Око на оптику

Комплекти

• Набори, які містять матеріали про діяльність, можна знайти за адресою: https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

Вступ

• Робочий аркуш учнів 1: Діаграма KWL - ЗБЕРЕГТИ для повторного використання в Дії 5
• Нормальні, гіперметропічні та короткозорі діаграми очей/роздача
• Пара окулярів

Діяльність 1

• Робочий лист учнів 2: Матеріали та експериментальна установка
• Підготовлені желатинові плити (див. Рецепт нижче)
• Набір Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/АБО Лазерний блок (https://laserclassroom.com/laser-blox/)
• Набір круглих формочок для печива
• Пластиковий ніж

Діяльність 2

• Робочий лист учнів 3: Трасування променів
• Готові форми з желатину
  • Формовані опуклі лінзи
  • Формовані увігнуті лінзи
  • Квадрат желатину (~ 3 "X 3")
  • Коло желатину (діаметр ~ 3 дюйми)
• Набір Light Blox (https://laserclassroom.com/light-blox/АБО Лазерний блок (https://laserclassroom.com/laser-blox/)

Діяльність 3

• 1 Підготовлена ​​желатинова плита на команду
• 1 набір круглих формочок для печива на команду
• 1 пластиковий ніж на команду

Діяльність 4

• 1 Підготовлена ​​желатинова плита на команду
• 1 набір круглих формочок для печива на команду
• 1 пластиковий ніж на команду

Діяльність 5

• Робочий лист учнів №1
• 1 Підготовлена ​​желатинова плита на команду
• 1 набір круглих формочок для печива на команду
• 1 пластиковий ніж на команду

Діяльність 6

• 1 Підготовлена ​​желатинова плита на команду
• 1 набір круглих формочок для печива на команду
• 1 пластиковий ніж на команду
• Шаблон для очей
• Таблиця KWL для довідки

Design Challenge

• Набір Light Blox
• Набір ліпних лінз - один увігнутий і один опуклий
• Плитка желатину
• Пластиковий ніж
• Формочки
• Шаблон для очей
• Заповнена діаграма KWL з робочого аркуша №1

Рецепт желатину:

• За таким рецептом гелю вистачає приблизно на шість великих дисків:
  • 4 склянки води
  • 8 конвертів оригінального желатину Knox
  • 1 контейнер розмірами 9 "x 7" x 2 "
  • Кип'ятіть воду. Змішайте 4 склянки окропу з 8 конвертами (або співвідношенням води: 1: 2 до желатину) оригінального желатину Knox.
• Для діяльності №2 залийте суміш у лотки для форм для лінз.
• Для всіх інших заходів налийте суміш у ємність так, щоб глибина рідини була не менше 0.75 дюйма. Поставте желатин на ніч у холодильник для застигання.

Матеріали

• Різноманітність чистих та сухих матеріалів, що підлягають вторинній переробці (пластмаси, скло, металеві / алюмінієві банки та папір) у великому сміттєвому контейнері або коробці
• Довгий стіл або кілька коротких столів, розміщених разом

Процес

Помістіть дизайн на довгий стіл (або кілька коротких столів, розміщених разом), додайте в дизайн матеріали, що переробляються, і задокументуйте, наскільки добре кожна конструкція сортує матеріали, що підлягають вторинній переробці, в окремі контейнери.

Design Challenge

Ви є частиною команди інженерів, яким поставлено завдання розробити систему лінз для поліпшення зору пацієнта. Ви виконаєте 6 заходів, щоб дізнатися про оптику лінз та людське око.

Критерії

• Розробити та накидати систему для покращення зору пацієнта.

Обмеження

• Використовуйте лише надані матеріали.

Урок передбачає шість уроків по 45-60 хвилин

ВВЕДЕННЯ ВИКЛИКУ

Підсумки
Цей урок завершується викликом дизайну, відкритим проектом, який заохочує студентів ставити запитання, проявляти ініціативу та творчо мислити. Інженерно -конструкторські виклики надають контекст і сенс для використання наукового процесу, розвитку технічних знань та навичок та досягнення успіху в сучасному суспільстві.

Щоб представити цей виклик дизайну, студентам пропонується розробити систему лінз для поліпшення зору пацієнта, студенти визначають, що вони знають і потребують щодо оптики лінз та людського ока, щоб відповісти на виклик.

Загальні навички та знання

• Шлях світла від джерела (або об’єкта) до очей (необов’язкова діяльність: Класна печера)
• Шлях світла в людське око: сітківка та фокусна точка
• Факультативна діяльність - Експериментуйте зі своїм баченням

Налаштувати для діяльності

Розподіліть учнів на команди з 2 або 3. Створіть місце для мозкового штурму про будову та функції лінз та людського ока.

Підніміть окуляри.

Попросіть студентів пояснити, як окуляри покращують зір. Нехай учні накидають свої схеми, якщо це допоможе їм більш повно висловитися.

