STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 열역학 로봇(Lawbot) 인천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 열역학 로봇(Lawbot) 이름 주요 과목 화학 관련 단원 관련 과목 정보, 환경 관련 단원 STEM 요소 S, T 지역 물질대사, 연소와 호흡, 열량 / 열기관, 열역학 / 반응열, 엔탈피, 헤스의 법칙, 엔트로피 인공지능 기초, 챗봇만들기, 지속가능성 개발자 ❍ 화학 교과에서 다루는 열역학 용어에 관한 기본 개념 학습 ❍ 학생들은 열화학 단원에서 헤스의 법칙을 통하여 열역학 제1법칙을 학 주요 수업 개요 습 ❍ 화학 반응에 수반되는 열을 측정하는 실험을 설계 및 수행 ❍ 열역학 로봇(Lawbot)을 제작하고 열역학적 개념을 정리하는 산출물 제 작 1차시: ‘확찐자’가 되지 않으려면 열량을 제어해야한다. 음식의 열량은 어 차시별 주요내용 (키워드 위주) 디에서 나오는 걸까? 2차시: 도서와 인터넷 검색을 통해다음 질문에 대해 답을 써봅시다. 3차시: 열역학 제 1법칙에 대해 학습해보자. 4차시: 엔탈피란 무엇인가? 1차시 열에 관한 법칙 학습 목표 1. 열역학적 기본 개념을 기술할 수 있다. 2. 화학 반응에 수반되는 열을 열화학 반응식으로 표기할 수 있다. 3. 상태함수의 개념을 기초로 화학 반응에 수반되는 열량을 헤스의 법칙으로 설명할 수 있다. 4. 화학 반응에 수반되는 반응 엔탈피를 계산할 수 있다. 준비물 활동지, 스마트펜 유의 사항 스마트 펜을 이용하여 학생이 에너지 도표를 직접 그려 발표하고 토의하게 할 수 있으나 스마트 펜이 없는 경우 대면 수업에서는 칠판, 비대면 수업에서는 태블릿 또는 노트북의 그림판 기능, 줌 화면공유 화이트보드, 잼보드 등을 이용하여 학생 발표 내용을 공유할 수 있다. - 3 - STEM 생각교실 교재 2차시 반응열을 측정하려면? 학습 목표 1. 반응 엔탈피를 측정하는 실험을 설계할 수 있다. 준비물 노트북, 실험 계획서, 전자 계산기 유의 사항 반응 엔탈피의 다양한 예를 학습하고 반응 엔탈피를 측정할 수 있는 방법을 스스로 설계 하여 실험을 수행할 수 있는 준비를 마치도록 한다. 들어가기 2019년 7월의 인터넷 뉴스 기사를 읽어 봅시다. - 14 - STEM 생각교실 교재 3차시 [실험] 반응 엔탈피 측정 학습 목표 1. 반응 엔탈피를 측정하는 실험을 수행할 수 있다. 준비물 노트북, 실험 계획서, MBL interface, Temperature Strobe, 각 조별 실험 바구니. 유의 사항 1. 반응 엔탈피를 측정하는 실험을 수행하기 위하여 각 조별로 실험 바구니를 스스로 준비 하게 한다. 2. 실험 바구니에는 도구뿐만 아니라 시약의 제조가 필요한 경우 용액을 미리 제조하게 지 도해야 하며 실험 바구니는 시건 장치가 되어 있는 곳에 안전하게 보관하다. 3. MBL interface, Temperature Strobe를 이용하여 데이터를 확보할 때는 데이터를 측 정한 기기의 조건을 반드시 기록하도록 지도한다. 4. MBL interface, Temperature Strobe를 노트북과도 연결하여 노트북 화면으로 그래프 를 확인하고 다운로드 받을 수 있다. 5. 실험 데이터를 파일로 내려받아 데이터 처리 프로그램을 통하여 그래프를 작성하도록 지 도한다. 기초 학습 예) 용해열 측정 1. 실험 목적: 용질이 물에 용해할 때 출입하는 열량을 측정할 수 있다. 2. 준비물: 전자저울, 웨잉보트, 약수저, 열량계, 증류수, MBL센서, 온도 프로브, 눈금실린더(100mL), 집게클램프, 스탠드, 비커(250mL), 교반기, 마그네틱바(2cm), 3. 방법 - 20 - STEM 생각교실 교재 4차시 열역학 법칙 Lawbot 만들기 학습 목표 1. 열역학 법칙과 관련된 열역학적 개념을 옳게 기술할 수 있다. 2. 