STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 센서를 이용한 스마트 화분 충북대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램명 주요 과목 관련 과목 센서를 이용한 스마트 화분 과학 생명과학, 정보 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 주 개발자명 구분 (신규/수정보 완) 주요 단원 신규 주요 적용 학년 중2 개발차시 8 생물의 구조와 에너지 컴퓨팅 시스템 관련 단원 적용 지역 보조 개발자 아두이노와 다이오드, 저항, 센서 등 다양한 요소를 이용하여 회로를 구 성하고 각각의 요소들을 작동하는 방법에 대해 학습한다. 학습한 내용을 바탕으로 센서와 모터를 활용하여 자동화 시스템을 구축한다. 센서를 이 주요 수업 개요 용해 토양의 습도를 인식하고 이에 따라 다이오드 점등, 모터 작동을 조 절하여 자동으로 작동하는 물주기 화분을 만들어보며, 아두이노 작동 원 리에 대한 이해와 자동화 시스템의 다양한 활용도에 대하여 학습하는 것 을 목표로 한다. 자동화 시스템 구축에 대한 이해로 산업기술 의발달과 변화에 대하여 적응하며 과학과 기술에 대한 긍정적 태도와 흥미를 유발 할 수 있을 것이다. 차시별 주요내용 (키워드 위주) 1~2차시: 아두이노에 대한 기초교육 3~4차시: 아두이노 기초교육을 기반으로 회로를 구성하고 프로그램 실습 5~6차시: 다이오드, 센서, 가변저항을 사용한 회로를 구성하고 동작시킴 7~8차시: 스마트화분 키트를 사용하여 회로를 구성하고 센서를 작동시킴 [생물] 센서를 이용한 스마트 화분 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 1차시: 아두이노 보드의 출력과 입력 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 아두이노 보드의 포트를 이해한다. § 아두이노 보드의 출력과 입력을 이해한다. § 아두이노 보드의 사용법을 익힌다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 [실험 안전 유의사항] § 보드 사용 시 모서리에 찔리지 않도록 주의한다. § 작은 부품을 잃어버리지 않도록 주의한다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. ◆ 인간이 오감을 이용하여 주변 상황의 정보를 파악하는 것처럼 센서는 스마트 화분 이 자신의 작동을 결정하기 위하여 상황을 판단하는데 도움을 준다. 센서에는 어떠한 종류가 있고, 센서의 신호를 측정하여 어떻게 활용할 수 있는지 조사해보자. 센서 종류 활용 방법 광센서 빛의 밝기 측정 가변저항 전압 변화, 동작 변화 측정 온도센서 온도의 측정 전압센서 전압, 전기전도도 센서 - 18 - [생물] 센서를 이용한 스마트 화분 학생용 2차시: 센서의 의미와 측정 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 센서의 의미를 이해한다. § 직렬 저항의 전압 분할을 이해한다. § 센서의 측정 원리를 이해한다. [실험 안전 유의사항] § 칼이나 가위 또는 다른 날카로운 도구 사용시 다치지 않도록 주의한다. § 무거운 물체를 사용할 때 떨어뜨리지 않도록 주의한다. § 전기 기구를 다룰 때 감전과 합선 등의 사고가 일어나지 않도록 주의한다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 센서의 의미와 측정 원리 ◆ 전지의 저항을 직렬로 연결하고, 각 저항에 대한 전압을 측정하여 비교해보자. Ÿ 여러 개의 저항을 직렬로 연결하면 양 끝단에 가해진 전압이 각 저항에서 분할된다. Ÿ 저항을 지나는 전류의 양은 회로 전체에서 항상 동일하므로, 각 저항을 통과 하는 전압은 저항의 세기에 비례한다. Ÿ 크기가 같은 고정저항을 여러 개 연결한 후 전압계를 이용하여 각 지점과 음극(또는 접지) 사이의 전압 차이를 측정하여 이론치와 비교한다. - 22 - [생물] 센서를 이용한 스마트 화분 학생용 3차시: 여러가지 센서를 이용한 측정 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다양한 센서의 종류를 이해한다. Ÿ 센서를 이용한 측정 방법을 이해한다. [실험 안전 유의사항] § 칼이나 가위 또는 다른 날카로운 도구 사용시 다치지 않도록 주의한다. § 무거운 물체를 사용할 때 떨어뜨리지 않도록 주의한다. § 전기 기구를 다룰 때 감전과 합선 등의 사고가 일어나지 않도록 주의한다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 3차시 [과학기술 적용] 여러가지 센서를 활용한 측정 ◆ 신호를 수신하는 방법을 고안해보자. CdS 광센서의 저항 특성을 조사해보자. Ÿ 자연계에서 발생하는 외부 신호에 대하여 전기적 특성이 달라지는 장치는 모두 일정한 특성에 대한 센서로 사용할 수 있다. Ÿ 센서를 구성하는 기본 회로는 큰 저항값을 가진 고정 저항과 센서를 직렬로 연결 한 후, 센서 양단의 전압을 측정하는 것이다. Ÿ CdS 광센서는 빛의 세기에 따라서 저항값이 변하는 반도체이다. 따라서 광량에 따른 CdS 양단의 전압을 비교하면, 조도 변화를 측정할 수 있다. - 24 - [생물] 센서를 이용한 스마트 화분 학생용 4차시: 자동화분 만들기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다지털 출력을 이용한 모터 제어의 원리를 이해한다. Ÿ 토양습도센서를 이용하여 자동화분을 제작한다. [실험 안전 유의사항] § 칼이나 가위 또는 다른 날카로운 도구 사용시 다치지 않도록 주의한다. § 무거운 물체를 사용할 때 떨어뜨리지 않도록 주의한다. § 전기 기구를 다룰 때 감전과 합선 등의 사고가 일어나지 않도록 주의한다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 4차시 [공학적 산출물] 자동화분 만들기 ◆ 스마트 화분을 설계하고 제작해보자. 