Будзьце сканіравальным зондавым мікраскопам

Будаўнічыя матэрыялы (для кожнай каманды)

Неабходныя матэрыялы для класа

• Скрынка з прадметам, прымацаваным да дна (лінейка, папяровы шкляначку, цэгла, кавалак садавіны)
• Завяжыце вочы або прарэжце ў скрынцы адтуліну, каб вучні маглі змясціць унутры руку і аловак, не бачачы, што ў скрынцы. 

Неабходныя матэрыялы для каманд

• Папера
• Пен
• Аловак
• Доступ да Інтэрнэту, па жаданні

Design Challenge

Вы - каманда інжынераў, якая мае праблему з дапамогай алоўкавага зонда, каб "адчуць" два розныя аб'екты ўнутры скрынкі (не бачачы аб'ектаў). Далей вы намалюеце тое, што «бачылі», і як каманда дамовіцеся аб тым, якім можа быць аб'ект у скрынцы. Затым каманды распрацоўваюць падрабязны малюнак, на якім паказаны аб'ект, на які вы дамовіліся.

Крытэрыі

• Трэба выкарыстоўваць аловак, каб «адчуць» прадметы.
• Не павінна быць у стане бачыць аб'екты (альбо павязку на вачах, альбо адтуліну, прарэзаную ў скрынцы, каб змясціць руку і аловак)

Constraints

• Выкарыстоўвайце толькі прадстаўленыя матэрыялы.

Неабходны час: ад аднаго да двух заняткаў па 45 хвілін.

1. Разбіце клас на каманды па 2-4 чалавекі.
2. Раздайце лісток Be a Scanning Probe Microscope.
3. Абмяркуйце тэмы ў раздзеле фонавых паняццяў. Папрасіце студэнтаў паразважаць, як інжынеры вымяраюць паверхню рэчаў, якія занадта малыя, каб іх убачыць. Калі інтэрнэт даступны, падзяліцеся віртуальным мікраскопам (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Азнаёмцеся з працэсам інжынернага праектавання, праектаваннем, крытэрыямі, абмежаваннямі і матэрыяламі.
5. Перадайце кожнай камандзе свае матэрыялы.
6. Растлумачце, што вучні павінны выкарыстоўваць аловак, каб «адчуць» два розныя прадметы ўнутры скрынкі (з завязанымі вачыма). Далей яны намалююць тое, што «бачылі», і як каманда дамовяцца аб тым, якім можа быць аб'ект у скрынцы. Нарэшце, каманды распрацоўваюць дэталёвы малюнак, які паказвае аб'ект, на які яны дамовіліся.
7. Аб'явіце, колькі часу яны маюць на выкананне мерапрыемства (рэкамендуецца 1 гадзіна).
8. Выкарыстоўвайце таймер або он-лайн секундамер (функцыя зваротнага адліку), каб гарантаваць своечасовае выкананне. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Рэгулярна давайце студэнтам "праверкі часу", каб яны заставаліся на задачы. Калі ім цяжка, задавайце пытанні, якія прывядуць іх да рашэння хутчэй.
9. Даруйце студэнтам зрабіць наступнае:
   • Кожны вучань у камандзе па чарзе з дапамогай алоўкавага зонда вызначае форму для ідэнтыфікацыі прадметаў у скрынцы. Вам могуць або завязаць вочы, або зрабіць адтуліну ў скрынцы, каб ваша рука і аловак маглі апынуцца ўнутры, не бачыўшы, што ў скрынцы.
   • Выкарыстоўвайце толькі кончык алоўка, каб вывучыць змесціва або плошчу паверхні дна скрынкі.
   • У думках адсочвайце вышыню аб'ектаў, якія вы адчуваеце, іх форму і агульны памер.
   • Далей намалюйце тое, што вы «бачылі» на аркушы паперы - вы можаце разгледзець выгляд зверху і збоку, каб дапамагчы вызначыць, што ў скрынцы.
   • Калі кожны студэнт у камандзе правядзе расследаванне, папрацуйце разам і падзяліцеся сваімі малюнкамі і меркаваннямі аб тым, што ў скрынцы. Дайсці да кансенсусу ў камандзе і распрацаваць канчатковы чарцёж, які ўключае прыблізныя вымярэнні аб'екта.
10. Каманды прадстаўляюць свае ідэі, чарцяжы і вымярэнні класу, а таксама слухаюць прэзентацыі іншых каманд. Яны павінны параўнаць, наколькі блізкая іх каманда была ў вызначэнні сапраўднага памеру і формы.
11. У класе абмяркуйце пытанні разважанняў вучняў.
12. Для атрымання дадатковай інфармацыі па гэтай тэме глядзіце раздзел «Капаць глыбей».

