Методическое пособие на тему: «Профессиональная направленность обучения физики»
методическая разработка на тему

Методическое пособие на тему:

«Профессиональная направленность обучения физики»

(Из опыта работы преподавателя Балаковского медицинского колледжа Шаныгиной Л.Г.)

Наш медицинский колледж принимает студентов на базе неполной средней школы. У этих  студентов бытует мнение, что физика — это чисто «техническая» наука и что к медицине она никакого отношения не имеет, поэтому мне преподавателю физики ежегодно приходится убеждать студентов в том, что знания физики, её законов необходимы будущим медицинским работникам.  Планируя работу в группах,    стараюсь использовать методы, позволяющие довести до сознания студентов значение физики для медицины, которые обусловливаются тремя обстоятельствами:

 I) физика создает основу для правильного понимания биологических процессов;

2) она является теоретической базой современной медицинской техники;

3) вооружает знанием физических методов клинической диагностики и лечения, а также исследования сложных биологических систем.

Развитие медицины, совершенствование методов биологических исследований непосредственно опирается на достижения физики.

Процессы, происходящие в живом организме, составляют биологическую форму движения материи. По своей природе биологические явления неизмеримо более сложны, чем физические.  Нельзя, например, объяснить рост организмов, эволюцию живого, наследственность только законами физики. Однако нельзя объяснить многие биологические явления, не опираясь на законы физики. Биологическая форма движения материи как более сложная включает в себя более простые формы движения — физическую и химическую, но полностью ими не исчерпывается. Поэтому знание физических и химических законов совершенно необходимо для понимания глубоких и сложных процессов, протекающих в живом организме, в том числе и в человеческом, изучением которого занимается медицина.

Изучение физики в медицинских колледжах должно удовлетворять двум главным требованиям: давать студентам знания в объеме программ средних специальных учебных заведений и готовить студентов к сознательному восприятию, общемедицинских и клинических дисциплин. В связи с этим преподавание физики должно иметь четкую профилирующую направленность.

Существует несколько аспектов профессиональной направленности преподавания физики в медицинских колледжах:

1. изучение первичного воздействия на организм человека различных физических факторов — тепла, холода, электрического тока, звука, ионизирующих излучений и различных механических воздействий ;
2. разъяснение студентам физических основ физиотерапевтических методов лечения;

1. изучение физических методов диагностики заболеваний и исследования сложных биологических систем;
2. изучение физических процессов в организме человека; знакомство с устройством и принципом действия приборов и установок, используемых для лечебных и диагностических целей;
3. решение задач по физике с медико-биологической тематикой; проведение вечеров и тематических конкурсов  профессиональной направленности.

Всё перечисленное даёт преподавателю физики широкие возможности для творческой деятельности.

