Урок. "STEM-урок "Чудо природної техніки: кістки та суглоби"

КЕЙС-УРОК

«ЧУДО ПРИРОДНОЇ ТЕХНІКИ: КІСТКИ ТА СУГЛОБИ»

 

Рівень: 8-11 клас.

Тема: “Опора та рух”

Мета: дізнатися про особливості будови кісткової тканини та кісток, що роблять їх унікальними “пристроями” для опори для, з’ясувати як саме працюють кістки скелету при здійсненні рухів, яку роль в процесі руху відіграють суглоби.

Розділ: біологія людини.

Тривалість-90 хв.

 

 

Ключові питання заняття:

• Що спільного в будові кістки та Ейфелевої вежі?
• Як створити модель кістки?
• Яким простим механізмом є кістка, та як він працює?
• Чи є рекордсмени серед кісток?
• Чи можна замінити пошкоджений суглоб?
• Чому кістки ломаються?

 

Інтегровані предмети та науки
біологія	фізика	медицина

 

План заняття

1. Вступ.-2 хв.
2. Біоніка опорно-рухової системи або Чи так погано підглядати?!-5 хв.
3. Створюємо модель кістки. (практична вправа) -15 хв.
4. Створюємо модель остеону. (практична вправа)-15 хв.
5. Кісткові рекорди.-2хв.
6. Здивуйся! (практична вправа)-3хв.
7. Інтерактивна гра “Я скелет!” (пракитчна вправа)-5хв.
8. Як працює наш скелет “Просто про прості механізми”.-3хв.
9. 5 топ-фактів про суглоби.+ динамічна пауза-12 хв.
10.  Навіщо потрібні хрящі?-3хв.
11.  Здивуйся! (практична вправа)-2хв.
12.  Ендопротезування суглобів.-7хв.
13.  Як ломаються кістки?-7 хв.
14.  Швидка допомога (практична вправа)-5 хв.
15. Рефлексія-4 хв.

Вступ

 

 Будь-хто бачив картинку скелета багато разів в житті. Для багатьох з нас він здавався дуже жахливим. Авжеж, зі скелетом ми проводимо весь день, отже він і зараз з нами! Скелет (такий самий як в музеї або в кіно) ніколи не залишить вас у спокої, незалежно від того куди ви йдете, та що робите. 

 

Цей моторошний скелет - всередині нас. Якщо це змусило вас дещо стрепенутися, уявіть собі життя без скелета! Якщо б у вас не було скелета, ви б були як восьминіг. Тож ви задоволені, що у вас є скелет? Дійсно, це дивовижне створіння, що робить нас спритними та сильними, стійкими та захищеними.

 

 

Біоніка опорно-рухової системи або Чи так погано підглядати?!

 

 Усі полюбляють Ейфелеву вежу. Це класичний, іконічний символ Парижу. Ви мабуть здивуєтесь, що мистецтвознавці не схвалювали будівництво вежі. Ось найбільш “яскраві” з  їх висловлювань:

“трагічний вуличний ліхтар” (Леон Блуар)

“скелет дзвіниці” (Поль Верлен)

“гігантський незгарбний скелет на піставі, ніби побудованій для монумента циклопам” (Мопасан)

 Критики-сучасники вважали вежу монстром. Але вона була прикладом нової естетики, та людству знадобився час, щоб зрозуміти її. Тож Ейфель не просто будував вежу за поняттями внутрішньої краси, а намагався досягти максимальної потужності при мінімумі доступного матеріалу. Зрима бездоганність, ефективність і продумана конструкція, як витвір мистецтва. Архітектурний геній Ейфеля ще і в тому, що він спроектував конструкцію досить міцною, щоб протистояти стихії, але в той же час важить вона приблизно стільки, скільки повітря навколо неї.

