Dýchání v chemii a biologii mezipředmětově a interaktivně

Téma dýchací řetězec v sobě odráží komplikované biochemické pochody odehrávající se na buněčné úrovni. Špatným výkladem zaměřeným na pouhá fakta, bez kladení důrazu na skutečné porozumění a bez propojení s dalšími oblastmi vzdělávání, se z tématu stává „strašák“ pro mnohé žáky středních škol a dokonce i pro některé studenty škol vysokých. Pro správný výklad tohoto komplikovaného „abstraktního“ biochemického pochodu je zapotřebí klást důraz především na dvě oblasti: zapojit správné vizualizační prvky do výuky a učit téma v souvislostech. Pouhý výklad učitele, který je doprovázen použitím statických obrázků, může vést k chybnému nebo nepřesnému chápání (vytvoření miskoncepce) podstaty a průběhu tohoto významného biochemického děje nejen na středních školách.

Téma dýchací řetězec je navíc tématem, v němž se prolínají biologické i chemické poznatky, a také se v něm prolínají různé oblasti chemie i biologie, především tematický celek Buňka s tematickým celkem Biologie člověka. Jedná se tedy o téma mezipředmětového charakteru, při jehož výuce je vhodné uplatnit mezipředmětové vztahy. Zařazením mezipředmětových vztahů do výuky je totiž žákům umožněno pochopit souvislosti, které vzájemně propojují různé předměty, a utvořit si komplexní pohled na probírané učivo. Z analýzy vybraných učebnic, které se na středních školách v současnosti používají, však vyplynulo, že při výuce tématu dýchací řetězec je zcela opomíjený mezipředmětový charakter a naprosto chybí propojení tohoto tématu s tématem dýchací soustava. Dýchání je přednostně vyučováno v předmětu biologie, především ve vztahu k dýchací soustavě člověka. Dýchací řetězec je zařazován do předmětu biologie i chemie, avšak v biologii již do prvního ročníku v souvislosti s obecnou biologií (buňkou) a v chemii až na samotný konec chemického vzdělávání v rámci biochemie. Žáci pak vnímají tato témata jako oddělená bez vzájemných souvislostí. Žáci postrádají jasnou souvislost s potřebou kyslíku a jeho funkcí v lidském organizmu, tedy propojení poznatků s každodenní praxí. To může při výkladu opřeném pouze o fakta vést ke ztrátě motivace a ke kladení známé otázky, která souvisí s demotivací žáků: „Proč se to máme učit?“

1. Výhody výukových animací

Naším cílem bylo vytvořit výukový materiál, který by usnadnil chápání biochemických dějů prostřednictvím dynamických animací a který zároveň znázorňuje výuku témat dýchání a dýchací soustava propojeně, tedy v mezipředmětových souvislostech.

Vzniklé výukové animace propojují učivo celého procesu dýchání, tedy od přívodu a odvodu dýchacích plynů dýchacími cestami až po transport krví do buněk k samotnému konkrétnímu účelu kyslíku v buňkách. Hlavním cílem souboru animací je uvědomění si žáků, k čemu konkrétně organizmus kyslík využívá. Proto lze animace využít jak při výuce biologie či chemie, tak na seminářích zaměřených na přírodní vědy.
Výukové animace jsou vytvořeny jako mezioborový materiál, proto by bylo možné je pojmout jako celistvý pohled na proces dýchání a cestu kyslíku včetně zahrnutí dýchacích cest, transportu kyslíku a jeho konečného využití v buňkách.

Výukový program je složen celkem z 23 animací:

• První animace je úvodní, poskytuje uživateli prvotní náhled do problematiky.
• Výukový celek Dýchání obsahuje 8 výkladových animací a test.
• Výukový celek Dýchací řetězec obsahuje 7 výkladových animací, test a zároveň odkazuje na animaci Komplexy dýchacího řetězce, která obsahuje dalších 5 dílčích výkladových animací.

Po spuštění výukového programu se zobrazí úvodní animace (obr. 1) (pozn. redakce: on-line na www.studiumbiochemie.cz, případně si můžete stáhnout soubory pro off-line používání). Ta představuje rozcestí mezi dvěma obsahovými celky: dýchání a dýchací řetězec. Kliknutím na animační tlačítko (šedivá tlačítka v pravém horním rohu), lze vybrat jeden z výukových celků. Výukový celek nabízí další možnosti výběru z animací pomocí animačních tlačítek (zelená tlačítka po pravé straně), která po kliknutí zobrazí příslušnou animaci. Ovládání animace je umožněno pomocí ovládacích tlačítek, která se nachází v levém dolním rohu animace.

Vytvořené výukové animace předkládají informace v souvislostech. K hlavním tématům je uveden úvodní text a dílčí animace obsahují textový doprovod. Animace jsou doprovázeny časovou osou, kterou lze ovládat pomocí tlačítek. Animace byly vytvořeny pro účel promítnutí vzdělávacího (zanimovaného) obsahu prostřednictvím dataprojektoru na plátno, tudíž byly zvoleny kontrastní barvy a větší písmo popisků objektů a textů. Také byla snaha obsah animací přizpůsobit gymnaziálnímu rozsahu. Nad rámec se mohou jevit animace komplexů dýchacího řetězce, avšak i v nich byly pro zjednodušení vynechány některé struktury a tyto animace mohou sloužit k výkladu například při seminářích. Přestože animace obsahují některá zjednodušení, byla zachována faktická správnost jednotlivých procesů. Výukový materiál je doplněn dvěma testy, které poskytují zpětnou vazbu uživateli. Pro jejich spuštění stačí kliknout na animační tlačítko s názvem Test ve výukové animaci.