Поясніть класу, що цей урок завершується викликом дизайну. Поясніть, що команди студентів розроблять систему лінз для поліпшення зору пацієнта. Поясніть, що вони отримають модель ока пацієнта і будуть поставлені завдання розробити набір лінз для поліпшення зору пацієнтів.

Поясніть, що командам потрібно буде пояснювати свої дизайнерські рішення на основі даних, які вони збирають під час проектування та тестування лінз.

Обговоріть у класі - запитайте студентів:

• Як працюють окуляри?
• Як окуляри поєднуються з оком для поліпшення зору?
• Чи є їх різні види окулярів? Якщо так, то чим вони відрізняються і чому?
• Як, на вашу думку, лікарі з’ясовують, який тип лінз покращить зір?

Ведення уроку

Проектуйте зображення звичайного ока, гіперопічного та короткозорого ока на екран та/або роздайте роздатковий матеріал командам із цими зображеннями.

Як клас вивчіть та обговоріть відмінності між зображеннями. Допоможіть учням зрозуміти та звернути увагу на наступне:

• Визначте та зрозумійте основні функції структур ока, зображені на кресленні
• Кришталик ока по всій ідентичний
• Відстань від кришталика до сітківки від ока до ока різна
• Сітківка розташована в одному місці для всіх очей
• Форма кожного ока в цілому різна

Роздайте студентам сценарій виклику та учнівський аркуш №1, таблицю KWL. Як клас, прочитайте та перегляньте сценарій. Дозвольте студентам складати KWL у парах.

Резюме та роздуми

Як клас, перегляньте сценарій та попросіть добровольців поділитися своїми графічними організаторами KWL та оцінити розуміння студентами виклику дизайну.

Поставте учням такі питання, як:

• Як, своїми словами, ви б описали проектний виклик, який вам поставили?
• Що, на вашу думку, потрібно знати, щоб розробити систему лінз для поліпшення зору?
• Що ви вже розумієте про людське око та зір, що допоможе вам вирішити цей виклик?
• Що ви вже розумієте про природу лінз, які допоможуть вам вирішити цей виклик?
• Що, на вашу думку, потрібно навчитись вирішувати виклики дизайну?

ЗАХОД 1: ДОСЛІДЖАЙТЕ СВІТЛОМ ТА ЖЕЛАТИНОМ (45-60 хв)

Підсумки

Мета цього заняття полягає в тому, щоб студенти знайшли та задокументували найефективніший спосіб спостереження та запису шляху світла, коли він залишає джерело світла та проходить через желатин.

Студенти матимуть відкриту можливість досліджувати та працювати з матеріалами, робити та ділитися спостереженнями, а також будувати фундаментальне розуміння взаємозв’язку між формами желатину та світлом. Це відкрите дослідження заохочує творчі здібності та вирішення проблем, корисних для вирішення остаточної проблеми створення системи лінз для поліпшення зору.

Результати навчання

В результаті цієї діяльності студенти зможуть:

• Орієнтуйте желатин та вогні, щоб спостерігати за проходженням світлом шляху, який проходить від джерела світла через шматочок желатину
• Опишіть та задокументуйте шлях світла, який проходить через желатин

o З желатином, покладеним на стіл

o Не кладіть желатин на стіл

o 1 промінь із Light Blox на його ширшій стороні

o 1 промінь із Light Blox на вузькій стороні

o одразу 3 балки

Попередні знання та навички

Перед початком Дії 1:

• Наприкінці цього уроку учні повинні мати уявлення про виклик дизайну. Див. Розділ «Представляємо виклик» вище.
• Введіть загальну ціль дослідницької діяльності: знайти та задокументувати найефективніший спосіб спостереження та запису шляху світла, коли він залишає джерело світла та проходить через желатин, а потім виходить із нього.

Продемонструйте/змоделюйте, як виміряти та записати наступне:

• Покажіть учням набір матеріалів та продемонструйте, як використовувати формочки для печива та пластиковий ніж для створення шматочків желатину різної форми.
• Покажіть учням, як маніпулювати фігурами так, щоб вони пропускали світло через кожну поверхню.
• Покажіть учням два різні способи орієнтування вогнів, що проходять через желатин.

