시계열 데이터 분석 입문 인천대학교 과학영재교육원 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 1 프로그램 개요 학교급 프로그램명 중학교 1학년 시계열 데이터 분석 입문 1. 프로그램 소개 최근 빅데이터 분석에 대한 가치가 증가하면서, 다양한 분야에서 다양한 종류의 데이터 분 석이 활발히 시도되고 있음. 시계열 데이터는 시간의 흐름에 따라 변하는 데이터를 의미하 며, 계절성, 주기성 등의 특성을 보유한 데이터로, 데이터 분석이 시도되는 가장 대표적인 데이터 중 하나임. 본 교재의 주 목표는 학생들에게 시계열 데이터의 특성을 이해하고, 프로 그래밍 실습을 통해 시계열 데이터를 분석할 수 있는 기초 역량을 기르기 위한 목적으로 설 계되었음. 구체적으로, 시계열 데이터의 이론적 기초에 대한 소개, 시계열 데이터 분석을 위 한 기초 프로그래밍 및 기초 분석 실습을 수행한 후, 직접 샘플데이터에 기반한 기초 분석 을 수행해보는 형태로 구성되어 있음. 시계열 데이터는 데이터마이닝 중 가장 학생들이 접 하고 이해하기 쉬운 데이터로, 이러한 교육을 통해 학생들이 데이터 분석에 흥미를 느끼고 해당 분야로의 진로를 소개해줄 수 있는 좋은 기회가 될 수 있을 것으로 기대됨. 3 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 2. 프로그램 개요 구분(단계) 중등 심화(사사) 분야 중1 정보 영역 관련 교육과정 프로그램 목표 정보 개발 차시 4차시 데이터 시계열 데이터의 정의 및 특성을 이해하고, 프로그래밍을 통해 간단한 분석을 수행해 볼 수 있다. 3. 프로그램 차시별 내용 차시 1 2 3 4 4 주요 활동/내용 준비물 • 시계열 데이터의 다양한 특성과 이를 분석할 수 있는 방법들에 대해 이 론적으로 이해한다. • 시계열 데이터 분석 프로그래밍을 수행하기 위한 파이썬 기초 프로그 래밍 지식을 이해하고 실습해본다. • 파이썬 프로그래밍을 통해 시계열 데이터를 다뤄보고, 시각화해본다. • 시계열 데이터의 분해 방법들을 적용하고 시각화해보면서 시계열 데이 터의 기초적 특성을 이해한다. 노트북 혹은 PC 노트북 혹은 PC 노트북 혹은 PC 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 2 차시별 교수· 학습 지도안 관련 교과 학습 목표 핵심 역량 중1 정보 영역 데이터 수업 차시 4 시계열 데이터의 정의 및 특성을 이해하고, 프로그래밍을 통해 주어진 시계열 데이터에 대한 분석을 수행할 수 있다. □ 창의적 문제해결 능력 □ 자연현상의 기술공학적 적용 □ 고등 수학적 추론 능력 □ 학문적 개념의 통합적 활용 □ 융합 및 응용 능력 □ 과학적 개념의 실생활 응용 □ 수학적 의사소통 및 협업 능력 □ 학습활동을 통한 첨단과학기술의 이해 ▣ 정보처리 및 도구 활용 능력 □ 기타( ) □ 수학적 태도와 실천 의지력 □ 기타( 주요 교수 방법 ) ▣ 설명식 교수 □ 토의·토론 학습 □ 협력 학습 □ 탐구 학습 ▣ 프로젝트 학습 □ 모델링 □ 놀이 및 게임 학습 □ 기타( ) 수업단계 교수⋅학습 활동 수업자료 및 유의점 시계열 데이터의 이론적 기초 확립 도입 (1차시) - 시계열 데이터의 기본적인 개념에 대한 이론적 설명 - 시계열 데이터에 대한 다양한 예시 제공 및 자료 탐색 - 시계열 데이터의 특성에 대한 이론적 설명 교재 - 각 예시에 대한 특성 존재 여부 및 정도 등에 대한 이론적 설명 시계열 데이터 분석을 위한 기초 프로그래밍 지식 습득 - 파이썬 프로그래밍 기초 (조건문, 순환문, 함수 등) 소개 및 실습 전개 (2~3차시) - 데이터 처리를 위한 라이브러리 소개 및 실습 - 데이터 시각화를 위한 라이브러리 소개 및 실습 시계열 데이터의 기초 분석 교재 기반 실습 - 샘플 시계열 데이터 시각화 프로그래밍 실습 - 시각화기반 시계열 데이터의 특성 이해 시계열 데이터의 심화 분석 - 시계열 데이터 분해 기법 적용 프로그래밍 실습 정리 및 평가 (4차시) - 샘플 데이터 기반 시계열 