova. t

r

a

ch

e

a

s

v

p

s

s

j

e

x

h

é

l

ý

l

n

t

k

j

n

x

d

u

d

í

z

m

b

r

á

n

i

c

e

c

m

a

j

v

d

f

x

g

ch

e

f

g

ů

r

e

c

v

z

d

u

ch

q

a

s

ch

h

m

a

t

b

c

a

s

t

m

a

p

í

i

a

m

c

z

ú

s

t

a

h

o

i

k

b

k

i

n

h

a

l

n

ú

ú


34

Odpovědní list: List vyhodnocení 1, lekce 2 – Dýchací proces Jméno: Datum:

Seřaďte správně jednotlivé fáze dýchání: Fáze nádechu: • 2 Objem hrudníku se zvětšuje. • 1 Bránice a hrudní svaly se stahují. • 4 Vzduch z okolí, jehož tlak je vyšší než tlak vzduchu v plicích, vstupuje do dýchacích cest a do plic. • 3 Tlak vzduchu v plicích se snižuje. Fáze výdechu: • 1 Bránice a hrudní svaly se uvolňují a žebra klesají. • 2 Objem hrudníku se zmenšuje. • 4 Vzduch uniká z plic do okolí, kde je nižší tlak. • 3 Tlak vzduchu v plicích se zvyšuje. 1. • • • •

Označte faktory, které mohou ovlivňovat průchod vzduchu dýchacími cestami Prachové částice Kouř Hlen Vše z uvedeného

2. Najděte 8 slov souvisejících s dýcháním: Komentář[JJ2]: Upraveno na česká slova. t

r

a

ch

e

a

s

v

p

s

s

j

e

x

h

é

l

ý

l

n

t

k

j

n

x

d

u

d

í

z

m

b

r

á

n

i

c

e

c

m

a

j

v

d

f

x

g

ch

e

f

g

ů

r

e

c

v

z

d

u

ch

q

a

s

ch

h

m

a

t

b

c

a

s

t

m

a

p

í

i

a

m

c

z

ú

s

t

a

h

o

i

k

b

k

i

n

h

a

l

n

ú

ú


35

List vyhodnocení 2, lekce 2 – Měření objemu Jméno: Datum:

1. Uri vyrábí své sestře k narozeninám koláčky. Rychle dal do mísy všechny přísady, avšak narazil na problém – v receptu je napsáno, že má do těsta přidat 1 ml vanilkové esence, avšak Uri se nemůže rozhodnout, jaký nástroj pro odměření tohoto množství použít. Dokážete mu pomoci vybrat tu pravou odměrku? • Injekční stříkačka o objemu 50 ml • Kalibrovaná odměrka o objemu 20 ml • 30 cm pravítko • Injekční stříkačka o objemu 5 ml

2. Zdravotní sestra v nemocnici, kde ošetřují Yael, chce vybrat zařízení pro změření vitální kapacity plic. Každé měřicí zařízení má jiný měřicí rozsah. Pomozte sestře vybrat nevhodnější přístroj a odůvodněte svou volbu. • 0–4 ml • 0–40 ml • 0–4 l • 0–40 l ……………………………..……………………………..……………………………..……………………… …………………………..……………………………..……………………………..…………………………

3. Objemové značky na měřicím zařízení, které chceme použít pro změření množství konkrétní látky, se nazývají: • Kalibrace • Uspořádání • Stupnice • Značení


36

4. Vyplňte křížovku a vyluštěte důležitý poznatek, který jste dnes získali. Odpověď je v šedém sloupci. V 1 2 3 4 5 Legenda: 1. Proces, během kterého provádíme přizpůsobení údajů měřicího zařízení reálnému fyzickému stavu, se nazývá ...................................................................................... 2. Jednotka pro měření objemu .................................................................................... 3. Pravítko, odměrný válec a teploměr jsou příklady ..................................... přístrojů. 4. Známý řecký vědec a konstruktér, který objevil způsob měření objemu pevných předmětů, se jmenoval .............................................................................................................. 5. Osoba, která používá své tvůrčí schopnosti a znalosti materiálů, nástrojů a vědeckých poznatků k navrhování řešení úkolů, se nazývá ......................................................