Сприяння діяльності

Заохочуйте творчість, дослідження та документування

• Модель досліджує та експериментує з матеріалами
• Роздайте учнівський робочий аркуш №2 та моделюйте, як записувати спостереження
• Продемонструйте, як документувати:
  • Розмір і форма їх шматочка желатину
  • Орієнтація желатину та світла
  • Весь шлях пучка світла починається, коли він залишає Світловий Блок, коли він проходить, а потім виходить з желатину
  • Створюйте команди та розподіляйте ресурси. Переконайтеся, що кожна команда має доступ до «пластинки желатину» для нарізки, формочок для печива, пластикового ножа, Light Blox (або іншого джерела світла), аркуша паперу та матеріалів для запису.
• Приглушіть світло, якщо це безпечно і можливо
• Поширюйте по всьому класу, щоб спостерігати за групами, коли студенти готують та організовують своє обладнання.
• Поширюйте по кімнаті, спостерігаючи за роботою учнів. Поки команди працюють, спостерігайте за їхніми зусиллями просвітлити Light Blox через желатин, допоможіть окремим людям або командам, які борються з управлінням устаткуванням та налаштуванням.
• За потреби залучайте студентів до обговорення їх діяльності. Поставте студентам відкриті запитання щодо їхніх зусиль з упорядкування обладнання, вирізання фігур, орієнтації вогнів, записування того, що вони спостерігають, і того, як вони розуміють свої спостереження.
• Якщо необхідно, припиніть заняття, щоб поділитися роботою однієї чи кількох команд з іншими командами. Використовуйте такі переривання, щоб виділити позитивні приклади досліджень, включаючи, але не обмежуючись ними: креативний дизайн, методи вирівнювання світла, желатин та екран, ведення записів та робота в команді.

Протягом усього періоду нагадуйте студентам вести детальний облік своєї роботи, до якої вони посилатимуться у подальшому обговоренні.

Підсумуйте та обміркуйте

Закрийте діяльність, заохочіть команди поділитися своєю роботою та зробіть висновки про результати.

• На уроці обговорюйте висновки учнів
  • Як найкраще орієнтувати желатин та вогні, щоб спостерігати за проходженням світла, коли він проходить крізь желатин
  • Як форма желатину впливає на шлях світла під час його проходження крізь желатин
  • Нагадаємо, що в майбутньому ви розробите систему лінз для поліпшення зору людини. Що ви зробили та чому навчилися сьогодні, що стосується цього виклику?
  • Як клас, погодитись щодо процедури відстеження шляху світла, коли він залишає джерело світла, проходить через желатин, а потім виходить з нього.

Що відбувається? Визначення заломлення та посилання на додаткову інформацію. Необов’язково: Кінестетична рефракційна активність http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

ЗАХОД 2: ЕКСПЕРИМЕНТ З ФОРМОЮ ОБЕКТИВА (45-60 хв)

Підсумки

Студенти використовують науковий процес, щоб розкрити якісний зв'язок між світлом і формою (увігнута, опукла, квадратна, коло) лінзи.

Результати навчання

В результаті цього заняття студенти зможуть записати шлях одного пучка світла, який проходить від джерела світла через одну сторону лінзи до іншої сторони шматка желатину; і зробіть висновки про те, як світло проходить через шматочок желатину з а

• Рівна/рівна поверхня
• Вигнута поверхня
• Опишіть, продемонструйте та запишіть шлях світла, який проходить через опуклу та увігнуту лінзи (за допомогою 3 вогнів)
• Визначте та визначте: увігнута лінза, опуклий промінь лінзи, заломлений промінь

Попередні знання та навички

Огляд на початку діяльності:

• Як орієнтувати желатин та вогні (з попередньої діяльності)
• Як записати шлях світла, коли він проходить через желатин (з попередньої діяльності)

Налаштувати для діяльності

Налаштуйте 4 станції

• 3 Light Blox і коло желатину
• 3 Light Blox і квадрат желатину
• 3 світильники та формована опукла лінза
• 3 лампи та ліпна увігнута лінза

Перед початком експерименту: Поясніть науковий процес

• Заохочуйте систематичне вивчення світла та лінз. На кожній станції учні мають задокументувати свої спостереження з малюнком, включаючи відповідні мітки (падаючі та заломлені промені, увігнута або опукла лінза)
• Різниця між незалежними та залежними змінними
• Які змінні є незалежними та залежними змінними на кожній станції
• Залежною змінною є форма лінзи - увігнута або опукла
• Додаткові кроки в науковому процесі, які ви очікуєте від учнів від викладання гіпотези до висновків.
• НАУКОВИЙ ПРОЦЕС: https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

Продемонструйте/змоделюйте, як виміряти та записати наступне:

• Положення та відстань від джерел світла до об’єктива
• Те, що відбувається на шляху світла як залежної змінної (форма лінзи), змінюється.
• Поведінка світла при проходженні його через лінзу
• Перегляньте словниковий запас під час демонстрації
  • Інцидентний промінь
  • Заломлений промінь
  • Увігнута лінза
  • Опукла лінза
  • Фокус

