Тема. Кістка як орган скелетної системи. Будова кістки та будівельна механіка

Мета:

Освітня. Сформувати в учнів поняття про кістку як орган опорно-рухової системи, надати знання про хімічний склад та будову кісткової тканини.

Розвиваюча. Розвивати навички дослідницької роботи, логічне мислення; формувати науковий світогляд, вміння використовувати отримані знання при вивченні інших дисциплін.

Виховна. Виховувати бережливе ставлення до власного здоров’я, потяг до наукової творчості.

Обладнання: мультимедійне обладнання, колекція «Розпили кісток», кістки тварин, мікропрепарати «кісткова тканина», портативний мікроскоп «Мікрон Mobile», стаціонарний мікроскоп «Оптика», USB мікрокамера Bresser.

Тип уроку: формування нових знань, умінь і навичок.

Місце в навчальній темі: поточний.

Міжпредметні зв’язки: основи здоров’я, медицина, хімія, фізика, техніка, історія.

Формування ключових компетентностей:

- Навчально-пізнавальна компетентність;

- Інформаційна компетентність;

- Комунікативна компетентність;

- Здоров’язберігаючі компетентності.

 

 

Кістки людини влаштовані таким чином, що будучи надзвичайно легкими, вони мають найбільшу міцність.

П.Ф. Лесгафт

 

ХІД УРОКУ

І. Організаційний етап.        (1 хв.)

Організація класу, перевірка відсутніх, налаштування на роботу.  

ІІ. Актуалізація опорних знань.      (2 хв.)

Вправа з використанням мультимедійної дошки

Рис. 1. Кросворд «Опорно-рухова система»

1. Сукупність кісток і хрящів, що з’єднуються у відділи для забезпечення життєдіяльності організму. (скелет)
2. Сполучнотканинна оболонка, що вкриває кістку ззовні. (окістя)
3. Рухоме з’єднання кісток. (суглоб)
4. Частина скелета, що є головною віссю та опорою тіла. (хребет)
5. Частина скелета, що забезпечує переміщення тіла. (кінцівка)
6. Життєва функція, що забезпечує збереження форми тіла. (опора)
7. Орган скелетної системи. (Кістка)

 

 

 

Рис. 2. Робота з мультимедійною дошкою

 

Повідомлення теми уроку. Спільне визначення мети уроку.

 

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.     (2 хв.)

Це цікаво!

Кістка людини міцніша за граніт, за міцністю наближається до міді і заліза, за пружністю переважає дуб. Так, стегнова кістка людини у вертикальному положенні може витримувати вантаж масою майже 1500 кг., хоча її власна маса становить лише 200 г.

Проблемне питання. Які ж особливості хімічного складу й будови зумовлюють таку міцність кісток?

ІV. Вивчення нового матеріалу.       (25 хв)

1. Хімічний склад кістки.

Розповідь вчителя з елементами бесіди.

До складу кістки входять вода (25 %), органічні (25 %) та мінеральні (50 %) речовини. Основною органічною речовиною кістки є дуже еластичні волокнисті білки колаген та осеїн, які надають їй пружності. З мінеральних речовин у кістках найбільше солей Кальцію і сполук Фосфору.

Робота груп ««Біохіміки»

(Учнів було поділено на дві дослідницькі групи, завданням яких було, за допомогою простих дослідів, встановити значення органічних та мінеральних речовин у кістках. Дослідження проводили у позаурочний час із допомогою вчителя хімії)

Група № 1. Мінеральні речовини, що входять до складу кістки та їх значення.

Завдання. Свіжу трубчасту кістку, дотримуючись правил безпеки, на 3 доби занурити у 5 % розчин соляної кислоти. Результати оформити у вигляді звіту.

Презентація роботи дослідницької групи №1

Для дослідження було взято свіжу свинячу кістку, яку на 3 доби занурили в 5 % розчин соляної кислоти (HCl) (рис. 3). Візуально спостерігаємо на початку досліду виділення бульбашок вуглекислого газу та денатурацію білків крові, яка залишалась в кістці.

Рис. 3. Трубчаста кістка занурена в 5% розчин HCl

Рис. 4. Презентація дослідницької групи № 1.

 Основною мінеральною складовою кісток є нерозчинна сіль – Са₃(PO₄), яка реагуючи із хлоридною кислотою утворює розчинну сіль – хлорид кальцію та ортофосфатну кислоту.

Са₃(PO₄)₂ +6HCl = 3CaCl₂+2H₃PO₄

Після дослідження поверхня кістки стала м’якою, що свідчить про втрату мінеральних речовин, які надавали кістці міцності.

Відео: вплив соляної кислоти на мінеральні речовини кістки.

