STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 기포수를 세지 마세요!(디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램명 인천대학교 과학영재교육원 구분 (신규/수정보 완) 신규 기포수를 세지 마세요!(디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 주요 과목 정보 주요 단원 관련 과목 과학 관련 단원 주요 적용 학년 개발차시 중학교 2학년 4 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 물리, 화학, 생물 (기타) ※ 자율연구주제이므로 각 과목의 전과정 중 주제 선정 가능 STEM+I 요소 S, E 적용 지역 보조 주 개발자명 개발자 물리, 화학, 생물, 지구과학의 다양한 실험 실습에서 디지털화가 가능한 교육내용을 찾고, 블록코딩으로 센서를 제어하여 센서 데이터를 수집한 후 주요 수업 개요 에 분석하는 수업을 진행한다면 데이터 기반 수업과 AI를 이용한 분석까 지 가능하여 신기술을 과학교과에 적용할 수 있게 된다. 따라서 전통적인 과학수업과 더불어 신기술을 접목하여 실제적인 실습을 좀더 편리하게 할 수 있고, 데이터에 기반한 이론수업을 진행한다면 한 층 업그레이드 된 과 학수업이 될 것이다. 1차시: 입출력장치 연결방법, 소프트웨어 세팅, 다운로드, 코딩하여 데이 터 수집하기, 엑셀로 데이터 전송하기 방법 학습 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시: BTB 용액, PH기준에 대해 확인하고, 물풀의 호흡으로 인한 산소 방울 발생을 관찰하고 눈으로 세어본다 3차시: 물플에 조명을 설치하고 PH센서, 물온도센서, 빛센서를 설치한다. 코딩하여 엑셀에 데이터 수집한다. 4차시: 눈으로 세어본 산소방울과 데이터로 수집된 수치를 비교하여 보고 분석한다. 본시 교수·학습 과정안 수업 수업 활동(10분) 단계 학습 목표 및 도입 (1차시) 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 -광합성에 관한 동영상 시청 e 학습터 영상 시청 (광합성이 일어나는 과정 소개) 학습 목표 확인하기 - 광합성이 일어나는 장소, 광합성에 필요한 물질, 광합성의 결과 생기는 산물 그리고 광합성에 영향을 미치는 환경요 실험 전 안전교육 실시(매우 중요) 인을 설명할 수 있다. - 환경요인(빛 세기)에 따른 광합성량을 측정할 수 있다. 수업 수업 활동(30분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [광합성의 원리 이해 소개] 화학반응식은 중학교 3학년 이상 광합성 과정 에게 설명하고 중학교 2학년 대상으 6CO2 + 12H2O -----(빛E)------> C6H12O6 + 6O2 + 로는 화학반응식이 아닌 물 + 이산화 6H2O 탄소 ->(빛에너지) -> 포도당 + 산소 식물은 이산화탄소와 물을 원료로 빛에너지를 가지고 포도 로 설명하는 것이 좋다. 당을 합성하고 산소와 물을 생성한다. 이 과정을 광합성이 여러 환경요인 중 빛의 세기에 따 라 하며, 식물의 엽록체에 있는 엽록소에서 빛E를 받아들여 른 광합성량의 측정하는 방법을 실험 일어나는 과정이다. 과정과 관련하여 설명한다. 광합성에 영향을 미치는 환경요인에는 빛의 세기, 빛의 파 장, 온도, 이산화탄소 농도 등이 있다. 거리에 따른 빛의 세기의 변화를 추리하여 거리와 빛의 세기의 관계가 반비례함을 학생들은 정성적으로 알 2. 광합성량 측정방법 고 있다. 안드로이드폰 앱(스마트 조 가. 기존 방법(기포수 세기) 도계)를 다운로드하여 빛의 조도의 광합성량을 알아보는 방법으로는 광합성의 재료가 되는 물 단위 lx(lux)를 설명해 준다. 빛의 세 과 이산화탄소의 소모량을 측정하거나, 혹은 생성된 포도당 기를 측정하는 데 있어서 빛의 광속 이나 산소 그리고 물의 양을 측정하면 된다. [lm], 빛의 광도[cd], 빛의 휘도[nit]를 이 과정을 검정말(아나카리스)을 활용하여 물속에서 광합성 설명하기 보다는 거리에 반비례함을 이 일어나게 하고 생성된 산소기체의 기포수를 세어 보는 스마트 조도계로 확인하는 것에 목적 방법으로 광합성량을 측정한다. 이 있다. (실험실에 wifi가 있지 않는 환경요인으로는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소의 농도, 빛의 경우, 사전에 다운로드 받을 수 있도 파장 중에서 빛의 세기 환경요인만 사용한다. 록 안내할 필요가 있음) 온도와 이산화탄소 농도의 변인통 [빛의 세기에 따른 광합성량 측정 실험] 1. 준비물 제가 쉽지 않고, 빛의 파장과 광합성 량의 관계를 알아보는 엥겔만의 실험 수초(검정말), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 비커, 시험관, 깔때 은 진행하지 않는다. 