IMPORTANȚA STUDIULUI ANALOGIEI BIOLOGICE [305952]
UNIVERSITATEA din BUCUREȘTI
FACULTATEA de BIOLOGIE
IMPORTANȚA STUDIULUI ANALOGIEI BIOLOGICE
ÎN ARHITECTURĂ ȘI ARTE APLICATE
ÎN CADRUL TEMATICII OPȚIONALULUI
”ELEMENTE DE ARHITECTURĂ ȘI DESIGN ÎN LUMEA VIE”
DE LA COLEGIUL DE ARHITECTURĂ ”I.N.SOCOLESCU” – STUDIU DE CAZ
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC:
Conf. Univ. Dr. Andrea-Cristina Staicu
AUTOR:
Grigorescu M.V. Mirela (căs. Ene)
Colegiul Tehnic de Arhitectură și Lucrări Publice I.N. Socolescu, București
2019
[anonimizat], [anonimizat] I să fie un succes.
Doamnei Conf. Dr. Andrea-[anonimizat], [anonimizat]-a arătat calea corectă către o [anonimizat]-[anonimizat].
Doamnei prof. [anonimizat]-a oferit cea mai potrivită viziune atunci când îmi frânam încrederea, m-a criticat și m-a ajutat cu comentarii valoroase.
[anonimizat]. Maria Grigorescu și prof. [anonimizat]-[anonimizat]-au transmis. Familiei mele pentru suportul necondiționat.
[anonimizat] a [anonimizat], să întrebe fără a fi criticați și care prin curiozitatea lor m-au determinat să aprofundez un domeniu despre care nu știam mai nimic.
Mulțumesc!
Partea I. INTRODUCERE
”[anonimizat],
but the one most responsive to change”
(Charles Darwin)
[anonimizat]-evaluare la specificul clasei și colectivul de elevi a reprezentat pentru mine ca dascăl, o preocupare permanentă. Mi-[anonimizat]: ”transferarea și integrarea cunoștințelor și metodelor de lucru specifice biologiei în contexte noi” ().
Ce plus de valoare pot aduce eu în lecțiile de biologie la o clasă de viitori arhitecți? [anonimizat] ”să învețe de la lumea vie și nu despre lumea vie”? Din această dorință încă de la începutul activității mele didactice din cadrul Colegiului Tehnic de Arhitectură și Lucrări Publice I.N. Socolescu” [anonimizat].
Experiența acumulată de-a lungul a [anonimizat], [anonimizat]:
Elevii manifestă interes și curiozitate științifică față de disciplinele biologice;
Elevii au abilitatea de a [anonimizat] o vedere în spațiu mult mai dezvoltată;
[anonimizat];
Curriculum-ul tradițional este centrat pe cunoștințe/conținuturi și nu pe elev și nevoile acestuia;
Structura și specificul liceelor vocaționale face ca, adeseori, disciplinele de cultură generală și îndeosebi cele de științe să fie tratate cu un anumit grad de generalitate. Din păcate, planurile-cadru actuale pe această specializare nu permit studierea disciplinelor biologice în ciclul liceal superior, ceea ce face ca numărul de ore dedicat studiului disciplinelor biologice să fie insuficient (1 oră/săptămână – doar în clasele a IX-a și a X-a).
Din aceste considerente, am propus la nivelul Colegiul Tehnic de Arhitectură și Lucrări Publice ”I.N. Socolescu” din București, un nou curriculum la decizia școlii, intitulat ”Elemente de arhitectură și design în lumea vie”. Opționalul se adresează claselor de profil Artistic, specializarea Arhitectură, având o structură modulară (clasele a XI-a și a XII-a).
Lucrarea de față trebuie văzută în contextul dezvoltării cercetărilor privind analogiile dintre arhitectură și natură, mai exact între arhitectură și biologie. Biologia reprezintă o sursă inepuizabilă de inspirație pentru arhitectură, datorită:
Existenței a aproximativ 3,8 milioane de ani de experimente și a aproape 30 milioane de ”soluții” bine adaptate;
Principiului ”interdependență ambient-formă-funcție” (”Form follows function”);
Eficientizarea maximă a resurselor de care dispune natura (”să faci cât mai mult cu cât mai puțin”;
Echilibrului la nivel de ecosistem;
Soluțiilor matematice, geometrice pe care le întâlnim la toate regnurile lumii vii.
Scopul
Preocuparea omului pentru armonie și pentru confort a evidențiat în timp relații de interdependență între estetic și funcțional, determinând dezvoltarea conceptelor de mediu, ambient, habitat s.a., concepte care se regăsesc astăzi în numeroase aspecte ale vieții cotidiene.
Aprofundarea acestui domeniu hibrid, artistic-decorativ și științific, sprijină conștientizarea utilizării resurselor naturale drept model arhitectural, sursă de inspirație în alegerea unor elemente de design și conservarea durabilă a acestor resurse.
Biologia, prin prisma dimensiunii și diversității sale, oferă oricărui domeniu de activitate (arhitectură, arte, inginerie) o sursă de inspirație la orice nivel (structură, funcție sau ca un tot unitar). Perfecțiunea și varietatea formelor naturale reprezintă rezultatul unui experiment neîntrerupt al evoluției. Generând prototipuri în exces și eliminând fără milă experimentele nereușite, natura a dezvoltat o bogată biodiversitate interdependentă de specii de plante și animale care sunt în echilibru metabolic cu mediul ambiant.
Dezvoltarea și implementarea unui astfel de curriculum la decizia școlii, pentru ciclul liceal superior cu profil artistic (clasele a XI-a și a XII-a) oferă oportunități de dezvoltare ale elevilor pentru domenii noi, interdisciplinare, precum: biomorfologia, biomimetica, biomimetismul, biofilia.
Complexitatea aspectelor vieții, a societății actuale, dar mai ales viitoare, evoluția rapidă a științelor, a tehnicii solicită depășirea unor nevoi specifice diferitelor domenii de activitate si vieții domestice, prin soluții care relaționează aspectele funcționale cu cele estetic-formale. La nivel global, trendul actual este de schimbare o modului de gândire, de concepție, făcând trecerea de la o gândire și o epocă tehnologică, industrială la una de tip ecologic, durabilă și sustenabilă.
Obiective
Studiul analogiei biologice în arhitectură și artă are drept obiective:
Lărgirea și aprofundarea orizontului de cunoaștere – latură informativă la nivelul opționalul în care aplicăm aceste analogii – dotează elevul cu informații privind domeniile: biologie, arhitectura lumii vii, design-ul biodiversității;
Transferul unor informații asimilate anterior în contexte noi -latura formativă realizând astfel punți interdisciplinare prin formarea de abilități practice de aplicare a biologiei în arhitectură.
Introducere. Stadiul actual al cunoașterii subiectului.
Conform DEX – termenul de analogie provine din latinescul ”analogia” și reprezintă ”asemănare (parțială) între două sau mai multe noțiuni, obiecte, situații, fenomene etc.” sau, din punct de vedere lingvistic, ”fenomen care constă în modificarea formei sau uneori a sensului unui cuvânt sub influența alteia dintre formele sale sau sub influența altui cuvânt” (http://dex.online.com).
În biologie analogia face referire la structuri anatomice cu aceeași funcție, dar cu origini ontogenetice diferite. Un astfel de exemplu este „aripa” (anatomia și fiziologia aripii de la păsări diferă de cea a insectelor sau a chiropterelor). Aripa păsării conține o structură osoasă acționată de musculatură și acoperită de tegument. Aripa insectelor este constituită dintr-o răsfrângere a tegumentelor.
Un alt exemplu de analogie este între ”mandibula vertebratelor și mandibula insectelor” (Bălescu C.D., 2013, pag.6)
Fig. 1 Analogia aripii în Regnul Animalia (sursa: http://virtuallaboratory.colorado.)
Încă din cele mai vechi timpuri oamenii au încercat să înțeleagă și să imite natura. Unii au interpretat aceste elemente estetic, prin ornamente și decorațiuni, alții au dovedit o abordare mai profundă .
Unul din cei mai faimoși artiști ai tuturor timpurilor faimos pentru schițele sale de inspirație din natură a fost Leonardo Da Vinci (1452-1519). Studiul păsărilor în timpul zborului a dus la conceperea unor ”mașinării zburătoare” ce prefigurează aeroplanul construit câteva secole mai târziu.
Fig. 2 Schiță aparat de zbor – Leonardo Da Vinci (sursa: https://www.google.com )
Analogia dintre biologie, arhitectură și design a primit de-a lungul timpului mai multe definiții:
1957: în urma cercetărilor realizate de biofizicianul Otto Schmitt (a conceput dispozitive care imită sistemele naturale – declanșatorul Schmitt) acesta propune un nou domeniu ”biomimetica (egl.: ”biomimetics”)”: ”imitarea de modele, sisteme și elemente ale naturii în scopul de a rezolva probleme umane complexe” (https://en.wikipedia.org);
1960: Jack E. Steele inventează ”bionica”: ”știința sistemelor care au anumite funcții copiate din natură sau care reprezintă caracteristicile sistemelor naturale sau a analoagelor lor". Termenul este abandonat de lumea științifică către sfârșitul anilor '70 datorită schimbării semantice – bionica devenise ”utilizarea electronicii în crearea de părți artificiale ale corpului uman"(https://en.wikipedia.org ).
1980: Janine Benyus introduce termenul de ”biomimetism” (egl. ”biomimicry”)”: ”inovație inspirată din natură”. În concepția sa, biomimetismul se bazează pe trei principii echivalente cu trei posibile implicații ale termenului ”mimesis”:
Natura ca model (mimetică) – biomimetismul este o știință care studiază, imită și folosește ca sursă de inspirație natura;
Natura ca instrument de măsurare (imitație) – biomimetismul se referă la ecologie și la inovațiile din domeniu;
Natura ca mentor (replică) – biomimetica se referă la studiul și la punerea în practică a principiilor de funcționare a organismelor vii.
În prezent cei doi termeni biomimetica și biomimetism sunt considerați aproape sinonimi. Totuși, putem afirma că ”biomimetismul este biomimetică”. Biomimetica (”biomimetics”) reprezintă studiul structurilor, fiziologiei și ecosistemelor cu scopul de a crea materiale și produse tehnologice. Biomimetismul (”biomimicry”) trebuie privită ca o inovație inspirată de natură. Etimologic, cei doi termeni au aceeași origine: ”bios” (gr) = viață, ”mimesis” (gr.) = imitație.
În literatura de specialitate întâlnim și termenul de ”bioinspirație” – care îmbracă mai mult o latură filosofică, un transfer de cunoștințe între biologie și arhitectură.
Cele mai importante cercetări științifice în domeniu aparțin lui Janine Benyus, Michael Pawlyn, Jay Harman, Dora Lee, Gruber Petra, Christisn Schittch, Ilaria Mazzoleni, Sophia Vyzoviti, Sherry Ritter.
