Oko na optice

Soupravy

• Sady, které obsahují materiály pro aktivity, najdete na: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Úvod

• Pracovní list pro studenta 1: Graf KWL – ULOŽTE pro opětovné použití v Aktivitě 5
• Normální, hypermetropické a krátkozraké oční diagramy/rozdání
• Pár brýlí

Aktivita 1

• Pracovní list pro studenty č. 2: Materiály a experimentální uspořádání
• Připravené želatinové plátky (viz recept níže)
• Sada Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) NEBO Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Sada kruhových vykrajovátek na cukroví
• Plastový nůž

Aktivita 2

• Pracovní list pro studenty č. 3: Ray Tracing
• Připravené tvary želatiny
  • Lisované konvexní čočky
  • Lisované konkávní čočky
  • Čtverec želatiny (~ 3” x 3”)
  • Kruh želatiny (průměr ~3”)
• Sada Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/) NEBO Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Aktivita 3

• 1 připravená želatinová deska na tým
• 1 sada kruhových vykrajovátek na cukroví na tým
• 1 plastový nůž na tým

Aktivita 4

• 1 připravená želatinová deska na tým
• 1 sada kruhových vykrajovátek na cukroví na tým
• 1 plastový nůž na tým

Aktivita 5

• Pracovní list pro studenty č. 1
• 1 připravená želatinová deska na tým
• 1 sada kruhových vykrajovátek na cukroví na tým
• 1 plastový nůž na tým

Aktivita 6

• 1 připravená želatinová deska na tým
• 1 sada kruhových vykrajovátek na cukroví na tým
• 1 plastový nůž na tým
• Šablona oka
• KWL graf pro referenci

Design Challenge

• Sada Light Blox
• Sada tvarovaných čoček – jedna konkávní a jedna konvexní
• Želatinová deska
• Plastový nůž
• Cookie Cutters
• Šablona oka
• Dokončený graf KWL z pracovního listu č. 1

Recept na želatinu:

• Následující recept vyrobí dostatek gelu pro asi šest velkých disků:
  • 4 šálky vody
  • 8 obálek Knox Original Gelatin
  • 1 kontejner o rozměrech 9” x 7” x 2”
  • Vařte vodu. Smíchejte 4 šálky vroucí vody do 8 obálek (nebo poměr vody a želatiny 1:2) Knox Original Gelatin.
• Pro aktivitu č. 2 nalijte směs do forem na čočky.
• Pro všechny ostatní činnosti nalijte směs do nádoby tak, aby hloubka kapaliny byla alespoň 0.75 palce. Želatinu dejte přes noc do lednice ztuhnout.

Materiály

• Různé čisté a suché recyklovatelné materiály (plasty, sklo, kovy/hliník a papír) ve velkém recyklačním koši
• Dlouhý stůl nebo několik krátkých stolů umístěných společně

Proces

Umístěte design na dlouhý stůl (nebo několik krátkých stolů umístěných společně), přidejte do návrhu recyklovatelné materiály a dokumentujte, jak dobře každý design třídí recyklovatelné materiály do samostatných přihrádek.

Design Challenge

Jste součástí týmu inženýrů, kteří dostali výzvu navrhnout systém čoček pro zlepšení zraku pacienta. Dokončíte 6 aktivit, abyste se dozvěděli o optice čoček a lidského oka.

Kritéria

• Navrhněte a načrtněte systém pro zlepšení zraku pacienta.

Omezení

• Používejte pouze dodané materiály.

Lekce vyžaduje šest 45–60 minutových lekcí

PŘEDSTAVUJEME VÝZVU

Shrnutí
Tato lekce končí designovou výzvou, projektem s otevřeným koncem, který povzbuzuje studenty, aby kladli otázky, přebírali iniciativu a kreativně mysleli. Výzvy v oblasti inženýrství a designu poskytují kontext a význam pro využití vědeckého procesu, rozvoj technických znalostí a dovedností a úspěch v moderní společnosti.

K představení této designérské výzvy je studentům předložen cíl navrhnout systém čoček pro zlepšení zraku pacienta, studenti identifikují, co vědí a potřebují o optice čoček a lidském oku, aby se s touto výzvou vyrovnali.

Základní dovednosti a znalosti

• Cesta světla od zdroje (nebo předmětu) k očím (Volitelná aktivita: Učebna jeskyně)
• Cesta světla do lidského oka: sítnice a ohnisko
• Volitelná aktivita – Experimentujte se svou vlastní vizí

Nastavit pro Aktivitu

Rozdělte studenty do týmů po 2 nebo 3. Připravte půdu pro brainstorming o struktuře a funkci čoček a lidského oka.

Zvedněte brýle.

Požádejte studenty, aby vysvětlili, jak brýle pomáhají zlepšit vidění. Nechte studenty načrtnout své návrhy, pokud jim to pomůže úplněji se vyjádřit.

Vysvětlete třídě, že tato lekce končí návrhovou výzvou. Vysvětlete, že týmy studentů navrhnou systém čoček pro zlepšení vidění pro pacienta. Vysvětlete, že dostanou model pacientova oka a budou mít za úkol navrhnout sadu čoček pro zlepšení zraku pacientů.