챗봇 제작 도구인 Dialogflow를 이용하여 챗봇을 제작할 수 있다. 준비물 노트북, 화학 교과서, Dialogflow 유의 사항 1. 챗봇 제작도구인 Dialogflow를 사용하는 방법을 미리 학습하고 올 수 있도록 안내 자료 를 만들어 한달 전에 배부한다. 2. 채팅은 구어체로 작성하되 개념을 정확하게 기술하도록 지도한다. 3. 일반적인 채팅이 아닌 지식 백과 같은 대화를 만드는 학생이나 단순 질문 1문 1답의 인 텐트를 제작하는 학생이 있을 수 있다. 따라서, Add Follow-up Intent 기능을 사용하 여 채팅이 심화된 질문으로 학습자를 이끌어가는 대화를 만들 수 있도록 지도한다. 4. 학습자가 제작한 챗봇을 테스트하기 위한 URL 주소를 제출하게 하여 다음과 같은 화면 에서 교사가 테스트해본다. - 25 - STEM 생각교실 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 강원대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 강원대학교 부설 과학영재교육원 프로그램 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 이름 Ⅱ-1. 사람의 물질대사 주요 과목 생명과학Ⅰ 관련 단원 Ⅱ-2. 물질대사와 건강 Ⅲ-1. 자극의 전달 Ⅲ-3. 항상성 유지 과학2 관련 과목 Ⅳ-2. 물질의 특성 관련 단원 과학3 STEM 요소 S Ⅰ-1. 물질변화와 화학반응식 Ⅳ-1. 감각기관 지역 개발 차시 5 주 개발자 맛을 느끼는 과정과 여러 가지 맛에 대한 과학적 지식과 개념을 습득하고, 주요 수업 개요 탄산음료 속에 단맛의 실체를 비교 분석하는 활동을 토대로 건강한 단맛의 특징을 과학적으로 추론한다. 탐구 활동의 결과를 근거로 탄산이 잘 녹을 수 있는 조건을 도출해 낸다. 이러한 활동을 토대로 탄산음료 속에 단맛을 건강하게 섭취할 수 있는 구체적인 실천 방안을 제안할 수 있다. 1차시 여러 가지 맛, 미각, 미각의 성립 과정 2차시 천연 감미료(천연당)와 인공 감미료(가짜당) 3차시 기체의 용해도, 헨리의 법칙 4차시 탄산음료의 유해성, 원인, 위험, 해결방안에 대한 ‘허니콤 토의’ 5차시 건강한 삶을 위한 탄산음료를 줄일 수 있는 방안 제시, 비쥬얼 싱킹, 실천 차시별 주요내용 (키워드 위주) 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 Ⅱ 교사용 지도서 교사용 지도서 [1차시] 여러 가지 맛을 느끼는 이유는? 수업 안내 • 일상생활에서 쉽게 섭취 가능한 탄산음료의 성분을 예상하게 한다. 그리고, 여러 가지 맛을 느끼지 못하는 상황에 대해서 생각해 본 후, 여러 가지 맛을 느끼게 되는 이유와 과정을 과학적으로 설명하고 이해하도록 한다. • 우리가 느낄 수 있는 다섯 가지 맛(단맛, 쓴맛, 짠맛, 신맛, 감칠맛)의 특징과 인체로 흡수되는 생물학적 기작을 조사한다. 특히, 탄산음료의 단맛을 느끼게 되는 과학적 원리를 구체적으로 설명하도록 한다. 수업 TIP • 학생들에게 친숙한 탄산음료에 대한 섭취 경험에 대해서 질문하면서 탄산음료의 맛 경험과 포함되어 있는 성분에 대해 궁금함을 갖고 예상하고 표현할 수 있도록 자연스럽게 동기부여를 한다. • 여러 가지 맛이 갖는 특징을 조사하는 활동은 모둠별로 진행하도록 하되 맛의 사전적인 특징만을 조사하기 보다는 다양한 맛 성분 물질을 섭취하였을 때 인체에 미치는 영향과 과학적 기작을 중심으로 조사할 수 있도록 안내할 필요가 있다. • 모둠별 조사 활동을 진행할 때에는 휴대폰, 태블릿 등을 활용하여 전문적인 사이트나 자료를 조사할 수 있다. 생각열기 우리는 어떻게 여러 가지 맛을 느낄 수 있을까? 평소에 즐겨 먹거나 좋아하는 탄산음료는 무엇일까요? 