程宁宁-《大自然界中的纳米科学技术》教学设计

中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计 1 中学纳米科技创新实验室 《大自然界中的纳米科学技术》教学设计

计划学时：2 设计人：程宁宁

一、教案设计思路 在“2004年人教版全日制普通高级中学教科书（必修）物理第二册第九章（分子 动理论能量守恒）第一部分（物质是由大量分子组成的）第26页阅读材料”中提到纳米科学技术，指出纳米是一个长度单位，并举例了纳米技术在电子技术、通信技术、电子器件、医疗以及生命科学领域内实现的技术突破。纳米科学技术是现代科学技术的前沿，在世界范围内倍受重视，我国科学家在纳米科学技术领域的成绩也已具有世界先进水平。 纳米科学技术如此先进，是不是对于中学生来说太高深莫测了，无法理解呢？当然不 是。其实在大自然界中到处都是纳米现象，只是我们不知道而已，下面就让我们一起来了解自然界中的纳米现象并用实验来验证吧。

二、教学目标 1、通过了解自然界中常见的纳米现象，激发学生了解和学习纳米科学技术的兴趣； 2、探究蝉翼疏水的本质原因，利用原子力显微镜解析其纳米结构特征； 3、拓展思维，让学生自己发现和寻找大自然界中的纳米现象，借助实验仪器解惑，培 养学生发现问题和思考问题的习惯，并探索解决问题的方法，形成科学素养。

三、教学重点 1、指导学生查阅资料的方法及途径，了解自然界中常见的纳米现象； 2、了解蝉翼的纳米结构，探究其疏水原因，注重培养学生的思维能力。

四、教学难点 1、学生亲自制作蝉翼样品，锻炼学生的实验操作能力； 2、分析实验数据，解释蝉翼疏水的本质原因。

五、教学准备 1、通过网页、杂志、书籍等形式查阅纳米科学技术相关资料； 2、预习教学型原子力显微镜仪器操作手册； 3、每组学生操作一套教学型原子力显微镜，提前做好学生分组； 4、小组分配：4-5人为一组。 中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计 2 六、仪器和药品 3600B型教学型原子力显微镜（简称3600B型AFM）1套，计算机1台，蝉1只，剪 刀1个。 以上仪器和药品每组学生各1套。

七、教学策略 以生活中常见的动物蝉为例，激发学生学习纳米科学技术的兴趣，以探究实验形式分析蝉翼疏水的原因，依据实验数据，小组成员互相讨论得出实验结论，使学生体会到实验的趣味性和生活化，培养学生团队协作解决问题的能力。

八、教学过程 设计意图 教师活动 学生活动 （1）了解纳米科学技术在各个领域的应用； （2）以自然界中常见的生物为实验探究内容，激发学生学习纳米科学技术的兴趣； （3）学生亲自动手实验，创设疑问，产生强烈地探究欲望。 一、创设问题情景，引导学生建立新思路（第1课时） （一）创设问题情景 （1）指导学生阅读课本中有关纳米科学技术的知识内容； （2）介绍纳米科学技术在生产和科研领域的应用； （3）引导学生了解日常生活中常见的纳米现象和应用； （4）提问学生课前通过多种形式搜集到的自然界中常见的纳米现象。 （二）建立新思路，提出新的研究任务。 （1）为什么自然界中的生物会有神奇的纳米现象，并呈现特殊的功能？ （2）以蝉为例，演示疏水实验。滴一滴水在蝉翼上，轻轻一甩，水就掉了，而且蝉翼不是湿润的，为什么呢？ （3）探究蝉翼疏水的原因是否也

（1）阅读课本中有关纳米科学技术的知识内容；

（2）听取老师介绍纳米科学技术在生产和科研领域的应用，以及日常生活常见的纳米现象和应用；

（3）回答老师课前搜集的自然界中常见的纳米现象；

（4）动手实验：滴一滴水在蝉翼上，轻轻一甩，水就掉了，而且蝉翼不是湿润的，证实其疏水性能；

（5）思考和讨论蝉翼疏水（或不亲水）的原因。 中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计 3 跟纳米结构有关呢？ （1）了解分析物质微观结构的显微工具； （2）了解光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的特点及区别； （3）了解先进的可检测微纳米结构的教学仪器设备---原子力显微镜，开阔学生的眼界，培养学生的探索精神。 二、组织学生思考和交流（第1课时） 观察纳米结构，需要借助什么样的仪器呢？ （1）讲解探究物质微观结构的工具---显微镜，分别介绍光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜； （2）结合以上四种显微镜的特点，提出问题：哪种显微镜适合探究蝉翼的纳米结构？ （3）由于学生课前预习了教学型原子力显微镜的知识，提出问题：教学型原子力显微镜对测试样品有什么要求？ （4）提问：原子力显微镜的工作原理是什么？

（1）听取老师讲解光学显 微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜各自的特点；

（2）思考、讨论与交流老师 提出的问题---哪种显微镜适合探究蝉翼的纳米结构？结合老师讲解的四种显微镜的特点，总结出原子力显微镜适合测试生物样品的微观纳米结构；

（3）小组讨论回答老师教 学型原子力显微镜对测试样品要求的问题，得出结论：测试样品要求直径≤30mm,厚度≤15mm；

（4）原子力显微镜的工作 原理是由于探针针尖与样品表面原子间存在作用力，扫描时控制这种力的恒定，微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。（详见《3600B型原子力显微镜使用手册》）

