STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안<집에서 간단하게 물을 전기분해할 수 없을까?> 부산대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램명 중3, 고2 개발차시 6차시 신규 장치 고안 과학 주요 단원 관련 과목 화학 관련 단원 S,T,E,M 적용 지역 요소 (신규/수정보 완) 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 주요 과목 STEM+I 주요 적용 학년 구분 부산대학교 영재교육원 중3 과학 Ⅰ 화학반응의 규칙과 에너지 변화 2. 화학반응의 규칙 3. 기체반응법칙 고등학교 화학Ⅰ: Ⅲ 화학 결합과 분자의 세계 1. 화학결합 1. 화학 결합의 전기적 성질 보조 주 개발자명 개발자 팬데믹이후 1회용품의 사용 증가로 환경 오염이 심각해졌다. 버려지는 1 회용품을 재활용하여 학생들의 학습과 실험실습에 도움이 되는 공학적 도 주요 수업 구를 설계하고 제작하도록 하여 학습내용의 기본 원리를 이해하고 이해한 개요 내용을 실습할 수 있는 공학적 도구를 재활용품을 이용하여 제작함으로써 환경에 대한 경각심과 작은 실천 방안을 고민하고 공학적 도구의 제작과 정에서 창의성을 함양하도록 한다. 1차시: 환경오염으로 인한 기후변화의 심각성을 인식하고 팬데믹이후 증 가한 1회용품으로 인한 환경 변화를 이해하고 1회용품을 재활용한 학습도 구의 제작 필요성을 인식한다. 2차시: 물의 전기분해장치를 재활용품으로 제작할 것을 제안하고 판매되 차시별 주요내용 (키워드 위주) 는 전기분해장치로 실습해 보고 전기분해 장치의 기본 원리를 이해하도록 한다. 3차시: 전기분해장치를 재활용품으로 제작하기 위한 설계 작업을 진행한 다. 4~5차시: 모둠별로 설계된 전기분해장치를 제작한다. 6차시: 모둠별로 제작된 전기분해장치를 전시하고 각각의 전기분해장치를 발표를 통해 소개한다. 화학 화 학 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안 탐구목표 공학적 문제를 정의하고 제한 조건을 확인한다. 준 비 물 영상, 학생 활동지 1 차시 상황제시 코로나 시대를 지나면서 우리 생활에 많은 변화가 생겼다. 그중 사람들간의 접촉을 최대한 피하기 위해 음식을 배달 주문하여 먹는 사례가 매우 증가하였다. 이로 인해 편리한 배달 문화가 생겼지만 더불어 1회용품을 사용량이 급증하였다. 예전에 비해 배달을 통해 받을 수 있는 음식의 종류도 증가하였지만 거의 모든 배달 음식에는 1회용품이 사용된다는 것을 우리 모두 경험해 볼 수 있다. 그리고 이렇게 사용한 1회용품을 버리면서 자원의 무분별한 사용과 버려지는 쓰레기의 양에 대해 한번쯤 고민해 보았을 것이다. 이러한 쓰레기가 바다로 흘러가 태평양에 크다란 쓰레기 섬을 이루게 되었으며 썩지 않는 플라스틱으로 인해 바다 뿐만 아니라 육지에서도 쓰레기를 처리하지 못해 쓰레기 매립지에는 주민과 공공기관의 갈 등을 보도하는 뉴스를 접할 수 있다. 우리는 계속해서 이렇게 1회용품을 사용해도 될까? 이러한 문제에 우리가 할 수 있는 작지만 지속가능한 발전을 위한 실천 사항은 무엇이 있을까? ☞ 유튜브 동영상 : 우리가 무심코 쓴 플라스틱이 모여 아주 큰 나라가 됐다는 사실 1. https://www.youtube.com/watch?v=6vSE2eBh-Do 2. https://www.youtube.com/watch?v=J4qVljJrOIU 부산대학교 과학영재교육원 81 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안 탐구목표 준 비 물 2 차시 1. 