STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 AI를 활용한 물리학 발달과정의 재해석-알파입자 산란실험 충북대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 충북대학교 과학영재교육원 기관명 구분 (신규/수정보 완) 신규 ai를 활용한 물리학 발달과정의 재해석 프로그램명 (원자의 형태-알파 입자 산란실험) 주요 과목 물리 관련 과목 지구과학,물 주요 단원 주요 적용 학년 고2/고3 개발차시 4 전기력과 원자 수학, 정보, 관련 단원 리 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 적용 지역 주 개발자명 주요 수업 개요 차시별 주요내용 (키워드 위주) 러더퍼드 알파입자 산란 실험을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하고 결과 를 바탕으로 알파 입자 산란 실험의 이론과 비교하여 심도 있게 이해한 다. 1차시: BB탄 총알로 과녁 맞추기 활동을 통한 알파입자 산란 실험 이해 2차시: 알파 입자 산란 실험의 발달 과정 및 이론 이해 3차시: 알파 입자 산란 실험 시뮬레이션을 통한 데이터 수집 4차시: 데이터 분석 및 기초 인공지능 기법을 활용한 분석 [물리) AI를 활용한 물리학 발달과정의 재해석-알파입자 산란 실험 분석 (7) 교수-학습 과정의 전개 1차시: BB탄 총알로 과녁 맞추기 활동을 통한 학생용 알파입자 산란실험 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 알파입자 산란 실험과 bb 탄 과녁 맞추기 활동의 유사성을 설명할 수 있다. Ÿ 쿨룽 법칙에 대해 설명할 수 있다. Ÿ 알파입자와 원자핵의 상호작용을 설명할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § BB탄 권총을 사용할 때 전방에 사람이 있는지 확인하고 사용한다. § 과녁이외에 다른 곳에 BB탄을 사용하지 않는다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. 1차시 [개념도입] 알파입자 산란실험에 대해 알아보자 ◆ 원자의 구조에 대한 개념 역사적으로 다양한 개념들로 발전해왔다. 개념 전 과정 중 원 자핵의 존재에 대해 알게되며 톰슨(J.J.Thomson,1856-1940) 의 원자모형에서 러더퍼드 (E.Rutherford,1971-1937)의 원자모형으로 발전하게 되는 과정을 자세히 들여다보도록 하자. ◆ BB탄 권총을 이용하여 500원 동전 크기의 쇠구슬 과녁을 향해 BB탄을 발사해보고 운동 에 대해 설명해보자. - 발산적 사고를 통해 학생들의 다양한 답변을 할 수 있도록 한다. - BB탄 권총을 사용할 때 안전사고가 나지 않도록 주의한다. - 흥미 유발을 위해 학생들이 과녁을 맞추면서 다양한 게임을 진행한다. - 18 - [물리) AI를 활용한 물리학 발달과정의 재해석-알파입자 산란 실험 분석 2차시: 알파 입자 산란 실험의 발달 과정 및 학생용 이론 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 원자모형의 개념 발달 과정을 대략적으로 설명할 수 있다. Ÿ 알파입자 산란실험의 원리에 대해 설명할 수 있다. Ÿ 산란되는 입자들의 운동에 대해 설명할 수 있다. Ÿ 각운동량 보존에 대해 설명할 수 있다. [실험 안전 유의사항] § 전자기기를 사용할 때 떨어뜨리지 않도록 주의한다. § 장난 또는 큰 행동을 하지 않도록 주의한다. § 칼이나 가위 또는 다른 날카로운 것에 베이지 않도록 주의한다. 2차시 [탐구및개념확장] 