STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 온도와 습도, 응결의 이해 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 온도와 습도, 응결의 이해 이름 주요 과목 지구과학 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 대기와 해양/ 대기의 운동과 순환 관련 단원 S T E M 지역 차시 4 개발자 실생활에서 일어나는 이슬 맺힘 현상이 발생함을 토대로 차가운 주요 수업 표면에 맺히는 응결에 대해 이해, 건습구 온도계와 상대습도의 개요 관계와 단열 팽창에 의한 온도 변화에 대해 탐구, 나아가 압력과 온도의 관계와 응결 현상을 실험하여 이를 정량적으로 설명 1차시: 개념도입, 기상청 홈페이지를 보며 기상요소(기온,습도,구름, 안개)에 대하여 토론을 진행, 실생활에서 안개와 구름의 생성 예시 를 보여주며 이에 대한 원리를 탐구 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시: 탐구 및 개념 확장, 습도를 측정하고 제어하는 도구에 대하 여 생각해보게 함, 습도에 대한 개념을 차가운 표면에 맺히는 응 결, 건습구 온도계와 상대습도의 관계, 단열팽창에 의한 온도 변화 를 통하여 탐구 3차시: 과학기술 적용, 이슬점 온도, 습구 온도의 측정결과를 다른 학생들과 공유하여 차이나는 이유에 대하여 토론을 진행 4차시: 공학적 산출물, 결빙 또는 이슬이 맺히는 원리를 이해하고 이를 통하여 제습기를 고안하는 방법을 다른 학생들과 토론 (지구과학) 온도와 습도, 응결의 이해 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 공기의 상태를 나타내는 온도와 습도를 생각해보자. 변수 측정 방법과 정의 건구온도 이슬점온도 습구온도 포화온도 상대습도 . 상황 제시 - 상황 제시 단계에서는 기상청 날씨누리 홈페이지에서 강수가 발생하는 상황을 각자 찾아서 제시하도록 하고, 일기도를 이용하여 시간에 따라 강수가 발생하는 상황을 설명하도록 한다. - 날씨 영상자료의 제시를 통하여 학생들의 강수와 연관된 날씨에 대한 이해도를 높인다. . 주제 탐색 - 주제 탐색 단계에서는 다양한 매체(기상청 홈페이지, 유투브, 등)를 이용하여 구름 생성이 강수와 연관되어 있음을 제안하도록 한다. - 설정한 주제를 구현하기 위한 구체적인 방법을 정리하고 수행하도록 한다. . 구름생성과정 이해를 위한 브레인스토밍 - 탐구 활동을 통해 얻은 결과를 분석하고 설명하기 위한 자료를 찾아보고 토론하게 한다. - 타인의 이해도를 높이는 방법에 대해 토론하게 한다. . 자료의 조사 - 앞선 과정인 상황 제시 단계에서 학생들에 의해 제시된 상황 중 일부를 선정하여 모둠별로 인터넷을 통하여 상황에 대한 이해와 설명을 하기 위한 자료를 수집하고 정리하도록 한다. - 조사한 자료들을 모둠별로 비교하며 토론하게 하여 응결현상에 의한 구름생성에 대한 이해의 폭을 확장 시킨다. - 23 - (지구과학) 온도와 습도, 응결의 이해 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 온도와 습도, 응결의 탐구 [탐구1] 차가운 표면에 맻히는 물방울 응결(이슬) * 대기의 온도와 이슬이 맺히기 시작하는 온도를 비교하여보자. - 준비물: 스테인레스 컵과 미지근한 물, 얼음 몇 덩어리, 온도계 - 온도계로 대기의 온도를 측정하고, 미지근한 물이 담긴 스테인레스 컵에 온도계를 넣 고 얼음을 넣어 스테인레스 컵의 표면에 미세한 물방울(이슬)이 생기기 시작하는 바로 직전의 온도를 측정해보자(3차례 이상 같은 실험을 반복하자). - 이슬이 맺히기 시작하는 온도를 무엇이라 하는가? - (15분 이내로 시간제한) [탐구 2] 건습구 온도계와 상대습도의 관계 탐구 * 