《大自然界中的納米科學技術(shù)》教學設(shè)計

中學納米科技創(chuàng)新實驗室《大自然界中的納米科學技術(shù)》教學設(shè)計計劃學時：2設(shè)計人：程寧寧一、教案設(shè)計思路在“20XX年人教版全日制普通高級中學教科書（必修）物理第二冊第九章（分子動理論能量守恒）第一部分（物質(zhì)是由大量分子組成的）第26頁閱讀材料”中提到納米科學技術(shù)，指出納米是一個長度單位，并舉例了納米技術(shù)在電子技術(shù)、通信技術(shù)、電子器件、醫(yī)療以及生命科學領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)的技術(shù)突破。納米科學技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)的前沿，在世界范圍內(nèi)倍受重視，我國科學家在納米科學技術(shù)領(lǐng)域的成績也已具有世界先進水平。納米科學技術(shù)如此先進，是不是對于中學生來說太高深莫測了，無法理解呢？當然不是。其實在大自然界中到處都是納米現(xiàn)象，只是我們不知道而已，下面就讓我們一起來了解自然界中的納米現(xiàn)象并用實驗來驗證吧。二、教學目標1、通過了解自然界中常見的納米現(xiàn)象，激發(fā)學生了解和學習納米科學技術(shù)的興趣；2、探究蟬翼疏水的本質(zhì)原因，利用原子力顯微鏡解析其納米結(jié)構(gòu)特征；3、拓展思維，讓學生自己發(fā)現(xiàn)和尋找大自然界中的納米現(xiàn)象，借助實驗儀器解惑，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和思考問題的習慣，并探索解決問題的方法，形成科學素養(yǎng)。三、教學重點1、指導學生查閱資料的方法及途徑，了解自然界中常見的納米現(xiàn)象；2、了解蟬翼的納米結(jié)構(gòu)，探究其疏水原因，注重培養(yǎng)學生的思維能力。四、教學難點1、學生親自制作蟬翼樣品，鍛煉學生的實驗操作能力；2、分析實驗數(shù)據(jù)，解釋蟬翼疏水的本質(zhì)原因。五、教學準備1、通過網(wǎng)頁、雜志、書籍等形式查閱納米科學技術(shù)相關(guān)資料；2、預習教學型原子力顯微鏡儀器操作手冊；3、每組學生操作一套教學型原子力顯微鏡，提前做好學生分組；4、小組分配：4-5人為一組。六、儀器和藥品3600B型教學型原子力顯微鏡（簡稱3600B型AFM）1套，計算機1臺，蟬1只，剪刀1個。以上儀器和藥品每組學生各1套。七、教學策略以生活中常見的動物蟬為例，激發(fā)學生學習納米科學技術(shù)的興趣，以探究實驗形式分析蟬翼疏水的原因，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，小組成員互相討論得出實驗結(jié)論，使學生體會到實驗的趣味性和生活化，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作解決問題的能力。八、教學過程設(shè)計意圖教師活動學生活動

了解納米科學技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用；以自然界中常見的生物為實驗探究內(nèi)容，激發(fā)學生學習納米科學技術(shù)的興趣；學生親自動手實驗，創(chuàng)設(shè)疑問，產(chǎn)生強烈地探究欲望。

一、創(chuàng)設(shè)問題情景，引導學生建立新思路（第1課時）（一）創(chuàng)設(shè)問題情景（1）指導學生閱讀課本中有關(guān)納米科學技術(shù)的知識內(nèi)容；（2）介紹納米科學技術(shù)在生產(chǎn)和科研領(lǐng)域的應用；（3）引導學生了解日常生活中常見的納米現(xiàn)象和應用；（4）提問學生課前通過多種形式搜集到的自然界中常見的納米現(xiàn)象。（二）建立新思路，提出新的研究任務(wù)。（1）為什么自然界中的生物會有神奇的納米現(xiàn)象，并呈現(xiàn)特殊的功能？（2）以蟬為例，演示疏水實驗。滴一滴水在蟬翼上，輕輕一甩，水就掉了，而且蟬翼不是濕潤的，為什么呢？（3）探究蟬翼疏水的原因是否也跟納米結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？

