Примерни теми и задачи с елементи на бионика в обучението по физика и астрономия в 8. клас за профилирани паралелки по дизайн

Статията представя теми и задачи с елементи на бионика, които могат да намерят приложение в работата на учителите по физика и астрономия в 8. клас. Предложените теми и задачи креативното, творческото, логическото и практическото мислене на учениците. Представени са задачи по подбрани теми от задължителния учебен материал и е представена примерна работа на ученик, както и методически насоки за учителя. Показани са междупредметни връзки в три области на науката – физика, бионика и дизайн. Посочените в статия задачи са в интересна форма и позволяват напълно да се реализират целите и задачите, заложени в общообразователния стандарт, съгласно нагласите на младото поколение. Включена е примерна иновативна разработка на урок, насочен към повишаване на мотивацията на учениците. Статията акцентира върху ключови елементи от по-голям труд на автора на тема „Технология на обучението по физика и астрономия с елементи на бионика в професионални гимназии по дизайн“.

Все по-често съвременните науки се обръщат към проблемите, които са непосредствено свързани с живата природа. Съществен принос за решаването на редица проблеми в тази област има прилагането на физичните знания и методи на изследване. Това е  пример за ценността на физичните знания и фактор, който може успешно да бъде използван при мотивиране на учениците от необходимостта да се изучава физика в училище. При изложението на теми за значението на физиката за живата природа е необходимо да се акцентира и на факта, че човекът е част от природата и следователно и за него също ще са в сила законите на физиката. В тези теми съществено място и роля трябва да се отделят на междупредметните връзки на физиката с биологията и химията, а също така да се включи разглеждането на биофизичен материал. Използването на такъв материал, от своя страна, способства за по-доброто усвояване на физичните знания от основния училищен курс по физика, разширяване на научния светоглед на учениците, задълбочаване на техните познавателни интереси.

Възможни са три основни направления за подбор на биофизичен и бионичен материал, който да бъде използван в обучението по физика. Първо – подбор на факти, показващи единството на законите на природата, приемственост на законите на физиката в живата природа. Към второто направление могат да се отнесат фактите, свързани с физичните методи за въздействие и изследване, широко разпространени в биологията, медицината и технологиите. Третото направление включва редица научни резултати от биологията, медицината и технологиите, свързани с използване на физични знания и методи на изследване във физиката.

От изключително значение за подготовката по физика в професионалните гимназии по дизайн са придобитите в задължителната подготовка знания, които трябва да се разширяват, систематизират и обобщават във връзка с професионалната насоченост на учениците. Така има възможност да се развиват способности за самостоятелно усвояване на нови знания и за тяхното творческо прилагане в различни ситуации, интегриране на знания от различни области и развиване на познавателен интерес и познавателни умения у учениците. В професионалните гимназии по дизайн, където основен профилиращ предмет е дизайнът – рекламна графика, интериор, моден дизайн, физиката съчетана с бионика би могла да бъде прекрасно вдъхновение за учениците. Това налага акцентът в обучението по физика в 8 клас да бъде насочен към подходящо избрани явления, процеси и закономерности, които са тясно свързани с обекти от живата природа, със знанията на учениците по предмета физика и астрономия и приложението им в дизайна. Тази насоченост е подкрепена и от фактът, че голяма част от учениците в такива паралелки се готвят за продължаване на образованието си в областта на инженерството, архитектурата, дизайна.

Една от хуманните страни на физичното знание е свързана с оценката на въздействия от природен и технологичен характер върху живата природа. Чрез системно-структурния подход може да се систематизират и обобщят физичните знания за един нов обект от живата природа, част от която е и човекът. Това налага създаването на такова учебно съдържание по физика с дизайнерска насоченост, което, на базата на основния курс по физика в училище, да покаже възможностите за прилагане на физичните знания при разглеждането на живите организми и тяхното функциониране като една система, както при вземането на инженерни решения, така и в самия дизайнерски, творчески процес.

Смисловите методи за формиране на познавателен интерес към изследването на биофизичните процеси, протичащи в природата и тяхното приложение в дизайна, дават няколко направления за подбор на бионичен материал:

• Първото направление има за цел да покаже на учениците единството на природните закони, приложимостта на законите на физиката към живия организъм.
• Второто направление съответства на запознаване с физичните методи на въздействие и изследване, които са широко приложими както в биологията, така и в медицината, дизайна, архитектурата, строителството, инженерството.
• Третото направление предлага да се запознаят учениците с идеите и някои резултати от биониката.

