STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 신재생에너지와 지속가능한 발전 전남대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 이름 신재생에너지와 지속가능한 발전 주요 과목 통합과학 관련 과목 물리 STEM 요소 S, T, E, T 관련 Ⅵ. 환경과 에너지 – 2. 발전과 단원 신재생에너지 관련 단원 Ⅲ. 에너지 – 1. 역학적 에너지 지역 개발 차시 6 보조 주 개발자 개발자 - 이 프로그램은 학습자가 전기 에너지를 운동 에너지와 같은 다른 형태 의 에너지를 특별히 고안한 장치나 구조물을 사용하여 전자기 유도를 통해 정성적으로 알고 관련 현상을 체험할 수 있기를 기대하면서 설 계하였다. 주요 수업 개요 - 또한 수력 발전에서 물이 가진 퍼텐셜 에너지가 전기 에너지로 전환되 는 것을 수력 발전 모형을 만들어 실험하면서 체험할 수 있게 하였다. - 학생이 수력 발전 모형을 직접 구성하고, 물의 퍼텐셜 에너지와 모형 을 통해 전환된 전기 에너지를 측정, 계산하게 한다. - 학습자가 수력 발전 모형을 설치해보고(기술공학적 과정), 전자기 유도 현상, 에너지 전환을 탐구, 체험하고(과학적 탐구), 센서를 사용하여 데이터를 수집하고 처리(수학적 사고 활동)할 수 있게 한다. 주제 1차시 수업내 용 주제 차시별 2차시 수업내 용 주요내용 주제 3차시 수업내 용 4차시 주제 전자기 유도 코일, 자석, 검류계, 전자기 유도, 유도 전류의 방향과 세기 간이 발전기 전자기 유도, 간이 발전기 여러 가지 발전 화력발전, 수력발전, 핵발전, 풍력발전 자가 발전기의 에너지 전환 수업내 용 주제 5차시 수업내 용 주제 6차시 수업내 용 자가 발전기, 방전, 충전, 발전된 에너지의 양을 측정 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율Ⅰ 수력 발전 모형 구성 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율Ⅱ 수력 발전 모형, 발전, 전기 에너지 측정, 발전 효율 구하기 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 1. STEM 생각교실 프로그램 개요 교과군 중심교과목 학교급 학년 과학 통합과학 고등학교 1 수업 모형 순환학습 / POE / Jigsaw협동학습 / 갤러리 워크 수업 주제 발전과 에너지 전환 수업 단원 발전과 신재생 에너지 중심 교과목 관련 교육과정 영역 핵심개념 환경과 에너지 발전과 신재생 에너지 일반화된 지식 성취기준 관련탐구활동 내용요소 Ÿ 발전기 Ÿ 전기 에너지 Ÿ 발전기를 이용하여 생산된 전기 에너지가 가정에 공급된다. Ÿ 화석 연료를 대체하기 위하여 다양한 신재생 에너지를 개발하고 있다. Ÿ [10통과09-01] 화석 연료, 핵에너지 등을 가정이나 산업에서 사용하는 전 기 에너지로 전환하는 과정을 분석할 수 있다. Ÿ 자전거, 놀이 기구, 운동 기구 등을 이용한 간이 발전기를 만들고, 이 과 정에서 운동 에너지가 전기로 변환되는 과정 토의하기 Ÿ 이 단원에서 관찰 평가, 프로젝트 평가, 보고서 평가, 수행평가, 동료 평 가 등을 활용하여 학생의 성취 수준 및 학습 과정을 평가할 수 있다. 평가방법 Ÿ 간이 발전기 만들기 탐구 활동에서 변인 통제 등에 대한 실험실기 평가를 실시할 수 있다. 또한 태양광 발전을 이용한 장치를 고안하는 활동에 대 한 수행평가를 실시할 수 있다. - 1 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 2. 