Проучване в наномащаба
Този урок изследва как нанотехнологиите са повлияли на света и как инженерите трябва да вземат предвид последиците от работата в много малък мащаб. Учениците работят в екипи и изследват увеличената площ, изложена, тъй като предметите стават все по -малки.
- Научете за нанотехнологиите
- Научете за мащаба
- Научете за площта
- Научете за инженерното проектиране
- Научете за работата в екип и работата в групи
Възрастови нива: 8-14
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали
- Блок допълнително твърдо тофу или желатин
- Режеща повърхност (пластмасова плоча или дъска за рязане)
- Тъп/пластмасов нож
Design Challenge
Вие сте част от екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да обсъдят идеи за това как нанотехнологиите могат да помогнат за подобряване на живота на земята или в космоса. Вашият екип трябва да подготви предложение до потенциална финансираща организация, за да поиска финансиране на научни изследвания. Ще трябва да обясните защо смятате, че новото ви приложение за нанотехнологии може да работи и как ще подобри продукт или процес. Това е официална презентация и може да пожелаете да подготвите диаграми или презентационни плакати - всичко, което може да впечатли потенциалните ви финансиращи.
За да стимулирате въображението си, вашият екип първо ще прочете съобщението за пресата в работния лист за учениците. Прессъобщението е за нови изследвания в прилагането на сребро с помощта на нанотехнологии за покриване на хирургично оборудване. Иновацията включва прилагане на повърхностно проектирани наноструктури от сребърен оксид върху повърхността на медицинските изделия. Установено е, че среброто е ефективно срещу широк кръг бактерии, а също и срещу мутиращи патогени. Той също така може ефективно да блокира гъбичките и дрождите, за които е известно, че причиняват болести. Той също така е безвреден за организма в своите бактериални ефективни нива. Нанотехнологиите максимизират антимикробната способност на среброто, тъй като общата площ на сребърния оксид се увеличава в наномащаба. Всяка малка частица в наноструктурата има своя собствена повърхност, така че по -голямата комбинирана повърхност означава, че повече сребро може да взаимодейства с телесните течности, за да срещне и инхибира микробите.
Критерии
- Прочетете съобщението за пресата.
- Подгответе предложение за искане на финансиране.
Ограничения
- Използвайте само предоставените материали.
- Разбийте класа на екипи от 2-3.
- Раздайте „Exploring“ на работния лист Nanoscale, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
- Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обяснете, че учениците трябва да определят площта на блок от тофу в различни точки (цели, нарязани наполовина, на четвъртинки и т.н.). Те първо ще измерват пълния блок и ще определят повърхността, след това ще разрежат блока наполовина и ще преструктурират повърхността, след това отново наполовина и т.н. - докато няма много блокове тофу с ширина около ½ инча.
След това учениците ще изследват размера на малките, като сравняват различни елементи, за да разберат колко голям е нано. Накрая те ще работят като екип, за да определят ново приложение на нанотехнологиите за продукт или процес по техен избор. Екипите представят концепции и предложения на група от потенциални финансиращи изследвания (останалата част от класа) и след това всеки гласува за предложението с най -голям потенциал. - Обявете времето, необходимо за завършване на урока (препоръчително 2 часа).
- Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
- Учениците се срещат и разработват план за определяне на повърхността и след това завършват урока.
- Учениците се срещат и сравняват различни елементи, за да разберат колко голям е нано. След това те работят по новото приложение и разработват презентация.
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.
Вариация
За по -малките ученици подправка или захарно покритие върху тофу или желатин може да помогне на учениците да си представят как се е увеличила площта. Използвайте малко количество захар или подправки, за да намажете голям блок от тофу и след това покажете на учениците колко повече захар или подправки са необходими за покриване на всички малки кубчета, изрязани от големия блок тофу.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- Какво приложение разработихте за нанотехнологии?
- Какво приложение на нанотехнологиите представи друг екип, който намери за най -интересен? Защо?
- Кой е най -интересният аспект от нанотехнологиите, който научихте по време на този урок?
Модификация на времето
Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.
Какво е нанотехнология?
