STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 알콜의 농도 측정 <손소독제의 알콜농도는 얼마일까?> 부산대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 부산대학교 프로그램 알콜의 농도 측정<손소독제의 알콜농도는 얼마일까?> 이름 주요 과목 화학실험 관련 단원 크로마토그래피 관련 과목 과학 관련 단원 물질의 특성 STEM 요소 S, T, E, M 지역 개발자 코로나로 인해 소독제의 사용이 많은 상황에서 우리가 사용하는 알콜함유 주요 수업 용품들을 크로마토그래피의 방법과 아두이노라는 공학적 도구를 이용하여 개요 알콜의 농도를 측정할 수 있는 탐구 과정을 학생 스스로 설계하고 수행하여 가설을 검증해 가는 프로젝트 수행 1~2차시: 알콜 농도에 대한 주제 제시, 크로마토그래피의 원리 및 방법 학 습 3~4차시: 크로마토그래피를 이용하여 알콜 농도 측정 방법 설계 및 탐구 차시별 주요내용 (키워드 위주) 과정 구조화, 실험 변인 탐색 및 통제 방법 토의 5~6차시: 알콜 표준용액의 측정값 데이터베이스화, 알콜함유 생활용품의 알콜 농도 측정 7~8차시: 아두이노의 구조 및 기초 원리 학습 9~10차시: 아두이노와 알콜 센서를 이용한 알콜 농도 측정 장치의 제작 11~12차시: 알콜 표준용액과 알콜 농도 측정 장치를 이용한 알콜 농도 데 이터베이스 제작, 알콜함유 생활용품의 알콜 농도 측정 3. 화 학 화 1 학 1. 상황제시 / 2. 문제정의와 제한조건 확인 1 2 3 4 준비물 영상, 학생 활동지 D C B A 학습 목표 공학적 문제를 정의하고 제한 조건을 확인한다. 유의사항 상황제시 ∙ 영상 출처 https://www.youtube.com/w atch?v=gCPOro-tdaw https://www.youtube.com/w atch?v=T3KyzqNDu4E&t=3s ∙ 2020년 1월부터 코로나가 전 세계에 확산되었던 시기에 전세계적으로 소독제가 품귀현상을 보였다. 그 당시 유튜브를 통해 손소독제를 간단하게 만들 수 있는 방법을 의사나 보건관련 종사자들이 동영상으로 제작하여 배포하였다. 단순히 알콜이 들어 있으면 ∙ <상황제시>의 요건 소독이 된다고 생각하였지만 알콜농도가 소독효과에 영향을 ① 알콜 농도를 측정하기 위한 장치를 설계하고 고안하고, 필요한 재료를 적어도 중고 등학교 실험실에서 구할 수 있는 재료를 활용한다. 미친다는 것을 보여주는 동영상이었다. 우리가 소독제로 사용할 수 ② 알콜 농도를 측정하기 위해 크로마토그래피의 원리를 이용하도록 하고 이 방법을 통해 알콜의 농도를 측정할 수 있는 방법을 고안하도록 제한한다. ③ 고안된 방법으로 우리 주변 의 알콜 제품의 농도를 측정 할 수 있는지 확인한다. 있는 알콜 소독제를 제조하기 위해서는 재료가 되는 알콜의 농도를 알고 있어야 하므로 알콜의 농도를 우리 주변의 재료를 이용하여 측정할 수 있는 방법을 고안해 보는 미션을 제시한다. ∙ 코로나 초기에 마스크와 소독제를 구하기 힘든 상황에서 고등학교를 다니는 미나와 엄마의 대화로 상황을 제시한다. 엄마 : 코로나로 마스크도 구하기 힘들지만 소독제나 손소독제를 구하기가 힘들 구나. 