STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 전지의 과학 탐구 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 전지의 과학 탐구 이름 주요 과목 화학2 관련 과목 STEM 요소 개요 차시별 전기 화학과 이용 관련 단원 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 관련 단원 개발자 화학 전지의 개념 및 작동 원리에 대해 알아보고, 실생활에서 어디에 쓰 이고 있는지 확인한다. 화학 전지로 잘 작동하기 위한 기본적인 특성을 분석한다. 볼타 전지의 원리를 이해하고 아연과 구리로 구성된 볼타 전 지가 잘 작동되는지 살펴보고, 볼타 전지의 문제점을 분석한다. 다니엘 전지에 대해 이해하고, 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 제작한다. 어떤 다니엘 전지가 가장 효율적이고 높은 전압을 나타내는지 확인해보 고, 예측에 부합하는지 분석한다. 1차시 화학 전지란? 2차시 볼타 전지를 만들어 보자 3차시 다니엘 전지의 원리를 탐구해보자 4차시 다양한 다니엘 전지로부터 측정된 결과 분석하기 주요내용 (키워드 위주) (화학) 전지의 과학 탐구 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 1차시: 화학 전지란? 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 화학 전지에 대해 알아본다. 화학 전지의 구동 원리에 대해 알아본다. 산화-환원 반응의 개념에 대해 이해해 본다. 금속의 이온화 경향에 대해 알아본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ 시약 사용 시 피부나 옷에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗 이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 화학 반응을 통하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 전류가 흐르도록 만든 장치를 화학 전지라고 한다. ◆ 전류가 흐른다는 것은 전자가 이동하는 현상으로 화학 전지는 전자의 이동이 있는 산화-환원 반응이 자발적으로 일어나고 그에 따른 전자의 이동을 우리가 이용할 수 있도록 만든 장치이다. ◆ 화학 전지의 기본적인 특성과 원리를 이해하고, 화학 전지는 실생활에서 어디에 사용되고 있는지 조사해보자. 건전지, 수은 전지, 노트북 배터리, 휴대폰 배터리, 각종 충전용 배터리 등 - 20 - (화학) 전지의 과학 탐구 2) 탐구 및 개념 확장 학생용 2차시: 볼타 전지를 만들어 보자. 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 볼타 전지의 원리를 이해해 보자. § 아연(Zn)과 구리(Cu)로 이루어진 볼타 전지를 제작해 보자. § 전류계와 전압계를 이용하여 제작한 볼타 전지가 작동하는지 알아보자. § 볼타 전지가 가진 단점에 대해 알아보자. [실험 안전 유의사항] § 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물 로 깨끗이 씻도록 한다. § 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지 한 후 활동을 진행한다. § 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 볼타 전지를 만들어보자 [탐구1] 볼타 전지 제작 및 탐구 * 볼타 전지의 원리를 이해하고 탐구하기 * 어떤 종류의 볼타 전지가 있는지 알아보고, 어떻게 제작할 수 있는지 조사 * 볼타 전지를 구성하는 요소(금속판, 전해질)가 어떤 것들이 있는지 설명하기 * 아연판과 구리판으로 이루어진 볼타 전지를 제작하기 * 위 두 가지의 금속판을 선택한 이유에 대해 생각하기 * 전해질이 필요한 이유를 생각해보고, 볼타 전지의 문제점을 탐구하기 * 볼타 전지의 문제점을 해결하기 위해 필요한 사항은 무엇인지 탐구하기 - 22 - (화학) 전지의 과학 탐구 3) 과학기술 적용 학생용 3차시: 다니엘 전지의 원리를 탐구해 보자. 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다니엘 전지에 대해 이해하고, 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 제작해 본다. Ÿ 실험 설계, 제작, 테스트 과정에서 성공의 경험과 학습에 대한 자신감을 가진다. Ÿ 볼타 전지의 단점을 보완한 다니엘 전지 구성 요소 중 염다리의 역할을 알아본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [탐구1] 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 구성하여 탐구해보자. - 설명하기: 다니엘 전지의 구성 요소 및 원리를 설명해 보자. 염다리는 어떻게 이루어져 있고, 다니엘 전지에서의 역할은 무엇인지 설명해 보자. - 예측하기: 어떤 금속으로 전극을 구성했을 때, 가장 높은 전압과 전류가 흐를지 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 다니엘 전지를 구성한 금속의 종류에 따라 전압 또는 전압의 세기가 바뀌는가? 만약 바뀐다면 왜 그런지 탐구해보자. - 준비물 및 시약: 전압계, 전류계, 금속판(Zn, Cu, Mg, Fe), 비커 (50 mL) 10개, LED 전구, 집게 전선, 염다리, 0.5 M ZnSO4 수용액, 0.5 M CuSO4 수용액, 0.5 M Mg(NO3)2 수용액, 0.5 M Fe(NO3)2 수용액 - 26 - (화학) 전지의 과학 탐구 4) 공학적 적용 학생용 활동지 4차시: 다양한 다니엘 전지로부터 측정된 결과 분석하기 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다양한 금속으로 제작한 다니엘 전지에서 일어나는 화학 반응과 원리를 이해하고, 결과값을 비교·분석해 본다. Ÿ 화학 전지 반응을 하는 공학적 산출물을 고안해보고 적용해 본다. Ÿ 탐구 활동의 이론적 배경을 공학적으로 적용해 본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 각 다니엘 전지의 전압 및 전류 측정값 비교/분석하기 ◆ 가장 큰 전압을 나타내는 금속 쌍은 어떤 것인지 쓰고, 이유를 설명해 본다. 