STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 화학적 오염의 측정과 분석 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 화학적오염의 측정과 분석 이름 주요 과목 화학1 관련 단원 화학 결합과 분자의 세계 관련 과목 화학1 관련 단원 역동적인 화학 반응 STEM 요소 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 개요 차시별 개발자 1차시: 오염된 물을 깨끗하게 하는 여러 방법들을 조사하고, 바닷물을 담 수화하는 방법을 탐구한다. 2차시: COD, BOD, DO의 개념을 탐구하고 COD키트와 DO기기의 원리를 조사한다. 3차시: 이온의 개념을 조사하고, 이온반응과 이온 검출하는 원리를 조사 한다. 4차시: 환경 복원의 중요성을 깨닫고, 물리적 그리고 화학적 정화원리로 간이 정수기를 만들고 오염된 물을 효과적으로 정화하는 방법을 탐구한다. 1차시 수돗물 처리의 원리는 무엇일까? 2차시 pH, DO, 그리고 COD 측정하기 3차시 이온검출 반응실험 4차시 간이 정수기 만들기 주요내용 (키워드 위주) (화학) 화학적오염의 측정과 분석 (7) 교수-학습 과정의 전개 학생용 1차시: 수돗물 정화의 원리는 무엇일까? 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 오염된 물을 깨끗하게 정화할 수 있는 장치를 만들 수 있다. Ÿ 물이 정화되는 원리를 이해할 수 있다. Ÿ 환경복원의 중요성을 깨닫는다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 페트병을 자를 때 손을 다치지 않도록 주의한다. Ÿ 층을 쌓을 때 각 재료들 사이에 헝겊을 넣어 각 층이 서로 섞이지 않게 한다. Ÿ 키트를 사용할 때 사용방법을 충분히 익힌후 사용한다. Ÿ 모든 실험기구는 조교선생님의 시범과 관리에 따라 실행되도록 한다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 일반적인 도시의 수돗물 처리 과정의 그림을 보며 각 단계의 의미와 필요성에 대하여 생각해보자. 물리적 그리고 화학적 과정이 어떻게 이용되는지 조사하고 수돗물 처리의 마 지막 살균단계에서 오존대신 염소를 사용하는 이유를 생각해보자. - 20 - (화학) 화학적오염의 측정과 분석 학생용 2차시: pH, DO 그리고 COD 측정하기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ pH개념 이해하기 Ÿ 환경보호에 대한 이해하기 Ÿ COD, BOD, DO의 개념을 이해하고 수질의 어떠한 상태를 나타내는지 이해한다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 모든 실험은 반드시 조교의 지시를 따른다. Ÿ 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. Ÿ 키트를 사용할 때 사용방법을 충분히 익힌후 사용한다. Ÿ 실험기구 사용 시 깨지지 않도록 주의한다. Ÿ 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] pH, DO, 그리고 COD 측정하기 ◆ pH, 용존산소량 (DO), 생물학적 산소요구량 (BOD), 그리고 화학적 산소요구량 (COD)란 무엇이며 수질의 어떠한 상태를 나타내는 것인가? - 23 - (화학) 화학적오염의 측정과 분석 학생용 3차시: 이온 검출 반응 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 수용액 중 존재하는 이온을 확인하는 방법을 알아본다. Ÿ 이온반응과 이온을 검출하는 원리를 설명할 수 있다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 실험은 반드시 조교의 지시를 따르도록 한다. Ÿ 실험기구 사용 시 깨지지 않도록 주의한다. Ÿ 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 3차시 [과학기술 적용] 이온 검출 반응 ◆ 침전반응을 통해 수용액에 어떤 이온이 들어 있는지를 알 수 있다. 앙금의 종 류에는 어떤 것이 있는가? - 25 - (화학) 화학적오염의 측정과 분석 학생용 4차시: 간이정수기 만들기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 오염된 물을 깨끗하게 정화할 수 있는 장치를 만들 수 있다. Ÿ 물이 정화되는 원리를 이해할 수 있다. Ÿ 환경복원의 중요성을 깨닫는다. [실험 안전 유의사항] 5. 페트병을 자를 때 손을 다치지 않도록 주의한다. 6. 층을 쌓을 때 각 재료들 사이에 헝겊을 넣어 각 층이 서로 섞이지 않게 한다. 7. 키트를 사용할 때 사용방법을 충분히 익힌후 사용한다. 8. 모든 실험기구는 조교선생님의 시범과 관리에 따라 실행되도록 합니다. 4차시 [공학적 산출물] 간이 정수기 만들기 ◆ 간이정수기 만들기 [실험 방법] ① 칼로 페트병의 가운데 부분을 자르기 ② 페트병의 주둥이를 얇은 천으로 감싸고 고무줄로 감기 ③ 페트병의 주둥이를 아래로 하여 고운모래, 활성탄, 솜 순서대로 넣기 ④ 각 층 사이에 천을 넣어 섞이지 않게 한다. ⑤ 다양한 오염물을 걸러보자. (흙탕물, 기름물, 비눗물) ◆ 간이 정수기 물 정화 장치로 거른 후 관찰해보고 거른 후 용액은 거르기 전과 어떻게 달라졌는지 조사해보자. - 27 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 화학결합과 분자 모형 전남대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 구분 전남대학교 기관명 (신규/수정보 완) 과학영재교육원 프로그램명 신규 화학결합과 분자모형 주요 적용 학년 개발차 시 주요 과목 화학 주요 단원 Ⅲ. 분자의 세계 관련 과목 화학 관련 단원 Ⅲ. 분자의 세계 STEM+I 요소 S,T,E,M,I 적용 지역 고2 4차시 보조 주 개발자명 개발자 Ÿ 머신러닝을 활용한 교육 플랫폼인 티처블 머신을 활용하여 학생들이 몸으로 직접 체험하며 분자 구조를 이해하는 학생중심 수업모형 개발 주요 수업 Ÿ 과학과 정보의 융합을 통한 수업 활동으로 한 가지 과목에만 치우치지 않은 융복합적 사고가 가능한 인재 양성 개요 Ÿ 인공지능과 과학기술 분야의 융합 및 개발 전망에 대한 학습을 통해 미래 직업에 대한 이해와 다양한 진로 탐색의 기회 제공 차시별 1차시 전자쌍 반발 이론과 분자 구조 2차시 분자 모형 만들기 및 학습지 작성을 통한 적용 3차시 터치블 머신을 이용한 분자 구조 예측 4차시 인공지능/빅데이터를 활용한 과학기술 분야 조사 및 발표 주요내용 (키워드 위주) 2. 교사용 지도안 단원 학습 목표 3. 분자의 세계 차시 1/4 Ÿ 전자쌍 반발 이론으로 전자쌍의 배치를 설명할 수 있다. Ÿ 전자쌍 반발 이론에 따라 분자 구조와 결합각을 설명할 수 있다. 