STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 유전공학 기초 – DNA클로닝, 전기영동 아주대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 프로그램 이름 아주대학교 과학영재교육원 유전공학 기초 – DNA클로닝, 전기영동 주요 과목 생명과학Ⅱ 관련 과목 생명과학Ⅰ STEM 요소 S, E 관련 단원 유전자의 발현과 조절 관련 유전 단원 지역 차시 4 개발자 주요 수업 개요 유전공학의 근간을 이루는 DNA 클로닝의 의미를 알고, 제한효소지 도(map)를 그려본다. 실험으로는 세균 플라스미드 DNA를 제한효소 반응으로 분리하고, 전기영동을 통해 DNA 확인하여 본다. 1. 수업 사전 협의회 → 2. 전문가 수업실시(A반) → 3. 교사 수업실 시(B, C반) → 4. 간담회(전문가+교사+코디네이터 참석) → (2~4 차 시별로 반복) → 최종 간담회(전문가+교사+코디네이터 참석) 수업 사전 협의회 프로그램 운영 방법 (절차) 전문가 교사 수업 수업 실시 실시 (B, C반) 간담회 수업 내용 및 방법 최종 간담회 조정 (A반) ※ 각 수업에는 교사 및 코디네이터가 참관하고, 매 수업이 끝날 때 마다 간담회 진행하였음. ◎ 유전 공학 기초(1차시) 교수·학습 지도안 수업일시 단원명 생명공학 기술과 인간생활 수업주제 수업대상 수업교사 수업장소 수업차시 유전 공학 학습목표 수업형태 1/4 강의, 실습 모의 실험을 통해 DNA 클로닝의 의미와 목적을 알아본다 수업단계 수업자료 및 교수·학습 활동 유의점 ▶ 수업 목표 확인 - 이번 수업을 통해서 탐구해야 할 최종적인 목표를 인식한다. 배움열기 (5분) ▶ 동기유발 - 프로젝트 수업의 - 유전공학 기술의 기초인 유전자 클로닝이 어떻게 진행되는지 전체적인 목표에 알아본다. 대해 설명한다. ▶ 학습 목표 제시 - 이번 시간에 학습해야 할 목표를 제시한다. - 먼저 ppt 자료를 이용하여 강의한 ▶ 학습활동 1: 유전공학의 목적을 학습한다. 유전공학의 근간 을 이루는 DNA 클로닝의 의미를 학습한다. 이를 위해 기초가 되는 DNA, 유전자 발현을 학습한다. 다. - 활동지의 간단한 재료와 통해 배움활동 조작을 제한효소 작용을 이해시킨 (40분) 다. 학생 스스로 ▶ 학습활동 2: 제한효소의 작용을 학습한다. 제한효소를 이용 추론하여 가상의 한 DNA 클로닝 과정을 간단한 모의 실험으로 간접적으로 체험 재조합 한다. 만들 수 있는지 관찰한다. 배움정리 (5분) DNA를 ▶ 모의 실험 내용 확인 및 후속 차시 소개 - 학생들의 결과를 확인하고 다음 차시의 내용을 소개한다. •9• - ◎ 유전 공학 기초(2차시) (기하)교수·학습 지도안 수업일시 단원명 수업주제 생명공학 기술과 인간생활 수업대상 수업교사 수업장소 수업차시 유전 공학 학습목표 수업형태 2/4 강의, 실습 플라스미드 DNA 분리의 원리를 학습하고 분리해본다. 수업단계 교수·학습 활동 수업자료 및 유의점 ▶ 수업 목표 확인 - 이번 수업을 통해서 탐구해야 할 최종적인 목표를 인식한다. 배움열기 (5분) ▶ 동기유발 - 플라스미드를 세균으로부터 직접 분리하는 과정을 체험한다. - ▶ 학습 목표 제시 - 이번 시간에 학습해야 할 목표를 제시한다. ▶ 학습활동 1: 플라스미드의 종류와 의미를 파악한다. 