또한 광포화점이 - 5 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 (2차시) 수업 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 및 도입 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 실험 전 안전교육 실시 -광합성 과정 발표하기 학습 목표 확인하기 BTB 용액은 광합성에 의해 변화되 - CO2 농도변화에 따른 BTB 용액의 액성(산성, 중성, 염기 는 CO2 농도변화에 따라 색깔이 변 성) 변화를 색깔 변화로 확인할 수 있다. 함을 설명한다. - pH 센서를 활용하여 BTB 용액의 액성을 데이터로 수집하 고 분석할 수 있다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [용액의 액성이 변화는 원리 설명] 학습자의 교육과정에 따라 “날숨에 물에 녹아 수소이온(H+ )을 내놓는 물질을 산이라고 하고, 포함된 이산화탄소가 BTB 용액 속에 물에 녹아 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질을 염기라 한다. 녹아 들어가 탄산이 되면서 산성이 용액의 액성(산성, 염기성)에 따라 지시약 색깔이 변한다. 된다”로 요약하여 설명해도 된다. 예) 산성 용액에서 푸른색 리트머스 종이 -> 붉은색 염기성 용액에서 붉은색 리트머스 종이 -> 푸른색. 수소이온의 농도를 pH로 나타낼 폐놀프탈레인 용액 -> 산성과 중성에서 무색, 염기성에 때 pH1은 산성, 서 붉은색 pH7은 중성 그리고 pH14는 염기성임을 제시한다. BTB 용액 산성(노란색) , 중성(녹색), 염기성(파란색) BTB 용액은 pH6.0 이하에서 황색, pH 는 일상생활 속에서 산과 염기를 구분할 때 많이 사용 중성에서 녹색, 염기성 pH7.6 이상에 하는 수소 이온 농도 지수다. pH 가 7보다 작으면 산성, 7 서는 청색을 나타낸다. 보다 크면 염기성으로 구분하고, 산과 염기가 1:1로 반응하 여 중성이 되었을 때의 예) 증류수는 pH 는 7이다. 빨대를 이용하여 날숨으로 CO2 농 pH 가 7이다. 이산화탄소는 물에 녹아서 아 도를 변화시킬 때 용액을 마시지 않 주 적은 양이 아래와 같이 탄산을 만들고, 다시 H+를 내어 도록 안전교육을 사전에 실시한다. 놓고 HCO3- (탄산수소이온) 이나 CO32-(탄산이온)으로 바 뀌어 산으로 작용한다. 청색 BTB 용액부터 시작하여 녹 색 그리고 노란색(황색)으로 변하는 CO2 + H2O -> H2CO3 H2CO3 H2CO3 + -> H -> 것을 관찰하고 핫플레이트에 노란색 + HCO3 + 2H + CO3 - 2- (황색) BTB 용액이 끓어 CO2 용해도 가 감소하여 색깔이 다시 청색으로 변하는 것을 확인하는 것이 좋다. [학생활동]_[날숨으로 CO2 농도변화에 따른 BTB 용액의 - 8 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 수업 (3차시) 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 실험 전 안전교육 실시 학습 목표 확인하기 학습목표 확인 및 도입 - 환경요인(빛 세기)에 따른 광합성량을 센서를 이용해 데 이터를 수집하여 분석할 수 있다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip 준비물 [실험과정 유의점] 수초(검정말), 1% 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액, 비커, 1. 비커에 1% 탄산수소나트륨 수용액 시험관, 깔때기, 전기스탠드(광도조절가능), 자, 수조, 스마트 을 넣은 용액은 pH 7 이상으로 약염 폰(초시계, 카운터, 조도계 어플로 활용), 클램프, 안전면도 기성을 띤다. 날 2. 물풀의 상태와 양을 최대한 동기 화 하여 배부하면 세 개의 물풀 실험 실험과정 안내 세트를 설계하지 않고 각 모둠별 수 1. 1, 2차시 실험을 참고하여 실험을 설계하도록 안내한다. 집된 데이터값을 취합하여 빛의 세기 2. 모둠에서 광원으로부터 거리별로 A, B, C 세 개의 물풀 (혹은 광원으로부터의 거리)에 따른 실험세트를 설계하도록 한다. 광합성량이 변화하는 결과를 얻을 수 3. 각 실험세트에는 센서와 I/O 장치를 통해 MCU아두이노_ 있다. 우노와 노트북을 연결하여 데이터가 수집되도록 한다. (실제 실험시간을 고려하면 한 모둠 4. 실험세트 A에서 나온 데이터를 A_data라고 하고, 자료를 에서 빛의 세기를 바꿔가며 실험하여 분석하고, 차트로 만든다. 데이터를 수집하는 것이 어렵다) 5. 각각 B, C에서 나온 데이터 자료와 통합하여 빛의 세기 별 광합성량의 결과를 분석한다. [실험결과분석 유의점] 6. 