수업단계 학습활동 및 내용 ¤ 문제 상황 제시 도입 (10분) § 물질을 구성하는 분자는 어떤 구조를 가지고 있을지 생각해 보게 한다. § 고무풍선 2개, 3개, 4개를 각각 같은 크기로 불어 매듭을 짓고, 매듭을 실로 묶을 때의 모양을 예측하게 한다. ¤ 학습 목표 확인 ¤ 개념 설명 - 전자쌍 반발 이론 § 전자쌍 반발 이론 공유 결합으로 형성된 분자에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 전자쌍들의 반발 때문에, 반발력 최소화를 위해 가능한 한 멀리 떨어지려는 방향으로 배치된다. § 전자쌍 반발 이론에 따른 전자쌍의 배치 - 고무풍선 2개, 3개, 4개를 각각 같은 크기로 불어 매듭을 짓고, 매듭을 실로 묶어 각각의 모양을 관찰하게 한다. - 고무풍선을 전자쌍에 비유하여 전자쌍 반발 이론에 따른 전자쌍의 배치 모 형과 분자의 구조를 설명한다. 구분 전개 전자쌍의 (30분) 배치 모형 § 공유 전자쌍이 공유 전자쌍이 공유 전자쌍이 2개인 경우 3개인 경우 4깨인 경우 선형 평면삼각형 사면체 전자쌍 사이의 반발력 크기 비교 비공유 전자쌍 - 비공유 전자쌍  비공유 전자쌍 - 공유 전자쌍 - 5 -  공유 전자쌍 - 공유 전자쌍 단원 학습 목표 3. 분자의 세계 차시 2/4 § 전자쌍 반발 이론에 따라 분자 구조와 결합각을 설명할 수 있다. § 전자쌍 반발 이론에 따라 분자 구조를 모형으로 나타낼 수 있다. 수업단계 학습활동 및 내용 ¤ 문제 상황 제시 § 공기 중에 존재하는 분자들의 구조가 눈에 보이는지 확인해보기 § 눈에 보이는 크기로 확대한 분자 모형을 통해 확인해보기 ¤ 분자 모형 만들기 키트 소개하기 § 분자 모형 만들기 키트를 소개하고 키트를 통해 3가지 분자(CO2, HCN, BF3) 모형을 만드는 것을 보여주기. 유의사항 도입 (10분) ※ 학생들이 구조식을 그리는 것부터 할 수 있도록 지도할 것. ※ 구조식에서는 평면 구조로만 표현되지만 실제로는 입체로 존재하는 경우도 있 다는 것을 확인시켜줄 것. 자료 학생 활동지 Tip “전자쌍 뭉치”라는 표현을 사용. 전자쌍 뭉치 = 비공유 전자쌍(1쌍 = 1뭉치) 다중 결합(2중 결합 = 1뭉치, 3중 결합 = 1뭉치) 단일 결합( = 1뭉치) ¤ 조별 활동 § (4인 1조) 조별로 분자 모형 키트와 노트북 제공 ¤ 분자 모형 키트를 활용하여 활동지에서 제시한 분자 만들기 § 상의를 통해 7개의 분자(CH4, BeH2, C2H2, FNO, COF2, H2O, NH3)에 대한 활 동지의 빈칸을 채우고 분자 모형 키트를 사용해 분자 구조 제작 전개 § (35분) 분자를 만들고 나면 사진을 찍어 사진은 보관하고 분자는 다시 분해한다. 자료 학생 활동지 유의사항 분자 제작 후 사진을 찍어 공유 문서에 업로드하여 조별 비교 ¤ 조별 결과물 비교 및 정답 공유하기 § 공유 문서에 업로드한 결과물 비교 및 수정할 부분 토의 § 분자 모형의 정답을 공유하고 오답의 이유 조별로 상의 ¤ 조별로 독자적인 모양의 분자 개발하기. § 분자 모형 키트를 사용하여 조별로 독자적인 모양의 분자를 만들고, 분자의 사 정리 진과 함께 이름, 특징을 상상하여 구글 공유 문서에 작성하기 (5분) 자료 구글 공유 문서 ¤ 차시 예고 § 관련 분야와 직업군 소개 및 자료 조사 - 7 - 단원 학습 목표 3. 분자의 세계 차시 3/4 § 분자의 입체 구조와 평면 구조를 표현할 수 있다. § 티쳐블 머신을 활용하여 분자 구조를 4개 이상 표현할 수 있다. 수업단계 학습활동 및 내용 ¤ 문제 상황 제시 § 주변에서 발견할 수 있는 ‘머신러닝’기술 생각해보기 § 안면인식, 식물 검색의 원리 생각해보기 도입 자료 구글렌즈 ‘https://lens.goggle’ 사진으로 식물 검색 기능 (10분) ¤ 머신러닝을 활용한 분자 구조 예측 소개하기 § 머신러닝 모델 제작 플랫폼인 티처블 머신 소개 § 티처블 머신을 이용한 분자 구조 예측 방법 안내 ¤ 탐구 활동 (모둠학습) § (4인 1조) 조별 노트북 제공 § 각 조별 조장 선발하기 ¤ 티처블 머신을 활용한 분자구조 설정하기 § 구글 < ‘티처블머신’ 검색 < 포즈 프로젝트 § ‘굽은형’, ‘직선형’, ‘정사면체’, 평면삼각형‘, ’삼각뿔‘ 구조를 조원들과 상의하 여 티처블 머신에 등록하기(클래스 5개&학습시키기) § 전개 (30분) 제대로 재현되는지 확인하는 과정 필요함 ¤ 교사가 제시하는 분자 10개의 구조 티처블 머신으로 표현 §  , , ,  , ,  , , ,  ,  분자 구 조를 구조식으로 표현하기 자료 § 학생 활동지 해당 구조식을 티처블 머신으로 표현하여 구조 맞추기(조별로 노트북을 화면에 연결하여 발표하기) § 티처블 머신이 정확하게 도출해낸 구조의 개수 조별 기록하기 ¤ 미션수행 결과 협의 § 1등조와 다른조와의 차이점을 학생들이 자유롭게 발표 ¤ ‘머신러닝 기술’ 토의하기 § 티처블 머신을 분자구조 예측과 같이 활용할 수 있는 구체적 분야를 조별로 2 개 이상 토의하여 학습지 기록(추후 교과세특에 활용할 수 있다고 안내하여 동 정리 (10분) 기유발하기) § 티처블 머신의 한계점 및 보완책 협의, 발표 ¤ 차시예고 § 2차원으로 접근하는 분자구조를 3차원으로 표현하는 방법으로 무엇이 있을지 고민해보는 시간 제시 - 8 - 단원 학습 목표 3. 분자의 세계 차시 4/4 Ÿ 인공지능이 분자 구조 예측에 활용되는 사례를 설명할 수 있다. Ÿ 인공지능이 과학 기술 분야에 활용되는 사례와 관련된 직업을 조사하고 발표할 수 있다. 수업단계 학습활동 및 내용 ◎ 전시 학습 확인 § 여러 가지 분자의 구조식, 결합각, 입체구조 비교 § 티처블 머신을 이용한 분자 구조 표현 원리 설명 도입 ¤ 인공지능/빅데이터 소개하기 § 인공지능/빅데이터란 무엇인지 생각해보기 § 머신러닝과 인공지능의 관계 생각해보기 ¤ 4차 산업혁명과 미래직업 소개 § 인공지능/빅데이터와 관련된 과학기술 분야의 기사 읽기 § 빅데이터/인공지능과 관련된 직업 과학기술 분야의 직업 생각해보기 자료 학생활동지 및 수업 자료에 관련 기사 첨부(ex. 신약개발, 화학공학 등) ¤ 빅데이터를 이용한 화학 분자구조 예측 과 관련한 의약품 개발 연구 현황 소개 전개 § KAIDD (과학기술정보통신부) § AIDRUG (한국과학기술정보연구원) 자료 kaidd.re.kr에서 제공하는 ‘인공지능 신약개발플랫폼’ 활용 튜토리얼 영상 자료 aidrug.re.kr에서 제공하는 ‘빅데이터/인공지능 기반 신약개발 클라우드 플랫폼 구축 및 서비스’ 활용 튜토리얼 영상 ¤ 화학 분야에서 빅데이터/인공지능과 관련된 직업 조사 및 발표 § 조별로 노트북 1대 제공 § 조별로 관련된 직업과 관련한 기사, 연구 동향, 전망 등을 조사하여 드라이브 (구글 클래스룸, 패들릿 등)에 업로드 § 조장, 기록자를 제외한 사람이 발표 유의사항 자료를 공유 드라이브에 업로드하여 교사를 비롯하여 학생들이 모두 열 람할 수 있도록 함. 