건구온도와 습구온도가 무엇인지 조사하고, 알콜 온도계로 습구온도계를 제작한다. * 습구온도계에 물이 공급되도록 한 후, 건구온도와 습구온도를 측정하자(건구온도와 습 구온도의 변화를 시간(10초 간격)에 따라 표나 그래프로 그려보자.) - 준비물: 건구온도계, 습구온도계(건구온도계를 이용하여 제작할 것), 두 온도계를 매달 아놓을 스탠드, 부채 *주의사항: 습구온도계에 사용할 물은 상온(주변 공기의 온도) 상태로 맞춰줄 것 - 건구온도와 습구온도를 비교(각각의 온도가 변화가 없는 상태에서 큰 쪽과 작은 쪽, 두 온도가 왜 차이가 나타나게 되었는지 토의해보자. - 예> 습구온도와 건구온도의 크기 비교, 두 온도의 차이가 의미하는 바는 무엇일까? - (20분으로 시간제한) ==> 20분 후 결과 발표 [탐구 3] 단열팽창에 의한 온도 변화의 탐구 * 단단하고 투명한 PET 병에 온도계를 넣은 후 뚜껑을 닫고, PET 병의 옆의 손으로 눌 러 압축한 후 손을 떼보자. 온도계의 온도가 압축 전후 어떻게 변화하였는가? * PET 병의 내부에 약간의 물을 넣은 후 뚜껑을 닫고, 손으로 눌러 압축한 후 손을 떼보 자. PET 병 내부에 눈에 보이는 변화가 있는가? * PET 병의 내부에 약간의 물을 넣고 향연기도 약간 넣은 후 뚜껑을 닫고, 손으로 눌러 압축한 후 손을 떼보자. PET 병 내부에 눈에 보이는 변화가 있는가? 향연기가 있는 경우 와 없는 경우의 차이점도 토의하자. - 24 - (지구과학) 온도와 습도, 응결의 이해 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [탐구1] 차가운 표면에 맻히는 물방울 응결(이슬) - 설명하기: “새벽 안개가 짙으면 낮에 맑다”는 속담의 진위를 과학적으로 설명해보자 - 예측하기: 풀잎에 물방울이 맺히는 경우는 어느 계절이 좋을지 예측해보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 다양한 기온 상태에서, 기온과 이슬이 맺히는 온도의 차이의 크기와 그 대기의 습도와의 연관성에 대해 확인해 보자. 예> 기온이 25°C일 때, 이슬점온도가 22°C인 경우와 16°C인 경우, 이슬점 온도가 차이가 나는 이유를 토론해보자. [탐구 2] 건습구 온도계와 상대습도의 관계 탐구 - 설명하기: 습구온도의 의미를 설명하고, 이슬점 온도와의 차이점을 설명해 보자. - 예측하기: 가습기를 틀었을 때, 실내 공기 내부의 습구온도와 이슬점 온도, 건구온도는 어떻게 변화할 지 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 건구온도, 습구온도, 이슬점온도, 상대습도 사이의 관계를 나타내기 위해 사용하는 방법이 존재한다. 이를 그래프를 이용하여 표현해 보자. [탐구 3] 단열팽창에 의한 온도 변화의 탐구 - 설명하기: 단열팽창 과정이 무엇인지 설명해보자. - 예측하기: 단열팽창으로 발생한 온도 변화는 어떤 현상을 발생시킬 수 있는 지 앞에서 수행한 실험 결과를 바탕으로 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: PET병에 물만 살짝 넣고 압축시켰을 때와 물과 향연기가 함께 주입하였을 때 보이는 차이는 실제 어떤 현상의 발생과 연관되어 있을까? 예> 어떤 날 안개가 잘 발생하게 될 지 토론해보자. 온도와 함께, 안개가 잘 생성되는 조건을 먼지가 많은 공기와 맑은 공기와의 연관성도 토의해보자. - 26 - (지구과학) 온도와 습도, 응결의 이해 4) 공학적 적용 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 ◆ 응결 발생 원리 이해 1) 차가운 표면에 발생하는 응결의 원리: 기온과 차가운 표면 사이에 존재하는 수증기 분자의 특성 이해 2) 공기 중에 발생하는 응결의 원리: 기압과 기온, 먼지 사이의 관계를 분석 ◆ 응결 발생 원리를 기반으로 한 공학적 산출물 고안 제목: 유리창 성애 발생을 억제하라 실험방법: 4. 