資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第二單元《仿生》大單元整體教學設計
教材版本 蘇教版 單元（或主題）名稱 仿生
單元主題 本單元圍繞 “仿生” 這一主題，引導學生了解生物的獨特結構、功能對人類發明創造的啟示，探索人類如何模仿生物進行技術創新，培養學生對生物與技術之間聯系的認知，激發學生的創新意識和科學探究精神。
課標要求 核心概念 地球上生活著不同種類的生物，生物具有區別于非生物的特征；技術與工程是依據科學原理設計和制造產品、解決實際問題的實踐活動。 學習內容 知道一些生物的結構和功能是如何啟發人類發明創造的，了解仿生學的概念。 認識常見生物的特殊結構和功能，如蛋殼的拱形結構、海豚的回聲定位等，并理解其在仿生學中的應用。 了解仿生學在日常生活、科學研究、工程技術等領域的廣泛應用。 學業要求 能夠舉例說明生物的結構和功能對人類發明創造的啟示，解釋仿生學的概念。 分析具體生物結構和功能的特點，闡述其與相應仿生應用之間的關系。 基于對仿生學的理解，嘗試提出一些簡單的仿生設計思路或改進方案。
教材分析 本單元教材以仿生學為線索，編排了四課內容。第一課《生物的啟示》通過呈現大量生物對人類發明產生啟發的實例，如魯班根據茅草發明鋸子等，讓學生初步感知生物與發明之間的聯系，引出仿生學的概念。第二課《蛋殼與拱形建筑》聚焦于蛋殼的拱形結構，深入探究其力學原理以及在建筑領域的應用，引導學生從生物結構特性深入理解仿生學的應用原理。第三課《海豚與聲吶》以海豚的回聲定位功能為切入點，介紹聲吶技術的原理及應用，進一步揭示生物特性在科學技術發明中的重要作用。第四課《我們來仿生》則鼓勵學生運用所學的仿生學知識，開展創意設計和實踐活動，培養學生的創新思維和實踐能力。教材內容由淺入深，從感知到理解再到應用，逐步引導學生認識仿生學，符合學生的認知規律。
學情分析 五年級學生已具備一定科學知識基礎和探究能力，對生物世界充滿好奇，有觀察生物現象的經驗，但對生物特征與人類發明的聯系認識較淺，抽象思維能力有待提高。理解仿生學原理并將其應用于設計實踐，對部分學生有難度。學生可能認為生物與科技聯系不大，學習時難以將已有生物知識與新技術建立關聯，對一些復雜仿生原理理解困難，在實踐設計中可能受思維局限，創新不足。
單元目標 科學觀念： 學生能認識到生物的結構、功能為人類發明創造提供了靈感，建立生物與技術相互關聯的觀念。 理解仿生學在改善人類生活、推動科技進步方面的重要作用，體會科學技術對社會發展的影響。 科學思維： 通過分析生物特征與人類發明的對應關系，培養邏輯思維能力。 在探究拱形結構特點等活動中，發展基于證據進行推理、分析和歸納的能力。 能運用類比、想象等思維方法，設計仿生方案，培養創新思維。 探究實踐： 經歷觀察生物特征、實驗探究結構特點、調查仿生實例等活動，提高觀察、實驗、調查等科學探究能力。 能在小組合作中設計并實施探究方案，培養團隊協作和解決實際問題的能力。 嘗試將所學仿生知識應用于設計制作活動，增強實踐操作能力。 責任態度： 激發對仿生學的探究興趣，培養熱愛科學、勇于探索的精神。 認識到仿生學發展對人類社會和環境的雙重影響，樹立合理利用仿生技術的意識，培養社會責任感。
單元結構化活動 活動一：生物啟示大發現（結合第一課《生物的啟示》） 活動目標：引導學生發現生物與人類發明之間的聯系，初步感知仿生學概念。 活動過程： 教師展示一系列生物圖片和對應的人類發明圖片，如鳥與飛機、魚與潛水艇等，讓學生觀察并猜測它們之間的聯系。 學生分組討論，分享自己所知道的生物對人類發明的啟示實例，每組選派代表發言。 教師講解仿生學的概念，讓學生對仿生學有初步的認識。 活動二：探秘蛋殼與拱形（結合第二課《蛋殼與拱形建筑》） 活動目標：探究蛋殼的拱形結構及其力學原理，理解拱形結構在建筑中的應用。 活動過程： 學生觀察蛋殼的外形，用手捏雞蛋感受其抗壓能力，提出關于蛋殼結構與抗壓能力關系的問題。 分組進行實驗，用硬紙板制作不同形狀（拱形、平面等）的結構模型，測試它們的承重能力，記錄實驗數據并分析。 教師講解拱形結構的力學原理，展示拱形結構在建筑中的應用實例，學生討論拱形結構在建筑中的優勢。 活動三：海豚聲吶之旅（結合第三課《海豚與聲吶》） 活動目標：了解海豚回聲定位原理和聲吶技術，認識生物特性與科學技術的關聯。 活動過程： 播放海豚在海洋中活動的視頻，引導學生思考海豚如何在黑暗環境中定位和捕食，引出回聲定位概念。 學生分組查閱資料，了解海豚回聲定位的具體過程，制作簡單的科普海報展示。 教師講解聲吶技術的工作原理，對比海豚回聲定位和聲吶技術，組織學生討論聲吶技術在不同領域的應用。 活動四：創意仿生設計秀（結合第四課《我們來仿生》） 活動目標：運用仿生學知識進行創意設計，培養創新思維和實踐能力。 活動過程： 回顧前三課所學的仿生學知識，展示一些優秀的仿生設計作品，啟發學生的設計靈感。 學生獨立思考，結合生活實際需求，構思一個基于仿生學原理的創意設計方案，可以是一件產品、一種技術或一個系統等。 學生將自己的創意設計以繪畫、文字描述或簡單模型的形式呈現出來，并在小組內進行交流分享，其他小組成員提出評價和改進建議，共同完善創意設計。最后進行全班展示。
達成評價 圍繞課時學習目標 課堂表現評價：觀察學生課堂參與度，包括回答問題、小組討論、實驗操作中的表現，評價其對知識的理解和探究能力。 作業評價：布置課后作業，如繪制生物特征與仿生發明關系圖、分析某一仿生產品原理等，評價學生對知識的掌握和應用能力。 實踐作品評價：依據仿生作品設計創新性、功能合理性、制作工藝等方面，評價學生實踐能力和創新思維。 單元測試評價：設計單元測試題，涵蓋生物啟示、結構與功能仿生知識及設計應用，全面評價學生單元學習成果。
第5課時《生物的啟示》教學設計
一、教學目標
科學探究能力
學生能夠主動觀察生物的獨特結構、功能和行為，提出與生物啟示相關的問題，并通過查閱資料、調查訪問等方式收集證據。
針對特定的生物特征，設計并實施簡單的探究實驗，學會控制變量、觀察記錄實驗現象，分析實驗結果，得出合理結論。
能夠運用多種方式（如文字、圖表、模型等）表達探究成果，并與他人進行交流討論，在交流中反思和改進探究過程。
科學思維能力
通過對生物特征與人類發明關系的研究，發展邏輯思維，能夠從具體的生物現象中歸納出一般性的啟示規律，并運用這些規律進行演繹推理。
運用類比、聯想、想象等思維方法，從生物的結構和功能聯想到實際應用場景，提出創新性的仿生設計思路，培養創造性思維。
在面對不同的仿生觀點和方案時，能進行批判性思考，評估其科學性、可行性和創新性，培養科學批判思維。
科學素養
了解常見生物的特殊結構和功能，如動物的運動方式、植物的形態結構等，知道這些特征如何為人類的發明創造提供靈感。
理解仿生學的基本概念和發展歷程，認識仿生學在多個領域（如醫學、交通、建筑等）的廣泛應用，體會科學技術與生物之間的緊密聯系。
掌握一些簡單的仿生設計方法和原理，能夠識別生活中常見的仿生產品，并闡述其仿生的生物原型及原理。
責任態度
對生物與人類發明之間的奇妙聯系產生濃厚興趣，激發探索自然奧秘和追求科學知識的熱情。
在探究過程中，養成嚴謹認真、實事求是的科學態度，尊重實驗數據和事實，敢于面對挫折和失敗，勇于嘗試新的探究方法和思路。
意識到仿生學對推動科技進步和改善人類生活的重要意義，培養對科學技術的尊重和熱愛，增強為科學事業貢獻力量的責任感。
二、教學重難點
教學重點
了解不同生物的特殊結構、功能及其對人類發明的啟示，建立生物特征與仿生應用之間的聯系。
理解仿生學的概念，認識仿生學在各個領域的應用實例，體會仿生學的重要性。
教學難點
從生物復雜的特征中提取關鍵要素，并將其轉化為可應用的仿生原理，培養學生的知識遷移和創新應用能力。
引導學生運用仿生學原理進行創新性的設計和實踐，提高學生解決實際問題的能力。
三、教學過程
學習活動 設計意圖
（一）情境導入 播放一段精彩的動物世界視頻，展示獵豹奔跑、鳥兒飛翔、魚兒游動等畫面，在播放結束后，教師提問：“同學們，在視頻中我們看到了各種生物獨特的本領，你們有沒有想過人類的一些發明可能和這些生物的本領有關呢？” 組織學生進行小組討論，鼓勵學生分享自己所知道的人類從生物身上獲得啟示的例子，如飛機與鳥兒、船槳與魚鰭等。 每組選派一名代表發言，向全班匯報小組討論的內容，教師對學生的發言進行點評和總結，引出本節課的主題 —— 生物的啟示。 通過精彩的視頻展示，吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣和好奇心，使學生快速進入學習狀態。 小組討論為學生提供了交流和分享的平臺，讓學生能夠充分表達自己的想法，培養學生的合作學習能力和語言表達能力，同時也能讓教師了解學生已有的知識儲備。 教師的點評和總結，自然地引出本節課的主題，為后續的教學內容做好鋪墊。
