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眼睛与仿生学
一、教学目的:
1.学习本文说明事物的顺序和交错运用举例和比较两种说明事物的方法。
2.了解一些仿生学的知识，激发学生对科学的兴趣。
二、教学重点、难点:
1.重点: 课文说明的顺序及分析说明、综合说明等说明方法。
2.难点: 本文主体部分的“横式结构”及分类说明的结构和方法。
三、教学时数:
两课时
四、教学步骤:
第一课时
词语注释:
*明察秋毫:比喻目光敏锐，连极小的事物都能看清。察:看到。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。
轻而易举: 形容事情容易做。
视野: 眼睛看到的范围。
仿生学简介:
仿生学是近一二十年发展起来的一门属于生物科学与技术科学之间的边缘科学。它把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，希望在技术发展中能运用这些原理和机理，最后目的是要实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机器等。生物界各种丰富多彩的功能，具有极其复杂的精巧的结构，其奇妙程度远远超过迄今为止的许多人、物、机器，因此在工程科学的进一步发展中，人们需要向生物寻找启发和进行模拟是很自然的，这种努力有广阔的前景。
探索人和眼睛奥秘的仿生学研究工作，称为视觉仿生，属于感觉仿生学范围。感觉仿生学是目前仿生学发展的重点。
课文是根据有关材料改写的一篇科学说明文，介绍人和动物的眼睛的不同结构和功能及从中得到的重要启示，使读者对仿生学有了较形象的了解。
课文结构:
第一部分(1-3自然段)概括说明研究各种不同构造的眼睛的意义。
1.以人眼为例，说明眼睛对感知外物的重要作用。
2.说明眼睛感知外物的基本原理。
3.说明各种动物眼睛构造不同及研究它的重要意义。
第二部分(4-14自然段)具体说明对各种构造不同的眼睛的研究情况及已经或即将取得的成果。
第一层(4-9自然段)人眼及动物一般眼睛的研究及意义。
4.人眼的功能及重要参考价值。
5.对人眼的研究已取得和即将取得的成就。
6.青蛙有一双机能优异的大眼睛。特点(过渡)
7.蛙眼的独特本领。功能
8.对蛙眼研究已取得和即将取得的成就。
9.鹰眼的特点及由此得到的启示。
第二层(10-14自然段)复眼的研究和意义。
10.以蜻蜓眼睛的结构特点来说明什么是复眼。(过渡，承上启下)
11.象鼻虫复眼的特殊功能。
12.说明什么是太阳的偏振光。
13.蜜蜂复眼研究的运用。
14.复眼的构造对于研究复眼透镜的启发作用和取得的成就。
第三部分(15-16自然段)仿生学研究的意义、范围和任务，并指出感觉仿生学已成为目前仿生学的发展重点。
第二课时
写作特点:
一、本文的说明顺序是由一般到特殊，由简单到复杂:
视觉仿生的依据是眼睛，而人们最熟悉、印象最深刻的，便是人的眼睛。所以作者先从人眼的构造和功能及其在仿生学中的意义谈起，然后再谈其他动物的眼睛及其特殊功能。这样的说明顺序易于为读者理解。从眼睛的构造来说，一般眼睛的构造比复眼要简单，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。这样由浅入深地说明事物，符合人们的认识规律。要做到深入浅出，还必须抓住事物的特征。课文分别介绍了人和蛙、鹰、象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓及苍蝇等动物的眼睛，之所以选这些材料，就是因为它们的眼睛有特征，有区别于其它眼睛的独特构造和功能。仿生学之所以要研究它们，原因也在于此。本文在分析说明的时候，采用了相同的层次结构，即对各种眼睛在仿生学中的意义进行分析说明时，都先说明这些眼睛的构造特点或功能特点，然后再说明它们对于发展科学技术的启发。这样写眉目清楚，使读者易于掌握。
二、本文的结构特点及说明方法:
课文的整体结构采用“总分总”的形式，开头一至三段是引言部分，总提人眼和动物眼睛在构造和功能上各有许多特殊之处，从中得到的启示对发展现代科学技术有重要意义。四至十四自然段分别介绍了人眼和几种动物眼睛在仿生学上的作用，最后两自然段，总结概括了仿生学的定义，指出它的任务，介绍了它的研究范围、类别和发展重点。
课文主体部分采用了条分缕析的方法，始终停留在一个平面上举例介绍了人眼和其他动物眼睛的特殊构造、功能及其在仿生学上的作用。这种“横式”结构便于作者较全面地充分介绍丰富的材料，使说明对象的各个部分和侧面较清晰地展现出来，各并列部分之间有一个由浅入深的问题，结构上有它的内在联系。
横式结构在写作时往往运用分类说明的方法，将被说明的对象，按照一定的标准，一类一类地加以说明。本文以眼睛为说明对象，以十段为分界和过渡，前面说明一般的眼，后面说明复眼。一般的眼中分别说明人眼(45自然段)、蛙眼(68自然段)、鹰眼(9自然段)，复眼中分别说明象鼻虫眼(11自然段)、蜜蜂眼(13自然段)、蜻蜓和苍蝇眼(14自然段)。这些眼睛的分类主要以构造功能为标准，类别的划分突出了每种眼睛之间的差异，使每种眼睛的特征更加突出。
本文交错运用举例和比较这两种方法进行说明。一边大量举例子，一边对所举例子进行比较，既简略介绍相关事物的共同性，又详细地说明了它们的不同之处。如以人眼为例说明研究各种不同构造的眼睛在仿生学中的意义时，拿人眼与照相机比较。先用“人眼的光学系统跟照相机十分类似”，极简略地说明两者的相似处，再介绍不同处: 1.照相机只是把外界事物的图象映在照相底片上，而人眼则是先要对图象进行信息加工，并编制成神经密码信号再传
给大脑；2.人眼还可以对比周围的景物，使人感知自身的运动和位置状态，确定物体的距离、形状和大小。又如介绍复眼时，先以蜻蜓为例，与人眼进行比较，说明复眼的特殊构造与功能，然后用“虾、蟹、蜂、蚁等节肢动物的眼睛都是复眼”一句简略说明它们的共同点: 都是复眼，再分别说明象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓和苍蝇等各自不同构造的复眼及其功能。
本文还运用了分析说明和综合说明。分析说明通常指对某一说明对象按照不同的角度或眼睛分开来说明。如本文对眼睛的说明，一般的眼睛(人眼、蛙眼、鹰眼)特殊的眼睛复眼(蜻蜓、象鼻虫、蜜蜂、苍蝇)。综合说明是从总体上对一个事物作概括的说明(13自然段)(10自然段)(1516自然段)
三、语言准确、严密:
课文在介绍视觉仿生学的一系列研究成果时，用词特别准确、严密。对其中取得较好效果的，如“复眼透镜”，作者就具体介绍它的特殊作用，指出它“大大提高了工效与质量”,对有些虽已制成但效果尚不理想的,如“人造眼”，作者在介绍它的用途后，同时强调它还需要“进一步完善”，对于有些仅仅得到某种启示，尚未研制成仪器或机器的，如“电子鹰眼”，作者就连用“如果„„就能够”、“如果„„就有可能”、“如果„„就可以”三个假设关系的复句来表示，说明只是一种假设，并未变成现实。这样实事求是反映发展现状的写法，是科学说明应当遵循的原则。
作业:
[思考和练习]第二题、第三题、第四题(作周记)。_
说明文是一种以说明为主要表达方式，用来介绍某种具体事物或解说某种抽象事理的文体。考查说明文阅读与理解主要有以下几个方面。
1、明确说明对象。
读一篇说明文，首先要弄清楚它的说明对象是什么，究竟在介绍某种具体事物还是在解说某种抽象的事理。
①在确定说明对象时，分清说明文的类型后，就比较容易把握说明对象，如说明实体的说明文，有的题目就是说明对象，如《中国石拱桥》《雄伟的人民大会堂》《苏州园林》等，但这一方法不是阅读所有的说明文都可以用。例如《死海不死》的说明对象是„死海‟不死的原因，如果简单的把标题作为文章的说明对象，会影响对文章的理解。所以，一般的事物说明文的对象可以从标题上找，事理说明文的对象不能仅看标题。
