《眼睛与仿生学》课件

什么是仿生学？“仿生学”正式诞生于1960年。距今2300多年前墨子和他的300弟子，花了三年时间，造了一只“会飞的木鸟”，同时间希腊阿奇卡也制成一只“机械鸽子”。东汉时，张衡制成一架能飞数里的“木雕”。大约一千九百多年前西汉京都长安有人用大鸟羽制两翼绑在双臂上能飞（滑翔）几百步。……自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器，但都不成功。原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理；又不了解人不具备飞行的生理条件，人要上天，必须依靠机械动力才可能。一直到了公元1903年美国莱特兄弟发明了飞机，人类从此实现了几千年来梦寐以求的飞上天空的愿望。人类飞上天空的例子，说明了仿生学的诞生有它的漫长历史，必须在科学发达的前提下才能诞生。仿生学是一门新兴不久的科学，是生物学、数学和工程技术学边缘的一门崭新学科。•目前仿生学已经成为现代发展新技术的重要途径。其研究范围已发展有：一、感觉器官模拟──目前以眼、耳、鼻三种器官为主。已模拟制成了“人造眼”、“电子耳”、“电子鼻”、“电子警犬”等。二、神经元和神经网络模拟──目前已制成的“人工智能机”。三、生物定向和导航──目前已制成的有：模仿蝙蝠的盲人“探路仪”；模仿能感知千分之一温度变化的响尾蛇“探热器”；模仿鸟类迁飞和鱼、龟、鲸等回游的机制，以研制导航机制；模仿蜜蜂“太阳罗盘”和生物种的“偏光罗盘”，“人工电子蜜蜂”；模仿蚊、蝇等具有天然导航器官──楫翅的“振动陀螺仪”，用于高速飞机和火箭。四、生物力学──模拟人或动物肌肉的器具。如模仿膝关节制成的液压模型。做成鲸形状的日本大型远洋货轮，提高航速百分之二十五。模仿企鹅的特殊运动方式，制成了深雪上行驶速度达时速50公里的雪地汽车。模仿袋鼠的运动制成了在沙漠中通行无阻的无轮汽车──跳跃机等。五、生物力能学──如模仿萤火虫把化学能变化光能的效率几乎达百分之百的优点，制出冷光源，可提高电能利用效率几倍到几十倍。六、医学仿生学──已制成的有原子动力心脏，人工肾，能做出六个基本动作的假手。•中国女子中长跑运动员王军霞一次次扬威世界体坛。王军霞成功的奥秘何在？究其原因，固然与她的身体素质与刻苦训练的精神分不开，但更重要的是她采用了科学的训练方法。据报道，马俊仁教练曾潜心研究过羚羊奔跑的姿态，并让队员们在跑步时进行模仿。马教练这种科学的训练方法，正是运用了仿生学的原理。仿生学是一门新兴科学，前途广阔，不久的将来将在生产，生活各个领域里得到广泛的运用。•今天我们来学习《眼睛与仿生学》，了解一下眼睛的仿生价值。•制导：通过无线电装置，控制和引导导弹等，使其按一定轨道运行。•散射：光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线向多方面改变方向的现象。•明察秋毫：比喻目光敏锐，连极细小的事物都看得清楚。秋毫：秋天鸟兽身上新长的细毛。•别具一格：另有一种独特的风格。•课文可分为三部分。第一部分从“眼睛是人和动物的重要感觉器官”到“这对发展现代科学技术有重要的意义。”第二部分从“人眼的光学系统跟照相机是十分类似的”到“大大提高了工效与质量。”第三部分从“上述各方面的研究工作”到“感觉仿生已经成为目前仿生学的发展重点。”•第一部分讲的是“研究视觉仿生的意义”，共有三个自然段，包括(1)眼的重要；(2)眼的功能；(3)眼睛与仿生学。•第二部分则探讨了研究视觉仿生的成果，又可以分为两层，第一层讲单眼的构造与功能，从文章的第四自然段到第九自然段分别讲了人眼、蛙眼、鹰眼，第二层则分别以象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓和苍蝇为例讲了复眼的构造与功能，从第十自然段到第十四自然段。•第三部分则说明了仿生学的定义，任务、研究范围和发展重点。