STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 파동의 기술과 우리의 문화 아주대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 프로그램 이름 주요 과목 아주대학교 과학영재교육원 파동의 기술과 우리의 문화 물리학1 단원 III. 파동과 정보통신/파동, 빛 관련 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 S, T 지역 차시 4 개발자 주요 수업 개요 파동에 관하여 개괄적으로 배우고, 우리 문화와 과학에서 파동 현상이 실생활에 어떻게 이용되는지 이해하고 설명할 수 있는 능력을 개발한다. 1차시: 파동의 개념, 파동의 성질(반사, 투과, 굴절, 분산)에 관해 배 우고 이를 응용하여 실생활에서 사용되는 장비를 알아본다. 파동의 차시별 주요내용 (키워드 위주) 굴절에 대한 내용이 들어있는 선조들의 속담을 찾아본다. 2차시: 전반사에 관하여 학습하고, 광섬유, 광통신을 배우고, 생활 속 응용을 알아본다. 3차시: 전자기파, 전자기파의 종류, 전자기파의 특성을 학습하고 실 생활 속에서 전자기파를 이용한 기구 찾아보기. 4차시: 파동의 간섭, 자연계에서 간섭현상 찾아보기, 실생활에서 볼 수 있는 현상과 응용 알아보기 ◎ 파동의 기술과 우리의 문화(1차시) (기하)교수·학습 지도안 중심과목 물리학 중심과목 성취기준 영역 Ⅲ.� 파동과 정보 통신 � � 1.� 파동의 성질과 활용 주제(단원)명 학교급 학년 고등학교 2학년 [12물리Ⅰ03-01] 파동의 진동수�� 파장�� 속 중심과목 성취기준 력 사이의 관계를 알고 매질에 따라 파동의 속력이 다른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다. 학습목표 �1�� 파동의 진행과 굴절 3/3 차시 1.� 파동의 진동수�� 파장�� 속력 사이의 관계를 설명할 수 있다. 2.� 파동이 굴절할 때의 규칙성을 설명하고�� 굴절 현상의 예를 제시할 수 있다. 연계과목 수학�� 물리 연계과목 성취기준 영역 [고등학교 2학년]� 수학Ⅰ 삼각함수 [고등학교 2학년]� 물리 파동과 정보 통신 S T STEM 요소 E M 파동의 개념�� 굴절의 개념 현미경과 망원경 프리즘과 렌즈의 제작 진동수�� 파장�� 속력 사이의 수학적 관계�� 스넬 법칙�� 파동의 수학적 표현 파동의 기본 개념과 전파 원리�� 굴절을 물리적 개념과 함께 수학적으로 이해하고 이것이 우리의 실생활 개발 의도 과 문화에 어떻게 이용이 되는지 다양한 예를 통하여 이해하여 보고자 한다.� 일상생활에서 볼 수 있는 신기루�� 현미경�� 망원경�� 사진기 등이 렌즈와 프리즘으로 만들어질 수 있음을 이해하고 물리학이 과학�� 기술�� 수학�� 그것의 제작이 어떤 관계가 있는지도 살펴 볼 기회를 갖고자 하였다. 상황 제시 창의적 설계 STEM 학습 준거 상 황 제 시 파동은 어떻게 진행하는가?� 파의 진행을 바꾸는 것에는 어떤 것이 있을까? 창 의 적 설 계 파동의 진행을 변화시키는 거울�� 프리즘�� 렌즈를 이용하여 바꿀 수 있는 실생활의 광학 기구에는 어떤 것이 있는지 조별로 찾아 정리해 본다. 조별로 조사한 것을 발표하며 이를 통해 느끼고 깨닳게 된 점도 발표하며 토론할 수 있다. 