Vysvětlete, že týmy budou muset vysvětlit svá rozhodnutí o designu na základě dat, která shromáždí při navrhování a testování čoček.

Uspořádejte třídní diskusi – zeptejte se studentů:

• Jak brýle fungují?
• Jak se brýle kombinují s okem, aby se zlepšilo vidění?
• Jsou jejich různé typy brýlí? Pokud ano, jak se liší a proč?
• Jak podle vás lékaři přijdou na to, jaký typ čočky zlepší vidění?

Usnadnění lekce

Promítněte obrazy normálního oka, hypermetropického a krátkozrakého oka na obrazovku a/nebo rozdejte týmům leták s těmito snímky.

Jako třída prozkoumejte rozdíly mezi obrázky a diskutujte o nich. Pomozte studentům pochopit a zapamatovat si následující:

• Identifikujte a porozumějte základním funkcím struktur oka znázorněných na obrázku
• Čočka oka je v celém rozsahu identická
• Vzdálenost od čočky k sítnici se u každého oka liší
• Sítnice se nachází pro všechny oči na stejném místě
• Tvar každého oka jako celku je jiný

Rozdejte studentům výzvu scénáře a studentský pracovní list č. 1, graf KWL. Jako třída si přečtěte a projděte scénář. Umožněte studentům dokončit KWL ve dvojicích.

Shrnutí a reflexe

Jako třída si projděte scénář a požádejte dobrovolníky, aby se podělili o své grafické organizátory KWL, a zhodnoťte, jak studenti pochopili Design Challenge.

Položte studentům otázky jako:

• Jak byste svými vlastními slovy popsal designovou výzvu, kterou jste dostali?
• Co si myslíte, že potřebujete vědět, abyste mohli navrhnout systém čoček pro zlepšení vidění?
• Čemu již rozumíte o lidském oku a zraku, které vám pomohou splnit tuto výzvu?
• Co již chápete o povaze čoček, které vám pomohou splnit tuto výzvu?
• Co si myslíte, že se musíte naučit, abyste zvládli návrhářskou výzvu?

AKTIVITA 1: PROZKOUMEJTE SE SVĚTLEM A ŽELATINOU (45–60 minut)

Shrnutí

Cílem této aktivity je, aby studenti našli a zdokumentovali nejúčinnější způsob, jak pozorovat a zaznamenávat dráhu světla, když opouští zdroj světla a prochází skrz a poté z želatiny.

Studenti budou mít neomezenou příležitost zkoumat materiály a pracovat s nimi, provádět a sdílet pozorování a budovat základní porozumění vztahu mezi tvary želatiny a světlem. Tento otevřený průzkum podporuje kreativitu a řešení problémů, které jsou užitečné pro splnění poslední výzvy, kterou je návrh systému čoček pro zlepšení vidění.

Výsledky učení

V důsledku této aktivity budou studenti schopni:

• Orientujte želatinu a světla tak, abyste pozorovali dráhu světla, jak prochází ze zdroje světla kouskem želatiny
• Popište a zdokumentujte cestu světla při průchodu želatinou

o S želatinou položenou na stole

o S želatinou NENÍ položenou rovně na stole

o 1 paprsek se světelným blokem umístěným na jeho širší straně

o 1 paprsek s Light Blox sedící na jeho užší straně

o 3 paprsky najednou

Předchozí znalosti a dovednosti

Před zahájením aktivity 1:

• Na konci této lekce by studenti měli porozumět výzvě designu. Viz část „Představení výzvy“ výše.
• Představte zastřešující cíl pro průzkumnou aktivitu: Najít a zdokumentovat nejúčinnější způsob, jak pozorovat a zaznamenávat cestu světla, když opouští zdroj světla a prochází skrz želatinu a poté z ní ven.

Předveďte/modelujte, jak měřit a zaznamenávat následující:

• Ukažte studentům sadu materiálů a předveďte, jak používat vykrajovátka na cukroví a plastový nůž k vytvoření různých tvarovaných kousků želatiny.
• Ukažte studentům, jak manipulovat s tvary tak, aby svítily světly skrz každý povrch.
• Ukažte studentům dva různé způsoby, jak orientovat světla procházející želatinou.

