Maging isang Scanning Probe Mikroskopyo

Mga Materyal na Bumuo (Para sa bawat koponan)

Mga Kinakailangan na Materyales para sa silid aralan

• Kahon na may item na nakakabit sa ilalim (pinuno, tasa ng papel, ladrilyo, piraso ng prutas)
• I-blindfold o gupitin ang isang butas sa kahon upang mapasok ng mga mag-aaral ang kanilang kamay at isang lapis sa loob, nang hindi nakikita kung ano ang nasa kahon. 

Mga Kinakailangan na Materyales para sa mga koponan

• Papel
• Panulat
• Pencil
• Pag-access sa internet, opsyonal

Disenyo Hamon

Ikaw ay isang pangkat ng mga inhinyero na binigyan ng hamon ng paggamit ng isang lapis na probe upang "maramdaman" ang dalawang magkakaibang mga bagay sa loob ng isang kahon (nang hindi nakikita ang mga bagay). Susunod, iguhit mo kung ano ang iyong "nakita" at bilang isang koponan na sumasang-ayon sa kung ano ang maaaring maging bagay sa kahon. Pagkatapos, bumuo ang mga koponan ng isang detalyadong pagguhit na nagpapakita ng bagay na pinagkasunduan mo.

Pamantayan ng

• Kailangang gumamit ng lapis upang "maramdaman" ang mga bagay.
• Hindi dapat makita ang mga bagay (alinman sa isang blindfold o butas na pinutol sa kahon upang magkasya sa isang kamay at lapis)

hadlang

• Gumamit lamang ng mga ibinigay na materyal.

Kailangan ng Oras: Isa hanggang dalawang 45 minutong session.

1. Hatiin ang klase sa mga koponan ng 2-4.
2. Ipamahagi ang worksheet ng Be a Scanning Probe mikroskopyo.
3. Talakayin ang mga paksa sa Seksyon ng Mga Konsepto sa Background. Tanungin ang mga mag-aaral na isaalang-alang kung paano sinusukat ng mga inhinyero ang ibabaw ng mga bagay na masyadong maliit upang makita. Kung magagamit ang internet, ibahagi ang The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Suriin ang Proseso ng Disenyo ng Engineering, Hamon sa Disenyo, Pamantayan, Paghihigpit at Materyales.
5. Ibigay ang bawat koponan sa kanilang mga materyales.
6. Ipaliwanag na ang mga mag-aaral ay dapat gumamit ng isang lapis upang "madama" ang dalawang magkakaibang bagay sa loob ng isang kahon (nakapiring). Susunod, iguhit nila kung ano ang kanilang "nakita" at bilang isang koponan na sumasang-ayon sa kung ano ang maaaring maging bagay sa kahon. Sa wakas, ang mga koponan ay bumuo ng isang detalyadong pagguhit na ipinapakita ang bagay na pinagkasunduan nila.
7. Ipahayag ang dami ng oras na mayroon sila upang makumpleto ang aktibidad (inirerekumenda na 1 oras).
8. Gumamit ng isang timer o isang on-line na stopwatch (count down na tampok) upang matiyak na mananatili ka sa oras. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Bigyan ang mga mag-aaral ng regular na "mga pagsusuri sa oras" upang manatili sila sa gawain. Kung nahihirapan sila, magtanong ng mga katanungan na magdadala sa kanila sa isang solusyon nang mas mabilis.
9. Magturo sa mga mag-aaral na gawin ang sumusunod:
   • Ang bawat mag-aaral sa koponan ay pumapalit gamit ang isang lapis na pagsisiyasat upang matukoy ang hugis upang makilala ang mga bagay sa isang kahon. Maaari kang maging nakapiring, o may isang butas na pinutol sa isang kahon upang ang iyong kamay at lapis ay maaaring nasa loob nang hindi mo nakikita kung ano ang nasa kahon.
   • Gumamit lamang ng dulo ng lapis upang suriin ang nilalaman o pang-ibabaw na bahagi ng ilalim ng kahon.
   • Sa iyong isipan, subaybayan ang taas ng mga bagay na nadarama mo, ang kanilang hugis, at pangkalahatang laki.
   • Susunod, iguhit ang iyong "nakita" sa isang piraso ng papel - baka gusto mong isaalang-alang ang isang tuktok at pananaw sa gilid upang makatulong na matukoy kung ano ang nasa kahon.
   • Kapag ang bawat mag-aaral sa koponan ay nagawa ang pagsisiyasat, magtulungan at ibahagi ang iyong mga guhit at opinyon sa kung ano ang nasa kahon. Bumuo ng isang pinagkasunduan bilang isang koponan at bumuo ng isang pangwakas na pagguhit na kasama ang tinatayang mga sukat ng bagay.
10. Ipinapakita ng mga koponan ang iyong mga ideya, guhit, at sukat sa klase, at nakikinig sa mga pagtatanghal ng iba pang mga koponan. Dapat nilang ihambing kung gaano kalapit ang kanilang koponan sa pagtukoy ng totoong laki at hugis.
11. Bilang isang klase, talakayin ang mga katanungan sa pagmuni-muni ng mag-aaral.
12. Para sa higit pang nilalaman sa paksa, tingnan ang seksyong "Digging Deeper".

