광학에 대한 눈

키트

• 활동 자료가 포함된 키트는 다음에서 찾을 수 있습니다. https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

개요

• 학생용 워크시트 1: KWL 차트 – 활동 5에서 다시 사용하기 위해 저장
• 정상, 원시 및 근시 눈 도표/유인물
• 안경

활동 1

• 학생용 워크시트 #2: 재료 및 실험 설정
• 준비된 젤라틴 슬라브(아래 레시피 참조)
• 라이트 블록 세트(https://laserclassroom.com/light-blox/) 또는 레이저 블록(https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• 원형 쿠키 커터 세트
• 플라스틱 칼

활동 2

• 학생용 워크시트 #3: 레이 트레이싱
• 준비된 젤라틴 모양
  • 성형 볼록 렌즈
  • 성형 오목 렌즈
  • 젤라틴 정사각형(~ 3" X 3")
  • 젤라틴 원(~3" 직경)
• 라이트 블록 세트(https://laserclassroom.com/light-blox/) 또는 레이저 블록(https://laserclassroom.com/laser-blox/)

활동 3

• 팀당 젤라틴 슬라브 1개 준비
• 팀당 원형 쿠키커터 1세트
• 팀당 플라스틱 칼 1개

활동 4

• 팀당 젤라틴 슬라브 1개 준비
• 팀당 원형 쿠키커터 1세트
• 팀당 플라스틱 칼 1개

활동 5

• 학생용 워크시트 # 1
• 팀당 젤라틴 슬라브 1개 준비
• 팀당 원형 쿠키커터 1세트
• 팀당 플라스틱 칼 1개

활동 6

• 팀당 젤라틴 슬라브 1개 준비
• 팀당 원형 쿠키커터 1세트
• 팀당 플라스틱 칼 1개
• 눈 템플릿
• 참조용 KWL 차트

디자인 도전

• 라이트 블록 세트
• 몰드 렌즈 세트 - 하나의 오목 및 하나의 볼록
• 젤라틴 석판
• 플라스틱 칼
• 쿠키 커터
• 눈 템플릿
• 워크시트 #1에서 완성된 KWL 차트

젤라틴 레시피:

• 다음 레시피는 약 XNUMX개의 큰 디스크에 충분한 젤을 만듭니다.
  • 4 컵 물
  • 녹스 오리지널 젤라틴 8봉지
  • 1" x 9" x 7" 크기의 컨테이너 2개
  • 끓인 물. 녹스 오리지널 젤라틴 4봉(또는 물과 젤라틴의 비율은 8:1)에 끓는 물 2컵을 섞어주세요.
• 활동 #2를 위해 혼합물을 렌즈 몰드 트레이에 붓습니다.
• 다른 모든 활동의 경우, 액체의 깊이가 최소 0.75인치가 되도록 혼합물을 용기에 붓습니다. 젤라틴을 냉장고에 밤새 두어 굳힙니다.

소스

• 대형 재활용 쓰레기통 또는 상자에 담긴 다양한 깨끗하고 건조한 재활용품(플라스틱, 유리, 금속/알루미늄 캔, 종이)
• 긴 테이블 또는 몇 개의 짧은 테이블을 함께 배치

방법

긴 테이블(또는 몇 개의 짧은 테이블을 함께 배치)에 디자인을 놓고 디자인에 재활용품을 추가하고 각 디자인에서 재활용품을 별도의 쓰레기통에 얼마나 잘 분류하는지 문서화합니다.

디자인 도전

당신은 환자의 시력을 개선하기 위해 렌즈 시스템을 설계해야 하는 과제를 안고 있는 엔지니어 팀의 일원입니다. 렌즈와 인간의 눈의 광학에 대해 배우기 위해 6가지 활동을 완료합니다.

기준

• 환자의 시력을 개선하기 위한 시스템을 설계하고 스케치합니다.

제약

• 제공된 재료만 사용하십시오.

수업에는 45-60분 수업 시간이 XNUMX회 필요합니다.

챌린지 소개

요약
이 수업은 학생들이 질문을 하고, 주도권을 잡고, 창의적으로 생각하도록 격려하는 개방형 프로젝트인 디자인 챌린지로 마무리됩니다. 엔지니어링 및 설계 과제는 과학적 프로세스를 사용하고 기술적 지식과 기술을 개발하며 현대 사회에서 성공하기 위한 맥락과 의미를 제공합니다.

이 디자인 챌린지를 소개하기 위해 학생들은 환자의 시력을 개선하기 위한 렌즈 시스템을 설계하는 목표를 제시하고, 학생들은 도전 과제를 해결하기 위해 렌즈의 광학 및 인간의 눈에 대해 알고 필요한 사항을 식별합니다.

배경 기술 및 지식

• 광원(또는 물체)에서 눈으로 가는 빛의 경로(선택 활동: 교실 동굴)
• 인간의 눈으로 들어오는 빛의 경로: 망막과 초점
• 선택 활동 – 자신의 비전으로 실험

활동 설정

학생들을 2명 또는 3명으로 구성된 팀으로 나눕니다. 렌즈와 인간의 눈의 구조와 기능에 대한 브레인스토밍 세션의 무대를 마련합니다.

안경을 들어보세요.

학생들에게 안경이 시력 향상에 어떻게 작용하는지 설명하게 하십시오. 학생들이 자신을 보다 완벽하게 표현하는 데 도움이 된다면 디자인을 스케치하게 하십시오.