 

В чому ж секрет її міцності? Він криється в розумінні типів міцності і розкриємо ми їх, коли вивчимо, як не дивно, будову наших кісток. Якщо розрізати кістку, то виявляється, що вона схожа на багет - міцна кірка зовні і м’яка, губчаста, всередині. Зовнішній матеріал кістки твердий і щільний. Ця міцніша частина кістки несе на собі основні навантаження. Усередині ж  - губчастий матеріал. Губчаста тканина відіграє важливу роль в процесах стиснення і розтягування, які діють на наші кістки постійно.

 

 

 

Тепер розглянемо детальніше “кірочку” нашого багета - щільну кістку. Вона складається з крихітних трубочок - остеонів, кожна з яких 0,2 мм в діаметрі, з кровоносною судиною посередині.

Якщо продовжити збільшувати, то побачимо, що остеони складаються з крихітних пучків волокон, фібрілярних (нитчастих) білків.  Розпустимо їх і отримаємо основну одиницю наших кісток-довгу, схожу на ланцюжок, молекулу колагену. Такий фрактальний спосіб упаковки називається структурною ієрархією. Завдяки ній - трубочки усередині трубочок, усередині трубочок, усередині трубочок -  наші кістки є легкими і міцними.

 Ейфель запозичив таке ж рішення у природи (хоча ймовірно він дійшов до цього рішення самостійно) та застосував його до колосального масштабу.

 Як і багато сучасних будівель, Ейфелева вежа використовує X-подібне з’єднання балок, відоме як ферми. Якщо ви розглянете одну з ферм Ейфелевої вежі, то виявите, що вони не суцільні, а складаються з малих подібних ферм. У вежі дір більше, ніж заліза! Ці порожнисті форми сприяють несподіваній легкості усієї вежі.

 

 

 

 Відтепер ви знаєте як збудувати вежу, що майже “нічого” не важить, але чи впевнені ви, що вона встоїть під напорами вітру?

В одному з інтерв’ю,  Ейфель пояснював критикам свою їдею: “Яке явище я передусім повинен враховувати проектуючи вежу? Опір повітря. Що ж! Я врахував цу в кривізні чотирьох зовнішніх країв монумента, яка була розрахована математично”.

 Зрозумівши, як розподіляються сили, інженери Ейфеля змоделювали розподіл матеріалів: помістили туди, де вони потрібні, і прибрали звідти, де ні. Метод, який вони використали, має несподіваний зв’язок з наукою про кістки.

 Коли інженер дивиться на будівлю, він бачить сили, які діють всередині. Це сили розтягнення та стискання. Це просто чудо, що деякі інженери співпрацювали з анатомами, та побачили, що в структурі губчастї кісткової тканини силові лінії перехрещуються певним чином. Губчаста тканина заповнює внутрішність стегнової кістки, щоб зміцнити її в тих місцях, де навантаження найсильніші, і не заповнюють ділянки, де навантаження відсутнє.  У кістці цей процес відбувається поступово з її розвитком. Процес аналогічний тому, як формуються піщані арки, які виточує вітер.

 

 Отже, мистецтвознавці-критики, які намагалися образити вежу Ейфеля порівнянням зі скелетом, насправді висловлювали компліменти. Коли справа стосується проектування, ми багато чого можемо навчитися у власних кісток.

 

Створюємо модель кістки

 

Мета: застосувати теоретичні знання для моделювання внутрішньої  будови трубчастої  кістки.

Обладнання: вовняні нитки червоного, синього та жовтого кольору (або крейда червоного, синього та жовтого кольору),  картонна серединка від паперових рушників, поліетиленова плівка, клей, пакувальна поролонова стрічка (поролоні серветки для миття посуду), серветки жовтого та червоного кольору.

Організація роботи: поділ учнів на робочі групи, інструктаж по роботі в групах.

Хід роботи.

 Зробимо модель поперечної будови кістки. Візьміть картонну трубку від паперових рушників. Використовуючи вовняні нитки різного кольору, розташуйте їх по поверхні трубки, імітуючи кровоносні судини, нервові закінчення. Обгорніть трубку поліетиленовою плівкою,  імітуючи окістя. Сама картонна трубка –це компактна кістка, що являє собою твердий, щільний шар.

