Budite skenirajući mikroskop sonde

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potreban materijal za učionicu

• Kutija s predmetom pričvršćenim na dno (ravnalo, papirna čaša, cigla, komad voća)
• Zavežite oči ili izrežite rupu u kutiji kako bi učenici mogli unutra staviti ruku i olovku, a da ne vide što je u kutiji. 

Potreban materijal za timove

• Papir
• Pero
• Olovka
• Pristup internetu, po izboru

Dizajn Challenge

Vi ste tim inženjera koji imaju izazov da pomoću sonde olovke “osjetite” dva različita objekta unutar kutije (bez da ih vidite). Zatim ćete nacrtati ono što ste "vidjeli" i kao tim se dogovoriti o tome što bi mogao biti predmet u kutiji. Zatim timovi razvijaju detaljan crtež koji prikazuje predmet za koji ste se dogovorili.

Kriteriji

• Morate koristiti olovku da biste "opipali" predmete.
• Ne smije moći vidjeti predmete (bilo povez za oči ili rupu izrezanu u kutiji da stane za ruku i olovku)

ograničenja

• Koristite samo isporučene materijale.

Potrebno vrijeme: Jedna do dvije sesije od 45 minuta.

1. Razbijte razred u timove od 2-4.
2. Podijelite radni list Be a Scanning Probe Microscope.
3. Raspravljajte o temama u odjeljku Pozadinski koncepti. Zamolite učenike da razmotre kako inženjeri mjere površinu stvari koje su premale da bi se mogle vidjeti. Ako je internet dostupan, podijelite virtualni mikroskop (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
5. Osigurajte svakom timu svoje materijale.
6. Objasnite da učenici moraju olovkom “osjetiti” dva različita predmeta unutar kutije (s povezom na očima). Zatim će nacrtati ono što su "vidjeli" i kao tim se dogovoriti što bi mogao biti predmet u kutiji. Na kraju, timovi razvijaju detaljan crtež koji prikazuje predmet oko kojeg su se dogovorili.
7. Najavite koliko vremena imaju za dovršetak aktivnosti (preporučuje se 1 sat).
8. Upotrijebite tajmer ili internetsku štopericu (značajka odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovite "vremenske provjere" kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
9. Uputite učenike da učine sljedeće:
   • Svaki učenik u timu izmjenjuje se pomoću sonde s olovkom kako bi odredio oblik za prepoznavanje predmeta u kutiji. Možda ćete imati poveze na očima ili ćete imati rupu izrezanu u kutiju tako da vaša ruka i olovka mogu biti unutra, a da vi ne vidite što je u kutiji.
   • Koristite samo vrh olovke da pregledate sadržaj ili površinu dna kutije.
   • U mislima pratite visinu predmeta koje osjećate, njihov oblik i ukupnu veličinu.
   • Zatim nacrtajte ono što ste "vidjeli" na komad papira - možda biste trebali razmotriti pogled odozgo i sa strane kako biste lakše utvrdili što se nalazi u kutiji.
   • Kada svaki učenik u timu obavi istragu, radite zajedno i podijelite svoje crteže i mišljenja o tome što je u kutiji. Dođite do konsenzusa kao tim i izradite konačni crtež koji uključuje procijenjene mjere objekta.
10. Timovi prezentiraju vaše ideje, crteže i mjere razredu i slušaju prezentacije drugih timova. Trebali bi usporediti koliko je njihov tim bio blizu u određivanju stvarne veličine i oblika.
11. Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
12. Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Neobvezna aktivnost proširenja

Neka učenici jednom rukom zrcale ono što “osjećaju” u kutiji, a drugom rukom istovremeno crtaju na papiru.

Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)

1. Koliko je vaš tim bio točan u pogledu oblika u identificiranju objekta? Što ste našli u kutiji?
2. Koliko je vaš tim bio točan u određivanju stvarne veličine predmeta u kutiji?
3. Za koliko je postotaka vaša procjena veličine odstupila od stvarne veličine predmeta u kutiji?
4. Mislite li da je vrijeme koje ste potrošili da "vidite" unutar kutije sa sondom utjecalo na to koliko su vaši nalazi bili točni?
5. Jeste li mislili da je timski rad ovaj projekt učinio lakšim ili težim? Zašto?

Lekcija se može izvoditi za samo 1 sat za starije učenike. Međutim, kako biste učenicima pomogli da se osjećaju požurjeno i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući studentima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Provedite testiranje i izvođenje u slijedećem razrednom terminu.

Što je nanotehnologija?