시중에 판매되는 전기분해 장치를 이용하여 전기분해를 실험해 보고 전기분해의 원리를 설명할 수 있다. 2. 각 부품별 역할과 조건을 이해하고 기본적으로 필요한 재료가 무엇인지 설명할 수 있다. (모둠별) 물의 전기분해 장치, 학습지, 스마트폰, 전해질 용액(황산나트륨 용액) 1단계 – 물의 전기분해 장치 탐구하기 판매되는 물의 전기분해 장치에 대한 동영상과 간단하게 제작할 수 있는 물의 전기분해 장치에 대한 동영상을 확인하고 물의 전기분해에 필요한 기본적인 장치와 재료에 대해 조별로 토론하고 물이 전기분해 될 때, 전기를 가해서 분 해하는 이유에 대해 토의해 보자. (유튜브 URL : https://www.youtube.com/watch?v=CGnMizwUHEQ&t=2s) 1. 물의 전기분해에 대해 자세하게 설명하는 동영상이므로 필요에 따라 전기분해가 되는 부분만 보여 줄 수도 있고 고등학생이거나 심화학습이 가능한 학생들은 전체 동영상을 통해 물이 전기분해되는 과정과 원리를 이해하도록 지도한다. 2. 특히, 물이 전기분해되는 동안 전기를 사용하여 에너지를 가하여 분해하는 과정에 대해 발문하고 에너지의 출입과 관련된 질문과 토의를 유도하여 물이 전기분해되는 동안 에너지를 흡수하여 분해 된다는 것을 이해하도록 한다. 1회용 스포이드와 침핀을 이용한 간단한 물의 전기분해 장치에 대한 동영상을 보고 물을 전기분해 하는 장치가 복잡할 필요가 없으며 기본적인 기능을 가진 간단한 부품으로 제작이 가능함을 이해하고 전기분해를 위한 가장 기본적인 장치와 원리를 토의해 보자. (유튜브 URL : https://www.youtube.com/watch?v=DHyX-fK57N8) 84 2022 STEM+I 생각교실 프로그램북 - 교사용 활동지 화학 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안 3 차시 탐구목표 전기분해 장치를 이용하여 전기분해 해 본 경험을 이용하여 재활용품을 이용한 물의 전기분해 장치를 설계할 수 있다. 준 비 물 (모둠별) 물의 전기분해 장치, 학습지, 스마트폰 재활용품을 이용한 물의 전기분해 장치 설계 판매되는 물의 전기분해 장치의 각 부품을 재활용품으로 교체하여 새로운 전 기분해 장치를 제작하는 과정에서 각 부품의 역할과 특성을 서술하고 이러한 특성을 고려하여 적절한 재활용품을 대체하여 정리하여 보자. 출처 : 비상교육 화학Ⅰ교과서 판매 전기분해 장치 개발 전기분해 장치 부품명 역할 특징 대체 부품 전극(예시) 물에 전기 공급 도체 전기가 통하는 못 등 금속 전기분해 장치 프레임 전해질 용액을 수용 하고 물을 전기분해 할 수 있도록 하는 구 조적 역할 용액과 기체를 수용할 수 있도록 밀폐된 프 레임 유리나 플라스틱 또는 금속 캔 등의 1회용품 활용 3 전해질 용액 물에 전기가 통하도 록 하여 물이 전기분 해될 수 있도록 하는 역할 Na2SO4 용액 사용 전해질 용액은 그대로 사용 4 고무풍선 생성된 기체를 포집 기체를 수용할 수 있 도록 밀폐된 재료 고무풍선 또는 플라스틱 병 등 5 전원 공급 장치 전기분해를 할 수 있 도록 전류 공급 직류 전원 장치 또는 건전지 다양한 건전지 또는 직류 공급 장치 1 2 부산대학교 과학영재교육원 87 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안 4~5 차시 탐구목표 모둠별 또는 개별로 설계한 물의 전기분해 장치를 재활용품을 활용하여 제작할 수 있다. 