 Всередину  трубки помістить поролоновий вкладиш, який нагадуватиме губчасту кістку. Всередину покладіть дещо пом’яту жовту серветку-жовтий кістковий мозок. На кінцях труб помістить пом’яту червону серветку, яка є червоним кістковим мозком.

 

Створюємо модель остеону

 

(Додатково)

Мета: з’ясувати на практиці причину міцності кісток, створити модель структурної одиниці компактної кістки-остеону.

Обладнання: соломинки для напоїв, пластилин, стакан.

Організація роботи: роботу краще виконувати в мікрогрупах (2-3 учня) або демонстраційно.

Хід роботи.

 Якщо у вас вистачає часу, ви можете зробити модель остеону. Компактна кістка складається з остеонів, які також називаються Гаверсовими системами. Візьміть соломинки, що імітують остеони. Остеони складаються з тисяч волокон колагену, оточених мінеральними солями Кальцію та Фосфору. Мінеральні солі ми замінимо пластилином. За допомогою стакана розкатайте пластилин та виріжте два кола. В перше коло встроміть соломинки в різних напрямках, формуючи вежу. В інше коло встроміть таку ж кількість соломинок в певному напрямку, строго до гори та по колу. Яка з веж буде витримувати навантаження? Щоб перевірити це покладіть на кожну вежу книгу. Вежа, де соломинки формують коло та розташовані у певному порядку витримують навантаження, так само, як витримує навантаження наша кістка.

 

Кісткові рекорди

 

• Найдовша кістка-стегнова кістка, вона розташована в верній частині ноги та приймає на себе майже всю вагу тіла під час ходьби.

• Найменша кістка-це  стремінце (с), довжиною всього 3 мм. Вона є частиною слухового апарату і саме до скелету вона не відноситься.

• Стегнова кістка може витримати навантаження біля 1,5 тонни.
• Найбільше всього кісток в скелеті пальців та рук, тому вони такі спритні та гнучкі.

 

Здивуйся!

 

Проведемо невеличкий експеримент, що дійсно здивує тебе! Чи знаєш ти, що розміри наших кісток взаємопов’язані одна з одною. Отже, візьми сантиметрову стрічку та виміряй свій зріст (нехай твій товарищ допоможе тобі). Тепер встань рівно та розкинь руки по сторонах, тримай їх рівно.  Нехай твій друг виміряє довжіну твоїх рук у такому положенні, від середнього пальця правої руки до середнього пальця лівої руки. Твій зріст та останній вимір мають майже співпадати.

 Людина може бути високою, або маленького зрісту, худою, або повною і в той же час відношення різних частин тіла між собою і до всієї фігури буде гармонійним та пропорційним!

 

Інтерактивна гра “Я скелет!”

 

Мета гри: повторити назви кісток та з’ясувати їх взаєморозташування.

Обладнання: паперові стікери, маркери.

Організація гри: поділ гравців на команди-2,3 в залежності від кількості гравців.

Хід гри.

 Гравці кожної манди обирають “скелета” (людина, на якій будуть демонструватися кістки). По команді ведучого члени команди повинні написати назви кісток на стікерах та розташувати їх на тілі “скелета”. На роботу відводиться 2 хвилини. Перемагає команда, в якої більш за все стікерів та всі правильно розташовані.

Як працює наш скелет “Просто про прості механізми”

 

 

 Прості механізми-це пристрої, які потрібні для перетворення сили, тобто такі, що дають виграш в ній. Ми використовуємо прості механізми в повсякденному житті протягом багатьох років. Це і коромисло, і гвинт, і ножиці.

 

 

 

Найбільш поширеним прикладом такого механізму є важіль - це простий механічний пристрій, що є твердим тілом та обертається навколо точки опори. Впершей цей пристрій був описаний Архімедом. Використовується для підйому важких тіл, в якості вимикачів та спускових гачків.