Изучая общую физику, привожу примеры применения данного материала в медицине. Первым медицинским физиком был Леонардо да Винчи (пять столетий назад), который проводил исследования механики передвижения человеческого тела. Рассматривая «Основы термодинамики»,  рассказываю о устройстве медицинского термометра, вкратце о теплопроводности тканей организма человека, физических основах теплолечения. Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в медицине для стерилизации инструментов, белья, медикаментов и др.  При изучении темы: «Кпд тепловых машин» необходимо обратить внимание на работу и мощность человеческого организма, кпд мышц.  Рассматривая твёрдые тела и их свойства, говорим о деформации тканей, возникающих при переломах, вывихах. Под действием силы тяжести груза ткани подвергаются деформации растяжения, что способствует сращению переломов.  Наиболее плодотворно медицина и физика стали взаимодействовать с конца XVIII – начала XIX вв., когда были открыты электричество и электромагнитные волны, т. е. с наступлением эры электричества. Тема: «Электрический ток и законы тока» помогают выяснить действие постоянного тока на организм человека, рассмотреть применение электролиза в медицине.  Зная законы физики можно понять, как происходят многие процессы в живом организме, а именно в организме человека. Изучение электрических явлений дало возможность создать приборы, объективно регистрирующие работу сердца, клеток головного мозга и различных групп мышц.  А чтобы понять каким образом генерируется электричество в живых клетках, необходимо, прежде всего, знать общую физику, которая в применении к живому приобретает некие особенности. В разделе «Звуковые волны» знакомлю студентов с физическими основами слуха, рассматриваем строение уха, механизм передачи звуков во внутреннее ухо, звуковыми методами диагностики, такими как аускультация, перкуссия и ультразвуковая диагностика. Физика помогает диагностике заболеваний. В диагностике заболеваний широко применяются рентгеновские лучи для определения изменений в костях и мягких тканях, для исследования строения функций органов и систем. Об этом многие студенты знают, но о том, что 8 ноября 1895 года немецкий физик Вильгельм Рентген открыл лучи, которые в последствии,  были названы его именем знают не все. Поэтому перед преподавателем физики медицинского колледжа стоит много проблем. Конец XIX – середина ХХ вв. связаны с открытием  радиоактивности, теорий строения атома, электромагнитных излучений. Эти открытия связаны с именами А. Беккереля, М. Складовской - Кюри, Д. Томсона, М. Планка, Н. Бора, А. Эйнштейна, Э. Резерфорда. Явление радиоактивности широко применяется в медицине для лечения злокачественной опухоли.  В своей работе широко использую дополнительный материал, приобщая к его изложению студентов. Начиная со второго семестра,  готовим проект на тему: «Применение физики в медицине». Защиту проекта провожу в конце учебного года.        

Взаимопроникновение физики и медицины в настоящее время настолько многогранно, что перечисленные аспекты курса физики дают лишь частичное представление об этой сложной научно-педагогической проблеме.  Большое значение, на мой взгляд, имеют правильно подобранные задачи.

 Задачи по физике в настоящее время классифицируются по целому ряду признаков: физическому содержанию, тематике, сложности, различным способам решения и т. д. Физическое содержание обусловливается теми физическими явлениями и закономерностями, которые описываются в задаче или используются для ее решения. В зависимости от тематики различают абстрактные, технические, лабораторные, природные, исторические и бытовые физические задачи с медико-биологической тематикой.

Задачу по физике будем называть медико-биологической, если она построена на конкретном медико-биологическом материале и для своего решения требует использования физических закономерностей. Приведем несколько примеров.

1. Двуглавая мышца прикреплена к лучевой кости в точке, находящейся на расстоянии 3 см от локтевого сустава. Груз массой 2 кг находится на ладони руки на расстоянии 30 см от локтевого сустава. Какую силу развивает двуглавая мышца, если лучевая кость находится в горизонтальном обложении?

2. Через сухожилие с поверхностью 3 см2 за два часа проходит 2,6 Дж теплоты при разности температур 2°С. Определите коэффициент теплопроводности сухожилия, если его толщина 15 мм.

3. Закись азота находится в баллоне емкостью 41,5 л при температуре 7°С и Давлении 30 МПа. Какое количество закиси азота взяли из баллона для приготовления наркозной смеси, если давление в баллоне уменьшилось до 10 МПа?

Наличие в задаче сведений из медицинских наук и медицинской терминологии еще недостаточно для того, чтобы классифицировать такую задачу, как медико-биологическую. Физическое содержание задачи определяется не ее тематикой, а теми физическими явлениями и закономерностями, которые рассматриваются и используются для ее решения. Задачи могут быть различными по тематике, но одинаковыми по своему физическому смыслу. Например:

1. Чему равно удлинение стального стержня длиной 5 м, имеющего площадь сечения 0,8 см2, под действием груза 2 кН?

2. Чему равно удлинение мышцы длиной 6 см и поперечным сечением 8 мм2 под действием груза 5 Н?

Первая задача имеет четко выраженную техническую направленность, а вторая составлена на медико-биологическом материале. Тематика этих двух задач, таким образом, различна, но их физическое содержание одинаково, поскольку в обеих задачах рассматриваются одинаковые физические явления (деформация растяжения) и для их решения используется один и тот же закон (закон Гука). В дидактическом отношении обе задачи совершенно равноценны, но их педагогическая эффективность в условиях медицинского колледжа, безусловно, различна.

