Бионика- наука будущего

Министерство образования, науки и молодежной политике Краснодарского края

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Краснодарского края

«Белореченский индустриально – технологический техникум»

Открытый урок по биологии

Группа №

Специальность:

Преподаватель: Дейко В.Г.

г. Белореченск, 2019 г

Предмет: Биология

Группа №__________

Курс : 2

Специальность: ____________________

Дата проведения: _____________

Преподаватель: Дейко В.Г.

Тема: Бионика

Цель урока: Показать взаимосвязь биологии и техники, физики, медицины, других дисциплин, на основе общности ряда законов живой и неживой природы, углубить представления о единстве материального мира, взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости.

Задачи:

1. Получение новых знаний на основе анализа и синтеза ранее изученного материала и расширение кругозора учащихся.

2. Развитие познавательного интереса учащихся и компетенции учащихся.

3. Воспитание культуры общения и толерантного отношения друг к другу.

Планируемые результаты:

Личностные: умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в команде по решению общих задач.

Предметные: сформировать умения понимать значимость естественно-научного знания для каждого человека.

Здоровьесберегающие технологии:

Смена видов деятельности обучающихся, смена восприятия информации, эмоциональная разминка.

Оборудование: 

1. Компьютер

2. Мультимедийный проектор

3. Электронная презентация

4. Опорная схема урока (Приложение1)

Ход занятия

I. Организационный момент:

Подготовка обучающихся к работе на уроке: приветствие, положительный психологический настрой на работу, организация внимания у всех обучающихся.

II. Подготовка к активному, осознанному восприятию темы.

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться.

Леонардо да Винчи

Нет ничего более изобретательного, чем природа.

Цицерон

Грандиозные вещи делаются грандиозными средствами. Одна природа делает великое даром.

Герцен А. И.

Изучение и наблюдение природы породило науку.

Цицерон

Прогресс — закон природы.

Вольтер

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

Леонардо да Винчи

Преподаватель: Что хотели сказать великие люди своими высказываниями?

Обучающиеся: В процессе обсуждения обучающиеся приходят к выводу, что человек заимствует у природы различные идеи и стремится воплотить их в своей жизни.

III. Целеполагание.

Преподаватель: С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла природа?

Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях. Сегодня на уроке мы познакомимся с некоторыми такими примерами.

Сформулируйте тему урока, путём решения простого примера:

Пример: Биология + Техника =

Ответ: Бионика

Тема урока «Бионика» или «Удивительный мир живой природы»

Преподаватель: Организует работу по формулировке цели, которую обучающиеся записывают на стикере:

- Исходя из темы урока, что каждый из Вас сегодня хотел бы узнать, чему хотел бы научиться?

Обучающиеся: Каждый для себя записывает на отдельном листочке (на стикере) свою цель, к которой в конце урока обращаются при предметной рефлексии.

IV. Актуализация знаний.

Преподаватель: Материал темы сегодняшнего занятия базируется на знаниях, полученных Вами ранее при изучении биологии.

V. Изучение нового материала.

Преподаватель: Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Слайд 1- 2.

Преподаватель: Дата рождения бионики: 13 сентября 1960 года. Слайд 3.

Преподаватель: У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто. Слайд 4.

Преподаватель: Девиз бионики: «Живые прототипы – ключ к новой технике». Слайд 5.

Преподаватель: Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер. Слайд 6.

Преподаватель: Схема «Связь бионики с другими науками» Слайд 7.

Преподаватель: Различают:

- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

- техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач. Слайд 8.

Постановка проблемного вопроса

Основные направления работ в бионике: Слайд 9.

1. изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

2. исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

Преподаватель: Выпуча глаза сидит, по-французски говорит, по-блошьи прыгает, по-человечьи плавает. О ком идёт речь? Конечно же, о лягушке.

Вопрос к обучающимся: Какой орган чувств лягушки привлекает сразу наше внимание?

Обучающиеся: Это глаза. Лягушка видит только движущиеся предметы, причем только те, которые по форме, размерам, характеру движения ассоциируются у нее с пищей (насекомыми) или врагом (тенью от быстро надвигающегося предмета). Слайд 10.

Преподаватель:

Пример: Глаз лягушки – это превосходная биологическая информационная система, перерабатывающая всю поступающую информацию и выбирающая из нее только ту, которая представляет для лягушки интерес.
На основе принципов работы глаза лягушки уже создано несколько типов электронных устройств, которые широко применяются на аэродромах для обнаружения летящих самолетов и контроля их движения.

Преподаватель: Инженерами-конструкторами создан электронный аналог глаза лягушки и используется в автоматической сортировке писем. В памяти автоматического сортировщика писем имеется набор эталонов. Шестизначный номер каждого письма автомат прочитывает и сравнивает с эталоном, и при совпадении направляет их в соответствующую ячейку (по направлениям).

Преподаватель: Направление бионики: Слайд 11.

- архитектурно- строительное;

- нейробионика.

Архитектурно- строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Слайд 12.