Сприяти діяльності

• Роздайте учнівський робочий аркуш №3
• Поясніть, що під час цієї діяльності студенти використовуватимуть науковий процес для більш організованого та конкретного аналізу впливу різних типів лінз на поведінку світла. Поясніть учням, що вони обертатимуться через чотири станції.
• Поясніть, що на кожній станції вони пропускатимуть світло через один тип лінз і реєструватимуть поведінку променів світла під час їх проходження через лінзи.
• Попросіть студентів спостерігати та записувати малюнки та етикетки, їх спостереження на кожній станції:
  • Джерело світла
  • Інцидент Рей
  • Заломлений промінь
  • Увігнута лінза
  • Опукла лінза
  • Фокусна точка (не потрібно вводити фокусну відстань у цей момент або обговорювати зв'язок між фокусною точкою та зором, якщо вона не з'являється)
  • Примітки, висновки, інші спостереження
• Поділіть учнів на пари. Призначте пари станціям.
• Встановіть очікування щодо часу, проведеного на кожній станції, та кількості розташувань вогнів та об’єктивів, які ви очікуєте від студентів вимірювати та записувати на кожній станції.
• Поширюйте по кімнаті, коли команди працюють, щоб спостерігати за своїми зусиллями. Допоможіть командам налаштувати своє обладнання, визначити залежні та незалежні змінні, а також виміряти, записати та намалювати їх результати.
• При необхідності обговорюйте зі студентами їх експериментальну установку, їх методи вимірювання положення світла, кут променя світла, що входить і проходить крізь лінзу, і які змінні вони залишатимуться незмінними, коли вони рухатимуться до наступної станції і наступний об’єктив.
• Якщо з’являється можливість підкреслити зусилля учнів, проведіть у класі обговорення деяких спостережень, які ви зробили. Попросіть студентів пояснити своїм одноліткам їх експериментальні налаштування, методи вимірювання та запису результатів, а також плани зберігати свою роботу послідовною від станції до станції.
• Слідкуйте за часом. Дайте студентам достатньо часу, щоб принаймні два -три рази переставити і виміряти їхнє світло, перш ніж перейти на іншу станцію.
• Дайте "попередження" приблизно за 5 хвилин до того, як студенти повернуться до наступної станції. Скажіть їм завершити свою роботу на поточній станції.
• Залишившись 1-2 хвилини, попросіть студентів прибрати та відновити станцію такою, якою вона була, коли вони її знайшли (або краще). Якщо дозволяє час, поверніть на іншу станцію. Якщо ні, поясніть, що учні продовжуватимуть навчання там, де вони закінчили наступний період.

Підсумуйте та обміркуйте

Закрийте діяльність, заохочіть команди поділитися своєю роботою та зробіть висновки про результати.

• Обговорюйте та діліться результатами та висновками як клас
  • Квадрат проти кола
  • Увігнуті лінзи створюють фокусну точку перед лінзою
  • Опуклі лінзи створюють фокусну точку в задній частині лінзи
  • Відстань від центру лінзи до фокусної точки називається фокусною
  • Адресна лексика

ЗАХОД 3: СТВОРІТЬ ВЛАСНІ ОБ’ЄКТИВИ - ДИЗАЙН І ДОКУМЕНТ (45-60 хв)

Підсумки

Студенти беруть участь у спрямованому дослідженні та використовують те, що вони вивчили до цього часу, для документування процесу, як надійно створювати/проектувати увігнуті та опуклі лінзи різних розмірів (ширини).

Результати навчання

В результаті цієї діяльності студенти зможуть:

• Опишіть, продемонструйте та запишіть, як вирізати і увігнуту, і опуклу лінзу з желатину круговою формою для печива.
• Зробіть висновки з доказів того, як поводиться шлях світла, коли змінюється залежна змінна (форма лінзи, розмір, відстань від джерела світла).

Перед початком діяльності представити, обговорити або переглянути

• Увігнуті та опуклі лінзи
• Як задокументувати повторюваний процес http://www.wikihow.com/Document-a-Process

Сприяти діяльності

Ми наполегливо пропонуємо вам взяти цей період уроку, щоб дати учням певний час (15-20 хвилин), щоб боротися після того, як ви показали їм форми, які вони мають створити, і надавши їм свої матеріали, а не чітко показувати учням, як створювати фігури. Коли вони з’ясують, як створити і увігнуту, і опуклу лінзу, вони задокументують процес, який вони використовували.

Цей виклик закладає основу для розуміння чогось базового, але не інтуїтивного щодо таких видів лінз - того, що вони походять від кіл; і більш глибоке розуміння математики, що описує властивості лінз, спирається на це розуміння. Це просте практичне заняття дає учням досвід, інтуїтивний досвід взаємозв’язку між увігнутими/опуклими лінзами та колами.

• Представте виклик на сьогодні: Документуйте процес того, як вирізати опуклу та увігнуту лінзи
  • Увігнута: 2-3 різних розмірів
  • Опуклі: 2-3 різних розміру
• Дайте кожній парі учнів набір круглих формочок для печива і ~ 9 ”х 7” пластину желатину.
• Дайте 15-20 хвилин командам студентів експериментувати з вирізанням форм лінз, зосереджуючись на документуванні повторюваного та надійного процесу використання круглих формочок для печива для створення увігнутих та опуклих лінз.
• Поширюйте по кімнаті, коли команди працюють, щоб спостерігати за своїми зусиллями. Допоможіть командам налаштувати своє обладнання, якщо це необхідно.

