An Eye on Optics

Kit

• I kit che includono i materiali per le attività sono disponibili all'indirizzo: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Introduzione

• Foglio di lavoro dello studente 1: Grafico KWL – SALVA per riutilizzarlo nell'attività 5
• Schemi/dispensa dell'occhio normale, ipermetrope e miope
• Paio di occhiali

Attività 1

• Foglio di lavoro per studenti n. 2: materiali e allestimento sperimentale
• Lastre di gelatina preparate (vedi ricetta sotto)
• Set di Blox di Luce (https://laserclassroom.com/light-blox/) OPPURE Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Set di tagliabiscotti circolari
• Coltello di plastica

Attività 2

• Foglio di lavoro dello studente n. 3: Ray Tracing
• Forme di gelatina preparate
  • Lenti sagomate convesse
  • Lenti sagomate concave
  • Quadrato di gelatina (~ 3" X 3")
  • Cerchio di gelatina (~3 pollici di diametro)
• Set di Blox di Luce (https://laserclassroom.com/light-blox/) OPPURE Laser Blox (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Attività 3

• 1 lastra di gelatina preparata per squadra
• 1 set di tagliabiscotti circolari per squadra
• 1 coltello di plastica per squadra

Attività 4

• 1 lastra di gelatina preparata per squadra
• 1 set di tagliabiscotti circolari per squadra
• 1 coltello di plastica per squadra

Attività 5

• Foglio di lavoro per studenti n. 1
• 1 lastra di gelatina preparata per squadra
• 1 set di tagliabiscotti circolari per squadra
• 1 coltello di plastica per squadra

Attività 6

• 1 lastra di gelatina preparata per squadra
• 1 set di tagliabiscotti circolari per squadra
• 1 coltello di plastica per squadra
• Modello di occhio
• Grafico KWL per riferimento

Design Challenge

• Set di Blox di Luce
• Set di lenti sagomate: una concava e una convessa
• lastra di gelatina
• Coltello di plastica
• Cookie Cutters
• Modello di occhio
• Grafico KWL completato dal foglio di lavoro n. 1

Ricetta Gelatina:

• La seguente ricetta produce abbastanza gel per circa sei dischi grandi:
  • 4 tazze di acqua
  • 8 buste di gelatina originale Knox
  • 1 contenitore con dimensioni di 9" x 7" x 2"
  • Fai bollire l'acqua. Mescola 4 tazze di acqua bollente in 8 buste (o un rapporto di 1:2 acqua su gelatina) di gelatina originale Knox.
• Per l'attività n. 2, versare la miscela nei vassoi degli stampi per lenti.
• Per tutte le altre attività, versare la miscela nel contenitore in modo che la profondità del liquido sia di almeno 0.75 pollici. Mettere la gelatina in frigorifero per una notte a solidificare.

Materiali

• Varietà di materiali riciclabili puliti e asciutti (plastica, vetro, lattine di metallo / alluminio e carta) in un grande contenitore o scatola per il riciclaggio
• Tavolo lungo o pochi tavoli corti messi insieme

Processi

Posiziona il disegno su un lungo tavolo (o su alcuni tavoli corti messi insieme), aggiungi materiali riciclabili al design e documenta quanto bene ogni disegno ordina i riciclabili in contenitori separati.

Design Challenge

Fai parte di un team di ingegneri che ha avuto la sfida di progettare un sistema di lenti per migliorare la vista di un paziente. Completerai 6 attività per conoscere l'ottica delle lenti e l'occhio umano.

Criteri

• Progettare e disegnare un sistema per migliorare la vista di un paziente.

vincoli

• Utilizzare solo i materiali forniti.

La lezione richiede sei periodi di lezione di 45-60 minuti

PRESENTAZIONE DELLA SFIDA

Sommario
Questa lezione si conclude con una sfida progettuale, un progetto aperto che incoraggia gli studenti a porre domande, prendere iniziative e pensare in modo creativo. Le sfide ingegneristiche e di progettazione forniscono contesto e significato per l'utilizzo del processo scientifico, lo sviluppo di conoscenze e abilità tecniche e il successo nella società moderna.

Per introdurre questa Design Challenge, agli studenti viene presentato l'obiettivo di progettare un sistema di lenti per migliorare la vista di un paziente, gli studenti identificano ciò che sanno e hanno bisogno dell'ottica delle lenti e dell'occhio umano per affrontare la sfida.

Abilità e conoscenze di base

• Percorso della luce dalla sorgente (o oggetto) agli occhi (attività facoltativa: Grotta dell'aula)
• Percorso di luce nell'occhio umano: retina e punto focale
• Attività facoltativa – Sperimenta con la tua visione

Configura per l'attività

Dividi gli studenti in squadre di 2 o 3. Prepara il terreno per una sessione di brainstorming sulla struttura e la funzione delle lenti e dell'occhio umano.

Tieni in mano un paio di occhiali.

Chiedi agli studenti di spiegare come funzionano gli occhiali per migliorare la vista. Lascia che gli studenti schizzino i loro progetti se li aiuta a esprimersi in modo più completo.