37

1 2 3 4 5 a

Komentář [JJ3]: Návrh na tajenku upravený pro české žáky. Legenda: 1. Jednotka objemu ...................................................................................................... 2. Známý řecký vědec a konstruktér, který objevil způsob měření objemu pevných předmětů, se jmenoval ............................................................................................. 3. Proces, během kterého provádíme přizpůsobení údajů měřicího zařízení reálnému fyzickému stavu, se nazývá ...................................................................................... 4. Pravítko, odměrný válec a teploměr jsou příklady ...................................... nástrojů. 5. Osoba, která používá své tvůrčí schopnosti a znalosti materiálů, nástrojů a vědeckých poznatků k navrhování řešení úkolů, se nazývá .......................................................


38

Odpovědní list: List vyhodnocení 2, lekce 2 – Měření objemu 1. Uri vyrábí své sestře k narozeninám koláčky. Rychle dal do mísy všechny přísady, avšak narazil na problém – v receptu je napsáno, že má do těsta přidat 1 ml vanilkové esence, avšak Uri se nemůže rozhodnout, jaký nástroj pro odměření tohoto množství použít. Dokážete mu pomoci vybrat tu pravou odměrku? • Injekční stříkačka o objemu 50 ml • Kalibrovaná odměrka o objemu 20 ml • 30 cm pravítko • Injekční stříkačka o objemu 5 ml 2. Zdravotní sestra v nemocnici, kde ošetřují Yael, chce vybrat zařízení pro změření vitální kapacity plic. Každé měřicí zařízení má jiný měřicí rozsah. Pomozte sestře vybrat nevhodnější přístroj a odůvodněte svou volbu. • 0–4 ml • 0–40 ml • 0–4 l • 0–40 l 3. • • • • 4.

Objemové značky na měřicím zařízení se nazývají: Kalibrace Uspořádání Stupnice Značení Vyplňte křížovku a vyluštěte důležitý poznatek, který jste dnes získali. Odpověď je v šedém sloupci. v

1c

1. 2. 3. 4. 5.

a

l

i

b

r

a

t

i

o

n

2l

i

t

r

e

3m

e

a

s

u

r

i

n

g

4a

r

c

h

i

m

e

d

e

s

5e

n

g

i

n

e

e

r

Proces, během kterého provádíme přizpůsobení údajů měřicího zařízení reálnému fyzickému stavu, se nazývá – kalibrace. Jednotka objemu – litr. Pravítko, odměrný válec a teploměr jsou příklady měřicích nástrojů. Známý řecký vědec a konstruktér, který objevil způsob měření objemu pevných předmětů, se jmenoval Archimédes. Osoba, která používá své tvůrčí schopnosti a znalosti materiálů, nástrojů a vědeckých poznatků k navrhování řešení úkolů, se nazývá inženýr.


39

1l

i

t

r

2a

r

ch

i

c

e

n

ý

3k

a

l

i

b

r

a

4m

ě

ř

i

c

í

ch

5i

n

ž

e

m

e

d

e

s

r

a

Komentář [JJ4]: Návrh na tajenku upravený pro české žáky. Legenda: 5. Jednotka objemu – litr. 6. Známý řecký vědec a konstruktér, který objevil způsob měření objemu pevných předmětů, se jmenoval Archimédes. 7. Proces, během kterého provádíme přizpůsobení údajů měřicího zařízení reálnému fyzickému stavu, se nazývá – kalibrace. 8. Pravítko, odměrný válec a teploměr jsou příklady měřicích nástrojů. 5. Osoba, která používá své tvůrčí schopnosti a znalosti materiálů, nástrojů a vědeckých poznatků k navrhování řešení úkolů, se nazývá inženýr.