플라스미드 DNA를 분리하기 위해 필요한 것들을 생각해본다. 컬럼을 이용한 물질 분리의 원리에 대해 학습한다. - 먼저 ppt자료를 이용한 강의한다. - 이후 실험 시 학 생들의 집중력이 흐트러지지 배움활동 않도 록 주의시킨다. (40분) - 전체 과정을 먼저 파악하도록 한 후 ▶ 학습활동 2: 세균 세포로부터 플라스미드 DNA를 분리한다. 이 실험에 임하게 한 과정에서 다양한 실험 도구와 원리를 접해본다. 배움정리 (5분) ▶ 학습 내용 복습 및 후속 차시 소개 - 실험도구를 정리하고 다음 시간에 할 실험 내용을 소개한다. • 29 • 다. - ◎ 유전 공학 기초(3차시) (기하)교수·학습 지도안 수업일시 단원명 생명공학 기술과 인간생활 수업대상 수업교사 수업장소 수업차시 수업주제 유전 공학 학습목표 제한효소 반응을 익히고 전기영동을 통한 DNA 분리를 이해한다. 수업단계 수업형태 3/4 강의, 실습 교수·학습 활동 수업자료 및 유의점 ▶ 수업 목표 확인 - 이번 수업을 통해서 탐구해야 할 최종적인 목표를 인식한다. 배움열기 (5분) ▶ 동기유발 - 제한효소의 중요성과 이용에 대해 탐구한다. 분리한 DNA와 제 - 한효소로 절단된 DNA를 확인하는 방법을 알아본다. ▶ 학습 목표 제시 - 이번 시간에 학습해야 할 목표를 제시한다. ▶ 학습활동 1: 제한효소에 대해 학습한다. 분리한 DNA에 제한효 소를 처리한다. 마이크로 피펫으로 미세한 양의 샘플을 다루는 법 을 학습한다. - 실험에서는 도구를 정확히 사 용하도록 지도한 다. 배움활동 - 제한효소 반응 시 (40분) 마이크로피펫 ▶ 학습활동 2: 아가로즈 젤을 이용한 DNA 분리법에 대해 학습한 을 다. DNA 전기영동을 위한 아가로즈 젤을 제조한다. 전기영동으로 본다. ▶ 학습 내용 복습 및 후속 차시 소개 (5분) • 41 • - 팁 중복사용하지 않도록 한다. DNA 분리 시에 분리 속도에 미치는 요인들의 영향에 대해 추론해 배움정리 실험 ◎ 유전 공학 기초(4차시) (기하)교수·학습 지도안 수업일시 단원명 생명공학 기술과 인간생활 수업주제 학습목표 유전 공학 수업대상 수업교사 수업장소 수업차시 수업형태 4/4 실습 전기영동 결과를 확인하고, 제한효소지도(map) 그리기를 통해 사고력을 기른다. 수업단계 교수·학습 활동 수업자료 및 유의점 ▶ 수업 목표 확인 - 이번 수업을 통해서 탐구해야 할 최종적인 목표를 인식한다. 배움열기 (5분) ▶ 동기유발 - DNA를 눈으로 확인한다. DNA 클로닝 과정에서 탐구 추론 능 - 력이 어떻게 발휘되는지 체험하도록 한다. ▶ 학습 목표 제시 - 이번 시간에 학습해야 할 목표를 제시한다. ▶ 학습활동 1: 아가로즈 젤 상에 DNA를 주입한다. 아가로즈 젤 상에서 분리된 DNA를 확인하는 법을 익힌다. DNA 분리 속도에 영향을 미치는 요인에 대해 생각해본다. - 전기영동 키트 - 젤을 만지거나 도 배움활동 구 사용 시 조심 (40분) 스럽게 한다. ▶ 학습활동 2: 제한효소지도를 이용한 추론 문제를 풀어본다. 이 를 통해 클로닝 과정에서 제한효소의 중요성을 학습하고 사고력을 배양한다. 