②有些说明文，特别是事理说明文只有通读全文，在整体感知文章大概内容的基础上，思考分析，才能明确文章的说明对象。另外还要注意不要把说明文中的局部的说明对象误认为是全文的说明对象说明对象。
考察这个知识点一般有三种提问的方式：①指出说明对象是什么。②概括说明的主要内容是什么。③找出中心句。
答题时首先要注意区别问题的范围是全文还是段落，然后针对不同的范围作出相应的解答。另外“说明的主要内容”不同与“说明对象”，事物说明文说明的主要内容等于说明对象加上其特征，事理说明文的主要内容则需要从现象的起因、性质、解决措施等方面加以概括。有时段落的中心句就是本段说明的主要内容。
主要内容：
事物说明文：说明对象+特征
事理说明文：现象的起因、性质、解决措施等方面加以概括（中心句）
2、抓住事物的特征。（本质特征）
事物特征是一事物区别于其他事物的标志。不管是何种类型的说明文，被说明对象的特征总是说明的核心，只有把握了说明对象的特征，才能更好的了解被说明的事理、事物。对于具体事物说明文经常会让考生指出该说明文的特征是什么。
怎样抓住说明文的特征呢？
①在明确了说明对象后，要从文章的说明事物的内容入手，从中理解、概括说明对象的特征。一定要把握文章在说什么或在阐释一个怎样事理。
②抓住文章中的中心句及关键性的词语。
有时题目中的修饰限制成分就直接说明了事物的特征，例如《雄伟的人民大会堂》；有时文中用中心句来概括事物的特征，例如《苏州园林》；有时则需要概括段落的要点加以总结，例如《中国石拱桥》的第二段指出：“石拱桥在世界桥梁史上出现的比较早。这种桥不仅形式优美，而且结构坚固。”
表面特征与本质特征，例如《死海不死》：
表面特征：淹不死人、浮力大、一切生物不能生存
本质特征：海水的咸度很高
3、理清说明顺序。
常见的说明顺序有三种：
①时间顺序：即以时间的先后为说明顺序。一般用于介绍哦人物的生平、记录科学家研究历程、说明庶务的发生及发展或讲解制作步骤等。
②空间顺序：即按照事物的空间存在的形式，以前后左右、上下高低、东西南北或从整体到局部等为顺序，一般用来说明事物的构造或形态。
③逻辑顺序：即按照事物的内部联系或人们认识事物的过程来安排说明顺序，事物的内部联系包括因果关系、层递关系、主次关系、总分关系、并列关系等；认识事物的过程则指由浅入深、由现象到本质、由具体到概括等。事理说明文一般以逻辑顺序为主要的说明顺序。
4、说明的结构。
顺序和结构是两个 概念。
说明顺序：具体是对说明内容的先后次序的安排。
文章结构：是文章各部分的组合方式。
结构形式：
总体结构：①引出说明对象（引说部分）②阐释说明对象（主体部分）③总结说明对象（收尾部分）
基本模式：①横式结构（说明事物的几个方面）②纵式结构（说明事物的发生、发展、结果或制作过程）③纵横交错式。就主体部分来说，由于段落之间的关系不同，形成了常见的几种常见的形式：
并列式、连贯式、递进式、总分式（总分、分总、总分总）
5、掌握说明方法。
常见的说明方法有下定义、分类别、列数字、举例子、打比方、作比较、列图表等。
⑴、“下定义”是用科学性的语言对被定义的概念做周全严密的规定，形式上往往是个判断句。下定义往往用公式化的语句来表达，“某某叫什么”，也可以用“某某叫什么的形式来表达。如统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法”就是下定义。下定义要有严密性和科学性，并不是所有的判断句都是下定义，比如“风是沙漠向人类进攻的武器 ”，这是用打比方的方法
说明风在沙漠向人类进攻中的作用，不属于科学性的语言，不是下定义。又比如“人类语言的特点就在于能用变化无穷的语言，表达变化无穷的意义”这句话是解说语言的特征，不是下定义。看来，解说、描绘性的语言都不是下定义。下定义往往倒过来说也能成立。下定义的作用是能准确、简明的说明事物的本质特征，属于概括说明。
⑵、“分类别”是按照一定的标准，把事物分成若干加以说明。如《向沙漠进军》中介绍风沙进攻的方式时说“一种可以称为„游击战‟……一种称为„阵地战‟……”，采用了分类别的说明方法。要注意的是给事物分类别要有一定的标准，使眉目清晰，避免产生重复交叉的现象，分类完了还要加以说明。分类别的作用是能有条理、更清楚的说明事物。
⑶、“列数字 ”是用数字来说明事物特征的。文章中如果出现的数字不是用来说明事物特征的，一般不叫“列数字”的说明方法。比如“万人大会堂，里面宽76米，深60米……”这句话中的数字是用列数字来说明大会堂的体积的。作用是从数量上说明事物，更准确、更具体、使人一目了然，比文字说明更有说服力。
⑷、“举例子”是列举有代表性的恰当的事例来进行说明。这是常用的说明方法，例子前面常有 “比如”“例如”“如”等标志词语。举例子的作用是反映一般情况，真切、有力的说明事物。⑸“打比方”是借助大家熟知的事物，取其相似之处来打比方。作用是增强说明的形象性、生动性。
⑹“作比较”是选择有外在或内在联系的事物进行比较。作比较包括类比和对比，同类事物的类比是为了说明相同点；不同类事物的对比，是突出不同之处。作用是化深奥为浅显、变复杂为简明，可以更清晰、更新鲜的说明事物，增强说明效果。
⑺“画图表”作用是增强了直观性，使事物特点一目了然。
第二篇：眼睛与仿生学教案[小编推荐]
眼睛与仿生学教案
一、教学目标
（一）了解课文提及的人和动物的眼睛构造与功能的特点及其与仿生学的关系。
（二）理解本文的说明顺序，掌握分类、举例、比较等说明方法。辨识分析说明与综合说明。
（三）领会说明文语言的科学性、准确性。
（四）培养学生对科普读物的阅读兴趣，使学生初步具备独立阅读和分析科普读物的能力。
二、难点、重点分析
（一）本文是按什么样的说明顺序进行说明的？
分析：本文说明顺序是由一般到特殊、由简单到复杂。视觉仿生的依据是眼睛，而人们最熟悉、印象最深的，便是人的眼睛。所以，作者从人眼的构造与功能及其在仿生学中的意义谈起，然后再谈一些动物的眼睛及其特殊功能。这样的说明顺序易于为读者理解。从眼睛的构造来说，一般眼睛的构造比复眼要简单，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。这样由浅入深地说明事物，符合人们的认识规律。本文的分析说明基本上有三个步骤：先说明某种眼睛的某种特点，然后说明仿生学意义，最后讲应用及科研情况。眉目很清楚。
课文的整体结构采用的是“总-分-总”的形式。开头1～3段是引言部分，总提人眼和动物眼睛在构造和功能上有许多特殊之处，从中得到的启示对发展现代科学技术有重要意义。第4～14段是文章的主体部分，分别介绍了人眼和几种动物眼睛在仿生学上的作用。这一部分可分为两个层次：第一层次（第4～9段），谈人眼以及动物一般眼睛的研究及其意义；第二层次（第10～14段）谈复眼的研究及其意义。最后第15、16段，概括出仿生学的定义，指出它的任务，并介绍了它的研究范围、类别和发展重点。
（二）本文语言有什么特色？
分析：本文的语言特色是准确、严密和简明，用词注意分寸，决不含糊其词更不任意夸大。比如谈到有关视觉仿生学的研究成果时，模仿象鼻虫眼睛的特殊功能而制成的“地速计”，根据蜜蜂的眼睛能看到偏振光的原理而制成的“偏光天文罗盘”，模仿蜻蜓等昆虫的复眼的特殊结构而制成的“复眼透镜”等，都是已经取得成果并已在实践中应用的，所以说明时用“制成了”；并且分别用“已”、“已经”等表示过去时态的副词，表示这些科研成果已被运用在航海、航空、印刷等方面。对于目前还只取得初步成果的，如“电子位置传送器”、“电子蛙眼”等，则在“研制成了”后面分别用“进一步完善”、“不断改进”这样的词语加以补充说明，既肯定了已取得的成功，又表示了还有待继续努力改进。而目前还处于设想阶段、并未取得多少实际成效的，如关于鹰眼视野特别广阔的特殊功能的研究，文章连用三个“如果”来加以说明，这就明确告诉读者，这个科研项目目前尚处在设想、探索阶段。这样介绍，如实地反映了视觉仿生的现状，符合说明文的科学性原则。本文还较多地运用了术语。
（三）本课使用了哪几种说明方法？ 分析：
（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。