Въз основа на направения обзор на разделите по физика с цел въвеждане на материал с биофизичен характер, предлагам следните примерни теми по физика с бионична насоченост (Таблица 1).

Блок	Илюстративен бионичен материал	Примерни теми за изследователска и изобретателска задача – съдържание
Механика и бионика 1.     Механично движение 2.     Скорост и ускорение 3.     Равноускорително движение 4.     Свободно падане 5.     Равнозакъснително движение	Скорост на движение на различни живи същества. Ускорението, което може да възникне в света на живите същества при полет на птици, насекоми, при спортисти. Ускоренията, изпитване от летци, космонавти, парашутисти при катапултиране. Естествена защита на организмите от ускорението (мястото на зародиша при млекопитаещите). Методи за тренировка на летци, космонавти при обърнато ускорение. Мерки за защита  на космонавти и защита от ускорението.	Начини на придвижване на животните: –       Гъсенични механизми –       Снегоход –       Луноход –       Роботи –       Съединителни механизми –       Верижни механизми –       Колела –       Роботизирани крайници
6.     Първи принцип на механиката 7.     Втори принцип на механиката 8.     Трети принцип на механиката 9.     Сила на тежестта и тегло 10.  Сили на триене 11.  Равновесие на телата	Измерване на силите в животинския и растителния свят. Масата на различните организми. Плътността на течностите и твърдите тела, които влизат в състава на растителните и живите организми. Сравняване на сили, развивани при различни животни, примери за проявление на силата на триене в живата природа. Влияние на силата на тежестта при развитието на растенията. Дължина на растенията. Животът на живите същества в условията на безтегловност или намалено тегло. Примери за реактивно движение в живата природа. Различни случаи на запазване на равновесието при живите организми, център на тежестта на живите организми. Строеж на костите, стъблото от гледна точка на възможностите за деформация. Лостове и наклонена равнина в живите организми. Деформация на костите, сухожилията, мускулите. Устойчивост на тъканите в живите организми.	Съединителни механизми. Сцеплението в космоса. Шарнирни съединения. Технически инструменти. Захващащи апарати. Архитектурна бионика.
Работа и енергия и бионика 12.  Работа и мощност 13.  Кинетична и потенциална енергия 14.  Закон за запазване на енергията	Оценка на работата на живите организми. Изчисляване на работата и мощността, характеризираща различните видове дейност на човека. Мощност и относителна мощност в животинския свят – слон, мравка, пчела. Скокове, височина и дължина. Сравнение на рекордите на спортисти с рекордите на представители от животинския свят – кенгуру и скакалец.	Регулация и управление на сложни системи. Терморегулатори. Слънчева енергия и фотосинтеза. Растителни слънчеви фабрики. Дървото – древен естествен природен материал за хартия.
Хидростатика и бионика 15.  Налягане и закон на Паскал 16.  Хидростатично налягане 17.  Закон на Архимед	Сила на натиск и налягане в животинския свят. Жилото на пчелите, следи от птичи крачета, следи на различни животни. Приложение на законите на Паскал и Архимед към обитателите на сладководни и солено водни басейни. Обяснение особеностите на строежа на рибите, китовете, делфините и водните растения. Закони за движение на кръвта в организма. Скорост на движение, налягане. Измерване на кръвното налягане.	Плаване и активен полет. Техника на полетите в животинския свят. Принцип на работа на животинските скафандрите.
Термодинамика и бионика 18.  Движение на градивните частици на веществата 19.  Температура 20.  Топлообмен 21.  Топене и втвърдяване 22.  Изпарение и кондензация 23.  Първи принцип на термодинамиката 24.  Адиабатен и изохорен процес 25.  Изотермен процес и идеален газ 26.  Изобарен процес 27.  Топлинни машини	Размери и структура на органичните молекули. Някои сведения за микроструктурата на елементите в живите организми. Дифузия в процеса на хранене. Дифузия в процеса на дишане. Ролята на топлинните явления в живата природа. Закон за съхранение и превръщане на енергията за живата природа. Терморегулация в живите организми. Калорийност на различни хранителни продукти и тяхното усвояване. Хранене на космонавтите, полярни изследователи, полярни мечки и пингвини. Газови закони в процеса дишане. Необходимост от тренировки за водолази. Живот в условията на високи степи и разреден въздух. Органи, действащи за сметка на атмосферното налягане. Тренировка на космонавтите в барокамери. Ролята на капилярите в живота на растенията и животинските организми. Движение на насекомите по повърхността на водата.	Ароматизаторите в природата и техниката. Хитин – многофункционален материал. Идеалната форма за опаковка – тетраедър. Термостат. Термометър. Природни терморегулатори. Барометри. Адиабатен процес в природата. Дишане. Природни синоптици.

