Fysiikkaa, matematiikkaa ja ihmisen biologiaa (1-4 oppituntia)
Oppimiskokonaisuudessa oppilaat rakentavat mittalaitteen, jonka avulla he voivat arvioida keuhkojen ilmatilavuuden suuruutta. Mittalaitteen toimintaperiaate on esitetty alla olevasta videosta.
Sisällöt ja tavoitteet
Oppimiskokonaisuudessa oppilaat
- perehtyvät keuhkojen toimintaan ja niissä tapahtuvaan kaasujen vaihtoon.
- näkevät ja kokevat sen, että ilman on ainetta, joka vaatii ympärilleen tilaa.
- perehtyvät luonnontieteellisen kokeen vaiheisiin ja luonnontieteille ominaiseen työskentelytapaan.
- rakentavat mittalaitteen ja arvioivat sen avulla keuhkojensa ilmatilavuuden suuruutta.
- pohtivat mitkä tekijät vaikuttavat keuhkojen ilmatilavuuden suuruuteen.
- voivat harjoitella raportointia ja dokumentointia esimerkiksi Ipadejä käyttämällä
Oppimiskokonaisuus on toteutettu Joensuun lähialueen kouluilla useilla eri tavoilla lyhyestä demonstraatiosta koko päivän mittaiseen tutkimusprojektiin asti. Alle on kuvaus eräästä toteutustavasta, johon meni noin 3 x 45 minuuttia. Tätä toteutustapaa tukevat materiaalit löytyvät vasemmalta linkistä Oheismateriaalit.
Jos olet kiinnostunut kokeilemaan oppimiskokonaisuutta koulusi oppilaiden kanssa, mutta teiltä puuttuu välineitä tai kaipaat vinkkejä, ota yhteyttä Itä-Suomen yliopiston LUMA-keskukseen tai hankkeen vetäjään mikko.kesonen(at)uef.fi
Toimintojen kuvaus
Oppimiskokonaisuuden voi aloittaa keskustelemalla oppilaiden kanssa hengityksestä. Keskustelun voi aloittaa kysymällä mikä elin on tärkeässä roolissa hengittäessä ja millaisia vaiheita hengityksessä on.
Tämän jälkeen oppilaille kerrotaan, että seuraavaksi tutkitaan heidän keuhkojen ilmatilavuutta mittaamalla ilman määrän, jonka he pystyvät puhaltaa pois keuhkoistaan. Tässä vaiheessa oppilaita voi aktivoida kysymällä mikä voisi olla sopiva mittayksikkö ilman määrän/paljouden mittaamiseen?
Kun oppilaat ovat keksineet, että ilman määrää/paljoutta voidaan mitata litroissa, esitellään heille eri kokoisia pulloja (ks. kuva alla) ja kysytään mikä niistä parhaiten vastaa heidän keuhkojen ilmatilavuutta (ks. kysymys alla).
Mikä alla olevista pulloista vastaa parhaiten keuhkojen ilmatilavuutta?
Perustele valintasi.
Tämän jälkeen oppilaita muistutetaan luonnontieteellisen tutkimuksen vaiheista, ja heidän valitsema pullo kirjataan muistiin työn ennusteena/hypoteesina.
Seuraavaksi oppilaita rohkaistaan ideoimaan miten keuhkoista puhallettavan ilman tilavuutta (eli litroja) voitaisiin mitata.
Oppilaiden ideoinnin jälkeen heille demonstroidaan miten keuhkojen ilmatilavuutta on tarkoitus tutkia, kuten esitetty videossa yllä. Demonstroinnin jälkeen oppilailta voi kysyä mihin mittalaitteen toiminta perustuu. Tässä yhteydessä on hyvä korostaa, että (puhallus)ilma on ainetta, joka vaatii ympärilleen tilaa aivan kuin muutkin aineet. Tästä johtuen puhallusilma työntää pullossa olevaan vettä pois, mikä mahdollistaa puhallusilman ja keuhkojen ilmatilavuuden mittaamisen.
Ennusteen/hypoteesin tarkastelu
Seuraavaksi oppilaat selvittävät miten hyvin heidän asettama ennuste/hypoteesi vastaa keuhkojen ilmatilavuutta.
