Тема: 2. Наноструктуры и их использование в различных технологиях. Природные и синтетические наноструктуры.

  План урока

Перейти к поиску

Цели Ученики смогут: Определить использование наноструктур в различных технологиях.  Написать свои наблюдения и выводы Подготовка Убедитесь, что у каждого ученика есть дневник. Подготовьте практический материал для каждой группы из 2-4 учеников. Покажите источники, на которые ученики могут ссылаться на протяжении всего урока. (Необязательно) Распечатайте один пакет практических заданий  на группу из 4 учеников.
Совет Головы вверх! Пожалуйста, сделайте копию любых документов, которыми вы готовы поделиться с учениками. Для экономии бумаги печатайте две страницы на одной с обеих сторон.
Словарь ...

Повестка дня

• 1. Разминка (10 мин)
  2. Мои технологичные друзья Обзор
  3. Активность (30 мин)
  4. __________________
  5. __________________
  6. Подведение итогов (5 мин)
  7. Деятельность по распространению знаний

Резюме
ДИАПАЗОН ОЦЕНОК
1-2 место

РАЗМЕР ГРУППЫ
2-4 ученика

АКТИВНОЕ ВРЕМЯ
45 минут

ОБЩЕЕ ВРЕМЯ
45 минут

ОБЛАСТЬ НАУКИ
Материаловедение

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ
Материаловедение, свойства материалов

ОБЗОР

Этот урок исследует, как нанотехнологии повлияли на мир, и как инженеры должны учитывать последствия работы в очень малых масштабах. Учащиеся работают в группах и исследуют увеличивающуюся площадь поверхности, открывающуюся по мере того, как предметы становятся все меньше и меньше.

• Узнать о нанотехнологиях
• Узнать о масштабе
• Узнайте о площади поверхности
• Узнать об инженерном проектировании
• Узнайте о командной работе и работе в группах

Цели

Ученики будут:

• Иметь базовое представление о том что такое тонколистная сталь и проволока
• Знать о том, где применяются эти материалы
• Узнайте, что тонколистная сталь, может ...
• Узнайте о важности дисциплины и командной работы.

Ожидаемые результаты учащихся

После этого урока учащиеся смогут:

• Определить виды тонколистной стали и проволоки
• Объяснить происходит изготовление этих материалов
• Описать, свойства этих материалов

Уроки

В конце этого урока проводится очень простая практическая демонстрация принципа работы ..., который можно собрать в классе. 

Проведите исследование, чтобы определить ...

Объясните с доказательствами, что ...

Этот урок фокусируется на следующих аспектах трехмерного обучения:

Научная и инженерная практика	Ключевые дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Планирование и проведение расследований. Планируйте и проводите совместное расследование, чтобы получить данные, которые послужат основой для доказательства, чтобы ответить на вопрос. Участие в аргументации, основанной на доказательствах. Постройте аргумент с доказательствами в поддержку утверждения.	Структура и свойства материи. Существуют различные виды материи, и многие из них могут быть как твердыми, так и жидкими, в зависимости от температуры. Материя может быть описана и классифицирована по ее наблюдаемым свойствам.	Узоры. Можно наблюдать закономерности в мире природы и преобразованном человеком.

Материалы и подготовка

Строительные материалы (для каждой команды) Требуемые материалы Блок особо твердого тофу или желатина Режущая поверхность (пластмассовая тарелка или разделочная доска) Тупой/пластиковый нож

 

 

Задача инженерного проектирования

Вызов дизайна Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача провести мозговой штурм идей о том, как нанотехнологии могут помочь улучшить жизнь на земле или в космосе. Ваша команда должна подготовить предложение потенциальной финансирующей организации, чтобы запросить финансирование исследований. Вам нужно будет объяснить, почему вы думаете, что ваше новое нанотехнологическое приложение может работать, и как оно улучшит продукт или процесс. Это официальная презентация, и вы можете подготовить диаграммы или плакаты для презентации — все, что может произвести впечатление на ваших потенциальных спонсоров. Чтобы подстегнуть ваше воображение, ваша команда сначала прочитает пресс-релиз в рабочем листе для учащихся. Пресс-релиз посвящен новым исследованиям в области применения серебра с использованием нанотехнологий для покрытия хирургического оборудования. Инновация включает в себя нанесение на поверхность медицинских устройств наноструктур из оксида серебра, созданных методом поверхностной инженерии. Было обнаружено, что серебро эффективно против широкого спектра бактерий, а также против мутирующих патогенов. Он также может эффективно блокировать грибки и дрожжевые грибки, которые, как известно, вызывают заболевания. Он также безвреден для организма при эффективном бактериальном уровне. Нанотехнология максимизирует противомикробную способность серебра, поскольку общая площадь поверхности оксида серебра увеличивается в наномасштабе. Каждая крошечная частица в наноструктуре имеет свою площадь поверхности. Критерии Прочитайте пресс-релиз. Подготовьте заявку на получение финансирования. Ограничения Используйте только предоставленные материалы.

