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 2020 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 이름 주요 과목 생명과학2 관련 단원 세포 호흡과 광합성 관련 과목 과학 관련 단원 식물과 에너지 STEM 요소 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 개요 차시별 개발자 1차시에서는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 나무 등 식물 개체의 높이 에 따른 잎의 크기 차이를 탐구함으로써 최적의 광합성을 위한 식물의 적응기작에 대해 탐구한다. 2차시에는 시금치 잎 조각의 광합성량에 영 향을 미치는 환경 요소들을 확인하는 실험을 설계하고 수행한다. 3차시 에는 빛을 흡수하는 엽록소를 비롯한 잎의 색소를 직접 관찰하고, 엽록 소가 주로 흡수하는 빛의 파장을 파악하기 위하여 직접 간이 분광기를 활용한 관찰을 수행한다. 4차시에는 지난 차시에 배운 내용을 토대로 최 적의 광합성량을 만드는 식물공장을 창의적으로 설계하도록 한다. 1차시 떡갈나무 잎의 크기는 왜 다를까? 2차시 광합성에 필요한 요소의 탐구 3차시 광합성 색소와 빛의 파장 4차시 식물공장 설계하기 주요내용 (키워드 위주) (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 떡갈나무 숲에 가면 나무들이 층 층이 우거진 ‘캐노피’ 구조를 볼 수 있다. 캐노피를 자세히 관찰하면 나 무 높이에 따라 잎의 면적이 다른 것 을 알 수 있다. 가장 위쪽의 잎은 면 적이 얇고 뾰족하며, 아래쪽으로 잎 면적이 넓다. 이와 같은 잎의 차이가 식물에게 주는 이점은 무엇일까? 이 에 대해 토의해보자. ◆ 우리 주변의 큰 나무의 높이에 따른 잎의 크기를 측정하고 비교해보고, 음지와 양 지에 위치한 각 식물의 잎의 크기를 측정하고 비교해보고 그 결과에 대해 논의하자. - 21 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 시금치 잎 조각의 광합성량 비교하기 ◆ 지난 차시에 배운 광합성에 반드시 필요한 요소들과 광합성으로 인해 생성되 는 산물을 화학식으로 서술해보자. ◆ CO₂ 농도에 따른 광합성량 비교 실험 절차 ① 펀치로 시금치 잎을 뚫어 잎 조각을 20개 정도 만든다. ② 빈 주사기에 시금치 잎 조각 6개와 1%의 탄산수소 나트륨 수용액을 넣는다. ③ 시금치 잎 조각 속에 들어있는 공기가 빠지고 공기가 빠진 빈 공간에 물이 차도록 하여 시 금치 잎 조각이 모두 가라앉을 때까지 주사기의 피스톤을 반복해서 당긴다. ④ 가라앉은 시금치 잎 조각 6개를 1%의 탄산수소 나트륨 수용액 100ml가 담긴 비커에 넣고, 비커 주변에 전등을 켜 빛을 비춘다. ⑤ 시금치 잎 조각 6개가 모두 떠오르는데 걸리는 시간을 측정하여 표에 기록한다. ⑥ 같은 조건에서 탄산수소 나트륨 수용액 농도를 달리하여 2~4회 반복 진행한다. ⑦ 실험 결과를 그래프로 기록하고 해석하여 결론을 내린다. ◆ 실험 결과를 정리하고 이산화탄소의 변화에 따라 변화하는 광합성량에 대한 탐구의 결론을 서술해보자. - 24 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 빛의 파장과 생물의 광합성의 관련성 파악 ◆ 빛은 다양한 스펙트럼을 포함하고 있다. 간이 분광기 키트를 제작하고 빛의 스 펙트럼을 관찰하고 그 결과를 서술하자. 수업지도의 Tip Ÿ 물리 시간에 배운 빛의 회절의 원리를 소개하며 직접 분광기를 제작하도록 한다. Ÿ 제작한 분광기로 실내등의 스펙트럼을 관찰하고, 스마트폰을 활용하여 태양 스펙트 럼을 활용하도록 한다. ◆ 광합성은 어떠한 빛의 파장을 활용할지에 대하여 빛의 특성을 바탕으로 토의해보자. - 27 - (생물) 식물의 광합성에 필요한 요소들을 고려한 식물공장 설계 4) 공학적 적용 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 ◆ 최근 미세먼지와 기후변화 등 다양한 환경문제로 인해 농산물 가격이 폭등하 고 있습니다. 이에 대한 대안으로 최근 식물공장과 가정용 식물 배양기가 등장하 고 있습니다. 실내에서 효과적으로 식물을 기르기 위해서 필요한 요소는 무엇이 있을지 토의해봅시다. 수업지도의 Ÿ Tip 앞 차시에 배웠던 내용들을 다시한번 정리하며 식물을 효과적으로 기르기 위해 필 요한 요소들을 다양하게 고려하도록 한다. - 30 - 

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