閱讀課本中有關(guān)納米科學技術(shù)的知識內(nèi)容；聽取老師介紹納米科學技術(shù)在生產(chǎn)和科研領(lǐng)域的應用，以及日常生活常見的納米現(xiàn)象和應用；回答老師課前搜集的自然界中常見的納米現(xiàn)象；動手實驗：滴一滴水在蟬翼上，輕輕一甩，水就掉了，而且蟬翼不是濕潤的，證實其疏水性能；思考和討論蟬翼疏水（或不親水）的原因。

（1）了解分析物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的顯微工具；（2）了解光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的特點及區(qū)別；（3）了解先進的可檢測微納米結(jié)構(gòu)的教學儀器設(shè)備---原子力顯微鏡，開闊學生的眼界，培養(yǎng)學生的探索精神。

二、組織學生思考和交流（第1課時）觀察納米結(jié)構(gòu)，需要借助什么樣的儀器呢？（1）講解探究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的工具---顯微鏡，分別介紹光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡；（2）結(jié)合以上四種顯微鏡的特點，提出問題：哪種顯微鏡適合探究蟬翼的納米結(jié)構(gòu)？（3）由于學生課前預習了教學型原子力顯微鏡的知識，提出問題：教學型原子力顯微鏡對測試樣品有什么要求？（4）提問：原子力顯微鏡的工作原理是什么？

聽取老師講解光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡各自的特點；思考、討論與交流老師提出的問題---哪種顯微鏡適合探究蟬翼的納米結(jié)構(gòu)？結(jié)合老師講解的四種顯微鏡的特點，總結(jié)出原子力顯微鏡適合測試生物樣品的微觀納米結(jié)構(gòu)；小組討論回答老師教學型原子力顯微鏡對測試樣品要求的問題，得出結(jié)論：測試樣品要求直徑≤30mm,厚度≤15mm；原子力顯微鏡的工作原理是由于探針針尖與樣品表面原子間存在作用力，掃描時控制這種力的恒定，微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。（詳見《3600B型原子力顯微鏡使用手冊》）

培養(yǎng)學生動手實驗的能力，發(fā)揮學生的主動性；每位學生都參與到實驗中，調(diào)動課題氣氛；（3）學會制作原子力顯微鏡實驗樣本。三、組織學生制作實驗樣本（第2課時）（一）演示如何制作實驗樣本（1）剪取蟬翼一部分（小手指甲大小）作為測試樣本，直徑≤20mm；（2）用鑷子將測試樣本夾到粘有雙面膠的基片上，輕輕的壓平（注意不要損壞翅膀），樣品就做好了。（二）巡視指導，指出學生操作不規(guī)范的地方（1）參考老師樣本制作過程，每位學生制作1個實驗樣本；（2）小組內(nèi)選取1個最佳樣本進行原子力顯微鏡測試。

（1）學會操作原子力顯微鏡；（2）借助原子力顯微鏡檢測蟬翼納米級微觀結(jié)構(gòu)，解析蟬翼疏水的本質(zhì)現(xiàn)象；（3）培養(yǎng)學生從實驗現(xiàn)象抽象出現(xiàn)象本質(zhì)的能力。四、組織學生利用教學型原子力顯微鏡進行蟬翼納米微觀結(jié)構(gòu)實驗探究（第2課時）（一）演示實驗操作過程實驗前，保證每臺3600B型AFM的探針均是正常的，并在每張實驗桌上放置1份簡易學生版3600B型AFM儀器操作手冊。（1）打開3600B型AFM開關(guān)；（2）將樣品放在3600B型原子力顯微鏡測試臺上；（3）通過電腦打開輕敲式測試軟件，依次進行電子學校正，光斑檢測，手動驅(qū)進針尖和樣品（將探針調(diào)試到翅膀的透明區(qū)域），搜索共振峰，針尖樣品自動驅(qū)進；（4）樣品掃描：先10um大范圍掃描，發(fā)現(xiàn)有平整均勻的小顆粒區(qū)域后，再選其小范圍掃描（4000nm左右），就可以得到蟬翼表面的納米柱狀排列結(jié)構(gòu)圖。（二）巡視指導，指出學生操作不規(guī)范的地方（1）觀察老師實驗演示過程；（2）依據(jù)3600B型AFM操作手冊和老師實驗演示，每個小組測試1個蟬翼標本納米結(jié)構(gòu)圖；（3）小組成員配合完成實驗測試過程，互相監(jiān)督，避免實驗中出現(xiàn)失誤；（4）小組測試結(jié)果與老師實驗結(jié)果做比較，若不同，分析并總結(jié)原因。