Spiega alla classe che questa lezione termina con una sfida di progettazione. Spiega che i team di studenti progetteranno un sistema di lenti per migliorare la visione di un paziente. Spiega che riceveranno un modello dell'occhio di un paziente e avranno il compito di progettare un set di lenti per migliorare la visione dei pazienti.

Spiega che i team dovranno spiegare le loro decisioni di progettazione in base ai dati raccolti durante la progettazione e il test degli obiettivi.

Fai una discussione in classe - chiedi agli studenti:

• Come funzionano gli occhiali?
• Come si combinano gli occhiali con l'occhio per migliorare la visione?
• Sono i loro diversi tipi di occhiali? Se sì, in cosa differiscono e perché?
• Come pensi che i medici capiscano quale tipo di lente migliorerà la vista?

Facilitare la lezione

Proietta le immagini di un occhio normale, ipermetrope e miope sullo schermo e/o distribuisci un volantino ai team con queste immagini.

Come classe, esaminate e discutete le differenze tra le immagini. Aiuta gli studenti a comprendere e annotare quanto segue:

• Identificare e comprendere le funzioni di base delle strutture dell'occhio mostrate nel disegno
• La lente dell'occhio è identica in tutto
• La distanza dalla lente alla retina è diversa da occhio a occhio
• La retina si trova nello stesso posto per tutti gli occhi
• La forma di ciascun occhio nel suo insieme è diversa

Distribuire la sfida dello scenario e il foglio di lavoro per studenti n. 1, grafico KWL agli studenti. Come classe, leggete e rivedete lo scenario. Consenti agli studenti di completare il KWL in coppia.

Riassunto e Riflessione

Come classe, rivedi lo scenario e chiedi ai volontari di condividere dai loro organizzatori grafici KWL e valuta la comprensione degli studenti della Design Challenge.

Poni domande agli studenti come:

• Come descriveresti con parole tue la sfida progettuale che ti è stata data?
• Cosa pensi di dover sapere per progettare un sistema di lenti per migliorare la visione?
• Cosa sai già dell'occhio umano e della visione che ti aiuterà a vincere questa sfida?
• Cosa sai già della natura delle lenti che ti aiuterà a vincere questa sfida?
• Cosa pensi di dover imparare per affrontare la sfida del design?

ATTIVITÀ 1: ESPLORA CON LUCE E GELATINA (45-60 minuti)

Sommario

L'obiettivo di questa attività è che gli studenti trovino e documentino il modo più efficace per osservare e registrare il percorso della luce mentre lascia la fonte di luce e passa attraverso e poi fuori dalla gelatina.

Gli studenti avranno un'opportunità a tempo indeterminato per esplorare e lavorare con i materiali, fare e condividere osservazioni e costruire una comprensione fondamentale della relazione tra le forme di gelatina e la luce. Questa esplorazione aperta incoraggia la creatività e la risoluzione dei problemi utili per affrontare la sfida finale di progettare un sistema di lenti per migliorare la visione.

Risultati dell'apprendimento

Come risultato di questa attività gli studenti saranno in grado di:

• Orienta la gelatina e le luci per osservare il percorso della luce mentre passa dalla fonte di luce attraverso un pezzo di gelatina
• Descrivi e documenta il percorso della luce mentre passa attraverso la gelatina

o Con la gelatina stesa sul tavolo

o Con la gelatina NON distesa sul tavolo

o 1 raggio con Light Blox seduto sul lato più largo

o 1 raggio con Light Blox seduto sul lato più stretto

o 3 raggi contemporaneamente

Conoscenze e abilità precedenti

Prima di iniziare l'attività 1:

• Gli studenti dovrebbero avere una comprensione della Design Challenge alla fine di questa lezione. Vedi la sezione "Presentazione della sfida" sopra.
• Introdurre l'obiettivo generale dell'attività di esplorazione: trovare e documentare il modo più efficace per osservare e registrare il percorso della luce mentre lascia la fonte di luce e passa attraverso e poi fuori dalla gelatina.

Dimostrare/modellare come misurare e registrare quanto segue:

• Mostra agli studenti una serie di materiali e dimostra come utilizzare le formine per biscotti e il coltello di plastica per creare vari pezzi di gelatina sagomati.
• Mostra agli studenti come manipolare le forme in modo che risplendano le luci attraverso ogni superficie.
• Mostra agli studenti i due diversi modi per orientare le luci che passano attraverso la gelatina.