又例如为了说明研究、认识眼睛的构造功能对发展现代科技有重要意义，还以蜻蜓复眼为例。为了说明蜻蜓复眼特殊结构功能，又把蜻蜓复眼与人眼作比较，说明蜻蜓的眼睛没有人眼的那种眼球，也不能转动，而是靠头部的转动朝向物体；接着具体介绍蜻蜓复眼的构造功能，说明复眼构造精巧、功能奇异；接着又与人眼比较，说明复眼在某些方面为人眼所不及。
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，如下列五例：
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。
④仿生学是在生物科学与技术科学之间发展起来的，它的任务是用生物体结构与功能的原理，去改善现有的或创造新型的机械系统、仪器设备、建筑结构和工艺过程。
⑤太阳光本来是自然光，它的振动均匀地分布在各个方向上。但是当它穿过大气层时，由于受到大气分子和尘埃颗粒等的散射，它的振动就只分布在某个方向上，或者在某个方向上的振动占了优势。这种现象叫做光的偏振现象。
以上五个定义，按照下定义的方法分为两类，前三个属于一类，叫做“属加种差定义”，后两个属于另一类，叫做“发生定义”。（注：这两种下定义方法的名称，略知即可。）
（3）列数据。在说明人眼从外界获得的信息比其他感觉器官多时，采用了列数据的方法：“据研究，从外界进入人脑的信息，有百分之九十以上来自眼睛。” 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。
（四）说明文的语言要求做到准确、严密和简明，（板书）先完成“思考和练习”二，然后再从课文中找出一些例句加以说明。分析：
（1）研制成功了一种叫做“生物-电子位置传送器”的“人造眼”。（2）人们研制成了一种测量飞机着陆时相对于地面的飞行速度的仪器--地速计。（3）制成了一种根据天空偏振光导航的航海仪器--“偏光天文罗盘”。（4）制成了一种新型光学元件--“复眼透镜”。
以上各句中带点的词语说明都是已经取得的成果并已在实践中应用的。
（5）进一步完善这种技术装置，将可以用来自动控制……选择……还可以控制……
加点词语既肯定了已取得的成果，又表示了还有待继续努力改进，而目前处于设想阶段，并未取得多少实际成效的。
（6）如果我们能够研制出一种类似鹰眼的搜索、观测系统，就能够扩大和提高飞行员的视野和视敏度。
带点词语说明这个科研项目目前尚在设想、探索阶段。
小结：（对照板书）本文交错运用了举例和比较以及分析和综合的说明方法，突出了事物的特征，提高了说明效果，语言做到了准确、严密和简明，体现了说明文的语言特点。
三、教学过程设计
（一）预习指导。词语辨析：
（1）而是先对图像进行信息加工。
（2）感觉细胞把光的刺激转换成一种电信号。（3）各种构造不同的眼睛，功能又有特殊的地方。（4）主要是因为它（蛙）有一双机能优异的大眼睛。
（5）从出示给它的各种形状的物体当中，识别出类似苍蝇等昆虫形状的物体。
（6）而这种方向与太阳的位置有确定的关系，所以蜜蜂能够随时辨别太阳的方位。
提示：①“信息”，是指眼睛把外界光的刺激，转换成符号。由于来自外界的刺激，所以符号是预先所不知道的。②“信号”，这里指传递外界刺激的电波。③“功能”，指眼睛所发挥的作用。④“机能”，指眼睛本身的作用和活动能力。⑤“识别”，指从不同的物体中，确认出所要找的事物。⑥“辨别”辨认出。
注：培养学生在具体的语境中理解词义的能力。如“信息”，词典的解释是“信息论中指用符号传送的报道”，在①句中不能生硬搬用，抽取“用符号传送”这一要点，结合句中“加工”一词，改作（把外界光的刺激）“转换成符号”，学生便容易理解。
（二）教学课文。
1．齐读第1自然段，然后指名回答问题。（1）这段话是围绕哪个词语来写的？ 提示：“重要感觉器官”。（2）为什么说它“重要”呢？
提示：比其他感觉器官多得多，有些还是其他器官所不能获得的，有百分之九十以上的信息来自眼睛。（3）这是什么语段？运用了什么说明方法？为什么要用这种说明方法？
提示：这是解证关系的语段，后面两句是具体说明第一句的，运用了“列数字”的说明方法，有很强的说服力。此外，这段概括地介绍了眼睛的作用，是“综合”写法。
2．指名朗读第2自然段。其余同学边听边思考下列问题，然后讨论。（1）这一段是怎样介绍眼睛的基本功能的？
提示：先运用“综合”的方法，总的说明眼睛的功能，然后用“分析”的方法，按先后顺序说明为什么眼睛有这种功能。
（2）按思考过程来看，一般是先分析，后综合，可是“再经过大脑的综合分析”，这一句却把二者的次序调换了，你怎么理解？
提示：这句话说的不是“思维过程”，而是对信号的处理过程。是把源源而来的信号加以处理（综合），然后再加以区别、分类（分析）。3．教师范读第1、2、3段，每读一段，由学生归纳一段的段意，最后归纳第一部分的意思。板书：第一部分： ①眼睛的重要作用。②眼睛的基本功能。③眼睛在仿生学的意义。
讨论：本文的题目是《眼睛与仿生学》，从扣题来看，对并列短语作题目的文章，应着重介绍两者的情况，现在只介绍“眼睛”，却不介绍“仿生学”。作者为什么要这样写呢？
提示：“仿生学”“属于一门新兴边缘科学”，要具体介绍并让读者懂得、理解，不是三言两语便成的，如果过多介绍它，必然使文章又冗长又枯燥。文章并非没有扣题，第3段的末尾两句其实已扣“仿生学”的范畴，不过不用“仿生学”这一术语罢了。这样处理，第一、第二部分衔接自然得多了。
4．学生复述第4～14段。
提示：要求学生把眼睛的功能和研究成功或正在研究的新科学技术准确地复述出来。5．教师把〔思考和练习〕二的1～4题用投影胶片或小黑板显示出来，要求学生在黑板上完成，不能看书，可根据“复述”时的领会做。做完后再打开书，对照检查。
6．齐读第4、5段。讨论下面问题：（1）照相机的发明算不算仿生学的内容？
提示：不算。理由是：“（人眼）跟照相机只是把外界景物的图像映在照相软片上不同。”也就是说，照相机并没有从人眼的“功能有特殊的地方”（见第3段）得到启示去研制出来。（2）文章用照相机这一事物有什么作用？
提示：先点明人眼与照相机在光学系统上类似，是类比说明，点明两者有可比的条件。用照相机主要是说明人眼和它不同，是比较说明。（3）又说人眼与照相机相类似，又说人眼与照相机不同，这不是矛盾吗？
提示：人眼与照相机在光学系统上相似，但人眼的视网膜与照相机的软片功能不同。照相机的软片只能把像录下来，而人眼的视网膜却能进行信息加工。板书：
人眼 对图像进行信息加工
教师点明：这就是人眼的功能特殊之处。
（4）这种信息加工原理对“仿生学”有什么启示呢？齐读：“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。” 板书（接上段的板书）：
人眼 对图像进行信息加工 对于改进输入装置和自动控制系统的传送器，研制跟踪和发现系统有十分重要的参考价值。--说明了人眼与仿生学的关系。
（5）提问：人眼还有什么功能特殊的地方？
提示：可以对比周围的景物，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。
7．齐读第6～第8段，然后讨论下列问题：（1）蛙眼的功能特殊的地方是什么？
提示：“对运动的物体简直是'明察秋毫'，而对静止不动的物体却'视而不见'。”（2）上面这句话所用的说明方法是什么？ A比较 B分类 C引用 D打比方
（3）对“就是靠这套本领，青蛙才能准确地捕食物和逃避敌害，在地球上生存了二百万年之久”一句的理解，正确的一项是： A．用具体数字说明青蛙生存时间的长久。B．运用列数字的说明方法，说明青蛙眼睛的特殊功能。C．运用列数字的说明方法，说明青蛙的眼睛的重大作用。D．以青蛙生活年代的久远，说明青蛙眼睛机能的优异。
提示：答案是D。A强调“生存时间的久远”，不是本文说明的内容。B说“运用列数字的说明方法”来说明蛙眼的特殊功能，也不恰当。C同B一样“运用列数字的说明方法”来说明蛙眼，是不恰当的，这也不是说明蛙眼的作用。
