一、追本溯源：理解仿生學(xué)的核心內(nèi)涵演講人追本溯源：理解仿生學(xué)的核心內(nèi)涵01案例3：蝙蝠與“超聲波定位”02經(jīng)典案例：從自然到科技的靈感轉(zhuǎn)化03教學(xué)實(shí)踐：讓仿生學(xué)“活”在課堂04目錄2025小學(xué)科學(xué)仿生學(xué)的應(yīng)用實(shí)例課件作為一名深耕小學(xué)科學(xué)教育十余年的教師，我始終相信：最好的科學(xué)課，是讓孩子從“觀察自然”走向“理解自然”，再?gòu)摹澳７伦匀弧弊呦颉皠?chuàng)造未來(lái)”。而仿生學(xué)，正是這樣一座連接自然與科技的橋梁。今天，我將以“仿生學(xué)的應(yīng)用實(shí)例”為核心，結(jié)合2025年小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)要求，從概念解析、經(jīng)典案例、教學(xué)實(shí)踐三個(gè)維度展開(kāi)，為各位同仁呈現(xiàn)一堂既嚴(yán)謹(jǐn)又生動(dòng)的仿生學(xué)啟蒙課。01追本溯源：理解仿生學(xué)的核心內(nèi)涵追本溯源：理解仿生學(xué)的核心內(nèi)涵要講好仿生學(xué)的應(yīng)用實(shí)例，首先需要明確它的學(xué)科定位與教育價(jià)值。1什么是仿生學(xué)？仿生學(xué)（Bionics）是一門(mén)典型的交叉學(xué)科，其核心是“向自然學(xué)習(xí)”——通過(guò)研究生物的結(jié)構(gòu)、功能、行為、能量轉(zhuǎn)換等特征，提煉出可應(yīng)用于工程技術(shù)或社會(huì)系統(tǒng)的原理與方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是“生物為師，科技為徒”。例如，飛機(jī)的誕生源于人類(lèi)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行的觀察，而潛水艇的設(shè)計(jì)則借鑒了魚(yú)鰾的浮沉原理。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，小學(xué)階段的仿生學(xué)教學(xué)無(wú)需追求嚴(yán)格的學(xué)術(shù)定義，而是要通過(guò)“觀察—提問(wèn)—模仿—驗(yàn)證”的過(guò)程，讓孩子感知“自然是最好的設(shè)計(jì)師”。正如我在課堂上常說(shuō)的：“螞蟻搬米粒時(shí)會(huì)排隊(duì)，蜘蛛織網(wǎng)時(shí)會(huì)算角度，這些小生物都是隱藏的‘工程師’?！?仿生學(xué)的教育意義《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出，要培養(yǎng)學(xué)生“基于觀察和實(shí)驗(yàn)，對(duì)自然現(xiàn)象提出可探究的科學(xué)問(wèn)題”的能力。仿生學(xué)恰好為這一目標(biāo)提供了實(shí)踐載體：科學(xué)思維培養(yǎng)：通過(guò)分析生物特征與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，訓(xùn)練類(lèi)比推理、歸納總結(jié)等思維方法；跨學(xué)科融合：涉及生物學(xué)（生物特征）、物理學(xué)（力學(xué)/聲學(xué)）、工程學(xué)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）等多學(xué)科知識(shí)；創(chuàng)新意識(shí)啟蒙：讓孩子意識(shí)到“發(fā)明不一定需要復(fù)雜工具，觀察身邊的動(dòng)植物也能解決問(wèn)題”。去年帶五年級(jí)學(xué)生觀察校園里的蜘蛛網(wǎng)時(shí)，有個(gè)孩子突然問(wèn)：“蜘蛛絲那么細(xì)，為什么不容易斷？要是用這種結(jié)構(gòu)做書(shū)包帶，會(huì)不會(huì)更結(jié)實(shí)？”這個(gè)問(wèn)題讓我深刻體會(huì)到：當(dāng)孩子學(xué)會(huì)用“仿生視角”看世界時(shí)，科學(xué)就真正“活”了。02經(jīng)典案例：從自然到科技的靈感轉(zhuǎn)化經(jīng)典案例：從自然到科技的靈感轉(zhuǎn)化小學(xué)階段的仿生學(xué)教學(xué)，關(guān)鍵在于選取“看得見(jiàn)、摸得著、想得通”的案例。結(jié)合兒童認(rèn)知特點(diǎn)，我將實(shí)例分為三大類(lèi)：結(jié)構(gòu)仿生“功能仿生”“群體行為仿生”，每一類(lèi)都包含“生物原型—原理提煉—應(yīng)用實(shí)例—教學(xué)建議”四個(gè)環(huán)節(jié)。