Задачи по физике с медико-биологической тематикой имеют исключительную педагогическую ценность: они вызывают интерес студентов  к физике и дают им первые представления о некоторых элементах устройства многих медицинских приборов и аппаратов, позволяют ознакомить с важнейшими физико-техническими параметрами этих приборов и ввести новую для них терминологию.

Характерной в этом отношении является следующая задача: в аппарате для дарсонвализации имеется катушка, намотанная медной лентой с поперечным сечением 1,7 см2 на каркас в рост человека. Какое количество меди израсходовано на изготовление такой катушки, если ее сопротивление постоянному току равно 4,5 • 10-3 Ом?

В процессе решения задачи студенты впервые знакомятся с новым для них термином «дарсонвализация». При дарсонвализации больного помещают внутрь катушки размером в рост человека. Не вдаваясь в подробности этого метода лечения, сообщаем, что в настоящее время для лечения многих заболеваний успешно используются постоянные и переменные токи.     Словарный запас студентов пополняется новым медицинским термином, и в то же самое время они оперируют физическими величинами и находят связи между ними. Такого типа задача имеется во многих сборниках, но в них она формулируется слишком абстрактно: определите вес (или массу) голого медного провода длиной 1 км и сопротивлением 1,2 Ом. Эти две задачи совершенно одинаковы по своему физическому смыслу, но наш вариант дает конкретный пример использования основных законов постоянного тока в лечебной практике, что полностью соответствует целям общеобразовательной и специальной подготовки студентов  медицинского колледжа.

Рассмотрим еще один пример. При гальванизации сила тока не должна превышать 50 мА. Какой площади электрод следует взять, чтобы обеспечить плотность тока 1,5 А/м2?

Эта задача для студентов  медицинского колледжа представляет профессиональный интерес; Решая ее, они впервые узнают о методе лечения постоянным током, усваивают новый для них термин «гальванизация» и знакомятся с важным параметром

(50 мА) этого метода лечения.

Решение физических задач с медико-биологическим содержанием развивает клиническое мышление студентов  медицинского колледжа. В этом отношении особенно велика роль, так называемых качественных задач. Приведем несколько примеров.

1. У первого больного начинается острый воспалительный процесс, наблюдается усиленная гиперемия кожи, образуются отеки. У второго больного острый воспалительный процесс закончился и начинается отток патологических продуктов из раны. Какую процедуру — тепло или холод — следует назначить этим больным? Почему?

2. Медицинская грелка представляет собой резиновый мешок, который наполняется горячей водой. Почему грелки не наполняются воздухом?

3. В лечебной практике известны случаи, когда капля воды при температуре 60 °С, попав на кожу больного, вызывает ожог. Такой же массы капля парафина при той же самой температуре ожога не вызывает. Почему?

4. При гальванизации на тело больного накладываются два электрода, причем площадь первого в 2 раза больше, чем площадь второго. Одинаковы ли сила и плотность тока, проходящего через оба электрода?

Для правильного решения первой задачи надо, чтобы студенты хорошо знали влияние высоких и низких температур на течение физиологических процессов в организме человека и умели применять эти знания в конкретной ситуации. При решении других задач требуются знания тепловых: свойств (теплопроводности и удельной теплоемкости) веществ, используемых в медицине в качестве теплолечебных сред, и законов постоянного тока.

Путем решения качественных, имеющих профессиональную направленность задач студенты на многих конкретных примерах убеждаются, что физические закономерности непосредственно используются для лечебных и диагностических целей, и этот факт повышает интерес к изучению физики, заставляет более сознательно и ответственно относиться к изучению предмета. Систематическое решение такого рода задач позволяет студентам более осознанно подойти к восприятию многих фактов из общемедицинских и клинических дисциплин. Приведем несколько характерных в этом отношении примеров.