Fig. 3 Domeniile implicate (original)
Conceptele, ideile din arhitectură și design au ontogenie multidisciplinară. Frecvent, această origine este în științele naturii. În proiectare, primul pas, în corelație cu analogia biologică, este corelația dintre forma și funcția a unui organism și modul în care acesta se integrează și relaționează la modul de viață. Simplitatea prin care natura rezolvă anumite probleme de ordin matematic, arhitectural este o sursă permanentă de inspirație.
Scopul biomimetismului este să găsim în natură soluții sustenabile. În prezent, biomimetica/biomimetismul poate fi ierarhizat pe trei niveluri:
La nivel de organism/formă/morfologie;
La nivel de funcție/fiziologie;
La nivel de ecosistem.
La nivel de organism/formă/morfologie
Atunci când arhitecții caută forma vorbim de morfogeneză/arhitectură morfologică. Morfogeneza se dezvoltă lent la jumătatea secolului trecut, proiectarea computerizată fiind apanajul instituțiilor guvernamentale și ale marilor industrii. Odată cu popularizarea tehnologiei digitale de la începutul anilor 1980 și dezvoltarea softurilor de grafică, modelare și design, studiile se concentrează pe explorarea bio-morfologicului, a formelor fluide, naturale.
Cele mai cunoscute exemple în acest sens sunt:
Terminalul Saarinen din Aeroportul J.F.K – 1962 (New-York)
Fig. 4 Saarinen's TWA Terminal (sursa: https://uk.phaidon.com. )
Muzeul Guggenheim, arh. Frank Lloyd Wright
Fig. 5 Muzeul Guggenheim – aspect exterior (sursa: https://steamcommunity.com )
Fig. 6 Muzeul Guggenheim – scara interioară (sursa: https://steamcommunity.com. )
”Tornado Tower” (ACTAR, Barcelona)- arh. Manuel Gausa, Proiectarea acestei clădiri a ridicat numeroase provocări, mai ales de ordin tehnic. La baza softului de proiectare au stat numeroase studii cu privire la spiralizare. Forța eoliană, cea gravitațională au fost soluționate în stadiul de proiect prin utilizarea de softuri ce simulează modelarea helicoidală și spiralizarea.
Fig. 7 Tornado Tower (sursa: https://www.pinterest.com )
La nivel de funcție/fiziologie
Biomimetismul vizează îndeosebi funcția/fiziologia sistemelor biologice. Cele mai cunoscute exemple arhitecturale sunt:
Eastgate Center, Zimbabwe, Africa – structurat pe modul de organizare internă a mușuroiul de termite privind climatizarea și reglarea temperaturii; aerul este tras înăuntru la baza clădirii și eliminat în partea superioară, micșorând astfel consumul de energie al clădiri; se folosește doar 10% din energia necesară funcționării unei clădiri de aceleași dimensiuni.
Fig. 8 Biomimetism funcțional (sursa: https://inhabitat.com )
Fig. 9 Biomimetism funcțional- structura sistemului de ventilație (sursa: https://inhabitat.com )
La nivel ecosistem
Un exemplu în acest sens este proiectul Cardboard- Caviar a lui Graham Wiles inițiat în Kirklees și Calderdale. Acesta a reușit crearea unui lanț trofic într-un ecosistem antropizat. Verigile acestui lanț au fost:
Colectarea deșeurile din carton de la restaurante și magazine;
Mărunțirea/tocarea lor pentru a se obține așternuturi pentru boxele cailor;
Vinderea acestora către fermele/hergheliile din zonă;
Transformarea ulterioară a acestora în compost;
Creșterea viermilor în acest compost;
Hrănirea sturionilor cu aceștia;
Obținerea icrelor;
Vinderea lor către restaurante și magazine.
Fig. 10 Rețeaua trofică din cadrul proiectului Graham Wiles (sursa: https://www.tyf.com )
În timp, Wiles a reușit să adauge noi relații trofice, rețeaua căpătând un grad de complexitate superior. Eficientizarea resursei umane s-a făcut prin integrarea persoanelor cu dizabilități în activitățile de procesare a cartonului, a persoanelor dependente de heroină în activitățile de îngrijire a sturionilor. Concluzia a fost că pe măsura diversificării relațiilor trofice din rețea soluțiile la diferite probleme cresc și ele exponențial.
Fig. 11 Rețeaua trofică la finalul proiectului din cadrul proiectului Graham Wiles (sursa: https://www.tyf.com )
Fig. 12 Rețeaua trofică la finalul proiectului din cadrul proiectului Graham Wiles (sursa: https://www.tyf.com )
Importanța
În ultimii 30 de ani studiile privind arhitectura și design-ul au pus accentul nu doar pe înțelegerea și imitarea structurilor morfologice dar și pe înțelegerea mecanismelor fiziologice, de la care pot deriva metode și modele cu aplicabilitate în arhitectură. Biomimetismul vizează îndeosebi funcția/fiziologia sistemelor biologice.
Acest trend în cercetare s-a menținut în ultimele două decade. Fenomenul de încălzire globală, poluarea excesivă simultan cu dezvoltarea conceptului de design sustenabil, aprofundarea filosofiei privind apropierea structurilor arhitecturale de mediu înconjurător, progresul tehnologic, toți reprezintă factori care contribuie la schimbarea viziunii asupra modului în care analogia structurilor biologice poate fi integrată în arhitectură și arte.
La nivel global există trei provocări majore pe care biomimetismul încearcă să le soluționeze:
”Eficientizarea radicală a resurselor naturale (realizarea a mai mult cu mai puțin);
Transformarea sistemelor antropizate în sisteme ciclice;
Trecerea de la combustibilii de tip fosili la cei solari, eolieni” (Pawlyn M., 2011, pag.12).
Retrospectiv, biomimetism poate fi văzută ca o concluzie logică a relației om-natură. Inițial, omul încearcă să domine natura, apoi trece la conservarea ei pe fragmente și în final ajungem la o ”reconciliere” cu natura, păstrând beneficiile marilor descoperiri ale omenirii (medicina modernă, tehnologia informației, etc.) și folosindu-ne de biomimetism regândim tehnologii, materiale, resurse.
Dezvoltarea durabilă poate fi realizată prin biomimetism. Învățând să facem și să funcționăm după principii biologice atunci putem obține eficientizarea resurselor naturale, apariția unor rețele trofice de tip închis în ecosistemele antropizate. Biomimetismul depășește abordările standard de proiectare durabilă venind cu soluții constructive. Biomimetica și în speță, biomimetismul vor permite trecerea de la epoca industrială la cea ecologică a omenirii.
Corelarea celor două domenii (biologie și arhitectură) reprezintă un parcurs firesc de evoluție convergentă. Prezentarea acestor teme în cadrul opționalului ”Elemente de arhitectură și design în lumea vie” oferă elevilor, viitori arhitecți o viziune actuală și modernă, stimulându-le curiozitatea științifică, creativitatea. Îi înzestrează cu capacități și aptitudini pe care, datorită absenței orelor de biologie la ciclul liceal superior pe acest profil, nu le-ar putea dobândi. Se formează astfel competențe ce vor sta la baza pregătirii profesionale a unui arhitect.
Aplicații
Numărul aplicațiilor este extrem de mare și se află într-un plin proces de creștere exponențială. Unele din cele mai interesante aplicații sunt:
1. În anul 2019, echipa ”Watchtower Robotics” primește premiul ”Ray of Hope” acordat de Biomimicry Institute, pentru construirea unui robot cu structura ”soft” ce poate detecta fisuri în rețeaua de conducte de apă potabilă. Echipa condusă de cercetătorul You Wu a încercat să găsească o soluție pentru a preveni risipa de apă potabilă la nivel global (20% din apa potabilă se pierde datorită defecțiunilor din infrastructură – acest procent ar fi suficient pentru a acoperi necesarul de apă pentru 1 miliard din populație). Sursele de inspirație pentru construirea acestui robot au fost:
Sistemul liniei laterale de la peștele orb de peșteră (Astyanax mexicanus, fam. Characidae)- cu scopul de a depista diferențele de presiune din interiorul conductelor de apă;
Caracatița comună (Octopus vulgaris, fam. Octopodidae) – a rezolvat accesul prin conducte cu diametre diferite;
Scifozoarele au oferit o soluție în problema propulsiei în interiorul conductelor.
Fig.13 Robotul de detecție Watchtower (sursa: httpsbiomimicry.org )
2. Proiectul Eden, 2001, Cornwall, U.K., considerată a opta minune a lumii, a avut drept scop crearea celei mari sere din lume. Pornind de la nuvela ”Lumea pierdută” a lui Arthur Conan Doyle s-a dorit realizarea unui ecosistem complex, mai exact a unui biom în adevăratul sens al cuvântului.
Principala provocare a reprezentat-o locația (craterul unei vechi mine argilă). Terenul, extrem de instabil, a făcut ca proiectarea acestei structuri să fie aproape imposibilă.
Fig.14 Cornwall – sit înainte de construcție (sursa: https://www.cornwallscottages.com.)
Soluția a fost pe cât de simplă pe atât de ingenioasă: ”bule” – cu structură hexagonală, integrate într-o sferă a cărei diametru sau circumferință pot fi adaptate în funcție de modificările din teren. Sursa de inspirație au fost baloanele de săpun, radiolarii și granulele de polen. Rezultatul inovativ nu a avut în spate o idee prestabilită de design, ci a apărut din necesitate și pragmatism.
Fig. 15 Radiolari – imagine microscopică (sursa: https://www.google.com )
Fig. 16 Grăuncioare de polen – imagine microscopică (sursa: https://www.sciencephoto.com)
O altă provocare a reprezentat-o căptușirea, îmbrăcarea acestui dom uriaș. În final s-a optat pentru perne umplute cu aer create dintr-un material numit ETFE (Etilen-tetrafluoretilenă), polimer extrem ușor (1% din greutatea sticlei). Practic s-a ajuns ca greutatea întregii structuri să fie mai mică decât aerul din interiorul domului. Remarcabilă este eficientizarea resurselor utilizate în această construcție inovatoare (greutatea materialului, costurile de instalare).
Fig.17 Proiectul Eden (sursa: https://www.cornwallscottages.com. )
3. Trenul de mare viteză Shinkansen 500 (Japonia), unul din cele mai rapide trenuri din lume (200-250km/h) a întâmpinat o serioasă problemă legată de poluarea fonică produsă de acesta la ieșirea din tuneluri datorită diferenței de presiune a aerului. Răspunsul a venit tot din biomimetică. Inginerii și-au pus întrebarea dacă există în natură organisme care să străbată două medii diferite rapid și fără zgomot. Ceyx azureus din fam. Alcedinidae este o specie de pescăruș albastru ce se hrănește cu pești. Aceasta pătrunde în apă extrem de lin, fără zgomot sau stropi. Preluând modelul aerodinamic al craniului proiectanții au modificat partea anterioară a trenului. Rezultatul a fost reducerea nivelului de zgomot, reducerea cu 15% a consumului de energiei electrică și creșterea vitezei de deplasare cu 10%.
