Unterichtseinheit Medizintechnik - Vitalparameter

Autoren

Monika Waible-Pons Marti, Friedrich-Schiller-Gymnasium Marbach, waiblepons@t-online.de
Alexander Schäfer, Friedrich-Schiller-Gymnasium Marbach, alexander.schaefer@nwt-bw.de
Frank Trittler, Friedrich-Schiller-Gymnasium Marbach, trittler@web.de

Vorbemerkungen

Es handelt sich um eine Unterrichtseinheit, bei der die Medizintechnik und dabei im Besonderen physiologische Sensoren im Mittelpunkt stehen. Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler:

• einfache Messgeräte selbst entwickeln und bauen
• mit professionellen Geräten konkrete Fragestellungen untersuchen
• eigene Messungen vornehmen und auswerten
• kleine Forschungsarbeiten durchführen

Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen des NaT-Working Projektes   L-I-N-K (Lehrer, Ingenieure, Naturwissenschaftler kooperieren im Schulunterricht) mit Unterstützung der Robert-Bosch-Stiftung entwickelt. Besonderer Dank soll an Dr. Ladstätter von der Robert-Bosch-GmbH (Abteilung Forschung und Vorausentwicklung) und Herrn Prof. Dr. Raimund Girwidz von der Pädagogischen Hochschule Ludwigsburg (Leiter des Instituts für Naturwissenschaften und Technik) für die vielseitige Unterstützung ausgesprochen werden.

Bezüge zu den Standards

Prinzipien
Ursache und Wirkung:     
Die Schülerinnen und Schüler verstehen, ausgehend von einfachen Ursache-Wirkungs-Beziehungen, immer komplexere Zusammenhänge. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung:

• Struktur - Funktionszusammenhang
• lineare Kausalkette
• positive und negative Rückkopplung
• Vernetzung.

Systemgedanke:  
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Systemgedanke für das Verständnis ihrer Umwelt hilfreich ist. Sie erschließen Systeme in zunehmend komplexen Zusammenhängen und wissen um die Dynamik und die Wechselwirkungen in diesen Systemen. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung:

• Stoff-, Energie- und Informationsstrom;
• Stoffkreisläufe;
• geschlossene und offene Systeme;
• Zusammenwirken von Teilsystemen;
• Steuerung und Regelung;
• Gleichgewichte;
• Modellbildung und Simulation.

Energieerhaltung:   
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Energiefluss und Energieumwandlung bei der Aufrechterhaltung aller Systeme eine zentrale Rolle spielen. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung:

• Energieträger - Energiespeicher - Energiestrom;
• Entropieerzeugung.

Betrachtungsbereiche
Mensch:  
Die Schülerinnen und Schüler können Körperfunktionen auf physikalische und chemische Vorgänge zurückführen. Sie wissen, welche Einflüsse eigenes Verhalten auf ihren Körper hat, werden dadurch sensibilisiert und in ihrer Eigenverantwortlichkeit gestärkt, um ihr erworbenes Wissen in gesundheitsbewusstes Handeln umzusetzen. Sie wissen um den Nutzen und die Risiken des medizintechnischen Fortschrittes und können diesen auch unter ethischen Gesichtspunkten bewerten.    
Die Schülerinnen und Schüler können

• medizintechnische Diagnose- und Therapieverfahren erklären.

Technik:  
Die Schülerinnen und Schüler kennen Leistungen des menschlichen Erfindergeistes und der Ingenieurkunst sowie deren Bedeutung und Nutzen für den Menschen. An Beispielen können sie die Wege technischer Entwicklungen im Spannungsfeld wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedingungen sowie naturwissen-schaftlich-technischer Neuerungen nachvollziehen. Beim Planen und Bauen wenden sie physikalische, chemische und biologische Grundlagen an. Sie haben Einblick in die industrielle Produktion und zeigen kritische Aufgeschlossenheit für neue Technologien.    
Die Schülerinnen und Schüler können

• Analogien zwischen technischen und natürlichen Systemen erkennen und beschreiben.

Mess- und Arbeitsmethoden:
Die Schülerinnen und Schüler erfassen ihre Lebenswelt mit naturwissenschaftlichen Methoden. Sie können mit zunehmender Selbstständigkeit Experimente planen, durchführen, auswerten, protokollieren und wissen um die Bedeutung einer Fehlerbetrachtung. Sie gehen mit Werkzeugen und Geräten sachgerecht
und sorgfältig um. Die Schülerinnen und Schüler können:

• Langzeitbeobachtungen und –messungen aufnehmen und auswerten;
• Statistiken lesen und auswerten;
• Messungen planen, durchführen und die Ergebnisse grafisch darstellen;
• Messungen mit einem selbst hergestellten Instrument durchführen;
• Diagramme erstellen, auswerten und interpretieren;
• in Größenordnungen denken und sinnvolle Abschätzungen durchführen;
• chemische Nachweise und Analyseverfahren durchführen;
• Modelle für die konstruktiven Eigenschaften eines Werkes herstellen;
• Computer als Werkzeug nutzen für:
• Messwerterfassung und -auswertung;
• Simulation dynamischer Systeme
• Hilfsmittel sachgerecht als Informationsquellen nutzen: Formelsammlung, Nachschlagewerke, Tabellenwerke, technische Datenblätter

Material
Die Geräte und Materialien sowohl für die Expertengruppen wie auch für die Forschungsgruppen befinden sich auf einem Gerätewagen (  Bild  ) und sind den zugehörige Materiallisten zu entnehmen. Damit ist der Unterricht nicht an einem bestimmten Fachraum gebunden. Die Informationsmaterialien zu den einzelnen Expertenthemen sind in Ordnern, die den Geräteboxen beiliegen zusammengefasst. Sie sind in folgende Themen, die auf die Expertengruppen zugeschnitten sind, gegliedert:

Hauttemperatur 6 MB  ,
Hautwiderstand 6,2 MB ,
EKG 3,5 MB ,
Puls und Blutdruck 2,6 MB  ,
Atmung 2,7 MB  .