알파입자 산란실험의 원리 ◆ 자신이 알고 있는 원자의 모형을 설명해보자. - 발산적 사고를 통해 학생들의 다양한 답변을 할 수 있도록 한다. - 원자의 모델 개념이 발달하게 된 역사적인 배경을 설명하면서 흥미를 유발한다. - 원자모형에 대해 잘 이해하고 있는 학생은 1차시에 진행했던 활동과 연관지어 생각할 수 있도록 지도한다. - 20 - [물리) AI를 활용한 물리학 발달과정의 재해석-알파입자 산란 실험 분석 3차시: 알파 입자 산란 실험 시뮬레이션을 통한 데이터 수집 학생용 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산란 실험 시뮬레이션에서 실험 변인을 찾아낼 수 있다. Ÿ 실험결과를 변환하여 결론을 도출할 수 있다. Ÿ 산란각과 입자수 사이의 관계를 결과를 통해 찾아낼 수 있다. 3차시 [과학기술 적용] 시뮬레이션을 통한 실험 결과 도출 ◆ 알파입자가 원자와 상호작용하여 운동하는 모습에 대해 설명해보자. - 발산적 사고를 통해 학생들의 다양한 답변을 할 수 있도록 한다. - 2차시에 진행했던 두전하 사이의 관계에 대해 잘 알고 있는 학생은 여러 입자와 상호 작용하는 경우를 생각해보도록 지도한다. - 입자 수가 많아져 통계적으로 판단해야 될 경우를 소개한다. - 22 - [물리) AI를 활용한 물리학 발달과정의 재해석-알파입자 산란 실험 분석 학생용 활동지 4차시: 데이터 분석 및 기초 인공지능 기법을 활용한 분석 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 회귀분석의 원리를 설명할 수 있다. Ÿ 실험 데이터를 변환하여 새로운 변인을 찾아낼 수 있다. Ÿ 산란각과와 입자수의 데이터를 바탕으로 핵의 크기를 간접적으로 찾아낼 수 있다. 4차시 [공학적산출물] 핵의 크기를 간접적으로 찾아가는 프로그램 제작 ◆ 회귀분석 대해 아는 대로 설명해보자. ※참고자료를 바탕으로 학생들이 회귀분석을 이해할수 있도록 지도한다. - 24 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 블링블링, 원소가 보여! 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 인천대 과학영재교육원 프로그램명 (신규/수정보 완) 블링블링, 원소가 보여! 신규 주요 적용 학년 중학교 1학년 개발차시 주요 과목 과학 주요 단원 화학 (주기율표, 원자와 분자) 관련 과목 물리 관련 단원 물리 (빛과 물질) STEM+I S, T, A, 요소 M 4 적용 지역 보조 주 개발자명 개발자 과학의 가장 기본 요소인 원소와 주기율표에 대해 다양한 융합 체험을 통해 낯설고 어려운 원소기호를 쉽게 다가갈 수 있도록 설계하였다. 물질의 바탕이 되는 기본 성분인 원소가 무엇이며, 이 원소를 이루는 가장 작은 입자인 분자와 물질의 성질을 나타내는 가장 작은 입자인 분자에 대해 이해하도록 한다. 원소, 분자에 대해 모형과 기호로 주요 수업 개요 표현하고, 실생활에서 접할 수 있는 원소를 다양한 체험활동을 통해 익숙해지도록 한다. 2학년 과학 ‘물질의 구성’ 중 원소 부분을 기술, 예술 교과와 융합하여 학생들의 융합적 사고력과 창의력, 과학적 핵심역량을 키우도록 하고, 이를 실제 학교 현장에 보급하여 STEAM 프로그램을 확산하는 데 일조하고 학생들의 흥미와 융합적 사고 능력을 함양시키는데 그 목적을 둔다. 1차시: [원소 기호 및 주기율표 학습] - 책(원소가 뭐길래)과 주기율송(쇼미더 주기율)을 통해 1번(H)에서 20번 (Ca)까지 원소를 외우고 그 특징을 파악한다. - 우리반 주기율표 만들기 활동을 통해 자신이 맡은 원소에 대해 확실히 학습하고 발표를 통해 공유한다. 2차시: [원소(원자) 모형 만들기] - 계란과자와 초콜릿을 통해 원자 모형을 만들고 원자의 구조에 대해 학 차시별 습한다. 