Fig. 18 Ceyx azureus (sursa: https://www.hbw.com )
Fig. 19 Trenul de mare viteză Shinkansen 500 – Japonia (http://rwotton.blogspot.com)
Capitolul I. Fundamentarea teoretică a temei de cercetare
Introducere
Până în prezent dintre planetele sistemului nostru solar, investigate în decursul anilor prin mai multe misiuni spațiale, doar a treia planetă de la Soare oferă condiții optime dezvoltării vieții.
În prezent există aproximativ 1,5 milioane de specii studiate, descrise și clasificate, dintre care 75% aparțin Regnului Animalia. ”Se estimează că au fost clasificate 20% din totalul speciilor de animale care trăiesc în prezent și doar 1% din cele care au trăit în trecut. Sunt autori care avansează cifre mai mari pentru numărul speciilor de animale care trăiesc în prezent pe Pământ, între 4-30 milioane.” (Staicu A.C., 2005, pag.26)
Viața a apărut pe Pământ acum 3,5 miliarde de ani, procariotele având o vechime de 2,5-3 miliarde de ani, din Archaean, fiind urmate în Proterozoic de protiste, animale, fungi și plante.
Primii reprezentanți ai regnului Animal își au originea în organismele multicelulare din mările Precambrianului care se hrăneau cu alte organisme. exploatarea unor noi resurse de hrană, apariția unui alt mod de viață a condus la radiația evolutivă a diferitelor forme.
În prezent, taxonomia regnului Animalia cuprinde 34-35 de încrengături, fiecare încrengătură caracterizându-se prin trăsături morfo-anatomice, funcționale și comportamentale distincte. Filogenetic, originea acestor încrengături se află în perioada Cambriană (acum 600 milioane ani), când a fost posibilă diversificarea organismelor datorită condițiilor geologice, ecologice și genetice. Într-un interval de câteva milioane de ani, majoritatea morfologilor și tipurilor de simetrie au fost definitivate. Numărul limitat de specii și numărul redus de prădători a produs o diversificare morfologică în arhitectura animală.
Mai târziu, exploziile de speciație care au urmat marilor extincții au produs doar variații pe morfologii preexistente., Planurile de simetrie, morfologia și particularitățile anatomice se mențin filogenetic de la speciile ancestrale la cele actuale (cochilia la moluște, transformarea membrelor anterioare în aripi la păsări). În ciuda evoluției structurale și funcționale, noile forme sunt constrânse de arhitectura strămoșilor lor. Trăsăturile ancestrale limitează morfologia în descendență, indiferent de mediul de viață (pinguinii versus pești).
Corpul uman nu reprezintă altceva decât un triumf al arhitecturii complexe și vii. Mai puțin evident este faptul că arhitectura omului și a celorlalte animale este conformă cu același plan bine definit. Filogenetic, omul aparține Regnului Animal.
Organismele animale se diferențiază prin planurile de simetrie, nivelul de organizare, numărul de foițe embrionare.
Raportul suprafață/volum. Talia în raport cu condițiile de mediu
Diversitatea morfologică celulară este uimitoare și spectaculoasă: sferică, cilindrică, paralelipipedică, cubică, prismatică, stelată, etc. Ea se află în strânsă corelație cu funcția pe care o îndeplinește o celulă: ”funcția determină forma celulară”.
Din punct de vedere al dimensiunii celulare variația este limitată. Această limitare se datorează raportului din suprafață și volum. Pentru ca o celulă să poată fi metabolic activă ea trebuie să realizeze un schimb permanent de materie și energie cu mediul extracelular. Structura implicată în acest proces este membrană celulară. Pe măsură ce o celulă crește, se dezvoltă, volumul intracelular crește și el, ca urmare a acumulării de substanțe obținute prin sinteză și secreție. Treptat, membrana celulară nu mai poate asigura suprafața de contact, de schimb celular, pentru toate moleculele din celulă. Când valoarea raportului S/V atinge o limită inferioară critică, dezechilibrul creat declanșează diviziunea celulară, prin care raportul S/V se reechilibrează.
Cu alte cuvinte, pe măsură ce celulele cresc în dimensiuni suprafața și volumul nu cresc proporțional cu lungimea. Cu cât diametrul unui organism unicelular este mai mare, cu atât raportul suprafață/volum este mai mic. Astfel se restricționează dimensiunea unei anumite celule.
”Animalele au apărut din strămoși unicelulari și corpul lor, format din mai multe celule, a avut avantaje în raport cu simpla creștere a masei unei singure celule. Cu toate că schimburile au loc la suprafața celulei, divizarea unei mase, a unui volum în unități mai mici, crește substanțial suprafața disponibilă pentru activități metabolice.
Este imposibilă menținerea unui raport avantajos suprafață/masă/volum, prin simpla creștere a dimensiunii unui organism unicelular. Multicelularitatea este o cale înalt adaptativă spre creșterea dimensiunii corpului.” (Staicu A.C., 2005, pag.78)
O soluție în natură este procesul de pliere sau cutare: cu cât numărul de pliuri este mai mare cu atât suprafața de contact a structurii celulare crește.
Pentru a demonstra mai bine variația acestui raport am luat în considerare trei morfologii celulare frecvent întâlnite în lumea vie: celula cubică, celula paralelipipedică și celula sferică.
S = 6xa2
V = a3
S = 2 (ab+ac+bc)
V = abxc
S = 4xΠr2
V = 4 Πr3/3
Pentru a demonstra acest raport și variația lui s-a realizat un calcul matematic făcându-se o variație a dimensiunilor celulare:
Centralizate la nivel grafic, datele demonstrează că pe măsură ce celula crește avem din ce în ce mai puțină S/unitatea de volum, astfel schimbul de materie și energie va fi din ce în ce mai dificil de realizat.
Fig. 20 Grafic – variația raportului suprafață/volum (original)
Interesantă din punct de vedere al biomimeticii este regula lui Bergman care definește relația dintre temperatura medie a biotopului și dimensiunile unor specii de organisme homeoterme. Conform regulii lui Bergman speciile din zonele cu climă temperat-continentală au talia corpului mai mare decât speciile din zonele calde.
Simetrie. Axe și planuri de simetrie
Simetria este efectul combinat al funcțiilor și geometriei, asupra structurii lumii. Principiile simetriei guvernează fizica și matematica, chimia și biologia, construcțiile și arhitectura, pictura și sculptura, poezia și muzica. Legile naturii și varietatea fenomenelor sunt guvernate de principiile simetriei.
Conform DEX simetria (din lat. symmetria, fr. symétrie), reprezintă ”proprietate a două figuri geometrice de a se suprapune exact sau mai exact, proprietatea unui ansamblu spațial de a fi alcătuit din elemente reciproc corespondente și de a prezenta, pe această bază, anumite regularități; proporționalitate, concordanță, armonie între părțile unui tot, între elementele unui ansamblu etc.; distribuție egală, regulată, armonioasă a părților unui tot, a elementelor unui ansamblu; corespondență exactă (ca formă, poziție etc.) între părțile (opuse ale) unui tot” (https://dexonline.ro ).
Simetria este definită de aranjarea ordonată și repetată într-un ansamblu, a subunităților sale identice ca formă și mărime, dispuse în jurul unui plan sau al unui ax. S-au descris trei tipuri de simetrie virală: -simetria helicală: la virusul mozaicului tutunului, la mixovirusuri, paramixo-, rhabdovirusuri etc.; -simetria icozaedrică la polio-, adeno-, herpesvirusuri; -simetria mixtă, la fagii din seria T par (capul are simetrie icozaedrică, iar coada are simetrie helicală).
Simetria helicală este definită de așezarea unităților componente în jurul unui ax, care este supus, concomitent, unei mișcări de rotație și unei mișcări de translație, paralelă cu același ax (mișcarea este similară unui șurub).
Simetrie corpului metazoarelor reflectă modul de viață. Poate fi radiară sau bilaterală.
Animalele cu simetrie radiară (spongieri, cnidari, echinoderme, animale sesile, atașate de substrat sau planctonice) se caracterizează prin faptul că orice plan care străbate axul longitudinal al corpului și unește cei doi poli ai corpului va împărți organismul în două jumătăți egale, simetrice. Prezintă doi poli: polul oral, în centrul căruia se găsește orificiul bucal și un pol aboral. Avantajul acestui tip de simetrie este că permite organismului să se apere de prădători din orice direcție.
Fig. 21 Tipuri de simetrie (sursa: Staicu A.C., 2005, pag.86)
Simetria radiară prezentă în regnurile lumii vii a permis elaborarea unor softuri de modelare virtuală.
Animalele capabile să se deplaseze activ prezintă, aproape toate, simetrie bilaterală a corpului. Elementele de orientare în cazul simetriei bilaterale sunt axele și planurile. Axele corespund dimensiunilor spațiului și se întretaie în unghi drept:
Axul longitudinal, axul lungimii corpului, este orizontal la majoritatea animalelor și vertical la om; are doi poli cranial și caudal;
Axul sagital sau anteroposterior este axul grosimii corpului; are un pol anterior și altul posterior;
Axul transversal corespunde lățimii corpului; are un pol stâng și altul drept.
Planurile. Prin câte două axe trece câte un plan al corpului:
Planul sagital, trece prin axul longitudinal și sagital. Împarte corpul în două jumătăți dreaptă și stângă. Planul care trece prin mijlocul corpului (median), împărțindu-l în două jumătăți simetrice, se numește plan medio-sagital. Planul medio-sagital este planul simetriei corpului;
Planul frontal, trece prin axul longitudinal și cel transversal. Împarte corpul într-o jumătate dorsală și una ventrală;
Planul transversal trece prin axul sagital și transversal. Împarte corpul în jumătatea anterioară și posterioară. Planul sagital este numit planul metameriei corpului.
”Simetria bilaterală se asociază cu cefalizarea, concentrarea structurilor nervoase în extremitatea anterioară, cea dintâi care vine în contact cu sursele de hrană, pericole și alți stimuli. Cefalizarea presupune și dezvoltarea sistemului nervos central, concentrat la nivelul capului și prelungit spre coadă, ca un cordon nervos longitudinal. Capul reprezintă o adaptare la locomoția prin târâre, săpat, înot.” (Staicu A.C., 2005, pag.86)
Trecerea la simetria bilaterală este un salt evolutiv. Prin adoptarea simetriei bilaterale și a unui mod de viață activ, partea anterioară a corpului, zona cefalică, este cea dintâi care vine în contact cu stimulii din mediu. Pentru a răspunde rapid la acțiunea stimulilor din mediu și pentru o bună integrare în mediu, la acest nivel se concentrează organele de simț și elementele nervoase.
La gasteropode, protostomieni celomați, întâlnim două procese extrem de interesante: spiralizarea și torsiunea.