Usnadnění aktivity

Podporujte kreativitu, průzkum a dokumentaci

• Model zkoumání a experimentování s materiály
• Rozdejte studentovi pracovní list č. 2 a modelujte, jak zaznamenat pozorování
• Ukažte, jak dokumentovat:
  • Velikost a tvar jejich kousku želatiny
  • Orientace želatiny a světla
  • Celá dráha paprsku světla začíná, když opouští světelný blok, když prochází skrz a poté ven z želatiny
  • Vytvářejte týmy a rozdělujte zdroje. Ujistěte se, že každý tým má přístup k „želatinové desce“ na krájení, vykrajovátka na sušenky, plastový nůž, světelný blok (nebo jiný zdroj světla), list papíru a záznamové materiály.
• Pokud je to bezpečné a možné, ztlumte světla
• Pohybujte se po třídě a pozorujte týmy, jak studenti připravují a organizují své vybavení.
• Kolujte po místnosti a sledujte, jak studenti pracují. Při práci týmů sledujte jejich snahu prosvítit Light Blox želatinou, pomozte jednotlivcům nebo týmům, které se potýkají se správou a nastavením zařízení.
• Pokud je to vhodné, zapojte studenty do diskuse o jejich aktivitách. Pokládejte studentům otevřené otázky o jejich snaze uspořádat vybavení, vyřezat tvary, orientovat světla, zaznamenat, co pozorují, a jak dávají svým pozorováním smysl.
• Pokud je to vhodné, zastavte hodinu a sdílejte práci jednoho nebo více týmů s ostatními týmy. Použijte taková přerušení ke zdůraznění pozitivních příkladů průzkumu, včetně, ale nejen: kreativního designu, metod zarovnání světel, želatiny a obrazovky, vedení záznamů a týmové práce.

Po celou dobu připomínejte studentům, aby si vedli podrobné záznamy o své práci, na kterou se budou odkazovat v následné diskusi.

Shrnout a zamyslet se

Uzavřete aktivitu, povzbuďte týmy, aby sdílely svou práci, a vyvodte závěry o výsledcích.

• Ve třídě diskutujte o zjištěních studentů
  • Jak nejlépe orientovat želatinu a světla, abyste pozorovali dráhu světla při průchodu želatinou
  • Jak tvar želatiny ovlivňuje dráhu světla, když prochází želatinou
  • Připomeňme, že v budoucnu navrhnete systém čoček pro zlepšení lidského vidění. Co jste dnes dělali a naučili, co se týká této výzvy?
  • Jako třída se dohodněte na postupu sledování dráhy světla, když opouští světelný zdroj, prochází želatinou a pak ven z želatiny.

Co se děje? Definice lomu a odkaz na další informace. Volitelné: Kinestetická refrakční aktivita http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

AKTIVITA 2: EXPERIMENT S TVAREM ČOČKY (45–60 minut)

Shrnutí

Studenti využívají vědecký proces k odhalení kvalitativní vztah mezi světlem a tvarem (konkávní, konvexní, čtvercový, kruhový) čočky.

Výsledky učení

V důsledku této aktivity budou studenti schopni zaznamenat cestu jediného paprsku světla, který prochází od zdroje světla přes jednu stranu čočky na druhou stranu kousku želatiny; a vyvodit závěry o tom, jak světlo prochází kouskem želatiny s a

• Plochý/rovný povrch
• Zakřivený povrch
• Popište, předveďte a zaznamenejte dráhu světla při průchodu konvexní i konkávní čočkou (pomocí 3 světel)
• Identifikujte a definujte: konkávní čočku, dopadající paprsek konvexní čočky, lomený paprsek

Předchozí znalosti a dovednosti

Recenze na začátku aktivity:

• Jak orientovat želatinu a světla (z předchozí aktivity)
• Jak zaznamenat cestu světla při průchodu želatinou (z předchozí aktivity)

Nastavit pro aktivitu

Nastavte 4 stanice

• 3 Light Blox a kruh želatiny
• 3 Light Blox a čtverec želatiny
• 3 světla a tvarovaná konvexní čočka
• 3 světla a tvarovaná konkávní čočka

Před zahájením experimentu: Vysvětlete vědecký proces

• Podporujte systematické studium světla a čoček. Na každém stanovišti nechají studenti svá pozorování zdokumentovat nákresem včetně příslušných popisků (dopadající a lomené paprsky, konkávní nebo konvexní čočka)
• Rozdíl mezi nezávislými a závislými proměnnými
• Které proměnné jsou nezávislé a závislé proměnné na každé stanici
• Závisle proměnnou je tvar čočky – konkávní nebo konvexní
• Další kroky ve vědeckém procesu, které očekáváte od studentů, od vyslovení hypotézy po vyvození závěrů.
• VĚDECKÝ PROCES: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Předveďte/modelujte, jak měřit a zaznamenávat následující:

• Poloha a vzdálenost od světelných zdrojů k čočce
• Co se děje s dráhou světla jako závisle proměnnou (tvar čočky), se mění.
• Chování světla při průchodu čočkou
• Při předvádění si projděte slovní zásobu
  • Dopadající paprsek
  • Zlomený paprsek
  • Konkávní čočka
  • Konvexní čočka
  • Ohnisko