릴레이의 원리를 알아보고 릴레이로 LED를 켜 고 끄는 프로그램을 작성해보자. Ÿ 릴레이는 전동 스위치를 이용하여 회로의 차단을 조절하는 장치이다. Ÿ 화분에 물을 공급하기 위한 워터펌프를 구동하기 위해서는 별도의 모터 전용전원이 필요하다. Ÿ 아두이노에서 릴레이의 전동스위치를 ON, OFF 구동함에 따라서 워터펌프에 전원을 공급하거나 차단할 수 있다. ◆ 릴레이로 물펌프를 작동시키는 회로와 프로그램을 작성해보자. void setup() { pinMode(11, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(11, HIGH); delay(1000); digitalWrite(11, LOW); delay(1000); } - 26 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 피지컬 컴퓨팅 프로그래밍 전남대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램명 정보 주요 단원 관련 과목 정보 관련 단원 STEM+I S,T,E,M, 요소 I 중1, 2 개발차시 4차시 신규 피지컬 컴퓨팅 프로그래밍 주요 과목 주요 적용 학년 구분 (신규/수정보 완) Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨팅 2) 센서 기반 프로그램 구현 Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨팅 2) 센서 기반 프로그램 구현 적용 지역 보조 주 개발자명 개발자 · 피지컬 컴퓨팅 시스템의 이해 주요 수업 개요 · 인공지능의 원리와 개념 이해 및 응용 프로그래밍 활동 · 데이터 수집, 분류에 따른 챗봇 원리 이해 · 이미지 수집, 분류에 따른 마스크 착용 판별 유무 앱 이해하기 · 사물인식 영어 번역기 인공지능 앱 이해하기 차시별 1차시 피지컬 컴퓨팅 시스템 이해하기 2차시 AD Key와 LED 링 센서 활용 프로그래밍 주요내용 (키워드 위주) 3차시 4차시 아날로그 광센서, 가변 저항, 충돌 센서, LED, OLED 활용 프 로그래밍 서보 모터, DC 모터, 온도 센서 활용 프로그래밍 2. 교사용 지도안 단원 Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨터 차시 1/4 1. 피지컬 컴퓨팅의 개념과 센서의 구성 요소를 설명할 수 있다. 학습 목표 2. 피지컬 컴퓨팅 시스템을 구성하는 다양한 입출력 장치의 종류와 작동 원리를 이해할 수 있다. 3. 실생활에서 사용되고 있는 피지컬 컴퓨팅에 대해 이해한다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 학습 동기 유발 ◾ 실생활에서 활용 중인 피지컬 컴퓨팅 시스템 사례를 탐색한다. ◾ 우리 주변의 다양한 변화를 감지하는 센서를 분석해보고 그 센서를 이용하여 할 수 있는 일을 생각해본다. 도입 (10분) 유의사항 모둠 활동을 통해 다양한 사례와 생각을 공유할 수 있도 록 하며, 사례별 알고리즘을 분석할 수 있도록 지도한다. 자료 Tip 모둠별로 수집한 자료 및 정보 1단원의 결과물을 활용한다. 정보 교과서 3단원 자료와 정보 단원을 연계하여 지도한다. ◎ 피지컬 컴퓨팅 원리 이해하기 ◾ 피지컬한 현실 세계와 컴퓨팅 시스템이라는 가상 세계가 대화하도 록 구성된 것을 말함. 전개 (30분) ◎ 마이크로비트 이해하기 영국 BBC가 설계한 포켓 사이즈의 마이 크로컨트롤러로서 나침반, 블루투스, LED, 가속도계 등 다양한 센서가 내장 되어 있는 ‘초소형 컴퓨터’로 정의됨. - 6 - 단원 Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨팅Ⅳ AD Key와 LED 링 센서 활용 프로그래밍 차시 2/4 1. 피지컬 컴퓨팅 시스템의 입출력 과정을 이해한다. 학습 목표 2. Sensor Edge 및 센서의 개념과 원리 이해한다. 3. ADKey와 레인보우 LED링 센서를 이용하여 제어 프로그램을 작성할 수 있다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 학습 동기 유발 ◾ 스마트 홈 IoT 시스템을 통해 사용된 센서를 예측한다. ◾ 이용 목적에 맞는 피지컬 컴퓨팅 장치를 위해 센서들의 다양한 종 류와 기능을 이해한다. 도입 (10분) 유의사항 피지컬 컴퓨팅 활동이 어려울 수 있으므로 짝 프로그래밍 을 위한 모둠을 편성한다. 자료 Tip 센서별 기능 이해 및 보드에 확장하는 메뉴얼을 제공한다. 짝 프로그래밍을 통한 모둠별 협력 학습을 병행한다. ◎ 센서:엣지 살펴보기 전개 ◾ 센서:엣지와 마이크로비트 연결하기 (30분) ◎ 센서 연결 및 프로그래밍 ◾ 센서를 연결할 수 있는 I/O핀이 G, V, P로 가로로 배열되어 있음 ◾ 레인보우 LED링의 G, V, DI를 센서 엣지 I/O핀에 맞게 연결 ◾ 버튼 A를 누르면 오른쪽 방향으로 rotate, 버튼 B를 누르면 왼쪽으 로 rotate 되도록 프로그래밍 ◾ ADKey의 G, V, S를 센서:엣지 I/O핀에 맞게 연결 ◾ A~E 버튼을 누르면 ‘도~솔’의 음정이 나도록 프로그래밍 ◾ 확장을 이용한 모듈 추가 및 고급 핀 기능 활용 ◎ 학습 내용 정리 정리 (5분) ◾ 센서:엣지 연결을 통한 센서 응용 및 확장 프로그래밍 ◎ 다음 차시 예고 ◾ 스마트 가로등 프로그래밍 ◾ 아날로그 광센서, 가변 저항, 충돌센서, LED, OLED 활용 프로그래밍 - 9 - 단원 Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨팅Ⅳ 아날로그 광센서, 가변 저항, 충돌센서, LED, OLED 활용 프로그래밍 차시 3/4 1. 실생활 문제 해결의 사례인 스마트 가로등을 구현할 수 있다. 학습 목표 2. 아날로그 광센서와 가변 저항, OLED를 출력하는 프로그래밍을 할 수 있다. 3. 충돌 센서, LED, OLED를 응용한 실생활 사례를 이해할 수 있다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 학습 동기 유발 ◾ 주변에서 찾아볼 수 있는 IoT 사례(스마트 가로등, 시각 장애인을 위한 신호등)를 소개한다. ◾ 실생활 문제를 발견하고 이를 해결하기 위한 알고리즘 설계의 중요 도입 성을 인식한다. 유의사항 (10분) 2단원 ‘자료와 정보’와 연계된 아날로그와 디지털 자료의 특징을 이해할 수 있도록 한다. 