Opsyonal na Aktibidad ng Extension

Ipasalamin sa mga mag-aaral kung ano ang "nararamdaman" nila sa kahon gamit ang isang kamay, sa pamamagitan ng pagguhit nang sabay sa papel gamit ang kabilang kamay.

Pagninilay ng Mag-aaral (notebook para sa engineering)

1. Gaano katumpak sa mga tuntunin ng hugis ang iyong koponan sa pagkilala sa bagay? Ano ang nakita mo sa kahon?
2. Gaano katumpak ang iyong koponan sa pagtukoy ng totoong laki ng object sa kahon?
3. Sa anong porsyento natantya ang iyong laki mula sa aktwal na laki ng bagay sa kahon?
4. Sa palagay mo ba ang dami ng oras na kinuha mo upang "makita" sa loob ng kahon na may probe na nakakaapekto kung gaano katumpak ang iyong mga natuklasan?
5. Naisip mo ba na ang pagtatrabaho bilang isang koponan ay nagpadali o nagpapadali sa proyektong ito? Bakit?

Ang aralin ay maaaring gawin sa kasing liit ng 1 panahon ng klase para sa mga matatandang mag-aaral. Gayunpaman, upang matulungan ang mga mag-aaral mula sa pakiramdam na nagmamadali at upang matiyak ang tagumpay ng mag-aaral (lalo na para sa mga mas batang mag-aaral), hatiin ang aralin sa dalawang panahon na nagbibigay sa mga mag-aaral ng mas maraming oras upang mag-utak, subukan ang mga ideya at tapusin ang kanilang disenyo. Isagawa ang pagsubok at debrief sa susunod na panahon ng klase.

Ano ang Nanotechnology?

Pag-isipan na mapagmasdan ang paggalaw ng isang pulang selula ng dugo habang gumagalaw ito sa iyong ugat. Ano ang magiging hitsura ng pagmamasid sa mga atomo ng sodium at chlorine habang malapit silang makalapit upang talagang ilipat ang mga electron at bumuo ng isang salt kristal o obserbahan ang panginginig ng mga molekula habang tumataas ang temperatura sa isang lalagyan ng tubig? Dahil sa mga tool o 'saklaw' na nabuo at napabuti sa huling ilang dekada maaari nating obserbahan ang mga sitwasyon tulad ng marami sa mga halimbawa sa simula ng talatang ito. Ang kakayahang obserbahan, sukatin at kahit manipulahin ang mga materyales sa sukat ng molekula o atomiko ay tinatawag na nanotechnology o nanoscience. Kung mayroon kaming isang nano "isang bagay" mayroon kaming isang bilyon ng bagay na iyon. Inilalapat ng mga siyentista at inhinyero ang nano prefix sa maraming mga "somethings" kabilang ang haba ng metro), segundo (oras), liters (dami) at gramo (masa) upang kumatawan sa kung ano ang naiintindihan ng napakaliit na dami. Kadalasan ang nano ay inilalapat sa sukat ng haba at sinusukat at pinag-uusapan natin ang tungkol sa nanometers (nm). Ang mga indibidwal na atomo ay mas maliit kaysa sa 1 nm ang lapad, na kumukuha ng humigit-kumulang 10 mga atomo ng hydrogen sa isang hilera upang lumikha ng isang linya na 1 nm ang haba. Ang iba pang mga atomo ay mas malaki kaysa sa hydrogen ngunit mayroon pa ring mga diametro na mas mababa sa isang nanometer. Ang isang tipikal na virus ay tungkol sa 100 nm ang lapad at ang isang bakterya ay tungkol sa 1000 nm na ulo hanggang sa buntot. Ang mga tool na pinapayagan kaming obserbahan ang dating hindi nakikita mundo ng nanoscale ay ang Atomic Force Mikroskopyo at ang Scanning Electron Mikroskopyo.