Представете си, че можете да наблюдавате движението на червените кръвни клетки, докато се движи през вената ви. Какво би било да наблюдаваш натриевите и хлорните атоми, когато се приближат достатъчно, за да прехвърлят електрони и да образуват солен кристал или да наблюдават вибрациите на молекулите, когато температурата се покачва в тиган с вода? Поради инструментите или „обхвата“, които са разработени и подобрени през последните няколко десетилетия, можем да наблюдаваме ситуации като много от примерите в началото на този параграф. Тази способност за наблюдение, измерване и дори манипулиране на материали в молекулен или атомен мащаб се нарича нанотехнология или нанонаука. Ако имаме нано „нещо“, имаме една милиардна част от това нещо. Учените и инженерите прилагат нанопрефикса към много „неща“, включително, метри (дължина), секунди (време), литри (обем) и грамове (маса), за да представят разбираемо много малко количество. Най -често nano се прилага към скалата на дължината и ние измерваме и говорим за нанометри (nm). Отделните атоми са с диаметър по -малък от 1 nm, като отнема около 10 водородни атома подред, за да създаде линия с дължина 1 nm. Други атоми са по -големи от водорода, но все пак имат диаметри по -малки от нанометър. Типичният вирус е с диаметър около 100 nm, а бактерията е около 1000 nm от главата до опашката. Инструментите, които ни позволиха да наблюдаваме невидимия по -рано свят на наномащаба, са микроскопът с атомна сила и сканиращият електронен микроскоп.
Колко голям е малкият?
Може да бъде трудно да си представите колко малки са нещата на наноразмера. Следното упражнение може да ви помогне да си представите колко големи могат да бъдат малките! Помислете за топка за боулинг, топка за билярд, топка за тенис, топка за голф, мрамор и грах. Помислете за относителния размер на тези елементи.
Сканиращ електронен микроскоп
Сканиращият електронен микроскоп е специален тип електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерна схема на сканиране. При растерно сканиране изображението се нарязва на поредица от (обикновено хоризонтални) ленти, известни като „линии за сканиране“. Електроните взаимодействат с атомите, съставляващи пробата, и произвеждат сигнали, които предоставят данни за формата, състава на повърхността и дори дали тя може да провежда електричество. Много изображения, направени със сканиращи електронни микроскопи, може да се видят на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery
Какво е повърхностна площ?
Площта на повърхността е мярката за това колко открита площ има обект. Изразява се в квадратни единици. Ако обектът има плоски лица, повърхността му може да бъде изчислена чрез събиране на площите на неговите лица. Дори обекти с гладки повърхности, като сфери, имат площ.
Формула на квадратна повърхност
Повърхността на куба може да бъде изразена с формулата: x = 6 пъти Y по Y
Този чертеж показва куб, където Y е равен на дължината на всяка страна. Тъй като е квадрат, всички страни са равни по дължина. За да определите площта на куба, първо трябва да разберете площта на едната страна. Площта на едната страна е Y x Y или Y2. За да намерите повърхността на куба, трябва да умножите площта на едната страна с 6. Ако например дължината на Y е равна на 10 мм, тогава площта на едната страна ще бъде 100 квадратни мм, а площта на кубът би бил 600 квадратни мм.
Формула за правоъгълна повърхност
Повърхността на правоъгълник може да бъде изразена с формулата: x = 4AB + 2AC
При правоъгълник всички страни не са равни ... но има три различни дължини, които трябва да бъдат измерени. На чертежа те са представени с A, B и C. За да определим площта на предната част на правоъгълника, ще трябва да умножим A x B. Тъй като има четири повърхности на правоъгълника, които са равни по размер, имаме нужда от 4 x A x B като една част от нашата формула, за да определим площта на размерния правоъгълник. Ще трябва също да определим площта на двете по -малки повърхности. В този случай ще трябва да умножим A x C. И тъй като има две от тези „лица“ към правоъгълника, имаме нужда от 2 XAXC за формулата за пълна повърхност. Ако например дължината на А е равна на 10 мм, а В е равна на 30 мм, а С е равна на 15 мм, тогава:
- A по време B = 300 мм, така че 4AB = 1200 квадратни мм
- A по C = 150 mm, така че 2AC = 300 квадратни mm
- Така че повърхността на размерния правоъгълник е 1500 квадратни мм
Защо повърхността има значение
При наноразмер основните свойства на частиците могат да се различават значително от по -големите частици. Това може да включва механични свойства, дали частицата провежда електричество, как реагира на температурните промени и дори как протичат химични реакции. Повърхността е един от факторите, които се променят с по -малки частици. Тъй като химическите реакции обикновено протичат на повърхността на частица, ако има налична увеличена повърхност за реакциите, реакцията може да бъде много различна.
