LÆRERVEJLEDNING

Introduktion til Unbreakable

Kort om forløbet

I Unbreakable arbejder eleverne med følgende problemstilling:

Hvordan vil kvantekommunikation ændre digital kommunikation i fremtiden, og skal alle have adgang til den?

Danmark er et af verdens mest digitaliserede lande. Sikker kommunikation er nødvendig for at kunne leve trygt i et digitaliseret samfund, men i fremtiden vil nye teknologier udfordre mulighederne for sikker kommunikation. Kvantekommunikation kan hjælpe os med at sikre, at værdifuld information i fx kritisk infrastruktur ikke bliver aflyttet. Men kvantekommunikation kan også misbruges til at hemmeligholde fx sabotage og kriminalitet.

Problemstillingen i Unbreakable rammesætter elevernes praktiske arbejde, demonstrerer fysikfagets relevans og giver eleverne mulighed for at tage personlig stilling.

Skal alle have adgang til fremtidens kvantekommunikation?

Centrale faglige pointer

I Unbreakable arbejder eleverne med følgende faglige pointer:

I nutidens internet bruges modulation af laserlys til at sende binært kodede beskeder gennem optiske fibre.
Beskeder sendt med lys i optiske fibre kan spioneres, uden at afsender eller modtager opdager spionen.
Lys i optiske fibre dæmpes eksponentielt. Denne dæmpning begrænser den maksimale afstand, med hvilken lys kan passere igennem en optisk fiber.
For at sende lys over meget lange afstande skal lyset forstærkes. Risikoen for spionage øges dog ved infrastruktur som forstærkerstationer.
Effekten af lys, der sendes ud af en fiberspids, kan måles kvantitativt ved brug af en sensor.
Kvantenøgledistribution er en teknologi, der udnytter en enkel fotons kvantemekaniske egenskaber til at dele krypteringsnøgler. Krypteringsnøglerne deles på en måde, hvor afsender og modtager med sikkerhed ved, om de bliver udspioneret eller ej.

Fagbegreber

Eleverne arbejder med en række fagbegreber i forløbet. Fagbegreberne introduceres i følgende af forløbets dele:

Del 1 – Optiske fibre:

Optisk fiber
Modulation

Del 2 – Fiberforbindelser i Danmark:

Sensor

Del 3 – Kvantenøgledistribution:

Foton
Krypteringsnøgle
Kvantenøgledistribution

Forløbets mål

Unbreakable er udviklet med afsæt i faglige mål, kernestof og supplerende stof i læreplanen for fysik B på htx og stx.

Nedenfor kan du se alle mål, der danner baggrund for forløbet – både faglige mål og kernestof samt forløbets læringsmål.

Faglige mål:

Ud fra en problemstilling at kunne tilrettelægge, beskrive og udføre fysiske eksperimenter med givet udstyr og formidle resultaterne (htx)
Kunne redegøre for grundlæggende fysiske begreber og fænomener samt demonstrere kendskab til fysikken i et globalt og teknologisk perspektiv (htx)
Ud fra en given problemstilling kunne tilrettelægge, beskrive og udføre fysiske eksperimenter med givet udstyr og præsentere resultaterne hensigtsmæssigt (stx)
Gennem eksempler kunne perspektivere fysikkens bidrag til såvel forståelse af naturfænomener som teknologi- og samfundsudvikling (stx)

Kernestof:

Grundlæggende bølgeegenskaber: bølgelængde, frekvens (htx/stx)
Lys som eksempel på bølger (htx/stx)
Simple elektriske kredsløb med stationære strømme beskrevet ved hjælp af strømstyrke, spændingsfald, resistans og energiomsætning, herunder eksempler på kredsløb med elektriske sensorer (stx)

Supplerende stof:

Det supplerende stof skal inddrage aktuelle faglige, teknologiske, samfundsrelevante eller globale problemstillinger (htx/stx)

I Unbreakable arbejdes med to overordnede læringsmål. Målet er, at eleverne efter forløbet kan:

undersøge og forklare, hvordan lys i optiske fibre anvendes til digital kommunikation

argumentere for sikkerhedsmæssige fordele og ulemper ved kvantenøgledistribution

Eleverne introduceres til læringsmålene i forløbets første aktivitet, og de evaluerer på deres læring ud fra læringsmålene i forløbets afsluttende aktivitet. Alle aktiviteter i Unbreakable er udviklet som skridt på vejen mod læringsmålene.

