Большой интерес учащихся вызывают занятия, на которых они могут не только приобрести новые знания, но и сами могут добыть новые знания, а также выступить в роли учителя. Как правило, в каждом классе есть учащиеся, интересующиеся наукой и овладевшие первичными навыками научного поиска. Эта тема может быть предложена и в качестве учебного проекта для учащихся 7- 9 классов. В процессе выполнения поисковой части проекта они разделяются на несколько групп и используют различные источники для поиска информации ( справочную учебную и научную литературу, поисковые системы сети Интернет и др). Такие занятия позволяют углубить и расширить базовые знания, получаемые на уроках физики и биологии.
Организация занятия
Занятие может проводиться в любое время года, но предполагает, что учащиеся уже знакомы с основами биологии (зоология) и физики. Для его проведения выбрана форма открытого урока с краткими сообщениями учащихся о результатах своих поисков и демонстрацией презентаций. Эти учащиеся выступают в роли ЭКСПЕРТОВ. Остальные учащиеся задают вопросы, участвуют в обсуждении результатов (ОППОНЕНТЫ).
Учитель выступает в роли организатора. Во время занятия участникам задаются вопросы и в ходе занятия даются пояснения к ним или уточнение ответов на них.
Тип занятия: комбинированный.
Вид занятия: урок- конференция.
Цели занятия: обобщить и закрепить знания учащихся о многообразии и взаимосвязи природных явлений в живой и неживой природе, а также получить представление о том, что именно объекты живой природы стали первоисточником и для многих изобретений и открытий в других областях науки и послужили прототипами для создания различных приборов и устройств.
Задачи: обучающая - научить выделять главное, сравнивать и обобщать, логически мыслить, находить решение нестандартных задач; развивающая- ознакомление с методами научного исследования, изложению и представлению полученных результатов; развить и усилить мотивацию учащихся к приобретению дополнительных знаний по предмету; осуществлять межпредметные связи; воспитательная – сформировать правильные представления о собственной причастности к проблемам изучения объектов живой и неживой природы.
Оборудование: компьютер с видеопроектором или интерактивная доска, эмблема БИОНИКИ на плакате и на значках ЭКСПЕРТОВ.
План проведения занятия
- Вступительное слово учителя.
- Станция 1. Что изучает БИОНИКА?
- Станция 2. Есть ли в живых организмах ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
- Станция 3. Какие бывают ЗВУКИ и для чего они нужны?
- Станция 4. Какие еще СИГНАЛЫ могут издавать и использовать животные?
- Заключительное слово учителя.
- Задания для последующих проектов.
Ход занятия
Вступительное слово учителя: Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня у нас необычный урок. Ваши товарищи, участвующие в работе над проектом, готовы представить вам часть результатов своих поисковых исследований по установлению взаимосвязи между физическими явлениями и процессами, происходящими в некоторых живых организмах. Мы будем называть их ЭКСПЕРТАМИ, а вы можете обсуждать их сообщения, задавать вопросы, оценивать. Вы будете ОППОНЕНТАМИ.
Существует сравнительно молодая наука БИОНИКА, о которой сегодня будет идти наш разговор.
Вопрос ОППОНЕНТА №1: А ЧТО изучает БИОНИКА?
Эксперт 1: Био́ника (от др.-греч. βίον — живущее) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.
Эмблема бионики — скальпель и паяльник, перевитые интегралом.
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. Бионика тесно связана с химией, кибернетикой, биологией, физикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Эксперт 2: 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. Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по БИОНИКЕ, который официально закрепил рождение новой науки.
Эксперт 1: Основные направления работ по БИОНИКЕ охватывают следующие проблемы:
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; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Эксперт 2: Исследования анализаторных систем показывают, что каждый Анализатор животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований. В основе каждого анализатора лежат чувствительные НЕРВНЫЕ КЛЕТКИ, которые принимают сигналы из окружающей среды или способны сами вырабатывать сигналы в различной форме (электрические, звуковые, радиосигналы и т.д).
Эксперт № 1: Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45—90 кгц, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.
Учитель: Итак, мы получили представление о том, что такое БИОНИКА. Теперь послушаем, что сообщат нам эксперты по ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ.
Эксперт №2- физик- «электрик»: Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении. Этой силой является сила с которой электрическое поле действует на заряженные частицы. Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов.
Итальянский учёный Аллександро Вольта доказал, что электричество получается из- за контакта двух разных металлов. В 1799 году Вольта изготовил первую электрическую батарею, названную Вольтовым столбом. Столб этот состоял из серебряных и цинковых пластинок, нанизанных на непроводящий стержень; между пластинками были прокладки, смоченные слабой серной кислотой. Первую и последнюю пластинку соединили с проводами – и первая в мире батарейка готова. Каждая пара пластинок давала 1,1В. Если, к примеру, в батареи таких пар было 100, то напряжение составляло 110В. В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, все источники электричества, подобные описанному, стали называть Гальваническими элементами.
