Интегрированное занятие по теме "Бионика: прошлое, настоящее и будущее"

Интегрированное занятие по теме

 «Бионика:  прошлое, настоящее и будущее»

Продолжительность занятия 40 минут

Занятие проводится для учащихся 10 медицинского класса.

Предметная цель занятия:    На примере появления и развития науки бионики показать значение бережного отношение к природе для обеспечения безопасного развития и сохранения жизни на Земле.

Метапредметная цель занятия:  Сформировать видение целостности картины мира через интеграцию предметов естественнонаучного цикла.

Задачи урока:

Образовательные:

показать взаимосвязь биологии, физики на основе общности ряда законов живой и неживой природы, углубить представления о единстве законов природы и материального мира, взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости; показать значение биологических знаний для развития техники, приборостроения, архитектуры, медицины и т. д.;

Развивающие:

способствовать овладению основными способами мыслительной деятельности (выделять главное, сравнивать, доказывать, объяснять); уметь найти и отобрать необходимую информацию, определить ее достоверность и качество, перерабатывать информацию (анализировать, обобщать, классифицировать, сравнивать, выделять причины и следствия, делать выводы)  для получения необходимого результата; уметь составлять алгоритмы переноса приобретенных знаний из обычной ситуации в нестандартную;  

Воспитательные:

способствовать укреплению коммуникативной культуры; освоить  технику владения приёмами монологической и диалогической речи, формировать умение договариваться, уважительно относиться к оппоненту, находить общее решение; формулировать вопросы в ходе выступления,  аргументировать свое мнение; готовить и предъявлять публичное выступление;

способствовать формированию  нравственного и экологического воспитания учащихся.

Подготовительная работа

     Из учащихся  10-г класса заранее формируются группы, которые выбирают тему   из списка, предложенного учителем:  «Историки», «Приборы и материалы», «Строительство и архитектура», «Отопление и охлаждение», «Движение», «Полеты и планирование», «Электричество», « Будущее бионики».  Специалисты групп заранее, осуществляют поиск информации из различных источников, готовят отчёт в русле сформулированных целей занятия, оформляют материал в виде компьютерной презентации.

Оформление кабинета

     На доске написана тема урока, эпиграф, биологические и физические термины. Эмблема бионики. На столах учащихся лежат  листы с опорным конспектом занятия; задания на составление логических пар; памятка с определением синквейна, таблица для заполнения в ходе проведения викторины. 

«Природа – единственная книга, каждая страница которой полна глубокого содержания».                                                                                   

                                                                                                    И. В. Гёте

«Наука не является, и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый новый успех приносит новые вопросы».

                                                                                                    А.Эйнштейн

 Девиз бионики: «Живые организмы – ключ к новой технике»

Оборудование: Компьютер,  мультимедийный  проектор;  на столах учащихся расположены предметы, необходимые для демонстрации во время их выступлений. 

Ход занятия

1. Организационный момент (приветствие, проверка готовности учащихся к занятию). Каждая группа учащихся имеет табличку с названием своей группы («Историки», «Приборы и материалы», «Строительство и архитектура», «Отопление и охлаждение», «Движение», «Полеты и планирование», «Электричество», «Будущее  бионики»)

2.    Актуализация опорных знаний учащихся и постановка проблемы.

Вступительное слово учителя биологии:

     Человек на протяжении всего своего существования не только наблюдал и изучал природу, но и учился у неё. Звери, птицы, растения, рыбы «подсказывали» первобытному человеку, что нужно делать, чтобы решить насущные для него «инженерные» задачи.

            А что же современный человек? Окружив себя множеством машин, живя в мире больших скоростей и эпоху рассвета нанотехнологий, он снова обращается за советом к природе.   Инженеры ищут технические решения, изучая строение и функции живых организмов. Конструкторы время от времени «консультируются» с живой природой, изобретательность которой не знает границ.

Человек учится у природы, наблюдая за ней. Именно с целеустремлённого подглядывания за природой берёт своё начало новая наука – бионика. О бионике и её достижениях и пойдёт речь на занятии.

 В опорных конспектах (см. приложение 1) записывается тема урока «Бионика: прошлое, настоящее и будущее».

Учитель физики: Великий итальянский художник, ученый, изобретатель, философ, мыслитель Леонардо да Винчи является одним из самых ярких представителей Эпохи Возрождения. Почему наше занятие мы начинаем именно с Леонардо да Винчи, жившим в 15 веке? Хочу привести слова Леонардо да Винчи: природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться. А чему мы можем научиться  у природы?