Zamislite da možete promatrati kretanje crvenog krvnog zrnca dok se kreće kroz vašu venu. Kako bi bilo promatrati atome natrija i klora kako se približe dovoljno da prenesu elektrone i formiraju kristal soli ili promatrati vibracije molekula dok temperatura raste u posudi s vodom? Zbog alata ili 'opsega' koji su razvijeni i poboljšani tijekom posljednjih nekoliko desetljeća možemo promatrati situacije poput mnogih primjera na početku ovog odlomka. Ta sposobnost promatranja, mjerenja i čak manipulacije materijalima na molekularnoj ili atomskoj skali naziva se nanotehnologija ili nanoznanost. Ako imamo nano "nešto", imamo milijardu tog nečega. Znanstvenici i inženjeri primjenjuju nano prefiks na mnoga "nešto" uključujući duljinu metara), sekunde (vrijeme), litre (volumen) i grame (masu) kako bi predstavili ono što je razumljivo vrlo mala količina. Najčešće se nano primjenjuje na ljestvici duljine i mjerimo i govorimo o nanometrima (nm). Pojedinačni atomi su manji od 1 nm u promjeru, pri čemu je potrebno oko 10 atoma vodika u nizu da bi se stvorila linija duljine 1 nm. Drugi atomi su veći od vodika, ali još uvijek imaju promjer manji od nanometra. Tipični virus je promjera oko 100 nm, a bakterija oko 1000 nm od glave do repa. Alati koji su nam omogućili promatranje prethodno nevidljivog svijeta nanoskala su mikroskop atomske sile i skenirajući elektronski mikroskop.

Koliko je velik mali?

Može biti teško predočiti koliko su male stvari na nanomjeru. Sljedeća vježba može vam pomoći da zamislite koliko mali mogu biti! Razmotrite kuglanu, bilijar, tenisku, golf loptu, mramor i grašak. Razmislite o relativnoj veličini ovih predmeta.

Skenirajući elektronski mikroskop

Skenirajući elektronski mikroskop posebna je vrsta elektronskog mikroskopa koji stvara slike površine uzorka skenirajući je visokoenergetskom zrakom elektrona u rasterskom uzorku skeniranja. U rasterskom skeniranju slika se izreže u niz (obično vodoravnih) traka poznatih kao "crte skeniranja". Elektroni komuniciraju s atomima koji čine uzorak i proizvode signale koji pružaju podatke o obliku, sastavu površine, pa čak i može li provoditi električnu energiju. Mnoge slike snimljene skenirajućim elektronskim mikroskopima mogu se pogledati na www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskopi atomske sile

Snimanje u nano skali

Kako bi "vidjeli" kako površina materijala izgleda na nano skali, inženjeri su razvili niz uređaja i sustava za istraživanje kako se površina objekta ponaša. Možete pogledati puno slika u Dartmouth Electron Microscope Facility na www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskopi atomske sile

Atomic Force Microscope je posebna vrsta skenirajućeg sondnog mikroskopa (SPM), koji prikuplja informacije korištenjem sonde za dodirivanje ili kretanje po površini subjekta. Rezolucija je vrlo visoka, na djelić nanometra. AFM je izumljen 1982. u IBM-u, a prvi komercijalno dostupan mikroskop atomske sile predstavljen je 1989. AFM ostaje jedan od najvažnijih alata za mjerenje i snimanje bilo čega na nanorazini. Može prilično precizno razviti trodimenzionalnu sliku ili topografiju uzorka i ima mnogo primjena. Ako možete zamisliti da zatvorite oči i pomoću vrha olovke shvatite koji se predmet nalazi u kutiji, možete zamisliti kako ova vrsta mikroskopa radi! Jedna od prednosti mikroskopa atomske sile je ta što ne zahtijeva posebno okruženje i dobro radi u prosječnom okruženju, pa čak i u tekućini. To omogućuje istraživanje biologije na razini makromolekula ili čak pregled živih organizama.

Internetske veze

• Mikroskopija atomske sile
• Virtualni mikroskop

Preporučena literatura

• Mikroskopija skenirajuće sonde: Laboratorij na savjetu (Napredni tekstovi iz fizike) (ISBN: 978-3642077371)
• Mikroskopija skenirajuće sonde (ISBN: 978-3662452394)

Aktivnost pisanja

Napišite esej ili odlomak o tome kako je napredak kroz nanotehnologiju utjecao na područje zdravstva i medicine.