 

Група № 2. Органічні речовини, що входять до складу кістки та їх значення.

Завдання. Свіжу трубчасту кістку, дотримуючись правил безпеки, рівномірно прожарити над полум’ям,або розжареним вугіллям. Результати оформити у вигляді звіту.

 

Презентація роботи дослідницької групи №2

Для дослідження було взято свіжу свинячу кістку масою 180 грам. Протягом 10 хвилин її прожарювали на полум’ї бензинової лампи. За цей час вага кістки зменшилась на 84 грами (Рис. 5). Можна зробити висновок, що вода, яка входила до складу кістки, випарувалась, а органічні речовини згоріли. Кістка обвуглилась і почорніла, зберегла свою форму, але при невеликому навантаженні вона легко розламалася на декілька дрібних частин.

Відео: кістка, позбавлена органічних речовин.

Рис. 5. Рештки кістки, після спалювання органічних речовин

При відсутності органічних речовин кістка стала крихкою. Отже органічні речовини надають кісткам гнучкості.

Рис. 6. Презентація дослідницької групи № 2.

Розповідь вчителя

Властивості живої кістки в організмі залежать від кількості в ній органічних і мінеральних речовин (Рис. 7.). Кістка дорослої людини містить дві частини солей на одну частину органічної речовини. При такому складі вона найміцніша і в той же час має деяку пруж­ність. Чим молодша людина, тим більше в її кістках органічних речовин, тому кістки дітей дуже гнучкі, але не досить тверді і міц­ні. Під старість збільшується кількість солей, і кістки стають лам­кими.

Проектування зображення на мультимедійну дошку

Рис.7.  Хімічний склад кісткової тканини

 

Завдання.

Опираючись на результати досліджень, складіть рекомендації для дітей, щоб їх кістки не викривлялись і нормально розвивались.

 

Приклади можливих рекомендацій:

-  Дітям не можна піднімати велику вагу.

- Треба, щоб при перенесенні різ­них предметів діти рівномірно розподіляли їх вагу на обидві руки.

- Сидіти за партою треба вільно, без напру­ження і прямо, спираючись на спинку лави і не торкаючись грудьми стола.

- Не можна носити взуття тісне і на високому каблуку, бо від цього неправильно розвивається таз, а також і стопа (плоскостопість, викривлення пальців).

 

Джерела кальцію.

Проектування зображення на мультимедійну дошку

 

 

Рис. 8. Кальцій – «Будівничий кісток»

 

2.Мікроскопічна будова кісток.

 

Дослідження  будови кісткової тканини (Рис. 9,10).

Завдання.

-  За допомогою мікроскопа дослідіть мікропрепарати кісткової тканини.

- Зверніть увагу на особливості будови.

- Замалюйте та підпишіть структурні компоненти (робота з зошитом).

Рис. 9. Дослідження будови кісткової тканини за допомогою мікроскопа «Оптика»

 

Рис. 10. Мікроскопічна будова кісткової тканини (х 450)

Міцність кісток скелета людини зумовлена не лише їхнім складом, а й будовою. Довгі трубчасті кістки (плеча, передпліччя, стегна, гомілки) порожнисті, а на кінцях мають потовщення. Така будова забезпечує легкість і водночас міцність (пригадай: металева трубка практично така ж міцна, як і суцільний стрижень). Головки трубчастих кісток наповнені губчастою речовиною, кісткові пластинки якої розміщені в напрямках найбільшої деформації кістки. Така особливість теж забезпечує міцність і легкість кісток (Рис. 11,12)

 

Дослідження мікроскопічної будови повздовжнього та поперечного зрізу трубчастої кістки

 

Рис. 11. Дослідження губчастої речовини кістки за допомогою портативного мікроскопа "Мікрон Mobile"

 

1     2

Рис. 12. Губчаста тканина епіфіза трубчастої кістки при збільшенні х 20 (1) та х 250 (2)

Кістка – живий прототип в архітектурі.

Знаменита трьохсотметрова Ейфелева вежа, символ Парижа, вразила наприкінці ХІХ століття весь світ своєю ажурністю. Конструкція вежі на той час – це навіть не межа інженерної думки, а стрибок вище голови – нічого схожого інженери не могли придумати ані раніше, ані десятиліття після Ейфеля. Здивовані архітектори і біологи зробили несподіване відкриття: вишукана конструкція Ейфелевої вежі повторює (співпадають навіть кути несучих конструкцій) будову… великої гомілкової кістки, яка легко витримує вагу нашого тіла (Рис. 13). Рішення, яке свідомо шукала допитлива думка інженера, створила Природа у відшліфованому впродовж тисячоліть живому організмі.

Рис. 13. Будівельна механіка Ейфелевої вежі.