Підсумуйте та обміркуйте

• Припиніть учнів через 15-20 хвилин, щоб провести класну дискусію про роботу учнів. Попросіть студентів пояснити своїм одноліткам їх експериментальну структуру та методи документування процесу.
• Як клас, запишіть (задокументуйте) процес, спираючись на висновки учнів та їхні дані.

ЗАХОД 4: ЕКСПЕРИМЕНТ З РОЗМІРОМ ЛІНЗИ (ШИРИНА) (45-60 хв)

Підсумки

Використовуючи процес, задокументований під час останнього уроку, студенти беруть участь у науковому процесі для збору та запису даних та роблять висновок про вплив залежної змінної (ширини лінзи) на фокусну відстань. Це якісно. Фокусна відстань стає, наприклад, більшою або коротшою.

Розуміння того, як розмір (ширина) лінзи та відстань від джерела світла до лінзи впливає на фокусну відстань, допоможе учням розробити систему лінз для покращення зору, коли вони братимуть участь у останньому виклику.

• Студенти:
  • Дизайн:
    • Увігнута: 2-3 різних ширини
    • Опуклі: 2-3 різних ширини
  • Запис: шлях променя та приблизна фокусна відстань
    • Увігнуті лінзи: 2-3 різних ширини
    • Опуклі лінзи: 2-3 різної ширини
  • Визначте якісний зв'язок між шириною лінзи та фокусною відстанню
  • Термінологія та поняття:
    • Джерело світла
    • Фокусна відстань - як зміна ширини об’єктива впливає на фокусну відстань?

Перед початком діяльності представити, обговорити або переглянути

• Різниця між незалежними та залежними змінними
• Які змінні є незалежними та залежними змінними у сьогоднішній діяльності -
  • Ширина лінзи І відстань джерела світла від лінзи є залежними змінними, які впливають на результат: фокусна відстань
• Визначення фокусна відстань та коротко, його відношення до бачення.
  • Джерело світла = об'єкт (світло, що відскакує від об'єкта в око)
  • Світло, яке потрапляє в око, має зосереджуватися безпосередньо на сітківці, щоб сформувалося чітке зображення.
• Якщо ви віддаєте перевагу вводити більше математики або детальніше вивчити фокусну відстань, Академія Хан пропонує чудовий огляд для довідки:
  • Опуклі: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
  • увігнута: https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

Продемонструйте/змоделюйте, як спостерігати, вимірювати та записувати

• Як визначити приблизну фокусну відстань як увігнутої, так і опуклої лінзи
• Те, що відбувається з поведінкою (шляхом) світла як залежної змінної (ширина лінзи), змінюється.
• Перегляньте або введіть словниковий запас під час демонстрації
  • Інцидентний промінь
  • Заломлений промінь
  • Увігнута лінза
  • Опукла лінза
  • Фокусна відстань

Сприяти діяльності:

Заохочуйте систематичні експерименти зі світлом та лінзами

• Представте мету діяльності на сьогодні:
  • Зберіть дані та зробіть висновки про вплив розміру (ширини) лінзи на фокусну відстань
  • Зберіть дані та зробіть висновки про вплив відстані від джерела світла до лінзи на фокусну відстань
• Дайте кожній парі учнів набір матеріалів:
  • Набір круглих формочок для печива
  • 9 ”X 13” плита желатину
  • Набір з трьох Light Blox
• Дати учням вказівки
  • Дизайн 3 опуклих лінз з різною шириною
  • Виміряйте та запишіть ширину кожної лінзи та її відповідну фокусну відстань
• Дати учням вказівки
  • Дизайн 3 увігнутих лінз з різною шириною
  • Виміряйте та запишіть ширину кожної лінзи та її відповідну фокусну відстань
• Дати учням вказівки
  • Виміряйте та запишіть, як змінюється фокусна відстань при зміні відстані між джерелом світла та лінзою.
• Після того, як команди записали свої виміри та спостереження, завершіть діяльність.
• Дайте учням час завершити свою роботу, заповнивши таблиці даних та малюнки за необхідності.
• Виділіть час для прибирання.

Резюме та роздуми

Попросіть команди поділитися своїми результатами. Проводьте обговорення на уроці, в якому команди/окремі особи пояснюють, що вони робили, що спостерігали і який сенс вони мають у отриманих результатах. Залежно від вашого підходу, ви можете скористатися однією з кількох стратегій активного навчання або запропонувати добровольцям намалювати або продемонструвати свою роботу перед класом.

