Ole skannaava anturimikroskooppi

Rakenna materiaaleja (jokaiselle joukkueelle)

Vaaditut materiaalit luokkahuoneeseen

• Laatikko, jonka pohjaan on kiinnitetty esine (viivain, paperimuki, tiili, hedelmäpala)
• Sido silmät tai leikkaa laatikkoon reikä, jotta opiskelijat voivat sovittaa kätensä ja kynän sisälle näkemättä mitä laatikossa on. 

Tarvittavat materiaalit joukkueille

• Paperi
• Kynä
• Lyijykynä
• Internet-yhteys, valinnainen

Design Challenge

Olet tiimi insinöörejä, joille on annettu haaste käyttää kynäanturia kahden eri kohteen "tuntemiseen" laatikon sisällä (näkemättä esineitä). Seuraavaksi piirrät "näkemäsi" ja sovitte tiiminä, mikä laatikossa oleva esine voisi olla. Tämän jälkeen tiimit laativat yksityiskohtaisen piirustuksen, jossa näkyy sovittu kohde.

Kriteeri

• On käytettävä lyijykynää esineiden "tuntemiseen".
• Ei saa nähdä esineitä (joko silmäside tai laatikkoon leikattu reikä käden ja kynän sopivaksi)

rajoitteet

• Käytä vain mukana tulevia materiaaleja.

Tarvittava aika: yhdestä kahteen 45 minuutin istuntoa.

1. Jaa luokka 2-4 hengen joukkueiksi.
2. Jaa Be a Scanning Probe Microscope -työarkki.
3. Keskustele Taustakäsitteet-osiossa olevista aiheista. Pyydä oppilaita pohtimaan, kuinka insinöörit mittaavat sellaisten asioiden pintaa, jotka ovat liian pieniä nähdäkseen. Jos internet on saatavilla, jaa Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Tarkista suunnitteluprosessi, suunnitteluhaaste, kriteerit, rajoitukset ja materiaalit.
5. Anna jokaiselle tiimille materiaalit.
6. Selitä, että oppilaiden on käytettävä kynää "tunteamaan" kaksi erilaista esinettä laatikon sisällä (silmät sidottuina). Seuraavaksi he piirtävät, mitä he "näkivät" ja sopivat tiiminä, mikä laatikossa oleva esine voisi olla. Lopuksi tiimit laativat yksityiskohtaisen piirustuksen, jossa näkyy sovittu kohde.
7. Ilmoita, kuinka paljon aikaa heillä on tehtävän suorittamiseen (suositus on 1 tunti).
8. Käytä ajastinta tai online-sekuntikelloa (laskuritoiminto) varmistaaksesi, että pysyt ajoissa. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Anna oppilaille säännöllisiä "aikatarkastuksia", jotta he pysyvät tehtävässään. Jos heillä on vaikeuksia, kysy kysymyksiä, jotka johtavat heidät ratkaisuun nopeammin.
9. Ohjaa oppilaita tekemään seuraavat:
   • Jokainen ryhmän oppilas käyttää vuorotellen kynäkoetinta määrittääkseen muodon laatikon esineiden tunnistamiseksi. Sinulla voidaan joko olla sidottu silmät tai saada laatikkoon leikata reikä, jotta kätesi ja kynä voivat olla sisällä ilman, että näet mitä laatikossa on.
   • Käytä vain kynän kärkeä tutkiaksesi laatikon pohjan sisältöä tai pinta-alaa.
   • Pidä mielessäsi aistimiesi esineiden korkeutta, muotoa ja kokonaiskokoa.
   • Piirrä seuraavaksi "näkemäsi" paperille – kannattaa harkita ylä- ja sivunäkymää, jotta voit selvittää, mitä laatikossa on.
   • Kun jokainen ryhmän opiskelija on tehnyt tutkimuksen, työskentele yhdessä ja jaa piirustuksesi ja mielipiteesi laatikon sisällöstä. Pääse yhteisymmärrykseen joukkueena ja kehitä lopullinen piirros, joka sisältää arvioidut kohteen mitat.
10. Ryhmät esittelevät ideoitasi, piirustuksiasi ja mittojasi luokalle ja kuuntelevat muiden tiimien esityksiä. Heidän tulisi verrata, kuinka lähellä heidän tiiminsä oli todellisen koon ja muodon määrittämisessä.
11. Keskustelkaa luokassa oppilaiden pohdintaa koskevista kysymyksistä.
12. Lisää aiheeseen liittyvää sisältöä on kohdassa "Kaivaminen syvemmälle".

