高中历史教案：第一次工业革命

课标要求

⑴讲述发明珍妮机的故事，了解英国工业革命开始于一系列工作机的发明；

⑵知道瓦特改进蒸汽机的史实，认识蒸汽机在大工厂生产中的作用；

⑶简述发明"旅行者号"机车的基本史实，认识铁路给人类社会带来的巨大影响。

教学目标

一、识记与理解

记住工业革命首先开始的国家和时间；记住哈格里夫斯发明“珍妮纺纱机”，瓦特改进蒸汽机，富尔敦建造第一艘汽船，史蒂芬孙发明蒸汽机车的基本史实；认识蒸汽机在大工厂生产中的作用和铁路给人类社会带来的巨大影响。理解工业革命的概念和英国首先发生了业革命的原因以及工业革命对人类社会发展进程的重大影响。

二、能力与方法

通过对英国最早发生工业革命的原因和工业革命对人类社会发展进程的重大影响的分析，培养学生分析、归纳、概括历史问题的能力。

通过对工业革命中一系列工作机相互作用以及各部门间相互促进的认识，培养学生运用比较、判断、联系、推理分析历史的方法。

三、情感态度与价值观、

通过了解工业革命中的一系列发明创造，培养学生的创新精神和科学态度；

通过工业革命中一系列国家的科学家在发明创造中相互学习，相互促进的史实，让学生树立互相学习、互相促进的开放性观点；

通过工业革命对人类社会带来的巨大变化，使学生认识到社会发展需要技术革命，科学技术是第一生产力。

重点难点

一、重点：英国最早进行丁业革命的原因；工业革命中的重要发明创造及工业革命的影响。

二、难点：工业革命中各环节的相互促进和工业革命的影响。

授课类型 新课。

教学准备

教师研读课标、教材，撰写教案，制作多媒体课件。

教学方法 讲述为主,辅以讨论法、列表法、图示法、问题探究法。

教具媒体 计算机和多媒体课件、图表。

教学时间 1课时。

教学过程

导入新课：

（教师设问引导）同学们，你们乘坐过火车和轮船吗？你们知道它们发明于什么时候？谁为它们的发明做出了重要贡献？（学生回答后教师过渡）这两种重要交通工具诞生于第一次工业革命时期。那么，第一次工业革命最先发生在哪个国家？其间有哪些重要发明创造？工业革命给人类带来了哪些影响？本节课我们一起探讨。（板书课题，引入新课）