（二）探究活動 探究活動一：觀察生物的特殊結構 教師給每個小組發放一些具有特殊結構的生物標本或模型（如貝殼、蜂巢、仙人掌等），讓學生仔細觀察這些生物的結構特點，包括形狀、紋理、組成部分等。 學生在觀察過程中，用文字、繪圖等方式記錄下自己觀察到的生物結構特征，并思考這些結構可能具有的功能。 小組內交流觀察記錄，討論這些生物結構與功能之間的關系，嘗試推測這些結構對人類的啟示。 探究活動二：探究生物的特殊功能 教師展示一些關于生物特殊功能的圖片或視頻，如電鰻放電、螢火蟲發光、蝙蝠回聲定位等，引導學生觀察并思考這些生物特殊功能的原理。 學生分組，選擇一種生物特殊功能進行深入探究，通過查閱資料、小組討論等方式，了解該功能的工作原理和相關科學知識。 每組選派一名代表，向全班介紹小組探究的生物特殊功能及其原理，其他小組可以提問和補充。 探究活動三：分析生物啟示的案例 教師講解一些典型的生物啟示案例，如魯班發明鋸子、人們根據荷葉自清潔原理發明自清潔材料等，詳細分析生物特征與人類發明之間的聯系。 學生分組，選擇一個案例進行深入分析，從生物的結構、功能出發，探討人類是如何從中獲得啟示并進行發明創造的，分析發明創造過程中運用的科學方法和思維方式。 各小組制作分析報告，以圖表、文字相結合的形式呈現生物特征、啟示點、發明成果以及應用領域等內容。 小組代表展示分析報告，全班共同討論，總結生物啟示案例分析的方法和要點。 探究活動四：設計簡單的仿生實驗 教師引導學生回顧前面探究的生物結構、功能及相關啟示案例，鼓勵學生基于某一生物特征，提出一個關于仿生應用的假設。例如，假設根據壁虎腳的吸附原理，可以設計一種更便捷的攀爬工具。 學生分組，圍繞自己提出的假設，設計簡單的仿生實驗方案。方案中要明確實驗目的、實驗材料、實驗步驟、變量控制以及預期結果等內容。 小組之間互相交流實驗方案，提出修改建議，完善實驗方案。 各小組按照完善后的實驗方案進行實驗，觀察記錄實驗現象和數據，分析實驗結果是否支持假設。 探究活動五：創意仿生設計 教師展示一些創意仿生設計作品的圖片或視頻，如模仿鳥巢的建筑、模仿水母的機器人等，啟發學生的設計靈感。 學生獨立思考，從生物的結構、功能、行為等方面獲取靈感，構思一個具有創意的仿生設計方案，可以是一件產品、一種技術或一個系統等。 學生將自己的創意設計方案以繪畫、文字描述或簡單模型的形式呈現出來，并標注出仿生的生物原型、設計思路和預期功能。 學生在小組內展示自己的創意設計，進行交流分享，其他小組成員提出評價和改進建議，共同完善創意設計。 探究活動六：調查生活中的仿生產品 教師布置任務，讓學生以小組為單位，通過網絡搜索、實地調查、采訪等方式，調查生活中的仿生產品。調查內容包括產品名稱、仿生的生物原型、產品特點、應用領域以及對人們生活的影響等。 各小組整理調查資料，制作成調查報告，可以采用圖文并茂的 PPT 形式。 小組代表在全班展示調查報告，介紹小組調查的生活中的仿生產品，分享調查過程中的發現和體會。 全班共同討論，總結仿生產品在生活中的廣泛應用及其重要性，思考仿生學未來的發展方向。 通過觀察實物標本或模型，讓學生直觀地感受生物結構的獨特之處，培養學生的觀察能力和動手操作能力。 記錄觀察結果和思考結構功能，有助于培養學生的科學記錄和邏輯思維能力，促使學生深入思考生物結構與功能的聯系。 小組交流討論，激發學生的思維碰撞，培養學生的合作學習能力和創新思維，為后續探究生物對人類的啟示奠定基礎。 展示豐富的生物特殊功能素材，拓寬學生的視野，激發學生對生物特殊功能的探究興趣。 分組探究培養學生的自主學習能力和團隊協作能力，讓學生深入了解生物特殊功能的原理，提高學生的信息收集和整理能力。 代表介紹和交流環節，鍛煉學生的表達能力和溝通能力，促進學生之間的知識共享和思維碰撞。 通過教師講解典型案例，為學生提供分析范例，幫助學生掌握分析生物啟示案例的基本方法和思路。 分組深入分析案例，培養學生的分析問題和解決問題的能力，讓學生理解生物特征與人類發明之間的內在聯系，體會科學思維在發明創造中的應用。 制作和展示分析報告，鍛煉學生的信息整合能力、表達能力和團隊協作能力，同時通過全班討論，加深學生對生物啟示案例的理解。 引導學生提出仿生應用假設，培養學生的創新思維和問題提出能力，激發學生的探究欲望。 設計實驗方案過程，鍛煉學生的科學探究能力、邏輯思維能力和團隊協作能力，讓學生學會運用科學方法驗證自己的假設。 交流和完善實驗方案，培養學生的批判性思維和溝通能力，使實驗方案更加科學合理。 實施實驗和分析結果，培養學生的動手操作能力和數據分析能力，讓學生體驗科學探究的完整過程。 展示創意仿生設計作品，拓寬學生的設計思路，激發學生的創新意識和創造力。 獨立構思和呈現設計方案，培養學生的創新思維能力、動手實踐能力和表達能力，將所學知識應用于實際設計中。 小組交流和評價改進，促進學生之間的思想交流和相互學習，培養學生的批判性思維和團隊協作能力，提高學生的創意設計水平。 開展調查活動，培養學生的社會實踐能力、信息收集和整理能力，讓學生深入了解仿生學在生活中的實際應用情況。 制作和展示調查報告，鍛煉學生的資料整合能力、表達能力和團隊協作能力，同時促進學生之間的知識共享。 全班討論總結，加深學生對仿生學應用和發展的認識，培養學生的總結歸納能力和對科學技術發展的展望能力。
（三）生活應用 教師展示一些生活中常見的問題情境圖片，如高樓清潔困難、山區交通不便、室內空氣凈化等。 學生分組，針對這些生活問題，運用所學的仿生學知識，討論并提出基于生物啟示的解決方案。例如，根據蜘蛛爬行能力設計高樓清潔機器人，根據穿山甲挖掘能力設計山區隧道挖掘工具等。 每組選派一名代表，向全班介紹小組提出的解決方案，包括仿生的生物原型、設計思路、預期效果等。 其他小組同學對方案進行評價和討論，提出改進意見和建議，共同完善解決方案。 展示生活問題情境，引導學生關注生活中的實際問題，培養學生運用科學知識解決實際問題的意識。 分組討論提出解決方案，培養學生的創新思維和團隊協作能力，讓學生將仿生學知識應用于解決生活問題，提高學生的知識應用能力。 代表介紹和全班評價討論，鍛煉學生的表達能力和批判性思維能力，通過交流和完善方案，培養學生解決實際問題的能力。
（四）知識總結 教師引導學生回顧本單元所學的內容，包括生物的特殊結構和功能、生物啟示的案例、仿生實驗設計、創意仿生設計以及生活中的仿生應用等方面。 讓學生以小組為單位，制作一份知識框架圖或思維導圖，梳理本單元的知識體系，突出生物特征與仿生應用之間的邏輯關系。 每個小組推選一名代表，向全班展示并講解小組制作的知識框架圖或思維導圖，其他小組可以提出補充或修改意見。 教師對各小組的展示進行評價，總結本單元的重點知識，強調仿生學在科學技術發展和人類生活中的重要作用，幫助學生完善知識體系。 回顧所學內容，幫助學生鞏固記憶，強化對重點知識的理解，梳理知識脈絡。 制作知識框架圖或思維導圖，培養學生的歸納總結能力和知識整合能力，有助于學生構建系統的知識體系，提升學習效果。 代表展示與交流環節，鍛煉學生的表達能力和團隊協作能力，通過小組間的互動，進一步完善知識體系，教師的評價與總結加深學生對知識的整體把握。
四、作業設計
（一）、填空題
1.人們根據荷葉的（自清潔）功能，發明了自清潔材料。
2.飛機的機翼設計模仿了鳥類翅膀的（形狀和結構）。
3.仿生學是一門模仿生物的（結構）、（功能）等進行發明創造的學科。
4.雷達的發明是受了（蝙蝠回聲定位）的啟示。
（二）、判斷題
1.只有動物的特征能給人類發明提供啟示，植物的特征沒有這種作用。（×）
解析：植物的特征同樣能給人類發明提供啟示，如魯班根據茅草發明鋸子，荷葉啟示人們發明自清潔材料等。
仿生產品只能應用于科技領域，對日常生活沒有幫助。（×）
解析：仿生產品在日常生活中有廣泛應用，如泳衣模仿鯊魚皮膚，尼龍搭扣模仿蒼耳等，給日常生活帶來便利。
所有的仿生設計都必須完全模仿生物的結構和功能。（×）
解析：仿生設計是在理解生物結構和功能的基礎上，進行合理的借鑒和創新，并非完全模仿。
（三）、選擇題
1.下列發明中，與生物無關的是（ ）
A. 電子手表 B. 潛水艇（模仿魚鰾） C. 鋸子（模仿茅草）
答案：A
人們模仿蜂巢的結構，設計出了（ ）
A. 薄殼建筑 B. 飛機 C. 雷達
答案：A
下列哪種生物的功能被應用于軍事偽裝技術？（ ）
