Сценарий занятия в системе дополнительного образования по теме Бионика как способ проектирования


Бионика как способ проектирования
«Нет ничего более изобретательного, чем природа».
(Цицерон)

Цель занятия:
обучающая:
сформировать общее понятие бионики, выяснить роль бионики как способа проектирования в технике, робототехнике, медицине, строительстве, архитектуре, быту, при конструировании одежды; ознакомить с некоторыми видами изобретений и конструкций человека и установить их природные аналоги; обеспечить применение знаний при выполнении проекта.
развивающая:
развивать у учащихся творческие способности, креативное мышление, конструкторские и изобретательские навыки;
воспитательная:
воспитать любовь к природе, чувство ответственности за ее сохранность, чувство прекрасного, аккуратность;
Оборудование: карточки с текстами, карточки с фотографиями изобретений человека и их природных аналогов; материалы для выполнения проекта и зарисовок элементов живой природы (листы формата А-4, цветные карандаши, фломастеры, простой карандаш, ластик, ножницы, скотч, клей), «живые» прототипы человеческих изобретений: перья птиц, репейник, гнездо ос, листья манжетки, лопуха, семена клена.
План занятия:
I.Организационная часть: Приветствие, проверка явки учащихся, определение готовности к занятию.
II.Введение в тему, выявление уровня осведомленности детей по теме
III этап. Изучение нового материала:
Что изучает бионика (работа в мини-группах с текстами, пересказ текстов, обсуждение содержания)
Проблемы бионики: почему человечеству приходится «изобретать велосипед»?
Работа над кратковременным проектом, защита проекта
Работа с «живыми» прототипами изобретений человека.
IV этап. Первичное закрепление полученных знаний
Работа в мини-группах с фотографиями: Что из мира живого послужило прототипом человеческих изобретений.
Работа с текстом, выводы
V этап. Подведение итогов занятия, рефлексия
Ход занятия:
I. Организационная часть: приветствие, проверка явки учащихся, определение готовности к занятию.
II.Введение в тему, выявление уровня осведомленности по теме
II этап занятия начинается учителем с прочтения стихов:
В мире великом Много чудес: Разве не чудо задумчивый лес С травкой зеленой и ягодой дикой? Блеск изумруда Крыльев жуков, Плащ голубых мотыльков — Разве не чудо? (Галина Галина, 1916)
Учитель: Как вы думаете, исходя из содержания стихов, о чем будет предстоящее занятие?
Варианты ответов учащихся:
о лесе
о природе
о красотах природы, в частности леса
о чудесах природы
Учитель:
- Да, сегодня наше занятие посвящено чудесам природы, которых много, они на каждом шагу, в каждой травинке, листочке, в каждом насекомом, в животных, птицах…они кругом, но в повседневной суете мы не всегда их замечаем. Но прежде, чем начать разговор об удивительных творениях и чудесах природы, прошу обратить ваше внимание на высказывание древнеримского политического деятеля, оратора и философа Цицерона, которое я предлагаю в качестве эпиграфа к нашему занятию: «НЕТ НИЧЕГО БОЛЕЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬНОГО, ЧЕМ ПРИРОДА». Вы согласны с этим? К этому вопросу мы вернемся в конце занятия.
Интересная справка из собственной практики автора разработки (с занятий в Межрегиональных экологических экспедициях школьников России): в начале занятия многие учащиеся (порядка 30%) утверждают, что человек изобретательней, чем природа, и что изобретения человека более совершенны и сложнее, чем природные. В конце занятия приходят к совершенно противоположному выводу (см. вывод по занятию в конце разработки)
Человек еще в древности замечал удивительные творения природы и учился у нее, потому что он жил на природе, среди природы. Что видел первый человек? Всплеск и журчание воды, полет птиц и насекомых, бег животного и плавание обитателей вод, дуновение ветра и смену времен года… И, естественно, в начале своей творческой деятельности человек учился строить и мастерить у природы. Звери, рыбы, птицы «подсказывали» тогда человеку, что и как надо делать, чтобы решить насущные для него «инженерные» задачи.
Например, у животных древние охотники научились защищаться от холода шкурами убитых зверей, а у птиц подсмотрели гнезда и для укрытия от атмосферных осадков и защиты от холода научились строить жилище в виде шалаша. А некоторые племена, подражая птицам, строили свои жилища на деревьях, себя же разукрашивали их перьями.
Для ловли рыб и животных человек научился плести сети, переняв это умение у паука. Даже такой прием охоты, как засада, человеку подсказали животные: мы все не раз наблюдали, как притаившись, кошка терпеливо и долго поджидает свою добычу. Так же поступают и более крупные кошачьи: рыси, леопарды, пантеры. А такие орудия охоты и защиты животных и птиц, как когти, клыки, клювы, стали человеку примером для изготовления собственных орудий: копий, стрел. Наблюдая, как хамелеон с помощью своего длинного и липкого языка искусно ловит добычу, человек придумал гарпун.
Некоторые растения и моллюски подсказали человеку, как делать капканы: моллюски захлопывают свои раковины, а растения – свои створки, когда в них попадает пища (венерина мухоловка). И такие примеры можно перечислять долго.
