Исследовательская деятельность по биологии с применением учебной лаборатории по нейротехнологии.

Мастер-класс: Исследовательская деятельность по биологии с применением учебной лаборатории по нейротехнологии.

Ещё недавно коллаборации машины и человека представлялись фантастическими. Теперь каждый школьник получил возможность работать с лабораториями, например лаборатория «BiTronics»по нейротехнологии в рамках работы центра «Точки роста». В состав комплекса входят набор сенсоров, позволяющих регистрировать биосигналы человека: электрическая активность мозга (ЭЭГ), электрическая активность мышц (ЭМГ), пульс (ФПГ), кожно-гальваническая реакция (КГР), электрокардиограмма (ЭКГ), частоты дыхания. В набор входит специальный модуль для разметки данных, программное обеспечение. Этот современный учебно-лабораторный комплекс подходит для учебно-исследовательской и проектной деятельности в рамках дополнительного образования. К нему прилагается методическое пособие с 30 лабораторными работами по физиологии, разработанные учеными МГУ. Благодаря методическому пособию к данной лаборатории учащимся можно регистрировать, обрабатывать, анализировать биосигналы человека: мышечную активность, пульс, ЭКГ, ЭЭГ, механические колебания грудной клетки, сопротивление кожи, что дает возможность учащимся понять взаимосвязи между биологией, информатикой, математикой, физикой.

Работа с данной лабораторией проходит по внеурочной программе «Проектная деятельность» ориентирована на формирование интереса к опытной, экспериментальной и исследовательской деятельности, которые способствуют познавательной и творческой активности обучающихся 9классов.

В курсе «Проектная деятельность» используются технология исследовательского обучения и технология учебного проектирования, которые помогают преодолеть господство «знаниевого» подхода в пользу «деятельностного», позволяющего продуктивно усваивать знания, научиться их анализировать, сделать их более практико-ориентированными, что, в конечном счете, и преследует программа модернизации образования.

По окончании изучения курса «Проектная деятельность» учащиеся должны знать:

• основы методологии исследовательской и проектной деятельности;

• структуру и правила оформления исследовательской и проектной работы.

По окончании изучения курса «Проектная деятельность» учащиеся должны уметь:

• формулировать тему исследовательской и проектной работы, доказывать ее актуальность;

• составлять индивидуальный план исследовательской и проектной работы;

• выделять объект и предмет исследовательской и проектной работы;

• определять цель и задачи исследовательской и проектной работы;

• работать с различными источниками, в том числе с первоисточниками, грамотно их цитировать, оформлять библиографические ссылки, составлять библиографический список по проблеме;

• выбирать и применять на практике методы исследовательской деятельности адекватные задачам исследования;

• оформлять теоретические и экспериментальные результаты исследовательской и проектной работы;

• рецензировать чужую исследовательскую или проектную работы;

• наблюдать за биологическими, экологическими и социальными явлениями;

• описывать результаты наблюдений, обсуждения полученных фактов;

• проводить опыт в соответствии с задачами, объяснить результаты;

• проводить измерения с помощью различных приборов;

• оформлять результаты исследования с помощью описания фактов, составления простых таблиц, графиков, диаграмм, формулирования выводов.

Ребята работают над выбранными проектами из различных областей биологии. Приведу примеры исследовательских работ с использованием лаборатории по нейротехнологии:

1. Изучение состояния сердечно-сосудистой системы посредством изучения ЭКГ.

Основные причины смерти в мире связаны с группой сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее распространенной причиной смерти является болезнь сердца.

Изучением сердечно-сосудистой системы занимается хирург – врач, проводящий диагностику и лечение патологий  сосудистой системы человека: артерий, вен, лимфатической системы. Он же занимается профилактикой и методами, предотвращающих или замедляющих развитие болезни.

На основании изложенного, исследователь-ученик сформулировал цель работы: Изучить состояние сердечно-сосудистой системы одноклассников методом ЭКГ.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• Получить в покое сигнал ЭКГ в 1 отведении.

• Найти на полученных записях характерные зубцы ЭКГ и проследить за их изменением в разных отведениях.

• Основываясь на измерении нескольких интервалов, вычислить частоту сердечных сокращений в покое.

• Проанализировать полученные данные.

Рабочая гипотеза: Я научусь проводить замеры методом ЭКГ, изучу работу сердца по результатам ЭКГ.

Альтернативная гипотеза: Я не смогу провести замеры методом ЭКГ и сделать анализ работы сердца.

Д алее теоретические выкладки: строение сердца, сердечный цикл, регуляция работы сердца. Прописывается методика, затем собственно работа с оборудованием и испытуемыми. Анализируются данные, систематизируются в таблицы. Делают выводы, заключения: рабочая гипотеза оправдалась, выявлено у двух обучающихся класса аритмия. Им предложено срочное обращение к врачу. Уделяется внимание профилактической работе по уменьшению сердечно-сосудистых проблем(прописываются рекомендации).