Usnadněte činnost

• Rozdejte studentovi pracovní list č. 3
• Vysvětlete, že v této aktivitě studenti využijí vědeckého procesu k uspořádanější a konkrétnější analýze vlivu různých typů čoček na chování světla. Vysvětlete studentům, že budou střídat čtyři stanoviště.
• Vysvětlete, že na každé stanici budou propouštět světlo přes jeden typ čočky a zaznamenávat chování paprsků světla při průchodu čočkami.
• Vyzvěte studenty, aby pozorovali a zaznamenávali pomocí nákresů a štítků svá pozorování na každém stanovišti:
  • Zdroj světla
  • Incident Ray
  • Zlomený paprsek
  • Konkávní čočka
  • Konvexní čočka
  • Ohniskový bod (v tomto bodě není třeba uvádět ohniskovou vzdálenost nebo diskutovat o vztahu mezi ohniskem a vizí, pokud se neobjeví)
  • Poznámky, závěry, další postřehy
• Rozdělte žáky do dvojic. Přiřaďte páry stanicím.
• Nastavte očekávání týkající se času stráveného na každé stanici a počtu uspořádání světel a čoček, které studenti na každé stanici budou měřit a zaznamenávat.
• Kolujte po místnosti, zatímco týmy pracují a sledují jejich úsilí. Pomozte týmům nastavit jejich vybavení, identifikovat závislé a nezávislé proměnné a měřit, zaznamenávat a kreslit jejich výsledky.
• Pokud je to vhodné, prodiskutujte se studenty jejich experimentální uspořádání, jejich metody měření polohy světla, úhel paprsku světla vstupujícího a procházejícího čočkou a které proměnné budou udržovat konstantní, když se přesunou na další stanoviště. a další čočka.
• Pokud se naskytne příležitost zdůraznit úsilí studentů, uspořádejte ve třídě diskusi o některých postřezích, které jste učinili. Nechte studenty, aby svým kolegům vysvětlili své experimentální nastavení, metody měření a zaznamenávání výsledků a plány, jak udržet jejich práci konzistentní od stanice ke stanici.
• Sledujte čas. Dejte studentům dostatek času na to, aby alespoň dvakrát nebo třikrát přerovnali a změřili svá světla, než se přesunou na jinou stanici.
• Dejte „předběžné varování“ asi 5 minut předtím, než by se studenti měli otočit na další stanoviště. Řekněte jim, aby dokončili svou práci na aktuální stanici.
• Zbývající 1–2 minuty nechte studenty uklidit a uvést stanici do stavu, v jakém byla, když ji našli (nebo lépe). Pokud to čas dovolí, otočte se na jinou stanici. Pokud ne, vysvětlete, že studenti budou pokračovat tam, kde skončili, v dalším období.

Shrnout a zamyslet se

Uzavřete aktivitu, povzbuďte týmy, aby sdílely svou práci, a vyvodte závěry o výsledcích.

• Diskutujte a sdílejte výsledky a závěry jako třída
  • Čtverec vs. kruh
  • Konkávní čočky vytvářejí ohnisko před čočkou
  • Konvexní čočky vytvářejí ohnisko v zadní části čočky
  • Vzdálenost od středu čočky k ohnisku se nazývá ohnisko
  • délka
  • Slovní zásoba adres

AKTIVITA 3: VYTVOŘTE SI VLASTNÍ OBJEKTIVY – NÁVRH A DOKUMENT (45–60 minut)

Shrnutí

Studenti se zapojují do řízeného zkoumání a využívají to, co se dosud naučili, k dokumentaci procesu, jak spolehlivě vytvořit/navrhnout konkávní a konvexní čočky různých velikostí (šířky).

Výsledky učení

V důsledku této aktivity budou studenti schopni:

• Popište, předveďte a zaznamenejte, jak vyříznout konkávní i konvexní čočku z želatiny pomocí kruhového vykrajovátka na cukroví.
• Vyvodit závěry z důkazů o tom, jak se chová dráha světla, když se mění závislá proměnná (tvar čočky, velikost, vzdálenost od zdroje světla).

Před aktivitou představte, diskutujte nebo zopakujte

• Konkávní a konvexní čočky
• Jak dokumentovat opakovatelný proces http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Usnadněte činnost

Důrazně doporučujeme, abyste si tuto hodinu vyhradili tak, abyste studentům umožnili určitý čas (15–20 minut) na boj poté, co jim ukážete tvary, které mají vytvořit, a předáte jim materiály, než abyste studentům výslovně ukázali, jak mají vytvářet tvary. Jakmile přijdou na to, jak vytvořit konkávní i konvexní čočku, zdokumentují postup, který použili.

Tato výzva pokládá základ pro pochopení něčeho základního, ale ne intuitivního o těchto typech čoček – že jsou odvozeny z kruhů; a pokročilejší porozumění matematice, která popisuje vlastnosti čoček, se opírá o toto porozumění. Tato jednoduchá praktická aktivita dává studentům zkušenostní, intuitivní zkušenost se vztahem mezi konkávními/konvexními čočkami a kruhy.

• Představte dnešní výzvu: Zdokumentujte postup, jak řezat konvexní a konkávní čočky
  • Konkávní: 2-3 různé velikosti
  • Konvexní: 2-3 různé velikosti
• Dejte každé dvojici studentů sadu kulatých vykrajovátek na sušenky a plátek želatiny o rozměrech 9” x 7”.
• Nechte týmy studentů 15–20 minut experimentovat s vyřezáváním tvarů čoček a zaměřte se na zdokumentování opakovatelného a spolehlivého procesu používání kulatých vykrajovátek na sušenky k navrhování konkávních a konvexních čoček.
• Kolujte po místnosti, zatímco týmy pracují a sledují jejich úsilí. V případě potřeby pomozte týmům nastavit jejich vybavení.