（4）蛙眼在仿生学上有什么启示？
提示：用到雷达系统，可以准确地把预定要搜索的目标同其他物体分开，同背景分开，提高雷达系统的抗干扰能力，还可把真假导弹区分开来。
（5）人眼和蛙眼的结构一样，为什么先讲人眼再讲蛙眼，而不先讲蛙眼再讲人眼呢？
A．因为“人为万物之灵”，按先主要后次要来选材、组材。
B．因为人们对照相机比较熟悉，而看过科教片《保护青蛙》的人不多。
C．因为人眼是人们最熟悉、印象最深的，读者易于理解。D．这样能由浅入深地说明事物，又符合人们的认识规律。
提示：答案为C。主要是因人们对自己的眼睛较熟悉，易于理解。作者这样选材，符合人们认识事物先认识熟悉的，而后认识陌生的这样的规律，但这不是由浅入深的规律，因为人眼与蛙眼，无所谓谁浅谁深的问题。A、B离开说明对象的本质，泛泛而谈。板书：
8．指定三名学生分读“人眼”、“蛙眼”和“鹰眼”中有关功能的部分，其余学生边听边思考，参照说明功能的构思示意表理解。（见下表）类别 引入的方式 功能的说明 人眼 照相机--同中求异
鹰眼 人眼遇到的难题 视野广阔 蛙眼 看科教片--机能优异
从表中可看出：说明相同的内容（眼睛的功能特点），运用了不同的写法，因而文章显得生动活泼，枯燥的说明文也能使人读出滋味来。应注意学习这样的手法，写好说明文。
从表中还可看出：并列说明对象的横式结构，不用作者特意说明，读者将会把它们的内容加以比较，加深印象。9．讨论：鹰眼功能特征的说明，用了什么说明方法？作用是什么？对仿生学有什么启示？
提示：①比较说明方法；②举数字说明方法；更好地理解鹰眼功能；借助鹰眼功能的启示，解决人眼所不能解决的难题。虽然“电子鹰眼”和“鹰眼系统”还是在受到启示阶段，但已给问题的解决带来了希望。10．提问：第10段开头的那句话，在文章中起什么作用？
提示：起承上启下的作用：即由对“一般眼睛”的说明转入到对“复眼”的说明，它概括了第10～14段的内容。
11．指名学生朗读第10段，其余同学留心听。然后用投影胶片或小黑板显示：
__________________因此，复眼已成为人们极感兴趣的研究对象，给了人们种种有益的启示。
问：空缺处应选用下面的哪一项呢？
A．复眼跟人眼、蛙眼、鹰眼的结构不同。B．复眼构造精巧，功能奇异。
C．复眼是由几千至几万个独立小眼构成的。D．由于复眼的每个小眼都能看到东西。
提示：答案为B。本文的思路是：抓住对人和各种动物眼睛的构造与功能的介绍谈它们对仿生学的启示。只有B这一项符合。
12．用投影胶片（或小黑板）显示“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，可以很快地'计算'出它相对于地面的飞行速度”。要求学生不看书，对这句话提出问题，并加以讨论。
可能提出的问题有：
①“计算”这个词语为什么要加引号？
②象鼻虫各个小眼为什么不是同时看到同一个物体的？ ③“相对于地面”中的“相对”是什么意思？
让学生翻开书本，他们马上可解决第2题“它的眼睛是复眼，呈半球形，许多小眼排列在曲面上。”教师指出，这说明象鼻虫复眼构造的精巧。
对第1题的解释是：作者为了说明象鼻虫复眼功能的奇异，有意用了拟人手法，这样才容易把功能特性给仿生学的启示通俗易懂地介绍出来，对第3题，则可解释为“以（地面）作标准而变化”。
13．提问：蜻蜓和苍蝇的复眼有什么功能？根据这一种功能研制出什么仪器？
提示：“这种复眼的角膜是由许许多多个六角形的小眼角膜排列构成的”，只放一个目标在角膜前，但“通过角膜却可以看到许许多多”相同的像。制成了复眼透镜。
14．结合〔思考与练习〕一，谈谈本文说明事物用综合说明与分析说明的情况。
提示：本文第一部分说明眼睛的重要，它的作用和它与仿生学的关系，是综合说明。第二部分是按横向排列，分别介绍六种眼睛的情况，和与仿生学的关系，是分析说明。第三部分则是综合全文内容，在读者已有大量感性认识的情况下，提高到理性认识的高度，这又是综合说明。
在分析每一类眼睛的情况时，也是有分析，有综合的。如“人眼”，先分析人眼与照相机的情况，然后综合出人眼的特点；又如，先对蜻蜓的眼睛进行由表及里的分析，再综合出复眼的定义。
分析说明，能使读者对被说明的事物的性质、状态、原由、作用等有一个比较具体、深刻的了解。综合说明，是在分析说明的基础上进行归纳、小结，使分析说明的内容抽象化，使读者对被说明的事物有一个较完整的、较准确的认识。当然先分析、后综合或先综合、后分析都可以，反正互相配合使用便是。
第三篇：仿生学与新材料
仿生学与新材料
摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们很好地借鉴并发挥。仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。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，它大大的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源
1.引言
早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。
人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用于未来的设计。
仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥 梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学[1]。人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分；仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”，这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。
在工业化进程加速的基础上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个方面，仿生学的相关设计开始占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学（Bionics Design）[2]。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的“形”“色”“音” “功能”“结构”等为研究对象，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。2.仿生学的研究范围
仿生学的研究范围非常广阔主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。
力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。
分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。
能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，是研究与模拟神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。我们可以从不同的角度多方面研究仿生学的原理与方法，更好的应用仿生法。3.仿生学的应用
3.1仿生学在军事上的应用
随着时代发展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化过程中，生物为了生存、自卫、竞争和发展的需要，逐渐形成了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在军事研究中很好地借鉴。军事仿生学就是模 仿生系统的原理来建造先进军事装备技术系统或者使人造军事装备技术系统具有或类似于生物系统特征的一门科学。随着人类科学技术的进步，军事仿生学的研究 范围越来越广泛，已经渗透到与军事相关的各个领域，只要生物界具有的优异之处而军事装备上又很需要的，都值得军事研究人员去揣摩、模仿。
