Būkite nuskaitymo zondo mikroskopu

Sukurti medžiagas (kiekvienai komandai)

Reikalingos medžiagos klasėje

• Dėžutė su elementu, pritvirtintu apačioje (liniuotė, popierinis puodelis, plyta, vaisiaus gabalas)
• Užriškite akis arba įpjaukite skylę į dėžę, kad mokiniai galėtų nematyti to, kas yra dėžutėje, ir sutalpinti ranką bei pieštuką. 

Reikalinga medžiaga komandoms

• Popierius
• Rašiklis
• Pieštukas
• Prieiga prie interneto, neprivaloma

Dizaino iššūkis

Esate inžinierių komanda, kuriai iššūkis panaudoti pieštuko zondą „pajusti“ du skirtingus objektus dėžutės viduje (nematant objektų). Toliau nupiešite tai, ką „matėte“, ir kaip komanda sutarsite, koks galėtų būti dėžutės objektas. Tada komandos parengia išsamų brėžinį, kuriame parodytas objektas, dėl kurio susitarėte.

Kriterijai

• Turi naudoti pieštuką „pajusti“ daiktus.
• Turi nematyti objektų (užrištos akys ar skylė, išpjauta dėžutėje, kad tilptų ranka ir pieštukas)

Suvaržymai

• Naudokite tik pateiktas medžiagas.

Reikalingas laikas: nuo vienos iki dviejų 45 minučių sesijų.

1. Padalinkite klasę į 2-4 komandas.
2. Išdalinkite „Be a Scanning Probe Microscope“ darbalapį.
3. Aptarkite temas skyriuje „Fono sąvokos“. Paprašykite mokinių pagalvoti, kaip inžinieriai matuoja per mažų matomų daiktų paviršių. Jei yra internetas, pasidalykite virtualiu mikroskopu (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Peržiūrėkite inžinerinio projektavimo procesą, projektavimo iššūkį, kriterijus, apribojimus ir medžiagas.
5. Pateikite kiekvienai komandai savo medžiagą.
6. Paaiškinkite, kad mokiniai privalo pieštuku „pajusti“ du skirtingus objektus dėžutėje (užrištomis akimis). Tada jie nupieš, ką „pamatė“, ir kaip komanda sutaria, koks galėtų būti dėžutės objektas. Galiausiai komandos sukuria išsamų brėžinį, kuriame parodytas objektas, dėl kurio jie susitarė.
7. Praneškite, kiek laiko jie turi atlikti veiklai (rekomenduojama 1 valanda).
8. Naudokite laikmatį arba tiesioginį chronometrą (atgalinio skaičiavimo funkcija), kad užtikrintumėte laiko laikymąsi. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Duokite studentams reguliarius „laiko patikrinimus“, kad jie liktų atlikti užduotis. Jei jie stengiasi, užduokite klausimus, kurie paskatins juos greičiau rasti sprendimą.
9. Nurodykite studentams atlikti šiuos veiksmus:
   • Kiekvienas komandos mokinys paeiliui naudoja pieštuko zondą, kad nustatytų formą, kad atpažintų objektus dėžutėje. Jums gali būti užrištos akys arba į dėžutę išpjauta skylė, kad ranka ir pieštukas būtų viduje, nematydami, kas yra dėžutėje.
   • Naudokite tik pieštuko galiuką, kad ištirtumėte dėžutės dugno turinį ar paviršių.
   • Mintyse sekite jaučiamų objektų aukštį, jų formą ir bendrą dydį.
   • Tada nupieškite tai, ką „matėte“ ant popieriaus lapo - galbūt norėsite apsvarstyti vaizdą iš viršaus ir šono, kad padėtumėte nustatyti, kas yra dėžutėje.
   • Kai kiekvienas komandos studentas atliks tyrimą, dirbkite kartu ir pasidalykite savo piešiniais ir nuomone apie tai, kas yra dėžutėje. Pasiekite bendrą sutarimą kaip komanda ir sukurkite galutinį brėžinį, kuriame būtų numatyti objekto matavimai.
10. Komandos pristato jūsų idėjas, piešinius ir matavimus klasei ir klausosi kitų komandų pristatymų. Jie turėtų palyginti, kaip arti jų komanda nustatė tikrąjį dydį ir formą.
11. Klasėje aptarkite mokinių apmąstymų klausimus.
12. Daugiau informacijos šia tema rasite skyriuje „Kasimas giliau“.

Neprivaloma plėtinio veikla

Tegul mokiniai viena ranka atspindi tai, ką „jaučia“ dėžutėje, o kita ranka piešia vienu metu ant popieriaus.

