STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 광통신의 이해 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 광통신의 이해 이름 주요 과목 물리I 관련 과목 STEM 요소 개요 차시별 S, T, E, M 지역 보조 개발자 이진코드를 이해하고 이를 사용하여 직접 메시지를 인코딩, 디코딩 하는 법을 학습한다. 빛의 성질을 이해하고 빛의 경로를 자유롭게 설계하여 내가 원하는 위치로 빛을 전달해본다. 광섬유의 구조와 전반사 원리를 이해하고, 빛으로 인코딩한 메시지를 광섬유를 통해 전달한다. 1차시 이진코드의 이해 2차시 통신의 이해 3차시 빛의 성질 탐구하기 4차시 빛으로 신호 전달하기 주요내용 (키워드 위주) 파동/파동의 성질/파동의 요소 관련 단원 주 개발자 주요 수업 관련 단원 (물리) 광통신의 이해 교사용 STEM 생각교실 (중/고) 광통신의 이해 주제 광통신의 이해 2015 개정 교육과정 중학교 2~3학년/ 고등학교 1~3학년 적용 학년 영역: 핵심개념 빛의 파동 / 빛의 굴절과 전반사 과학기술 적용 빛으로 신호 전달하기 응용 분야 광통신, 광소자 설계 및 제작, 레이저 광학 1차시: 컴퓨터가 0과 1 두 가지 형태로 신호를 전달하는 방법에 대해 고 민해보고, 이진코드 중 ASCII 코드로 메시지를 전달해보자. 2차시: 신호를 전달하는 다양한 방법에대해 살펴보고, 우리 주변에서 그 예를 찾아보자. 프로그램 개요 3차시: 빛의 성질인 반사를 이해하기 위해 Mirror 마운트를 직접 설계해 서 제작해 본 후 이를 이용하여 반사 성질에 관해 탐구해보자. 4차시: 빛의 성질인 굴절 현상에대해 탐구해봄으로써 빛이 광섬유를 통해 전달되는 원리를 이해한다. 5차시: 빛으로 음성 신호를 광섬유를 통해 전달해보자. 차시구분 차시계획 차시별 교수학습 주제 및 내용 1차시 이진코드의 이해 2차시 통신의 이해 3차시 4차시 5차시 빛의 반사 성질 탐구하기 빛의 굴절 및 전반사 성질 탐구하기 빛으로 신호 전달하기 충북대학교 과학영재교육원 - 14 - (물리) 광통신의 이해 (5) 교수-학습 과정의 전개 학생용 1차시: 이진코드의 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ Ÿ Ÿ 신호를 전달하는 방법에 대해 알아본다. 이진수에 대해 알아본다. 이진코드에 대해 알아본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 종이에 손이 베이지 않게 조심한다. 1차시 [개념 도입] 브레인스토밍 사람이 사용하는 문자를 컴퓨터가 사용하는 숫자로 어떻게 표현할 수 있을까? ధ 컴퓨터의 자료들은 0과 1로 나열되어 전송되고 저장됩니다. 단지 두 개의 기호 를 이용하여 어떻게 단어와 숫자를 표현할 수 있을까요? 컴퓨터 작동에 필요한 전기는 들어오거나 (1로 표현) 들어오지 않거나 (0으로 표현) 두 가 지 상태를 갖는다. 학생들에게 주변에게 1과 0으로 정보를 처리하는 예를 모둠별로 작성하 도록 한다. 작성한 답을 토의하도록 한다. 이진수 개념을 자연스럽게 이해할 수 있도록 유 도한다. 수업지도의 Ÿ Tip 주변에서 1과 0으로 정보를 처리하는 예를 모둠별로 작성하도록 한다. 작성한 답을 발표하고 서로 공유하는 시간을 갖도록 한다. Ÿ 다양한 예시들을 통해 우리의 일상에 과학과 수학이 활용되는 경우를 찾고 흥 미를 갖을 수 있도록 유도한다. (예) dvd, cd에 정보를 저장할 때는 레이저로 금속 막에 홈을 새겨 정보를 기록하 - 18 - (물리) 광통신의 이해 학생용 2차시: 통신의 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 통신에 대해 이해해보자. § 통신의 방법에 대해 알아보자. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 레이저를 가지고 장난하지 않는다. 안전을 위해 보안경을 반드시 쓰고 실험을 진행한다. 깨지기 쉬운 광학기기 취급 시 던지지 않는다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 실험/ 탐구하기 ధ 정보나 소식을 표현하는 수단을 신호라 한다. 신호의 종류를 토의해 보자. 