میکروسکوپ پروب اسکن باشید

ساخت مصالح (برای هر تیم)

مواد مورد نیاز کلاس درس

• جعبه با اقلام چسبانده شده به پایین (خط کش، لیوان کاغذی، آجر، تکه میوه)
• چشمان خود را ببندید یا سوراخی در جعبه ایجاد کنید تا دانش آموزان بتوانند دست و مداد خود را داخل جعبه قرار دهند، بدون اینکه ببینند چه چیزی در جعبه است. 

مواد مورد نیاز برای تیم ها

• مقاله
• قلم
• مداد
• دسترسی به اینترنت، اختیاری

چالش طراحی

شما تیمی از مهندسان هستید که با چالش استفاده از یک کاوشگر مداد برای "احساس" دو جسم مختلف در داخل یک جعبه (بدون دیدن اشیا) روبرو هستید. در مرحله بعد، آنچه را که «دیدید» ترسیم می کنید و به عنوان یک تیم در مورد اینکه شی موجود در جعبه ممکن است چه چیزی باشد، توافق می کنید. سپس، تیم‌ها یک نقاشی دقیق را ایجاد می‌کنند که شی مورد توافق شما را نشان می‌دهد.

ضوابط

• برای "احساس" اشیا باید از مداد استفاده کنید.
• نباید اشیاء را دید (اعم از چشم بند یا سوراخ بریده شده در جعبه برای جا دادن دست و مداد)

محدودیت ها

• فقط از مواد ارائه شده استفاده کنید.

زمان مورد نیاز: یک تا دو جلسه 45 دقیقه ای.

1. کلاس را به تیم های 2-4 نفره تقسیم کنید.
2. کاربرگ میکروسکوپ کاوشگر اسکن باش را به دست بدهید.
3. در مورد موضوعات در بخش مفاهیم پیش زمینه بحث کنید. از دانش‌آموزان بخواهید در نظر بگیرند که مهندسان چگونه سطح چیزهایی را که برای دیدن خیلی کوچک هستند اندازه‌گیری می‌کنند. اگر اینترنت در دسترس است، میکروسکوپ مجازی را به اشتراک بگذارید (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. فرایند طراحی مهندسی ، چالش طراحی ، معیارها ، محدودیت ها و مواد را مرور کنید.
5. مواد هر تیم را تهیه کنید.
6. توضیح دهید که دانش آموزان باید از یک مداد برای "احساس" دو شی مختلف در داخل جعبه (با چشم بند) استفاده کنند. در مرحله بعد، آن‌ها آنچه را که «دیدند» ترسیم می‌کنند و به عنوان یک تیم درباره اینکه شی موجود در جعبه ممکن است چه چیزی باشد، توافق می‌کنند. در نهایت، تیم‌ها یک نقاشی دقیق ایجاد می‌کنند که شی مورد توافق را نشان می‌دهد.
7. مدت زمانی که برای انجام فعالیت در اختیار دارند را اعلام کنید (1 ساعت توصیه می شود).
8. برای اطمینان از به موقع بودن خود از تایمر یا کرونومتر آنلاین (ویژگی شمارش معکوس) استفاده کنید. (www.online-stopwatch.com/ تمام صفحه-ساعت-توقف). به دانشجویان مرتباً «چک زمان» بدهید تا آنها در انجام وظایف خود باقی بمانند. اگر آنها در تلاش هستند ، سالاتی بپرسید که سریعتر آنها را به راه حلی برساند.
9. به دانش آموزان دستور دهید موارد زیر را انجام دهند:
   • هر دانش آموز در تیم به نوبت با استفاده از یک کاوشگر مداد شکل را برای شناسایی اشیاء در یک جعبه تعیین می کند. ممکن است یا چشم بند داشته باشید، یا سوراخی در جعبه برش دهید تا دست و مداد داخل جعبه باشد بدون اینکه ببینید چه چیزی در جعبه است.
   • فقط از نوک مداد برای بررسی محتویات یا سطح پایین جعبه استفاده کنید.
   • در ذهن خود، ارتفاع اشیایی را که حس می کنید، شکل و اندازه کلی آنها را پیگیری کنید.
   • در مرحله بعد، آنچه را که "دیدید" روی یک تکه کاغذ بکشید - ممکن است بخواهید یک نمای بالا و کناری را برای کمک به تعیین آنچه در جعبه است در نظر بگیرید.
   • هنگامی که هر دانش آموز تیم تحقیق را انجام داد، با هم کار کنید و نقشه ها و نظرات خود را در مورد آنچه در جعبه است به اشتراک بگذارید. به عنوان یک تیم به توافق برسیم و یک نقشه نهایی که شامل اندازه‌گیری‌های تخمینی شیء است، ایجاد کنید.
10. تیم ها ایده ها، نقاشی ها و اندازه گیری های شما را به کلاس ارائه می کنند و به ارائه های تیم های دیگر گوش می دهند. آنها باید مقایسه کنند که تیمشان چقدر در تعیین اندازه و شکل واقعی نزدیک بوده است.
11. به عنوان کلاس ، درباره س refالات انعکاس دانش آموز بحث کنید.
12. برای کسب مطالب بیشتر در مورد موضوع ، به بخش "حفاری عمیق تر" مراجعه کنید.

