Газирано нано предизвикателство

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали

• Ясни чаши
• Антиацидни таблетки или таблетки с витамин С (всякакъв вид таблетки, които произвеждат газирани напитки)
• Вода
• Плик (за смачкване на таблетка)

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, изправени пред предизвикателството да проведат експеримент, използвайки цели и натрошени газирани таблетки, за да документират как се държат при въвеждане във вода.

Критерии

• Трябва да използвате „газирани“ таблетки.

Ограничения

• Използвайте само предоставените материали.

1. Разбийте класа на екипи от 3-4.
2. Раздайте работния лист Fizzy Nano.
3. Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. За да въведете урока, помислете дали да попитате учениците дали смятат, че размерът на материал, като активната съставка в слънцезащитния крем, влияе върху това как се представя.
4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
5. Инструктирайте учениците да обмислят предизвикателството си и като екип да решат какъв ефект ще има раздробяването на антиацидните таблетки върху поведението им във вода. Те трябва да документират хипотези за това, което смятат, че може да се случи по различен начин, когато към цяла таблетка се добави вода спрямо смачкана таблетка.
6. Обявете времето, което им трябва, за да завършат предизвикателството (препоръчително е 1 час).
7. 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.
8. Предоставете на всеки екип своите материали.
9. Инструктирайте екипите да смачкат една таблетка, да я поставят в чашата и да добавят 5 унции/150 мл вода. Учениците трябва да наблюдават какво се случва и да сравнят своите хипотези с действителните резултати.
10. След това инструктирайте екипите да поставят една цяла таблетка в чашата и да добавят 5 унции/150 мл вода. Учениците трябва да наблюдават какво се случва и да сравнят своите хипотези с действителните резултати.
11. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
12. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

1. Колко точна беше вашата хипотеза в сравнение със случилото се?
2. Какво ви изненада във видяното?
3. Какви други хипотези са разработени от други ученически екипи?
4. Какво мислите, че би могло да се случи, ако вместо това сте използвали по -голям цял таблет? Ами ако успеете да смачкате таблетката на прах?
5. Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?
6. Дайте пример за това как повърхността засяга друг материал.

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 електроните и да образуват солен кристал или да наблюдават вибрациите на молекулите при покачване на температурата 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 преди 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 вид електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерна схема на сканиране. При сканиране на растер, 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, могат да бъдат разгледани на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery

• Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
• Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
• Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (виж инфографиката).
• Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми. 
• Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
• Хипотеза: Прогноза или обучено предположение, което може да бъде проверено и може да се използва за насочване на по-нататъшно проучване.
• Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
• Свойства на наномащаб: Различни в много случаи от свойствата на материалите, наблюдавани в други мащаби. Помислете например за точката на топене на металите. Наночастиците често показват по-ниска точка на топене от съответните метали в насипно състояние и тези точки на топене зависят от размера.
• Нанотехнология: Възможност за наблюдение, измерване и дори манипулиране на материали в молекулярна или атомна скала.
• Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
• Сканиращ електронен микроскоп: Специален тип електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерно сканиране.
• Площ на повърхността: Мярката за това колко открита площ има даден обект. Изразява се в квадратни единици

Интернет връзки

• Национална инициатива по нанотехнологии

Препоръчителна четене

• Нанотехнологии за манекени (ISBN: 978-0470891919)
• Наука в наноразмер: Уводен учебник (ISBN: 978-9814241038)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за това как напредъкът в нанотехнологиите е променил начина, по който материалите са хидроизолирани.

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 
• Разбиране за научните 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

• 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

• 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

• 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

• Лично здраве 
• Рискове и ползи 
• Наука и технологии в обществото 

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Науката като човешко начинание 
• Същност на науката 
• История на науката 

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

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

• Структура и свойства на материята 
• Химична реакция 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• 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

• Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Науката като човешко начинание 
• Същност на научното познание 
• Исторически перспективи 

Научни стандарти от следващо поколение-2-5 клас (на възраст 7-11)

• 2-PS1-2. Анализирайте данните, получени при тестване на различни материали, за да определите кои материали имат свойствата, които са най -подходящи за определена цел.

Научни стандарти от следващо поколение-6-8 клас (на възраст 11-14)

Материята и нейните взаимодействия

• MS-PS1-2. Анализирайте и интерпретирайте данните за свойствата на веществата преди и след взаимодействието на веществата, за да определите дали е настъпила химическа реакция. 

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

• Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
• Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции 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 5: Учениците ще развият разбиране за въздействието на технологиите върху околната среда.
• Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.

Дизайн

• Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.

Способности за един технологичен свят

• Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Предизвикателство на повърхността

Фаза на изследване

Прочетете материалите, предоставени ви от вашия учител.

хипотеза

Като екип, решете какво, ако нещо, което мислите, може да се случи по различен начин, когато се добави вода към цяла таблетка с антикиселина или когато се добави вода към натрошена или натрошена антиацидна таблетка. В полето по -долу напишете изречение или две, описващи хипотезата на вашия екип.

тест

Сега проверете хипотезата си! Поставете една цяла таблетка в една от двете предоставени ви чаши и счупете друга таблетка в плик, за да удържате натрошените части. Можете също така просто да разбиете цялата таблетка на десет до петнадесет по -малки парчета, ако желаете. Пуснете натрошената таблетка във втората чаша. След това добавете около 5 унции. или 150 мл вода за всеки.

Наблюдение и резултати

Наблюдавайте и обсъждайте случилото се - ако има нещо - и сравнете резултатите с хипотезата на вашия екип.

Фаза на представяне и размисъл
Представете първоначалната си хипотеза и експериментални наблюдения на класа и слушайте презентациите на другите екипи. След това попълнете листа за отражение.

Размисъл

Попълнете въпросите за размисъл по -долу:

1. Колко точна беше вашата хипотеза в сравнение със случилото се?

2. Какво ви изненада във видяното?

3. Какви други хипотези са разработени от други ученически екипи?

4. Какво мислите, че би могло да се случи, ако вместо това сте използвали по -голям цял таблет? Ами ако успеете да смачкате таблетката на прах?

5. Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?

6. Дайте пример за това как повърхността засяга друг материал.