Shrnout a zamyslet se

• Po 15–20 minutách zastavte studenty, abyste mohli ve třídě diskutovat o práci studentů. Nechte studenty, aby svým kolegům vysvětlili své experimentální nastavení a metody pro dokumentaci procesu.
• Jako třída sepište (zdokumentujte) proces na základě zjištění a vstupů studentů.

AKTIVITA 4: EXPERIMENT S VELIKOSTÍ OBJEKTIVU (ŠÍŘKA) (45–60 minut)

Shrnutí

Pomocí procesu zdokumentovaného v posledním vyučovacím období se studenti zapojí do vědeckého procesu shromažďování a záznamu dat a dosáhnou závěru o vlivu závislé proměnné (šířky čočky) na ohniskovou vzdálenost. To je kvalitativní. Ohnisková vzdálenost se například prodlužuje nebo zkracuje.

Pochopení toho, jak velikost (šířka) čočky a vzdálenost od zdroje světla k čočce ovlivňuje ohniskovou vzdálenost, pomůže studentům navrhnout systém čoček pro zlepšení vidění, když se pustí do poslední výzvy.

• Studenti:
  • Design:
    • Konkávní: 2-3 různé šířky
    • Konvexní: 2-3 různé šířky
  • Záznam: Dráha paprsku A přibližná ohnisková vzdálenost
    • Konkávní čočky: 2-3 různé šířky
    • Konvexní čočky: 2-3 různé šířky
  • Uzavřete kvalitativní vztah mezi šířkou čočky a ohniskovou vzdáleností
  • Terminologie a pojmy:
    • Zdroj světla
    • Ohnisková vzdálenost – jak změna šířky objektivu ovlivní ohniskovou vzdálenost?

Před aktivitou představte, diskutujte nebo zopakujte

• Rozdíl mezi nezávislými a závislými proměnnými
• Které proměnné jsou v dnešní činnosti nezávislé a závislé proměnné –
  • Šířka čočky A vzdálenost zdroje světla od čočky jsou závislé proměnné, které ovlivňují výsledek: ohnisková vzdálenost
• Definice ohnisková vzdálenost a krátce, jeho vztah k vizi.
  • Světelný zdroj = předmět (světlo odrážející se od předmětu do oka)
  • Světlo, které vstupuje do oka, se musí zaměřit přímo na sítnici, aby se vytvořil jasný obraz.
• Pokud dáváte přednost zavedení více matematiky nebo podrobnějšímu popisu ohniskové vzdálenosti, Khan Academy nabízí pro vaši referenci vynikající přehled:
  • Konvexní: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Konkávní: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Předveďte/modelujte, jak pozorovat, měřit a zaznamenávat

• Jak určit přibližnou ohniskovou vzdálenost konkávní i konvexní čočky
• Co se stane s chováním (cestou) světla jako závislé proměnné (šířka čočky), se změní.
• Při předvádění si prohlédněte nebo zaveďte slovní zásobu
  • Dopadající paprsek
  • Zlomený paprsek
  • Konkávní čočka
  • Konvexní čočka
  • Ohnisková vzdálenost

Usnadněte činnost:

Podporujte systematické experimentování se světlem a čočkami

• Představte dnešní cíl aktivity:
  • Sbírejte data a vyvozujte závěry o vlivu velikosti (šířky) čočky na ohniskovou vzdálenost
  • Sbírejte data a vyvozujte závěry o vlivu vzdálenosti od zdroje světla k objektivu na ohniskovou vzdálenost
• Dejte každé dvojici studentů sadu materiálů:
  • Sada kulatých vykrajovátek na cukroví
  • 9" X 13" deska želatiny
  • Sada tří Light Blox
• Dejte studentům pokyny
  • Navrhněte 3 konvexní čočky s různou šířkou
  • Změřte a zaznamenejte šířku každé čočky a její odpovídající ohniskovou vzdálenost
• Dejte studentům pokyny
  • Navrhněte 3 konkávní čočky s různou šířkou
  • Změřte a zaznamenejte šířku každé čočky a její odpovídající ohniskovou vzdálenost
• Dejte studentům pokyny
  • Změřte a zaznamenejte, jak se mění ohnisková vzdálenost se změnou vzdálenosti mezi světelným zdrojem a objektivem.
• Jakmile týmy zaznamenají svá měření a pozorování, aktivitu uzavřete.
• Dejte studentům čas zabalit svou práci a podle potřeby doplnit datové tabulky a výkresy.
• Vyhraďte si čas na úklid.

Shrnutí a reflexe

Požádejte týmy, aby se podělily o své výsledky. Uspořádejte třídní diskusi, ve které týmy/jednotlivci vysvětlí, co dělali, co pozorovali a jaký smysl mají výsledky. V závislosti na vašem přístupu můžete použít jednu z několika strategií aktivního učení nebo pozvat dobrovolníky, aby nakreslili nebo předvedli svou práci v přední části třídy.