주요내용 - 2번 헬륨(He) 기체를 마시면 목소리가 변하고, 풍선에 넣었을 때 위로 (키워드 위주) 떠오른다는 것을 직접 체험하는 등 주변의 다양한 원소에 대해 재밌게 알 아본다. 3~4차시: [내가 꾸미는 네온사인 만들기] - 18족 10번 원소인 Ne이 실생활에 활용되는 사례에 대해 알아본다. 무 색 기체인 네온이 어떻게 네온 사인처럼 화려한 조명에 이용되는지 그 원 리를 학습한다. - 예술적 감수성을 활용하여 나만의 네온사인을 직접 만들어 보며 과학적 핵심 역량 및 융합적 사고력을 함양한다. 1. 4 차 시 수 업 계 획 차시 수업 주제 수업 흐름 책(원소가 뭐길래)과 주기율송(쇼미더 원소 기호 및 1차시 주기율)을 통해 원소의 정의, 특징 및 주기율표 학습 2차시 주기율표의 개념 학습 계란 과자와 초콜릿을 활용한 원소(원자) 모형 만들기 원소(원자)모형 만들기 및 주변 원소 체험하기 내가 꾸미는 3~4차시 2. 본 시 교 수 1) 1차 시 활동 학습 단계 형태 네온사인의 원리 및 예술 작품 제작 네온사인 만들기 학 습 전 개 전 략 (전 개 과 정 ) 과 정 교수-학습 활동 내용 및 주안점 창의 · 인성 • 목차 소개 도입 상황 제시 • 동기유발 유추적 사고 - 우리 주변을 둘러싸고 있는 원소가 무엇인지 질문하며 확산적 사고 동기유발 ⇩ ⇩ • 오늘 할 활동 소개하기 - 원소 기호와 주기율표에 대해 알아보기 흥미, 약속 - 주기율송을 들으며 주기율표에 대해 외우기 개념 도입 ⇩ • 우리반 주기율표 만들기 전개 및 창의 적 설계 - 책 ‘원소가 뭐길래’ 에 소개된 원소의 특징을 보고, 수렴적 사고 타이포그래피(그림이 포함된 글자)를 만들어 우리반 유추적 사고 주기율표를 제작 확산적 사고 • 원소티콘 만들기 상상력, 몰입, - 자신이 마음에 드는 원소를 선택하여 각 원소의 특징 협동, 배려 쓰임새 등이 반영된 이모티콘을 도안 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 확산적 사고 - 활동내용 정리하기 - 다음 차시 예고하기(원자모형 만들기 예고) - 2 - 유추적 사고 지역STEAM교육활성화 교재 2) 2차 시 활동 학습 단계 형태 도입 상황 제시 전 개 과 정 교수-학습 활동 내용 및 주안점 • 동기유발 - 눈에 보이지 않는 원소(원자)를 어떻게 표현할 수 있는 지 질문하며 동기유발 ⇩ 창의 · 인성 유추적 사고 확산적 사고 ⇩ • 원자의 구조 개념 도입 전개 및 창의 적 설계 - 원자 모형 학습 ⇩ • 원자 모형 만들기 수렴적 사고 - 계란 과자와 초콜렛을 활용한 원자 모형 만들기 유추적 사고 • 다양한 원소 체험 학습 확산적 사고 - 헬륨 가스를 활용한 재밌는 체험 상상력, 몰입, - 주변 다른 원소에 대해 토론하기 협동, 배려 ⇩ 정리 흥미, 약속 - 원자의 구조에 대해 학습 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 다음 차시 예고하기(내가 꾸미는 네온사인 만들기 예고) 3) 3~4차 시 활동 학습 단계 형태 도입 상황 제시 확산적 사고 - 활동내용 정리하기 전 개 유추적 사고 과 정 교수-학습 활동 내용 및 주안점 • 동기유발 - 예술 작품으로 소개되는 ‘네온아트’에 대해 질문하며 동 기유발 ⇩ 창의 · 인성 유추적 사고 확산적 사고 ⇩ 개념 도입 • 오늘 할 활동 소개하기 - 내가 꾸미는 네온사인 만들기 소개 흥미, 약속 ⇩ 전개 및 수렴적 사고 • 네온사인의 원리 학습 창의 적 설계 • 