Bądź mikroskopem z sondą skanującą

Materiały budowlane (dla każdego zespołu)

Wymagane materiały do ​​​​klasy

• Pudełko z przytwierdzonym do dołu przedmiotem (linijka, papierowy kubek, cegła, owoc)
• Załóż na oczy lub wytnij otwór w pudełku, aby uczniowie mogli zmieścić w nim rękę i ołówek, nie widząc, co jest w pudełku. 

Wymagane materiały dla zespołów

• Papier
• Długopis
• Ołówek
• Dostęp do internetu, opcjonalnie

Wyzwanie projektowe

Jesteś zespołem inżynierów, którzy mają wyzwanie, jakim jest użycie sondy ołówkowej, aby „wyczuć” dwa różne obiekty w pudełku (bez oglądania obiektów). Następnie narysujesz to, co „zobaczyłeś” i jako zespół ustalisz, jaki może być przedmiot w pudełku. Następnie zespoły opracowują szczegółowy rysunek przedstawiający uzgodniony obiekt.

kryteria

• Musisz użyć ołówka, aby „wyczuć” przedmioty.
• Nie może widzieć przedmiotów (opaskę na oczy lub wycięty w pudełku otwór na rękę i ołówek)

ograniczenia

• Używaj tylko dostarczonych materiałów.

Potrzebny czas: od jednej do dwóch 45-minutowych sesji.

1. Podziel klasę na 2-4 osobowe zespoły.
2. Rozdaj arkusz roboczy Be a Scanning Probe Microscope.
3. Omów tematy w sekcji Koncepcje tła. Poproś uczniów, aby zastanowili się, w jaki sposób inżynierowie mierzą powierzchnię rzeczy, które są zbyt małe, aby je zobaczyć. Jeśli internet jest dostępny, udostępnij Wirtualny Mikroskop (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Przejrzyj proces projektowania inżynierskiego, wyzwanie projektowe, kryteria, ograniczenia i materiały.
5. Dostarcz każdemu zespołowi swoje materiały.
6. Wyjaśnij, że uczniowie muszą użyć ołówka, aby „wyczuć” dwa różne przedmioty wewnątrz pudełka (z zasłoniętymi oczami). Następnie narysują to, co „zobaczyli” i jako zespół uzgodnią, jaki może być przedmiot w pudełku. Na koniec zespoły opracowują szczegółowy rysunek przedstawiający uzgodniony obiekt.
7. Ogłoś, ile czasu mają na wykonanie czynności (zalecana 1 godzina).
8. Użyj timera lub stopera on-line (funkcja odliczania), aby mieć pewność, że zdążysz na czas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Daj uczniom regularne „kontrole czasu”, aby mogli kontynuować zadanie. Jeśli mają problemy, zadawaj pytania, które szybciej doprowadzą ich do rozwiązania.
9. Poinstruuj uczniów, aby wykonali następujące czynności:
   • Każdy uczeń w zespole na zmianę używa sondy ołówkowej, aby określić kształt, aby zidentyfikować przedmioty w pudełku. Możesz mieć zawiązane oczy lub mieć wycięty otwór w pudełku, aby twoja ręka i ołówek mogły być w środku, abyś nie widział, co jest w pudełku.
   • Użyj tylko końcówki ołówka, aby zbadać zawartość lub powierzchnię dna pudełka.
   • W myślach śledź wysokość wyczuwanych obiektów, ich kształt i ogólny rozmiar.
   • Następnie narysuj to, co „zobaczyłeś” na kartce papieru — warto rozważyć widok z góry i z boku, aby określić, co znajduje się w pudełku.
   • Kiedy każdy uczeń w zespole przeprowadzi dochodzenie, pracujcie razem i podzielcie się swoimi rysunkami i opiniami na temat tego, co znajduje się w pudełku. Wypracuj konsensus jako zespół i opracuj końcowy rysunek, który zawiera szacunkowe wymiary obiektu.
10. Zespoły prezentują klasie Twoje pomysły, rysunki i pomiary oraz słuchają prezentacji innych zespołów. Powinni porównać, jak blisko ich zespół był w ustaleniu rzeczywistego rozmiaru i kształtu.
11. W klasie przedyskutujcie pytania uczniów do refleksji.
12. Więcej treści na ten temat można znaleźć w sekcji „Digging Deeper”.