조별 업로드 ¤ 소감문 작성 § 정리 과학과 관련된 기술 및 정보 분야와 직업에 대해 배우며 새롭게 알게 된 점, 자신의 관점과 태도의 변화, 수업 중 어려웠던 점과 해결 과정 등을 작성 유의사항 개별 업로드 - 9 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 무기 안료에 대한 이해와 탐구 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 무기 안료에 대한 이해와 탐구 이름 주요 과목 화학 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 물질의 성질/ 물리적 성질과 화학적 성질 물질의 변화/ 화학반응 관련 단원 S T E M 지역 차시 4 개발자 염료와 안료의 차이점에 대해 알아보고 안료에 속하는 유기 주요 수업 안료와 무기 안료의 장단점을 비교, 분광 광도계의 원리를 개요 이해하여 이에 대한 사용법을 익힘, 나아가 분광 광도계를 사용하여 다양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석 1차시: 개념도입, 안료의 개념에 대해 이해, 유기 안료와 무기 안료 에 대한 특징을 비교, 분광 광도계의 원리를 이해하고 이를 이용한 흡광 스펙트럼을 분석 2차시: 탐구 및 개념 확장, 유기 안료와 무기 안료의 특성을 비교 하여 각각의 장단점에 대하여 알아봄, 분광 광도계를 이용하여 다 차시별 주요내용 양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석 후 질의응답을 진행 (키워드 3차시: 과학기술 적용, 무기 안료의 특성을 이해하고 다양한 무기 위주) 안료를 직접 합성, 분광 광도계를 이용하여 다양한 색을 띠는 물질 에 적용할 수 있음을 확인 4차시: 공학적 산출물, 다양한 색을 띠며 서로 다른 화학식을 가지 는 무기 안료를 합성, 분광 광도계의 측정원리를 이해하여 각 샘플 에서 얻어지는 흡광 스펙트럼을 분석하여 비교, 탐구활동을 배경으 로 공학적으로 적용 (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 색깔이 짙은 무기 화합물은 페인트나 물감의 색깔을 나타내는 무기 안료(inorganic pigment)로 많이 이용된다. 안료는 액체 또는 고체 결합체와 혼합하여 사용하는데 안료를 사용하는 재질의 색깔을 바꾸어주거나 보호해 주는 역할을 한다. 안료로 사용되는 화합물 이 빛을 흡수하면 보색에 해당되는 색깔이 나타나게 된다. 이러한 안료의 종류는 다양하게 존재하는데 특히 유색 안료의 종류에는 어떤 것들이 있는지 조사해보고, 각각 어떤 색을 나타내는지 알아보자. 색깔 화합물 적색 산화 철(III)(Fe2O3), 사산화 삼납(Pb3O4), 황화 수은(HgS) 황색 크롬산 납(PbCrO4), 크롬산 아연(ZnCrO4), 황화 카드뮴-황화 아연(CdS-ZnS) 녹색 산화 크롬(III)(Cr2O3), 수산화 크롬(III)(Cr2O(OH)4, 염기성 아세트산구리(Cu(C2H3O2)-2Cu(OH)2, 코발트 크롬 그린(Cr2O3-Al2O3-CoO) 청색 감청(Fe4[Fe(CN)6]3, 코발트 블루(CoO-Al2O3), 군청(Na8-10(Al6Si6O24)S2-4) ◆ 안료와 함께 사용되는 결합제는 안료가 재질에 단단히 달라붙도록 해주는 역할 이외 에도 재질의 부식을 막아주는 역할도 한다. 페인트와 같은 경우에는 재질의 표면에 단단 한 필름을 형성하는 고분자 물질을 용매에 녹인 결합제를 사용한다. 최근에는 염색 및 부식 방지 이외에도 다양한 기능을 가진 기능성 페인트도 개발되고 있다. 이러한 기능 성 페인트가 지녀야할 기능이 어떤 것이 있을지 각자의 의견을 자유롭게 적어보도록 하자. 기능 종류 광학적 기능 형광, 광선택 흡수, 자외선 차단, 레이저용, 액정 표시 전기적 기능 절연, 대전 방지, 전파 흡수, IC용 열적 기능 발열, 내열, 방화, 저온 환경 보존과 안전 기능 결빙×착상 방지, 미끄럼 방지, 방사선 차단, 방음, 누출 탐지 생물적 기능 곰팡이 방지, 살충×방충, 선박 오염 방지 - 21 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 무기 안료 특성 이해하기 [탐구1] 무기 안료 탐구 * 염료와 안료의 차이점을 비교해 보고 유기 안료와 무기 안료에 대해 탐구해보기 * 무기 안료의 종류에 대해 조사하고, 어떻게 만들 수 있는지 조사 * 무기 안료가 색을 띠는 이유에 대해 설명 * 몇 가지 서로 다른 색을 띠는 무기 안료 합성해보기 * 각 반응 물질로부터 예상되는 침전물의 화학식 정리하기 * 주의사항: 실험에 사용하는 무기 화합물은 독성이 있으므로 실험 진행 시에는 반드 시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험하도록 지도 - 준비물 및 시약: 비커(100 mL) 2개 이상, 거름종이, 유리 깔때기, 염화코발트(CoCl2), 염화칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사사이아노철(II)산 칼륨(K4[Fe(CN)6]), 황산철(III) 산 암모늄-물(NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O), 규산나트륨(Na2SiO3) - 모둠별로 각 물질을 섞어 침전물을 얻은 후, 거름종이로 걸로 각 침전물을 얻기 - 얻은 침전물의 양과 색깔 결과를 아래의 표에 작성하기 ◆ 아래에 나타낸 표와 같이 A와 B를 반응시켜서 침전물을 만들고, 침전물의 색깔을 관찰하 고 적어보도록 하자. 반응 물질 A: B: A: B: A: B: A: B: A: B: A: B: 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 1.0 0.2 0.2 g CaCl2 g Na2CO3 g K4[Fe(CN)6] g CoCl2 g NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O g Na2CO3 g NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O g K4[Fe(CN)6] g CoCl2 mL Na2SiO3 g CoCl2 g Na2CO3 침전물 침전물 색깔 CaCO3 white CoFe(CN)6 ash green Fe(OH)3 brown KFe2(CN)6 blue CoSiO3 purple CoCO3 light purple - 23 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [탐구1] 무기 안료 탐구 - 설명하기: 염료와 안료의 차이점을 알아보고, 안료에 속하는 유기 안료와 무기 안료의 장단점을 비교해 보자. - 예측하기: 무기 안료가 색을 띠는 이유를 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 각 침전물의 화학식을 쓰고, 수득률을 계산해보자. * 수득률 = 실제로 얻은 양(mol) /이론적 수득량(mol) [탐구 2] 분광 광도계(spectrometer)의 원리 및 사용법 익히기 - 설명하기: 분광 광도계의 구성 요소 및 원리를 설명해 보자. 무기 안료가 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 영역과 안료가 띠는 색과의 관계를 설명하고, 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙에 대해 알아보자. - 예측하기: 무기 안료가 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 영역과 안료가 띠는 색과의 관계를 예측해 보고 토론해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 비어-람베르트의 법칙은 빛의 투과도, 농도, 및 큐벳의 길이와의 관계를 나타낸 법칙으로 아래에 나타낸 식으로 표현할 수 있으며, 시료 용액의 흡광도(A)는 단위를 쓰지 않는다. [탐구 3] 분광 광도계(spectrometer)를 이용하여 다양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석해 보자. - 설명하기: 시료 용액의 농도 변화에 따라 흡광 스펙트럼이 어떻게 변할지 토의해 보자. - 예측하기: 샘플의 농도 변화에 따른 흡광도의 세기가 어떻게 변하는지 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 시료 용액 색깔의 변화에 따라 흡과 스펙트럼이 나타나는 파장의 변화를 비교 분석하고 토의해 보자. 