Die Materialien sind je in drei Teile gegliedert:

• Wiederholung bzw. Erarbeitung notwendiger biologische Grundlagen.
• Kennenlernen verschiedener Messprinzipien und technischer Grundlagen der Sensoren.  Selbstbau einfacher Sensoren.
• Durchführung und Auswertung eigener Messungen.

Unterrichtsverlauf

Die Unterrichtseinheit orientiert sich an der Struktur eines Gruppenpuzzles und gliedert sich in  drei Teile  :

• Bildung der Forschungsgruppen (=Stammgruppen). Jede Gruppe sucht sich ein Forschungsthema und informiert sich darüber. Die Grundlagen der Messtechnik werden vermittelt.
• Information über die Einzelparameter in Expertengruppen: Hauttemperatur / Hautwiderstand / Puls und Blutdruck / EKG / Atmung. Messmethoden zur Bestimmung der Messgrössen werden erarbeitet und Expe-rimente dazu durchgeführt. Wo immer möglich bauen die Schülerinnen und Schüler eigene Messgeräte.
• Die Ergebnisse der Expertengruppen werden in den Forschungsgruppen weitergegeben und auf das gewählte Forschungsthema angewandt.
  

An der Erprobungsschule wurde vor der hier beschriebenen Einheit das Thema „Steuern und Regeln mit elektronischen Schaltungen“ behandelt. Diese Einheit ist vergleichbar mit der auf dem Landesbildungsserver beschriebenen Einheit Ampelschaltung - Steuern und Regeln und vermittelt grundlegende Kenntnisse über Rückkopplungskreisläufe. Diese Kreisläufe wurden einheitlich in einem  Schema Vorlage,  Beispiel ) dargestellt. Hierbei wurde besonders großer Wert auf den Unterschied zwischen Steuern und Regeln gelegt und technische Regelkreise besprochen. Die Übertragung auf biologische Regelkreise sollen die Schüler im Laufe dieser Unterrichtseinheit kennenlernen.

Zeit	Unterrichtsthema	Inhalte	Material und Methode
2h	Annäherung an das Thema	Vorstellung der Unterrichtseinheit, Bildung der Forschungsgruppen, Finden der Forschungsthemen Aufgabenverteilung in den Gruppen	Impuls Projektübersicht:  Projektübersicht  Planung der Forschungs-gruppen:  Forschungsgruppen
1h	Datenerfassung mit Messwerterfassungssystemen (Link zu verschiedenen Systemen siehe Bausteine von Link)	Aufnahme von Messwerten Übertragung und Auswerten	Partnerarbeit:  Messen und Auswerten mit GTR und PC
8h	Erarbeiten der Grundlagen in Expertengruppen •    Hauttemperatur •    Hautwiderstand •    Blutdruck und Puls •    EKG •    Atmung	A biologische Grundlagen B Messprinzipien, technische Grundlagen der Sensoren, Eigenbau von Sensoren C Messungen	Gruppenarbeit: Vollständige Materialen siehe oben Beispiel eines Inhaltsverzeichnisses eines Expertenordners:   Inhaltsverzeichnis  Arbeitsanweisung für eine Expertengruppe:   Organisationsplan Hauttemperatur
2h	Information der Forschungsgruppen durch die Experten, endgültige Planung der Versuche der Forschungsgruppen
12h	Arbeiten in den Forschungsgruppen	Planung, Durchführung, und Auswertung der Messungen	Vorschlag für die Gliederung der Forschungsarbeit
4h	Präsentation der Ergebnisse	Präsentationstechniken: Powerpoint, Plakate etc.
30h	Summe

Mögliche Erweiterungen / Modifikationen
In einer etwas vereinfachten Form können die Materialien auch als Lernzirkel mit den Stationen (Hauttemperatur, Hautwiderstand etc…) verwendet werden.

Leistungsbeurteilung
Die Beurteilung der von den Schülern erarbeiteten Projekthefte und ihre praktische Arbeit ersetzten eine schriftliche Note.
Für die während der Unterrichtseinheit gebauten Sensoren wurden zusätzliche Noten für Kleinprojekte erteilt.
Ein Fragebogen zur   SELBSTEINSCHÄTZUNG . Kann die Notenfindung unterstützen – jedoch keinesfalls ersetzen.
Für eine Klassenarbeit empfiehlt sich eine differenzierte Aufgabenstellung, bei der die Schüler in einem Teil zu ihrer Expertengruppe, in einem zweiten Teil zu ihrem Forschungsauftrag und in einem dritten Teil über allgemeinen Fragen geprüft werden.

Rückblick und Reflexion
Die Unterrichtseinheit basiert auf einer relativ aufwändigen Ausstattung mit Messgeräten und Datenverarbeitungssystemen.
Die Sicherheit im Umgang mit solchen Geräten muss zunächst in der Expertengruppe erworben werden. Daneben müssen komplexe biologische Kenntnisse sowohl in die Planung wie auch in die Auswertung der Versuche mit eingebracht werden. Die Unterrichtseinheit wurde bisher in der Klassenstufe 10 (G9) durchgeführt. Deshalb konnte in großem Maße mit den Biologielehrern kooperiert werden.