Kuwa darubini ya Kuchunguza Skanning

Vifaa vya Kuunda (Kwa kila timu)

Vifaa vinavyohitajika kwa darasa

• Sanduku lenye kipengee kilichowekwa chini (rula, kikombe cha karatasi, matofali, kipande cha matunda)
• Pofoa macho au kata shimo ndani ya sanduku ili wanafunzi waweze kutoshea mkono na penseli ndani, bila kuona kilicho ndani ya sanduku. 

Vifaa vinavyohitajika kwa timu

• Karatasi
• Kalamu
• Kalamu
• Ufikiaji wa wavuti, hiari

Design Challenge

Wewe ni timu ya wahandisi uliopewa changamoto ya kutumia uchunguzi wa penseli "kuhisi" vitu viwili tofauti ndani ya sanduku (bila kuona vitu). Ifuatayo, utachora kile "ulichokiona" na kama timu mnakubaliana juu ya kile kitu kwenye sanduku kinaweza kuwa. Kisha, timu hutengeneza mchoro wa kina unaoonyesha kitu ambacho mmekubaliana.

Vigezo

• Lazima utumie penseli "kuhisi" vitu.
• Haipaswi kuona vitu (iwe kitambaa cha macho au shimo lililokatwa kwenye sanduku kutoshea mkono na penseli)

vikwazo

• Tumia vifaa tu vilivyotolewa.

Wakati Unaohitajika: Vipindi vya dakika moja hadi mbili 45.

1. Vunja darasa kuwa timu za 2-4.
2. Toa karatasi ya kazi ya kuwa Skanning Probe Microscope.
3. Jadili mada kwenye Sehemu ya Dhana za Asili. Waulize wanafunzi kuzingatia jinsi wahandisi wanapima uso wa vitu ambavyo ni vidogo sana kuona. Ikiwa mtandao unapatikana, shiriki darubini ya Virtual (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Pitia Mchakato wa Ubunifu wa Uhandisi, Changamoto ya Kubuni, Vigezo, Vikwazo na Vifaa.
5. Wapatie kila timu vifaa vyao.
6. Eleza kwamba wanafunzi lazima watumie penseli "kuhisi" vitu viwili tofauti ndani ya sanduku (limefunikwa macho). Halafu, watachora kile "walichokiona" na kama timu wanakubaliana juu ya kile kitu kwenye sanduku kinaweza kuwa. Mwishowe, timu hutengeneza mchoro wa kina unaoonyesha kitu ambacho walikubaliana.
7. Tangaza muda waliyonayo kumaliza shughuli (saa 1 ilipendekezwa).
8. Tumia kipima muda au saa ya mkondoni (hesabu ya chini) ili kuhakikisha unakaa kwa wakati. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Wape wanafunzi "ukaguzi wa wakati" wa kawaida ili wabaki kazini. Ikiwa wanajitahidi, uliza maswali ambayo yatawaongoza kwenye suluhisho haraka.
9. Agiza wanafunzi kufanya yafuatayo:
   • Kila mwanafunzi kwenye timu anachukua zamu kutumia uchunguzi wa penseli kuamua umbo la kutambua vitu kwenye sanduku. Unaweza kufungwa macho, au ukatwe shimo ndani ya sanduku ili mkono wako na penseli iwe ndani bila wewe kuona kilicho ndani ya sanduku.
   • Tumia ncha ya penseli tu kuchunguza yaliyomo au eneo la uso wa chini ya sanduku.
   • Katika akili yako, fuatilia urefu wa vitu unavyohisi, umbo lao, na saizi ya jumla.
   • Ifuatayo, chora kile "ulichokiona" kwenye karatasi - unaweza kutaka kuzingatia maoni ya juu na upande ili kusaidia kujua ni nini ndani ya sanduku.
   • Wakati kila mwanafunzi kwenye timu amefanya uchunguzi, fanya kazi pamoja na shiriki michoro na maoni yako ya kile kilicho kwenye sanduku. Kuja na makubaliano kama timu na tengeneza mchoro wa mwisho ambao unajumuisha vipimo vya makadirio ya kitu.
10. Timu zinawasilisha maoni yako, michoro, na vipimo kwa darasa, na usikilize mawasilisho ya timu zingine. Wanapaswa kulinganisha jinsi timu yao ilivyokuwa karibu katika kuamua saizi na umbo halisi.
11. Kama darasa, jadili maswali ya tafakari ya mwanafunzi.
12. Kwa yaliyomo zaidi kwenye mada, angalia sehemu ya "Kuchimba Kina".

