2.3.1 Sơ đồ cấu trúc logic kiến thức của chủ đề
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc logic kiến thức chủ đề ”Điện thế sinh vật”
ĐIỆN THẾ SINH VẬT Điện thế sinh vật trong cơ thể sống
Tác động của dòng điện lên cơ thể sống Điện thế trên màng tế bào sống Điện thế hoạt động của tổ chức sống: tim Điện thế nghỉ Điện thế hoạt động Ứng dụng y học Chẩn đoán: điện tâm đồ (ECG- Electro CardioGram) Điều trị: máy tạo nhịp tim (Pacemaker) Tiêu cực-> Các biện pháp an toàn điện Tích cực-> Ứng dụng trong điều trị Vật lí trị liệu Dụng cụ điều trị Nguyên nhân Biện pháp phịng ngừa Biện pháp xử lí
2.3.2 Nội dung kiến thức của chủ đề
2.3.2.1 Điện thế màng tế bào
a. Khái niệm điện thế màng tế bào
Trên tế bào sống ln có sự chênh lệch giữa điện thế mặt trong màng tế bào VTR và điện thế mặt ngoài màng tế bào VNG. Người ta quy ước gọi hiệu điện thế EM = VTR – VNG là điện thế màng. [14. tr.171]
b. Điện thế nghỉ
Khái niệm: Ở trạng thái bình thường (trạng thái “tĩnh”), điện thế màng luôn là một giá trị ổn định và mang dấu âm. Giá trị nói trên được gọi là điện thế nghỉ (rest Potential). Đối với những tế bào khác nhau, điện thế nghỉ có giá trị khác nhau từ khoảng -50mV đến -94mV [14. tr.171]
Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm đo điện thế nghỉ trên màng tế bào (Nguồn: www.khanacademy.org) (Nguồn: www.khanacademy.org)
Cơ chế hình thành:
- Khuếch tán theo phương vecto gradient nồng độ: Các ion K+ khuếch tán từ trong ra ngoài tế bào và các ion Na+, Cl- từ ngồi vào trong tế bào.
- Tính thấm chọn lọc của màng tế bào: trạng thái nghỉ, tính thấm của màng tế bào đối với Na+ là rất nhỏ so với K+ và Cl- , khuếch tán này làm mặt ngồi màng tế bào dần dần tích điện dương và mặt trong tích điện âm.
- Lực điện trường: khi ảnh hưởng của lực điện trường cân bằng với ảnh hưởng của gradient nồng độ thì giữa hai mặt của màng tế bào sẽ có một hiệu điện thế ổn định.
c. Điện thế hoạt động
Khái niệm:
Khi tế bào bị kích thích đủ mạnh, điện thế màng biến đổi đột biến trở nên có dấu ngược với điện thế nghỉ và chỉ tồn tại trong thời gian vô cùng ngắn. Xung điện
thế được hình thành trong khoảng thời gian vơ cùng ngắn đó được gọi là điện thế hoạt động (Action Potential). [14. tr. 176]
Cơ chế hình thành điện thế hoạt động:
Kích thích làm tính thấm của màng tế bào đối với ion Na+ bắt đầu tăng vọt. Cả điện trường lẫn gradient nồng độ đều trợ giúp cho chuyển động của ion Na+ từ ngồi vào trong. Dịng Na+ “ào ạt” đi vào bên trong tế bào làm cho điện thế nghỉ dần bị triệt tiêu. Nhờ gradient nồng độ mà các ion Na+ vẫn tiếp tục đi vào bên trong tế bào sau cả khi điện thế hai phía màng cân bằng, khiến cho bên trong màng có điện thế dương tăng nhanh - màng tế bào bị đảo phân cực.
Cơ chế lan truyền điện thế hoạt động
Khi ta kích thích một vùng nào đó trên màng tế bào đủ để phát sinh điện thế hoạt động thì ban đầu tại vùng đó có sự đảo phân cực. Như vậy ở cả 2 môi trường nội bào và ngồi bào, giữa vùng vừa kích thích và vùng lân cận đang ở trạng thái tĩnh có sự chênh lệch điện thế. Sự chênh lệch điện thế này làm phát sinh dòng điện “tại chỗ” tại vùng lân cận nói trên. Sự lan truyền này được mơ tả bởi hình 2.3
Hình 2.3: sự phát sinh các dòng điện tại chỗ 2.3.2.2 Điện thế hoạt động của tổ chức sống
a. Khái niệm:
Cơ thể không phải là môi trường đẳng thế. Người ta ghi được những hiệu điện thế tuy rất nhỏ nhưng ổn định và mang tính chu kỳ rõ rệt giữa các vùng nhất định trên cơ thể. Những thế hiệu này khơng bắt nguồn từ bên ngồi mà do các tổ chức sống trong cơ thể sinh ra trong khi thực hiện những hoạt động sinh lý chức năng bình thường, do vậy người ta gọi chúng là điện thế hoạt động của tổ chức sống. [14. tr.181]
b. Điện thế hoạt động của tim:
Những thế hiệu lớn nhất (có thể hơn 1mV) và cũng quan trọng nhất đối với y khoa được ghi đo trên cơ thể là những điện thế được tạo ra bởi hoạt động của tim.
