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《原理移植》教学案例

(发布人:教务处  发布时间:13-08-12 10:48  点击量:24180)

《原理移植》教学案例

厦门一中    黄建通

教学目的

1、了解原理移植的作用和意义。

2、学会用两条途径进行发明构思。

3、用适量的范例来加深学生对原理移植技法的理解。

4、             用师生对话的形式进行发散和收敛思维训练。培养学生的创造思维能力和掌握该发明技法。

教学重点  原理移植的内涵与实施步骤

教学难点 如何“善借”和“巧移”

教学过程

一、     引入课题

猫为什么爱吃老鼠?你可能从未考虑过这种天经地义的事情,或许你认为这是猫的天性所致。其实不然,科学家们发现,猫一旦不吃老鼠,它们的夜视能力会逐渐下降,甚至完全丧失。原来,其貌不扬的老鼠体内有一种特殊的物质,这种物质能自行合成牛黄酸。猫的体内因缺乏这种物质而不能自行合成牛黄酸,猫只有不断捕食老鼠,才能弥补体内牛黄酸的不足,以保持和提高自身的夜视能力。这项研究成果立刻引起了眼科专家的高度重视,他们敏锐地意识到,至今令医学界束手无策的“顽固性夜盲症”,可能就是由病人体内缺乏牛黄酸导致的结果。临床实验证明,病人吃了一些鼠肉后,夜视能力明显提高了。

许多事物有着相同的规律性和相同的技术原理。当一种技术原理在某一领域实现后,就有可能移植到其他领域,导致创新成果的诞生。随着现代科技发展的综合化趋势的加强,各学科之间相互交叉和渗透的现象日益凸显,原理移植几乎在所有的领域里都得到了广泛的利用。

原理移植有两条途径:一条是将某种原理移植到一个具体的事物中;另一条是为解决正在研究的课题,寻求可以借鉴的原理。

本节课我们将要学习移植技法中的第三种类型——原理移植。

板书:原理移植

二、范例介绍

【例1】           喷雾器与汽化器

运用喷雾器能使液体雾化的原理,相继发明了香水喷雾器、农药喷雾器、油漆喷枪等一系列原理基本相同而使用功能各异的新产品。

汽油机发明之初,其工作效率很低,主要的原因在于燃料和空气未能均匀地混合。美国工程师杜里埃也在苦苦思索寻找解决问题的办法,却一筹莫展。有一天早上,他看到妻子在化妆时,拿起香水瓶,一按瓶头按钮,只见香水被雾化成微小颗粒,喷洒在身上,同时也弥漫了周围的空间。杜里埃脑海里闪现出一个念头,如果像香水一样将燃料雾化,增大燃料和空气的接触面积,燃料不就可以充分地燃烧了吗?试验证明,使用这种方法能使汽缸里燃气充分燃烧,爆发力大大增强。经过多次改进,他终于发明了至今仍在沿用的汽油汽化器。

【例2】           长颈鹿与抗荷服

超音速战斗机在加速上升时,由于惯性的作用,飞行员体内的大量血液会迅速流向下肢,造成大脑缺血,严重时引起猝然休克、机毁人亡。

长颈鹿的脖子很长,从心脏到大脑有3米之遥,所以长颈鹿需要很高的血压。但在长颈鹿低头喝水时,头脑低于心脏部位,在重力的作用下,血液在高血压的压力下并没有猛烈地冲击其脑部,这是什么原因呢?原来当长颈鹿低头喝水时,它的皮肤会自动收缩,箍紧体内的血管,限制了血液的流速,缓解了脑血管的压力。

人们效仿长颈鹿皮肤收缩的原理,发明了飞行员抗荷服,它紧紧裹住飞行员的身体,当飞机加速上升时,衣内的特殊装置全自动收缩,压紧血管,从而限制了飞行员的血液流速,有效地防止“脑缺血”。

【例3】           迷彩与变色

在自然界中,易遭袭击的动物大多具有保护色,借此迷惑天敌,保存自身。像蝴蝶、青蛙等动物的体色,就与它们栖息环境的颜色很相似,变色龙还可以随着外界的色彩来改变自己的体色。军事专家从中受到启发,认识到战争中利用伪装也是御敌制胜必不可少的手段。

前苏联卫国战争时期,从事蝴蝶翅膀花纹研究的昆虫学家施万维奇移植了动物保护色的伪装原理,发明了迷彩伪装技术。德国空军万万没想到,苏军的飞机、大炮及弹药库,竟然会隐藏在地面上的一片片“蝴蝶群”之中。

普通迷彩服的伪装效果是显而易见的,但它的图形和色彩是不能改变的。人们利用了变色龙变色的原理设计出多种可变色的迷彩服。一种由类似液晶的热变色材料染制的衣服,它能随着温度的变化而改变颜色,例如,在28℃时呈红色,低于28℃时呈黑色,高于33℃后呈蓝绿色;另一种可控服装,内装有可变色电子装置,高温时呈砂粒颜色,低温时自动转为白色;利用可控装置,还可人为进行色彩调换,它的用途已超出了军事范围。

【例4】           蜻蜓翅痣的启示

在发明飞机的30年后,由于飞行速度的逐渐提高,飞行中出现了一种有害的机翼颤振现象,这种颤振导致机翼突然断裂,机毁人亡的悲剧时常发生。正当人们感到束手无策的时候,蜻蜓翅膀上的翅痣(图1)引起了科学家的注意。从翅膀的整体结构强度来说,翅痣并不起加强的作用,或许它就是蜻蜓战胜颤振的法宝。于是,飞机设计师们在机翼设计中增设了类似蜻蜓翅痣的加厚区,果然消除了飞机机翼的颤振现象,尽管至今人们还不能完全明白其中的奥妙。

