STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 태양광 발전, 화석 에너지의 대안이 될 수 있을까? 서울교육대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 서울교육대학교 프로그램명 과학적 사고력 – 태양광 발전 주요 과목 과학 주요 단원 관련 과목 국어, 정보 관련 단원 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 주 개발자명 수정보완 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 고1 개발차시 5차시 (공통과학) Ⅱ.생활 속의 과학 탐구 (과학 3) 7. 과학과 나의 미래 주장하는 글쓰기 데이터 사이언스(포괄적임) 적용 지역 보조 개발자 5차시 분량의 4개의 모듈로 구성 주요 수업 개요 1. 백신의무화 논쟁 2. 수소차와 전기차 개발 3. 태양광 발전의 전망 4. 국가 주도의 우주 개발 방향 1차시: 문제 인식 – 뉴스 기사나 영화, 서적 등을 통해 논점을 분명히 하 고 학생들끼리 서로의 기존 생각을 나누도록 구성 2차시: 핵심 개념 학습 – hands-on activity 등 구체적인 활동을 통해 관련 개념을 익힘. 단지 지식의 전달이 아닌 주장-증거-추론(CER) 에 바탕을 둔 활동 차시별 주요내용 (키워드 위주) 3차시: 주제에 관해 다양한 관점으로 접근한 글을 분석. 글은 논문이나 서적 등을 재구성(학생들이 읽기 쉽도록) 할 것. 분석은 툴민의 논 증 분석틀을 활용 4차시: 데이터로서의 접근 – 3차시가 글을 통해 주제에 접근하는 것이라 면 4차시는 데이터의 수집, 분석, 처리 등의 과정을 통해 주제를 좀 더 명확히 이해하도록 하는 것임 5차시: 종합 정리 – 먼저 자신의 생각을 분명히 하고, 다른 학생들과 서 로의 생각을 나눈 다음, 최종 자신의 생각을 정리하여 글로 표현하 도록 하는 활동 [1차시] 문제 인식 우리나라의 신재생 에너지 현황은? l 차시 개요 뉴스 영상을 시청하고 요약하는 과정에서 우리나라의 에너지원별 발전 비율과 다른 나라의 신재생 에너 지 비중 및 변화를 통해 우리나라 전력 공급 방식의 문제를 인식한다. 스스로 알고 있는 개념과 잘 모르는 개념을 글로 정리하고 자신의 생각을 친구들과 나누는 시간을 갖는다. l 활동 목표 뉴스 기사나 영상 등을 통해 우리나라의 신재생 에너지 상황을 인식하고 쟁점이 되는 문제의 본질을 파 악한다. 향후 최종 판단을 위해 문제와 관련하여 자신이 잘 알고 있는 개념과 모르는 것을 명확히 한다. l 배경 지식 1) 석탄화력발전 비율 및 변화 우리나라에서는 현재 12개 부지에 총 60기(35,350.7MW)의 석탄화력발전기가 가동 중이다. 총발전량에 서 석탄화력발전이 차지하는 비율은 2020년 현재 44.0%로 발전 에너지원 중 비중이 가장 높다. 우리나라 의 석탄화력발전 비중은 국제적으로 높은 편이다. 주요 석탄 수출국인 호주와 제조업 강국인 독일을 제외 하면 우리나라의 석탄화력발전 비중은 다른 선진국들에 비해 매우 높다. https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4292 2) 석탄화력발전 무엇이 문제인가? (2021.07.07.) https://www.newssc.co.kr/news/articleView.html?idxno=48429 3) 석탄화력발전 문제, 더 이상 미룰 수 없다. 외 (열린충남 76호. 2016.09.01.) https://www.cni.re.kr/main/search/down.do?gcd=AC0000040939&seq=1 4) 신재생 에너지 발전 비율 및 변화 (1차 에너지 대비 재생에너지 비율) 총발전량 대비 신·재생에너지 발전량의 비중은 2001년 0.04%에 불과하였으나 2003년 1.56%로 증가하 였다. 