STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 경북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 경북대학교 과학영재교육원 프로그램 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 이름 9. 발전과 신재생 에너지 주요 과목 통합과학 관련 단원 9-1. 전기 에너지의 생산과 수송 9-1-1. 발전소에서는 어떻게 전기 에너지가 만들어질까? 관련 과목 기술·가정 관련 단원 STEM 요소 S, T, E 지역 주 개발자 2. 신·재생 에너지 2-2. 신·재생 에너지를 이용한 문제 해결 개발 차시 4 보조 개발자 이 프로그램에서는 공학적 설계를 기반으로 풍력 발전기의 발전량에 대 한 문제해결 프로젝트를 수행하기 위해 발전기의 원리, 전자기 유도 현상 등에 대해 탐구를 수행한다. 학습한 개념과 원리를 적용하여 주어진 조건에 주요 수업 서 풍력 발전기의 발전량을 증대시킬 수 있는 아이디어를 협의하여 설계·제 개요 작하고 여러 차례 성능 개선 테스트를 수행한다. 제작된 풍력 발전의 성능 과 기능 테스트, 발표(설계 과정, 산출물의 차이점, 장단점 등)를 통해 학습 한 개념이 어떻게 적용되어 문제가 해결되는지를 이해하고 학생들 간에 서 로 공유한다. 1차시 차시별 2차시 전자기 유도 현상이 발견된 과학사를 통해 전자기 유도 현상을 이 용한 발전기의 원리 이해 전기 에너지가 생산되는 풍력 발전기를 제작해 보고 전기 에너지 를 더 많이 생산할 수 있는 방안을 모색 주요내용 (키워드 위주) 3차시 4차시 회전 속도를 높일 수 있는 날개를 설계하여 풍력 발전기의 발전량 높이기 산출물의 개선 과정에 대한 발표를 통해 문제해결과정을 공유하고, 관련 직업에 대한 특성과 직업인을 조사·소개하는 진로 탐색 활동 STEM 생각교실 [ 수‧과학 수업 차시대체용 프로그램(지구과학, 교사용) ] 제목: 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. 차 시 1 발전기 원리에 대한 탐구 ■ 학습 목표 1. 전자기 유도 현상을 이해하고 유도 전류의 세기에 영향을 주는 요인을 설명할 수 있다. 2. 발전소에서 전기 에너지가 만들어지는 원리를 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 전자기 유도, 유도 전류의 세기에 영향을 주는 요인, 발전기 ■ 활동 1. 과학사 살펴보기1) (가) 덴마크의 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777~1851)는 전류가 흐르는 도선 근처에서 나침반의 자 침이 움직이는 것을 발견했는데, 전류가 흐르는 도선은 마치 자석이 된 것처럼 자기력을 발휘하는 것 같았 다. 이로부터 1년 후, 외르스테드의 실험을 재검토하며 전류와 자석 사이의 상호작용을 연구하던 영국의 패 러데이(Michael Faraday, 1791~1867)는 도선과 자석을 이용한 간단한 회전 장치, 즉 전동기를 만들어냈다. (나) 한편, 많은 학자들은 외르스테드가 발견한 효과의 정반대 작용도 존재하지 않을까 추측했다. … 그러나 그 기대는 쉽게 이루어지지 않았으며, 그 효과는 10년 뒤 패러데이에 의해 겨우 발견될 수 있었다. … 그는 속이 빈 원통형 철심에 코일을 두텁게 감은 후 그 안에 막대자석을 찔러 넣음으로써 정반대 작용을 성공 했다. … 이렇게 그는 최초의 발전기 발명자가 된 셈이었다. (다) 전지를 연결하지 않은 회로가 있다. 이 회로에 검류계를 연결해보면 당연히 검류계의 바늘은 0을 가리킬 것이다. 그런데 회로 근처에 자석을 가까이 가져가면 검류계의 바늘이 한 쪽 방향으로 기울게 된다. 자석 을 멈추면 검류계의 바늘이 0으로 돌아간다. 이제 자석을 뒤로 빼면 바늘이 반대 방향으로 기운다. 전지도 연결하지 않은 회로에 자석을 가까이 가져갔다 뒤로 뺐다 하는 것만으로 전류가 흐르는 것이다. 이와 같이 ㉠자기장과 움직이는 자석 사이의 상호작용에 의해 회로에 전류가 생겨나는 현상을 관찰할 수 있었다. (1) (나)에서 외르스테드가 발견한 효과의 정반대 작용은 어떤 현상일까요? 전류가 흐르는 도선에 의해 자침의 움직임이 발생한 현상(전류가 흐르는 도선에 의해 자기력이 받는 영향)의 정반대 작용이므로, 자석의 움직임에 의해 전류가 발생하는 현상을 의미함. (2) ㉠ 현상을 무엇이라고 하나요? ㉠: 전자기 유도 현상 1) 출처: [물리 산책], 전자기 유도 현상의 발견, https://sites.google.com/site/mira1004nn/jeonjagi-yudo-hyeonsang-ui-balgyeon - 179 - 차 시 2-3 인간과 자연의 공존을 위한 Energy를 發電(발전)하라. ■ 학습 목표 1. 발전기의 원리를 이해할 수 있다. 2. 회전 속도를 빠르게 할 수 있는 발전기 날개를 디자인하고 제작할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 발전기 날개 디자인 및 제작 ■ 활동 안내 에너지 문제를 해결하라! 우리는 전기 에너지를 포함하여 에너지 대부분을 석유, 석탄 등의 화석 연료에서 얻는다. 다음은 연도에 따 른 세계 석유 생산량을 나타낸 것이다. 이렇게 생산량이 증가한다면 매장량은 점차 한계를 드러낼 것이다. 이런 화석 연료의 고갈 문제를 해결하기 위하여 이를 대체할 수 있는 신재생 에너지의 개발이 필요하다. 지 구 온난화 등 기후 변화에 영향을 미치는 화석 연료를 대신해서 사용할 수 있는 다양한 발전 방식 중 환경 오 염 물질을 배출하지 않고, 대기나 수질에도 영향을 주지 않는 친환경 에너지를 생산할 수 있는 풍력 발전은 바 람의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전 방식이다. 국내 연도별 풍력 발전 보급과 풍력 발전량 현황 을 살펴보면 우리나라 풍력 발전 현황을 살펴보면 신규 설치와 발전량이 꾸준히 증가하고 있다. 적당한 속도의 바람이 지속해서 부는 곳에 설치하는 풍력 발전소에서 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있는 방안을 날개의 개선을 통해 모색해보고 적용하여 직접 전기 에너지를 생산하여 보자. - 183 - 차 시 4 평가 및 진로 탐색하기 ■ 학습 목표 1. 평가 및 발표를 통하여 다른 모둠의 아이디어를 공유하고 문제해결능력을 신장시킬 수 있다. 2. 발전 분야의 진로와 직업에 대해 조사하고 그 중요성에 대해 인식할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 문제해결을 위해 필요한 능력 요소, 직업에 대한 이해 ■ 활동 안내 1. 다음 요소들을 포함하여 발표할 자료를 제작해 보자. ※ 활동 결과 발표에 포함할 요소 모둠 이름 (모둠원 이름) (날개 재료를 선택한 이유와 디자인이 날개 회전을 어떻게 빠르게 하는지에 대한 설명 포함) 디자인의 장점 (설계할 때 고려한 사항) 제작 결과 제작한 날개 모양 측정된 전압값 보완해야 할점 활동 중 가장 기억에 남는 것과 이유, 느낀 점 우리 모둠과 다른 모둠과의 차이점은? - 188 -