창의력을 발휘한 네온 사인 만들기 - 도안을 그리고 이에 맞는 네온사인을 직접 꾸미고 제 작하며 과학 융합 활동 유추적 사고 확산적 사고 상상력, 몰입, 협동, 배려 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 확산적 사고 - 활동내용 정리하기 유추적 사고 - 3 - 지역STEAM교육활성화 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 탄소의 변신은 무죄 전남대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 이름 탄소의 변신은 무죄 주요 과목 과학 관련 단원 [중학교] 3학년 Ⅷ. 과학기술과 인류 문명 2. 과학기술과 인류 문명의 발달 관련 과목 기술가정 · 관련 단원 [중학교] 1권 Ⅳ. 기술의 발달과 생활 STEM 요소 S,T,E,M 지역 차시 5 개발자 과학적 원리의 발견이나 기술의 발달과 같은 과학기술이 우리가 살아가는 사회에 미친 영향은 다양하다. 인류 문명이 발달하는 과정에서 과학의 유용 성은 중요한 역할을 해 왔으며, 기술의 발달로 과학적 원리가 더욱 발전함 에 현대 사회와 미래 사회에 적용할 수 있는 과학기술의 영향은 지대해지고 있다. 이와 관련하여 탄소 동소체를 알아보고자 한다. 주요 수업 개요 동소체란 같은 원소로 이루어져 있지만 모양과 성질이 다른 물질을 일컫 는다. 탄소 동소체에는 흑연, 다이아몬드, 탄소나토튜브(CNT), 풀러렌, 그래 핀이 있다. 흑연과 다이아몬드가 탄소로 이루어져 있다는 사실은 일찍 알려 졌다. 연구가 진행되면서 탄소 동소체인 풀러렌이나 탄소나노튜브(CNT), 그 래핀이 발견되어 이것들의 활용성에 과학자들은 많은 관심을 가지고 있다. 이번 학습에서는 전문가에게서 탄소 동소체에 대한 개념을 배우고, 그것 의 활용성에 대해서도 함께 알아보며, 더불어 진로지도의 기회를 갖고자 한 다. 1차시 : 원자를 찾아서 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시 : 원자의 변신은 무죄 3차시 : 풀러렌, 그래핀, 흑연, 다이아몬드의 원자 구조 4차시 : 흑연 피아노 건반 5차시 : 진로지도 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 Ⅱ. 차시별 지도안 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 ▶ 1차시 학습 목표를 인지하게 한다. 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 현대 원자론의 형성 과정 설명 전개 1차시 (35분) ■ 활동지(질문지) 정리 ■ 활동지(질문지) 발표 ■ 학습 내용 정리 ▶ 유튜브 동영상 시청 : “A boy and his atom” 정리 (5분) ■ 형성평가 [첨부3] ■ 차시 예고 ▶ 주기율표에서 6번째 원소, C [첨부1] 학습 목표 1. 모든 물질이 원자로 이루어져 있음을 설명할 수 있다. 2. 원자 개념의 역사적 형성 과정을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 다음은 고대 철학자의 물질을 이루는 기본 성분에 관한 주장이다. 탈레스 (BC 624 ~ BC 546) 아리스토텔레스 (BC 384 ~ BC 322) 모든 물질의 근원은 물이다. 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙의 4가지의 조합으로 이루어져 있다. 