스캐닝 프로브 현미경이 되어보세요 - IEEE에서 제공하는 TryEngineering.org

스캐닝 프로브 현미경이 되십시오

이 단원에서는 이러한 현미경이 나노 수준에서 재료의 표면을 측정하는 방법을 탐구합니다. 학생들은 팀을 이루어 SPM(Scanning Probe Microscopes)에 대해 배운 다음 연필을 사용하여 볼 수 없는 물체의 모양을 시각적으로 느끼도록 합니다. 연필을 통한 촉각을 바탕으로 학생들은 SPM의 기능을 모방합니다. 그들은 마음이 “본” 것을 그립니다.

나노기술에 대해 알아보세요.
스캐닝 프로브 현미경에 대해 알아보십시오.
엔지니어링이 사회의 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보십시오.

연령 수준 : 8-12

재료 및 준비

빌드 재료(팀별)

수업에 필요한 자료

바닥에 물건이 부착된 상자(자, 종이컵, 벽돌, 과일 조각)
눈을 가리거나 상자에 구멍을 뚫어 학생들이 상자 안에 무엇이 있는지 보지 않고 손과 연필이 들어갈 수 있도록 합니다.

팀에 필요한 자료

서
펜
연필
인터넷 액세스, 선택 사항

엔지니어링 디자인 챌린지

디자인 도전

당신은 연필 탐침을 사용하여 상자 안에 있는 두 개의 다른 물체를 (물체를 보지 않고) "느끼는" 도전을 받은 엔지니어 팀입니다. 다음으로, "본" 것을 그리고 팀이 상자 안의 물체가 무엇인지에 대해 동의하게 될 것입니다. 그런 다음 팀은 귀하가 동의한 대상을 보여주는 상세한 도면을 개발합니다.

기준

사물을 "느끼려면" 연필을 사용해야 합니다.
물체를 볼 수 없어야 함(눈가리개 또는 손과 연필에 맞게 상자에 구멍이 뚫린 것)

제약

제공된 재료만 사용하십시오.

활동 지침 및 절차

소요 시간: 45분 세션 XNUMX~XNUMX회.

수업을 2-4명의 팀으로 나눕니다.
Be a Scanning Probe Microscope 워크시트를 나눠줍니다.
배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다. 학생들에게 너무 작아서 볼 수 없는 것의 표면을 엔지니어가 어떻게 측정하는지 생각해 보라고 합니다. 인터넷을 사용할 수 있는 경우 가상 현미경(http://virtual.itg.uiuc.edu).
엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
각 팀에 자료를 제공합니다.
학생들은 연필을 사용하여 상자 안에 있는 두 개의 서로 다른 물체를 “느껴야” 한다고 설명합니다(눈가리개). 다음으로, 그들은 "본" 것을 그리고 팀이 상자 안의 물건이 무엇인지에 대해 동의할 것입니다. 마지막으로 팀은 합의한 대상을 보여주는 세부 도면을 개발합니다.
활동을 완료하는 데 필요한 시간을 알립니다(1시간 권장).
타이머나 온라인 스톱워치(카운트다운 기능)를 사용하여 시간을 잘 지키십시오. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). 학생들에게 정기적인 "시간 확인"을 하여 과제를 계속 수행하도록 합니다. 그들이 어려움을 겪고 있다면 더 빨리 해결책을 찾을 수 있는 질문을 하십시오.
학생들에게 다음을 수행하도록 지시합니다.
- 팀의 각 학생은 연필 탐침을 사용하여 상자에 있는 물건을 식별하기 위한 모양을 결정합니다. 눈가리개를 하거나 상자에 구멍을 뚫어서 상자 안의 내용물을 보지 않고도 손과 연필이 안에 들어갈 수 있습니다.
- 연필 끝만 사용하여 상자 바닥의 내용물이나 표면적을 검사합니다.
- 마음으로 감지하는 물체의 높이, 모양, 전체 크기를 추적하십시오.
- 다음으로, 종이에 "본" 것을 그립니다. 상자에 무엇이 들어 있는지 결정하는 데 도움이 되도록 평면도와 측면도를 고려할 수 있습니다.
- 팀의 각 학생이 조사를 마치면 함께 작업하고 상자에 무엇이 들어 있는지 그림과 의견을 공유하십시오. 팀으로 합의를 도출하고 대상의 추정된 측정값을 포함하는 최종 도면을 개발합니다.
팀은 귀하의 아이디어, 도면 및 측정치를 학급에 발표하고 다른 팀의 발표를 듣습니다. 그들은 실제 크기와 모양을 결정하는 데 팀이 얼마나 근접했는지 비교해야 합니다.
학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.