얼음물이 든 스테인레스 컵을 준비한다 5. 스테인레스 컵의 표면에 이슬이 맺히도록 기다린다. 6. 드라이기를 이용하여, 바람을 컵의 표면에 보낸다. - 드라이기 바람의 온도를 조절(가열의 정도를 달리)하여 바람의 온도 변수를 조절하며 이슬이 제거되는 정도를 확인하자. - 같은 온도의 바람을 내보내도록 한 상태로, 풍량을 조절하여 이슬이 제거되 는 정도를 확인하자. 4. 스테인레스 컵 안쪽에 단열효과가 있는 단열재(예, 뽁뽁이)를 얇게 덫대고, 얼음물을 채우고 이슬이 맺히는 것을 관찰하고, 실험 3을 수행하고 차이를 비교하자. 5. 스테인레스 컵 바깥 쪽에 화장품, 기름(식용유) 등의 물질을 바른 후 실험 1, 2를 수행하여 컵 표면에 이슬이 맺히는 정도의 차이를 확인해 보자. 응용: 찬물이 담긴 스테인레스 컵에 이슬이 맺히지 않도록 하기 위한 다양한 방법을 고안해보고, 이를 자동차 창문이나 우리 집 창문에 응용해보자. ◆ 탐구 활-동 이론적 배경의 공학적 적용 제목: 습도와 기온에 따른 불쾌지수 2. 불쾌지수와 연관된 기상변수: 기온과 습도, 풍속, 일사에 따라 사람이 느끼는 불쾌감을 지수로 표현(수치화) - 28 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 기후변화와 기상재해 대응에 관한 과학적 의사결정 강원대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 강원대학교 과학영재교육원 프로그램 기후변화와 기상재해 대응에 관한 과학적 의사결정 이름 주요 과목 지구과학I 관련 단원 지구과학Ⅰ- Ⅱ.대기와 해양: 대기의 운동과 순 환, 대기와 해양의 상호작용 과학- 물질의 변화: 화학반응 관련 과목 통합과학, 수학 - 대기와 해양: 대기의 운동과 순환 관련 단원 통합과학- Ⅳ. 환경과 에너지: 생태계와 환경, 발전과 신재생 에너지 수학 – Ⅳ.함수: 함수와 그래프, 통계 STEM 요소 S, T, M 지역 개발자 전지구적 규모의 기후 변화 문제를 과학적으로 인식하고, 일상생활에서 관련 지식 을 활용하여 문제를 해결하려는 과학적 태도를 갖도록 한다. 주요 수업 개요 지구 기온 변화 자료 분석, 혹은 일기도나 위성 영상을 해석하는 모둠별 협력 활동 을 할 수 있다. 이러한 활동들을 통하여 지구 온난화 경향을 조사하고, 앞으로의 기 후 변화에 대하여 예측할 수 있으며, 한반도의 기후 변화 경향성을 파악할 수 있다. 또한 기후 변화 협약과 같은 사회적인 이슈들과 함께 기후 변화로 초래된 다양한 문제를 해결하거나, 적응할 수 있는 다양한 과학적 방법을 토의하는 과정 속에서 올바른 과학적 의사결정을 할 수 있도록 한다. 1차시 : 기후자료 이용하여 기후분포도 해석 및 작성. 기초통계(평균, 최저, 최고) 내용 학습. 2차시 : 화석에너지 사용량과 온실기체 배출 관계 해석. 온실효과 학습. 화석연료 사용의 결과 학습. 시계열 분석 학습. 차시별 3차시 : 과거 기온자료 이용하여 미래 기온 예측. 대륙/해양의 열에너지, 태양복사 주요내용 에너지, 에너지 순환 학습. 함수 그래프 그리기 내용 학습. 선형회귀분석(추세, 기울 (키워드 위주) 기) 학습. 4차시 : 폭염과 홍수의 발생 빈도 및 지역 구분 내용 학습. 대기대순환 및 강수과 정 학습. (계급별) 도수분포표 내용 학습. 5차시: 기후변화 저감과 기상재해 방지 노력 내용 학습. 과학적 의사결정 트리 내용 학습. 빅테이너와 머신러닝 내용 학습. 1. Ⅲ 2. 교사용 지도서 [1차시] 기후와 기후 변화 바로 알기 수업 안내 • 1차시는 과학적 의사결정이 필요한 이유를 알아보는 것으로 시작하여, 기후와 기후변화의 정의를 내려본다. Google Earth 프로그램을 통해 전지구적 기후대를 알아보며 해석하는 내용으로 구성되어 있다. 