그리고 시료 용액의 농도와 흡수되는 빛의 양과의 상관관계를 분석해 보자. - 26 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 4) 공학적 적용 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 분광 광도계의 원리 이해 1) 분광 광도계: 시료 용액에 자외선 및 가시광선 영역의 빛을 쪼여주어 시료 용액의 흡광도 를 측정하는 장치 2) 분광 광도계의 원리: 광원에서의 빛을 시료 용액에 투과시킨 후에 투과된 빛의 강도 를 전기 신호로 변환하여 시료의 흡광도를 측정 비어-람베르트 법칙과 분광 광도계를 이용한 물질의 고유한 흡광 계수 산출 제목: 무기 안료의 농도에 따른 흡광도 분석 실험방법: 1. RGB 색을 내는 무기 화합물을 합성한다. 2. 다양한 농도의 시료 샘플을 만든다. 3. 각 농도에 따른 시료의 흡광도를 분석하고, 서로 비교한다. 4. 비어-람베르트의 법칙을 이용하여 빛의 농도와 흡광도 사이의 관계를 분석하고, 물질 의 고유한 흡광 계수(ε)를 측정한다. 100% 100% 투 과 50% 도 투 과 50% 도 25% 25% 1C 2C 3C 4C 5C I1 농도 I2 I3 I4 I5 광 경로 길이 5. 시료 샘플 농도에 따른 흡광도의 차이와 파장을 비교한다. 6. 흡광 그래프를 이용하여 미지 시료 샘플의 흡광 스펙트럼을 분석하여 미지 시료 를 추정해본다. - 27 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 탄소의 변신은 무죄 전남대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 이름 탄소의 변신은 무죄 주요 과목 과학 관련 단원 [중학교] 3학년 Ⅷ. 과학기술과 인류 문명 2. 과학기술과 인류 문명의 발달 관련 과목 기술가정 · 관련 단원 [중학교] 1권 Ⅳ. 기술의 발달과 생활 STEM 요소 S,T,E,M 지역 차시 5 개발자 과학적 원리의 발견이나 기술의 발달과 같은 과학기술이 우리가 살아가는 사회에 미친 영향은 다양하다. 인류 문명이 발달하는 과정에서 과학의 유용 성은 중요한 역할을 해 왔으며, 기술의 발달로 과학적 원리가 더욱 발전함 에 현대 사회와 미래 사회에 적용할 수 있는 과학기술의 영향은 지대해지고 있다. 이와 관련하여 탄소 동소체를 알아보고자 한다. 주요 수업 개요 동소체란 같은 원소로 이루어져 있지만 모양과 성질이 다른 물질을 일컫 는다. 탄소 동소체에는 흑연, 다이아몬드, 탄소나토튜브(CNT), 풀러렌, 그래 핀이 있다. 흑연과 다이아몬드가 탄소로 이루어져 있다는 사실은 일찍 알려 졌다. 연구가 진행되면서 탄소 동소체인 풀러렌이나 탄소나노튜브(CNT), 그 래핀이 발견되어 이것들의 활용성에 과학자들은 많은 관심을 가지고 있다. 이번 학습에서는 전문가에게서 탄소 동소체에 대한 개념을 배우고, 그것 의 활용성에 대해서도 함께 알아보며, 더불어 진로지도의 기회를 갖고자 한 다. 1차시 : 원자를 찾아서 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시 : 원자의 변신은 무죄 3차시 : 풀러렌, 그래핀, 흑연, 다이아몬드의 원자 구조 4차시 : 흑연 피아노 건반 5차시 : 진로지도 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 Ⅱ. 차시별 지도안 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 ▶ 1차시 학습 목표를 인지하게 한다. 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 현대 원자론의 형성 과정 설명 전개 1차시 (35분) ■ 활동지(질문지) 정리 ■ 활동지(질문지) 발표 ■ 학습 내용 정리 ▶ 유튜브 동영상 시청 : “A boy and his atom” 정리 (5분) ■ 형성평가 [첨부3] ■ 차시 예고 ▶ 주기율표에서 6번째 원소, C [첨부1] 학습 목표 1. 모든 물질이 원자로 이루어져 있음을 설명할 수 있다. 2. 원자 개념의 역사적 형성 과정을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 다음은 고대 철학자의 물질을 이루는 기본 성분에 관한 주장이다. 탈레스 (BC 624 ~ BC 546) 아리스토텔레스 (BC 384 ~ BC 322) 모든 물질의 근원은 물이다. 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙의 4가지의 조합으로 이루어져 있다. 위의 두 철학자의 주장에 대한 자신의 생각을 자유롭게 써서 발표해 보세요. 2. < O, X 퀴즈 > ① 물질을 이루는 기본 성분을 원소라고 한다. ( O ) ② 산소, 수소, 금, 철은 원소이다. ( O ) ③ 연필심과 다이아몬드는 구성 원소가 같다. ( O ) ④ 물은 수소와 산소로 분해되므로 원소가 아니다. ( O ) ⑤ 한 종류의 원소는 한 가지 물질만 구성할 수 있다. ( X ) [첨부3] 형성평가 1. 1905년 아인슈타인이 원자와 분자의 존재를 증명한 현상은? (브라운 운동) 2. 원자의 존재를 믿지 않았던 오스트리아 물리학자 마흐에 대한 자신의 견해는? - 3 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 2차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 원자, 분자, 고체 용어 정리 2차시 전개 (35분) ■ 탄소, 탄소 동소체 용어 정리 및 종류, 특성, 적용 ■ 활동지(질문지) 정리 ■ 활동지(질문지) 발표 ■ 학습 내용 정리 정리 ■ 형성평가 (5분) ■ 차시 예고 [첨부3] ▶ 결정 구조 모형 키트, 전자 오르간 키트 [첨부1] 학습 목표 1. 물질을 이루는 입자로서 원자와 분자를 구별할 수 있다. 2. 탄소 동소체의 예와 특성을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 원소와 원자를 구분해 보자. 예를 들어, 과일 바구니 속에 사과 3개, 오렌지 4개, 감 5개가 있다고 할 때, 원소와 원자를 과일과 대응하여 비교해 보시오. (과일 종류 vs. 원소 / 과일 낱개 vs. 원자) 2. 머리카락의 두께가 약 0.1mm라고 한다. 머리카락 두께의 길이에 수소 원자를 나란히 놓는다면 몇 개 의 수소 원자가 필요할까? (자유롭게 발표하게 한다 / 대략 100만 개) [첨부3] 형성평가 1. 탄소 동소체에는 어떤 물질이 있는가? (흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀) 2. 흑연과 다이아몬드의 전기적 특성의 차이는? (전기가 통한다 vs. 전기가 통하지 않는다) 3. 