Gaano Kalaki ang Maliit?

Maaaring mahirap isipin kung gaano kaliliit ang mga bagay sa nanoscale. Ang sumusunod na ehersisyo ay maaaring makatulong sa iyo na mailarawan kung gaano kalaki ang maaaring! Isaalang-alang ang isang bowling ball, isang billiard ball, isang tennis ball, isang golf ball, isang marmol, at isang gisantes. Isipin ang tungkol sa laki ng mga item na ito.

Pag-scan ng Electron Mikroskopyo

Ang pag-scan ng electron microscope ay isang espesyal na uri ng electron microscope na lumilikha ng mga imahe ng isang sample na ibabaw sa pamamagitan ng pag-scan nito gamit ang isang mataas na enerhiya beam ng mga electron sa isang raster scan pattern. Sa isang raster scan, ang isang imahe ay gupitin sa isang pagkakasunud-sunod ng (karaniwang pahalang) na mga piraso na kilala bilang "mga linya ng pag-scan." Ang mga electron ay nakikipag-ugnay sa mga atomo na bumubuo ng sample at gumagawa ng mga signal na nagbibigay ng data tungkol sa hugis, komposisyon ng ibabaw, at kahit na maaari itong magsagawa ng kuryente. Maraming mga larawang kinunan gamit ang pag-scan ng mga electron microscope ay maaaring matingnan www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mga Mikropono ng Atomic Force

Imaging sa Nano Scale

Upang "makita" kung ano ang hitsura ng ibabaw ng mga materyales sa sukat ng nano, ang mga inhinyero ay nakabuo ng isang saklaw ng mga aparato at system upang tuklasin kung paano kumikilos ang ibabaw ng isang bagay. Maaari kang tumingin ng maraming mga imahe sa Pasilidad ng Dartmouth Electron Microscope sa www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mga Mikropono ng Atomic Force

Ang isang Atomic Force Mikroskopyo ay isang espesyal na uri ng pag-scan ng probe microscope (SPM), na nangangalap ng impormasyon sa pamamagitan ng paggamit ng isang pagsisiyasat upang hawakan o ilipat ang ibabaw ng isang paksa. Napakataas ng resolusyon, sa isang maliit na bahagi ng isang nanometer. Ang AFM ay naimbento noong 1982 sa IBM at ang unang magagamit na komersyal na atomic force microscope ay ipinakilala noong 1989. Ang AFM ay nananatiling isa sa pinakamahalagang tool para sa pagsukat at pag-imaging ng anuman sa nanoscale. Maaari itong tumpak na makabuo ng isang tatlong dimensional na larawan o topograpiya ng isang sample, at maraming mga application. Kung maiisip mong ipinikit ang iyong mga mata at ginagamit ang dulo ng isang lapis upang malaman kung anong bagay ang nasa isang kahon, maaari mong isipin kung paano gumagana ang ganitong uri ng mikroskopyo! Ang isang kalamangan ng isang Atomic Force Mikroskopyo ay hindi ito nangangailangan ng mga espesyal na paligid, at gumagana nang maayos sa isang average na kapaligiran, o kahit sa likido. Ginagawa nitong posible na galugarin ang biology sa antas ng macromolecule, o kahit suriin ang mga nabubuhay na organismo.

Mga Koneksyon sa Internet

• Mikropono ng Atomic Force
• Ang Virtual Mikroskopyo

Inirerekumendang Reading

• Pag-scan ng Probe Mikroskopya: Ang Lab sa isang Tip (Mga advanced na Teksto sa Physics) (ISBN: 978-3642077371)
• Pag-scan ng Probe Microscopy (ISBN: 978-3662452394)

Gawain sa Pagsulat

Sumulat ng isang sanaysay o isang talata tungkol sa kung paano nakakaapekto ang mga pagsulong sa pamamagitan ng nanotechnology sa larangan ng pangangalaga ng kalusugan at gamot.