자료 Tip 3단원 ‘추상화_문제의 핵심 요소 추출’ 내용 연계 구성 정보 교과서 3단원 ‘프로그래밍 응용‘을 연계하여 지도한다. ◎ 프로젝트 살펴보기 ◾ 주변이 어두워지면 자동으로 불이 켜지는 가로등 프로그래밍 ◾ 가변 저항에 따른 LED 밝기를 OLED에 출력하는 프로그래밍 ◾ 충돌 감지 센서를 연결하여 잠금 장치의 상태를 확인하는 프로그래밍 ◎ 스마트 가로등 프로그래밍 ◾ 광량을 측정하는 아날로그 광센서 이해 및 센서:엣지 연결 ◾ LED 연결하여 디지털 신호(ON:1, OFF:0) 확인하기 ◾ 주변의 밝기에 따라 LED가 ON, OFF 되는 프로그래밍 ◾ 주변 밝기의 정도에 따라 LED의 밝기가 달라지는 프로그래밍 ◎ 가변 저항, LED, OLED 응용 프로그래밍 전개 (30분) ◾ 가변 저항에 따른 LED 밝기 변화 이해하기 ◾ 센서:엣지 하단에 OLED 연결, 가변 저항(1번핀), LED(2번핀)에 연 결 ◾ 고급 탭-확장 ‘OLED-ssd1306’블록 꾸러미 다운로드 ◾ 변수 생성 및 가변 저항을 변수에 저장 ◾ LED를 가변 저항값에 따라 밝기 출력 ◾ 현재 밝기를 비례변환(map) 블록을 활용하여 막대 바로 OLED 출력 ◎ 충돌 센서, LED, OLED 응용 프로그래밍 ◾ 충돌 센서를 풀업 저항으로 만들어 센서 동작 확인 ◾ 충돌 센서의 디지털 입력값이 1과 0의 경우 제어문 구현 ◾ 디지털 입력값이 1인 경우, LED가 깜빡이고 ‘warning!’ 문구 출력 ◾ 디지털 입력값이 0인 경우, LED가 꺼지고 ‘Safe!’ 문구 출력 ◎ 학습 내용 정리 정리 (5분) ◾ 주변의 값을 입력하여 실생활 문제 해결하는 알고리즘을 이해한다. ◎ 다음 차시 예고 ◾ 서보 모터, DC 모터, 온도 센서 활용 프로그래밍 - 10 - Ⅳ. 컴퓨팅 시스템 2. 피지컬 컴퓨팅Ⅳ 단원 서보 모터, DC 모터 활용 프로그래밍 차시 4/4 1. 실생활의 다양한 문제를 분석하고 융합적으로 해결하기 위한 피지컬 컴퓨팅을 학습 목표 설계하고 프로그래밍 언어를 이용하여 구현한다. 2. 서보 모터, DC 모터, 아날로그 광센서를 응용한 실생활 사례를 이해할 수 있다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 학습 동기 유발 ◾ 우리 주변의 서보 모터, DC 모터 활용 사례를 소개하고 관련 알고 리즘을 분석한다. 도입 (10분) 유의사항 습도센서와 온도센서의 특징을 분석하고 이를 서보모터와 DC모터를 접목하여 활용할 수 있는 방법을 소개한다. 자료 Tip 3단원 ‘프로그래밍 응용’ 내용 연계 구성 협력이 필요한 프로그래밍 활동이므로 짝 프로그래밍이 되도록 자리를 배치한다. ◎ 프로젝트 살펴보기 ◾ 자동 블라인드(주변의 밝기에 따라 서보 모터의 회전) 각도 조절 프 로그래밍 ◾ 온도에 따라 DC모터 속도가 달라지는 프로그래밍(단, 순간적인 운 도 변화가 어려우므로 AD Key를 대체하여 프로그래밍한다.) ◎ 자동 블라인드 ◾ 센서:엣지 1번에 아날로그 광센서 연결 ◾ 센서:엣지 2번에 서보 모터 연결 ◾ 핀1의 아날로그 값을 출력하여 주변의 밝기 기준을 정하고 어두움 전개 (30분) 과 밝은 상태를 분석 ◾ 어두워지면 서보 값 90 출력, 밝으면 서보 값 0 출력 ◎ AD Key와 DC 모터 응용 프로그래밍 ◾ 센서:엣지 1번에 AD Key 센서 연결 ◾ 센서:엣지 2번에 DC 모터 연결 ◾ AD Key A키~E키의 아날로그 값의 범위를 알려주고 입력값에 따라 달라지는 출력이 달라지는 DC 모터 속도 변화 ◎ 습도 센서와 온도 센서 응용 프로그램 예측하기 ◾ 습도 센서를 화분에 넣어서 토양의 수분을 측정하여 기준값 아래의 값이 입력되었을 때 서보 모터를 이용하여 물을 공급하는 프로그램 ◾ 온도 센서를 이용하여 주변의 온도에 따라 DC모터 출력값이 달라 지는 프로그램 ◎ 학습 내용 정리 정리 (5분) ◾ 주변의 값을 입력받아 변화하는 서보 모터, DC 모터 활용 프로그래밍 ◎ 다음 차시 예고 ◾ 피지컬 컴퓨팅을 활용한 소셜 임팩트 프로그래밍 - 11 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 기포수를 세지 마세요!(디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램명 인천대학교 과학영재교육원 구분 (신규/수정보 완) 신규 기포수를 세지 마세요!(디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 주요 과목 정보 주요 단원 관련 과목 과학 관련 단원 주요 적용 학년 개발차시 중학교 2학년 4 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 물리, 화학, 생물 (기타) ※ 자율연구주제이므로 각 과목의 전과정 중 주제 선정 가능 STEM+I 요소 S, E 적용 지역 보조 주 개발자명 개발자 물리, 화학, 생물, 지구과학의 다양한 실험 실습에서 디지털화가 가능한 교육내용을 찾고, 블록코딩으로 센서를 제어하여 센서 데이터를 수집한 후 주요 수업 개요 에 분석하는 수업을 진행한다면 데이터 기반 수업과 AI를 이용한 분석까 지 가능하여 신기술을 과학교과에 적용할 수 있게 된다. 따라서 전통적인 과학수업과 더불어 신기술을 접목하여 실제적인 실습을 좀더 편리하게 할 수 있고, 데이터에 기반한 이론수업을 진행한다면 한 층 업그레이드 된 과 학수업이 될 것이다. 1차시: 입출력장치 연결방법, 소프트웨어 세팅, 다운로드, 코딩하여 데이 터 수집하기, 엑셀로 데이터 전송하기 방법 학습 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시: BTB 용액, PH기준에 대해 확인하고, 물풀의 호흡으로 인한 산소 방울 발생을 관찰하고 눈으로 세어본다 3차시: 물플에 조명을 설치하고 PH센서, 물온도센서, 빛센서를 설치한다. 코딩하여 엑셀에 데이터 수집한다. 4차시: 눈으로 세어본 산소방울과 데이터로 수집된 수치를 비교하여 보고 분석한다. 본시 교수·학습 과정안 수업 수업 활동(10분) 단계 학습 목표 및 도입 (1차시) 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 -광합성에 관한 동영상 시청 e 학습터 영상 시청 (광합성이 일어나는 과정 소개) 학습 목표 확인하기 - 광합성이 일어나는 장소, 광합성에 필요한 물질, 광합성의 결과 생기는 산물 그리고 광합성에 영향을 미치는 환경요 실험 전 안전교육 실시(매우 중요) 인을 설명할 수 있다. - 환경요인(빛 세기)에 따른 광합성량을 측정할 수 있다. 수업 수업 활동(30분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [광합성의 원리 이해 소개] 화학반응식은 중학교 3학년 이상 광합성 과정 에게 설명하고 중학교 2학년 대상으 6CO2 + 12H2O -----(빛E)------> C6H12O6 + 6O2 + 로는 화학반응식이 아닌 물 + 이산화 6H2O 탄소 ->(빛에너지) -> 포도당 + 산소 식물은 이산화탄소와 물을 원료로 빛에너지를 가지고 포도 로 설명하는 것이 좋다. 당을 합성하고 산소와 물을 생성한다. 