А современный человек? Окружив себя множеством сложных машин, живя в мире больших скоростей, он снова идет «на поклон» к природе. Несмотря на все наши современные технологии, природа не утратила свою привлекательность. Почему? Потому что и теперь человек подмечает много преимуществ в творениях природы перед своими собственными созданиями. Ведь у живой природы наиболее качественные материалы, устройства, наиболее эффективные и экономичные технологические процессы по сравнению со всеми известными в науке. Многие наши новейшие изобретения появляются благодаря тому, что мы подсмотрели в растительном или животном мире. 
И, если первоначально древние люди «изобретения» природы подсматривали и применяли как бы стихийно, позже началась целенаправленная работа по поиску, изучению и применению идей, заложенных природой в представителей животного и растительного мира для создания новых оригинальных технических систем и технологических процессов. Именно с целеустремленного «подглядывания» за природой родилась новая наука — БИОНИКА, чему способствовали бурный рост технической мысли, развитие биологии и вторжение в нее таких точных наук, как химия, физика, математика, кибернетика.
Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион» -«ячейка жизни», или «биос»- жизнь. Такое название было предложено американским учёным Джеком Стилом и принято на первом симпозиуме по бионике, проходившем в г. Дайтоне (США) в 1960 году. В симпозиуме приняли участие и советские учёные А. И. Берг, Б. С. Сотсков и др. У новой науки сразу родился девиз: «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Различают 3 вида бионики:
биологическую бионику, базирующуюся на самых разных разделах биологии и медицины. Биологическая бионика использует достижения биологии и медицины для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.
теоретическую бионику, которая разрабатывает математический аппарат биологического моделирования, а также математические модели явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.
техническую бионику, которая реализует математические модели или иные стороны деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, действующих по биологическому принципу и превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее.
В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.
Чем глубже человек проникает в уникальные «изобретения» животного и растительного мира, тем очевиднее становится необходимость использования их в практической деятельности. При этом следует не стремиться к слепому подражанию, к прямому копированию всех характеристик биологических объектов, а критически отбирать только полезные для техники свойства. Специалисты считают, что моделировать нужно лишь те функции, которые повышают гибкость, надежность и экономичность системы или процесса.
III этап. Изучение нового материала
1. Что изучает бионика? (работа с текстом)
Учитель объединяет учащихся в мини-группы по 2–3 человека. Каждая группа получает сообщение на карточке. Задание к карточке: Изучить, обсудить и прокомментировать полученное на карточке сообщение в своей группе и подготовить сообщение для группы.
Сообщение 1: Бионика в кораблестроении
3566160318135080010162560 1. Водяные цистерны, которые применяют в подводных лодках для регулирования глубины погружения лодки, в природе существовали уже до того, как их изобрели люди: А)Микроскопические радиолярии имеют в своей протоплазме капельки масла, при помощи которых они регулируют свой вес и благодаря чему поднимаются или опускаются в море. Б)Рыбы изменяют свою плавучесть тем, что впускают в свой плавательный пузырь газ или выпускают его. В)Раковина наутилуса разделена на камеры или балластные цистерны. Изменяя соотношение воды и газа в этих цистернах, животное регулирует глубину погружения. Г)Известковая внутренняя раковина каракатицы содержит многочисленные полости. Для регулировки плавучести это похожее на осьминога животное выкачивает из своего скелета воду и дает газу заполнить опорожненные полости. Таким образом, полости внутренней раковины действуют по такому же принципу, как водяные цистерны в подводной лодке
2. Японские инженеры и биологи в результате многочисленных экспериментов установили, что форма тела кита совершеннее формы современных судов, поэтому построили большое океанское судно китоподобной формы. -72390-187960Преимущества новой конструкции сказались незамедлительно. При уменьшенной на четверть мощности двигателя скорость и грузоподъемность судна не изменились.

Сообщение 2: Бионика в машиностроении
40043103555365108585183515 1. Проблема создания машин для передвижения по грунтам, имеющим низкую несущую способность, характерна для отечественного машиностроения. Особую остроту они приобрели в послевоенное время, в связи с полномасштабным восстановлением разрушенного народного хозяйства, освоением северных территорий, масштабными полярными исследованиями. В 1974 г. была разработана снегоходная машина «Пингвин», имитирующая принцип передвижения этих птиц по рыхлому снегу, руководил работой д.т.н., заслуженный деятель науки Аркадий Фёдорович Николаев. Пингвины отталкиваются ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина, лежа на снегу днищем и отталкиваясь от снега колесными спицами, скользит по снежной поверхности. При весе в 1300 кг. двигается со скоростью 50 км/час. Днище покрыто фторопластом, имеющим малый коэффициент трения на снегу. Эта машина не имела недостатков, характерных для тягачей, тракторов и других снегоходов, которые при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины используются и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего не могут применяться.
10858593345 2.Когда в 1964 году был построен первый японский «поезд-пуля», он мог мчаться со скоростью 190 километров в час. Но у него был весьма неприятный побочный эффект: всякий раз, когда такой поезд выезжал из тоннеля, раздавался громкий хлопок, и пассажиры жаловались на неуловимое ощущение того, что поезд сплющивается.
Инженер и любитель птиц Эйдзи Накацу выяснил, что поезд толкает перед собой воздух, создавая стену ветра. Когда эта стена ударяется о воздух за пределами тоннеля, возникает громкий звук, а поезд испытывает колоссальное давление. Изучив проблему, Накацу решил, что поезд должен входить в тоннель, разрезая воздух подобно ныряльщику, который без брызг входит в воду во время прыжка. Вдохновение Накацу почерпнул у ныряющей птички зимородка. Зимородок, живущий в ветвях деревьев высоко над поверхностью рек и озер, ныряет в воду и ловит там рыбу. Его клюв, имеющий форму ножа, разрезает воздух, когда зимородок камнем падает в воду — причем практически без брызг.
