Актуальность преподавания медицинской физики в школе для самоопределения школьников

Преподавание элементов медицинской физики в старших классах в рамках дополнительного образования или на факультативных занятиях в профильных классах с медицинским и биологическим уклоном становится все более актуальным.

Цель медицинской физики – изучение систем профилактики и диагностики заболеваний, а также лечение больных с помощью методов и средств физики, математики и техники. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение.

Первым ученым, который начал проводить исследования в области медицинской физики был Леонардо да Винчи, занимавшийся изучением механики передвижения человеческого тела. Но как самостоятельная наука, в последствии и профессия оформилась только во второй половине ХХ в.– с наступлением атомной эры. В медицине стали широко применяться диагностические аппараты, основанные на излучении волн определенной длины, а также на рентгеновском и гамма-излучении, магнитных полях, лазерах и других физических явлениях. Кроме того, после аварии на Чернобыльской АЭС появилась возможность экспериментально исследовать воздействие различных видов радиоактивного излучения на организм человека, выработать методы и формы лечения лучевой болезни. Поэтому в настоящий момент материал, изложенный в курсе медицинской физики, в основном ориентирован на воздействии на человека различного вида излучений и электрических и магнитных полей.

Важнейшим в области медицинского обследования стало создание компьютерных томографов, позволивших, проводить широкий спектр медицинских исследований и сократить время, требуемое на их проведение.

Физика и медицина – науки, тесно связанные: многие важнейшие открытия в области физики были сделаны медиками – факт, на первый взгляд кажущийся довольно необычным. К примеру, в 40-х годах. XIX в. Ю. Р. Майер, будучи судовым врачом, во время плавания в тропиках, обнаружил различие в цвете венозной крови между жителями стран с жарким и холодным климатом. Причина заключалась в том, что вследствие высокой температуры организм вырабатывает меньше теплоты, в результате артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены. Было выявлено, что между потреблением вещества и образованием теплоты существует связь. Майером был сформулирован принцип «Из ничего ничего не бывает» как основа I закона термодинамики, который рассматривает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты.

Многие электрические явления были открыты в опытах физиологов над животными: эксперименты Л. Гальвани – итальянского физиолога и анатома – над скелетными мышцами лягушки легли в основу исследований А. Вольта, закончившихся изобретением Вольтова столба. Даниил Бернулли, профессор анатомии Петербургской академии наук, написав свои знаменитые уравнения для объяснения системы кровообращения, стал основателем гидродинамики.

Некоторые физические понятия являются базовыми для понимания строения и функционирования человеческого тела. К примеру, с позиции общих законов механики, опорно-двигательный аппарат представляет собой систему рычагов: тазобедренный сустав – рычаг I рода, голеностопный сустав – рычаг II рода, предплечье – рычаг III рода. Ровное положение головы (атлантозатылочное сочленение есть также рычаг I рода) обусловлено равенством моментов силы тяжести, приложенной к центру тяжести черепа, и силы мышечной тяги. Изменение любой из этих сил приводит к изменению положения головы. Рычаги широко используются и в медицинском инструментарии: ножницы различных видов, щипцы, кусачки и др. Некоторые манипуляции, совершаемые врачом, также есть реализация рычага (врач-стоматолог при удалении зуба использует закон сохранения момента силы). 

Движение крови по сосудам, возникающее вследствие разности гидростатического давления в различных участках кровеносной системы (кровь движется из области высокого давления в область низкого) называют гемодинамикой. Энергия, обеспечивающая движение крови по сосудам создаётся сердцем. В результате постоянного циклического выброса крови в аорту создаётся и поддерживается высокое гидростатическое давление в сосудах большого круга кровообращения (130/70 мм рт. ст.), которое является причиной движения крови. Артериальное давление – АД – зависит от того, с какой скоростью и силой сокращается сердце человека, сколько крови оно может прокачать за одну минуту, от свойств самой крови и сопротивления стенок сосудов.

Будущему врачу знать физику необходимо, так как опора на физические законы позволяет изучать функционирование живого организма, объяснять нормальные физиологические и патологические процессы. Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека очень многие из них близки к физическим.

Физика внедряется в медицину все более и более ускоренными темпами: лазерная хирургия, ультразвуковые исследования мягких тканей, магнитно-резонансная томография, рентген, операции с помощью гамма-скальпеля и др.

В настоящее время диагностические исследования разной степени сложности и максимально безопасные оперативные вмешательства можно проводить лишь с использованием современных технических устройств, разрабатываемых и обслуживаемых физиками.

Поэтому учащимся после окончания 9 класса, которые в дальнейшем планируют работать в медицине, очень важно дать возможность осознать, как влияют на человека различные физические факторы, как устроены различные медицинские приборы и как они работают, методы диагностики, основанные на физических явлениях и т.д.

На данный момент курс медицинской физики преподается в различных медицинских колледжах и вузах. Уклон в нем, в основном, сделан на влияние на человека электрического тока и различного вида излучений.

На мой взгляд, нужно адаптировать материал для школьников 9 - 11 класса в рамках внеурочной деятельности или для профильных классов следующим образом.

1) Рассмотреть, как каждый раздел школьного курса физики связан с человеком, какое влияние могут оказывать те или иные явления. При этом разделы, в идеале, должны совпадать с материалом, изучаемым по физике в школе;

2) Каждый раздел должен содержать в себе краткий теоретический курс по физике для обновления знаний, применимость данного раздела к человеку, решение задач с использованием реальных параметров человека.

3) Дополнительно разработать и провести с учащимися ряд практических и лабораторных работ по физиологии человека.

Весь курс разбивается на разделы, в которых изучаются следующие понятия:

1. Механика (физика движений, строение скелета и мышц, влияние различных сил на человека, перегрузки и невесомость, закон Гука, прочность и упругость тканей, трение и влияние его на суставы и т.д.)
2. Гидромеханика и гидравлика (движение крови внутри организма)
3. Акустика (слух, биноуральный эффект)
4. Молекулярная физика (обмен веществ и дыхание)
5. Термодинамика (энергозатраты человека, получение и сохранение энергии)
6. Электричество (кожный потенциал, пьезоэффект в костях, нервная система, ЭКГ и ЭЭГ )
7. Магнетизм (влияние магнитных полей на самочувствие человека, лечение и диагностика с использованием магнитного поля)
8. Оптика (строение глаза, корректировка зрения, подбор линз)
9. Атомная и ядерная физика (лечение радиацией, лучевая болезнь, естественный радиационный фон)

Подводя итог, можно отметить, что в настоящее время физика присутствует в ряде изучаемых дисциплин, но учащиеся и студенты непрофильных специальностей не считают ее изучение столь уж важным. Ситуацию необходимо исправить, поскольку физика внедряется в медицину ускоренными темпами: лазерная хирургия, ультразвуковые исследования мягких тканей, магнитно-резонансная томография, рентген, операции с помощью гамма-скальпеля и др. В компетенцию врача, разумеется, не входит настройка и ремонт используемого оборудования, но понимать принципы, лежащие в основе работы устройства, он должен.

Вот почему в процессе обучения физике учащихся с медицинским уклоном необходимо освещать разделы, непосредственно связанные с медициной.

1. Смолова А. А. Значение физики в медицине / А. А. Смолова, И. В. Щербакова // Студенческая наука XXI века: материалы XII Междунар. студенч. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 25 янв. 2017 г.) / — Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2017. — № 1 (12). — С. 55–57.
2. Хабибулина О.Л. Роль физики в медицинском образовании// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 4-1. – С. 302-304.
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учебник. – М., 2012. – 648 с.