40

Pracovní list 3, lekce 3 – Přemýšlení Navrhněte možná řešení a zvolte to nejvhodnější Jména: Datum:

Najděte nejméně dvě možná řešení konstrukce přístroje pro měření vitální kapacity plic. 1. Nakreslete nebo popište, jak bude váš přístroj vypadat. 2. Popište, jak se bude přístroj používat / jak bude pracovat. 3. Sestavte seznam materiálů a předmětů, které budete ke stavbě přístroje potřebovat.

Přístroj 1 Jak bude přístroj vypadat?

Jak bude pracovat? …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………...

Potřebný materiál: …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………...


41

Přístroj 2 Jak bude přístroj vypadat?

Jak bude pracovat? …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………...

Potřebný materiál: …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………...

Diskutujte mezi sebou o NEJLEPŠÍM ŘEŠENÍ. Vezměte přitom do úvahy tyto parametry: 1. Přesnost měření 2. Snadnost výroby 3. Možnost opakovaného použití?

Který jste vybrali? …………………………….…………………………….…………………………….……………………... Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

42

Pracovní list 4, lekce 3 – Plánování Jména: Datum:

Nakreslete obrázek přístroje:

Potřebný materiál: …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... …………………………….…………………………….…………………………….……………………... • Ukažte svůj obrázek učiteli. • Zeptejte se, zda si můžete vzít potřebný materiál. • Začněte s výrobou!


43

List vyhodnocení 3, lekce 3 – Konečné posouzení po dokončení úkolu Jméno: Datum:

Během posledních lekcí jste pracovali jako inženýři a při řešení zadání jste prošli jednotlivými fázemi procesu, který nazýváme konstrukční proces. Tento proces začíná u problému nebo zadání, které je třeba vyřešit. Cílem každé skupiny je pomoci Yael s ………………………..………………………..………………………...…...................................... ………………………..………………………..………………………..………………………..…………..... Zadání – Napište nejméně dva poznatky, které jste pro vyřešení úkolu potřebovali získat: 1.

...............………..………………………..………………………...……………….………………...

2.

………………..………………………..………………………...……………….……………….......

Přemýšlení – Popište návrh řešení měření vitální kapacity plic – návrh, který padl během diskuse o možných řešeních, který jste však nevybrali pro další plánování a zkonstruování. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. Plánování – Podíleli se všichni členové skupiny na plánování? Napište jména členů skupiny. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. Zkonstruování – Měli jste při stavbě svého přístroje nějaké potíže? Popište je. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ……………………..………………………..………………………...……………….…………………….… Vylepšování – Je přístroj, který jste postavili, shodný s tím, který jste naplánovali? Proč? ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. ………………………..………………………..………………………...……………….……………………. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

44

List vyhodnocení 4, lekce 4 – Shrnutí projektu výuky oboru biomedicínského inženýrství Jméno: Datum:

Nakreslete spojnice mezi obláčky s odpovídajícími fázemi konstrukčního procesu

Jak můžeme vylepšit své měřicí zařízení?

Měříme vitální kapacitu plic.

Jaké jsou funkce jednotlivých částí?

Co je to vitální kapacita plic?

Učíme se o dýchacím procesu.

Učíme se měřit objem.

Plánujeme měření.

Informace o stavbě dýchací soustavy.

Co je to objem?

Co je to kalibrace?

Vyvíjíme měřicí přístroj. Stavíme měřicí přístroj podle plánu. Přišli jsme s nápady, jak vyřešit zadání.

Co je to vzduch? Vybrali jsme přístroj vyhovující zadání.

Něco dalšího?

Něco dalšího?