Эксперт- биолог: С древних пор люди знают, что существуют «электрические рыбы». Например угорь, скат, которые создают разряд, подобный разряду конденсатора. У электрического ската около 500 расположенных в виде пчелиных сот столбиков по 400 ЭП в каждом. в каждом столбике соединены последовательно, а электрические столбики — параллельно. Т. о., электрические органы действуют по принципу электрохимического генератора, способного работать непрерывно, пока осуществляется подвод реагентов и отвод продуктов химических реакций. Они иннервируются ветвями блуждающего, лицевого и языкоглоточного нервов. Разность потенциалов, развиваемая на концах электрических органов может достигать 300 В у скатов и 650 В у электрических угрей, а мощность разряда в импульсе (частота генерации импульсов от 1 до 300 в сек) — от 1 до 6 кВт (электрические скаты). Генерируемые электрические разряды служат для защиты, нападения. Электричество у ската Торпедо вырабатывается в особых органах – «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества. Столбики отделены друг от друга плотными перегородками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, сильно развиты и имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний. За несколько десятков секунд Торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюха к спине. Электростатическое поле, подобное полю диполя, создаёт вокруг себя рыба гимнарх. Если в воде нет никаких объектов, диполь симметричен. Его конфигурация зависит и от электропроводности воды и от искажений, которые возникают, если в электрическом поле есть объекты, отличающиеся по своей электропроводности от воды. Рыба воспринимает разность потенциалов с помощью электрических рецепторов, расположенных в области головы, благодаря чему определяет местонахождение объекта.
Эксперт №3 по «живому электричеству» : Существует целый ряд животных, которые вырабатывают электричество или радиосигналы для поражения добычи, защиты от врагов, а также для зондирования окружающей среды. Электрические поля образуются вокруг тела любой рыбы, но они обычно очень слабы. Специальные электрические органы большой мощности развились конвергентно у нескольких групп рыб — клюворылообразных, некоторых окунеобразных (звездочёты), угрей, скатов, сомов и др. для внутривидовойсигнализации, для ориентации и поиска добычи в мутной воде. Предполагают, что электрорецепторами, улавливающими изменения электрического поля, служат расположенные на голове соединительнотканные лоренциевы капсулы, открывающиеся тонким каналом на поверхности кожи, и рецепторы канала боковой линии. Рыбы, обладающие электрическими органами, переносят без вреда напряжения, смертельные для других рыб.
Вопрос ОППОНЕНТА №2: А какие бывают у животных ЗВУКИ и для чего они им нужны?
Эксперт-физик №4: Мы знаем, как разнообразен мир окружающих нас звуков. Звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Звуковые волны – это упругие волны в среде, вызывающие у человека слуховые ощущения. Слуховые ощущения у человека вызывают звуковые волны с частотой от 16Гц до 20000Гц. Колебания источника звука вызывают в воздухе волны сжатия и разрежения. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте источника звука. Свыше 20000 нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передачи импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают слуховые ощущения. Звуковые волны с частотой меньше 16Гц называют инфразвуковыми. Эти волны оказывают сильное воздействие на живые организмы. Это связано с тем, что сердечно – сосудистая система является колебательным контуром, собственные частота которой лежит в инфразвуковом диапазоне. При совпадении частоты инфразвука с собственной частотой колебаний этой системы возникают резонансные колебания большой амплитуды, нарушающие её нормальные функции в организме. Приложение 3
Эксперт-биолог №5:Давно замечено, что перед землетрясениями, извержениями вулканов, тайфунами, цунами все животные ведут себя крайне нервозно, беспокойно. Это связано с воздействием на них инфразвуковых колебаний. Инфразвук оказывает сильное воздействие на состояние и поведение людей. Он вызывает у людей нарушение функционирования органов равновесия, что приводит к появлению тошноты, головокружения, непроизвольное вращение глазных яблок и т. п. Многие морские птицы и животные заблаговременно узнают о приближении шторма. Медуза задолго до приближения шторма спешит укрыться в безопасном месте на большой глубине. У медузы имеются органы равновесия – статоцисты. Статоцист представляет собой пузырёк, в котором находятся сферические известковые статолиты (камешки).Изменение положения тела медузы в толще воды сопровождается перемещениями статолитов, которые ощущаются чувствительными клетками, расположенными в стенках пузыря. В приборе имитирующем «орган слуха» медузы имеется рупор, улавливающий колебания воздуха, резонатор, пропускающий колебания нужных частот, пьезодатчик, преобразующий эти колебания в импульсы электрического тока. Медузы определяют наступление шторма за 15 часов. Дельфины заплывают за скалы, киты уходят в открытое море, пингвины ложатся на снег и вытягивают свои клювы в направлении, в котором должна прийти буря или метель.