위의 두 철학자의 주장에 대한 자신의 생각을 자유롭게 써서 발표해 보세요. 2. < O, X 퀴즈 > ① 물질을 이루는 기본 성분을 원소라고 한다. ( O ) ② 산소, 수소, 금, 철은 원소이다. ( O ) ③ 연필심과 다이아몬드는 구성 원소가 같다. ( O ) ④ 물은 수소와 산소로 분해되므로 원소가 아니다. ( O ) ⑤ 한 종류의 원소는 한 가지 물질만 구성할 수 있다. ( X ) [첨부3] 형성평가 1. 1905년 아인슈타인이 원자와 분자의 존재를 증명한 현상은? (브라운 운동) 2. 원자의 존재를 믿지 않았던 오스트리아 물리학자 마흐에 대한 자신의 견해는? - 3 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 2차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 원자, 분자, 고체 용어 정리 2차시 전개 (35분) ■ 탄소, 탄소 동소체 용어 정리 및 종류, 특성, 적용 ■ 활동지(질문지) 정리 ■ 활동지(질문지) 발표 ■ 학습 내용 정리 정리 ■ 형성평가 (5분) ■ 차시 예고 [첨부3] ▶ 결정 구조 모형 키트, 전자 오르간 키트 [첨부1] 학습 목표 1. 물질을 이루는 입자로서 원자와 분자를 구별할 수 있다. 2. 탄소 동소체의 예와 특성을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 원소와 원자를 구분해 보자. 예를 들어, 과일 바구니 속에 사과 3개, 오렌지 4개, 감 5개가 있다고 할 때, 원소와 원자를 과일과 대응하여 비교해 보시오. (과일 종류 vs. 원소 / 과일 낱개 vs. 원자) 2. 머리카락의 두께가 약 0.1mm라고 한다. 머리카락 두께의 길이에 수소 원자를 나란히 놓는다면 몇 개 의 수소 원자가 필요할까? (자유롭게 발표하게 한다 / 대략 100만 개) [첨부3] 형성평가 1. 탄소 동소체에는 어떤 물질이 있는가? (흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀) 2. 흑연과 다이아몬드의 전기적 특성의 차이는? (전기가 통한다 vs. 전기가 통하지 않는다) 3. 다이아몬드, 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌의 강도를 강철과 비교하면? (같은 두께의 강철보다 단단하다) - 5 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 3,4차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ 선수 학습 확인 ■ 활동1 ▶ 결정 구조 모형으로 한 가지 또는 두 가지 원소로 이루어진 분 자 조립 ▶ 모둠별 발표(준비물을 이용하여 조립할 수 있는 분자들에는 어떤 3,4차시 전개 (80분) 것들이 있나) ■ 활동2 ▶ 결정 구조 모형으로 탄소 동소체 조립(각 모둠별 1~2개) ▶ 모둠별 발표(구조적 특징을 말해보기) ■ 활동3 ▶ 전자 오르간 키트 조립 ▶ 모둠별 발표(전자 오르간 연주) ■ 활동 내용 정리 정리 (5분) ■ 차시 예고 ▶ 진로지도 [첨부1] 학습 목표 1. 물질의 기본 단위인 원자들이 또 다른 원자와 결합하여 분자를 이룰 수 있음을 이해하고, 다양한 분자 모형을 만들 수 있다. 2. 동일한 탄소 원자라도 다양한 구조적 형태로 결합할 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 특성을 가지는 물 질이 된다는 것을 말할 수 있다. 3. 탄소로 이루어진 흑연을 이용하여 길이에 따라 서로 다른 음을 내는 피아노 건반을 만들 수 있다. 4. 흑연 건반의 길이에 따라 전류의 흐름이 달라지는 특성을 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 자신이 알고 있는 간단한 물질의 화학식을 발표해 보자. (H2O, H2, CO2, NH3 등) 2. 