Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики.
план-конспект занятия по биологии (11 класс) на тему

Тема урока 39, 40: Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики.

Цели: достижение следующих результатов:

Л2 понимает взаимосвязь и взаимозависимость естественных наук, их влияние на окружающую среду, экономическую, технологическую, социальную и этическую сферы деятельности человека;

Л3 владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации в области естественных наук, постановке цели и выбору путей её достижения в профессиональной сфере;

М1 повышает интеллектуальный уровень в процессе изучения биологических явлений; выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

М2 способен организовывать сотрудничество единомышленников, в том числе с использованием современных информационно-коммуникационных технологий;

М4 умеет обосновывать место и роль биологических знаний в практической деятельности людей, в развитии современных технологий; определять живые объекты в природе; проводить наблюдения за экосистемами с целью их описания и выявления естественных и антропогенных изменений; находить и анализировать информацию о живых объектах;

П1 сформированность представлений о роли и месте биологии в современной научной картине мира; понимание роли биологии в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач;

П2 владение основополагающими понятиями и представлениями о живой природе, её уровневой организации и эволюции; уверенное пользование биологической терминологией и символикой.

Задачи:

• Образовательная: показать возможности науки бионики в решении сложных технических проблем научного и технического прогресса;
• Развивающая: развивать умение сравнивать, оценивать и мыслить логически; формировать умение решать творческие задания; отработать элементы дедуктивного метода познания;  приобщать к процессу рационализаторства и изобретательства;
• Воспитательная: способствовать укреплению коммуникативной культуры; стимулировать развитие познавательного интереса, воспитывать бережное отношение к природе.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Метод проведения урока: объяснительно-иллюстративный с применением элементов технологии развития критического мышления.

Межпредметные связи: физика.

Наглядность и ТСО: презентация, бумага, солонка, плоскогубцы, застёжка-молния, застёжка-липучка, присоска, шприц, пинцет, грузы.

Ход урока

1. Организационная часть.

- сдача рапорта старостой.

2. Мотивация и стимулирование познавательной деятельности.

- просмотр видеофрагмента

Какое бы вы, ребята, дали название фрагменту фильма, который мы посмотрели? (заслушиваются мнения, обобщаются и подводится  итог, что фильм о красоте природы).

Природа – это не только среда обитания и красивые пейзажи, это ещё и…., а вот кем ещё для человека является природа, мы узнаем из высказываний великих учёных.

Нет ничего более изобретательного, чем природа.

Цицерон

 «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжном ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ ...»

Демокрит

Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его движениями…

Леонардо да Винчи

-  Что хотели сказать великие люди своими высказываниями?

(Предполагаемые ответы: человек заимствует у природы различные идеи  и стремится воплотить их в своей жизни).

Природа - наш учитель….

3. Сообщение темы и цели урока

С незапамятных времён люди искали ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла природа?

…Стрекоза с легкостью поднимает в воздух груз, в пятнадцать раз превышающий ее собственный вес;

… Скорость полета шмеля – 18 км в час; стрекозы – до 96 км в час…;

 …Насекомые – наездники наделены “инструментом”, подобным нашему сверлу, но гораздо более совершенным и микроминиатюрным. Это “инженерное чудо” насекомых тоньше человеческого волоса, легко просверливает в коре и в довольно прочной древесине отверстия глубиной 5–6 см., такое “сверло” никогда не тупится и автоматически удаляет образуемые опилки;

…Оса-аммофила из века в век роет норки для гнезд с помощью мощного устройства, подобного отбойному молотку.

Не правда ли, удивительный перечень из мира насекомых? И его можно еще и еще продолжать не менее удивительными примерами.

Природа подобна огромному конструкторскому бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации.

Представим, что мы оказались в этом конструкторском бюро, а название его совпадает с названием науки, “подглядывающей” за природой и решающей инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов.

Попробуем логическим путём узнать название этой науки и  нашего конструкторского бюро, которое складывается из двух слов

Биология + Техника =

 Ответ:                                      Бионика

     Тема урока «Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики»

Преподаватель: Организует работу по формулировке цели

4. Сообщение учебного материала

(из слов студенты складывают определение, проверяют и записывают)

Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма.

Рассказ преподавателя

13 сентября 1960 года в американском городе Дайтоне состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил появление новой науки. Эта дата стала днем рождения бионики. Учёные избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Бионика стара как мир,  ею, сами того не зная, занимались многие ученые и механики. Самый известный пример – Леонардо да Винчи. В тетради, датированной 1505 годом, этот универсальный гений, великий художник, замечательный инженер, гидравлик и механик сделал записи о летучей мыши. Именно летучая мышь, говорит он, должна служить образцом летательной машины, ибо у нее кожная перепонка покрывает и укрепляет арматуру, являющуюся основой крыла. Удивительно сходство чертежа летательной машины Леонардо да Винчи с обликом летучей лисицы, крупного представителя рукокрылых, сильного летуна. Построил ли гениальный мастер эту машину, от которой остались только чертежи? Этого никто не знает. Ему не хватало одной существенной детали – двигателя, в его распоряжении была только мышечная сила человека, заведомо непригодная для этой цели. Примерно через 400 лет появился первый летательный аппарат, и сконструирован он был все на том же принципе строения крыла летучей мыши. Это был “Эол” Клемана Адера. Конструктор тщательно измерил скелет летучей мыши и воспроизвел его в увеличенном виде, используя склеенные и связанные бамбуковые планки.  В октябре 1890 года конструктор совершил на своей машине перелет в 50 метров.