교사용 지도안 단원 학습 목표 전자기 유도 차시 1/6, 2/6 Ÿ 전자기 유도 현상에 대해 말할 수 있다. Ÿ 간이 발전기를 만들고 과학 개념을 사용하여 작동 원리를 설명할 수 있 다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 □ 다음과 같은 상황에 전기 에너지를 공급하려고 할 때 어떻게 행동했 는지 생각해보고 발표할 수 있도록 안내하기 도 입 동기유발 장난감 자동차를 가지고 놀다가 새롭게 구입한 텔레비전을 보려 움직이지 않을 때 고 할 때 □ 텔레비전에 전기에너지를 공급하려고 할 때 콘센트와 플러그를 연결 하는 행동이 발전소와 텔레비전을 연결하는 목적이 있는 행동임을 안 내하고 발전소에서 어떻게 전기에너지를 생산하는지 알아보고자 함을 안내하기 코일 주변에서 자석을 움직일 때 무슨 일이 생길까? 전 개 탐색 img. 고등학교 통합과학, 김성진 외, 미래엔, □ 위 그림과 같이 코일에 검류계를 연결하고 자석을 코일 주변에서 움 직이면(코일을 움직이면) 무슨 일이 벌어지는지 예상하도록 안내하기 □ 코일에 검류계를 연결하고 자석을 코일 주변에서 움직이면서(코일을 움직이면서) 무슨 일이 벌어지는지 실험, 관찰, 기록하고 발표하도록 안내하기 - 5 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 여러 가지 발전 Ÿ 차시 3/6 화력발전, 수력발전, 핵발전, 풍력발전의 원리와 장단점을 말할 수 있 다. 학습과정 학습활동 및 내용 모집단 도입 모집단 형성 전문가 학습 주제 배부 전문가 집단 전개 전문가 집단 학습 모집단 복귀 후 다른 학습자에게 전달 주제 화력발전 정리 전체 학습 주제 보고서 작성 모집단별 발표 및 교사 피드백 수력발전 핵발전 풍력발전 - 8 - 전문가 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 자가 발전기의 에너지 전환 Ÿ 차시 4/6 자가 발전기로 전기 에너지를 얻고 이를 측정할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 □ 자가 발전기와 LED를 제공하고 이를 연결하여 LED에 전류를 흘려 작동시켜 볼 수 있도록 안내한다. 도입 동기유발 □ 자가 발전기의 내부는 어떤 모습을 하고 있을지 그림을 그리고 주석 을 달아 자료를 만든 뒤 발표할 수 있도록 안내한다. 예상하기 □ 자가 발전기(직류)를 사용하여 스마트 폰을 완전 방전 상태에서 2% 충전 상태까지 걸리는 시간을 예상해 볼 수 있도록 안내한다. 전개 img. tinkercad.com 관찰하기 □ 자가 발전기(직류)와 스마트 폰을 연결하고 2%씩 충전하면서 걸리는 시간을 측정한 뒤 기록하여 발표하도록 안내한다. 충전율 2% 충전시간(초) - 9 - 4% 6% 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율 차시 5/6, 6/6 Ÿ 수력 발전 모형을 구성하고 발전된 전기 에너지를 측정할 수 있다. Ÿ 수력 발전 모형의 발전 효율을 구할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 □ 그림과 같은 아이디어로 수력 발전 모형을 만들었을 때 다음을 예상 하고 그 이유를 말할 수 있도록 안내하기 도입 예상하기 Ÿ 물이 수력 발전 모형을 통과하는 동안 에너지 전환이 일어나는 과정(단계) 예상 Ÿ 「발전된 전기 에너지/물통(댐)에 담긴 물의 퍼텐셜에너지」값 예 상 □ Jigsaw협동학습/도구와 재료를 제공하고 수력 발전 모형을 구성하기 위한 방법을 그림과 글로 표현하고 발표할 수 있도록 안내하기 Ÿ 모집단 형성, 전문가 학습 주제 배부 모집단 관찰하기 전개 Jigsaw 협동학습 - 11 - 전문가 집단 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 경북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 경북대학교 과학영재교육원 프로그램 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 이름 9. 