이 수업은 디자인 챌린지로 끝난다고 반원들에게 설명합니다. 학생 팀이 환자의 시력을 향상시키기 위해 렌즈 시스템을 설계할 것이라고 설명합니다. 그들은 환자의 눈 모델을 받고 환자의 시력을 향상시키기 위한 렌즈 세트를 설계하는 임무를 맡게 될 것이라고 설명합니다.

팀은 렌즈를 설계하고 테스트하는 동안 수집한 데이터를 기반으로 설계 결정을 설명해야 한다고 설명합니다.

학급 토론을 하십시오 – 학생들에게 질문하십시오:

• 안경은 어떻게 작동합니까?
• 안경은 어떻게 눈과 결합하여 시력을 개선합니까?
• 안경의 종류가 다른가요? 그렇다면 어떻게 다르며 그 이유는 무엇입니까?
• 의사는 어떤 유형의 렌즈가 시력을 향상시킬 수 있는지 어떻게 알아낼 것이라고 생각합니까?

수업 촉진

정상 눈, 원시 및 근시 눈의 이미지를 화면에 투사하거나 이러한 이미지가 있는 팀에 유인물을 배포합니다.

학급에서 이미지 간의 차이점을 조사하고 토론합니다. 학생들이 다음 사항을 이해하고 참고할 수 있도록 돕습니다.

• 그림에 나타난 눈의 구조를 파악하고 기본적인 기능을 이해한다.
• 눈의 수정체는 전체적으로 동일합니다.
• 수정체에서 망막까지의 거리는 눈마다 다릅니다.
• 망막은 모든 눈의 동일한 위치에 있습니다.
• 전체적으로 눈의 모양이 다르기 때문에

시나리오 챌린지와 학생용 워크시트 #1, KWL 차트를 학생들에게 배포합니다. 학급에서 시나리오를 읽고 검토합니다. 학생들이 짝을 지어 KWL을 완성하도록 합니다.

요약 및 반성

학급에서 시나리오를 검토하고 자원 봉사자에게 KWL 그래픽 구성자와 공유하도록 요청하고 디자인 챌린지에 대한 학생들의 이해도를 평가합니다.

학생들에게 다음과 같은 질문을 합니다.

• 주어진 디자인 과제를 자신의 말로 어떻게 설명하시겠습니까?
• 시력 개선을 위한 렌즈 시스템을 설계하기 위해 알아야 할 사항은 무엇이라고 생각하십니까?
• 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 인간의 눈과 시력에 대해 이미 무엇을 이해하고 있습니까?
• 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 렌즈의 특성에 대해 이미 무엇을 이해하고 있습니까?
• 디자인 과제를 해결하기 위해 무엇을 배워야 한다고 생각하십니까?

활동 1: 빛과 젤라틴으로 탐구하기 (45-60분)

요약

이 활동의 ​​목표는 학생들이 광원을 떠나 젤라틴을 통과한 다음 젤라틴 밖으로 나갈 때 빛의 경로를 관찰하고 기록하는 가장 효과적인 방법을 찾고 기록하는 것입니다.

학생들은 재료를 탐색 및 작업하고 관찰을 하고 공유하며 젤라틴 모양과 빛의 관계에 대한 기초적인 이해를 구축할 수 있는 개방형 기회를 갖게 됩니다. 이 개방형 탐구는 시력 향상을 위한 렌즈 시스템 설계의 최종 과제를 해결하는 데 유용한 창의성과 문제 해결을 장려합니다.

학습 결과

이 활동의 ​​결과로 학생들은 다음을 할 수 있습니다.

• 광원에서 젤라틴 조각을 통과할 때 빛의 경로를 관찰하기 위해 젤라틴과 조명의 방향을 지정합니다.
• 젤라틴을 통과하는 빛의 경로를 설명하고 문서화하십시오.

o 젤라틴을 테이블에 평평하게 놓은 상태에서

o 젤라틴을 테이블에 평평하게 놓지 않은 상태에서

o Light Blox가 더 넓은 쪽에 있는 빔 1개

o Light Blox가 좁은 쪽에 ​​있는 빔 1개

o 한 번에 3개의 빔

사전 지식 및 기술

활동 1을 시작하기 전에:

• 학생들은 이 수업이 끝날 때 디자인 챌린지를 이해해야 합니다. 위의 "도전 소개" 섹션을 참조하십시오.
• 탐구 활동의 가장 중요한 목표 소개: 빛이 광원을 떠나 젤라틴을 통과한 후 젤라틴 밖으로 나갈 때의 경로를 관찰하고 기록하는 가장 효과적인 방법을 찾아 문서화합니다.

다음을 측정하고 기록하는 방법을 시연/모델링합니다.

• 학생들에게 재료 세트를 보여주고 쿠키 커터와 플라스틱 칼을 사용하여 다양한 모양의 젤라틴 조각을 만드는 방법을 보여줍니다.
• 학생들에게 각 표면을 통해 빛을 비추도록 모양을 조작하는 방법을 보여줍니다.
• 학생들에게 젤라틴을 통과하는 빛의 방향을 두 가지 다른 방법으로 보여줍니다.