이 과정을 광합성이 여러 환경요인 중 빛의 세기에 따 라 하며, 식물의 엽록체에 있는 엽록소에서 빛E를 받아들여 른 광합성량의 측정하는 방법을 실험 일어나는 과정이다. 과정과 관련하여 설명한다. 광합성에 영향을 미치는 환경요인에는 빛의 세기, 빛의 파 장, 온도, 이산화탄소 농도 등이 있다. 거리에 따른 빛의 세기의 변화를 추리하여 거리와 빛의 세기의 관계가 반비례함을 학생들은 정성적으로 알 2. 광합성량 측정방법 고 있다. 안드로이드폰 앱(스마트 조 가. 기존 방법(기포수 세기) 도계)를 다운로드하여 빛의 조도의 광합성량을 알아보는 방법으로는 광합성의 재료가 되는 물 단위 lx(lux)를 설명해 준다. 빛의 세 과 이산화탄소의 소모량을 측정하거나, 혹은 생성된 포도당 기를 측정하는 데 있어서 빛의 광속 이나 산소 그리고 물의 양을 측정하면 된다. [lm], 빛의 광도[cd], 빛의 휘도[nit]를 이 과정을 검정말(아나카리스)을 활용하여 물속에서 광합성 설명하기 보다는 거리에 반비례함을 이 일어나게 하고 생성된 산소기체의 기포수를 세어 보는 스마트 조도계로 확인하는 것에 목적 방법으로 광합성량을 측정한다. 이 있다. (실험실에 wifi가 있지 않는 환경요인으로는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소의 농도, 빛의 경우, 사전에 다운로드 받을 수 있도 파장 중에서 빛의 세기 환경요인만 사용한다. 록 안내할 필요가 있음) 온도와 이산화탄소 농도의 변인통 [빛의 세기에 따른 광합성량 측정 실험] 1. 준비물 제가 쉽지 않고, 빛의 파장과 광합성 량의 관계를 알아보는 엥겔만의 실험 수초(검정말), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 비커, 시험관, 깔때 은 진행하지 않는다. 또한 광포화점이 - 5 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 (2차시) 수업 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 및 도입 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 실험 전 안전교육 실시 -광합성 과정 발표하기 학습 목표 확인하기 BTB 용액은 광합성에 의해 변화되 - CO2 농도변화에 따른 BTB 용액의 액성(산성, 중성, 염기 는 CO2 농도변화에 따라 색깔이 변 성) 변화를 색깔 변화로 확인할 수 있다. 함을 설명한다. - pH 센서를 활용하여 BTB 용액의 액성을 데이터로 수집하 고 분석할 수 있다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [용액의 액성이 변화는 원리 설명] 학습자의 교육과정에 따라 “날숨에 물에 녹아 수소이온(H+ )을 내놓는 물질을 산이라고 하고, 포함된 이산화탄소가 BTB 용액 속에 물에 녹아 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질을 염기라 한다. 녹아 들어가 탄산이 되면서 산성이 용액의 액성(산성, 염기성)에 따라 지시약 색깔이 변한다. 된다”로 요약하여 설명해도 된다. 예) 산성 용액에서 푸른색 리트머스 종이 -> 붉은색 염기성 용액에서 붉은색 리트머스 종이 -> 푸른색. 수소이온의 농도를 pH로 나타낼 폐놀프탈레인 용액 -> 산성과 중성에서 무색, 염기성에 때 pH1은 산성, 서 붉은색 pH7은 중성 그리고 pH14는 염기성임을 제시한다. BTB 용액 산성(노란색) , 중성(녹색), 염기성(파란색) BTB 용액은 pH6.0 이하에서 황색, pH 는 일상생활 속에서 산과 염기를 구분할 때 많이 사용 중성에서 녹색, 염기성 pH7.6 이상에 하는 수소 이온 농도 지수다. pH 가 7보다 작으면 산성, 7 서는 청색을 나타낸다. 보다 크면 염기성으로 구분하고, 산과 염기가 1:1로 반응하 여 중성이 되었을 때의 예) 증류수는 pH 는 7이다. 빨대를 이용하여 날숨으로 CO2 농 pH 가 7이다. 이산화탄소는 물에 녹아서 아 도를 변화시킬 때 용액을 마시지 않 주 적은 양이 아래와 같이 탄산을 만들고, 다시 H+를 내어 도록 안전교육을 사전에 실시한다. 놓고 HCO3- (탄산수소이온) 이나 CO32-(탄산이온)으로 바 뀌어 산으로 작용한다. 청색 BTB 용액부터 시작하여 녹 색 그리고 노란색(황색)으로 변하는 CO2 + H2O -> H2CO3 H2CO3 H2CO3 + -> H -> 것을 관찰하고 핫플레이트에 노란색 + HCO3 + 2H + CO3 - 2- (황색) BTB 용액이 끓어 CO2 용해도 가 감소하여 색깔이 다시 청색으로 변하는 것을 확인하는 것이 좋다. [학생활동]_[날숨으로 CO2 농도변화에 따른 BTB 용액의 - 8 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 수업 (3차시) 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 실험 전 안전교육 실시 학습 목표 확인하기 학습목표 확인 및 도입 - 환경요인(빛 세기)에 따른 광합성량을 센서를 이용해 데 이터를 수집하여 분석할 수 있다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip 준비물 [실험과정 유의점] 수초(검정말), 1% 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액, 비커, 1. 비커에 1% 탄산수소나트륨 수용액 시험관, 깔때기, 전기스탠드(광도조절가능), 자, 수조, 스마트 을 넣은 용액은 pH 7 이상으로 약염 폰(초시계, 카운터, 조도계 어플로 활용), 클램프, 안전면도 기성을 띤다. 날 2. 물풀의 상태와 양을 최대한 동기 화 하여 배부하면 세 개의 물풀 실험 실험과정 안내 세트를 설계하지 않고 각 모둠별 수 1. 1, 2차시 실험을 참고하여 실험을 설계하도록 안내한다. 집된 데이터값을 취합하여 빛의 세기 2. 모둠에서 광원으로부터 거리별로 A, B, C 세 개의 물풀 (혹은 광원으로부터의 거리)에 따른 실험세트를 설계하도록 한다. 광합성량이 변화하는 결과를 얻을 수 3. 각 실험세트에는 센서와 I/O 장치를 통해 MCU아두이노_ 있다. 우노와 노트북을 연결하여 데이터가 수집되도록 한다. (실제 실험시간을 고려하면 한 모둠 4. 실험세트 A에서 나온 데이터를 A_data라고 하고, 자료를 에서 빛의 세기를 바꿔가며 실험하여 분석하고, 차트로 만든다. 데이터를 수집하는 것이 어렵다) 5. 