Рис. 14. Ейфелева вежа.

Ця ідея Природи (максимальна міцність споруди за найменшої затрати матеріалів і її легкість) лягла в основу принципу будівельної механіки та металічних конструкцій, деталей машин, верстатів (фермові та рамні конструкції).

 

Зростання кількості населення на нашій планеті, окрім проблем із доступом до питної води та забезпечення їжею, призводить до браку вільного місця, яке можна використати під забудову. Вирішенням цієї проблеми є спорудження висотних будівель, які при невеликій площі своєї основи можуть розмістити велику кількість людей, при цьому витримуючи не лише власну вагу, а й корисне навантаження. Архітектори знову ж таки вдаються до вже відомої «ідеї Природи»: використання рамних та фермових конструкцій, які дозволяють рівномірно розподілити навантаження на всі елементи будівлі.

Робота групи «Архітектори»

Експериментальне дослідження доцільності побудови споруд по аналогії будови кістки.

Обладнання: Зубочистки, пластилін, тягарці різної ваги.

Завдання.

Уявіть, що Ви інженер, якому потрібно сконструювати макет висотного будинку, який при мінімальних затратах матеріалів буде витримувати максимальні навантаження. Використовуючи запропоновані матеріали спробуйте створити таку конструкцію та визначте максимальну допустиму

вагу (Рис. 15). Процес дослідження зафіксуйте за допомогою документ-камери.

 

 

Рис. 15. Створення моделей будинків.

 

  1    2    3

Рис. 16. Зразки конструкцій: звичайна каркасна (1) та фермові конструкції, зроблені по аналогії будови губчастої речовини кістки (2,3).

Результат.

Для перевірки міцності на кожну конструкцію ставили почергово тягарці масою 100, 200, 500, 700 г.

Найвитривалішою виявилась конструкція № 2. Просторове розміщення елементів конструкції дозволило їй витримати навантаження 700 г., при власній вазі 12 г.

Найменше навантаження витримала конструкція № 1 – 200 г., при власній вазі 9 г.

Конструкція № 3 витримала навантаження 500 г.

Відео: результати експерименту.

Окрім міцності, легкості, та здатності витримувати навантаження, сучасні будівлі повинні витримувати ще й різноманітні вібрації (починаючи від міського шуму і закінчуючи землетрусами різної потужності). Це питання є дуже вагомим сьогодні. Сейсмічні катастрофи 1999 року в Туреччині, Греції, на Тайвані принесли незлічимі нещастя – загибель десятків тисяч людей і економічний збиток більш 50 млрд. доларів. Особливо уразливими виявилися залізобетонні каркасні будинки.

Каркас будівлі призначений для сприйняття тільки вертикальних навантажень (власна вага, корисне навантаження), а зусиллям, що виникають при землетрусах, повинні протистояти жорсткі стінки (діафрагми) (Рис. 17).

 

Рис. 17.Сейсмостійкі конструкції

 

Це означає, що сейсмостійкість будівлі забезпечується тільки діафрагмами жорсткості, подібне просторове розміщення пластинок губчастої речовини кістки також дозволяє витримувати значні коливання та вібрації.

Форма будівлі в ряді випадків має велике значення, так як від форми залежить робота всієї системи. Зокрема, коло є найкращою формою будівлі, що знову ж таки опирається на будову трубчастої кістки, але не завжди відповідає вимогам планування. Найкращою альтернативою є квадрат.

Консультація зі студентами-архітекторами Львівського політехнічного університету, щодо можливостей створення віртуальних макетів будівель, прототипом яких є кістка людини.

 

V. Узагальнення і закріплення знань       (10 хв)

 5.1. Заповнити таблицю:

Хімічний склад кістки

Речовина	Вміст, %	Значення
Вода (Н2О)
СаPO4
Mg
Na
Осеїн
Колаген

5.2. Підпишіть частини кістки:

(проектування зображення на екран)

Рис. 18. Внутрішня будова кістки.

VІ. Підбиття підсумків уроку        (3 хв)

Рефлексія

Технологія «Незакінчені речення»

Учні працюють з відкритими реченнями, наприклад:

— На сьогоднішньому уроці для мене найважливішим відкриттям було… (відповідь на проблемне питання)

— Урок важливий, тому що…

— Мені сподобалося…

— Мені не сподобалося…

— Від наступного уроку я чекаю…

VІІ. Домашнє завдання         (2хв)

Диференційоване домашнє завдання:

- опрацювати відповідний параграф підручника;

- підготувати інформацію про хвороби опорно-рухової системи, викликані нестачею мінеральних речовин в організмі (група №1);

- підготувати цікаві факти про «живі прототипи», які використовуються в архітектурі (група №2).