4337685560705Накацу поэкспериментировал с различными конфигурациями лобовой части поезда и пришел к выводу, что форма клюва зимородка является практически оптимальной. Сегодня у японских высокоскоростных поездов длинная, похожая на птичий клюв лобовая часть, которая помогает им тихо и спокойно выезжать из тоннелей. Теперь поезд, развивающий скорость до 300 километров в час, испытывает меньшее сопротивление воздуха и потребляет меньше энергии. 
Сообщение 3: Бионика в быту
51435177800 Классическим примером бионического изобретения является застежка-липучка, которую сейчас очень часто можно увидеть на одежде, обуви, сумках, различных аксессуарах. Две половинки липучки прочно соединяются друг с другом благодаря тому, что одна из них покрыта маленькими крючками, а на другой рас- положены миниатюрные петельки. Их сцепление обеспечивает прочное соединение.
5013960744220 Изобрел липучку швейцарский инженер Жорж де Местраль еще до появления термина «бионика». Вычищая шерсть своего пса после прогулки, де Местраль обратил внимание на плоды репейника, которые крепко держались на шерсти. Он изучил строение репейника под микроскопом и разработал застежку, работающую по тому же принципу. Позже ученые обнаружили, что подобным образом устроено оперение птиц. Перья плотно соединяются друг с другом благодаря так называемым бородкам. Бородки соседних перьев заходят друг за друга, образуя единый плотный перьевой покров.
Сообщение 4: Бионика в автомобилестроении
361378564770-12954065405 Инженеры компании Mercedes-Benz обратили внимание на рыбу-коробочку. Несмотря на то, что с первого взгляда рыба выглядит довольно неуклюже, ее формы развились таким образом, что в воде она передвигается с большой эффективностью.
В результате эксперимента появился бионический автомобиль (Bionic Car), который отличается легкой конструкцией и удивительными аэродинамическими способностями.
13335107950 2. Клюв у тукана такой большой и массивный, что он, казалось бы, должен перевешивать птицу. Но тукан чувствует себя с таким клювом великолепно. Дело в том, что туканий нос — это настоящее чудо инженерии. Он настолько прочен, что пробивает самую твердую скорлупу фруктов. И он достаточно крепок, чтобы обороняться от других птиц. И тем не менее, клюв у тукана по плотности такой же, как чашка из пенопласта.
Профессор Марк Мейерс (Marc Meyers), преподающий инженерное дело в Калифорнийском университете Сан-Диего, понял, почему клюв такой легкий. На первый взгляд он похож на пеноматериал в жесткой оболочке, типа шлема велосипедиста. Однако Мейерс обнаружил, что на самом деле пеноматериал — это сложная конструкция, состоящая из тонких мембран и крохотных трубок, составляющих прочный каркас. Сами трубки — это тяжелые кости, но они расположены на расстоянии друг от друга, и в результате удельный вес клюва в десять раз меньше, чем у воды. Мейерс считает, что скопировав конструкцию клюва тукана, мы сможем создавать корпуса автомобилей, которые будут значительно прочнее, легче и безопаснее.
Сообщение 5: Бионика в архитектуре
514731012941301333536195 Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Большое внимание уделяется также новым строительным технологиям. Так, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением стало создание слоистых конструкций. Идея была заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные раковины, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина дальше не идет.
1.Эйфелева башня является самым ранним из очевидных примеров использования бионики в архитектуре. Этот шедевр модернистской архитектуры был создан в 1889 году для всемирной выставки в Париже. Высота башни — 317 м, а состоит она из 18000 железных деталей и 2 500 000 заклёпок, благодаря этому в артистических кругах того времени она была известна как башня на гайках.
В 1839 году швейцарский профессор анатомии Херман фон Мейер исследовал строение головки бедренной кости и обнаружил, что ее прочность обеспечивает перераспределяющая нагрузку изощренная сеть миниатюрных костных перегородок, имеющая строгую геометрическую структуру. Эту идею и взял за основу Эйфель для обеспечения прочности и устойчивости своей башни, в точности повторив форму и пропорции природного изобретения.
5356860119316580010110490 2.Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полное соответствие строения Останкинской телебашни в Москве строению стеблей злаков. Башня сконструирована инженером Н. В. Никитиным. Основание ее утолщено, вершина — остроконечная. Ее общая высота 540 м 74 см. Это высочайшее сооружение в мире. Масса 55 тыс. тонн. При сильном ветре башня может раскачиваться, как стебель пшеницы, до 10 м в сторону от своего нормального вертикального положения, сохраняя при этом прочность. Она выдерживает ветер в 15 баллов и землетрясения в 8. Надежность рассчитана на 300 лет.
3.Мельчайшие одноклеточные радиолярии предлагают архитекторам удивительные по красоте, экономии материала и прочности сооружения.
