ROZŠÍRENÉ PRÍRODOVEDNÉ VZDELÁVANIE PRI KONTEXTUÁLNEJ VÝUČBE FYZIKY

 

Valéria Veselá

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (SR)

 

Abstrakt: Súčasťou všeobecného vzdelávania a preto aj fyzikálneho vzdelávania, by malo byť predovšetkým poznanie sveta v ktorom žijeme, nevynímajúc ani seba samého. V článku sa uvádza námet na využitie fyzikálnych prostriedkov na modelovanie dôležitej ľudskej číinnosti – dýchania.

 

Kľúčové slová: periodický dej, dýchanie, kontextuálne vyučovanie

 

Úvod

„Žiaci sa najlepšie učia a najviac si zapamätajú to, čo sa naučili, ak ich zaujíma objekt poznávania a myšlienky sú dané do súvislostí ich vlastného života.“ [1] Prepojenie školského poznania s javmi reálneho života využíva kontextuálne vyučovanie [2].  Jednotlivé sekvencie kontexuálneho vyučovania sa zakladajú na poznávaní určitých vybraných javov, pri ktorom sa žiak postupne oboznamuje, prevažne vo vlastných aktivitách, s metódami poznania, ktoré potrebuje na získanie poznatku. Takto koncipované postupy opúšťajú stratégiu budovania prísne logickej štruktúry vyučovacieho predmetu a posúvajú ťažisko žiackeho poznania do oblasti osvojovania metodologických postupov. V prírodovedných predmetoch sú poznávacie aktivity často spojené s pozorovaním, meraním, či experimentom. Pri organizácii vyučovacích postupov sa nezriedka využíva tímová práca žiakov a dôraz sa zvyčajne kladie na diskusie, v ktorých sa ujednocuje interpretácia získaných empirických výsledkov: Žiaci sa učia prijímať názory druhých a argumentovať v prospech vlastných názorov. Nezanedbateľným prínosom kontextuálneho vyučovania je preto aj rozvoj sociálne-komunikačnej zložky žiackej osobnosti (pozri napr. [7]).

Kontextuálne vyučovanie vyžaduje od učiteľa fyziky aby žiakov viedol ku komplexnému nazeraniu na javy. Komplexný pohľad obvykle vyžaduje zohľadniť aj také príčinné súvislostí, ktoré majú základ v „mimofyzikálnej“ oblasti. Od učiteľa fyziky sa žiada, aby mal široký rozhľad v aplikáciách viacerých disciplín, najčastejšie biológie, chémie, geografie ale napr. aj techniky, či lekárskych vied. To prirodzene vedie k požiadavke na úzku spoluprácu učiteľov prírodovedných predmetov. Jednou z foriem takej spolupráce je budovanie spoločného prírodovedneho laboratória, v ktorom sa pri skúmaní prírodných javov využíva výpočtová technika na zber a spracovanie dát a na počítačové modelovanie javov.

Sekvencie kontextuálneho vyučovania sa často začínajú na relatívne zložitom jave – napr. na prúdení krvi v cievach, alebo na prenose iónov pri nervovom vzruchu. Úlohou učitela  je ukázať, ako tento originálny jav fyzika reprezentuje jeho idealizovaným modelom – prúdením kvapaliny v potrubí alebo zákonmi elektrolýzy. Takto koncipované vyučovacie postupy nie sú doteraz v prírodovednom vyučovaní obvyklé a aby prenikli do škôl, treba ich spracovať, ponúknuť učiteľom, ktorí pôsobia v praxi a predovšetkýcm – zaradiť do prípravy budúcich učiteľov prírodovedných predmetov. 

Uvedieme príklad návrhu idealizácie javu – dýchania, ktoré budeme modelovať ako periodický dej a potom analyzovať jeho priebeh. Môžeme teda hovoriť o frekvencii dýchania a o jeho amplitúde. Neostaneme iba pri fyzikálnej podstate javu, ale so žiakmi preopakujeme, prehĺbime, rozšírime a vymodelujeme viaceré poznatky z biológie človeka. Návrh postupu sa používa v príprave študentov učiteľstva na FMFI UK Bratislava a v praktických činnostiach učiteľov, s ktorými spolupracujeme v realizačných projektoch. V učiteľskej príprave, aj v prírodovedných laboratóriách pilotovaných škôl sa  pracuje s holandskou inerfejsovou súpravou CoachLabII a softvérom Coach5. Tieto prostriedky sme  použili aj v opísanom návrhu laboratórnej aktivity.