Facilitare l'attività

Incoraggiare la creatività, l'esplorazione e la documentazione

• Modello esplorando e sperimentando con i materiali
• Distribuisci il foglio di lavoro dello studente n. 2 e spiega come registrare le osservazioni
• Dimostrare come documentare:
  • Le dimensioni e la forma del loro pezzo di gelatina
  • L'orientamento della gelatina e la/e luce/e
  • L'intero percorso del raggio di luce inizia quando lascia il Light Blox mentre passa attraverso e poi fuori dalla gelatina
  • Crea team e distribuisci risorse. Assicurati che ogni squadra abbia accesso a una "lastra di gelatina" per tagliare, tagliabiscotti, coltello di plastica, Light Blox (o altra fonte di luce), un foglio di carta e materiali di registrazione.
• Abbassa le luci se è sicuro e possibile
• Circola in tutta la classe per osservare le squadre mentre gli studenti preparano e organizzano le loro attrezzature.
• Circola per tutta la stanza osservando mentre gli studenti lavorano. Mentre i team lavorano, osserva i loro sforzi per far brillare Light Blox attraverso la gelatina, aiuta gli individui o i team che hanno difficoltà con la gestione e la configurazione delle apparecchiature.
• Se appropriato, coinvolgi gli studenti in una discussione sulle loro attività. Poni agli studenti domande aperte sul loro sforzo per disporre le attrezzature, tagliare forme, orientare le luci, registrare ciò che osservano e come danno un senso alle loro osservazioni.
• Se appropriato, interrompi la lezione per condividere il lavoro di una o più squadre con altre squadre. Usa tali interruzioni per evidenziare esempi positivi di esplorazione, inclusi ma non limitati a: design creativo, metodi per allineare luci, gelatina e schermo, tenuta dei registri e lavoro di squadra.

Durante tutto il periodo ricorda agli studenti di tenere un registro dettagliato del loro lavoro a cui faranno riferimento nella discussione di follow-up.

Riassumi e rifletti

Concludi l'attività, incoraggia i team a condividere il loro lavoro e trarre conclusioni sui risultati.

• Mentre una classe discute i risultati degli studenti
  • Il modo migliore per orientare gelatina e luci per osservare il percorso della luce mentre passa attraverso la gelatina
  • In che modo la forma della gelatina influisce sul percorso della luce mentre passa attraverso la gelatina
  • Ricorda che in futuro progetterai un sistema di lenti per migliorare la visione umana. Cosa hai fatto e imparato oggi che si applica a questa sfida?
  • Come classe, concordate una procedura per tracciare il percorso della luce mentre lascia la fonte di luce, passa attraverso la gelatina e poi fuori dalla gelatina.

Cosa sta succedendo? Definizione di rifrazione e riferimento a maggiori informazioni. Opzionale: attività di rifrazione cinestetica http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ATTIVITÀ 2: SPERIMENTAZIONE CON LA FORMA DELLA LENTE (45-60 minuti)

Sommario

Gli studenti utilizzano il processo scientifico per scoprire il qualitativo relazione tra la luce e la forma (concava, convessa, quadrata, circolare) di una lente.

Risultati dell'apprendimento

Come risultato di questa attività gli studenti saranno in grado di registrare il percorso di un singolo raggio di luce mentre passa dalla sorgente luminosa attraverso un lato di una lente all'altro lato di un pezzo di gelatina; e trarre conclusioni su come la luce viaggia attraverso un pezzo di gelatina con a

• Superficie piana/dritta
• Superficie curva
• Descrivi, dimostra e registra il percorso della luce mentre passa attraverso una lente convessa e concava (usando 3 luci)
• Identificare e definire: lente concava, raggio incidente convessa, raggio rifratto

Conoscenze e competenze precedenti

Rivedere all'inizio dell'attività:

• Come orientare gelatina e luci (dall'attività precedente)
• Come registrare il percorso della luce mentre passa attraverso la gelatina (dall'attività precedente)

Preparati per l'attività

Imposta 4 stazioni

• 3 Light Blox e cerchio di gelatina
• 3 Light Blox e quadrato di gelatina
• 3 luci e una lente convessa sagomata
• 3 luci e una lente concava sagomata

Prima di iniziare l'esperimento: spiegare il processo scientifico

• Incoraggiare lo studio sistematico della luce e delle lenti. In ogni stazione gli studenti documentano le loro osservazioni, con un disegno, comprese le etichette appropriate (raggi incidenti e rifratti, lente concava o convessa)
• La differenza tra variabili indipendenti e dipendenti
• Quali variabili sono le variabili indipendenti e dipendenti in ogni stazione?
• La variabile dipendente è la forma della lente: concava o convessa
• Passaggi aggiuntivi nel processo scientifico che ti aspetti che gli studenti seguano dall'affermazione di un'ipotesi al trarre conclusioni.
• PROCESSO SCIENTIFICO: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Dimostrare/modellare come misurare e registrare quanto segue:

• La posizione e la distanza dalle sorgenti luminose all'obiettivo
• Ciò che accade al percorso della luce quando la variabile dipendente (la forma della lente) cambia.
• Il comportamento della luce quando passa attraverso una lente
• Ripassa il vocabolario mentre dimostri
  • raggio incidente
  • raggio rifratto
  • Lente concava
  • Lente convessa
  • Punto focale