A. 變色龍 B. 螢火蟲 C. 電鰻
答案：A
以下屬于仿生學應用的是（ ）
A. 利用太陽能發電 B. 依據蝴蝶翅膀鱗片調節體溫的原理設計太空服 C. 用塑料制作玩具
答案：B
（四）、簡答題
1.請舉例說明一種生物的結構或功能對人類發明的啟示，并闡述其原理。
答案：例如，人們根據壁虎腳的吸附功能發明了壁虎膠帶。壁虎腳掌上有許多細小的剛毛，這些剛毛與物體表面產生分子間作用力（范德華力），從而使壁虎能夠在墻壁等垂直表面自由攀爬。受此啟發，科學家們研發出一種模仿壁虎腳掌結構的膠帶，通過微觀結構設計，使膠帶表面產生類似的分子間作用力，實現物體的粘貼和攀爬功能。
2.簡述仿生學對人類社會發展的重要意義。
答案：仿生學對人類社會發展具有多方面重要意義。在科技領域，它為發明創造提供靈感，推動了航空航天、電子通訊、醫療等眾多行業的技術創新，如飛機、雷達等發明。在日常生活中，仿生產品提高了人們的生活質量，像自清潔材料、泳衣等。在環境保護方面，仿生學可幫助設計更環保、可持續的技術和產品，減少對環境的影響?？傊?，仿生學促進了科學技術的進步，改善了人類生活，推動了社會的可持續發展。
3.你認為在進行仿生設計時，需要注意哪些方面？
答案：在進行仿生設計時，首先要深入了解生物的結構、功能及其原理，確保對生物特征的準確把握。其次，要結合實際需求和應用場景，思考如何將生物的特點轉化為實際可用的設計。還要考慮技術的可行性和成本效益，確保設計能夠在現有技術條件下實現，并具有一定的經濟合理性。同時，要注重創新，不能僅僅局限于簡單模仿，要在借鑒生物特征的基礎上進行創新設計，以滿足不同的需求和提升產品性能。
（五）、科學探究
假設你觀察到螞蟻能夠在復雜的地形上高效地搬運食物，并且它們之間通過化學信號進行溝通協作。請你基于螞蟻的這些特點，設計一個關于小型運輸系統的探究實驗，以提高在復雜地形上的物資運輸效率。
實驗目的
驗證模擬螞蟻溝通協作與適應復雜地形特性的小型運輸系統，是否能提高在復雜地形上的物資運輸效率。
實驗材料
小型機器人：20 個具備基本移動和物資夾持功能的小型機器人，將其平均分為實驗組和對照組。
復雜地形模擬裝置：定制一個大型沙盤，在其中構建多樣化的復雜地形，如設置不同高度的山丘（高度范圍 5 - 15 厘米）、寬度不同的溝壑（寬度范圍 3 - 8 厘米）、不同角度的彎道（角度范圍 30° - 90°）等，確保地形具有足夠的復雜性和挑戰性。
模擬物資：準備多種不同重量和形狀的模擬物資，如重量為 50 克、100 克、200 克的正方體、球體、圓柱體等形狀的物體，以模擬不同類型的實際物資。
化學信號模擬設備：為實驗組機器人配備可釋放特定氣味（模擬螞蟻化學信號）的裝置，以及能感應這些氣味的傳感器，確保機器人之間可通過 “化學信號” 進行信息交互。同時準備信號接收與分析設備，用于記錄和分析機器人之間傳遞的 “化學信號” 數據。
數據記錄與分析工具：攝像機、計時器、電子秤等，用于記錄機器人的行動軌跡、搬運時間、搬運物資重量等數據，并使用專業的數據記錄表格和數據分析軟件對數據進行整理與分析。
實驗步驟
實驗準備階段
對所有小型機器人進行調試，確保其移動、夾持等基本功能正常，并記錄每個機器人的初始參數。
在復雜地形模擬裝置上標記起點和終點位置，起點設置物資存放區，終點設置物資卸載區。
為實驗組機器人安裝化學信號模擬裝置，并根據螞蟻化學信號溝通的原理，編寫相應的程序，使其能通過釋放和感應 “化學信號” 實現信息交互與協作搬運。對照組機器人保持原有簡單搬運程序不變。
實驗實施階段
第一輪實驗：
在物資存放區放置重量為 50 克的正方體模擬物資。
同時啟動實驗組和對照組各 5 個機器人，記錄它們從起點出發搬運物資到終點的時間、搬運路徑（通過攝像機記錄后分析）以及成功搬運的物資數量。
每次搬運完成后，將機器人和物資復位到起點，重復上述操作 10 次，取平均值作為該輪實驗數據。
第二輪實驗：
更換模擬物資為重量 100 克的球體，重復第一輪實驗的步驟，記錄相應數據。
第三輪實驗：
使用重量 200 克的圓柱體模擬物資，再次重復上述實驗過程并記錄數據。
第四輪實驗：
調整復雜地形模擬裝置，增加地形難度，如增高山丘高度、加寬溝壑寬度等。
放置重量 100 克的正方體模擬物資，重復上述實驗步驟，記錄機器人在更復雜地形下的搬運時間、路徑及成功搬運數量等數據。
實驗數據整理與分析階段
使用攝像機記錄的視頻，通過專業軟件分析機器人的行動軌跡，統計其在復雜地形中選擇的路線長度、遇到障礙的次數以及繞過障礙的方式等信息。
根據計時器記錄的數據，計算每組機器人每次搬運物資的平均時間。
利用電子秤記錄每次搬運物資的實際重量，分析不同組機器人搬運不同重量物資的能力。
將所有數據整理到預先設計好的數據記錄表格中，運用數據分析軟件（如 Excel、SPSS 等）進行數據處理和分析。通過對比實驗組和對照組的數據，判斷基于螞蟻特點設計的小型運輸系統是否能提高在復雜地形上的物資運輸效率。
變量控制
機器人相關變量：保持實驗組和對照組機器人的硬件規格、尺寸、動力系統等物理參數完全一致，確保機器人自身性能不會對實驗結果產生干擾。同時，在實驗過程中對機器人進行定期檢查和維護，保證其性能穩定。
地形相關變量：每次實驗前，確保復雜地形模擬裝置的地形設置完全相同，包括山丘高度、溝壑寬度、彎道角度等地形參數。若需要改變地形難度進行特定實驗，需明確記錄地形改變的具體參數，并在后續數據分析中考慮該因素的影響。
物資相關變量：對于每種重量和形狀的模擬物資，確保其物理特性一致。如相同重量的正方體模擬物資，其邊長、材質密度等參數保持不變，避免因物資本身差異影響機器人的搬運效率。
環境相關變量：實驗應在相對穩定的室內環境中進行，控制環境溫度、濕度、光照等因素基本保持恒定，減少環境因素對機器人運行和實驗結果的干擾。
預期結果
在搬運相同重量和形狀的模擬物資時，實驗組機器人由于能夠通過模擬化學信號進行溝通協作，在選擇搬運路徑、繞過障礙以及協同搬運等方面表現更優，因此完成搬運任務的平均時間應短于對照組，且成功搬運的物資數量可能更多。
隨著模擬物資重量的增加，對照組機器人可能因協作困難，導致搬運效率大幅下降，而實驗組機器人憑借模擬螞蟻的協作機制，搬運效率下降幅度相對較小。
在地形難度增加的情況下，實驗組機器人通過模擬螞蟻根據化學信號調整行動的方式，能更好地適應復雜地形，其搬運效率相比對照組下降幅度更小，甚至可能保持相對穩定。
第6課時《蛋殼與拱形建筑》教學設計
一、教學目標
科學探究能力
能夠通過觀察、實驗等方法，探究蛋殼和拱形結構的特點，學會設計并進行簡單的對比實驗，如比較不同形狀結構的承重能力。
會使用適當的工具和材料制作拱形模型，培養動手操作能力，并在制作過程中嘗試改進和優化模型。
能運用多種方式記錄和整理實驗數據，依據實驗結果進行分析和總結，得出關于蛋殼與拱形結構關系及特點的結論。
科學思維能力
基于對蛋殼和拱形結構的探究，分析它們的力學原理，培養邏輯思維能力，理解結構與功能之間的聯系。
通過類比、想象等思維方法，從蛋殼的拱形結構聯想到拱形建筑，思考其在實際應用中的優勢，發展創造性思維。
在探究過程中，對不同的觀點和實驗方案進行批判性思考，評估其合理性與可行性，提升科學批判思維能力。
科學素養
了解蛋殼的結構特點，認識到蛋殼的拱形結構使其具有良好的抗壓能力。
理解拱形結構的力學原理，知道拱形結構在建筑領域及其他方面的廣泛應用。
掌握一些與拱形結構相關的科學知識，如拱形的受力分布、如何增強拱形的穩定性等。
責任態度
對蛋殼與拱形建筑之間的聯系產生好奇，激發探索科學知識的興趣，培養熱愛科學的情感。
在實驗探究過程中，養成嚴謹認真、實事求是的科學態度，尊重實驗數據和結果。
意識到科學知識在建筑設計和生活中的重要作用，培養將科學知識應用于實際的意識和責任感。
二、教學重難點
教學重點
探究蛋殼和拱形結構的特點及力學原理。
理解拱形結構在建筑中的應用及優勢。
教學難點
從力學角度深入理解蛋殼拱形結構的抗壓原理，并能將其與拱形建筑的應用建立聯系。
運用拱形結構的原理，設計并制作出具有一定承重能力的拱形模型。
三、教學過程
學習活動 設計意圖
（一）情境導入 教師拿出一個生雞蛋，提問學生：“如果老師用力捏這個雞蛋，會發生什么？” 引導學生猜測。 教師輕輕用力捏雞蛋，展示雞蛋并沒有被捏碎，引發學生的好奇心，然后提問：“為什么看似脆弱的雞蛋，用手捏卻不容易碎呢？” 組織學生進行小組討論，分享自己的想法，每組選派一名代表發言。 通過直觀的演示和問題引導，迅速吸引學生的注意力，激發學生的好奇心和探究欲望。 小組討論為學生提供交流平臺，培養學生的合作學習能力和獨立思考能力，同時讓教師了解學生對該現象的已有認知。