Usklađivanje s okvirima kurikuluma

Bilješka: Planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s jednim ili više sljedećih skupova standarda:

• S. Standardi za znanstveno obrazovanje (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Znanstveni standardi sljedeće generacije (http://www.nextgenscience.org/)
• Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nacionalno vijeće učitelja matematike "Principi i standardi za školsku matematiku" (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Uobičajeni osnovni državni standardi za matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Udruženje učitelja informatike K-12 Standardi računalnih znanosti (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi K-4 (starosti 4-9 godina)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
• Razumijevanje o znanstvenom istraživanju

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Svojstva predmeta i materijala
• Položaj i kretanje predmeta

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost i tehnologija u lokalnim izazovima

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost kao ljudski pothvat

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (dobi 10-14)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
• Razumijevanje o znanstvenom istraživanju

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Svojstva i promjene svojstava u materiji

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti u 5-8. Razredima, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna
• Razumijevanje znanosti i tehnologije

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost i tehnologija u društvu 

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (dobi 10-14)

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost kao ljudski pothvat
• Priroda znanosti

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
• Razumijevanje o znanstvenom istraživanju

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Građa i svojstva materije

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna
• Razumijevanje znanosti i tehnologije

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost i tehnologija u lokalnim, nacionalnim i globalnim izazovima

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost kao ljudski pothvat
• Priroda znanstvenih spoznaja
• Povijesne perspektive

 Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 2-5 (dob 7-11)

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

Materija i njezine interakcije

• 5-PS1-1. Razviti model koji će opisati da je materija napravljena od čestica premalih da bi se mogle vidjeti.
• 5-PS1-3. Izvršite opažanja i mjerenja kako biste identificirali materijale na temelju njihovih svojstava. 

Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka 

Priroda tehnologije

• Standard 1: Studenti će razviti razumijevanje karakteristika i opsega tehnologije.
• Standard 2: Studenti će razviti razumijevanje osnovnih pojmova tehnologije.
• Standard 3: Studenti će razviti razumijevanje odnosa između tehnologija i veza između tehnologije i drugih područja studija. 

Tehnologija i društvo

• Standard 4: Studenti će razviti razumijevanje kulturnih, socijalnih, ekonomskih i političkih učinaka tehnologije.
• Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i korištenju tehnologije.
• Standard 7: Studenti će razviti razumijevanje utjecaja tehnologije na povijest.

Sposobnosti za tehnološki svijet

Standard 13: Studenti će razviti sposobnosti za procjenu utjecaja proizvoda i sustava.

Okušajte se kao mikroskop za skeniranje sonde!

Faza istraživanja

Pročitajte materijale koje vam je dao učitelj. Ako imate pristup internetu, također pogledajte vodič na ovoj web stranici: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. To će ilustrirati kako rade mikroskopi sonde za skeniranje i pomoći će vam razumjeti kako ćete izvršiti sličan zadatak kroz ovu aktivnost.

Isprobaj!

Svaki učenik u vašem timu izmjenjivat će se pomoću sonde s olovkom kako bi odredio oblik ili identificirao predmet u kutiji. Možda ćete imati poveze na očima ili ćete imati rupu izrezanu u kutiju tako da vaša ruka i olovka mogu biti unutra, a da vi ne vidite što je u kutiji.

Koristite samo vrh olovke da pregledate sadržaj ili površinu dna kutije. U mislima pratite visinu predmeta koje osjećate, njihov oblik i ukupnu veličinu.

Zatim nacrtajte ono što ste "vidjeli" na komad papira - možda biste trebali razmotriti pogled odozgo i sa strane kako biste lakše utvrdili što se nalazi u kutiji.

Kada svaki učenik u timu obavi istragu, radite zajedno i podijelite svoje crteže i mišljenja o tome što je u kutiji. Dođite do konsenzusa kao tim i izradite konačni crtež koji uključuje procijenjene mjere objekta

Faza prezentacije i refleksije

Predstavite svoje ideje, crteže i mjere razredu i slušajte prezentacije drugih timova. Pogledajte koliko je vaš tim ili drugi timovi bili blizu u određivanju stvarne veličine i oblika. Zatim ispunite list za razmišljanje.

Odraz

Ispunite pitanja za razmišljanje u nastavku:

1. Koliko je vaš tim bio točan u pogledu oblika u identificiranju objekta? Što ste našli u kutiji?

2. Koliko je vaš tim bio točan u određivanju stvarne veličine predmeta u kutiji?

3. Za koliko je postotaka vaša procjena veličine odstupila od stvarne veličine predmeta u kutiji?

4. Mislite li da je vrijeme koje ste potrošili da "vidite" unutar kutije sa sondom utjecalo na to koliko su vaši nalazi bili točni?

5. Jeste li mislili da je timski rad ovaj projekt učinio lakšim ili težim? Zašto?