활동 촉진

창의성, 탐색 및 문서화 장려

• 재료 탐색 및 실험 모델
• 학생용 워크시트 #2를 나눠주고 관찰 기록 방법을 모델링합니다.
• 문서화 방법 시연:
  • 젤라틴 조각의 크기와 모양
  • 젤라틴과 빛의 방향
  • Light Blox가 젤라틴을 통과한 후 젤라틴 밖으로 나갈 때 시작하는 광선의 전체 경로
  • 팀을 만들고 리소스를 배포합니다. 각 팀이 절단, 쿠키 커터, 플라스틱 칼, Light Blox(또는 기타 광원), 종이 한 장 및 녹음 자료를 위한 "젤라틴 조각"에 액세스할 수 있는지 확인합니다.
• 안전하고 가능한 경우 조명을 어둡게 하십시오.
• 학생들이 장비를 준비하고 정리하는 동안 팀을 관찰하기 위해 교실 전체를 순환합니다.
• 학생들이 작업하는 동안 관찰하면서 교실 전체를 순환합니다. 팀이 작업할 때 젤라틴을 통해 Light Blox를 빛나게 하려는 그들의 노력을 관찰하고 장비 관리 및 설정에 어려움을 겪는 개인 또는 팀을 도우십시오.
• 적절한 경우, 학생들이 자신의 활동에 대해 토론하도록 합니다. 학생들에게 장비를 배열하고, 모양을 자르고, 조명을 배치하고, 관찰한 내용을 기록하고, 관찰 내용을 이해하는 방법에 대한 개방형 질문을 합니다.
• 적절한 경우 수업을 중단하여 한 팀 이상의 작업을 다른 팀과 공유합니다. 이러한 중단을 사용하여 창의적인 디자인, 조명을 정렬하는 방법, 젤라틴과 스크린, 기록 보관 및 팀워크를 포함하되 이에 국한되지 않는 탐색의 긍정적인 예를 강조합니다.

이 기간 동안 학생들에게 후속 토론에서 참조할 작업에 대한 자세한 기록을 보관하도록 상기시킵니다.

요약 및 반영

활동을 마무리하고 팀이 작업을 공유하도록 격려하며 결과에 대한 결론을 도출합니다.

• 학급에서 학생들의 발견에 대해 토론할 때
  • 젤라틴을 통과할 때 빛의 경로를 관찰하기 위해 젤라틴과 조명의 방향을 가장 잘 맞추는 방법
  • 젤라틴을 통과할 때 젤라틴의 모양이 빛의 경로에 미치는 영향
  • 미래에는 인간의 시력을 향상시키기 위해 렌즈 시스템을 설계하게 될 것임을 기억하십시오. 오늘 이 도전에 적용되는 무엇을 하고 무엇을 배웠습니까?
  • 한 학급에서 빛이 광원을 떠나 젤라틴을 통과한 다음 젤라틴 밖으로 나갈 때의 경로를 추적하는 절차에 동의합니다.

무슨 일이야? 굴절 정의 및 추가 정보 참조. 선택 사항: 운동 감각 굴절 활동 http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

활동 2: 렌즈 모양 실험 (45-60분)

요약

학생들은 과학적 과정을 사용하여 성질의 빛과 렌즈의 모양(오목, 볼록, 정사각형, 원) 사이의 관계.

학습 결과

이 활동의 ​​결과로 학생들은 광원에서 렌즈의 한쪽 면을 통해 젤라틴 조각의 다른 면으로 통과하는 단일 광선의 경로를 기록할 수 있습니다. 빛이 젤라틴 조각을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 결론을 도출합니다.

• 평면/직선 표면
• 곡면
• 빛이 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 모두 통과할 때의 경로를 설명하고 시연하고 기록합니다(3개의 조명 사용).
• 식별 및 정의: 오목 렌즈, 볼록 렌즈 입사 광선, 굴절 광선

사전 지식 및 기술

활동 시작 시 검토:

• 젤라틴과 조명의 방향을 지정하는 방법(이전 활동에서)
• 젤라틴을 통과하는 빛의 경로를 기록하는 방법(이전 활동에서)

활동 설정

스테이션 4개 설정

• 3 라이트 블럭과 젤라틴 원
• 3 라이트 블럭과 젤라틴 스퀘어
• 3개의 조명과 몰딩된 볼록 렌즈
• 3개의 조명과 몰딩된 오목 렌즈

실험을 시작하기 전에: 과학적 과정을 설명하십시오

• 빛과 렌즈에 대한 체계적인 연구를 장려합니다. 각 스테이션에서 학생들에게 적절한 레이블(입사 및 굴절 광선, 오목 또는 볼록 렌즈)을 포함하여 그림과 함께 관찰 내용을 문서화하게 합니다.
• 독립 변수와 종속 변수의 차이점
• 각 스테이션의 독립 변수와 종속 변수는 무엇입니까?
• 종속 변수는 렌즈 모양 – 오목 또는 볼록입니다.
• 가설 진술에서 결론 도출에 이르기까지 학생들이 따라야 하는 과학적 과정의 추가 단계입니다.
• 과학적 과정: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

다음을 측정하고 기록하는 방법을 시연/모델링합니다.