课文结构人眼（4-5）蛙眼（6-8）鹰眼（9）人造眼电子蛙眼电子鹰眼象鼻虫（10-11）蜜蜂（12-13）蜻蜓、苍蝇（14）地速计偏光天文罗盘复眼透镜1、(1─3段)概括说明研究各种不同构造的眼睛的意义。2、(4─14)研究情况及成果。一般眼睛复眼3、(15─16自然段)仿生学研究的意义、范围和任务，以及发展重点。整体结构（4-14）各种眼睛的功能及仿生学的意义。（15-16）说明仿生学的任务及其发展重点。（1-3）眼睛的重要作用及感知外物的基本原理；研究眼睛功能和结构的重要意义。对各类眼睛的研究及启示•眼睛是我们认识世界的重要感觉器官，每天我们通过眼睛可以看到这个世界上的万物，甚至通过眼睛来感受万物的变化。所以久而久之，我们就认为，在大脑中出现的一切，都是通过眼睛一点不漏的看进去的。就好像一部照相机。•那么实际上，人眼并不是把投射到视网膜上的图像一点不漏地传给大脑，而是先对图像进行信息加工。（选取我们需要的信息）这是人眼不同于照相机的特殊功能。•对于这种功能的研究，对于人类的科技发展有许多启示：对于改进某些机器的输入装置和自动控制系统的传送器，研制新型跟踪和发现系统，都具有十分重要的参考价值。•人眼除了可以对外来图像信息进行加工这个功能外，还具对比周围的景物，使人感知自身的运动和位置状态，确定物体的距离、形状和相对大小。这也对我们有许多启发。人眼-------信息加工感知自身的运动状态，确定物体的距离、形状和相对大小人眼的两种功能及科技意义对图像进行信息加工对比周围的景物，使人感知自身运动和位置状态。确定物体的距离、形状和相对大小某些机器的输入装置\自动控制系统的传送器\新型跟踪和发现系统“人造眼”青蛙能敏捷地发现具有特定形状的运动目标，准确地确定目标的位置、运动方向和速度，并能选择最佳的攻击时刻。蛙眼电子蛙眼展翅翱翔于两三千米高空的雄鹰，一下子就能发现地面上宽广范围内的一只小兔或小鸡。鹰眼如果我们能够研制出“电子鹰眼”，就能够大大扩充和提高飞行员的视野和视敏度。电子鹰眼象鼻虫眼象鼻虫根据各个小眼看到同一个物体的时间差以及自身在此期间飞过的距离，可以出很快地“计算”它相对于地面的飞行速度。地速计蜜蜂眼蜜蜂的复眼，能够看到太阳偏振光的振动方向，而这种方向与太阳的位置有确定的关系。偏光天文罗盘蜻蜓眼苍蝇眼复眼透镜剥去蜻蜓和苍蝇复眼的角膜，放在显微镜下观察，尽管在角膜前面只放一个目标，但通过角膜却可以看到许许多多个像。不同的眼睛眼睛的构造或功能研究的启示人眼略略蛙眼能够敏捷地发现具有特定形状的运动目标雷达系统、人造卫星跟踪系统鹰眼视野广阔视敏度高电子鹰眼（控制远程激光制导武器、导弹跟踪）象鼻虫眼“天然速度计”地速计蜜蜂眼具有特殊的结构，可以利用太阳偏振光来导航“偏光天文罗盘”蜻蜓眼角膜由许许多多个六角形的小眼角膜排列构成“复眼透镜”、“复眼照相机”单眼复眼•一般先说明某种眼睛的构造或某种特点，然后说明其仿生学意义以及人们得到的启示。作者通过这种功能（结构）到应用的模式化说明，将事理说的一清二楚，人们也很容易就理解了。•小结：作者在文章的4-14小节中，采用从简单到复杂，从一般到特殊的说明顺序，运用举例子、作比较的说明方法，为我们说明了各种眼睛的功能及仿生学的意义。（一）、说明顺序有条不紊。合理的说明顺序对于说明非常重要，因此说明文的顺序必须既符合人们认识客观事物的规律，又符合事物本身固有的特点。人们认识事物有它的规律性，如由感性到理性，由简单到复杂；事物和事理本身都有它内在的逻辑关系，如“一般──特殊”；“整体──部分”；“因──果”；“主──次”；“深──浅”；“大──小”（或相反）。按照这些关系安排说明顺序，就叫逻辑顺序。•由于仿生学是一门新兴科学，人们一般对它都比较陌生，所以作者不是先在科学定义上作文章，而是先介绍人们最熟悉，印象最深的人的眼睛，及其在仿生学中的意义，然后再说明一些动物的眼睛及其构造和功能。就眼的构造来说，一般眼的构造比复眼简单，所以作者先从一般眼睛谈起，然后再介绍复眼的构造及其在仿生学中的意义。•本文的说明顺序是由一般到特殊，由简单到复杂。