STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 힘의 평형과 구조물의 내진설계 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 힘의 평형과 구조물의 내진설계 이름 주요 과목 물리학2 관련 단원 역학적 상호작용 관련 과목 중1 관련 단원 여러 가지 힘 STEM 요소 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 개요 차시별 개발자 1차시에서는 한 점에서 만나는 힘의 평형 조건을 학습한다. 2차시에는 1 차시에서 학습한 이론을 평형판을 이용하여 실습한다. 3차시에는 한 점 에서 만나지 않는 힘의 평형 이론을 학습하고 실습한다. 4차시에는 지진 을 대비한 구조물의 내진설계에 대하여 학습한다. 1차시 한 점에서 만나는 힘의 평형 2차시 평형판을 이용한 힘의 평형 탐구 3차시 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형 4차시 건설 구조물의 내진설계 주요내용 (키워드 위주) (물리) 힘의 평형과 구조물의 내진설계 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 활동지 1차시: 한 점에서 만나는 힘의 평형 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [실험 안전 유의사항] Ÿ 구조물에 작용하는 힘의 특성을 토의할 때 과도한 행동에 유의 1차시 [개념 도입] 한 점에서 만나는 힘의 평형 ◆ 여러 가지 교량의 형식 중에서 가늘고 긴 부재를 연결하여 시공한 트러스 교 량이 있다. 부재의 연결점에서 부재력의 평형 조건을 토의해보자. ◆ 크기가 같은 세 개의 힘이 한점에서 만나고 있을 때, 평형 조건에 대해 논의하자. - 13 - (물리) 힘의 평형과 구조물의 내진설계 2) 탐구 및 개념 확장 학생용 2차시: 평형판을 이용한 힘의 평형 탐구 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 한 점에서 만나는 힘의 평형 조건 파악 Ÿ 평형판을 이용하여 한 점에서 만나는 힘의 평형 조건 확인 [실험 안전 유의사항] Ÿ 용수철 저울을 사용할 때 과도한 힘으로 저울을 당기지 않는다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 평형판을 이용한 힘의 평형 탐구 ◆ 지난 차시에 배운 힘의 평형을 평형판을 사용하여 실습해보자. - 15 - (물리) 힘의 평형과 구조물의 내진설계 3) 과학기술 적용 [학습 목표] Ÿ 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형 조건 파악 Ÿ 연필, 자와 지우개를 이용하여 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형 조건 확인 [실험 안전 유의사항] Ÿ 연필 위에 놓인 자가 과도하게 움직이지 않도록 유의. Ÿ 자 위에 놓이는 지우개에 큰 힘을 가하지 않도록 조심. 학생용 활동지 수업일 3차시 3차시: 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [과학기술 적용] 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형 ◆ 한 점에서 만나지 않는 힘의 평형에 대한 개념을 이해 - 17 - (물리) 힘의 평형과 구조물의 내진설계 4) 공학적 적용 학생용 4차시: 건설 구조물의 내진설계 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 [학습 목표] Ÿ 지진에 의하여 구조물에 발생하는 진동 특성을 이해 Ÿ 