Аттестационная работа. «Исследования биологических объектов дифракционным методом»

1. Аттестационная работа

Слушателя курсов повышения квалификации по программе:
«Проектная и исследовательская деятельность как способ
формирования метапредметных результатов обучения в
условиях реализации ФГОС»
Наливайко Владимира Павловича
ГБПОУ «Воробьевы горы»,
Центр «На Донской», Москва
На тему:
«Теория и практика организации учебных исследований
микроструктуры биологических объектов
дифракционным методом»
1

2.

Введение
Ключевыми и наиболее проблемными точками при организации учебного
исследования являются выбор темы и соответствующей методики [1].
Выбор темы исследования субъективен и целиком зависит от интереса
юного исследователя и степени его предварительной подготовки.
В тоже время выбранный метод должен объективно соответствовать
цели и задачам исследования. Для школьника это может превратиться в
серьезную проблему. Необходим определенный опыт, для того, чтобы
оценить и при необходимости адаптировать выбранную методику под
задачи конкретной работы. Особенно сложно это сделать, если речь идет
о междисциплинарных исследованиях [2 - 7].
В данной работе описана методика лазерной дифрактометрии для
определения размеров биологических структур микронных размеров.
Подробно описаны способы изготовления препаратов исследуемых
объектов, схемы и параметры экспериментальных установок, методика
вывода
расчетных
формул
и
математической
обработки
экспериментальных результатов.

3.

Методика исследований
1. Объекты исследований
Предлагаемая методика позволяет измерять:
- диаметры структур с теневым круговым сечением (диаметр эритроцитов
крови человека,
пресмыкающихся, земноводных, рыб; размеры пор
гименофора грибов и т.п.);
- периоды регулярных структур (размеры фасеток глаз насекомых и
ракообразных, ткани растений с параллельным жилкованием);
- толщины нитевидных структур (волосы, колючки кактуса, жилки листьев
растений, крылья стрекоз).
В работе приведено подробное описание по практической подготовке
препарата для указанных видов биологических объектов.
2. Необходимое оборудование
Из оборудования необходимы: лазерный источник света (лазерная
указка), экран (лист А4), затемненное помещение и лабораторный стол.

4.

3. Экспериментальная установка
Препараты микрообъектов располагают на пути лазерного излучения.
Расстояние от препарата до экрана от 1 до 4 метров.
В результате дифракции на микроструктуре объектов на экране (размером
с лист А4) можно наблюдать дифракционную картину в виде
чередующихся светлых и темных участков (максимумов и минимумов).
Для каждой конкретной геометрии микрообъекта можно вывести формулы
для вычисления характерного размера микрообъекта по имеющейся
дифракционной картине.
экран
Измеряемые параметры –
координаты дифракционных
максимумов или минимумов.
препарат
лазер
4. Математическая обработка экспериментальных результатов
В работе подробно проанализированы условия (параметры установки и
качество препарата), в которых данные модели обеспечивают
погрешность измерений менее 5%, а также приведена методика расчета
погрешности измерений.

5.

Основные особенности работ учащихся
Междисциплинарный характер работ
Тематика исследований выходит за рамки программы курса физики средней
школы и лежит на стыке физики и биологии. Это позволяет показать ребятам
широту и многообразие мира через одно какое-то явление и в то же время
способствует осознанию нашей планеты, как единого организма, в котором все
процессы тесно взаимосвязаны.
Исследовательский характер работ
В процессе работы учащиеся приобретают навыки исследователей:
умение формулировать цель и задачи исследования, выдвигать гипотезу;
находить и анализировать информацию об исследуемом явлении;
обосновывать выбор методики исследования;
проводить многочисленные опыты и эксперименты;
анализировать результаты экспериментов, формулировать выводы;
находить возможности практического применения полученных результатов и
расширения возможностей дальнейших исследований в познании мира.
Применение компьютерных технологий
поиск информации в Интернет;
работа с цифровым фотоаппаратом и цифровой видеокамерой;
подготовка презентации в формате mppt и видеофильмов-презентаций;
подготовка персональных сайтов по проектам.

6.

Размер фасеток как определительный признак видовой
принадлежности стрекоз
Диана Тазиева
Лауреат премии Президента России
Исследуя дифракцию лазерного луча на участке роговицы сложного глаза
стрекоз, Диана обнаружила, что фасетки в верхней части глаза крупнее,
чем в нижней, у всех исследованных видов стрекоз.
Исследовано около 100 экземпляров имаго и личинок стрекоз 20 видов.
Вывод: размер фасеток можно использовать в качестве дополнительного
признака при определении видовой принадлежности стрекоз.
Дифракционная картина
в отраженном свете
Фрагмент роговицы под микроскопом
sites.google.com

7.

Схема экспериментов Дианы
Срез роговицы помещается на пути лазерного луча.
Дифракционные картины на периодической структуре роговицы
аналогичны получаемым на дифракционных решетках.
L
лазер
Дифракционные
картины на экране
препарат
фрагмент
роговицы
a3
Диаметр фасетки:
m 2m L
d
20 80 мкм
sin
am
Измеряемые параметры:
L – расстояние от препарата до экрана (1 3 м);
а – расстояние между симметричными максимумами (5 20 см).

8.

Лазерные исследования структуры глаз креветок и крабов
Артем Асатрян
Победитель Московского конкурса «ЛИНГВА»
В работе подтверждена гипотеза: оптическая система
каждой фасетки лишена возможности аккомодации,
поэтому фасетки различных участков сложного глаза
крабов должны быть различных размеров, так как условия
наблюдения за добычей на суше и в воде различны.
Размеры фасеток креветок должны быть примерно
одинаковыми на различных участках глаза, так как
креветки взаимодействуют с объектами только в воде.
sites.google.com

9.