배움정리 (5분) ▶ 학습 내용 복습 및 재료와 도구 정리 • 53 • - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용: 구강 건강 중심으로 강원대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램 이름 주요 과목 관련 과목 STEM 요소 강원대학교 과학영재교육원 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용: 구강 건강 중심으로 생명과학Ⅱ 과학탐구실 험 S, T, E, M 관련 단원 Ⅵ. 생명 공학의 기술 관련 단원 Ⅲ. 첨단과학의 탐구 지역 보조 주 개발자 개발자 최근 우리 사회의 중요한 가치로서 반려동물과 함께하는 삶에 대한 가치 가 그 중요성을 더해가고 있다. 이번 활동을 통하여 반려동물의 질병에 대 주요 수업 개요 한 이론적 지식을 습득하고, 이를 예방하기 위한 진단 도구로서 바이오마 커를 위한 분자진단에 대해 알아보고 직접 분자진단을 이용하는 실습을 한 다. 이러한 생물정보학 기반 의학적 진단 경험을 바탕으로 반려동물의 건 강한 삶을 위한 반려동물 의료보험 정책에 대해 의사 결정 할 수 있는 방 법을 배운다. 1차시 애완동물, 반려동물, 반려동물 질병 2차시 유전자, 염기서열결정법, 생물정보학, 분자진단 3차시 PCR, DNA 전기영동, 프라이머, 바이오마커 4차시 생물정보학, NCBI, 프라이머 5차시 동물보호, 반려동물 질병, 반려동물 의료보험(펫 보험) 차시별 주요내용 (키워드 위주) 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 Ⅲ 교사용 활동지 교사용 지도서 [1차시] 반려 동물의 건강을 위협하는 질병 조사하기 수업 안내 • 1차시는 반려동물의 개념과 반려동물의 질병에 대한 조사 활동으로 구성하였다. 과학적 의사소통에서 가장 기본적인 출발점은 논의하고 있는 개념에 대한 정확한 이해에서 출발한다고 할 수 있다. 일상적으로 많이 사용하고 있는 애완동물과 반려동물이라는 용어에 대해 소개하면서 시작할 수 있다. • 이번 차시 활동에서는 반려동물 관련 이슈를 검색해보고 질병에 대해 조사하는 활동을 한다. 생각열기 우리 집에 있는 개와 고양이 등의 동물을 어떻게 불러야 할까? 애완 동물이라고 부를까, 아니면 반려 동물로 부를까? 애완 동물과 반려 동물의 뜻에 대해 우리가 알고 있는 생각을 정리해봐요. 애완동물 반려동물 Ÿ 햄스터 같은 귀엽고 작은 동물 Ÿ 고양이나 강아지 처럼 크고 오래사는 동물 Ÿ 보다 익숙한 표현 Ÿ 굳이 이런 표현을 써야할까? 수업 TIP • 페들렛 캔버스 기능을 활용하여 실시간으로 공유하거나 구글 설문을 활용하여 의견을 수집한 후 수업 정리활동 으로 공유하고 개념을 정리할 수 있다. • 표준국어대사전으로 보는 애완동물과 반려동물 > 애완-동물(愛玩動物): 좋아하여 가까이 두고 귀여워하며 기르는 동물 > 반려-동물(伴侶動物): 사람이 정서적으로 의지하고자 가까이 두고 기르는 동물 표준국어대사전 바로가기(https://stdict.korean.go.kr) • 동물보호법으로 보는 반려동물 > 제2조(정의) 1항3호. “반려동물”이란 반려(伴侶) 목적으로 기르는 개, 고양이 등 농림축산식품부령으로 정하는 동물을 말한다. 동물보호법 바로가기(https://www.law.go.kr/동물보호법) 17 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [2차시] 교사용 활동지 생물정보학과 분자 진단 수업 안내 • 2차시에서는 생물정보학과 분자 진단과 관련된 개념 지식에 대해 자료를 조사하고 조사내용을 구글 사이트 도구를 통해 공유하는 활동으로 구성하였다. 