学习新课：

（教师过渡）工业革命又叫“产业革命”,是资本主义生产从工场手工业过渡到大机器生产的重要阶段。那么，工业革命是怎样兴起的呢？我们先探究第一个问题。（板书第一标题）

一、工业革命的兴起

（学生在教师指导下围绕下列问题自主学习）

1工业革命兴起的原因是什么？

2工业革命何时最先发生在哪个国家？

3工业革命最先发生于哪个部门？

（学生学习后教师进行总结，并形成如下要点）

1兴起原因：工场手工业生产不能满足不断扩大的国内外市场市场需要。

2时间国家：18世纪60年代，英国。

3最先部门：新兴的棉纺织业。

二、工业革命中的重要发明创造

1系列纺织机械的发明（珍妮纺纱机）

（指导学生看书，了解一系列系列纺织机械的发明情况，并理解纺纱与织布是如何相互促进的）

2改良蒸汽机的成功研制（瓦特）

（教师强调瓦特制成的是改良蒸汽机；改良蒸汽机是动力之源；改良蒸汽机的广泛应用推动了其他工业部门的技术革命）

3火车和轮船的发明

（指导学生看书，举出火车、轮船的发明者和第一辆火车（汽船）的名称，认识火车、轮船的发明重大意义）

美国人，富尔敦，世界上第一艘汽船“克莱蒙号”；

英国，史蒂芬孙，世界上第一辆火车“旅行者”号。

三、工业革命的完成

（引导学生知道工业革命完成的时间，理解工业革命完成的标志）

四、工业革命的影响

（教师指导学生主要从三方面总结认识工业革命的重大影响）

1工业革命极大地提高了社会生产力，直接导致了工厂企业形式的出现；

2促进了城市的兴盛和城市人口的增长；

3工业革命使英、法、美等主要资本主义国家成为强大的工业国。

拓展思考：

（通过工业革命对人类社会带来的巨大变化，使学生认识到社会发展需要技术革命，科学技术是第一生产力）

板书设计

一、工业革命的兴起

1兴起原因：工场手工业生产不能满足不断扩大的国内外市场需要。

2时间国家：18世纪60年代，英国。

3最先部门：新兴的棉纺织业。

二、工业革命中的重要发明创造

1系列纺织机械的发明

珍妮纺纱机

2改良蒸汽机的成功研制（瓦特）

3轮船和火车的发明

美国人，富尔敦，世界上第一艘汽船“克莱蒙号”；

英国，史蒂芬孙，世界上第一辆火车“旅行者”号。

三、工业革命的完成（19世纪上半期，大机器生产基本取代工场手工业）

四、工业革命的影响

1工业革命极大地提高了社会生产力，直接导致了工厂企业形式的出现；

2促进了城市的兴盛和城市人口的增长；

3工业革命使英、法、美等主要资本主义国家成为强大的工业国。

《我的机器人女友》即使是过生日，也没有任何人会送来祝福的大学生次郎（小出惠介 饰）一直过着寂寞的独身生活。20岁生日那天，次郎去百货商场给自己买生日礼物，无意间看到一个着装奇特的漂亮女孩（绫濑遥 饰）“她”也微笑地看着次郎，随后好奇的次郎“鬼鬼祟祟”地跟在“她”的后面。当“她”在百货商场里乘店员不注意偷偷换了件新衣裳，再次出现在次郎视线，这时“她”也发现躲在服装假人模特的次郎，俏皮地径直向次郎走去，次郎被“她”的魅力所征服，“她”没有付钱就扬长而去。不久，次郎出了商场，发现“她”并没有离去，与之前不同的是“她”穿了双新鞋子，隔着街对面不停地对次郎Show着“她”的新鞋，后来次郎进入一家餐厅正在用餐时“她”又一次出现在面前，随后便与这个来历不明的神秘的女孩一起过生日。她的言行大胆，而且不可预测，吃完饭不付钱，次郎与这个神秘的女孩为了不被身后的警察抓到，拼命地奔跑着。与“她”度过了次郎有生以来最有趣难忘的晚上。虽然次郎的心中充满疑惑，他却身不由己地被“她”深深吸引着。但是，那晚以后，“她”却再也没出现了。对次郎来说，20岁生日那晚与“她”的邂逅，已经成为他人生中最美丽的时刻，他将永生难忘。一年后，次郎再次去了那家商场给自己买生日礼物又再次来到这家餐厅，希望能次遇到她的出现，她又出现在了一个人过生日的次郎面前，次郎过与她过了有生以来第二次难忘的生日。虽然，她还是原来的样子，但次郎感觉她与去年有点不一样。