자신이 알고 있는 간단한 분자의 형태는 어떨지 상상해서 발표해 보자. (자유롭게 발표하게 한다.) 3,4차시 학습자료 3,4차시 학생 활동지 활용 - 7 - 2020학년도 전남대학교 과학영재교육원 차시 학습 과정 교수-학습 활동 ■ 학습 목표 제시 도입 (5분) 학습자료 및 유의점 [첨부1] ▶ 5차시 학습 목표를 인지하게 한다. ■ 동기유발 [첨부2] ▶ ‘나’에 대한 질문 ■ 영화 및 드라마 속 다양한 직업의 세계 ■ 전남대학교 학과 소개 5차시 ■ 이공계 전공을 선택했을 때 가능한 진로 소개 전개 (38분) ■ 물리의 다양한 전공 분야들 소개 ■ 생각해 보기 ▶ 나에 대하여 떠오르는 생각들을 마인드맵으로 나타내기 ▶ 발표하기 정리 ■ 활동 내용 정리 (2분) [첨부1] 학습 목표 1. 영화나 드라마 속에 등장하는 다양한 직업을 말할 수 있다. 2. 지역 사회에 있는 대학교 학과와 이공계를 선택했을 때의 진로에 대해 말할 수 있다. 3. 자기 자신에 대한 이미지나 기대, 자신의 특징 등을 구체화함으로써 앞으로 어떠한 진로를 택하는 것이 좋을지 말할 수 있다. [첨부2] 동기유발 1. 나는 어떤 사람인가? (예: 혼자 있기를 좋아한다) 2. 나는 무엇을 할 때 즐거운가? (예: 글을 쓰는 것이 재미있다) 3. 나는 어떤 삶을 살고자 하는가? (예: 정시 출퇴근을 할 수 있는 직업인의 삶, 일반적인 기준에서 벗어 나더라도 몸과 마음이 자유로운 삶) - 8 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 주는 친구와 받는 친구 대진대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 대진대학교 과학영재교육원 프로그램 이름 주는 친구와 받는 친구 2015개정 과학과 교육과정(중학교): 주요 과목 과학 관련 단원 물질의 구성 (원자핵과 전자, 이온, 이온식), 전기와 자기 (전류와 전압), 관련 과목 과학 관련 단원 STEM 요소 S, T, E 지역 차시 4 개발자 ○ 화학반응 중 가장 중요한 유형인 산화-환원 반응을 학습한 주요 수업 개요 다.(S) ○ 산화-환원 반응은 원소로부터 화합물의 생성, 모든 연소 반응, 전지에서 전기를 발생하는 반응 등을 포함한다.(S) ○ 건전지에서 일어나는 산화-환원 반응을 알아본다.(E, T) 1차시 : 세상에서 일어나는 화학변화는 무언가를 주는 것과 받는 것 으로 되어 있다. “자라나는 은’ 실험 수행”. 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시 : 대부분의 화학반응들은 전자를 주는 물질과 받는 물질과의 반응이다. “갈바니 전지 만들기 실험 수행”. 3차시 : 힘센 전자는 여러 가지 일을 하면서 힘없는 전자가 된다. “전자 펜 만들기 실험 수행” 4차시 : 도금과 합금을 통해 동전의 색깔을 바꿔 본다. “금화, 은화 만 들기 실험 수행”. 4. 학습 활동 주요 내용 4-1. 1차시 : 주는 친구와 받는 친구 가. 개요 주제 세상에서 일어나는 화학변화는 무언가를 주는 것과 받는 것으로 되어 있다. ○ 화학변화는 무언가를 주는 물질과 받는 물질 간의 거래라는 것을 이해 학습목표 할 수 있다. ○ 전자를 주고받는 물질 간의 화학반응을 실험을 통해 설명할 수 있다. ○ 세상을 이루는 물질(에너지)들의 총합은 일정하다. 따라서 변화란 무언가 주요내용 가 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동하는 거래라는 것을 이해한다. ○ 화학 반응에서 전자의 이동을 알아본다. ○ ‘자라나는 은’ 실험을 진행한다. 