• Використовуючи результати учнів, включаючи малюнки та таблиці даних, порівняйте різницю між пропусканням світла через кожен тип лінз.
• На уроці обговорюйте такі питання, як:
  • Що відбувається з фокусною відстанню, коли ширина лінзи збільшується або зменшується?
  • Чи так само для увігнутої, як для опуклої?
  • Чи відрізняються результати від відстані від світла до лінзи?
  • Що ви дізналися про опуклі та увігнуті лінзи, які допоможуть вам у вирішенні останнього завдання?
• Як клас обговорюйте результати експерименту. Питання для вирішення включають, але не обмежуються ними:
  • Як змінюється фокусна точка, коли лінза стає меншою/більшою?
  • Які докази підтверджують ці висновки?
  • Чим відрізняються результати між увігнутими та опуклими лінзами?
  • Як розуміння взаємозв’язку між формою та розміром лінзи та фокусною точкою допомагає у вирішенні останнього завдання розробити систему лінз для покращення зору?
  • Якщо учні зробили прогноз щодо фокусної точки та розміру лінзи, як їхнє прогнозування порівнялося з результатами? Чи були якісь результати дивними?
  • На завершальному етапі перед вами постане завдання створити систему лінз, призначену для поліпшення зору. Що ви дізналися про об’єктиви та координатора, які допоможуть вам вирішити проблему?
  • Пригадайте зображення ока (нормальне, близьке та далекозоре). На якій частині діаграми ви хотіли б, щоб світло фокусувалося?

ЗАХОД 5: ЕКСПЕРИМЕНТ З 2 СИСТЕМАМИ ОБЕКТИВА (45-60 хв)

Підсумки

Останнім заняттям у рамках підготовки до виклику дизайну студенти досліджують поведінку світла під час проходження ним різних комбінацій пар лінз. В останньому виклику учні отримують схему ока пацієнта. Одна лінза в системі буде представляти лінзу, знайдену в оці. Студентам потрібно буде розробити одну або кілька желатинових лінз, щоб виправити або поліпшити зір свого пацієнта. Поєднання лінз та їх вирівнювання повинні фокусувати світло на сітківці ока на діаграмі ока пацієнта.

Заповніть останню частину діаграми KWL ПЕРШИМ.

Результати навчання

В результаті цього уроку учні зможуть:

• Опишіть, продемонструйте та запишіть вплив системи двох лінз на шлях світла та фокусну відстань
  • 2 опуклі лінзи
  • 2 увігнуті лінзи
  • 1 увігнута і 1 опукла лінза
• Опишіть роль лінз у різних інструментах, що використовуються для покращення зору або зображення фокусування
  • камера
  • Телескоп
  • Мікроскоп
  • Збільшувальне скло
• Опишіть роль лінз у зорі людини
  • Людське око містить опуклу лінзу
  • Чіткий зір людини спирається на здатність зосереджувати світло конкретно на сітківці ока
  • Короткозорість та далекозорість як поширені проблеми із зором
• Передбачте, як різні лінзи можуть покращити зір людини при наявності короткозорості або далекозорості.

Додаткова математика

https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems

Створіть основу для експериментів з кількома лінзами.

Як клас складіть список різних інструментів, які використовують дві або більше лінз. Якщо учні припускають, що око в поєднанні з окулярами є системою лінз, поясніть, що на заключному уроці вони конкретно розглянуть цю комбінацію. Поки що зосередьтеся на таких інструментах, як телескопи, мікроскопи та біноклі.

Попросіть студентів пояснити, як, на їхню думку, працюють різні інструменти та взаємозв’язок між лінзами та лінзами та світлом.

Поясніть, що під час цього заняття учні будуть досліджувати поєднання лінз щодо поведінки світла. Поясніть, що вони пропускатимуть промінь світла через дві лінзи для спостереження та запису результатів.

Як клас обговорюйте багато змінних в експерименті, які слід змінити, а які залишити незмінними. Деякі змінні, які студенти повинні визнати, включають:

• Відстань між лінзами
• Поєднання типів лінз для створення пар лінз
• Розташування та відстань джерела світла до лінз

Сприяти діяльності

Поясніть, що під час цієї діяльності учням потрібно ретельно вести облік своєї роботи. Залежно від вільного часу, нехай усі команди працюють з усіма комбінаціями лінз або розбивають клас на «групи експертів» і покладають на них відповідальність звітувати перед класом про систему, яку вони досліджували.

Командам слід поекспериментувати з усіма або деякими з таких комбінацій лінз:

• Опуклі + Опуклі
• Увігнута + увігнута
• Опуклі + увігнуті
• Заповніть останню частину діаграми KWL ПЕРШИМ
• Попросіть студентів спланувати свій експеримент, скласти його схему та скласти таблицю даних, у якій будуть записані результати. Крім того, намалюйте на дошці налаштування обладнання та роздайте таблицю даних кожній команді.
• Як тільки команди продемонструють відповідний план своїх експериментів, надайте їм желатин та інструменти.
• Переконайтеся, що учні досліджують вплив комбінацій лінз та вплив зміни відстані між лінзами.
• Зверніть увагу на вплив різних комбінацій лінз на поведінку світла.
• Зверніть увагу на вплив зміни відстані між лінзами на поведінку світла.
• Поширюйте по кімнаті, щоб спостерігати за студентами. За необхідності залучайте групи до обговорення своїх експериментальних процедур, вимірювань, спостережень та результатів. Допоможіть їм пов’язати свої методи зі своїми результатами.
• (Необов’язково) Попросіть студентів створити “діаграми променів” для лінз, таких як показана тут.