     С давних пор стремился человек заглянуть «внутрь живых моделей», разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы. Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины прошлого столетия, развитие биологии и вторжение в нее таких точных наук, как физика, химия, математика и особенно кибернетика, перебросившая мост от биологии к технике,— все это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название бионики. Слово «бионика»  от древнегреческого слова «бион» - элемент, ячейка жизни, буквально - живущий.  Существует целая междисциплинарная наука о конструировании технических систем на основе идей, заимствованных у живой природы. Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе, то есть изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для усовершенствования существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций и т. д.  Официально датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 года, но основоположником бионики считается Леонардо да Винчи.

Символ бионики.

Формулировка цели нашего занятия.

     Мы хотели бы, чтобы вы по окончании занятия составили синквейн, взяв за ключевое то слово, которое,  по вашему  мнению,  является значимым, ярким, точно и четко отражает тему нашего занятия.

Синквейн
«Cinq»- во французском языке означает «пять».
Синквейн это пятистрочная строфа. Вот правила:

1 строфа: ключевое слово.

2 строфа: 2 слова – 2 прилагательных, которые характеризуют это понятие.

3 строфа: 3 слова – 3 глагола, которые обозначают действие в рамках заданной темы.

4 строфа: короткое предложение, раскрывающее отношение к теме,

5 строфа: синоним ключевого слова (существительное).                   

      3. Основная часть – презентации результатов работы групп

     Как бионика  появилась и развивалась,  нам расскажет группа историков.  Сообщение учащихся об истории становления бионики как науки (рассказ сопровождается электронной презентацией «Бионика, история её становления и основные направления на современном этапе» и поэтапным заполнением опорного конспекта)

Выступление представителей группы историков

Бионика – наука, рождённая на границе биологии и техники. Она представляет собой синтез наук.

Её девиз: «Живые организмы – ключ к новой технике».

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. К сожалению, даже современные инженеры авиастроители не могут это сделать.

Из истории нам известен другой пример заимствования у природы, более удачный: в Древней Греции было создано великолепное по тем временам изобретение: тараны, которыми разбивали ворота осаждённой крепости, стали делать с торцами в виде бараньих лбов. Такие торцы, как свидетельствуют историки, отлично воспринимали ударную нагрузку. Неведомые древнегреческие бионики, создавая таран с бараньим лбом, вероятно, рассуждали так: « Нужно, чтобы бревно не расщеплялось и не сплющивалось при ударе. Где нам приходилось видеть что-нибудь подобное? На пастбищах! Бараны сталкиваются лбами – и ничего! Отличный прототип, лучше не придумаешь…». Длительное время бионика развивалась скачкообразно.

На современном этапе бионика имеет целый ряд направлений в исследовании живых организмов (заполнение опорной схемы урока – особенности живых организмов и их практическое применение в технике):

1.      Изучение нервной системы человека и животных, моделирование нервных клеток и нейронных сетей – направлено на дальнейшее совершенствование вычислительной техники и разработки новых элементов автоматики и телемеханики.

2.      Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов – с целью разработки новых датчиков,  систем обнаружения и слежения.

3.      Изучение принципов ориентации, локации, навигации у разных животных – направлено на использование этих принципов в работе транспорта, судоходстве, технике и средствах связи.

4.      Исследование морфологических и физиологических особенностей живых организмов – с целью выдвижения новых идей в науке, технике, строительстве, архитектуре.

5.      Изучение биохимических процессов на клеточном и организменном уровнях – это составляет основу разработок современных нанотехнологий.

Учитель биологии: Мы познакомились с краткой историей становления бионики как науки, её основными направлениями. Итак, делаем вывод.

·         Что же такое бионика?

Ответ учащихся: Бионика – это наука, которая находится на границе биологии и техники, решающая инженерные задачи на основе анализа строения и принципов функционирования живых организмов (определение записывается в опорный конспект урока).

·         Какова же основная цель бионики?

Ответ учащихся: Основная цель бионики – помочь учёным перенять секреты у природы 

    (цель бионики записывается в опорный конспект урока).

Учитель физики:     Мастерская природы — нерукотворный источник всего живого на нашей планете. Природа — гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.

     Сейчас представители групп познакомят вас с некоторыми биологическими системами живой природы, представляющими интерес для биоников. Из презентации вы узнаете об особых качествах и свойствах "живых моделей", их органах чувств, способах передвижения, системах ориентации, навигации и локации, конструктивных особенностях, а представители групп продемонстрируют вам применение полученных знаний из природы для усовершенствования существующих технических систем, создание принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций и т. д.

Презентация (слайды) и выступления представителей групп.

