그래핀의 힘

디자인 도전

당신은 LED 조명, 배터리 및 저항기를 사용하여 작동하는 간단한 회로를 구축하여 그래핀의 힘에 대해 배우는 도전을 받은 엔지니어 팀입니다. 

기준 

• 회로는 LED 조명, 배터리 및 저항을 사용해야 합니다.
• 종이에 그래핀 테스트

제약

• 제공된 재료만 사용하십시오.

1. 수업을 3-4명의 팀으로 나눕니다.
2. Power of Graphene 워크시트와 스케치 디자인을 위한 종이 몇 장을 나누어 주십시오.
3. 배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다. 학생들에게 절연체와 전도체에 대해 무엇을 알고 있고 그래핀이 어느 쪽이든 행동할 것이라고 생각하는지 묻는 것을 고려하십시오.
4. 엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
5. 각 팀에 자료를 제공합니다.
6. 학생들은 LED 조명, 배터리 및 저항기를 사용하여 작동 회로를 만든 다음 종이에 그래핀을 테스트하여 회로를 완성하는지 확인해야 한다고 설명합니다.
7. 회로를 구축하고 테스트해야 하는 시간을 알립니다(1시간 권장).
8. 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.
9. 학생들에게 자신의 도전 과제를 고려하고, 그래핀이 전류를 전도하거나 절연할 것이라고 생각하는지 팀으로서 이론화하도록 지시합니다. 그들은 그들의 가설을 문서화해야 합니다.
10. 팀은 커넥터, LED 전구, 배터리 및 기타 재료를 사용하여 간단한 회로를 설정하여 가설을 테스트합니다. 그들은 먼저 작동 회로를 만들고 전구를 켤 수 있는지 확인합니다. 그런 다음 연필 표시가 있는 종이에 전류가 흐르도록 회로를 조정해야 합니다. (학생들에게 아직 연필 안에 있는 연필심에 커넥터를 연결하지 말라고 지시합니다.) 그런 다음 학생들은 자신의 가설을 실제 결과와 비교합니다. 원하는 경우 학생들에게 도체인지 절연체인지 테스트할 다른 ​​항목을 제공할 수 있습니다.
11. 학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
12. 주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.

확장 아이디어

테스트 결과에 따라 팀에게 제품 혁신에 그래핀을 사용할 수 있는 방법을 브레인스토밍하도록 요청합니다. 그들은 재료가 얼마나 가볍고 유연한지 고려하고 그래핀이 어떻게 제품을 개선하거나 제품을 더 작게 만들 수 있는지에 대한 간단한 프레젠테이션을 준비해야 합니다.

학생 성찰(엔지니어링 노트)

1. 일어난 일에 비해 가설이 얼마나 정확했습니까?
2. 무엇을 보고 놀랐습니까?
3. 교실에서 팀이 발표한 그래핀에 대한 어떤 새로운 응용 프로그램이 가장 흥미로웠습니까?왜?
4. 엔지니어가 기존 제품이나 방법을 개선하기 위해 연구에서 무슨 일이 일어나고 있는지 추적해야 한다고 생각하십니까?
5. 새로운 연구나 자료를 기반으로 제품을 개선할 때 개선된 제품에 대해 누구를 인정하거나 보상해야 한다고 생각하십니까?
6. 팀으로 작업하는 것이 이 프로젝트를 더 쉽게 또는 더 어렵게 만들었다고 생각하십니까? 왜요?

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.

인터넷 연결

• 국가 나노기술 이니셔티브
• 다트머스 전자현미경 시설 이미지

추천 도서

• 인형을 위한 나노기술(ISBN: 978-0470891919)
• 나노기술: 소형 시스템 이해(ISBN: 978-1138072688)

쓰기 활동

나노기술의 발전이 전자 또는 의학 분야를 어떻게 변화시켰는지에 대한 에세이 또는 단락을 작성하십시오.