발전과 신재생 에너지 주요 과목 통합과학 관련 단원 9-1. 전기 에너지의 생산과 수송 9-1-1. 발전소에서는 어떻게 전기 에너지가 만들어질까? 관련 과목 기술·가정 관련 단원 STEM 요소 S, T, E 지역 주 개발자 2. 신·재생 에너지 2-2. 신·재생 에너지를 이용한 문제 해결 개발 차시 4 보조 개발자 이 프로그램에서는 공학적 설계를 기반으로 풍력 발전기의 발전량에 대 한 문제해결 프로젝트를 수행하기 위해 발전기의 원리, 전자기 유도 현상 등에 대해 탐구를 수행한다. 학습한 개념과 원리를 적용하여 주어진 조건에 주요 수업 서 풍력 발전기의 발전량을 증대시킬 수 있는 아이디어를 협의하여 설계·제 개요 작하고 여러 차례 성능 개선 테스트를 수행한다. 제작된 풍력 발전의 성능 과 기능 테스트, 발표(설계 과정, 산출물의 차이점, 장단점 등)를 통해 학습 한 개념이 어떻게 적용되어 문제가 해결되는지를 이해하고 학생들 간에 서 로 공유한다. 1차시 차시별 2차시 전자기 유도 현상이 발견된 과학사를 통해 전자기 유도 현상을 이 용한 발전기의 원리 이해 전기 에너지가 생산되는 풍력 발전기를 제작해 보고 전기 에너지 를 더 많이 생산할 수 있는 방안을 모색 주요내용 (키워드 위주) 3차시 4차시 회전 속도를 높일 수 있는 날개를 설계하여 풍력 발전기의 발전량 높이기 산출물의 개선 과정에 대한 발표를 통해 문제해결과정을 공유하고, 관련 직업에 대한 특성과 직업인을 조사·소개하는 진로 탐색 활동 STEM 생각교실 [ 수‧과학 수업 차시대체용 프로그램(지구과학, 교사용) ] 제목: 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 차 시 1 발전기 원리에 대한 탐구 ■ 학습 목표 1. 전자기 유도 현상을 이해하고 유도 전류의 세기에 영향을 주는 요인을 설명할 수 있다. 2. 발전소에서 전기 에너지가 만들어지는 원리를 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 전자기 유도, 유도 전류의 세기에 영향을 주는 요인, 발전기 ■ 활동 1. 과학사 살펴보기1) (가) 덴마크의 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777~1851)는 전류가 흐르는 도선 근처에서 나침반의 자 침이 움직이는 것을 발견했는데, 전류가 흐르는 도선은 마치 자석이 된 것처럼 자기력을 발휘하는 것 같았 다. 이로부터 1년 후, 외르스테드의 실험을 재검토하며 전류와 자석 사이의 상호작용을 연구하던 영국의 패 러데이(Michael Faraday, 1791~1867)는 도선과 자석을 이용한 간단한 회전 장치, 즉 전동기를 만들어냈다. (나) 한편, 많은 학자들은 외르스테드가 발견한 효과의 정반대 작용도 존재하지 않을까 추측했다. … 그러나 그 기대는 쉽게 이루어지지 않았으며, 그 효과는 10년 뒤 패러데이에 의해 겨우 발견될 수 있었다. … 그는 속이 빈 원통형 철심에 코일을 두텁게 감은 후 그 안에 막대자석을 찔러 넣음으로써 정반대 작용을 성공 했다. … 이렇게 그는 최초의 발전기 발명자가 된 셈이었다. (다) 전지를 연결하지 않은 회로가 있다. 