 

 

Инструкции и процедуры деятельности

1.     Разбейте класс на команды по 2-3 человека. 2.     Раздайте рабочий лист «Изучение в наномасштабе», а также несколько листов бумаги для эскизов проектов. 3.     Обсудите темы в разделе «Основные понятия». 4.     Ознакомьтесь с процессом инженерного проектирования, задачами проектирования, критериями, ограничениями и материалами. 5.     Обеспечьте каждую команду своими материалами. 6.     Объясните, что учащиеся должны определить площадь поверхности блока тофу в различных точках (целиком, разрезанным пополам, четвертинками и т. д.). Сначала они измеряют весь блок и определяют площадь поверхности, затем разрезают блок пополам и изменяют площадь поверхности, затем снова пополам и т. д. — пока не будет много блоков тофу шириной около ½ дюйма. Затем учащиеся также изучают размер малого, сравнивая различные предметы, чтобы понять, насколько велик нано. Наконец, они будут работать в команде, чтобы определить новое применение нанотехнологии для продукта или процесса по своему выбору. Команды представляют концепции и предложения группе потенциальных спонсоров исследования (остальной части класса), и затем каждая из них голосует за предложение с наибольшим потенциалом. 7.     Объявите, сколько времени у них есть на выполнение урока (рекомендуется 45 мин). 8.     Используйте таймер или онлайн-секундомер (функция обратного отсчета), чтобы следить за временем. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дайте учащимся регулярные «проверки времени», чтобы они не отвлекались от задания. Если они борются, задавайте вопросы, которые быстрее приведут их к решению. 9.     Учащиеся встречаются и разрабатывают план определения площади поверхности, а затем завершают урок. 10.        Учащиеся знакомятся и сравнивают различные предметы, чтобы понять, насколько велик нано. Далее они работают над новым приложением и разрабатывают презентацию. 11.        Всем классом обсудите вопросы для размышления учащихся. 12.        Дополнительную информацию по теме см. в разделе «Копаем глубже». Вариация Для младших школьников покрытие из специй или сахара на тофу или желатине может помочь учащимся визуализировать, как увеличилась площадь поверхности. Используйте небольшое количество сахара или специй, чтобы покрыть большой блок тофу, а затем покажите учащимся, сколько еще сахара или специй требуется, чтобы покрыть все крошечные кубики, вырезанные из большого блока тофу. Рефлексия учащегося (тетрадь инженерная) 1.     Какое приложение вы разработали для нанотехнологий? 2.     Какое применение нанотехнологий, представленное другой командой, показалось вам наиболее интересным? Почему? 3.     Какой самый интересный аспект нанотехнологии вы узнали на этом уроке? Модификация времени Урок можно провести всего за 1 урок для старших школьников. Однако, чтобы помочь учащимся не торопиться и обеспечить их успех (особенно для младших школьников), разделите урок на два периода, чтобы дать учащимся больше времени для мозгового штурма, проверки идей и окончательной доработки своего дизайна. Проведите тестирование и подведите итоги на следующем занятии.

 

Процесс инженерного проектирования

Смотрим видео

 