준비물 컴퓨터, 빔 프로젝트, 페트리 접시, 질산은, 비커, 한천, 구리테이프, 정제수, 유리막대, 비닐장갑 나. 생각 열기 우리가 느끼는 세상의 법칙 중에는 “에너지보존의 법칙”이 있다. 세상의 “에너지의 총합은 일정하다는 것”으로 물리학의 바탕이 되는 법칙이다. 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으 로 전달 할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없다. 그렇다면 우리가 변화라고 하는 것은 어때 야 할까? 총합은 일정하니 변화란 무언가가 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하는 것임 알 수 있다. 무언가가 에너지일 수도 있고 전자일수도 혹은 수소일 수도 있다. 우리는 상황에 따라 각각을 흡열-발열, 산화-환원, 산-염기 반응으로 구별하여 부른다. 이러한 주고받음은 인문학적인 용어 로 다른 설명으로도 이용된다. - 6 - 4-2. 2차시 : 전자 좀 있니? 가. 개요 주제 대부분의 화학반응들은 전자를 주는 물질과 받는 물질과의 반응이다. ○ 원자로부터 화합물의 생성, 모든 연소 반응, 전지에서 전기를 발생하는 학습목표 반응들이 모두 전자의 이동과 관련된 반응이라는 것을 이해할 수 있다. ○ 전자의 이동으로 전지에서의 반응을 이해할 수 있다. ○ 화학 반응식에서 중성인 원자는 무엇이고 이온은 무엇인지 찾아보자. 주요내용 ○ 갈바니 전지에서 전자를 주는 물질과 받는 물질이 무엇인지 생각해보자. ○ 갈바니 전지 실험을 진행한다. 준비물 컴퓨터, 빔 프로젝터, 염화칼륨, 황산아연, 염산 수용액, 구리판, 아연판, LED 전구, 비커, 소형막대, 홈판, 비닐장갑, 정제수, 투약병 나. 생각 열기 물질은 전자를 화폐처럼 주고받음으로서 산화-환원 반응을 하는 것을 알 수 있었다. 하지만 여기에 궁금증이 하나 생기지 않는가? 왜 어떤 물질은 전자를 주는 것이 편하고 혹은 받는 것 이 편할까? 단순히 생각하면 전자가 주는 것이 편한 물질은 주고 나면 안정해지는 것이다. 즉, 자연에 존재할 수 있는 상태가 되는 것이다. 우리는 앞서 안정하다는 것은 자연에 존재하기 용 이한 상태라고 언급한 적이 있다. 또 이런 걸 생각해보자. 물질이 전자를 주고받으려면 어디엔 가 전자를 보관할 수 있어야 하지 않을까? 쉽게 말하면 전자를 보관할 수 있는 주머니가 있어 야 하지 않을까? 이제 주머니에 대해 이야기 해보자. 아래 그림을 통해 주머니에 대한 정보를 정리해 보자. 전자의 주머니는 핵의 양성자(+)가 만 들어내는 양의 기운으로 음의 전자를 당기는 힘에 의해 전자를 담을 수 있는 주머니를 만든다. 전자 주머니가 양성자에 가까우면 주머니에 들어있는 전자는 쉽사리 빠지지 않는다. 반대로 주 머니가 양성자에서 먼 곳에 있다면 전자는 쉽게 빠질 수도 들어갈 수도 있다. 그리고 주머니는 그림처럼 아래부터 일정한 수의 전자가 채워지면 위쪽 방향으로 채워 올라간다. 그럼 산화-반 응 반응을 주머니 개념을 이용하여 생각해보자. - 12 - 4-3. 3차시 : 힘센 전자와 힘없는 전자 가. 개요 주제 학습목표 힘센 전자는 여러 가지 일을 하면서 힘없는 전자가 된다. ○ 건전지를 전자를 주는 물질과 받는 물질과의 반응으로 설명할 수 있다. ○ 직렬, 병렬 회로를 통해 전류와 전압을 이해할 수 있다. ○ 전자를 주고 받는 반응으로 전기를 만들 수 있다. ○ 건전지는 자신의 내부에 들어있는 물질의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 주요내용 ○ 음극의 힘센 전자가 양극으로 가면서 일을 하는데 이것은 마치 높은 곳 에 있는 물이 내려오면서 물레방아를 돌리는 것과 비슷하다. ○ 건전지를 이용한 전자펜 실험으로 그림 그려 본다. ○ 전자펜의 양극과 음극에서 일어나는 반응을 이해한다. 