Shughuli ya Ugani wa Hiari

Acha wanafunzi waangalie kile "wanahisi" kwenye sanduku kwa mkono mmoja, kwa kuchora wakati huo huo kwenye karatasi na mkono mwingine.

Tafakari ya Wanafunzi (daftari la uhandisi)

1. Je! Timu yako ilikuwa sahihi kadiri ya umbo katika kutambua kitu? Umepata nini kwenye sanduku?
2. Timu yako ilikuwa sahihi kiasi gani katika kuamua ukubwa halisi wa kitu kwenye sanduku?
3. Je! Ukubwa wako ulikadiriwa kwa asilimia ngapi kutoka saizi halisi ya kitu kwenye sanduku?
4. Je! Unafikiri kuwa muda uliochukua "kuona" ndani ya sanduku na uchunguzi uliathiri jinsi matokeo yako yalikuwa sahihi?
5. Je! Ulifikiri kuwa kufanya kazi kama timu kulifanya mradi huu kuwa rahisi au mgumu? Kwa nini?

Somo linaweza kufanywa kwa kipindi kidogo cha darasa 1 kwa wanafunzi wakubwa. Walakini, kusaidia wanafunzi kutoka kuhisi kukimbilia na kuhakikisha kufaulu kwa mwanafunzi (haswa kwa wanafunzi wadogo), gawanya somo katika vipindi viwili ukiwapa wanafunzi muda zaidi wa kujadiliana, kujaribu maoni na kumaliza muundo wao. Fanya upimaji na majadiliano katika kipindi kijacho cha darasa.

Nanotechnology ni nini?

Fikiria kuwa na uwezo wa kutazama mwendo wa seli nyekundu ya damu wakati inapita kwenye mshipa wako. Je! Ingekuwaje kutazama atomi za sodiamu na klorini wanapokaribia kutosha kuhamisha elektroni na kuunda kioo cha chumvi au kutazama mtetemeko wa molekuli wakati joto linapoongezeka kwenye sufuria ya maji? Kwa sababu ya zana au 'upeo' ambao umetengenezwa na kuboreshwa kwa miongo michache iliyopita tunaweza kuona hali kama mifano mingi mwanzoni mwa aya hii. Uwezo huu wa kuchunguza, kupima na hata kudhibiti vifaa kwa kiwango cha Masi au atomiki huitwa nanoteknolojia au nanoscience. Ikiwa tuna nano "kitu" tuna bilioni moja ya kitu hicho. Wanasayansi na wahandisi hutumia kiambishi awali cha nano kwa "vipindi vingi" pamoja na urefu wa mita), sekunde (muda), lita (ujazo) na gramu (misa) kuwakilisha kile kinachoeleweka ni idadi ndogo sana. Mara nyingi nano hutumiwa kwa kiwango cha urefu na tunapima na kuzungumza juu ya nanometers (nm). Atomi za kibinafsi ni ndogo kuliko 1 nm kwa kipenyo, ikichukua kama atomi 10 za haidrojeni mfululizo kuunda laini 1 nm kwa urefu. Atomi zingine ni kubwa kuliko hidrojeni lakini bado zina kipenyo chini ya nanometer. Virusi vya kawaida ni karibu kipenyo cha 100 nm na bakteria ni karibu 1000 nm kichwa hadi mkia. Zana ambazo zimeruhusu kutazama ulimwengu ulioonekana hapo awali wa nanoscale ni Darubini ya Kikosi cha Atomiki na Darubini ya Elektroni ya Skanning.