Однако почти прямое копирование природы оправдывает себя и в наши дни. Об этом мы узнаем из докладов сотрудников нашего конструкторского бюро.

В бионике выделяют следующие направления: архитектурно-строительную бионику, техническую  бионику, бытовую бионику  и нейробионику. 4 отдела

- Я предлагаю посетить первый отдел конструкторского бюро – архитектурн-строительный

Сообщения студентов:

1. Предоставим слово специалистам архитекторам (сообщение студентов)

Архитектурно-строительная бионика изучает строение скелета, костей, стеблей,  цветов и  воплощает в строительных конструкциях и зданиях. Великий зодчий эпохи Возрождения Ф. Бруннелески в качестве основы для конструирования купола Флорентийского собора использовал форму  птичьего яйца.

Вспомним изобретение Густава Эйфеля, который еще в 1889 году сконструировал модель Эйфелевой башни. Конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Головка кости покрыта сеткой миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка перераспределяеться по кости. Такое распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.  Совпадают даже углы между несущими поверхностями.

Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб. Обе конструкции полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица.

Другие примеры применения: в Амстердаме есть мост под названием "Питон" благодаря своей змеевидной  форме. Сиднейская опера возводилась по аналогии с цветком лотоса. Стадион «Птичье гнездо» в Пекине, Пекинский национальный оперный театр – имитация водяной капли, «Ласточкино гнездо» в Тайване.

Плавательный комплекс в Пекине внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.

2. Предоставим слово специалистам по технической бионике, которые расскажут нам о применении бионических систем в машиностроении

Бионический принцип положен и в основу конструкции снегоходной машины «Пингвин». Она полностью оправдывает свое название. Передвигаются пингвины на брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем, скользит по поверхности и «Пингвин» механический.

Немецкая компания Mercedes – Benz разработала бионик-автомобиль. Его форма позаимствована у тропической рыбы – кузовка, тело которой обладает отличными аэродинамическими характеристиками.  

Полезной  для бионики оказалось  и муха.    Глаза мухи фасеточные,  одновременно она видит не одно, а много изображений какого-либо предмета. Когда это предмет движется, то он как бы переходит от одного изображения в другое. А это дает возможность с большой точностью определять скорость движения тела.  Этот принцип устройства  глаз был изучен и  инженеры создали новый прибор - “глаз мухи”, предназначенный для определения скорости самолетов.

В Японии функционируют самые быстрые в мире электропоезда, которые движутся со скоростью более 322 км / ч. Эти поезда имеют лучшие показатели безопасности, однако существует одна проблема, которая беспокоила инженеров много лет. В японской системе железных дорог существует множество тоннелей. Когда поезд проезжает такой тоннель на высокой скорости, он сдавливает воздух перед двигателем, при выходе из тоннеля  этот воздух выходит наружу, создавая мощный звук, напоминающий раскат грома или сверхзвуковой хлопок. Стекла в окружающих домах начинают дрожать, а люди просыпаются от громкого звука. Разработчики нашли решение проблемы в природе.

Основываясь на том, как птицы переходят из одной среды в другую - из воздуха в воду - с минимальным  сопротивлением, он смоделировал носовой обтекатель сверхскоростного экспресса по типу клюва обычного зимородка. Сегодня новые поезда имеют долгую, заостренную переднюю часть.  В результате удалось достичь  значительного уменьшения шума.

А вот  форма носовой части скоротного поезда «Сапсан», курсирующего по маршруту «Москва – Санкт-Петербург»,  была заимствована у самого быстрого представителя животного мира - сокола сапсана. Но даже это не позволяет  сравниться скорости этого поезда со скоростью птицы, разница составляет 50 км/ч.

5. Первичное закрепление

- Давайте, ещё раз вспомним примеры сооружений, машин и механизмов, построенных по аналогии с живыми организмами.  (студенты вспоминаю примеры из сообщений)

3. А сейчас познакомимся с ещё одним направлением бионики – нейробионикой (работа с текстом, заполнение таблицы)

Студенты читают текст по теме и заполняют таблицу:

v (галочка) - этим знаком помечается информация, которая уже известна студентам;

- (минус) – помечается то, что противоречит их представлению;

+ (плюс) – помечается то, что является для них интересным и неожиданным;

? (вопросительный знак) ставится, если что-то неясно, возникло желание узнать побольше.