45

Vědecké poznámky pro učitele týkající se dýchací soustavy Některé klíčové pojmy a poznatky obsažené v lekci 2 • Stavba dýchací soustavy. • Účelem dýchací soustavy je dodávat tělu potřebný kyslík a odvádět oxid uhličitý pryč z těla. • Fáze dýchacího procesu (nádech a výdech). • Nádech je nasátí vzduchu do plic díky roztažení hrudníku způsobenému stažením svalů připojených k žebrům a stažení bránice. • Roztažení hrudníku během nádechu sníží tlak vzduchu v plicích (v porovnání s tlakem vzduchu v okolním prostředí) a to způsobí nasátí vzduchu do plic. • Výdech je vytlačení vzduchu z plic díky zmenšení objemu hrudníku po uvolnění hrudních svalů a bránice. • Zmenšení objemu hrudníku během výdechu vytvoří přetlak v plicích (v porovnání s tlakem v okolním prostředí), a vzduch tak bude proudit z plic ven. • Objem = prostor zaujímaný určitou látkou nebo předmětem. • Vzduch je látka zaujímající určitý prostor, kterou je možné stlačit, avšak stále bude určitý prostor zaujímat. • Různé částice, jako jsou prachové částice nebo nečistoty ve vzduchu, mohou způsobit zablokování dýchacích cest. • Zablokování dýchacích cest způsobí zmenšení objemu vzduchu, který může proudit dýchacími cestami, a způsobit astma. • Vitální kapacita plic = maximální objem vzduchu, který lze vydechnout z plic po maximálním možném nádechu.

Dýchání Dýchací soustava je součástí lidského těla a umožňuje nám dýchat. Dýchání je proces, při kterém dochází k nasávání vzduchu do plic (nádech) a jeho vytlačování ven (výdech). Kyslík ze vzduchu nasávaného do plic přechází přes tenké membrány plicních sklípků do krve. Poté je krví roznášen ke všem buňkám v těle, které potřebují kyslík ke svému životu. Dýchání umožňuje přeměnu energie, takže tělo může růst a udržovat se při životě. Produktem buněčné výměny plynů je oxid uhličitý, který je opět krví odváděn do plic, kde přechází přes buněčné membrány plicních sklípků do vzduchu obsaženého v plicích a je spolu s ním vydechován do okolního prostředí. Součásti dýchací soustavy Dýchací soustava se dělí na dvě části: 1. Horní cesty dýchací. Zahrnují nos, ústa a začátek dýchací trubice (tu část, kde do ní vstupuje a opět z ní vystupuje vzduch). 2. Dolní cesty dýchací. Zahrnují průdušnici, průdušky, průdušinky a plicní sklípky (k vlastnímu dýchání dochází v této části dýchací soustavy). Orgány dolních cest dýchacích jsou uloženy v hrudní dutině. Jsou vymezeny a chráněny hrudním košem, hrudní kostí (sternum) a mezižeberními svaly s bránicí (svalem oddělujícím dutinu hrudní od dutiny břišní). • Plíce – párový orgán, který najdeme u všech obratlovců. Strukturu plic tvoří bronchiální strom – vzduchové trubice vycházející z průdušek a větvící se do menších a menších trubiček. Tyto trubice končí v plicních sklípcích. • Průdušnice – trubice spojující krk s průduškami.