마그네슘(Mg)과 구리(Cu)로 이루어진 다니엘 전지, 이 두 금속의 이온화 경향성 또는 반응성이 가장 많이 차이가 나므로 - 28 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 우리 동네 하천의 물은 얼마나 맑은지 확인해 볼까요 인천대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 프로그램 이름 주요 과목 인천대학교 과학영재교육원 우리 동네 하천의 물은 얼마나 맑은지 확인해 볼까요 정보, 수학 • 정보: 마이크로 관련 단원 비트(micro:bit)/자바스크립트/센서 • 수학: 측정/그래프 관련 과목 과학 관련 단원 STEM 요소 S, T, E, M 지역 • 과학: 탁도 측정 • 과학: 하천의 오염도 차시 4 개발자 주요 수업 개요 차시별 주요내용 (키워드 위주) ∙ 실생활 맥락에서 학생들이 접하는 문제에 대해 과학적으로 탐구하고 경험하는 기회를 제공함으로써 발견의 즐거움과 탐구의 기쁨, 과학의 즐거움과 유용성을 느낄 수 있도록 한다. 1차시 (이해) micro:bit의 작동 원리를 이해할 수 있다. 2차시 (센서의 이해) micro:bit에 연결되는 센서를 제어할 수 있다. 3차시 (데이터 측정) micro:bit를 이용하여 하천의 탁도를 측정하여 데이터를 수집할 수 있다. 4차시 (데이터 분석) 수집한 데이터를 분석하고 가공할 수 있다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. ■ 놀이 중심 프로그램 1. 주의 집중을 위한 도입 동네 근처 하천에는 여러 물고기가 살고 있고 가끔은 백로가 와서 잡아먹곤 하기도 합니다. 언뜻 깨끗한 하 천으로 보이는데 자세히 관찰해보면 가만히 보면 하천 깊숙한 곳은 잘 보이지 않고 먼지처럼 보이는 미세한 입자들이 많이 보입니다. 우리 동네 하천은 정말 깨끗한 걸까요? 2. 수업 목표 ◦micro:bit의 작동 원리를 이해할 수 있다. ◦micro:bit에 연결되는 센서를 제어할 수 있다. ◦micro:bit를 이용하여 하천의 탁도를 측정하고 측정된 자료를 가공할 수 있다. - 3 - ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. 3. 기초학습 ▣ 교사 활동 : 과제 수행 및 토론을 위해 모둠을 구성해 봅시다. 모둠은 5명 내외를 구성원으로 하여 발표 시간을 고려하여 총 6모둠을 넘지 않도록 구성한다. ▣ 교사 활동 : micro:bit(micro:bit)에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다. ◦ micro:bit는 단일 보드 마이크로 컨트롤러로 영국의 BBC 방송국을 중심으로 만든 작은 컴퓨터입 니다. ◦ micro:bit는 작은 부피에도 불구하고 기본 센서와 핀, LED, 푸시 버튼 등으로 구성되어 있습니 다. ◦ micro:bit는 마이크로소프트에서 개발한 자바스크립트 블록 에디터를 이용해 프로그래밍하여 사용 할 수 있습니다. ◦ 자바스크립트 블록 에디터는 micro:bit에 프로그램을 작성하거나 편집할 수 있게 도와주는 도구 - 4 - ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. 이며, 작성한 프로그램을 micro:bit 보드에 Upload 하는 작업을 도와주는 프로그램입니다. ◦ micro:bit를 이용하여 하드웨어를 제어할 수도 있습니다. YOUTUBE 등에 올라와 있는 micro:bit에 대한 사용 방법을 사전학습을 통하여 학습하는 시간을 갖도록 한 후 교사 수업을 진행한다. ▣ 교사 활동 : 탁도 센서를 micro:bit에 연결해 물의 탁한 정도를 측정해 보겠습니다. - 5 - ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. ◦ 탁도 센서를 준비합니다. ◦ 탁도 센터를 micro:bit와 연결합니다. 　① micro:bit의 입출력 포트를 입출력 확장보드(EF03405) 슬롯에 꽂아 연결합니다. ② VCC Switch를 5V에 맞춰줍니다. ③ 탁도 센서의 점퍼 케이블을 8번 입력단자에 연결합니다. micro:bit 입출력 확장보드 탁도 센서 [탁도 센서(Turbidity Sensor)와 연결] ◦ 탁도 센터로 탁도 자료를 수집하기 위한 코딩을 합니다. - 6 - ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. ◦ 탁도 센서를 커피, 주스, 물에 각각 넣어 액체의 탁도를 측정합니다. ◦ 측정된 커피, 주스, 물의 탁도 값을 비교합니다. 탁할수록 측정 센서에 전압이 적게 흐릅니다. YOUTUBE 등에 올라와 있는 마이크로소프트 자바스크립트 블록 에디터에 대한 사용 방법을 사전에 학습하는 시간을 갖도록 한 후 교사 수업을 진행한다. ▣ 교사 활동 : micro:bit를 이용해 측정된 커피, 주스, 물의 탁도에 대한 그래프를 그리고 발표하는 시 간을 갖도록 하겠습니다. - 7 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 뿌셔뿌셔 그래프맛 인천대학교 과학영재교육원 2020년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 뿌셔뿌셔 그래프맛 이름 주요 과목 중등1 과학 관련 단원 물질의 상태 변화 중등2 과학 관련 과목 중등1 수학 물질의 특성 관련 단원 좌표평면과 그래프 중등 정보 STEM 요소 S, T, M 개요 개발자 다양한 상황을 그래프로 나타내고, 주어진 그래프를 해석할 수 있다. 온도 변화에 대한 자료를 해석하고 과학적 개념과 연결지어 이해할 수 있다. 실생활의 정보를 그래프의 형태로 구조화하여 활용할 수 있다. 1차시 차시별 지역 보조 주 개발자 주요 수업 자료와 정보 2차시 꺾은선 그래프 액체가 끓을 때의 온도 변화를 측정하고 그래프로 나타내기, 그래 프 해석 주요내용 (키워드 위주) 3차시 끓는점 차이를 이용한 혼합물 분리 4차시 스프레드시트 사용 6. 뿌셔뿌셔 그래프맛 뿌셔뿌셔 그래프맛 교재명 중학교 1학년 과학 Ⅴ. 물질의 상태변화 - 끓는점 중학교 2학년 과학 Ⅵ. 물질의 특성 관련 교과 (단원) - 끓는점과 증류를 통한 혼합물의 분리 초등학교 4학년 수학 Ⅴ. 꺾은선그래프 중학교 1학년 수학 Ⅲ. 그래프와 비례 관계 - 좌표평면과 그래프 중학교 2학년 정보 Ⅱ. 자료와 정보 - 자료 수집 및 관리, 실생활의 정보 구조화 중학교로 진학한 학생들이 초등학교와 비교하여 심화된 교과를 학 습하면서 가장 어려움을 느끼는 부분 중 하나가 그래프의 해석과 이 용이다. 교육 목적 자료 가공 및 그래프 활용 능력의 부족으로 중학교 진학 후 해당 교과 학습 자체를 포기하는 학생들을 많이 목격할 수 있었다. 해당 학생들에게 그래프를 중점적으로 탐구할 수 있는 프로그램을 제공하 는 것을 목적으로 한다. 다양한 상황을 그래프로 나타내고, 주어진 그래프를 해석할 수 있다. 교육 목표 온도 변화에 대한 자료를 해석하고 과학적 개념과 연결지어 이해할 수 있다. 실생활의 정보를 그래프의 형태로 구조화하여 활용할 수 있다. 교수학습 방법 ■ o ■ o o o ■ o o ■ o 강의 반복 연습 및 암송 직접 교수 책략기반 교육 내용영역에서 도움을 받는 교수 그래픽 조직체 (Graphic Organizer) 코칭 개념 달성 시네틱스 (Synectics) 실연/모델링 소크라테스식 질문 - 1 - o o ■ o o o ■ o o o 시각화 역할 놀이 협동학습 모의 재판 시뮬레이션 탐구기반 학습 문제해결 및 문제기반 학습 그림자 경험 (shadowing experience) 사사제 (Mentorship) 독립 연구 인천대학교 과학영재교육원 Incheon Science Elite Program Tel: 032-835-4971~3, Fax: 032-835-4976 [심화] - 교사용 지도안 - 뿌셔뿌셔 그래프맛 교재개발자 : 경안중학교 서유현 개발년도 : 교육 대상 : 중등 공통과정 온라인교재 수업 시간 : ( 총 4 시간 ) 2020 학년도 < 교재 요약 > 1차시 : 그래프의 요소 이해, 실생활의 자료를 그래프로 변형하기 2차시 : 끓는점 측정 실험 그래프 작성 및 해석, 물질의 특성 귀납적 추론 3차시 : 끓는점 차를 이용한 혼합물의 분리 실험 그래프 작성 및 해석 4차시 : 스프레드시트 응용프로그램을 이용한 자료의 효율적 관리 과학, 수학, 정보, 사회 등 다양한 교과에서 요구하는 그래프를 이해할 수 있도록 그래프 해석 이 중심인 중학교 1학년 5단원 물질과 상태변화 단원의 끓는점과 중학교 2학년 과학 물질의 특성 단원의 증류를 연결지어 이해하기 위한 프로그램 구성을 목적으로 한다. 