수학과 관련된 내용으로는 자료와 그래프에 대한 해석이 있다. 수업 TIP • 본 수업의 목표인 과학적 의사결정의 중요성을 학생들이 깨달을 수 있도록 수업을 전개하며, 수업 참여에 대한 동기를 부여한다. 근거가 명확하지 않은 상태에서 이루어지는 작은 결정이 초래하는 경제적 손실을 예상해 보게 하며, 범지구적인 문제의 경우 경제적, 사회적, 국가적 손실 규모가 막대할 것임을 언급한다. 특히, 트럼프의 주장을 사례로 들어 환경 문제의 경우에는 되돌릴 수 없는 재난 상황을 이끌 수 있음을 주지시킨다. • 기후의 개념은 간단하게 설명하고, 쾨펜 기후 분류 기호에 대한 숙지와 암기가 이루어질 필요는 없다. 다만, 날씨와 기후의 개념 차이에 대해서는 강조하여 설명한다. • 전 세계적으로 다양한 기후가 존재하고, 가까운 국가 간에도 기후가 다르게 나타남을 인식시킨다. 특히, 우리나라의 경우에는 작은 영토 안에 매우 다양한 기후가 존재하고 있음을 파악하도록 조별 토의 시간을 제공한다. 기후변화가 기후가 다양한 우리나라에는 어떠한 영향을 줄지도 함께 탐구해보도록 하며, 개념설명 보다는 학생 활동 중심의 수업을 구성한다. • 기후는 식생대와 매우 밀접한 요소이다. 기후변화가 나타났을 때 어떠한 영향을 미칠지에 대해 예상해 보도록 한 뒤 실제 관측되고 있는 변화 자료를 제시한다. 생각열기 기후 위기와 과학적 의사결정이란? 아래 기사를 보고 트럼프 전 대통령은 왜 잘못된 판단을 했는지, 바이든 대통령의 백악 관은 왜 상반된 의견을 주장하는지 이야기해 보자. 과학적 의사결정이란 무엇이고, 왜 중요한지 토의해보자. [2차시] 화석에너지 사용과 온실가스 배출 수업 안내 • 2차시는 화석에너지 연소과정의 특징을 알아보고, 우리나라와 여러국가의 온실기체 배출 추이를 분석해보며, 이러한 경향성이 기후변화와 어떠한 관련이 있는지 알아본다. 또한 기술적으로는 엑셀을 활용하여 그래프 그리는 법을 익히며 프로그램을 활용하였을 때의 유용성을 인식한다. 수업 TIP • 이번 차시는 온실가스가 배출되는 원인과 증가 추이에 대해 분석해본다. 증가 추이를 분석할 때 엑셀 프로그램 을 활용하여 간단한 사용 방법(그래프 그리기, 추세선 나타내기)을 익히고, 이에 대한 편의성을 인식할 수 있도록 수업을 전개한다. • 화석연료를 사용하기까지 인류의 에너지 사용 역사에 대해 함께 살펴보며, 화석연료가 산업 발달에 있어 크게 기여하였지만 화석연료의 무분별한 사용이 온실기체 배출량을 급격하게 증가시켰음을 설명한다. 화석연 료의 연소과정을 화학반응식으로 표현하여 화석에너지를 얻을 때 온실기체가 발생하고, 에너지원 별 탄소 배출계수가 다름을 함께 다룬다. • 각 국가별 온실가스 배출량 증가 추이를 분석하고, 엑셀을 활용하여 주어진 통계 자료에 대한 그래프를 그릴 수 있도록 지도한다. 도입에서 엑셀을 활용하지 않고 1인당 온실가스 배출량 증가율을 조별 토의 활동을 통해 직접 계산해 보도록 하고 발표의 기회를 제공한다. 추후 엑셀 활용을 활용하여 그래프를 그렸을 때 정확성과 편의성이 높음을 인식할 수 있도록 수업을 진행하여 프로그램 활용에 대한 가치를 부여한다. 이번 차시 수업 또한 학생들의 토의와 엑셀 프로그램 활용이 주가 되는 학생 활동 중심의 수업을 구성한다. • 차시 마지막에 제시된 ‘생각해보기’ 활동은 교사의 재량에 따라 “화석 에너지를 대신할 수 있는 재생 에너지 생각해보기”라는 활동으로 대체할 수 있다. [3차시] 지구온난화: 온실가스가 만들어내는 온실효과 수업 안내 • 온실가스가 어떤 원리로 온실효과를 만들어내는지 알아보고 이것이 지구온난화 현상으로 이어지는 과학적 원리를 이해한다. • 기후변화를 주제로 한 영화의 줄거리 영상을 시청하며 학습에 대한 흥미와 더불어 기후변화의 심각성에 대해 생각해봄으로써 지구온난화 현상이 심화될 경우 어떤 일이 발생할지 과학적으로 예측해본다. 