선택적 확장 활동

학생들에게 한 손으로 종이에 동시에 그림을 그리면서 상자에서 "느끼는" 것을 반영하게 합니다.

학생 성찰(엔지니어링 노트)

팀이 물체를 식별하는 데 모양이 얼마나 정확했습니까? 상자에서 무엇을 찾았습니까?
당신의 팀은 상자에 들어 있는 물체의 실제 크기를 얼마나 정확하게 결정했습니까?
상자에 들어 있는 물체의 실제 크기에서 추정한 크기는 몇 퍼센트나 차이가 났습니까?
탐침으로 상자 안을 "보는" 데 걸린 시간이 결과의 정확성에 영향을 미쳤다고 생각하십니까?
팀으로 작업하는 것이 이 프로젝트를 더 쉽게 또는 더 어렵게 만들었다고 생각하십니까? 왜요?

시간 수정

수업은 고학년 학생의 경우 1회 수업 시간에 완료할 수 있습니다. 그러나 학생들이 서두르지 않도록 하고 학생의 성공을 보장하기 위해(특히 어린 학생의 경우) 수업을 두 기간으로 나누어 학생들에게 브레인스토밍, 아이디어 테스트 및 디자인을 완성할 더 많은 시간을 제공합니다. 다음 수업 시간에 테스트 및 보고를 수행합니다.

엔지니어링 설계 프로세스

배경 개념

나노기술이란?

적혈구가 정맥을 통해 이동할 때 그 움직임을 관찰할 수 있다고 상상해 보십시오. 나트륨과 염소 원자가 실제로 전자를 전달하고 염 결정을 형성하거나 물 냄비에서 온도가 상승함에 따라 분자의 진동을 관찰할 수 있을 만큼 충분히 가까워짐에 따라 관찰하는 것은 어떻습니까? 지난 수십 년 동안 개발 및 개선된 도구 또는 '범위'로 인해 이 단락의 시작 부분에 있는 많은 예와 같은 상황을 관찰할 수 있습니다. 분자 또는 원자 규모에서 물질을 관찰, 측정 및 조작하는 이러한 능력을 나노기술 또는 나노과학이라고 합니다. 우리에게 나노 "무언가"가 있다면 그 중 1억 분의 10이 있습니다. 과학자와 엔지니어는 미터 길이), 초(시간), 리터(부피) 및 그램(질량)을 비롯한 많은 "무언가"에 nano 접두사를 적용하여 매우 적은 양을 이해할 수 있는 수준으로 나타냅니다. 대부분 나노는 길이 척도에 적용되며 우리는 나노미터(nm)를 측정하고 이야기합니다. 개별 원자는 직경이 1nm보다 작으며, 약 100개의 수소 원자를 연속으로 사용하여 길이 1000nm의 선을 만듭니다. 다른 원자는 수소보다 크지만 직경은 여전히 나노미터 미만입니다. 전형적인 바이러스는 직경이 약 XNUMX nm이고 박테리아는 머리에서 꼬리까지 약 XNUMX nm입니다. 이전에 보이지 않았던 나노 규모의 세계를 관찰할 수 있게 해 준 도구는 원자력 현미경과 주사 전자 현미경입니다.

얼마나 큰 것이 작은가?