Интернет връзки
- Национална инициатива по нанотехнологии
- Изображения на съоръжението за електронен микроскоп в Дартмут
Препоръчителна четене
- Нанотехнологии за манекени (ISBN: 978-0470891919)
- Нанотехнологии: Разбиране на малки системи (ISBN: 978-1138072688)
Писателска дейност
Напишете есе или параграф за това как нанотехнологиите могат да повлияят на изследването на космоса.
Привеждане в съответствие с учебните програми
Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:
- Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
- Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
- Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Свойства на предмети и материали
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Видове ресурси
- Наука и технологии в местните предизвикателства
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Науката като човешко начинание
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научното изследване
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Свойства и промени на свойствата в материята
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14) (продължение)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Рискове и ползи
- Наука и технологии в обществото
Принципи и стандарти за училищна математика (на възраст 6 - 18)
Измерване
- разбират измеримите атрибути на обектите и мерните единици, системи и процеси.
- прилагат подходящи техники, инструменти и формули за определяне на измерванията.
Решаване на проблеми
- изграждане на нови математически знания чрез решаване на проблеми.
- решаване на проблеми, които възникват в математиката и в други контексти.
- прилагат и адаптират различни подходящи стратегии за решаване на проблеми.
- наблюдавайте и обмисляйте процеса на решаване на математически проблеми.
Връзки
- разпознават и прилагат математиката в контексти извън математиката.
Представителство
- създаване и използване на представи за организиране, записване и предаване на математически идеи.
- избирайте, прилагайте и превеждайте между математически представи за решаване на проблеми.
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти
Природата на технологиите
- Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
- Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.
Технология и общество
- Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
- Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
Дизайн
- Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти (продължение)
Способности за един технологичен свят
- Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.
Проектираният свят
- Стандарт 14: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват медицински технологии.
- Стандарт 19: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват производствени технологии.
Колко голям е малкият?
Може да бъде трудно да си представите колко малки са нещата на наноразмера. Следното упражнение може да ви помогне да си представите колко големи могат да бъдат малките!
По -долу са чертежи на елементи, които може да разпознаете ... топка за боулинг, билярдна топка, топка за тенис, топка за голф, мрамор и грах. Помислете за относителния размер на тези елементи.
ДОБАВЕТЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Сега погледнете диаграмата по -долу, разработена от Националния институт по рака (САЩ) и помислете колко по -малки са различните предмети ... движещи се надолу от познатата топка за тенис. „.“ на тази страница има 1,000,000 XNUMX XNUMX микрона - доста гигантски в сравнение с вирус или единична молекула вода (H20).
Дейност на повърхността
Вие сте част от екип от инженери, който е изправен пред предизвикателството да оцени как се променя повърхността, тъй като материалът става по -малък. Получени са ви няколко листа за четене, както и блок от тофу или желатин, повърхност за рязане, линийка и тъп нож.
Ще трябва да определите площта на целия блок и след това кумулативната повърхност на по -малките блокове, които създавате, като разрязвате оригиналния блок наполовина и на четвъртинки - до всички блокове, създадени с ширина около ½ инча.
Използвайте таблицата по -долу, за да посочите вашите констатации:
# Блокове | 1 Block | 2 Blocks | 4 Blocks | 8 Blocks | 16 Blocks | 32 Blocks | 64 Blocks |
Площ: |
Наноразмерни приложения
Вие сте част от екип от инженери, на които е дадено предизвикателството да обсъдят идеи за това как нанотехнологиите могат да помогнат за подобряване на живота на земята или в космоса. За да стимулирате въображението си, вашият екип първо ще прочете следното съобщение за пресата за нови изследвания в прилагането на сребро с помощта на нанотехнологии за покриване на хирургично оборудване. Иновацията включва прилагане на повърхностно проектирани наноструктури от сребърен оксид върху повърхността на медицинските изделия. Установено е, че среброто е ефективно срещу широк кръг бактерии, а също и срещу мутиращи патогени. Той също така може ефективно да блокира гъбичките и дрождите, за които е известно, че причиняват болести. Той също така е безвреден за организма в своите бактериални ефективни нива. Нанотехнологиите максимизират антимикробната способност на среброто, тъй като общата площ на сребърния оксид се увеличава в нано мащаба. Всяка малка частица в наноструктурата има своя собствена повърхност, така че по -голямата комбинирана повърхност означава, че повече сребро може да взаимодейства с телесните течности, за да срещне и инхибира микробите.