• 광원에서 렌즈까지의 위치 및 거리
• 종속 변수(렌즈의 모양)인 빛의 경로에 어떤 일이 발생합니까?
• 렌즈를 통과할 때 빛의 거동
• 시연하면서 어휘 검토
  • 입사 광선
  • 굴절된 광선
  • 오목렌즈
  • 볼록 렌즈
  • 초점

활동 촉진

• 학생용 워크시트 #3 나눠주기
• 이 활동에서 학생들은 다양한 유형의 렌즈가 빛의 거동에 미치는 영향을 보다 체계적이고 구체적으로 분석하기 위해 과학적 과정을 사용할 것이라고 설명합니다. 학생들에게 XNUMX개의 스테이션을 순환할 것이라고 설명합니다.
• 각 스테이션에서 한 종류의 렌즈를 통해 빛을 통과시키고 렌즈를 통과할 때 광선의 거동을 기록한다고 설명합니다.
• 학생들에게 각 스테이션에서 관찰한 내용을 그림과 레이블로 관찰하고 기록하도록 지시합니다.
  • 광원
  • 인시던트 레이
  • 굴절된 광선
  • 오목렌즈
  • 볼록 렌즈
  • 초점(이 시점에서 초점 거리를 소개하거나 초점과 시력 사이의 관계가 나타나지 않는 한 논의할 필요 없음)
  • 메모, 결론, 기타 관찰
• 학생들을 짝으로 나눕니다. 스테이션에 쌍을 할당합니다.
• 각 스테이션에서 보내는 시간에 대한 기대치를 설정하고 학생들이 각 스테이션에서 측정하고 기록하기를 기대하는 조명 및 렌즈 배열 수를 설정합니다.
• 팀이 자신의 노력을 관찰하기 위해 작업할 때 방 전체를 순환합니다. 팀이 장비를 설정하고, 종속 및 독립 변수를 식별하고, 결과를 측정, 기록 및 그릴 수 있도록 돕습니다.
• 적절한 경우 학생들과 실험 설정, 빛의 위치를 ​​측정하는 방법, 렌즈를 통과하고 들어오는 빛의 각도, 다음 스테이션으로 이동할 때 일정하게 유지할 변수에 대해 토론합니다. 그리고 다음 렌즈.
• 학생의 노력을 강조할 기회가 생기면, 관찰한 내용 중 일부에 대해 학급 토론을 합니다. 학생들에게 실험 설정, 결과 측정 및 기록 방법, 스테이션 간에 작업을 일관되게 유지하기 위한 계획을 동료에게 설명하게 합니다.
• 시간을 잘 지켜보세요. 다른 스테이션으로 이동하기 전에 학생들에게 조명을 재배열하고 측정할 수 있는 충분한 시간을 최소 XNUMX~XNUMX회 제공하십시오.
• 학생들이 다음 스테이션으로 돌아가기 5분 전에 "사전 경고"를 제공합니다. 현재 스테이션에서 작업을 완료하도록 알려주십시오.
• 남은 1-2분 동안 학생들에게 스테이션을 청소하고 스테이션을 찾았을 때의 상태(또는 더 나은 상태)로 복원하게 합니다. 시간이 허락한다면 다른 스테이션으로 회전하십시오. 그렇지 않은 경우 학생들이 다음 기간을 중단한 부분부터 다시 시작할 것이라고 설명합니다.

요약 및 반영

활동을 마무리하고 팀이 작업을 공유하도록 격려하며 결과에 대한 결론을 도출합니다.

• 학급에서 결과와 결론에 대해 토론하고 공유합니다.
  • 정사각형 대 원
  • 오목 렌즈는 렌즈 앞에 초점을 생성합니다.
  • 볼록 렌즈는 렌즈 뒤쪽에 초점을 생성합니다.
  • 렌즈의 중심에서 초점까지의 거리를 초점이라고 합니다.
  • 길이
  • 주소 어휘

활동 3: 나만의 렌즈 만들기 – 디자인 및 문서화 (45-60분)

요약

학생들은 방향 탐색에 참여하고 지금까지 배운 내용을 사용하여 다양한 크기(폭)의 오목 및 볼록 렌즈를 안정적으로 생성/설계하는 방법에 대한 프로세스를 문서화합니다.

학습 결과

이 활동의 ​​결과로 학생들은 다음을 할 수 있습니다.

• 원형 쿠키 커터로 젤라틴에서 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 모두 자르는 방법을 설명하고 시연하고 기록하십시오.
• 종속변수(렌즈 모양, 크기, 광원으로부터의 거리)가 변할 때 빛의 경로가 어떻게 행동하는지에 대한 증거로부터 결론을 도출하십시오.

활동에 앞서 소개, 토론 또는 검토

• 오목 및 볼록 렌즈
• 반복 가능한 프로세스를 문서화하는 방법 http://www.wikihow.com/Document-a-Process

활동 촉진

우리는 이 수업 시간에 학생들에게 방법을 명시적으로 보여주기보다 만들기 위한 모양을 보여주고 재료를 제공한 후 정해진 시간(15-20분) 동안 학생들이 고군분투할 수 있도록 하는 것이 좋습니다. 모양을 만듭니다. 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 모두 만드는 방법을 알게 되면 사용한 프로세스를 문서화할 것입니다.

이 문제는 이러한 종류의 렌즈에 대해 직관적이지 않은 기본 사항을 이해하기 위한 토대를 마련합니다. 즉, 원에서 파생됩니다. 렌즈의 속성을 설명하는 수학에 대한 고급 이해는 이러한 이해에 의존합니다. 이 간단한 실습 활동은 학생들에게 오목/볼록 렌즈와 원 사이의 관계에 대한 경험적이고 직관적인 경험을 제공합니다.

• 오늘의 과제 소개: 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 절단하는 방법에 대한 프로세스 문서화
  • 오목형: 2-3개의 다른 크기
  • 볼록: 2-3개의 다른 크기
• 각 학생 쌍에게 둥근 쿠키 커터 세트와 ~9" X 7" 젤라틴 조각을 제공합니다.
• 오목 및 볼록 렌즈를 디자인하기 위해 원형 쿠키 커터를 사용하는 반복 가능하고 신뢰할 수 있는 프로세스를 문서화하는 데 중점을 두고 학생 팀이 렌즈 모양을 자르는 실험을 할 수 있도록 15-20분을 허용합니다.
• 팀이 그들의 노력을 관찰하기 위해 작업할 때 방 전체를 순환합니다. 필요한 경우 팀이 장비를 설정하도록 돕습니다.