1結(jié)構(gòu)仿生：向生物“骨架”學(xué)設(shè)計(jì)生物的身體結(jié)構(gòu)往往經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化，蘊(yùn)含著精妙的力學(xué)與材料學(xué)智慧。這類(lèi)案例最直觀，適合作為仿生學(xué)的入門(mén)。1結(jié)構(gòu)仿生：向生物“骨架”學(xué)設(shè)計(jì)案例1：蜂巢與“六邊形建筑”生物原型：蜜蜂的蜂巢由無(wú)數(shù)緊密排列的正六邊形蜂房組成。原理提煉：正六邊形是平面內(nèi)最節(jié)省材料、最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)——相同周長(zhǎng)下，六邊形面積最大；各邊受力均勻，抗壓能力強(qiáng)。應(yīng)用實(shí)例：建筑領(lǐng)域：北京奧運(yùn)會(huì)“水立方”的外膜結(jié)構(gòu)模仿蜂巢，既輕量又抗壓；日常用品：蜂窩紙箱（快遞包裝常用）、六邊形防滑地磚；航空航天：飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部的蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量的同時(shí)保證強(qiáng)度。教學(xué)建議：設(shè)計(jì)“蜂巢結(jié)構(gòu)探究”實(shí)驗(yàn)：用硬紙板制作三角形、正方形、六邊形“小房間”，放入相同重量的積木，觀察哪種結(jié)構(gòu)最先變形。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作，能直觀理解“六邊形的優(yōu)勢(shì)”。1結(jié)構(gòu)仿生：向生物“骨架”學(xué)設(shè)計(jì)案例1：蜂巢與“六邊形建筑”案例2：貝殼與“薄殼結(jié)構(gòu)”生物原型：蛤蜊、扇貝等貝類(lèi)的外殼薄而堅(jiān)硬，受外力時(shí)能將壓力向四周分散。原理提煉：曲面結(jié)構(gòu)可將局部壓力轉(zhuǎn)化為整體張力，用最少材料實(shí)現(xiàn)最大強(qiáng)度。應(yīng)用實(shí)例：建筑：悉尼歌劇院的貝殼形屋頂、北京國(guó)家大劇院的穹頂；工業(yè)設(shè)計(jì)：安全帽的弧形外殼、汽車(chē)燈罩的曲面設(shè)計(jì)；自然現(xiàn)象：雞蛋殼用手捏不破（需均勻用力），也是薄殼結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。教學(xué)建議：讓學(xué)生用雞蛋殼做實(shí)驗(yàn)：將蛋殼凹面朝上放置，嘗試用鉛筆尖輕輕下壓——學(xué)生會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，看似脆弱的蛋殼竟能承受較大壓力。借此引出“薄殼結(jié)構(gòu)”的概念，比直接講解更有沖擊力。2功能仿生：向生物“技能”學(xué)技術(shù)生物的特殊功能（如感知、運(yùn)動(dòng)、防御等）往往蘊(yùn)含尖端科技的靈感，這類(lèi)案例能激發(fā)孩子對(duì)“科技如何誕生”的好奇。03案例3：蝙蝠與“超聲波定位”案例3：蝙蝠與“超聲波定位”生物原型：蝙蝠在黑暗中飛行時(shí)，會(huì)發(fā)出超聲波（頻率高于20000Hz的聲波），通過(guò)接收障礙物反射的回波定位。原理提煉：利用超聲波的方向性好、穿透性強(qiáng)、遇物反射的特性，實(shí)現(xiàn)非接觸式探測(cè)。應(yīng)用實(shí)例：科技產(chǎn)品：汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)（通過(guò)聲波測(cè)距提醒障礙物）、醫(yī)學(xué)B超（利用超聲波成像觀察體內(nèi)器官）；自然延伸：海豚的“聲吶系統(tǒng)”同樣基于超聲波原理，人類(lèi)據(jù)此開(kāi)發(fā)了水下探測(cè)設(shè)備。教學(xué)建議：設(shè)計(jì)“模擬蝙蝠”游戲：蒙住學(xué)生雙眼，讓其用玩具哨（模擬超聲波）發(fā)出聲音，通過(guò)聽(tīng)回聲判斷前方是否有障礙物（如課桌）。游戲后提問(wèn)：“如果沒(méi)有視覺(jué)，你還能用什么‘工具’感知世界？”自然引出仿生學(xué)的應(yīng)用。案例3：蝙蝠與“超聲波定位”案例4：蒼蠅與“復(fù)眼相機(jī)”生物原型：蒼蠅的眼睛由約4000個(gè)小眼組成“復(fù)眼”，每個(gè)小眼獨(dú)立成像，能同時(shí)觀察不同方向的物體，視角可達(dá)360。原理提煉：多鏡頭協(xié)同成像，擴(kuò)大視野范圍，減少視覺(jué)盲區(qū)。應(yīng)用實(shí)例：攝影領(lǐng)域：手機(jī)多攝系統(tǒng)（如華為的“徠卡四攝”）、全景相機(jī)；安防領(lǐng)域：商場(chǎng)的360監(jiān)控?cái)z像頭；軍事領(lǐng)域：無(wú)人機(jī)的廣角偵察鏡頭。