Pagkahanay sa Mga Framework ng Kurikulum

tandaan: Ang mga plano sa aralin sa seryeng ito ay nakahanay sa isa o higit pa sa mga sumusunod na hanay ng mga pamantayan:

• S. Mga Pamantayan sa Edukasyon sa Agham (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Susunod na Mga Pamantayan sa Agham na Henerasyon (http://www.nextgenscience.org/)
• Mga Pamantayan sa International Technology Education Association para sa Teknikal na Pagbasa (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Pambansang Konseho ng Mga Guro ng Mga Prinsipyo at Pamantayan ng Matematika para sa Matematika sa Paaralan (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Karaniwang Mga Pamantayang Pangunahing Estado para sa Matematika (http://www.corestandards.org/Math)
• Mga Pamantayan sa Agham ng Guro sa Computer K-12 Mga Pamantayan sa Agham ng Computer (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Mga Pamantayan sa Edukasyon sa Pambansang Agham Mga Gradong K-4 (edad 4-9)

NILALAMAN PAMANTAYAN A: Agham bilang Pagtatanong

Bilang resulta ng mga aktibidad, lahat ng mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kinakailangang kakayahan upang magawa ang pang-agham na pagtatanong
• Pag-unawa tungkol sa pang-agham na pagtatanong

NILALAMAN PAMANTAYAN B: Agham Pisikal

Bilang isang resulta ng mga gawain, lahat ng mga mag-aaral ay dapat na bumuo ng isang pag-unawa sa

• Mga katangian ng mga bagay at materyales
• Posisyon at paggalaw ng mga bagay

NILALAMAN STANDARD E: Agham at Teknolohiya

Bilang resulta ng mga aktibidad, lahat ng mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kakayahan ng disenyo ng teknolohikal

NILALAMAN PAMANTAYAN F: Agham sa Personal at Pananaw ng Panlipunan

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham at teknolohiya sa mga lokal na hamon

NILALAMAN PAMANTAYAN G: Kasaysayan at Kalikasan ng Agham

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham bilang isang pagsisikap ng tao

Mga Pamantayan sa Edukasyon sa Pambansang Agham Baitang 5-8 (edad 10-14)

NILALAMAN PAMANTAYAN A: Agham bilang Pagtatanong

Bilang resulta ng mga aktibidad, lahat ng mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kinakailangang kakayahan upang magawa ang pang-agham na pagtatanong
• Mga pag-unawa tungkol sa pang-agham na pagtatanong

NILALAMAN PAMANTAYAN B: Agham Pisikal

Bilang isang resulta ng kanilang mga gawain, lahat ng mga mag-aaral ay dapat na bumuo ng isang pag-unawa sa

• Mga pag-aari at pagbabago ng mga pag-aari sa bagay

NILALAMAN STANDARD E: Agham at Teknolohiya

Bilang isang resulta ng mga aktibidad sa mga marka 5-8, lahat ng mga mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kakayahan ng disenyo ng teknolohikal
• Mga pag-unawa tungkol sa agham at teknolohiya

NILALAMAN PAMANTAYAN F: Agham sa Personal at Pananaw ng Panlipunan

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham at teknolohiya sa lipunan 

Mga Pamantayan sa Edukasyon sa Pambansang Agham Baitang 5-8 (edad 10-14)

NILALAMAN PAMANTAYAN G: Kasaysayan at Kalikasan ng Agham

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham bilang isang pagsisikap ng tao
• Kalikasan ng agham

Mga Pamantayan sa Edukasyon sa Pambansang Agham Baitang 9-12 (edad 14-18)

NILALAMAN PAMANTAYAN A: Agham bilang Pagtatanong

Bilang resulta ng mga aktibidad, lahat ng mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kinakailangang kakayahan upang magawa ang pang-agham na pagtatanong
• Mga pag-unawa tungkol sa pang-agham na pagtatanong

NILALAMAN PAMANTAYAN B: Agham Pisikal

Bilang isang resulta ng kanilang mga gawain, lahat ng mga mag-aaral ay dapat na magkaroon ng pag-unawa sa

• Istraktura at mga katangian ng bagay

NILALAMAN STANDARD E: Agham at Teknolohiya

Bilang resulta ng mga aktibidad, lahat ng mag-aaral ay dapat na bumuo

• Mga kakayahan ng disenyo ng teknolohikal
• Mga pag-unawa tungkol sa agham at teknolohiya

NILALAMAN PAMANTAYAN F: Agham sa Personal at Pananaw ng Panlipunan

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham at teknolohiya sa mga hamon sa lokal, pambansa, at pandaigdigan

NILALAMAN PAMANTAYAN G: Kasaysayan at Kalikasan ng Agham

Bilang isang resulta ng mga aktibidad, ang lahat ng mga mag-aaral ay dapat magkaroon ng pag-unawa sa

• Agham bilang isang pagsisikap ng tao
• Kalikasan ng kaalamang pang-agham
• Makasaysayang pananaw

 Susunod na Mga Pamantayan sa Agham ng Henerasyon Baitang 2-5 (Ages 7-11)

Ang mga mag-aaral na nagpapakita ng pag-unawa ay maaaring:

Mahalaga at mga Pakikipag-ugnay nito

• 5-PS1-1. Bumuo ng isang modelo upang ilarawan ang bagay na iyon ay gawa sa mga maliit na butil na maliit na nakikita.
• 5-PS1-3. Gumawa ng mga obserbasyon at sukat upang makilala ang mga materyales batay sa kanilang mga pag-aari. 