（二）探究活動 探究活動一：觀察蛋殼的結構 給每個學生發放一個生雞蛋（或熟雞蛋），讓學生仔細觀察雞蛋的外形，感受其表面的弧度，并用手輕輕觸摸，體會蛋殼的薄厚。 引導學生用放大鏡觀察蛋殼的表面，看看是否能發現一些細微的結構特點。 組織學生交流觀察到的蛋殼結構特點，教師進行總結和補充。 探究活動二：探究蛋殼的抗壓能力 教師提問：“我們都看到了雞蛋很難用手捏碎，那它到底能承受多大的壓力呢？” 引發學生思考。 學生分組，每組準備一些相同的雞蛋、木板和砝碼。將雞蛋兩端輕輕放在木板上，然后逐漸在木板上添加砝碼，觀察雞蛋能承受多少砝碼的重量才會破裂，并記錄數據。 各小組匯報實驗數據，比較不同小組的結果，討論影響雞蛋抗壓能力的因素。 探究活動三：認識拱形結構 教師展示一些拱形結構的圖片，如拱橋、拱門等，引導學生觀察這些拱形結構的形狀特點，提問：“這些拱形結構和蛋殼有什么相似之處？” 用硬紙板制作一個簡單的拱形模型，向學生演示拱形結構在承受壓力時的特點，如拱形會將壓力向兩邊傳遞。 讓學生用手感受拱形模型在受力時的變化，體會拱形結構的穩定性。 探究活動四：探究拱形結構的承重能力 學生分組，每組用相同規格的硬紙板制作不同跨度（如跨度為 10 厘米、15 厘米、20 厘米）的拱形模型。 搭建一個簡易的測試裝置，將拱形模型放在兩個支撐物上，在拱形模型上逐漸添加重物（如鉤碼），記錄每個拱形模型能承受的最大重量。 分析實驗數據，比較不同跨度拱形模型的承重能力，討論拱形跨度與承重能力之間的關系。 探究活動五：制作并改進拱形承重模型 學生以小組為單位，利用提供的材料（如硬紙板、膠水、竹簽等），制作一個盡可能承重的拱形模型。 對制作好的拱形模型進行承重測試，記錄其承重能力。 根據測試結果，小組討論分析模型存在的問題，嘗試對模型進行改進，如增加支撐、改變拱形形狀等，再次進行測試，觀察承重能力的變化。 探究活動六：了解拱形結構在建筑中的應用 教師展示一些著名的拱形建筑圖片或視頻，如趙州橋、悉尼歌劇院等，介紹這些建筑的特點和歷史背景。 學生分組，選擇一座拱形建筑進行深入研究，通過查閱資料，了解該建筑采用拱形結構的原因、設計特點以及在建筑史上的意義。 每組選派一名代表，向全班介紹小組研究的拱形建筑，分享研究成果。 通過直接觀察和觸摸，讓學生直觀地感受蛋殼的外形和質地，培養學生的觀察能力。 使用放大鏡觀察，引導學生關注蛋殼的細微結構，培養學生的科學探究意識和細致觀察的習慣。 交流環節促進學生之間的思維碰撞，加深對蛋殼結構的認識。 以問題為導向，激發學生的探究欲望，引導學生通過實驗來探究蛋殼的抗壓能力。 小組實驗培養學生的動手操作能力、團隊協作能力以及數據記錄和分析能力。 通過討論影響因素，培養學生的科學思維能力，讓學生認識到實驗結果可能受到多種因素的影響。 通過圖片展示，引導學生將拱形結構與蛋殼建立聯系，培養學生的觀察和類比能力。 教師演示和學生親身體驗，讓學生直觀地了解拱形結構的力學特點，為后續深入探究奠定基礎。 制作不同跨度的拱形模型，培養學生的動手能力和設計能力。 通過實驗探究和數據分析，讓學生了解拱形跨度對承重能力的影響，培養學生的科學探究能力和邏輯思維能力。 制作承重模型，讓學生將所學的拱形結構知識應用到實際操作中，培養學生的實踐能力和創新能力。 通過測試、分析和改進模型，培養學生發現問題、解決問題的能力，以及不斷優化設計的意識。 展示著名拱形建筑，拓寬學生的視野，讓學生感受拱形結構在建筑領域的廣泛應用和重要價值。 分組研究培養學生的自主學習能力和團隊協作能力，加深學生對拱形結構在建筑中應用的理解。 代表介紹鍛煉學生的表達能力，促進學生之間的知識交流和共享。
（三）生活應用 教師展示一些生活中常見的應用拱形結構的物品圖片，如安全帽、隧道、涵洞等，引導學生思考這些物品為什么采用拱形結構。 學生分組討論，分析這些物品中拱形結構的作用，以及與蛋殼和拱形建筑原理的聯系。 每組選派一名代表發言，向全班分享小組討論的結果，教師進行總結和補充。 從生活實例出發，讓學生認識到科學知識與生活的緊密聯系，培養學生用科學的眼光觀察生活的習慣。 小組討論培養學生的合作學習能力和分析問題的能力，加深學生對拱形結構應用原理的理解。 代表發言和教師總結，強化學生對拱形結構在生活中應用的認識，提高學生運用科學知識解釋生活現象的能力。
（四）知識總結 教師引導學生回顧本節課所學內容，包括蛋殼的結構和抗壓能力、拱形結構的特點和承重能力、拱形結構在建筑和生活中的應用等。 讓學生以小組為單位，制作一份思維導圖，梳理本節課的知識要點，突出知識之間的邏輯關系。 每個小組推選一名代表，向全班展示并講解小組制作的思維導圖，其他小組可以提出補充或修改意見。 教師對各小組的展示進行評價，總結本節課的重點知識，強調結構與功能的關系以及科學知識在生活中的應用。 回顧所學內容，幫助學生鞏固知識，強化記憶。 制作思維導圖培養學生的歸納總結能力和知識整合能力，有助于學生構建系統的知識體系。 代表展示和交流環節，鍛煉學生的表達能力和團隊協作能力，通過小組間的互動，進一步完善知識體系，教師的評價和總結加深學生對知識的理解和應用意識。
四、作業設計
（一）、填空題
1.蛋殼具有（拱形）結構，這種結構使它具有較好的（抗壓）能力。
2.拱形結構在承受壓力時，能把壓力向（兩邊）傳遞，從而增強結構的穩定性。
3.生活中的（安全帽）利用了拱形結構抗壓的原理。
4.世界上現存最古老的石拱橋是我國的（趙州橋），它采用了（拱形）結構。
（二）、判斷題
1.所有的拱形結構承重能力都一樣。（×）
解析：拱形結構的承重能力與跨度、材料等因素有關，不同的拱形結構承重能力不同。
蛋殼很薄，所以它的抗壓能力很弱。（×）
解析：蛋殼雖薄，但因其拱形結構，抗壓能力較強。
拱形結構只能應用在建筑上，其他地方用不到。（×）
解析：拱形結構在生活中的很多物品上都有應用，如安全帽、隧道等。
（三）、選擇題
1.下列物體中，沒有應用拱形結構的是（ ）
A. 金字塔 B. 拱橋 C. 拱門
答案：A
為了增強拱形的承重能力，我們可以（ ）
A. 增加拱形的跨度 B. 減小拱形的厚度 C. 給拱形加上支撐
答案：C
悉尼歌劇院的屋頂采用了（ ）結構。
A. 球形 B. 拱形 C. 三角形
答案：B
雞蛋能承受較大壓力的主要原因是（ ）
A. 雞蛋殼很厚 B. 雞蛋是圓形的 C. 雞蛋殼具有拱形結構
答案：C
（四）、簡答題
1.簡述拱形結構的力學原理及其在建筑中的優勢。
答案：拱形結構在承受壓力時，能把壓力向下和向兩邊傳遞給相鄰的部分，使整個結構更加穩定。在建筑中，其優勢在于可以用較少的材料獲得較大的空間跨度，且具有較好的承重能力，能承受較大的重量，同時還能增加建筑的美觀性。
2.生活中還有哪些地方應用了拱形結構的原理？請舉例說明。
答案：除了前面提到的安全帽、隧道、涵洞、拱橋、拱門等，還有鍋蓋、橋洞、一些大型場館的屋頂等都應用了拱形結構的原理。例如鍋蓋采用拱形結構，既增加了強度，又便于蒸汽散發；橋洞的拱形結構能承受來自橋面和水流的壓力，保證橋梁的穩固。
3.為什么說蛋殼的結構給了人們在建筑設計上的啟示？
答案：蛋殼雖然很薄，但它的拱形結構使其具有良好的抗壓能力。這種結構特點啟示人們在建筑設計中，可以利用拱形結構來提高建筑物的承重能力和穩定性。例如在建造橋梁和大型場館時，采用類似蛋殼拱形的結構設計，能夠用相對較少的材料承受較大的重量，同時還能使建筑更加美觀和實用。
（五）、科學探究題
題目：設計一個實驗，探究不同材料制作的拱形模型承重能力的差異。
答案：
實驗目的：探究不同材料（如硬紙板、卡紙、瓦楞紙）制作的拱形模型承重能力有何不同。
實驗材料：硬紙板、卡紙、瓦楞紙若干，相同規格的砝碼、直尺、剪刀、膠水、兩個相同的木塊（作為支撐物）。
實驗步驟：
制作拱形模型：用直尺和剪刀分別將硬紙板、卡紙、瓦楞紙裁剪成相同尺寸（如跨度為 15 厘米，高度為 5 厘米）的拱形形狀，并用膠水粘貼固定。
搭建測試裝置：將兩個木塊平行放置，間隔一定距離（略小于拱形模型跨度），作為拱形模型的支撐物。
測試承重能力：將硬紙板制作的拱形模型放在支撐物上，逐漸在拱形模型上添加砝碼，觀察并記錄拱形模型剛好被壓垮時砝碼的總重量。
重復實驗：用卡紙和瓦楞紙制作的拱形模型分別重復上述步驟，每種材料的拱形模型測試 3 次，記錄每次的數據。
變量控制：
保持拱形模型的尺寸（跨度、高度）相同。
使用相同規格的砝碼和支撐物。
每次放置砝碼時盡量保證位置均勻。
預期結果：不同材料制作的拱形模型承重能力不同，瓦楞紙因其特殊結構可能承重能力較強，硬紙板和卡紙制作的拱形模型承重能力相對較弱。通過對實驗數據的分析，可以得出不同材料與拱形模型承重能力之間的關系。