Преподаватель: Эйфелева башня.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения башни профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему- то не ломается под тяжестью тела. Слайд 13.

Преподаватель: Величайшим достижением мастерской природы является стебель злаков — соломина. У тростника она, например, вырастает высотою до 3-х м, имея в поперечнике всего лишь 15 мм, у стебля ржи отношение диаметра стебля к его высоте (коэффициент стройности) достигает 1:500, причем соломина несет еще груз (колос), вес которого в 1,5 раза больше, чем вес стебля.

Большая прочность и устойчивость таких высотных природных конструкций обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью их работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы. И не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.

На основе принципов построения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа — типа стволовой конструкции.

Плод репейника - Застежка-липучка

Он гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (сорняк). В результате инженер через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении одежды

Слайд 14.

Слайд 15. Нейробионика - научное направление, изучающее возможность использования принципов строения и функционирования мозга, органов чувств и механизмов реакции на среду с целью создания более совершенных технических устройств и технологических процессов.

Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. Исследования анализаторных систем животных позволяют создавать технические аналоги органов чувств.

Летучие мыши могут издавать и улавливать ультразвуки. Беспрерывно испуская в полёте ультразвуки и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространствою. Моделирование локаторов по живым образцам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем.

Интенсивное изучение органов чувств животных, внутренних механизмов реакции на окружающую среду и у животных и у растений даст возможность развивать и совершенствовать электронную и вычислительную технику, а также создавать устройства переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем.

А понимание принципов строения и функционирования мозга, механизмов памяти будет служить основой для создания совершенных технических устройств, «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.

С наступлением осени большая часть птиц покидает свои гнездовья и отправляется в далёкое путешествие к местам зимовок. Инженеры бионики многих стран работают над выяснением механизмов ориентации животных, раскрытие которых даст возможность создать новые навигационные приборы.

Слайд 16. Применение знаний бионики.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования полёта птиц появилась авиация

Слайд 17. Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации

Учёные также установили функцию жужжальцев мух. Во время полёта жужжальца определяют отклонение от горизонтального положения. На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолётах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полёта

Слайд 18. Реактивный двигатель кальмар.

Реактивное движение, используемое в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осминогам, кальмарам, каракатицам.

При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником. Для быстрого броска использует реактивный движетель, он может достигать скорости 70км/ч.

Слайд 19. Это глиссер. По форме корпуса он похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфинчег был построен компанией Innespace в 2001 году

Дельфин в родной стихии . Оказалось, антитурбулентность дельфина обеспечивается особенностями строения кожи. Его эпидермис очень эластичен и напоминает лучшие сорта автомобильной резины. Он состоит из тонкого наружного и лежащего под ним росткового (шиловидного) слоев. В ячейки росткового слоя входят упругие сосочки дермы, точно зубцы резиновой щетки для замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы особенно развиты в лобной части головы и на передних краях плавников, где давление воды максимальное. Ниже сосочков дермы располагаются коллагеновые и эластиновые волокна, а между ними – жир. Все вместе действует подобно демпферу, предотвращающему турбулентность и срыв потока. Под давлением подкожный жир меняет форму клеток, а затем восстанавливает ее. Буферность кожи достигается еще и упругостью коллагеновых и эластиновых волокон. Благодаря этим приспособлениям поток, обтекающий тело дельфина, остается ламинарным – линейным, без завихрений. Кроме того, на упругой коже дельфинов имеется специальная смазка, обладающая водоотталкивающими свойствами. Поэтому тело дельфина при движении в воде как бы катится по шарикоподшипникам, обеспечивая еще одно преимущество, заменой трения скольжения на трение качения.

Когда же дельфины достигают максимальной скорости, и их тело не в состоянии погасить вихри ни демпферными, ни гидрофобными свойствами кожи, кожный покров сам начинает совершать волновые движения в виде складок, продвигающихся по туловищу. Эти волнообразные складки кожи не только гасят вихри, но и уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного.

Что же позаимствовали инженеры из этих сведений?

В 1960 г. немецкий инженер М.Крамер изобрел мягкие оболочки «ламинфло» из двух и трех слоев резины толщиной 2,3 мм. При этом гладкий наружный слой имитировал эпидермис кожи, эластичный средний с гибкими стержнями и демпфирующей жидкостью был аналогичен дерме с коллагенами и жиром, а нижний выполнял функции опорной пластины. Демпфирующая жидкость, перемещаясь между стерженьками, гасила вихри в слое воды ближайшем к корпусу модели. При этом торможение снижалось наполовину, скорость увеличивалась вдвое. А затем подтвердилась возможность снижать сопротивление воды на 40–60%.

Р.Пелт (США), выстлав внутреннюю поверхность трубы имитатором дельфиньей кожи (уретановая смола на полиэфирной основе), получил снижение потерь давления при перемещении жидкости на 35%. Тем самым возникла реальная возможность экономично перекачивать на сотни тысяч километров по трубам воду, сжиженные горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, гранулы (в виде смеси с водой в соотношении 1:1), кормовую пасту, помидоры и другие овощи, даже живую рыбу.