데이터 분해 및 요소별 시각화 - 시각화된 결과에 기반한 데이터의 특성 해석 연습 - 직접 다른 종류의 데이터를 다운로드 받아 수행해볼 수 있도록 권 교재 기반 실습 및 응용 장 5 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 3 평가 계획 및 기준안 프로그램 시계열 데이터 분석 입문 명 관련 교과 학습 목표 중1 정보 영역 데이터 해당 수업 차시 4 시계열 데이터의 정의 및 특성을 이해하고, 프로그래밍을 통해 주어진 시계열 데이터 에 대한 분석을 수행할 수 있다. 1) 시계열 데이터의 정의 및 기본적 특성에 대한 이해정도 평가 평가 내용 2) 프로그래밍을 통한 시계열 데이터 처리 등에 대한 구현 역량 평가 3) 시계열 데이터 분해 기법에 대한 이해 평가 4) 시계열 데이터 분해 결과 해석 역량 평가 평가 방법 자기 평가 및 관찰 평가 1. 시계열 데이터의 정의 및 기본적 구성요소 (특성)에 대해 설명할 수 있다. 2. 데이터 분석에 활용되는 대표적인 파이썬 라이브러리를 알고 있으며 그 중 일부를 사용하는 법을 알고 있다. 평가 기준표 3. 주어진 시계열 데이터에 대해 프로그래밍을 통해 전처리 및 시각화를 수 행할 수 있다. 4. 시계열 데이터의 분해 기법 중 한 가지 이상 동작 과정에 대해 설명할 수 있다. 5. 새롭게 주어진 시계열 데이터에 대해, 분해 기법을 적용하여 분석하고, 자신의 해석을 담은 분석 결과를 도출할 수 있다. 6 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 4 학생 활동지 프로그램 명 : 시계열 데이터 분석 입문 소속 학교 이름 영역/단원 학습주제 ▢ 차시 데이터 4차시 시계열 데이터의 정의 및 특성을 이해하고, 프로그래밍을 통해 주어진 시계열 데이터에 대한 분석을 수행할 수 있다. 교재 소개 최근 빅데이터 분석에 대한 가치가 증가하면서, 다양한 분야에서 다양한 종류의 데이터 분 석이 활발히 시도되고 있음. 시계열 데이터는 시간의 흐름에 따라 변하는 데이터를 의미하 며, 계절성, 주기성 등의 특성을 보유한 데이터로, 데이터 분석이 시도되는 가장 대표적인 데이터 중 하나임. 본 교재의 주 목표는 학생들에게 시계열 데이터의 특성을 이해하고, 프로 그래밍 실습을 통해 시계열 데이터를 분석할 수 있는 기초 역량을 기르기 위한 목적으로 설 계되었음. 구체적으로, 시계열 데이터의 이론적 기초에 대한 소개, 시계열 데이터 분석을 위 한 기초 프로그래밍 및 기초 분석 실습을 수행한 후, 직접 샘플데이터에 기반한 기초 분석 을 수행해보는 형태로 구성되어 있음. 시계열 데이터는 데이터마이닝 중 가장 학생들이 접 하고 이해하기 쉬운 데이터로, 이러한 교육을 통해 학생들이 데이터 분석에 흥미를 느끼고 해당 분야로의 진로를 소개해줄 수 있는 좋은 기회가 될 수 있을 것으로 기대됨. ▢ 교재 개요 1차시 학습과정 (기초/심화/정리) 기초 2~3차시 기초 4차시 심화 및 정리 차시 내용 시계열 데이터의 이론적 기초 시계열 데이터 분석을 위한 파이썬 기초 프로그래밍 시계열 데이터의 기초 분석 시계열 데이터의 심화 분석 7 2024 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 5 교수· 학습 자료 프로그램 명 :시계열 데이터 분석 입문 영역/단원 학습주제 ▢ 정보/데이터 차시 4차시 시계열 데이터의 정의 및 특성을 이해하고, 프로그래밍을 통해 간단한 분석을 수행해볼 수 있다. 교재 소개 최근 빅데이터 분석에 대한 가치가 증가하면서, 다양한 분야에서 다양한 종류의 데이터 분 석이 활발히 시도되고 있음. 시계열 데이터는 시간의 흐름에 따라 변하는 데이터를 의미하 며, 계절성, 주기성 등의 특성을 보유한 데이터로, 데이터 분석이 시도되는 가장 대표적인 데이터 중 하나임. 본 교재의 주 목표는 학생들에게 시계열 데이터의 특성을 이해하고, 프로 그래밍 실습을 통해 시계열 데이터를 분석할 수 있는 기초 역량을 기르기 위한 목적으로 설 계되었음. 