（1）培養(yǎng)學生處理和分析數(shù)據(jù)的能力；（2）通過二維與三維圖的轉(zhuǎn)換，鍛煉學生的空間思維能力；（3）培養(yǎng)學生學習使用高科技儀器測試軟件的能力。五、引導學生進行數(shù)據(jù)處理和分析（第2課時）（1）引導學生分析測試圖像，提問：蟬翼表面平均每個納米柱直徑是多少？納米柱的間距是多少？（2）指導學生利用離線處理軟件將二維平面圖轉(zhuǎn)換為三維形貌圖；（3）指導學生如何利用將二維和三維形貌圖轉(zhuǎn)換為圖片格式，便于日后寫實驗論文和發(fā)表文章。

（1）通過測試圖像以及顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)過小組討論統(tǒng)計出蟬翼表面平均每個納米柱直徑約150nm，納米柱的間距約為100nm；（2）將二維形貌圖轉(zhuǎn)換為三維形貌圖；（3）每位學生保存一份實驗測試二維和三維圖。

（1）依據(jù)實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)總結(jié)蟬翼疏水的本質(zhì)原因；（2）拓展思維，引導學生思考自然界中其它常見的疏水生物，培養(yǎng)學生的科學探究興趣；（3）引導性問題，培養(yǎng)學生獨立思考問題，自己設(shè)計實驗方案，獨立解決問題的能力，行成良好的科學素養(yǎng)。

六、思考與交流（第2課時）（1）提問：蟬翼的納米柱狀結(jié)構(gòu)與它的疏水性質(zhì)有關(guān)系嗎？（2）結(jié)合同學們課前查閱的資料，思考：蟬翼表面這些排列緊密的納米柱狀結(jié)構(gòu)為什么會導致其具有疏水功能呢？（3）提問：除了蟬，同學們還能想到其他具有疏水功能的生物嗎？（4）提問：同學們想到的這些疏水生物之所以能疏水的原因是否跟蟬翼的納米結(jié)構(gòu)類似呢？同學們用什么方法可以去驗證呢？

（1）小組討論，回答蟬翼的納米柱狀結(jié)構(gòu)與疏水性質(zhì)有關(guān)系；（2）小組分析后得出的結(jié)論：蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成，納米柱的直徑約150nm，納米柱的間距大概在100nm，而水由于表面張力會聚集形成球狀，這樣水的尺寸就遠大于蟬翼的空隙100nm,導致水無法滲進蟬翼內(nèi)部，因此具有疏水性能。（3）小組交流后，討論得到像蜻蜓翅膀、蝴蝶翅膀、蚊子的腳、荷葉等都具有疏水的特點；（4）小組交流后解釋，疏水原因可以通過網(wǎng)頁和書籍等形式查資料說明，學生自己也可以參考本次實驗課程，自主設(shè)計實驗方案，通過原子力顯微鏡探究并驗證疏水本質(zhì)。（1）鍛煉學生寫科學小論文的能力；（2）開設(shè)自主性實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

七、課后作業(yè)（1）每位學生提交一份科學小論文；（2）對納米科學技術(shù)和具有疏水特性生物感興趣的同學，可以自主設(shè)計實驗方案，教師提供實驗器材指導學生完成科學探究實驗。