فعالیت برنامه افزودنی اختیاری

از دانش آموزان بخواهید با یک دست، با کشیدن همزمان روی کاغذ با دست دیگر، آنچه را که در جعبه احساس می کنند، منعکس کنند.

انعکاس دانشجویی (دفتر مهندسی)

1. تیم شما از نظر شکل چقدر در شناسایی شیء دقیق بود؟ چه چیزی در جعبه پیدا کردید؟
2. تیم شما در تعیین اندازه واقعی جسم در جعبه چقدر دقیق بود؟
3. تخمین اندازه شما تا چند درصد از اندازه واقعی جسم موجود در جعبه متفاوت بود؟
4. آیا فکر می‌کنید مدت زمانی که برای «دیدن» داخل جعبه با کاوشگر صرف کرده‌اید بر میزان دقیق بودن یافته‌های شما تأثیر گذاشته است؟
5. آیا فکر می کردید کار تیمی این پروژه را آسانتر یا سخت تر کرده است؟ چرا؟

این درس را می توان در کمتر از 1 دوره کلاس برای دانش آموزان مسن انجام داد. با این حال ، برای کمک به دانش آموزان از احساس عجله و تضمین موفقیت دانش آموزان (به ویژه برای دانش آموزان جوان) ، این درس را به دو دوره تقسیم کنید و به دانشجویان فرصت بیشتری برای طوفان فکری ، آزمایش ایده ها و نهایی کردن طرح آنها دهید. تست و تست را در دوره کلاس بعدی انجام دهید.

فناوری نانو چیست؟

تصور کنید بتوانید حرکت یک گلبول قرمز را در حین حرکت در رگ خود مشاهده کنید. مشاهده اتم های سدیم و کلر در حالی که به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک می شوند تا در واقع الکترون ها را منتقل کنند و یک کریستال نمک تشکیل دهند یا ارتعاش مولکول ها را در حین افزایش دما در یک تشت آب مشاهده کنیم، چگونه خواهد بود؟ به دلیل ابزارها یا «محدوده‌هایی» که در چند دهه اخیر توسعه یافته و بهبود یافته‌اند، می‌توانیم موقعیت‌هایی مانند بسیاری از نمونه‌های ابتدای این پاراگراف را مشاهده کنیم. این توانایی برای مشاهده، اندازه گیری و حتی دستکاری مواد در مقیاس مولکولی یا اتمی، نانوتکنولوژی یا علم نانو نامیده می شود. اگر یک «چیزی» نانو داشته باشیم، یک میلیاردم آن چیزی را داریم. دانشمندان و مهندسان پیشوند نانو را برای بسیاری از «چیزها» از جمله متر طول، ثانیه (زمان)، لیتر (حجم) و گرم (جرم) به کار می‌برند تا مقدار بسیار کمی را نشان دهند. اغلب نانو در مقیاس طول اعمال می شود و ما نانومترها (nm) را اندازه می گیریم و در مورد آن صحبت می کنیم. قطر اتم های منفرد کمتر از 1 نانومتر است و حدود 10 اتم هیدروژن در یک ردیف برای ایجاد خطی به طول 1 نانومتر نیاز دارد. اتم های دیگر بزرگتر از هیدروژن هستند اما هنوز قطرشان کمتر از یک نانومتر است. یک ویروس معمولی حدود 100 نانومتر قطر دارد و یک باکتری حدود 1000 نانومتر از سر تا دم دارد. ابزارهایی که به ما این امکان را می‌دهند که دنیای قبلاً نامرئی مقیاس نانو را مشاهده کنیم، میکروسکوپ نیروی اتمی و میکروسکوپ الکترونی روبشی هستند.