c. Cơ chế hình thành điện thế hoạt động của tim
Cơ chế sinh học
Hệ thần kinh trung ương không trực tiếp điều khiển hoạt động của tim. Sự co bóp tự động nhịp nhàng của các ngăn tim được kích thích và điều hịa bởi một “hệ mô cơ” đặc biệt nằm trong tim. Trong đó, Nút xoang nhĩ (sinoatrial – SA), nằm ở nhĩ phải có vai trị tạo nhịp (phát xung động) có nhiệm vụ quan trọng nhất. Khi hệ thống dẫn truyền bình thường, tim đập theo sự chỉ huy của nút SA. Nút SA, nút AV, bó Hiss và mạng lưới các sợi Purkinje đều có khả năng tự kích hoạt đều đặn. Nếu vì lý do nào đó, nút SA ngừng hoạt động thì nút AV sẽ thay nút SA nhưng với nhịp phát xung chậm hơn.
Cơ chế vật lí (mơ hình điện đơn giản của tim)
Một chu kì co bóp của tim gồm nhiều thời kì khác nhau. Ở đây, để phần nào làm sáng tỏ nguồn gốc của việc xuất hiện hiệu điện thế hoạt động trên tim, ta hãy xét một thời kì đặc biệt nhất trong chu kì hoạt động của tim, đó là thời kì tâm thất thu.
Đầu thời kì này nút AV bị kích hoạt, sau đó xung điện từ nút AV lan truyền rất nhanh đến các cơ co của tâm thất. Khi đó, cả vùng tâm thất ở trạng thái bị kích thích, cịn vùng tâm nhĩ ở trạng thái “nghỉ”. Như vậy, hai vùng này sẽ tích điện trái dấu.
Ta có thể đưa ra 2 mơ hình sau :
- Mơ hình 1: Quả tim như một máy phát điện có cơng suất rất nhỏ, có suất điện động thay đổi, hai cực là tâm nhĩ và tâm thất. Toàn bộ cơ thể bao quanh tim có thể mơ hình hóa như mạch điện phức tạp gắn với máy phát này.
- Mơ hình 2: Tim như một lưỡng cực điện, tạo ra điện trường thay đổi ở môi trường xung quanh.
Dù theo mơ hình nào, ta đều thấy rõ sự phân biệt hai điện cực tim là tâm nhĩ và tâm thất. Nếu trên bề mặt tim ta đặt hai điện cực tại tâm nhĩ và tâm thất nối với dao động kí thì ta có thể chờ đợi sự xuất hiện một xung điện thế rất rõ rệt trong thời gian ngắn ngủi đầu kì tâm thu thất, đó chính là điện thế hoạt động cực đại của tim. Những suy luận trên tương đối phù hợp với thực nghiệm.
Từ đây, ta thấy rằng ở pha tâm thất thu hay bất kì pha nào khác trong một chu kì hoạt động của tim, đều có sự hình thành 2 cực trái dấu là tâm nhĩ và tâm thất, do chúng ln co bóp lệch pha nhau, Sự phân cực có thể phức tạp và khơng rõ rệt, nhưng ta có thể thấy được cơ chế phát sinh hiệu điện thế hoạt động của tim.
d. Điện tâm đồ
Khái niệm: Từ mơ hình trên ta có thể thấy rằng, tại một điểm bất kì của mạch điện bao quanh tim (ở đây là tồn bộ cơ thể), đều có một điện thế nhất định. Thơng thường người ta đo hiệu điện thế giữa hai điểm nào đó trên cơ thể có chênh lệch điện thế đáng kể. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên hiệu điện thế giữa hai điểm được lựa chọn trên cơ thể theo thời gian được gọi là điện tâm đồ (ElectroCardioGram- ECG).
e. Ứng dụng điện thế hoạt động của tim trong y học
Trong chẩn đoán- phương pháp ghi điện tim
- Khái niệm : Ghi điện tim là kỹ thuật ghi lại sự thay đổi điện thế hoạt động của tim khi làm việc. Kết quả ghi được gọi là điện tâm đồ (ECG) được thực hiện với sự hỗ trợ của máy điện tim, các dây dẫn và các điện cực. Nó có dạng đặc trưng đối với cơ thể ở trạng thái bình thường. Khi cơ thể biểu hiện bệnh lý dạng đặc trưng đó sẽ thay đổi. Căn cứ vào sự thay đổi đó, người ta chẩn đốn và xác định nguyên nhân gây bệnh, từ đó chỉ định các biện pháp điều trị thích hợp.