해당 프로그램에 서 다루는 그래프는 시간이나 정렬된 항목에 대한 추세를 나타내는 꺾은선 그래프의 해석을 중점으로 한다. ▢ 관련 분야 및 내용 교과 분야 내용 STEM요소 수학 순서쌍과 좌표, 그래프 M 과학 끓는점 S 과학 물질의 특성, 증류 S 정보 자료 수집 및 관리, 구조화 T * STEM: Science, Technology, Engineering, Mathmatics 약자 - 2 - ▢ 1차시 활동 교수-학습 활동내용 단계 • 동기유발 도입 - 실생활 속 학생들의 관심사인 대중매체 소재를 이용해 주의를 집중하게 하기 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 - 숫자로 구성된 자료를 꺾은선 그래프로 표현할 수 있다. - 꺾은선 그래프를 해석하여 통계적 사실을 설명할 수 있다. - 그래프의 수학적 요소를 이해할 수 있다. ⇩ • 월별 코로나 누적 확진자 수 그래프로 작성하기 - 가로, 세로축 선정 기준 - 축 이름, 단위의 중요성 전개 • 월별 코로나 누적 확진자 수 그래프 해석하기 - 그래프의 경향성 파악 - 기울기를 이용한 변량의 증감 파악 - 내삽을 이용한 추론 ⇩ • 기초학습 - 꺾은선 그래프 그리는 절차 시범 보여주기 • 심화학습 - 그래프의 수학적 해석 ⇩ 정리 ⇩ • 정리하기 - 활동내용 정리하기 - 3 - ▢ 2차시 활동 교수-학습 활동내용 단계 도입 • 동기유발 - 에탄올의 온도 변화 예상을 통한 흥미 유발 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 수 수 액체가 끓을 때의 온도 변화를 측정하고, 이를 그래프로 나타낼 있다. 그래프를 해석하여 실험 전 예상과의 공통점과 차이점을 설명할 있다. ⇩ • 에탄올 가열 시 온도 변화 - 실험 과정 - 비례 관계를 이용한 그래프 작성 전개 • 에탄올의 온도 변화 그래프 해석하기 - 예상과 실험 결과 비교 - 시간에 따른 온도의 변화 - 온도가 일정한 구간 ⇩ • 기초학습 - 그래프 해석 결과와 과학 개념 연결지어 정리하기 • 심화학습 - 끓는점이 물질의 특성임을 귀납적으로 추론 ⇩ 정리 ⇩ • 정리하기 - 활동내용 정리하기 - 4 - ▢ 3차시 활동 교수-학습 활동내용 단계 도입 • 동기유발 - 무인도에서 바닷물로 식수를 만드는 과정을 통해 흥미 유발 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 - 끓는점 차이를 이용하여 혼합물을 분리할 수 있다. - 그래프를 해석하여 실험 전 예상과의 공통점과 차이점을 설명할 수 있다. ⇩ • 물과 에탄올 혼합물 가열 시 온도 변화 - 실험 과정 - 비례 관계를 이용한 그래프 작성 전개 • 물과 에탄올 혼합물 온도 변화 그래프 해석하기 - 예상과 실험 결과 비교 - 시간에 따른 온도의 변화 - 온도가 일정한 구간의 개수 - 온도가 일정한 구간에서 액화되는 물질 ⇩ • 기초학습 - 그래프 해석 결과와 과학 개념 연결지어 정리하기 • 심화학습 - 물과 에탄올 혼합물 그래프를 통한 혼합물 가열곡선의 특징 일반화 ⇩ 정리 ⇩ • 정리하기 - 활동내용 정리하기 - 5 - ▢ 4차시 활동 교수-학습 활동내용 단계 도입 • 동기유발 - 학생들에게 친숙한 팬덤 활동 예시를 통한 흥미 유발 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 - 단위가 크거나 순서쌍이 많은 그래프를 효율적으로 그리는 방법 을 알 수 있다. - 스프레드시트 프로그램으로 그래프를 작성할 수 있다. ⇩ • 스프레드시트 프로그램의 종류 - 엑셀, 한셀, 네이버오피스, 구글 스프레드시트 - 비례 관계를 이용한 그래프 작성 전개 •스프레드시트로 그래프 작성하기 - 자료의 형태에 알맞은 차트 형식 선정하기 - 스프레드시트 프로그램 활용 능력 ⇩ • 기초학습 - 함수의 변수 간 관계와 그래프의 가로, 세로 관계 이해하기 • 심화학습 - 추세선의 의미 - 추세선이 그래프의 미래 값 예상, 수학적 분석에 쓰임을 이해하기 ⇩ 정리 ⇩ • 정리하기 - 활동내용 정리하기 - 6 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 인천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램 이름 인천대학교 과학영재교육원 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 ❍ 소리를 파악하는 인공지능의 과학적 요소 에 대한 원리 학습 과학/기술가 주요 과목 정, 정보 ❍ 머신러닝 및 딥러닝을 통해 컴퓨터가 스스 관련 단원 수학 로 학습하는 공학적 작동 원리 학습 ❍ 마르코프 모델 및 인공신경망의 원리에 적 용된 수학적 원리(통계 및 조건부확률) 학 관련 과목 음악 관련 단원 STEM 요소 S, T, M, A 지역 습 ❍ 인공지능에 의한 만들어진 창의적 산출물 에 대한 예술적 요소 학습 개발자 주요 수업 개요 ❍ ‘인공지능과 음악’을 소재로 실생활의 문제를 탐구해 보고, 실제로 자료 를 조사하고 분석해 봄으로써 인공지능(AI)과 창의성에 대한 융합적 사 고와 문제해결의 기회를 가질 수 있도록 구성 1차시: 머신러닝 기반의 알고리즘을 이해하고 이를 활용할 수 있다. 2차시: 딥러닝을 이해하는데 필수적인 개념들과 딥러닝을 활용한 작곡알고 차시별 주요내용 (키워드 위주) 리즘 이해하기 3차시: 딥러닝 알고리즘을 반영한 작곡 프로그램 AIVA를 활용하여 작곡을 할 수 있다. 4차시: AIVA실습 (실시간 학습) / 인공지능 기술에 대한 인간들의 수용태 도에 대하여 논할 수 있다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2016년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 인천대학교 과학영재교육원 Incheon Science Elite Program Tel: 032-835-4270~2, Fax: 032-835-4273 [STEM생각교실] { 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 } 교재개발자: 교육 대상 : 수업 시간 : 한기용 개발년도: 2021학년도 ( 중등 / 고등 ) 교육과정 (예술과 인공지능) 분야 ( 총 4 시간 ) [지도교사용] * 프로그램 요약 AI의 급속한 발전으로 학생의 삶 전반에 인공지능에 대한 교육의 필요함에 따라 체계적인 인공지능 교육과정 및 프로그램 개발이 필요하며 인공지능 기반 도구를 활용하여 학생들 간의 협력 및 탐구학습을 유발하여 다양한 교과목에서 인공지능을 접목한 프로그램을 통하여 학생들의 창의력 및 문제해결력 향상이 매우 중요하다. 