겨우 약국에서 파는 에탄올은 구했지만 소독제는 알콜의 농도가 60~80%가 가장 소독효과가 좋다고 하는구나. 약국에서 파는 알콜은 이 농도보다 훨씬 진해서 묽혀서 적당한 농도를 맞추어 주어야 하는데 알콜 농도를 알 수 있는 방법이 없을까? 미나 : 알콜 농도를 쉽게 측정할 수 있는 장치가 가정에는 없어서 알콜 농도를 측정하는 방법을 고민해 봐야겠어요. 마침, 내일 화학실험 수업이 있는데 화학선생님께 알콜 농도를 측정할 수 있는 방법을 여쭈어 보도록 할게요. 28 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 3. 화 학 2 3. 정보 수집(배경 연구)과 재료 탐색 1 2 3 4 D 준비물 (모둠별) 증류수, 100% 에탄올, TLC판(7cm×1.5cm) 2개, 바이알병(70ml) 2개, 다양한 색의 수성싸인펜, 연필(또는 샤프펜), 유리판 2개, 일회용 스포이드 다수 ② 크로마토그래피에 의해 알 콜의 농도에 따라 이동상이 TLC판을 이동해서 올라가 는 속도가 다름을 이용하여 알콜의 농도를 측정하는 방 법을 고안할 수 있다. ③ 수성사인펜을 TLC에 찍어 수성사인펜의 색소가 농도 에 따라 TLC판을 따라 올라 가는 속도를 비교하여 알콜 의 농도를 측정하는 방법을 고안할 수 있다. 단, 수성사 인펜을 사용할 경우 전개된 뒤의 수성사인펜의 모양이 매우 길게 늘어져서 어디를 기준으로 잡을 지에 대한 논 란이 있을 수 있어 가능하면 수성사인펜을 기준으로 잡 기보다 전개용매를 기준으 로 잡을 것을 권장한다. ④ 탐구활동을 위한 가설을 학 생들이 발표하게 한다. 발표 한 내용을 종합하여 공통의 가설을 제시하고 학생들이 탐구목표를 확실하게 알 수 있게 한다. B A 학습 목표 크로마토그래피의 기본원리를 이해하고 알콜의 농도를 확인할 수 있는 시스템에 적용시킬 수 있는 방법을 고안한다. 정보 수집 재료 탐색 유의사항 ① 특히, 고정상과 이동상에 대 해 정확하게 이해하고 같은 고정상이라도 이동상의 종 류에 따라 이동하는 속도가 다름을 이해하도록 한다. C 1. 크로마토그래피 탐구 하기 ① 초등학교에서 많이 해 본 수성사인펜을 이용한 크로마토그래피에 대한 동영상을 보고 비슷한 크로마토그래피 활동을 한다. https://www.youtube.com/watch?v=O7MS8NgFSYs ② TLC를 이용한 크로마토그래피에 대한 동영상을 보고 거름종이뿐만 아니라 TLC를 이용하여 크로마토그래피를 할 수 있는 방법을 이해하고 알콜의 농도를 측정할 수 있는 방법에 대해 토의한다. https://www.youtube.com/watch?v=OYMdp_sS864 ③ 5ml의 물과 알콜이 들어 있는 바이알병에 TLC판을 넣어 이동상인 물과 알콜이 올라가는 속도를 비교해 본다. ∙ 이동상의 종류에 따라 물과 알콜이 올라가는 속도가 다르다는 것을 이해한다. ④ 수성사인펜으로 TLC판에 점을 찍고 ③의 과정을 반복하고 점의 색소가 전개되는 속도를 비교해 본다. ∙ 색소의 이동 속도가 알콜의 농도에 따라 올라가는 속도가 다르다는 것을 이해한다. 단, 단순히 전개용매의 속도, 또는 수성사인펜의 속도 중 어느 것을 사용할지 신중하게 고민하고 탐구방법을 설계하도록 한다. 2. 탐구활동을 위한 가설 설정 ① 탐구활동을 위한 가설을 설정한다. 