Oppilaat jaetaan 5-6 ryhmään, ja jokaiselle ryhmälle annetaan mittalaitteen rakentamiseen tarvittavat välineet. Välineiden avulla oppilaat tutkivat mikä pulloista on riittävän suuri keuhkojen ilmatilavuuden mittaamiseen ja tarkastavat aikaisemmin asetetun ennusteen/hypoteesin.
Tutkiminen on syytä toteuttaa kosteissa tiloissa, esimerkiksi koulun liikuntasalin suihkuhuoneissa.
Kun sopiva pullo on löytynyt, siihen merkitään mitta-asteikko, jotta keuhkojen ilmatilavuus saadaan määriteltyä tarkammin.
Mitta-asteikon merkitseminen ja keuhkojen ilmatilavuuden määrittäminen
Oppilaat voivat merkitä mitta-asteikon esimerkiksi 0,5 litran mittalasin avulla. Mittalasi täytetään vedellä ja kaadetaan mittalaitteena käytettävään pulloon. Seuraavaksi oppilaat merkitsevät vedenpinnan korkeuden viivalla pullon kylkeen. Tätä toistetaan niin pitkään kunnes pullon on täynnä vettä, jonka jälkeen mitta-asteikko on valmis. Kynänä kanattaa käyttää veteen liukenemattonta tussia, jotta mitta-asteikko ei liukene, kun se joutuu kosketuksiin veden kanssa.
Seuraavaksi oppilaat puhaltavat vettä pois pullosta niin paljon kuin mahdollista ja lukevat mitta-asteikon avulla heidän puhallusilmansa tilavuuden. Oppilaat voivat mitata puhallusilmansa tilavuuden useaan kertaan. Näistä mittaustuloksista heidän keuhkojen ilmatilavuus voidaan laskea keskiarvona tai mediaanina, jolloin oppilaat voivat harjoitella tilastollisten tunnuslukujen määrittämistä.
Mittaustulosten tarkastelu ja pohdinta
Oppilaiden keuhkojen ilmatilavuuden voidaan kirjata esimerkiki Excel-taulukkoon, johon merkitään heidän keuhkojen ilmatilavuuden lisäksi oppillaiden pituus.
| Oppilas | Keuhkojen ilmatilavuus (l) | Pituus (cm) |
| Matti | 2,8 | 145 |
| Liisa | 2,4 | 135 |
| Janette | 2,6 | 140 |
Taulukon tiedoista voidaan piirtää alla oleva kuvaaja ja havainnollistaa pituuden vaikutusta keuhkojen ilmatilavuuteen: pitkillä ihmisillä on yleensä suuremmat keuhkot kuin lyhyillä (Wikipedia, 2015).
Lisäksi oppilaiden kanssa voi keskustella myös muista tekijoistä, jotka vaikuttavat keuhkojen ilmatilavuuteen. Wikipedian mukaan ”keuhkojen ilmatilavuudet ovat isompia miehillä, pitkillä ihmisillä, urheilijoilla ja pienempiä tupakoijilla” (Wikipedia 2015).
Kaasujen vaihto hengityksessä
Lopuksi oppilaille voi demonstroida kaasujen vaihtoa keuhkoissa tietokoneavusteisten happi- ja hiilidioksidiantureilla. Alla on lyhyt demonstraatio video.
VIDEO ON TEKEILLÄ
Ennen antureiden käyttöä oppilailta voi kysymyä miten hiilidioksidin ja hapen prosenttiosuudet muuttuvat, kun anturit mittaavat puhallusilmaa huoneilman sijaan (ks. kysymykset alla).
Huoneilmassa on noin 20 % happea, ja hiilidioksidia alle 1 %.
Onko hapen prosenttiosuus puhallusilmassa
kuin huoneilmassa?
Perustele valintasi.
Onko hiilidioksidin prosenttiosuus puhallusilmassa
kuin huoneilmassa?
Perustele valintasi.
Demonstraatiosta oppilaat näkevät kuinka kuinka hiilidioksidin määrä kasvaa ja hapen määrä pienenee, kun antureilla mitataan puhallusilmaa.
Demonstraation voi päättä keskustelemalla oppilaiden kanssa siitä mihin happea ihmiskehossa tarvitaan: Ihminen tarvitsee toimiakseen energiaa, jota vapautuu ravintoaineiden palamisprosesissa. Tähän, kuten muihinkin palamisprosesseihin, tarvitaan happea.