지진에 의한 구조물의 진동을 저감시킬 수 있는 내진설계 개념 이해. [실험 안전 유의사항] § 종이 상자를 칼로 절단할 때 손 조심. § 지진 모형 실험할 때 과도한 흔들림이 발생하지 않도록 유의 4차시 [공학적 산출물] 건설 구조물의 내진설계 ◆ 지진에 의하여 구조물에 발생하는 진동 특성을 이해 - 19 - 모둠 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 탄성파를 활용한 지하 지질구조 탐색과 자원탐사 전남대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 탄성파를 활용한 지하 지질구조 탐색과 자원탐사 이름 주요 과목 과학 관련 단원 관련 과목 지구과학 Ⅰ, 지구과학Ⅱ 관련 단원 STEM 요소 S, T, E, T 지역 주 개발자 Ⅰ. 지권의 변화 - 지구계와 지권의 구조 Ⅰ. 고체지구 보조 개발자 - 탄성파가 반사되는 성질을 활용하여 지질구조를 알아내는 원리를 설명할 수 있다. - 탄성파를 활용한 지질구조 탐사가 산업 분야에 적용되는 사례를 말할 수 있다. 주요 수업 개요 - 자원 탐사에 관련된 직업을 탐구하고, 관련 직업을 갖기 위해 노력해야 할 점을 말할 수 있다. - 교육 과정에 소개된 지진, 지구의 층상 구조와 같은 익숙한 개념을 먼저 제시하여 학생들이 자원 탐사 분야를 어렵게 인식하지 않도록 한다. - 석유 개발 분야에 흥미를 가질 수 있도록 실질적인 업무를 소개해 줄 수 있는 전문가와 함께 프로그램을 구성한다. 1차시 • 지진의 발생원인 • 지진파의 종류와 특성 • 탄성파의 활용 2차시 - 해저면 탐사 (음향 측심법) - 지하의 석유, 천연가스 및 광물 자원 탐사 • 초음파 센서와 이두이노를 이용한 거리 측정기의 작동 원리 차시별 주요내용 - 지진파를 이용한 지구 내부 탐사 3-4차시 • 거리 측정기를 이용하여 지형 모형의 탐사 • 탐사 결과로 작성한 지형 모형의 모양 예측하기 • 실제 자원 탐사 과정에서의 지질구조 탐사 소개 • 석유와 천연가스가 저장되기 위한 암석과 지하 구조의 특징 5차시 • 석유와 천연가스 탐사에서 탄성파의 활용 • 자원 탐사 과정 소개 6차시 • 지하자원을 탐사하는 전문가 인터뷰 • 자원 탐사 전문가가 되기 위해 노력할 점 생각해보기 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 1. STEM 생각교실 프로그램 개요 교과군 중심교과목 학교급 학년 과학 지구과학 중학교 1학년 수업 모형 탐구학습 모형 수업 주제 탄성파를 활용한 지하 지질구조 탐색과 자원 탐사 수업 단원 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 중심 교과목 관련 교육과정 영역 핵심개념 내용요소 지구과학 지진파, 탄성파, 자원개발 지진파의 종류, 자원 개발 ◾ 지진파의 속도 변화를 기준으로 지구를 4개의 층으로 구분한다. 일반화된 지식 ◾ 반사되어 온 파동의 왕복 시간을 이용하여 거리를 계산할 수 있다. ◾ 파동의 성질은 해저측심법, 어군탐지기 등에 이용된다. ◾ 석유는 물보다 밀도가 낮아서 습곡의 배사, 단층의 상부에 분포한다. 성취기준 [9과01-01] 지구계의 구성 요소를 알고, 지권의 층상 구조와 그 특징을 설 명할 수 있다. ◾ 지진의 발생 원인과 지진파의 종류 관련탐구활동 ◾ 탄성파의 활용 ◾ 초음파 센서와 아두이노를 이용한 지형 모형 모양 찾기 평가방법 ◾ 과정 평가 : 탐구 과정에서 활동 참여도를 평가한다. ◾ 보고서 평가 : 활동시 작성한 보고서를 평가한다. STEM 요소 ◾ 지진의 발생 원인과 지진파의 종류 과학적 탐구 (S) ◾ 탄성파의 성질 – 파동의 반사, 파동의 속도 ◾ 지진파를 이용한 지구의 층상 구조 구분 ◾ 탄성파의 이용 – 해저 측심법, 어군 탐지기 등 ◾ 지하자원이 저장될 수 있는 암석과 지질구조 기술·공학적 과정 (T/E) 수학적 사고 활동 (M) ◾ 탄성파를 이용한 지질 구조 탐사 ◾ 초음파 센서와 아두이노를 이용한 거리 측정 장치 개발 ◾ 자원(석유, 천연가스) 탐사 개발 과정 알기 ◾ 탄성파 분석을 통한 거리 계산을 위한 수식 ◾ 그래프 작성법 및 분석하기 - 1 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 2. 