다이아몬드, 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌의 강도를 강철과 비교하면? (같은 두께의 강철보다 단단하다) - 5 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 3,4차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 활동1 ▶ 결정 구조 모형으로 한 가지 또는 두 가지 원소로 이루어진 분 자 조립 ▶ 모둠별 발표(준비물을 이용하여 조립할 수 있는 분자들에는 어떤 3,4차시 전개 (80분) 것들이 있나) ■ 활동2 ▶ 결정 구조 모형으로 탄소 동소체 조립(각 모둠별 1~2개) ▶ 모둠별 발표(구조적 특징을 말해보기) ■ 활동3 ▶ 전자 오르간 키트 조립 ▶ 모둠별 발표(전자 오르간 연주) ■ 활동 내용 정리 정리 (5분) ■ 차시 예고 ▶ 진로지도 [첨부1] 학습 목표 1. 물질의 기본 단위인 원자들이 또 다른 원자와 결합하여 분자를 이룰 수 있음을 이해하고, 다양한 분자 모형을 만들 수 있다. 2. 동일한 탄소 원자라도 다양한 구조적 형태로 결합할 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 특성을 가지는 물 질이 된다는 것을 말할 수 있다. 3. 탄소로 이루어진 흑연을 이용하여 길이에 따라 서로 다른 음을 내는 피아노 건반을 만들 수 있다. 4. 흑연 건반의 길이에 따라 전류의 흐름이 달라지는 특성을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 자신이 알고 있는 간단한 물질의 화학식을 발표해 보자. (H2O, H2, CO2, NH3 등) 2. 자신이 알고 있는 간단한 분자의 형태는 어떨지 상상해서 발표해 보자. (자유롭게 발표하게 한다.) 3,4차시 학습자료 3,4차시 학생 활동지 활용 - 7 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 5차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ ‘나’에 대한 질문 ■ 영화 및 드라마 속 다양한 직업의 세계 ■ 전남대학교 학과 소개 5차시 ■ 이공계 전공을 선택했을 때 가능한 진로 소개 전개 (38분) ■ 물리의 다양한 전공 분야들 소개 ■ 생각해 보기 ▶ 나에 대하여 떠오르는 생각들을 마인드맵으로 나타내기 ▶ 발표하기 정리 ■ 활동 내용 정리 (2분) [첨부1] 학습 목표 1. 영화나 드라마 속에 등장하는 다양한 직업을 말할 수 있다. 2. 지역 사회에 있는 대학교 학과와 이공계를 선택했을 때의 진로에 대해 말할 수 있다. 3. 자기 자신에 대한 이미지나 기대, 자신의 특징 등을 구체화함으로써 앞으로 어떠한 진로를 택하는 것이 좋을지 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 나는 어떤 사람인가? (예: 혼자 있기를 좋아한다) 2. 나는 무엇을 할 때 즐거운가? (예: 글을 쓰는 것이 재미있다) 3. 나는 어떤 삶을 살고자 하는가? (예: 정시 출퇴근을 할 수 있는 직업인의 삶, 일반적인 기준에서 벗어 나더라도 몸과 마음이 자유로운 삶) - 8 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용: 구강 건강 중심으로 강원대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램 이름 주요 과목 관련 과목 STEM 요소 강원대학교 과학영재교육원 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용: 구강 건강 중심으로 생명과학Ⅱ 과학탐구실 험 S, T, E, M 관련 단원 Ⅵ. 생명 공학의 기술 관련 단원 Ⅲ. 첨단과학의 탐구 지역 보조 주 개발자 개발자 최근 우리 사회의 중요한 가치로서 반려동물과 함께하는 삶에 대한 가치 가 그 중요성을 더해가고 있다. 이번 활동을 통하여 반려동물의 질병에 대 주요 수업 개요 한 이론적 지식을 습득하고, 이를 예방하기 위한 진단 도구로서 바이오마 커를 위한 분자진단에 대해 알아보고 직접 분자진단을 이용하는 실습을 한 다. 이러한 생물정보학 기반 의학적 진단 경험을 바탕으로 반려동물의 건 강한 삶을 위한 반려동물 의료보험 정책에 대해 의사 결정 할 수 있는 방 법을 배운다. 1차시 애완동물, 반려동물, 반려동물 질병 2차시 유전자, 염기서열결정법, 생물정보학, 분자진단 3차시 PCR, DNA 전기영동, 프라이머, 바이오마커 4차시 생물정보학, NCBI, 프라이머 5차시 동물보호, 반려동물 질병, 반려동물 의료보험(펫 보험) 차시별 주요내용 (키워드 위주) 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 Ⅲ 교사용 활동지 교사용 지도서 [1차시] 반려 동물의 건강을 위협하는 질병 조사하기 수업 안내 • 1차시는 반려동물의 개념과 반려동물의 질병에 대한 조사 활동으로 구성하였다. 과학적 의사소통에서 가장 기본적인 출발점은 논의하고 있는 개념에 대한 정확한 이해에서 출발한다고 할 수 있다. 일상적으로 많이 사용하고 있는 애완동물과 반려동물이라는 용어에 대해 소개하면서 시작할 수 있다. • 이번 차시 활동에서는 반려동물 관련 이슈를 검색해보고 질병에 대해 조사하는 활동을 한다. 생각열기 우리 집에 있는 개와 고양이 등의 동물을 어떻게 불러야 할까? 애완 동물이라고 부를까, 아니면 반려 동물로 부를까? 애완 동물과 반려 동물의 뜻에 대해 우리가 알고 있는 생각을 정리해봐요. 애완동물 반려동물 Ÿ 햄스터 같은 귀엽고 작은 동물 Ÿ 고양이나 강아지 처럼 크고 오래사는 동물 Ÿ 보다 익숙한 표현 Ÿ 굳이 이런 표현을 써야할까? 수업 TIP • 페들렛 캔버스 기능을 활용하여 실시간으로 공유하거나 구글 설문을 활용하여 의견을 수집한 후 수업 정리활동 으로 공유하고 개념을 정리할 수 있다. • 표준국어대사전으로 보는 애완동물과 반려동물 > 애완-동물(愛玩動物): 좋아하여 가까이 두고 귀여워하며 기르는 동물 > 반려-동물(伴侶動物): 사람이 정서적으로 의지하고자 가까이 두고 기르는 동물 표준국어대사전 바로가기(https://stdict.korean.go.kr) • 동물보호법으로 보는 반려동물 > 제2조(정의) 1항3호. “반려동물”이란 반려(伴侶) 목적으로 기르는 개, 고양이 등 농림축산식품부령으로 정하는 동물을 말한다. 동물보호법 바로가기(https://www.law.go.kr/동물보호법) 17 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [2차시] 교사용 활동지 생물정보학과 분자 진단 수업 안내 • 2차시에서는 생물정보학과 분자 진단과 관련된 개념 지식에 대해 자료를 조사하고 조사내용을 구글 사이트 도구를 통해 공유하는 활동으로 구성하였다. 난이도가 있는 생물정보학에 대한 스캐폴드를 제공하기 위해 과학기술의 발전과 인간의 미래를 주제로 한 영화를 소개하면서 시작할 수 있다. • 영화와 관련된 유투브 영상은 수업 전 보고 올 수 있도록 한다. 수업에서는 혹시 보고 오지 않은 학생이 있을 수 있으므로 짧은 길이의 동영상을 준비하여 수업 시간에 보여주면 좋다. 생각열기 GATTACA가 보여주는 미래 사회 영화 ‘가타카(GATTACA)’는 1997년 개봉된 영화로 사람의 계급층이 유전자에 의해 결정되며, 임신 중에 유전자 검사를 통해 선별적으로 출산을 결정할 수 있다는 내용이 다. 