난이도가 있는 생물정보학에 대한 스캐폴드를 제공하기 위해 과학기술의 발전과 인간의 미래를 주제로 한 영화를 소개하면서 시작할 수 있다. • 영화와 관련된 유투브 영상은 수업 전 보고 올 수 있도록 한다. 수업에서는 혹시 보고 오지 않은 학생이 있을 수 있으므로 짧은 길이의 동영상을 준비하여 수업 시간에 보여주면 좋다. 생각열기 GATTACA가 보여주는 미래 사회 영화 ‘가타카(GATTACA)’는 1997년 개봉된 영화로 사람의 계급층이 유전자에 의해 결정되며, 임신 중에 유전자 검사를 통해 선별적으로 출산을 결정할 수 있다는 내용이 다. 최근에 개발된 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위라는 기술을 활용한다면 영 화 속 이야기는 현실이 될 수도 있다. • GATTACA 유투브 영상 주소: https://youtu.be/tzG3I7nMEks 출처: 나무위키 • 수업용 짧은 주소: https://youtu.be/W_KruQhfvW4 영화 따라잡기: 주인공 3명의 이름의 의미에 대해 조사해보기 이름 Vincent Anton Freeman Irene Cassini Jerome Eugene Morrow 이름의 의미 찾기 Vincent: ‘to conquer’로 정복자를 의미, 한계를 넘어섬 Anton: ‘Anthony-praise worthy’에서 유래, 형의 이름 Freeman: 자유인으로 의미, 외부의 제약으로부터 자유로움 Irene: ‘peaceful’의 의미 Cassini:‘토성고리를 발견한 천문학자’를 의미. 밝은 지점 사이의 어두운 영역의 의미로 이해됨 Jerome: ‘sacred name’ 신성한 이름의 의미 Eugene: ‘well born’의 의미 Morrow: ‘to-morrow’ 내일 즉, 미래를 의미 수업 TIP • 페들렛을 이용하여 주인공의 이름의 의미를 공유한다. 이름 의미 찾기 활동은 1차시에 적용했던 ‘애완동물과 반려동물 용어의 차이 생각해보기’ 활동과 연계된 활동이다. 과학 분야 뿐만 아니라 의사소통 과정에서 개념의 의미를 공유할 수 있도록 정의하는 것은 중요하지만 놓치기 쉬운 부분이다. 24 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [3차시] 교사용 활동지 나도 과학자: DNA를 추출해보자. 수업 안내 • 3차시에서는 개념 지식 위주의 수업에서 벗어나 생물정보과 관련된 실험 역량을 키울 수 있는 활동으로 구성하였다. 이를 위해 비교적 쉽게 구할 수 있는 구강 세포로부터 DNA를 추출하고 전기영동을 이용하여 추출한 DNA를 확인하는 활동을 수행한다. 마이크로 피펫과 전기 영동에 대해 경험한 적이 없는 학생의 경우에는 2차시로 구성하여 마이크로 피펫 사용법과 전기 영동 겔만들기 활동을 1차시에 수행하고 2차시에는 제시된 활동을 수행하는 것이 좋다. 활동 구강 세포를 이용하여 DNA를 추출하기 Ⅰ. 활동 목표: Kit를 이용하여 구강 상피세포 DNA를 추출할 수 있다. Ⅱ. 