 

1 Meranie periódy dýchania

Úloha: Zaznamenajte dýchanie ako periodicky sa meniaci dej, zistite frekvenciu dýchania, periódu dýchania, pomer medzi  nádychom a výdychom.

Periodickosť dýchania vieme zviditeľniť  napríklad pomocou termosenzora a sústavy CoachLab.

Pri nádychu a výdychu sa mení teplota vzduchu prúdiaceho ústami. Zaznamenáme časový priebeh zmeny teploty vo vzduchu vdychovaného a vydychovaného trubičkou. Termočlánok je dostatočne citlivý, aby zaznamenal aj takéto rýchle zmeny teploty. (Klasický teplomer má veľkú teplotnú zotrvačnosť, preto je na meranie nevhodný) [3].

 

Obr. 1: Meranie periódy dýchania. Zviditeľňujeme teplotu vzduchu a nie množstvo vzduchu. Pri výdychu je teplota vzduchu vyššia, preto rastúca časť krivky predstavuje výdych a nie nádych.

 

Z takto získaného grafu vieme odčítať dĺžku trvania nádychu, výdychu a frekvenciu dýchania. Pri normálnom pokojnom dýchaní je frekvencia asi 10-18 nádychov za minútu. Pomer medzi dĺžkou nádychu a dĺžkou výdychu je 2:3 [4]. Hĺbka nádychu je daná objemom vzduchu dopraveného do pľúc.

Prehĺbenie dýchania vedie k predĺženiu doby, počas ktorej sa vzduch nachádza v tele. Preto sa vzduch aj väčšmi ohreje. Naopak, pri rýchlom dýchaní sa vzduch nestihne výraznejšie ohriať, preto vychádzajúci vzduch je chladnejší. Preto graf na obe. 1 nemôžeme použiť pri skúmaní závislosti medzi amplitúdou a frekvenciou dýchania.

 

2 Modelovanie zmien frekvencie a hĺbky dýchania

Úloha: Modelujte zmeny frekvencie dýchania a skúmaním modelu zistite súvislosť medzi frekvenciou a amplitúdou dýchania.

Budeme potrebovať vzduchom dopoly naplnenú veľkú injekčnu striekačku a tlakový senzor. Experiment zostavíme podľa obrázka. V rytme metronómu stláčame piest striekačky a následne sa ho vyťahujeme. V striekačke sa mení tlak vzduchu, Predpokladajme, že ide o izotermický dej.  Preto pri experimente snímame tlak p(t) v závislosti od času t pomocou senzora a na displeji (obr. 2 vpravo hore) zobrazujeme prečerpané objemy . Krivka grafu zobrazuje zmenu objemu V vzduchu v striekačke v závislosti od času t.

Poznámka: Žiakov treba upozorniť na systematickú chybu, vznikajúcu zadebaním objemu hadičky, ktorá spája striekačku a senzor. Na výsledok nášho kvalitatívneho experimentu to však vplyv nemá.

 

Obr. 2: Modelovanie zmien frekvencie a hĺbky dýchania. Pri zvyšovaní frekvencie dýchania sa objem vzduchu prečerpaného v jednej perióde zmenšuje.

 

Meranie opakujeme pri rôznych frekvenciách stláčania piestu. Následne analyzujeme získané dáta. Taktiež môžeme približne zistiť množstvo vzduchu „prečerpaného“ za minútu. Pravdepodobne zistíme, že zvýšenie frekvencie a zníženie objemu prečerpaného vzduchu vedie približne ku konštantnému celkovému objemu prečerpanému za minútu.

 

3 Frekvencia a amplitúda dýchania pri fyzickom výkone.

Úloha Uvážte a vysvetlite, čo je pre človeka výhodnejšie: väčšia frekvencia dýchania, alebo väčšia amplitúda dýchania?

Modelový experiment vykonáme za pomoci dlhej (1m) infúznej hadičky. Študentovi uzavrieme nos a necháme ho dýchať cez hadičku. Hadička predlžuje tzv. „mŕtvy priestor“ (hrtan, priedušnica a priedušky s ich vetvami, s objemom približne 150 ml [4].), v ktorom sa vzduch pri dýchaní pohybuje, ale nemá vplyv na okysličovanie krvi.

