STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 생태계 물질 순환의 공학적 접근 충북대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 충북대학교 과학영재교육원 프로그램명 (신규/수정보 완) 스마트팜 주요 과목 생물 주요 단원 관련 과목 생물, 정보 관련 단원 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 개요 주요 적용 학년 고 개발차시 4 생물의 구조와 에너지 컴퓨팅 시스템 적용 지역 보조 주 개발자명 주요 수업 신규 개발자 물질의 순화 (탄소 순화, 질소 순환) 피지컬 컴퓨팅 (아두이노 활용) 나만의 스마트팜 구성하기 1차시: 생태계에서 물질이 생산되어 순환하는 원리 이해하고 물질 순환에 서 탄소 순환과 질소 순환을 설명할 수 있다. 스마트팜 기술을 활용한 농업이 생태계에 미칠 영향을 객관적인 근거를 차시별 주요내용 (키워드 위주) 제시하여 설명할 수 있다. 2차시: 코딩과 아두이노를 이해하고 기본 프로그램 설치 및 기초 컴퓨팅 언어를 학습 하여 적용할 수 있다. 3차시: 아두이노 키트를 활용한 화분 자동 급수 장치를 만들고 구현과정에 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 4차시: 아두이노를 활용한 친환경 스마트 팜 구축을 위한 모둠별 프로젝트를 기획할 수 있다 (생물) 생태계 물질 순환의 공학적 접근 (7) 교수-학습 과정의 전개 학생용 1차시: 물질의 순환 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 생태계에서 물질이 생산되어 순환하는 원리를 이해하고 물질 순환에서 탄소 순환과 질소 순환을 설명할 수 있다. Ÿ 스마트팜 기술을 활용한 농업이 생태계에 미칠 영향을 객관적인 근거를 제시하여 설 명할 수 있다. 1차시 [개념 도입] 물질의 순환과 지구온난화의 상호 연관성 찾기 ◆ 무분별한 벌목이 온실기체가 대기로 배출되는 원인이 되는 이유를 물질의 순환과정을 이용해서 설명해 보자. 탄소순환과 관련하여 식물의 광합성이 대기 중의 이산화탄소를 유기물로 고정하고 있으며 벌목으로 인한 산림의 훼손은 이러한 이산화탄소의 순환에 문제가 발생할 수 있다는 내용으로 학생들이 작성할 수 있도록 수업 내용을 구성한다. ◆ 무분별한 벌목을 하는 이유를 농업과 관련하여 생각해 보자. 특정 작물을 재배하기 위한 공간을 마련하기 위해 벌목을 자행하는 경우가 많음을 수업자료로 제시 할 필요성이 있음. 예를 들어 아보카도를 재배하기 위한 재배면적 마련 및 단위면적당 전나무 보다 2 배 많은 물이 필요한 내용을 토대로 설명할 수 있도록 한다. ◆ 위의 내용과 관련하여 해결할 수 있는 방안을 생각해 보자. 식량생산은 기존 그대로 또는 단위 면적 당 생산량의 증가 방안을 환경오염 없이 가능한 방안을 생 각 할 수 있도록 한다. 다양한 결과가 나올 수 있도록 한다. - 22 - (생물) 생태계 물질 순환의 공학적 접근 학생용 2차시: 피지컬 컴퓨팅 이해하기(아두이노 기초) 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 코딩과 아두이노를 이해하고 기본 프로그램 설치 및 기초 컴퓨팅 언어를 학습하여 적용할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. § 실습에 사용되는 노트북으로 다른 프로그램을 사용하지 않도록 한다. § 수업 중 질문이 있다면 바로 질문한다. 2차시 [탐구] 피지컬 컴퓨팅 이해하기 ◆ 디지털과 아날로그 신호의 차이를 설명해 보자. 