Spiralizarea debutează anterior torsiunii, se produce în stadiul larvar, dar constituie un eveniment evolutiv diferit de torsiune. Reprezintă răsucirea în spirală a cochiliei și a masei viscerale. Primele gasteropode aveau simetrie bilaterală, cu cochilia spiralată într-un singur plan, planspirală. Dezavantajul era în apariția unei cochilii tot mai greoaie, cochilia nefiind compactă – fiecare spiră era situată în afara celei precedente. Astfel a apărut cochilia conispirală. Treptat, pe măsură ce greutatea cochiliei a crescut, aceasta s-a înclinat pe o parte, deplasându-se spre partea superioară și posterioară a corpului, oblic față de axa longitudinală a corpului.
Simetria corpului este modificată datorită procesului de torsiune, care are loc timpuriu în dezvoltarea animalului (stadiul de veliger). Este o răsucire a masei viscerale, mantalei și cavității mantalei cu 180°, în sens invers acelor de ceasornic. Branhiile, anusul, orificiile canalelor excretoare și genitale sunt deplasate din pozițiile inițiale, în urma capului. Tubul digestiv ia forma literei ”U”, conectivele nervoase se încrucișează. Cavitatea mantalei este plasată anterior, branhia, metanefridia și auriculul de pe partea stângă ajung pe partea dreaptă. Avantajele torsiunii sunt:
Permite retragerea inițială a capului în cochilie, înaintea piciorului și deci protecția mai eficientă împotriva prădătorilor;
Prin torsiune deschiderea cavității mantalei devine anterioară astfel că pătrunde apă curată din fața melcului și nu apă tulburată de mișcările de înot ale melcului;
Torsiunea organelor de simț ale mantalei în jurul regiunii cefalice este al treilea avantaj pentru că sensibilizează melcul la stimulii care vin din direcția în care se deplasează.
Structura cochiliei. Cochilia este formată dintr-o singură piesă. Începe cu apexul, care conține prima spiră formată, cea mai veche și mai mică spiră. Spirele devin tot mai largi și se dispun în jurul unei axe comune numită columelă. După modul de deschidere a cochiliei deosebim cochilia dextră (se deschide pe partea dreaptă) și cochilia senestră (se deschide pe partea stângă). Deschiderea cochiliei se numește apertură iar conturul ei peristom. Peristomul poate fi continuu, neîntrerupt, holostom, sau întrerupt de un jgheab, sifonostom, , în care pătrunde o prelungire a mantalei, denumită sifon.
Singurele cefalopode la care se mai menține o cochilie externă este Nautilus. Cochilia spiralată este subdivizată în septe. Pe măsură ce crește animalul se mută anterior, secretând în urma lui un sept nou. Camerele sunt pline cu lichid și doar un cordon celular, denumit sifon, perforează septele, absoarbe lichidul prin osmoză și îl înlocuiește cu gaze metabolice. Controlul flotablității se face prin modificarea cantității de gaz din cameră.
Fig. 22 Secțiune prin Nautilius(sursa: http://www.pinterest.com )
Termoreglarea. Homeotermia. Hibernarea. Mecanisme de conservare a căldurii la mamifere.
Cea mai importantă achiziție evolutivă a mamiferelor este homeotermia. Din momentul apariției ei, temperatura mediului nu a mai avut o relevanță foarte mare. Decisivă a devenit calitatea nutrienților, a resurselor energetice.
Unele specii își reglează temperatura în limite restrânse (Homo sapiens sapinens – în limita a 1°C). din această cauză organismul realizează un efort energetic deosebit pe măsură ce temperatura deviază de la cele 36-37°C (fie termogeneză, fie termoliză).
Intervalul de temperatură 25-35°C se numește zonă neutră. În acest interval organismul nu realizează eforturi nici pentru a se încălzi nici pentru a se răci.
Mamiferele cu talie mare au o protecție termică mai bună și pot stoca mai mult mai multă căldură în organism. Mamiferele de talie mică pierd mai ușor căldură de aceea metabolismul trebuie să fie mai intens. Animalele de talie mică au, de regulă, o temperatură a corpului de 38°C. Reprezentanții familiilor Soricidae și Talpide au temperatura corpului mai mare decât temperatura mediului.
Mecanismele de termoreglare sunt extrem de complexe. Cele două componente ce interacționează și se compensează reciproc și permanent sunt termoliza (pierderea de căldură) și termogeneza (producerea de căldură). Ambele sunt modulate umoral și nervos.
Mecanismele de termoliză sau de adaptare la temperaturi ridicate se realizează prin:
Evaporare, presupune o secreție sudoripară abundentă; nu este eficientă la mamiferele care au corpul acoperit cu un strat gros de blană;
Folosirea suprafeței plămânilor și faringelui pentru răcire;
Creșterea frecvenței respirațiilor (”gâfâitul” – după ce corpul a fost supraîncălzit ca urmare a alergării sau zborului; spre exemplu ghepardul după 200 m se oprește pentru a se odihni);
Unele specii s-au adaptat printr-un metabolism bazal scăzut (leneșii – fam. Bradypodidae, monotrematele, tatuii);
Dromaderul are capacitatea de a-și modifica temperatura corpului într-un interval larg de temperatură (34-41°C) și de a pierde cam 25%din fluidele corpului fără a se deshidrata sau a se supraîncălzi;
Vasodilatație sau vasoconstricție la nivelul capilarelor pielii pentru a modifica schimbul de căldură cu mediul înconjurător;
Densitatea mare a rețelei de capilare de la nivelul tegumentelor care nu sunt acoperite de păr (ex. la Lepus californicus – iepurele de California);
Fig. 23 Lepus californicus (sursa: https://www.khanacademy.org )
Mecanismele de termogeneză și termoizolare permit adaptarea la temperaturi scăzute și se realizează prin:
Contracție musculară involuntară;
Activități fizice intense – contracție musculară voluntară;
Țesutul adipos brun (localizat la mamiferele mari care hibernează în zona gâtului și partea anterioară a trunchiului; culoarea brună caracteristică se datorează citocromilor din mitocondrii – la nivelul membranei interne a mitocondriei există o proteină cu rol în termogeneză numită termogenină);
Mecanisme circulatorii, care modifică fluxul sangvin direcționând spre organele vitale – creier, inimă, plămâni și realizând vasoconstricție periferică la nivelul pielii;
Mecanisme circulatorii de transfer – la mamifere și păsări: adaptare circulatorie care permite transferarea căldurii din vasele de sânge care conțin sânge mai cald la cele care conțin sânge mai rece. La Ciconia ciconia (barza albă) artera femurală care aduce sânge cald la nivelul membrelor este poziționată în același pachet vascular cu vena femurală care drenează sângele de la nivelul membrelor inferioare. Astfel, prin transfer pasiv este încălzit sângele care ajunge la inimă prevenindu-se un dezechilibru termic intern .
Structurile tegumentare: hipodermul, producțiunile tegumentare – blană, puf, pene au rol termoizolator. Cetaceele prezintă un strat gros de țesut adipos cu rol termoizolator. Păsările își înfoaie penele pentru a forma un strat de aer protector, la fel și mamiferele cu blană. Hominidele au pierdut acest strat izolator, de aceea folosim haine pentru a limita pierderile de căldura ale organismului.
”În funcție de amplitudinea domeniului de variație al factorilor abiotici deosebim două categorii de populații:
Cele care tolerează un domeniu larg de variație a unui factor abiotic (specii eurobionte);
Specii care tolerează un domeniu intermediar de variație a unui factor abiotic (specii mezobionte);
Specii care tolerează un domeniu îngust de variație a unui factor abiotic (specii stenobionte).
Din punct de vedere al temperaturii se deosebesc două grupe majore de organisme: euriterme și stenoterme” (Cogălniceanu D, 2007, pag. 46).
O strategie importantă pentru supraviețuirea în condiții ostile (temperaturi scăzute, cantitate insuficientă de alimente) o constituie hibernarea (soluție foarte avantajoasă pentru organismul animal prin care acesta economisește energie în proporție de 88%).
Procesul constă în scăderea temperaturii corpului spre deosebire de reptile, amfibieni la care corpul poate să înghețe, la arici, de exemplu, dacă temperatura mediului scade sub 0°C există posibilitatea creșterii temperaturii corpului. La animalele hibernante temperatura corpului poate atinge valori de1-2°C. Animalele care nu hibernează mor la o temperatură de 28-30 °C, deoarece se produce o răcire rapidă a creierului.
Mamiferele autentic hibernante sunt monotremele, insectivorele (ariciul), chiropterele și unele specii de rozătoare. Ursul nu hibernează propriu-zis (temperatura corpului scade cu 5°C). aceștia se trezesc în timpul iernii pentru a urina și a defeca. La urși au loc și alte transformări: modificări ale metabolismului N2 – care permit obținerea azotului din uree, absorbită la nivelul vezicii urinare, reducerea circulației sangvine la nivel renal, activitatea cerebrală este diminuată, dar nu blocată (animalul poate coordona pavilioanele auriculare, vocalizează și înregistrează sunete).
Din punct de vedere al metabolismului hibernarea presupune: diminuarea consumului de O2 (la ursidae pentru reducerea temperaturii corpului cu 5°C, consumul de O2 este diminuat cu 30%; reducerea bătăilor inimii, dar devin neregulate la o temperatură a corpului de 3°C (la popândău contracțiile continuă și la temperaturi de 1°C, în timp ce la cele nehibernante se oprește la 16-18°C); creșterea secreției de serotonină și melatonină (administrate experimental ele determină prelungirea stării de hibernare).
Seria numărului lui Fibonacci
Leonardo Fibonacci s-a născut în jurul anului 1170. Leonardus filius Bonacii Pisanus (Leonard, fiul lui Bonaci Pisanul) a trăit în Pisa secolului XVII-lea. Contribuția sa istorică ”introducerea numerelor arabe și a aritmeticii în sistemul comercial european. Astfel, a dat importanță cifrei zero și a recunoscut superioritatea sistemului de numerație arab față de cel roman.”( https://wikipedia.org )
O curiozitate matematică descoperită în India acum 1300 de ani și introdusă în 1202 de către Fibonacci în matematica europeană este un șir recurent de numere în care fiecare număr următor este egal cu suma celor două numere care îl preced:
Aritmetic, procesul poate fi reprezentat astfel:
Formula care stă la baza obținerii șirului lui Fibonacci este:
Fn = Fn-1 + Fn-2
Acest șir recurent reprezintă ”legea creșterii organice”, una din cele mai importante legi ce guvernează regnul vegetal și animal, fiind întâlnită în peste 90% din structurile lumii vii. ”Studiul mai atent scoate la iveală că șirul lui Fibonacci și-a găsit utilitatea în cele mai diverse activități – de la artă (sculptură, arhitectură, muzică) la știință” (Muntean G., Muntean R., 2005, pag.2).
Ramificarea și înfrunzirea plantelor se face tot după șirul lui Fibonacci. La fel și modul de dispunere a petalelor și sepalelor în diagrama florală. Alte exemple sunt dispunerea solzilor carpelari la gimnospermae, modul de organizare a achenelor pe receptaculul calatidiului de la Helianthus annus (floarea-soarelui).