• Pomocí výsledků studentů, včetně výkresů a datových tabulek, porovnejte rozdíl mezi průchodem světla jednotlivými typy čoček.
• Ve třídě diskutujte o otázkách jako:
  • Co se stane s ohniskovou vzdáleností, když se šířka čočky zvětšuje nebo zmenšuje?
  • Je to stejné pro konkávní jako pro konvexní?
  • Liší se výsledky se vzdáleností od světla k čočce?
  • Co jste se naučili o konvexních a konkávních čočkách, které vám pomohou s poslední výzvou?
• Jako třída diskutujte o výsledcích experimentu. Otázky, které je třeba řešit, zahrnují, ale nejsou omezeny na:
  • Jak se změní ohnisko, když se čočka zmenšuje/zvětšuje?
  • Jaké důkazy podporují tyto závěry?
  • Jak se liší výsledky mezi konkávními a konvexními čočkami?
  • Jak pomáhá pochopení vztahu mezi tvarem a velikostí čočky a ohniskem při konečné výzvě návrhu systému čoček pro zlepšení vidění?
  • Pokud studenti provedli předpověď ohledně ohniska a velikosti čočky, jak se jejich předpověď porovnala s výsledky? Byly nějaké výsledky překvapivé?
  • V závěrečné aktivitě budete vyzváni k vytvoření systému čoček určených ke zlepšení vidění. Co jste se naučili o čočkách a kontaktním místě, které vám pomohou splnit tuto výzvu?
  • Vybavte si obrazy oka (normálního, blízkého a dalekozrakého). Na kterou část diagramu chcete, aby se světlo zaměřilo?

AKTIVITA 5: EXPERIMENT SE 2 SYSTÉMY ČOČEK (45–60 minut)

Shrnutí

Jako poslední aktivitu v rámci přípravy na Design Challenge studenti zkoumají chování světla, když prochází různými kombinacemi párů čoček. V závěrečné výzvě studenti obdrží schéma oka pacienta. Jedna čočka v systému bude představovat čočku nacházející se v oku. Studenti budou muset navrhnout jednu nebo více želatinových čoček pro korekci nebo zlepšení zraku jejich pacienta. Kombinace čoček a jejich zarovnání potřebuje zaměřit světlo na sítnici v diagramu pacientova oka.

NEJPRVE vyplňte poslední část tabulky KWL.

Výsledky učení

V důsledku této lekce budou studenti schopni:

• Popište, předveďte a zaznamenejte vliv soustavy dvou čoček na dráhu světla a ohniskovou vzdálenost
  • 2 konvexní čočky
  • 2 konkávní čočky
  • 1 konkávní a 1 konvexní čočka
• Popište roli čoček v různých nástrojích používaných ke zlepšení vidění nebo zaostření obrazu
  • Ložnice
  • Dalekohled
  • Mikroskop
  • Zvětšovací sklo
• Popište roli čoček v lidském vidění
  • Lidské oko obsahuje konvexní čočku
  • Jasné lidské vidění závisí na schopnosti zaměřit světlo specificky na sítnici
  • Krátkozrakost a dalekozrakost jako běžné problémy se zrakem
• Předpokládejte, jak mohou různé čočky zlepšit lidské vidění, když je přítomna krátkozrakost nebo dalekozrakost.

Volitelná matematika

https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems

Připravte půdu pro experimentování s více objektivy.

Jako třídu vytvořte seznam různých nástrojů, které používají dvě nebo více čoček. Pokud studenti navrhnou, že oko kombinované s brýlemi je čočkový systém, vysvětlete, že v závěrečné lekci se budou konkrétně věnovat této kombinaci. Prozatím se zaměřte na přístroje, jako jsou dalekohledy, mikroskopy a dalekohledy.

Požádejte studenty, aby vysvětlili, jak si myslí, že fungují různé nástroje a jaký je vztah mezi čočkami a čočkami a světlem.

Vysvětlete, že v této aktivitě budou studenti zkoumat kombinace čoček na chování světla. Vysvětlete, že projdou paprsek světla dvěma čočkami, aby mohli pozorovat a zaznamenávat výsledky.

Jako třída diskutujte o mnoha proměnných v experimentu, které je třeba změnit a které ponechat stejné. Některé proměnné, které by studenti měli rozpoznat, zahrnují:

• Vzdálenost mezi čočkami
• Kombinace typů čoček pro vytvoření párů čoček
• Poloha a vzdálenost světelného zdroje od čoček

Usnadněte činnost

Vysvětlete, že v této aktivitě musí studenti pečlivě zaznamenávat svou práci. V závislosti na čase, který je k dispozici, nechte všechny týmy pracovat se všemi kombinacemi čoček nebo rozdělte třídu do „expertních skupin“ a přidělte jim odpovědnost za podávání zpráv třídě o systému, který prozkoumali.