수집된 데이터 자료를 공유 드라이브 모둠별 자료 폴더 1. 빛센서의 데이터는 보정하지 않았 에 탑재한다. 으므로 빛센서 값을 절대값(빛의 세 기)으로 알지 않도록 안내한다. 실험결과 분석 (빛센서 최고값은 1023)_스마트조도 들어온 데이터의 빛의 센서값과 물온도 센서값이 변화가 계 값으로 빛센서값을 확인해 빛의 없이 일정해 질 때, pH센서값을 기록한다.(실험보고서) 세기의 변화를 확인해 볼 수 있다.(변 입력되는 데이터가 안정화 된 후에 최빈값으로 각 거리(혹 화에 주목) 은 빛의 세기, lx)에서의 pH센서값으로 기록한다. 2. 광합성량의 데이터의 센서값들의 광원으로부터 거리별 A, B, C (혹은 빛의 세기에 따라 A, B, 변화가 없이 일정(pH센서 데이터, 빛 C)로 3가지 실험세트를 진행하지 못했더라도 취합된 다른 센서 데이터, 물온도 센서 데이터)해 모둠의 결과를 활용하여 빛의 세기에 따른 광합성량의 데 질 때 까지 시간이 필요하다. (약 3분 이터를 엑셀로 만들어 차트-꺾은선형으로 결과를 시각화한 이상 소요됨) - 22 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 수업 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 (4차시) 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 학습목표 확인 및 도입 학습 목표 확인하기 - 광합성량을 측정하는 실험들(기포수를 측정하는 실험과 센서를 활용한 실험)의 장단점 토의 및 효과적인 실험과정 설계해 본다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [ 빛의 세기에 따른 광합성량을 기포수를 측정하기 ] _ 모둠별 실험보고서를 캡쳐하여 제시함. [토의과정 유의점] 1. 실험 소감을 자유롭게 발표할 수 실험보고서 결과의 광원으로부터 거리를 바꿔가면서(혹은 있도록 한다. 조명의 밝기를 조절해 가면서) 측정한 기포수가 예상한 결 2. 모둠원 모두 참여할 수 있도록 지 과값(빛의 세기와 광합성량은 정비례)과 다르게 나온 것들 도 도 같이 제시함. 2. 실험의 장단점 발표하기 [기포수 측정 방법] 1. 최적의 환경조건에서 빛의 세기에 [pH센서 및 물온도센서, 빛센서를 활용하여 빛의 세기에 따라 물의 온도가 따뜻할 때 (약 30 따른 광합성량 측정하기] _ 구글드라이브 공유폴더에 수집 도 전후) 물풀(아나카리스)는 기포수 된 각 모둠의 데이터값을 하나의 sheet에 모은 자료를 제시 를 분당 세기 어려울 정도로 많은 기 함. 포(산소)를 발생시켜 숫자를 세기 어 1. 각 모둠별 빛의 세기가 달랐지만 초기 물풀의 양이 동일 려움. (단점) 하였으므로 빛의 세기가 달라질 때 광합성량의 변화를 데 2. 정성적으로 빛의 세기와 광합성량 이터를 통합하여 분석하도록 함. 의 관계의 정비례를 확인하기 용이 함.(장점) 2. 실험의 장단점 발표하기 모둠 내 토론 후 모둠 별로 발표하도록 지도. [pH센서 활용 측정 방법] 코딩 및 아두이노활용에 능숙도에 따 [심화학습] 단점을 줄인 새로운 실험 과정 설계 하기 [빛의 세기에 따른 광합성량 측정] 라 실험 진행의 어려움이 있음.(단점) 2. 센서값 보정 과정이 필요함.(pH센 Brainstorming을 모둠에서 진행하여 모둠별 토론한 단점을 서값 보정처럼, 통제요인인 물온도 역 보완한 개선된 실험방법을 제시할 수 있도록 안내한다. 평 시 매우 중요함.(단점) 가는 없으며, 자유롭게 토론, 토의하여 결과물이 나올 수 있 3. 데이터수집이 쉽고, 수집기간(하루, 도록 하고 희망하는 경우 실제 설계한 대로 실험을 진행할 일주일, 한달 등)을 설정하여 연속데 수 있는 기회를 제공. 수업 단계 이터값을 얻을 수 있음. 수업 활동(5분) 활동 전략 & Tip - 24 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 인천대학교 기관명 과학영재교육원 구분 신규 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 중학교 2학년 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 프로그램명 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 개발차시 4 AI를 이용한 분석) 주요 과목 정보 주요 단원 관련 과목 생물 관련 단원 S, E 적용 지역 STEM+I 요소 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 생물 (생명시스템의 구조) 보조 주 개발자명 개발자 1. 시청각 자료로 대체되는 실험 실습을 디지털화하여 데이터를 수집하여 데이터 기반 과학 수업이 되도록 한다. 주요 수업 개요 2. 인공지능으로 데이터를 분석하여 사람이 분석한 결과와 비교할 수 있 다. 3. 