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 -