Резюме та роздуми

Закрийте експерименти, які проводили учні. Як клас перегляньте поведінку світла під час його проходження через різні пари лінз та вплив зміни відстані між парами лінз.

• Якщо потрібно, дайте учням час переглянути та завершити роботу з попереднього кроку уроку перед презентацією.
• Нехай команди поділяться своїми результатами. Заохочуйте учнів звертатися до малюнків та даних для пояснення своїх спостережень та висновків.
• Як клас обговорюйте такі питання, як:
  • Що відбувається з фокусною точкою під час переміщення однієї лінзи ближче або далі від іншої? Чи залежить це від того, яку комбінацію лінз ви використовуєте?
  • Що відбувається з фокусною точкою двох опуклих лінз
  • Що відбувається з фокусною точкою двох увігнутих лінз?
  • Що відбувається з різними комбінаціями різних лінз?
  • Як робота з двома (або більше) лінзами поширюється на остаточну проблему створення системи лінз для поліпшення зору пацієнта?
  • Які комбінації лінз, на вашу думку, покращать зір для короткозорого пацієнта?
  • Яка комбінація лінз, на вашу думку, покращить зір для далекозорого пацієнта?

ДОДАТКОВО

• Експериментуйте з додатковими комбінаціями лінз.
• Досліджуйте конструкції різних інструментів, які використовують лінзи, такі як телескопи, лазери, мікроскопи та біноклі.

Виклик: розробити систему з 2 лінзами для усунення проблем із зором (45-60 хв)

Підсумки

Ця діяльність зосереджена на проведенні учнями процесу створення системи лінз, яка виправляє проблеми із зором. Метою заняття не є створення ідеального об’єктива, а розуміння того, що входить у вирішення проблеми інженерного процесу. Виділіть багато часу та деякі структуровані межі, щоб відкриття мотивувало дослідження!

Попередні знання та навички

• Світло рухається по прямій лінії до тих пір, поки не потрапить на об’єкт або не пройде від одного середовища до іншого
• Все, що ми бачимо, - це результат попадання світла в наші очі; більшість цього світла відбивається
• Коли світло переходить з одного середовища в інше (тобто: через лінзу), світло згинається або заломлюється
• Форма та матеріал лінзи впливають на те, як світло вигинається
• Око містить лінзу, яка фокусує світло на сітківці ока. Чіткий зір залежить від здатності кришталика ока вигинати світло, що потрапляє в око, так що зображення формується конкретно на сітківці ока

Сприяти діяльності:

• Перегляньте та зверніться до таблиці KWL учнів
• Подайте кожній групі з 3 студентів один набір Light Blox з відкритими кришками щілин та дві лінзи з желатину (одну опуклу та одну увігнуту).
• Покажіть учням, як увімкнути світло, і дайте їм 3-5 хвилин, щоб дослідити, як світло рухається через лінзи.
• Роздайте шаблон ока з «нормальним» зором. Попросіть студентів помістити сформовану опуклу лінзу «в» око, щоб побачити, що світло надходить до фокусної точки на сітківці ока. Бачення чітко залежить від приземлення фокусної точки в певному місці ока, званому сітківкою ока.
• Далі попросіть студентів покласти сформовану опуклу лінзу на шаблон гіперметропічного ока, яке потребує корекції зору, оскільки світло потрапляє в неправильне місце. Зверніть увагу, де знаходиться фокусна точка. Це не створює хорошого зору!
• Попросіть їх визначити проблему та придумати рішення ... Що може "перемістити" координатора в інше місце. На цьому етапі дайте учням деякий час разом із увігнутими та опуклими лінзами, щоб вони могли виявити, що увігнута лінза рухає фокусну точку.
• Далі дайте кожній групі квадрат (~ 4 ”X 8”) підготовленого простого желатину подвійної міцності та 3 круглі формочки для печива різного діаметру.
• Поясніть, що з цим желатином вони створять ДРУГУ лінзу, щоб виправити проблему із зором. Доступні матеріали та інструменти - це форми для желатину, ножів та печива!
• Попросіть студентів спочатку потренуватися у створенні увігнутих і опуклих лінз за допомогою формочок для печива та желатину.
• Далі попросіть студентів сконструювати лінзи за допомогою формочок для печива, пластикового ножа та желатину, які виправлять проблеми із зором, продемонстровані на шаблонах.
• Коли студенти створюють, випробовують та вдосконалюють дизайн своїх лінз, вони беруть участь у найважливіших інженерних процесах, використовуючи лінзи та світло.