Основные направления, отраженные в презентации:

2 группа: Приборы и материалы. (Клещи, пинцет, зажимы, складной нож, шарниры, захватывающие аппараты, дрели, сверла, крючки, присоски, липучки)

Задание от представителей команд: заимствование у природы.

Представители групп демонстрируют предмет и задают вопрос: с точки зрения бионики что является прототипом в природе данного предмета.

Шприц, игла шприца.

3 группа: Строительство и архитектура. (Модель Эйфелевой башни, гнездо, кость, соты, часть грудной клетки, зонт - крыши, отталкивающие воду)

Купол церкви.

4 группа: Отопление и охлаждение. (Мех)

Антифриз (незамерзайка – средство защиты от мороза, которое добавляют в воду системы охлаждения двигателя автомашины).

5 группа: Движение. (Роботы, вездеход, лыжи, ласты, спасательный жилет)

Коврик на присосках.

6 группа: Полеты и планирование. (Модель самолета, вертолета, вертушка)

Парусник.

     В физике развитие многих  направлений  учений об электричестве началось с исследования животного электричества. В частности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII в. Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в итоге к созданию гальванических элементов – химических источников электрической энергии.

7 группа: Электричество. (Карманный фонарик, электрофорная машина).

Изоляция электрического провода.

Выступление: Будущее бионики.

4.    Закрепление нового материала: логические пары (на столах)

Учитель биологии: Природа действительно является великим изобретателем. Достаточно часто в технике встречается парадокс: учёные-конструкторы находят удачное решение какой-либо технической задачи, а через некоторое время обнаруживается, что у живых организмов уже существуют аналогичные конструктивные решения,  как правило, более оптимальные.

Давайте познакомимся с некоторыми техническими изобретениями человека и попробуем на основе своих личных знаний и жизненного опыта, путём логического размышления найти им аналог среди живой природы.

     Учащимся предлагается в течение 3 минут найти природный аналог предложенным техническим средствам, и объединить их в логические пары с помощью стрелок (заполняется опорный конспект).  Варианты ответов комментируются учащимися.

Проверка  задания:

·         Реактивное движение ракеты – кальмар (реактивный способ передвижения широко распространён в природе). Реактивно передвигаются и кальмары. Они всасывают воду в специальную камеру, а затем с силой выталкивают её за счёт сокращения мышц, продвигаясь при этом вперёд. (В ракете используется сила выталкивающих газов.)

·         Кондиционер – термитник (Термиты же с давних пор охлаждают свои жилища с помощью особой конструкции своих гнезд). Принцип строения их жилища положен в основу конструкции кондиционера, который применяют для охлаждения помещения.

·         Самолёт – птица (Многолетние изучения крыльев птицы помогли при конструировании крыла самолёта).

·         Радар – летучая мышь (Радар работает по принципу улавливания отражающего звука). В живой природе подобной способностью обладают многие животные, в том числе и летучие мыши, которые с помощью эхолокации даже в полной темноте беспрепятственно преодолевают препятствия.

·         Пинцет – клюв веретенника. (Прототипом пинцета служит клюв веретенника). С помощью клюва птица легко вытаскивает из мягкой почвы любую добычу.

·         Ковш погрузчика – цепкие лапы птицы. (Цепкие, мощные лапы хищной птицы обеспечивают прочное захватывание добычи). Именно этот принцип положен в основу функционирования ковша погрузчика.

Итак, мы ещё раз убедились, что биология и техника тесно взаимосвязаны между собой, только нужно научиться это замечать.

5. Решение физических задач с биологическим содержанием.

Задачи

1.      Тигр прыгает горизонтально со скоростью 7 м/с со скалы высотой 16 м. На каком расстоянии от основания скалы он приземлится?

2.        С какой скоростью лосось должен   выпрыгнуть из воды, если ему необходимо преодолеть водопад высотой 2,8 м?

3.         Голубь массой 300 г равномерно набирает высоту 100 м в течение 20 с. Какую мощность он при этом развивает?

4.         Сокол пикируя отвесно свою добычу, достигает скорости 100 м/с. Какое расстояние пролетает при этом хищник?

5.         Осьминог, каракатица при перемещении используют принцип реактивного движения,  благодаря которому перемещаются в направлении, противоположном выбрасываемой струе. Определите скорость осьминога массой 800 г при одном выталкивании воды массой        100 г со скоростью 20 м/с .    

 6.       Рассматривая жировую (миелиновую)  оболочку нерва в качестве  плоского конденсатора с площадью 1 см², толщиной 2 мкм и диэлектрической проницаемостью 49, рассчитайте его электроемкость. Электрическая  постоянная      εo=8,85·10¯²³ Ф/м.