학생들에게 우리 생활에서 사용하는 신호의 종류를 찾게 하고, 신호의 요건에 대해 질 문을 던지고 토의해보게 한다. [탐구1] 모스 부호를 사용해보자. 준비물: 모스부호표, 쇠구슬 (2개) ధ 먼 거리에 있는 친구에게 어떻게 신호를 전달할 수 있을까? 1) 최초의 전기 통신은 모스부호! 자기 이름을 모스 부호로 적어 보자 - 22 - (물리) 광통신의 이해 학생용 3차시: 빛의 반사 성질 탐구하기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 빛의 반사 성질을 이해한다. Ÿ 빛을 반사 시키기 위한 소자를 직접 설계 및 제작해 보자. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 레이저를 가지고 장난하지 않는다. 안전을 위해 보안경을 반드시 쓰고 실험을 진행한다. 깨지기 쉬운 광학기기 취급 시 던지지 않는다. 3차시 [과학기술 적용] 설명하기/ 과학과 공학(기술/수학)의 관계 ధ 주변에서 빛의 반사를 이용한 예를 찾아보자. 일상생활에서 볼 수 있는 빛의 반사를 이용한 예를 모둠별로 찾아볼 수 있도록 돕는다. 실제 물체가 어떻게 보이는지 원리를 토의해 볼 수 있도록 한다. 수업지도의 Tip Ÿ 주변에서 빛의 반사를 이용한 예를 찾아보자 Ÿ 치과에서 사용하는 치경, 자동차 후면경, 길 모둩이의 볼록 거울, 편의점 감시 경,... [탐구1] 빛의 직진성, 반사 성질 탐구하기 준비물: 이쑤시게, 우드락 10T, 안전거울, 가위, 양면테이프, 레이저 포인터, 스텐드, 클램프, 보호안 경 ధ 주어진 준비물로 각도조절 가능, 위/아래 높이 조절 가능, 방향조절 가능한 Mirror Mount를 제작해 보자. - 24 - (물리) 광통신의 이해 학생용 4차시: 빛의 굴절 성질 탐구하기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 빛의 굴절 현상을 이해한다. Ÿ 빛의 전반사 성질을 이해한다. Ÿ 광섬유에서 빛이 진행하는 원리에 대해 이해한다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 레이저를 가지고 장난하지 않는다. 안전을 위해 보안경을 반드시 쓰고 실험을 진행한다. 깨지기 쉬운 광학기기 취급 시 던지지 않는다. 4차시 [과학기술 적용] 설명하기/ 과학과 공학(기술/수학)의 관계 ధ 주변에서 빛의 굴절 현상의 예를 찾아보자. 일상생활에서 볼 수 있는 빛의 굴절 현상에 대해 모둠별로 토의해보자. 굴절각과 입사각의 개념에 대해 토의해 보자 [탐구1] 빛의 굴절 및 전반사 현상 탐구 준비물: 레이저 포인터 (3개), 종이 각도기 (3개), 각도판 부착된 반원물통(3개), 스포이드(1개), 물, 올리고당 ధ 공기, 물, 올리고당을 각각 반원물통에 채운 후 레이저 포인터의 입사 각도를 변화시키며 빛의 경로를 관찰하고 굴절각을 기록하고 그려보자. 공기의 경우 - 27 - (물리) 광통신의 이해 학생용 5차시: 빛으로 신호 전달하기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 광섬유의 구조를 이해하고 빛이 광섬유를 통해 전달되는 원리를 이해한다. Ÿ 빛으로 신호를 보내보자. Ÿ 탐구 활동의 이론적 배경을 공학적으로 적용해 본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 레이저를 가지고 장난하지 않는다. 안전을 위해 보안경을 반드시 쓰고 실험을 진행한다. 깨지기 쉬운 광학기기 취급 시 던지지 않는다. 5차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 ధ 광섬유의 구조를 살펴보고 빛이 광섬유를 통해 전달되는 원리를 설명해보자. 광섬유의 코어와 클래딩의 굴절률 값을 소개하고 빛이 코어로 입사되었을 때 빛이 어떻 게 진행할지 전 시간에 배운 굴절현상과 연관시켜 설명해 보도록 한다. 코어 굴절률: 1.467 ~ 1.474 클래딩 굴절률: 1.445 ~ 1.460 [탐구1] 광섬유를 탐구해보자 준비물: 레이저 포인터 (1개), 광섬유 (1개), 보안경, 조도센서 (1개) ధ 광섬유를 이용하여 레이저 빛을 보내보자. 광섬유의 종류 (실리카 광섬유, 플라스틱 광섬유)에 대해 조사해보고, 사용파장 대역, 파장에 따른 손실을 살펴보자. 플라스틱 광섬유에 레이저 빛 (LED)을 입사시켜 빛이 전반사되는 현상을 관찰하자 - 30 -