Сообщение 6: Бионика в самолетостроении
43180007493026098576200 Человека всегда завораживал полет птиц, он стремился преодолеть земное притяжение. Леонардо да Винчи, изучив
строение крыла птицы, составил чертежи летательного аппарата. Он писал: «Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его достижениями…» Претворить мечту да Винчи в жизнь удалось основоположнику современной аэродинамики Н.Жуковскому, который положил в основу самолетостроения принцип полета птиц. Он определил, что при полете птиц возникает подъемная сила, и как она удерживает в воздухе птицу, которая 3491865183515значительно тяжелее его.  Но способности к полету у насекомых значительно выше. Ведь есть бабочки, которые подобно птицам  улетают перед наступлением зимы из Европы в Африку. Устройство их крыльев, способность их резко изменять направление или зависать над цветком человек еще не может повторить в самых современных конструкциях самолетов. А «топливо» бабочек – жиры, углеводы- не имеют себе равных в авиационной технике. Человеку предстоит еще многое исследовать, узнать секреты насекомых и сконструировать новые летательные аппараты.
Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер - внезапно и бурно возникающие на определенной скорости явление вибрации крыльев. Из-за этих вибрации самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. Группа советских ученых, возглавляемая Мстиславом Всеволодовичем Келдышем (1911—1978) решила эту проблему к началу Великой Отечественной войны. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход - крылья стали делать с утолщением на конце. Лишь позднее выяснилось, что нужное решение было перед глазами людей задолго до того, как взлетел первый самолет... Ведь крохотное хитиновое утолщение у кромки передней части крыла стрекоз оказалось не чем иным, как противофлаттерным устройством! В биологии эти утолщения называются птеростигмы. В связи с этим известный советский специалист - аэродинамик М. К. Тихонравов писал: «...природа иногда указывает, как самые сложные задачи решаются с поразительной простотой». Действительно, если бы инженеры и биологи своевременно изучили полет стрекоз, то такое исследование сберегло бы массу сил и избавило от многих жертв.
Сообщение 7: Бионика в спорте…и медицине
5414010129540
4191084455 Несмотря на то, что акулья кожа выглядит, как один полноценный материал, на самом деле она покрыта огромным количеством чешуек, которые называются кожные зубики. Покрытие, которое формирует эти зубчики, предотвращает формирование водоворотов при плавании, что в свою очередь позволяет акуле быстрее плыть. Некоторые плавательные костюмы копируют эту технологию природы, чтобы увеличить скорость пловца.
Так появился костюм Fastskin LZR Racer. Те, кто надевал его, поставили 38 мировых рекордов из 40 возможных по плаванию за этот период. LZR Racer признан самым быстрым плавательным костюмом в мире. Чемпионы признаются, что в бассейне у них было чувство, будто они плывут вниз с горы. Секрет успеха LZR Racer в том, что технологи скопировали свой топ-продукт у природы и усовершенствовали его с помощью компьютера.
Сообщение 8: Противомикробные катетеры из акулы 
4191040830547853603049270 Акулья кожа, благодаря своей гладкости и долговечности, пригодна для изготовления самых разных вещей, от купальников до обуви. Но вот катетеры из неё стали полной неожиданностью. В каждой больнице борются с микробами. Не секрет, что при таком большом потоке людей, которые не только передвигаются внутри больницы, но и приходят с улицы, на поверхностях могут легко осаждаться микробы, распространяющие болезни от одного пациента к другому. Инженер Тони Бреннан обнаружил, что нет ничего чище, чем акулья кожа. Её поверхность усеяна крошечными зубчиками, которые оберегают тела акул от прилипания к ним слизи, водорослей и моллюсков. К счастью, акулья кожа оказалась способной защитить и от многих болезнетворных бактерий вроде кишечной палочки. "Sharklet" – это компания, которая использует данное свойство. Она продолжает работать над его применением. Их следующим шагом должно стать изобретение катетеров из акульей кожи, которые могли бы помочь предотвратить занесение инфекций.
412813544450Сообщение 9: Реактивное движение
В основе движения многих современных летательных аппаратов лежит принцип реактивного движения. Реактивное движение изобрели в Китае в конце первого тысячелетия нашей эры: бамбуковые трубки, начиненные порохом, приводили в действие ракеты - они использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону.
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич.
Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате. Реактивный двигатель – это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. Идея К.Э.Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством академика Сергея Павловича Королёва. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощью ракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.
478536027616154191064135 1.Но задолго до человеческих изобретений реактивный двигатель применила природа в кальмаре. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”.
-571574930 2.Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного огурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец
при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.
Разбрасывает свои семена и недотрога.
Сообщение 10: Глаз лобстера – лучший рентген
43376853589655118110436880 С рентгеновским излучением трудно работать, именно поэтому размеры рентген-аппаратов в аэропортах являются такими огромными. Но недавно учёным удалось создать изобретение по образцу глаз лобстеров, которые обладают характеристиками намного лучшими, чем рентген. 
Глаза лобстера воспринимают свет путём отражения. Они покрыты квадратами, похожими на плоские зеркала, которые отражают свет под точными углами для формирования изображений с любого направления. Такая конструкция оказалась полезной для астрономов, которым нужны телескопы, улавливающие наличие рентгеновских лучей в определённых областях космоса. 
Ракообразные вдохновили учёных и на создание других изобретений, таких как микрочипы и рентгеновский аппарат «Глаз лобстера». Этим «фонариком» можно просветить стальную стену толщиной до 8 сантиметров. Когда устройство посылает сквозь стену поток маломощных рентгеновских лучей, часть из них отражается от находящихся за ней объектов. Эти сигналы попадают в трубки и создают изображение – так же, как это делают глаза лобстеров. Данное изобретение может оказаться полезным при поиске украденных или нелегально перевозимых предметов. 