就在次郎对她身上微妙的不协调感充满疑惑的时候，一个男人拿着枪向次郎他们吃饭的料理店扫射着，就在次郎即将被那名男子打中的时候，她出手救了次郎，对此次郎非常吃惊。后来，次郎知道了事情的真相。原来她是未来的次郎为了保护现在的次郎，送给现在的次郎的一个机器人（准确来说，是“生化人”。就是外部完全是由蛋白质构成，跟生物一样，但内部则是机器）。因为一年前的那一天，那个女孩的出现，对次郎来说简直是命运的相遇，未来的治郎也一直没有忘记那一天。为了改变自己不幸的人生，未来的次郎制作了一个与那天的她一模一样的机器人，送给了现在的次郎。并且，现在的次郎如果能努力与“她”相处的话，可以为这个机器人编写下情感程序。现在她只是一个没有灵魂的机器人，他与她不可思议的共同生活已经慢慢展开了。她开始跟着次郎一起到大学上课，无论做什么事，都是两个人一起，而且她总是尽可能地发挥一个机器人所拥有的神奇力量，还带着次郎回到“过去”进行“时间旅行”，每天都会将次郎从各种小小的危机中拯救出来。次郎与她在一起的日子每天都非常快乐，渐渐地治郎爱上了她。但是，次郎开始疑惑她是不是一个没有人类情感的机器人。次郎总是不能了解到她的所思所想，他对她的爱好象随时都会破碎。而另一方面，她似乎能感觉得到次郎的温柔，但是治郎的心里究竟是怎样想的，她也因自己不能理解他的心情而苦恼着。次郎打算引起她的嫉妒之心，于是与当她面其他的女孩开始约会，可是，她一点也不了解次郎所说的嫉妒是怎样一种情感。次郎非常绝望，将她赶走了并告诉她不要出现在自己面前，然而当失去她次郎才发现她在自己心中地位有多么重要，开始懊悔自己为什么这样做，失去她时才渐渐意识到她的温柔。一天，次郎的家突然崩塌了，那里发生了从未有过的大地震。街道、楼房全部都倒塌了，就在次郎即将遇到生命危险时，她不顾一切出现在次郎面前用身体保护了次郎，倒塌的建筑都压在她身上。她带着次郎不停奔跑着，试图逃离这场灾难，就在这时有辆时空卡车冲向他们，她把次郎抛开自己承受了撞击……而次郎的命运已经来到了死亡的边缘，她因被卡车撞损无法继续带次郎逃离地震区，她躲不开了，推开次郎自己被倒塌的建筑给压倒。……为了再次拯救在余震中遭到危险的次郎，她试图从废墟中爬出，可是坍塌的建筑紧紧压在了她下半身不能动弹，紧急关头她自截肢身体，救出次郎。她最后的心声：“我，能感受到你的心，感受到了。快去——不要回头看——不要看我——不想让你看到我这样子——撤退。”最后她被地震带来的伤害结束了“生命”，次郎在废墟用了3天时间找到了被压在废墟下残缺的她，次郎忍不住内心的悲伤，独自抱着她在下着大雨的晚上泣不成声。超过半个世纪的时间将她完全修复，她虽然很痛苦伤心，但记忆还是跟以前一样没变。陪伴着次郎度过了几年岁月，在一次夕阳下与她的陪伴到了最后，她握着次郎手一直守护在身旁直到使用期限结束。最终被人们发现，送到博物馆进行展览，2133年，一个去参观的女学生发现与她的同学长得一模一样，后来那位长得一模一样的女孩在拍卖会买了下来。得知机器人的记忆后被感动，并把记忆变成活生生自己的记忆。她非常想要见一下次郎，她到了记忆开始之前，2007年11月22日，在机器人出现的前一年。她第一眼见到次郎的时候就爱上了他，但是她在那里呆的时间很短，很快就悲伤地离开了。大地震后，她又回到了过去，看见次郎抱着残缺的103抽泣着，决定与那时的次郎一起生活。最终跨越时空的恋情圆满的结束。

知识不具有的特性是情感、伦理价值判断、创造性思维、直接经验、完全性等。

1、情感：知识本身是客观的，它没有情感或感情色彩。知识提供了信息和理解，但它无法直接产生情感或情感的体验。

2、伦理价值判断：知识可以提供人们理解事物的背景和相关信息，但它不能替代伦理价值观或道德判断。伦理价值判断基于个人或社会的道德观念和价值观，而知识只是提供了相关的信息。

3、创造性思维：知识提供了已知的信息和概念，但它本身并不具备创造性思维。创造性思维是指能够创造新的观念、想法和解决问题的能力，虽然知识可以为创造性思维提供基础，但它本身并不等同于创造性思维。