I forløbet arbejder eleverne med læringsmålene på et arbejdsark fra LIFE Kit.

Eksamen

Problemstillingen i Unbreakable kan bidrage til et eller flere eksamensspørgsmål til den mundtlige eksamen i fysik B (htx/stx). Læs mere nedenfor.

I Unbreakable arbejder eleverne med følgende problemstilling:
Hvordan vil kvantekommunikation ændre digital kommunikation i fremtiden, og skal alle have adgang til den?

Problemstillingen kan danne grundlag for et eller flere eksamensspørgsmål til den mundtlige del af eksamen. Følgende er forslag til eksamensspørgsmål til stx:

Redegør for, hvordan bølgeegenskaber ved lys bruges til at kommunikere igennem optiske fibre.
Forklar, hvorfor bøjning af optiske fibre kan forårsage tab af lys i fiberen. Forklar også gerne, hvorfor dette tab kan udnyttes til at udspionere lyssignaler i optiske fibre.
Redegør for, hvilke faktorer der bestemmer, hvor langt et lyssignal kan sendes igennem en optisk fiber. Forklar også gerne, hvordan denne længde kan bestemmes eksperimentelt.
Forklar, hvordan en sensor kan bruges til at måle lyseffekt fra en fiberspids. Uddyb gerne, hvordan målingen kan optimeres, så baggrundssignalet reduceres, og så målinger er sammenlignelige ved gentagelse.
Forklar forskellen på, hvad der sker, når lys som bølger og lys som fotoner passerer to polarisationsfiltre med forskellige orienteringer. Perspektiver gerne til, hvordan denne forskel bruges i teknologien kvantenøgledistribution.
Argumenter for fordele og ulemper ved, at kvantenøgledistribution bliver tilgængelig for alle. Brug gerne eksempler fra læringsspillet Quantum Keys.

I den eksperimentelle del af eksamen kan eleverne lave eksperimentet fra følgende aktivitet:

Mission: Ny fiberforbindelse

Eleverne kan også anvende deres noter fra siden Dine noter til eksamen. På siden findes de væsentligste figurer, data og besvarelser fra Unbreakable. Læs mere om dette i afsnittet LIFE's undervisningsplatform.

Herunder finder du en fagtekst om kvantenøgledistribution udviklet til Unbreakable. Det øvrige skriftlige materiale på LIFE's undervisningsplatform er instruktioner, som kan opgives til eksamen som vejledningstekster. Hvis dele af Unbreakable skal indgå i eksamen, skal du opgive kernefagligt eksamenslitteratur, som er tilgængeligt på dit gymnasium.

Fagtekst til eleverne om kvantenøgledistribution

Alle figurer og tryksager fra Unbreakable må anvendes som materialer til mundtlig eksamen. Du skal selv supplere med ukendte bilag til den individuelle mundtlige del af eksamen.

Du kan finde en pdf-version af elevhæftet "Send en hemmelighed" herunder:

Elevhæfte: Send en hemmelighed

Aflevering

Unbreakable indeholder et oplæg til en aflevering, som du kan vælge at anvende i forlængelse af forløbet.
Formålene med afleveringen er:

at give eleverne mulighed for at lave en grundigere analyse af deres data fra forløbets del 2 og 3
at give eleverne mulighed for at udvide deres argumenter for fordele og ulemper ved brug af kvantenøgledistribution
at evaluere, om eleverne har opnået forløbets to overordnede læringsmål

Du finder oplægget til afleveringen og en lærerguide til det på siden Aflevering til Unbreakable.
Elevernes arbejdstid er estimeret til 3 timer.

Elevforudsætninger

Gennemførelsen af Unbreakable forudsætter, at eleverne har grundlæggende viden om bølger og lys, herunder fagbegreber som bølgelængde, amplitude og frekvens. Kendskab til lasere og lysets bølge-partikel dualitet er en fordel, men det er ikke nødvendigt for, at eleverne kan gennemføre forløbet.