각각 B, C에서 나온 데이터 자료와 통합하여 빛의 세기 별 광합성량의 결과를 분석한다. [실험결과분석 유의점] 6. 수집된 데이터 자료를 공유 드라이브 모둠별 자료 폴더 1. 빛센서의 데이터는 보정하지 않았 에 탑재한다. 으므로 빛센서 값을 절대값(빛의 세 기)으로 알지 않도록 안내한다. 실험결과 분석 (빛센서 최고값은 1023)_스마트조도 들어온 데이터의 빛의 센서값과 물온도 센서값이 변화가 계 값으로 빛센서값을 확인해 빛의 없이 일정해 질 때, pH센서값을 기록한다.(실험보고서) 세기의 변화를 확인해 볼 수 있다.(변 입력되는 데이터가 안정화 된 후에 최빈값으로 각 거리(혹 화에 주목) 은 빛의 세기, lx)에서의 pH센서값으로 기록한다. 2. 광합성량의 데이터의 센서값들의 광원으로부터 거리별 A, B, C (혹은 빛의 세기에 따라 A, B, 변화가 없이 일정(pH센서 데이터, 빛 C)로 3가지 실험세트를 진행하지 못했더라도 취합된 다른 센서 데이터, 물온도 센서 데이터)해 모둠의 결과를 활용하여 빛의 세기에 따른 광합성량의 데 질 때 까지 시간이 필요하다. (약 3분 이터를 엑셀로 만들어 차트-꺾은선형으로 결과를 시각화한 이상 소요됨) - 22 - 창의디자인캠프 교재 본시 교수·학습 과정안 수업 수업 활동(5분) 단계 학습 목표 (4차시) 활동 전략 & Tip 마음 열기, 배움 준비 학습목표 확인 및 도입 학습 목표 확인하기 - 광합성량을 측정하는 실험들(기포수를 측정하는 실험과 센서를 활용한 실험)의 장단점 토의 및 효과적인 실험과정 설계해 본다. 수업 수업 활동(35분) 단계 전개하기 활동 전략 & Tip [ 빛의 세기에 따른 광합성량을 기포수를 측정하기 ] _ 모둠별 실험보고서를 캡쳐하여 제시함. [토의과정 유의점] 1. 실험 소감을 자유롭게 발표할 수 실험보고서 결과의 광원으로부터 거리를 바꿔가면서(혹은 있도록 한다. 조명의 밝기를 조절해 가면서) 측정한 기포수가 예상한 결 2. 모둠원 모두 참여할 수 있도록 지 과값(빛의 세기와 광합성량은 정비례)과 다르게 나온 것들 도 도 같이 제시함. 2. 실험의 장단점 발표하기 [기포수 측정 방법] 1. 최적의 환경조건에서 빛의 세기에 [pH센서 및 물온도센서, 빛센서를 활용하여 빛의 세기에 따라 물의 온도가 따뜻할 때 (약 30 따른 광합성량 측정하기] _ 구글드라이브 공유폴더에 수집 도 전후) 물풀(아나카리스)는 기포수 된 각 모둠의 데이터값을 하나의 sheet에 모은 자료를 제시 를 분당 세기 어려울 정도로 많은 기 함. 포(산소)를 발생시켜 숫자를 세기 어 1. 각 모둠별 빛의 세기가 달랐지만 초기 물풀의 양이 동일 려움. (단점) 하였으므로 빛의 세기가 달라질 때 광합성량의 변화를 데 2. 정성적으로 빛의 세기와 광합성량 이터를 통합하여 분석하도록 함. 의 관계의 정비례를 확인하기 용이 함.(장점) 2. 실험의 장단점 발표하기 모둠 내 토론 후 모둠 별로 발표하도록 지도. [pH센서 활용 측정 방법] 코딩 및 아두이노활용에 능숙도에 따 [심화학습] 단점을 줄인 새로운 실험 과정 설계 하기 [빛의 세기에 따른 광합성량 측정] 라 실험 진행의 어려움이 있음.(단점) 2. 센서값 보정 과정이 필요함.(pH센 Brainstorming을 모둠에서 진행하여 모둠별 토론한 단점을 서값 보정처럼, 통제요인인 물온도 역 보완한 개선된 실험방법을 제시할 수 있도록 안내한다. 평 시 매우 중요함.(단점) 가는 없으며, 자유롭게 토론, 토의하여 결과물이 나올 수 있 3. 데이터수집이 쉽고, 수집기간(하루, 도록 하고 희망하는 경우 실제 설계한 대로 실험을 진행할 일주일, 한달 등)을 설정하여 연속데 수 있는 기회를 제공. 수업 단계 이터값을 얻을 수 있음. 수업 활동(5분) 활동 전략 & Tip - 24 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 연필심을 이용한 바이오 센서 제작 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 주요 적용 학년 구분 인천대 과학영재교육원 프로그램명 (신규/수정보 완) 신규 고등학교 1학년 개발차시 연필심을 이용한 바이오 센서 제작 4 주요 과목 화학 주요 단원 화학II (전기화학, 산화와 환원 반응) 관련 과목 생명과학 관련 단원 생물I (생명 과학과 인간의 생활) S 적용 지역 STEM+I 요소 보조 주 개발자명 개발자 ‘화학’은 물질의 구성 입자, 화학 결합, 화학 반응, 에너지 출입 등과 같 은 화학의 개념을 유기적으로 다루어 화학의 유용성과 학문의 매력을 경 험하도록 구성하고, 다양한 탐구 중심의 학습이 이루어지도록 한다. 또한 주요 수업 개요 기본 개념의 통합적인 이해 및 과학의 탐구 경험을 통하여 과학적 사고 력, 과학적 탐구 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 의사소통 능력, 과학 적 참여와 평생 학습 능력 등의 과학과 핵심역량을 함양하도록 한다. 물질 및 자연 현상에 대한 호기심과 흥미를 가지고, 화학의 핵심 개념에 대한 이해와 탐구 능력의 함양을 통하여, 개인과 사회의 문제를 과학적이 고 창의적으로 해결하기 위한 과학적 소양을 기른다. 1차시: 바이오 센서 활용과 관련된 동영상 시청 2차시: 전기화학 이론 학습 - Electron Energy, Electrode Potential, 3전극계, Voltammetry, Square Wave Voltammetry, Amperometry 차시별 주요내용 (키워드 위주) 3차시: 계획서 초안 1) 연필심에 그래핀 캐스팅 후, 건조 2) 건조되는 동안 분석물질 용액 만들기 3) Cyclic Voltammetry, Square Wave Voltammetry 실험하기 4차시: 1) 실험에서 얻은 데이터를 오리진으로 재현한다. 2) 오리진 그래프를 분석하며 전기화학적 성능을 알아낸다. Cyclic 3 . 유 의 /안 전 사 항 • 용액이 오염되는 경우 원하는 결과를 얻을 수 없으므로, 오염되지 않도록 주 의한다. • 용액을 제조할 때, 칭량하고 남은 시약을 다시 시약통 안에 넣거나 오랜 시간 시약 뚜껑을 열어두지 않도록 한다. • 시약을 맨손으로 만지거나 시약이 묻은 손으로 눈, 입, 얼굴을 만지지 않도록 한다. • 소니케이터가 작동하는 동안 손을 넣지 않는다. • Ag/AgCl 기준전극은 건조한 상태로 두지 않는다. • 마이크로 파이펫 사용 시 팁에 용액이 있는 상태에서 마이크로 파이펫을 뒤 집지 않는다. • 연필심을 사포에 마모할 때, 손을 보호할 수 있도록 장갑을 착용한다. • 학습내용은 학생과 교사의 상황을 잘 고려하여 내용의 수준을 조절하여 운영 하도록 한다. 4. 