Учитель:
— Какое сообщение показалось вам наиболее интересным? Почему?
Изучив и обсудив в мини- группах полученные на карточках сообщения, учащиеся дают комментарии к изученному материалу.
2.Проблемы бионики
Учитель:
Т.к. первоначально техника и биология развивались отдельно, большинство различных технических систем человек создавал совершенно самостоятельно. И только потом обнаруживал, что многие его технические конструкции давным-давно «запатентованы» живой природой. Невольно возникает вопрос: почему человечеству приходится «изобретать велосипед»? Этот вопрос обсуждается в мини-группах. В ходе обсуждения в мини-группах обычно дети выясняют основные причины этого и предлагают ответы следующего характера:
1. «Устройство» и принципы функционирования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов настолько сложны, что их можно изучить лишь с помощью новейшей электронной, кино-фотосъемочной, химической и другой аппаратуры, а арсенал таких методов и средств начал создаваться лишь недавно.
2. Первоначально техника столетиями развивалась вне связи с биологией, и технические устройства человек изобретал вслепую, с нуля, потому что природа не составила для инженеров никаких инструкций, где и у кого искать нужный аналог для создания той или иной технической системы.
3. Из-за своей сложности биологические формы зачастую не могут быть ни рассчитаны современными методами инженерной и математической науки, ни даже вычерчены.
4.Чтобы познать «конструкцию» и принцип действия биологической системы, смоделировать ее и претворить в жизнь в натуре, исследователю необходимы универсальные знания. Между тем до недавнего времени научные дисциплины существовали и развивались отдельно, а изучаемая ими, по сути, единая природа была разделена на отдельные «лакомые куски» по интересам, что стало тормозить процесс ее познания. Появилась настоятельная потребность такой организации знаний, которая позволила бы охватить их целиком, интегрировать на основе единых всеобъемлющих принципов. Так и возникла наука БИОНИКА, которая тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой, инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. 
3.Работа над кратковременным проектом, защита проекта
В экспедиции учебная группа «разношерстная» (дети в группе разновозрастные и из разных регионов России), поэтому учитель готовит проектные задания разного уровня сложности и «под» детей с разными интересами. Всего 5 разных вариантов для выполнения проекта
Проект № 1 (для девочек, интересующихся моделированием одежды): выполнить эскиз одежды с использованием биоформ, цветовых сочетаний, взятых от растений, животных, насекомых и др.
Для облегчения выполнения задания учителем подготовлена инструкция:
ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА
Последовательность выполнения:
1) Рассмотри и проанализируй основные характеристики природного бъекта: общая форма отдельных элементов, ритм, пропорции.
2)Прими решение о целесообразности использования определенных характеристик природного объекта для разработки новой модели изделия.
3) Разработай эскиз новой модели (платье, костюм, юбка, брюки…).
4) Подумай, какой материал лучше использовать для твоей модели?
(лёгкие, тонкие, легко драпирующиеся ткани или ткани костюмного, платьевого ассортимента, которые хорошо держат форму).
5) Обоснуй выбор модели (соответствие модным тенденциям, оптимальность форм, эстетичность).
6) Защити свою модель
Прект№2 (для любителей рисовать): выполнить зарисовки элементов живой природы (ствола, веточек, листьев, кроны дерева; структуры коры; цветочков…) .
Советы выполняющим зарисовки элементов живой природы:
Готовясь к рисованию, модель (лист, цветок, небольшую веточку…) прикрепи булавками или другим способом к планшету, оклеенному листом плотной бумаги.
Фрагмент растения лучше рисовать в натуральную величину или несколько больше. Большой размер позволяет лучше разобраться в аналитическом строении листа, цветка, стебля или ветки.
Вначале внимательно рассмотри модель с тем, чтобы уловить характерные особенности ее строения и определить, какая простейшая форма лежит в ее основе: круг, овал, многоугольник и т.д.
Рисуя стебель или ветку, рассмотри, как прикрепляется лист, как изменяется направление прожилок листьев, стебля и веток. Выяви, в чем отличие анатомического строения данного растения от других.
Изучая строение цветка, выдели чашечку, венчик, донце и другие детали. Это даст возможность более точно выполнять орнаментальную зарисовку растения в дальнейшем.
Полезно на одном листе сделать несколько зарисовок одного растения: целиком веточку; стебель с листом или цветком; отдельно укрупненный лист или цветок этого растения в различных поворотах (с лицевой и тыльной сторон, в профиле) и конструкцию соединения частей растения в целое.
Постепенно усложняя задание, сделай зарисовки веточек с цветами, плодами, гроздями плодов: ветку дуба с желудями, яблони с плодами (крупными и мелкими), виноградную гроздь, веточку вишни и многие другие «подручные» материалы.
Абстрагируясь от конкретного растения, зарисовки упрости до простых геометрических форм и перейди к орнаментальной трактовке зарисовок, затем создай красивый стилизованный орнамент.
Защити свой проект.
1289685-1165225Последовательность рисунков демонстрирует процесс преобразования натуралистического этюда в угловатую формальную структуру.