Du kan vælge at præsentere eleverne for brydningsindeks og totalrefleksion af lys som supplement til Unbreakable, men dette er heller ikke en nødvendighed for at gennemføre forløbet.

Din forberedelse

Generelt om forberedelse

Vi anbefaler, at du læser Unbreakable igennem, før I begynder på forløbet. Det er vigtigt, at du også læser lærerguides. De indeholder bl.a. praktiske informationer, forslag til feedback og mulige svar til de enkelte aktiviteter. Du kan læse mere om din forberedelse i den første lærerguide i hver aktivitet.

Den estimerede forberedelsestid for hver af forløbets dele fremgår af oversigten nedenfor.

	Laboratorieforberedelse	Anden forberedelse	Samlet forberedelse
Del 1	15 min.	15 min.	30 min.
Del 2	30 min.	20 min.	50 min.
Del 3	10 min.	40 min.	50 min.

Ændringer gemt

”Anden forberedelse” dækker over gennemlæsning af aktiviteter og lærerguides på undervisningsplatformen. Du kan desuden vælge at forberede følgende for at sikre bedre tid til aktiviteterne:

Bede eleverne logge ind på undervisningsplatformen enten hjemmefra eller i et foregående modul
Sammensætte grupper og dele dem med eleverne, inden I begynder
Stille materialer klar til hver gruppe inden undervisningen

Herudover må du forvente ekstra forberedelsestid, første gang du underviser i Unbreakable til fx at orientere dig i brugen af LIFE's digitale undervisningsplatform og i det digitale læringsspil Quantum Keys. Hvis du ikke er bekendt med teknologien kvantenøgledistribution, anbefaler vi, at du også læser afsnittet Baggrundsviden i lærervejledningen.

LIFE's undervisningsplatform

På LIFE's undervisningsplatform finder du forløbets elevhenvendte indhold. Her finder du også lærerguides til de enkelte aktiviteter, som du skal bruge til din forberedelse. Forløbet er højt stilladseret med alle instruktioner, som eleverne har brug for, samt baggrundsinformationer, skrivefelter, tabeller og grafisk materiale.

Nedenfor kan du se en video, der giver en kort introduktion til LIFE's undervisningsplatform.

Introduktion til LIFE's undervisningsplatform.

Det er væsentligt for dig og eleverne at vide følgende om de noter, som eleverne kan skrive i undervisningsplatformens skrivefelter og tabeller:

Elevens noter gemmes automatisk, og de væsentligste af dem overføres til siden Dine noter.
Eleven kan kan kun se sine egne noter. Hverken du eller de andre elever kan se dem, og de kan ikke deles på undervisningsplatformen. Derfor er det vigtigt, at alle elever i gruppen skriver deres egne noter på undervisningsplatformen.
Eleven kan downloade og gemme siden Dine noter som pdf.

Forløbets lærerguides kan ikke ses af dine elever. De kan kun ses af dig. På billedet nedenfor kan du se undervisningsplatformen i lærer- og elevvisning.

Til venstre ser du undervisningsplatformen, som du ser den. Til højre ser du elevernes visning.

Laboratorieforberedelse

I følgende aktiviteter er der laboratorieforberedelse:

Du finder materialelister og beskrivelser af, hvordan du forbereder det eksperimentelle arbejde, i den første lærerguide i hver aktivitet.

Forberedelse til læringsspillet Quantum Keys

I aktiviteten Quantum Keys skal eleverne gennemføre et digitalt læringsspil. I lærerguides i aktiviteten finder du videoer med gennemspilning af hvert af spillets tre levels samt printbare pdf-guides, der kan hjælpe dig, når eleverne er i gang med spillet.

I Quantum Keys opnår eleverne erfaring med kvantenøgledistribution.

Modulplaner

Modulplanerne nedenfor giver dig et hurtigt overblik over, hvordan Unbreakables tre dele kan fordeles over 3-4 moduler a 90 minutters varighed. Du kan læse mere om de tre deles indhold i Forløbsoverblikket.

Modulplan - modul 1

Modulplan - modul 2-3

Modulplan - modul 3-4

Hvis I har tid til overs i det sidste modul, kan eleverne bruge den ekstra tid på at læse fagteksten til eleverne om kvantenøgledistribution eller at udarbejde afleveringen.