감 성 적 체 험 감성적 체험 단계 (시간) 학습 과정  단원 도입 학습 활동 및 내용 ⦾ 파동의 진행과 굴절에 대한 이해 ∘ 자신의 의견을 뒷받침할 자료들을 먼저 조사하여 정리한 후 토의를 한다. ⦾ 스스로 계획하기 ∘ 단원 연계와 학습 내용을 확인하며 소단원 학습을 계획한다. 도입 (10분)  차시 도입  학습 목표 제시  차시 열기 전개 (35분) 정리 및 평가 (5분)  개념 설명  학습 내용 정리  차시 예고 ⦾ 생각 나누기 ∘ 신기루는 일상생활 속에서 자주 발생하는 현상이다. 그런데 이러한 신기루가 파동이 굴절하면서 생기는 현상이라는 것을 인지하지 못하는 학생들이 많다. 신 기루가 생기는 원리를 정확하게 설명하기는 어렵더라도 직접 관찰했거나 텔레비 전이나 신문에서 본 경험을 이야기하고 구체적으로 표현해 보게 한다. ∘ 학습 목표를 확인한다. ∘ 연못에 던진 돌이 만드는 파동에 대해 설명한다. 1. 파동, 파동의 속력, 파동의 굴절, 스넬 법칙에 대한 개념을 확인 설명한다. 2. 신기루 - ‘지면이 뜨거워지면 지면에 가까울수록 공기의 온도가 높은데, 파동은 온도가 높을수록 빠르게 진행하므로 빛이 휘어져 진행하여 물체가 다른 곳에 있는 것처 럼 보인다.’와 같이 원리 중심으로 설명한다. 3. 렌즈 - 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 특성을 설명하고, 활용되는 예를 소개한다. 4. 렌즈의 굴절을 사용한 여러 가지 기기 - 이번 차시 학습 내용 정리 - 전반사 • 11 • ◎ 파동의 기술과 우리의 문화(2차시) (기하)교수·학습 지도안 중심과목 중심과목 성취기준 영역 주제(단원)명 물리학 학교급 학년 고등학교 2학년 중심과목 성취기준 [12물리Ⅰ03-02] 파동의 전반사 원리를 이 용한 광통신 과정을 설명할 수 있다. Ⅲ.� 파동과 정보 통신 � � 1.� 파동의 성질과 활용 학습목표 �2�� 전반사 차시 1.� 전반사가 일어나는 조건을 설명할 수 있다. 2.� 전반사 원리를 이용하는 광통신 과정을 설명할 수 있다. 연계과목 수학�� 물리 S T STEM 요소 E M 개발 의도 연계과목 성취기준 영역 2/2 [고등학교 2학년]� 수학Ⅰ 삼각함수 [고등학교 2학년]� 물리 파동과 정보 통신 굴절의 개념�� 임계각과 전반사의 개념 광섬유 광섬유의 제작 스넬 법칙을 통한 임계각 구하기 전반사가 일어나는 조건을 스넬 법칙으로부터 유도할 수 있도록 해 보고, 일상생활과 산업에서 전반 사가 활용되는 예를 찾아 과학적 원리를 이해할 수 있도록 해 보고자 하였다. 일상생활에서 간단한 방법으로도 전반사를 체험하여 볼 수가 있고 이러한 전반사 체험을 통하여 이 현상의 신비로움과 그 활용에 대하여 살펴 볼 기회를 갖고자 하였다. 상황 제시 창의적 설계 STEM 학습 준거 상 황 제 시 빛은 항상 굴정과 반사가 모두 일어날까 그렇지 않은 경우에는 어떤 것이 있을까? 창 의 적 설 계 반사만 일어날 수 있는 경우를 찾아 이것을 어떻게 활용할 수 있는지 알아보고 실생활에서의 사용에 대하여 조별로 찾아 정리해 본다. 조별로 조사한 것을 발표하며 이를 통해 느끼고 깨닳게 된 점도 발표하며 토론할 수 있다. 감 성 적 체 험 감성적 체험 단계 (시간) 도입 (10분) 학습 과정  단원 도입 ⦾ ∘ ⦾ ∘  차시 도입 ⦾ 생각 나누기 ∘ 빛이 직진한다는 것은 널리 알려진 사실이다. 이 빛을 원하는 방향으로 나아가 게 하는 방법으로 광섬유를 사용한다. 광섬유를 이용한 장식품을 통해 광섬유를 본 경험을 이야기하도록 지도한다.  