Mdogo ni Mkubwa kiasi gani?

Inaweza kuwa ngumu kuibua jinsi vitu vidogo vilivyo kwenye nanoscale. Zoezi zifuatazo zinaweza kukusaidia kuibua jinsi kubwa inaweza kuwa ndogo! Fikiria mpira wa Bowling, mpira wa biliard, mpira wa tenisi, mpira wa gofu, marumaru, na njegere. Fikiria juu ya saizi ya jamaa ya vitu hivi.

Inachanganua darubini ya elektroni

Darubini ya elektroni ya skanning ni aina maalum ya darubini ya elektroni ambayo huunda picha za uso wa sampuli kwa kuichanganua na boriti kubwa ya nishati ya elektroni kwa muundo wa skana ya raster. Katika skana ya raster, picha hukatwa kwa mlolongo wa (kawaida usawa) vipande vinavyojulikana kama "mistari ya skana." Elektroni zinaingiliana na atomi zinazounda sampuli na hutoa ishara ambazo hutoa data kuhusu umbo la uso, muundo, na hata ikiwa inaweza kufanya umeme. Picha nyingi zilizochukuliwa na skanning darubini za elektroni zinaweza kutazamwa www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Darubini za Nguvu za Atomiki

Kuiga katika kiwango cha Nano

Ili "kuona" jinsi uso wa vifaa unavyoonekana katika kiwango cha nano, wahandisi wameunda vifaa na mifumo anuwai ya kuchunguza jinsi uso wa kitu hutendea. Unaweza kutazama picha nyingi katika Kituo cha Darubini ya Dartmouth Electron kwenye www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Darubini za Nguvu za Atomiki

Darubini ya Nguvu ya Atomiki ni aina maalum ya uchunguzi wa darubini ya uchunguzi (SPM), ambayo hukusanya habari kwa kutumia uchunguzi kugusa au kusonga juu ya uso wa mada. Azimio ni kubwa sana, kwa sehemu ya nanometer. AFM ilibuniwa mnamo 1982 katika IBM na darubini ya nguvu ya atomiki ya kwanza kuuzwa ilianzishwa mnamo 1989. AFM inabaki kuwa moja ya zana muhimu zaidi ya kupima na kupiga picha kwa kitu chochote kwenye nanoscale. Inaweza kukuza kwa usahihi picha ya pande tatu au topografia ya sampuli, na ina matumizi mengi. Ikiwa unaweza kufikiria kufunga macho yako na kutumia ncha ya penseli kugundua kitu gani kilikuwa ndani ya sanduku, unaweza kufikiria jinsi aina hii ya darubini inafanya kazi! Faida moja ya Darubini ya Nguvu ya Atomiki ni kwamba haiitaji mazingira maalum, na inafanya kazi vizuri katika mazingira ya wastani, au hata kwenye kioevu. Hii inafanya uwezekano wa kuchunguza biolojia katika kiwango cha macromolecule, au hata kukagua viumbe hai.

Uunganisho wa mtandao

• Microscopy ya Nguvu ya Atomiki
• Darubini ya Virtual

Reading Ilipendekeza

• Skanning Probe Microscopy: Maabara ya Kidokezo (Maandishi ya Juu katika Fizikia) (ISBN: 978-3642077371)
• Skanning Probe Microscopy (ISBN: 978-3662452394)

Shughuli ya Kuandika

Andika insha au aya kuhusu jinsi maendeleo kupitia nanoteknolojia yameathiri uwanja wa huduma za afya na dawa.