Facilitare l'attività

• Distribuire il foglio di lavoro per studenti n. 3
• Spiega che in questa attività gli studenti utilizzeranno il processo scientifico per fare analisi più organizzate e concrete dell'effetto di diversi tipi di lenti sul comportamento della luce. Spiega agli studenti che ruoteranno attraverso quattro stazioni.
• Spiega che in ogni stazione passeranno la luce attraverso un tipo di lente e registreranno il comportamento dei fasci di luce mentre passano attraverso le lenti.
• Istruire gli studenti a osservare e registrare con disegni ed etichette, le loro osservazioni ad ogni stazione:
  • Fonte di luce
  • Raggio incidente
  • Raggio Rifratto
  • Lente concava
  • Lente convessa
  • Punto focale (non è necessario introdurre la lunghezza focale a questo punto o discutere la relazione tra punto focale e visione a meno che non si presenti)
  • Note, conclusioni, altre osservazioni
• Dividere gli studenti in coppie. Assegna le coppie alle stazioni.
• Imposta le aspettative per il tempo trascorso in ogni stazione e il numero di disposizioni delle luci e dell'obiettivo che ti aspetti che gli studenti misurino e registrino in ogni stazione.
• Circola per tutta la stanza mentre le squadre lavorano per osservare i loro sforzi. Aiuta i team a configurare le loro apparecchiature, identificare le variabili dipendenti e indipendenti e misurare, registrare e disegnare i loro risultati.
• Se appropriato, discuti con gli studenti il ​​loro assetto sperimentale, i loro metodi di misurazione della posizione della luce, l'angolo del raggio di luce che entra e passa attraverso l'obiettivo e quali variabili manterranno costanti quando si sposteranno alla stazione successiva e la lente successiva.
• Se si presenta l'opportunità di evidenziare gli sforzi degli studenti, tieni una discussione in classe su alcune delle osservazioni che hai fatto. Chiedi agli studenti di spiegare ai loro coetanei la loro configurazione sperimentale, i metodi per misurare e registrare i risultati e i piani per mantenere il loro lavoro coerente da una stazione all'altra.
• Tieni d'occhio il tempo. Lascia agli studenti abbastanza tempo per riorganizzare e misurare le luci almeno due o tre volte prima di spostarsi in un'altra stazione.
• Dai un "preavviso" circa 5 minuti prima che gli studenti passino alla stazione successiva. Di' loro di completare il loro lavoro alla stazione attuale.
• Con 1-2 minuti rimanenti, chiedi agli studenti di pulire e ripristinare la stazione com'era quando l'hanno trovata (o meglio). Se il tempo lo consente, ruotare su un'altra stazione. In caso contrario, spiega che gli studenti riprenderanno da dove avevano interrotto il periodo successivo.

Riassumi e rifletti

Concludi l'attività, incoraggia i team a condividere il loro lavoro e trarre conclusioni sui risultati.

• Discutere e condividere risultati e conclusioni come classe
  • Quadrato contro cerchio
  • Le lenti concave producono un punto focale davanti all'obiettivo
  • Le lenti convesse producono un punto focale nella parte posteriore dell'obiettivo
  • La distanza dal centro dell'obiettivo al punto focale è chiamata focale
  • lunghezza
  • Vocabolario degli indirizzi

ATTIVITÀ 3: CREA LE TUE LENTI – PROGETTAZIONE E DOCUMENTAZIONE (45-60 minuti)

Sommario

Gli studenti si impegnano in un'esplorazione diretta e utilizzano ciò che hanno appreso finora, per documentare un processo su come creare/progettare in modo affidabile lenti concave e convesse di diverse dimensioni (larghezze).

Risultati dell'apprendimento

Come risultato di questa attività gli studenti saranno in grado di:

• Descrivi, dimostra e registra come tagliare sia una lente concava che una convessa dalla gelatina con un tagliabiscotti circolare.
• Trai conclusioni dalle prove su come si comporta il percorso della luce quando una variabile dipendente (forma della lente, dimensione, distanza dalla sorgente luminosa) cambia.

Prima dell'attività, presentare, discutere o rivedere

• Lenti concave e convesse
• Come documentare un processo ripetibile http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Facilitare l'attività

Ti consigliamo caldamente di prendere questo periodo di lezione per consentire agli studenti un determinato periodo di tempo (15-20 minuti) per lottare dopo aver mostrato loro le forme che devono creare e dato loro i materiali, piuttosto che mostrare esplicitamente agli studenti come creare le forme. Una volta che hanno capito come creare sia una lente concava che una convessa, documenteranno il processo che hanno usato.

Questa sfida pone le basi per comprendere qualcosa di basilare, ma non intuitivo su questo tipo di lenti: che derivano dai cerchi; e la comprensione più avanzata della matematica che descrive le proprietà delle lenti si basa su tale comprensione. Questa semplice attività pratica offre agli studenti un'esperienza esperienziale e intuitiva della relazione tra lenti concave/convesse e cerchi.

• Presenta la sfida di oggi: documenta un processo su come tagliare una lente convessa e una concava
  • Concavo: 2 -3 diverse dimensioni
  • Convesso: 2-3 diverse dimensioni
• Dai a ogni coppia di studenti un set di tagliabiscotti rotondi e una lastra di gelatina di ~ 9 "X 7".
• Consentire 15-20 minuti ai team di studenti di sperimentare con il taglio delle forme delle lenti, concentrandosi sulla documentazione di un processo ripetibile e affidabile per l'utilizzo di tagliabiscotti rotondi per progettare lenti concave e convesse.
• Circola per tutta la stanza mentre le squadre lavorano per osservare i loro sforzi. Aiuta i team a configurare le loro attrezzature, se necessario.