Эксперт-физик № 5: Механические колебания с частотой выше 20000Гц называются ультразвуковыми. Ультразвуковые волны хорошо распространяются в жидкостях и твёрдых телах и хуже в газах. Узкий параллельный пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень медленно расширяется, поэтому ультразвук широко применяют в медицине и промышленности. Приложение 2
Эксперт-биолог № 6: Ультразвуковыми волнами летучие мыши «ощупывают» окрестности. Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши. Здесь в виде струн натянуты голосовые связки, которые вибрируя, производят звук. Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания – ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 200импульсов. Каждый импульс длится всего от 0,002- 0,005с. Кратность звукового сигнала - очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхолокация, т.е. ориентировка с помощью ультразвука. По промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Эхолокатор летучей мыши – очень точный навигационный прибор. Он может запеленговать предмет диаметром 0,1мм. Эхолотами вооружены многие птицы: зуйки – галстучники, кроншнепы, совы и некоторые певчие птицы. С целью эхолокации издают ультразвуки небольшой частоты (20000-80000Гц) морские свинки, сумчатые летяги и даже южноамериканские обезьяны. Мыши и землеройки прежде, чем пуститься в путь по тёмным закоулкам лабиринтов, посылают вперёд бескрылых разведчиков – ультразвуки. В полной темноте они отлично находят норы в земле. И тут помогает эхолот: из этих дыр эхо не возвращается.
ОППОНЕНТ №3 Какие еще сигналы могут вырабатывать животные?
Эксперт-физик №6: Кроме звуковых волн существуют электромагнитные волны разных частот. Наибольший интерес представляют радиоволны с частотой 3·103 - 3·1011 Гц. Они применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации, радиоспектроскопии и т. д. Радиолокация – метод обнаружения и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн. В радиолокации используют электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Эти волны излучаются радиолокационной станцией (радар), отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их, чтобы точно определить место, где находится объект. Приложение 1
Эксперт- биолог № 7: В природе существуют «живые радары», например, рыба мормирус, или водяной слон. Челюсти у неё вытянуты в небольшой хоботок. Оказывается, природа наделила водяного слона удивительнейшим органом – радаром. У мормируса в хвосте помещается небольшая «батарейка». Напряжение тока, который она вырабатывает, невелико: всего 6 вольт. Но этого достаточно. Каждую минуту радиолокатор мормируса посылает в пространство 80-100 электрических импульсов. Возникающие от разрядов «батарейки» электромагнитные колебания частично отражаются от окружающих предметов и и в виде радиоэха вновь возвращаются к мормирусу. «Приёмник», улавливающий эхо, расположен в основании спинного плавника удивительной рыбки. Замечательный «радиоглаз» обнаружен также в хвосте электрического угря. Небольшие бородавки на его голове – антенны радиолокатора. Они улавливают отражённые от окружающих предметов электромагнитные волны, излучатель которых расположен в конце хвоста угря. Чувствительность радарной системы этой рыбы такова, что угорь может установить, какой природы предмет попал в зону действия локатора. Если это годное в пищу животное, он поворачивает голову в его сторону. Затем приводит в действие мощные электрические органы передней части тела – мечет в жертву «молнии» и не спеша пожирает убитую разрядом рыбу. Удивительное существо рыба – нож или айгенмания. Вид у нее странный: спинных плавников нет и хвостового тоже, лишь голый тонкий шпиль на хвосте. И ведет она себя необычно: вертит этим самым шпилем во все стороны, словно «принюхивается» хвостом. И прежде чем залезть под корягу или в пещерку на дно, сует в щель сначала опять – таки хвост, а потом, если обследование дало «положительные» результаты, сама туда забирается. Но лезет не головой вперёд, а хвостом. Похоже, рыбки ему доверяют больше, чем глазам.
Заключительное слово учителя: Итак, мы с удовольствием ознакомились с результатами информационного поиска наших экспертов! Скажите, как мы оценим их деятельность? Конечно, работа проделана огромная и мы узнали много нового! А не появилось ли желание еще у кого- нибудь включиться в наш проект?
Есть еще множество направлений, где вы можете проявить себя и пополнить свои знания и нашу «копилку» БИОНИКИ.
Вопросы для последующих поисковых исследований:
- Почему летают птицы?
- А почему летают рыбы?
- Семена растений тоже летают. Почему?
- Что общего в строении винта вертолета и крылатками клена?
- Как человек научился летать?
Рекомендуемые источники:
- Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963
- Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963
- ; Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967;
- Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967;
- Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968;
- Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968:
- Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
- Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)
- http://www.youtube.com/watch
- http://ru.wikipedia.org/wiki
- http://dic.academic.ru
- http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=yZudzbrE4zI