第7課時《海豚與聲吶》教學設計
一、教學目標
科學探究能力
能夠通過查閱資料、觀察視頻等方式，收集關于海豚回聲定位和聲吶技術的信息，學會整理和分析這些信息。
設計并進行簡單的模擬實驗，探究聲音在不同介質中的傳播特點以及回聲定位的原理，掌握控制變量法在實驗中的應用，準確觀察和記錄實驗現象與數據。
能用多種方式（如撰寫報告、制作海報、展示模型等）表達探究成果，并與他人進行交流和討論，根據反饋改進探究過程。
科學思維能力
通過對海豚回聲定位和聲吶技術的研究，分析兩者之間的聯系與區別，歸納出利用聲音進行定位和探測的一般原理，培養邏輯思維能力。
運用類比、聯想等思維方法，從海豚的生理特性聯想到聲吶技術的發明與應用，理解仿生學的思維過程，發展創造性思維。
在探究過程中，對不同的觀點和實驗方案進行批判性思考，評估其合理性與可行性，提升科學批判思維能力。
科學素養
了解海豚的身體結構和回聲定位功能，知道海豚如何利用回聲定位在海洋中導航、捕食和交流。
理解聲吶技術的工作原理、組成部分及其在軍事、海洋探索、漁業等領域的廣泛應用。
掌握聲音傳播的相關知識，包括聲音的產生、傳播介質、傳播速度等，明白這些知識與回聲定位和聲吶技術的關系。
責任態度
對海豚與聲吶之間的關系產生濃厚興趣，激發探索海洋生物奧秘和科學技術的熱情。
在探究過程中，培養嚴謹認真、實事求是的科學態度，尊重實驗數據和事實，勇于面對困難和挫折。
意識到仿生學在推動科技進步和人類對海洋認識中的重要作用，增強對科學技術的熱愛和為科學事業貢獻力量的責任感。
二、教學重難點
教學重點
探究海豚回聲定位的原理和聲吶技術的工作原理。
理解海豚回聲定位對聲吶技術發明的啟示以及聲吶技術在不同領域的應用。
教學難點
從物理學角度深入理解聲音在回聲定位和聲吶技術中的傳播、反射及接收原理，并能清晰闡述海豚回聲定位和聲吶技術的關聯。
培養學生運用所學原理進行創新思考，提出基于聲吶技術的改進或新應用設想的能力。
三、教學過程
學習活動 設計意圖
（一）情境導入 教師播放一段海豚在海洋中自由游動、捕食的視頻，視頻中著重突出海豚在黑暗或渾濁水域中精準定位獵物的場景。播放結束后，提問學生：“同學們，海豚在這樣復雜的海洋環境中，沒有良好的視覺條件，卻能如此準確地找到獵物，你們知道它是依靠什么本領做到的嗎？” 組織學生進行小組討論，鼓勵學生大膽猜測海豚定位獵物的方式，引導學生結合生活中對聲音等知識的了解展開思考。 每組選派一名代表發言，分享小組討論的猜測結果。教師對學生的猜測進行簡要點評，不直接給出答案，從而引出本節課要探究的主題 —— 海豚與聲吶。 通過精彩的視頻展示，吸引學生的注意力，將學生帶入神秘的海洋世界，激發學生對海豚特殊本領的好奇心和求知欲，為學習新知識營造積極的氛圍。 小組討論為學生提供交流和思考的平臺，培養學生的合作學習能力和獨立思考能力，同時讓教師了解學生對海豚回聲定位的已有認知和想法，以便后續教學更有針對性。 教師的點評和引出主題，既保護了學生的探究熱情，又自然地過渡到本節課的教學內容，為后續探究活動做好鋪墊。
（二）探究活動 探究活動一：了解海豚的身體結構與回聲定位 教師展示海豚的身體結構圖片和模型，引導學生仔細觀察海豚的頭部結構，特別是它的口鼻部、耳朵等部位，提問學生：“這些部位可能與海豚的回聲定位功能有什么聯系呢？” 學生分組討論，結合圖片和模型，推測海豚身體結構在回聲定位中的作用，例如海豚的前額可能有助于聚焦聲音，耳朵用于接收回聲等。 每組選派一名代表發言，闡述小組討論的觀點。教師對學生的觀點進行總結和補充，講解海豚身體結構與回聲定位功能的實際聯系，如海豚通過頭部的額隆發出高頻聲音，聲音遇到物體反射回來，由耳朵接收回聲，從而實現定位。 探究活動二：探究聲音傳播的特性 教師講解聲音傳播的基本知識，包括聲音是如何產生的，以及聲音可以在固體、液體和氣體中傳播等內容。 學生分組進行聲音傳播實驗： 實驗一：聲音在固體中的傳播：一名學生在桌子一端輕敲桌面，另一名學生將耳朵貼在桌子另一端，感受聲音的傳播，比較與在空氣中聽到聲音的不同。 實驗二：聲音在液體中的傳播：在水槽中放入一個發聲的小物體（如小鈴鐺），學生將耳朵貼近水槽壁，聽聲音在水中的傳播情況。 實驗三：聲音在氣體中的傳播：敲響音叉，學生在不同距離感受聲音的傳播，觀察聲音大小與距離的關系。 學生記錄實驗現象，分析聲音在不同介質中的傳播特點，如傳播速度、傳播效果等。 各小組匯報實驗結果和分析，共同總結聲音傳播的特性：聲音能在不同介質中傳播，且在不同介質中的傳播速度不同，一般在固體中傳播速度最快，氣體中最慢。 探究活動三：模擬海豚回聲定位實驗 教師引導學生思考如何模擬海豚回聲定位的過程，講解實驗思路：利用超聲波發生器模擬海豚發出聲音，用反射物模擬海洋中的物體，用超聲波接收器模擬海豚接收回聲。 學生分組，根據教師提供的材料（超聲波發生器、不同形狀的反射物、超聲波接收器、示波器等），設計并搭建模擬實驗裝置。 學生操作實驗裝置，讓超聲波發生器發出超聲波，調整反射物的位置和角度，觀察超聲波接收器接收到的回聲信號，并通過示波器顯示回聲信號的波形，記錄回聲信號的特點，如時間延遲、強度變化等。 分析實驗數據，思考回聲信號與反射物位置、距離之間的關系，討論海豚如何根據回聲判斷物體的位置和距離。 各小組匯報實驗結果和討論結論，共同總結海豚回聲定位的原理：海豚發出的聲音遇到物體反射回來，通過分析回聲的時間、強度等信息，判斷物體的位置、距離、大小等特征。 探究活動四：認識聲吶技術 教師展示不同類型聲吶設備的圖片和視頻，如軍事上的反潛聲吶、海洋科考中的測深聲吶、漁業中的魚群探測聲吶等，介紹聲吶技術在不同領域的應用場景，讓學生直觀感受聲吶技術的多樣性和重要性。 教師講解聲吶技術的基本工作原理：聲吶設備通過換能器發射聲波，聲波在水中傳播，遇到目標物體后反射回來，換能器接收反射波，將其轉換為電信號，經過處理后顯示目標物體的相關信息。 學生分組，用簡單的材料（如小型超聲波傳感器、Arduino 開發板、電腦等）搭建一個簡易的聲吶模型，模擬聲吶的工作過程。在模型中，超聲波傳感器發射和接收超聲波，Arduino 開發板對信號進行處理，通過電腦軟件顯示目標物體的距離信息。 各小組展示并操作自己搭建的聲吶模型，向全班介紹模型的工作原理和實現過程，分享在搭建過程中的收獲和遇到的問題。 探究活動五：對比海豚回聲定位和聲吶技術 教師引導學生回顧海豚回聲定位和聲吶技術的原理、工作過程等內容，提出問題：“海豚回聲定位和聲吶技術有哪些相似之處和不同之處呢？” 學生分組討論，從信號發射、信號接收、定位方式、應用場景等方面對比海豚回聲定位和聲吶技術，用表格或思維導圖的形式整理兩者的異同點。 每組選派一名代表展示小組整理的結果，并進行講解。教師對各小組的結果進行點評和總結，強調海豚回聲定位和聲吶技術在本質上都是利用聲音的反射來獲取信息，但在具體實現方式和應用上存在差異，進一步強化學生對兩者關系的理解。 探究活動六：聲吶技術的創新應用設想 教師引導學生思考聲吶技術在現有應用領域的不足，以及隨著科技發展可能拓展的新應用領域，鼓勵學生發揮想象力，提出基于聲吶技術的創新應用設想。 學生獨立思考，構思一個基于聲吶技術的創新應用方案，可以是改進現有聲吶設備的功能，也可以是開拓全新的應用場景，如利用聲吶技術監測地下空洞、設計智能水下救援聲吶系統等。 學生將自己的創新應用設想以繪畫、文字描述或簡單模型的形式呈現出來，并標注出設計思路、工作原理以及預期效果等內容。 學生在小組內展示自己的創新應用設想，進行交流分享，其他小組成員提出評價和改進建議，共同完善創新應用方案。 過展示圖片和模型，讓學生直觀地了解海豚的身體結構，培養學生的觀察能力。 小組討論激發學生的思維，培養學生的邏輯推理能力和合作學習能力，使學生主動思考身體結構與特殊功能之間的關系。 代表發言和教師總結，加深學生對海豚身體結構與回聲定位聯系的認識，為后續深入探究回聲定位原理打下基礎。 教師講解為學生提供理論基礎，使學生對聲音傳播知識有初步的認識。 小組實驗讓學生親身體驗聲音在不同介質中的傳播，培養學生的動手操作能力、觀察能力和實驗探究能力。 分析實驗結果和小組匯報，培養學生的邏輯思維能力和表達能力，幫助學生深入理解聲音傳播的特性，為理解回聲定位和聲吶技術原理做鋪墊。 引導學生思考實驗設計，培養學生的創新思維和科學探究能力，讓學生理解科學實驗的設計思路。 分組搭建實驗裝置和操作實驗，鍛煉學生的動手能力、團隊協作能力和解決實際問題的能力。 分析實驗數據和討論結論，培養學生的邏輯思維能力和對科學原理的理解能力，幫助學生深入理解海豚回聲定位的原理。 展示多種聲吶設備及其應用，拓寬學生的視野，激發學生對聲吶技術的興趣，讓學生認識到聲吶技術在現代社會中的重要地位。 教師講解使學生初步理解聲吶技術的工作原理，為搭建模型做好知識鋪墊。 分組搭建聲吶模型，培養學生的動手實踐能力、創新能力和團隊協作能力，讓學生通過親身體驗加深對聲吶技術原理的理解。展示和介紹模型鍛煉學生的表達能力和溝通能力。 通過對比，培養學生的分析歸納能力和邏輯思維能力，讓學生清晰地認識到海豚回聲定位和聲吶技術之間的聯系與區別。 用表格或思維導圖整理異同點，幫助學生系統地梳理知識，提高學生的知識整合能力。 代表展示和教師總結，加深學生對兩者關系的理解，使學生對仿生學中生物特性與技術應用的關系有更深入的認識。 啟發學生思考，培養學生的創新思維和將科學技術應用于解決實際問題的能力，激發學生對科學技術發展的探索欲望。 獨立構思和呈現設想，鍛煉學生的想象力、創造力和表達能力，將所學的聲吶技術知識與創新思維相結合。 小組交流和評價改進，促進學生之間的思想交流和相互學習，培養學生的批判性思維和團隊協作能力，提升學生的創新能力和方案可行性。