Mga Pamantayan para sa Teknikal na Pagbasa at Pagsulat - Lahat ng Edad 

Ang Kalikasan ng Teknolohiya

• Pamantayan 1: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa mga katangian at saklaw ng teknolohiya.
• Pamantayan 2: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa pangunahing mga konsepto ng teknolohiya.
• Pamantayan 3: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa mga ugnayan sa mga teknolohiya at mga koneksyon sa pagitan ng teknolohiya at iba pang larangan ng pag-aaral. 

Teknolohiya at Lipunan

• Pamantayan 4: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa mga epekto sa kultura, panlipunan, pang-ekonomiya, at pampulitika ng teknolohiya.
• Pamantayan 6: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa papel ng lipunan sa pag-unlad at paggamit ng teknolohiya.
• Pamantayan 7: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng pag-unawa sa impluwensya ng teknolohiya sa kasaysayan.

Mga Kakayahan para sa isang Teknikal na Mundo

Pamantayan 13: Ang mga mag-aaral ay bubuo ng mga kakayahan upang masuri ang epekto ng mga produkto at system.

Subukan ang iyong kamay sa pagiging isang Scanning Probe mikroskopyo!

Phase ng Pananaliksik

Basahin ang mga materyales na ibinigay sa iyo ng iyong guro. Kung mayroon kang access sa internet, tingnan din ang tutorial sa website na ito: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Iilalarawan nito kung paano gumagana ang mga pag-scan ng mga mikroskopyo ng pag-scan at makakatulong sa iyo na maunawaan kung paano mo maisasagawa ang isang katulad na gawain sa pamamagitan ng aktibidad na ito.

Subukan!

Ang bawat mag-aaral sa iyong koponan ay magpapalitan gamit ang isang lapis na pagsisiyasat upang matukoy ang hugis o makilala ng isang bagay sa isang kahon. Maaari kang maging nakapiring, o may isang butas na pinutol sa isang kahon upang ang iyong kamay at lapis ay maaaring nasa loob nang hindi mo nakikita kung ano ang nasa kahon.

Gumamit lamang ng dulo ng lapis upang suriin ang nilalaman o pang-ibabaw na bahagi ng ilalim ng kahon. Sa iyong isipan, subaybayan ang taas ng mga bagay na nadarama mo, ang kanilang hugis, at pangkalahatang laki.

Susunod, iguhit ang iyong "nakita" sa isang piraso ng papel - baka gusto mong isaalang-alang ang isang tuktok at pananaw sa gilid upang makatulong na matukoy kung ano ang nasa kahon.

Kapag ang bawat mag-aaral sa koponan ay nagawa ang pagsisiyasat, magtulungan at ibahagi ang iyong mga guhit at opinyon sa kung ano ang nasa kahon. Bumuo ng isang pinagkasunduan bilang isang koponan at bumuo ng isang pangwakas na pagguhit na may kasamang tinantyang mga sukat ng bagay

Yugto ng Paglalahad at Pagninilay

Ipakita ang iyong mga ideya, guhit, at sukat sa klase, at pakinggan ang mga pagtatanghal ng iba pang mga koponan. Tingnan kung gaano kalapit ang iyong koponan, o ang iba pang mga koponan, sa pagtukoy ng totoong laki at hugis. Pagkatapos ay kumpletuhin ang sheet ng pagsasalamin.

Panganganinag

Kumpletuhin ang mga katanungang sumasalamin sa ibaba:

1. Gaano katumpak sa mga tuntunin ng hugis ang iyong koponan sa pagkilala sa bagay? Ano ang nakita mo sa kahon?

2. Gaano katumpak ang iyong koponan sa pagtukoy ng totoong laki ng object sa kahon?

3. Sa anong porsyento natantya ang iyong laki mula sa aktwal na laki ng bagay sa kahon?

4. Sa palagay mo ba ang dami ng oras na kinuha mo upang "makita" sa loob ng kahon na may probe na nakakaapekto kung gaano katumpak ang iyong mga natuklasan?

5. Naisip mo ba na ang pagtatrabaho bilang isang koponan ay nagpadali o nagpapadali sa proyektong ito? Bakit?