Valinnainen laajennustoiminto

Pyydä oppilaita peilaamaan toisella kädellä, mitä he tuntevat laatikossa, piirtämällä samanaikaisesti paperille toisella kädellä.

Opiskelijan heijastus (suunnitteluvihko)

1. Kuinka tarkka muodon suhteen tiimisi tunnisti kohteen? Mitä löysit laatikosta?
2. Kuinka tarkasti tiimisi määritti laatikossa olevan esineen todellisen koon?
3. Kuinka monta prosenttia kokoarviosi poikkesi laatikossa olevan esineen todellisesta koosta?
4. Luuletko, että aika, jonka kestit "nähdä" laatikon sisällä luotain, vaikutti siihen, kuinka tarkkoja havainnot olivat?
5. Luulitko, että tiimityöskentely helpotti tai vaikeutti tätä projektia? Miksi?

Oppitunti voidaan suorittaa vain yhden luokan aikana vanhemmille opiskelijoille. Jos haluat kuitenkin auttaa oppilaita tuntemaan kiirettä ja varmistamaan opiskelijoiden menestyksen (etenkin nuoremmille opiskelijoille), jaa oppitunti kahteen jaksoon, jolloin oppilaat saavat enemmän aikaa ajatella, testata ideoita ja viimeistellä suunnittelunsa. Suorita testaus ja selvitys seuraavalla luokkakaudella.

Mikä on nanoteknologia?

Kuvittele, että pystyt tarkkailemaan punasolun liikettä sen liikkuessa laskimossasi. Miltä tuntuisi tarkkailla natrium- ja klooriatomeja, kun ne pääsevät tarpeeksi lähelle siirtääkseen elektroneja ja muodostaakseen suolakiteen tai tarkkaillakseen molekyylien värähtelyä lämpötilan noustessa vesiastiassa? Muutaman viime vuosikymmenen aikana kehitettyjen ja parannettujen työkalujen tai "laajennusten" ansiosta voimme havaita tilanteita, kuten monet tämän kappaleen alussa olevista esimerkeistä. Tätä kykyä tarkkailla, mitata ja jopa käsitellä materiaaleja molekyyli- tai atomimittakaavassa kutsutaan nanoteknologiaksi tai nanotieteeksi. Jos meillä on nano "jotain", meillä on yksi miljardisosa siitä jostakin. Tiedemiehet ja insinöörit käyttävät nano-etuliitettä moniin "joihin", mukaan lukien metrien pituus, sekunnit (aika), litroja (tilavuus) ja grammoja (massa) edustamaan ymmärrettävästi hyvin pientä määrää. Pituusasteikolla käytetään useimmiten nanoa ja mitataan ja puhutaan nanometreistä (nm). Yksittäiset atomit ovat halkaisijaltaan pienempiä kuin 1 nm, ja se vie noin 10 vetyatomia peräkkäin luodakseen 1 nm:n pituisen viivan. Muut atomit ovat suurempia kuin vety, mutta niiden halkaisija on silti alle nanometri. Tyypillinen virus on halkaisijaltaan noin 100 nm ja bakteeri on noin 1000 nm päästä häntään. Työkaluja, joiden avulla olemme pystyneet tarkkailemaan nanomittakaavan aiemmin näkymätöntä maailmaa, ovat Atomic Force Microscope ja Scanning Electron Microscope.

Kuinka iso on pieni?

Voi olla vaikeaa kuvitella, kuinka pieniä asioita nanomittakaavassa on. Seuraava harjoitus voi auttaa sinua visualisoimaan kuinka iso pieni voi olla! Harkitse keilapalloa, biljardipalloa, tennispalloa, golfpalloa, marmoria ja herneitä. Mieti näiden kohteiden suhteellista kokoa.

Skannaava elektronimikroskooppi

Pyyhkäisevä elektronimikroskooppi on erityinen elektronimikroskooppi, joka luo kuvia näytteen pinnasta skannaamalla sen suuren energian elektronisuihkulla rasteriskannauskuviossa. Rasteriskannauksessa kuva leikataan sarjaksi (yleensä vaakasuuntaisia) nauhoja, joita kutsutaan skannausviivoiksi. Elektronit ovat vuorovaikutuksessa näytteen muodostavien atomien kanssa ja tuottavat signaaleja, jotka antavat tietoja pinnan muodosta, koostumuksesta ja jopa siitä, pystyykö se johtamaan sähköä. Monet skannaavilla elektronimikroskoopeilla otetut kuvat voidaan katsoa osoitteessa www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomivoimamikroskoopit

Kuvantaminen nanomittakaavassa

Nähdäkseen, miltä materiaalien pinta näyttää nanomittakaavassa, insinöörit ovat kehittäneet joukon laitteita ja järjestelmiä tutkiakseen, miten esineen pinta käyttäytyy. Voit katsella paljon kuvia Dartmouth Electron Microscope Facilityssä osoitteessa www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomivoimamikroskoopit

Atomic Force Microscope on erityinen pyyhkäisykoetinmikroskooppi (SPM), joka kerää tietoa käyttämällä koetinta kohteen pinnan koskettamiseen tai liikkumiseen. Resoluutio on erittäin korkea, nanometrin murto-osalla. AFM keksittiin vuonna 1982 IBM:llä, ja ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva atomivoimamikroskooppi esiteltiin vuonna 1989. AFM on edelleen yksi tärkeimmistä työkaluista mitata ja kuvata kaikkea nanomittakaavassa. Se voi melko tarkasti kehittää kolmiulotteisen kuvan tai topografian näytteestä, ja sillä on monia sovelluksia. Jos voit kuvitella sulkevasi silmäsi ja käyttämällä kynän kärkeä selvittääksesi, mikä esine oli laatikossa, voit kuvitella, kuinka tämäntyyppinen mikroskooppi toimii! Yksi atomivoimamikroskoopin etu on, että se ei vaadi erityistä ympäristöä ja toimii hyvin keskimääräisessä ympäristössä tai jopa nesteessä. Tämä mahdollistaa biologian tutkimisen makromolekyylitasolla tai jopa elävien organismien tarkastelun.

Internet-yhteydet

• Atomivoimamikroskopia
• Virtuaalinen mikroskooppi

Suositeltavaa luettavaa

• Pyyhkäisyanturimikroskopia: Kärjen laboratorio (fysiikassa kehittyneet tekstit) (ISBN: 978-3642077371)
• Pyyhkäisyanturimikroskopia (ISBN: 978-3662452394)

Kirjoittaminen

Kirjoita essee tai kappale siitä, kuinka nanoteknologian kehitys on vaikuttanut terveydenhuollon ja lääketieteen alaan.

Sopeutuminen opetussuunnitelmien kehyksiin

Huomautus: Tämän sarjan oppituntisuunnitelmat on yhden tai useamman seuraavan standardin mukaista:

• Tiedeopetuksen standardit (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Seuraavan sukupolven tieteelliset standardit (http://www.nextgenscience.org/)
• Kansainvälisen teknologiakasvatusyhdistyksen standardit teknologiselle lukutaidolle (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S.Matematiikan opettajien kansallinen neuvosto koulumatematiikan periaatteet ja standardit (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Matematiikan yhteiset ydinvaltion standardit (http://www.corestandards.org/Math)
• Tietojenkäsittelytieteen opettajien yhdistys K-12 Tietotekniikan standardit (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat K-4 (4-9-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI A: Tiede tiedusteluna

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Tieteelliseen tutkimukseen tarvittavat kyvyt
• Tieteellisen tutkimuksen ymmärtäminen

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Esineiden ja materiaalien ominaisuudet
• Esineiden sijainti ja liike

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Teknisen suunnittelun kyvyt

SISÄLTÖSTANDARDI F: Tiede henkilökohtaisissa ja sosiaalisissa näkökulmissa

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ja teknologia paikallisiin haasteisiin

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ihmisen pyrkimyksenä

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 5-8 (10-14-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI A: Tiede tiedusteluna

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Tieteelliseen tutkimukseen tarvittavat kyvyt
• Ymmärtämykset tieteellisistä tutkimuksista

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toimintansa tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Ominaisuudet ja ominaisuuksien muutokset aineessa

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Kaikkien oppilaiden tulisi kehittyä 5-8 luokan toiminnan seurauksena

• Teknisen suunnittelun kyvyt
• Ymmärtäminen tieteestä ja tekniikasta

SISÄLTÖSTANDARDI F: Tiede henkilökohtaisissa ja sosiaalisissa näkökulmissa

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ja tekniikka yhteiskunnassa 

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 5-8 (10-14-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ihmisen pyrkimyksenä
• Tieteen luonne

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 9-12 (14-18-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI A: Tiede tiedusteluna

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Tieteelliseen tutkimukseen tarvittavat kyvyt
• Ymmärtämykset tieteellisistä tutkimuksista

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toimintansa tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Aineen rakenne ja ominaisuudet

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Teknisen suunnittelun kyvyt
• Ymmärtäminen tieteestä ja tekniikasta