仿生设计在军事上的成功应用有很多例子。如猫的眼睛与夜视仪。漆黑的夜晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它，其原因在于猫眼的视网膜上具有圆 锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜中常常只有圆锥 细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上只有圆柱细胞。此外，猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。所以，阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圆形，以 便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。军事科学家们便模仿猫眼的奥妙研制出了大有用处的微光夜视仪。这就是军事仿生学。世界上有许多军事发明，也都是科学家在探 索动物奥秘中得到启迪而设计、发明的。例如：蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的强烈照射时，卫星表面温度会高达202_度；而在 阴影区域，卫星表面温度会下降至零下200℃左右，很容易烤坏或冻坏各种仪器仪表，这曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，科学工作者从蝴蝶身上受到启迪，原 来在蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有着调节体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以调整阳光照射的角度，从而减少对热能的吸收；而当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。科学家为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。
仿生设计在军事上的成功应用，推动了军事科技的发展。在当今信息时代，人们对设计的要求和过去不同，既注意功能的优良特性，又追求形态的清新、淳朴，同时注重个性[3]。而仿生设计本身就是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形态，从而来创造更优良的人造物。所以，运用仿生性思维进行军事方面设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的军事化及军需化物品，而且以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然和谐统一。
仿生设计在军事上的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用于军事科技领域。两个领 域的结合将使军事研究向着更为科学和完美的方向发展，为军事研究开辟新的空间；同时，仿生设计也拥有了更广泛的用武之地，为其自身进一步发展壮大奠定了基础。
3.2仿生学在新能源上的应用
202_年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。
模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。
从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰 可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。
在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。
生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。
从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，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，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。
3.3仿生学在医学的应用
医学仿生学包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。美国科学家宣布，他们将活细胞和硅化电路相结合，创造出他们表示可使医学技术革命化的“仿生学晶片”。伯克利的加州大学研究人员宣布，他们成功地把人类的组织细胞装置在电脑晶片的小室内。带领这项研究的一位教授鲁宾斯基说：“这是以硅为基本成份的晶片，跟任何电脑或电子装置使用的晶片类同。我相信它是真正的仿生学晶片。” 研究人员表示，这是人类活细胞首次被电脑讯号控制。科学家透过指挥微小的装置打开或关闭细胞，希望有一天能命令癌细胞自行打开，容许有害的力量侵入，从而自我毁灭。
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，仿生学是一门综合科学，需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、控制论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等许多科学工作者进行合作，去解决各自需要解决的问题。仿生学是一门新生的科学，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应用。目前医学仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。在仿生高分子，我认为比较具有前沿研究的，一个是在医用材料里面，比如说仿生骨的研究，已经很多进入临床状态，四川大学李玉宝教授做的仿生的羟基磷酸钙人造骨，作为脊椎骨治疗腰椎盘突出取得比较好的成绩。仿生医学的研究对解决目前器官供需的严重不平衡应该有所帮助。4.结束语
德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”，道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。在现今科学 技术飞速发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。未来仿生“电子眼”、仿生“电子神经系统”的诞生，将是仿生学划时代的贡献。所有这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探索永无止境。
另一方面，大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，设计师要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台[4]。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。参考文献
[1]于帆，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，202_.[2]智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985.[3]王建成.简明军事科技发展史.国防工业出版社，202_.[4]许书民.设计概论.上海科学普及出版社，202_.