요약 및 반영

• 15-20분 후에 학생들을 멈추고 학생들의 작업에 대한 학급 토론을 합니다. 학생들에게 실험 설정과 과정을 문서화하는 방법을 동료들에게 설명하게 합니다.
• 학급에서 학생들의 발견과 입력을 기반으로 프로세스를 작성(문서화)합니다.

활동 4: 렌즈 크기(폭) 실험 (45-60분)

요약

마지막 수업 시간에 문서화된 프로세스를 사용하여 학생들은 데이터를 수집 및 기록하고 초점 거리에 대한 종속 변수(렌즈 너비)의 영향에 대한 결론에 도달하는 과학적 프로세스에 참여합니다. 이것은 질적입니다. 예를 들어 초점 거리가 길어지거나 짧아집니다.

렌즈의 크기(너비)와 광원에서 렌즈까지의 거리가 초점 거리에 미치는 영향을 이해하면 학생들이 최종 과제에 참여할 때 시력을 개선하기 위한 렌즈 시스템을 설계하는 데 도움이 됩니다.

• 학생들은 :
  • 디자인 :
    • 오목형: 2-3개의 다른 너비
    • 볼록: 2-3개의 다른 너비
  • 기록: 빔 경로 및 대략적인 초점 거리
    • 오목 렌즈: 2-3개의 다른 너비
    • 볼록 렌즈: 2-3개의 다른 너비
  • 렌즈의 너비와 초점 거리 사이의 질적 관계 결론
  • 용어 및 개념:
    • 광원
    • 초점 거리 – 렌즈 너비를 변경하면 초점 길이에 어떤 영향을 줍니까?

활동에 앞서 소개, 토론 또는 검토

• 독립 변수와 종속 변수의 차이점
• 오늘의 활동에서 어떤 변수가 독립 변수와 종속 변수입니까?
  • 렌즈의 너비와 렌즈에서 광원까지의 거리는 결과에 영향을 미치는 종속 변수입니다. 초점 거리
• 정의 초점 거리 과 간단히, 비전과의 관계.
  • 광원 = 물체(물체에서 눈으로 반사되는 빛)
  • 눈에 들어오는 빛은 선명한 이미지를 형성하기 위해 망막에 직접 초점을 맞춰야 합니다.
• 더 많은 수학을 소개하거나 초점 거리에 대해 더 자세히 알고 싶다면 Khan Academy가 참조할 수 있는 훌륭한 개요를 제공합니다.
  • 볼록한: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • 오목한: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

관찰, 측정 및 기록 방법 시연/모델링

• 오목 렌즈와 볼록 렌즈의 대략적인 초점 거리를 결정하는 방법
• 종속 변수(렌즈의 너비)인 빛의 동작(경로)에 어떤 일이 발생합니까?
• 시연하면서 어휘를 검토하거나 소개합니다.
  • 입사 광선
  • 굴절된 광선
  • 오목렌즈
  • 볼록 렌즈
  • 초점 거리

활동 촉진:

빛과 렌즈를 이용한 체계적인 실험 장려

• 오늘의 활동 목표를 소개합니다.
  • 렌즈의 크기(폭)가 초점 거리에 미치는 영향에 대한 데이터 수집 및 결론 도출
  • 데이터를 수집하고 광원에서 렌즈까지의 거리가 초점 거리에 미치는 영향에 대한 결론 도출
• 각 쌍의 학생에게 다음과 같은 자료 세트를 제공합니다.
  • 라운드 쿠키 커터 세트
  • 9" X 13" 젤라틴 슬래브
  • 라이트 블럭 XNUMX종 세트
• 학생들에게 다음을 지시하십시오.
  • 다양한 너비의 볼록 렌즈 3개 디자인
  • 각 렌즈의 너비와 해당 초점 거리를 측정하고 기록합니다.
• 학생들에게 다음을 지시하십시오.
  • 다양한 너비의 오목 렌즈 3개 디자인
  • 각 렌즈의 너비와 해당 초점 거리를 측정하고 기록합니다.
• 학생들에게 다음을 지시하십시오.
  • 광원과 렌즈 사이의 거리가 변할 때 초점 거리가 어떻게 변하는지 측정하고 기록합니다.
• 팀이 측정 및 관찰을 기록하면 활동이 종료됩니다.
• 학생들에게 작업을 마무리할 시간을 주고 필요에 따라 데이터 표와 그림을 완성합니다.
• 정리할 시간을 따로 마련하세요.

요약 및 반성

팀에 결과를 공유하도록 요청합니다. 팀/개인이 자신이 한 일, 관찰한 내용, 결과에 대해 어떻게 생각하는지 설명하는 학급 토론을 진행합니다. 접근 방식에 따라 몇 가지 적극적인 학습 전략 중 하나를 사용하거나 자원 봉사자를 초대하여 수업 앞에서 자신의 작업을 그리거나 시연하도록 할 수 있습니다.