-9525247650
952500165100
Проект №3 (для любителей моделировать с бумагой): при помощи 2-3 листов бумаги, ножниц,  скотча (или клея) построй плоскую или объемную конструкцию, которая выдержит на себе максимально возможную нагрузку и не развалится. Идею для своей конструкции заимствуй у природы Защити свою модель. (Учебная группа делится на 3-4 мини-группы и выполняет задание).
Возможные варианты решения задания:
Выполнение цилиндрических конструкций: они самые прочные, это доказывает сама природа (природные аналоги: стволы деревьев, стебли растений, ножки грибов и т.п.)
403860016205203905251506220Выполнение сетчатых, ребристых конструкций (Примеры: а)Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную — несущую — роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения б) лист тропического растения Виктории регии, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко с нижней стороны как бы укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2-х м в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг)
Выполнение натянутых конструкций: Повышенную прочность яичной скорлупе придает тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным напряжением (натянутая конструкция). Еще примеры: перепонки лап водоплавающих, лягушек.
Выполнение спиральных конструкций (Спираль является в природе сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Изменяя лишь форму конструкции, а именно придавая ей вид спирали, природа достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Примеры: раковины моллюсков, стебли огурца и тыквы, гриб коллибия длинноножковая, листья рогоза)
Проект №4 (для любителей изготавливать модели из бумаги): изготовь простейшую модель планера из бумаги, испытай его летные характеристики и выясни, какие идеи заимствовал человек у природы при изобретении и дальнейшем усовершенствовании самолета.
ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА
1.Возьмем лист плотной бумаги длиной 200 мм и шириной 140 мм, сложим вдоль пополам. Затем одну его половину расчертим в клетку. Стороны клетки по 20 мм. На сетку нанесем контуры модели, как указано на рис.1, вырежем ее:
2.Сложим выкройку так, как показано на рис.2: сперва носовую часть модели, затем отогнем крыло и маленькие крылышки на хвосте.
Рис. 1
Рис.2
Рис.3
3733800967105Простейшая модель планера имеет такие же основные части, как и настоящий планер и самолет (рис. 3): фюзеляж, крыло, шасси, хвостовое оперение. Оно состоит из двух плоскостей: горизонтальной, похожей на небольшое крыло, называемой стабилизатором, и вертикальной, называемой килем. Нет у планера только мотора и воздушного винта. На простейшей модели планера можно сделать рули, отгибая заднюю часть стабилизатора и киля перед запуском модели в воздух.
-9525-38773103048000-5843270 3.Для запуска возьмем модель за фюзеляж снизу под крылом и, подняв руку вверх, легким толчком бросим вперед. Если она построена правильно, то после толчка будет лететь некоторое время горизонтально, а затем перейдет в плавный планирующий полет (т. е. с медленным спуском).
4.Теперь проверим действие рулей высоты. Они позволяют отрегулировать полет модели так, чтобы она совершала плавный планирующий полет:
Если при полете модель идет «носом» вниз, (такой полет называется пикирование), нужно отогнуть немного кверху заднюю часть стабилизатора. При сильном отгибании рулей высоты модель может сделать «мертвую петлю». Если рули высоты направить вниз, то модель будет лететь круто вниз.
5. Проверим также действие рулей направления. Отогнем заднюю часть киля в право и запустим модель. Она должна повернуть в правую сторону.Воздух давит на отогнутую часть киля и заставляет модель поворачивать. Если отогнем заднюю часть киля влево, модель должна повернуть в левую сторону.
После испытаний летных свойств модели учащиеся в подгруппах обсуждают, какие идеи заимствовал человек у природы при изобретении и дальнейшем усовершенствовании самолета. Их много:
Форма птиц -обтекаемая форма самолета
Строение и форма крыла птиц- подъемная сила крыла
Идея изменяющейся геометрии крыла
Подгибание лап птицами -убирающиеся при полете шасси
Точная копия жужжалец двукрылых насекомых- жиротрон для стабилизации направления полета самолета при больших скоростях
Фасеточный глаз мухи -прибор для определения скорости самолетов «Глаз мухи»
Птеростигма (хитиновые утолщения на конце крыльев стрекоз) - способ борьбы с флаттером (внезапными сильными вибрациями крыльев самолетов при полете на больших скоростях)
Проект №5: Вертолет из бумаги в технике киригами
Нам понадобятся: полоска бумаги, линейка, карандаш, ножницы, скрепка.
Изготовление:
Отрежем от бумаги полоску шириной 3-4 см. Плотность бумаги следует выбирать в зависимости от желаемого размера вертолета – чем больше будет винт, тем плотнее нужно взять бумагу.
4314825-751205Отметим при помощи карандаша середину нашей полоски и сделаем надрез вдоль до этой отметки. Отступим от надреза 5 мм и прочертим поперечную линию. Сделаем надрезы по этой линии по 10 мм с каждого края.
Положим заготовку перед собой таким образом, чтобы надрезы остались с левой стороны. Правая часть заготовки сыграет роль фюзеляжа, а левая послужит лопастями.
Со стороны фюзеляжа наметим горизонтальные линии, отступив по 10 мм от края. По этим линиям сложим бумагу внутрь.
418147544450Загнем нижнюю кромку фюзеляжа внутрь и закрепим канцелярской скрепкой. Можно обойтись и без скрепки, но с ней вертолет будет лучше летать.
Отогнем лопасти винта таким образом, чтобы они были перпендикулярны фюзеляжу. Вертолет готов к запуску.