23 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 [2차시] 교사용 지도서 건강한 단맛 탐구하기 수업 안내 • 본 수업에서는 건강한 단맛의 과학적 기준과 범위 그리고 타당한 근거를 탐구하는데 목적을 둔다. • 일반적으로 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 여러 종류의 음료 속에 포함된 당분(설탕)의 양을 조사 분석함으 로써 음료 속의 당분의 실체를 확인하고 건강한 단맛의 과학적 근거를 추론하도록 한다. • 탄산음료 속에 포함된 천연 감미료(당)과 인공 감미료(가짜당) 성분을 구체적으로 분석하고 천연당과 인공당 의 공통점과 차이점을 과학적으로 비교 분석하고 당분의 섭취가 인체에 미치는 긍정적인 영향과 부정적인 영향을 예측하도록 한다. • 여러 가지 탄산음료 속에 포함된 설탕의 질량과 탄산음료의 부피를 토대로 탄산음료의 밀도와 설탕의 양을 비교 분석한 후, 용액의 밀도와 설탕의 양의 관계를 분석하고 그래프로 제시한다. 이를 토대로 탄산음료의 밀도와 설탕의 양과의 양적 관계를 탐구함으로써 탄산음료 속의 과다하게 포함된 당분의 실체와 심각성을 인식한다. 수업 TIP • 음료의 당도는 설탕의 농도에 따른 밀도의 변화를 의미하므로 여러 가지 음료 안에 포함된 설탕의 양을 조사하고 분석하여 건강한 단맛의 과학적 기준을 탐색하도록 안내한다. • ‘엄선’ 이라는 스마트 폰 어플리케이션을 사용하여 여러 가지 탄산음료의 성분표를 분석하여 천연 감미료(천연 당)고 인공감미료(가짜당)의 공통점과 차이점을 과학적으로 분석하고 당분이 인체에 미치는 다양한 측면과 영향을 인식하도록 한다. • 탄산음료 속에 포함된 설탕의 양과 용액의 부피를 측정하고 탄산음료 용액의 밀도에 따른 설탕의 질량과의 관계를 실험결과를 토대로 분석하고 그래프로 제시하도록 한다. • 탄산음료의 성분표를 토대로 천연당과 가짜 당을 분석하거나 탄산음료 속에 포함된 설탕의 양을 탐구하는 활동에서는 모둠별로 다양한 의견과 자료를 근거로 논의 활동을 토대로 과학적인 결론을 도출할 수 있도록 촉진한다. 생각열기 건강한 단맛의 과학적 근거는 무엇일까? 일반적으로 음료의 당도는 자당(설탕) 농도에 따른 밀도의 변화를 굴절계를 이용하여 측정할 수 있다. 우리나라에서는 브릭스(Brix)라는 단위를 사용하고 있다. 우리가 평 소에 즐겨 먹는 음료수 속에는 단맛을 내는 물질(설탕)이 얼마나 들어있을까요? 29 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 [3차시] 교사용 지도서 탄산에 대한 탐구 수업 안내 • 탄산의 과학적 개념과 탄산이 만들어지는 과정을 이해한다. • 기체의 용해도가 압력에 따라서 달라짐을 탐구 활동을 통해서 이해한다. • 탄산이 잘 만들어질 수 있는 온도와 압력의 최적 조건을 과학적으로 분석한다. • 탄산을 만들 수 있는 최적의 조건을 활용하여 나만의 탄산음료를 만든 후, 시중에 판매되고 있는 탄산음료와 비교 분석한다. 수업 TIP • 일상생활에서 쉽게 경험할 수 있는 사례를 활용하여 탄산의 과학적 개념과 원리를 이해할 수 있도록 동기를 제공한다. • 기체의 용해도 실험을 통해서 압력의 변화에 따라서 기체의 용해도가 달라짐을 이해하고 실험결과를 토대로 헨리의 법칙을 도출해 낼 수 있도록 모둠별 탐구와 논의가 활성화 되도록 촉진한다. 이때, 시범 실험을 진행한 후 촉진과 안내 질문을 제공하여 학생들이 기체의 용해도와 헨리의 법칙을 추론하도록 한다. • 제시된 자료를 토대로 기체의 용해도를 증가시킬 수 있는 조건과 이에 대한 과학적 근거를 제시하도록 한다. • 나만의 건강한 음료 만들기 활동을 통해서 건강한 탄산음료를 만들 수 있는 과학적이고 구체적인 조건과 방법을 찾을 수 있도록 안내한다. 특히, 탄산음료 만들기 활동 중에 적합한 용액의 부피, 설탕과 시럽의 질량, 이산화탄소의 기압, 온도 등에 대해 모둠별로 구체적인 논의가 이루어지도록 한다. OUR MISSION!! 일상생활에서 쉽게 먹을 수 있는 다양한 탄산음료가 있습니다. 