• 도면 및 데이터 표를 포함한 학생 결과를 사용하여 각 유형의 렌즈를 통해 빛을 통과시키는 것의 차이를 비교합니다.
• 반에서 다음과 같은 질문에 대해 토론합니다.
  • 렌즈의 너비가 증가하거나 감소함에 따라 초점 거리는 어떻게 됩니까?
  • 오목도 볼록도 마찬가지인가요?
  • 빛에서 렌즈까지의 거리에 따라 결과가 달라지나요?
  • 마지막 도전에 도움이 될 볼록 렌즈와 오목 렌즈에 대해 무엇을 배웠습니까?
• 학급에서 실험 결과에 대해 토론합니다. 해결해야 할 질문에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.
  • 렌즈가 작아지거나 커지면 초점이 어떻게 변합니까?
  • 이러한 결론을 뒷받침하는 증거는 무엇입니까?
  • 오목 렌즈와 볼록 렌즈의 결과는 어떻게 다릅니까?
  • 렌즈 모양과 크기, 초점 사이의 관계를 이해하는 것이 시력 개선을 위한 렌즈 시스템 설계의 최종 과제에 어떻게 도움이 됩니까?
  • 학생들이 초점과 렌즈 크기에 대한 예측을 했다면 그들의 예측은 결과와 어떻게 비교되었습니까? 놀라운 결과가 있었습니까?
  • 마지막 활동에서는 시력 향상을 위해 설계된 렌즈 시스템을 만드는 데 도전하게 됩니다. 문제를 해결하는 데 도움이 될 렌즈와 초점에 대해 무엇을 배웠습니까?
  • 눈의 이미지(정상, 근거리 및 원시)를 기억하십시오. 다이어그램의 어느 부분에 빛을 집중시키시겠습니까?

활동 5: 2개의 렌즈 시스템을 사용한 실험 (45-60분)

요약

디자인 챌린지를 준비하는 마지막 활동으로 학생들은 다양한 조합의 렌즈를 통과할 때 빛의 행동을 탐구합니다. 마지막 도전에서 학생들은 환자의 눈 다이어그램을 받습니다. 시스템의 하나의 렌즈는 눈에 있는 렌즈를 나타냅니다. 학생들은 환자의 시력을 교정하거나 개선하기 위해 하나 이상의 젤라틴 렌즈를 디자인해야 합니다. 렌즈의 조합과 정렬은 환자의 눈 다이어그램에서 망막에 빛을 집중시켜야 합니다.

먼저 KWL 차트의 마지막 부분을 작성하십시오.

학습 결과

이 수업의 결과로 학생들은 다음을 할 수 있습니다.

• 빛과 초점 거리의 경로에 대한 두 개의 렌즈 시스템의 영향을 설명, 시연 및 기록
  • 볼록 렌즈 2개
  • 오목렌즈 2개
  • 오목렌즈 1개와 볼록렌즈 1개
• 시력을 향상시키거나 이미지에 초점을 맞추는 데 사용되는 다양한 도구에서 렌즈의 역할 설명
  • 카메라
  • 망원경
  • 현미경
  • 확대경
• 인간의 시력에서 렌즈의 역할 설명
  • 인간의 눈에는 볼록 렌즈가 포함되어 있습니다.
  • 인간의 선명한 시력은 특히 망막에 빛을 집중시키는 능력에 달려 있습니다.
  • 일반적인 시력 문제로서의 근시 및 원시
• 근시 또는 원시가 있을 때 다양한 렌즈가 인간의 시력을 향상시키는 방법을 예측하십시오.

선택 수학

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

여러 렌즈를 실험할 수 있는 무대를 마련합니다.

반에서, 두 개 이상의 렌즈를 사용하는 다양한 기구의 목록을 만드십시오. 학생들이 안경과 결합된 눈이 렌즈 시스템이라고 제안하면 마지막 수업에서 이 조합을 구체적으로 다룰 것이라고 설명합니다. 지금은 망원경, 현미경 및 쌍안경과 같은 도구에 초점을 맞춥니다.

학생들에게 다양한 도구가 작동한다고 생각하는 방식과 렌즈와 렌즈와 빛 사이의 관계를 설명하게 합니다.

이 활동에서 학생들은 빛의 거동에 대한 렌즈 조합을 탐구할 것이라고 설명합니다. 두 개의 렌즈를 통해 광선을 통과시켜 결과를 관찰하고 기록할 것이라고 설명합니다.

학급에서 실험의 많은 변수, 변경해야 할 변수 및 동일하게 유지할 변수에 대해 토론합니다. 학생들이 인식해야 하는 몇 가지 변수는 다음과 같습니다.

• 렌즈 사이의 거리
• 렌즈 유형을 조합하여 한 쌍의 렌즈 생성
• 렌즈와 광원의 위치 및 거리

활동 촉진

이 활동에서 학생들은 자신의 작업을 주의 깊게 기록해야 한다고 설명합니다. 사용 가능한 시간에 따라 모든 팀이 모든 렌즈 조합으로 작업하거나 학급을 "전문가 그룹"으로 나누고 탐색한 시스템에 대해 학급에 다시 보고할 책임을 할당합니다.

팀은 다음 렌즈 조합의 전부 또는 일부를 실험해야 합니다.

• 볼록 + 볼록
• 오목 + 오목
• 볼록 + 오목
• KWL 차트의 마지막 부분을 먼저 작성하십시오.
• 학생들에게 실험을 계획하고, 설정을 그리고, 결과를 기록할 데이터 테이블을 만들게 합니다. 또는 보드에 장비 설정을 그리고 각 팀에 데이터 테이블을 배포합니다.
• 팀이 실험을 위한 적절한 계획을 시연하면 젤라틴과 도구를 제공합니다.
• 학생들이 렌즈 조합의 효과와 렌즈 사이의 거리를 변경하는 효과를 탐구하도록 하십시오.
• 다양한 렌즈 조합이 빛의 거동에 미치는 영향에 주의하십시오.
• 렌즈 사이의 거리가 빛의 거동에 미치는 영향에 주의하십시오.
• 학생들을 관찰하기 위해 교실 전체를 순환합니다. 적절한 경우 실험 절차, 측정, 관찰 및 결과에 대한 토론에 팀을 참여시킵니다. 그들의 방법을 결과에 연결하도록 도와주세요.
• (선택 사항) 학생들에게 여기에 표시된 것과 같은 렌즈에 대한 "광선 다이어그램"을 만들게 합니다.