준 비 물 (모둠별 또는 개별) 전해질 용액(황산 나트륨 용액), 재활용품, 본드, 가위, 칼, 인두, 글루건, 송곳, 토치, 드릴 등 공구, 6V 이상의 전원장치 재활용품을 이용한 물의 전기분해 장치 제작 모둠별 또는 개별적으로 설계한 물의 전기분해 장치를 제작하기 위해 설계한 설계 안에 따라 준비한 재료를 이용하여 제작해 보자. 미리 제작된 모형이 있 다면 참고하여 장치의 각 부품이 하는 역할을 생각하며 장치를 제작하여 보자. ※ 장치 제작에 필요한 각종 도구의 사용에 특히 주의하자. 자르거나 구멍을 뚫기 위한 도구들을 활용할 경우 주의하여 사용하고 사용한 도구는 제자리에 정리하여 다른 학생이 사용하는데 불편함이 없도록 한다.) (사용한 재료들) 90 2022 STEM+I 생각교실 프로그램북 - 교사용 활동지 (제작한 모형) 화학 재활용품을 이용한 물의 전기분해와 수소발생 장치 고안 6 차시 1. 조별로 완성한 재활용품 물의 전기분해장치를 작동 원리를 설명할 수 있다. 탐구목표 2. 프로젝트를 진행하며 1회용품의 무분별한 사용에 대해 반성하고 1회용품을 줄이기 위한 실천 방법을 계획하고 실천할 수 있다. 준 비 물 (모둠별 또는 개별) 학습지, 제작한 물의 전기분해 장치 제작된 전기분해 장치의 공유 체험 모둠별로 제작한 작품을 발표를 통해 소개하자. 모둠별 전기분해 장치의 설계 특징, 작동 시 좋았던 점과 문제점에 대해 발표하고 이 과정을 통해 배우고 느낀점을 정리해 보자. 또한 다른 모둠의 작품과 비교하여 공통점과 차이점을 서술해 보자. (물의 전기분해 장치의 원리는 비슷하겠지만 사용한 부품에 따라 다양한 독창성을 관찰하며 자신의 작품과 비교를 통해 작품별 창의적 요소를 이해하도록 한다.) 자신의 작품과의 공통점 자신의 작품과의 차이점 부산대학교 과학영재교육원 93 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 지속 가능한 발전과 미래를 위한 신재생 에너지 강원대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 강원대학교 (신규/수정보 완) 신규 프로그램명 지속 가능한 발전과 미래를 위한 신재생 에너지 주요 과목 통합과학 관련 과목 STEM+I 요소 과학 Ⅲ 화학 Ⅱ S/T/E 주요 단원 관련 단원 주요 적용 학년 고 1 개발차시 5 Ⅸ. 발전과 신재생 에너지 Ⅵ. 에너지 전환과 보존 Ⅳ. 전기 화학과 이용 적용 지역 보조 주 개발자명 개발자 이 프로그램은 에너지 소양 신장을 바탕으로 에너지 전환시대에 요구되는 주요 수업 개요 학생들의 실천적 지식을 함양하고 지속가능한 사회를 선도하는 민주시민 교육을 목적으로 개발되었다. 이 프로그램에서 학생들은 지속가능한 사회 를 위한 에너지 이용과 개발에 관한 탐구를 통해, 신재생 에너지 기술에 대해 과학적으로 이해하고 학생들이 자발적인 실천 계획을 수립하게 된다. 1차시 / 강의 / 신재생에너지의 이해- 신재생에너지의 종류와 특징 2차시 / 탐구 / 연료전지 실험을 통해 연료 전지의 원리, 특징과 장점을 차시별 주요내용 (키워드 위주) 탐구하기 3차시 / 강의 / 연료 전지 기술의 활용 – 연료 전지를 둘러싼 수소 기술에 대한 이해 4차시 / 조사 / 대륙별‧국가별 신재생 에너지 활용방안에 대하여 조사 5차시 / 토론 / 대륙별‧국가별 신재생 에너지 활용방안 발표 및 우리나라에 대한 적용 지속 가능한 발전과 미래를 위한 신재생 에너지 Ⅲ. 