이는 신·재생에너지 발전량이 실질적으로 늘어났다기보다 2003년부터 수력을 신·재생에너지 통계로 집계하였기 때문이다. 신·재생에너지 시설용량은 꾸준한 증가세를 유지하고 있다. 하지만 국제 기준에 따 라 주요 국가들의 1차 에너지 대비 재생에너지 비율을 비교해 보면, 2020년 기준 한국(2.3%)은 이탈리아 (19.4%), 독일(16.4%), 영국(13.9%), 프랑스(11.8%), 미국(8.5%), 호주(8.5%), 일본(6.8%) 등 다른 선진국 들과 현격한 차이를 나타낸다. 국내에서 사용하고 있는 신·재생에너지 기준으로 비교해도 가장 낮은 수준 이다. https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4293 5) 2019년도 국내 신재생 에너지 발전 비중은 몇 %일까? (2020.08.18.) 2019년 국내 신재생 에너지 설비용량은 15,791MW(15.8GW)로, 재생에너지 3020 이행계획이 발표된 2017년 대비 5GW 가까이 증가했다. 이를 에너지원별로 다시 쪼개보면 전체 신재생 에너지의 67%를 태양 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 85 - [2차시] 핵심 개념 학습 태양전지는 어떻게 작동할까? l 차시 개요 태양광 발전이 화석 에너지의 대안으로 가능성이 있는지를 판단하기 위해서는 태양전지의 구조와 작동 원리를 이해하는 것이 필요하다. 소형 태양전지 모듈의 구조 이해를 바탕으로 태양전지가 만드는 전력은 어떤 특징이 있는지 실험을 통해 알아보자. l 활동 목표 뉴스 기사나 영상 등을 통해 우리나라의 신재생 에너지 상황을 인식하고 쟁점이 되는 문제의 본질을 파 악한다. 향후 최종 판단을 위해 문제와 관련하여 자신이 잘 알고 있는 개념과 모르는 것을 명확히 한다. l 배경 지식 1. 태양전지의 구조와 작동 원리 (1) 태양전지의 구조 및 작동 원리 태양전지는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 만든다. ➡ 접합점에 빛을 비추면 n형 반도체의 전자와 p형 반도체의 정공이 반대편으로 이동하여 양쪽에 모이 게 된다. ➡ 양끝을 전선으로 연결하면 전선을 따라 전류가 흐르게 된다. ➡ 이 전선에 전기기구를 연결하면 전기기구가 작동한다. (2) https://ecopower.kr/article/%EC%9E%90%EB%A3%8C%EC%8B%A4/7/18/ 2. 태양전지는 어떻게 작동할까? https://www.youtube.com/watch?v=7WnBDvc5Pl0 3. 태양광 모듈 제작 과정 https://blog.naver.com/ejqmfdbvl/221296282254 4. 실리콘 태양전지의 제조 원리는 무엇인가? STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 89 - [3차시] Data Science 태양광 발전에 가장 많은 영향을 미치는 기상요소는? l 차시 개요 태양광 발전량에 영향을 미치는 요소는 다양하다. 연간 태양광 발전량을 예상하기 위해서 기상 데이터를 수집하여 태양광 발전량과 관련지어보고 태양광 발전량에 영향을 미치는 기상요소를 친구들과 나누는 시 간을 갖는다. 공공데이터를 수집하여 스프레드시트(MS, 구글)로 정리하고, 태양광 발전량과 기상요소(기온, 풍속, 일조량 등)을 스프레드시트(MS, 구글)의 산점도 시각화 기능을 통해 관계를 추론하거나 데이터마이 닝 도구인 웨카(WEKA)를 사용하여 분석한다. l 활동 목표 태양광 발전소를 선정하고 시간 단위 발전량 데이터와 기상 데이터를 관련지어 태양광 발전량에 가장 영향을 많이 미칠 것으로 예상되는 기상요소를 선정하고 이유를 설명할 수 있다. l 배경 지식 1. 