디지털과 아날로그 신호의 차이를 우노 보드의 입력과 출력 단자를 보면서 학습할 수 있도록 모둠별 우노 보드를 미리 지급하여 보면서 학습할 수 있도록 안내한다. ◆ 센서와 액추에이터의 차이를 설명해 보자. ◆ Blink 예제 활용 기본 LED 깜빡이기 실습에서 사용한 코드를 변수와 함수로 구분해 보자. 예제에 사용된 코드를 변수와 함수로 구분하여 작성할 수 있도록 안내한다. 수업에서 간단한 변수와 함수의 개념을 설명한다. - 24 - (생물) 생태계 물질 순환의 공학적 접근 학생용 3차시: 화분 자동 급수 장치 만들기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 화분 자동 급수 장치를 만들고 구현과정에 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. § 실습에 사용되는 노트북으로 다른 프로그램을 사용하지 않도록 한다. § 수업 중 질문이 있다면 바로 질문한다. 3차시 [탐구확장] 화분 자동 급수 장치 만들기 ◆ 실습 과정에서 가장 어려웠던 점과 그 이유를 말해 보세요. 키트를 활용하는 수업이지만 실제 아두 이노를 사용하는 과정에서 발생하는 오류가 개인별로 다양하 게 나타난다. 교사가 학생 전부를 도와 줄 수 없기 때문에 모둠별로 또는 모둠 간 상호 협력을 통해 문제를 해결할 수 있도록 안내하는 과정이 필요하다. ◆ 자동 급수 장치 만들기 후 장치 작동의 문제점 및 개선 사항에 대해 작성해 보세요. 수중 모터 펌프가 작동할 때 과량의 전력을 소모하기 때문에 LCD 모니터가 나갈 수 있다. 수업 시 간 안에 전원을 따로 연결하기는 시간이 부족하다. 이러한 점을 학생이 개선사항으로 스스로 보완할 수 있는 방안을 생각해보도록 안내한다. 마찬가지로 오픈소스 코드를 활용하기 때문에 원하는 입력과 출력 값을 수정하는 방안에 대해서도 생각할 수 있도록 수업을 안내해야 한다. 수업지도의 Ÿ Tip 수업 준비에 사용하는 자동급수 장치 키트에 사용되는 센서 들을 따로 여러 개를 구입하는 것이 좋다. 키트에 포함된 센서들이 불량인 경우가 종종 있기 때문에 학생들에게 센서를 교환해 줄 필요성이 있다. 키트를 다량으로 구입하는 경우 구입비가 많이 소모되기 때문에 필요한 센서만 따로 구입하면 재료비를 아낄 수 있다. - 26 - (생물) 생태계 물질 순환의 공학적 접근 학생용 활동지 4차시: 피지컬 컴퓨팅을 활용한 친환경 농업기술 방안 제안 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 [학습 목표] Ÿ 피지컬 컴퓨팅을 활용한 친환경 농업기술 방안을 제안할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. § 실습에 사용되는 노트북으로 다른 프로그램을 사용하지 않도록 한다. § 수업 중 질문이 있다면 바로 질문한다. 4차시 [적용] 기술을 적용한 해결방안 제안하기 ◆ 브레인스토밍을 통해 아이디어를 제시한다. 1) 8절지를 이용하여 모둠별 마인드 맵을 활용한 아이디어를 수집한다. <예시 자료> 2) 결과를 패들렛에 올려 공유한다. (패들렛 주소 제시) 3) 댓글을 활용한 아이디어 피드백을 받는다. ◆ 아이디어를 바탕으로 공학적 설계를 진행한다. 1) 목표: 친환경 농업기술 개발 2) 업사이클링 및 물질 순환 개념을 이용해서 공학적 설계의 타당성을 확보한다. 3) 기존의 기술을 활용한 설계를 활용하여 친환경의 타당한 이유를 설명한다. 4) 발표 자료를 구성하여 패들렛에 공유한다. 5) 발표 후 모둠별로 피드백 한다. - 27 - 모둠