• STEM案例:仿生学——生物学与工程学的天然交叉点

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    • 仿生学——生物学与工程学的天然交叉点

       作者:Celeste Nicholas     Jeffrey Peterson       翻译:姜景一

        这个项目是作为学习“生物多样性和生物环境适应”主题最后阶段收尾的教学活动。我们告诉学生,他们可以从自然界的各种生物适应性中寻找灵感,用他们掌握的生物学概念为人类设计产品。我们给他们展示这类产品设计的视频短片,介绍什么是仿生。然后让学生设计他们自己的2D或3D仿生产品。

        我们发放了课时安排表,并与学生一起研究了课表。活动被安排为4-5个50分钟的课时(图2)。每个学生使用互动科学笔记进行了一项“仿生学简介”的网络研究学习(图3)。他们使用信息网站和Youtube视频去定义什么是仿生,描述其优势并分析了一些典型案例。作为扩展活动,学生们还浏览了哈佛大学Aizenleng生物矿石和仿生学实验室网站,在那里可以看到最新的仿生学研究成果和进展。学生的学习目标是详细说明仿生学,并评价仿生设计给人类带来的好处。

       下一个课时的主要任务就是明确问题,并在自然界中寻找灵感解决这个问题。学生们可分成不超过4人的小组或者个人独立完成这项任务。一些小组很快并很容易地确定了研究过程:“我们研究小组发现很多净水器工作效率不高而且不耐久,大部分需要在2个月内就要更换。我们研究了许多种鱼,并获得了启发。一种过滤式捕食动物——姥鲨给了我们灵感发明一个耐久的净水器。”“我们的研究题目受到了自然的启发,因为我们想起了企鹅,并思考它如何能够出入水中却能保持身体干爽。我们想设计一种潜水服,模仿企鹅的皮肤,使潜水员体表保持干爽。”——8年级学生  

        如果有研究小组对找到一种生物体去模仿,从而帮助解决他们的问题感到比较困难,我们会推荐一个网站给他们(图4)。学生可以在网站搜寻栏中键入他们的问题,便可以得到一个生物物种名单,这些生物通过其对自然的适应解决了这个问题。例如:对保护色感兴趣的同学推荐去了解变色龙、章鱼或者其他可以在周围环境中隐藏自己的动物的信息。学生们在那里可以选用模仿一种“动物的技术”来设计隐身衣。 

       本节课结束时,学生们要提交他们的初步设想,用Google Form展现研究进展(图5、图6)。这项任务在很多方面都可以作为形成性评价的方法。第2天我们会和学生或研究小组开会讨论,帮助他们进一步发展、完善和扩展设计理念,必要时我们也会质疑或挑战他们的想法。例如:有一个小组根据一种树蛙皮肤设计防水涂料,他们就要解释“疏水双分子膜”这个概念。

       有个学生了解到人类血液凝固的现象后,设计了一套飞机的液压管道修复系统。人受伤后血液的瀑式凝血反应就会被自动激活,因而理论上飞机也能自我修复液压系统中的缝隙(图7)。他的研究内容包括了纤维蛋白原和多聚体这样的专业术语。这个项目内容给8年级学生一个机会,涉足远超出他们课程范围的生物化学等领域的知识。

       由于要求学生给出2个可信的网站,我们也会对学生提供的信息来源进行点评。大多数这个年级的学生都精通这方面的研究技能。他们能熟练有效地使用研究专业术语,评估信息来源的可信度,阐释科学信息。因此,我们对于他们提供信息源的评语都非常简短,学生很容易理解。“这个信息实际来源于哪里?”“是一个博客吗?”这样的批注就足以促使学生继续寻找更加可信的信息。学生们的学习目标是找出一个能够通过仿生学获得解决办法的人类所面临的工程问题,针对这个工程问题提出各种研究主题,至少找到2个可信的信息来源,并标明信息提供者。

     

        首先学生们需要完成1幅带图注说明的2D设计图,他们也可以选择制作1个可以获得额外加分的3D产品展示(图8)。学生使用学校的电脑绘制产品设计图,同时还要准备其他所需材料。设计要求参见评价量规表(图9)。学生们把作品存为Google Presentation格式,并上传到Google Drive的共享文件夹。

        你也可以延长时间(最多可达2周)让学生们完成1个完整的设计周期,包括制作出1个可进行测试的设计原型,确定附加约束条件及产品设计的调整。学生的学习目标是利用仿生学设计一个产品,并解释产品源于自然界的灵感,以及为什么选择这个灵感作为设计理念。

     

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》        出版单位:《中国科技教育》出版社

     

     

       

     

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