Riassumi e rifletti

• Ferma gli studenti dopo 15-20 minuti per tenere una discussione in classe sul lavoro degli studenti. Chiedi agli studenti di spiegare ai loro pari la loro configurazione sperimentale e i metodi per documentare il processo.
• Come classe, scrivi (documenta) il processo in base ai risultati e agli input degli studenti.

ATTIVITÀ 4: ESPERIMENTO CON DIMENSIONE LENTE (LARGHEZZA) (45-60 minuti)

Sommario

Utilizzando il processo documentato nell'ultimo periodo di lezione, gli studenti si impegnano nel processo scientifico per raccogliere e registrare dati e raggiungere una conclusione sull'impatto della variabile dipendente (larghezza dell'obiettivo) sulla lunghezza focale. Questo è qualitativo. La lunghezza focale si allunga o si accorcia, ad esempio.

Comprendere come le dimensioni (larghezza) dell'obiettivo e la distanza dalla sorgente luminosa all'obiettivo influiscano sulla lunghezza focale aiuterà gli studenti a progettare un sistema di lenti per migliorare la visione quando si impegnano nella sfida finale.

• Gli studenti:
  • Design:
    • Concavo: 2 -3 larghezze diverse
    • Convesso: 2-3 larghezze diverse
  • Registra: percorso del raggio E lunghezza focale approssimativa
    • Lenti concave: 2 -3 larghezze diverse
    • Lenti convesse: 2-3 larghezze diverse
  • Concludere la relazione qualitativa tra la larghezza di un obiettivo e la lunghezza focale
  • Terminologia e concetti:
    • Fonte di luce
    • Lunghezza focale: in che modo la modifica della larghezza dell'obiettivo influisce sulla lunghezza focale?

Prima dell'attività, presentare, discutere o rivedere

• La differenza tra variabili indipendenti e dipendenti
• Quali variabili sono le variabili indipendenti e dipendenti nell'attività di oggi?
  • La larghezza dell'obiettivo E la distanza della sorgente luminosa dall'obiettivo sono le variabili dipendenti che influiscono sul risultato: lunghezza focale
• La definizione di lunghezza focale ed brevemente, il suo rapporto con la visione.
  • La fonte di luce = l'oggetto (luce che rimbalza dall'oggetto nell'occhio)
  • La luce che entra nell'occhio deve concentrarsi direttamente sulla retina affinché si formi un'immagine chiara.
• Se preferisci introdurre più matematica o approfondire la lunghezza focale, Khan Academy offre un'eccellente panoramica come riferimento:
  • Convesso: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • Concavo: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Dimostrare/modellare come osservare, misurare e registrare

• Come determinare la lunghezza focale approssimativa di una lente concava e convessa
• Ciò che accade al comportamento (percorso) della luce come variabile dipendente, (la larghezza dell'obiettivo), cambia.
• Ripassa o introduci il vocabolario mentre dimostri
  • raggio incidente
  • raggio rifratto
  • Lente concava
  • Lente convessa
  • Lunghezza focale

Facilitare l'attività:

Incoraggiare la sperimentazione sistematica con luce e lenti

• Introduci l'obiettivo dell'attività di oggi:
  • Raccogliere dati e trarre conclusioni sull'impatto della dimensione (larghezza) dell'obiettivo sulla lunghezza focale
  • Raccogliere dati e trarre conclusioni sull'impatto della distanza dalla sorgente luminosa all'obiettivo sulla lunghezza focale
• Dai a ogni coppia di studenti una serie di materiali:
  • Set di tagliabiscotti rotondi
  • Lastra di gelatina da 9 "X 13"
  • Set di tre Light Blox
• Dai istruzioni agli studenti per
  • Progetta 3 lenti convesse con larghezze variabili
  • Misura e registra la larghezza di ogni obiettivo e la sua lunghezza focale corrispondente
• Dai istruzioni agli studenti per
  • Progetta 3 lenti concave con larghezze variabili
  • Misura e registra la larghezza di ogni obiettivo e la sua lunghezza focale corrispondente
• Dai istruzioni agli studenti per
  • Misura e registra come cambia la lunghezza focale al variare della distanza tra la sorgente luminosa e l'obiettivo.
• Una volta che le squadre hanno registrato le misurazioni e le osservazioni, l'attività si conclude.
• Dai agli studenti il ​​tempo di concludere il loro lavoro, completando tabelle di dati e disegni secondo necessità.
• Dedica del tempo alla pulizia.

Riassunto e Riflessione

Chiedi ai team di condividere i loro risultati. Tenere una discussione in classe in cui i team/i singoli spiegano cosa hanno fatto, cosa hanno osservato e che senso hanno dei risultati. A seconda del tuo approccio, potresti voler utilizzare una delle diverse strategie di apprendimento attivo o invitare volontari a disegnare o dimostrare il loro lavoro davanti alla classe.