کوچک چقدر بزرگ است؟

تجسم میزان کوچک بودن چیزها در مقیاس نانو ممکن است دشوار باشد. تمرین زیر می تواند به شما کمک کند تا اندازه کوچک را بزرگ کنید! یک توپ بولینگ ، یک توپ بیلیارد ، یک توپ تنیس ، یک توپ گلف ، یک سنگ مرمر و یک نخود فرنگی را در نظر بگیرید. به اندازه نسبی این موارد فکر کنید.

میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ الکترونی روبشی نوع خاصی از میکروسکوپ الکترونی است که با اسکن سطح آن با پرتوی پرانرژی از الکترون در الگوی اسکن شطرنجی ، از یک سطح نمونه تصاویر ایجاد می کند. در یک اسکن شطرنجی ، یک تصویر به دنباله ای از نوارهای (معمولاً افقی) معروف به "خطوط اسکن" برش داده می شود. الکترون ها با اتم های تشکیل دهنده نمونه ارتباط برقرار می کنند و سیگنال هایی تولید می کنند که داده هایی در مورد شکل ، ترکیب سطح و حتی اینکه آیا می تواند الکتریسیته را هدایت کند ، فراهم می کند. بسیاری از تصاویر گرفته شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی را می توان در مشاهده کرد www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

میکروسکوپ های نیروی اتمی

تصویربرداری در مقیاس نانو

مهندسان برای اینکه ببینند سطح مواد در مقیاس نانو چگونه به نظر می‌رسد، طیف وسیعی از دستگاه‌ها و سیستم‌ها را برای بررسی نحوه رفتار سطح یک جسم توسعه داده‌اند. می توانید بسیاری از تصاویر را در مرکز میکروسکوپ الکترونی دارتموث در www.dartmouth.edu/~emlab/gallery مشاهده کنید.

میکروسکوپ های نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی نوع خاصی از میکروسکوپ کاوشگر روبشی (SPM) است که اطلاعات را با استفاده از یک کاوشگر برای لمس یا حرکت بر روی سطح یک سوژه جمع‌آوری می‌کند. وضوح بسیار بالا و در کسری از نانومتر است. AFM در سال 1982 در IBM اختراع شد و اولین میکروسکوپ نیروی اتمی تجاری موجود در سال 1989 معرفی شد. AFM یکی از مهمترین ابزارها برای اندازه گیری و تصویربرداری از هر چیزی در مقیاس نانو است. این می تواند با دقت کامل تصویر سه بعدی یا توپوگرافی یک نمونه را ایجاد کند و کاربردهای زیادی دارد. اگر می توانید تصور کنید که چشمان خود را ببندید و از نوک مداد برای فهمیدن اینکه چه جسمی در یک جعبه است استفاده می کنید، می توانید تصور کنید که این نوع میکروسکوپ چگونه کار می کند! یکی از مزیت های میکروسکوپ نیروی اتمی این است که به محیط اطراف خاصی نیاز ندارد و در یک محیط متوسط ​​یا حتی مایع به خوبی کار می کند. این امکان کاوش زیست شناسی در سطح درشت مولکول یا حتی بررسی موجودات زنده را فراهم می کند.