Таблица 1. Илюстрация на законите на физиката с примери от биониката

От предложените примери за изследователски задачи може да се направи извод за огромното разнообразие от посоки, в които може да тръгне всеки един урок. Това е предизвикателство за учителя, което той трябва да съумее да преодолее и за това може да се използва следният подход при прилагане на технологията за изготвяне на изследователски и изобретателски задачи:

• Избраните материали да бъдат достъпни и евтини; лесни за набавяне и подходящи (безопасни) за използване от ученици;
• Избраните живи патенти трябва да бъдат познати на учениците, лесни за конструиране и моделиране;
• Технологическите, битови устройства, които са разработени на базата на живи патенти, също трябва да бъдат добре познати на учениците (например солница – мак).

 

Бионичните задачи, които е възможно да се дадат съобразно учебното съдържание могат да се групират в следните направления:

1. Задачи за физичните величини, които определят постоянните физични фактори на средата или технологиите и производството;
2. Задачи за приспособяването на живите организми съобразно с условията на средата или технологиите и производството;
3. Използване на физичните явления в уреди и приспособления за въздействието върху живите организми, за измерване на параметрите на средата, за опазване на природната среда;
4. Природните процеси и явления като основа за рационалното използване на природните ресурси.

 

Предложената методика е предназначена за ученици в професионална гимназия по дизайн и е предназначена да „оцвети“ материала на учебниците, да го направи по-достъпен за творчески настроените ученици да развият по-голям потенциал в бъдещата си професия и да привлече вниманието им към екологичния потенциал в работа им, както и да изгради по-добри креативни, творчески умения и навици, да се даде възможност за прилагане на междупредметни връзки.

Като примерни изследователски и изобретателски задачи по темите от първия блок „Механика и бионика“ ще посоча следните:

1. Проектирайте и създайте прототип на евтино превозно средство, което може да се движи по различни терени и е лесно управляемо, на принципа на движение на червея. Превозното средство ще бъде оценено въз основа на креативен дизайн на задвижването, елегантен механизъм, простота и производителност.

Изследвайте: промяната на траекторията, вида на движение според скоростта, определете възможната средна скорост.

2. Дизайнът на тялото на гъсеницата я принуждава да пълзи бавно. В природата животните не се придвижват на колела, но гъсеницата може да избяга от опасност като бързо се навие в защитна намотка. Седефеният молец „Pleurotya ruralis“ използва това рефлекторно навиване като основа на метод за бързо бягство. Проектирайте и създайте прототип на базата на движението на гъсеница или „праволинейна“ локомоция. Тялото се движи по права линия. Помислете коя физична величина се променя при движението на гъсеницата при посочения метод. Моделът ще бъде оценен въз основа на гъвкавост при задвижването и бърза смяна на посоката на движение.

Изследвайте: характеризирайте неравномерните движения с моментна скорост и ускорение, пресметнете ускорението на модела, чиято скорост нараства, начертайте графика на закона на скоростта при равноускорителното движение на гъсеницата.