- Mục đích : Đánh giá tình trạng hoạt động của tim từ đó chẩn đốn bệnh về tim như nhồi máu cơ tim, rối loạn nhịp tim, các chứng tim to, chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu và một số ngộ độc thuốc.
- Cơ sở :
+ Cơ thể con người là một mơi trường dẫn điện, vì thế dịng điện do tim phát ra được truyền đi khắp cơ thể, biến cơ thể thành một “điện trường” của tim.
+ Khi tim co bóp, tất cả mọi điểm trên bề mặt cơ thể đều có sự thay đổi điện thế. + Mỗi cách đặt cặp điện cực được gọi là một chuyển đạo hay đạo trình. Nên đặt điện cực theo 12 cách, tức "12 chuyển đạo thông dụng", ở mỗi chuyển đạo sẽ thu được sóng điện tim đồ có hình dạng khác nhau, giống như khi ta đứng ở 12 góc độ khác nhau để quan sát một vật có hình dạng gồ ghề, phức tạp.
Trong điều trị- máy tạo nhịp tim (Pacemaker)
Nút SA là một «máy tạo nhịp tim» thiên nhiên, tuy nhiên khi nó khơng phát huy chức năng hoặc khi hệ dẫn truyền xung điện đến các tâm thất bị «kẹt», hoạt động nhịp nhàng của tim bị phá vỡ. Để khắc phục người ta dùng máy tạo nhịp tim, được nuôi bởi pin, tạo ra các xung điện kích thích theo một nhịp đã định trước. Các điện cực được gắn với cơ tim.
2.3.2.3 Dòng điện tác dụng lên cơ thể sống
a. Tác dụng tích cực và ứng dụng
Tác động tích cực của dịng điện lên cơ thể sống có thể kể đến là hiện tượng điện phân gây ra bởi dòng điện một chiều, tác dụng nhiệt theo hiệu ứng Jun- Lenxo và các tác động kích thích cơ, thần kinh của dịng điện xoay chiều. Từ đây, dòng điện được ứng dụng rộng rãi trong điều trị. Tiêu biểu nhất là các ứng dụng của dòng điện trong lĩnh vực Vật lí trị liệu, nguyên tắc thiết kế một số thiết bị dùng trong điều trị. b. Tác động tiêu cực và biện pháp phịng, chống, xử lí tai nạn do điện
Một số tác động vật lí và sinh học nguy hiểm với cơ thể:
- Tác dụng nhiệt: Khi dòng điện chạy qua cơ thể, do hiệu ứng Jun Lenxo, đoạn cơ thể có dịng điện chạy qua sẽ tỏa một nhiệt lượng khá lớn (Q=RI2t) sẽ gây bỏng.
- Gây tử vong do rung thất
- Tác dụng kích thích cơ và thần kinh
Các biện pháp an toàn điện
Ngoài những kiến thức về an toàn điện đã biết, trong bệnh viện rất cần biết thêm một đặc thù khác của nguy hiểm điện trong lĩnh vực y tế. Trong trường hợp bệnh nhân có vật dẫn cắm vào trong người, thí dụ như các ống thơng, hút (catheter), các kim truyền dịch, và nhất là các bệnh nhân được đặt máy tạo nhịp tim (pacemaker) là nhóm “đặc biệt nhạy cảm” với điện. Ngồi ra, trong bệnh viện cịn thường xun thực hiện các phép ghi đo, chiếu chụp điện như ECG, chụp X quang, vật lí trị liệu… trên bệnh nhân, vì vậy an tồn điện trong bệnh viện phải đặc biệt coi trọng.