اتصال به اینترنت

• میکروسکوپ نیروی اتمی
• میکروسکوپ مجازی

خواندن توصیه می شود

• میکروسکوپ کاوشگر اسکن: آزمایشگاه روی یک نکته (متون پیشرفته در فیزیک) (ISBN: 978-3642077371)
• میکروسکوپ پروب اسکن (ISBN: 978-3662452394)

فعالیت نوشتن

یک مقاله یا یک پاراگراف در مورد اینکه چگونه پیشرفت از طریق فناوری نانو بر حوزه بهداشت و درمان و پزشکی تأثیر گذاشته است بنویسید.

تراز به چهارچوب برنامه درسی

توجه داشته باشید: برنامه های درسی در این مجموعه با یک یا چند مجموعه از استانداردهای زیر مطابقت دارد:

• S. استانداردهای آموزش علوم (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. استانداردهای علمی نسل بعدی (http://www.nextgenscience.org/)
• استانداردهای سواد فناوری انجمن بین المللی آموزش فناوری (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. اصول و معیارهای شورای ملی معلمان ریاضیات برای ریاضیات مدرسه (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. استانداردهای هسته هسته ای مشترک برای ریاضیات (http://www.corestandards.org/Math)
• استانداردهای علوم کامپیوتر K-12 انجمن معلمان علوم کامپیوتر (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

استانداردهای ملی آموزش علوم کلاس K-4 (سنین 4-9)

استاندارد استاندارد A: علم به عنوان تحقیق

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی های لازم برای انجام تحقیقات علمی
• درک در مورد تحقیق علمی

استاندارد B محتوا: علوم فیزیکی

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• خصوصیات اشیا and و مواد
• موقعیت و حرکت اشیا

استاندارد استاندارد E: علم و فناوری

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی طراحی فن آوری

استاندارد F محتوا: علم در دیدگاه های شخصی و اجتماعی

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم و فناوری در چالش های محلی

استاندارد G محتوا: تاریخ و ماهیت علم

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم به عنوان یک تلاش انسانی

استانداردهای ملی آموزش علوم پایه های 5-8 (سن 10-14)

استاندارد استاندارد A: علم به عنوان تحقیق

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی های لازم برای انجام تحقیقات علمی
• تفاهماتی در مورد تحقیق علمی

استاندارد B محتوا: علوم فیزیکی

در نتیجه فعالیتهایشان ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• خصوصیات و تغییر خصوصیات در ماده

استاندارد استاندارد E: علم و فناوری

در نتیجه فعالیت های کلاس 5-8 ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی طراحی فن آوری
• تفاهماتی در مورد علم و فناوری

استاندارد F محتوا: علم در دیدگاه های شخصی و اجتماعی

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم و فناوری در جامعه 

استانداردهای ملی آموزش علوم پایه های 5-8 (سن 10-14)

استاندارد G محتوا: تاریخ و ماهیت علم

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم به عنوان یک تلاش انسانی
• ماهیت علم

استانداردهای ملی آموزش علوم پایه های 9-12 (سن 14-18)

استاندارد استاندارد A: علم به عنوان تحقیق

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی های لازم برای انجام تحقیقات علمی
• تفاهماتی در مورد تحقیق علمی

استاندارد B محتوا: علوم فیزیکی

در نتیجه فعالیتهایشان ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• ساختار و خصوصیات ماده

استاندارد استاندارد E: علم و فناوری

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید رشد کنند

• توانایی طراحی فن آوری
• تفاهماتی در مورد علم و فناوری

استاندارد F محتوا: علم در دیدگاه های شخصی و اجتماعی

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم و فناوری در چالش های محلی ، ملی و جهانی

استاندارد G محتوا: تاریخ و ماهیت علم

در نتیجه فعالیت ها ، همه دانش آموزان باید درک درستی از آنها داشته باشند

• علم به عنوان یک تلاش انسانی
• ماهیت دانش علمی
• دیدگاه های تاریخی

 استانداردهای علوم نسل بعدی نمرات 2-5 (سنین 7-11)

دانش آموزانی که درک درستی از خود نشان می دهند می توانند:

ماده و فعل و انفعالات آن

• 5-PS1-1. مدلی بسازید که توضیح دهد ماده از ذرات بسیار کوچکی ساخته شده است که قابل دیدن نیست.
• 5-PS1-3. انجام مشاهدات و اندازه گیری ها برای شناسایی مواد بر اساس خواص آنها. 