（1）培养学生动手实验的 能力，发挥学生的主动性； （2）每位学生都参与到实 验中，调动课题气氛； 三、组织学生制作实验样本（第2课时） （一）演示如何制作实验样本 （1）剪取蝉翼一部分（小手指甲

（1）参考老师样本制作过程，每位学生制作1个实验中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计 4 （3）学会制作原子力显微镜实验样本。

大小）作为测试样本，直径≤20mm； （2）用镊子将测试样本夹到粘有双面胶的基片上，轻轻的压平（注意不要损坏翅膀），样品就做好了。 （二）巡视指导，指出学生操作不规范的地方 样本；

（2）小组内选取1个最佳样本进行原子力显微镜测试。

（1）学会操作原子力显微镜； （2）借助原子力显微镜检测蝉翼纳米级微观结构，解析蝉翼疏水的本质现象； （3）培养学生从实验现象抽象出现象本质的能力。 四、组织学生利用教学型原子力显微镜进行蝉翼纳米微观结构实验探究（第2课时） （一）演示实验操作过程 实验前，保证每台3600B型AFM的探针均是正常的，并在每张实验桌上放置1份简易学生版3600B型AFM仪器操作手册。 （1）打开3600B型AFM开关； （2）将样品放在3600B型原子力显微镜测试台上； （3）通过电脑打开轻敲式测试软件，依次进行电子学校正，光斑检测，手动驱进针尖和样品（将探针调试到翅膀的透明区域），搜索共振峰，针尖样品自动驱进； （4）样品扫描：先10um大范围扫描，发现有平整均匀的小颗粒区域后，再选其小范围扫描（4000nm左右），就可以得到蝉翼表面的纳米柱状排列结构图。

（1）观察老师实验演示过程；

（2）依据3600B型AFM操作手册和老师实验演示，每个小组测试1个蝉翼标本纳米结构图；

（3）小组成员配合完成实验测试过程，互相监督，避免实验中出现失误；

（4）小组测试结果与老师实验结果做比较，若不同，分析并总结原因。 中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计

5 （二）巡视指导，指出学生操作不规范的地方

（1）培养学生处理和分析数据的能力； （2）通过二维与三维图的转换，锻炼学生的空间思维能力； （3）培养学生学习使用高科技仪器测试软件的能力。 五、引导学生进行数据处理和分析（第2课时） （1）引导学生分析测试图像，提问：蝉翼表面平均每个纳米柱直径是多少？纳米柱的间距是多少？ （2）指导学生利用离线处理软件将二维平面图转换为三维形貌图； （3）指导学生如何利用将二维和三维形貌图转换为图片格式，便于日后写实验论文和发表文章。

（1）通过测试图像以及显示数据，经过小组讨论统计出蝉翼表面平均每个纳米柱直径约150nm，纳米柱的间距约为100nm；

（2）将二维形貌图转换为三维形貌图；

（3）每位学生保存一份实验测试二维和三维图。 中学纳米科技创新实验室《大自然界中的纳米科学技术》教学设计

6 （1）依据实验现象和实验数据总结蝉翼疏水的本质原因； （2）拓展思维，引导学生思考自然界中其它常见的疏水生物，培养学生的科学探究兴趣； （3）引导性问题，培养学生独立思考问题，自己设计实验方案，独立解决问题的能力，行成良好的科学素养。 六、思考与交流 （第2课时） （1）提问：蝉翼的纳米柱状结构与它的疏水性质有关系吗？ （2）结合同学们课前查阅的资料，思考：蝉翼表面这些排列紧密的纳米柱状结构为什么会导致其具有疏水功能呢？ （3）提问：除了蝉，同学们还能想到其他具有疏水功能的生物吗？ （4）提问：同学们想到的这些疏水生物之所以能疏水的原因是否跟蝉翼的纳米结构类似呢？同学们用什么方法可以去验证呢？ （1）小组讨论，回答蝉翼的纳米柱状结构与疏水性质有关系；

（2）小组分析后得出的结论：蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直径约150nm，纳米柱的间距大概在100nm，而水由于表面张力会聚集形成球状，这样水的尺寸就远大于蝉翼的空隙100nm,导致水无法渗进蝉翼内部，因此具有疏水性能。

（3）小组交流后，讨论得到像蜻蜓翅膀、蝴蝶翅膀、蚊子的脚、荷叶等都具有疏水的特点；

（4）小组交流后解释，疏水原因可以通过网页和书籍等形式查资料说明，学生自己也可以参考本次实验课程，自主设计实验方案，通过原子力显微镜探究并验证疏水本质。

（1）锻炼学生写科学小论文的能力； （2）开设自主性实验，培养学生的创新能力。 七、课后作业 （1）每位学生提交一份科学小论文； （2）对纳米科学技术和具有疏水特性生物感兴趣的同学，可以自主设计实验方案，教师提供实验器材指导学生完成科学探究实验。 （1）认真完成并提交一份科学小论文； （2）对纳米科学技术和具有疏水特性生物感兴趣的同学，自主设计实验方案，在教师指下进行科学探究实验。