教學(xué)建議：讓學(xué)生用“簡(jiǎn)易復(fù)眼模型”觀察：將多個(gè)塑料杯底（代表小眼）粘在硬紙板上，通過(guò)每個(gè)杯底看同一物體，再對(duì)比單眼觀察的效果。學(xué)生能直觀感受到“復(fù)眼”如何擴(kuò)大視野，進(jìn)而理解“為什么手機(jī)要裝多個(gè)攝像頭”。案例3：蝙蝠與“超聲波定位”2.3群體行為仿生：向生物“團(tuán)隊(duì)”學(xué)智慧單個(gè)生物的能力有限，但群體協(xié)作往往能實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果。這類(lèi)案例適合滲透“系統(tǒng)思維”與“合作意識(shí)”。案例5：蟻群與“智能交通算法”生物原型：螞蟻覓食時(shí)，會(huì)通過(guò)分泌信息素（化學(xué)物質(zhì)）標(biāo)記路徑。群體中，短路徑的信息素更濃，最終形成“最優(yōu)路徑”。原理提煉：通過(guò)個(gè)體間的簡(jiǎn)單交互（信息素傳遞），群體能自發(fā)優(yōu)化整體效率。應(yīng)用實(shí)例：交通管理：城市智能紅綠燈系統(tǒng)（根據(jù)車(chē)流量動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)長(zhǎng)，模仿蟻群“信息素濃度”）；案例3：蝙蝠與“超聲波定位”物流配送：快遞路線(xiàn)規(guī)劃軟件（計(jì)算最短路徑，減少運(yùn)輸時(shí)間）；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：路由器數(shù)據(jù)傳輸算法（選擇最快網(wǎng)絡(luò)通道）。教學(xué)建議：開(kāi)展“螞蟻運(yùn)糧”模擬實(shí)驗(yàn)：在教室地面畫(huà)兩條不同長(zhǎng)度的“路徑”（如直線(xiàn)和曲線(xiàn)），讓學(xué)生扮演“螞蟻”，用貼紙（模擬信息素）標(biāo)記走過(guò)的路線(xiàn)。重復(fù)多次后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)短路徑的貼紙更多，最終“螞蟻”會(huì)集中選擇短路徑。借此解釋“群體如何通過(guò)簡(jiǎn)單規(guī)則實(shí)現(xiàn)高效協(xié)作”。案例6：魚(yú)群與“水下機(jī)器人編隊(duì)”生物原型：鯡魚(yú)、沙丁魚(yú)等魚(yú)類(lèi)群體游動(dòng)時(shí)，個(gè)體間保持一定距離，通過(guò)視覺(jué)和側(cè)線(xiàn)（感知水流變化的器官）協(xié)調(diào)動(dòng)作，形成整齊的“魚(yú)群”，既能躲避天敵，又能高效覓食。案例3：蝙蝠與“超聲波定位”原理提煉：個(gè)體遵循“接近—對(duì)齊—分離”三原則（不遠(yuǎn)離同伴、保持方向一致、避免碰撞），群體實(shí)現(xiàn)自組織運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用實(shí)例：科技領(lǐng)域：美國(guó)海軍的“幽靈艦隊(duì)”無(wú)人艇（多艘無(wú)人艇協(xié)同執(zhí)行偵察任務(wù)）；民用場(chǎng)景：用于海洋探測(cè)的“魚(yú)形機(jī)器人”編隊(duì)（同時(shí)監(jiān)測(cè)不同區(qū)域水質(zhì)）；藝術(shù)表演：2022年北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式上的“雪花”機(jī)器人編隊(duì)，靈感也來(lái)自生物群體協(xié)作。教學(xué)建議：組織“魚(yú)群舞蹈”活動(dòng)：學(xué)生手拉手圍成圈，設(shè)定“靠近同伴但不碰撞”“跟隨前方同學(xué)轉(zhuǎn)向”的規(guī)則，嘗試集體完成“繞圈”“變隊(duì)形”等動(dòng)作。通過(guò)親身體驗(yàn)，學(xué)生能理解“簡(jiǎn)單規(guī)則如何讓群體有序運(yùn)動(dòng)”。04教學(xué)實(shí)踐：讓仿生學(xué)“活”在課堂教學(xué)實(shí)踐：讓仿生學(xué)“活”在課堂掌握了案例只是基礎(chǔ)，關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，讓孩子從“知道”到“理解”，再到“創(chuàng)造”。結(jié)合新課標(biāo)“實(shí)踐探索”的要求，我總結(jié)了三個(gè)教學(xué)策略。1觀察—提問(wèn)：從“身邊生物”找靈感小學(xué)科學(xué)的起點(diǎn)是“觀察”。我常帶學(xué)生到校園、公園觀察動(dòng)植物，要求記錄“最感興趣的生物特征”，并提出“如果我是工程師，能用它解決什么問(wèn)題”。例如，去年春天觀察蝸牛時(shí)，有個(gè)孩子注意到“蝸牛爬過(guò)的地方有黏液，能防止滑落”，于是提出：“如果登山鞋的鞋底有這種黏液一樣的材料，是不是不容易打滑？”