4. Работа с «живыми» прототипами изобретений человека.
1)Учитель раздает учащимся перья птиц и просит рассмотреть их и обсудить, аналогом какого творения человека они являются. Учащиеся должны догадаться (или вспомнить, поскольку это широко известно), что на основе строения пера птицы, где бородки различных порядков с крючочками обеспечивают надежное сцепление, были созданы застежки «молния».
2)Учитель демонстрирует детям гнездо ос. Вопрос: что изобрел человек, наблюдая за строительством осами своего гнезда? Ответ: осы и шершни разжевывают старую древесину и производят таким образом серую бумагу для постройки своих гнезд. Китаец Цай Лунь, подсмотрев это, нашел способ делать бумагу из волокнистой внутренней коры тутового дерева.
3) Таким же образом учитель работает с репейником, листьями манжетки, лопуха, семенами клена.
IV этап. Первичное закрепление полученных знаний
1. Работа в мини-группах с фотографиями: Что из мира живого послужило прототипом человеческих изобретений.
Учитель раздает мини-группам на карточках фотографии различных изобретений человека и фотографии их природных прототипов. Учащимся необходимо установить их соответствие. Примечание: у некоторых природных объектов человек перенял несколько идей.
Изобретения человека:
31184855251451118235172720-723901727204985385589915
-1695450514350
525208510795012992102901953366135156845-320040109220
4137660105410205168515367024193520320
4528185144780224218522542580010225425
459486086995234632510795-13906586995
53187605213351689735521335Природные прототипы человеческих изобретений:
1727835182118030854653267710497586032181805023485181800532708851865630-234315326580518516603161030-2317751969135-1104901117603870960159385
3171825396875
185166019685-1524019685
Ответы:
Оса-бумага
Чертополох-липучка
Водяной жук-акваланг
Дождевой червь- землеройная машина
Рыба-Корпуса кораблей
Кленовое семя-планер
Тюлень-гидрофоны
Кит-лопасти вертолетов
Паутина-парашют
Рыба-периофтальмус-перископ
Стрекоза-крылья сткоростных самолетов
Чайка-самолет
Наутилюс –батискаф
Ящерица геккон-суперклей, силиконовые перчатки (позволяют подниматься по вертикальной стене)
2. Работа с текстом. Учащиеся получают тексты с примерами изобретений человека и их природных аналогов:

Гидравлический привод - в конечностях паука.
Пневматический отбойный молоток - у земляной осы.
Ультразвуковой локатор - у летучей мыши.
Сонар - у дельфина, тюленя, кита.
Реактивный двигатель - у кальмара.
Точный барометр - у лягушки, вьюна, пиявки.
Предсказатель штормов - у медузы.
Анализатор запаха, способный различать 500 тыс. запахов - у обыкновенной дворняжки.
Счетчик Гейгера - у улитки.
Гиротрон - у мухи.
Поляризационный солнечный компас - у пчелы.
Указатель скорости движения - у жука.
Опреснитель морской воды - в клюве альбатроса.
Высокочувствительный сейсмограф - у водяного жука и кузнечика.
 Отражатели света на автомагистралях - в глазах кошки
Пластиковый оберточный материал для больниц - акулья кожа. Данный материал предназначен для защиты от микробов.
Ультратрость для незрячих - орган ориентировки летучией мыши. Трость сделана по принципу эхолокации и начинает вибрировать при приближении к объекту
Ткань, меняющая окраску - у хамелеона
Таран - у древних, стенобитное орудие (бревно), снабжённое на конце железным или бронзовым наконечником, использовавшееся при осаде городов, для разрушения стен, башен и других сооружений - первые тараны точно воспроизводили бараньи лбы, которые и явились прототипом
Гидрофоны (прототип - тюлень) точнее тюленье ухо, в котором биологи обнаружили специальный ушной обтекатель
Подвесные мосты - прообразом является обычная паутина
Рычаг - это наши кости, а шарниры - суставы. Эти вещи используют повсеместно в различных механизмах.
Гусеница - название само за себя говорит.
Краски и чернила. Их не то что одолжили, а первоначально просто "забрали" у животных, растений и минералов.
Веревка - это лиана
Аппарат, защищающий черные ящики от самолетов при аварии – в голове дятла
Роботизированная рука - от хобота слона
Пинцет - клюв кулика веретенника
Лобовая часть поезда - от клюва зимородка
Незагрязняющаяся краска - от листка лотоса
Самозатачивающееся сверло - у перепончато-крылых насекомых (рогохвоста)
Способность к вертикальному подъёму в конструкции лопастей вертолёта- у стрекозы
Поляризованный компас - у некоторых насекомых
Батискаф - подводное жилище паука-серебрянки
Прибор ночного видения «кошачий глаз»- у некоторых хищных млекопитающих
Сверхчувствительный прибор для предсказания урагана (за 24 часа) - у некоторых раков
Сверхчувствительный навигационный прибор - у морских черепах

V этап. Подведение итогов занятия, рефлексия
После краткого обсуждения текста и других примеров использования «изобретений» природы в различных областях человеческой деятельности, рассмотренных на данном занятии, учащиеся отвечают на вопрос, поставленный в начале занятия: согласны ли вы с утверждением древнеримского политического деятеля, оратора и философа Цицерона, которое является эпиграфом к занятию: «НЕТ НИЧЕГО БОЛЕЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬНОГО, ЧЕМ ПРИРОДА», и делают выводы по занятию:

1.Человек подмечает много преимуществ в творениях природы, и использует их для создания удивительных бионических изобретений, которые нужны или пригодятся в будущем человечеству.