교사용 지도안 단원 수업주제 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 차시 1/6 지진파의 종류와 특성 (1) 지진의 발생 원인과 지진파의 종류와 특성을 설명할 수 있다. 학습 목표 (2) 지진파 또는 탄성파를 이용하여 지각 및 지하의 구조를 알아내는 원리를 알 수 있다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 프로그램 도입 ◾ STEM의 용어와 의미를 소개한다. ◾ 프로그램 내에서 다루게 될 내용을 안내한다. 유의사항 도입 • 프로그램의 전반적인 흐름을 학생들이 알 수 있도록 소개한다. (10분) ◎ 동기 유발 (프로그램 동기 유발) ◾ 학생들이 상자를 열지 않고 상자 안에 들어 있는 물건을 알 수 있 는 방법을 자유롭게 발표하게 한다. ◾ 지구 내부의 모습을 보기 위해 어떤 방법을 사용할 수 있는지 연관 하여 생각해 본다. ◎ 탐색 활동 / 지진이란? ◾ 지진 발생 사진을 제시하고, 지진의 정의, 발생 원인을 생각해보고 1차시 활동지를 완성하도록 한다. ◾ 주어진 신문 기사를 보며 밑줄 그러진 지진과 관련된 용어의 뜻을 인터넷에서 찾아 활동지를 완성하도록 한다. 전개 (30분) ◾ 경주 지진 뉴스를 보며 지진 관련 용어가 어떻게 사용되는지 확인하 고, 단층 운동과 지진의 발생을 연관시켜 생각해보게 한다. ◎ 탐구 활동 / 지진파의 종류와 특성 ◾ 용수철을 이용하여 횡파와 종파의 특성을 비교해 본다. (* 용수철에 리본을 달아 실험하면 매질의 움직임이 더 잘 보인다.) ◾ P파와 S파의 특성을 비교해 본다. - P파와 S파의 속도와 통과할 수 있는 물질의 상태를 강조한다. ◎ 학습 내용 정리 정리 (5분) ◾ 지진의 발생 원인과 지진파의 종류 ◎ 다음 차시 예고 ◾ 탄성파의 활용 - 3 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 수업 주제 학습 목표 수업단계 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 차시 2/6 탄성파의 활용 1. 파동의 특성 (반사, 굴절 등)을 알고 활용 분야에 대해 설명할 수 있다. 2. 파동의 왕복 시간으로부터 거리를 측정하는 방법을 설명할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 전시 학습 확인 ◾ 질문을 통해 전시학습 내용을 확인한다. 도입 (7분) ◎ 동기 유발 ◾ 자동차의 후방센서, 어군 탐지기 등에 이용되는 파동의 원리가 무엇 인지 생각해 본다. ◎ 개념 도입 ◾ 지진파의 종류와 특성을 설명한다. ◎ 탐구 활동 1 / 지진파를 이용한 지구의 층상 구조 구분 ◾ 지구 내부를 통과하는 지진파의 속도 변화 그래프를 제시하고, 지진 파의 속도가 특징적으로 변화하는 곳을 찾고, 지구 내부를 4개의 층 으로 구분해 보도록 한다. ◎ 탐구 활동 2 / 음파를 이용한 해저면 탐사 2차시 전개 (30분) ◾ 음파를 이용하여 해저 지형을 탐사하는 방법을 설명한다. ◾ 해저면 탐사에서 음파의 왕복 시간을 측정하여 거리를 알아내는 식 을 생각해 보도록 한다. ◾ 해저면 탐사를 위한 음파의 왕복 시간 그래프를 제시하고 수심을 계 산하는 활동을 통해 탄성파를 이용해 거리를 측정하는 방법을 충분히 익히도록 한다. ◎ 탐구 활동 3 / 탄성파를 이용한 지하자원 탐사 ◾ 강한 음파(탄성파)를 이용하면 탄성파가 지하의 지각을 투과했다가 반 사되어 돌아온다. 