최근에 개발된 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위라는 기술을 활용한다면 영 화 속 이야기는 현실이 될 수도 있다. • GATTACA 유투브 영상 주소: https://youtu.be/tzG3I7nMEks 출처: 나무위키 • 수업용 짧은 주소: https://youtu.be/W_KruQhfvW4 영화 따라잡기: 주인공 3명의 이름의 의미에 대해 조사해보기 이름 Vincent Anton Freeman Irene Cassini Jerome Eugene Morrow 이름의 의미 찾기 Vincent: ‘to conquer’로 정복자를 의미, 한계를 넘어섬 Anton: ‘Anthony-praise worthy’에서 유래, 형의 이름 Freeman: 자유인으로 의미, 외부의 제약으로부터 자유로움 Irene: ‘peaceful’의 의미 Cassini:‘토성고리를 발견한 천문학자’를 의미. 밝은 지점 사이의 어두운 영역의 의미로 이해됨 Jerome: ‘sacred name’ 신성한 이름의 의미 Eugene: ‘well born’의 의미 Morrow: ‘to-morrow’ 내일 즉, 미래를 의미 수업 TIP • 페들렛을 이용하여 주인공의 이름의 의미를 공유한다. 이름 의미 찾기 활동은 1차시에 적용했던 ‘애완동물과 반려동물 용어의 차이 생각해보기’ 활동과 연계된 활동이다. 과학 분야 뿐만 아니라 의사소통 과정에서 개념의 의미를 공유할 수 있도록 정의하는 것은 중요하지만 놓치기 쉬운 부분이다. 24 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [3차시] 교사용 활동지 나도 과학자: DNA를 추출해보자. 수업 안내 • 3차시에서는 개념 지식 위주의 수업에서 벗어나 생물정보과 관련된 실험 역량을 키울 수 있는 활동으로 구성하였다. 이를 위해 비교적 쉽게 구할 수 있는 구강 세포로부터 DNA를 추출하고 전기영동을 이용하여 추출한 DNA를 확인하는 활동을 수행한다. 마이크로 피펫과 전기 영동에 대해 경험한 적이 없는 학생의 경우에는 2차시로 구성하여 마이크로 피펫 사용법과 전기 영동 겔만들기 활동을 1차시에 수행하고 2차시에는 제시된 활동을 수행하는 것이 좋다. 활동 구강 세포를 이용하여 DNA를 추출하기 Ⅰ. 활동 목표: Kit를 이용하여 구강 상피세포 DNA를 추출할 수 있다. Ⅱ. 준비물 ▢ DNA 추출 kit ▢ 1% agarose gel ▢ 증류수(Distilled water, DW) ▢ 6× Loading dye ▢ DNA ladder ▢ 1 × TAE Buffer ▢ 마이크로피펫 ▢ 1.5ml 원심분리튜브 ▢ 원심분리기 ▢ Vortex mixer ▢ 히팅 블록(혹은 항온수조) DNA 추출 전 해야 할 일!!! ◉ 히팅 블록(항온 수조)의 온도를 90℃로 예열해 둔다. 마이크로 피펫 사용법 익히기 ◉ 1번 그림과 같이 버튼을 누른 상태에서 시약에 담근다. ◉ 2번 그림과 같이 버튼을 천천히 놓으면서 시약을 채취한다. ◉ 3번 그림과 같이 버튼을 천천히 누르면서 시약을 용기에 주 입한다. ◉ 4번 그림과 같이 버튼을 끝까지 눌러준다. 29 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 교사용 활동지 [4차시] 바이오마커의 꽃: 프라이머 제작해보기 수업 안내 • 4차시에서는 생물정보학과 관련된 지금까지의 활동을 토대로 반려동물의 질병 검사를 위한 분자 진단 도구의 제작 과정 중 일부를 체험해보는 활동으로 구성하였다. 비교적 난이도가 높은 활동으로 활동 내용에 대한 이해에 초점을 맞추기 보다는 과학자들의 연구 활동을 체험해보는 체험 활동에 초점을 맞추어 지도할 필요가 있다. 이를 위해 질병에 대한 정보 검색하기 → 질병에 대한 원인균 찾기 → 원인균을 찾을 수 있는 분자진단 정보 검색하기 → 분자진단용 프라이머 선택하기 활동으로 구성하였다. 활동 구강 세포를 이용하여 DNA를 추출하기 NCBI활용 바이오마커 개발용 프라이머 설계 흐름도 수업 TIP • 난이도가 높은 활동이므로 모둠을 구성하여 활동하는 것이 효과적이다. 교육적 여건이 허락한다면 동료교사와 팀 티칭으로 수업을 운영하는 것을 추천한다. 팀 티칭을 할 수 없는 경우는 학급에서 컴퓨터 사용이 능숙한 학생이나 생명과학에 관심이 있는 학생을 3~4명 정도 선발해서 사전 학습을 수행하여 보조 강사로 참여시키는 것도 가능하다. 수업 모둠은 3명을 한 모둠으로 편성하고 보조 강사가 2개의 모둠을 담당하면 적절할 것으로 보인다. • 이번 차시의 수업은 수업 결과물을 만들기 보다는 각각의 학생들이 분자 진단 키트 제작 과정을 체험해보는 데 초점을 맞추어 수업 속도를 조절하는 것이 중요한 수업 포인트이다. 37 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [5차시] 교사용 활동지 반려동물 의료보험 정책 결정 수업 안내 • 5차시에서는 첨단과학기술의 발달로 인해 야기되는 사회∙윤리적 쟁점 즉 ‘과학기술관련 사회쟁점(SSI)’에 대해 합리적이고 책임감 있게 의사결정하고 실천할 수 있는 기회를 제공하기 위한 활동으로 구성하였다. • 이번 차시의 활동은 미래세대 과학교육표준(KSES)과 SSI 교육에서 강조하고 있는 ‘미래사회가 요구하는 인재는 단순히 지식을 풍부히 갖춘 인재가 아니라 협력과 소통을 바탕으로 창의적 사고력과 문제해결력 등의 역량을 발휘하여 책임 있는 시민으로서 삶과 사회의 문제를 해결해 갈 수 있는 인재’라는 관점에서 수업 모델을 구안하였다. • 이를 위해 적용한 수업 모형은 SSI 수업 모형 중 의사결정 모형에 해당하는 집단적 합의 수업 모형을 적용하였다. 수업 TIP • 반려동물 의료보험에 대한 쟁점에 대해 학생 스스로 문제 의식을 갖고 접근하고 쟁점 해결을 위한 실천 방안과 정책 결정에 참여할 수 있도록 교사의 개입을 최소로 한다. • SSI 수업 모형 분류 이현주 외 2인(2014) 45 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 질병을 이해하자_백신 가천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 가천대학교 영재교육원 프로그램 질병을 이해하자_백신 이름 주요 과목 수학, 관련 과목 관련 단원 생물II 학, 미생물, 면역, 분자생물학 의 기술, 관련 단원 공학 STEM 요소 주 개발자 주요 수업 개요 S, T, E, M 지역 보조 개발자 코로나 바이러스와 바이러스 질병에 대해 이해한다. 코로나 바이러스 질병에 대한 감염 여부와 질병 진단법에 대한 지식을 습 득한다. 질병에 대처하는 인체의 면역 시스템을 이해한다. 백신의 원리와 여러 가지 백신의 제조 기술과 제조 방법을 알아본다. 백신의 일반적인 작용 원리와 종류, 그리고 현재 코로나 19 바이 1차시 러스에 대비해 전 세계적으로 사용되고 있는 백신들에 관한 내용 으로 진행된다. 분자 테크닉으로 개발된 백신을 다루는데 항원에 해당하는 단백 2차시 차시별 신에 대해서 알아본다. 바이러스 외피의 단위체 유전자의 mRNA 를 주입하는 RNA 백신에 대해 알아본다. 