이 회로에 검류계를 연결해보면 당연히 검류계의 바늘은 0을 가리킬 것이다. 그런데 회로 근처에 자석을 가까이 가져가면 검류계의 바늘이 한 쪽 방향으로 기울게 된다. 자석 을 멈추면 검류계의 바늘이 0으로 돌아간다. 이제 자석을 뒤로 빼면 바늘이 반대 방향으로 기운다. 전지도 연결하지 않은 회로에 자석을 가까이 가져갔다 뒤로 뺐다 하는 것만으로 전류가 흐르는 것이다. 이와 같이 ㉠자기장과 움직이는 자석 사이의 상호작용에 의해 회로에 전류가 생겨나는 현상을 관찰할 수 있었다. (1) (나)에서 외르스테드가 발견한 효과의 정반대 작용은 어떤 현상일까요? 전류가 흐르는 도선에 의해 자침의 움직임이 발생한 현상(전류가 흐르는 도선에 의해 자기력이 받는 영향)의 정반대 작용이므로, 자석의 움직임에 의해 전류가 발생하는 현상을 의미함. (2) ㉠ 현상을 무엇이라고 하나요? ㉠: 전자기 유도 현상 1) 출처: [물리 산책], 전자기 유도 현상의 발견, https://sites.google.com/site/mira1004nn/jeonjagi-yudo-hyeonsang-ui-balgyeon - 179 - 차 시 2-3 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. ■ 학습 목표 1. 발전기의 원리를 이해할 수 있다. 2. 회전 속도를 빠르게 할 수 있는 발전기 날개를 디자인하고 제작할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 발전기 날개 디자인 및 제작 ■ 활동 안내 에너지 문제를 해결하라! 우리는 전기 에너지를 포함하여 에너지 대부분을 석유, 석탄 등의 화석 연료에서 얻는다. 다음은 연도에 따 른 세계 석유 생산량을 나타낸 것이다. 이렇게 생산량이 증가한다면 매장량은 점차 한계를 드러낼 것이다. 이런 화석 연료의 고갈 문제를 해결하기 위하여 이를 대체할 수 있는 신재생 에너지의 개발이 필요하다. 지 구 온난화 등 기후 변화에 영향을 미치는 화석 연료를 대신해서 사용할 수 있는 다양한 발전 방식 중 환경 오 염 물질을 배출하지 않고, 대기나 수질에도 영향을 주지 않는 친환경 에너지를 생산할 수 있는 풍력 발전은 바 람의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전 방식이다. 국내 연도별 풍력 발전 보급과 풍력 발전량 현황 을 살펴보면 우리나라 풍력 발전 현황을 살펴보면 신규 설치와 발전량이 꾸준히 증가하고 있다. 적당한 속도의 바람이 지속해서 부는 곳에 설치하는 풍력 발전소에서 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있는 방안을 날개의 개선을 통해 모색해보고 적용하여 직접 전기 에너지를 생산하여 보자. - 183 - 차 시 4 평가 및 진로 탐색하기 ■ 학습 목표 1. 평가 및 발표를 통하여 다른 모둠의 아이디어를 공유하고 문제해결능력을 신장시킬 수 있다. 2. 발전 분야의 진로와 직업에 대해 조사하고 그 중요성에 대해 인식할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 문제해결을 위해 필요한 능력 요소, 직업에 대한 이해 ■ 활동 안내 1. 다음 요소들을 포함하여 발표할 자료를 제작해 보자. ※ 활동 결과 발표에 포함할 요소 모둠 이름 (모둠원 이름) (날개 재료를 선택한 이유와 디자인이 날개 회전을 어떻게 빠르게 하는지에 대한 설명 포함) 디자인의 장점 (설계할 때 고려한 사항) 제작 결과 제작한 날개 모양 측정된 전압값 보완해야 할점 활동 중 가장 기억에 남는 것과 이유, 느낀 점 우리 모둠과 다른 모둠과의 차이점은? - 188 -