이 교재는 예술과 과학에 대한 통합적 사고력을 기르는 것을 목표로 하고 있으며 인공지능이 예술을 창작한다는 것은, 과학적인 관점으로 예술에 관한 문제를 풀겠 다는 것을 의미하며 지금은 역사상 그 어느 때보다 예술과 과학에 대한 통합적 사고가 요구되는 시기인 것을 강조하였다. ‘원리’ 라는 말은 ‘객관성’이라는 말로 바꿔 쓸 수 있다. 그리고 ‘객관적이다’라는 말은 다시 ‘누구에게나 동일하게 적용된다’는 말로 바꿔 사용할 수 있다. 예술의 큰 특징 중 하나가 ‘다양성’인데, 이때 말하는 예술의 다양성은 누구에게나 동일 하게 적용되는 ‘객관적(과학적) 원리’를 통해 발현된다. 이러하듯 예술은 과학적 원리에 대한 다양한 ‘사용법’을 연구하는 과정과 결과로 정의할 수 있다. 이것이 과학과 기술을 배제한 예술이 존재할 수 없는 이유이며, 또한 그 과학과 기술영역 중 인공지능에 주목하려는 이유이다. 이러한 이유를 바탕으로 인공지능(AI)과 창의 성을 대주제로 하며, 고등학교 1, 2학년 학생들을 대상으로 ‘인공지능과 음악’을 소재로 실생활의 문제를 탐구해 보고, 실제로 자료를 조사하고 분석해 봄으로써 인공지능(AI)과 창의성에 대한 융합적 사고와 문제해결의 기회를 가질 수 있도록 구성하였다. - 1 - STEAM 생각교실 교재 1차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 은닉 마르코프 모델을 활용한 머신러닝 체험하기 차시 • 머신러닝 기반의 알고리즘을 이해하고 이를 활용할 수 있다. • 은닉 마르코프 모델의 구조 • 머신러닝 기반의 알고리즘으로 만들어진 구글의 두들 활용하기 • 학습 동영상, 노트북, 오선지, 마스터 건반 등 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> 도입 1/4 시간(분) 5‘ 자료 및 유의점 Ÿ 인공지능의 인공지능들은 노래하는 것을 넘어 작곡에까지 도전하고 있습니다. 그 역사는 의외로 반세기 이전부터 시작되었습니다. 작곡하는 인공지능 복잡한 원리를 을 만들려는 첫 시도는 1950년대 ‘일리악’이라는 컴퓨터를 통한 것이 이해하기 었습니다. 일리악은 ‘마르코프 체인’이라고 하는 통계 모델을 사용하여 음악을 만들려고 하였습니다. 마르코프 체인은 소련의 수학자 안드레 보다는 그것을 이 마르코프가 도입한 확률 과정의 일종으로, 각 시행의 결과가 바로 앞의 시행의 결과에만 영향을 받는 일련의 확률적 시행을 말합니다. 그러한 마르코프 체인을 옥타브 안의 12개 음들인 도, 도#, 레, 레#, 미, 파, 파#, 솔, 솔#, 라, 라#, 시에 적용하여 멜로디 라인을 뽑아 내는 것이다. ▣ 교사 활동: 머신러닝의 원리인 은닉 마르코프모델을 활용한 작곡 명확하게 실생활에서 사용하고자 하는 수업의 방향을 제시한다. Ÿ 준비물: 학습 프로그램을 사용하기 전 마르코프 모델에 대하여 설명한다. 은닉 마르 코프 모델(HMM)은 음성 인식, 자연어 처리 등과 같이 대량으로 출력 ppt 자료, 된 데이터를 통계적으로 패턴 분석하여 입력된 정보를 추론하는 데에 마스터건반 노트북, 응용된다. 예로, 음성 인식 분야에서는 주어진 음성의 문자열(은닉 상태) 을 찾기 위해 음성 신호의 변동을 확률 변수로 취급하여 입력 음성의 흔 들림 등이 잘 분석된다. 언어를 생성하는 인공지능의 예시를 동시발생 행렬의 형태로 설명한 후 이를 음악에 적용한 행렬 및 확률표로 나타 내어본다. 전개 - 4 - STEAM 생각교실 교재 2차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 딥러닝은 어떻게 인공지능을 구현하는가 차시 2/4 • 딥러닝을 이해하는데 필수적인 개념들과 딥러닝을 활용한 작곡알고리즘 이해하기 • 기존 기계학습의 문제점을 극복하는 딥러닝 • 딥러닝을 활용하는 작곡알고리즘 • 학습 동영상, 노트북 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> (다층퍼셉트론) 시간( 자료 및 분) 유의점 5‘ Ÿ 인간의 두뇌에는 수백만 개의 뉴런들이 있다. 이들은 서로 정보를 주고받 으면서 복잡하거나 어려운 문제들을 해결한다. 하지만 퍼셉트론은 그 구조 딥러닝의 가 너무 간단하여 단츤 퍼셉트론만으로는 비선형적으로 분리되는 데이터를 이해하고 학습하는 것이 불가능하다. 예를 들면 단층 퍼셉트론만으로는 AND 연산이 나 OR연산에 대해서는 학습이 가능하지만, XOR연산에 대해서는 학습이 불 활용분야 가능하다. 개념을 에 대하여 탐색하도 도입 록 안내한다 . ▣ 교사 활동 1. (딥러닝) 딥러닝은 은닉층이 여러 개인 심층 신경망(DNN, Deep Ÿ Neural Networks)에서 사용하는 학습 알고리즘이다. 여기서 ‘딥(deep)’이라는 용어는 은닉층의 깊이가 깊다는 것을 의미한다. 퍼셉트론 과 다층 퍼셉트론 에 전개 대해서 간단하게 이해할 수 있도록 안내한다 - 13 - STEAM 생각교실 교재 3차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • AIVA를 활용하여 작곡하기 차시 3/4 • 딥러닝 알고리즘을 반영한 작곡 프로그램 AIVA를 활용하여 작곡을 할 수 있다. • AIVA 설정하기 등 AI를 활용하여 작곡하기 • 자동생성 기능을 활용하여 작곡하기 • 학습 동영상, 노트북, 이어폰 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> 시간(분) 5‘ 자료 및 유의점 Ÿ 실제 AI로 음악을 만들 수 있다. 나를 위한 인공지능, 음악이 있는 AI에 대하여 알아봅시다. 인공지능 AI 포즈 인식 오케스트라 지휘, 두 가지 음색 조합 새로운 음악 생성, 두 활용하여 개의 멜로디 사이를 이어주는 AI 등, 그 중에서 AIVA라는 인공지능 작곡프 로그램을 활용하는 방법에 대하여 설명한다. 예술 을 분야에 도입 적용된 프로그램 을 흥미롭게 체험한다. ▣ 교사 활동: AI이 작곡한 피아노 솔로곡을 들려준다. 5‘ Ÿ 준비물: 인터넷이 가능한 노트북 전개 이 곡은 에이바(AIVA)라는 음악을 만드는 작곡프로그램으로 만든 음악이 라는 것과 AIVA를 다루는 방법에 대하여 설명한다. 우선 구글에 로그인하여 AIVA를 검색한 후 사이트에 들어간다. AI로 자신이 원하는 트랙을 구성한다. - 20 - STEAM 생각교실 교재 4차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 인공지능 기술 및 생성된 작품에 대한 수용 태도 차시 4/4 • 인공지능 기술에 대한 인간들의 수용태도에 대하여 논할 수 있다. • 자동생성 기능이 아닌 음원 및 미디파일을 실시간으로 학습시킨 후 작곡하기 실습 • 인공지능이라는 기술에 대한 수용태도 및 인공지능이 생성한 작품에 대한 수용태 도에 대하여 학습하기 • 학습 동영상, 노트북, 학생용 활동지 자료 학습 교수·학습 활동 단계 시간(분) 및 유의점 <상황 제시> 5‘ Ÿ 실제 3차시에서 학습한 AIVA를 이제는 자동생성기능이 아닌 업로드 기능을 활용하 인공지 여 실시간으로 학습시킨 후 작품을 만들어 보겠다. 이어서 인공지능이라는 혁 신기술을 수용하였을 때의 장단점 및 혁신기술의 수용이 예술가의 입지에 미 능을 치는 영향에 대하여 논의하고자 한다. 