공공데이터란 무엇이고 어떻게 활용할까? https://youtu.be/oJ6ELprPa_o - 공공데이터의 의미와 제공되는 공공데이터를 활용하는 방안에 대해서 폭넓게 설명하는 소개영상으로 공공데이터에 대해 처음 접하는 학생을 위한 설명자료이다. 2. 공공데이터포털 OpenAPI 활용방법 https://youtu.be/pe5-RQb-OPI - 공공데이터를 사용하기 위해서 학생이 수집된 데이터를 검색하는 공공데이터포털에 대한 소개영상으로, 공공데이터를 검색하고 공공데이터를 실시간으로 사용하기 위한 방법인 API를 사용하는 방법에 대한 설명 자료이다. 본 차시에서는 실시간 데이터(API)를 사용하지 않고, 과거에 수집된 데이터(cvs)를 사용한다. 3. Data Mining with Weka https://youtu.be/nHm8otvMVTs - 수집된 데이터를 분석하는 도구를 스프레드시트 이외에 데이터마이닝 도구인 웨카(WEKA)를 사용하여 분석하기 위한 기초적인 사용법 설명자료이다. 4. 상관경향성분석 https://m.blog.naver.com/istech7/50153047118 - 수집한 기상데이터를 태양광발전량과 기상요소의 관계를 분석하고 해석하기 위한 설명자료이다. 양(+) 의 상관관계는 한 변수의 값이 증가할 때, 다른 변수의 값이 함께 증가하는 것이고, 음(-)의 상관관계는 한 변수의 값이 증가할 때, 다른 변수의 값이 함께 감소하는 것이다. l 유의 사항 1. 개별 컴퓨터의 인터넷 연결과 스프레드시트(MS, 구글) 프로그램을 준비한다. 2. 실제 태양광 발전소의 전력 생산량 데이터와 발전소가 위치한 지역의 데이터를 수집이 필요하기 때문 에 데이터를 제공하는 발전소를 선정할 수 있도록 안내한다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 95 - [4차시] 논증을 위한 자료 분석 태양광 발전이 화석 에너지의 대안이 될 수 있다는 근거는 무엇일까? l 차시 개요 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능 혹은 불가능을 주장하는 글이나 자료를 꼼꼼히 읽고 분석하여 근거 와 증거를 찾는다. l 활동 목표 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능/불가능에 대한 다양한 관점들에서 서로 대립하는 주장을 논리적으 로 분석하여 과학적 주장에 대한 타당성을 판단하는 능력을 함양한다. l 배경 지식 (대안이 될 수 있다는 자료) 1. 태양전지의 블루칩, 페로브스카이트(2021.04.12.) http://www.energycenter.co.kr/news/articleView.html?idxno=1292 기존 태양전지의 단점인 효율을 비약적으로 높인 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지를 소개하면서 태 양전지의 구조와 원리, 종류를 종합적으로 다루고 있다. 특히 2021년 2월 25일, 네이쳐 표지에 실린 우리 나라 연구진의 페로브스카이트 태양전지가 눈이 띤다. 2. 차세대 태양광 ‘페로브스카이트(Perovskite)’ 탠덤 셀 https://www.youtube.com/watch?v=lwPKwlyEz5Y 한화 큐셀의 유튜브 채널. 태양광 모듈의 현재와 미래를 종합적으로 다루고 있다. 태양전지의 다양한 이 용을 소개하고 있으며 페로브스카이트 탠덤 셀의 유래도 자세히 설명하고 있다. 3. 태양광 발전소 1MW의 온실가스 감축 효과는 얼마나 클까? (엔라이튼, 2021.11.19.) https://www.enlighten.kr/insight/policy-issue/7468 태양전지를 이용한 태양광 발전소의 온실가스 감축 효과를 구체적인 수치를 예로 들어 설명하고 있다. 4. 