요약 및 반성

학생들이 수행한 실험을 마무리합니다. 여러 쌍의 렌즈를 통과할 때 빛의 거동과 렌즈 쌍 사이의 거리를 변경하는 효과를 학급에서 검토합니다.

• 필요한 경우 발표하기 전에 학생들이 수업의 이전 단계에서 작업을 검토하고 완료할 시간을 줍니다.
• 팀이 결과를 공유하도록 합니다. 학생들이 관찰과 결론을 설명하기 위해 그림과 데이터를 참조하도록 권장합니다.
• 반에서 다음과 같은 질문에 대해 토론합니다.
  • 한 렌즈를 다른 렌즈에 더 가까이 또는 더 멀리 움직이면 초점은 어떻게 됩니까? 사용하는 렌즈 조합에 따라 달라지나요?
  • 두 개의 볼록 렌즈의 초점은 어떻게됩니까?
  • 두 오목렌즈의 초점은 어떻게 될까요?
  • 서로 다른 렌즈의 다양한 조합은 어떻게 됩니까?
  • 두 개(또는 그 이상)의 렌즈로 작업하는 것이 환자의 시력을 향상시키기 위한 렌즈 시스템을 설계하는 최종 과제에 어떻게 적용됩니까?
  • 근시 환자의 시력을 향상시킬 수 있는 렌즈 조합은 무엇이라고 생각하십니까?
  • 어떤 렌즈 조합이 원시 환자의 시력을 향상시킬 것이라고 생각합니까?

선택 사항

• 추가 렌즈 조합으로 실험해 보십시오.
• 망원경, 레이저, 현미경, 쌍안경과 같은 렌즈를 사용하는 다양한 기기의 디자인을 연구합니다.

과제: 시력 문제를 교정하기 위한 2렌즈 시스템 설계(45-60분)

요약

이 활동은 학생들에게 시력 문제를 교정하는 렌즈 시스템을 만드는 과정을 안내하는 데 중점을 둡니다. 활동 수업의 목표는 완벽한 렌즈를 설계하는 것이 아니라 엔지니어링 프로세스의 문제를 해결하는 데 필요한 사항을 이해하는 것입니다. 탐색에 동기를 부여하는 발견을 허용하기 위해 충분한 시간과 일부 구조화된 경계를 허용하십시오!

사전 지식 및 기술

• 빛은 물체에 부딪히거나 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때까지 직선으로 이동합니다.
• 우리가 보는 모든 것은 우리 눈에 들어오는 빛의 결과입니다. 그 빛의 대부분은 반사된다
• 빛이 한 매질에서 다른 매질로(즉, 렌즈를 통해) 통과할 때 빛은 구부러지거나 굴절됩니다.
• 렌즈의 모양과 재질은 빛이 구부러지는 방식에 영향을 미칩니다.
• 눈에는 망막에 빛을 집중시키는 수정체가 있습니다. 선명한 시력은 이미지가 망막에 구체적으로 형성되도록 눈에 들어오는 빛을 굴절시키는 눈 수정체의 능력에 달려 있습니다.

활동 촉진:

• 학생의 KWL 차트 검토 및 참조
• 슬릿 캡이 켜진 Light Blox 한 세트와 두 개의 성형 젤라틴 렌즈(하나는 볼록하고 하나는 오목)를 3명의 학생으로 구성된 각 그룹에 나누어 줍니다.
• 학생들에게 조명을 켜는 방법을 보여주고 3-5분 동안 빛이 렌즈를 통해 어떻게 움직이는지 탐구하게 합니다.
• "정상적인" 시력을 가진 눈의 템플릿을 나눠줍니다. 학생들에게 성형된 볼록 렌즈를 눈 "안에" 넣어 빛이 망막의 초점에 도달하는지 확인하게 합니다. 명확하게 보는 것은 초점이 망막이라고 하는 눈의 특정 위치에 착륙하는 것에 달려 있습니다.
• 다음으로, 학생들에게 빛이 잘못된 지점에 떨어지기 때문에 시력 교정이 필요한 원시 눈의 템플릿에 성형된 볼록 렌즈를 배치하게 합니다. 초점이 어디에 있는지 확인하십시오. 이것은 좋은 비전을 만들지 않습니다!
• 그들에게 문제를 정의하고 해결책을 추측하도록 요청하십시오… 초점을 다른 위치로 "이동"할 수 있는 것은 무엇입니까? 이 시점에서 학생들에게 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 함께 사용하여 오목 렌즈가 초점을 움직이는 것을 발견할 수 있도록 시간을 줍니다.
• 다음으로, 각 그룹에 준비된 4배 강도의 일반 젤라틴과 다양한 직경의 둥근 쿠키 커터 8개를 정사각형(~ 3" X XNUMX")으로 제공합니다.
• 이 젤라틴으로 시력 문제를 교정하기 위해 두 번째 렌즈를 만들 것이라고 설명합니다. 그들이 사용할 수 있는 재료와 도구는 젤라틴, 칼, 쿠키 커터입니다!
• 학생들에게 먼저 쿠키 커터와 젤라틴을 사용하여 오목 및 볼록 렌즈를 만드는 연습을 하게 하십시오.
• 다음으로 학생들에게 쿠키 커터, 플라스틱 칼, 젤라틴을 사용하여 렌즈를 구성하도록 하십시오. 그러면 템플릿에 표시된 시력 문제를 해결할 수 있습니다.
• 학생들이 렌즈 디자인을 만들고 테스트하고 개선하면서 렌즈와 빛을 사용하는 엔지니어링 프로세스의 필수 요소에 참여하게 됩니다.