준비물 컴퓨터, 빔 프로젝터, 비커, 정제수, 요오드화칼륨, 면봉, 건전지, 도선, 녹 말을 포함하는 종이 나. 생각 열기 산화-환원 반응을 이용해 갈바니 전지를 만들어 보았다. 주는 친구로 구성된 전극이 산화되 면서 생성된 전자는 전선을 따라 이동하면서 LED를 환하게 키고 환원이 일어나는 전극에 도달 하여 받는 친구에 다시 구속되는 것을 관찰하였다. 전자가 이동하면 어떻게 LED를 켤 수 있을 까? 아마도 생성된 전자는 힘센 전자로 자신이 가지고 있는 에너지를 사용하여 LED의 불을 밝 히는 것으로 생각할 수 있을 것이다. 불안정한 힘센 전자는 불을 밝히며 자신의 에너지를 소모 하고 보다 안정한 상태로 변화하는 것일 것이다. 이것은 마치 높은 곳에 있는 공이 떨어지면서 위치에너지가 운동에너지로 바뀌고 마침내 바닥에 부딪혀 소리와 열에너지로 일을 하는 것과 같다. 불안정한 상태의 힘센 전자는 안정한 상태의 약한 전자가 되면서 에너지를 소모하게 되 는데, 이러한 에너지를 전기에너지라고 부르고 전기에너지는 LED를 통해 빛에너지로 변환되어 우리가 느낄 수 있는 것이다. 앞에서 언급한 전자 주머니로 힘센 전자와 약한 전자의 개념을 아래 그림으로 간단히 도시해 보았다. - 20 - 4-4. 4차시 : 은화, 금화 만들기 가. 개요 주제 도금과 합금을 통해 동전의 색깔을 바꿔 본다. ○ 도금과 합금의 원리를 이해할 수 있다. 학습목표 ○ 동전의 색을 바꿔보는 실험을 통해 금속에서 전자를 주고 받는 것을 이 해할 수 있다. ○ 도금과 합금에 대해 알아본다. ○ 전자를 주는 금속과 받는 금속에 대해 알아본다. 주요내용 ○ 금속이 보통 전자를 쉽게 주는 친구라는 것을 이해하고 어떤 금속이 전 자를 주기 쉬운 친구인지 찾아본다. ○ 은화, 금화 만들기 실험을 진행한다. 준비물 컴퓨터, 빔 프로젝터, 비커, 정제수, 수산화나트륨, 아연가루, 가열기구, 10 원짜리 동전 나. 생각 열기 십원짜리 동전의 색깔을 바꿔보자. 동전 전체를 바꾸는 것이 아니라 동전의 표면만 다른 색 을 갖게 만들어 보자. 전자를 잘 주는 아연을 이용해서 동면의 표면을 은색의 얇은 막으로 덮어보자. 이런 현상을 도금이라고 한다. 도금의 원리가 산화- 환원 반응 을 이용하는 것이라고 하니 어떻게 된 건지 알아보자. 도금된 아연을 불로 달구며 금색으로 변 하는데 은색이 어떻게 금색이 될까 상상해 보자. 다. 배경 지식 1) 도금 이란? 금속의 표면이나 비금속표면에 다른 금속을 사용하여 얇게 덮는 것을 도금이라고 한다. 이 런 얇은 막을 만드는 방법으로서는 전기도금, 화학도금, 용융도금. 진공 도금, 이온 도금 등이 있다. 이중 대표적인 전기도금은 전기에너지를 이용하여 금속에 다른 금속의 막을 만들어 주는 방법이다. 장식품, 공업 용품 등 용도가 가장 넓다. 아래 왼쪽 그림은 구리 (Cu)를 다른 금속 (Me)에 도금하는 방식을 그린 것이다. 건전지의 음극에 있는 주는 친구가 힘센 전자를 금속 (Me)에 전달하며, 힘센 전자는 금속을 따라 흘려 용액에 있는 받는 친구 구리이온 (Cu2+)을 만 나게 된다. 받는 친구는 힘센 전자를 받아 구리로 환원이 되고, 중성인 구리는 물에 녹지 않기 때문에 금속 표면에 붙어 남게 된다. 이런 방법을 반복적으로 진행하면서 금속은 구리로 도금 되게 된다. 그럼 건전지 반대쪽인 양극의 받는 친구는 어떤 일을 할까? 건전지의 받는 친구는 - 27 -