교사용 지도서 1차시 신재생 에너지의 이해 [수업 안내] 본 수업에서는 화석 연료의 고갈에 대해 학생들이 직접 탐구함으로서 화석 연료의 대안인 신재생 에너지의 필요성과 종류에 대해 직접 탐구하는 것에 목적을 둔다. 학생들이 주어진 자료를 통해 화석 연료를 사용했을 때의 문제점을 직접 인식하도록 한다. 화석 연료의 대안이 될 수 있는 에너지의 조건에는 무엇이 있어야 하는지 화석 연료의 단점과 비교하여 추론할 수 있도록 한다. 화석 연료의 대안이 될 수 있는 신재생 에너지(태양 에너지, 풍력 에너지, 해양 에너지, 바이오 에 너지, 수소 에너지)의 특징과 장·단점이 무엇이 있을지 예상하게 하고 이를 설명한다. [수업 TIP] 에너지 소비량의 변화 그래프와 주요 에너지 자원의 가채연수 그림을 통해 학생들이 에너지 사용량은 증가하 는 것에 반해 주요 에너지 자원은 고갈되고 있음을 인식할 수 있도록 한다. 앞선 활동에서 학생들이 인식한 점을 토대로 미래의 에너지가 가져야할 조건은 무엇이 있을지 예측하여 적어보고, 답을 제시하여 학생들의 생각을 수정 및 보완해준다. 우리 나라의 신재생 설비 현황을 탐구하며 우리 나라의 신재생 에너지 현황을 인식하고 신재생 에너지 에는 무엇이 있는지 인식할 수 있도록 한다. 만약에 화석 연료가 없어진다면? 다음은 전 세계 에너지 소비량의 변화와 주요 에너지 자원인 화석 연료의 가채 연수(2016년 기준)를 나타낸 것이다. | 160 | 지속 가능한 발전과 미래를 위한 신재생 에너지 2차시 수소 연료 전지 탐구 [수업 안내] 탐구 실험을 통해 수소 연료 전지의 작동 원리를 확인한다. 연료 전지의 재료로 사용되는 산소와 수소가 친환경적인 방법으로 생산되며, 에너지를 만든 후에 생성된 물질 또한 친환경적인 물질이라는 것을 확인하도록 한다. 생각열기 동영상 : https://www.youtube.com/watch?v=pUQkBOIt0KM 연료 전지 탐구 실험 동영상 : https://www.youtube.com/watch?v=jheP19dVGvU 태양광 패널을 통해 생산된 전기로 수전해를 일으키고, 이렇게 분해된 수소를 연료로 사용하도록 설계된 연료 전지를 사용하여 재생 에너지 사이의 관계를 이해하도록 한다. 연료 전지의 작동 원리를 과학적으로 설명하고 이해하도록 한다. [수업 TIP] 실험 장치를 설치해 기체를 발생시킬 때 발생되는 기체의 비율을 관찰하기 위해 튜브를 연결할 때 올바른 곳에 연결하여 탐구를 진행할 수 있도록 한다. 태양 전지를 연결한 후와 전기 모터에 연결했을 때의 기체 저장 실린더의 변화를 유의 깊게 관 찰하여 기록할 수 있도록 한다. 태양 전지에서 전선을 분리한 후에 전기 모터에 전선을 연결할 때 연결하자마자 프로펠러가 돌아 가기 때문에 초시계를 준비한 뒤에 프로펠러가 돌아가기 시작했을 때 바로 측정을 시작할 수 있도록 한다. 