목표는 학생들이 렌즈로 빛을 조작할 수 있고 이를 통해 문제를 해결할 수 있다는 것을 이해하도록 하는 것입니다. 올바른 렌즈를 얻는 것은 어려울 것입니다. 고급 학생의 경우 "시행 착오" 접근 방식보다 솔루션을 생성하는 수학적 방법으로 초점 거리, 곡률 반경 및 굴절률을 도입할 수 있습니다.

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.

아이다이어그램

인터넷 연결

• https://www.bbc.co.uk

쓰기 활동

렌즈는 우리 세계에서 어떤 다른 용도로 사용됩니까?

커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정

참고 : 이 시리즈의 모든 수업 계획은 Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, US Common Core State Standards for Mathematics, 그리고 해당되는 경우 National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics에도 적용됩니다. 국제 기술 교육 협회(International Technology Education Association)의 기술 소양을 위한 표준(Standards for Technological Literacy) 및 국립 연구 위원회(National Research Council)에서 제작한 미국 국립 과학 교육 표준(US National Science Education Standards).

징계 핵심 아이디어 

∙ PS4.B: 전자기 복사

o 서로 다른 투명 재료(예: 공기와 물, 공기와 유리) 사이의 표면에서 빛의 경로가 매체 사이에서 구부러지는 경우를 제외하고 빛의 경로는 직선으로 추적될 수 있습니다. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: 엔지니어링 문제 정의 및 구분

o 설계 작업의 기준과 제약 조건을 보다 정확하게 정의할 수 있을수록 설계된 솔루션이 성공할 가능성이 높아집니다. 제약 조건의 사양에는 가능한 솔루션을 제한할 수 있는 과학적 원리 및 기타 관련 지식에 대한 고려가 포함됩니다(MS-ETS1-1).

∙ ETS1.B: 가능한 솔루션 개발

o 솔루션을 테스트하고 테스트 결과를 기반으로 수정하여 개선해야 합니다. MS-ETS-4)

과학 및 공학 실습 

∙ 객체, 도구, 프로세스 또는 시스템의 개발을 통해 해결할 수 있는 설계 문제를 정의하고 가능한 솔루션을 제한할 수 있는 과학적 지식을 포함하여 여러 기준과 제약을 포함합니다. (MS-ETS1-1)

∙ 현상을 기술하는 모델 개발 및 활용(MS-PS4-2)

∙ 데이터를 분석하고 해석하여 결과의 ​​유사점과 차이점을 결정합니다. (MS ETS1-3)

횡단 개념

∙ 구조 및 기능

o 구조는 다양한 재료의 특성과 재료가 어떻게 형성되고 사용될 수 있는지를 고려하여 특정 기능을 수행하도록 설계할 수 있습니다(MS PSR-2).

o 구조는 특정 기능을 제공하도록 설계될 수 있습니다.

학생용 워크시트 #1:KWL 차트

학생 이름 날짜

간호사, 의사 및 엔지니어는 함께 협력하여 시력을 향상시키는 안경 및 기타 도구를 설계하고 제작합니다. 이 챌린지에서는 환자의 시력을 향상시키기 위한 렌즈 시스템을 설계하게 됩니다.

누군가의 시력을 개선하는 데 도움이 되는 사람의 눈과 렌즈에 대해 알아야 할 사항은 무엇입니까?

아래 KWL 그래픽 구성 도우미를 사용하여 다른 사람의 시력을 향상시키기 위해 안경을 디자인하는 방법에 대해 알고, 알고 싶고 배운 내용을 나열하십시오.

학생용 워크시트 2: 재료 및 실험 설정

학생 이름 날짜

이 단원의 끝에서 디자인 과제를 완료하려면 광원에서 젤라틴 조각을 통과할 때 빛의 경로를 관찰하기 위해 젤라틴과 조명의 방향을 지정하는 방법을 알아야 합니다.

단어 및/또는 그림을 사용하여 빛이 젤라틴을 통과할 때의 경로를 설명하고 문서화합니다.

• 더 넓은 쪽에 Light Blox가 있는 빔 1개
• Light Blox가 있는 빔 1개는 좁은 쪽에 ​​위치합니다.
• 한 번에 3개의 빔

학생용 워크시트 3: 광선 추적

단어와 그림을 사용하여 광원에서 렌즈의 한쪽 면을 통해 젤라틴 조각의 다른 면으로 통과하는 단일 광선의 경로를 기록합니다. 빛이 젤라틴 조각을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 결론을 도출하십시오.

• 평면/직선 표면
• 곡면
• 빛이 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 모두 통과할 때의 경로를 설명하고 시연하고 기록합니다(3개의 조명 사용).
• 식별 및 정의: 오목 렌즈, 볼록 렌즈 입사 광선, 굴절 광선

  학생용 워크시트 4: 눈 템플릿