나노 스케일에서 사물이 얼마나 작은지 시각화하는 것은 어려울 수 있습니다. 다음 연습은 얼마나 클 수 있는지 시각화하는 데 도움이 될 수 있습니다! 볼링 공, 당구 공, 테니스 공, 골프 공, 대리석, 완두콩을 생각해 보십시오. 이러한 항목의 상대적 크기에 대해 생각해 보십시오.

주사 전자 현미경

주사형 전자현미경은 샘플 표면을 래스터 스캔 패턴으로 고에너지 전자빔으로 스캔하여 이미지를 생성하는 특수한 유형의 전자 현미경입니다. 래스터 스캔에서 이미지는 "스캔 라인"으로 알려진 일련의 (일반적으로 수평) 스트립으로 잘립니다. 전자는 샘플을 구성하는 원자와 상호 작용하고 표면의 모양, 구성, 심지어 전기를 전도할 수 있는지 여부에 대한 데이터를 제공하는 신호를 생성합니다. 주사 전자 현미경으로 찍은 많은 이미지는 다음에서 볼 수 있습니다. www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

원자력 현미경

나노 스케일의 이미징

나노 스케일에서 재료의 표면이 어떻게 보이는지 "보기" 위해 엔지니어는 물체의 표면이 어떻게 작동하는지 탐구하는 다양한 장치와 시스템을 개발했습니다. www.dartmouth.edu/~emlab/gallery의 Dartmouth Electron Microscope Facility에서 많은 이미지를 볼 수 있습니다.

원자력 현미경

Atomic Force Microscope는 특별한 유형의 SPM(Scanning Probe Microscope)으로, 프로브를 사용하여 피사체 표면을 만지거나 이동하여 정보를 수집합니다. 분해능은 나노미터의 일부로 매우 높습니다. 원자현미경은 1982년 IBM에서 발명되었으며 최초의 상용 원자간력 현미경은 1989년에 소개되었습니다. 원자현미경은 나노 규모의 모든 것을 측정하고 이미징하는 데 가장 중요한 도구 중 하나로 남아 있습니다. 샘플의 XNUMX차원 그림이나 지형을 매우 정확하게 개발할 수 있으며 많은 응용 분야가 있습니다. 눈을 감고 연필 끝을 사용하여 상자에 어떤 물체가 있는지 알아내는 것을 상상할 수 있다면 이러한 유형의 현미경이 어떻게 작동하는지 상상할 수 있습니다! Atomic Force Microscope의 한 가지 장점은 특별한 환경이 필요하지 않으며 일반적인 환경이나 액체에서도 잘 작동한다는 것입니다. 이를 통해 고분자 수준에서 생물학을 탐구하거나 살아있는 유기체를 검토할 수 있습니다.

심화를 파

인터넷 연결

추천 도서

스캐닝 프로브 현미경: 팁에 대한 연구실(물리학의 고급 텍스트)(ISBN: 978-3642077371)
스캐닝 프로브 현미경(ISBN: 978-3662452394)

쓰기 활동

나노기술을 통한 발전이 의료 및 의학 분야에 어떤 영향을 미쳤는지에 대한 에세이 또는 단락을 작성하십시오.

커리큘럼 조정

커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정

참고 : 이 시리즈의 수업 계획은 다음 표준 세트 중 하나 이상에 맞춰져 있습니다.

S. 과학 교육 기준(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
S. 차세대 과학 표준(http://www.nextgenscience.org/)
국제 기술 교육 협회의 기술 문해력 기준(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
S. 전국 수학 교사 협의회의 학교 수학 원칙 및 표준(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
S. 수학에 대한 공통 핵심 국가 표준(http://www.corestandards.org/Math)
컴퓨터 과학 교사 협회 K-12 컴퓨터 과학 표준(http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

국가 과학 교육 기준 K-4학년(4-9세)

내용 표준 A: 탐구로서의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은

과학적 탐구에 필요한 능력
과학적 탐구에 대한 이해

내용 표준 B: 물리학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

물체 및 재료의 속성
물체의 위치와 움직임

콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술

활동의 결과로 모든 학생들은

기술 설계 능력

내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

지역 문제의 과학 기술

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

인간의 노력으로서의 과학

국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)