Studentų refleksija (inžinerinis sąsiuvinis)

1. Kiek tiksliai jūsų forma nustatė objektą pagal formą? Ką radote dėžutėje?
2. Kiek tiksliai jūsų komanda nustatė tikrąjį dėžutės objekto dydį?
3. Kiek procentų buvo apskaičiuotas jūsų dydžio įvertinimas nuo tikrojo dėžutėje esančio objekto dydžio?
4. Ar manote, kad laikas, kurį užtrukote „pamatyti“ dėžutės viduje su zondu, paveikė jūsų išvadų tikslumą?
5. Ar manėte, kad darbas komandoje palengvino ar apsunkino šį projektą? Kodėl?

Pamoka vyresniems mokiniams gali būti atliekama vos per 1 klasės laikotarpį. Tačiau norėdami padėti studentams nesijausti skubotiems ir užtikrinti mokinių sėkmę (ypač jaunesniems studentams), padalykite pamoką į du laikotarpius, suteikdami studentams daugiau laiko galvoti, išbandyti idėjas ir užbaigti jų dizainą. Atlikite testavimą ir trumpą informaciją kitame klasės laikotarpyje.

Kas yra nanotechnologija?

Įsivaizduokite, kad galite stebėti raudonųjų kraujo kūnelių judėjimą, kai jie juda per jūsų veną. Kaip būtų stebėti natrio ir chloro atomus, kai jie priartėja tiek, kad iš tikrųjų galėtų perduoti elektronus ir sudaryti druskos kristalą, ar stebėti molekulių vibraciją, kylant temperatūrai vandens dubenyje? Dėl įrankių ar „apimties“, kurie buvo sukurti ir patobulinti per pastaruosius kelis dešimtmečius, galime pastebėti tokias situacijas kaip daugelis pavyzdžių šios pastraipos pradžioje. Šis gebėjimas stebėti, matuoti ir net manipuliuoti medžiagomis molekuliniu ar atominiu mastu vadinamas nanotechnologija arba nanomokslu. Jei mes turime nano „kažką“, mes turime milijardą to kažko. Mokslininkai ir inžinieriai taiko nano priešdėlį daugeliui „kažko“, įskaitant metrų ilgį), sekundes (laiką), litrus (tūrį) ir gramus (masę), kad būtų suprantama, kad tai labai mažas kiekis. Dažniausiai ilgio skalėje taikomas nano, mes matuojame ir kalbame apie nanometrus (nm). Atskirų atomų skersmuo yra mažesnis nei 1 nm, o norint sukurti 10 nm ilgio liniją, reikia maždaug 1 vandenilio atomų iš eilės. Kiti atomai yra didesni už vandenilį, tačiau jų skersmuo yra mažesnis nei nanometras. Tipiškas virusas yra apie 100 nm skersmens, o bakterija yra apie 1000 nm nuo galvos iki uodegos. Priemonės, leidusios stebėti anksčiau nematomą nanoskalės pasaulį, yra atominės jėgos mikroskopas ir nuskaitymo elektronų mikroskopas.

Kiek didelis yra mažas?

Gali būti sunku įsivaizduoti, kokie maži dalykai yra nanometrinėje skalėje. Šis pratimas gali padėti jums įsivaizduoti, koks didelis gali būti mažas! Apsvarstykite boulingo, biliardo, teniso, golfo, marmuro ir žirnių kamuolius. Pagalvokite apie santykinį šių daiktų dydį.

Skenavimo elektronų mikroskopas

Nuskaitymo elektroninis mikroskopas yra specialus elektroninio mikroskopo tipas, kuris sukuria mėginio paviršiaus vaizdus, ​​nuskaitydamas jį didelės energijos elektronų pluoštu rastriniu nuskaitymo būdu. Rastraus nuskaitymo metu vaizdas suskirstomas į (paprastai horizontalių) juostų, vadinamų „nuskaitymo linijomis“, seką. Elektronai sąveikauja su mėginius sudarančiais atomais ir generuoja signalus, kurie teikia duomenis apie paviršiaus formą, sudėtį ir net tai, ar jis gali praleisti elektrą. Daugelį vaizdų, padarytų nuskaitymo elektroniniais mikroskopais, galima peržiūrėti www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atominės jėgos mikroskopai

Vaizdavimas Nano skalėje

Siekdami „pamatyti“, kaip medžiagų paviršius atrodo nano skalėje, inžinieriai sukūrė daugybę prietaisų ir sistemų, skirtų ištirti, kaip elgiasi objekto paviršius. Daugelį vaizdų galite peržiūrėti „Dartmouth Electron Microscope Facility“ adresu www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atominės jėgos mikroskopai