这样的说明顺序既便于读者理解，又符合人们的认识规律，因此显得合情合理。（二）、结构安排紧凑合理。说明文的基本结构有“总──分──总”“总──分”、“分──总”三种形式。就文章的主体部分来说，由于层次之间的关系不同，常见的有“纵式结构”（层进关系），“横式结构”（并列关系）和“纵、横合式结构”。通过分析各自然段的内容，可以归纳出这篇说明文的结构。（三）、说明方法恰到好处1、举实例与作比较两种方法交错运用。•例如说明“研究、认识眼睛的各种构造和功能”，“对发展现代科学技术有重要的意义”，就列举人眼为例。为了说明人眼的仿生学意义，又把人眼的结构功能与照相机作比较，说明了人眼的信息加工传输功能的仿生学意义。举实例是为了说明观点或道理，而作比较则使得实例更加特征鲜明，更加强了“实例”说明观点、道理的作用。2、下定义。•定义是以简练的语言揭示概念内涵的可靠方法，在本篇课文中使用多次，如下列几例：（1）、探索人和动物眼睛奥秘的仿生学研究工作，称为视觉仿生。（2）、由几十至几万个独立小眼构成的眼睛，叫做“复眼”。（3）、具有偏振现象的光叫做偏振光。3、列数据。•在说明由于受到视野和视敏度的限制，在高空飞行的飞行员单凭肉眼很难发现和识别地面目标时，也采用下列数据的方法：“例如飞行员在六千米高空作水平飞行时，飞行员只能看到两侧八九公里和前方一二十公里狭窄范围内的地面。即使在这个区域里，对比较大的目标也不是总能准确无误地发现和识别的。”这段话是在举实例之中，兼用了列数据的方法。4、分析与综合。•课文（1～3）段综合说明眼睛的重要作用、基本功能以及仿生学意义；（4～14）段则是分析说明眼睛的仿生学意义，先把眼睛分成“单眼”与“复眼”，再把“单眼”分成人眼、蛙眼、鹰眼分别加以说明，把“复眼”分为蜻蜓眼、象鼻虫眼、蜜蜂眼等分别加以说明；（15～16）段又综合说明仿生学的任务、什么是视觉仿生学等。分析说明必须建立在对所说明的对象科学分类的基础上，因而也必须遵循分类的规则，即每次分类只能使用一个标准。课文总结从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。这篇文章是介绍仿生学这门新兴科学的说明文，为了说明这门新兴科学，作者运用了举例和比较交错运用，以及分析与综合的说明方法，具体，生动的生活实例加上本文准确、严密、简明的语言把深奥难懂的科学道理表达得深入浅出、通俗易懂。•鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。鲨鱼皮泳衣菲尔普斯•以鲨鱼皮为设计原型的船外壳表面和连体泳衣。鲨鱼游得快是因为其皮肤上有一层细小的脊柱形突起，鲨鱼在水中游动的时候，这些突起能够更有效地使身体周围的水流走，从而减少阻力，使鲨鱼成为海洋中游泳的佼佼者。奥运会的游泳比赛中，天才泳星菲尔普斯和他的队友穿着黑色连体紧身“鲨鱼皮”泳装，夺得一枚又一枚奖牌，“鲨鱼皮”泳装的高科技威力由此受到越来越多人们的青睐。鸟儿是人类的朋友、春天的使者，也是大自然的建筑大使。缝叶莺会缝叶成巢，营冢鸟能造出恒温的巢，燕子会用泥丸垒成巢，骨顶鸟会造浮巢……最精美的鸟巢就数织布鸟编织的瓶状巢了，它撕取长条的树状纤维，像织布工人那样用嘴和脚灵巧地穿针引线，并适时地打结而成坚固的编巢，如果在编巢时遇到大风，织布鸟还会衔一些泥团来“镇风”呢！鸟巢的艺术让建筑师们浮想联翩，他们思考着如何借鉴大自然给的建筑灵感，现在，这种设想已经有些成果了。2008年北京奥运会的标志性建筑——国家体育场就是一个“鸟巢”式建筑，结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，它就像树枝编织的鸟巢，简洁而典雅。•科学家通过研究大凤蝶发现其翅膀颜色本来是黄色和蓝色的，但是，在一般人看起来，它却是绿色的，这是为什么呢？原来科学家发现在显微镜下：蝴蝶翅膀上有很多很小的下凹的小坑，小坑底是黄色的，而坑的斜坡上是蓝色的，当阳光照射在