Основные понятия

Что такое нанотехнологии? Евгений-Сергеев-Bigstock.com Представьте, что вы можете наблюдать за движением эритроцита по вашей вене. На что было бы похоже наблюдать атомы натрия и хлора, когда они приближаются достаточно близко, чтобы на самом деле передать электроны и образовать кристалл соли, или наблюдать вибрацию молекул при повышении температуры в кастрюле с водой? Благодаря инструментам или «областям», которые были разработаны и улучшены за последние несколько десятилетий, мы можем наблюдать ситуации, подобные многим примерам в начале этого абзаца. Эта способность наблюдать, измерять и даже манипулировать материалами на молекулярном или атомном уровне называется нанотехнологией или нанонаукой. Если у нас есть нано «что-то», у нас есть одна миллиардная часть этого чего-то. Ученые и инженеры применяют приставку нано ко многим «вещам», включая метры (длина), секунды (время), литры (объем) и граммы (масса) для представления того, что по понятным причинам является очень небольшим количеством. Чаще всего нано применяется к шкале длины, и мы измеряем и говорим о нанометрах (нм). Отдельные атомы имеют диаметр менее 1 нм, при этом для создания линии длиной 1 нм требуется около 10 атомов водорода подряд. Другие атомы крупнее водорода, но все же имеют диаметр меньше нанометра. Типичный вирус имеет диаметр около 100 нм, а бактерия — около 1000 нм от головы до хвоста. Инструменты, которые позволили нам наблюдать невидимый ранее мир наноразмеров, — это атомно-силовой микроскоп и сканирующий электронный микроскоп.  Насколько большой маленький? Может быть трудно представить себе, насколько малы вещи в наномасштабе. Следующее упражнение поможет вам представить, насколько большим может быть маленькое! Рассмотрим шар для боулинга, бильярдный шар, теннисный мяч, мяч для гольфа, шарик и горошину. Подумайте об относительном размере этих предметов. galitskaya-Bigstock.com Сканирующий электронный микроскоп Сканирующий электронный микроскоп — это особый тип электронного микроскопа, который создает изображения поверхности образца путем сканирования ее пучком электронов высокой энергии в виде растрового изображения. При растровом сканировании изображение разрезается на последовательность (обычно горизонтальных) полос, известных как «линии сканирования». Электроны взаимодействуют с атомами, составляющими образец, и производят сигналы, которые предоставляют данные о форме поверхности, составе и даже о том, может ли она проводить электричество. Многие изображения, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа, можно посмотреть на сайте www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. Что такое площадь поверхности? Площадь поверхности — это мера того, сколько открытой площади имеет объект. Выражается в квадратных единицах. Если у объекта плоские грани, площадь его поверхности можно рассчитать, сложив площади его граней. Даже объекты с гладкими поверхностями, такие как сферы, имеют площадь поверхности. Формула площади квадратной поверхности Площадь поверхности куба может быть выражена формулой: х = 6 умножить на Y умножить на Y На этом рисунке показан куб, где Y равно длине каждой стороны. Поскольку это квадрат, все стороны равны по длине. Чтобы определить площадь поверхности куба, сначала нужно найти площадь одной стороны. Площадь одной стороны равна Y x Y или Y2. Чтобы найти площадь поверхности куба, нужно площадь одной стороны умножить на 6. Если, например, длина Y равна 10 мм, то площадь одной стороны будет 100 квадратных мм, а площадь куб будет 600 квадратных мм. Формула площади прямоугольной поверхности Площадь поверхности прямоугольника может быть выражена формулой: x = 4AB + 2AC. У прямоугольника все стороны не равны... но нужно измерить три разные длины. На чертеже они представлены A, B и C. Чтобы определить площадь передней части прямоугольника, нам нужно умножить A x B. Поскольку на прямоугольнике есть четыре поверхности одинакового размера, нам нужно 4 x A x B как часть нашей формулы, чтобы определить площадь поверхности размерного прямоугольника. Нам также нужно определить площадь двух меньших поверхностей. В этом случае нам нужно умножить A x C. И, поскольку у прямоугольника две такие «грани», нам нужно 2 XAXC для формулы полной площади поверхности. Если, например, длина A равна 10 мм, B равна 30 мм, а C равна 15 мм, то: A умножить на B = 300 мм, поэтому 4AB = 1200 квадратных мм A раз C = 150 мм, поэтому 2AC = 300 квадратных мм. Таким образом, площадь поверхности размерного прямоугольника составляет 1500 квадратных мм. Почему площадь поверхности имеет значение В наномасштабе основные свойства частиц могут значительно отличаться от более крупных частиц. Это может включать в себя механические свойства, то, проводит ли частица электричество, как она реагирует на изменения температуры и даже как происходят химические реакции. Площадь поверхности является одним из факторов, который изменяется по мере уменьшения размеров частиц. Поскольку химические реакции обычно происходят на поверхности частицы, если имеется увеличенная площадь поверхности, доступная для реакций, реакция может быть совсем другой.

 

 

 

Копать глубже

Интернет-соединения Национальная нанотехнологическая инициатива Изображения Дартмутского электронного микроскопа Рекомендуемое чтение   Письменная деятельность Напишите эссе или абзац о том, как нанотехнологии могут повлиять на освоение космоса

 

 

 

Согласование учебной программы

Учащиеся получат представление о характеристиках и области применения технологий. Учащиеся разовьют понимание отношений между технологиями и связей между технологиями и другими областями обучения. Учащиеся разовьют понимание культурных, социальных, экономических и политических последствий технологий. Учащиеся будут понимать роль общества в развитии и использовании технологий. Учащиеся разовьют понимание инженерного проектирования. Стандарты технологической грамотности – для всех возрастов (продолжение) Учащиеся разовьют способность оценивать влияние продуктов и систем. Учащиеся разовьют понимание и смогут выбирать и использовать медицинские технологии. Учащиеся получат понимание и смогут выбирать и использовать производственные технологии.