3. Нарисувайте движенията, които прави жаба, когато подскача. На всеки етап от движението означете: приложната точка на силата на тежестта, теглото, реакцията на опората. Предложете метод за измерване на масата на жабата без везна. Каква информация ви е необходима за определяне на масата на жабата?
4. Екип от изследователи от Технологичния институт в Карлсруе са намерили начин да намалят триенето в металните системи, използвайки моделите на кожата на змия Phyton Regius и пясъчен гущер (Scincus Scincus). Тези животни имат подобна на люспи повърхностна структура, с различен размер на люспите, която е била използвана като основа за текстуриране. Направете подобна на кожата на питона постелка и определете нейния коефициент на триене. Помислете от какво зависи коефициентът на триене между две повърхности и как може да се промени. Как използват тези животни промяната на коефициента си на триене? Може ли вместо да сменяме гумите на автомобилите лятото и зимата да използваме това свойство на питона и гущера?

Примерни изследователски и творчески задачи от втори блок могат да бъдат:

1. 1. Мравките могат да падат от всяка височина, без да умрат. От графиката определете кинетичната енергия на мравка, която е паднала от височина. Пресметнете от каква височина е паднала мравката. Дайте предположения защо мравките не умират, когато падат от високо и какво практическо приложение би могло да има този феномен в живота на човек. Докажете с примери от графиката спазва ли се законът за запазване на енергията.
2. Концептуалният автомобил (известен още като концептуално превозно средство, шоу превозно средство или прототип) е автомобил, направен да демонстрира нов стил и/или нова технология. Такива автомобили често се излагат на автомобилни изложения, за да се прецени реакцията на клиентите към нови и радикални дизайни, които могат или не могат да бъдат масово произведени. Разгледайте снимките на: Koenigsegg Regara, Bugatti Chiron, Rimac Concept S, Nio EP9, Dodge Demon, Ferrari 812 Superfast, Lamborghini Aventador S, McLaren 720S, Bentley Continental GT Supersports. Прототипи на кои живи организми са и защо? Каква е реалната мощност, развивана от двигателя на домашния Ви автомобил при различни режими и условия на шофиране? По-често – изобщо не е тази, която е отбелязана в свидетелството за регистрация на превозното средство. Нека да разберем отговора на този въпрос, като използваме знанията си по физика и направим просто изчисление в Excel.

В темата за налягане и закон на Паскал изследователската задача би могла да е формулирана така:

„Как можем да определим дали животните вървят, търкалят се, тръскат се или тичат?“

1. Попълнете таблицата, като сами аранжирате експеримента си:

Кой ходи, бяга, или  се тръска и търкаля?	Колона 1: Брой стъпки в 20 метра	Колона 2: # крачки (Колона 1 разделено на 2)	Колона 3: Дължина на крачка (20 м разделени по колона 2)	Колона 4: Време (секунди)	Колона 5: Скорост (м/сек)

 

2. Комбинирайте данните си с данните на съучениците си и начертайте графика на зависимостта на скоростта (ос x) и дължината на крачката (ос y);
3. Преобразувайте всички измервания в сантиметри преди извършване на изчислението.

Подсказка:

Дължина на пистата, по която ходите x 4 = височина на ханша

Дължина на крачка / височина на ханша = съотношение

Легенда:

Ако съотношението е по-малко от 2,0, то животното е ходело.

Ако съотношението е между 2,0 и 2,9, то животното се е търкаляло или тръскало.

Ако съотношението е по-голямо от 2,9, то животното е бягало.

4. Анализирайте данните, постройте графиката, изчислете и отговорете на въпросите:

• Какви зависимости виждате във всяка графика?
• Представете си, че сте в гората и намирате набор от следи от животни в пресен сняг. Напишете списък с характеристики, които знаете за животното.
• Ако дължината на крачката на животно се увеличи, това носи ли информация за скоростта на животното?
• Какво движение е извършило?
• Как бихте могли да използвате уменията, които получихте от изследователската задача, за да обясните други събития, като например кола, плъзгаща се по снега? Или тълкуването на следите от вкаменелости?

 

Към блок „Топлинни явления“ предлагам към темата „Топлообмен“ следната изследователска и изобретателска задача:

Важна адаптация за морските бозайници е мазнината. Дебелият, изолиращ слой мазнини под кожата помага да се запази топлината на тялото. Изгответе уред, с който да докажете как мастната тъкан дава това свойство на морските бозайници.