수업 TIP • 이번 차시에는 온실가스 배출량 급증이 가져오는 나비효과에 대해 인식할 수 있도록 수업을 전개한다. • 온실가스 배출이 가져오는 세계의 기후변화와 기상재해 그로 인한 피해를 제시하며 인과관계에 대해 설명한다. 빙하 시추를 통해 과거 이산화 탄소 농도 변화를 예측함을 설명하고, 40만년 간 일정 수준을 넘은 적이 없었던 이산화 탄소 농도가 현재 매우 높은 수치를 나타내고 있음을 보여준다. • 온실가스가 온실효과를 일으키는 과정에 대해 설명하며 온실효과는 생명체에게 꼭 필요한 과정이나 과할 경우 심각한 부작용을 일으킴을 설명한다. 기후변화의 심각성을 소재로 한 ‘투모로우와 ’ 기후변화에 대한 잘못된 대응을 소재로 한 ‘설국열차를 ’ 보여주며 영화 속 상황에 대해 학생들이 주도적으로 생각해보고 토의할 수 있는 수업을 구성한다. 알아보기 온실가스가 만들어내는 효과 [4차시] 미래 기후 예측: 1.5°C vs 2°C 수업 안내 • 지구의 평균 온도 상승이 초래하는 심각한 전 지구적 변화를 알게되고, 엑셀 프로그램 활용과 데이터 분석을 통해 이산화 탄소 농도 변화, 기후변화 시나리오에 따른 미래 기후변화를 예측할 수 있다. • 하와이 관측소와 기상청의 자료들을 활용하여, 어떠한 추이로 기후변화가 일어나게 되는지 예측해 볼 수 있으며, 기후변화를 막기 위한 인류 노력의 당위성에 대해 인식할 수 있다. 수업 TIP • 1.5℃, 2℃ 기온 상승을 이야기할 때는 반드시 산업화 이전 시기가 기준임을 명확하게 설명해주어야 한다. • 지구 평균 기온이 1.5℃ 또는 2℃로 상승하였을 때 0.5℃라는 차이는 매우 미미하게 느껴질 수 있다. 하지만, 0.5℃ 차이가 지구에 초래하는 생태계의 종 변화, 해수면 상승 정도, 기상재해 발생 규모 등의 변화는 매우 큰 차이가 있음을 비교 설명한다. • 이산화 탄소 농도 측정 데이터를 활용하여 미래의 이산화 탄소 농도를 예측해본다. 이산화 탄소 배출량이 현재와 같을 때, 배출량을 절반 정도로 줄였을 때의 상황을 가정하여 동등한 이산화 탄소 농도 도달 시점을 비교해본다. 이 때 엑셀을 활용하여 계산의 편의성을 높이며 2차시에 학습한 엑셀 활용을 복습할 수 있는 기회를 제공한다. 알아보기 전지구 평균온도 상승 1.5°C vs 2°C, 어떤 차이가 있을까? 현재 온실가스 배출량 상태를 유지할 경우 2100년 전지구 평균 기온 분포 예측 시나리 오 [5차시] 과학적 의사 결정: 대응할 것인가 vs 적응할 것인가 수업 안내 • 학생들이 현재 상황의 자료를 가지고 지구온난화로 인한 기상재해에 대응을 해야할지, 혹은 적응을 해야할지 결정하게 하며 이를 위한 구체적인 실천 방안과 정책을 어떻게 할지 결정하게 한다. 학생 스스로 문제 의식을 갖고 참여하게 하고 교사의 개입은 최소화한다. 수업 TIP • 4차시 학습을 통해 배우고 학습한 지식을 활용하여 의사 결정을 하는 수업을 전개한다. 기후변화에 대해 대응할 것인가, 적응할 것인가 둘 중 하나의 입장을 선택해 그에 대한 생각을 정확한 과학적 지식을 기반으로 논리적으로 말할 수 있도록 안내한다. 조별로 대응과 적응에 대한 개인의 실천 방안과 더불어 국가에서 추진할 수 있는 정책까지 설정해보도록 한다. 이를 통해 사고의 폭을 넓히고 논리적 근거로 말할 수 있도록 하여 과학적 의사 결정력 증진의 기회를 제공한다. 학생들의 토의, 토론이 주가 되는 학생 참여형 수업을 구성한다. OUR MISSION!! 지금까지 학습한 것처럼 지구온난화라는 이 현상은, 여러 가지 기상재해들을 가져온다. 예를 들어, 해빙과 육빙이 감소하여 해수면 상승을 유발시키고, 집중호우가 빈번하게 바뀌고, 강수량의 변화도 일어난다. 이러한 변화가 지역적으로 다 다르게 나타나기 때문에, 원래 있던 그 기후가 아닌 상황이 발생하게 되었을 때, 사람들은 취약할 수 밖에 없다. 이런 기상재해 상황에 우리는 무엇을 해야 할까? 과학적 의사결정을 합의하고 실천해보자.