（1）認真完成并提交一份科學小論文；（2）對納米科學技術(shù)和具有疏水特性生物感興趣的同學，自主設(shè)計實驗方案，在教師指下進行科學探究實驗。閱讀材料自然界中的“納米高手”納米是一個長度單位，指的是一米的十億分之一。納米技術(shù)，則是在納米尺度(1到1000納米之間)上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及利用這些特性的技術(shù)。在納米技術(shù)中，納米材料是其主要的研究對象與基礎(chǔ)。事實上，納米技術(shù)并不神秘，也并不是人類的專利。早在宇宙誕生之初，納米材料和納米技術(shù)就已經(jīng)存在了，比如，那些溶洞中的石筍就是一納米一納米的生長起來的，所以才千奇百怪；貝殼和牙齒也是一納米一納米的生長的，所以才那樣堅硬；植物和頭發(fā)是一納米一納米生長的，所以才那樣柔韌；荷葉上有用納米技術(shù)生長出來的絨毛，所以才能不沾水，就連你們?nèi)祟惖纳眢w，也是一納米一納米生長起來的，所以才那樣復雜！在地球的漫長演化過程中，自然界的生物，從亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到詭異的海星，從飛舞的蜜蜂、水面的水黽，到海中的貝殼，從絢麗的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到顯微鏡才能看得到細菌…應該說，它們個個都是身懷多項納米技術(shù)的高手。它們通過精湛的納米技藝，或賴以糊口，或賴以御敵，一代一代，在大自然中地頑強存活著，不僅給人們留下了深刻的印象，而且給現(xiàn)代的納米科技工作者帶來了無數(shù)靈感和啟示。潔身自好的蓮花一提到蓮花，人們就會很自然地聯(lián)想到荷葉上滾動的露珠，即所謂的蓮花效應。那么，什么原因?qū)е铝诉@種蓮花效應呢？蓮花效應又能給蓮花本身帶來什么好處？現(xiàn)代電子顯微鏡技術(shù)可以幫助我們給出正確的答案。通過電子顯微鏡，可以觀察到蓮葉表面覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米突包，而每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛。這是自然界中生物長期進化的結(jié)果，正是這種特殊的納米結(jié)構(gòu)，使得荷葉表面不沾水滴。借助蓮花效應，蓮花可保持葉子清潔。當荷葉上有水珠時，風吹動水珠在葉面上滾動，水珠可以粘起葉面上的灰塵，并從上面高速滑落，從而使得蓮葉能夠更好地進行光合作用。飛檐走壁的壁虎壁虎可以在任何墻面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術(shù)。壁虎腳上覆蓋著十分纖細的茸毛，可以使壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)百萬個的附著點，從而支撐其體重。這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠穿過天花板。貝類--嫻熟的粘合高手普通的貝類就是與蔬菜一起烹飪、在飯店每天都可以吃到的那種，堪稱納米粘合技術(shù)的高手。當它想把自己貼在一塊巖石上時，就會打開貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個吸盤，然后通過細管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束，釋放出強力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫，起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個減震器上，這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷。這種牢固的膠粘效果就來自黏液和巖石納米尺度下分子之間的相互作用。

眼觀六路的蛇尾海星蛇尾海星是一種碟形的帶甲殼的海底生物。它有五個觸角，沒有眼睛，盡管如此，它卻能夠敏感地感知遠處潛在的天敵，并及時將觸角縮進殼里。蛇尾海星的這種靈敏的感覺，長期以來，一直令生物學家迷惑不解。近來，這個問題終于在其甲殼上找到了答案：蛇尾海星身上面長滿了“眼”，即數(shù)以萬計的完美的微型透鏡，這樣，整個毛茸茸的身體就構(gòu)成了海星眼觀六路的眼睛。研究還表明，一只蛇尾海星身上的這種透鏡數(shù)目大約有5萬到10萬，它們都是由納米晶體的碳酸鈣組成；這種完美的光敏感微型透鏡系統(tǒng)，是海星生長過程中，身體表面納米結(jié)晶化的結(jié)果；為了防止不必要的色邊，結(jié)晶化過程中，透鏡內(nèi)還吸收了適量的鎂，這既可以幫助海星更有效地過濾光線，又可以校正透鏡的“球面像差”，進而發(fā)現(xiàn)天敵的效率。