46

• Průdušky – průdušnice se rozděluje do dvou průdušek (také trubicovitých orgánů). Jedna vede do pravé, druhá do levé plíce. Uvnitř každé plíce se průdušky dále větví do menších průdušek, označovaných jako průdušinky. • Plicní sklípky – malé vakovité útvary (vzdušné vaky) tvořené jednovrstvou membránou obklopenou krevními vlásečnicemi. Kulovité struktury plicních sklípků mají velkou povrchovou plochu, na které dochází k výměně plynů. Tato výměna plynů probíhá přes membránu plicních sklípků, které vždy obsahují vzduch. Kyslík (O2) je krevními vlásečnicemi vstřebáván do krve a díky srdeční činnosti je rozváděn do všech tkání v těle. Současně je oxid uhličitý (CO2) z krevních kapilár vylučován do plicních sklípků, odkud je přes průdušky odváděn do horních cest dýchacích. Detailní schéma plic naleznete zde: http://www.biologyguide.net/biol1/4_lungs.htm Dýchací proces Dýchací proces má dvě fáze – nádech a výdech. • Nádech – přivádění vzduchu do plic díky zvětšování objemu hrudníku. • Výdech – vytlačování vzduchu z plic díky zmenšování objemu hrudníku. Při nádechu a výdechu se zapojují tyto svaly: 1. Mezižeberní svaly = svaly mezi žebry hrudního koše. 2. Bránice. Bránice a mezižeberní svaly se stále periodicky stahují a uvolňují (přibližně šestnáctkrát za minutu), díky čemuž dochází k zvětšování a zmenšování objemu hrudníku. Při nádechu – svaly se stahují: Stažení bránice způsobí, že se narovná a objem hrudní dutiny se zvětší. Stažení mezižeberních svalů způsobí, že se žebra zvednou a také přispějí ke zvětšení objemu hrudní dutiny, takže tlak vzduchu v plicích se sníží. Vzduch je tak pasivně nasáván do plic. Vzduch je do plic nasáván díky rozdílu tlaku mezi vnějším prostředím a uvnitř plic. Při výdechu – svaly se uvolňují a povolují. Bránice se zakřivuje a stoupá, žebra klesají a objem hrudníku se zmenšuje. Tím dochází ke zvýšení tlaku vzduchu v plicích (v porovnání s tlakem vzduchu v okolním prostředí). Díky tomuto rozdílu je vzduch vytlačován z plic do horních cest dýchacích. Změny v objemu hrudníku během nádechu a výdechu jsou znázorněny ve schématech na adresách níže. Pamatujte, že na schématech je znázorněn pouze pohyb bránice, nikoli mezižeberních svalů. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diafragma_ademhaling.gif http://www.nhlbi.nih.gov/health/health-topics/topics/hlw/whathappens.html Astma Astma je onemocnění, které způsobuje stažení svalů okolo dýchacích cest. Tím dojde k zúžení dýchacích cest, sliznice se zanítí a objeví se otoky. Produkce hlenu pak dýchací cesty může ještě více zúžit. Toto podráždění pak způsobuje kašel a dýchací obtíže. Astma se častěji objevuje u lidí, kteří mají toto onemocnění v rodinné anamnéze, stejně jako alergie a ekzémy. Roli může hrát také některé faktory životního prostředí, například kouř, prach, saze apod. Astma se u dospělých může rozvinout také v důsledku virové infekce nebo díky přítomnosti dráždivých látek na pracovišti.


47

Úkolem biomedicínského inženýra je vyvíjet metody a přístroje pro diagnostiku, léčení a následnou péči. Tyto přístroje musejí být přesné, spolehlivé a musejí se snadno obsluhovat. Spirometr je biomedicínský nástroj používaný k diagnostice dýchacích obtíži. Používá se k měření vitální kapacity plic (největšího objemu vydechovaného vzduchu, který člověk dokáže vydechnout po maximálním nádechu). Objem plic zdravého dospělého člověka je přibližně 5 až 6 litrů. U dětí je objem plic asi 2 až 3 litry, v závislosti na věku. U malých dětí je objem plic přibližně 600 až 1 000 ml. Tato hodnota se nazývá celková kapacita plic. V našem příběhu je Yael požádána, aby si měřila vitální kapacitu plic a naměřené hodnoty aby si každý den po dobu jednoho týdne zapisovala. Její lékař pak naměřené hodnoty vyhodnotí a stanoví diagnózu. To však vyžaduje přístroj, který bude schopen přesně a spolehlivě měřit objem vzduchu vydechovaného z plic. Tip: Více informací o měření činnosti plic naleznete zde: http://www.mada.org.il/en/about/engineer/challenge/respiratory-system#functions

Měření Některé vlastnosti nelze dobře kvantifikovat (například emoce nebo preference). Takové hodnoty se měří kvalitativním způsobem, tedy jejich porovnáváním (například upřednostňováním chuti jednoho jablka před druhým). Měřicí přístroje však měří přesné hodnoty určitých standardizovaných jednotek (například centimetry, kilogramy, stupně Celsia, sekundy). Nejdůležitějším požadavkem na měřicí přístroje je jejich schopnost opakovat a reprodukovat výsledky. Jinými slovy budeme-li opakovaně měřit tutéž vlastnost, musíme vždy získat stejný výsledek. Chcete-li získat více informací o měření, navštivte následující odkaz:

