STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 전기차 개발에 집중할 것인가, 수소차 개발에 투자할 것인가? 서울교육대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램명 구분 서울교육대학교 수정보완 과학적 사고력 – 전기차와 수소차 주요 과목 과학 주요 단원 관련 과목 국어, 정보 관련 단원 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 주 개발자명 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 고1 개발차시 5차시 (공통과학) Ⅱ.생활 속의 과학 탐구 (과학 3) 7. 과학과 나의 미래 주장하는 글쓰기 데이터 사이언스(포괄적임) 적용 지역 보조 개발자 5차시 분량의 4개의 모듈로 구성 주요 수업 개요 1. 백신의무화 논쟁 2. 수소차와 전기차 개발 3. 태양광 발전의 전망 4. 국가 주도의 우주 개발 방향 1차시: 문제 인식 – 뉴스 기사나 영화, 서적 등을 통해 논점을 분명히 하 고 학생들끼리 서로의 기존 생각을 나누도록 구성 2차시: 핵심 개념 학습 – hands-on activity 등 구체적인 활동을 통해 관련 개념을 익힘. 단지 지식의 전달이 아닌 주장-증거-추론(CER) 에 바탕을 둔 활동 차시별 주요내용 (키워드 위주) 3차시: 주제에 관해 다양한 관점으로 접근한 글을 분석. 글은 논문이나 서적 등을 재구성(학생들이 읽기 쉽도록) 할 것. 분석은 툴민의 논 증 분석틀을 활용 4차시: 데이터로서의 접근 – 3차시가 글을 통해 주제에 접근하는 것이라 면 4차시는 데이터의 수집, 분석, 처리 등의 과정을 통해 주제를 좀 더 명확히 이해하도록 하는 것임 5차시: 종합 정리 – 먼저 자신의 생각을 분명히 하고, 다른 학생들과 서 로의 생각을 나눈 다음, 최종 자신의 생각을 정리하여 글로 표현하 도록 하는 활동 [1차시] 문제 인식 수소차 개발은 장기적으로 이익이 될까? l 차시 개요 전기차 시장이 점차 확대되고 있는 환경에서 수소차 개발의 실효성에 관해 서로 반대의 견해를 갖는 글 을 요약하고, 전기차와 수소차 개발 관련 문제를 인식한다. 스스로 알고 있는 개념과 잘 모르는 개념을 글 로 정리하고 자신의 경험을 친구들과 나누는 시간을 가진다. l 활동 목표 뉴스 기사와 전문가의 글을 통해 전기차와 수소차 개발 관련 논쟁 상황을 인식하고 쟁점이 되는 문제의 본질을 파악한다. 향후 최종 판단을 위해 문제와 관련하여 자신이 잘 알고 있는 개념과 모르는 것을 명확 히 한다. l 배경 지식 1. 전기차 vs 수소차, 승자는? [08:33] https://youtu.be/nawwaBRwXpY - 수소차와 전기차, 어떻게 다를까? - 우리나라의 현대차는 왜 수소차를 택했을까? - 수소차 산업, 전망은 어떨까? 2. 수소차 전망 어둡게 만드는 세 가지 기술적 난제 https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2019/02/22/2019022202118.html - 한계점 1. 한계 봉착한 수소 저장 기술 고압으로 수소를 탱크에 주입하면 초기에는 저장 용량이 늘어나지만 700~800기압부터는 압력만 올라가고 수소 용량은 늘지 않는다. 주입 압력이 높아질수록 수소 분자 사이의 운동에너지가 증가해 추가적인 수소 유입을 막기 때문이다. - 한계점 2. 동력 성능 저하시키는 발열 수소차의 동력원인 연료전지에서는 발열 반응이 일어나 전기와 함께 열이 발생한다.내연기관차의 경우 연 료가 연소한 후 발생한 열의 대부분이 배기가스와 함께 외부로 방출되지만 연료전지에서 발생한 열은 배 출구가 없다. - 한계점 3. 전기차보다 한참 낮은 에너지 효율 수소차 연비는 최대로 봐도 전기차의 절반 수준밖에 안 된다. 수소 생산·운송·저장 등에서 불필요한 비용, 에너지 손실이 발생하는점까지 고려하면 경쟁력은 더 떨어진다. 3. 현대차 수소선언, 환경단체가 비판하는 이유는? https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2021090914240004953 - 초록? 회색? 파랑? ... 수소도 수소 나름이다 수소는 생산 방식에 따라 △그린수소 △그레이수소 △블루수소 △브라운수소 4가지로 나뉩니다. 