2.Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделаны человеком.
3.Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности и экономичности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии и материалов.
4.Заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность и экономичность современных технологий.
5. Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность.
Таким образом, Живая Природа – умнее и мудрее нас, она гениальный конструктор, художник, инженер, технолог, великий зодчий и строитель. Любое творение Природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной надежностью, прочностью, целесообразностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.
Учитель: об этом говорил еще Леонардо да Винчи:
«Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться".
(Леонардо да Винчи)
Литература,
использованная педагогом при разработке сценария занятия:
Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога.– М.: Наука, 1986.
Болдырев А. А. Строение и функции биологических мембран. – М.: Знание, 1987. - (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология»; №2).
Голдовский А.М. Анабиоз. – Л..: Наука, 1981
Зорин Н. И. Элективный курс «Элементы биофизики»: 9 класс. – М.: ВАКО, 2007. – (Мастерская учителя.).
Миронов А.В. Преподавание экологии в школе.- М.: гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2004.
Морозов В. И. Занимательная биоакустика. - М.: Знание, 1987.
Северцов А. С. Эволюция или Божий промысел. – Биология в школе. – 1997. № 7.
Смелова В.Г. О чем жужжит пчела. – Биология в школе. – 2003. № 6.
Шарова И. Х. , Свешников В. А. Экологическая морфология. М.: Знание, 1988. - (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология»; №1).
Яхонтов А. А. Зоология для учителя. Беспозвоночные. Позвоночные. - М.: Просвещение, 1982, 1985.
Интернет-источники:
1.Ажнина Е. Бионика: природа знает лучше Интернет-журнал Человек без границ. URL: http://www.bez-granic.ru/index.php/vse-rubriki-zhurnala/kakustroenmir/ (дата обращения: 30.05.2015) 2. Журнал WomanAdvice - советы на все случаи жизни [Электронный ресурс]: http://womanadvice.ru/kak-sdelat-iz-bumagi-vertolet#ixzz2xeosVl1MФотографии с интернета:
http://fs1.ppt4web.ru/images/5345/75483/640/img10.jpg плавательный пузырь рыбы
http://riverfishing.ru/img/2016/010911/0851139 подводная лодка
https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=86cf351c175a611cd08e06a11716df03&n=33&h=215&w=329 пингвин
http://www.krasfun.ru/images/2010/3/97e57_zimorodok002.jpg зимородок
http://vestnikk.ru/uploads/posts/2014-10/1412256641_5.jpg1 рыба-коробочка
http://animalreader.ru/wp-content/uploads/2014/02/tukany_1_1.jpeg тукан
http://konspekta.net/megalektsiiru/baza2/499831304191.files/image011.jpg берцовая кость
http://www.wantseeproject.com/wp-content/uploads/2016/02/Eiffel-Tower.jpg Эйфелева башня
https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=ff4520380e87bbc68c0a6bf83c0b2eca-l&n=13 стебли злаков
http://static.panoramio.com/photos/large/89053517.jpg Останкинская башня
http://img-2007-06.photosight.ru/02/2122647.jpg стрекоза
http://bigslide.ru/images/12/11146/831/img15.jpg ястреб в полете
http://poradu.pp.ua/uploads/posts/2016-02/vktorya-regya-latattya-rekordsmen_623.jpeg лист кувшинки Виктория Регия
https://im2-tub-ru.yandex.net/i?id=81db22d008b61ab90b32f1bb6835e066&n=33&h=215&w=350 форель
tp://boombob.ru/img/picture/Jul/12/74003c280b50c61d5697282e304ec1f1/8.jpg –чайка
http://img10.proshkolu.ru/content/media/pic/std/4000000/3798000/3797193-1301301997ffd7f9.png -рыба периофтальмус
Литература, рекомендуемая для обучающихся:
Большой справочник по биологии. – М.: «Издательство Астрель», «Олимп», «Фирма «Издательство АСТ», 2000.
Бровкина Е.Т., Сивоглазов В. И.Атлас родной природы. Городские животные. Учебное пособие. – М.: Эгмонт Россия, 2001
Гармаш И.И. Тайны бионики. Киев: 1985.Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М.: 1967.
Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сивоглазов В.И. Учебник для 10 -11 классов общеобразовательных учебных заведений. М.: Школа-Пресс, 1996.
Козлов М.А. Живые организмы – спутники человека. – М.: Просвещение, 2006.
Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М.: 1968.
Мартека В., Бионика, пер. с англ., М.: 1967
Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
Ю.Н.Кукушкин. Химия вокруг нас. - М.: Высшая школа, 1992
Свещаров Г. Этюды о животных. Перевод с болгарского. - М.: Знание, 1987 - (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология»; №7).
Симвков Ю.Г. Живые приборы. М.: 1986
Спасский Б.И.. Хрестоматия по физике. Учебное пособие для учащихся. М.: -Просвещение, 1982.
Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович. Бионика в школе. Киев: 1990.
Энциклопедия для детей. Физика. Т. 16. – М.: Аванта, 2000.

Приложенные файлы


Добавить комментарий