4、直接经验：知识是通过学习、观察、研究等方式获取的，它是间接的。相比于直接经验，知识是对现实世界的一种解释和理解，而不是直接的实体体验。

5、完全性：知识是不断演进和发展的，它通常是基于现有的证据和理论。知识并不完全，可能存在漏洞、错误或需要修正的地方。知识并不是绝对的、完美的。

知识具有的特性

1、客观性：知识基于客观事实、实证研究和验证，并不依赖于主观的偏见或个人情感。它是通过科学方法、逻辑推理和可靠数据获得的，具有普遍适用性和可验证性。

2、可靠性：知识应该是可靠的，即其来源可信、信息准确、经过充分的验证和审查。通过可靠的来源和方法获取的知识有助于确保其可信度和可靠性。

3、演进性：知识是不断发展和演变的。通过研究、实践和新的发现，我们能够更新、拓展和修正旧有的知识，以适应不断变化的世界。

4、综合性：知识是多维度、多领域的。它涵盖了各种学科和领域的知识，能够整合不同的观点、理论和实证研究成果，形成更全面、综合的认识。

5、实用性：知识应该具备实用性，能够被应用于实际生活和解决问题。它能够帮助我们理解世界、做出决策、解决困难，并促进个人和社会的发展。

6、教育性：知识的传递和分享是教育的核心目标之一。通过教育，人们可以获取、传播和发展知识，促进个人的学习与成长，以及社会的进步。

记住世界上现存最早的标有确切年代的雕版印刷品，印刷术、指南针、火药发明的时间及活字印刷术的发明者；了解印刷术、指南针、火药的传播；理解我国四大发明对世界文化发展的贡献。 过程与方法

通过概括印刷术、指南针、火药的发明过程及其向世界传播的过程，培养和提高学生归纳概括能力；引导学生观看相关视频及观察相关实物和培养他们的观察、想像能力和提取历史信息的能力。 情感态度与价值观

通过了解印刷术、指南针、火药的发明及其对世界的贡献，培养民族自信心和自豪感，进行爱国主义教育；通过学习印刷术、指南针、火药的发明培养学生的科学精神，并认识科学技术的发明与人类生产、生活的关系。

引导学生思考近代中国科技文化落后的原因，培养学生的民族责任感 三、教学重点和难点 重点

印刷术、指南针、火药的发明及其向世界的传播 难点

1、雕版印刷术和活字印刷术的印刷流程。

2、印刷术、指南针、火药的发明对世界的影响。 四、教学方法

导学点拨、直观录像教学 五、教学过程 导入新课 导入：我们已经学完了我国古代社会的所有政治经济社会生活的内容，大家都知道我国是一个拥有悠久的历史文化的国家，都说是上下五千年，那今天我们就来学习——中国古代文化（下），大家把课本翻到目录，看看文化包括哪些方面？科技、文学、艺术等等。我国的文化最让大家骄傲的科技成就是什么？（四大发明）大家知道四大发明是指哪四大发明？（造纸术、印刷术、指南针、火药）上学期我们学习了造纸术的内容，再来回顾一下，西汉初期发明了造纸术，东汉蔡伦改进了造纸术，那印刷术，指南针，火药的产生于发展状况又是怎样的呢？接下来我们就来学习十五课 印刷术、指南针与火药 课本90页 先大家一起阅读课本的导言部分。就让我们一起走进我国古代科技宝库，对三大发明做一番探索吧！ 讲授新课 一、印刷术

当印刷术发明之前，孔子招收学生入学，以《诗》、《书》和《春秋》等为教材，那时没有纸，也没有发明印刷术，你想象一下，孔子的学生怎样才能得到一本教材？刻在竹片上，

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印刷术、指南针与火药 教学设计

不方便。后来有了纸，就抄在纸上，一本还可以，要是三千学生都需要的话，就不好办了，速度慢、浪费时间、还容易出错。怎样才能克服以上的不便呢？后来，受到“印章”的启发。人们便发明印刷术。印刷术的发展是分为雕版印刷术和活字印刷术。 （一）雕版印刷术