그린수소 는 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 나오는 전력으로 물을 전기분해(수전해)해서 생산합니다. 생산 과 정에서 탄소 배출이 없는, 궁극의 친환경에너지라 불립니다. 하지만 국내에선 아직 상용화되지 않은 기술 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 38 - [2차시] 핵심 개념 학습 전기차의 2차전지와 수소차의 연료전지는 어떤 차이가 있을까? l 차시 개요 전기차와 수소차의 강점과 약점을 비교하기 위해 각 자동차에 전력을 공급하는 2차전지와 수소연료전지 의 원리를 학습한다. 또한, 비교적 생소한 기체 반응 전지의 작동 원리를 쉽게 이해하기 위해 간단한 실험 을 수행한다. l 활동 목표 수소차가 전기차의 대안이 될 수 있는지 최종 판단을 하기 위해 기본적으로 전기차에 전력을 공급하는 2차전지와 수소차에 전력을 공급하는 수소연료전지의 원리를 이해한다. l 배경 지식 1. 산화와 환원 산화(oxidation)란 어떤 물질이 전자를 잃는 경우를 말하며, 환원(reduction)이란 반대로 전자를 얻는 경우를 말한다. 예를 들어 아연 금속(Zn)과 염산(HCl)이 만나면 아래와 같은 화학반응식이 가능하다. Zn  H   Cl− → Zn   H  Cl− 이때 아연 금속(Zn)은 산화되어 아연 이온(Zn2+)이 되며, 수소 이온(H+)은 환원되어 수소 기체(H2)가 된 다. 이처럼 전자를 잃어 산화되는 물질이 있으면 반드시 전자를 얻어 환원되는 물질도 있으며, 산화되는 물질이 잃는 전자 개수와 환원되는 물질이 얻는 전자 개수는 같다. 2. 화학전지의 작동 원리 화학전지는 산화환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 화학전지는 기본적으 로 양극과 음극 그리고 전해액으로 구성되어 있다. 음극은 이온화경향이 커서 전자를 쉽게 잃는 금속을 사 용하므로 산화반응이 일어나며, 양극은 이온화경향이 작아서 전자를 잘 잃지 않는 금속을 사용하므로 환원 반응이 일어난다. 이처럼 음극과 양극에 서로 다른 두 종류의 금속을 전해액과 접촉할 수 있는 상태에 두 면 화학 반응이 일어난다. 이때 도선을 통해 반응성이 큰 금속에서 반응성이 작은 금속으로 전자가 이동하 여 전류가 흐른다. * 그림 출처: https://100.daum.net/encyclopedia/view/24XXXXX47927 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 44 - [3차시] Data Science 전기차, 수소차에 대한 언론 보도는 어떤 특징이 있을까? l 차시 개요 뉴스와 기사에서 전기차와 수소차에 대해 보도하는 자료를 검색하고, 텍스트 분석을 제험해본다. l 활동 목표 뉴스빅데이터 분석시스템인 빅카인즈(BIG KINDS)를 사용하여 전기차, 수소차에 대한 뉴스를 검색하고 분석하여 키워드를 도출하여 관계망을 분석한다. l 배경 지식 1. 빅카인즈 빅카인즈는 우리나라 언론사에서 출간하는 뉴스를 모두 수집하고, 기사를 분석(형태소 분석, 개체명 분석, 네트워크 분석)하여 누구나 분석한 결과를 시각화하여 활용할 수 있는 시스템이다. 키워드를 입력하여 검 색하는 간단한 방법으로 키워드와 관련된 다른 키워드의 관계, 최신 뉴스의 트랜드, 특정한 이슈의 시계열 적인 변화 등을 시각적으로 분석할 수 있다는 점에서 의미가 있다. - 빅카인즈 기초사용법 https://youtu.be/rcDHuFYETow - 빅카인즈 응용분석1 https://youtu.be/Of64qdrZuYg - 빅카인즈 응용분석2 https://youtu.be/WJYMf3MVZvk 2. 워드클라우드 워드클라우드는 텍스트로된 데이터에 대한 정성적인 분석은 비용과 시간이 많이 소요되어, 적은 시간과 노력을 통해 작성된 텍스트에서 특정한 단어의 빈도를 정량적으로 우선순위에 따라 시각화하는 방법이다. - 워드클라우드 생성기 사용법 https://youtu.be/hS6C_JZjY7Y l 유의 사항 - 학생의 흥미와 동기를 고려하여 뉴스빅데이터 분석시스템인 빅카인즈를 소개한다. - 빅카인즈에서 학생이 흥미를 가지고 있는 다양한 키워드를 검색하면서 사용법을 익힌다. - 빅카인즈에서 관계도 분석을 위해서는 회원가입(소셜계정)을 한다. - 검색된 뉴스들의 키워드와 관계망을 시각화한 이미지를 기반으로 해석하도록 지도한다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 50 - [4차시] 논증 분석 수소차 개발을 위한 투자 확대는 타당한가? l 차시 개요 수소차 개발 투자 확대에 찬성하는 측과 반대하는 측의 자료를 꼼꼼히 읽고 분석하여 각각의 근거와 증 거를 찾는다. l 활동 목표 전기차와 수소차 관련 논쟁 사례에서 대립하는 주장을 논리적으로 분석하여 과학적 주장에 대한 타당성 을 판단하는 능력을 함양한다. l 배경 지식 (수소차 개발을 위한 투자 확대를 지지하는 측 자료) 1. 