Пробивна антимикробна технология за медицински изделия Силният интерес на индустрията към SilvaGard, пробивна антимикробна нанотехнология, доведе до значителен ръст на AcryMed, компанията, която разработи и сега лицензира технологията. Изграден върху дългогодишни изследвания в разработването на антимикробни средства за лечение на рани от сребро, SilvaGard се справя с все още неизпълнена клинична необходимост, предотвратявайки разпространението на смъртоносни инфекции, свързани с медицински изделия. Използвайки предимствата на нанотехнологиите с широкоспектърната способност за борба с инфекциите на йонното сребро, SilvaGard осигурява безопасно и ефективно решение за превръщане на медицинските изделия в непроницаеми за инфекция, причиняваща биофилми. ”Разпространението на болнични инфекции е значителен проблем, който оказва ненужно влияние милиони американски пациенти всяка година и добавя повече от 28 милиарда долара към разходите за здравеопазване на нашата страна “, каза Джак МакМакен, президент на AcryMed. „Тъй като голяма част от вредните бактерии се отглеждат в медицински изделия като постоянни катетри и импланти, производителите са изключително заинтересовани да намерят начини да ограничат ролята на техните продукти в разпространението на инфекции. SilvaGard представлява първият значителен пробив в тази област от доста време насам. “SilvaGard предотвратява разпространението на инфекции, свързани с устройството, като отлага антимикробни сребърни наночастици върху повърхностите на медицинските изделия и по този начин осигурява защитна бариера. Проучванията показват, че SilvaGard е не само безопасен за употреба, но и високоефективен срещу широк спектър от бактерии, причиняващи инфекция, включително MRSA и други резистентни на антибиотици „свръхчовешки инфекции“. Антимикробният катетър ON-Q SilverSoaker на I-Flow демонстрира значително по-нисък риск от развитие на инфекция на хирургично място в текущо проспективно проучване на пациенти, подложени на колоректална операция. Предварителните резултати обхващат резултатите от 120 пациенти, рандомизирани или за лечение с непрекъсната локална анестезия, използвайки антимикробно третиран ON-Q катетър, или за контролно лечение, използващо традиционно облекчаване на болката. На 30-ия ден след операцията пациентите, лекувани с антимикробно ON-Q устройство, имат значително по-ниска честота на локални инфекции при 0%, в сравнение с контролната група при 22.9%. Източник: AcryMed, Орегон, САЩ (www. acrymed.com) |
Етап на мозъчна атака
Срещнете се като екип и обсъдете наученото за нанотехнологиите и повърхността. След това като група помислете за ново приложение и как мислите, че нанотехнологиите могат да бъдат продукт, процес или нещо по -добро. Можете да изберете индустрия като автомобилната или да помислите за продукт като плат за облекло.
Етап на представяне
Подгответе предложение до потенциална финансираща организация, от която ще поискате финансиране на научни изследвания. Ще трябва да обясните защо смятате, че новото ви приложение за нанотехнологии може да работи и как ще подобри продукт или процес. Това е официална презентация и може да пожелаете да подготвите диаграми или презентационни плакати - всичко, което може да впечатли потенциалните ви финансиращи. Бъдете готови да отговаряте на въпроси от вашата аудитория!
Финансиране
Всеки ученик в класа може да гласува за финансиране на едно предложение от всеки екип, различен от техния. Тези презентации с най -много гласове са на първо място!
Етап на оценка
Попълнете следните въпроси като група:
- Какво приложение разработихте за нанотехнологии?
- Какво приложение на нанотехнологиите представи друг екип, който намери за най -интересен? Защо?
- Кой е най -интересният аспект от нанотехнологиите, който научихте по време на този урок?