2. Co v animacích najdete

Úvodní animace poskytuje prvotní seznámení s procesem dýchání a jeho základními funkcemi. Slouží jako rozcestí při výběru ze dvou výkladových celků (Dýchání nebo Dýchací řetězec).  Po výběru jedné z možností se zobrazí krátký úvodní text nastiňující problematiku tématu.

2.1 Dýchání

První čtyři kapitoly ve výkladovém celku s názvem Dýchání se zabývají stavbou dýchacích cest, mechanikou dýchání a stavbou plicního sklípku (obr. 2). Jedná se o animace, které obsahují popisy struktur tvořících dýchací soustavu člověka. Animace Mechanika dýchání vizualizuje nádech a výdech pomocí pohybů plic a bránice. Další animace (Výměna plynů, Struktura hemoglobinu, Transport O₂ a CO₂) znázorňují děje, které se týkají výměny plynů mezi plicními sklípky a krví. Zabývají se strukturou hemoglobinu a jeho transportem a výměnou dýchacích plynů v tkáních a plicích. Animace Tkáně zobrazuje okrajově základní typy tkání. Důležité je zobrazení, že tkáně jsou složeny z buněk, ke kterým je kyslík transportován (obr. 3). Tato animace slouží k pomyslnému propojení s dalším výkladovým celkem s názvem Dýchací řetězec.

2.2 Dýchací řetězec

První animace z obsahového celku Dýchací řetězec popisuje stavbu eukaryotické živočišné buňky a dále znázorňuje přívod a odvod dýchacích plynů. Animace Stavba mitochondrie zobrazuje uspořádání a lokalizaci dýchacího řetězce. Animace Úvodní procesy v buňce seznamuje s procesy probíhajícími v buňce, které jsou nutné k zisku redukovaných koenzymů (obr. 4). Animace Úvod do dýchacího řetězce je komplexním pohledem na dýchací řetězec, jeho lokalizaci i účel pro organizmus (obr. 5). Další animace Komplexy dýchacího řetězce a Syntéza ATP detailněji popisují dýchací řetězec, tedy děje, které se na vnitřní membráně mitochondrie odehrávají. Animace Komplex I až Komplex IV a Koenzym Q jsou určené do přírodovědně zaměřených seminářů. V běžných hodinách chemie či biologie lze tyto animace vynechat. Komplexní schéma dýchacího řetězce zobrazuje schéma přenosu protonů a elektronů přes komplexy a zároveň obsahuje krátký doprovodný text ke každé ze součástí elektrontransportního řetězce.

Taktéž je zde uvedeno schéma oxidativní fosforylace s krátkým textem. Poslední animací jsou Redoxní systémy. Jedná se o animaci zobrazující uspořádání složek elektrontransportního řetězce dle vzrůstajících hodnot redoxního potenciálu.

2.3 Testy

Animace jsou doplněny o dva testy, oba testy reflektují obsažené informace výukových animací. První test s názvem Dýchání obsahuje deset testových úloh. Jsou zde úlohy, které nabízejí výběr z možností (jedna správná odpověď, více správných odpovědí) a úlohy přiřazovací (obr. 6). Druhý test s názvem Dýchací řetězec obsahuje devět testových úloh. Úlohy nabízejí výběr z možností (jedna správná odpověď, více správných odpovědí), přiřazování pojmů, doplnění slova nebo úlohy vyžadující odpověď ano/ne. Pokud žák uvede nesprávnou odpověď, zobrazí se komentář se správným řešením.

3. Kde je možné materiály získat?

Animace jsou volně dostupné na vzdělávacím portálu www.studiumbiochemie.cz pod odkazem „Dýchací řetězec a dýchání (mezioborově)“ (obr. 7). K výukovým animacím byl vytvořen studijní text, který by měl sloužit zejména učitelům, popřípadě žákům jako studijní opora. Jedná se o souvislý text doplněný o obrázky z animací, rovnice a vzorce (obr. 8). Kapitoly studijního textu korespondují s uspořádáním kapitol výukových animací. Obsah studijního textu je v některých případech doplněn o další souvislosti a informace, které učitel může či nemusí použít při výkladu. Tyto informace by především měly poskytnout učitelům komplexnější pohled na témata.

Materiály vznikly v průběhu vypracování diplomové práce Venduly Čermákové pod vedením Milady Teplé na Katedře učitelství a didaktiky chemie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.

Na stejném webu naleznete odkaz „Dýchací řetězec“, pod kterým lze nalézt též animace k tématu Dýchací řetězec, avšak bez propojení na Dýchání (obr. 9).

Autoři: Milada Teplá a Vendula Čermáková, 29. 3. 2019
Katedra učitelství a didaktiky chemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Karlova
milada.tepla@natur.cuni.cz