请大家阅读91页1、2段，找出下列问题的答案。 1、发明时间及全盛时间

发明时间：隋唐 全盛时间：宋朝

2、世界现存最早的标有确切年代的雕版印刷品

唐朝 868 年刻印的《金刚经》 现在《金刚经》1900年发现于敦煌藏洞。1907年被帝国主义文化窃贼斯坦因盗走，现存英国大不列颠博物馆。

师：为了弄清楚它的优缺点，我们先来认识一下它的原理。所谓雕版印刷术，它从大的方面讲主要包括两个环节，前一个是雕版，后一个环节则是印刷。 雕版印刷的工作流程：（视频教学） 优点：可以印刷大量书籍； 缺点：刻字费时、费力；出现错别字难以修改；一版只能印刷一种书籍；难以存放、管理宋太祖时官方主持刻印《大藏经》，耗时12年，雕版13万块，印完之后堆积如山的雕版再也派不上用场，造成了巨大的浪费。 （二）活字印刷术

那么怎样才能克服雕版印刷的缺陷呢？我国劳动人民又发明了活字印刷术。 1、发明 北宋 毕升

视频教学——活字印刷术的原理。将“死字”变成“活字”，将“死版”变成“活版”，用的时候给按文章内容给组合起来，用完之后，再给折下来，以备下次再用。这样既省时省力又节约。从“死字”到“活字”这样一个小小的改造，就大大提高了工作效率，节约了时间和成本。这是毕升给人类给出的巨大贡献。但是细心的同学会注意到毕升制作的活字的材料不是很完善的，因为他使用的是泥活字，容易损坏，后来人们又发明了木活字和金属活字。 我们的汉字常用字大约有三千多个，不常用的还有很多，如果都堆在你的面前，你觉得制版方便吗？为什么？怎样解决呢？ ［学生］分类，按顺序排好。 那按什么顺序呢？为了便于检索，元代王桢发明转轮排字盘，从而大大提高了排字制版的效率。

2、活字印刷术的传播过程。

由于活字印刷术比雕版印刷术先进，于是很快得到了推广，宋朝传到日本、朝鲜，元朝时传到欧洲。400多年后，欧洲才有活字印刷。 （三）、印刷术发明、发展的意义。

读读如果没有从中国引进造纸术和印刷术，欧洲可能要长期地停留在手抄本的状况，书面文献不可能如此广泛流传。 ——美国著名学者· 罗伯特

罗伯特说的话说明了什么？

印刷术的发明和发展促进了文化的交流与传播，对世界文明的发展作了巨大贡献。 二、指南针

以上印刷术的发明和改进的过程，我们应该能够感受古代劳动人民的的探索精神。正是这种执着的探索，才能有所发现。说到“探索与发现”，经常看电视的同学都知道，中央10台有一个栏目，叫做“探索·发现”，有没有同学知道这个栏目的标志？展示“探索·发现”的动画图标，

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它叫司南，用这个做节目的图标的含义就是指引人们去探索，在司南而对基础上发明了指南针。

（一）发明与改进

阅读“指南针”的部分，了解指南针发明和发展的情况。

1、司南 战国时期发明。将天然磁石磨成勺状，放在光滑底盘上，转运勺柄，停下之后，勺柄指南。

2、指南针 北宋时期发明 将钢针磁化以指示南北。我国是世界上最早把指南针用于航海的国家。

3、罗盘 南宋初期发明 将指南针装入有方位的盘中，很精确。 （二）传播及意义

12世纪传入欧洲，促进了世界航海业的发展。 PPT如今的指南针 PPT自己制作指南针

［师］小结：不管是司南、指南针还是罗盘，都表现我国古代劳动人民高超的智慧，是他们长期探索实践的结果。但另一项发明的出现，却带有一定的偶然性，这就是火药。 三、火药

为什么说火药的发明带有偶然性呢谁能够说说它的发明过程？从战国到汉朝很多皇帝都追求长生不老，因此让由古代的道士炼制丹药。 1、发明 唐朝 炼丹家

唐朝时，炼丹家们在炼制“仙丹”的过程中发现硫磺、木炭和硝石按一定比例混合在一起加热极易燃烧和爆炸，药会着火，所以叫做火药。火药就这样被发明了。让我们来简单了解它的应用过程。