고가의 실험 실습 장비를 저렴하게 대체가 가능하다. 4. 이론이 나오게 된 배경의 실습을 직접 해보고 데이터를 누적 시킬 수 있다. 1차시: 입출력장치 연결방법, 소프트웨어 세팅, 다운로드, 코딩하여 데이 터 수집하기, 엑셀로 데이터 전송하기 방법 학습 2차시: 식물의 생존 전략, 동물과 대비되는 독특한 특징 설명, 식물의 에 너지 합성과정에 대한 설명, 이론에 대한 설명과 진짜 그런지 실험을 통 차시별 주요내용 (키워드 위주) 해 증명해보자 동기부여, PET병 자르기, 센서부착하기, 화분 넣고 글루건으로 밀봉하기 3차시: 2차시 실험 설정 계속하기. 통제된 실험환경 만들기, 센서 데이터 입력 테스트하기, 공기가 새나가지 않도록 밀봉하고 테스트하기. 양지바 른 곳에 두고 CO2와 빛 센서데이터 수집하기 4차시: 수집된 데이터 구조화하기. 구조화된 데이터 분석하기. 실험데이터 가 이론과 결과가 같은지 논의하기 5. 기 초 학 습 - 1차 시 센서 데이터 수집을 위한 하드웨어 세팅과 소프트웨어 세팅 그리고 코딩 사용설명 동영상 링크 https://youtube.com/playlist?list=PLV0fpigVietQ0EHMRJ4XhTbU_KIHHOnfv 시스템 구조도 아두이노에 연결된 센서의 값을 시리얼포트를 통해 컴퓨터로 전송 컴퓨터에서 PLX-DAQ라는 엑셀 제어프로그램을 통해 엑셀 시트에 데이터를 누적 하드웨어 세팅 센서 회로 구성 LCD, CO2센서는 I2C에 연결하고, 빛센서는 A0에 연결한다. - 7 - 창의디자인캠프 교재 6. 심 화 학 습 6 .1 1 부 심 화 학 습 : 일반 적 탐색 활 동(2차시 ) 식물의 광합성과 온도, CO2와의 관계에 대한 이론 학습 주의집중을 위한 도입 영상 제공 생물의 구성 https://www.youtube.com/watch?v=fTbGdzh0fa4&list=PLpps1Hm_DCYF2t26w84qVtUOx t5n_xe9u&index=18 소화 https://www.youtube.com/watch?v=jIIO4prjBAg 세포호흡 https://www.youtube.com/watch?v=5k3jQRRrnrQ 배설 https://www.youtube.com/watch?v=6SgyuwQpn98 식물과 에너지 광합성에 대한 이론 식물의 에너지 합성 https://www.youtube.com/watch?v=tPP-R4bTNh8 3분 45초까지 https://www.youtube.com/watch?v=EneecxGdeEQ 가. 기존 방법(과학교과서) 광합성량을 알아보는 방법으로는 광합성의 재료가 되는 물과 이산화탄소의 소모량을 측정하거 나, 혹은 생성된 포도당이나 산소 그리고 물의 양을 측정하면 된다. 중학교 2학년 교과서에서는 이 과정을 검정말(아나카리스)을 활용하여 물속에서 광합성이 일 어나게 하고 생성된 산소기체의 기포수를 새어 보는 방법으로 광합성량을 측정한다. 환경요인으로는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소의 농도, 빛의 파장 중에서 빛의 세기, 온도, CO2 환경요인만 사용한다.(중2과정) - 16 - 창의디자인캠프 교재 6 .2 2부 심 화 학 습 : 집단 실험 활동(3차 시) 통제된 실험 환경 구축 충분한 물을 주고 PET병에 작은 화분을 넣는다. 빛센서, CO2센서, 온도센서를 넣고 글루건으 로 고정시킨다. 뚜껑을 덮고 글루건으로 밀봉한다. 케이블로 센서와 아두이노를 연결하고, PC에 USB로 연결한다. 센서 수집을 위한 코드를 작성하여 아두이노에 업로드 한다. - 19 - 창의디자인캠프 교재 6 .3 3부 심 화 학 습 : 개인 및 소집단별 생활 속 과학문제 탐구 활동(4차 시) 수집된 데이터 구조화하기 엑셀에 수집된 데이터를 챠트로 구조화 한다. 데이터 영역 선택하기 – 삽입-챠트에서 꺽은선형 차트 선택 구조화된 데이터 분석하기 밀폐된 실험환경이 데이터에 어떤 영향을 주었는가? 빛의 양이 최고조인 시간대와 온도와의 관계는 어떠한가? 빛의 양과 CO2값과의 관계는 비례관계인가? 반비례관계인가? CO2값이 최고인 시간대는 언제이며 그 시간대의 빛의 양은 얼마인가? 온도와 빛의 양과의 관계는 어떠한가? 빛과 CO2와의 관계 설명하기 분석 내용을 바탕으로 빛과 CO2사이의 관계에 대해 설명하고, 이유가 무엇인지 설명하라. 