Лазерная дифрактометрия
микроструктуры гименофора трутовых грибов
Тамара Стужина
Лауреат премии Президента России
По строению гименофора (спороносного слоя трутовых
грибов), в частности, по количеству отверстий на
миллиметре длины, биологи определяют видовую
принадлежность гриба, проводя рутинные расчеты в
поле зрения микроскопа.
Тамара разработала методику измерений линейной
плотности пор и диаметра отверстий пор по дифракции
лазерного
луча
на
тонком
поперечном
срезе
гименофора.
Цилиндрические поры гименофора
Fomes fomentarius
youtube.com
поры под микроскопом
sites.google.com

10.

Схема экспериментов Тамары
Сканирование среза гименофора лазерным лучом
Дифракционные картины различны при
дифракции на различных участках препарата.
экран
препарат
экран
лазер
препарат
Диаметр пор:
d 2 Lmi Di

11.

Мобильная установка для ускоренного анализа крови
Ирина Трапезникова
Лауреат премии Президента России
При ряде патологий крови эластичность мембраны эритроцита падает против
нормы, и характер падения может быть связан с видом патологии.
В данной работе создан мобильный программно-аппаратный комплекс для
анализа эластичности мембран эритроцитов. В основе метода лежит явление
дифракции излучения лазера на тонком слое суспензии эритроцитов,
деформируемых в потоке вязкой жидкости, что приводит к изменениям
дифракционной картины, по которым судят о деформационной лабильности
эритроцитов.
youtube.com
Дифракционная картина
на эритроцитах в
покоящемся слое крови
Дифракционная картина
на эритроцитах в потоке крови

12.

Экспериментальная установка
1. Монтажная рама (36х12х36 см)
2. WEB камера
3. Матовый экран
4. Регулировка толщины слоя
суспензии (0,5 5 мм)
5,6. Верхняя и нижняя чаша
7. Слой суспензии эритроцитов
8. Двигатель (0 60 об/мин)
9. Лазерный диод = 650 нм
10.Перемещение лазерного пятна
по радиусу чаши (R = 20 38 мм)
11. Запись видео

13.

Заключение
Методика лазерной дифрактометрии микроструктуры биообъектов
успешно применяется на практике учениками автора данной работы.
С результатами исследований можно познакомиться в работах [8 - 10].
В частности, получены новые результаты о микроструктуре глаз более
20 видов имаго и личинок стрекоз [8]. Полученные результаты могут быть
использованы в качестве дополнительного параметра в определителе
родов и видов стрекоз.
В работе [9] исследованы диаметры пор и линейная плотность пор
гименофора трутовых грибов. Показано, что оба эти параметра также
можно использовать как дополнительный признак при определении
видовой принадлежности грибов.
Созданная в работе [10] экспериментальная установка может быть
использована для экспресс-диагностики характера патологии крови
пациента бригадами скорой помощи.
Авторы работ стали лауреатами Всероссийских и международных
конкурсов научных работ учащихся старших классов.
Эти примеры иллюстрируют эффективность метода и его актуальность
и в наши дни.

14.

Исследовательская деятельность учащихся
СТАВИТ ЦЕЛЬЮ
- интеллектуальное развитие и творческое совершенствование школьников;
- создание мотивационной среды независимо от уровня достижений участников.
ФОРМИРУЕТ
- навыки самостоятельного движения в информационных полях;
- универсальные умения ставить и решать задачи в своей будущей
профессиональной деятельности;
- навыки сотрудничества в различных по составу и профилю группах;
- навыки презентации своих исследований в устной и стендовой формах.
УВЛЕКАЕТ
- решением нетривиальных проблем, лежащих на стыке наук.
ОХВАТЫВАЕТ
- учащихся средней и старшей школы.
ОТВЕЧАЕТ
- критериям самых престижных Всероссийских и международных конкурсов
исследовательских работ школьников.

15.

Список литературы
1. Леонтович А.В. Сеть экспериментальной и инновационной деятельности по
реализации модели деятельностного содержания образования // Научнометодический сборник в двух томах /Под общей редакцией А.С.Обухова. Т.1.
Теория и методика. //М: МПГУ, 2010. – С. 55 – 67.
2. Наливайко В.П. Об опыте организации исследовательской деятельности
учащихся // Физика в школе, №1, 2009. – С.18 – 22.
3. Наливайко В.П. Пространственная ориентация по рассеянному солнечному
свету. Физика для школьников, №1, 2009. – С.38 – 45.
4. Наливайко В.П. http://vio.uchim.info/Vio_28/cd_site/articles/art_1_20.htm.
5. Наливайко В.П., Цветков А.В. Лазерная дифрактометрия микроструктуры
биологических объектов. "Физика - Первое сентября", №10, 2013.
6. Иваницкий Г.Р., Куниский А.С. Исследование микроструктуры объектов
методами когерентной оптики. //М.: Энергия, 1981. – 168 с.
7. Григал П.П., Дзябура Е.С., Бородина М.И., Медведев А.С., Сухов В.Г. Применение
дифракции света для исследования некоторых биологических объектов.
//Лесной Вестник, "Физика", 2004, №3 (34). – С. 163-168.
8. Тазиева Д.Р. Исследование микроструктуры фасеточных глаз стрекоз методом
лазерной дифрактометрии.// - В сб. тр. XVI чтений им. В.И.Вернадского, 2009.
9. Стужина Т.А. Лазерная дифрактометрия микроструктуры гименофора трутовых
грибов.// - В сб. тр. XVII чтений им. В.И.Вернадского, 2010.
10. Трапезникова И.А. Мобильная установка для ускоренного анализа крови
методом лазерной дифрактометрии. «Физика - Первое сентября», №2, 2016