Tip: Více informací o měření naleznete zde: http://www.mada.org.il/en/about/engineer/challenge/measurement?from=ref-inpage


48

Představy některých žáků o dýchací soustavě a objemu Představy dětí o tom, jak funguje příroda, mají základ v jejich každodenních zkušenostech. Ty nemusejí odpovídat aktuálním vědeckým poznatkům, ale obvykle je děti umí rozumně zdůvodnit na základě svých vlastních pozorování a zkušeností. Mají-li děti možnost ověřit si své představy pomocí vhodných praktických pokusů, přijmou nový názor spíše, než když je jim nový poznatek pouze teoreticky vysvětlen. To je hlavním úkolem učitele. Pro studenty a žáky všech věkových kategorií je velmi náročné přijmout za své nové poznatky o určitém jevu, zejména pokud o něm měli již zažitou představu. Díky různým průzkumům máme sice určité informace o tom, jaké představy mají studenti a žáci o základních fyzikálních jevech a principech, avšak žáci často své názory jen obtížně formulují, takže je třeba při vyhodnocování úrovně jejich znalostí dbát opatrnosti. Proto je důležité poskytovat dětem příležitosti o svých představách diskutovat.

Představy dětí o vzduchu Mnoho žáků se domnívá, že vzduch není látka (a tedy že nemá hmotnost ani objem), a že proto nezabírá žádné místo. Driver a kolektiv (1) představili studii popisující průzkum mezi francouzskými žáky, která ukázala, že ve věku 11 let je mezi žáky zakořeněná představa, že vzduch se vyskytuje v otevřených nádobách a může do nich vnikat a opět z nich unikat. Avšak někteří z žáků už si nebyli jisti, zda se vzduch nachází i v uzavřených nádobách a přítomnost vzduchu pociťovali jen tehdy, když mohli vnímat jeho pohyb. Pro pochopení funkce plic je důležité pochopit i pojem objemu vzduchu. Proto je v lekcích 2.3, 2.4 a 2.5 žákům vysvětleno, že vzduch zabírá určité místo. Během lekce 2 žáci provádějí pokusy a sledují ukázky znázorňující skutečnosti, že vzduch je hmotná látka. Dětské představy o objemu Někteří žáci si myslí, že stejné množství kapaliny dosáhne v různých nádobách stejné hladiny. Je pro ně složitější pochopit, že hladina stejného množství kapaliny bude v široké nádobě níž, zatímco v úzké nádobě bude výš (nechápou, že objem kapaliny je stále stejný). Podle psychologa Jeana Piageta je pro pochopení objemu potřebné logické myšlení, které se u dětí rozvíjí ve věku mezi sedmým až dvanáctým rokem během procesu, který nazval konkrétní operační fáze rozvoje. Více o Piagetových teoriích se dočtete na adrese: http://www.simplypsychology.org/concrete-operational.html V lekci 2.12 je výslovně řešena otázka zachování objemu. Žáci nalijí stejné množství vody do dvou nádob, jedné široké a druhé úzké. Tím si ověří skutečnost, že stejný objem kapaliny může vypadat v různých nádobách různě. Je důležité, aby žáci vyslovili své předpoklady, podívali se blíže na výsledky a diskutovali význam svých pozorování, a díky tomu správně pochopili pojem objemu. Představy dětí (a dospělých) o plicích a jejich objemu Dětské znalosti jednotlivých částí lidského těla a jeho funkce vycházejí z toho, co mohou vidět, slyšet i cítit (2), takže mnohem pravděpodobněji budou vnímat srdce než plíce. Je proto důležité, aby se žáci zaměřili na své zkušenosti týkající se nádechu a výdechu. Žáci musejí vnímat pohyb vzduchu do plic a z plic a také to, jak se jejich hrudní dutina rozšiřuje a jak se jejich bránice pohybuje směrem nahoru a dolů. V tom jim mohou pomoci pokusy, jejichž cílem je simulovat jednotlivé fáze dýchacího procesu. Rovněž je třeba věnovat pozornost pojmům, které při popisu tohoto tématu používáme. Učitelé by měli žákům pomoci používat co nejpřesnější pojmy. Například když běžně používají slovo „hrudník“, když myslí „plíce“. Výzkum provedený ve Velké Británii ukázal, že žáci ve věku 7 až 11 let mají často potíže najít plíce na schématu lidského těla (2). Většina z nich si uvědomuje, že bez vzduchu člověk zemře. Myslí si, že vzduch, který dýcháme, prostě „vyjde“. Další zase věří, že vydýchaný vzduch se změní (třeba na „špatný vzduch“) a že vzduch vstupuje do těla (2).