Fig. 24 Șirul Fibonacci în diagramele florale (sursa: http://www.pinterest.com)
În relație cu acest șir matematic unic derivă raportul de aur, secvența sau secțiunea de aur, dreptunghiul de aur, spirala de aur sau spirala logaritmică.
Asemănător cu Π (pi), raportul de aur Φ (phi) este un număr irațional aproximat la 1,618. Raportul sau numărul Fibonacci se obține împărțind un număr din șirul Fibonacci la precedentul său. Pe măsură ce continuăm această raportare observăm că valoarea raportului este constantă, de 1: 1,1618.
Fig. 25 Raportul de aur (sursa: http://www.pinterest.com )
În reprezentarea grafică a acestui raport sau regulă de aur, putem porni de la comparația cu raportul de 1: 1.
1 : 1
(a) (b )
1,16 : 1
Denumită în Antichitate de către Euclid ”împărțire în medie” sau ”extremă rație”, această secvență este redenumită în 1835 de către Martin Ohm ”secțiunea de aur” sau ”tăietura de aur”, nume păstrat până în prezent.
Raportul poate fi calculat prin formula:
a + b /a = a/b = Φ = 1,618
”Tăietura de aur” reprezintă o divizare a unui segment de dreaptă în două segmente asimetrice, calculate astfel încât punctul de divizare să împartă cele subsegmente într-o parte ”a” egală cu media proporțională dintre subsegmentul ”b” și întregul segment de dreaptă.
Putem observa acest raport al proporțiilor în toată lumea vie, pornind de la corpul uman până la plante și animale.
Leonardo da Vinci și Albrecht Durer au observat că secțiunea de aur este canonul geometric de bază al proporțiilor corpului omenesc. Corpul uman reprezintă o ”simfonie” de rapoarte și spirale Fibonacci.
Fig. 26 Secțiuni Fibonacci la nivelul corpului uman (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. 27 Raportul de aur (sursa: http://www.pinterest.com )
Reprezentată figurativ, acest ”secțiune de aur” se poate figura în ceea ce poartă denumirea de ”dreptunghiul perfect” (8×13; 13×21, etc). ”Dacă desenăm un dreptunghi ale cărui laturi să fie între ele în raport Φ și dacă despărțim din el un pătrat, dreptunghiul rămas este asemenea cu dreptunghiul inițial, adică are și el laturile în raport de aur și așa mai departe” (Muntean G., Muntean R., 2005, pag.7)
Fig. 28 Reprezentarea grafică a numărului lui Fibonacci (sursa: http://www.pinterest.com )
Dacă trasăm un arc de cerc de la fiecare colț al unui pătrat la celălalt colț vom obține o spirală cu aceeași secvență, raport. Aceasta este spirala logaritmică, întâlnită frecvent în natură, numită și ”spirala de aur” sau ”spirala vieții”.
Fig. 29 Spirala de aur (sursa: http://www.pinterest.com )
Acest raport este prezent în toată lumea vie. Se întâlnește de la modul de creștere și dispoziție al frunzelor pentru a permite o cantitate maximă de ploaie să fie direcționată către rădăcinile plantei (Aloe vera).
Fig. 30 Dispunerea foliară în raport Fibonacci la Aloe vera (sursa: http://www.pinterest.com )
Un caz care se poate observa și macroscopic este la Helianthus annuus (floarea-soarelui). Achenele sunt dispuse în așa fel încât formează două serii de spirale curbate una în sens invers celeilalte. Cele două spirale nu prezintă un număr egal de ture de spiră, ci două numere succesive din șirul lui Fibonacci: 34 și 55.
Fig. 31 Spirala logaritmică la Helianthus annuus(sursa: http://www.pinterest.com )
Același ”patern” Fibonacci îl observăm și la modul de dispunere a solzilor carpelari în inflorescențele feminine de la gimnosperme.
Fig. 32 Spirala logaritmică la conul de Abies alba(sursa: http://www.pinterest.com )
Spirala lui Fibonacci este prezentă și în morfologia animală (gasteopode, cefalopode, etc).
Fig. 33 Spirala logaritmică la Nautilius(sursa: http://www.pinterest.com )
Aplicarea acestui raport în arte și respectiv arhitectură permite realizarea unor lucrări deosebite, echilibrate, care posedă acel ”je ne sais croix” (”nu știu ce?”), care face ca privitorul, atât cunoscător cât și profan să fie atras de frumusețea și armonia liniilor și proporțiilor.
Fig. 34 Raportul de aur în Cina cea de taină – Leonardo da Vinci (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. 35 Spirala de aur în Creația lui Adam – Capela Sixtină – Michelangelo (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. 36 Raportul de aur în arhitectura Taj Mahal (sursa: http://www.pinterest.com )
În mod particular, omul manifestă o preferință și o înclinație spre proporția și regula de aur. Gândirea estetică umană se bazează aproape exclusiv pe ”legea proporțiilor”. Pornind de la această ”regulă de aur” un viitor arhitect nu poate greși. Cunoașterea acestor proporții, originea lor biologică aduce un plus de valoare în realizarea unor proporții armonioase.
Fig. 37 Nautilius House – Mexic (sursa: http://www.pinterest.com
Fig. 38 Nautilius House (detaliu) – Mexic (sursa: http://www.pinterest.com )
Biofilia
Este un termen introdus de biologul E.O. Wilson fiind definită ca afinitatea genetică înnăscută și determinată a omului cu natura. O extensie a biofiliei este arhitectura biofilică, care reprezintă încorporarea de materiale naturale, lumină naturală, plante, diorame în mediul nou construit.
Capitolul II. Metodologia cercetării
Scopul cercetării
Aprofundarea acestui domeniu hibrid între biologie și arhitectură, cu scopul conștientizării de către elevi a utilizării resurselor naturale drept model arhitectural,drept sursă de inspirație în alegerea unor elemente de design și conservarea durabilă a acestor resurse.
Obiectivele cercetării
Lărgirea și aprofundarea orizontului de cunoaștere – latură informativă la nivelul opționalul în care aplicăm aceste analogii – dotează elevul cu informații privind domeniile: biologie, arhitectura lumii vii, design-ul biodiversității;
Transferul unor informații asimilate anterior în contexte noi -latura formativă realizând astfel punți interdisciplinare prin formarea de abilități practice de aplicare a biologiei în arhitectură.
Ipoteza
Prin aprofundarea studiului analogiilor dintre disciplinele biologice și arhitectură pot crește nivelul de pregătire profesională în specialitate a elevilor din clasele cu profil artistic, specializarea arhitectură.
Metode de cercetare
Pe parcursul cercetării am utilizat ca instrumente de cercetare:
Studiul documentelor;
Metode inductive (studiul de caz; studiul comparativ)
Metode nedeductive (analogia)
Limitele utilizării acestor metode de cercetare sunt date gradul de probabilitate.
Procedura cercetării
Cercetarea s-a bazat pe o analiză amănunțită și de actualitate a documentelor de specialitate, îndeosebi la nivelul studierii disciplinei de graniță dintre biologie și arhitectură, biomimetica, și în speță biomimetismul. Astfel prin studiul de caz, studiul comparativ și găsirea de noi analogii am urmărit identificarea unor noi legături între biologie și arhitectură.
Analogii. Studiu de caz
1. Conceptul de casă cu consum de energie zero. Casă pasivă
Unul din obiectivele Uniunii Europene este de a reduce emisiile de CO2 cu 20% față de nivelul din 1990. Acest țel este urmărit îndeaproape în domeniul construcțiilor deoarece acesta reprezintă 40% din consumul total de energie din U.E. directiva 2010/31/UE privind performanța energetică a clădirilor stabilește ca toate clădirile noi să aibă performanțe energetice ridicate iar energia utilizată să provină din surse regenerabile produse la fața locului sau în perimetrul casei. În țările nordice construcțiile care pot îndeplini aceste standarde sunt extrem de greu de realizat din punct de vedere economic. De aceea se impune cercetarea și crearea unor soluții fie pentru un sistem de fațadă aplicabil, fie pentru construcția de pereți în sine cu proprietăți dinamice foto și termosensibile. Acestea trebuie să aibă proprietatea de a se adapta la condițiile meteorologice externe (adaptabile climatic) și de a reacționa la variații de temperatură și de intensitate a luminii, folosind principii de biomimetică (termoizolare, metabolism bazal, hibernare), principii care evită necesitatea unui aport suplimentar de energie. O astfel de soluție permite colectarea energiei solare din timpul verii și utilizarea ei pe parcursul iernii. (Varaga R., Blumberga A., 2015, pag. 307-309)
Fig. 39 Casă cu performanță energetică ridicată – de tip nZEB (sursa: http://www.pinterest.com )
Obiectivele unei case ce pornește de la conceptul de biomimetică, case de tip nZEB (”nearly Zero Energy Building”) sunt:
Autoîncălzire pasivă;
Autorăcire pasivă;
Complet luminată natural;
Producerea de energie in situ;
Adaptabilitate la climă și variațiile ei;
Calitatea aerului (aerul care iese din clădire să fie mai curat decât aerul care intră în clădire).
Fig. 40 Casă cu performanță energetică ridicată – de tip nZEB (sursa: http://www.pinterest.com )
O soluție extrem de eficientă este folosirea unei tencuieli cu sensibilitate la lungimea de undă a luminii și la coeficientul de absorbție spectrală. Astfel în perioada iernii această tencuială are proprietatea de a absorbi mai multe lungimi de undă și deci, energie iar pe perioada verii absoarbe un câmp deosebit de îngust de lungimi de undă și deci, o cantitate redusă de energie. Modificarea culorii materialului izolant de pe fațada unei clădiri în funcție de condițiile externe schimbă proprietățile sale și chiar modifică adaptativ capacitatea de a absorbi energie. Răspunsul la această provocare a venit de la un nevertebrat: șarpele de mare (Clasa Ophiruoidea, Phylum Echinodermata). Acesta are proprietatea de a-și schimba culoarea corpului în funcție de ritmul nictemeral (în timpul zilei este cenușiu iar în timpul nopții devine alb). ”Această modificare este posibilă datorită prezenței pe suprafața corpului a unor protuberanțe care funcționează ca niște ”lentile”. Prin fotostimulare, se eliberează pigmentul care determină modificarea tegumentului de la alb la gri-cenușiu.” (Varaga R., Blumberga A., 2015, pag. 307-309)
Fig. 41 Mecanismul fotostimulării la șarpele de mare (sursa: https://www.pinterest.com )
2.Raportul suprafață/volum extrapolat în structuri arhitecturale
La fel ca în natură, uneori avem nevoie de o suprafață de contact, de schimb mai mare decât volumul de care dispunem. Astfel, s-a dezvoltat în arhitectură o ramură de design numită ”folding architecture”.