Týmy by měly experimentovat se všemi nebo některými z následujících kombinací objektivů:

• Konvexní + konvexní
• Konkávní + konkávní
• Konvexní + konkávní
• NEJPRVE vyplňte poslední část KWL grafu
• Požádejte studenty, aby naplánovali svůj experiment, nakreslili jeho nastavení a vytvořili datovou tabulku, do které zaznamenají výsledky. Případně nakreslete nastavení vybavení na tabuli a rozdejte každému týmu tabulku s údaji.
• Jakmile týmy předvedou vhodný plán pro své experimenty, poskytněte jim želatinu a nástroje.
• Ujistěte se, že studenti prozkoumají účinek kombinací čoček A účinek změny vzdálenosti mezi čočkami.
• Upozorněte na vliv různých kombinací čoček na chování světla.
• Upozorněte na účinky změny vzdálenosti mezi čočkami na chování světla.
• Kolujte po místnosti a pozorujte studenty. Podle potřeby zapojte týmy do diskuse o jejich experimentálních postupech, měřeních, pozorováních a výsledcích. Pomozte jim propojit jejich metody s jejich výsledky.
• (Volitelné) Požádejte studenty, aby vytvořili „paprskové diagramy“ pro čočky, jako je ten, který je zde zobrazen.

Shrnutí a reflexe

Uzavřete experimenty, které studenti provedli. Jako třída si prohlédněte chování světla při průchodu různými páry čoček a vliv změny vzdálenosti mezi páry čoček.

• V případě potřeby dejte studentům čas na zopakování a dokončení práce z předchozího kroku v lekci, než budou prezentovat.
• Nechte týmy sdílet své výsledky. Povzbuďte studenty, aby se odvolávali na nákresy a data, aby vysvětlili svá pozorování a závěry.
• Ve třídě diskutujte o otázkách jako:
  • Co se stane s ohniskem, když jednu čočku přiblížíte nebo oddálíte od druhé? Záleží na tom, jakou kombinaci čoček používáte?
  • Co se stane s ohniskem dvou konvexních čoček
  • Co se stane s ohniskem dvou konkávních čoček?
  • Co se stane s různými kombinacemi různých čoček?
  • Jak se práce se dvěma (nebo více) čočkami vztahuje ke konečné výzvě návrhu systému čoček ke zlepšení zraku pacienta?
  • Které kombinace čoček podle vás zlepší vidění krátkozrakého pacienta?
  • Která kombinace čoček podle vás zlepší vidění pro dalekozrakého pacienta?

VOLITELNÉ

• Experimentujte s dalšími kombinacemi čoček.
• Prozkoumejte návrhy různých nástrojů, které používají čočky, jako jsou dalekohledy, lasery, mikroskopy a dalekohledy.

Výzva: Navrhněte systém se 2 čočkami k nápravě problému se zrakem (45–60 minut)

Shrnutí

Tato aktivita je zaměřena na to, aby studenti provedli proces vytvoření čočkového systému, který koriguje problém se zrakem. Cílem lekce aktivity není navrhnout perfektní čočku, ale pochopit, co znamená řešení problému s inženýrským procesem. Nechte si dostatek času a nějaké strukturované hranice, abyste umožnili objevování motivovat k průzkumu!

Předchozí znalosti a dovednosti

• Světlo se šíří po přímce, dokud nenarazí na předmět nebo necestuje z jednoho média do druhého
• Vše, co vidíme, je výsledkem světla vstupujícího do našich očí; většina tohoto světla se odráží
• Když světlo prochází z jednoho média do druhého (tj.: přes čočku), světlo se ohýbá nebo láme
• Tvar a materiál čočky ovlivňuje, jak se světlo ohýbá
• Oko obsahuje čočku, která zaostřuje světlo na sítnici. Jasné vidění závisí na schopnosti oční čočky ohýbat světlo, které vstupuje do oka, takže se obraz vytváří specificky na sítnici

Usnadněte činnost:

• Prohlédněte si tabulku KWL studentů a podívejte se na ni
• Každé skupině 3 studentů rozdejte jednu sadu Light Blox se zapnutými štěrbinami a dvě lisované želatinové čočky (jedna konvexní a jedna konkávní).
• Ukažte studentům, jak zapnout světla, a dejte jim 3–5 minut, aby prozkoumali, jak se světlo pohybuje čočkami.
• Rozdejte šablonu oka s „normálním“ viděním. Nechte studenty umístit tvarovanou konvexní čočku „do“ oka, aby viděli, že světlo přichází do ohniska na sítnici. Vidění jasně závisí na přistání ohniska na konkrétním místě v oku, které se nazývá sítnice.
• Dále nechte studenty umístit tvarovanou konvexní čočku na šablonu hypermetropického oka, které potřebuje korekci zraku, protože světlo dopadne na špatné místo. Všimněte si, kde je ústřední bod. To nevytváří dobrou vizi!
• Požádejte je, aby definovali problém a spekulovali o řešení... Co by mohlo „posunout“ ohnisko na jiné místo. V tomto okamžiku dejte studentům nějaký čas s konkávními i konvexními čočkami pohromadě, aby mohli zjistit, že konkávní čočka posouvá ohnisko.
• Dále dejte každé skupině čtverec (~ 4” X 8”) připravené hladké želatiny dvojité síly a 3 kulaté vykrajovátka na cukroví různých průměrů.
• Vysvětlete, že s touto želatinou vytvoří DRUHOU čočku, která opraví problém se zrakem. Materiály a nástroje, které mají k dispozici, jsou želatina, nůž a vykrajovátka na sušenky!
• Požádejte studenty, aby si nejprve procvičili vytváření konkávních a konvexních čoček pomocí vykrajovátek na sušenky a želatiny.
• Dále požádejte studenty, aby vytvořili čočky pomocí vykrajovátek na sušenky, plastového nože a želatiny, které opraví problémy se zrakem uvedené na šablonách.
• Když studenti vytvářejí, testují a vylepšují svůj design čoček, zapojují se do základů konstrukčního procesu využívajícího čočky a světlo.