커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정

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

• 미국 과학 교육 표준(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• 미국 차세대 과학 표준(http://www.nextgenscience.org/) 
• 국제 기술 교육 협회의 기술 문해력 기준(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• 미국 수학 교사 협의회의 학교 수학 원칙 및 표준(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• 수학에 대한 미국 공통 핵심 주 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 

콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술 

활동의 결과로 모든 학생들은

• 과학 기술에 대한 이해 

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

• 과학 기술에 대한 이해 

국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)(계속)

내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

• 개인 건강 
• 위험과 이점 
• 사회의 과학 기술 

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

• 인간의 노력으로서의 과학 
• 과학의 본질 
• 과학의 역사 

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

• 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)

물질과 그 상호작용 

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

• 2-PS1-2. 다양한 재료를 테스트하여 얻은 데이터를 분석하여 의도한 목적에 가장 적합한 특성을 가진 재료를 결정합니다.
• 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.

공학 설계 

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

• 3-5-ETS1-2.각각이 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지에 따라 문제에 대한 여러 가능한 솔루션을 생성하고 비교합니다.
• 3-5-ETS1-3.개선할 수 있는 모델 또는 프로토타입의 측면을 식별하기 위해 변수를 제어하고 실패 지점을 고려하는 공정한 테스트를 계획하고 수행합니다.

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 5: 학생들은 기술이 환경에 미치는 영향에 대한 이해를 발전시킵니다.
• 표준 6: 학생들은 기술 개발 및 사용에서 사회의 역할에 대한 이해를 개발합니다.

디자인

• 표준 10: 학생들은 문제 해결에서 문제 해결, 연구 및 개발, 발명과 혁신, 실험의 역할에 대한 이해를 개발합니다.

기술 세계를 위한 능력

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

연구 단계

교사가 제공한 자료를 읽으십시오. 인터넷에 액세스할 수 있는 경우 www.trynano.org에서 리소스를 탐색하여 나노기술 및 그래핀에 대해 자세히 알아보세요.

가설

팀으로서 그래핀(일반 연필 "납")이 전기 전도체인지 절연체인지 결정합니다. 이 논문의 다른 면에 당신의 가설을 뒷받침하는 단락을 쓰십시오.

Test

이제 가설을 테스트하십시오! 커넥터, LED 전구, 배터리 및 교사가 제공한 기타 재료를 사용하여 간단한 회로를 설정합니다. 먼저 작동 회로를 만들 것입니다. 전구를 켤 수 있는지 확인하십시오! 그런 다음 많은 연필을 문지른 종이를 통해 전류가 흐르도록 회로를 조정하십시오. (연필 안에 있는 연필심에는 커넥터를 연결하지 마십시오.) 원하는 경우 교사가 제공한 다른 항목을 테스트하여 도체인지 절연체인지 확인할 수 있습니다.

관찰 및 결과

무슨 일이 있었는지 관찰하고 토론하고(있는 경우) 그 결과를 팀의 가설과 비교하십시오.

애플리케이션 개발

실험 결과를 바탕으로 팀에서 그래핀을 사용하여 제품을 혁신하는 방법에 대해 브레인스토밍합니다. 재료가 얼마나 가볍고 유연한지 고려하고 그래핀이 어떻게 제품을 개선하거나 제품을 더 작게 만들 수 있는지에 대해 학급에서 간단한 프레젠테이션을 준비하십시오.

발표 및 반영 단계

원래 가설과 실험 관찰을 팀의 제품 응용 프로그램과 함께 학급에 발표합니다. 다른 팀의 발표를 듣고 반성지를 완성하세요.

반사
아래의 성찰 질문을 완료하십시오.

1. 당신의 가설은 일어난 일에 비해 얼마나 정확했습니까?

2. 무엇을 보고 놀랐습니까?

3. 교실에서 팀이 발표한 그래핀에 대한 어떤 새로운 응용 프로그램이 가장 흥미로웠습니까? 왜요?

4. 엔지니어가 기존 제품이나 방법을 개선하기 위해 연구에서 어떤 일이 일어나고 있는지 추적해야 한다고 생각하십니까?

5. 새로운 연구나 자료를 기반으로 제품을 개선할 때 강화된 제품에 대해 누구에게 크레딧을 제공하거나 보상해야 한다고 생각하십니까?

6. 팀으로 일하는 것이 이 프로젝트를 더 쉽게 또는 더 어렵게 만들었다고 생각합니까? 왜요?