2.3.3 Mục tiêu bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề
Xuất phát từ định nghĩa năng lực GQVĐ và mục tiêu đổi mới giáo dục sau năm 2017, có thể xác định được các hợp phần của năng lực GQVĐ. Trong mỗi hợp phần thì bao gồm các thành tố và mỗi thành tố thì được biểu hiện bởi các chỉ số hành vi được mơ tả bằng các tiêu chí chất lượng. Dựa vào cấu trúc của năng lực GQVĐ, bảng 2.3 đề xuất các mục tiêu phát triển năng lực GQVĐ thông qua các chỉ số hành vi đạt được trong quá trình dạy học chủ đề tích hợp:
Bảng 2.3: Mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề
Chỉ số hành vi Biểu hiện
1. Quan sát và mô tả lại tình huống trong thực tiễn
- Phân tích được hiện tượng điện trên tổ chức sống thơng qua tình huống
- Mơ tả được hoạt động điện của tim bằng ngơn ngữ vật lí 2. Đặt ra được các
câu hỏi liên quan đến vấn đề
- Đặt ra được các câu hỏi khai thác tình huống - Đặt câu hỏi để khai thác đề tài dự án
3. Phát biểu vấn đề - Đặt được các câu hỏi đề xuất vấn đề của dự án - Chỉ ra được vấn đề của tình huống
4. Phân tích thơng tin vấn đề
- Đưa ra được giả thuyết để trả lời câu hỏi “hiệu điện thế
hoạt động trên tim được hình thành như thế nào?
5. Đề xuất phương án GQVĐ
- Thiết kế được phương án thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết
- Thiết kế được nguyên tắc cấu tạo máy trợ tim (pacemaker) Sử dụng được ngơn ngữ vật lí để mơ tả hiện tượng điện trên tổ chức sống
- Vẽ hình và mơ tả được sơ đồ thí nghiệm đã thiết kế 6. Xác định các
nhiệm vụ cần thực hiện theo phương án đã đề xuất
- Xác định được các yêu cầu cần thực hiện của dự án: làm được sản phẩm, thuyết trình được trước lớp…
- Xác định được các giai đoạn của khảo sát thực nghiệm: suy luận hệ quả, thiết kế phương án thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, thu thập kết quả, xử lí số liệu…
7. Xác định thời gian, nguồn lực
Lập thời gian biểu cụ thể của nhóm để thực hiện dự án
8. Phân công công việc
- Phân công nhiệm vụ rõ ràng giữa các thành viên trong nhóm trong q trình thực hiện dự án và nghiên cứu tình huống. Mỗi nhóm đề cử được trưởng nhóm và thư kí.
- Hoạt động nhóm để thực hiện dự án, đề xuất ý tưởng cho tình huống
9. Dự kiến sản phẩm
- Định hướng được sản phẩm của dự án là bài thuyết trình sử dụng powerpoint minh họa và sách cẩm nang
- Xác định được mục tiêu chất lượng của sản phẩm đề thực hiện
10. Thực hiện kế hoạch theo giải pháp đã đề xuất
- Thực hiện được dự án theo đúng dự kiến của nhóm
- Trả lời các vấn đề của tình huống theo đúng các bước: đề xuất giả thuyết, khảo sát thực nghiệm đã đề ra
- Vẽ đồ thị điện thế hoạt động của tim 11. Điều chỉnh để
phù hợp với điều kiện, hoàn cảnh
- Điều chỉnh thời gian biểu hoạt động nhóm để đạt mục tiêu đúng tiến độ
12. Trình bày kết quả
- Thuyết trình và trả lời được các câu hỏi phản biện về sản phẩm dự án
- Trả lời được các câu hỏi của tình huống 13. Đánh giá việc
thực hiện giải pháp
Giải thích các kết quả thu được
2.3.4 Bảng tổng hợp các hoạt động được xây dựng trong chủ đề
Dựa vào cấu trúc logic kiến thức của chủ đề, tác giả xây dựng tiến trình dạy học chủ đề gồm nhiều hoạt động. Bảng 2.4 dưới đây đề xuất các hoạt động chính được xây dựng trong chủ đề:
Bảng 2.4: Các hoạt động được xây dựng trong chủ đề
Nội
dung Hoạt động Câu hỏi hoạt động
Phƣơng án thiết kế hoạt động dạy- học 1. Điện thế sinh vật trong cơ thể sống Hoạt động 1: Tìm hiểu về điện thế sinh vật trên tế bào sống - Bạn đã biết gì về cơ chế hình thành các loại điện thế trên màng tế bào sống? - Bạn muốn biết gì về sự tồn tại của các hiệu điện thế trên tổ chức sống?
Sử dụng kĩ thuật Know- Want- Learned (KWL)
Hoạt động 2: Tìm hiểu về điện thế hoạt động của tổ chức sống - Điện thế hoạt động của tim và ứng dụng
- Tại sao hiệu điện thế trên tim lại cho biết tình trạng hoạt động của tim? - Giải thích cơ chế
hình thành điện thế hoạt động của tim? - Tại sao kĩ thuật ghi điện tim giúp