        Текст

Кто  из нас ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху?  Наверное, смотрели все.  Самые преданные  бионики - это инженеры, которые конструируют роботов, поэтому бионику по праву считают одним из направлений кибернетики – науки об управлении устройствами и анализе информации.  Это направление называют нейробионикой.

Впервые слово робот появилось из-под пера писателя Карела Чапека, в 1920 году, он говорил о механических людях, называя их роботами. С тех пор роботами стали называть механические игрушки, они были похожи на людей и выполняли простые механические движения. Позже появились андроиды, они исполняли музыкальные мелодии, рисовали, передвигались, но использовались только в развлекательных целях.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек.

Создано искусственное сердце из биологических материалов.  Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Группа исследователей из университета Миннесоты пытается создать принципиально новый метод лечения 22 млн. человек – примерно столько людей в мире живет с больным сердцем.   Ученым удалось изъять мышечные клетки из сердца, сохранив лишь каркас из сердечных клапанов и кровеносных сосудов. В этот каркас пересадили новые клетки.  

Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл, в прошлом служившая в морском флоте США.  В 2005 году Митчелл пострадала в аварии. Хирургам пришлось ампутировать левую руку Митчелл по самое плечо. Как следствие, нервы, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для контроля над протезом, остались без применения.

Обсуждение каждой графы таблицы

3. А в роли специалистов  по бытовой бионике выступим мы сами

Задание: перед Вами на партах лежат предметы, которые мы все используем в повседневной жизни. Ваша задача: попробовать догадаться,  что из мира живого послужило прототипом человеческих изобретений.

1. Застёжка – липучка (плоды растения репейник)

( Швейцарский инженер Джордж де Местраль часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения, изучив принцип «прилипания» , он создал  застежки нового вида)

2. Солонка (плоды мака - коробочка).

3. Застёжка – молния (особое строение пера птицы)

(Застежка "молния" была сделана на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление)

4. Шприц – кровососущий аппарат насекомых (комара)

5.Пинцет – клюв птицы (веретенника)

6.Присоски – присоски осьминога, пиявки

7.Плоскогубцы – клешни  раков

Физкультминутка

6. Упражнение и самостоятельная работа                  

Практическое задание:

Задание 1: Я предлагаю вам попробовать себя в роли инженеров и при помощи 2-х листов бумаги, ножниц, скотча или клея построить конструкцию, которая удержит 6 книг и не развалится, не забудьте, что природа может дать вам подсказку, если вы вспомните, какую форму имеют грибы.

Задание 1: Используя подручный материал (грузы, листы бумаги и 4 книги-опоры), докажите, что и природа  конструкций  с гофрированной поверхностью имеет смысл.

Закрепление материала

Задание 2: викторина (10 вопросов)

7. Выдача домашних заданий                  

Найти в специальной и периодической литературе по одному примеру бионических объектов и аналоги им в природе.

8. Подведение итогов урока

Тема и цели

Что такое бионика, кибернетика?

- слово преподавателя:

Благодарю тебя, природа,
За всё, что ты способна дать,
За неизбежность ледохода,
За красоту и благодать.
Благодарить тебя, природа,
Впредь буду я и воспевать,
И вдаль к заветному восходу
Поход по жизни совершать. (Павел Малов)

Чем связаны жизнь человек и жизнь природы?

- Ребята, мы не должны забывать о том, что природа может существовать без человека, а человек без природы – нет!!!

-выставление оценок

9. Рефлексия

Давным-давно в старинном городе жил учитель, окружённый учениками. Самый способный из них однажды задумался: "А есть ли вопрос, на который наш учитель не смог бы дать ответа?" Он пошёл на цветущий луг, поймал самую красивую бабочку и спрятал её между ладонями. Улыбаясь, он подошёл к учителю и спросил: - Скажите, какая бабочка у меня в руках: живая или мертвая? 
   Он крепко держал бабочку в сомкнутых ладонях и был готов в любое мгновение сжать их ради своей истины. Не глядя на руки ученика, учитель ответил: - Всё в твоих руках.

Студентам предлагается нарисовать  ладонь, каждый палец – это позиция, по которой надо высказать свое мнение о работе на занятии:

•  Большой палец– для меня было важным и интересным...
• Указательный палец – по этому вопросу я получил конкретную информацию…
• Средний палец – мне было трудно (мне не понравилось)…
• Безымянный палец – моя оценка психологической атмосферы…(комфортная, благоприятная, дружественная, творческая)
• Мизинец– для меня было недостаточно…

Дополнительный материал:

Задание : перед Вами на партах лежат картинки с некоторыми техническими изобретениями человека. Попробуйте на основе материала сегодняшнего урока, на основе своих личных знаний  и жизненного опыта, путём логического размышления  найти им аналог среди живой природы. 

Видеофрагмент «Геккон»

Картинки для задания 2: