Учебные занятия

Проблемы создания искусственного человеческого глаза

Цели урока

• развивающая: развитие творческой активности учащихся, нестандартного подхода к рассмотрению физических и биологических явлений;
• воспитательная: привитие учащимся коллективных навыков работы, воспитание здорового образа жизни;
• обучающая: изучение строения глаза как биологического и физического объекта, рассмотрение перспективы создания искусственного глаза.

На данном уроке учащиеся защищают самостоятельно подготовленные проекты. Это последний, завершающий, этап работы.

Подготовка к уроку. Учащиеся прошли три этапа самостоятельной работы: формирование групп и постановка целей; сбор и анализ необходимой информации; решение практических задач и проведение экспериментов.

Ход урока

1. Организационный этап (1–2 мин).

2. Защита проекта «Строение глаза» (10 мин).

Цель: определить основные физические параметры, необходимые для создания искусственной модели глаза.

• (При выступлении использовалась разборная модель глаза и компьютерная программа «Открытая физика», слайды которой проецировалась на экран с помощью медиапроектора.) Зрение – это процесс, который позволяет воспринимать форму, размер и цвета окружающих нас предметов и ориентироваться среди них. Благодаря ему мы получаем 90% информации об окружающем мире.

Зрение возможно благодаря функции зрительного анализатора, периферической частью которого является глаз. В состав зрительного анализатора входят также зрительный нерв и зрительная зона в коре затылочных долей головного мозга.

Глаз находится в глазнице – углублении лицевой части черепа. Сзади и с боков глаз окружён мышцами, двигающими глазное яблоко. Оно имеет шаровидную форму и образовано тремя оболочками: наружной – белочной (фиброзной), средней – сосудистой и внутренней – сетчаткой. Белочная оболочка придаёт форму глазному яблоку. Спереди она образует проницаемую для света оболочку – роговицу. Сосудистая оболочка называется так потому, что богата кровеносными сосудами. Изнутри она выстлана тёмными пигментными клетками. Передняя часть сосудистой оболочки образует радужку, которая содержит пигмент, обусловливающий цвет глаза. При небольшом количестве пигмента глаза светло-серые или голубые, при большом – карие или чёрные. Между роговицей и радужкой находится передняя камера глаза, заполненная жидкостью. В радужке имеется зрачок – круглое отверстие, через которое лучи света проходят внутрь глаза. Зрачок способствует чёткости изображения предметов на сетчатке, пропуская только центральные лучи и устраняя так называемую сферическую аберрацию. Она состоит в том, что лучи, попавшие на периферические части хрусталика, преломляются сильнее центральных лучей. Поэтому, если не устранять периферические лучи, на сетчатке должны получаться круги светорассеяния.

Мускулатура радужной оболочки способна изменять величину зрачка и тем самым регулировать поток света, попадающего в глаз. Оптимальным в условиях дневного зрения является диаметр зрачка 2,4 мм. На ярком свету зрачок уменьшается до 1,8 мм. В темноте зрачок расширяется до 8 мм в диаметре, что приводит к ухудшению качества изображения на сетчатке, но увеличивает световую чувствительность зрительной системы. Таким образом, изменение диаметра зрачка позволяет изменять световой поток в 17 раз.

3. Защита проекта «Болезни глаза» (10 мин)

Цель: определить причины слепоты и снижения остроты зрения, выявить основные аспекты профилактики глазных болезней.

• (При выступлении использовалась компьютерная программа «Открытая физика».) Катаракта – помутнение хрусталика глаза. Нормальный хрусталик абсолютно прозрачен. Помутнение хрусталика ведёт к ухудшению зрения. Различают две группы катаракты – непрогрессирующие частичные (обычно врождённые) и прогрессирующие (обычно приобретённые), при которых хрусталик со временем полностью теряет прозрачность. К прогрессирующим относится старческая катаракта. Причины возникновения старческой катаракты ещё не изучены. Главную роль в её развитии по всей вероятности играет нарушение питания хрусталика, приводящее к помутнению.

Косоглазие – постоянное или попеременное отклонение одного или обоих глаз от зрительной оси. Различают паралитическое косоглазие, вызванное поражением нервов, иннервирующих мышцы глаза, и содружественное косоглазие, причинами которого могут быть заболевания центральной нервной системы, общие инфекции и интоксикации, психические травмы, аметропии, резкое понижение зрения на один глаз, врождённые патологии. В результате действия указанных факторов поражаются различные отделы зрительного анализатора, от которых зависит бинокулярное зрение.