내용 표준 A: 탐구로서의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은

과학적 탐구에 필요한 능력
과학적 탐구에 대한 이해

내용 표준 B: 물리학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

물질의 성질과 성질의 변화

콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술

5-8학년 활동의 결과로 모든 학생들은

기술 설계 능력
과학 기술에 대한 이해

내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

사회의 과학 기술

국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

인간의 노력으로서의 과학
과학의 본질

국가 과학 교육 기준 9-12학년(14-18세)

내용 표준 A: 탐구로서의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은

과학적 탐구에 필요한 능력
과학적 탐구에 대한 이해

내용 표준 B: 물리학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

물질의 구조와 성질

콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술

활동의 결과로 모든 학생들은

기술 설계 능력
과학 기술에 대한 이해

내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

지역, 국가 및 글로벌 과제의 과학 및 기술

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

인간의 노력으로서의 과학
과학적 지식의 본질
역사적 관점

차세대 과학 표준 2-5학년(7-11세)

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

물질과 그 상호작용

5-PS1-1. 물질이 너무 작아서 볼 수 없는 입자로 이루어져 있음을 설명하는 모델을 개발하십시오.
5-PS1-3. 관찰 및 측정을 수행하여 특성을 기반으로 재료를 식별합니다.

기술 문해력 표준 – 모든 연령대

기술의 본질

표준 1: 학생들은 기술의 특성과 범위에 대한 이해를 발전시킵니다.
표준 2: 학생들은 기술의 핵심 개념에 대한 이해를 발전시킵니다.
표준 3: 학생들은 기술 간의 관계 및 기술과 다른 연구 분야 간의 연결에 대한 이해를 개발합니다.

기술과 사회

표준 4: 학생들은 기술의 문화적, 사회적, 경제적, 정치적 효과에 대한 이해를 발전시킵니다.
표준 6: 학생들은 기술 개발 및 사용에서 사회의 역할에 대한 이해를 개발합니다.
표준 7: 학생들은 역사에 대한 기술의 영향에 대한 이해를 발전시킬 것입니다.

기술 세계를 위한 능력

표준 13: 학생들은 제품 및 시스템의 영향을 평가하는 능력을 개발합니다.

학생용 워크 시트

스캐닝 프로브 현미경이 되어보세요!

연구 단계

교사가 제공한 자료를 읽으십시오. 인터넷에 액세스할 수 있는 경우 http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/ 웹 사이트의 자습서도 보십시오. 스캐닝 프로브 현미경이 어떻게 작동하는지 설명하고 이 활동을 통해 유사한 작업을 수행하는 방법을 이해하는 데 도움이 됩니다.

그것을 밖으로 시도!

팀의 각 학생은 연필 탐침을 사용하여 교대로 모양을 결정하거나 상자에 들어 있는 물체를 식별합니다. 눈가리개를 하거나 상자에 구멍을 뚫어서 상자 안의 내용물을 보지 않고도 손과 연필이 안에 들어갈 수 있습니다.

연필 끝만 사용하여 상자 바닥의 내용물이나 표면적을 검사합니다. 마음으로 감지하는 물체의 높이, 모양, 전체 크기를 추적하십시오.

다음으로, 종이에 "본" 것을 그립니다. 상자에 무엇이 들어 있는지 결정하는 데 도움이 되도록 평면도와 측면도를 고려할 수 있습니다.

팀의 각 학생이 조사를 마치면 함께 작업하고 상자에 무엇이 들어 있는지 그림과 의견을 공유하십시오. 팀으로 합의를 도출하고 대상의 추정된 측정값을 포함하는 최종 도면을 개발합니다.

발표 및 반영 단계

아이디어, 그림 및 측정값을 학급에 발표하고 다른 팀의 발표를 듣습니다. 실제 크기와 모양을 결정할 때 귀하의 팀 또는 다른 팀이 얼마나 근접했는지 확인하십시오. 그런 다음 반사 시트를 완성합니다.

반사

아래의 성찰 질문을 완료하십시오.