細菌---世界上“跑”得最快的生物細菌的個頭雖小，但它們的運動速度卻相當驚人，許多細菌每秒鐘前行數(shù)十微米，一種被稱作逗點弧菌的，它每秒鐘可向前游動100微米，不能小看這個數(shù)字，它相當于細菌自身體長的50倍，而一個人類運動員每秒鐘只能向前跑5.4倍體長的距離，即使獵豹這個數(shù)字也只能達到25倍，從這個意義上講，細菌應當是世界上“跑”得最快的生物。細菌世界的成員眾多，其運動方式和機制上也存在差異，但大部分能夠運動的細菌都是依靠自身的運動器官—鞭毛的作用。鞭毛是一種長的蛋白絲狀物，它附著于細菌的外表，一般長15-20微米，直徑20納米左右。細菌鞭毛的功能相當于船的螺漿，在水中可以高速旋轉(zhuǎn)從而推動菌體前行，因此水環(huán)境是鞭毛細菌自由馳騁的天地。

鞭毛的旋轉(zhuǎn)速度非?？?，每秒鐘旋轉(zhuǎn)兩百到一千多轉(zhuǎn)，比一般的電動機要快得多，鞭毛的高速旋轉(zhuǎn)是由其附著于菌體上的基體旋轉(zhuǎn)帶動的，基體實際上就是鞭毛的基部，它由一個中軸套上兩個或四個環(huán)構(gòu)成，鑲嵌固定在細菌的體表（細胞膜和細胞壁）中。在科學家的眼中，基體簡直就是一臺精巧的納米分子馬達，但這個馬達并不是靠電流驅(qū)動，而是用伴隨著細胞膜兩側(cè)質(zhì)子梯度的消失產(chǎn)生的生物能量ATP來驅(qū)動。細菌的鞭毛馬達還可以轉(zhuǎn)向（從反時針旋轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r針旋轉(zhuǎn)）從而使菌體發(fā)生翻滾，進而改變細菌的運動方向，事實上細菌在游動時也并不是單純地一直朝前游，而是伴隨著不時的隨機翻滾轉(zhuǎn)向，但從表觀上看仍表現(xiàn)為細菌的前行。

水面上自由行走的水黽小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因為它不僅能在水面上滑行，而且還會像溜冰運動員一樣能在水面上優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。水黽是如何練就如此水上絕技？

對此，中國科學院化學所研究員江雷在國《自然》雜志上發(fā)表論文，揭開了水黽“水上輕功”的奧秘，并認為水黽腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)才是真正原因。

水黽屬于水生半翅目類昆蟲，水黽的種類不同，大小也不一樣，一只中等大小的水黽重約30毫克，水黽的腿能排開300倍于其身體體積的水量，這就是這種昆蟲非凡浮力的原因。

江雷領(lǐng)導的研究小組在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽，吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊，這些氣墊阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性（超強的不沾水的特性）。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。

利用“羅盤”定位的蜜蜂研究表明，包括蜜蜂、海龜?shù)仍趦?nèi)的許多生物體內(nèi)都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。最新的科學研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。當蜜蜂采蜜歸來時，實際上就是把自己原來存儲的圖像和所見到的圖像進行對比，直到兩個圖像達到一致，由此來判斷自己的蜂巢。利用這種納米磁性顆粒進行導航，蜜蜂可以完成數(shù)公里的旅程。

五彩斑斕的蝴蝶蝴蝶因為其翅膀上變化多端、絢爛美好的花紋而使人著迷。這也讓生物