Дадатковая дзейнасць па пашырэнні

Папрасіце вучняў адной рукой адлюстраваць тое, што яны «адчуваюць» у скрынцы, адначасова малюючы на ​​паперы другой рукой.

Студэнцкі роздум (інжынерны сшытак)

1. Наколькі дакладнай з пункту гледжання формы была ваша каманда ў ідэнтыфікацыі аб'екта? Што вы знайшлі ў скрынцы?
2. Наколькі дакладнай была ваша каманда ў вызначэнні сапраўднага памеру аб'екта ў скрынцы?
3. На колькі працэнтаў ваша ацэнка памеру адрознівалася ад рэальнага памеру аб'екта ў скрынцы?
4. Як вы думаеце, ці паўплывала на тое, наколькі дакладнымі былі вашыя высновы, колькасць часу, які вы затрачвалі, каб «убачыць» унутры скрынкі з зондам?
5. Ці думалі вы, што праца ў камандзе палягчае або абцяжарвае гэты праект? Чаму?

Урок можна прайсці ўсяго за 1 клас для старэйшых школьнікаў. Аднак, каб дапамагчы студэнтам не адчуваць прыспешлівасці і забяспечыць поспех студэнтаў (асабліва для малодшых школьнікаў), падзеліце ўрок на два перыяды, даючы студэнтам больш часу на мазгавы штурм, тэставанне ідэй і дапрацоўку іх дызайну. Правядзіце тэставанне і аналіз у наступны класны час.

Што такое нанатэхналогіі?

Уявіце, што вы можаце назіраць за рухам чырвоных крывяных цельцаў, калі яны рухаюцца па вашай вене. Як было б назіраць за атамамі натрыю і хлору, калі яны набліжаюцца досыць блізка, каб фактычна перанесці электроны і сфармаваць крышталь солі, або назіраць за вібрацыяй малекул пры павышэнні тэмпературы ў рондалі з вадой? З-за інструментаў або «сфер», якія былі распрацаваны і ўдасканалены за апошнія некалькі дзесяцігоддзяў, мы можам назіраць такія сітуацыі, як многія з прыкладаў у пачатку гэтага параграфа. Гэтая здольнасць назіраць, вымяраць і нават маніпуляваць матэрыяламі ў малекулярным або атамным маштабе называецца нанатэхналогіямі або нанавукай. Калі ў нас ёсць нана «нешта», у нас ёсць адна мільярдная частка гэтага нечага. Навукоўцы і інжынеры прымяняюць прэфікс нана да многіх «нечым», у тым ліку даўжыні ў метрах), секундах (час), літрах (аб'ём) і грамах (маса), каб прадставіць тое, што, зразумела, вельмі невялікая колькасць. Часцей за ўсё нана ўжываецца да шкале даўжыні, і мы вымяраем і гаворым пра нанаметры (нм). Асобныя атамы менш за 1 нм у дыяметры, і для стварэння лініі даўжынёй 10 нм патрабуецца каля 1 атамаў вадароду запар. Іншыя атамы больш, чым вадарод, але ўсё яшчэ маюць дыяметр менш за нанаметр. Тыповы вірус мае каля 100 нм у дыяметры, а бактэрыя - каля 1000 нм ад галавы да хваста. Інструментамі, якія дазволілі нам назіраць за нябачным раней светам нанаразмераў, з'яўляюцца атамна-сілавы мікраскоп і сканавальны электронны мікраскоп.

Наколькі вялікі маленькі?

Гэта можа быць цяжка ўявіць, як маленькія рэчы на ​​нанамаштабе. Наступнае практыкаванне можа дапамагчы вам уявіць, наколькі вялікі можа быць маленькі! Разгледзім мяч для боўлінга, більярд, тэнісны мяч, мяч для гольфа, мармур і гарошыну. Падумайце аб адносным памеры гэтых прадметаў.

Сканавальны электронны мікраскоп

Сканавальны электронны мікраскоп - гэта асаблівы тып электроннага мікраскопа, які стварае выявы паверхні ўзору шляхам сканавання яго з дапамогай высокаэнергетычнага пучка электронаў па растравым малюнку. У растравым сканаванні малюнак разразаецца на паслядоўнасць (звычайна гарызантальных) палос, вядомых як «лініі сканавання». Электроны ўзаемадзейнічаюць з атамамі, якія складаюць узор, і выпрацоўваюць сігналы, якія даюць дадзеныя аб форме, складзе паверхні і нават аб тым, ці можа яна праводзіць электрычнасць. Многія здымкі, зробленыя з дапамогай сканіруючых электронных мікраскопаў, можна паглядзець па адрасе www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Атамна-сілавыя мікраскопы