（三）生活應用 教師展示一些生活中與聲吶技術相關的實際問題或場景圖片，如港口船只的導航、水下管道的檢測、海洋生物監測等。 學生分組，針對這些生活場景，討論聲吶技術在其中的具體應用方式和優勢，分析如果沒有聲吶技術，這些場景可能會面臨哪些困難。 每組選派一名代表發言，向全班分享小組討論的結果，重點闡述聲吶技術如何解決這些生活場景中的問題，以及聲吶技術應用帶來的改變。教師進行總結，強調聲吶技術在生活中的重要性，并引導學生思考還有哪些生活場景可以進一步應用或改進聲吶技術。 通過展示生活場景圖片，讓學生認識到聲吶技術在生活中的廣泛應用，培養學生用科學眼光觀察生活的習慣，體會科學技術與生活的緊密聯系。 小組討論培養學生的合作學習能力和分析問題的能力，加深學生對聲吶技術應用原理和優勢的理解，提高學生運用科學知識解釋生活現象的能力。 代表發言和教師總結，強化學生對聲吶技術在生活中重要性的認識，激發學生對科學技術應用于生活的思考和探索欲望，培養學生的創新意識。
（四）知識總結 教師引導學生回顧本節課所學內容，包括海豚的回聲定位功能、聲音傳播的特性、聲吶技術的工作原理、海豚回聲定位和聲吶技術的對比，以及聲吶技術的創新應用設想等方面。 讓學生以小組為單位，制作一份思維導圖或知識框架圖，梳理本節課的知識體系，突出各知識點之間的邏輯關系。 每個小組推選一名代表，向全班展示并講解小組制作的思維導圖或知識框架圖，其他小組可以提出補充或修改意見。 教師對各小組的展示進行評價，總結本節課的重點知識，強調海豚與聲吶之間的仿生關系以及聲吶技術在科技發展中的重要意義，幫助學生完善知識體系，鼓勵學生在今后的學習和生活中繼續關注仿生學和科學技術的發展。 回顧所學內容，幫助學生鞏固知識，強化記憶，梳理知識脈絡，加深對本節課知識的整體理解。 制作思維導圖或知識框架圖，培養學生的歸納總結能力和知識整合能力，有助于學生構建系統的知識體系，提升學習效果。 代表展示與交流環節，鍛煉學生的表達能力和團隊協作能力，通過小組間的互動，進一步完善知識體系，教師的評價與總結加深學生對知識的整體把握和對科學技術發展的認識，激發學生對科學的興趣和探索精神。
四、作業設計
（一）、填空題
海豚通過（額?。┌l出高頻聲音進行回聲定位。
聲音傳播的介質有固體、（液體）和氣體。
聲吶技術是利用（聲波）的反射來探測目標物體的信息。
聲吶設備中的（換能器）負責發射和接收聲波。
（二）、判斷題
海豚只能在清澈的海水中利用回聲定位，在渾濁的海水中就無法使用。（×）解析：海豚的回聲定位功能不受海水清澈與否的限制，在各種海洋環境中都能發揮作用。
聲吶技術只能用于海洋領域，在其他領域沒有應用。（×）解析：聲吶技術除了在海洋領域廣泛應用外，在一些特殊的地質探測、水下工程等領域也有應用。
海豚回聲定位和聲吶技術的原理完全不同。（×）解析：海豚回聲定位和聲吶技術本質上都是利用聲音的反射來獲取信息，原理有相似之處。
（三）、選擇題
聲吶技術在軍事上主要用于（ ）
A. 氣象預報 B. 反潛探測 C. 導航定位 答案：B
海豚回聲定位發出的聲音主要是（ ）
A. 超聲波 B. 次聲波 C. 可聽聲 答案：A
聲音在下列哪種介質中傳播速度最快？（ ）
A. 空氣 B. 水 C. 鋼鐵 答案：C
以下關于聲吶的說法正確的是（ ）
A. 聲吶只能發射聲波，不能接收聲波
B. 聲吶是模仿海豚回聲定位發明的
C. 聲吶在陸地上也能像在水中一樣準確探測 答案：B
（四）、簡答題
1、聲吶技術除了在軍事、海洋探索、漁業方面，還可能在哪些領域有應用？請舉例并簡述原理。
答案：在水下工程領域，比如檢測水下橋梁、大壩等建筑結構的完整性。聲吶設備發射聲波，聲波遇到建筑結構的缺陷部位會產生不同的反射信號，通過分析這些反射信號的特征，如強度、頻率變化等，就可以判斷建筑結構是否存在裂縫、空洞等問題。在地質勘探領域，用于探測地下隱藏的地質結構和礦產資源。向地下發射聲波，根據不同地質層或礦體反射回來的聲波特性差異，來推斷地下地質構造和礦產分布情況。
2、對比海豚回聲定位和聲吶技術在信號處理方面的異同。
答案：相同點在于兩者都需要對反射回來的信號進行處理，以獲取目標物體的信息，如位置、距離等。不同點是海豚依靠自身高度進化的聽覺和神經系統處理回聲信號，這種處理是基于生物本能和生理結構，其信號處理系統高度集成且適應生物生存需求。而聲吶技術通過電子設備和算法對反射的聲波信號進行處理，信號處理過程更依賴于電子技術和計算機編程，能夠更精確地分析信號的各種參數，并且可以根據不同的應用場景進行針對性的算法優化。
3、如果要提高聲吶技術在深海探測中的準確性，你認為可以從哪些方面進行改進？
答案：首先，可以改進聲吶的發射和接收裝置。采用更先進的材料和設計，提高換能器的性能，使其能發射更穩定、更強的聲波信號，并更靈敏地接收反射回來的微弱信號。其次，優化信號處理算法?？紤]深海復雜的環境因素，如溫度、壓力對聲波傳播的影響，通過算法對信號進行更精準的校正和分析，去除干擾信號，提高目標信號的分辨率。再者，增加聲吶的探測頻段。不同頻段的聲波在深海中的傳播特性不同，使用多頻段探測可以獲取更全面的目標信息，從而提高探測準確性。最后，提高聲吶設備的抗干擾能力。通過采用屏蔽技術、濾波技術等，減少深海中其他噪音源對聲吶信號的干擾。
（五）、科學探究題
題目：設計一個實驗探究不同頻率的聲波在海水中傳播時能量衰減的規律，以此為基礎思考對聲吶技術頻率選擇的影響。
答案：
實驗目的：探究不同頻率的聲波在海水中傳播時能量衰減的規律，為聲吶技術選擇合適的頻率提供依據。
實驗材料：超聲波發生器（可發出不同頻率聲波）、聲波接收器、功率計、海水水槽（模擬海水環境）、計時器、不同長度的聲波傳播管道（用于改變傳播距離）。
實驗步驟：
將超聲波發生器、聲波接收器安裝在海水水槽中，確保二者位置相對固定，且聲波傳播路徑在海水中。連接功率計到聲波接收器，用于測量接收到的聲波能量。
設置超聲波發生器發出頻率為 f1 的聲波，開啟超聲波發生器和計時器，讓聲波在海水中傳播一段固定距離 L1 （通過聲波傳播管道控制），用功率計測量并記錄此時接收到的聲波功率 P1 。
保持其他條件不變，僅改變超聲波發生器發出聲波的頻率，依次設置為 f2 、f3 …… 重復上述步驟，分別記錄不同頻率 fn 下對應的接收功率 Pn 。
改變聲波傳播距離，如設置為 L2 、L3 ……，重復上述實驗過程，記錄不同傳播距離下，各頻率聲波對應的接收功率。
變量控制：
保持海水水槽中的海水性質穩定，包括溫度、鹽度等，每次實驗前測量并記錄海水的溫度、鹽度，確保其在實驗誤差范圍內保持一致。
固定超聲波發生器和聲波接收器的相對位置和方向，保證聲波傳播路徑不變。
使用相同的功率計測量聲波功率，避免因測量儀器不同導致的誤差。
預期結果：隨著傳播距離的增加，不同頻率聲波的能量（以功率表示）都會衰減。高頻聲波在相同傳播距離下，能量衰減可能比低頻聲波更快。通過分析實驗數據，可以得出不同頻率聲波在海水中傳播時能量衰減與頻率、傳播距離的關系?；诖私Y果，在聲吶技術用于深海探測時，如果需要探測較遠的目標，可能選擇相對低頻的聲波，以減少能量衰減，保證信號能夠有效傳播并被接收；如果對目標的分辨率要求較高，可能需要綜合考慮，在能量衰減可接受的范圍內選擇相對高頻的聲波，因為高頻聲波能提供更詳細的目標信息。
第8課時《我們來仿生》教學設計
教學目標
科學探究能力
學生能夠通過觀察生物的結構、功能等特征，提出有價值的仿生學相關問題，并能通過查閱資料、調查等方式收集相關信息。