여 활용하 예술 분야에 도입 적용된 프로그 램을 흥미롭 게 체험한 다. ▣ 교사 활동: 구글에 로그인 하여 AIVA사이트에 들어간다. 5‘ Ÿ 준비물 : 인터넷 이가능 한 전개 노트북, 마스터 건반 Create Track를 클릭한 후 이번에는 자동생성이 아닌 실제 음원 및 미디파일 을 업로드하여 실시간 학습으로 노래를 만들어보려 한다.. - 25 - STEAM 생각교실 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 나만의 스마트한 공간 만들기 부산대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 부산대학교 프로그램 나만의 스마트한 공간 만들기 이름 주요 과목 물리 관련 단원 Ⅱ. 생활 속의 과학 탐구 관련 과목 정보 관련 단원 IV. 컴퓨팅 시스템 STEM 요소 S, T, E, M 지역 개발자 주요 수업 아두이노와 액츄에이터, 센서를 조합하여 나만의 공간을 위한 스마트 개요 시스템 설계하기 1차시 : 근거리 무선통신의 종류와 원리, 아두이노와 RFID모듈 연결 (#근거리무선통신 #NFC #RFID #블루투스 #아두이노 #RC522모듈) 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시 : 알고리즘 작성과 땅콩버터 샌드위치 만들기 (#알고리즘) 3~4차시 : 내방경보시스템, 스마트 시스템 1차 설계하기 (#알고리즘 #피지컬컴퓨팅) 5~6차시 : 1차 설계 발표 및 최적화, 최종 설계물 완성하기 (#알고리즘 #피지컬컴퓨팅) 2. 물리학 물리학 1 1. 상황제시 / 2. 문제정의와 제한조건확인 1 2 3 4 준비물 문제상황 제시용 영상, 학생활동지 D C B A 학습 목표 공학적 문제 상황을 정의하고 문제 해결을 위한 제한 조건을 확인한다. 유의사항 상황제시 ∙ 영상 출처 https://www.youtube.com/w atch?v=VNuQY6ad7oE&t=3 51s&ab_channel=%EC%B1% 84%EB%84%90A (12:41) - 문제상황 0:00 ~ 2:02 - 필요부분 5:50 ~ 6:52 1. 공학적 문제를 제시하는 영상의 일부분을 보여준다. : “사춘기 아이를 존중하는 법 5가지” ① 영상에서 ‘사춘기 아이와 부모의 갈등을 빚고 있는 상황’을 문제상황으로 제시 ② 영상에서 제시하는 사춘기 아이를 존중하는 법 5가지를 보여주며 위의 갈등상황을 현명하게 극복하는 법에 대해 생각해 보며 ∙ 상황제시의 요건 1. 엄마와의 갈등을 해결하기 위한 요소로 엄마를 직접적 으로 변화시키는 요소와 정 의적 요소(대화방법개선 등) 로 인한 해결방안은 제외한다. 2. 현재 금쪽이는 고등학교 1학 년으로 가정하고 피지컬 컴 퓨팅을 배우고 있는 중이다. 문제상황을 해결하는 방법에 대한 관심을 유도한다. ③ 영상 속 금쪽이가 엄마와의 갈등을 과학적으로 극복할 수 있는 방법을 공개오디션 방식으로 제안하는 형태로 공학적 문제를 제시한다. ④ 인포그래픽 활용 3. 피지컬 컴퓨팅을 활용한 문 제해결을 위해 융합적 문제 해결력과 융합적 사고력이 필요하다. 4. 제한된 용돈 등의 현실적인 상황에 맞게 문제 해결 방안 을 고민함으로써 공학적 설 계과정을 이해한다. 18 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 나만의 스마트한 공간(Smart Room) 만들기 유의사항 문제정의와 제한조건 확인 1. 해결해야 할 공학적 문제를 정의한다. ∙ 게임을 하는 중에 난입하여 원활한 게임 생활을 방해하는 엄마의 접근을 미리 알려주는 아두이노 ‘내방경보시스템’과 나만의 공간의 편의성을 증진시켜주는 ‘나만의 스마트 시스템’을 제작한다. ∙ ‘내방경보시스템’의 목적은 산출물의 성능을 평가하는 기준이 된다. ∙ 목적과 조건은 교사가 구체적 으로 제시하였으나 학습자의 수준에 따라 학습자가 목적 과 조건을 주도할 수 있다. 2. ‘내방경보시스템’과 ‘나만의 스마트 시스템’의 목적을 제시한다. ∙ ‘내방경보시스템’의 주성능에 대한 평가 기준 정하기 ∙ ‘나만의 스마트 시스템’의 주성능에 대한 평가 기준 정하기 3. ‘내방경보시스템’과 ‘나만의 스마트 시스템’의 제한 조건을 제시한다. ∙ 제한된 용돈으로 인한 예산범위, 집의 대략적인 구조 등 1 3. 정보 수집(배경 연구)과 재료 탐색 1 2 3 4 D C B A 학습 목표 준비물 RFID / NFC / 블루투스 등 근거리 무선통신의 원리를 탐구하고 이를 적용한 실생활의 예를 찾을 수 있다. 노트북(또는 태블릿 PC 등), 학생활동지, 아두이노, RFID/NFC모듈, LED(Red, Green), 그 외 필요물품 정보 수집 유의사항 ∙ 근거리 무선통신 탐구과정 1. 근거리 무선통신 ① RFID (Radio Frequency IDentification) ② NFC (Near Field Communication) ③ 블루투스 (Bluetooth) ④ WiFi (Wireless Fidelity) ⑤ 그 밖의 무선통신 : ZigBee ① 근거리 무선통신의 종류는 미리 제시하여 주어진 예시 에 대한 탐구할 수 있는 시간 을 최대한 확보한다. ② 근거리 무선통신이 적용되 는 실생활의 예를 찾는 과정 은 개방적으로 실시하여 최 대한 다양한 예시를 탐색할 수 있도록 한다. 2. 실생활의 예 : 에어드롭, Nearby Share, 삼성페이/애플페이 등 부산대학교 과학영재교육원 19 2. 물리학 유의사항 RFID/NFC모듈을 동작시키는 아두이노 코딩은 사전에 미리 입력한 스케치 저장파일을 활 용하여 코딩을 입력하면서 발 생하는 시간소요을 줄여 모듈 의 동작을 익히는데 초점을 둔 다. 재료탐색 1. RFID / NFC 모듈을 아두이노에 연결하여 시리얼 모니터를 확인하여 동작을 익힌다. ① 태그되는 카드의 고유번호를 확인한다. ② 지정된 카드번호가 아닌 다른 카드가 인식될 경우 LED의 빨간 LED가 점등하고, 지정된 카드가 인식될 경우에 초록색 LED가 점등하도록 코드를 수정하여 동작을 확인한다. 평가하기 1. 학습자 자기평가 평가 기준 근거리 무선통신 RFID 연결 평가 문항 점 수 근거리 무선통신의 종류와 원리에 대하여 이해하였는가? [1] [3] [5] 근거리 무선통신이 적용되는 예에 대하여 말할 수 있는가? [1] [2] [3] 아두이노에 RFID 모듈을 연결하여 인식시킬 수 있는가? [1] [3] [5] 시리얼 모니터에 나타나는 카드 또는 태그의 고유번호를 확인할 수 있는가? [1] [2] [3] 조별 활동과정에 성실하게 참여하였는가? [1] [2] [3] 개인별 활동과정에 성실하게 참여하였는가? [1] [2] [3] 탐구태도 20 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 나만의 스마트한 공간(Smart Room) 만들기 2 해결책 설계 1 2 3 4 D C B A 학습 목표 1. 목표 동작을 정확히 수행할 수 있는 알고리즘을 설계하고 실행할 수 있다. 2. 모둠원과 협력하여 목표 동작을 수행할 수 있는 알고리즘을 설계하고 실행할 수 있다. 해결책 설계 준비물 식빵, 땅콩버터, 버터나이프, 딸기잼, 학생활동지(모둠별) 유의사항 ∙ 참고영상 1. 