Atominių jėgų mikroskopas yra specialus nuskaitymo zondo mikroskopo tipas (SPM), kuris renka informaciją, naudodamas zondą, kad paliestų ar judėtų objekto paviršių. Skiriamoji geba yra labai didelė, pasiekiant nanometro dalį. AFM buvo išrastas 1982 m. IBM, o pirmasis komerciškai prieinamas atominės jėgos mikroskopas buvo pristatytas 1989 m. AFM išlieka viena iš svarbiausių priemonių matuojant ir vaizduojant bet kokius nanomalius. Jis gali gana tiksliai sukurti trimatį pavyzdžio vaizdą ar topografiją ir turi daug pritaikymų. Jei galite įsivaizduoti, kad užmerksite akis ir pieštuko galiuku išsiaiškinsite, koks daiktas buvo dėžutėje, galite įsivaizduoti, kaip veikia tokio tipo mikroskopas! Vienas iš atominių jėgų mikroskopo privalumų yra tas, kad jam nereikia ypatingos aplinkos ir jis gerai veikia vidutinėje aplinkoje ar net skystyje. Tai leidžia tyrinėti biologiją makromolekulių lygiu ar net peržiūrėti gyvus organizmus.

Interneto ryšys

• Atominės jėgos mikroskopija
• Virtualus mikroskopas

Rekomenduojama literatūra

• Skenavimo zondo mikroskopija: laboratorija ant arbatpinigių (pažangūs fizikos tekstai) (ISBN: 978-3642077371)
• Skenavimo zondo mikroskopija (ISBN: 978-3662452394)

Rašymo veikla

Parašykite esė ar pastraipą apie tai, kaip nanotechnologijų pažanga paveikė sveikatos priežiūros ir medicinos sritį.

Derinimas su ugdymo turinio sistemomis

Pastaba: Šios serijos pamokų planai yra suderinti su vienu ar keliais iš šių standartų rinkinių:

• S. Mokslo mokslo standartai (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Naujos kartos mokslo standartai (http://www.nextgenscience.org/)
• Tarptautinės technologijų švietimo asociacijos technologinio raštingumo standartai (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nacionalinė matematikos mokytojų tarybos principai ir mokyklinės matematikos standartai (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Bendrieji pagrindiniai valstybiniai matematikos standartai (http://www.corestandards.org/Math)
• Kompiuterijos mokytojų asociacijos K-12 informatikos standartai (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nacionaliniai gamtos mokslų standartai K-4 klasės (4-9 m.)

TURINIO A STANDARTAS: Mokslas kaip tyrimas

Dėl veiklos visi studentai turėtų tobulėti

• Gebėjimai atlikti mokslinius tyrimus
• Supratimas apie mokslinius tyrimus

B TURINIO STANDARTAS: Fizikos mokslai

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Objektų ir medžiagų savybės
• Objektų padėtis ir judėjimas

TURINIO E STANDARTAS: Mokslas ir technologijos

Dėl veiklos visi studentai turėtų tobulėti

• Technologinio projektavimo gebėjimai

F TURINIO STANDARTAS: Mokslas asmeninėse ir socialinėse perspektyvose

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas ir technologijos sprendžiant vietos iššūkius

G TURINIO STANDARTAS: mokslo istorija ir pobūdis

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas kaip žmogaus pastangos

Nacionaliniai gamtos mokslų standartai 5–8 klasės (10–14 m.)

TURINIO A STANDARTAS: Mokslas kaip tyrimas

Dėl veiklos visi studentai turėtų tobulėti

• Gebėjimai atlikti mokslinius tyrimus
• Supratimas apie mokslinius tyrimus

B TURINIO STANDARTAS: Fizikos mokslai

Dėl savo veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Medžiagos savybės ir savybių pokyčiai

TURINIO E STANDARTAS: Mokslas ir technologijos

Dėl 5-8 klasių veiklos visi mokiniai turėtų tobulėti

• Technologinio projektavimo gebėjimai
• Supratimas apie mokslą ir technologijas

F TURINIO STANDARTAS: Mokslas asmeninėse ir socialinėse perspektyvose

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas ir technologijos visuomenėje 

Nacionaliniai gamtos mokslų standartai 5–8 klasės (10–14 m.)

G TURINIO STANDARTAS: mokslo istorija ir pobūdis

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas kaip žmogaus pastangos
• Mokslo pobūdis

Nacionaliniai gamtos mokslų standartai 9–12 klasės (14–18 m.)