  7.       Наибольшее напряжение метрового угря равно 500 В, сила тока при этом не велика всего 0,5А. Определить сопротивление электрического угря и мощность его разряда.  

6. Проверка решения задач с объяснением.

7. Подведение итогов занятия и рефлексия

     Учащимся предлагается ответить на вопросы викторины «Подсказано природой».

                   Таблица для заполнения в ходе проведения викторины:

     Многие изобретения природы  стали прототипами предметов и механизмов, созданных человеком. Давайте попробуем отгадать, что подсмотрел человек у растений и животных.

1). Примерно в 1488 г. Леонардо да Винчи создал проект летательной машины – махолета. Какие живые организмы стали прототипом этого изобретения?

2). В 1933 г. англичанин П. Шоу изобрел рефлектор - отражатель света, идею которого позаимствовал у хорошо всем известного домашнего животного. По имени этого животного и было названо само устройство.Что это за животное и как называлось устройство?

3). Задняя конечность земноводных идеально приспособлена для плавания в воде за счет широких перепонок между пальцами. Какое хорошо известное нам приспособление придумал человек, глядя на лягушачью лапку?

4). Многие растения (ясень, клен и др.) имеют семена-крылатки, способные благодаря специальным выростам, переноситься ветром на большие расстояния. Каким образом человек издавна использует эту, подсказанную растениями, идею?

5). Кальмар движется в воде толчками, вбирая ее и выбрасывая через специальную воронку». Как называется такой принцип движения? Где его использует человек?

6). Какой бионический принцип использован при создании Эйфелевой башни? Чем обеспечивается ее прочность? Какие биологические конструкции могли стать ее прототипами?

7). Кожа акулы состоит из особых рифленых чешуек, уменьшающих сопротивление воды при движении. Что оснастил человек подобными чешуйками?

8). Летучие мыши стремительно перемещаются в темноте, издавая и улавливая ультразвуковые сигналы, отражающиеся от препятствий. В каких приборах человек использует ультразвук аналогичным образом?

9). Какое растение является живым прототипом солонки?

Учитель биологии: Сейчас стало модным за всем подглядывать. На телевиденье организуются целые проекты «За стеклом», «Дом - 2», которые пропитаны элементами шоу и зачастую лишены смысла и нравственности. Однако подсматривать за природой не только интересно, но и полезно. И в этом убеждают нас бионики своими техническими открытиями. Бионика — одна из тех наук, которая теснейшим образом связана с живой природой и которая остро ощущает необходимость в сохранении оставшихся видов на Земле. Не исключено, что среди исчезнувших с лица нашей планеты видов были и такие,  которые могли бы помочь науке решить не одну техническую проблему. Оттого, насколько разумно и бережно мы будем сегодня пользоваться созданиями мастерской природы, зависит не только материальное благополучие людей на планете, но и развитие творческой мысли человека, развитие техники, искусства и всего прогресса на Земле.

 Учитель физики:     Хочется в заключение привести слова академика А. Д. Сахарова «Научно-технический прогресс не принесет счастья, если не будет дополняться чрезвычайно глубокими изменениями социальной, нравственной и культурной жизни человечества. Внутреннюю духовную жизнь людей, внутренние импульсы их активности труднее всего прогнозировать, но именно от этого зависит в конечном итоге и гибель, и спасение цивилизации». Человек – это неотъемлемая часть природы, поэтому нам надо брать пример с животных: не изменять природу под себя, а подстраиваться под неё, если хотим сохранить жизнь на Земле.

     Техника научилась у природы методам упаковки. Природа «упаковывает свои плоды» с наименьшим количеством отходов, соблюдая основной принцип: достижение наибольшего эффекта при наименьших затратах. Человек же зачастую безумно расходует упаковочный материал, создавая при этом груды мусора. Упаковка, которую можно перерабатывать, препятствует накоплению мусора. Было бы идеально, если бы упаковка употреблялась вместе с продуктом. Кокосовый орех – пример биологической упаковки, которая хорошо защищает и выдерживает большие нагрузки. Природа и здесь может стать для нас образцом!

8. Проверка задания группам на составление синквейна.

Учащиеся зачитывают свои синквейны.

Примеры синквейнов: Бионика; сложная, интересная; наблюдай делай, используй; бионика – лучшее для человека; природа.

Приложение 1.

Опорный конспект

     Тема занятия:

Дата рождения бионики _______________________________________

                                   Символ

Девиз __________________________________________________________

……………………….                                                                     ………………...                                                                                     

Бионика  -  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………            

Основная цель бионики - …………………………………………...........................................