건강하게 섭취할 수 있는 탄산음료를 만드는 데 필요한 조건은 무엇일까요? 기체의 용해도 실험과 탄산음 료 만들기 활동을 토대로 건강하게 탄산음료를 섭취할 수 있는 과학적 조건을 탐구해 보자! 36 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 [4차시] 교사용 지도서 탄산음료! 정말 위험할까? 수업 안내 • “탄산음료의 섭취를 전면 금지 된다면, 어떤 일들이 발생할까?”와 같은 질문을 통해, 탄산음료의 긍정적 측면과 부정적 측면이 있음을 인지하도록 한다. • ‘허니콤 토의’ 활동을 통해서 탄산음료가 갖는 문제 상황, 원인, 위험, 실천 등의 순서로 다양한 입장과 의견을 나눈 후, 건강한 탄산음료 섭취를 위한 구체적인 실천 방안을 제시한다. 수업 TIP • 탄산음료의 위험성은 “불확실성”을 내포하고 있기 때문에 충분히 논쟁이 가능한 주제이다. 서로 다른 입장에서 다양한 논점을 제시할 수 있기 때문에 충분한 근거를 바탕으로 자신의 생각을 표현해 보는 것이 중요함을 알려준다. • ‘허니콤 토의’ 진행 시 테이블 위에는 편안한 분위기를 만들고, 토의 구성원들이 편안하게 자신의 생각을 말할 수 있도록 격려하여 개방적인 분위기를 조성한다. • 카드는 6각형 모양으로 되어 있기 때문에 카드를 면끼리 붙이면서 해당하는 내용의 키워드를 적어나가면서 의견을 확장해 나갈 수 있도록 안내한다. OUR MISSION!! 탄산음료는 레토르트 음식과 패스트푸드 음식과 함께 즐겨 먹는 대표 음료이다. 반면, 탄산음료 속에 단맛은 우리의 건강에 부정적인 영향을 주는 상황이다. 더 나아가 현 대인의 편안함과 건강의 위험성 사이에서 여전히 논쟁이 되는 실정에 있다. 따라서, 이러한 탄산음료가 우리의 건강에 어떤 영향을 미치는지 다양한 관점에서 생각해보고 건강한 탄산음료를 섭취하기 위한 구체적인 실천 방안을 제안해 보자!! 44 건강한 삶을 위한 탄산음료 속에 포함된 과학적 원리 탐구 [5차시] 교사용 지도서 건강한 탄산음료 섭취하기 수업 안내 • 건강한 탄산음료에 들어있는 성분을 예상하고 그림이나 글로 표현한다. • 평소의 탄산음료 섭취 습관이 건강에 미치는 영향에 대해서 예측한다. • 평소의 탄산 음료 섭취를 위한 좋은 습관과 나쁜 습관에 대해 조사하고 건강한 탄산음료를 만들기 위하 한 레시피(방법)에 대해 모둠별로 논의한다. • 탄산 음료의 유해성을 알리기 위한 ‘비쥬얼 씽킹’ 활동을 진행한다. 수업 TIP • 이전 차시의 활동을 토대로 과학적인 근거를 고려하여 탄산음료 속에 포함된 성분을 표현하도록 안내한다. • 모둠별 구성원들간의 일주일, 한달 간의 탄산음료 섭취 습관을 공유하고 건강에 미치는 영향에 대해서 과학적 이고 의학적인 자료를 조사하도록 안내한다. • 태블릿, 노트북 등을 활용하여 자료 조사 활동을 한 후, 건강한 탄산 음료 섭취를 위한 좋은 습관과 나쁜 습관을 다양하게 분석하고 이를 토대로 건강한 탄산음료 레시피를 작성하도록 한다. 특히, 건강한 탄산음료 레시피를 작성할 때에는 과학적이고 객관적인 근거를 토대로 실제 구현이 가능하도록 논의 활동을 촉진한다. • 비주얼 씽킹의 방법으로 탄산음료의 유해성을 알리기 위한 포스터를 제작하여 소개하는 활동을 할 것을 안내한다. 그리고 탄산음료의 안전한 섭취를 위한 방안들을 글과 이미지를 통해 체계화하여 표현하도록 강조한다. OUR MISSION!! 오늘날 탄산음료는 언제 어디서나 쉽게 섭취할 수 있는 대중적인 음료로 자리 잡았 다. 탄산음료의 달콤함에 현혹되어 탄산음료의 유해성과 건강에 미치는 영향을 간과 하기도 했다. 그러나, 탄산음료는 당뇨, 비만, 통풍 그리고 심지어는 사망에 이르기까 지 우리의 건강에 심각하게 유해한 영향을 미치므로 이를 예방할 수 있는 방안을 마 련하고 실제로 실천하는 것이 중요하다. 이에 따라 탄산음료를 줄일 수 있는 구체적 인 실천 방안을 만들어 보자! 50