실험 데이터가 이론을 증명하는 지 살펴보기 - 22 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 이름 주요 과목 생명과학2 관련 단원 세포 호흡과 광합성 관련 과목 과학 관련 단원 식물과 에너지 STEM 요소 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 개요 차시별 개발자 1차시에서는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 나무 등 식물 개체의 높이 에 따른 잎의 크기 차이를 탐구함으로써 최적의 광합성을 위한 식물의 적응기작에 대해 탐구한다. 2차시에는 시금치 잎 조각의 광합성량에 영 향을 미치는 환경 요소들을 확인하는 실험을 설계하고 수행한다. 3차시 에는 빛을 흡수하는 엽록소를 비롯한 잎의 색소를 직접 관찰하고, 엽록 소가 주로 흡수하는 빛의 파장을 파악하기 위하여 직접 간이 분광기를 활용한 관찰을 수행한다. 4차시에는 지난 차시에 배운 내용을 토대로 최 적의 광합성량을 만드는 식물공장을 창의적으로 설계하도록 한다. 1차시 떡갈나무 잎의 크기는 왜 다를까? 2차시 광합성에 필요한 요소의 탐구 3차시 광합성 색소와 빛의 파장 4차시 식물공장 설계하기 주요내용 (키워드 위주) (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 떡갈나무 숲에 가면 나무들이 층 층이 우거진 ‘캐노피’ 구조를 볼 수 있다. 캐노피를 자세히 관찰하면 나 무 높이에 따라 잎의 면적이 다른 것 을 알 수 있다. 가장 위쪽의 잎은 면 적이 얇고 뾰족하며, 아래쪽으로 잎 면적이 넓다. 이와 같은 잎의 차이가 식물에게 주는 이점은 무엇일까? 이 에 대해 토의해보자. ◆ 우리 주변의 큰 나무의 높이에 따른 잎의 크기를 측정하고 비교해보고, 음지와 양 지에 위치한 각 식물의 잎의 크기를 측정하고 비교해보고 그 결과에 대해 논의하자. - 21 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 시금치 잎 조각의 광합성량 비교하기 ◆ 지난 차시에 배운 광합성에 반드시 필요한 요소들과 광합성으로 인해 생성되 는 산물을 화학식으로 서술해보자. ◆ CO₂ 농도에 따른 광합성량 비교 실험 절차 ① 펀치로 시금치 잎을 뚫어 잎 조각을 20개 정도 만든다. ② 빈 주사기에 시금치 잎 조각 6개와 1%의 탄산수소 나트륨 수용액을 넣는다. ③ 시금치 잎 조각 속에 들어있는 공기가 빠지고 공기가 빠진 빈 공간에 물이 차도록 하여 시 금치 잎 조각이 모두 가라앉을 때까지 주사기의 피스톤을 반복해서 당긴다. ④ 가라앉은 시금치 잎 조각 6개를 1%의 탄산수소 나트륨 수용액 100ml가 담긴 비커에 넣고, 비커 주변에 전등을 켜 빛을 비춘다. ⑤ 시금치 잎 조각 6개가 모두 떠오르는데 걸리는 시간을 측정하여 표에 기록한다. ⑥ 같은 조건에서 탄산수소 나트륨 수용액 농도를 달리하여 2~4회 반복 진행한다. ⑦ 실험 결과를 그래프로 기록하고 해석하여 결론을 내린다. ◆ 실험 결과를 정리하고 이산화탄소의 변화에 따라 변화하는 광합성량에 대한 탐구의 결론을 서술해보자. - 24 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 빛의 파장과 생물의 광합성의 관련성 파악 ◆ 빛은 다양한 스펙트럼을 포함하고 있다. 간이 분광기 키트를 제작하고 빛의 스 펙트럼을 관찰하고 그 결과를 서술하자. 수업지도의 Tip Ÿ 물리 시간에 배운 빛의 회절의 원리를 소개하며 직접 분광기를 제작하도록 한다. Ÿ 제작한 분광기로 실내등의 스펙트럼을 관찰하고, 스마트폰을 활용하여 태양 스펙트 럼을 활용하도록 한다. ◆ 광합성은 어떠한 빛의 파장을 활용할지에 대하여 빛의 특성을 바탕으로 토의해보자. - 27 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 4) 공학적 적용 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 ◆ 최근 미세먼지와 기후변화 등 다양한 환경문제로 인해 농산물 가격이 폭등하 고 있습니다. 이에 대한 대안으로 최근 식물공장과 가정용 식물 배양기가 등장하 고 있습니다. 실내에서 효과적으로 식물을 기르기 위해서 필요한 요소는 무엇이 있을지 토의해봅시다. 수업지도의 Ÿ Tip 앞 차시에 배웠던 내용들을 다시한번 정리하며 식물을 효과적으로 기르기 위해 필 요한 요소들을 다양하게 고려하도록 한다. - 30 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 요리조리 발효과학 전남대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 요리조리 발효과학 이름 주요 과목 기술가정 관련 단원 관련 과목 가정과학 관련 단원 STEM 요소 S,T,E,M 지역 [고등학교] 1학년 한식과 건강한 식생활 [고등학교] [12가정-02-04], [12가정-02-07] 차시 5 개발자 주요 수업 개요 차시별 주요내용 (키워드 위주) 한식의 우수성과 다른 나라의 식생활 문화를 이해하고 현대의 식 생활과 접목한 음식을 만들어 건강한 식생활을 실천한다. 1차시 : 김치의 역사와 종류 2차시 : 깍두기 만들기 3차시 : 발효의 과학적 원리와 조건 4차시 : 김치 속 과학의 원리 탐구 5차시 : 발효와 관련된 직업 세계 탐색 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 Ⅱ. 