수소 기체와 산소 기체가 소모되며 프로펠러가 돌아간 것을 언급하며 연료 전지가 어떤 원리로 작동하는 것일지 과학적인 결론을 도출할 수 있도록 촉진한다. | 168 | 교사용 지도서 3차시 연료 전지 기술의 활용 [수업 안내] 생각 열기 동영상 1 : https://www.youtube.com/watch?v=q-VWWD80atc 생각 열기 동영상 2 : https://www.youtube.com/watch?v=rXjfnb9MT_Q 연료 전지의 재료인 수소를 생산하는 여러 가지 방법 중에서 그린 수소 방법으로 수소를 만드는 것의 필요성을 이해하도록 한다. 그린 수소를 만들기 위해서는 다양한 재생 에너지의 개발이 필요함을 설명한다. 연료 전지의 저장과 수송에 있어서 액체 수소 저장 기술 개발의 필요성을 인지할 수 있도록 한 다. [수업 TIP] 현재 연료 전지 사용에서의 문제점이 수소가 부족한 것이며 수소 생산량이 증가해야 함을 학생들 이 인지할 수 있도록 한다. 수소 기체를 만드는데 있어서 그레이 수소와 그린 수소의 차이점을 인식하고 그린 수소로 수소를 만들어야 함을 인식하게 한다. 그린 수소로 수소를 개발함에 있어서 결론적으로 신재생 에너지의 개발 및 확보가 중요하며 신재 생 에너지를 연구해야 하는 필요성을 인지할 수 있게 한다. 수소 사용을 위한 미래의 과제 수소 연료 전지 활용 분야(좌) 및 수소 생산 방법(우) 출처 : 포스코 뉴스룸 | 179 | 교사용 지도서 4/5차시 국가별 신재생 에너지 활용 방안 [수업 안내] 4차시 수업에서는 모둠별로 대륙 또는 나라를 정해 해당 나라의 신재생 에너지 활용 현황에 대 해 조사한다. [생각 열기 영상] https://www.youtube.com/watch?v=eqfneevsKTY http://www.danbinews.com/news/articleView.html?idxno=20945 5차시 수업에서는 국가별 신재생 에너지 개발 현황 및 계획을 모둠별로 발표한다. 활용 현황을 조사하며 국가별 신재생 에너지 개발은 국가의 지리·지형·기후 환경에 영향을 받음 을 알아낼 수 있게 한다. 모둠별 발표를 들으면서 국가별 신재생 에너지 개발의 공통점을 확인할 수 있게 한다. 우리나라의 지형적 특징을 보면서 신재생 에너지를 어떻게 개발할 수 있을지 알아본다. [수업 TIP] 모둠별 조사는 개인 휴대폰이나 태블릿 PC를 가지고 직접 조사할 수 있도록 한다. 모둠 활동을 통해 국가별 신재생 에너지 사용현황 및 개발 계획을 조사하며 신재생 에너지의 활용 및 개발은 지리·지형·기후 환경에 영향을 받음을 관찰할 수 있도록 촉진하는 질문을 제공한다. 모둠 활동에 대한 동료평가를 이용하여 모둠 활동을 촉진할 수 있도록 한다. 그 후에 우리나라의 지형을 생각하며 신재생 에너지 활용 현황과 우리나라의 신재생 에너지 개발의 미 래에 대해 생각해 볼 수 있도록 한다. 친환경 에너지 도시, 베드제드(BedZED) 영상 베드제드 마을에서는 어떠한 방법으로 탄소 중립을 실천하고 있었나요? - 옥상에 태양광과 목재 펠릿 발전을 활용해 자체적으로 전기를 공급하고 있다. 옥상에 잔 디를 설치하여 빗물을 흡수해 저장하고 물을 재활용 한다. 많은 창문을 활용해 채광을 높이고 단열 효과를 얻는다. 우리 나라 혹은 도시에서 탄소 중립을 실천하기 위한 방법에는 무엇이 있을까요? - 우리 나라에서도 옥상에 태양광 발전기를 설치하여 전기를 생산할 수 있고, 대관령의 풍 력 발전이나 갯벌의 조석 간만의 차이를 이용하여 해양에너지를 생산하는 등 다양한 발 전 방법으로 탄소 중립을 실천할 수 있다. | 191 |