땅콩버터 샌드위치 만들기 ∙ 공학적 설계 과정인 ‘공학설계’ 과정에서 활용할 동작 수행을 위한 알고리즘 설계 방법을 익히기 위한 활동 ① 모둠별로 모둠원과 협력하여 땅콩버터 샌드위치를 만드는 알고리즘을 작성한다. ② 작성한 알고리즘을 무작위로 섞은 뒤, 다른 조의 알고리즘으로 직접 땅콩버터 샌드위치를 만들어본다. ③ 정상적으로 땅콩버터 샌드위치를 만들 수 없다면 막히는 부분을 피드백하여 원래의 조로 다시 돌려준다. ④ 돌려받은 알고리즘을 살펴보고, 알고리즘이 막힌 부분을 수정하여 ②의 과정을 다시 한 번 반복한다. https://www.youtube.com/w atch?v=I5cq54MFQCo&ab_c hannel=%EC%95%8C%EA% B3%A0%EB%A6%AC%EC% A6%98 (길이 1:33) - 긴 버전 https://www.youtube.com/w atch?v=ZTxs0Il20lw&t=389s &ab_channel=%EB%B8%8C %EB%9E%9C%EB%93%9C% EA%B1%B4%EC%B6%95%E A%B0%80 (2:35~5:18) ∙ 공학적 설계 과정의 이해를 돕기 위한 알고리즘 설계를 위한 과정 부산대학교 과학영재교육원 21 2. 물리학 3~4 해결책 설계 1 2 3 4 D 준비물 학생활동지(모둠별), 노트북(또는 태블릿PC), RFID/NFC모듈, 아두이노, 기타 액츄에이터, 센서 등 그 밖의 필요물품 B A 학습 목표 1. 문제 상황을 해결하기 위한 산출물을 제한 조건에 맞게 설계한다. 2. 모둠원과 협력하여 1차 산출물을 제작한다. 유의사항 실제 제품을 제작할 수 있는지 에 대한 가능 여부는 제외하고 자유롭게 설계하도록 안내 C 해결책 설계 1. ‘내방경보시스템’ 설계하기 : 제한조건에 맞는 ‘내방경보시스템’ 제작하기 ⅰ. 제작목표 ∙ 나만의 공간에 누군가 다가오는 소리를 듣지 못하여 사생활을 보호한다. ∙ 나의 공간을 접근하는 존재를 감지하여 알려주는 시스템을 설계 ⅱ. 제한조건 ① 연결되는 액츄에이터와 센서의 총합이 5개 이상이 되도록 회로를 설계할 것. ② 사용 가능한 예산 범위 내 설계 ③ 시스템의 존재는 들켜서는 안 됨. ① 시스템 제작을 위해 필요한 액츄에이터와 센서를 가능한 많이 찾는다. ② ①의 과정에서 찾은 액츄에이터와 센서를 연결하여 동작가능한 아두이노 회로를 설계한다. ③ 설계한 회로가 동작하는 알고리즘을 작성한다. ④ 작성한 알고리즘을 공유하여 다른 조의 알고리즘을 평가하여 순위를 작성한다. 유의사항 ∙ 설계에 필요한 액츄에이터와 센서의 종류와 개수는 자유 롭게 선택하여 설계하도록 안내 ∙ 단, 최소 연결개수는 정하여 평가에 반영토록 한다. 2. ‘나만의 스마트 시스템’ 설계하기 : 제한조건에 맞는 ‘나만의 스마트 시스템’ 제작하기 (※ RFID/NFC 모듈을 활용한 스마트 도어 회로 포함) ① 시스템 제작을 위해 필요한 액츄에이터와 센서를 가능한 많이 찾는다. ② ①의 과정에서 찾은 액츄에이터와 센서를 연결하여 동작가능한 아두이노 회로를 설계한다. ③ 설계한 회로가 동작하는 알고리즘을 작성한다. ④ 작성한 알고리즘을 공유하여 다른 조의 알고리즘을 평가하여 순위를 작성한다. 22 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 나만의 스마트한 공간(Smart Room) 만들기 5~6 1 최적화 2 3 4 D C 학습 목표 1. 공학적 설계 과정을 거쳐 제작한 각 모둠별 1차 결과물을 평가한다. 2. 제작한 1차 결과물의 평가를 듣고 수정하여 최종산출물을 제작한다. 최적화 1. 1차 산출물 평가 ∙ 1차 제작물이 목적에 부합하는지 평가하기 위해 발표를 통해 다른 B A 준비물 학생활동지(모둠별), 노트북(또는 태블릿PC), RFID/NFC모듈, 아두이노, 기타 액츄에이터, 센서 등 그 밖의 필요물품 유의사항 산출물에 대한 평가와 토론을 통해 자유롭게 아이디어를 교 환하고 학습자의 비판적 사고 를 자극한다. 조의 알고리즘에 대한 의견을 듣는다. 2. 최종 산출물 설계 ∙ 1차 제작물 평가를 통해 얻은 피드백을 활용하여 최종 산출물을 설계 3. 최종 평가 ∙ 알고리즘을 가상으로 수행해보고 산출물이 정확히 동작하는지 확인 - 1차 산출물과 최종 산출물의 다른 점을 구체적으로 기록한다. - 최종 발표 이후에 수정하고 싶은 부분을 추가한다. (단, 평가에는 반영하지 않는다.) 부산대학교 과학영재교육원 23 2. 물리학 평가하기 유의사항 습득한 과학적 교과 지식과 융 합적 문제해결력의 성취 정도 를 평가한다. 1. 학습자의 자기 평가 평가 영역 [1] [3] [5] 내방경보시스템에 사용한 액츄에이터와 센서의 작동 방식을 이해하였는가? [1] [3] [5] 스마트시스템이 목표에 맞게 설계되었는가? [1] [3] [5] 스마트시스템에 사용한 액츄에이터와 센서의 작동 방식을 이해하였는가? [1] [3] [5] 알고리즘 수 정 다른 모둠의 발표를 참고하여 자신의 모둠의 알고리즘을 개선하였는가? [1] [3] [5] 알고리즘 완 성 목표에 맞는 동작을 정확히 수행할 수 있는 알고리즘을 설계하였는가? [1] [3] [5] 다른 모둠의 발표를 주의 깊게 들었는가? [1] [2] [3] 모둠원과 협력하여 알고리즘을 성실하게 작성하였는가? [1] [2] [3] 작성한 알고리즘 수정과정에 성실하게 참여하였는가? [1] [2] [3] 탐구태도 동료 평가의 ‘모둠간 평가’는 최 종 평가 과정으로 생략한다. 점 수 내방경보시스템이 목표에 맞게 설계되었는가? 내방경보 시 스 템 스 마 트 시 스 템 유의사항 평가 문항 2. 교사 평가 평가 기준 산 출 물 기 록 평가 문항 점 수 설계한 알고리즘이 목표로 한 동작을 정확히 수행하는가? (2차 시도 모두 통과한 경우 8점) [1] [3] [5] 설계도 : ‘1차∼최종’ 설계도를 과학적으로 그렸는가? [1] [3] [5] 수정과정 : 1차 산출물을 수정하여 최종 산출물이 개선되었는가? [1] [3] [5] 결과 : 최종 산출물이 제한조건을 지키며 정확히 동작하는가? [1] [3] [5] 연결한 액츄에이터와 센서의 종류가 5개 이상인 경우? 가 산 점 ➜ 5개 이상 경우 1점 ➜ 10개 이상 남긴 경우 2점 24 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 [0] [1] [2] 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 생활 속의 환경 호르몬 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 생활 속의 환경 호르몬 이름 주요 과목 생명과학I 관련 과목 STEM 요소 개요 차시별 항상성과 몸의 조절/자극과 반응/내분비계와 호르몬의 특성 관련 단원 S, T, E, M 지역 보조 주 개발자 주요 수업 관련 단원 개발자 물벼룩의 심장 박동을 이용하여 인체 호르몬의 역할을 이해하고, 환경 호르몬에 의해 변환되는 심장 박동의 특징을 관찰한다. 물벼룩의 심장 박동을 통한 동물의 생리활성 변화를 환경 호르몬 이외에도 우리 생활에서 손쉽게 접할 수 있는 세제, 음료수, 의약품에도 적용해본다. 