Слайд 20. Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы — гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки.
Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться... у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля.

Слайд 21. Медузы задолго до начала шторма прячутся в безопасном месте. Сигналом к этому служат инфразвуки частотой 3-13 Гц, возникающие от трения волн о воздух. В результате изучения данного явления был сконструирован прибор, позволяющий определить направление шторма и силу задолго до его начала(около 15 часов).

Слайд 22. Великолепное создание природы — человеческая рука — тоже давно привлекла внимание конструкторов. Создано большое число манипуляторов, в которых в той или иной степени повторяются отдельные элементы конструкции руки. Наибольшая степень сходства достигнута в активных протезах человеческой руки. Большой известностью пользуются у нас работы группы ученых во главе с А.Е. Кобринским. Они создали протез, который управляется с помощью биопотенциалов, возникающих в мышце предплечья…

Специалисты из Института реабилитации инвалидов в Чикаго (США) успешно имплантировали бионическую руку женщине по имени Клодия Митчел, потерявшей свою руку в дорожной аварии. До этого подобные манипуляторы были успешно имплантированы пяти мужчинам.

Слайд 23. Исследователи из Bell Labs обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях

Слайд 24. «Кожа без жертв» (Victimless Leather) - так назвали свою программу учёные из Университета Западной Австралии. В рамках программы эти ребята вырастили…

сюртучок из живой человеческой кожи.

Смысл программы состоит в том, чтобы научиться выращивать кожу для производства одежды и кожгалантереи.

Вывод: В своей практической деятельности человек использует в качестве моделей для конструирования сооружений и механизмов наиболее удачные приспособления живых организмов к среде их обитания.

Естественный отбор сохраняет структуры, наиболее совершенные в функциональном отношении и наиболее экономные по затрате материала.

VI. Первичная проверка понимания изученного материала.

Задание 1.

Преподаватель: перед Вами на парте лежат предметы, которыми мы все в повседневной жизни пользуемся. Посмотрите принцип их работы и ответьте на вопрос «Что послужило прототипом для изобретения данных предметов?».

Обучающиеся думают и выдвигают свои предположения.

Ответы.

1. Застёжка – липучка (плоды растения репейник).

2. Солонка (плоды мака - коробочка).

3. Застёжка – молния (особое строение пера птицы).

4. Шприц – кровососущий аппарат насекомых (комара)

Слайд

Преподаватель: Предлагаю Вам выполнить задание.

Задание2.

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.

VII. Итог урока.

Преподаватель: Обратимся к эпиграфу нашего занятия

«Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться»

Вопрос: Как Вы его понимаете?

Обучающиеся рассуждают и отвечают на поставленный вопрос.

Прочитайте цель, которую Вы поставили в начале занятия. Поставьте плюс, если цель достигнута.

Обучающиеся делают выводы относительно поставленной цели.

Перечислить всё, чем занимается бионика, нелегко; трудно также охарактеризовать все живые объекты, принципы организации которых могут помочь человеку в решении разнообразных научно – технических задач.

VIII. Рефлексия.

 Преподаватель: Составьте синквейн к понятию «Бионика»

Примеры синквейна:

Бионика.

Увлекательная, интересная.

Подглядывает, использует, копирует.

Удивительный мир живой природы.

Техника.

IX. Домашнее задание. 

1. Какое значение имеет изучение биологии для научно – технического прогресса?

2. Какие общие особенности кальмара, ихтиозавра и тюленя могут иметь значение при моделировании плавающих аппаратов?

3. Подумайте, какие объекты на территории вашего населённого пункта созданы благодаря бионике.

4. Назовите 2 варианта архитектурного решения постройки дома, в котором солнце будет освещать его максимально.

Эти проекты срисуйте с растений.

Литература:

1. Доктор Карл Шукер. Удивительные способности животных. О. В. Иванова, И. Г. Лебедев, перевод на русский язык, 2000. ООО “ТД Изд-во Мир книги”, 2006.

2. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович. Бионика в школе. Киев: 1990.

3. Ю.Г.Симвков. Живие приборы. М.: 1986.

4. И.И.Гармаш. Тайны бионики. Киев: 1985.

5. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.

6. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М.: 1967.

7. Мартека В., Бионика, пер. с англ., М.: 1967.

8. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М.: 1968.

Источники информации в сети:

1. www.ru.wikipedia.org

2. www.transhumanism-russia.ru

3. www.kriorus.ru

4. www.biomolecula.ru

5. www.proteome.ru

6. www.membrana.ru

7. www.popmech.ru

8. www.roboting.ru

9. www.elus1965.narod.ru

10. www.financepro.ru/mir-nanotekhnologijj.html

11. www.t-generation.ru

12. www.cnews.ru

13. www.bio.fizteh.ru

14. www.nanonewsnet.ru

15. www.membrana.ru

16. www.computerra.ru

17. www.zoojournal.ru

18. www.imb.ac.ru/

19. www.transhumanism-russia.ru

20. www.transhuman.ru

21. www.bionic-life.com

Приложение 1.