바이러스 외피의 단위체 유전자가 재조합된 DNA를 직접 주입하 주요내용 (키워드 위주) 질을 유전자 재조합으로 생산하여 백신으로 사용하는 단백질 백 3차시 는 DNA 백신과 재조합 DNA가 함유된 바이러스 벡터를 항원으 로 주입하는 바이러스 벡터 백신에 대해 알아본다. 4차시 5차시 바이러스 외피의 스파이크 단백질 유전자의 mRNA를 주입하는 RNA 백신에 대해 알아본다. . 감염병의 전파와 질병에 대한 집단면역을 간략히 알아보고 여러 가지 바이러스 질병의 치료제에 대해 그 작용 원리와 효과를 공 부한다. 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 백신의 효과 와 제작 원리 2. 여러 가지 백신의 차이점 - 13 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업에서 얻은 결론 1. 유전자 재조합으로 인체 단백질을 제작하는 원리와 과정 2. 단백질 백신의 제작 과정 - 30 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. DNA 백신과 RNA 백신의 비교 2. 재조합 DNA를 세포에 주입하는 방법 3.바이러스 벡터 백신의 제작 과정 - 44 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. mRNA 백신의 본질과 구조와 제작 과정 2. mRNA 백신의 제작 과정 3. mRNA 백신의 장단점 - 62 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. COVID-19의 치료제와 작용 원리 2. 집단 면역 3. 국가적 방역 대책mRNA 백신의 장단점 - 79 - )학년 성명 ( ) 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 세상을 바꾼 바이러스 가천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 가천대학교 영재교육원 프로그램 세상을 바꾼 바이러스 이름 주요 과목 수학, 관련 과목 관련 단원 생물II 학, 미생물, 면역, 분자생물학 의 기술, 관련 단원 공학 STEM 요소 주 개발자 주요 수업 개요 S, T, E, M 지역 보조 개발자 코로나 바이러스와 바이러스 질병에 대해 이해한다. 코로나 바이러스 질병에 대한 감염 여부와 질병 진단법에 대한 지식을 습 득한다. 질병에 대처하는 인체의 면역 시스템을 이해한다. 백신의 원리와 여러 가지 백신의 제조 기술과 제조 방법을 알아본다. 바이러스에 대한 이해를 위해 일반적인 바이러스의 본질, 구조 1차시 및 형태, 종류와 분류 방법, 그리고 바이러스에 의해 유발되는 대 표적인 질병들을 알아보고, 코로나 19 바이러스의 본질에 대해 공부한다. 바이러스에 의한 질병의 진단과 백신의 제작과 작용 원리에 대한 2차시 차시별 체의 면역 반응을 이해한다. 주요내용 (키워드 위주) 이해를 돕기 위해 기초적인 면역학 및 항원과 항체의 원리 및 인 3차시 유전자 증폭을 위한 PCR 기법, 유전자 변형 및 재조합 기술, 그 리고 인체로의 외부 유전자 도입 등을 학습한다. 바이러스 질병의 진단방법을 공부하는데, 항원과 항체를 이용한 4차시 면역진단법과 PCR을 활용한 분자진단법의 원리와 활용법을 익힌 다. 5차시 전문가의 특강으로 기업 연구소에서 개발한 국내의 분자진단 시 약에 대한 특강으로 진행된다. 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 성명 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 코로나 19 바이러스의 정체 2. 코로나 19 바이러스의 구조 규명이 질병의 진단과 백신 개발에 왜 중요한가? - 21 - ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 인체 방어는 어떻게 일어나며 면역의 종류는 어떤 것들이 있나? 2. 항체의 다양성은 어떻게 나타나나? - 38 - 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 성명 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. COVID-19의 진단과 백신 제작에 왜 분자 테크닉이 필요한가? 2. 분자 테크닉은 어떤 것들이 있으며 어떻게 활용되는가에 대해 기술 3. PCR과 RT-PCR의 차이와 활용법 - 54 - ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 면역진단법의 원리 2. 면역진단법의 장단점 - 67 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 분자진단법의 원리 2. 분자진단법의 장단점 - 73 - )학년 성명 ( ) 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 이차원 벌집구조 물질과 응용성 알아보기 경북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 경북대학교 과학영재교육원 프로그램 이차원 벌집구조 물질과 응용성 알아보기 이름 주요 과목 관련 과목 STEM 요소 화학1 과학2, 과학3 S, T, M 관련 단원 관련 단원 3.화학 결합과 분자의 세계-화학 결합, 분자의 구조와 성질 1.물질의 구성-이온, 1. 화학 반응의 규칙과 에너지 출입-화학 반응 지역 보조 주 개발자 개발자 본 프로그램에서는 거대고리 금속화합물을 기반으로 이차원 구조의 물질 합성과 특성을 통하여 물질을 이루는 구조에 대한 기본 원리와 분자 및 이 온의 결합 특성에 대하여 탐구하고, 이러한 이차원 물질의 구조를 근거로 주요 수업 개요 한 성질을 토대로 하여 금속이온 흡착에 의한 물질의 분리에 대한 개념을 이해하고 화학 반응과 흡광도에 대하여 탐구를 수행한다. 학습한 화학적 개념과 원리를 적용하여 거대고리 금속화합물을 포함한 이차원 구조와 특 성을 이해하고 금속이온을 흡착에 따른 용액의 흡광도를 비교함으로써 화 학적 상호작용을 이해한다. 학습한 화학 개념이 어떻게 적용되는지 이해하 고 학생들 간에 서로 공유한다. 차시별 1차시 물질의 구조, 분자간의 힘, 분자간의 결합 2차시 물질의 분리, 금속이온의 흡착, 흡광도 3차시 화학 결합, 화학 반응, 흡착, 농도변화 4차시 흡착자료의 해석, 진로지도, 직업탐구 주요내용 (키워드 위주) [ STEM 생각교실 교육 프로그램 ] 차 시 1 거대고리 금속화합물이 포함된 이차원 물질을 이해하기 위한 기초적인 화학 개념 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집 구조의 물질을 구성하는 거대고리 금속착물과 배위결합의 원리와 관련된 기초적인 화 학 개념 및 원리를 설명할 수 있다. 2. 육각벌집 구조의 장점을 찾고 거대고리 금속착물이 벌집 구조로 나타나는 이유를 도형을 이용하여 설명할 수 있다. 3. 소프트웨어(SW)를 활용하여 물질의 구조를 입체적으로 나타낼 수 있다. ■ 주요 학습 개념 벌집에서 캐낸 육각구조의 첨단 과학 벌집의 육각형은 최소한의 재료로 최대한의 공간을 확보하는 가장 경제적인 구조이다. 그 이유는 무엇일까? 바로 빈틈을 만들지 않는 경제적인 구조이기 때문이다. 정육각형 모양의 구조물은 평면에 서로 붙여 놓았을 때 변이 맞닿아 있어 빈틈이 없다. 물론 정삼각형, 정 사각형도 틈이 생기지 않기는 마찬가지다. 