 

 

 Скелет людини, утворений з кісток та суглобів, являє собою систему важілей, що забезпечує  разом з м’язовою системою різні види рухів.  Важільні механізми скелета людини в основному розраховані на збільшення швидкості при втраті сили. Розглянемо умови рівноваги важеля на прикладі черепа: вісь обертання важеля проходить через зчленування черепа і першого хребця. Спереду від точки опори на короткому плечі діє сила тяжіння голови, позаду-сила тяги м’язів і зв’язок, прикріплених до потиличної кістки. Це важілі першого роду, де точка опори розташована між точками прикладання сил.

Інший приклад важіля-це кістки руки. Це так званий важіль швидкості. Він характеризується тим, що сила м’язової тяги прикладена поблизу осі обертання і має значно менше плече, ніж протидіюча їй сила тяжіння або сила якогось іншого опору. Наприклад, під час згинання передпліччя скорочуються м’язи, рівнодіюча яких проходить попереду поперечної осі ліктьового суглоба.

 

 При підйомі на півпальці відбувається робота іншого важіля-важіля сили. Опорою важіля, через яку проходить вісь обертання, служать голівки плесневих кісток. Вага всього тіла прикладена до таранної кістки. Діюча сила м’язів, що здійснює підйом тіла передається через ахилове сухожилля та прикладена до п’яткової кістки.             

 

 

 

 

5 топ-фактів про суглоби

 

1. Суглоби витримують колосальні навантаження, особливо під час фізичних вправ.  Сустави здатні витримувати навантаження до тонни.
2. Звичайно, суглоби мають границі міцності. Наприклад невірна техніка бігу та неправільне взуття можуть навіть вбити суглоби. Треба приземлятися не на пятку, а на передню частину стопи. Це пом’якшує удари кісток одна об одну усередині суглоба. Небезпечний не тільки біг, а й присідання. Небезпечніші вправи та види спорту де немає ударів по кістках: плавання, лижі, велосипед.
3. Хвороби і травми  можуть призводити до того, що хрящі на кінцях кісток пошкоджуються, поверхні перестають бути гладкими, кістка оголюється, та шарнір більш не працює та викликає сильний біль. На щастя сучасна медицина знає радикальний засіб-заміна суглоба на штучний!
4. Зберегти суглоб, що відмовив, допомагає зниження ваги. Це зменшує навантаження на колінні та тазостегнові суглоби на 4 кілограми при зниженні ваги на 1 кілограм. Отже навантаження там не просте, а ударне-при кожному кроці тіло немов навалюється на суглоби.
5. Суглоби можна зберегти якщо змінити раціон-збільшити вживання в їжу кальція, додати молочних продуктів, горіхів та кольорової капусти. Зменшити вживання солі, та збільшити вітамінів.

Перегляньте відео, що демонструє вірну техніку бігу та спробуйте повторити.

https://www.youtube.com/watch?v=lGjp9ydQ38c  (9 хв)

 

Навіщо потрібні хрящі?

 

 Поміркуйте, що було, якщо б ваші кістки не росли з того часу як ви були малою дитиною? Ви були би надто маленькими! Кістки ростуть не по всій довжині, а в особливих місцях. Це так звані пластини росту, які у довгих кісток розташовані на кінцях. Отже, кістки ростуть не з середини, а з кінців. Коли починається спалах зростання кісток (період дитинства, в підлітковому періоді), хрящова тканина, що розташована між тілом кістки та її кінцями починає розмножуватись. Товщина цього хрящового прошарку збільшується, а з часом поступово замінюється клітинами кісткової тканини. Розташування хрящової тканини саме у даних місцях, а також наприклад в місцях де з’єднуються кістки  забезпечує певний самозахист кісток, бо хрящова тканина добре поглинає удари та працює як амортизатор.

 

Здивуйся!

 

 Вдарьте по твердій поверхні стола-але не надто сильно! Тепер покладіть маленьку подушку на стіл та вдарьте по подушці. Чи допомогла подушка пом’якшити удар? Саме так працює і хрящ.

Тепер ви знаєте, що хрящ сприяє амортизації ударів та забезпечує ріст кісток в довжину.