차시별 지도안 차시 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 학습자료 및 유의점 학습 과정 교수-학습 활동 학습자료 및 유의점 ■ 김치의 종류 4. 김치의 종류 ■ 동기유발 영상 제공 영상 제목 : 김치맛은 숙성 온도가 결정짓는다? 김치 맛을 결정짓는 젖산균이며 맛을 좋게하는 젖산균은 숙성온도에 도입 (6분) 따라 형성되므로 숙성온도의 중요성을 생각해봄으로 흥미를 유발한다. https://you 계절 봄 tu.be/bvj5D (3~5월) 여름 cfV-10 ■ 학습목표 제시 (6~8월) 1. 김치의 역사와 종류를 설명할 수 있다. 2. 깍두기와 관련된 실험 실습 계획을 수립할 수 있다. 가을 ppt (9~11월) 겨울 (12~2월) (35분) 1. 김치 CODEX 국제 식품 규격 안내 김치의 정의 필수 원료 1차시 선택 원료 김치의 종류 돌나물김치, 햇배추김치, 파김치, 시금치김치, 봄갓김치, 얼 김치 CODEX 국제 식품 규격 배추김치에 대한 국제 통용 명칭을 영문으로 KIMCHI로 규 열무김치, 열무물김치, 부추김치, 오이소박이, 양배추김치, 가지김치, 박김치, 오이지 등 고들빼기김치, 가지김치, 총각김치, 파김치, 고춧잎김치, 가 을갓김치, 콩잎김치, 깻잎김치, 통배추김치, 동아김치, 풋고 추김치 등 섞박지, 통배추김치, 보쌈김치, 깍두기, 통무김치, 백김치, 동치미, 총각김치, 호박지 등 ppt 5. 김치의 역사와 종류에 대한 퀴즈 게임 실시 가. 답을 알고 있는 학생이 ppt ppt 갈이김치, 미나리김치 등 전개 ■ 김치의 역사 김치의 명칭 소개 손을 들면 교사는 말하도록 기회를 주고 정답을 맞추면 소정의 상품을 준다. 정 주원료인 절임 배추에 고춧가루, 마늘, 생강, 파, 무 등으로 (퀴즈1) 혼합된 양념으로 버무려 용기에 담아 저온에서 젖산을 생성 1. 김치의 최초 한자어 어원은? 시킨 발효식품 배추(Brassica pekinensis Rupr.), 고춧가루(Capsicum annuum L.), 마늘, 생강, 파, 무, 소금 과실류, 채소류, 참깨류, 견과류, 당류(탄수화물계 감미료), 2. 고추가 등장한 시기는? (조선 후기) (침채) 1차시 나. 김치 이름 밎추기 퀴즈2 영상을 제시하면서 아는 학생 손들고 큰 젓갈류, 찹쌀풀, 밀가루풀 소리로 말하게 하고 가장 손을 많이 든 분단은 상품을 준다. https://you tu.be/PLmb EHNhZ5o ppt 전개 (35분) 2. 김치 어원의 유래 - 김치는 침채(沈菜)라는 한자어에서 유래 - 침채 → 딤채 → 짐채 → 김채 → 김치 순으로 발달 ppt 3. 김치의 역사 삼국시대 고려시대 조선시대 전기 조선시대 후기 근대시대 · 고사리, 고비 죽순, 더덕, 가지, 오이, 무 이용 ■ 생각 넓히기 https://you · 소금, 쌀밥, 쌀죽, 식초, 술지게미, 장을 이용하여 절임 김치의 표준과 관련된 영상을 틀어주면서 우리 김치를 널리 알리는 tu.be/XMhi · 沈菜形(침채형) 김치 발달 방안을 이야기 해본다. YoFG1lg ■ 차시예고 https://you 깍두기 송을 틀어주면서 다음 시간에 깍두기 만들기 실습한다는 것을 tu.be/x5XU 예고하며 관찰일지 작성법을 안내한다. CXXVfLY · 동치미, 죽순김치, 미나리김치, 부추김치 ·나박김치 동치미형, 신건지 짠지형, 섞박지 소박이형, 장 아찌형 · 김치의 가지 수가 증가하고 배추저가 등장하며 고추, 무, 배추는 주재료로 미나리, 갓, 파는 부재료로 분류 · 향토김치 교류 – 김치의 종류 다양화 - 3 - 정리 (9분) - 4 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 학습자료 및 유의점 교수-학습 활동 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 학습자료 및 유의점 교수-학습 활동 3. 깍두기 만들기 실습 ■ 광주김치타운 교육체험실에서 교사가 직접 깍두기 만드는 전 과정 ppt 을 사전에 촬영한다. 수업 전에 영상을 볼 수 있도록 미리 안내한다. ① 무는 잔뿌리를 제거하고 깨끗하게 씻는다. 도입단계에서는 영상을 본 소감을 물어 보고 주요 단계를 영상과 함 ② 무를 2cm 크기로 자르고, 소금을 무에 골고루 뿌려 섞은 후 물을 끼 께 설명해준다. 얹는다. ③ 불린 찹쌀에 물을 붓고 찹쌀죽을 쑨다. 도입 동영상 (8분) mp4 ④ 찹쌀죽, 새우젓, 마늘, 생강, 배를 믹서에 곱게 간다. ⑤ 쪽파는 2~3cm 로 자른다. ⑥ 무에 고춧가루의 ½을 먼저 버무려 색을 들인 후, ④의 재료에 고춧가 ■ 학습목표 제시 루를 넣고 골고루 잘 섞어 양념을 만든다. ⑦ ⑥의 양념에 쪽파를 넣고 물기를 제거한 무에 양념을 버무린다. 1. 조리 시범을 보고 깍두기를 만들 수 있다. 2. 