1차시 환경 호르몬을 조사해 보기 2차시 개념 이해 및 호르몬과 생리활성의 연관성 탐색 3차시 환경 호르몬을 탐구해 보자 4차시 물벼룩을 응용한 실험에 대한 공학적 접근 주요내용 (키워드 위주) (생물) 생활속의 환경 호르몬 교사용 STEM 생각교실 (중/고) 생활 속의 환경 호르몬 주제 생활 속의 환경 호르몬 2015 개정 교육과정 중학교 3학년, 고등학교 1학년 적용 학년 영역: 핵심개념 항상성과 몸의 조절 : 자극과 반응 : 내분비와 신경계의 작용 과학기술 적용 여러 화학물질이 생명체에 미치는 영향 연구 응용 분야 의생명과학 1차시: 환경 호르몬에 대한 개념도입, 질문과 대답을 통해 궁금증 도출, 일상생활에서 사용하는 도구에 포함된 환경 호르몬에 대하여 토 의 2차시: 탐구 및 개념 확장, 물벼룩의 심장 박동을 이용하여 인체 호르몬 의 역할을 이해하고, 환경 호르몬에 의해 변화되는 심장 박동의 특징을 관찰하는 방법을 토론 프로그램 개요 3차시: 과학기술 도출, 일상생활에 사용되는 물품으로부터 환경 호르몬을 추출하고, 추출된 액체를 물벼룩에 적용함으로써 환경 호르몬에 의한 심장 박동의 변화를 토론 4차시: 공학적 산출물, 물벼룩의 심장 박동을 통한 동물의 생리활성 변화 를 환경 호르몬 이외에도 우리 생활에서 손쉽게 접할 수 있는 세제, 음료수, 의약품에 적용 차시구분 차시계획 차시별 교수학습 주제 및 내용 1차시 환경 호르몬을 조사해 보기 2차시 개념 이해 및 호르몬과 생리활성의 연관성 탐색 3차시 환경 호르몬을 탐구해 보자 4차시 물벼룩을 응용한 실험에 대한 공학적 접근 충북대학교 과학영재교육원 - 14 - (생물) 생활속의 환경 호르몬 (7) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 1차시: 환경 호르몬에 대한 개념도입 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 일상생활에서 사용하는 도구에 포함된 환경 호르몬에 대하여 알아보자. [실험 안전 유의사항] Ÿ 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. Ÿ 실험에 사용되는 호르몬을 다룰 때 안전장갑을 반드시 착용한다. Ÿ 가위 등 날카로운 도구 사용 시 다치지 않도록 주의한다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 생각해보기 1) 우리 주변에 있는 환경 호르몬을 만드는 제품을 생각해보자. 2) 환경 호르몬이 포함된 제품을 사용할 때 최소한으로 노출될 방법을 생각해보자. - 22 - (생물) 생활속의 환경 호르몬 2) 탐구 및 개념 확장 학생용 2차시: 개념 이해 및 호르몬과 생리활성의 연관성 탐색 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 호르몬에 의해 변화되는 물벼룩의 상태를 관찰하자. [실험 안전 유의사항] Ÿ 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. Ÿ 실험에 사용되는 호르몬을 다룰 때 안전장갑을 반드시 착용한다. Ÿ 가위 등 날카로운 도구 사용 시 다치지 않도록 주의한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 개념 이해 및 호르몬과 생리활성의 연관성 탐색 [탐구 1] 환경 호르몬 탐구 준비물 활용 방법 1. 실험 과정 (학생들에게 시범을 보여준다) ⓵ 스포이드로 물벼룩 한 마리를 홀 슬라이드 글라스 가운데 넣는다. 현미경, ⓶ 커버글라스로 현미경을 덥고 물벼룩의 상태 및 심장을 관찰한다. 초시계, 홀 슬라이드 글라스, ⓷ 초시계로 10초간 물벼룩 심장 박동수를 측정하고, 1분당 물벼룩 배양액, 해부장갑 (심장 박동이 매우 ⓸ 슬라이드에 물을 거름종이(휴지)로 제거한 후(물벼룩의 움직임 방지) 아드레날린을 한 방울 떨어뜨린다. 아세틸콜린, 거름종이, 휴지, 환산한다. 빠르므로 정확한 측정을 위한 방법을 설명한다) 커버글라스, 아드레날린, 박동수로 ⓹ 커버글라스를 덮고 60초 후, 심장 박동 수를 확인한다. 3-4회 반복한다. ⓺ 시험을 3회 반복한 후, 1분 당 박동수로 환산한다. ⓻ 슬라이드 글라스를 잘 닦고 아세틸콜린도 동일하게 실험한다. ⓼ 아드레날린과 아세틸콜린에 의한 심장 박동 변화를 - 24 - (생물) 생활속의 환경 호르몬 3) 과학기술 적용 학생용 3차시: 환경 호르몬에 의한 심장 박동 변화 탐구 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 환경 호르몬에 의해 변화되는 물벼룩의 심장 박동 변화를 관찰하자. [실험 안전 유의사항] Ÿ 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. Ÿ 환경 호르몬 추출 시 안전장갑을 반드시 착용한다. Ÿ 가위 등 날카로운 도구 사용 시 다치지 않도록 주의한다. 3차시 [과학기술 적용] 환경 호르몬에 의한 심장 박동 변화 탐구 [탐구 1] 환경 호르몬 탐구 준비물 활용 방법 1. 실험 과정 1) 포트를 이용하여 물을 끓인다. (안전에 주의) 현미경, 초시계, 홀 슬라이드 글라스, 물벼룩 배양액, 커버글라스, 아드레날린, 아세틸콜린, 거름종이, 휴지, 해부장갑, 다양한 플라스틱 용기 2) 동일한 무게의 음식 용기를 작게 잘라서 비이커에 넣 은 후 끓인 물의 온도가 100도, 80도, 60도가 될 때 동일한 양으로 비이커에 붓고 30분 동안 용기로부터 화학 물질을 추출한다. (온도계 사용) 3) 심장 박동 관찰 방법 ⓵ 스포이드로 물벼룩 한 마리를 홀 슬라이드 글라스 가운데 넣는다. ⓶ 커버글라스로 현미경을 덥고 물벼룩의 상태 및 심장을 관찰한다. ⓷ 초시계로 10초간 물벼룩 심장 박동수를 측정하고, 1분당 박동수로 환산한다. ⓸ 슬라이드에 물을 거름종이(휴지)로 제거한 후 추출물을 한 방울 떨어뜨린다 (추출물의 온도가 - 26 - (생물) 생활속의 환경 호르몬 4) 공학적 적용 학생용 4차시: 물벼룩을 응용한 실험의 공학적 접근 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 우리 생활에서 손쉽게 접할 수 있는 세제, 음료수, 의약품에 적용해 보자. [실험 안전 유의사항] Ÿ 수업시간에는 교사의 지도에 따른다. Ÿ 시약 및 시료를 사용할 때에는 안전장갑을 반드시 착용한다. Ÿ 탐구에 사용하는 시료를 먹으면 안 된다. Ÿ 가위 등 날카로운 도구 사용 시 다치지 않도록 주의한다. 4차시 [공학적 산출물] 물벼룩을 응용한 실험의 공학적 접근 ◆ 근골격계의 작동원리 이해 1) 우리 생활에서 손쉽게 접할 수 있는 세제, 음료수, 의약품에 적용 가능함을 이해시킨다. 2) 심장 박동이 영향받는 상황에 관해 설명한다. - 28 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 일상 생활 속 산과 염기 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 일상 생활 속 산과 염기 이름 주요 과목 화학I 관련 과목 STEM 요소 개요 차시별 물질의 변화/화학반응/pH 관련 단원 S, T, E, M 지역 보조 주 개발자 주요 수업 관련 단원 개발자 1차시에서는 산과 염기의 물리적 특성에 대한 차이점에 대해 알아보고 화학적 정의를 통해 산과 염기의 정확한 개념에 대해 알아본다. 2차시에 는 일상생활 속에서 쉽게 찾을 수 있는 산과 염기의 pH를 측정해 자신 만의 pH 도표를 만들어 본다. 3차시에는 산-염기 중화 반응에 대해 알아 보고 적정을 통해 정량 분석을 해본다. 4차시에는 지난 수업을 토대로 산과 염기를 이용한 일상생활 속 예시 중 하나인 비누를 직접 만들어 본 다. 1차시 산과 염기는 무엇인가? 2차시 산-염기의 생활 속 예시: pH Scale 만들기 3차시 중화 반응: 산-염기 적정 4차시 산/염기를 활용한 실생활 용품 개발 주요내용 (키워드 위주) (화학) 생활 속 산과 염기 교사용 STEM 생각교실 (중/고) 생활 속 산과 염기 주제 생활 속 산과 염기 2015 개정 교육과정 중학교 2~3학년 적용 학년 영역: 핵심개념 산과 염기, pH 과학기술 적용 pH 측정과 적정 응용 분야 식품, 환경, 생활과학, 화학공학 1차시에서는 산과 염기의 물리적 특성에 대한 차이점에 대해 알아보고 화학적 정의를 통해 산과 염기의 정확한 개념에 대해 알아본다. 2차시에 는 일상생활 속에서 쉽게 찾을 수 있는 산과 염기의 pH를 측정해 자신 프로그램 개요 만의 pH 도표를 만들어 본다. 3차시에는 산-염기 중화 반응에 대해 알아 보고 적정을 통해 정량 분석을 해본다. 4차시에는 지난 수업을 토대로 산과 염기를 이용한 일상생활 속 예시 중 하나인 비누를 직접 만들어 본 다. 