2. «Полиграфия и определение психоэмоционального состояния человека».

_{Несмотря на то, что изучением полиграфа занимаются более 125 лет, еще не полностью выяснено, как научить технологию реагировать правильно, если на допрос попал такой тип людей как психологические больные или сотрудники спецслужб, которые в виду своей профессии научились профессионально его обманывать. Изучение этого вопроса поможет найти больше недостатков в полиграфе, если устранить все недостатки, то можно довести технику до совершенства, а значит, он всегда будет распознавать ложь.}

_{Цель работы – изучить, как изменяется потоотделение, деятельность дыхательной, сердечно - сосудистой и автономной нервной системы при психоэмоциональном напряжении у человека.}

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Составить вместе с испытуемым список из 6 вопросов, в половине из которых он будет отвечать правду, а в половине – ложь.

_{2. Получить полиграфическую реакцию испытуемого (кожно - гальваническая реакция, ЧСС, механические колебания грудной клетки) в состоянии покоя и во время ответов на вопросы}

_{3. Получить полиграфическую реакцию испытуемого (кожно - гальваническая реакция ЧСС механические колебания грудной клетки) в состоянии покоя и во время решения задачи на время.}

_{Рабочая гипотеза: Мы сможем увидеть изменение в потоотделении, деятельности дыхательной, сердечно - сосудистой и автономной нервной системы при психоэмоциональном напряжении у человека. Это будет свидетельствовать о том, что человек говорит правду или ложь. Исходя из заданных к нему вопросов.} Альтернативная гипотеза: При ответе на вопросы, в которых испытуемый скажет ложь, реакции не будет. Это будет свидетельствовать о неисправности оборудования или метод полиграфа и вправду не будет работать. Перед практической частью проводят изучение теоретической части темы. Далее по методике проводятся с использованием оборудования опросы испытуемых. Проводят замеры по приборам, делаются выводы, в том числе, что р абота позволила получить умения:

1. Умение работать с различными сенсорами одновременно: сенсором ЭКГ, сенсором КГР, сенсором механических колебаний.

2.Умение объяснять методику электрокардиографии

3.Умние объяснять особенности строения автономной нервной системы, её функции.

4.Умение объяснять взаимосвязь между работой потовых желёз и деятельностью АНС.

5.Умение объяснять механизм кожно-гальванической реакции.

6.Умение объяснять, как различные системы организма связаны между собой.

1. Влияние музыки на мозг человека. Любой орган человеческого тела исследуют в первую очередь для того, чтобы научиться его эффективно лечить в случае необходимости. Мы не представляем свою жизнь без музыки. А также интересно узнать, какое влияние оказывает музыка на мозг человека.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- изучить, как изменяется активность головного мозга при прослушивании различных музыкальных композиций;

- познакомиться с методом регистрации электроэнцефалограммы ее спектральным отображением;

- научиться анализировать запись электроэнцефалограммы и выделять в ней ритмы разной частоты

- получить ЭЭГ(электроэнцефалограммы) бодрствующего человека с закрытыми глазами в затылочном, височном и лобном отведениях при прослушивании различных музыкальных композициях;

- сравнить полученные записи ЭЭГ и сделать вывод об изменении активности нейронов в различных областях мозга при прослушивании разных музыкальных композиций;

Рабочая гипотеза: Я смогу объяснить особенности строения нервной системы; смогу объяснить основные особенности строения головного мозга, его функции; снять электроэнцефалограмму; объяснить, как изменяются ритмы ЭЭГ в различных областях головного мозга под воздействием различных музыкальных композиций;

Альтернативная гипотеза: Я не смогу объяснить особенности строения нервной системы; не смогу объяснить основные особенности строения головного мозга, его функции; не смогу снять электроэнцефалограмму; не смогу объяснить, как изменяются ритмы ЭЭГ в различных областях головного мозга под воздействием различных музыкальных композиций.

Далее работа по шаблону: теория по теме (строение мозга, ритмы ЭЭГ и т.д.), методика работы и собственно практическая часть, выводы и заключения по теме.

Апробация работы. Результаты работы докладываются на ученической научно-практической конференции в гимназии. Лучшие отправляются на муниципальные научно-практические конференции обучающихся и дальше.

Одна из основных проблем освоения курсов биологии, физики заключалась в преимущественно теоретическом характере изучения содержания и недостаточном внимании связям теории и реальностью. Применение данного подхода придает процессу интерактивный характер, мотивацию, эффективность процессу, обеспечивает связь теории и практики, обеспечивает профориентацию, формирует исследовательские навыки. Нейротехнологии активно развивающаяся область на стыке инженерных наук и очень хорошо, что у наших ребят есть возможность приобщиться к ней.

Использованная литература:

1. Бережной Д.С. Б48 Учебная лаборатория по нейротехнологиям. Методическое пособие. Естественно-научная направление/Бережной Даниил Сергеевич. – М.: Битроникс, 2021. – 296с.: илл.250