저장 온도와 기간을 변수로 관찰일지를 작성할 수 있다. 도입 (6분) 활동지 1 4. 관찰일지 작성 방법 소개하고 학생들은 작성해본다. 숙성 온도에 따른 깍두기의 특성 숙성 숙성 온도 기간 (℃) (일) 0 2 4 6 0 2 4 6 ppt 1. 김치 담금의 원리 4 · 소금에 절이기 : 풋내 제거, 유해균 발육 저해 · 세포벽 : 투과성막, 당, 소금, 조미료 통과 2차시 · 세포벽 내의 원형질막 : 반투과성막 – 물 통과 2차시 20 · 소금의 침투 : 확산 - 세포 내외 액즙의 농도차가 클수록, 채소 온도가 높을수록, 절 전체 pH 색 짠맛 신맛 질감 적인 평가 단면이 넓을수록 빠름 · 봄, 여름 : 소금 농도 11~12%, 8~9시간 전개 1. 일상생활속에서 볼 수 있는 삼투압의 원리를 영상(앞부분 30초만) · 겨울 : 소금 농도 13%, 13시간 을 보면서 정리한다. (35분) https://you tu.be/X5-Q 2. 깍두기 만들기 실습 재료 소개 재료 절임 절임 무 1kg 굵은소금 20g 쪽파 10g 물 100cc -ZQJLio ppt 양념 생강 3g 정리 새우젓 25g 찹쌀죽 30g (7분) 마늘 15g 배 30g 고춧가루 20g - 5 - 2, 생각 넓히기 https://you 깍두기와 정육면체 만들기 영상을 소개하면서 집에서 만들어 보도록 tu.be/Gr_U 안내한다. 학급 톡방에 주소를 전달하도록 한다. rXz8Gl8 - 6 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 도입 (6분) 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 학습 과정 교수-학습 활동 학습자료 및 유의점 ■ 동기 유발 영상 제공 – 김치 이야기 영상을 제시하면서 김치의 효 https://you 능, 우수성 등에 대해 흥미를 갖게 한다. tu.be/vy4X · 비타민 C : 숙성 중 포도당, 갈락투론산으로 합성 4INi2zg · 티아민, 리보플라빈, 나이아신 : 숙성 적기에 2배로 많아짐 차시 학습자료 및 유의점 교수-학습 활동 ppt 2. 김치 숙성 중 영양 성분 변화 · 비타민 B12 : 숙성 중 합성 ■ 학습 목표 제시 · 단백질, 아미노산 : 젓갈 ppt 1. 발효의 과학적 원리를 설명할 수 있다. ■ 김치가 건강에 좋은 점을 친구들과 이야기 해보면서 기록하고, 2. 발효가 일어날 수 있는 조건을 설명할 수 있다 유 산균에 대해 스마트폰을 활용하여 조사하여 활동지에 기록한다. 1. 김치와 건강 ■ 학생들과 상호작용하면서 발효를 정의하면서 기록한다. 활동지 2 발효와 부패의 차이를 설명하면서 발효를 정의한다. 1. 발효 : 유기물이 미생물의 작용에 의해 분해 및 변화하는 현상으 로 사람에게 유용하다. 2. 부패 : 발효와 과학적 원리는 같으나 사람에게 해롭다. 3차시 3차시 ① 항균작용 ② 다이어트 효과 ③ 아토피 피부염 완화 효과 ④ 섬유소의 장염 예방 기능 ⑤ 젖산균의 정장작용 ⑥ 산 중독증 예방 ⑦ 성인병 예방 ⑧ 항동맥경화, 항산화 기능 ⑨ 항암 효과 ⑩ 생리대사 활성화 효과 전개 (39분) 2. 김치 속 유산균을 스마트폰을 활용하여 조사하고 활동지에 기록 ■ 활동지에 발효 식품을 기록해 보고 발표한다. 전개 활동지 2 장류, 주류, 요구르트, 빵, 식초, 젓갈, 치즈 등 (40분) ■ 김치 숙성의 조건과 숙성 중 영양 성분 변화 과정을 스마트 폰을 활용, 탐색하여 활동지에 기록하고 발표한다. 1. 김치 숙성의 조건 이름 활동지 3 모양 ppt · 온도 : 미생물 생육 영향 – 낮으면 억제, 높으면 촉진 - 겨울 : 5℃에서 3주 스마트 폰 - 여름 : 20℃에서 2~3일, 30℃에서 24시간 이내 기능 · 소금 농도 : 1% - 숙성 촉진, 2% 바람직 · 양념 : 마늘, 고추, 멸치젓은 발효 촉진, 생강은 발효 억제 - 7 - 스마트 폰 활동지 4 한다. - 8 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 학습자료 및 유의점 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 학습자료 및 유의점 ■ 주의력 집중 단계 ■ 김치의 발효 현상과 관련된 실험 영상을 보면서 스마트 폰을 활용, 기술가정 구글 클래스룸 싸이트 과제방을 공유하면서 사진을 소개하고 탐색하여 활동지에 기록한다. 해당 학생은 소감을 발표한다. ■ 효모를 이용한 발효 ■ 준비물 : 분말이스트(20g), 설탕(30g), 물(30℃, 250ml), 고무풍성, 깔 때기, 페트병 (1000ml), 컵(500ml 이상), 온도계, 나무막대, 계량스푼 전개 (39분) https://you ■ 실험과정 tu.be/S-Kz ① 컵에 미지근한 물을 넣고 분말이스트를 녹인다. MxJZI8c ② ①의 용액을 페트병에 붓는다. ③ 고무풍선을 불어 새는 구멍이 있는지 확인한다. 