第四篇：仿生学论文：浅谈昆虫与仿生学
结课论文
作者： 学号： 学院： 专业： TEL： EMAIL: 指导老师： 题目：浅谈昆虫与仿生学
浅谈昆虫与仿生学
xxx（华南农业大学经济管理学院xxx，2xxxxx）
摘 要：在生物界中昆虫经历了长期的进化过程，发展出了许多与其所处生存环境相适应的器官系统，它们结构独特、功能奇异，因此，昆虫一直是仿生中最重要的对象之一。本文就昆虫仿生的仅展及热点，如：昆虫的形态仿生、结构仿生、感觉器官仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生进行介绍。
关键词：昆虫，仿生，功能
仿生学(bionics)是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。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。无论是在初期抑或是现在，仿生学主要以昆虫为对象的仿生研究一直是国内外的研究热点。目前,有关昆虫仿生研究的主要方向有：昆虫的形态仿生、结构和功能的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生等。[1]
一、昆虫形态的仿生
昆虫形态千差万别。形态仿生是早期仿生的主要内容，主要应用于军事和航空航天领域，例如：模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施；模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加上平衡重锤，解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问题；模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理，成功实现对人造卫星由于位置不断变化而引起温度骤然变化的控制。另外，一些昆虫巢穴的形态结构也是仿生研究的内容。在一些大型建筑中，经常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计，使建筑物具有高强度力学支撑结构，既坚固、美观，又节省建材。
二、昆虫结构与功能的仿生
由于生存环境的关系，一些昆虫在进化过程中形成了非常独特的体表微细结构，这些结构为仿生学家所关注。例如：大凤蝶的翅膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满在翅膀上的微型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何模仿蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术(如防伪纸币或信用卡)已成为该领域重要的课题。
另外，人们注意到一些甲虫的体表很少黏附土壤(尽管它们常年生活在土壤和粪堆中)。坦克的履带和汽车的轮胎以及其他地面作业机械容易黏附泥土，既降低功效又缩短使用寿命。通过研究土壤昆虫(如蜣螂)的体表微观构造，发现体表的非光滑结构、体液和负性电位有利于减黏脱附，利用这些特性，进行仿生研究，解决地面机械的土壤黏附问题,开发出对土壤的黏附大为减少的仿生犁和仿生推土机铲等。[2]
三、昆虫感觉器官的仿生
在嗅觉方面，很多昆虫具有高度灵敏的嗅觉。昆虫触角上分布有不同类型的嗅觉感受器，感受器的类型不同决定了昆虫对不同化学物质的分辨率。不同的昆虫嗅觉灵敏度有差异,触角的结构以及相应的传导网络是其重要的决定因素。除了高灵敏度以外，昆虫的嗅觉感受器还具有高分辨率和高度特异性的特点。目前，各国都在加紧研制实用的仿昆虫触角的嗅觉感受器检测装置。有的直接将昆虫触角与场效应管相连组成气味物质检测系统；有的则仿昆虫嗅觉感受器排列组合研制复传感器(传感器阵列)。德国和法国科学家研究嗅觉感受器并将其用于机器人的嗅觉导航系统。美国加州大学圣地亚哥分校的的研究人员则通过研究蝗虫触角叶接收气味信号的特点，提出一种新的网络模型，其核心是神经元网络之间可以相互连接形成一个系统而使他们能识别比传统网络更多的信号。
就听觉系统而言，声源定位能力是最显著的属性之一，对有些昆虫来说，这种能力是生死攸关的。例如，昆虫(蛾类)“反捕猎”行为，可以聪明地闪避蝙蝠的追捕；神经解剖学研究表明，昆虫(蛾类)鼓膜耳仅有2个听觉感受器细胞，但能非常灵敏地侦听出蝙蝠的超声信号。因此，模仿昆虫听觉结构，研究其对声发射、接收、听信息加工及运动调控的感觉神经生物学与神经行为学原理，可望开发先进的“反声纳”装置。[3]
在视觉方面，尽管昆虫复眼结构简单，但其功能却是人和哺乳动物的单眼所不及。例如：螳螂能在0105s内一跃而起，吞下飞行中的小虫。在如此短的时间内，它需要准确测出小虫大小、飞行方向和速度，而螳螂仅靠其1对大复眼和颈部的一个本体感受器即可实现。此外,昆虫复眼还能感知偏振光、紫外光等。根据这些现象和原理，已经进行了很多成功的仿生应用，如：一次可拍摄1329张照片的蝇眼照相机；仿昆虫复眼的先进的相控阵雷达；仿昆虫复眼研制成功的空对地速度计以及偏振光导航仪。实际上，昆虫的复眼本身是一个精巧的导航控制系统，根据多年的研究发现，昆虫(特别是家蝇)具有快速、准确地处理视觉信息的能力，能实时计算出前面飞行物的方位与速度，同时发出指令控制并校正自己的飞行方向和速度，以便跟踪和拦截目标。对昆虫复眼这一定向导航系统的研究已得到广泛重视。目前，各国都在加紧昆虫视觉仿生研究，试图模仿昆虫复眼成像机理以及昆虫视觉信息处理过程，研制新型靶标自动制导系统。
在昆虫感觉器官仿生(尤其是视觉仿生)方面，国内外都给予了高度关注，目前有2个热点：一是试图研制出对化学物质高度敏感的探测仪器；二是研究昆虫复眼电子模型以及听觉和嗅觉感受器电子模型，并将昆虫的这类特异的感觉原理用于机器人导航系统，以提高机器人的自主功能水平。
四、昆虫运动功能的仿生
昆虫的运动功能奇特，形式多样，有的蠕动、有的跳动、有的飞行。昆虫独特的飞行机制一直为仿生学家所关注，如：昆虫的翅与飞行、昆虫飞行过程中的信号接收与传递、昆虫的神经组织结构及控制机理等。