2火药用于军事是在何时？火药最开始使用在杂技演出上的，到了唐朝末年，开始用于军事。之后出现了火器。

突火枪：南宋理宗开庆元年（公元1259），宋军发明此种管状火器。以巨竹筒为枪身，内部装填火药与子窠——子弹。点燃引线后，火药喷发，将“子窠”射出，射程远达150步（约230米）。这是世界第一种发射子弹的步枪。 3火器广泛使用是在何时？宋元时期。（小字部分简单了解） 火箭。与今天的火箭相比是不是有可比性啊？都是要有一个强大的推动力。火箭的发展，使人产生了利用火箭的推力飞上天空的愿望，到嫦娥的月宫看看。根据史书记载，明朝的一位勇敢者万户坐在装有47个当时最大的火箭的椅子上，双手各拿一个大风筝，试图借助火箭的推力和风筝的升力实现飞天的梦想。尽管这是一次失败的尝试，但万户被誉为利用火箭飞行的第一人。为了纪念万户，月球上的一个环形山以万户的名字命名。现代，我终于实现了飞天的梦想，就是神舟5号，杨利伟。而到月宫的是嫦娥一号。 4火器的传播及影响 13世纪~14世纪，火器传入阿拉伯和欧洲。 四、四大发明的影响。

是我国为世界文化的发展作出的卓越贡献。 四大发明的西传，对世界文明的发展和社会的进步起到了巨大的推动作用。但是我们不应该将前人的

清朝的宫女制度基本沿袭明朝，至少在顺治帝之前是的。据史料记载，顺治时期，每两年有一次选秀女的机会。被选中的，大部分归敬事房或者内务府管，成为宫女。但其中也有部分姿色绝佳的，有可能被皇帝看上从而升级成嫔妃。

到了顺治后期，选宫女和选秀女才分开来。秀女必须是八旗官员的子女，但宫女只能是内务府包衣佐领下的女子，其地位明显低于秀女。而这些宫女进宫后，少部分有可能当女官，但绝大部分还是奴才命。当然，她们也不是干一辈子的，如果能活到25岁，最多30岁，她们就能出宫嫁人。

那在宫里的这段时间内，她们就得忍受无比的寂寞和摧残。有人做过统计，康熙四十九年也就是1710年，紫禁城内有宫女近500人。但5年后，宫女数量就只有300多人了。雍正继位后，不得不在一年内连续两次征召宫女。这少掉的人，除了部分合法离宫的，大部分都是因为触犯了各种规矩被打死的。

这其中，因为情感需求而犯错是清朝宫女被处罚的主要原因。裕德龄在自己的回忆录中提到，为了满足宫女的情感需求，慈禧发明了一种制度，叫做开黑车。我们都知道，明朝时期，宫女会与太监做对食。也就是两人一起吃吃饭，聊聊天啥的，但不以夫妻名义同居。

慈禧觉得这种对食不好。因为宫女与太监一起吃饭聊天久了定会产生感情。所以就很容易发生更亲密的关系，从而犯规。事实的确如此，清代以来，对食已满足不了宫女的需求了。所以，她们私底下会和太监结成菜户。所谓菜户，就是除了不能有正常夫妻之间的那点事儿，其他饮食起居与正常夫妻无异。

据史料记载，慈禧对于宫女结菜户这一现象颇为不满，说这会让神圣的紫禁城变得庸俗不堪。裕德龄则在回忆录中说出了慈禧的真实想法。她说，整个皇宫都是慈禧的家。如今这些宫女太监成立了大大小小的家，那紫禁城成啥了？她慈禧不是变成了大房东了？是可忍孰不可忍！

于是，慈禧干脆发明了一种制度，叫开黑车。啥意思？就是当宫女有情感需求时，就找太监或者另一个宫女相互倾诉、慰藉。不过这是见不得光的，只能在黑夜中进行。所以叫开黑车。各位，这种东西在现代社会也是大量存在呢，只是人家换了个称呼，叫一夜情！所以小编才会说，慈禧发明的这个制度，是妻子们的噩梦啊！

　　苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。

　　自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

　　仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本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。