49

Je proto pravděpodobné, že děti mají jen omezenou představu o výměně dýchacích plynů (kyslíku a oxidu uhličitém), která se stále vyvíjí. Učitelé musejí dbát na to, aby žáky nepřetěžovali velkým množstvím pojmů dřív, než pochopí celý proces. Věta v uvozovkách níže naznačuje určitou úroveň pochopení dýchacího procesu, avšak může jít o celkem vzácný případ (2). „Jde to do plic, vychází to z těchto trubiček – přejde to do srdce a odtud do krve.“ Na rozdíl od celkem běžné představy není mezi objemem plic lidí s dobrou fyzickou kondicí a lidí se špatnou fyzickou kondicí žádný rozdíl. Lepší fyzická kondice ovlivňuje činnost srdce, nikoli objem a fungování plic. Důvodem je to, že naše plíce mají velkou vzduchovou rezervu. Protože tím pádem nejsou na činnost plic žádné vyšší nároky, není žádný důvod, aby se objem plic zvětšoval nebo se zvyšovala jejich účinnost. Nicméně plavci a potápěči opravdu mají větší objem plic, protože voda klade rozšiřování hrudníku odpor. Představy dětí (a dospělých) o příčinách zvětšování objemu hrudníku Vzduch do plic proudí proto, že se zvětšuje objem hrudníku. To způsobí pokles tlaku vzduchu v plicích v porovnání s tlakem vzduchu v okolním prostředí. Vzduch z okolního prostředí, který má větší tlak, proudí do dýchacích cest a do plic. Existuje mylná představa, že hrudník se rozšiřuje právě proto, že do něj proudí vzduch. Pro žáky v tomto věku je tento fakt velmi složitý na pochopení. Výzkumy prováděné s žáky ve věku 11 až 13 let týkající se tlaku vzduchu ukázaly, že žáci věří, že tlak je vyvíjen větrem, nikoli samotným vzduchem v klidovém stavu. To je třeba vzít do úvahy při vysvětlování lekce 2.7, kde jsou vysvětleny pojmy nádechu a výdechu. Je doporučeno přizpůsobit vysvětlení pojmu tlaku úrovni žáků v souladu s požadavky učebních osnov.


50

Slovníček pojmů Dýchací soustava 1. 2. 3. 4. 5.

6.

7. 8. 9.

Horní cesty dýchací – horní část dýchací soustavy zahrnující nos, ústa a hrtan (část, kde vzduch vstupuje a vychází). Průdušnice – trubice spojující hrtan a průdušky. Průdušky – průdušnice se rozděluje na dvě průdušky. Jedna vede do levé plíce, druhá do pravé plíce. Uvnitř plic se každá průduška větví do průdušinek. Průdušinky – průdušky se větví do průdušinek končících v plicních sklípcích. Plíce – párový orgán, který najdeme u všech obratlovců. Struktura plic je tvořena bronchiálním stromem – vzduchovými trubicemi, které se postupně větví do stále menších trubiček, z nichž každá končí v plicním sklípku. Plicní sklípky – malé váčky (vzduchové) tvořené jednovrstvou membránou obalenou z druhé strany krevními vlásečnicemi. Výměna plynů probíhá přes membránu plicního sklípku, který vždy obsahuje vzduch. Kyslík je absorbován ze vzduchu krevními vlásečnicemi a díky srdeční činnosti je rozváděn po celém těle. Současně z krevních vlásečnic přechází do vzduchu ve sklípku oxid uhličitý. Ten je potom vytlačován do průdušek a horních cest dýchacích. Bránice – tenký plochý sval oddělující dutinu hrudní od dutiny břišní. Tento sval hraje důležitou roli v procesu dýchání (nádechu a výdechu). Nádech – nasávání vzduchu do plic díky zvětšení objemu hrudníku. Výdech – vytlačování vzduchu z plic díky zmenšení objemu hrudníku.