하 지만 정삼각형은 재료가 많이 필요하고 정사 각형은 외부의 힘이나 충격에 비틀리거나 찌 그러져 변형되기 쉽다. 그러나 속이 빈 정육각 형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견고할 뿐 아니라 안정적이다. 벌집의 완벽한 정육각형 구조물은 아무 리 세찬 바람이 불어도 끄떡하지 않을 듯이 튼튼해 보인다. 단체 생활을 하는 꿀벌의 입장에서 같은 양의 재료로 가장 효율적인 공간을 확보할 수 있는 육각형 구조는 매력적이지 않을 수 없을 것이다. 이런 꿀벌의 지혜를 최첨 단을 달리는 인간이 빌려오고 있다. 우리도 Tinkercad를 활용하여 주어진 도형만으로 안정적인 구조물을 만들어 봅시다. ■ 학생 활동지 해설 [기초 개념 학습] 1. 벌집모형(구조)에 대한 탐구 - 벌집 모양의 구조를 가지고 있는 대표적인 물질인 그래핀의 구조를 확인해봅시다. 예시) 그래핀 - 90 - 차 시 2 거대고리 금속화합물이 포함된 이차원 물질을 응용하기 위한 핵심적인 화학 개념 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집구조 물질을 이용한 금속 흡착의 핵심적인 화학 개념 및 원리를 설명할 수 있다. 2. 거대고리 분자의 흡착 물질이 우리 인체에서 어떤 작용을 하는지 원리를 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 • 우리 삶을 변화시키는 흡착 - 코로나19 바이러스로 인해 우리 삶은 이전은 기억할 수 없을 만큼 많은 변화가 일어났다. 그 중 가장 큰 변화 는 바로 ‘마스크 착용’ 일 것이다. 마스크는 일반적으로 가장 손쉽게 사용할 수 있으며, 가장 효과적인 감염병 예방 방법 중 하나이다. 이런 마스크의 효율을 높이는 방법은 바로 ‘흡착’이다. - 흡착은 어떤 물질이 다른 물질에 달라붙는 것으로, 다양한 물리적 또는 화학적 상호작용으로 인해 발생한다. 흡 착을 이용하여 물질을 분리하는 예로는 거름종이, 정수기, 에어컨 필터 등이 있다. 우리는 이번 실험을 통하여 거대고리 화합물이 포함된 이차원 물질을 이용하여 물질의 흡착과 분리에 대하여 이해하고 이런 과정이 우리 인체에서 어떤 상관관계가 있는지 알아보고자 한다. - 흡착을 용액 중에서 설명하는 간단한 방법으로 Beer-Lambert 법칙이 있다. 자외선 혹은 가시광선을 용액에 비 추었을 때 용액 속의 물질이 빛의 일부를 흡수하고 나머지는 통과하는 것을 적용한 법칙이다. 즉 용액이 빛을 많이 흡수하면 물질의 농도가 진하다고 할 수 있고, 용액이 빛을 적게 흡수하면 물질의 농도가 작다고 말할 수 있다. • 인체와 흡착의 원리 - 흡착이라고 하면 물건에서만 흡착이 일어날 것 같지만, 지금 우리 몸에서도 흡착이 일어나고 있다. 바로 적혈구 와 산소이다. 적혈구는 붉은색 색소인 헤모글로빈을 포함하고 있다. 그런데 이 헤모글로빈이 산소 친화도가 높은 헴(Heme)을 가지고 있고, 이 헴기(Heme group)의 철 이온(Fe2+)이 산소와 결합하여 적혈구가 산소를 운반하게 된다. 철 이온과 산소와의 상호작용은 강한 흡착이라고 표현할 수 있으며 화학결합(배위결합)이라고 한다. ■ 학생 활동지 해설 [ 기초 개념 학습 ] 1. 흡착이란 무엇일까요? 어떤 물질이 다른 물질에 달라붙는 것이다. 2. 아래 예시에서 흡착의 종류를 구별해봅시다. - 93 - 차 시 3 이차원 벌집구조의 물질을 이용한 금속이온 흡착 실험 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집구조의 물질을 이용하여 금속을 흡착하고, 이를 확인하여 일상생활과 관련된 금속 흡착을 이해한다. 2. 실험 과정 및 결과 산출 과정에서 의사소통과 협력적 태도를 함양한다. 3. 소프트웨어(SW)를 활용하여 실험 결과를 분석하고, 금속 흡착을 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 흡광도는 물질이 빛을 흡수하는 정도를 의미한다. 이 흡광도는 물질을 분석할 때 많이 쓰이는데, 대표적으로 DNA 와 RNA 등 다양한 바이오 실험 정량에서 사용한다. 생명과학 실험을 하는 연구자라면 하루에도 몇 번씩 시료의 흡광도를 측정하고 있다. 그렇다면 흡광도는 어떤 원리로 측정되는 것일까? 흡광도 측정을 이해하기 위해서는 Beer-Lambert 법칙과 모든 물질은 고유의 흡광도가 있다는 사실을 이해해야 한다. ■ 학생 활동지 해설 [실험하기] 스마트폰을 이용한 구리(II) 이온의 정량적 분석 용액의 농도를 알아내는 방법으로 흔히 사용하는 것으로는 자외-가시선 분광광도계이다. 이는 고가의 장치로 대학과 같은 연구기관 외에서는 접하기가 어려운 기기이다. 최근 스마트폰의 광범위한 보급으 로 색에 대한 정보를 알 수 있기에 이를 이용하여 간단하게 농도를 알 수 있다. 따라서 본 실험은 ICT 기반한 금속 이온을 확인하는 실험이다. 준비물: 이차원 물질, 같은 농도 구리(II) 용액 3개(용매: 에탄올 20 mL, CuCl2•3H2O, FW = 188.498 g/mol), 바이알(20 mL, 5개), 매스실린더, 약숟가락, 유산지, 사용 가능한 스마트폰 무료 앱: Color Grab/Android, ColorAssist/iOS, 기타 등등) - 96 - 차 시 4 흡착 실험 결과의 발표 및 진로 탐색 ■ 학습 목표 1. 평가 및 발표를 통하여 다른 모둠의 아이디어를 공유하고 문제해결 능력을 신장시킬 수 있다. 2. 차시별로 경험한 학습들이 화학, 공학 분야의 진로와 어떤 관계가 있는지 토론하고 그 과정을 통해 우리 생활에서 화학 분야의 중요성에 대해 인식할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 물질의 농도와 흡광도 간의 관계, 화학 및 공학과 관련된 진로와 직업 탐구 ■ 학생 활동지 해설 [활동 결과 발표하기] 발표 실험 결과 사진 및 그래프 공유, 실험 결과 해석 발표 내용 평소 학교에서 하던 실험과는 조금 달라서 신기했다. 과학자가 된 것 같은 기분이 들어 좋았다. 실험 소감 다른 장치 없이 휴대폰으로 흡광도를 측정하고, 이 결과를 스스로 계산하여 그래프를 그리고 의미 있는 결과를 도출해냈다는 사실이 뿌듯하다. 처음에는 내용이 복잡하고 어렵게 느껴졌는데, 막상 하고 나니 재미있었다. 또 해보고 싶다. [토론하기] 1. 각 차시별로 활동한 내용과 관련된 직업은 무엇이 있을지 이야기하고 왜 그렇게 생각하는지 발표해보자. 차시 활동 내용 SW를 활용한 1차시 입체 구조 만들기 관련 직업 및 그렇게 생각한 이유 건축설계사 – 안정한 구조물을 만드는 것이 건축설계사 같아서, 조경사 – 아름다운 건축 구조물을 만드는 것도 중요한 것 같아서, 과학자 – 새로운 물질을 만들어 내니까 화학 공학자 – 새로운 물질을 만들어서 공장에서 활용하니까 2차시 흡착의 이해 및 실생활 예시 기업 연구원 – 정수기가 다양한 연구를 통해 흡착이 잘되는 것처럼 여러 기업에서도 연구원들이 정수기같이 새로운 물품을 발명하기 때문에 화학자 – 새로운 물질을 만들어서 연구하니까 실험 및 SW를 3차시 활용한 실험 결과 분석 앱 개발자 – 만들어낸 물질을 분석하기 위해서 다양한 어플리케이션을 개발하니까 환경 연구자 – 화학적인 물질을 이용하여 환경을 정화하는 것이 실험과 비슷하니까 - 100 -