上世纪末,人们提出了微型飞行器(microairvehicle,MAV)概念[4]。“微型机械飞行虫”(micromechanicalflyingInsect,MFI)或“虫型飞机”(entomopter)就是MAV的一种。由于其体积小,有很好的隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小范围内进行侦察;也可以攻击载人飞行器及其它目标。将MFI用于气象数据收集、环境研究等方面，可大大减少费用。美国NASA甚至计划10年后将虫型飞机用于火星探测。MFI的发展，在未来国家安全和国家经济建设等方面将起至关重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注。美国国防部国防高级研究计划署(DARPA)从1992年就开始这种飞行器的论证工作，1995年组建了可行性研究小组，1997年拨款3500万美元制订一个为期4年的研制计划，开展了一系列的研究，近年来取得重要进展。然而，对于MFI或“虫型飞机”的研究，若采用传统的气动布局和飞行方式，可能会产生升力不足、稳定性差和控制困难等一系列问题。而微小昆虫则是大自然创造的“微型飞行器”，经过上亿年的进化和环境适应，在形态、运动方式以及利用“新型”空气动力学原理等方面,达到了近乎完美的程度。这是各国发展MFI技术加以仿生借鉴的核心。实际上,昆虫飞行功能研究(尤其是MFI研究)已经成为昆虫仿生领域最热烈的前沿方向之一。[5]
除了虫型飞机外，昆虫运动功能仿生的另一个方向是制造虫型机器人，模仿昆虫在陆地行走的腿足部结构和运动原理，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车。这类机器人可被用于行进到崎岖不平的山路或其它非平坦地带(如：地震后墙壁倒塌的废墟中)执行特殊的任务。
五、昆虫其他特异能力的仿生
昆虫的独特自卫武器的仿生：有些甲虫在遇到敌害自卫时可喷出致命液体。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。另外，一些发达国家正在利用这种甲虫自卫武器原理研制二元化汽油：2个油箱分储不能独立燃烧的汽油中间体，进入发动机前才混合。或将普通汽油混入某种流体，进入发动机前再用特殊装置将其分离还原成普通汽油。
昆虫发光的仿生：一些昆虫(如：萤火虫)可将化学能直接转变成光能,，且转化效率几乎100%，而普通电灯的发光效率只有6%。模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源使发光效率提高十几倍，大大节约了能量。此外，冷光源无论在军事上还是民用上都具有非常广阔的用途。仿昆虫化学能转换为电能和机械能也是昆虫特异能力仿生的一个重要方向，这在虫型飞机的能量供应上有非常重要的用途。
昆虫群体协作性的仿生：一些社会性昆虫，如：蚂蚁、蜜蜂等具有其特有的社会群体协作性，研究它们的这些群体习性，有的提出所谓“蚂蚁算法”,有的将其原理用于研究MAV和多个机器人之间的协同工作。
综上所述，昆虫种群庞大、种类多样、外形迥异、功能奇特，是极其重要的仿生资源。目前，国际上昆虫仿生的热点主要集中在仿昆虫飞行器研制虫型机器人或虫型飞机、仿昆虫触角感受器开发生物传感器、仿昆虫视觉及其控制机理进行机器人导航、仿昆虫表面微结构研制新型脱黏附和防伪技术、仿昆虫感觉系统研制声纳Π反声纳装置等。我国在这些方面虽然都有所涉及，但尚不够深入，整体水平也有待提高。今后需要大力开展昆虫仿生资源研究，面对数以百万计的昆虫种类及其复杂精妙的结构，昆虫仿生必然有所选择，常见的昆虫易被作为仿生对象，但不太常见功能更为奇特的昆虫(如：在极端环境下生活的昆虫)更是值得开发的资源。与此同时,要进一步开拓仿生研究的新领域，尤其要注重昆虫特异能力(如：特异的感觉能力、信息处理能力)的仿生。只有通过多学科的交叉，结合现代生物学、工程学、微电子学等学科的研究技术和方法，加强对昆虫器官组织和细胞的生物学特性、功能及其机理的基础研究，深入理解昆虫各器官系统的生理学、生物化学、生物信息学等生物过程及其相关功能，才能在比较高的层次上更加有效地进行昆虫仿生。
参考文献：
[1]仿生学-百度百科http://baike.baidu.com/view/803.htm [2]程红,孙久荣,李建桥,任露泉.昆虫学报,202_,45(2):175～181 [3]肖占中.世界军事,1996,(11):64.[4]微型飞行器:像昆虫那样飞,辽宁日报,刘洪宇,202_-01-14 [5]微型飞行器-百度百科 http://baike.baidu.com/view/263652.htm
第五篇：仿生学研究报告上传
《自然界材料构筑科学与创新思维》研究报告
指导教师: 学号：
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目录
一、仿生学概念
二、自己对仿生学的理解
三、仿生学的应用 1.利用动物体的特性（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道过程降噪（2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌
（3）利用珊瑚体秘方减少二氧化碳的排放（4）学习小生物如何从雾气中获取水分 2.利用植物体的特性（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料
（2）利用叶子的光合作用制造太阳能电池（3）利用荷叶表面的特性制造防雨工具（4）王莲能够托起超重物体 3.利用细胞特性
（1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜
四、小结
一、仿生学的概念
仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科学。它是一门新型边缘学科。研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术之中。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示了巨大的发展潜力，是人类智慧的结晶。
二、自己对仿生学的理解
仿生学就是通过理解动物的自身特性，以及它们利用这些特性所做出的利于自己生存的本领，再经过人类能动性的思考，抽象出前所未有的新思想新概念，最后利用联系的思想加以应用于人类的生活和生产，为人类创造便捷和更有突破的生活方式。我们的生活、生产中不缺乏一些例子。例如，我们平时最讨厌的在空中到处乱飞的苍蝇，利用苍蝇的鼻子嗅觉原理可以制作小型的气体探测仪，利用苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）进行模仿，将它制成了“振动陀螺仪”，应用到了火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶；利用蝙蝠发出的超声波可以与障碍物反弹的原理制成了制造出了雷达，应用到了飞机航空中。萤火虫腹部的发光器中的荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光，正是利用这样的原理，创造了日光灯......像这样仿生学的例子数不胜数。接下来，让我们具体看一看仿生学的应用。