도입 활동지 5 (6분) ④ 고무풍선에 깔때기를 이용해 설탕을 넣는다. ⑤ 설탕이 새어 나오지 않게 고무풍선 주둥이로 페트병 입구를 막는다. 3차시 ⑥ 페트병 입구가 새지 않는지 확인한다. ⑦ 고무풍선을 세워 설탕이 페트병 안으로 들어가게 한다. ⑧ 가라앉은 설탕이 잘 녹을 수 있도록 페트병을 살짝 흔들어준다. ⑨ 페트병과 풍선을 관찰한다. ■ 학습 목표 제시 4차시 1. 김치 속 과학의 원리를 설명할 수 있다. ■ 형성평가 2. 1. 발효와 부패의 차이는? 정리 (5분) STEM 생각교실 수업 후의 소감을 발표 할 수 있다. 2. 김치 숙성의 조건은? ■ 차시예고 ■ 김치 과학 탐구활동1(선대칭) 깍두기 만들기 소감과 발효와 관련 실험 소개 1. 집게팔 만드는 실험 영상을 소개한다. 전개 https://you (35분) tu.be/EnXR SBb4VDA - 9 - - 10 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 2. 배추 절단면을 제시하고 선대칭 특징을 설명하고, 학생들은 활동지 학습자료 및 유의점 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 ■ 김치 과학 탐구활동3 (대류 현상) 활동지 6 1. 대류 현상을 관찰할 수 있는 실험 영상을 소개하고, 학생들은 영상을 에 있는 선대칭 도형을 완성한다. 배추 단면에서 대칭축과 대칭점을 찾아 아래 그림의 오른쪽에 선대칭 도형을 완 표시해 봅시다. 성해 봅시다. 교수-학습 활동 보면서 활동지를 작성한다. 학습자료 및 유의점 https://you tu.be/KML1 LQa9z-8 2. 김치 냉장고의 문이 위로 열리게 만드는 이유가 무엇인지 발문하고 학생들은 김치 냉장고의 문 모양을 관찰하고 활동지를 작성한다. 김치의 맛을 좋게 하기 위해서는 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요하 다. 일반 냉장고처럼 문을 앞으로 열게 되면 냉장고 안의 차가운 공기가 3.선대칭의 원리를 설명한다. 쉽게 빠져나가서 냉장고 안의 온도는 문을 열 때마다 온도가 많이 올라가 주변에서 선대칭 도형인 사물을 찾고, 그 이유를 적어보면서 원리 게 된다. 하지만 김치 냉장고처럼 문을 위로 열게 되면 위에 있는 따뜻한 를 이해한다 공기만 빠져나가고 냉기는 잘 보존된다. ■ 김치 과학 탐구활동2 (물질의 확산) 1. 스프레이형 방향제 만드는 실험 영상을 소개하고, 학생들은 활동지 를 완성한다. ■ 스프레이형 방향제 만들기 ■ 준비물 : 아로마 오일(5ml), 알코올(3ml), 종이컵, 증류수(50ml), 스프레이 용기, https://you 전개 tu.be/d_qy (40분) CuiJD2Y 활동지 8, 9 3. 대류의 원리를 활동지를 작성하면서 이해한다. 원리 깨닫기 실험에서 향의 연기는 따뜻하기 때문에 위로 올라가 지만 드라이아이스의 연기는 아래로 향하게 된다. 따 라서 따뜻한 향이 아래에 있고 차가운 드라이아이스 활동지 7 가 위에 있을 때 페트병 안의 공기가 대류 현상에 스포이드 의해 고루 섞이게 된다. ■ 실험과정 4차시 전개 (40분) ① 종이컵에 아로마 오일과 알코올을 넣고 섞는다. ② 증류수를 스프레이 용기에 절반만 붓는다. 김치의 맛을 좋게 하기 위해서는 온도를 일정하게 4차시 유지하는 것이 중요하다. 일반 냉장고처럼 문을 앞으 ③ ①의 용액을 ②의 스프레이 용기에 붓는다. 로 열게 되면 냉장고 안의 차가운 공기가 쉽게 빠져 ④ 나머지 증류수를 스프레이 용기에 붓는다. 나가서 냉장고 안의 온도는 문을 열때마다 온도가 ⑤ 뚜껑을 닫고 잘 섞어 준다. 많이 올라가게 된다. 하지만 김치 냉장고처럼 문을 ⑥ 완성된 방향제를 뿌린 후 냄새가 어디까지 가는지 확인해 본다. 위로 열게 되면 위에 있는 따뜻한 공기만 빠져나가 - 알코올은 오일과 증류수를 섞어주는 유화제 역할 뿐만 아니라 향이 잘 날아갈 수 있게 해 고 냉기는 잘 보존된다. 준다. - 알코올과 물은 손등에 조금 떨어뜨린 후 어느것이 먼저 증발되는지 관찰해보고 그 이유를 생각해 본다. 2. 교사는 김치 냄새를 맡을 수 있는 원리 설명하고 학생은 활동지에 기록하면서 깨닫는다. ■ 형성평가 3. 확산의 원리를 활동지를 기록하면서 이해한다. 배추 절단면에는 ( 선대칭 )원리가, 물질을 이루고 있는 입자들은 끊임없이 움직인다. 이런 입자들은 농도가 다른 환경 김치 냄새에는 (확산 )원리가 을 만났을 때 고루 퍼져서 농도가 같아지려는 성질이 있다. 김치 뚜껑을 열면 김치 속의 냄새 입자들이 농도가 낮은 공기 중으로 확산되어 멀 정리 리서도 김치 냄새를 맡을 수 있다. (4분) 뚜껑식 김치 냉장고 문에는 ( 대류 )원리가 들어 있다 확산은 입자의 질량이 작을수록, 입자들 주변의 온도가 높을수록, 밀도가 낮을수록 빨라진다. ■ 차시 예고 발효 연구 전문가 초정 수업이 있음을 안내한다. - 11 - - 12 - ppt