학습 목표 제시  차시 열기 전개 (35분) 정리 및 평가 (5분) 학습 활동 및 내용  개념 설명  학습 내용 정리  차시 예고 파동은 반사와 굴절이 항상 일어나는가-토의 토론 자신의 의견을 뒷받침할 자료들을 먼저 조사하여 정리한 후 토의를 한다. 스스로 계획하기 단원 연계와 학습 내용을 확인하며 소단원 학습을 계획한다. ∘ 학습 목표를 확인한다. ∘ 빛이 물에서 공기로 입사하면 어떻게 굴절할지 질문한다. 1. 전반사 - 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 진행할 때 굴절 없이 반사만 일어나는 현상을 전반사라고 함을 설명한다. - 임계각과 전반사가 일어나는 조건을 설명한다. 2. 광섬유 - 코어와 클래딩 그림을 이용하여 광섬유의 구조에 대해 설명한다. - 코어와 클래딩의 굴절률을 이용하여 전반사 원리를 적용한다. - 광섬유를 활용한 사례를 설명한다. 3. 광통신 - 광통신 과정을 단계적으로 설명한다. - 이번 차시 학습 내용 정리 - 전자기파의 종류 및 활용 • 25 • ◎ 파동의 기술과 우리의 문화(3차시) (기하)교수·학습 지도안 중심과목 학교급 학년 물리학 중심과목 성취기준 영역 중심과목 성취기준 Ⅲ.� 파동과 정보 통신 � � 1.� 파동의 성질과 활용 주제(단원)명 학습목표 �3�� 전자기파의 종류 및 활용 차시 1.� 전자기파를 파장에 따라 구분할 수 있다. 2.� 다양한 전자기파가 활용되는 예를 설명할 수 있다. 연계과목 수학�� 물리 S T STEM 요소 E M 개발 의도 연계과목 성취기준 영역 고등학교 2학년 [12물리Ⅰ03-03] 다양한 전자기파를 스펙 트럼의 종류에 따라 구분하고�� 그 사용 예를 찾아 설명할 수 있다. 3/3 [고등학교 2학년]� 수학Ⅰ 삼각함수 [고등학교 2학년]� 물리 파동과 정보 통신 파장에 따른 전자기파의 종류 전자레인지�� 무선통신�� 자외선 살균�� 의료장비 장비의 제작과 취급 진동수와 파장 사이의 수학적 관계 전자기파의 종류와 활용되는 사례를 단순히 암기하도록 하지 않고, 파장에 따라 전자기파의 종류가 결정된다는 사실을 이해할 수 있도록 하고, 전자기파의 사용 예가 전자기파의 파장과 진동수에 따른 특성에 기인한다는 것을 이해하고 설명해 볼 수 있도록 해 보고자 하였다. 우리 문화의 일상생활에서 볼 수 있는 여러 도구들이 어떠한 전자기파와 관련이 있고 그러한 전자기파들의 성질과 사용 이유를 파악하고자 하였다. 상황 제시 창의적 설계 STEM 학습 준거 상 황 제 시 우리가 볼 수 있는 가시광선 이외에 전자기파는 어떤 것이 있을까? 창 의 다양한 종류의 전자기파가 우리 적 문화의 일상생활에 각각� 어떻게 설 사용되는지 조별로 찾아 정리해 본다. 계 조별로 조사한 것을 발표하며 이를 통해 느끼고 깨닳게 된 점도 발표하며 토론할 수 있다. 감 성 적 체 험 감성적 체험 단계 (시간) 학습 과정  단원 도입 학습 활동 및 내용 ⦾ 우리가 볼 수 있는 빛 이외의 전자기파는 어떤껏이 있을까-토의 토론 ∘ 자신의 의견을 뒷받침할 자료들을 먼저 조사하여 정리한 후 토의를 한다. ⦾ 스스로 계획하기 ∘ 단원 연계와 학습 내용을 확인하며 소단원 학습을 계획한다. 도입 (10분)  차시 도입  학습 목표 제 시  차시 열기 전개 (35분) 정리 및 평가 (5분) ⦾ 생각 나누기 ∘ 전자기파는 우리 주위에 늘 함께 하고 있다. 보통 전자기파의 ‘전자’라는 말 때 문에 전기 기기에 사용되는 마이크로파를 전자기파라고 생각하는 경우가 많다. 