Frekvenciu dýchania udávame metronómom. Študent zistí, že pri zvyšovaní frekvencie pociťuje nedostatočný prísun čerstvého vzduchu. Pokiaľ je dýchanie pomalé a preto aj dostatočne hlboké, objem „mŕtveho priestoru“ je zanedbateľne malý. Pri zrýchlenom dýchaní sa zväčšuje pomer medzi objemom „mŕtveho priestoru“ a celkovým objemom prečerpaného vzduchu. Čím teda je dýchame rýchlejšie, tým menšie je množstvo kyslíka, ktoré dokážeme z prečerpávaného vzduchu efektívne využiť.

Zaujímava je tabuľka uvádzajúca fixnú minútovú ventiláciu (objem prečerpaný ústami za minútu) dosiahnutú rôznou frekvenciou dýchania a následne prislúchajúcou alveolárnou minútovou ventiláciou (objem prečerpaný pľúcnym tkanivom za minútu – efektívne využitý objem). [4]

 

Tab 1: Tabuľka vplyv zmeny frekvencie dýchania na alveolárnu ventiláciu.

Objem  nádychu

/ ml

Frekvencia dýchania

/ počet za minútu

Minútová ventilácia

/ ml za minútu

Mŕtvy objem

 / ml za minútu

Alveolárna ventilácia

/ ml za minútu

500

12

500*12=6000

150*12=1800

6000-1800=4200

1000

6

1000*6=6000

150*6=900

6000-900=5100

200

30

200*30=6000

150*30=4500

6000-4500=1500

 

Dôsledky javu poznajú aj vytrvalostní športovci, preto sa pri svojich výkonoch snažia prehlbovať a predlžovať nádych a výdych. Ak by iba zvyšovali frekvenciu dýchania, vzduch by iba prečerpávali dýchacími cestami a okysličený vzduch by sa nedostal do pľúc.

 

3 Model pľúc

Úloha : Namodelujte hrudník pri dýchaní


Najprv troška anatómie a fyziológie. Pri tzv. vonkajšom dýchaní dochádza k výmene plynov medzi pľúcami a okolím. Pľúca sú uložené v hermeticky uzavretom hrudníku a sú pokryté blanou – popľúcnicou. Hrudník je z vnútornej strany tiež pokrytý blanou – pohrudnicou. Obr. 3: Anatómia hrudníka. Medzi blanami je virtuálna interpleurálna štrbina (5-10mm).

 

 


V tejto štrbine je neustály podtlak (o 0,25 až 0,7 kPa nižší ako je atmosferický tlak), ktorý sa ešte prehĺbi pri nádychu ( -0,8 až  –1,1 kPa). Pľúca, v ktorých je atmosferický tlak vzduchu, sa pri nádychu pasívne roztiahnu. Pri výdychu sa hrudník zmenší a vytlačí von vzduch z pľúc.

Hrudník s pľúcami si môžeme predstaviť ako súdok s pružným dnom a s vreckami vo vnútri. [5] Vzniknú nám tri priestory (vo vreckách, mimo nich a mimo súdka), ktoré navzájom nekomunikujú. Ak zväčšíme objem súdka - hrudníka (pružné dno je povytiahnuté) ostava v ňom konštantné množstvo plynov, čo sa prejaví zmenou tlaku. Vznikne podtlak. Preto sa sáčky - pľúca roztiahnu, aby sa v dutine medzi nimi a súdkom - hrudníkom tlak plynu čo najviac vyrovnal atmosferickému tlaku.  Toto sprevádza pasívne nasatie vzduchu do sáčkov- pľúc.  Keď sa dno súdka - hrudníka pri výdychu vráti do pôvodnej polohy, vytlačí vzduch zo sáčkov - pľúc.

Obr. 4: Školský model pľúc: Vľavo – pri výdychu, vpravo – pri nadýchu.

 

Zmeny tlaku „v interpleurálnom priestore“ môžeme modelovať a zaznamenať pomocou súpravy CoachLabII a barometrického senzora (Obr. 4).