Целта на изследователските и изобретателските задачи е да запознаят учениците с физичните уреди от природата и възможността за изследване на биологичните системи, принципното им устройство, начин на действие и приложение, да се разкрият физичните закони, които лежат в основата на действието на различни приспособления и подобрения в човешкия живот. Учениците сами да съумеят да открият тяхното значение и приложение в технологиите, медицината и дизайна, въз основа на знанията си по физика и астрономия. Това дава възможност да се съчетаят  традиционните методи на обучение, акцентирането върху широкото прилагане на изследователски подход и организиране на самостоятелната работа учениците.

Примерна методическа разработка по този модел е посочена в Приложение 1.

По време на учебната година учениците работят по домашна работа в групи посочени от учителя. Изготвят изследователско портфолио. Целта на изследователското портфолио е да покаже, че природата формира всичко „живо“ съгласно своите закони, тя е брилянтен дизайнер, а то „живото“, на свой ред развива в себе си онези свойства и функции, които в най-голяма степен съдействат за оптималното приспособяване на организма към обкръжаващата го среда. От друга страна, от изключително значение е да се обърне внимание на взаимовръзките и противоположностите, които съществуват между основните положения във физиката и екологичните проблеми в заобикалящия ни свят.

Изследователското портфолио създава условията, при които учениците придобиват комуникативни умения чрез работа по групи от трима ученици, развива изследователските умения и творчески способности, способността учениците да планират своите дейности и да изпълняват конкретни планирани от учителя задачи. В практическата част са заложени лабораторни упражнения в домашна среда с биофизичен и бионичен елемент. Предложената от учителя тема е да се изготви „Биопаспорт на котка“, под формата на изследователско портфолио, което да получи завършен вид в края на учебната година като пъзел от елементи, състоящ се от отделни модули. По всеки от модулите работи определена група. Всеки модул включва дидактичен материал, по който работят учениците. Предвидените материали и ход на работа са опростени, което прави технологията лесна и икономична за използване. Таблица 2 представя примерен план на работа на групата по съответен модул:

№	Етап	Какво трябва да се направи?	Отговорници	Срок	Изпълнение
	Събиране на информация	Подбор на литературата по темата.
	Подготвителен и теоретичен етап	Да се изучи теорията по темата.
	Практическа част на работата. Провеждане на експеримента, измерване на параметрите.	Изследване на някой механични, топлинни, характеристики на обекта (маса, плътност, налягане, средна скорост, средна мощност, топлообмен и др.)
	Обработка на резултатите от експеримента.	По резултатите от изследването да се състави таблица и да се построят диаграми.
	Систематизация на връзките и законите по отношение на физиката и „живия патент“.	Да се обясни как законите от физиката са свързани с „живия патент“, да се систематизират резултатите от изследванията.
	Обобщение на резултатите	Да се изяснят основните закономерности на биофизичните и бионичните закономерности и да се направи обобщение от изследванията.
	Съставяне на  «биомеханичен паспорт» , създаване на презентация.	Изготвяне на листовка „биомеханичен паспорт“, Създаване на презентация (Microsoft Power Point).

Таблица 2. Примерен план на работа на групата по съответен модул:

Основната форма на текущ контрол, извършван по време на учебна година, е във вид на интервю, месечен отчет за поставен практически проект, писмено изпитване със стандартен контрол на знанията и уменията, отразени в общообразователния стандарт и портфолио на ученика. Окончателният контрол се извършва в края на всеки срок и на учебната година, като крайната оценка се формира на базата на защита на абстрактна работа – практически проект.

Публичното представяне (защита) се извършва под формата на: доклад (постер, презентация на получените резултати, попълнено портфолио на ученика) при предварително зададени критерии. Резултатът от овладяването на програмата (в допълнение към резултатите от овладяването специфични теми) може да се допълни и от фактори като – участие в изложби, състезания, ученически конференции на различни нива – училищни, междуучилищни и др. Стимулатор за активна учебно-възпитателна дейност е и съзнателният елемент със състезателен характер.

Дейностите по една такава технология помагат за формиране на огромен набор от знания и умения в интересна, нескучна форма, която позволява да се реализират напълно целите и задачите на общообразователния стандарт съгласно нагласите на  новото поколение.

Запомняйки правилото: „Няма бездарни, но има такива, които не се интересуват“, използването на този вид дейност дава възможност не само на успешните, но и на слабите ученици да покажат силните си страни.

ПРИЛОЖЕНИЯ