이 반사파를 분석하면 눈으로 볼 수 없는 지하 구조를 알아낼 수 있고, 이를 이용해 지하 자원을 탐사 할 수 있다. ◎ 학습 내용 정리 ◾ 지진파와 탄성파의 활용 분야 정리 (8분) ◎ 다음 차시 예고 ◾ 초음파 센서와 아두이노를 이용한 거리 측정기 제작 원리 ◾ 거리 측정기를 이용하여 지형 모형의 모양 찾기 - 4 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 수업 주제 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 차시 3-4차시 초음파 센서를 이용한 지하구조 탐사 1. 초음파 거리 측정기의 작동 원리를 설명할 수 있다. 학습 목표 2. 실험 장비를 이용하여 지형 구조의 모양을 알아낼 수 있다. 3. 탄성파를 이용한 해저면 또는 지하 구조의 탐사 방법을 실험과 연관지어 설명 할 수 있다. 준비물 수업단계 • 아두이노 거리 측정 장치, 태블릿(또는 휴대폰), 지형 모형, 자 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 전시 학습 확인 ◾ 질문을 통해 전시학습 내용을 확인한다. 도입 (10분) - 탄성파의 활용 : 지구 내부의 층상 구조, 해저면 탐사, 자원탐사 ◎ 동기 유발 ◾ 해상 시추 장치로 원유를 얻는 영상을 보고, 넓은 바다 중 시추 지점을 결정하는 방법은 무엇인지 생각하여 발표해 보게 한다. ◎ 탐구 활동 1 / 거리 센서를 이용한 모형 지질 구조 탐사 Tip • 실험 전 거리 측정기와 태블릿에 앱을 설치하여 준비한다. • 학생들이 충분히 연습한 후 측정하도록 하고, 조작, 측정, 기록 역 할을 분담하여 실험할 수 있게 한다. ◾ 초음파 센서와 아두이노를 이용한 거리 측정기의 작동 원리와 특 징을 설명한다. ◾ 태블릿PC 또는 휴대폰에 ‘아두이노 드로이드’ 어플을 설치하고, 3-4차시 아두이노를 이용해 거리를 측정해 보도록 한다. 전개 (70분) - 거리 측정은 100회 측정 후 평균값이 구해지기 때문에 한 지점에 서 4초 이상 멈춰서 측정해야한다는 점을 유의하도록 한다. ◾ <지형 1>의 위를 지나가며 아두이노 거리 센서를 이용해 거리를 측정하고, 그래프를 그려 지형의 모양을 예측해 보도록 한다. ◾ <지형 2>에서 같은 방법으로 활동한다. ◾ 모둠 별 측정값을 공유하며 결과를 비교한다. ◾ 석유와 천연 가스와 같은 지하 자원 탐사에서의 탄성파가 어떻게 활용되는지 연관지어 생각해 보도록 한다. 유의사항 • 시추에 소요되는 비용, 시간, 노동력 등의 이유로 사전 조사가 이루어진 후 시추가 이루어진다. ◎ 학습 내용 정리 정리 (10분) ◾ 탄성파를 이용한 지질 구조 탐사 과정 ◎ 다음 차시 예고 • 자원 탐사 과정 - 5 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 수업 주제 학습 목표 수업단계 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 차시 5/6 지질 구조와 자원 탐사 (1) 석유와 천연 가스가 저장되기 위한 암석과 지하 구조의 특징을 설명할 수 있다. (2) 석유와 천연가스 탐사에 탄성파가 활용되는 과정을 설명할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 전시 학습 확인 ◾ 질문을 통해 전시학습 내용을 확인한다. 