Materialer

Du vil modtage et LIFE Kit, der indeholder de fleste materialer til forløbet. Materialerne er engangsmaterialer og skal ikke returneres til LIFE. Du kan altid genbooke Unbreakable for at få nye materialer.

Bemærk, at der i forløbet er brug for materialer, som ikke indgår i LIFE Kit, og som du selv skal sørge for, at I har på dit gymnasium. Det drejer sig om følgende:

Del 2: Mission: Ny fiberforbindelse

2 ledninger pr. par
1 multimeter med $10\,\textrm{M}\Omega$ eller højere pr. par
Saks

Del 3: Quantum Keys

1 hvidt papir pr. par

Du skal undersøge, om multimetrene på dit gymnasium har impedans på

10\,\textrm{M}\Omega

eller

1\,\textrm{M}\Omega

. Denne aktivitet er designet efter brugen af multimetre med

10\,\textrm{M}\Omega

impedans eller højere, hvilket er det mest udbredte.

Hvis du bruger multimetre med

1\,\textrm{M}\Omega

impedans, vil målingerne desværre være 10 gange mindre, og kalibreringskurven i aktiviteten vil være ugyldig.

Du kan se et udvalg af udbredte multimetre med

10\,\textrm{M}\Omega

1\,\textrm{M}\Omega

impedans herunder.

Udbredte multimetermodeller med $10\,\textrm{M}\Omega$ impedans eller højere:

Tecpel DMM-135B
PeakTech 3340 DMM
MS8201
METRA Hit ONE / 2+

Udbredte multimetermodeller med $1\,\textrm{M}\Omega$ impedans:

Tecpel DMM-125
DT832
PeakTech 1070 DMM

Du kan se en detaljeret liste over indholdet i LIFE Kit nedenfor.

Materialeliste

Brugerundersøgelse

Når I er færdige med forløbet, modtager du en e-mail med link til et kort spørgeskema. Vi følger løbende med i, hvordan vores undervisningsforløb fungerer i praksis.

Det er derfor vigtigt, at du besvarer spørgeskemaet – uanset om I har gennemført hele forløbet eller ej – da dine svar indgår i vores arbejde med at justere og forbedre forløbene.

Didaktiske overvejelser

Lærerrollen

I Unbreakable arbejder eleverne hovedsagelig selvstændigt i grupper ud fra instruktioner på LIFE's undervisningsplatform samt på et arbejdsark og i et elevhæfte fra LIFE Kit. Ved opstart af aktiviteter og klassesamtaler anbefaler vi, at du rammesætter og faciliterer elevernes arbejde ud fra instruktionerne på undervisningsplatformen.

Under elevernes selvstændige eksperimentelle arbejde anbefaler vi, at du indtager en vejledende rolle, hvor du guider eleverne ved at give dem formativ feedback på deres arbejdsproces og resultater. Det er vigtigt, at du lader eleverne udføre undersøgelserne selv, så de kan opnå deres egne erfaringer og drage deres egne faglige konklusioner.

Din rolle og brugen af undervisningsplatformen er beskrevet i den første lærerguide på hver aktivitet. Du kan desuden finde forslag til feedbackspørgsmål, vigtige faglige pointer og forslag til differentiering i lærerguides fordelt under de enkelte trin i aktiviteterne.

Undersøgelsesbaseret naturfagsundervisning (6F)

Unbreakables aktiviteter er udviklet med inspiration fra 6F-modellen Møller et al., MONA, 1, 26-44 (2020). 6F er en didaktisk model, som kan anvendes til at planlægge og organisere undersøgelsesbaseret naturfagsundervisning. Med denne tilgang tages der afsæt i elevernes egne forudsætninger og undersøgelser. Det er særlig vigtigt, at du ikke foregriber elevernes egne konklusioner ved at forklare, hvad de kan forvente af svar og observationer.