 

Ендопротезування суглобів

 

 

 Протез-це штучне пристосування, здатне замінити функцію певного органу. Якщо протез розташовується всередині людського тіла, то він називається ендопротезом. Заміна пошкодженого суглоба на штучний відбувається під час медичної операції ендопротезування.  Під час цієї операції суглоб замінюється на імплант, якій має анатомічну форму здорового суглоба і дозволяє виконувати увесь об’єм рухів. Після подібної операції пацієнт повертається до активного життя. Матеріали, з яких виготовляються ендопротези (нержавіючі сплави, кераміка), мають велику міцність та приживаність в організмі людини. Термін їх служби складає в середньому 15-20 років.

Ендопротезування тазостегнового суглоба передбачає повну або часткову заміну суглоба. Сучасні ендопротези-це складні технічні вироби, що мають певний розмірний ряд. До кожного медичного випадку підбирається відповідний протез.

 

 

 

Сучасні технології також допомагають вирішувати проблему заміни суглобів. У дуже складних випадках виготовляють суглоб за індивідуальними потребами пацієнта. Це стало можливо з появою технології 3D-друку. На основі комп’ютерного моделювання суглоби друкують на 3D-принтері із застосуванням полімерів та біоінертного Тітану.

Перегляньте відео, що демонструє процес протезування суглоба.

https://www.youtube.com/watch?v=HRf5vicexyg  (5хв.)

 

Як ломаються кістки?

 

 Зазвичай, кістки без проблем виконують функцію підтримки нашого тіла напротязі нашої щоденної активності, включаючи вправи та ігри. Іноді, кістки зазнають стресових навантажень з якими не можуть впоратись, тоді кістки ломаються. Такий стан людини має діагноз-перелом кістки. Існує три основні типи переломів: переломи напруги, ударні переломи та патологічні переломи.

 Розгляньте рентгенограми переломів та з’ясуйте основні їх причини.

ПЕРЕЛОМИ НАПРУГИ трапляються, коли навантаження здійснюється на певне місце на кістці протягом тривалих періодів часу. З плином часу тиск від невеликих ударів послаблює кістку, поки вона не почне ломатися по поверхні. Ці тріщіни на початку можуть бути дуже малими, але вони стають все більшими. У спортсменів, які тривалим часом працюють над зміцненням своїх м’язів, траплються стресові переломи. Втомлені м’язи спортсмена перестають поглинати напругу та вона спрямовується на кістку. Довгі тонкі кістки в верхній частині стопи, а також п’яткова кістка, особливо ймовірно переломлюється саме таким чином.

УДАРНІ ПЕРЕЛОМИ трапляються раптово, коли кістка приймає раптовий важкий удар, який завдає навантаження більше, ніж вона може сприймати одночасно. На відміну від переломів напруги, які накопичуються з часом, ударні переломи відбуваються в один момент. Події, які можуть спричинити ударні переломи, включають падіння, сильний прямий удар, автомобільна аварія тощо.

 ПАТОЛОГІЧНІ ПЕРЕЛОМИ виникають у людей які мають певні хронічні хвороби, що роблять кістки більш тендітними та тонкими. Кістки таких людей можуть пошкодитись від звичайніх повсякденних навантажень. Остеопороз є одним з захворювань, яке може спричинити слабкість кісток. Риск розвитку остеопорозу особливо зростає з віком у жінок. Фізичні вправи та дієта можуть запобігти остеопорозу, або допомогти його лікуванню на ранніх стадіях.

 Зроби свої кістки міцнішими!

Швидка допомога

 

Кістки добре відновлюються самі після перелому, якщо забезпечити їм нерухомість та фіксацію. Кваліфіковану допомогу надає лікар ортопед-травматолог після рентгенологічного дослідження. Перегляньте відео, що демонструє як поводити себе при переломі кісток та як надати першу допомогу до приїзду швидкої.

https://www.youtube.com/watch?v=Kkpf4LJHDZc  (3 хв.)