준비물 ▢ DNA 추출 kit ▢ 1% agarose gel ▢ 증류수(Distilled water, DW) ▢ 6× Loading dye ▢ DNA ladder ▢ 1 × TAE Buffer ▢ 마이크로피펫 ▢ 1.5ml 원심분리튜브 ▢ 원심분리기 ▢ Vortex mixer ▢ 히팅 블록(혹은 항온수조) DNA 추출 전 해야 할 일!!! ◉ 히팅 블록(항온 수조)의 온도를 90℃로 예열해 둔다. 마이크로 피펫 사용법 익히기 ◉ 1번 그림과 같이 버튼을 누른 상태에서 시약에 담근다. ◉ 2번 그림과 같이 버튼을 천천히 놓으면서 시약을 채취한다. ◉ 3번 그림과 같이 버튼을 천천히 누르면서 시약을 용기에 주 입한다. ◉ 4번 그림과 같이 버튼을 끝까지 눌러준다. 29 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 교사용 활동지 [4차시] 바이오마커의 꽃: 프라이머 제작해보기 수업 안내 • 4차시에서는 생물정보학과 관련된 지금까지의 활동을 토대로 반려동물의 질병 검사를 위한 분자 진단 도구의 제작 과정 중 일부를 체험해보는 활동으로 구성하였다. 비교적 난이도가 높은 활동으로 활동 내용에 대한 이해에 초점을 맞추기 보다는 과학자들의 연구 활동을 체험해보는 체험 활동에 초점을 맞추어 지도할 필요가 있다. 이를 위해 질병에 대한 정보 검색하기 → 질병에 대한 원인균 찾기 → 원인균을 찾을 수 있는 분자진단 정보 검색하기 → 분자진단용 프라이머 선택하기 활동으로 구성하였다. 활동 구강 세포를 이용하여 DNA를 추출하기 NCBI활용 바이오마커 개발용 프라이머 설계 흐름도 수업 TIP • 난이도가 높은 활동이므로 모둠을 구성하여 활동하는 것이 효과적이다. 교육적 여건이 허락한다면 동료교사와 팀 티칭으로 수업을 운영하는 것을 추천한다. 팀 티칭을 할 수 없는 경우는 학급에서 컴퓨터 사용이 능숙한 학생이나 생명과학에 관심이 있는 학생을 3~4명 정도 선발해서 사전 학습을 수행하여 보조 강사로 참여시키는 것도 가능하다. 수업 모둠은 3명을 한 모둠으로 편성하고 보조 강사가 2개의 모둠을 담당하면 적절할 것으로 보인다. • 이번 차시의 수업은 수업 결과물을 만들기 보다는 각각의 학생들이 분자 진단 키트 제작 과정을 체험해보는 데 초점을 맞추어 수업 속도를 조절하는 것이 중요한 수업 포인트이다. 37 반려동물의 건강한 삶을 위한 분자 진단의 활용 [5차시] 교사용 활동지 반려동물 의료보험 정책 결정 수업 안내 • 5차시에서는 첨단과학기술의 발달로 인해 야기되는 사회∙윤리적 쟁점 즉 ‘과학기술관련 사회쟁점(SSI)’에 대해 합리적이고 책임감 있게 의사결정하고 실천할 수 있는 기회를 제공하기 위한 활동으로 구성하였다. • 이번 차시의 활동은 미래세대 과학교육표준(KSES)과 SSI 교육에서 강조하고 있는 ‘미래사회가 요구하는 인재는 단순히 지식을 풍부히 갖춘 인재가 아니라 협력과 소통을 바탕으로 창의적 사고력과 문제해결력 등의 역량을 발휘하여 책임 있는 시민으로서 삶과 사회의 문제를 해결해 갈 수 있는 인재’라는 관점에서 수업 모델을 구안하였다. • 이를 위해 적용한 수업 모형은 SSI 수업 모형 중 의사결정 모형에 해당하는 집단적 합의 수업 모형을 적용하였다. 수업 TIP • 반려동물 의료보험에 대한 쟁점에 대해 학생 스스로 문제 의식을 갖고 접근하고 쟁점 해결을 위한 실천 방안과 정책 결정에 참여할 수 있도록 교사의 개입을 최소로 한다. • SSI 수업 모형 분류 이현주 외 2인(2014) 45