• Utilizzando i risultati degli studenti, inclusi disegni e tabelle di dati, confrontare la differenza tra il passaggio di una luce attraverso ciascun tipo di obiettivo.
• In classe discutete di domande come:
  • Cosa succede alla lunghezza focale quando la larghezza dell'obiettivo aumenta o diminuisce?
  • È lo stesso per concavo come per convesso?
  • I risultati differiscono con la distanza dalla luce all'obiettivo?
  • Cosa hai imparato sulle lenti convesse e concave che ti aiuteranno nella sfida finale?
• Discutete in classe i risultati dell'esperimento. Le domande da affrontare includono ma non sono limitate a:
  • Come cambia il punto focale quando l'obiettivo diventa più piccolo/più grande?
  • Quali prove supportano queste conclusioni?
  • In che modo i risultati differiscono tra lenti concave e convesse?
  • In che modo la comprensione della relazione tra forma e dimensione della lente e punto focale aiuta nella sfida finale di progettare un sistema di lenti per migliorare la visione?
  • Se gli studenti hanno fatto una previsione sul punto focale e sulla dimensione dell'obiettivo, come si è confrontata la loro previsione con i risultati? Ci sono risultati sorprendenti?
  • Nell'attività finale sarai sfidato a creare un sistema di lenti progettate per migliorare la visione. Cosa hai imparato sugli obiettivi e sul punto focale che ti aiuterà a vincere la sfida?
  • Richiama le immagini dell'occhio (normale, da vicino e da lontano). Su quale parte del diagramma vuoi che la luce si concentri?

ATTIVITÀ 5: SPERIMENTAZIONE CON SISTEMI A 2 LENTI (45-60 minuti)

Sommario

Come attività finale in preparazione alla Design Challenge, gli studenti esplorano il comportamento della luce mentre passa attraverso varie combinazioni di coppie di lenti. Nella sfida finale, gli studenti ricevono un diagramma dell'occhio di un paziente. Una lente nel sistema rappresenterà la lente trovata nell'occhio. Gli studenti dovranno progettare una o più lenti in gelatina per correggere o migliorare la vista del loro paziente. La combinazione di lenti e il loro allineamento devono focalizzare la luce sulla retina nel diagramma dell'occhio del paziente.

Compila PRIMA l'ultima parte del grafico KWL.

Risultati di apprendimento

Come risultato di questa lezione, gli studenti saranno in grado di:

• Descrivere, dimostrare e registrare l'impatto di un sistema di due lenti sul percorso della luce e sulla lunghezza focale
  • 2 lenti convesse
  • 2 lenti concave
  • 1 lente concava e 1 convessa
• Descrivere il ruolo delle lenti in vari strumenti utilizzati per migliorare la visione o mettere a fuoco le immagini
  • Telecamere
  • Telescopio
  • Microscopio
  • Lente d'ingrandimento
• Descrivi il ruolo delle lenti nella visione umana
  • L'occhio umano contiene una lente convessa
  • La chiara visione umana si basa sulla capacità di focalizzare la luce in modo specifico sulla retina
  • Miopia e ipermetropia come problemi di vista comuni
• Prevedi come le varie lenti potrebbero migliorare la visione umana quando sono presenti miopia o ipermetropia.

Matematica opzionale

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

Prepara il terreno per sperimentare con più obiettivi.

Come classe, fai un elenco di vari strumenti che utilizzano due o più obiettivi. Se gli studenti suggeriscono che l'occhio combinato con gli occhiali è un sistema di lenti, spiega che nella lezione finale affronteranno specificamente questa combinazione. Per ora concentrati su strumenti come telescopi, microscopi e binocoli.

Chiedi agli studenti di spiegare come pensano che funzionino i vari strumenti e le relazioni tra le lenti, le lenti e la luce.

Spiega che in questa attività gli studenti esploreranno le combinazioni di lenti sul comportamento della luce. Spiega che passeranno un raggio di luce attraverso due lenti per osservare e registrare i risultati.

In classe discutete le molte variabili nell'esperimento, quali cambiare e quali mantenere le stesse. Alcune variabili che gli studenti dovrebbero riconoscere includono:

• Distanza tra le lenti
• Combinazione di tipi di lenti per creare coppie di lenti
• Posizione e distanza della sorgente luminosa dalle lenti

Facilitare l'attività

Spiega che in questa attività gli studenti devono tenere un registro accurato del loro lavoro. A seconda del tempo a disposizione, chiedi a tutti i team di lavorare con tutte le combinazioni di obiettivi o suddividi la classe in "gruppi di esperti" e assegna loro la responsabilità di riferire alla classe sul sistema che hanno esplorato.