 

 

 

Рабочий лист

Изучение в нано масштабе  Насколько большой маленький? Может быть трудно представить себе, насколько малы вещи в наномасштабе. Следующее упражнение поможет вам представить, насколько большим может быть маленькое! Ниже приведены рисунки предметов, которые вы можете узнать…. шар для боулинга, бильярдный шар, теннисный мяч, мяч для гольфа, мрамор и горошина. Подумайте об относительном размере этих предметов. ДОБАВИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ   Теперь взгляните на приведенную ниже диаграмму и подумайте о том, насколько меньше различные предметы… двигаясь вниз от знакомого теннисного мяча. «.» на этой странице 1 000 000 микрон — довольно гигантский по сравнению с вирусом или одной молекулой воды (H 2 0).   Поверхностная активность Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача оценить, как изменяется площадь поверхности при уменьшении размера материала. Вам дали несколько листов для чтения, а также блок тофу или желатина, разделочную доску, линейку и тупой нож. Вам нужно будет определить площадь поверхности всего блока, а затем совокупную площадь поверхности меньших блоков, которые вы создадите, разрезав исходный блок пополам и на четверти — до всех блоков, созданных шириной около ½ дюйма. Используйте приведенную ниже таблицу, чтобы обозначить свои выводы:

 

 

# Блоки	1 блок	2 блока	4 блока	8 блоков	16 блоков	32 блока	64 блока
Площадь поверхности:

 

IEEE/tryengineering.org

IEEE/tryengineering.org

IEEE/tryengineering.org

IEEE/tryengineering.org

 

 

 

Активность наноразмерных приложений Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача провести мозговой штурм идей о том, как нанотехнологии могут помочь улучшить жизнь на Земле или в космосе. Чтобы подстегнуть ваше воображение, ваша команда сначала прочитает следующий пресс-релиз о новых исследованиях в области применения серебра с использованием нанотехнологий для покрытия хирургического оборудования. Инновация включает в себя нанесение на поверхность медицинских устройств наноструктур из оксида серебра, созданных методом поверхностной инженерии. Было обнаружено, что серебро эффективно против широкого спектра бактерий, а также против мутирующих патогенов. Он также может эффективно блокировать грибки и дрожжевые грибки, которые, как известно, вызывают заболевания. Он также безвреден для организма при эффективном бактериальном уровне. Нанотехнология максимизирует противомикробную способность серебра, потому что общая площадь поверхности оксида серебра увеличивается в наномасштабе.   Прорывная антимикробная технология для медицинских устройств Большой интерес отрасли к революционной противомикробной нанотехнологии, привел к значительному росту компаний, которые разрабатывают и лицензирует подобные технологии. Основанный на многолетних исследованиях по разработке противомикробных средств для лечения ран серебром, они решают все еще неудовлетворенную клиническую потребность, предотвращая распространение смертельных инфекций, связанных с медицинскими устройствами. Используя преимущества нанотехнологий и способность ионного серебра бороться с инфекциями широкого спектра, они предлагают безопасное и эффективное решение для защиты медицинских устройств от инфекций, вызывающих биопленки». миллионов пациентов каждый год». «Поскольку большая часть вредных бактерий находится на медицинских устройствах, таких как постоянные катетеры и имплантаты, производители крайне заинтересованы в поиске способов уменьшить роль своей продукции в распространении инфекций. Предотвращение распространения инфекций, связанных с устройствами, путем осаждения антимикробных наночастиц серебра на поверхности медицинских устройств и, таким образом, создает защитный барьер.    Этап мозгового штурма Соберитесь в команде и обсудите, что вы узнали о нанотехнологиях и площади поверхности. Затем в группе подумайте о новом приложении и о том, как, по вашему мнению, нанотехнология может стать продуктом, процессом или чем-то еще лучшим. Вы можете выбрать такую ​​отрасль, как автомобилестроение, или подумать о таком продукте, как ткань для одежды. Презентационный этап Подготовьте предложение потенциальной финансирующей организации, у которой вы будете запрашивать финансирование исследований. Вам нужно будет объяснить, почему вы думаете, что ваше новое нанотехнологическое приложение может работать, и как оно улучшит продукт или процесс. Это официальная презентация, и вы можете подготовить диаграммы или плакаты для презентации — все, что может произвести впечатление на ваших потенциальных спонсоров. Будьте готовы ответить на вопросы аудитории! Финансирование Каждый учащийся в классе может проголосовать за одно предложение любой команды, кроме своей собственной, для финансирования. Презентации, набравшие наибольшее количество голосов, занимают первое место! Этап оценки Ответьте на следующие вопросы в группе: 1.     Какое приложение вы разработали для нанотехнологий?     2.     Какое применение нанотехнологий, представленное другой командой, показалось вам наиболее интересным? Почему?     3.     Какой самый интересный аспект нанотехнологии вы узнали на этом уроке?