SISÄLTÖSTANDARDI F: Tiede henkilökohtaisissa ja sosiaalisissa näkökulmissa

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ja teknologia paikallisiin, kansallisiin ja maailmanlaajuisiin haasteisiin

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ihmisen pyrkimyksenä
• Tieteellisen tiedon luonne
• Historialliset näkökulmat

 Seuraavan sukupolven tieteelliset standardit Luokat 2-5 (ikä 7-11)

Opiskelijat, jotka osoittavat ymmärrystä, voivat:

Aine ja sen vuorovaikutukset

• 5-PS1-1. Laadi malli kuvailemaan, että aine koostuu hiukkasista, jotka ovat liian pieniä näkemään.
• 5-PS1-3. Tee havaintoja ja mittauksia materiaalien tunnistamiseksi niiden ominaisuuksien perusteella. 

Teknisen lukutaidon standardit - kaikki ikäryhmät 

Tekniikan luonne

• Standardi 1: Opiskelija kehittää ymmärryksen tekniikan ominaisuuksista ja laajuudesta.
• Standardi 2: Opiskelija kehittää ymmärryksen tekniikan ydinkäsitteistä.
• Standardi 3: Opiskelija kehittää ymmärryksen teknologioiden välisistä suhteista sekä tekniikan ja muiden opintoalojen välisistä yhteyksistä. 

Tekniikka ja yhteiskunta

• Standardi 4: Opiskelija kehittää ymmärryksen teknologian kulttuurisista, sosiaalisista, taloudellisista ja poliittisista vaikutuksista.
• Standardi 6: Opiskelija kehittää ymmärryksen yhteiskunnan roolista teknologian kehittämisessä ja käytössä.
• Standardi 7: Opiskelija kehittää ymmärryksen tekniikan vaikutuksesta historiaan.

Kykyjä teknologiseen maailmaan

Standardi 13: Opiskelija kehittää kykyjä arvioida tuotteiden ja järjestelmien vaikutuksia.

Kokeile käsiäsi skannauskoetinmikroskoopina!

Tutkimusvaihe

Lue opettajasi sinulle toimittamat materiaalit. Jos sinulla on pääsy Internetiin, katso opetusohjelma myös tällä verkkosivustolla: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Se havainnollistaa, kuinka skannauskoetinmikroskoopit toimivat, ja auttaa sinua ymmärtämään, kuinka suoritat samanlaisen tehtävän tämän toiminnon avulla.

Kokeile sitä!

Jokainen tiimisi oppilas käyttää vuorotellen kynäkoetinta määrittääkseen laatikossa olevan esineen muodon tai tunnisteen. Sinulla voidaan joko olla sidottu silmät tai saada laatikkoon leikata reikä, jotta kätesi ja kynä voivat olla sisällä ilman, että näet mitä laatikossa on.

Käytä vain kynän kärkeä tutkiaksesi laatikon pohjan sisältöä tai pinta-alaa. Pidä mielessäsi aistimiesi esineiden korkeutta, muotoa ja kokonaiskokoa.

Piirrä seuraavaksi "näkemäsi" paperille – kannattaa harkita ylä- ja sivunäkymää, jotta voit selvittää, mitä laatikossa on.

Kun jokainen ryhmän opiskelija on tehnyt tutkimuksen, työskentele yhdessä ja jaa piirustuksesi ja mielipiteesi laatikon sisällöstä. Pääse yhteisymmärrykseen joukkueena ja kehitä lopullinen piirros, joka sisältää arvioidut kohteen mitat

Esittely- ja pohdintavaihe

Esitä ideasi, piirustuksesi ja mittasi luokalle ja kuuntele muiden ryhmien esityksiä. Katso, kuinka lähellä tiimisi tai muut joukkueet olivat todellisen koon ja muodon määrittämisessä. Täytä sitten heijastusarkki.

Heijastus

Täytä pohdintakysymykset alla:

1. Kuinka tarkka muodon suhteen tiimisi tunnisti kohteen? Mitä löysit laatikosta?

2. Kuinka tarkasti tiimisi määritti laatikossa olevan esineen todellisen koon?

3. Kuinka monta prosenttia kokoarviosi poikkesi laatikossa olevan esineen todellisesta koosta?

4. Luuletko, että aika, jonka kestit "nähdä" laatikon sisällä luotain, vaikutti siihen, kuinka tarkkoja havainnot olivat?

5. Luulitko, että tiimityöskentely helpotti tai vaikeutti tätä projektia? Miksi?