　　人类仿生由来已久

　　自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。

　　鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。

　　以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生的先驱，也是仿生学的萌芽。

　　发人深省的对比

　　人类仿生的行为虽然早有雏型，但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉。科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，进行着人工发明。他们很少有意识的向生物界学习。但是，以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示。

　　在第一次世界大战时期，出于军事上的需要，为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇。当工程技术人员在设计原始的潜艇时，是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉，如果需要升至水面，就将携带的石块或铅块扔掉，使艇身回到水面来。以后经过改进，在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量。以后又改成压载水舱，在水舱的上部设放气阀，下面设注水阀，当水舱灌满海水时，艇身重量增加使可它潜入水中。需要紧急下潜时，还有速潜水舱，待艇身潜入水中后，再把速潜水舱内的海水排出。如果一部分压载水舱充水，另一部分空着，潜水艇可处于半潜状态。潜艇要起浮时，将压缩空气通入水舱排出海水，艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮。如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多，鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔。鳔内不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量，促使鱼体自由沉浮。然而鱼类如此巧妙的沉浮系统，对于潜艇设计师的启发和帮助已经为时过迟了。

　　声音是人们生活中不可缺少的要素。通过语言，人们交流思想和感情，优美的音乐使人们获得艺术的享受，工程技术人员还把声学系统应用在工业生产和军事技术中，成为颇为重要的信息之一。自从潜水艇问世以来，随之而来的就是水面的舰船如何发现潜艇的位置以防偷袭；而潜艇沉入水中后，也须准确测定敌船方位和距离以利攻击。因此，在第一次世界大战期间，在海洋上，水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段。海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段。首先采用的是水听器，也称噪声测向仪，通过听测敌舰航行中所发出的噪声来发现敌舰。只要周围水域中有敌舰在航行，机器与螺旋桨推进器便发出噪声，通过水听器就能听到，能及时发现敌人。但那时的水听器很不完善，一般只能收到本身舰只的噪声，要侦听敌舰，必须减慢舰只航行速度甚至完全停车才能分辨潜艇的噪音，这样很不利于战斗行动。不久，法国科学家郎之万（1872～1946）研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇。用一个超声波发生器，向水中发出超声波后，如果遇到目标便反射回来，由接收器收到。根据接收回波的时间间隔和方位，便可测出目标的方位和距离，这就是所谓的声纳系统。人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果，曾使人们为之惊叹不已。岂不知远在地球上出现人类之前，蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了。

　　生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它们利用声音寻食，逃避敌害和求偶繁殖。因此，声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利人斯帕兰赞尼很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行，既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但是堵塞蝙蝠的双耳后，它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实，帕兰赞尼提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵“看东西”。第一次世界大战结束后，1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同。遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视，而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电子测量器，才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了。

　　另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后，人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机，使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进，30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能。但是在继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题，就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时，机翼发生有害的振动，飞行越快，机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断，造成飞机坠落，许多试飞的飞行员因而丧生。飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法。就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除了。可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了，它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化，昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉，飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害，这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用，获得有益于解决颤振的设计思想，就可似避免长期的探索和人员的牺牲了。面对蜻蜓翅膀的翼眼，飞机设计师大有相见恨晚之感！

　　以上这三个事例发人深省，也使人们受到了很大启发。早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力。生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。

　　连接生物与技术的桥梁

　　自从瓦特（James Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后，人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题，从而引起了第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现，工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱出来。随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进。

　　20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富，它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来，使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序，使产品规格精确。但是，自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大的局限性。自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况，自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故，这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点，无非是使机器各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”，也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题，在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题。因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示。

　　人类要从生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性。1940年出现的调节理论，将生物与机器在一般意义上进行对比。到1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的。在这样的认识基础上，1947年，一个新的学科——控制论产生了。

　　控制论（Cybernetics)是从希腊文而来，原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学。虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题，但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。

　　控制论的基本观点认为，动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律。根据控制论研究表明，各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程。控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常。所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看，控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处，于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究。因此，控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础。成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。

　　生物体和机器之间确实有很明显的相似之处，这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力。也可以把生物体比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应，而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展，为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理。于是出现了这样一个趋势，工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果，就主动学习生物科学知识。