針對特定的生物特征，設計并開展簡單的仿生探究實驗，學會控制變量，觀察、記錄實驗現象，分析實驗數據，得出合理結論。
能運用多種方式（如文字描述、繪制圖表、制作模型等）展示探究成果，并與他人進行交流和討論，在交流中不斷完善探究過程和結果。
科學思維能力
通過對生物特性與仿生應用的研究，培養邏輯思維能力，能夠從生物現象中歸納出一般性的原理，并將其應用到仿生設計中。
運用類比、聯想、想象等思維方法，從生物的獨特之處聯想到實際生活中的需求，提出創新性的仿生設計思路，發展創造性思維。
在探究過程中，對不同的仿生方案進行批判性思考，評估其科學性、可行性和創新性，提升科學批判思維能力。
科學素養
深入了解多種生物的特殊結構和功能，知道這些特征如何為仿生學提供靈感，以及在實際應用中的轉化方式。
全面理解仿生學的概念、發展歷程、研究方法和重要意義，認識到仿生學在各個領域的廣泛應用。
掌握一些基本的仿生設計方法和原則，能夠識別生活中常見的仿生產品，并闡述其仿生原理。
責任態度
對生物與仿生學之間的聯系產生濃厚興趣，激發探索自然奧秘和創新發明的熱情。
在探究過程中，養成嚴謹認真、實事求是的科學態度，尊重實驗結果和他人的觀點，勇于面對困難和挫折，不斷追求科學真理。
意識到仿生學對推動科技進步、改善人類生活和保護環境的重要作用，培養對科學技術的尊重和熱愛，增強為科學事業貢獻力量的責任感。
二、教學重難點
教學重點
了解豐富的生物特性及其對應的仿生應用實例，建立生物與仿生學之間的緊密聯系。
理解仿生學的基本概念、研究方法和應用領域，掌握一些常見的仿生設計思路。
教學難點
從生物復雜的特性中提煉出關鍵要素，并將其轉化為可操作的仿生設計方案，培養學生的創新實踐能力。
引導學生運用科學的思維方法和設計原則，進行具有一定創新性和可行性的仿生設計。
三、教學過程
學習活動 設計意圖
（一）情境導入 教師播放一段展示大自然中各種神奇生物的視頻，如會變色的變色龍、能發電的電鰻、善于織網的蜘蛛等。視頻結束后，提問學生：“同學們，在視頻中我們看到了許多奇妙的生物，它們都有著獨特的本領。你們能想到人類的哪些發明可能受到了這些生物的啟發嗎？” 組織學生進行小組討論，鼓勵學生分享自己所知道的仿生學例子，如飛機與鳥兒、潛水艇與魚等。 每組選派一名代表發言，向全班匯報小組討論的內容，教師對學生的發言進行點評和總結，引出本節課的主題 —— 我們來仿生。 通過精彩的視頻展示，吸引學生的注意力，激發學生對生物神奇特性的興趣和好奇心，為學習仿生學奠定情感基礎。 小組討論為學生提供交流和分享的平臺，讓學生能夠充分表達自己的想法，培養學生的合作學習能力和語言表達能力，同時也能讓教師了解學生已有的仿生學知識儲備。 教師的點評和總結，自然地引出本節課的主題，為后續的教學內容做好鋪墊。
（二）探究活動 探究活動一：生物特性大發現 教師給每個小組發放一些關于不同生物的資料卡片（包括文字描述、圖片等），資料涵蓋各種生物的獨特結構、功能或行為，如壁虎的攀爬能力、荷葉的自清潔功能、蜜蜂的蜂巢結構等。 學生分組仔細閱讀和觀察資料卡片，從中挑選出一種最感興趣的生物，深入研究其特性，記錄下生物的名稱、獨特之處以及這種特性可能帶來的實際應用啟發。 小組內交流討論，分享自己對所選生物特性的理解和應用設想，互相啟發，完善記錄內容。 探究活動二：探究仿生原理 每組選派一名代表，向全班介紹小組挑選的生物及其特性，以及基于該特性的應用設想。 其他小組同學認真傾聽，針對介紹內容提出問題、發表看法或提供補充信息，共同探討這種生物特性背后的科學原理，以及如何將其轉化為仿生應用。 教師引導學生結合已有的科學知識，從力學、光學、生物學等多個角度分析生物特性的原理，幫助學生理解生物特性與仿生應用之間的內在聯系。 探究活動三：設計仿生實驗 教師提出任務：“同學們，我們已經了解了一些生物特性及其仿生原理，現在請大家根據自己感興趣的生物特性，設計一個簡單的仿生實驗，來驗證這種特性在實際應用中的可行性?！?學生分組進行實驗設計，討論實驗目的、實驗材料、實驗步驟、變量控制以及預期結果等內容。例如，如果選擇研究荷葉的自清潔功能，可以設計用不同材料表面模擬荷葉結構，觀察水滴在這些表面的滾動和清潔效果。 各小組將實驗設計方案以圖表或文字的形式記錄下來，并選派一名代表向全班介紹小組的實驗設計思路，其他小組同學提出修改建議，共同完善實驗方案。 探究活動四：實施仿生實驗 各小組根據完善后的實驗方案，準備實驗材料，在實驗室或教室中開展實驗。在實驗過程中，小組成員分工合作，嚴格按照實驗步驟進行操作，仔細觀察實驗現象，如實記錄實驗數據。 教師巡視各小組的實驗進展情況，及時給予指導和幫助，確保實驗安全、順利地進行。 實驗結束后，各小組整理實驗數據和記錄，分析實驗結果是否與預期相符，思考實驗過程中遇到的問題及解決方法。 探究活動五：創意仿生設計 教師展示一些優秀的仿生設計作品圖片或視頻，如模仿鳥類翅膀的飛行器、仿照海豚外形的潛艇等，啟發學生的設計靈感。 學生獨立思考，從之前研究的生物特性出發，結合實驗結果和生活實際需求，構思一個具有創意的仿生設計方案，可以是一件產品、一種技術或一個系統等。例如，根據壁虎的攀爬能力設計一種用于高樓外墻清潔的機器人。 學生將自己的創意設計方案以繪畫、文字描述或簡單模型的形式呈現出來，并標注出仿生的生物原型、設計思路、工作原理以及預期效果等內容。 學生在小組內展示自己的創意設計，進行交流分享，其他小組成員提出評價和改進建議，共同完善創意設計。 探究活動六：仿生應用拓展 教師引導學生思考仿生學在不同領域的應用，如醫療、交通、環保、軍事等，鼓勵學生討論在這些領域中還可以基于哪些生物特性進行創新設計。 學生分組選擇一個感興趣的領域，通過查閱資料、討論等方式，深入研究該領域中已有的仿生應用案例，并嘗試提出新的仿生設計思路或改進方案。 每組選派一名代表，向全班介紹小組在所選領域的研究成果，包括已有的應用案例分析、新的設計思路或改進方案，以及對未來仿生學在該領域發展的展望。 全班共同討論各小組的研究成果，教師進行總結和點評，強調仿生學在推動各領域發展中的重要作用，鼓勵學生關注仿生學的前沿動態。 提供豐富多樣的生物資料，拓寬學生的視野，讓學生接觸到更多具有仿生潛力的生物特性，激發學生的探究欲望。 小組自主選擇和研究生物特性，培養學生的自主學習能力和獨立思考能力，使學生能夠深入挖掘生物特性與實際應用的聯系。 小組內交流討論，促進學生之間的思維碰撞，培養學生的合作學習能力和創新思維，為后續的仿生設計奠定基礎。 代表介紹環節鍛煉學生的表達能力，同時讓全班同學共享各小組的研究成果，拓寬知識面。 提問、討論環節激發學生的思維活力，培養學生的批判性思維和合作交流能力，促使學生深入思考生物特性與仿生應用的關系。 教師引導分析，幫助學生從科學原理的層面理解仿生學，提升學生的科學思維水平，為后續的探究活動提供理論支持。 布置實驗設計任務，培養學生的創新實踐能力和科學探究能力，讓學生將理論知識轉化為實際操作。 小組合作設計實驗方案，鍛煉學生的團隊協作能力、邏輯思維能力和問題解決能力，使學生學會運用科學方法驗證自己的仿生設想。 方案介紹和交流環節，促進學生之間的相互學習，培養學生的批判性思維和溝通能力，使實驗方案更加科學合理。 學生親自實施實驗，培養學生的動手操作能力和實踐創新能力，讓學生在實踐中體驗科學探究的過程和方法。 教師巡視指導，保證實驗的科學性和安全性，幫助學生解決實驗中遇到的困難，引導學生正確分析實驗結果。 整理數據和分析結果，培養學生的數據處理能力和科學思維能力，使學生學會從實驗結果中總結經驗，為后續的仿生設計提供依據。 展示優秀作品，拓寬學生的設計思路，激發學生的創新意識和創造力，為學生的創意設計提供參考和啟發。 獨立構思和呈現設計方案，培養學生的創新思維能力、動手實踐能力和表達能力，將所學的仿生學知識應用于實際設計中。 小組交流和評價改進，促進學生之間的思想交流和相互學習，培養學生的批判性思維和團隊協作能力，提高學生的創意設計水平。 引導學生思考仿生學在不同領域的應用，拓寬學生的視野，培養學生的發散思維能力，讓學生認識到仿生學的廣泛應用前景。 分組研究特定領域的仿生應用，培養學生的自主學習能力、團隊協作能力和信息整合能力，使學生能夠深入了解仿生學在不同領域的應用現狀和發展趨勢。 代表介紹和全班討論，鍛煉學生的表達能力和溝通能力，促進學生之間的知識共享和思想碰撞，激發學生對仿生學未來發展的思考和探索欲望。