【例5】           蝇眼与太阳能电池板

澳大利亚动物学家安德鲁·帕克从一张蝇眼的电子显微照片中发现:在蝇眼的表面上,有一系列平行隆起纹路构成的格栅,其高度为145纳米,相距240纳米。帕克认为这些格栅隆起之间的距离大约是光的波长的一半,这种布局可能会大幅度减少光的反射。

光学专家们已经证实了帕克的推测,他们将与蝇眼相同的纹路压刻在光敏乳剂层上,用不同波长的激光束从各个角度照射这种光敏材料,然后测量有多少光线被反射回去。试验证明,这种格栅正是一种针对任何角度入射光线的抗反射器。

如果把类似蝇眼的纹路蚀刻在太阳能电池的玻璃上,太阳能设备就可以省略昂贵且笨重的追踪系统。

三、阐明定义

通过介绍了这几个实例,我们对原理移植的概念应该有了初步的了解。那么,什么叫原理移植呢?

板书:定义—— 将某事物的基本原理植入不同的领域中,从而产生新的事物的方法称为原理移植法。

四、描述步骤

前面提到,移植法有两条途径,原理移植同样也有两条途径。

板书: 第一条途径:将现有的原理移植于具体事物

列出已知原理所产生的具体功能

列出需要这些功能的事物

提出应用这些原理具体设计方案

验证具体设计方案

第二条途径:为解决问题寻找可借鉴的原理

提出需要解决的关键问题

列出能解决这个问题的已有事物

分析这些事物的基本原理

提出原理移植的具体设计方案

验证移植效果

五、师生讨论

:据说发明潜艇的构思来源于鱼类的沉浮,但两者的操作方式似乎不太一样?

:鱼和潜艇的沉浮原理是这样的:当浮力大于重力时,物体上浮,反之,物体下沉。鱼鳔是鱼类主宰其沉浮的主要器官,潜艇也有一个类似鱼鳔的浮力舱,当浮力舱吸入海水时,潜艇下沉,需要上浮时只要往浮力舱内灌入压缩气体,把水排出即可。从原理上讲,两者的道理是一致的;但从具体的操作方式来说,鱼类靠的是改变自身体积,而潜艇靠的是增减自身重量。因此,在使用原理移植法时,只要遵循其基本原理,结构及操作方式不一定要照搬,甚至可以进行必要的改变或改进。

:从上述列举的实例中可以看出,原理移植的对象大多来自大自然?

:这种观点不全面。人们运用自己的聪明才智,发明了许多产品,研究出很多技术方法,创造了众多自然界原本不存在的东西,比如汽车、电话、激光器、电脑等。至于对人类创造出来的东西的移植,也是不胜枚举的:微波加热的原理还可以用来加热沥青;激光器可应用于手术、打孔、检测、唱机、全息照相、光盘贮存器等领域;超导现象的发现,促成了应用超导技术的高速列车和高速船舶的诞生;原子裂变现象的揭示,导致了原子弹和原子能发电站的发明……。尽管现代飞机比任何鸟类飞得更快、更远、更高,但在灵活性、能量转化率等方面却远远不如它们,生物界的许多高超的能力对人类来说还是“科学之谜”。每当我们发现一种生物的奥妙,就可能给我们一种新的启迪,也可能带给我们一种新的生存方式。仿生创造是取之不尽、用之不竭的源泉,模仿大自然是移植法的重要环节。

:对我们中小学生来说,应选择什么样的移植课题?

:宜选择适合自己知识范围和外部条件的课题。比如弹簧、凸轮、摆等器件可移植在什么物品上,如何利用温室来营造四季如春的环境等。如果提出设计一种激光炮或“人造牛胃”等课题,尽管精神可嘉,但受于知识和条件的限制,这种移植成功的可能性是很小的。

六、课堂小结

1.   一项新颖的原理,往往可以在不同的领域得到体现。

2.   为解决某项问题,我们可以列举出能解决这类问题的已有事物,其基本原理往往就是解决问题的关键所在。

3.   移植时,其原理可以全盘照搬,也可以只摄取其精华部分,甚至可以进行必要的改进和完善。

4.   科学技术是人类智慧的结晶,生物高超的能力是自然界的造化,两者都遵循着自然规律,都值得我们去移植和借鉴。

5.   中小学生宜选择适合自己知识范围和外部条件的移植课题。

七、布置作业(参考答案)

1.    走马灯是由蜡烛点燃后产生的热气推进叶片旋转的,这个原理已经移植到什么物品上?(燃气轮机)

2.    陀螺具有奇特的纠偏功能,根据陀螺的原理可设计什么仪器或设备呢?(罗盘、防摇装置等)

3.    鱼体表面的粘液有降低运动阻力的作用,请问什么领域可以移植这个原理?(水上交通工具)

4.    海豚的弹性皮肤可大幅降低水的运动阻力,什么物品可以借鉴它?(船舶外壳、飞机外壳、游泳衣等)

5.    1~3赫的次声波会使动物产生恐惧,3~7赫的次声波会引起神经混乱,8~12赫的次声波可使人的思维集中,13~40赫的次声波可动摇人的意志和情感。你可以从这些原理中提出哪些设计构思?(武器、生理调节装置等)


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