Візуалізацыя ў маштабе Nano

Для таго, каб «убачыць», як выглядае паверхня матэрыялаў у нана маштабе, інжынеры распрацавалі шэраг прылад і сістэм для вывучэння таго, як паводзіць сябе паверхня аб'екта. Вы можаце праглядзець мноства малюнкаў у Dartmouth Electron Microscope Facility на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Атамна-сілавыя мікраскопы

Атамна-сілавы мікраскоп - гэта асаблівы тып сканіруючага зондавага мікраскопа (SPM), які збірае інфармацыю з дапамогай зонда для дакранання або перамяшчэння па паверхні прадмета. Раздзяляльнасць вельмі высокая, на долі нанаметра. АСМ быў вынайдзены ў 1982 годзе ў IBM, а першы камерцыйна даступны атамна-сілавы мікраскоп быў прадстаўлены ў 1989 годзе. АСМ застаецца адным з найбольш важных інструментаў для вымярэння і адлюстравання чаго-небудзь у нанамаштабе. Ён можа даволі дакладна распрацаваць трохмерную карціну або тапаграфію ўзору і мае шмат ужыванняў. Калі вы можаце ўявіць, заплюшчваючы вочы і з дапамогай кончыка алоўка высветліць, які прадмет быў у скрынцы, вы можаце ўявіць, як працуе гэты тып мікраскопа! Адной з пераваг атамна-сілавога мікраскопа з'яўляецца тое, што ён не патрабуе спецыяльнага асяроддзя і добра працуе ў сярэднім асяроддзі ці нават у вадкасці. Гэта дазваляе даследаваць біялогію на ўзроўні макрамалекул або нават разгледзець жывыя арганізмы.

Падключэнне да Інтэрнэту

• Атамна-сілавая мікраскапія
• Віртуальны мікраскоп

Рэкамендуемы літаратура

• Сканіруючая зондавая мікраскапія: лабараторыя на падказцы (дадатковыя тэксты па фізіцы) (ISBN: 978-3642077371)
• Скануючая зондавая мікраскапія (ISBN: 978-3662452394)

Пісьменніцкая дзейнасць

Напішыце эсэ або параграф пра тое, як поспехі ў галіне нанатэхналогій паўплывалі на сферу аховы здароўя і медыцыны.

Прывядзенне ў адпаведнасць з рамкамі навучальных праграм

нататка: Планы ўрокаў гэтай серыі ўзгадняюцца з адным або некалькімі з наступных набораў стандартаў:

• С. Стандарты навуковай адукацыі (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Навуковыя стандарты наступнага пакалення (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарты Міжнароднай тэхналагічнай адукацыйнай асацыяцыі тэхналагічнай пісьменнасці (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• С. Нацыянальны савет настаўнікаў матэматыкі "Прынцыпы і стандарты школьнай матэматыкі" (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Агульныя асноўныя дзяржаўныя стандарты матэматыкі (http://www.corestandards.org/Math)
• Стандарты інфарматыкі K-12 Асацыяцыі настаўнікаў інфарматыкі (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі К-4 класы (ва ўзросце 4-9)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ А: Навука як запыт

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці, неабходныя для правядзення навуковых даследаванняў
• Разуменне навуковых пошукаў

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны сфарміраваць разуменне

• Уласцівасці прадметаў і матэрыялаў
• Размяшчэнне і рух аб'ектаў

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання

ЗМЕСТ СТАНДАРТ F: Навука ў асабістай і сацыяльнай перспектывах

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука і тэхніка ў мясцовых праблемах

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука як справа чалавека

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 5-8 класы (10-14 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ А: Навука як запыт

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці, неабходныя для правядзення навуковых даследаванняў
• Разуменне навуковых пошукаў

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку сваёй дзейнасці ва ўсіх вучняў павінна скласціся разуменне

• Уласцівасці і змены ўласцівасцей у рэчыве

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ў 5-8 класах усе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання
• Разуменне навукі і тэхнікі

ЗМЕСТ СТАНДАРТ F: Навука ў асабістай і сацыяльнай перспектывах

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука і тэхніка ў грамадстве 

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 5-8 класы (10-14 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука як справа чалавека
• Прырода навукі

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 9-12 класы (14-18 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ А: Навука як запыт

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці, неабходныя для правядзення навуковых даследаванняў
• Разуменне навуковых пошукаў

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку сваёй дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Будова і ўласцівасці рэчыва

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання
• Разуменне навукі і тэхнікі