Fig. 42 Centru cultural în Molde, Norvegia – vedere de ansamblu (sursa: http://www.evolo.us )
O analogie interesantă este cea dintre un organism unicelular tânăr, activ metabolic și un oraș aflat în dezvoltare. La fel ca și celula, la un moment dat, numărul de căi de acces în oraș și dinspre oraș devine insuficient pentru numărul de oameni care locuiesc sau tranzitează orașul. Natura a rezolvat această problemă prin diviziune celulară. Poate că o soluție eficientă în sistematizare și urbanism ar fi crearea unor micro așezări urbane.
3.Simetria. Axe și planuri de simetrie
Simetria este un principiu de compoziție în arhitectură și un principiu de organizare în natură. Din punct de vedere arhitectural axul este o linie stabilită de două puncte în spațiu, față de care forme și spații se organizează de-a lungul. Simetria reprezintă distribuția balansată a formelor și spațiilor echivalente de o parte și de alta a unei linii (ax) = simetrie bilaterală sau de o parte și de alta a unui punct = simetrie radiară.
La nivel de simetrie, biomimetismul se aplică morfologic (”analogie de formă”):
Simetrie radiară:
Fig. 43 Turitella terebra L – analogie cu Chicago Spire Tower și Diamond Tower – Jeddah Emiratele Arabe Unite
(sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. 44 Clădirea Lotus – China – este un omagiu adus unei flori sacre în China, chiar și amplasarea ei pe apă este un semn de respect (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. 45 Biblioteca publică Rapana – Varna, Bulgaria (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. 46 Bibioteca publica Rapana – Varna, Bulgaria (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. 47 Turn de observatie_Danemarca (sursa: https://www.pinterest.com )
Simetrie bilaterală
Fig. 47 Simetrie bilaterală – crustacee (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. 48 Almaty Twin Towers, Kazakhstan (sursa: https://www.mdpi.com )
4.Analogia de funcție. Studiu de caz Eastgate Buiding
Are la bază un concept actual în arhitectură: arhitectura de tip mutualist. Acest centru comercial din Zimbabwe, Africa este o construcție bazată pe conceptul de mutualism. Principalul scop a fost găsirea unei modalități pasive (fără consum energetic) de a răci o clădire de mari dimensiuni dintr-o zonă geografică cu temperaturi extreme.
De aceea arhitecții au studiat structura mușuroiului de termite și a sistemului său de ventilație. O colonie activă produce multă căldură, de aceea termitele includ în proiectul lor de construcție un sistem de răcire. Aerul cald se ridică printr-o cavitate centrală în hornurile poroase de sus, prin care iese aerul cald bogat în dioxid de carbon și pătrunde aer curat, oxigenat. Apoi aerul curat, rece coboară într-o pivniță de la baza cuibului.
Fig.49 Structura unui mușuroi de termite – sistemul de ventilație (după Reader's Digest)
Inovația acestui proiect a adus un produs ce a redus consumul de energie cu 90%. Cheia succesului acestui proiect a reprezentat-o originea sursei de inspirație (din aceeași zonă geografică).
Limitările acestui proiect se leagă de faptul că nu putem afirma că este un proiect integral ”mutualist”. Multe dintre sursele primare apă, electricitate venind din surse nesustenabile.
Fig. 50 Eastgate Center – vedere de ansamblu (sursa: https://pinterest.com )
5.Analogia de material. Obținerea unui polimer ceramic
Cercetători de la universitatea din Manchester (Dr. Stephen Einchhorn) și de la Universitatea din Leeds au cercetat modul de stratificare și dispunere a cristalelor de carbonat de calciu la nivelul valvelor de la Lamellibranhiate. Apoi, au creat un material compozit, un polimer ceramic pe bază de carbonat de calciu (CaCO3 – calcar) și particule de polistiren ce substituie proteine cu aceleași proprietăți. Acest material are aplicații în medicină (protezare osoasă) și în construcții având o rezistență crescută la șocuri mecanice.
Fig. 51 Structura microscopică a polimerului mecanic (sursa: https://newatlas.com )
Capitolul III. Rezultate. Discuții
Viața a fost/există pe Terra de 3,8 miliarde de ani. În acest timp viața a învățat ce funcționează și ce este potrivit și ce este durabil aici. În loc să pornim de la zero, poate ar trebui să studiem acești ”mentori biologici” care și-au dat seama cum să creeze o lume durabilă.
Specificul biomimetismului (”biomimicry”) ca știință este că el depășește abordările standard de dezvoltare durabilă, venind cu soluții constructive. Biomimetica, și în speță biomimetismul, vor permite trecerea de la epoca industrială la cea ecologică a omenirii.
Scopul unor astfel de analogii între biologie și arhitectură este nu numai de însușire și consolidare a unor cunoștințe dar și de creștere a performanței elevilor, de a le lărgi orizontul cunoașterii și de a-i familiariza cu discipline noi, de actualitate cu potențial creativ înalt.
Viața ne poate învăța foarte multe în tehnologie și design. Provocarea, din punct de vedere al biologului este găsirea campionilor adaptării în lumea naturală. Este foarte important să se facă distincția între a utiliza un organism în scopuri tehnologice sau industriale, de exemplu microorganisme pentru tratamentul apelor uzate și a învăța ceva, a învăța o idee de la un organism și apoi aplicarea ei. Prima variantă este bio-procesarea sau tehnologie bio-asistată cea de a doua reprezintă biomimetismul.
Partea II. Aplicații metodico-didactice ale cercetării
Perspectiva procesuală de abordare a curriculum-ului la decizia școlii.
Curriculum-ul trebuie văzut din perspectiva a trei etape sau procese, ce structurează ca un tot unitar: proiectarea curriculară, implementarea curriculum-ului și evaluarea curriculară.
Proiectarea curriculară
Proiectarea curriculară a implicat patru întrebări fundamentale:
Care sunt obiectivele pedagogice urmărite?
Dezvoltarea gândirii de tip divergent, educarea minții de a căuta răspunsuri și soluții în afara unei discipline.
Lărgirea orizontului de cunoaștere prin familiarizarea cu discipline noi.
Formarea unui elev cu potențial creator, capabil să gândească critic.
Care sunt experiențele educative care vor conduce la realizarea obiectivelor pedagogice?
Experiențele educative vor avea un caracter informativ (de cunoaștere, asimilare de cunoștințe), unul formativ (de formare de abilități, priceperi și deprinderi noi) dar și unul aplicativ, practic (prin care elevul poate el însuși fi creator de inovație).
Ce metodologie a învățării se aplică?
Cea mai potrivită și firească metodologie a învățării ce se poate aplica este cea centrată pe elev și pe nevoile acestuia.
Care este teoria și metodologia evaluării?
În activitățile de evaluare se vor folosi metode alternative, complementare (proiect, portofoliu, investigație, referat) care pun în valoare potențialul creativ și practic al elevului, dezvoltând apartenența la grup prin activitățile de lucru pe grupe și în echipe.
Ca și tipuri de evaluare vor predomina evaluările de tip formativ, care generează învățare. Se va urmări ca acest tip de evaluare să capete valențe formatoare (evaluare formatoare), permițându-i elevului să învețe prin evaluare și să producă dezvoltare.
În construirea unui curriculum nou modelul urmat are cinci pași:
Cercetare;
Planificare;
Experimentare;
Difuzare;
Evaluare.
Există trei concepții privind construcția unui curriculum: curriculum centrat pe cunoștințe/ conținuturi, curriculum centrat pe elev și curriculum centrat pe societate. Fiecare model, din perspectiva acestor trei concepții prezintă avantaje și dezavantaje.
Pertinența unui curriculum reprezintă în fapt o ”selecție în cultura unei țări”. De aceea, în stabilirea unui curriculum avem nevoie de criterii:
Ce este apreciat ca valabil?
Ce este apreciat ca pertinent?
Ce este apreciat ca fiind demn de a fi învățat?
În teoria curriculum-ului actuală există mai multe modele de proiectare a curricumul-ului școlar: centrat pe discipline, pe structuri integrate, pe competențe, pe învățare deplină, pe activitatea elevului, pe relația cadru didactic-elev.
În urma unei activități de cercetare riguroase am proiectat un nou curriculum la decizia școlii centrat pe elev și pe nevoile acestuia.
Prezentul curriculum are o abordare pluridisciplinară și de actualitate. Structura sa este una modulară, pe durata ciclului liceal superior (clasele a XI-a și a XII-a).
”Elemente de arhitectură și design în lumea vie ”
[Curriculum la decizia școlii pentru liceu (clasele a XI-a și a XII-a)]
Elaborată: Prof. Ene Mirela
”Natura nu ne oferă de-a gata soluții tehnice. Părerea că este suficient să copiem natura nu duce nicăieri”
Profesor Dr. Werner Nachtigall
București, 2017
Structura programei:
Programa școlară are următoarea structură:
Argument
Notă de prezentare
Competențe generale
Valori și atitudini
Competențele specifice și conținuturile asociate acestora
Lista de conținuturi
Sugestiile metodologice și modalități de evaluare
Bibliografie
Argument
A învăța despre lumea naturală este una, a învăța de la lumea naturală – asta-i schimbarea!
Omul, a trecut de la încerca să domine mediul înconjurător, natura la a încerca să conserve părți din ea și a ajuns în final la o reconciliere cu aceasta, încercând să preia nu numai forme, dar și moduri de funcționare și de organizare. Așa se naște o nou domeniu, cu caracter transdisciplinar, biomimetică sau biomimetism.
Acest curriculum oferă oportunități de dezvoltare a elevilor, pentru domenii hibride, artistic-decorative si științifice. Noțiunile specifice sprijină conștientizarea utilizării resurselor naturale drept model arhitectural, sursă de inspirație în alegerea unor elemente de design și conservarea durabilă a acestor resurse. Această responsabilizare a elevului duce la necesitatea unei abordări curriculare sistematice si gradate, adecvate atât specificului dezvoltării elevilor, cât si complexității domeniului.
Complexitatea aspectelor vieții, a societății actuale, dar mai ales viitoare, evoluția rapidă a științelor, a tehnicii solicită depășirea unor nevoi specifice diferitelor domenii de activitate si vieții domestice, prin soluții care relaționează aspectele funcționale cu cele estetic-formale. Cea mai naturală și firească modalitate este trecerea de la epoca industrializării la epoca ecologică, durabilă.
Notă de prezentare
Disciplina opțională ” Elemente de arhitectură și design în lumea vie” este concepută în vederea achiziției de cunoștințe și dezvoltării de competențe, capacități, atitudini de către elevii din ciclul liceal superior (clasele a XI-a și a XII-a), de la filiera Vocațională, profilul Artistic, specializarea Arhitectură. Opționalul are o structură modulară și se va desfășura 1 oră/săptămână pe parcursul a 2 ani școlari (clasa a XI-a și a XII-a), fiind un opțional la nivelul mai multor arii curriculare.
Rolul acestui opțional este unul informativ (dotează elevul cu informații privind domeniile biologiei, arhitectura lumii vii, design-ul acesteia, utilizarea materialelor cu origine organică, limbajul științific) și unul formativ (formează abilități practice de aplicare a biologiei în arhitectură).