수소 시대가 온다(1), 수소 연료전지 전기차 https://auto.danawa.com/news/?Tab=F5&Work=detail&no=4862514 본 기사는 전기차의 발전이 정체된 상황에서 수소차가 어떤 과정을 거쳐 새로운 대안으로 부상했는지 와 지금의 상황을 짚어 보는 글이다. 2. 유망시장 Issue Report: 수소차 https://url.kr/thlnxq 본 보고서는 글로벌 유망시장으로 수소차 시장 동향을 정책, 기술, 시장, 산업 측면에서 살펴보았다. 요약하면 수소차는 전기차에 비해 긴 주행거리, 짧은 충전시간 등이 우위에 있으며, 경제적 효과, 에너 지 수급, 친환경 측면에서 많은 장점을 갖고 있다고 소개한다. (수소차 개발을 위한 투자 확대를 반대하는 측 자료) 1. '비효율' 수소차는 수소경제의 필요조건이 아니다 http://www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=1365 본 기사는 수소차를 개발하기보다는 수소로 생산한 전기를 기존 인프라를 이용해 전기차에 충전하면 더 효과적이라는 것이다. 2. 수소차의 미래, 과연 장밋빛인가 https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=212967 본 칼럼은 아직 수소차 상용화를 위한 근본 기술이 마련돼 있지 않으므로 전기차에 집중하는 것이 낫 다는 주장을 담은 글이다. l 유의 사항 - 본 차시의 논증은 ‘수소경제’와 같은 거시적인 측면이 아닌 ‘수소차’ 개발의 실효성에 초점을 맞춘다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 62 - [5차시] 토론과 글쓰기 수소차 개발에 대한 나의 생각은? l 차시 개요 1~4차시까지의 활동을 통해 알아본 전기차와 수소차의 원리, 특징, 장･단점 등을 바탕으로 수소차 개발 에 대한 투자를 확대하는 것이 타당한지 판단하는 시간이다. 나의 생각을 확정하고 주장하기에 앞서 모둠 원들과 토의를 통해 생각을 변경하거나 확고히 한 뒤, 6단 논법에 따라 주장을 논술해 본다. l 활동 목표 수소차 개발에 대한 나의 생각을 정하고 6단 논법에 따라 이유, 설명, 예상 가능한 반대 의견과 반박 등 을 갖추어 주장할 수 있다. l 배경 지식 개인의 생각은 서로 나누고 비교하는 과정을 통해 더욱 정확하고 정교하게 발전한다. 이 과정에서 생각 의 옳고 그름에 관한 판단 근거가 필요해진다. 특정 문제에 관한 토론이 이루어질 때, 생산적인 논의를 위 해서는 토론 참여자가 단순히 주장만 내세우는 것이 아니라, 주장의 타당성을 판단할 수 있는 근거를 함께 제시해야 한다. 논증(論證)이란 이처럼 일정한 근거를 들어 주장을 펼치는 활동이다. 논증이라는 협력 과정 은 생각의 차이에서 오는 갈등을 극복하여 문제를 해결하고 지식을 발전시키는 데 매우 유용한 도구이다. 영국의 철학자이자 작가, 교육자인 스티븐 에델스턴 툴민(Stephen Edelston Toulmin)은 실질적으로 적 용 가능한 실용 논증 모형을 개발하였다. 툴민의 모형은 다음 그림과 같이 자료/현상, 주장, 논거, 세기, 지지, 반론으로 이루어진다. 자료/현상 주장 세기 논거 주장을 도출하는 데에 기반이 되는 사실이나 예, 자료 논증의 결론으로 자신의 견해를 밝히거나 타인의 지지를 얻기 위해 내세운 진술 주장을 확신하는 정도를 나타내는 표현 (예: 확실히, 십중팔구는, 아마도, 거의, 절대로 등) 제시된 근거가 주장을 정당화시킬 수 있는 이유 → 공통의 배경지식이나 전제가 포함됨 지지 추가 자료 등 논거를 뒷받침하는 상세 증거 반론 주장을 반박하거나 한계를 제시하는 진술 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 70 - 

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 |