학 습 내 용 4 - 1 이 론 :실험을 위 한 전기 화 학 이 론 학습 전기화학이란? ∙ 전기화학은 ‘개념’을 제대로 알면 쉬운 학문 - Electro potential - Ionics (전해질) - Thermodynamics (열역학) - Kinetics (속도론) ∙ 전기화학의 주체: e 전기화학 반응 ∙ (Anode) Electrochemical Oxidation ∙ (Cathode) Electrochemical Reduction ex) Fe →Fe   e ex) Cu   e→ Cu - 3 - 창의디자인캠프 교재 2) 순환 전압전류법 (Cyclic votalmmetry) 4-2 선 행 연 구 탐 색 : 전기 화 학 논 문 읽기 함께 읽어볼 논문 Gold Electrodes Modified with Self-Assembled Monolayers for measuring L-Ascorbic acid * 함께 읽어본 뒤, 여건이 되면 학습지를 활용해서 각자 읽어볼 논문을 제공하고, 주 요 정보만 잘 찾아내도록 안내한다. * 논문은 한글로 된 전기화학 논문을 검색하여 Cyclic Voltammetry 부분의 SWV, CV 관련 부분만 분석해도 의미 있음 (학생과 교사의 상황을 잘 고려하여 내용의 수준 을 조절하여 운영하도록 한다.) * 한글 논문 예시 - 전기화학적인 방법을 이용한 탄소나노튜브 전극상의 오스뮴 착물의 고정화 및 혈 당센서에 관한 응용 - 니켈(II)-거대고리 착물과 폴리 우레탄으로 변성한 이중 전극에서 에피네피린의 전 기화학적 정량 - 6 - 창의디자인캠프 교재 학번 4-3 실 험 : 이름 바 이오 센 서 제 작 및 실 험 실험 안내 1. 실험의 개요: Grapehen으로 개질한 연필심을 이용해 Hydroquinone 검출하기 2. 센서의 제작 방법 안내 3. 기기(Potentiostat) 를 이용한 전기화학 분석(Cyclic voltammetry) 실험 설명 ppt – Part 1 - 9 - 창의디자인캠프 교재 학번 4-4 미 니 논 문 작 성 : 이름 실험 결 과에 대 한 보 고 서 작 성 미니논문 작성 안내 1. 제시된 틀에 맞게 간단한 보고서를 작성 2. Origin이 없는 경우, Excel을 사용 또는 기기 분석 결과를 그림파일로 그대로 붙여 써도 무방 제목: 연구자: 1. 설계 전극 개질(Modification)에 사용된 물질 이 물질로 전극을 개질한 이유 (2가지 쓸 것) 분석 물질 2. 센서를 만드는 방법 - 15 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 인천대학교 기관명 과학영재교육원 구분 신규 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 중학교 2학년 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 프로그램명 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 개발차시 4 AI를 이용한 분석) 주요 과목 정보 주요 단원 관련 과목 생물 관련 단원 S, E 적용 지역 STEM+I 요소 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 생물 (생명시스템의 구조) 보조 주 개발자명 개발자 1. 시청각 자료로 대체되는 실험 실습을 디지털화하여 데이터를 수집하여 데이터 기반 과학 수업이 되도록 한다. 주요 수업 개요 2. 인공지능으로 데이터를 분석하여 사람이 분석한 결과와 비교할 수 있 다. 3. 고가의 실험 실습 장비를 저렴하게 대체가 가능하다. 4. 이론이 나오게 된 배경의 실습을 직접 해보고 데이터를 누적 시킬 수 있다. 1차시: 입출력장치 연결방법, 소프트웨어 세팅, 다운로드, 코딩하여 데이 터 수집하기, 엑셀로 데이터 전송하기 방법 학습 2차시: 식물의 생존 전략, 동물과 대비되는 독특한 특징 설명, 식물의 에 너지 합성과정에 대한 설명, 이론에 대한 설명과 진짜 그런지 실험을 통 차시별 주요내용 (키워드 위주) 해 증명해보자 동기부여, PET병 자르기, 센서부착하기, 화분 넣고 글루건으로 밀봉하기 3차시: 2차시 실험 설정 계속하기. 통제된 실험환경 만들기, 센서 데이터 입력 테스트하기, 공기가 새나가지 않도록 밀봉하고 테스트하기. 양지바 른 곳에 두고 CO2와 빛 센서데이터 수집하기 4차시: 수집된 데이터 구조화하기. 구조화된 데이터 분석하기. 실험데이터 가 이론과 결과가 같은지 논의하기 5. 기 초 학 습 - 1차 시 센서 데이터 수집을 위한 하드웨어 세팅과 소프트웨어 세팅 그리고 코딩 사용설명 동영상 링크 https://youtube.com/playlist?list=PLV0fpigVietQ0EHMRJ4XhTbU_KIHHOnfv 시스템 구조도 아두이노에 연결된 센서의 값을 시리얼포트를 통해 컴퓨터로 전송 컴퓨터에서 PLX-DAQ라는 엑셀 제어프로그램을 통해 엑셀 시트에 데이터를 누적 하드웨어 세팅 센서 회로 구성 LCD, CO2센서는 I2C에 연결하고, 빛센서는 A0에 연결한다. - 7 - 창의디자인캠프 교재 6. 심 화 학 습 6 .1 1 부 심 화 학 습 : 일반 적 탐색 활 동(2차시 ) 식물의 광합성과 온도, CO2와의 관계에 대한 이론 학습 주의집중을 위한 도입 영상 제공 생물의 구성 https://www.youtube.com/watch?v=fTbGdzh0fa4&list=PLpps1Hm_DCYF2t26w84qVtUOx t5n_xe9u&index=18 소화 https://www.youtube.com/watch?v=jIIO4prjBAg 세포호흡 https://www.youtube.com/watch?v=5k3jQRRrnrQ 배설 https://www.youtube.com/watch?v=6SgyuwQpn98 식물과 에너지 광합성에 대한 이론 식물의 에너지 합성 https://www.youtube.com/watch?v=tPP-R4bTNh8 3분 45초까지 https://www.youtube.com/watch?v=EneecxGdeEQ 가. 기존 방법(과학교과서) 광합성량을 알아보는 방법으로는 광합성의 재료가 되는 물과 이산화탄소의 소모량을 측정하거 나, 혹은 생성된 포도당이나 산소 그리고 물의 양을 측정하면 된다. 중학교 2학년 교과서에서는 이 과정을 검정말(아나카리스)을 활용하여 물속에서 광합성이 일 어나게 하고 생성된 산소기체의 기포수를 새어 보는 방법으로 광합성량을 측정한다. 환경요인으로는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소의 농도, 빛의 파장 중에서 빛의 세기, 온도, CO2 환경요인만 사용한다.