（三）生活應用 教師展示一些生活中常見的問題或場景圖片，如室內空氣凈化問題、城市交通擁堵問題、戶外運動裝備的改進等。 學生分組，針對這些生活問題或場景，運用所學的仿生學知識，討論并提出基于生物特性的解決方案或創新設計。例如，根據植物的光合作用原理設計一種室內空氣凈化裝置；模仿螞蟻的群體協作方式優化城市交通管理系統。 每組選派一名代表，向全班介紹小組提出的解決方案或設計思路，包括仿生的生物原型、設計理念、預期效果等內容。 其他小組同學對方案進行評價和討論，提出改進意見和建議，共同完善解決方案，使其更具可行性和實用性。 展示生活問題或場景，引導學生關注生活中的實際需求，培養學生運用科學知識解決實際問題的意識和能力。 分組討論提出解決方案，培養學生的創新思維和團隊協作能力，讓學生將仿生學知識與生活實際緊密結合，提高學生的知識應用能力。 代表介紹和全班評價討論，鍛煉學生的表達能力和批判性思維能力，通過交流和完善方案，培養學生解決實際生活問題的能力，使學生感受到仿生學的實用價值。
（四）知識總結 教師引導學生回顧本節課的學習內容，包括生物特性的發現、仿生原理的探究、仿生實驗的設計與實施、創意仿生設計以及仿生學在生活中的應用等方面。 讓學生以小組為單位，制作一份思維導圖或知識框架圖，梳理本節課的知識體系，突出生物與仿生學之間的聯系，以及仿生學的研究方法和應用領域。 每個小組推選一名代表，向全班展示并講解小組制作的思維導圖或知識框架圖，其他小組可以提出補充或修改意見。 教師對各小組的展示進行評價，總結本節課的重點知識，強調仿生學的重要意義和學習價值，幫助學生完善知識體系，鼓勵學生在今后的學習和生活中繼續探索仿生學的奧秘。 回顧學習內容，幫助學生鞏固知識，強化記憶，梳理知識脈絡，加深對仿生學的理解。 制作思維導圖或知識框架圖，培養學生的歸納總結能力和知識整合能力，有助于學生構建系統的知識體系，提升學習效果。 代表展示與交流環節，鍛煉學生的表達能力和團隊協作能力，通過小組間的互動，進一步完善知識體系，教師的評價與總結加深學生對知識的整體把握，激發學生對仿生學的持續學習興趣。
四、作業設計
（一）、填空題
1.仿生學是模仿生物的結構、功能等特性來研制（新技術）或新產品的科學。
2.荷葉的（自清潔）功能啟發人們發明了自清潔材料。
3.人類模仿鳥類的飛行原理發明了（飛機）。
4.仿生設計需要考慮生物特性、實際需求和（科學原理）等因素。
（二）、判斷題
1.只有動物的特性可以用于仿生學研究，植物的特性沒有仿生價值。（×）
解析：許多植物的特性也具有重要的仿生價值，如荷葉的自清潔功能、竹子的結構等都為仿生學提供了靈感。
仿生學的發明創造都是直接模仿生物的外形。（×）
解析：仿生學不僅模仿生物外形，更重要的是模仿生物的結構、功能、行為等內在特性。
仿生實驗的結果一定能直接應用到實際生活中。（×）
解析：仿生實驗結果通常需要進一步改進和優化，考慮成本、技術可行性等多種因素后，才可能應用到實際生活中。
（三）、選擇題
1.以下發明中，與仿生學無關的是（ ）
A. 電燈 B. 雷達（模仿蝙蝠回聲定位） C. 尼龍搭扣（模仿蒼耳）
答案：A
人們模仿蜂巢的結構特點，設計出了（ ）
A. 薄殼建筑 B. 潛艇 C. 飛機
答案：A
下列哪種生物的特性可用于開發新型的水下探測設備？（ ）
A. 蝙蝠的回聲定位 B. 海豚的聲吶系統 C. 蝴蝶的翅膀顏色
答案：B
在仿生設計中，首先要做的是（ ）
A. 進行實驗驗證 B. 尋找生物原型 C. 制作設計模型
答案：B
（四）、簡答題
1.簡述仿生學的研究方法和一般流程。
答案：仿生學的研究方法通常包括觀察生物特性、提出仿生問題、查閱相關資料、進行實驗探究、設計仿生產品或技術等。一般流程為：先觀察自然界中生物的獨特結構、功能、行為等特性，從中發現可以借鑒的地方并提出問題；接著查閱資料了解相關的科學原理和已有研究成果；然后通過實驗來驗證生物特性在實際應用中的可行性，分析實驗結果；最后根據實驗結論和實際需求，設計出具有實用價值的仿生產品、技術或系統。
2.舉例說明一種生物特性及其在仿生學中的應用，并闡述其仿生原理。
答案：例如，壁虎具有在垂直墻壁上自由攀爬的能力。在仿生學中，科學家模仿壁虎腳掌的微觀結構，研制出了一種具有類似吸附功能的材料，可用于制造攀爬設備等。其仿生原理是壁虎腳掌有許多細小的剛毛，這些剛毛與物體表面產生分子間作用力（范德華力），從而實現吸附。仿生材料通過模仿壁虎腳掌的微觀結構，使材料表面產生類似的分子間作用力，達到吸附和攀爬的效果。
3.你認為仿生學對人類社會的發展有哪些重要意義？
答案：仿生學對人類社會發展具有多方面重要意義。在科技領域，它為創新提供了豐富的靈感來源，推動了眾多行業的技術進步，如航空航天、醫療、電子等領域。在生活方面，仿生產品的出現改善了人們的生活質量，例如自清潔材料、高性能運動裝備等。在環境保護方面，仿生學有助于開發更環保、可持續的技術和產品，減少對自然資源的依賴和對環境的破壞。此外，仿生學還促進了不同學科之間的交叉融合，培養了人們的創新思維和科學探索精神，為解決人類面臨的各種問題提供了新的思路和方法。
（五）、設計一個實驗，探究不同形狀的翅膀對飛行器飛行距離的影響（基于鳥類翅膀的仿生研究）
實驗目的
探究基于鳥類翅膀仿生的不同形狀翅膀對飛行器飛行距離產生何種影響，從而明晰鳥類翅膀形狀與飛行性能的關聯，為飛行器的仿生設計提供依據。
實驗材料
輕木與薄塑料片：用于制作飛行器的翅膀，因其質地輕盈，便于飛行器飛行，且能較好模擬鳥類翅膀的輕薄特性。
剪刀：裁剪輕木和薄塑料片，以制作出不同形狀的翅膀。
膠水：將輕木和薄塑料片粘貼固定，確保翅膀結構穩固。
細線：可用于調整飛行器重心或連接部件。
小型電機（帶螺旋槳）：為飛行器提供飛行動力。
電池盒與電池：為小型電機供電。
卷尺：精確測量飛行器的飛行距離。
不同形狀翅膀的模板：如長而窄的翅膀、短而寬的翅膀、三角形翅膀等，確保制作的翅膀形狀標準且具有可比性。
實驗步驟
制作飛行器模型
根據不同形狀翅膀的模板，用剪刀將輕木裁剪成相應的骨架形狀，再用薄塑料片覆蓋在骨架上，使用膠水粘貼牢固，制作出多種形狀的翅膀，如長而窄的翅膀、短而寬的翅膀、三角形翅膀等。確保每個翅膀的材質、厚度完全一致，以控制變量。
將制作好的不同形狀翅膀分別安裝在相同規格的飛行器主體上，飛行器主體需安裝好小型電機、電池盒和電池，保證飛行器除翅膀形狀外，其他條件均相同。
測試準備
選擇一個寬敞、平坦且無明顯氣流干擾的場地，如學校操場。
在場地一端設置起飛點，在起飛點放置一個固定支架，將飛行器放置在支架上，調整飛行器位置，使其保持水平。
進行測試
為飛行器安裝電池，啟動小型電機，待螺旋槳轉速穩定后，輕輕釋放飛行器，使其自由飛行。
待飛行器落地后，使用卷尺從起飛點開始，沿飛行器飛行方向測量到飛行器落點的直線距離，記錄該距離數據，此為該形狀翅膀飛行器的一次飛行距離。
對每種形狀的翅膀飛行器，重復上述操作 5 次，記錄每次的飛行距離數據。這是為了減小實驗誤差，使實驗結果更具可靠性。
更換翅膀形狀并重復測試
依次更換不同形狀翅膀的飛行器，按照上述測試步驟，分別進行 5 次飛行距離的測量，并記錄相應數據。
變量控制
飛行器主體：使用相同規格的飛行器主體，包括相同的質量、尺寸、重心位置等，確保除翅膀形狀外，飛行器本身的其他因素不會對飛行距離產生影響。
動力系統：采用同一型號的小型電機、電池盒和電池，保證每次實驗提供的動力相同。每次實驗前，檢查電池電量，確保電量充足且一致。
實驗環境：選擇在同一地點、相近時間進行實驗，避免因不同場地的氣流、風向、地面狀況等環境因素差異對實驗結果造成干擾。若實驗當天天氣不穩定，如風力較大，則暫停實驗，選擇天氣平穩的時段進行。
翅膀材質與制作工藝：使用相同的輕木和薄塑料片制作翅膀，且制作過程中保證翅膀的厚度、骨架結構等完全一致，僅改變翅膀的形狀。
預期結果
長而窄的翅膀：可能使飛行器飛行距離較遠。因為這種形狀類似于一些擅長遠距離飛行的鳥類翅膀，在飛行時能產生較小的空氣阻力，有利于飛行器保持較長距離的飛行。預計其平均飛行距離在 [X1] 米左右。
短而寬的翅膀：或許會使飛行器飛行較為靈活，但飛行距離相對較短。短而寬的翅膀能提供較大的升力，但空氣阻力也較大，不利于長距離飛行。預計其平均飛行距離在 [X2] 米左右，且 [X2]<[X1]。
三角形翅膀：飛行距離可能介于長而窄翅膀和短而寬翅膀之間。三角形翅膀的空氣動力學特性較為特殊，其產生的升力和阻力與前兩者不同。預計其平均飛行距離在 [X3] 米左右，且 [X2]<[X3]<[X1]。
通過對不同形狀翅膀飛行器飛行距離數據的分析，可清晰了解不同形狀翅膀對飛行器飛行距離的影響，為基于鳥類翅膀的飛行器仿生設計提供有力的實驗依據。
21世紀教育網(www.21cnjy.com)

展開更多......

收起↑