استانداردهای سواد فناوری - همه اعصار 

ماهیت فناوری

• استاندارد 1: دانش آموزان درک درستی از ویژگی ها و دامنه فناوری پیدا می کنند.
• استاندارد 2: دانش آموزان درک درستی از مفاهیم اصلی فناوری پیدا می کنند.
• استاندارد 3: دانش آموزان درک درستی از روابط بین فن آوری ها و ارتباطات بین فناوری و سایر زمینه های تحصیل خواهند داشت. 

فناوری و جامعه

• استاندارد 4: دانش آموزان درک درستی از تأثیرات فرهنگی ، اجتماعی ، اقتصادی و سیاسی فناوری خواهند داشت.
• استاندارد 6: دانش آموزان درک درستی از نقش جامعه در توسعه و استفاده از فناوری خواهند داشت.
• استاندارد 7: دانش آموزان درک درستی از تأثیر فناوری بر تاریخ خواهند داشت.

توانایی هایی برای یک دنیای فناوری

استاندارد 13: دانش آموزان توانایی ارزیابی تأثیر محصولات و سیستم ها را پیدا می کنند.

سعی کنید یک میکروسکوپ کاوشگر اسکن کننده باشید!

مرحله تحقیق

مطالبی را که معلمتان در اختیار شما قرار داده است بخوانید. اگر به اینترنت دسترسی دارید، آموزش را در این وب سایت نیز مشاهده کنید: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. نحوه عملکرد میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی را نشان می‌دهد و به شما کمک می‌کند بفهمید که چگونه کار مشابهی را از طریق این فعالیت انجام خواهید داد.

آن را امتحان کنید!

هر دانش آموز در تیم شما به نوبت از یک کاوشگر مداد برای تعیین شکل یا شناسایی یک شی در یک جعبه استفاده می کند. ممکن است یا چشم بند داشته باشید، یا سوراخی در جعبه برش دهید تا دست و مداد داخل جعبه باشد بدون اینکه ببینید چه چیزی در جعبه است.

فقط از نوک مداد برای بررسی محتویات یا سطح پایین جعبه استفاده کنید. در ذهن خود، ارتفاع اشیایی را که حس می کنید، شکل و اندازه کلی آنها را پیگیری کنید.

در مرحله بعد، آنچه را که "دیدید" روی یک تکه کاغذ بکشید - ممکن است بخواهید یک نمای بالا و کناری را برای کمک به تعیین آنچه در جعبه است در نظر بگیرید.

هنگامی که هر دانش آموز تیم تحقیق را انجام داد، با هم کار کنید و نقشه ها و نظرات خود را در مورد آنچه در جعبه است به اشتراک بگذارید. به عنوان یک تیم به توافق برسیم و یک نقشه نهایی که شامل اندازه‌گیری‌های تخمینی شیء است، ایجاد کنید

مرحله ارائه و بازتاب

ایده ها، نقاشی ها و اندازه گیری های خود را به کلاس ارائه دهید و به ارائه های تیم های دیگر گوش دهید. ببینید تیم شما یا سایر تیم‌ها در تعیین اندازه و شکل واقعی چقدر نزدیک بودند. سپس برگه بازتاب را کامل کنید.

انعکاس

س questionsالات انعکاس زیر را تکمیل کنید:

1. تیم شما از نظر شکل چقدر در شناسایی شیء دقیق بود؟ چه چیزی در جعبه پیدا کردید؟

2. تیم شما در تعیین اندازه واقعی جسم در جعبه چقدر دقیق بود؟

3. تخمین اندازه شما تا چند درصد از اندازه واقعی جسم موجود در جعبه متفاوت بود؟

4. آیا فکر می‌کنید مدت زمانی که برای «دیدن» داخل جعبه با کاوشگر صرف کرده‌اید بر میزان دقیق بودن یافته‌های شما تأثیر گذاشته است؟

5. آیا فکر می کردید کار تیمی این پروژه را آسانتر یا سخت تر کرده است؟ چرا؟