TURINIO A STANDARTAS: Mokslas kaip tyrimas

Dėl veiklos visi studentai turėtų tobulėti

• Gebėjimai atlikti mokslinius tyrimus
• Supratimas apie mokslinius tyrimus

B TURINIO STANDARTAS: Fizikos mokslai

Dėl savo veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Medžiagos struktūra ir savybės

TURINIO E STANDARTAS: Mokslas ir technologijos

Dėl veiklos visi studentai turėtų tobulėti

• Technologinio projektavimo gebėjimai
• Supratimas apie mokslą ir technologijas

F TURINIO STANDARTAS: Mokslas asmeninėse ir socialinėse perspektyvose

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas ir technologijos, sprendžiant vietinius, nacionalinius ir pasaulinius iššūkius

G TURINIO STANDARTAS: mokslo istorija ir pobūdis

Dėl veiklos visi studentai turėtų išsiugdyti supratimą

• Mokslas kaip žmogaus pastangos
• Mokslo žinių pobūdis
• Istorinės perspektyvos

 Naujos kartos mokslo standartai, 2–5 klasės (7–11 m.)

Studentai, kurie demonstruoja supratimą, gali:

Materija ir jos sąveika

• 5-PS1-1. Sukurkite modelį, apibūdinantį, kad materija sudaryta iš dalelių, kurios yra per mažos, kad būtų matomos.
• 5-PS1-3. Atlikite stebėjimus ir matavimus, kad nustatytumėte medžiagas pagal jų savybes. 

Technologinio raštingumo standartai - visų amžių 

Technologijos prigimtis

• 1 standartas: studentai supras technologijų ypatybes ir taikymo sritį.
• 2 standartas: studentai supras pagrindines technologijos sampratas.
• 3 standartas: studentai supras ryšius tarp technologijų ir ryšius tarp technologijų ir kitų studijų sričių. 

Technologija ir visuomenė

• 4 standartas: studentai įgis supratimą apie kultūrinį, socialinį, ekonominį ir politinį technologijų poveikį.
• 6 standartas: studentai supras visuomenės vaidmenį kuriant ir naudojant technologijas.
• 7 standartas: studentai supras technologijos įtaką istorijai.

Gebėjimai technologiniam pasauliui

13 standartas. Studentai lavins gebėjimus įvertinti produktų ir sistemų poveikį.

Išbandykite savo jėgas skenavimo zondo mikroskopu!

Tyrimo etapas

Perskaitykite mokytojo pateiktą medžiagą. Jei turite prieigą prie interneto, taip pat peržiūrėkite vadovėlį šioje svetainėje: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Tai parodys, kaip veikia nuskaitymo zondo mikroskopai, ir padės suprasti, kaip atlikdami panašią užduotį atliksite šią veiklą.

Išbandyk!

Kiekvienas jūsų komandos studentas paeiliui naudos pieštuko zondą, kad nustatytų dėžutėje esančio objekto formą arba identifikavimą. Jums gali būti užrištos akys arba į dėžutę išpjauta skylė, kad ranka ir pieštukas būtų viduje, nematydami, kas yra dėžutėje.

Naudokite tik pieštuko galiuką, kad ištirtumėte dėžutės dugno turinį ar paviršių. Mintyse sekite jaučiamų objektų aukštį, jų formą ir bendrą dydį.

Tada nupieškite tai, ką „matėte“ ant popieriaus lapo - galbūt norėsite apsvarstyti vaizdą iš viršaus ir šono, kad padėtumėte nustatyti, kas yra dėžutėje.

Kai kiekvienas komandos studentas atliks tyrimą, dirbkite kartu ir pasidalykite savo piešiniais ir nuomone apie tai, kas yra dėžutėje. Pasiekite bendrą sutarimą kaip komanda ir sukurkite galutinį brėžinį, kuriame būtų numatyti objekto matavimai

Pristatymo ir apmąstymo fazė

Pristatykite savo idėjas, piešinius ir išmatavimus klasei ir klausykitės kitų komandų pristatymų. Pažiūrėkite, kaip artima jūsų komanda ar kitos komandos buvo nustatant tikrąjį dydį ir formą. Tada užpildykite atspindžio lapą.

Atspindys

Užpildykite svarstymo klausimus žemiau:

1. Kiek tiksliai jūsų forma nustatė objektą pagal formą? Ką radote dėžutėje?

2. Kiek tiksliai jūsų komanda nustatė tikrąjį dėžutės objekto dydį?

3. Kiek procentų buvo apskaičiuotas jūsų dydžio įvertinimas nuo tikrojo dėžutėje esančio objekto dydžio?

4. Ar manote, kad laikas, kurį užtrukote „pamatyti“ dėžutės viduje su zondu, paveikė jūsų išvadų tikslumą?

5. Ar manėte, kad darbas komandoje palengvino ar apsunkino šį projektą? Kodėl?