Нистагм – быстрые и частые непроизвольные движения глаз в горизонтальном, вертикальном и вращательном направлениях, обусловленные периодическими сокращениями соответствующих глазо­двигательных мышц. Патологический нистагм развивается при врождённой или приобретённой в раннем детстве слабости зрения, при заболеваниях центральной нервной системы, среднего уха.

Увеит – воспаление радужной и сосудистой оболочек и реснитчатого тела глаза. Различают увеиты передние (иридоциклит) и задние (хориоидит, хориоретинит), острые и хронические. Они приводят к снижению остроты и изменению поля зрения.

Глаукома – хроническое заболевание глаз, являющееся одной из основных причин слепоты. Характеризуется повышением внутриглазного давления, понижением остроты зрения, сужением полей зрения и развитием атрофии зрительного нерва. Различают глаукому первичную, вторичную и врождённую. Первичная глаукома (закрытоугольная и открытоугольная) возникает как самостоятельное заболевание; вторичная является следствием различных заболеваний и травм глаз; врождённая обусловлена внутриутробной патологией фильтрующего аппарата глаза.

Общие рекомендации для сохранения остроты зрения

• Для сохранения здоровья глаз необходимо предохранять их от пыли, дыма, холодного или слишком горячего ветра. • Не следует долго смотреть, не отворачиваясь, на один и тот же предмет. • Продолжительный плач является для глаз хорошим очистительным средством (которым, однако, не следует злоупотреблять). • Для сохранения остроты зрения нужно поменьше разглядывать очень мелкие предметы и не спать долго, лёжа на затылке. • Нельзя читать в транспорте, т.к. в результате постоянно меняющегося расстояния между книгой и хрусталиком ослабевают его эластичность и функции ресничной мышцы, что ведёт к ухудшению зрения. • Окунание глаз в чистую воду и раскрывание их под водой хорошо очищает глаза и способствует сохранению остроты зрения. • Для сохранения остроты зрения необходимо использовать в пищу продукты, содержащие витамин А. Он входит в состав зрительного белка и палочек. При его недостатке утрачивается чувствительность при слабой освещённости, развивается «куриная слепота».

4. Защита проекта «Модель искусственного глаза» (15 мин)

Цель: определить основные принципы создания искусственного глаза.

• На основе рекомендации первых творческих групп была предложена модель искусственного глаза.

а) Сетчатку предлагалось заменить матрицей фотодиодов. (Проводится эксперимент с демонстрацией работы фотодиода. Объясняется принцип функционирования фотодиода.)

б) Искусственные хрусталики для глаз в настоящее время освоены промышленными предприятиями – имеется большой набор полимерных материалов для изготовления глазного яблока с заданными коэффициентом преломления и прозрачностью.

в) Главной проблемой в создании искусственного глаза является связь с нервными окончаниями. Для решения этой проблемы предлагалось использовать явление электромагнитной индукции. (Проводится эксперимент по наблюдению электромагнитной индукции. Обращается внимание на то, что только переменное магнитное поле порождает индукционный ток. Поэтому в цепь с фотодиодами необходимо включить чип, работающий на некоторой частоте.)

г) Особое внимание необходимо обратить на участок коры головного мозга, отвечающий за зрение, т.к. при длительной слепоте центральная нервная система перестраивает своё функционирование.

В данный момент австралийские исследователи ищут добровольцев для проведения экспериментов по использованию искусственного глаза. Разработанное ими устройство представляет собой чип, имплантированный в глазное яблоко и подсоединённый к камере-очкам. Получаемое изображение разбивается на пиксели и передаётся микрочипу, выполняющему роль сетчатки. Микрочип генерирует электрические импульсы и передаёт их зрительному нерву по тончайшим проводам.

По сообщению исследователей, испытания на животных прошли успешно, и теперь учёные ищут 5–6 добровольцев для проведения экспериментов над людьми. Добровольцы должны быть абсолютно слепыми, т.к. для людей со слабым зрением существует риск повреждения глаза.

Грег Суэннинг, работающий над этим проектом более пяти лет, говорит, что принцип действия искусственного глаза очень схож с принципом действия искусственного уха. Чип распознаёт электромагнитные волны и воспроизводит стимулирующий сигнал. Это похоже на радиостанцию, действующую на расстоянии 25 мм. Отдельный процессор отвечает за преобразование картинки в набор пикселей. Пока нервным клеткам научились передавать лишь изображение разрешением 10 × 10 точек, однако исследователи говорят, что улучшение качества – лишь дело времени.

Новая технология по завершении успешных испытаний сможет помочь людям, потерявшим зрение, но не слепым от рождения. Основную роль здесь играет работоспособность нервных окончаний глазного нерва и их функциональная способность передавать информацию в мозг.

5. Подведение итогов (2–3 мин). Выступление учителя. Задание на дом.