Cílem je umožnit studentům pochopit, že se světlem lze manipulovat pomocí čoček – a že tím mohou řešit problémy. Bude náročné najít ten správný objektiv. Pro pokročilejší studenty můžete zavést ohniskovou vzdálenost, poloměr zakřivení a index lomu jako matematické metody vytváření řešení spíše než přístup „pokus-omyl“, který používají.

Lekci lze u starších studentů absolvovat za pouhou 1 hodinu. Aby však studentům pomohl cítit spěch a zajistil studentský úspěch (zejména u mladších studentů), rozdělte lekci na dvě období a dejte studentům více času na brainstorming, testování nápadů a dokončení jejich designu. Proveďte testování a vysvětlení v příštím semestru.

Diagramy očí

Připojení k internetu

• https://www.bbc.co.uk

Psací činnost

Jaké další uplatnění mají čočky v našem světě?

Sladění s rámcovými osnovami

Poznámka: Všechny plány lekcí v této sérii jsou v souladu se standardy Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, americkými Common Core State Standards for Mathematics a případně také s National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics, Standardy pro technologickou gramotnost Mezinárodní asociace technologického vzdělávání a Národní standardy vědeckého vzdělávání USA, které vytvořila Národní rada pro výzkum.

Základní disciplinární myšlenky 

∙ PS4.B: Elektromagnetické záření

o Dráhu světla lze sledovat jako přímky, s výjimkou povrchů mezi různými průhlednými materiály (např. vzduch a voda, vzduch a sklo), kde se světelná dráha mezi médii ohýbá. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definování a vymezení technických problémů

o Čím přesněji lze definovat kritéria a omezení projektové úlohy, tím je pravděpodobnější, že navržené řešení bude úspěšné. Specifikace omezení zahrnuje zvážení vědeckých principů a dalších relevantních znalostí, které pravděpodobně omezí možná řešení (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Vývoj možných řešení

o Řešení je třeba otestovat a následně upravit na základě výsledků testů, aby bylo možné jej zlepšit. MS-ETS-4)

Věda a inženýrská praxe 

∙ Definujte problém návrhu, který lze vyřešit vývojem objektu, nástroje, procesu nebo systému, a zahrnuje více kritérií a omezení, včetně vědeckých poznatků, které mohou omezovat možná řešení. (MS-ETS1-1)

∙ Vyvinout a používat model k popisu jevů (MS-PS4-2)

∙ Analyzujte a interpretujte data, abyste určili podobnosti a rozdíly ve zjištěních. (MS ETS1-3)

Průřezové koncepty

∙ Struktura a funkce

o Struktury mohou být navrženy tak, aby sloužily konkrétním funkcím s přihlédnutím k vlastnostem různých materiálů a způsobu, jakým lze materiály tvarovat a používat (MS PSR-2)

o Struktury mohou být navrženy tak, aby sloužily konkrétním funkcím

Pracovní list #1:KWL graf

Jméno studenta Datum

Sestry, lékaři a inženýři spolupracují na návrhu a výrobě brýlí a dalších nástrojů, které zlepšují vidění. V této výzvě navrhnete systém čoček pro zlepšení zraku pacienta.

Co potřebujete vědět o lidském oku a čočkách, abyste pomohli zlepšit něčí vidění?

Pomocí níže uvedeného grafického organizátoru KWL uveďte, co víte, chcete vědět a co jste se naučili navrhovat brýle, abyste zlepšili něčí zrak

Pracovní list 2: Materiály a experimentální uspořádání

Jméno studenta Datum

Chcete-li dokončit návrhářskou výzvu na konci této jednotky, budete potřebovat vědět, jak orientovat želatinu a světla, abyste pozorovali dráhu světla, když prochází ze zdroje světla kouskem želatiny.

Pomocí slov a/nebo kreseb popište a zdokumentujte dráhu světla při průchodu želatinou: o S želatinou položenou naplocho na stole o S želatinou NENÍ položena rovně na stole

• 1 paprsek s Light Blox sedící na jeho širší straně
• 1 paprsek s Light Blox sedící na jeho užší straně
• 3 paprsky najednou

Pracovní list pro studenty 3: Ray Tracing

Pomocí slov a kreseb zaznamenejte cestu jediného paprsku světla, který prochází od zdroje světla přes jednu stranu čočky na druhou stranu kousku želatiny; a vyvodit závěry o tom, jak světlo prochází kouskem želatiny s a

• Plochý/rovný povrch
• Zakřivený povrch
• Popište, předveďte a zaznamenejte dráhu světla při průchodu konvexní i konkávní čočkou (pomocí 3 světel)
• Identifikujte a definujte: konkávní čočku, dopadající paprsek konvexní čočky, lomený paprsek

  Pracovní list pro studenta 4: Šablona oka