I team dovrebbero sperimentare tutte o alcune delle seguenti combinazioni di lenti:

• Convesso + Convesso
• Concavo + Concavo
• Convesso + Concavo
• Compila PRIMA l'ultima parte del grafico KWL
• Chiedi agli studenti di pianificare il loro esperimento, disegnare la loro configurazione e creare una tabella di dati in cui registrare i risultati. In alternativa, disegna alla lavagna la disposizione dell'attrezzatura e distribuisci una tabella dati a ciascuna squadra.
• Una volta che i team hanno dimostrato un piano appropriato per i loro esperimenti, fornisci loro gelatina e strumenti.
• Assicurati che gli studenti esplorino l'effetto delle combinazioni di lenti E l'effetto della modifica della distanza tra le lenti.
• Attira l'attenzione sugli effetti delle diverse combinazioni di lenti sul comportamento della luce.
• Attira l'attenzione sugli effetti della modifica della distanza tra le lenti sul comportamento della luce.
• Circola per tutta la stanza per osservare gli studenti. Se appropriato, coinvolgere i team in una discussione delle loro procedure sperimentali, misurazioni, osservazioni e risultati. Aiutali a collegare i loro metodi ai loro risultati.
• (Facoltativo) Chiedi agli studenti di creare "diagrammi dei raggi" per lenti come quella mostrata qui.

Riassunto e Riflessione

Concludi gli esperimenti eseguiti dagli studenti. Come classe, esamina il comportamento della luce mentre passa attraverso varie coppie di lenti e l'effetto della modifica della distanza tra le coppie di lenti.

• Se necessario, concedi agli studenti il ​​tempo di rivedere e completare il lavoro del passaggio precedente della lezione prima della presentazione.
• Chiedi alle squadre di condividere i loro risultati. Incoraggia gli studenti a fare riferimento a disegni e dati per spiegare le loro osservazioni e conclusioni.
• In classe, discutete di domande come:
  • Cosa succede al punto focale quando avvicini o allontani un obiettivo dall'altro? Dipende dalla combinazione di lenti che usi?
  • Cosa succede al punto focale di due lenti convesse
  • Cosa succede al punto focale di due lenti concave?
  • Cosa succede alle varie combinazioni di lenti diverse?
  • In che modo lavorare con due (o più) lenti si applica alla sfida finale di progettare un sistema di lenti per migliorare la visione di un paziente?
  • Quali combinazioni di lenti pensi miglioreranno la vista per un paziente miope?
  • Quale combinazione di lenti pensi migliorerà la vista per un paziente lungimirante?

OPTIONAL

• Sperimenta con ulteriori combinazioni di lenti.
• Progetti di ricerca di vari strumenti che utilizzano lenti come telescopi, laser, microscopi e binocoli.

La sfida: progettare un sistema a 2 lenti per correggere un problema di vista (45-60 min)

Sommario

Questa attività è focalizzata sull'accompagnare gli studenti attraverso un processo per creare un sistema di lenti che corregga un problema di vista. L'obiettivo della lezione di attività non è progettare l'obiettivo perfetto, ma capire cosa serve per risolvere un problema con il processo di ingegneria. Concedi un sacco di tempo e alcuni confini strutturati per consentire alla scoperta di motivare l'esplorazione!

Conoscenze e competenze precedenti

• La luce viaggia in linea retta finché non colpisce un oggetto o viaggia da un mezzo all'altro
• Tutto ciò che vediamo è il risultato della luce che entra nei nostri occhi; la maggior parte di quella luce si riflette
• Quando la luce passa da un mezzo all'altro (cioè attraverso una lente), la luce viene piegata o rifratta
• La forma e il materiale della lente influenzano il modo in cui la luce si piega
• L'occhio contiene una lente che focalizza la luce sulla retina. La visione chiara dipende dalla capacità della lente dell'occhio di piegare la luce che entra nell'occhio in modo che l'immagine si formi specificamente sulla retina

Facilitare l'attività:

• Rivedi e fai riferimento alla tabella KWL degli studenti
• Distribuisci un set di Light Blox con i tappi a fessura ON e due lenti in gelatina modellate (una convessa e una concava) a ciascun gruppo di 3 studenti.
• Mostra agli studenti come accendere le luci e concedi loro 3-5 minuti per esplorare come la luce si muove attraverso le lenti.
• Distribuisci la sagoma di un occhio con una visione "normale". Chiedi agli studenti di posizionare la lente convessa modellata "dentro" l'occhio per vedere che la luce arriva a un punto focale sulla retina. Vedere chiaramente dipende dal punto focale che atterra in un punto specifico dell'occhio, chiamato retina.
• Successivamente, chiedi agli studenti di posizionare la lente convessa modellata sulla sagoma di un occhio ipermetrope che necessita di correzione della vista perché la luce atterra nel punto sbagliato. Nota dove si trova il punto focale. Questo non crea una buona visione!
• Chiedi loro di definire il problema e ipotizzare una soluzione... Cosa potrebbe "spostare" il punto focale in un'altra posizione. A questo punto, concedi agli studenti un po' di tempo con le lenti concave e convesse insieme in modo che possano scoprire che la lente concava sposta il punto focale.
• Quindi, dai a ciascun gruppo un quadrato (~ 4 "X 8") di gelatina semplice preparata a doppia forza e 3 tagliabiscotti rotondi di vari diametri.
• Spiega che con questa gelatina creeranno una SECONDA lente, per correggere il problema della vista. I materiali e gli strumenti a loro disposizione sono la gelatina, il coltello e i tagliabiscotti!
• Chiedi agli studenti prima di esercitarsi a creare lenti concave e convesse con i tagliabiscotti e la gelatina.
• Quindi chiedi agli studenti di costruire lenti usando le formine per biscotti, il coltello di plastica e la gelatina, che correggeranno i problemi di vista mostrati sui modelli.
• Mentre gli studenti creano, testano e migliorano il design delle loro lenti, si stanno impegnando negli elementi essenziali del processo di ingegneria utilizzando lenti e luce.