Opcjonalne rozszerzenie aktywności

Niech uczniowie jedną ręką odwzorowują to, co „czują” w pudełku, drugą ręką jednocześnie rysując na papierze.

Refleksja studencka (zeszyt inżynierski)

1. Jak dokładny pod względem kształtu był Twój zespół w identyfikacji obiektu? Co znalazłeś w pudełku?
2. Jak dokładny był twój zespół w określeniu rzeczywistego rozmiaru przedmiotu w pudełku?
3. O jaki procent szacowany rozmiar różnił się od rzeczywistego rozmiaru przedmiotu w pudełku?
4. Czy uważasz, że ilość czasu, jaką poświęciłeś na „zobaczenie” wnętrza pudełka z sondą, wpłynęła na dokładność Twoich wyników?
5. Czy uważasz, że praca w zespole ułatwiła czy utrudniła ten projekt? Czemu?

W przypadku starszych uczniów lekcję można przeprowadzić już za 1 lekcję. Jednak, aby pomóc uczniom w pośpiechu i zapewnić uczniom sukces (zwłaszcza młodszym uczniom), podziel lekcję na dwa okresy, dając uczniom więcej czasu na burzę mózgów, testowanie pomysłów i sfinalizowanie ich projektu. Przeprowadź test i podsumowanie w następnej lekcji.

Czym jest nanotechnologia?

Wyobraź sobie, że możesz obserwować ruch czerwonej krwinki, gdy porusza się ona w twojej żyle. Jak by to było obserwować atomy sodu i chloru, gdy zbliżają się do siebie na tyle blisko, aby faktycznie przenieść elektrony i utworzyć kryształ soli lub obserwować drgania cząsteczek w miarę wzrostu temperatury w garnku z wodą? Ze względu na narzędzia lub „zakresy”, które zostały opracowane i ulepszone w ciągu ostatnich kilku dekad, możemy zaobserwować sytuacje, takie jak wiele przykładów na początku tego akapitu. Ta zdolność do obserwowania, mierzenia, a nawet manipulowania materiałami w skali molekularnej lub atomowej nazywana jest nanotechnologią lub nanonauką. Jeśli mamy „coś” nano, mamy jedną miliardową tego czegoś. Naukowcy i inżynierowie stosują przedrostek nano do wielu „rzeczy”, w tym długości metrów), sekund (czas), litrów (objętość) i gramów (masy), aby przedstawić to, co jest zrozumiałe, że jest bardzo małą ilością. Najczęściej nano stosuje się do skali długości i mierzymy i mówimy o nanometrach (nm). Poszczególne atomy mają średnicę mniejszą niż 1 nm, przy czym do utworzenia linii o długości 10 nm potrzeba około 1 atomów wodoru z rzędu. Inne atomy są większe niż wodór, ale nadal mają średnicę mniejszą niż nanometr. Typowy wirus ma średnicę około 100 nm, a bakteria około 1000 nm głowa do ogona. Narzędziami, które pozwoliły nam zaobserwować niewidzialny wcześniej świat w nanoskali, są Mikroskop Sił Atomowych oraz Skaningowy Mikroskop Elektronowy.

Jak duży jest mały?

Trudno sobie wyobrazić, jak małe są rzeczy w nanoskali. Poniższe ćwiczenie może pomóc Ci wyobrazić sobie, jak duży może być mały! Pomyśl o piłce do kręgli, piłce bilardowej, piłce tenisowej, piłce golfowej, kulce i groszku. Pomyśl o względnej wielkości tych przedmiotów.