Objem 1. 2. 3.

4.

Objem – prostor, který určitá látka zaujímá (v litrech). Objem vzduchu – prostor, který zaujímá vzduch (v litrech). Vitální kapacita plic – objem vzduchu, který lze vydechnout po maximálním nádechu. Maximální objem plic dospělého člověka je přibližně 5 až 6 litrů. Děti mají objem plic kolem 2 až 3 litrů. Malé děti mají plíce o objemu 600 až 1 000 mililitrů. Objem plic se označuje jako celková kapacita plic. Maximální výdechový objem – objem vzduchu, který je vydechován po maximálním nádechu.

Inženýrství 1. 2.

3. 4.

5.

Inženýr/inženýrství – osoba využívající své tvůrčí schopnosti a znalosti různých materiálů, nástrojů a vědeckých poznatků k navrhování řešení různých problémů a úkolů. Biomedicínský inženýr – osoba spojující své vědecké znalosti a matematické dovednosti se znalostmi živých organizmů pro hledání řešení problémů a výzev týkajících se lidského těla. Technologie – systém nebo proces vytvořený člověkem za účelem řešení problémů. Biomedicínský přístroj – jednotky kombinující mechanické, elektronické, elektrooptické a počítačové systémy s biologickými metodami a používané pro zjišťování diagnóz, léčbu, rehabilitaci a následnou péči. Konstrukční proces – pětistupňový proces využívaný inženýři a konstruktéry pro navrhování a vývoj prostředků sloužících k řešení problémů a výzev: ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK, PŘEMÝŠLENÍ, PLÁNOVÁNÍ, ZKONSTRUOVÁNÍ a VYLEPŠOVÁNÍ.


51

Měřicí přístroje 1.

2.

3.

4.

5.

Měřicí přístroje – přístroje používané k měření. Společným znakem všech měřicích přístrojů je fakt, že výsledkem jejich měření jsou čísla: 10 cm, 35° nebo 100 gramů. Používají se k mnoha účelům. Pravítka měří délku, teploměry teplotu a váhy hmotnost. Kalibrace – proces, během kterého provádíme porovnání mezi výsledky měření indikovanými přístrojem a fyzickým stavem dané veličiny. Například: u pružiny, která mění svou délku v závislosti na zatížení, které na ní zavěsíme, znamená kalibrace vztah mezi délkou jejího natažení a hmotností závaží (pokud závaží o hmotnosti 1 kg natáhne pružinu o 5 cm, závaží o hmotnosti 2 kg ji natáhne o 10 cm). Spolehlivost – schopnost zopakovat měření se stejným výsledkem. Jinými slovy, spolehlivé měřicí zařízení naměří při opakovaném měření stejné věci vždy stejnou hodnotu. Přesnost – velikost maximální chyby (odchylky) mezi naměřenou/spočítanou hodnotou a skutečností. U pravítka s měřicím rozsahem po milimetrech nebude přesnost větší než půl milimetru. U digitálního teploměru měřícího s přesností na stupně nebude přesnost větší než půl stupně. Spirometr – biomedicínský přístroj pomáhající diagnostikovat obstrukční onemocnění dýchací soustavy.

Odkazy (1) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (1994) Making Sense of Secondary Science. Routledge: London. Nuffield Primary Science: Teachers’ Guides (Ages 7-12): Living Processes (1995) (2) HarperCollins Publishers: London.


52

Nádech a výdech Návrh zařízení pro měření vitální kapacity plic Biomedicínské inženýrství

Recommend Documents