차시구분 차시계획 차시별 교수학습 주제 및 내용 1차시 산과 염기는 무엇인가? 2차시 산-염기의 생활 속 예시: pH Scale 만들기 3차시 중화 반응: 산-염기 적정 4차시 산/염기를 활용한 실생활 용품 개발 충북대학교 과학영재교육원 - 12 - (화학) 생활 속 산과 염기 (6) 교수-학습 과정의 전개 학생용 1차시: 산과 염기는 무엇인가? 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산과 염기의 정의를 설명할 수 있다. Ÿ 실생활 속에서 산성과 염기성을 가지는 예시들을 찾을 수 있다. Ÿ 산성과 염기성의 세기를 측정하는 방법과 단위를 설명할 수 있다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 예시용으로 사용하는 과일과 비누를 가지고 장난하지 않는다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 우리가 먹는 과일들은 공통적 으로 신맛을 내는 것들이 많고, 씻을 때 쓰는 비누는 대표적으로 미끄러운 특징을 가지고 있다. 이 러한 특징들을 가지게 되는 이유 는 무엇일까? 이에 대해 토의해보 자. 학생들이 스스로 산, 염기에 대해 접근할 수 있도록 도와준다. 산, 염기 의 성질에는 어떤 것들이 있는지 토의해 보도록 유도한다. - 18 - (화학) 생활 속 산과 염기 학생용 활동지 2차시: 일상생활 속 산-염기 pH 측정과 도표 만들기 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ pH 값을 여러 가지 도구를 이용하여 측정할 수 있다. Ÿ 실생활 속에서 쉽게 찾을 수 있는 산성/염기성 물질들의 pH를 측정하고, 측정값을 토대로 자신만의 pH 도표를 만들 수 있다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 실험복과 보안경, 라텍스 장갑을 착용하고 산/염기 시약을 다루도록 한다. Ÿ 산/염기 시약이 옷이나 피부에 닿지 않도록 조심한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 일상생활 속 산-염기의 세기 측정 ◆ 지난 차시에 배운 산과 염기의 물리적 특징들에 대해 구분하여 서술해보자. 산-염기 세기 측정에 앞서 지난 시간에 배웠던 내용에 대해 모둠별로 학생들 스스 로 개념에 대해 다시 한번 상기시킬 수 있도록 유도한다. 물리적 특성과 함께 정의 를 되새겨 본다면 pH 측정 실험에 대한 이해도를 높일 수 있다. ◆ pH 미터/pH 종이를 이용한 pH 값 측정 실험 절차 ① pH 미터는 사용하기 전 증류수를 이용해 씻어 준다. ② 알려진 버퍼 용액을 이용하여 pH 미터 보정(calibration)을 실시한다. (pH 전극을 버퍼 용액 에 넣고 pH를 측정/조정한 뒤 다시 증류수로 pH 전극을 씻는다.) ③ 50ml의 수돗물을 삼각플라스크에 받은 뒤 pH 전극을 수돗물에 담근 후 pH를 측정한다.(주 의:pH 전극이 물에 충분히 잠겨 있어야 정확한 측정이 된다.) ④ 측정 값을 기록한 뒤 pH 전극을 증류수에 씻어 주고 두 번 더 반복하여 pH 값을 측정한 뒤 평균 값을 구한다. ⑤ 위의 과정을 아세트산 수용액(아세트산 5ml+증류수 50ml)과 수산화 나트륨 수용액(수산화 나트륨 1g+증류수 50ml)을 이용하여 각각의 평균 pH 값을 측정한다. ⑥ 측정 값을 토대로 각 물질이 산성/중성/염기성인지 확인한다. ⑦ pH 종이를 이용하여 각 물질의 pH 값을 측정하고 pH 미터 값과 비교해본다. - 20 - (화학) 생활 속 산과 염기 학생용 3차시: 산-염기 중화 반응과 적정 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산과 염기의 중화 반응을 예측하고 설명할 수 있다. Ÿ 산과 염기의 반응에서 당량점과 종말점, 적정에 대해 설명할 수 있다. Ÿ 산-염기 적정 곡선을 통해 올바른 지시약을 고를 수 있다. [실험 안전 유의사항] Ÿ 산-염기 적정 실험에 쓰이는 수산화 나트륨(NaOH)는 강염기로서 부식성이 강하기 때문에 반드시 장갑을 착용하고 실험한다. Ÿ 화학 물질이 옷에 튀는 것을 방지하기 위해 실험복을 착용하고, 보안경을 착용하여 눈을 보 호한다. Ÿ 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 3차시 [과학기술 적용] 산-염기 중화반응을 이해하고 적정을 이용하 여 미지의 산/염기의 정량적 분석을 수행 ◆ 중화 반응이란 무엇인가? 대표적인 산인 염산(HCl)과 염기인 수산화 나트륨(NaOH) 의 반응을 화학 반응식을 써서 나타내고 반응 생성물이 어떤 것들이 생성되는지 살펴 보자. 중화 반응은 발열 반응이라는 것을 강조하며 실험을 할 때 주의할 수 있도 록 한다. ◆ 산-염기 적정 실험을 통해 수용액에 녹아있는 산이나 염기의 농도를 알아낼 수 있는 데, 이때 사용되는 당량점과 종말점은 어떤 의미이며 어떻게 구할 수 있을까? 중화 반응을 이용한 적정을 이용해 정량 분석이 가능하며 간단한 예시를 들어 적 정의 의미를 설명한다. 종말점과 당량점은 이론적으로는 같아야 하지만, 여러 가지 불확실도 때문 에 실제 종말점은 당량점과 정확하게 일치하지는 않을 수 있음을 명시 한 다. - 23 - (화학) 생활 속 산과 염기 학생용 4차시: 생활 속 산-염기 물질 만들기 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산-염기에 대한 이해를 토대로 대표적인 염기 물질인 비누를 만들 수 있다. Ÿ 비누가 왜 염기성인지를 이해하고, 어떤 작용을 하는지 설명할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § 수산화 나트륨(NaOH)은 강염기이며 부식성이 강하므로 반드시 장갑을 착용한다. § 에탄올은 불이 붙기 쉬운 물질이므로 과열되지 않도록 hot plate로부터 멀리 두고, 불꽃에 노출되지 않도록 주의한다. § 뜨거운 hot plate에 데이지 않도록 주의하며, 실험복과 보안경을 착용한다. 4차시 [공학적 산출물] 적용하기/염기성 비누 만들기 ◆ 실생활 속에서 사용하고 있는 비누는 염기성인데, 비누의 화학적 구조는 어떻게 되 며, 왜 염기성을 띠는지 생각해보자. 학생들에게 비누의 기원에 대해 설명해 주면서 비누의 구조와 특징에 대해 설명해 하도록 한다. 비누의 화학 구조에 대한 설명을 통해 친수성 부분과 친유성 부분에 대해 설명하고, 어떻게 먼지나 때를 깨끗이 씻어낼 수 있는지에 대해 생각해 보고 서로 토의해 보도록 한다. - 26 -