Skanowanie mikroskopu elektronowego

Skaningowy mikroskop elektronowy to specjalny rodzaj mikroskopu elektronowego, który tworzy obrazy powierzchni próbki poprzez skanowanie jej wiązką elektronów o wysokiej energii w rastrowym wzorze skanowania. W skanowaniu rastrowym obraz jest cięty na sekwencję (zwykle poziomych) pasków zwanych „liniami skanowania”. Elektrony wchodzą w interakcję z atomami tworzącymi próbkę i wytwarzają sygnały, które dostarczają danych o kształcie i składzie powierzchni, a nawet o tym, czy może ona przewodzić prąd. Wiele obrazów wykonanych za pomocą skaningowych mikroskopów elektronowych można oglądać w www.dartmouth.edu/~emlab/galeria.

Mikroskopy sił atomowych

Obrazowanie w skali nano

Aby „zobaczyć”, jak wygląda powierzchnia materiałów w skali nano, inżynierowie opracowali szereg urządzeń i systemów do badania, jak zachowuje się powierzchnia obiektu. Wiele zdjęć można obejrzeć w Dartmouth Electron Microscope Facility pod adresem www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskopy sił atomowych

Mikroskop sił atomowych to specjalny rodzaj mikroskopu z sondą skanującą (SPM), który gromadzi informacje za pomocą sondy dotykającej lub poruszającej się po powierzchni obiektu. Rozdzielczość jest bardzo wysoka, ułamek nanometra. AFM został wynaleziony w 1982 roku w IBM, a pierwszy dostępny na rynku mikroskop sił atomowych został wprowadzony w 1989 roku. AFM pozostaje jednym z najważniejszych narzędzi do pomiaru i obrazowania wszystkiego w nanoskali. Potrafi dość dokładnie wytworzyć trójwymiarowy obraz lub topografię próbki i ma wiele zastosowań. Jeśli potrafisz sobie wyobrazić zamykanie oczu i używanie czubka ołówka, aby dowiedzieć się, jaki przedmiot znajdował się w pudełku, możesz sobie wyobrazić, jak działa ten rodzaj mikroskopu! Jedną z zalet mikroskopu sił atomowych jest to, że nie wymaga specjalnego otoczenia i działa dobrze w przeciętnym środowisku, a nawet w cieczy. Umożliwia to badanie biologii na poziomie makrocząsteczek, a nawet przegląd żywych organizmów.

Połączenia internetowe

• Mikroskopia sił atomowych
• Wirtualny mikroskop

Spis zalecanych lektur

• Mikroskopia sondy skanującej: laboratorium na końcówce (zaawansowane teksty fizyki) (ISBN: 978-3642077371)
• Mikroskopia sondy skanującej (ISBN: 978-3662452394)

Pisanie

Napisz esej lub akapit o tym, jak postępy w nanotechnologii wpłynęły na dziedzinę opieki zdrowotnej i medycyny.

Dostosowanie do ram programowych

Uwaga: Plany lekcji w tej serii są dostosowane do co najmniej jednego z następujących zestawów standardów:

• S. Standardy edukacji naukowej (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Standardy naukowe nowej generacji (http://www.nextgenscience.org/)
• Standardy Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej dotyczące umiejętności technologicznych (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Krajowa Rada Nauczycieli Matematyki Zasad i Standardów Matematyki Szkolnej (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Wspólne podstawowe stanowe standardy matematyki (http://www.corestandards.org/Math)
• Stowarzyszenie Nauczycieli Informatyki K-12 Standardy Informatyki (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy K-4 (wiek 4-9)

TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
• Zrozumienie dociekań naukowych

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Właściwości przedmiotów i materiałów
• Pozycja i ruch obiektów

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka i technologia w lokalnych wyzwaniach

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)

TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
• Zrozumienia dotyczące badań naukowych

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Własności i zmiany własności w materii

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć w klasach 5-8 wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego
• Zrozumienie nauki i technologii

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka i technologia w społeczeństwie 

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
• Natura nauki

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 9-12 (wiek 14-18)

TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
• Zrozumienia dotyczące badań naukowych

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Struktura i właściwości materii

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego
• Zrozumienie nauki i technologii

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka i technologia a wyzwania lokalne, krajowe i globalne

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
• Natura wiedzy naukowej
• Perspektywy historyczne

 Standardy naukowe nowej generacji klasy 2-5 (w wieku 7-11 lat)

Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:

Materia i jej interakcje

• 5-PS1-1. Opracuj model opisujący, że materia składa się z cząstek zbyt małych, aby można je było zobaczyć.
• 5-PS1-3. Dokonuj obserwacji i pomiarów, aby zidentyfikować materiały na podstawie ich właściwości. 