1. Механическое напряжение, возникающее в большой берцовой кости при ее разрыве, достигает 102 МПа/м2. Определите величину силы, необходимой для разрыва большой берцовой кости, если площадь ее поперечного сечения 7,2 см2,

2. Какое количество углекислого газа находится в лёгких человека, емкость которых 4 л, если парциальное давление этого газа равно 5 кПа при температуре 37 °С?

    Система физических задач с медико-биологической тематикой позволяет постепенно и ненавязчиво в ходе обучения искоренить  предрассудок о том, физика - это «техническая» наука и в конечном счете сформировать у студентов убеждение, что в настоящее время физика составляет теоретический фундамент всех медицинских специальностей в такой же мере, как химия и биология.

Задачи с медико-биологической тематикой могут использоваться и как тренировочные, например для отработки навыков преобразования кратных и дольных единиц:

1. Каждый сердечный цикл длится примерно 0,8 с. Выразите продолжительность сердечного цикла в миллисекундах.

2. Диаметр эритроцитов у человека равен 7,5 мкм. Выразите диаметр эритроцитов в метрах и сантиметрах.

3. Общая площадь тела человека примерно равна 2 м2. Выразите площадь тела человека в см2.

4. После глубокого вдоха человек может выдохнуть 3500 мл воздуха (средняя жизненная емкость легких). Выразите жизненную емкость легких в мм3, в л, в м3.

К профилирующим задачам относятся так называемые естественные задачи, отражающие проявление физических закономерностей в живой природе. Такие задачи имеют не только общеобразовательную ценность, но и дают возможность на конкретном материале осуществлять связь физики с биологией. Вот несколько примеров.

1. Почему капли дождя повисают на листьях растений, а как только пригреет солнце, они падают вниз?

2. Некоторые насекомые могут свободно передвигаться по поверхности воды, а другие, коснувшись воды, не могут из нее выбраться и погибают. Чем можно объяснить эти явления?

3. Замечено, что листья растений в тропиках большие и широкие, а в пустынях — маленькие и узкие. Чем обусловливается такое различие в строении листьев растений?

4. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280 нм полностью поглощаются протоплазмой клетки. Какую энергию поглощает протоплазма клетки при попадании на нее одного фотона   ультрафиолетового   света?

Задачи с медико-биологической тематикой в зависимости от способа решения могут быть качественными, вычислительными и экспериментальными.

Логические задачи с медико-биологической тематикой помимо общедидактических достоинств  создают необходимые предпосылки и для формирования клинического мышления будущих медицинских специалистов среднего эвена. В связи с этим каждую тему курса физики желательно сопровождать решением такого рода логических задач. В изданных к настоящему времени сборниках логических задач имеется и некоторое количество задач с медико-биологической тематикой, которые можно успешно использовать в процессе изучения физики.

 Решение профилирующих задач дает возможность преодолеть элементы формализма в знаниях студентов, и в этом заключается их несомненная педагогическая ценность.

Учитывая профиль медицинского колледжа,  курс физики позволяет довести изучение каждой группы физических явлений — механических, тепловых, электромагнитных, оптических и внутриядерных до их практического применения в медицине. В этих условиях изучение физики и связанных с нею специальных дисциплин превращается в единый, не разорванный во времени процесс, обеспечивающий, с одной стороны, более прочное и осознанное усвоение основных физических понятий, а с другой — позволяет наиболее эффективным образом использовать знание основ физической науки при изучении специальных дисциплин.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Е.А. Безденежных, А.Ф. Шефченко, Кус физики  Москва Медицина 1978 г.  

2. Знаменский П. А. Методика преподавания физики.

Л.:. Учпедгиз, 1956.

3. Карпович А. . Сборник задач-вопросов по физике. М., АПН СССР, 1956.

4. Тулъчинский М. Е. Сборник качественных задач по физике. М.: Учпедгиз, 1972 г.

 При  подготовке статьи использовала опыт преподавателя Херсонского медицинского училища А. Ф. ШЕВЧЕНКО,