도입 (7분) - 초음파 센서를 이용한 지형 모형의 탐사 원리 ◎ 동기 유발 ◾ 석유가 자연 상태에서 존재할 때 어떤 곳에 위치하게 되는지 물과 기름의 밀도와 연관지어 생각해 보고 발표하게 한다. ◎ 탐색 활동 1 / 석유가 저장되는 장소 찾기 ◾ 암석들의 공극을 나타낸 그림을 제시하고, 석유와 천연가스가 저장 될 수 있는 암석을 생각해 보도록 한다. ◾ 지하 자원이 저장될 수 있는 암석들의 배치를 설명한다. - 근원암, 저류암, 덮개암의 용어와 역할을 설명한다. - 석유가 생성 후 이동하는 과정을 함께 설명하여 이해를 돕는다. ◾ 석유와 천연가스가 저장될 수 있는 지하 구조의 특징을 설명한다. - 실험을 통해 다루었던 탄성파 탐사를 통해 지하 구조를 탐사한다 는 것을 강조한다. ◾ 밀도가 낮은 석유의 특성과 자원이 저장되는 구조의 특징을 연관지 5-6차시 전개 (30분) 어 설명해 보도록 한다. ◎ 탐색 활동 2 / 지하 지질 구조 탐사 방법의 활용 ◾ 지하 자원 탐사 과정에서의 탄성파 활용 과정을 설명하는 영상을 통해 정리해 보도록 한다. Tip 한국석유공사에서 제작한 탐사 영상을 활용한다. - https://youtu.be/FTR4vVh76Gw ◾ 탄성파 탐사를 통해 지하 구조를 알아내는 것이 지하 자원 탐사에 서 중요한 이유를 생각해 보도록 한다. ※ 학생들의 이해도에 따라 ‘석유/ 천연 가스 탐사부터 개발까지’의 단 계를 소개하며 자원 탐사 과정의 다른 전문가도 언급해 준다. ◎ 학습 내용 정리 정리 (8분) ◾ 지하자원이 존재할 수 있는 지하 지질 구조의 특징 ◎ 다음 차시 예고 ◾ 자원탐사 전문가의 인터뷰 - 6 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 수업 주제 학습 목표 수업단계 Ⅰ. 지권의 변화 / 1. 지구계와 지권의 구조 차시 6/6 자원 탐사 전문가를 만나다! 지하 자원을 탐사하는 직업에 대해 탐구해 보고, 관련 직업을 갖기 위해 노력해야 할 점을 말할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 ◎ 전시 학습 확인 ◾ 질문을 통해 전시학습 내용을 확인한다. - 석유와 천연 가스가 저장될 수 있는 암석은 무엇인가? 도입 (7분) - 석유와 천연 가스가 저장될 수 있는 지하 구조는 무엇인가? ◎ 동기 유발 ◾ 석유와 같은 지하 자원을 탐사하는 과정에서 전문가들의 역할은 어떻게 나뉘어지는지 생각해보고 탄성파 탐사를 수행하는 전문가는 어떤 공부를 해야하는지 생각해보고 발표하도록 한다. ◎ 탐색 활동 / 자원 탐사 전문가를 만나다! ◾ 한국 석유 공사의 한반도의 지하 자원 탐사에 대한 영상을 통해 자원 탐사의 과정을 정리해 보도록 한다. < 인터뷰 영상을 준비한 경우 > • 학생들의 질문을 먼저 수합하여 질문에 맞는 답변을 전문가 전개 1차시 (30분) 가 촬영하여 제시한다. • 인터뷰 영상을 활용할 경우 학생들이 제출한 질문에 해당하 는 답변 영상을 학생들과 확인하고 설명을 덧붙인다. • 학생들이 제출한 질문에 대한 답변이 없는 경우 < 실제 전문가가 수업을 하는 경우 > • 학생들의 질문에 대해 전문가가 바로 답변을 하도록 한다. ◾ 자원 탐사 전문가의 답변을 정리하여 마무리한다. ◎ 학습 내용 정리 ◾ 자원 탐사 전문가가 되기 위해 노력할 점과 자원 탐사 전문가가 수 행하는 일과 의의를 정리한다. ◾ 직업에 관련된 질문을 하며 학생들이 관심을 갖고 탐색해 보도록 정리 (8분) 안내한다. ◎ 프로그램 마무리 ◾ 6차시 동안의 STEM 생각교실 프로그램의 내용을 정리한다. ◾ STEM 생각교실을 통해 지구과학 관련 주제를 다양한 관점으로 탐구해 보고, 관련 직업에 대한 탐색한 내용을 정리한다. ◾ 관련 분야에 대한 질문이 있는지 확인한다. - 7 -