三、仿生学的应用
1.利用动物体的特性
（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道的过程降噪
有一名工程师J.R.韦斯特是研究子弹列车项目的一个成员，由于子弹列车的车头是圆的，所以每次经过山洞的时候，就会产生一种冲击波，以至于驶出山洞的时候会发出音爆巨响。所以这个工程的工程师领队就号召大家想办法降低子弹列车驶出山洞时的音量。其中J.R.韦斯特也是一名鸟类爱好者，在研究学习中，他观看了一个翠鸟的视频，发现这种鸟在一种介质进入另一种不同密度的介质（从空气进入水），没有溅起一丝的水花。于是工程师们从翠鸟的喙上找到了灵感，流线型的长喙从尖端到头部的直径是逐渐增大的，潜水时会让水流向身后。通过将子弹头列车的车头部分改造成翠鸟鸟喙的形状，工程组解决了这个疑难已久的问题：大大降低了音噪，速度也随之提高了10%,节省了15%的电力。（2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌
鲨鱼在茫茫大海中游走，面对着海底形形色色的生物却不被它们所沾染，是如何做到的呢？是因为它们表面的皮肤结构。它们的表面附着着一层锯齿状物。这层锯齿状物是凹凸不平的小鳞甲，它可以避免一些黏液、水藻和藤壶在身体上附着，让它们失去了了立足之地，也就是让细菌无法附着在鲨鱼的表面上。医院的墙壁正是采用了这种技术，把这种锯齿结构铺在了墙壁上，有效避免了细菌的附着和滋生。这种方法大大优于了利用抗菌或其他的洗液去除细菌的方式，因为许多细菌在与这种洗液抗争的过程中，早已自然选择出了那些抗药性的
个体。所以这个“墙壁锯齿化”的方法确实从根源上解决了这一大难题。
（3）利用珊瑚体的秘方减少二氧化碳的排放
现如今的生产生活已经比拼的不仅仅是生产效率的高低，更加考验的是如何绿色低碳的生产。有间美国的水泥制造厂名叫Clara，他们利用了珊瑚体的一些自身特性——能够大量吸收二氧化碳，变废为宝。工厂利用这点将大量的二氧化碳其转换成水泥、混凝土等有用的建筑材料，这样就把平时生产模式中的方程式进行了调换，原本生产 一吨的建筑材料会排放一顿的二氧化碳，现在则减少了将近一半的排放量，大大减轻了对环境的污染程度。（4）学习小生物如何从雾气中获取水分
生活在纳米比亚沙漠的一种小生物，由于在沙漠中能够在摄取水分而一直存活，没有消亡。虽然他们没有新鲜水分可以饮用，但是他们依靠从雾气中获取水分的方法，维持着生命。在它翅膀的后侧有部分凸起，这个突起具有亲水的前端和蜡质的旁侧，使其具有亲水特性，这样雾气会回凝在尖端，然后从旁侧流下直到进入嘴中。一些建筑就利用到了它的特性。建筑师把这项科技应用到了建筑涂料中，这样可以将雾气回收利用，比捉雾网的作用好上10倍！
2.利用植物体的特性
（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料
树木通常沿着压力线自我重组，利用这种结构可以构造轻量骨
架，即利用树木的那种拉伸应力，制造齿轮，让齿轮能够在一定的自身承受范围内；利用树脂材料，我们还可以构建汽车的骨架，这样可以使用最少的材料构建它，同时树脂材料也可以协助促使桥梁轻量化，建筑钢筋轻量化，从而获取最大限量的支撑力。（2）利用叶子的光合作用的方式制造太阳能电池
基于叶子的运作方式，叶子通过光合作用对太阳进行吸收，太阳能电池正是基于这种将太阳能转换的方式，转换成了电能，利用了这一思想，将叶片的表面转换成电池的表面，太阳能电池的表面拥有吸收阳光的物质，这一物质仿造了叶片表面，从而合理吸收了太阳能。（3）利用荷叶表面的特性制造防雨工具
荷叶“出淤泥而不染”，露珠在上面也呆不住。荷叶为什么能不沾泥土和水？中科院专家分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，该薄膜具有不沾水和不沾油的性质。同时，仿生荷叶还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”可以用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘；同样，我们也可以应用到雨衣或者厨具上，这样就可以防水防油了。（4）王莲能够托起超重物体
王莲的叶子很大，直径有2米多，四周向上反卷，像一个大平底锅。莲叶向阳的一面淡绿色，非常光滑；背阴的一面土红色，密布粗壮的叶脉和很长的刺毛。虽然只是一片巨大的叶子，但它的支撑和承重能力却极不一般。在一片王莲叶上，站一名35公斤的少年，它仍能像小船一样稳稳地浮在水面上；即使是在叶面上均匀地平铺一层75厘米厚的细沙，这个“大平底锅”依然纹丝不动，决不会沉入水中。人们通过仔细研究发现，这异常强大的力量来自纵横交错、粗细不等的叶脉。莲叶背面有许许多多粗大的呈放射状的叶脉，之间还有镰刀形的横筋紧密联结，构成了一种非常稳定的网状骨架。莲叶较强的承重能力由此而来。
3.利用细胞特性
（1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜
大自然中有很多的净水需要我们去除盐，然而现在很多的除盐方法不是太低效，太复杂，就是成本高。刚开始我们的方法是用水挤压细胞膜，细胞膜堵塞，而且发现这样的方法太费电。而大自然的方法则是优雅的，它仅仅利用的是细胞膜的通透性，由于细胞膜表面会有沙漏形的小孔，叫做水孔蛋白。它们能让水分子通过，而留住离子等溶解质。有些公司就开始模仿这种结构制造去盐薄膜，这样能够高效地利用这种结构，彻底分离开水与盐的离子溶解质。
四、小结
仿生学是一门新学科，这门学科尝试向自然界中的一些“天才”学习和借鉴经验，通过听取他们的一些“建议”，整理他们的建议，形成自己对待事物的新的解决方法。这些动物植物甚至是微生物，他们都有着自己的生存规律，适应着复杂多变的生存环境。就好比一个蜂族，它们利用自己的“智慧”，创造出如此精致富有层次感的蜂巢，让人们相信了动物其实是有它们的天分的，我们不仅仅是那个最有创造性的群体，很多的突破我们都要依靠低级的动物去给予我们灵感实现。在这样的事实面前我们不得不承认在这些低等的动植物面前，我们确实不能像它们一样，利用自己的特点优雅的生存着；更不得不感慨仿生学这项事业的伟大，它能为我们带来的是前所未有的突破，也可能是巨大的精神财富，让我们长久安定的存活在这个蓝色的星球上。相信在这个新世纪，人类会更好地利用生物本身的特点，完善人类的生产生活，使我们这个星球大大小小的各领域都能够飞速运转起来！