Uwezeshaji kwa Mfumo wa Kimuundo

Kumbuka: Mipango ya masomo katika safu hii imewekwa sawa na moja au zaidi ya viwango vifuatavyo vya viwango:

• Viwango vya Elimu ya Sayansi (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Viwango vya Sayansi ya Kizazi kijacho (http://www.nextgenscience.org/)
• Viwango vya Chama cha Elimu ya Teknolojia ya Kimataifa ya Usomaji wa Teknolojia (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Baraza la Kitaifa la Walimu wa Kanuni na Viwango vya Hisabati ya Shule (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Viwango vya Kawaida vya Jimbo la Hesabu (http://www.corestandards.org/Math)
• Chama cha Walimu wa Sayansi ya Kompyuta K-12 Viwango vya Sayansi ya Kompyuta (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Viwango vya Kitaifa vya Elimu ya Sayansi Madarasa K-4 (miaka 4-9)

KIWANGO CHA MAUDHUI A: Sayansi kama Uchunguzi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo muhimu wa kufanya uchunguzi wa kisayansi
• Kuelewa juu ya uchunguzi wa kisayansi

KIWANGO CHA MAUDHUI B: Sayansi ya Kimwili

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sifa ya vitu na vifaa
• Nafasi na mwendo wa vitu

KIWANGO CHA MAUDHA E: Sayansi na Teknolojia

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo wa muundo wa kiteknolojia

KIWANGO CHA MAUDHUI F: Sayansi katika Mitazamo ya Kibinafsi na Jamii

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi na teknolojia katika changamoto za mitaa

KIWANGO CHA MAUDHUI G: Historia na Hali ya Sayansi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi kama jaribio la mwanadamu

Viwango vya Kitaifa vya Elimu ya Sayansi Madarasa 5-8 (miaka 10-14)

KIWANGO CHA MAUDHUI A: Sayansi kama Uchunguzi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo muhimu wa kufanya uchunguzi wa kisayansi
• Uelewa juu ya uchunguzi wa kisayansi

KIWANGO CHA MAUDHUI B: Sayansi ya Kimwili

Kama matokeo ya shughuli zao, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Mali na mabadiliko ya mali katika jambo

KIWANGO CHA MAUDHA E: Sayansi na Teknolojia

Kama matokeo ya shughuli katika darasa la 5-8, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo wa muundo wa kiteknolojia
• Uelewa kuhusu sayansi na teknolojia

KIWANGO CHA MAUDHUI F: Sayansi katika Mitazamo ya Kibinafsi na Jamii

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi na teknolojia katika jamii 

Viwango vya Kitaifa vya Elimu ya Sayansi Madarasa 5-8 (miaka 10-14)

KIWANGO CHA MAUDHUI G: Historia na Hali ya Sayansi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi kama jaribio la mwanadamu
• Hali ya sayansi

Viwango vya Kitaifa vya Elimu ya Sayansi Madarasa 9-12 (miaka 14-18)

KIWANGO CHA MAUDHUI A: Sayansi kama Uchunguzi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo muhimu wa kufanya uchunguzi wa kisayansi
• Uelewa juu ya uchunguzi wa kisayansi

KIWANGO CHA MAUDHUI B: Sayansi ya Kimwili

Kama matokeo ya shughuli zao, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Muundo na mali ya jambo

KIWANGO CHA MAUDHA E: Sayansi na Teknolojia

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza

• Uwezo wa muundo wa kiteknolojia
• Uelewa kuhusu sayansi na teknolojia

KIWANGO CHA MAUDHUI F: Sayansi katika Mitazamo ya Kibinafsi na Jamii

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi na teknolojia katika changamoto za mitaa, kitaifa, na ulimwengu

KIWANGO CHA MAUDHUI G: Historia na Hali ya Sayansi

Kama matokeo ya shughuli, wanafunzi wote wanapaswa kukuza uelewa wa

• Sayansi kama jaribio la mwanadamu
• Hali ya maarifa ya kisayansi
• Mitazamo ya kihistoria

 Viwango Vifuatavyo vya Sayansi ya Kizazi Daraja la 2-5 (Miaka 7-11)

Wanafunzi wanaoonyesha uelewa wanaweza:

Jambo na Maingiliano yake

• 5-PS1-1. Tengeneza kielelezo cha kuelezea jambo hilo limetengenezwa na chembe ndogo sana kuweza kuonekana.
• 5-PS1-3. Fanya uchunguzi na vipimo kutambua vifaa kulingana na mali zao. 