ЗМЕСТ СТАНДАРТ F: Навука ў асабістай і сацыяльнай перспектывах

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука і тэхніка ў мясцовых, нацыянальных і глабальных праблемах

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука як справа чалавека
• Прырода навуковых ведаў
• Гістарычныя перспектывы

 Навуковыя стандарты наступнага пакалення 2-5 класы (узрост 7-11)

Студэнты, якія дэманструюць разуменне, могуць:

Матэрыя і яе ўзаемадзеянне

• 5-ПС1-1. Распрацуйце мадэль, каб апісаць, што матэрыя складаецца з занадта дробных часціц, каб іх можна было ўбачыць.
• 5-PS1-3. Зрабіце назіранні і вымярэнні, каб вызначыць матэрыялы на аснове іх уласцівасцяў. 

Стандарты тэхналагічнай пісьменнасці - усе стагоддзі 

Прырода тэхнікі

• Стандарт 1: Студэнты выпрацуюць разуменне характарыстык і сферы прымянення тэхналогіі.
• Стандарт 2: Студэнты будуць развіваць разуменне асноўных паняццяў тэхналогіі.
• Стандарт 3: Студэнты будуць развіваць разуменне адносін паміж тэхналогіямі і сувязяў паміж тэхналогіямі і іншымі галінамі даследавання. 

Тэхналогія і грамадства

• Стандарт 4: Студэнты будуць развіваць разуменне культурных, сацыяльных, эканамічных і палітычных эфектаў тэхналогій.
• Стандарт 6: Студэнты выпрацуюць разуменне ролі грамадства ў развіцці і выкарыстанні тэхналогій.
• Стандарт 7: Студэнты выпрацуюць разуменне ўплыву тэхналогій на гісторыю.

Здольнасці для тэхналагічнага свету

Стандарт 13: Студэнты будуць развіваць здольнасці ацэньваць уплыў прадуктаў і сістэм.

Паспрабуйце свае сілы ў якасці сканавальнага зондавага мікраскопа!

Фаза даследавання

Прачытайце матэрыялы, прадастаўленыя вам настаўнікам. Калі ў вас ёсць доступ да Інтэрнэту, таксама праглядзіце падручнік на гэтым сайце: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Ён праілюструе, як працуюць сканавальныя зондавыя мікраскопы, і дапаможа вам зразумець, як вы будзеце выконваць падобную задачу з дапамогай гэтага занятку.

Паспрабуйце!

Кожны вучань вашай каманды будзе па чарзе выкарыстоўваць аловак, каб вызначыць форму або ідэнтыфікацыю прадмета ў скрынцы. Вам могуць або завязаць вочы, або зрабіць адтуліну ў скрынцы, каб ваша рука і аловак маглі апынуцца ўнутры, не бачыўшы, што ў скрынцы.

Выкарыстоўвайце толькі кончык алоўка, каб вывучыць змесціва або плошчу паверхні дна скрынкі. У думках адсочвайце вышыню аб'ектаў, якія вы адчуваеце, іх форму і агульны памер.

Далей намалюйце тое, што вы «бачылі» на аркушы паперы - вы можаце разгледзець выгляд зверху і збоку, каб дапамагчы вызначыць, што ў скрынцы.

Калі кожны студэнт у камандзе правядзе расследаванне, папрацуйце разам і падзяліцеся сваімі малюнкамі і меркаваннямі аб тым, што ў скрынцы. Дайсці да кансенсусу ў камандзе і распрацаваць канчатковы чарцёж, які ўключае прыблізныя вымярэнні аб'екта

Фаза прэзентацыі і рэфлексіі

Прадстаўце свае ідэі, чарцяжы і вымярэнні класу і паслухайце прэзентацыі іншых каманд. Паглядзіце, наколькі ваша каманда ці іншыя каманды былі блізкія да вызначэння фактычнага памеру і формы. Затым запоўніце ліст для разважання.

Адлюстраванне

Запоўніце пытанні разважанняў ніжэй:

1. Наколькі дакладнай з пункту гледжання формы была ваша каманда ў ідэнтыфікацыі аб'екта? Што вы знайшлі ў скрынцы?

2. Наколькі дакладнай была ваша каманда ў вызначэнні сапраўднага памеру аб'екта ў скрынцы?

3. На колькі працэнтаў ваша ацэнка памеру адрознівалася ад рэальнага памеру аб'екта ў скрынцы?

4. Як вы думаеце, ці паўплывала на тое, наколькі дакладнымі былі вашыя высновы, колькасць часу, які вы затрачвалі, каб «убачыць» унутры скрынкі з зондам?

5. Ці думалі вы, што праца ў камандзе палягчае або абцяжарвае гэты праект? Чаму?