Programa școlară de CDȘ ” Elemente de arhitectură și design în lumea vie”, prin competențele generale și specifice pe care le formulează răspunde unui set de finalități, în ciclul superior al liceului, circumscrise următoarelor idei:
Formarea capacității de a observa și analiza un ecosistem și de a rezolva diferite probleme de arhitectură și design pe baza achizițiilor desprinse din diferite domenii ale biologiei;
Stimularea receptivității și a expresivității prin intermediul unor reprezentări multiple ale arhitecturii viului în scopul construirii unei vieți de calitate;
Dezvoltarea competențelor esențiale pentru reușita personală și socio-profesională: comunicare, gândire critică, prelucrarea și utilizarea contextuală a unor informații complexe.
COMPETENȚE GENERALE
1. Lărgirea orizontului de cunoaștere.
2. Transferul unor informații asimilate în anii anteriori de școală în contexte noi.
3. Realizarea de conexiuni interdisciplinare.
4. Exprimarea plastică utilizând materiale, instrumente și tehnici specifice.
VALORI ȘI ATITUDINI
Manifestarea curiozității față de domeniul biologiei.
Interes și respect față de argumentația științifică.
Dezvoltarea toleranței față de opiniile exprimate de alții.
Crearea condițiilor favorabile fiecărui elev de a-și forma și dezvolta competențe într-un ritm individual.
Dezvoltarea spiritului de lucru în echipă, a solidarității umane și a toleranței.
Abilitatea de a transfera cunoștințe acumulate dintr-o zonă de studiu în alta (dezvoltarea gândirii critice).
Formarea obișnuinței de a recurge și la concepte biologice în rezolvarea unor probleme de arhitectură și design.
Dezvoltarea capacității de însușire a unor metode informare și de documentare independentă.
Formarea motivației pentru studiul lumii vii ca domeniu relevant pentru viața socială și profesională.
Competențe specifice și conținuturi
CLASA A XI-A (partea I)
1. Lărgirea orizontului de cunoaștere
2. Transferul unor informații asimilate în anii anteriori de școală în contexte noi
3. Realizarea de conexiuni interdisciplinare
4. Exprimarea plastică utilizând materiale, instrumente și tehnici specifice
LISTA DE CONȚINUTURI
Celula – interdependență ambient-formă-funcție (”Form follows function”)
Tipuri de celule
Organisme unicelulare vs locuințe unicamerale
Design –ul grăuncioarelor de polen – proiectul Eden
Raportul suprafață/volum la nivel celular
Botanică aplicată:
Esențe de lemn
Design foliar
Design și cromatică florală
Geotropismul și fototropismul în relație cu poziționarea locuinței
Maiștrii constructori ai lumii vii:
Stiluri de țesut ale păianjenilor
Păianjenul matematician
Viespea olar
Omizile cu cort
Casa hexagonală din pastă de hârtie
Albinele iubesc hexagoanele – sunt economice
Pasărea țesător
Pasărea croitor
Lăstunii – case din salivă
Castorul – cel mai bun inginer constructor
Barza, vrabia și rândunica
Obținerea unei case în lumea vie:
Sacul de dormit vâscos al peștelui papagal
Peștele clovn și anemona
Bufnița de sub pământ
Crabul călugăr
Larvele și casa ideală
Locuințe inaccesibile:
Cuib proiectat pentru a salva puii de la dezastru (pescărușii)
Dușmanii oropendolei nu au acces
Cuibul vulturului sfidează vecinii
Buncăre rezistente la apă, în vârf de stâncă
Clopotul de scufundare al păianjenului de apă
Felurite case pe apă
Costumul de scafandru al broaștei cu vizuină
”Ana meșterului Manole” din natură- pasărea rinocer
Țepi buni pentru ciocănitori
Capodopere arhitecturale – termitele
Copiat după natură – morfogeneză:
Istoria bionicii / Icar, Leonardo da Vinci,Raoul France, Joseph Paxton, J.E. Steele
Biomimetica – biomimetismul
Sămânța de arțar și elicopterul
Cupola geodezică
Proiectul Eden
Genialul fir de iarbă
Anthurium – captarea și direcționarea luminii
Mimetism, homocromie și colorație de avertizare utilizate în design-ul unei locuințe:
Camuflajul plantelor
Maestra deghizării
Mimetism defensiv
Marii prefăcuți
Fluturele Morpho – efectul de culoare
Arhitectura peisagistică:
Istoria arhitecturii peisagistice
Stiluri în amenajarea grădinilor (francez, englez, asiatic)
Principii estetice în amenajarea unei grădini
Amenajarea unei grădini
Tehnică de ieri-viața de mâine (utilizarea de materiale organice în construcția și izolarea locuinței)
Materiale low-tech vs materiale high-tech (lutul, argila, lemnul)
Izolarea locuinței (cum își încălzesc urșii polari puii)
Cum se trăiește în zonele cele mai neprimitoare ale lumii
Case autosustenabile (conceptul de green-hause)
Coleopterul Melanophila acuminata – inspirație pentru detecția de fum
Antropologie și arhitectură
Impactul antropic prin construcții
Biomimetică și biomimetism: principii; aplicații, studii de caz
Sisteme de ecolocație high-tech
CLASA A XII-A (partea a II-a)
Competențe specifice și conținuturi
1. Lărgirea orizontului de cunoaștere
2. Transferul unor informații asimilate în anii anteriori de școală în contexte noi
3. Realizarea de conexiuni interdisciplinare
4. Exprimarea plastică utilizând software-ul de proiectare
LISTA DE CONȚINUTURI
1. Biomimetică și arhitecură
Procesul de morfogeneză
Emergență și autoorganizare
Formă și comportament
Matematică formelor naturale
2. Morfogeneza digitală
3. Design cu ajutorul parametrilor
4. Căutarea formală
Căutarea formală empirică – construcțiile naturale – asamblaje de molecule și celule
Căutarea digitală cu ajutorul tehnicilor digitale generative
5. Design generativ evolutiv
6. Studii de caz (aplicația Galapagos)
7. Ontologia deleuziană și gândirea topologică – arborele filogenetic
Sugestii metodologice
În parcurgerea continuturilor specifice disciplinei „Eelemente de arhitectură și design în lumea vie” se va urmari îmbinarea exercitiului individual cu demonstratia practica si cu explicatia. Toate demersurile metodologice vor fi dublate de conversatia euristica, în scopul asigurarii feed-back-ului, precum si cu exemplificari din materialul documentar.
De asemenea, se vor utiliza și alte metode cum sunt: învățarea prin descoperire, problematizarea, dezbaterea și asaltul de idei, modelarea.
Modalități de evaluare
Modalitățile de evaluare se bazează pe strategiile moderne de evaluare, care accentuează acea dimensiune a acțiunii evaluative și care oferă elevilor suficiente si variate posibilități de a demonstra ceea ce stiu (ca ansamblu de cunostințe), dar mai ales ceea ce pot să facă (priceperi, deprinderi, abilități) susținând astfel, individualizarea actului educațional.
Elaborarea de schițe și studii după structuri biologice existențe
Realizarea unor exerciții creative pe baza unor principii teoretice din matematică fizică și biologie
Construirea de structuri arhitecturale având ca punct de inspirație plante sau animale
Realizarea unui proiect de arhitectură peisagistică
Realizarea unei locuințe având ca model o structură biologică
Creearea de piese de mobilier sau alte obiecte decorative bazate pe principiile bionicii
Bibliografie
1. Bright Michael, Burnie David, Constable Tamsin, Simons Paul, 2006 ,”1000 de miracole ale naturii”,Reader's Digest, București
2.Browne Julian, 2006 ,”Descoperiți minunile lumii. Cele mai spectaculoase peisaje ”,Reader's Digest, București
3. Buhl Beat, Kahl Eva, Kohler Gunther, 2005 ,”Misterele Terrei. Marea provocarea a științei ”,Reader's Digest, București
4. Gottfried Sandra, „ Biology today”, 1993, Edit. Mosby, U.S.A.
5. Gyulane Jambor, „Atlasul universului viu”, 2007, Edit. Comenius, Sfantul Gheorghe
6. Howell Herbert Catherine, „Insectele”, 2002, Edit. Egmont Romania, București
7. Opriș Tudor, „Bios” (vol I și II), 1987, Edit. Albatros, București
8. Otto H. J., Towle A.,1965, „Biology”, Holt, Reinhart and Winston Inc., U.S.A
9. Programele școlare în vigoare pentru ciclul liceal inferior și superior – pentru disciplinele „Biologie”, „Interdependențe funcționale în relația om, formă, ambient”, „Istoria arhitecturii”, „Desen proiectiv”
10. Procedura privind elaborarea CDS( http://drciuca.licee.edu.ro)
Implementarea curriculum-ului
Acest CDȘ se desfășurat la nivelul Colegiului Tehnic de Arhitectură și Lucrări Publice I.N. Socolescu pe parcursul a trei ani școlari: 2015-2016, 2016-2017 și 2017-2018.
Lecțiile au fost structurate pe teme de studiu, desfășurate pe parcursul a doi ani școlari și au avut un caracter dinamic, puternic aplicativ.
Evaluarea curriculară
Concluziile elaborate în urma implementării curriculum-ului la clasele de profil au fost sintetizate printr-o analizată de tip SWOT.
Proiectare didactică
În proiectarea didactică a unităților de învățare și a lecțiilor s-a urmărit ca acestea să aibă o structură unitară, cursivă și coerentă în care latura informativă a fost urmată de cea formativă și aplicativă. Majoritatea lecțiilor au fost structurate în două părți:
Prima parte a avut drept finalitate reactualizarea, consolidarea unor cunoștințe dobândite la orele de biologie sau de specialitate, familiarizarea cu terminologia și conceptele specifice unor discipline noi precum bionica, biomimetica, biomimetismul, biofilia;
A doua parte urmărește aplicarea acestor cunoștințe și prezentarea unor proiecte originale, creative
În lucrarea de față cuprinde două proiecte de lecție ce vizează:
Raportul suprafață/volum aplicat în proiectarea arhitecturală de tip folding (lecție desfășurată în două ore);
Analogii între rapoarte de simetrie întâlnite la regnul Animalia și clădiri sau edificii;
PROIECT DE LECȚIE
NUME CADRU DIDACTIC: ENE MIRELA
COLEGIUL TEHNIC DE ARHITECTURĂ ȘI LUCRĂRI PUBLICE „I.N. SOCOLESCU”
CLASA :A XI-A B /
FILIERA: Vocațională PROFIL: Artistic SPECIALIZAREA: Arhitectură
DATA: 20 mai 2016
OBIECTUL/DISIPLINA: CDȘ – Elemente de arhitectură și design în lumea vie (I)
SUBIECTUL: Raportul suprafață/volum aplicat în proiectarea arhitecturală de tip folding (partea I)
FORMA DE REALIZARE: Prelegere, studiu individual, proiectare pe grupe de lucru
FORMA DE ORGANIZARE: individuală și pe grupe
TIPUL ȘI VARIANTA DE LECȚIE: lecție mixtă (comunicare/însușire de cunoștințe și formare de abilități/deprinderi)
LOCUL DESFĂȘURĂRII: laboratorul de biologie
DURATA DE DESFĂȘURARE: 50 minute
SCOPUL: elevii să înțeleagă și să cunoască relația funcțională dintre suprafață și volum la nivel biologic și să realizeze transferul acesteia în proiectare unor structuri arhitecturale cu diferite aplicații
OBIECTIVE OPERAȚIONALE:
O1: demonstrarea raportului suprafață/volum la nivel celular pe baza explicațiilor profesorului și a modelării didactice având ca performanță minimă demonstrarea relației matematice.