 

Obr. 5: Výstup z merania a zapojenie experimentu pomocou sústavy CoachLabII. (rôzna hĺbka „nádychu“ a „výdychu“)

 

V našom modeli nemáme elastickú celú stenu hrudníka tak, ako to je v ľudskom tele. Preto modelujeme iba bránicové dýchanie. V interpleurálnej dutine je stály podtlak, my vychádzame z normálneho tlaku vzduchu a všímame si iba zmeny tlaku v priebehu „dýchacieho cyklu“. Nerovnomerné zmeny tlaku v okolí atmosferického tlaku sú spôsobené práve prebiehajúcim nasávaním alebo vytláčaním vzduchu z „pľúc“, čo spôsobí spomalenie zmeny tlaku v „interpleurálnej dutine“.

Učiteľ biológie si tiež pravdepodobne nenechá ujsť príležitosť ukázať pomocou modelu pneumotorax – jav, ku ktorému dochádza pri prederavení hrudnej steny napr. pri nehode.. Pri každom nádychu sa dierou v stene nasaje malé malý objem vzduchu do priestoru medzi pohrudnicou a popľúcnicou. Tlak vzduchu v interpleurálnom priestore sa postupne vyrovná tlaku vzduchu v okolí, a preto pri nádychu už nič nenúti pľúca aby sa roztiahli. Nastáva kolabovanie pľúc, zhoršuje sa dýchanie – človek sa dusí.

Aj tento jav vieme modelovať na pôvodnom modeli, ak do súdka urobíme väčšiu dieru, ktorou bude prúdiť vzduch z okolia do „interpleurálnej“ dutiny. Pozorujeme, že sáčok sa nenaplní.

Dýchanie ako jav súvisiaci s fyzikou sme vybrali z celého radu námetov, ktoré ľudský organizmus ponúka učiteľom biológie a fyziky. No nielen medicína a biológia ponúkajú námety na fyziku. Podnety sú všade okolo nás. Stačí sa pozerať, mať chuť sa pýtať a na otázky hľadať odpovede.

Je zrejmé, že kontextuálny prístup k javu, ktorý sme práve opísali, sa nezaobíde bez úzkej spolupráce učiteľov biológie a fyziky. Spoločný, či dokonca koordinovaný postup učiteľov prírodovedných predmetov pri sprístupňovaní poznatkov o javoch je žiaľ v našich školách skôr výnimkou než pravidlom a zväčša sa s ním stretávame len v pilotných projektoch, ktoré pracujú iba s obmedzeným počtom experimentálnych škôl. V týchto projektoch sa pracuje na návrhoch kurikulárnych materiálov a prípravujú sa učebné texty, súbory úloh,  laboratórne návody a multimedálne materiály (pozri napr. projekty realizované na Katedre teoretickej fyziky a didaktiky fyziky UK, ktoré sú prístupné z jej portálov http://ddp.fmph.uniba.sk a http://fyzikus.fmph.uniba.sk).

Komplexný pohľad na svet, ktorý nás obklopuje by mal byť jednou z vlastností moderného, všeobecne vzdelaného človeka. [6] Dostať prvky kontextuálneho prístupu do vzdelávania by preto malo byť jednou z prvoradých didaktických úloh pracovísk, ktoré pripravujú učiteľov prírodovedných predmetov.

 

[1]   http://www.ateec.org/curric/ctlinfo.cfm

[2]  Pišút a kol.: Vyučovanie fyziky a všeobecné vzdelanie, Knižničné a edičné centrum FMFI UK, Bratislava, 2006, ISBN 80-89186-05-X

[3] Demkanin a kol.: Počítačom podporované prírodovedné laboratórium, Knižničné a edičné centrum FMFI UK, Bratislava, 2006, ISBN 80-89186-10-6

[4]   Javorka a kol.: Lekárska fyziológia, 223-227, Osveta, Martin 2001,ISBN 80-8063-023-2

[5]   http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/kinetic/henry.html

[6] Demkanin P.: Inovácia prírodovedného vzdelávania - dôvody a cesty. In: Inovácie v prírodovednom vyučovaní, Zborník zo seminára, editor: Pišút J., Knižničné a edičné centrum FMFI UK, Bratislava, 2006, ISBN 80-89186-07-6

[7] Black, P. a kol.: A Call For Changes in Undergraduate Physics Education. International Newsletter on Physics Education. April 1997, 34 pp 1-3, 10.