L'obiettivo è consentire agli studenti di capire che la luce può essere manipolata con le lenti e che, così facendo, possono risolvere i problemi. Sarà difficile ottenere l'obiettivo giusto. Per gli studenti più avanzati, puoi introdurre la lunghezza focale, il raggio di curvatura e l'indice di rifrazione come metodi matematici per creare soluzioni piuttosto che l'approccio "prova ed errore" che stanno utilizzando.

La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.

Diagrammi degli occhi

Connessioni Internet

• https://www.bbc.co.uk

Attività di scrittura

Quali altre applicazioni hanno le lenti nel nostro mondo?

Allineamento ai Curriculum Frameworks

Nota: Tutti i piani di lezione di questa serie sono allineati agli standard di informatica K-12 della Computer Science Teachers Association, ai Common Core State Standards for Mathematics degli Stati Uniti e, se applicabile, anche ai principi e agli standard per la matematica scolastica del National Council of Teachers of Mathematics, gli standard per l'alfabetizzazione tecnologica dell'International Technology Education Association e gli standard per l'educazione scientifica nazionale degli Stati Uniti, prodotti dal Consiglio nazionale delle ricerche.

Idee disciplinari di base 

∙ PS4.B: Radiazioni elettromagnetiche

o Il percorso della luce può essere tracciato come linee rette, tranne che sulle superfici tra diversi materiali trasparenti (ad es. aria e acqua, aria e vetro) dove il percorso della luce si piega tra i media. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Definizione e delimitazione dei problemi di ingegneria

o Quanto più precisamente i criteri ei vincoli di un compito di progettazione possono essere definiti, tanto più è probabile che la soluzione progettata avrà successo. La specificazione dei vincoli include la considerazione dei principi scientifici e di altre conoscenze pertinenti che potrebbero limitare le possibili soluzioni (MS-ETS1-1)

ETS1.B: sviluppo di possibili soluzioni

o Una soluzione deve essere testata e poi modificata sulla base dei risultati del test per migliorarla. MS-ETS-4)

Scienze e pratiche ingegneristiche 

Definire un problema di progettazione che può essere risolto attraverso lo sviluppo di un oggetto, strumento, processo o sistema e include criteri e vincoli multipli, inclusa la conoscenza scientifica che può limitare le possibili soluzioni. (MS-ETS1-1)

∙ Sviluppa e usa un modello per descrivere i fenomeni (MS-PS4-2)

∙ Analizzare e interpretare i dati per determinare somiglianze e differenze nei risultati. (MS ETS1-3)

Concetti trasversali

∙Struttura e funzione

o Le strutture possono essere progettate per svolgere funzioni particolari tenendo conto delle proprietà dei diversi materiali e del modo in cui i materiali possono essere modellati e utilizzati (MS PSR-2)

o Le strutture possono essere progettate per svolgere funzioni particolari

Foglio di lavoro per studenti n. 1: Grafico KWL

Nome dello studente Data

Infermieri, medici e ingegneri lavorano insieme per progettare e costruire occhiali e altri strumenti che migliorano la vista. In questa sfida progetterai un sistema di lenti per migliorare la visione di un paziente.

Cosa devi sapere sull'occhio umano e sulle lenti per aiutare a migliorare la vista di qualcuno?

Usa l'organizzatore grafico KWL di seguito per elencare ciò che sai, vuoi sapere e hai imparato a progettare occhiali per migliorare la vista di qualcuno

Foglio di lavoro per studenti 2: materiali e allestimento sperimentale

Nome dello studente Data

Per completare la sfida progettuale alla fine di questa unità, non avrai bisogno di sapere come orientare gelatina e luci per osservare il percorso della luce mentre passa dalla sorgente luminosa attraverso un pezzo di gelatina

Usando parole e/o disegni, descrivi e documenta il percorso della luce mentre attraversa la gelatina: o Con la gelatina stesa sul tavolo o Con la gelatina NON appoggiata sul tavolo

• 1 raggio con Light Blox seduto sul lato più largo
• 1 raggio con Light Blox seduto sul lato più stretto
• 3 raggi contemporaneamente

Foglio di lavoro per studenti 3: Ray Tracing

Usando parole e disegni, registra il percorso di un singolo raggio di luce mentre passa dalla sorgente luminosa attraverso un lato di una lente all'altro lato di un pezzo di gelatina; e trarre conclusioni su come la luce viaggia attraverso un pezzo di gelatina con a

• Superficie piana/dritta
• Superficie curva
• Descrivi, dimostra e registra il percorso della luce mentre passa attraverso una lente convessa e concava (usando 3 luci)
• Identificare e definire: lente concava, raggio incidente convessa, raggio rifratto

  Foglio di lavoro per studenti 4: modello di occhio