Viwango vya Usomi wa Teknolojia - Zama zote 

Hali ya Teknolojia

• Kiwango cha 1: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa sifa na upeo wa teknolojia.
• Kiwango cha 2: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa dhana za msingi za teknolojia.
• Kiwango cha 3: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa uhusiano kati ya teknolojia na uhusiano kati ya teknolojia na sehemu zingine za masomo. 

Teknolojia na Jamii

• Kiwango cha 4: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa athari za kitamaduni, kijamii, kiuchumi, na kisiasa za teknolojia.
• Kiwango cha 6: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa jukumu la jamii katika ukuzaji na matumizi ya teknolojia.
• Kiwango cha 7: Wanafunzi wataendeleza uelewa wa ushawishi wa teknolojia kwenye historia.

Uwezo wa Ulimwengu wa Teknolojia

Kiwango cha 13: Wanafunzi wataendeleza uwezo wa kutathmini athari za bidhaa na mifumo.

Jaribu mkono wako kuwa Skanning Probe Microscope!

Awamu ya Utafiti

Soma vifaa ulivyopewa na mwalimu wako. Ikiwa una ufikiaji wa mtandao, angalia pia mafunzo kwenye wavuti hii: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Itaonyesha jinsi darubini ya uchunguzi wa skanning inavyofanya kazi na kukusaidia kuelewa jinsi utakavyofanya kazi sawa kupitia shughuli hii.

Jaribu!

Kila mwanafunzi kwenye timu yako atachukua zamu kutumia uchunguzi wa penseli kuamua umbo au kitambulisho cha kitu kwenye sanduku. Unaweza kufungwa macho, au ukatwe shimo ndani ya sanduku ili mkono wako na penseli iwe ndani bila wewe kuona kilicho ndani ya sanduku.

Tumia ncha ya penseli tu kuchunguza yaliyomo au eneo la uso wa chini ya sanduku. Katika akili yako, fuatilia urefu wa vitu unavyohisi, umbo lao, na saizi ya jumla.

Ifuatayo, chora kile "ulichokiona" kwenye karatasi - unaweza kutaka kuzingatia maoni ya juu na upande ili kusaidia kujua ni nini ndani ya sanduku.

Wakati kila mwanafunzi kwenye timu amefanya uchunguzi, fanya kazi pamoja na shiriki michoro na maoni yako ya kile kilicho kwenye sanduku. Kuja na makubaliano kama timu na tengeneza mchoro wa mwisho ambao unajumuisha vipimo vya makadirio ya kitu

Uwasilishaji na Awamu ya Tafakari

Wasilisha maoni yako, michoro, na vipimo kwa darasa, na usikilize mawasilisho ya timu zingine. Tazama jinsi timu yako, au timu zingine zilikuwa karibu, katika kuamua ukubwa na umbo halisi. Kisha kamilisha karatasi ya kutafakari.

Reflection

Kamilisha maswali ya tafakari hapa chini:

1. Je! Timu yako ilikuwa sahihi kadiri ya umbo katika kutambua kitu? Umepata nini kwenye sanduku?

2. Timu yako ilikuwa sahihi kiasi gani katika kuamua ukubwa halisi wa kitu kwenye sanduku?

3. Je! Ukubwa wako ulikadiriwa kwa asilimia ngapi kutoka saizi halisi ya kitu kwenye sanduku?

4. Je! Unafikiri kuwa muda uliochukua "kuona" ndani ya sanduku na uchunguzi uliathiri jinsi matokeo yako yalikuwa sahihi?

5. Je! Ulifikiri kuwa kufanya kazi kama timu kulifanya mradi huu kuwa rahisi au mgumu? Kwa nini?