익숙한 마이크로파(전파)에서 출발하여 빛을 포함한 여러 가지 종류의 전자기파 가 존재한다는 것을 도입 과정에서 생각해 보게 한다. ∘ 학습 목표를 확인한다. ∘ 맥스웰과 헤르츠 업적을 중심으로 전자기파를 소개한다. 1. 전자기파 - 전자기파의 종류는 감마(r)선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디  개념 설명 오파 정도만 파장과 진동수와 관련지어 소개한다. 2. 전자기파의 활용 - 각각의 전자기파의 쓰임새에 따른 특징을 설명한다.  학습 내용 정 리 - 이번 차시 학습 내용 정리  차시 예고 - 파동의 간섭 • 37 • ◎ 파동의 기술과 우리의 문화(4차시) (기하)교수·학습 지도안 중심과목 중심과목 성취기준 영역 주제(단원)명 물리학 학교급 학년 고등학교 2학년 중심과목 성취기준 [12물리Ⅰ03-04] 파동의 간섭이 활용되는 예를 찾아 설명할 수 있다. Ⅲ.� 파동과 정보 통신 � � 1.� 파동의 성질과 활용 학습목표 �4�� 파동의 간섭 차시 1.� 파동의 간섭이 일어나는 원리를 설명할 수 있다. 2.� 파동의 간섭이 활용되는 예를 찾고�� 그 원리를 설명할 수 있다. 연계과목 수학�� 물리 S T STEM 요소 E M 개발 의도 연계과목 성취기준 영역 4/4 [고등학교 2학년]� 수학Ⅰ 삼각함수 [고등학교 2학년]� 물리 파동과 정보 통신 파동의 성질�� 간섭 마이컬슨 가섭계�� LIGO 간섭계 제작의 원리 보강과 상쇄 간섭의 조건 파동의 중첩 원리를 통해 파동의 간섭 현상을 이해해 보고 이것이 소음 제거, 무반사 코팅 등 다양한 곳에서 파동의 간섭이 이용되고 있음을 알게 하였다. 또한 파동의 간섭이 아주 작은 거리의 측정이등 다양한 곳에 사용이 되고�� 최근 이슈가되고 있는 중력파 측정장치인 LIGO에도 사용되고 있음을 이해해 보고자 하였다. 상황 제시 창의적 설계 STEM 학습 준거 상 황 제 시 파동의 특별한 성질에는 어떤 것이 있는가?� 또 그것은 어떤 활용 가치가 있을까? 창 의 파동의 진갑섭 원리와 이를 활용한 적 경우가 실생활의 어떤 것이 있는지 설 조별로 찾아 정리해 본다. 계 조별로 조사한 것을 발표하며 이를 통해 느끼고 깨닳게 된 점도 발표하며 토론할 수 있다. 감 성 적 체 험 감성적 체험 단계 (시간) 학습 과정  단원 도입 도입 (10분) 전개 (35분) 정리 및 평가 (5분) 학습 활동 및 내용 ⦾ 파동의 중첩 현상 관찰-토의 토론 ∘ 자신의 의견을 뒷받침할 자료들을 먼저 조사하여 정리한 후 토의를 한다. ⦾ 스스로 계획하기 ∘ 단원 연계와 학습 내용을 확인하며 소단원 학습을 계획한다.  차시 도입 ⦾ 생각 나누기 ∘ 소리가 파동임을 생각하게 하여 어떤 방법으로 소음을 없앨 수 있을지 이야 기해 보도록 한다.  학습 목표 제시 ∘ 학습 목표를 확인한다.  차시 열기 ∘ 서로 다른 파동이 한 지점에서 만나면 어떻게 될까?  개념 설명 1. 파동의 중첩과 간섭에 대한 개념을 확인한다. 2. 보강간섭과 상쇄 간섭에 대하여 그 원리를 이해한다. 3. 간섭의 활용 - 주위의 소음과 반대 위상의 파동을 발생시켜 소음과 상쇄 간섭을 일으키도록 하는 소음 제거 기술을 원리와 함께 설명한다. - 무반사 코팅 렌즈의 원리를 간섭을 이용하여 설명한다. - 간섭계와 LIGO에 대하여 설명한다.  학습 내용 정리 - 이번 차시 학습 내용 정리  차시 예고 - 빛의 이중성 • 51 •