O2: aplicarea relației matematice pe baza calculului, observației independente și a conversației de tip euristic având ca performanță minimă completarea tabelului cu date din fișa de lucru.
O3: formularea unor concluzii legate de variația raportului suprafață-volum pe baza datelor obținute având ca performanță minimă realizarea unui grafic sumativ.
O4: transferul informațiilor dobândite pe baza calculului independent și a conversației de tip euristic având ca performanță minimă găsirea a 2 modalități de aplicare a acestei relație în proiectarea unei clădiri auto sustenabile.
RESURSE PROCEDURALE (METODE ȘI PROCEDEE):
Prelegerea, observația independentă, învățarea prin descoperire, explicația, conversația euristică și de fixare, brainstormingul, demonstrația, modelarea
RESURSE MATERIALE (MIJLOACE DE ÎNVĂȚĂMÂNT):
a) pentru activități individuale:
mapa lecției (planșe, desene, fotografii), fișa de lucru, instrumente de măsură (riglă, șubler), coli de scris, instrumente de scris
b). Pentru activități de grup:
material biologic natural (ovocite de pasăre), mulaje cu morfologii celulare diferite, suport imagistic (colaje, desene), coli de flip-chart, markere, tabletă
BIBLIOGRAFIE:
Anexe la proiectul de lectie:
Anexa 1
Fișa de lucru
Titlul lecției
Obiective:
1.
2.
3.
4.
Pe baza informațiilor prezentate și dezbătute, completați tabelul de mai jos și formulați concluzii personale cu privire la modul de aplicare a acestui principiu în arhitectură.
Tema pentru acasă:
Anexa 2 – Materiale ilustrative
Fig. I Ovocit de pasăre fără înveliș calcaros (sursa: https://reddit.com )
Fig. II Anatomia unui ou (sursa: https://lamirandaorte.wordpress.com )
Fig. III Morfologie celulară (sursa: https://www.storyboardthat.com )
Anexa 3 Tabel centralizator
Anexa 4 Grafice
Fig. IV. Grafic – variația raportului suprafață/volum
Anexa 5
Fig. V Niveluri de organizare la proteine (sursa: https://www.semanticscholar.org )
Fig. VI Structura interna a cloroplastului (sursa: http://www.xtec.cat )
Fig. VII Mitocondria (sursa: https://bio.libretexts.org )
PROIECT DE LECȚIE
NUME CADRU DIDACTIC: ENE MIRELA
COLEGIUL TEHNIC DE ARHITECTURĂ ȘI LUCRĂRI PUBLICE „I.N. SOCOLESCU”
CLASA :A XI-A B
FILIERA: Vocațională; PROFIL: Artistic; SPECIALIZAREA: Arhitectură
DATA: 27 mai 2016
OBIECTUL/DISIPLINA: CDȘ – Elemente de arhitectură și design în lumea vie (I)
SUBIECTUL: Raportul suprafață/volum aplicat în proiectarea arhitecturală de tip folding (partea a II-a)
FORMA DE REALIZARE: Studiu individual, proiectare pe grupe de lucru, dezbatere
FORMA DE ORGANIZARE: pe grupe
TIPUL ȘI VARIANTA DE LECȚIE: lecție mixtă (consolidare de cunoștințe și formare de abilități/deprinderi)
LOCUL DESFĂȘURĂRII: laboratorul de biologie
DURATA DE DESFĂȘURARE: 50 minute
SCOPUL: elevii să își dezvolte gândirea de tip divergent, creativ prin transferul raportului suprafață/volum din biologie în proiectare unor structuri arhitecturale originale.
OBIECTIVE OPERAȚIONALE:
O1: identificarea avantajelor utilizării unor structuri de tip ”folding” în proiectare pe baza studiului la nivel de grup având ca performanță minimă enumerarea a minim trei avantaje.
O2: consolidarea cunoștințelor dobândite în lecția anterioară pe baza explicațiilor profesorului și a studiului pe echipe având ca performanță minimă prezentarea a două modalități teoretice de aplicare a acestei relație (suprafața/volum) în proiectarea unor elemente de fațadă pentru o clădire auto sustenabilă.
O3: modelarea fizică sau virtuală a proiectului pe echipe pe baza cunoștințelor dobândite anterior având ca performanță minimă prezentarea proiectului la nivel de grupă.
RESURSE PROCEDURALE (METODE ȘI PROCEDEE):
Prelegerea, observația independentă, învățarea prin descoperire, explicația, conversația euristică și de fixare, brainstormingul, demonstrația, modelarea
RESURSE MATERIALE (MIJLOACE DE ÎNVĂȚĂMÂNT):
tablă, calculator cu soft de proiectare (Autocad), videoproiector, imprimantă 3D, coli de hârtie, carton, diverse materiale de construcție, modele 3D – structuri biologice și arhitecturale
BIBLIOGRAFIE:
Anexe la proiectul de lectie:
Anexa 1
Materiale ilustrative
Fig. I Morfogeneză digitală – proiect (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. II Morfogeneză digitală – proiect (sursa: https://www.archdaily.com )
Fig. III Turnurile Al Bahr (Emiratele Arabe Unite) (sursa:https://www.glassonweb.com)
Fig. IV Turnurile Al Bahr (Emiratele Arabe Unite) (sursa:https://www.glassonweb.com)
Fig. V Echinoderm – sursă de inspirație (sursa: http://wikipedia.com )
Fig. VI World Trade Center Transportation Hub – New york arh. Antiago Calatrava (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. VII Casă cu performanță energetică ridicată – de tip nZEB (sursa: http://www.pinterest.com )
Fig. VIII Casă cu performanță energetică ridicată – de tip nZEB (sursa: http://www.pinterest.com )
Anexa 2
Proiecte prezentate de către elevi
Sistem de pliere a panourilor fotovoltaice amplasate pe o clădire (proiectare Autocad)
Fig. I Schiță -aspect general din timpul proiectării (original)
Fig. II Schiță – detaliu (în structură au fost inserate elemente hexagonale pentru fixarea celulelor fotovoltaice) (original)
Fig. III Aspecte din timpul imprimării 3D – s-a utilizat o imprimantă de tip Max Micron (orginal)
Fig. IV Aspecte din timpul imprimării 3D – s-a utilizat o imprimantă de tip Max Micron (orginal)
Fig. V Aspecte din timpul imprimării 3D – s-a utilizat o imprimantă de tip Max Micron (orginal)
Fig. VI Aspecte din timpul imprimării 3D – s-a utilizat o imprimantă de tip Max Micron (orginal)
Fig. VII Aspecte din timpul imprimării 3D – s-a utilizat o imprimantă de tip Max Micron (orginal)
PROIECT DE LECȚIE
NUME CADRU DIDACTIC: ENE MIRELA
COLEGIUL TEHNIC DE ARHITECTURĂ ȘI LUCRĂRI PUBLICE „I.N. SOCOLESCU”
CLASA :A XI-A A
FILIERA: Vocațională PROFIL: Artistic SPECIALIZAREA: Arhitectură
DATA: 24 noiembrie 2017
OBIECTUL/DISIPLINA: CDȘ – Elemente de arhitectură și design în lumea vie (I)
SUBIECTUL: Analogii între rapoarte de simetrie întâlnite la regnul Animalia și clădiri sau edificii FORMA DE REALIZARE: Studiu individual și dezbatere
FORMA DE ORGANIZARE: individual, frontal
TIPUL ȘI VARIANTA DE LECȚIE: lecție de sistematizare și consolidare a cunoștințelor
LOCUL DESFĂȘURĂRII: laboratorul de biologie
DURATA DE DESFĂȘURARE: 50 minute
SCOPUL: elevii să-și consolideze cunoștințele cu privire la axe și planuri de simetrie și modul în care acesta se integrează la nivel biologic și arhitectural.
OBIECTIVE OPERAȚIONALE
O1: reactualizarea cunoștințelor legate de simetrie și axonometrie pe baza informațiilor din anii anteriori de studiu având ca performanță minimă modelarea unei structuri în care să fie integrat un tip de simetrie.
O2: demonstrarea regulii de aur (numărul lui Fibonacci) pe baza materialelor prezentate de profesor și a observației independente având ca performanță minimă realizarea unei analogii între un organism animal și o structură arhitecturală în care se respectă această proporție.
O3: selectarea din literatura de specialitate a unui model arhitectural reprezentativ din punct de vedere al conceptului de simetrie pe baza studiului individual având ca performanță minimă prezentarea acelui edificiu/construcție printr-un eseu argumentativ.
RESURSE PROCEDURALE (METODE ȘI PROCEDEE):
Prelegerea, observația independentă, învățarea prin descoperire, explicația, conversația euristică și de fixare, brainstormingul, demonstrația, modelarea
RESURSE MATERIALE (MIJLOACE DE ÎNVĂȚĂMÂNT):
Pentru activitățile individuale:
Calculator/tabletă cu acces la internet; coli de scris, mapa lecției (cu diferite materiale ilustrative și informative), material pentru modelaj (plastilină, pastă modelatoare, nisip kinetic, alte tipuri de materiale), instrumente de lucru pentru modelaj, planșetă, bețe de bambus, instrumente de măsurat, mulaje cu structuri simetrice.
Pentru activitățile frontale:
Tablă, coli de flip-chart, videoproiector, ecran.
BIBLIOGRAFIE:
Anexe la proiectul de lectie:
Anexa 1
Materiale ilustrative
Fig. I Chicago Spire Tower (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. II Diamond Tower – Jeddah Emiratele Arabe Unite
Are 93 de etaje și 430 metri înălțime (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. III Clădirea Lotus – China – este un omagiu adus unei flori sacre în China, chiar și amplasarea ei pe apă este un semn de respect (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. IV Bibioteca publica Rapana – Varna, Bulgaria (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. V Bibioteca publica Rapana – Varna, Bulgaria (sursa: https://www.pinterest.com )
Fig. VI Turn de observatie_Danemarca (sursa: https://www.pinterest.com )
https://www.mdpi.com
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: IMPORTANȚA STUDIULUI ANALOGIEI BIOLOGICE [305952] (ID: 305952)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.