구체적으로, 시계열 데이터의 이론적 기초에 대한 소개, 시계열 데이터 분석을 위 한 기초 프로그래밍 및 기초 분석 실습을 수행한 후, 직접 샘플데이터에 기반한 기초 분석 을 수행해보는 형태로 구성되어 있음. 시계열 데이터는 데이터마이닝 중 가장 학생들이 접 하고 이해하기 쉬운 데이터로, 이러한 교육을 통해 학생들이 데이터 분석에 흥미를 느끼고 해당 분야로의 진로를 소개해줄 수 있는 좋은 기회가 될 수 있을 것으로 기대됨. 지도 방향 학생들이 주어진 데이터에 대해 스스로 분석하고, 다른 학생들과 생각을 공유하고 토론해볼 수 있는 시간을 갖는 것이 매우 중요함. 프로그래밍 내용이 다소 어렵다면, 유투브 등을 참고하여 파이썬 기초 실습을 사전적으로 수행한 후 교재를 활용하는 것도 좋은 방법임. 21 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 식물로 고기를 분해할 수 있다고? 대진대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 대진대학교 과학영재교육원 프로그램 식물로 고기를 분해할 수 있다고?! 이름 주요 과목 과학2 관련 단원 동물과 에너지(소화와 순환) 관련 과목 수학2 관련 단원 학률/경우의 수 STEM 요소 S, T, M 지역 개발 차시 주 개발자 4 보조 개발자 ○ 소화과정에서 단백질을 분해하는 단백질분해효소의 역할을 이해 한다. 주요 수업 개요 ○ 식물성 단백질분해효소에 의한 동물성 단백질 분해 현상을 이해 한다. ○ 다양한 효소 산업을 학습하여 효소의 경제적 가치를 이해한다. ○ 과학 실험값을 수학적으로 정리하는 이점에 대해 이해한다. 소화제에 의한 동물성 단백질 분해 주제 1차시 학습목 표 주요내 용 우리의 몸에서 일어나는 소화 작용을 이해하고 소화과정의 핵심인 효소의 존재에 대해 학습한다. ○ 소화 작용을 중개하는 소화 효소의 기능을 설명할 수 있다. ○ 효소의 기질 특이성에 대해서 설명할 수 있다. ○ 소화제의 단백질 분해 능력을 실험을 통해 확인할 수 있다. ○ 동물의 소화과정에서 효소의 역할을 이해한다. ○ 효소의 기질특이성에 대해서 학습한다. ○ 아조-카제인을 이용한 단백질분해능력 평가 원리와 절차를 학습 한다. ○ 실험을 통해 소화제에 의한 카제인 단백질의 분해를 확인한다. 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시 식물로부터 단백질분해효소 분리 후 단백질 분해 반응 유도 주제 학습목 표 주요내 용 식물유래 단백질 분해효소가 동물성 단백질을 분해할 수 있는지 확인한다. ○ 다양한 식물로부터 단백질분해효소를 분리하는 실험을 수행할 수 있다. ○ 식물유래 단백질분해효소가 동물성 단백질인 카제인을 분해할 수 있는지를 확인하는 실험을 스스로 진행할 수 있다. ○ 불고기를 양념할 때, 키위나 배를 갈아 넣는 이유를 학습한다. ○ 식물로부터 단백질분해효소를 분리하는 절차에 대해서 이해한 다. ○ 키위와 배, 양파, 소화제(양성대조군)를 이용하여 실험을 진행한 다. ○ 단백질분해 반응을 위한 실험 기구와 조건들을 스스로 구축해본 다. (60도 온도 설정) 식물-단백질분해효소에 의한 카제인 단백질 분해 여부 검증 주제 학습목 표 3차시 주요내 용 효소의 산업적 활용 범위와 경제적 가치 ○ 식물유래 단백질분해효소들에 의해 카제인이 절단되었는지를 확 인하는 실험을 진행할 수 있다. ○ 아조-카제인 분해실험에 사용된 약물과 실험 방법들을 설명할 수 있다. ○ 효소가 가지는 산업적 가치를 설명할 수 있다. ○ 종이조각 맞추기 활동을 통해 효소-기질 특이성을 설명할 수 있 다. ○ 식물 추출액과 카제인을 혼합하여 분해반응을 유도한 용액에 TCA(trichloroacetic acid)를 넣어 단백질의 결정화를 유도한 후에 상등액의 색 변화를 확인한다. ○ 키위, 배, 양파 추출액 중에서 카제인을 절단 효능이 가장 강한 것이 무엇인지를 찾아본다. ○ 효소산업을 이해하고 가치에 대해서 학습한다. 