(중2과정) - 16 - 창의디자인캠프 교재 6 .2 2부 심 화 학 습 : 집단 실험 활동(3차 시) 통제된 실험 환경 구축 충분한 물을 주고 PET병에 작은 화분을 넣는다. 빛센서, CO2센서, 온도센서를 넣고 글루건으 로 고정시킨다. 뚜껑을 덮고 글루건으로 밀봉한다. 케이블로 센서와 아두이노를 연결하고, PC에 USB로 연결한다. 센서 수집을 위한 코드를 작성하여 아두이노에 업로드 한다. - 19 - 창의디자인캠프 교재 6 .3 3부 심 화 학 습 : 개인 및 소집단별 생활 속 과학문제 탐구 활동(4차 시) 수집된 데이터 구조화하기 엑셀에 수집된 데이터를 챠트로 구조화 한다. 데이터 영역 선택하기 – 삽입-챠트에서 꺽은선형 차트 선택 구조화된 데이터 분석하기 밀폐된 실험환경이 데이터에 어떤 영향을 주었는가? 빛의 양이 최고조인 시간대와 온도와의 관계는 어떠한가? 빛의 양과 CO2값과의 관계는 비례관계인가? 반비례관계인가? CO2값이 최고인 시간대는 언제이며 그 시간대의 빛의 양은 얼마인가? 온도와 빛의 양과의 관계는 어떠한가? 빛과 CO2와의 관계 설명하기 분석 내용을 바탕으로 빛과 CO2사이의 관계에 대해 설명하고, 이유가 무엇인지 설명하라. 실험 데이터가 이론을 증명하는 지 살펴보기 - 22 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 자율주행자동차 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 인천대 과학영재교육원 프로그램명 E 주요 단원 관련 과목 과학 관련 단원 E, T 적용 지역 요소 주 개발자명 신규 주요 적용 학년 개발차시 나도 자율주행자동차 개발자 주요 과목 STEM+I (신규/수정보 완) 중학교 1~2학년 12 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 물리 (빛과 물질) 보조 개발자 본 프로그램은 자율주행을 보조해 줄 수 있는 적외선 센서를 이용해 검 은색 선을 기준 삼아 도로가 맞는지 아닌지를 구분해 자율적으로 움직이 는 자율주행 자동차와 초음파 센서를 이용해 자동차가 들어오는지를 인식 해 개폐기를 열어주는 자동 개폐장치를 제작하는 프로그램이다. 제작한 것을 모두 합쳐 자율적으로 움직이다 개폐기를 만나면 정지하고, 개폐기 주요 수업 개요 가 올라가면 다시 출발하는 것이 목표이다. 창조활동에서 가장 중요한 것은 완성을 했다는 자부심, 한번 만들어 봤 다는 자신감이다. 본 활동으로 4차 산업혁명 중 하나인 자율주행 자동차 를 직접 제작해 봄으로써 설계 능력과 알고리즘 구성 능력, 문제해결능력 을 키울 수 있다. 또한, 메이커 활동과 코딩이 먼 얘기 또는 어려운 것이 아니고 내가 직 접 할 수 있고 재밌는 것이라는 인식을 심어줄 수 있도록 하려 한다. 1~4차시: 아두이노 기초 - 아두이노의 보드 구성을 학습한다 - 아두이노 디지털핀과 5V와 GND핀 - 마이크로 콘트롤러에 대해 공부하고, 아두이노 통합개발환경인 아두이 노IDE에서 코딩을 한뒤 파일을 업로드 해주면 콘트롤러에 업로드가 되 차시별 주요내용 (키워드 위주) 어 일정한 움직임으로 작동을 확인한다. 5~8차시: 통합환경에서의 코딩 순서 및 진행 - 변수지정→사용할 핀의 이름과 번호 지정→사용할 핀의 역할 지정→ loop문에 동작 설정 - 서브모터의 구성과 작동 - 초음파센서 및 적외선센서에 대해 학습한다 9~12차시: 만들기 및 적용 - 손을 따라 움직이는 자동차 만들기 - 라인트레이서 만들기 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 인천대학교 과학영재교육원 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 창조활동에서 가장 중요한 것은 완성을 했다는 자부심, 한번 만들어 봤다는 자신감이다. 본 활동 Incheon Science Elite Program 으로 4차 산업혁명 중 하나인 자율주행 자동차를 직접 제작해 봄으로써 설계 능력과 알고리즘 구 Tel: 032-835-4971~2, Fax: 032-835-4976 성 능력, 문제해결능력을 키울 수 있다. [융합교재] - 교사용 - 또한, 메이커 활동과 코딩이 먼 얘기 또는 어려운 것이 아니고 내가 직접 할 수 있고 재밌는 것 이라는 인식을 심어줄 수 있도록 하려 한다. { 자율주행자동차 } 교재개발자: 인천대학교 이정훈 개발년도: 2022학년도 - 아두이노의 기초 및 서보모터와 초음파센서를 사용해 자동 개폐기 제작 - 자동차 조립 및 적외선 센서로 자동 정지하는 자동차 제작 - 적외선 센서를 이용해 손을 따라오는 자동차 제작 - 적외선 센서를 이용한 라인트레이서 제작 < 교재 요약 > 아두이노를 완전히 이해하기보다는 한 번 끝까지 직접 타자를 쳐서 코딩을 하 고 자동차가 움직이는것에 초점을 둔 교재이다. 1. 주 의 ▢ 관련 분야 및 내용 공학 IT 내용 자동차 차체 및 하드웨어 조립 직접 코딩한 코드로 아두이노 제작품 작동 위 한 도 입 프로젝트 성공시 작동하는 자동개폐기, 라인트레이서 동영상으로 목표인식 및 흥미 유발 ※ 해당 교과 내용 및 STEM요소 기재, 칸이 부족할 경우 추가하여 작성 교과 분야 집 중 을 STEM요소 E T 2. 수 업 의 목 표 설 명 완벽한 이해보다는 중간에 포기하지않고 끝까지 자율주행자동차를 제작하고 작동시킨다. 3. 기 초 학 습 아두이노의 기초 * STEM: Science, Technology, Engineering, Mathmatics 약자 아두이노의 보드는 다음과 같이 구성되어있다. 이때 주의깊게 봐야할 곳은 맨 위에 위치한 디지털핀과 아래 위치한 5V 와 GND핀이다. ▢ 융합교과의 개요 및 목적 5V와 GND를 반대로 꽂게 되면 아두이노 보드가 고장날 수 있으니 주의한다. 아두이노보드에 위치한 마이크로 콘트롤러는 컴퓨터의 CPU와 같은 역할을 한다. 아두이노 통합개 발환경인 아두이노IDE에서 코딩을 한뒤 파일을 업로드 해주면 콘트롤러에 업로드가 되어 일정한 4차 산업혁명이 시작되고 코딩에 대한 중요도가 날로 높아져 가고 있다. 기존 산업 군에서는 유형적인 가치를 생성하는 것이 큰 비중을 차지했지만 현재 발전하는 산업 움직임으로 작동하게 된다. 군에서 가장 비중을 차지하는 것은 인공지능, Ai, 앱 등 코딩을 통한 무형적가치 창출이다. 앞으로 다가올 시대에는 직접 코딩해서 프로그램 또는 앱 또는 기계 작동을 할 일이 많아질 것이 다. 