I det følgende beskrives, hvordan de seks faser optræder i Unbreakable:

Forudsætning: Forløbets opstartsaktivitet har til hensigt at afdække elevernes faglige forudsætninger inden forløbet, og opsamlings- og repetitionsøvelser i forløbet afdækker elevernes forudsætninger undervejs.
Fang: Forløbet har til hensigt at fange elevernes interesse ved at vise, hvilke udfordringer det danske samfund står over for i en nær fremtid. Det er også hensigten at engagere eleverne og vække deres nysgerrighed ved at lade dem sende hemmeligheder med lasere og optiske fibre og gennem læringsspillet Quantum Keys.
Forsk: Eleverne skal gennemføre kvalitative og kvantitative undersøgelser af udbredelse og dæmpning af lys i optiske fibre. Eleverne skal også fysisk og digitalt undersøge, hvordan lysbølger og fotoner kan bruges til at sende hemmelige beskeder med og til at dele krypteringsnøgler.
Forklar: I forløbet formulerer eleverne mundtligt og skriftligt mulige forklaringer på deres undersøgelsesresultater. Dette giver eleverne mulighed for at få valideret deres forklaringer, og det giver dig mulighed for at få indsigt i elevernes progression.
Forlæng: I sidste del af forløbet anvender eleverne deres opnåede erfaringer om lys i optiske fibre i undersøgelser af virkelighedens internet og fremtidens kvantekommunikation.
Feedback: Der indgår muligheder for feedback undervejs i hele forløbet, bl.a. via peer feedback mellem elever og fælles opsamlinger i klassen. Du kan i aktiviteternes lærerguides finde forslag til formative feedbackspørgsmål, som du kan stille eleverne undervejs i deres undersøgelser.

6F-modellen.

Eleverne skal undersøge lys gennem en optisk fiber (Forsk) og forklare deres resultater (Forklar).

Læs mere om forløbet

Baggrundsviden

Her finder du faglig baggrundsviden og forslag til videre læsning. Afsnittet er tiltænkt dig som lærer, og det spænder derfor bredere end det faglige indhold, som eleverne møder i forløbet.

Optiske fibre til internetkommunikation
De optiske fibre af plast, der bruges i Unbreakable, er

2.5\,\textrm{mm}

i diameter. De optiske fibre, der bruges i internettet, består af glas, og lyset bevæger sig igennem en indre kerne med en diameter på

8\sim62.5\,\mu\textrm{m}

afhængigt af fibertypen.

I Unbreakable bruges røde lasere, men til internettet bruges infrarøde bølgelængder på enten

1310\,\textrm{nm}

eller

1550\,\textrm{nm}

. Glasset i de optiske fibre er også optimeret til at være særlig gennemsigtige ved disse infrarøde bølgelængder, så lyset dæmpes mindst muligt.

Forstærkning af lys i en optisk fiber
Lyset i optiske fibre skal forstærkes, når lyset skal sendes over lange afstande. Denne forstærkning sker i en såkaldt fiberforstærker, hvor en del af glasset er dopet med Erbium(III)oxid. Ved ydre påvirkning af andre lasere kan Erbium(III)oxid exciteres op til en tilstand, der henfalder spontant ved at udsende lys ved netop

1550\,\textrm{nm}

. Hvis der i forvejen er lys ved

1550\,\textrm{nm}

i fiberen, sker der stimuleret emission, og det oprindelige lys ved

1550\,\textrm{nm}

forstærkes.

Forstærkning kan dog ikke bruges i kvantekommunikation, hvor der kun må sendes én foton ad gangen. Dette sætter en begrænsning for den afstand, som kvantekommunikation kan bruges over.

Kvantekommunikation
Følgende to fagtekster om kvantenøgledistribution er udviklet til Unbreakable:

Fagtekst til eleverne om kvantenøgledistribution
Du kan bruge denne fagtekst som baggrundslitteratur til Del 3 og afleveringen i Unbreakable
Fagtekst til læreren om kvantenøgledistribution skrevet af Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme (NQCP).
Du kan læse denne tekst for at få en grundigere baggrundsviden, end eleverne får i den elevrettede fagtekst.

Fagtekst til læreren om kvantenøgledistribution

LIFE's samarbejdspartnere

Unbreakable er udviklet i samarbejde med Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme (NQCP), Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet. NQCP har bidraget med faglig ekspertviden, og de har udarbejdet en lærerrettet fagtekst til forløbet.

Herudover har forskere fra DTU Compute bidraget med kvalificering af forløbets samfundsrelevante problemstilling samt tekniske detaljer i filmen "Blackout" i begyndelsen af forløbet.