Standardy alfabetyzacji technologicznej – w każdym wieku 

Natura technologii

• Standard 1: Uczniowie zrozumieją cechy i zakres technologii.
• Standard 2: Studenci rozwiną zrozumienie podstawowych koncepcji technologii.
• Standard 3: Studenci rozwiną zrozumienie relacji między technologiami oraz powiązań między technologią a innymi dziedzinami nauki. 

Technologia i społeczeństwo

• Standard 4: Studenci rozwiną zrozumienie kulturowych, społecznych, ekonomicznych i politycznych skutków technologii.
• Standard 6: Studenci rozwiną zrozumienie roli społeczeństwa w rozwoju i wykorzystaniu technologii.
• Standard 7: Studenci rozwiną zrozumienie wpływu technologii na historię.

Umiejętności dla technologicznego świata

Standard 13: Uczniowie rozwiną umiejętności oceny wpływu produktów i systemów.

Spróbuj swoich sił jako mikroskop z sondą skanującą!

Faza badań

Przeczytaj materiały dostarczone przez nauczyciela. Jeśli masz dostęp do Internetu, zapoznaj się również z samouczkiem na tej stronie: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Zilustruje on działanie mikroskopów z sondą skanującą i pomoże zrozumieć, w jaki sposób w ramach tego ćwiczenia wykonasz podobne zadanie.

Wypróbuj to!

Każdy uczeń w twoim zespole na zmianę używa sondy ołówkowej, aby określić kształt lub zidentyfikować przedmiot w pudełku. Możesz mieć zawiązane oczy lub mieć wycięty otwór w pudełku, aby twoja ręka i ołówek mogły być w środku, abyś nie widział, co jest w pudełku.

Użyj tylko końcówki ołówka, aby zbadać zawartość lub powierzchnię dna pudełka. W myślach śledź wysokość wyczuwanych obiektów, ich kształt i ogólny rozmiar.

Następnie narysuj to, co „zobaczyłeś” na kartce papieru — warto rozważyć widok z góry i z boku, aby określić, co znajduje się w pudełku.

Kiedy każdy uczeń w zespole przeprowadzi dochodzenie, pracujcie razem i podzielcie się swoimi rysunkami i opiniami na temat tego, co znajduje się w pudełku. Wypracować konsensus jako zespół i opracować ostateczny rysunek, który zawiera szacunkowe wymiary obiektu

Faza prezentacji i refleksji

Przedstaw klasie swoje pomysły, rysunki i pomiary oraz wysłuchaj prezentacji innych zespołów. Zobacz, jak blisko był Twój zespół lub inne zespoły w określaniu rzeczywistego rozmiaru i kształtu. Następnie uzupełnij arkusz refleksji.

Refleksja

Uzupełnij poniższe pytania do refleksji:

1. Jak dokładny pod względem kształtu był Twój zespół w identyfikacji obiektu? Co znalazłeś w pudełku?

2. Jak dokładny był twój zespół w określeniu rzeczywistego rozmiaru przedmiotu w pudełku?

3. O jaki procent szacowany rozmiar różnił się od rzeczywistego rozmiaru przedmiotu w pudełku?

4. Czy uważasz, że ilość czasu, jaką poświęciłeś na „zobaczenie” wnętrza pudełka z sondą, wpłynęła na dokładność Twoich wyników?

5. Czy uważasz, że praca w zespole ułatwiła czy utrudniła ten projekt? Czemu?