수학을 활용하여 과학 결과물의 신뢰도 강조 주제 4차시 학습목 표 주요내 용 식물-단백질분해효소에 의한 동물성 단백질의 분해 여부를 수학적 으로 정리해보자 ○ 과학 실험 결과를 수학적으로 정리하는 방법에 대해서 설명할 수 있다. ○ 확률로 정리한 과학결과물의 신뢰도가 제고되는 이유를 설명할 수 있다. ○ 식물유래-효소연구의 잠재적인 산업적 가치에 대해서 설명할 수 있다. ○ 실험 결과를 제시된 결과표에 기록한다. ○ 5개 모둠에서 도출된 실험결과들을 모으고 종합한다. ○ 취합된 모든 실험 결과를 고려하여 확률로 나타낸다. 가. 차시별 구성도 1) 1차시 : 소화제에 의한 동물성 단백질 분해 주제 우리의 몸에서 일어나는 소화 작용을 이해하고 소화과정의 핵심인 효소의 존재에 대해 학습한다. ○ 소화 작용을 중개하는 소화 효소의 기능을 설명할 수 있다. 학습목표 ○ 효소의 기질 특이성에 대해서 설명할 수 있다. ○ 소화제의 단백질 분해 능력을 실험을 통해 확인할 수 있다. ○ 동물의 소화과정에서 효소의 역할을 이해한다. ○ 효소의 기질특이성에 대해서 학습한다. 주요내용 ○ 아조-카제인을 이용한 단백질분해능력 평가 원리와 절차를 학습한 다. ○ 실험을 통해 소화제에 의한 카제인 단백질의 분해를 확인한다. 준비물 아조-카제인, 소화제(베아제), 일회용스포이드, e튜브, 증류수, 거름종이, 필기도구, TCA용액, 원심분리기 2) 2차시 : 식물로부터 단백질분해효소 분리 후 단백질 분해 반응 유 도 주제 식물유래 단백질 분해효소가 동물성 단백질을 분해할 수 있는지 확인한다. ○ 다양한 식물로부터 단백질분해효소를 분리하는 실험을 수행할 수 학습목표 있다. ○ 식물유래 단백질분해효소가 동물성 단백질인 카제인을 분해할 수 있는지를 확인하는 실험을 스스로 진행할 수 있다. ○ 불고기를 양념할 때, 키위나 배를 갈아 넣는 이유를 학습한다. ○ 식물로부터 단백질분해효소를 분리하는 절차에 대해서 이해한다. 주요내용 ○ 키위와 배, 양파, 소화제(양성대조군)를 이용하여 실험을 진행한다. ○ 단백질분해 반응을 위한 실험 기구와 조건들을 스스로 구축해본다. (60도 온도 설정) pestle(플라스틱 분쇄기), 소화제(단백질분해효소), 동물성 단백질(아조준비물 카제인), 일회용 스포이드, 거름종이, 온도계, 비이커, e튜브, 원심분리 기 3) 3차시 : 식물-단백질분해효소에 의한 카제인 단백질 분해 여부 검 증 주제 효소의 산업적 활용 범위와 경제적 가치 ○ 식물유래 단백질분해효소들에 의해 카제인이 절단되었는지를 확인 하는 실험을 진행할 수 있다. ○ 아조-카제인 분해실험에 사용된 약물과 실험 방법들을 설명할 수 학습목표 있다. ○ 효소가 가지는 산업적 가치를 설명할 수 있다. ○ 종이조각 맞추기 활동을 통해 효소-기질 특이성을 설명할 수 있 다. ○ 식물 추출액과 카제인을 혼합하여 분해반응을 유도한 용액에 TCA(trichloroacetic acid)를 넣어 단백질의 결정화를 유도한 후에 상등액의 색 변화를 확인한다. ○ 상등액의 색깔 변화가 내포하는 과학적 의미를 파악한다. 주요내용 ○ 키위, 배, 양파 추출액 중에서 카제인을 절단 효능이 가장 강한 것 이 무엇인지를 찾아본다. ○ 키위, 배, 양파 추출액 중에서 카제인 절단 효능이 전혀 없는 것이 무엇인지 찾아본다. ○ 효소산업을 이해하고 가치에 대해서 학습한다. ○ 기질특이성을 이해하기 위한 종이모양-맞추기 활동 수행 준비물 20% TCA(trichloroacetic acid), 원심분리기, 일회용 스포이드, 거름종 이 4) 4차시 : 수학을 활용하여 과학 결과물의 신뢰도 강조 주제 식물-단백질분해효소에 의한 동물성 단백질의 분해 여부를 수학적으 로 정리해보자 ○ 과학 실험 결과를 수학적으로 정리하는 방법에 대해서 설명할 수 있다. 학습목표 ○ 확률로 정리한 과학결과물의 신뢰도가 제고되는 이유를 설명할 수 있다. ○ 식물유래-효소연구의 잠재적인 산업적 가치에 대해서 설명할 수 있다. ○ 실험 결과를 제시된 결과표에 기록한다. 주요내용 ○ 5개 모둠에서 도출된 실험결과들을 모으고 종합한다. ○ 취합된 모든 실험 결과를 고려하여 확률로 나타낸다. 준비물 필기도구