일본의 GENESIS 계획과 지속 가능한 에너지의 활용 (2010.01.) http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId= ARTI_000000000038555&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201001&subCtgId= GENESIS란 ‘Global Energy Network Equipped with Solar cells and International Superconductor grids’의 머리글자를 딴 것으로 구약성서의 창세기를 의미하는 말이다. GENESIS 계획 을 제창한 쿠와노 코우토쿠 박사(전 산요전기 사장)는 세계의 에너지 소비 예상과 태양전지의 필요 면적을 효율 10%의 태양전지를 이용한 케이스로 계산한 결과, 약 800km×800km의 정사각형 상당으로 전 인류 가 필요한 에너지를 조달할 수 있다고 나타냈는데, 이것은 현존하는 세계 사막의 불과 4%에 지나지 않는 다고 강조했다. 6. 미래의 전력 공급 방법 - '스마트 그리드'와 '제네시스 계획' (2021.09.03.) https://surpriser.tistory.com/369 태양광 발전소에서 생산된 직류 전력을 소비자에 전달하기까지의 전력망에 필요한 송전, 충전에 대해 간 략히 다루고 있다. 축전기, 스마트 그리드 등 이에 필요한 개념들을 설명하고 있으며 더 거대한 송전망 아 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 107 - [5차시] 토론과 글쓰기 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능성에 대한 내 생각은 무엇일까? l 차시 개요 1~4차시까지의 활동을 통해 알아본 태양광 발전의 특징, 태양광 발전의 장･단점 등을 바탕으로 태양광 발 전이 화석 에너지의 대안으로 가능성이 있는지를 판단하는 시간이다. 나의 생각을 확정하고 주장하기에 앞 서 모둠원들과 토의를 통해 생각을 변경하거나 확고히 한 뒤, 툴민의 논증 모형에 따라 주장을 논술해 본 다. l 활동 목표 태양광 발전의 화석 에너지의 대안 가능성에 대한 나의 생각을 정하고 툴민의 논증 모형에 따라 이유, 설 명, 예상 가능한 반대 의견과 반박 등을 갖추어 주장할 수 있다. l 배경 지식 1. 주장은 논증과 같지 않다. 주장에 대한 반대 의견이나 반박 가능한 증거가 제시되어야만 논증이 된다. 즉, 논증에서는 서로 다른 주장과 증거들의 제시와 반박 등을 통해서 서로의 생각을 설득하는 과정이 중요하다. 2. 영국의 철학자이자 작가, 교육자인 스티븐 에델스턴 툴민(Stephen Edelston Toulmin, 1922년 3월 25 일 ~ 2009년 12월 4일)은 실질적으로 적용 가능한 실용 논증 모형을 개발하였다. 툴민의 모형은 다음 과 같이 안건, 주장, 논거, 세기, 지지, 및 반론으로 이루어진다. - 안건: 주장의 대상 - 주장: 논증의 결론으로 자신의 견해를 밝히거나 타인의 지지를 얻기 위해 내세운 진술 - 세기: 주장을 확신하는 정도를 나타내는 표현: 확실히, 십중팔구는, 아마도, 거의, 절대로 등 - 논거: 제시된 근거가 주장을 정당화시킬 수 있는 이유. 공통의 배경지식이나 전제가 포함됨 - 지지: 추가 자료 등 논거를 뒷받침하는 상세 증거 - 반론: 주장을 반박하거나 한계를 제시하는 진술 l 유의 사항 1. 모둠 구성 시 서로 반대되는 의견을 가진 학생들이 섞일 수 있도록 한다. 2. 짧은 시간 내에 서로의 생각과 근거를 들을 수 있도록 토의 진행자를 정해서 효과적인 토의가 이루어 지도록 한다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 116 - 

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 -