Мета полягає в тому, щоб дозволити учням зрозуміти, що світлом можна керувати за допомогою лінз - і що, роблячи це, вони можуть вирішувати проблеми. Отримати лінзу правильно буде складно. Для більш просунутих студентів ви можете ввести фокусну відстань, радіус кривизни та показник заломлення як математичні методи створення рішень, а не підхід “проб і помилок”, який вони використовують.

Урок можна зробити лише за 1 клас для старших учнів. Однак, щоб допомогти студентам почуватися поспішно і забезпечити успіх студентів (особливо для молодших школярів), розділіть урок на два періоди, що дає студентам більше часу на мозковий штурм, перевірку ідей та доопрацювання їх дизайну. Проведіть тестування та опис у наступному класі.

Очні діаграми

Інтернет-з'єднання

• https://www.bbc.co.uk

Письмова діяльність

Які ще застосування лінз у нашому світі?

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Усі плани уроків у цій серії узгоджуються зі Стандартами комп’ютерних наук Асоціації вчителів інформатики К-12, Загальними державними стандартами США з математики, а також, якщо застосовні, також з Принципами та стандартами шкільної математики Національної ради вчителів математики, Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти щодо технологічної грамотності та Національні стандарти освіти в галузі науки США, які були розроблені Національною науковою радою.

Основні дисциплінарні ідеї 

4. PSXNUMX.B: Електромагнітне випромінювання

o Шлях світла можна простежити як прямі лінії, за винятком поверхонь між різними прозорими матеріалами (наприклад, повітрям і водою, повітрям і склом), де шлях світла згинається між середовищами. (MS-PS4-2)

∙ ETS1.A: Визначення та розмежування інженерних проблем

o Чим точніше можна визначити критерії та обмеження проектного завдання, тим більша ймовірність того, що розроблене рішення буде успішним. Специфікація обмежень включає розгляд наукових принципів та інших відповідних знань, які можуть обмежити можливі рішення (MS-ETS1-1)

∙ ETS1.B: Розробка можливих рішень

o Розчин потрібно перевірити, а потім змінити на основі результатів тестування, щоб покращити його. MS-ETS-4)

Наука та інженерна практика 

Визначте проблему проектування, яку можна вирішити шляхом розробки об’єкта, інструменту, процесу чи системи, і вона включає численні критерії та обмеження, включаючи наукові знання, які можуть обмежувати можливі рішення. (MS-ETS1-1)

Розробка та використання моделі для опису явищ (MS-PS4-2)

Проаналізуйте та інтерпретуйте дані, щоб визначити схожість та відмінності у висновках. (MS ETS1-3)

Наскрізні концепції

Структура та функція

o Конструкції можуть бути спроектовані для виконання певних функцій, беручи до уваги властивості різних матеріалів та спосіб формування та використання матеріалів (MS PSR-2)

o Структури можуть бути спроектовані для виконання певних функцій

Робочий лист учнів 1: Діаграма KWL

Ім'я студента Дата

Медсестри, лікарі та інженери спільно розробляють та виготовляють окуляри та інші інструменти, що покращують зір. У цьому виклику ви розробите систему лінз для поліпшення зору пацієнта.

Що вам потрібно знати про людське око та лінзи, щоб покращити чийсь зір?

Використовуйте графічний організатор KWL нижче, щоб перерахувати те, що ви знаєте, хочете знати та навчилися створювати окуляри, щоб покращити чийсь зір

Робочий лист учнів 2: Матеріали та експериментальна установка

Ім'я студента Дата

Щоб завершити проектне завдання в кінці цього блоку, вам потрібно буде не знати, як орієнтувати желатин та вогні, щоб спостерігати за проходженням світла, коли він проходить від джерела світла через шматочок желатину

Використовуючи слова та/або малюнки, опишіть та задокументуйте шлях світла, коли він проходить крізь желатин: o З желатином, покладеним на стіл o

• 1 промінь із Light Blox на ширшій стороні
• 1 промінь із Light Blox сидить на його вужчій стороні
• 3 балки одночасно

Робочий лист учнів 3: Трасування променів

Використовуючи слова та малюнки, запишіть шлях одного пучка світла, який проходить від джерела світла через одну сторону лінзи до іншої сторони шматка желатину; і зробіть висновки про те, як світло проходить через шматочок желатину з а

• Рівна/рівна поверхня
• Вигнута поверхня
• Опишіть, продемонструйте та запишіть шлях світла, який проходить через опуклу та увігнуту лінзи (за допомогою 3 вогнів)
• Визначте та визначте: увігнута лінза, опуклий промінь лінзи, заломлений промінь

  Робочий лист учнів 4: Шаблон ока