본 프로그램은 자율주행을 보조해 줄 수 있는 적외선 센서를 이용해 검은색 선을 기준 삼아 도 로가 맞는지 아닌지를 구분해 자율적으로 움직이는 자율주행 자동차와 초음파 센서를 이용해 자 동차가 들어오는지를 인식해 개폐기를 열어주는 자동 개폐장치를 제작하는 프로그램이다. 제작한 것을 모두 합쳐 자율적으로 움직이다 개폐기를 만나면 정지하고, 개폐기가 올라가면 다시 출발하 는 것이 목표이다. - 1 - 융합교실 - 2 - 융합교실 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. - 변수지정 - 사용할 핀의 이름과 번호 지정 - 사용할 핀의 역할 지정 - loop문에 동작 설정 서보 모터 다루기 아두이노 통합개발환경의 구성 서보 모터는 총 3가지의 선으로 구성되어있다. 1.갈색 – GND (접지) 2.주황색 – 5V (전원) 3.노랑색 – 신호 아두이노에 갈색은 GND에 주황색은 5V에 꽂은뒤 노랑색선은 아두이노의 디지털핀에 꽂는다. 이때 아두이노 IDE상에서 몇 번 핀에 꽂아주었는지 지정해주어야 한다. 서보 모터는 아두이노상에 다루기 쉽게 코딩을 해둔 헤더파일이 존재한다. #include 로 서보모터의 헤더파일을 불러와준다. 위에서 말한 코딩 순서대로 1. 핀의 이름을 지정해준다. < Servo 이름 >과 같이 지정해준다. ex) Servo motor2 라고 해주면 motor2 라는 이름으로 서보모터의 이름을 설정해준다. 2. 신호를 다룰 디지털 핀의 번호를 지정해준다. servo 헤더파일에서는 attach라는 함수를 쓴다. ex) motor2.attach(7) 라고 하면 디지털 7번핀으로 모터를 조작한다는 얘기다. 3. 핀의 역할 즉 pinMode에서 OUTPUT 인지 INPUT인지 지정해주어야 하는데 헤더파일 상에서는 IDE는 setup 과 loop 문으로 구성되어 있다. 지정해줄 필요가 없다. set up : 말 그대로 기초단계 또는 한번만 작동할 코드를 작성하는 곳이다. 4. 서보모터의 작동은 motor2.write(각도)의 형식으로 조절한다. loop : 반복되어 작동할 코드를 작성하는 곳이다. ex) motor2.write(20); 서보모터를 20도로 움직인다 그 외에 변수를 지정해주거나 헤더 파일을 불러오거나 할때는 set up 위에 적어준다. ex) motor2.write(120); 서보모터를 120도로 움직인다. 라는 뜻이다. 이 통합환경에서 코딩은 다음과 같은 순서대로 진행된다. 초음파 센서 - 3 - 융합교실 - 4 - 융합교실 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 초음파 센서는 초음파를 내보내고 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 센서이다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. Serial.println("cm"); 원리는 아래 사진과 같다. 라는 식으로 계산하게 된다. 이때 distance에서 나갔다 돌아오기 때문에 2로 나눠주고 시간초의 단위는 ms이므로 cm로 변환하기 위해 10000으로 나눠준다. 적외선 센서 float duration,distance; // duration 과 distance 라는 변수를설정 해준다 digitalWrite(trig,HIGH); /// 초음파를 내보냄 delay(10); // 0.01초 보내고 digitalWrite(trig,LOW); //초음파를 끔 duration = pulseIn(echo,HIGH);// in 에서 i 는 대문자!, 초음파가 HIGH 였던 시간 즉, 초음파가 적외선 센서는 발광부에서 적외선이 나와 수광부로 적외선이 들어가는 것을 감지해 앞에 장애물 이 있는지 없는지를 판단한다. 보냈다가 다시 들어온 시간으로 거리 계산 만약 장애물이 있다면 빛이 반사되어 수광부로 들어가 디지털값이 0이된다. distance=((float)(340*duration)/10000)/2; 만약 장애물이 없다면 빛이 반사되지 않아 수광부로 들어가는 빛이 없어 디지털값이 1 이된다. Serial.print(distance); - 5 - 융합교실 - 6 - 융합교실 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2021년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 검정색은 빛을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 2. 라인트레이서 만들기 만약 검정색 테이프에 적외선을 쏘면 빛이 흡수되어 앞에 장애물이 없는 것으로 판단한다. 적외선 센서 2개를 이용해서 선을 따라가는 자동차 만들기 이것을 이용해 검정색 라인을 인식하는 라인트레이싱을 할 수 있고 장애물을 만나면 튕겨져 나오는 성질을 이용해 앞에 물체를 따라다니는 자동차도 제작할 수 있다. 4. 심 화 학 습 – 대 면 다음과 같은 위치에서 선을 따라 가는 자동차를 만든다. 4시 간 1. 손을 따라 움직이는 자동차 만들기. 적외선 센서의 장애물이 있으면 LOW , digitalRead()= 0 장애물이 없으면 HIGH, digitalRead() =1 인 것을 이용하고 왼쪽에 손이 있으면 따라가야 할 물체 가 왼쪽에 있다고 판단해 차가 왼쪽으로 회전해야 따라갈 물체를 정면으로 바라볼 수 있다. 오른쪽도 마찬가지이므로 이것을 이용해 다음과 같은 알고리즘을 이용해 작성한다. 1) 적외선 센서는 총 3개를 사용한다. 편의상 L(왼쪽) M(중간) R(오른쪽) 센서로 지정한다. 2) 자동차는 기본 디폴트 값이 직진이다. 좌회전 할 때 있을 수 있는 경우들 3) 가운데 M센서에 손이 닿으면 정지한다. if(digitalRead(M)==0){ stop; } 4) 왼쪽 센서에 손이 닿으면 왼쪽으로 회전한다. if(digitalRead(L)==0){ left; } 5) 왼쪽 센서와 가운데 센서에 손이 닿으면 왼쪽으로 회전한다. ( 손이 센서 2개를 다 덮을 수 있 으므로 일단 왼쪽 센서에 물체가 있다고 판단되면 기준 보다 왼쪽에 있는 것 이므로 왼쪽으로 회 전한다. if(digitalRead(M)==0 && digitalRead(L)){ left; } 6) 오른쪽 센서에 손이 닿으면 왼쪽으로 회전한다. if(digitalRead(R)==0){ right; } 7) 오른쪽 센서와 가운데 센서에 손이 닿으면 오른쪽으로 회전한다. if(digitalRead(M)==0 && digitalRead(R)){ Right; } - 7 - 융합교실 - 8 - 융합교실