這個(gè)問(wèn)題不僅關(guān)聯(lián)了“黏液的粘附性”，還指向了材料科學(xué)的應(yīng)用。教師需要做的，是鼓勵(lì)這種“異想天開(kāi)”，并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料驗(yàn)證猜想（如現(xiàn)代登山鞋的橡膠鞋底正是模仿了生物黏液的防滑原理）。2模仿—驗(yàn)證：用“簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)”探原理小學(xué)生的抽象思維較弱，“動(dòng)手做”比“聽(tīng)講解”更有效。針對(duì)每個(gè)仿生案例，我會(huì)設(shè)計(jì)“低成本、易操作”的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。以“荷葉的自清潔效應(yīng)”（仿生學(xué)中“超疏水表面”的原型）為例：觀察：用噴壺向荷葉噴水，觀察水珠是否滾動(dòng)并帶走灰塵；模仿：用蠟燭燃燒后的黑煙（含碳顆粒）涂在玻璃片上，模擬荷葉表面的微納結(jié)構(gòu)；驗(yàn)證：向涂有煙的玻璃片噴水，觀察是否出現(xiàn)類(lèi)似荷葉的“水珠滾動(dòng)”現(xiàn)象；拓展：聯(lián)系生活中的“防污涂料”“防水衣物”，讓學(xué)生思考“人類(lèi)如何模仿荷葉解決清潔問(wèn)題”。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)不需要復(fù)雜器材（蠟燭、玻璃片、噴壺都是日常物品），卻能讓孩子直觀感受“仿生原理如何轉(zhuǎn)化為技術(shù)”。3設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)新：用“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”促創(chuàng)造原理分析：查閱資料，了解這些生物的表面結(jié)構(gòu)（如微納凸起、蠟質(zhì)層）如何實(shí)現(xiàn)自清潔；新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)“培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的能力”，因此，課堂的終點(diǎn)應(yīng)是“設(shè)計(jì)一個(gè)仿生產(chǎn)品”。我通常會(huì)以“真實(shí)需求”為驅(qū)動(dòng)，組織跨學(xué)科的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。生物調(diào)研：觀察校園里哪些生物有“自清潔”“防粘附”的特征（如荷葉、蟬翼）；例如，針對(duì)“校園垃圾分類(lèi)箱易臟、難清潔”的問(wèn)題，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生開(kāi)展“仿生垃圾桶設(shè)計(jì)”項(xiàng)目：方案設(shè)計(jì)：用超疏水涂料（或自制材料，如凡士林+淀粉模擬蠟質(zhì)層）制作垃圾桶表面，測(cè)試其防污效果；3設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)新：用“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”促創(chuàng)造展示優(yōu)化：通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如清潔所需時(shí)間、殘留垃圾量）對(duì)比傳統(tǒng)垃圾桶，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這樣的項(xiàng)目不僅融合了科學(xué)（生物特征、材料原理）、技術(shù)（設(shè)計(jì)制作）、工程（結(jié)構(gòu)優(yōu)化）、數(shù)學(xué)（數(shù)據(jù)記錄），更重要的是讓孩子體會(huì)到：“仿生學(xué)不是科學(xué)家的專(zhuān)利，我們也能通過(guò)觀察自然解決身邊的問(wèn)題?！苯Y(jié)語(yǔ)：讓仿生學(xué)成為連接自然與未來(lái)的紐帶回顧今天的課件，我們從仿生學(xué)的概念出發(fā)，通過(guò)結(jié)構(gòu)、功能、群體行為三大類(lèi)實(shí)例，展示了自然如何為科技提供靈感；又通過(guò)教學(xué)策略的分享，探討了如何讓孩子從“觀察者”變?yōu)椤皠?chuàng)造者”。3設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)新：用“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”促創(chuàng)造作為科學(xué)教師，我始終堅(jiān)信：當(dāng)