가설 크로마토그래피*를 이용하여 알콜의 농도를 결정할 수 있다. * 크로마토그래피 : 분별 흡착 현상을 이용해 혼합물을 분리․정제 및 정성･정량 분석을 할 수 있는 방법 30 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 알콜의 농도 측정 - 손소독제의 알콜농도는 얼마일까? 3~4 해결책 설계 1 2 3 4 D C B A 학습 목표 준비물 1. 크로마토그래피의 원리를 이용하여 농도에 따른 이동상의 전개속도를 측정할 수 있는 방법을 설계할 수 있다. (모둠별) 증류수, 100% 에탄올, TLC판(20cm × 20cm) 1개, 저울, 바이알병(70ml) 22개, 다양한 색의 수성싸인펜, 연필(또는 샤프펜), 유리판 4개, 자, 타이머(스마트폰 활용), 커터칼, 일회용 스포이드 다수 2. 가설을 검증하기 위한 변인들을 예측하고 변인들을 조작하고 통제할 방법을 고안할 수 있다. 3. 설계된 방법을 구현하기 위한 크로마토그래피 재료를 준비할 수 있다. 유의사항 해결책 설계 1. 전 시간에 조별로 작성한 최종 탐구 방법을 발표하게 한다. 2. 알콜의 농도에 따른 전개용액의 전개속도를 측정할 방법 설계(농도별 전개 속도에 대한 데이터 베이스 제작 방법 설계) ① 조작변인, 종속변인, 통제변인을 설정하도록 한다. ∙ 조작변인 : 알콜의 농도 ∙ 종속변인: 전개용매의 전개속도 ∙ 통제변인: TLC판 크기 등... ② 통제변인을 다시 한번 확인하고 통제해야 할 변인이 더 있는지 확인한다. ③ 설정된 통제변인에 따라 통제할 방법을 구상하고 활동지에 정리한다. ④ 각 변인에 따라 재료를 준비할 방법을 설계한다. ∙ 조작변인인 다양한 알콜의 농도를 어떻게 제조할지 설계한다. - 농도간격을 적절히 정하고 농도별 알콜을 제조할 방법과 보관 방법을 설계 ∙ 종속변인인 전개용매의 전개속도의 측정 방법을 설계한다. - 일정한 시간동안 전개된 거리를 이용하여 속도를 측정하는 방법과 일정한 거리을 정하고 농도별로 도달하는 시간을 측정하는 방법 등을 설계 ∙ 실험재료(전개병, TLC판 등)를 확인하여 다양한 통제변인들을 통제할 방법이 탐구활동에 적절한지 토의한다. ① 조별 활동을 통해 지난 시간 최 종 탐구 방법을 결정하였지만 탐구 방법에 많은 오류가 있을 수 있으므로 교사가 구체적으 로 잘못된 점에 대해 스스로 생 각하여 수정 보완할 수 있도록 유도한다. ② 조작변인과 종속변인을 발표 를 통해 이끌어내고 통제변인 은 탐구활동중에 통제해야 할 변인이 무엇인지 조별로 토의 를 하여 다양한 변인을 생각할 수 있도록 하고 통제할 방법을 구상하도록 한다. 단, TLC판의 크기와 같이 하나의 예시를 사 용하여 학생들이 통제해야 할 조건에 대한 생각의 실마리를 제공하도록 한다. ③ 농도간격은 10%정도간격으로 하여 너무 좁은 간격으로 인해 데이터를 얻는데 걸리는 시간 이 너무 많이 소모되지 않도록 한다. 너무 넓은 간격으로 하여 데이터로서의 가치가 없을 수 도 있다는 것을 상기시킨다. ④ 적절한 크기의 TLC판은 전개 병의 크기를 고려하여 제작할 수 있도록 하며 크기가 매우 중 요한 통제변인임을 이해하도 록 한다. ⑤ 준비해야 할 재료가 많으므로 팀원들이 협력하여 적절하게 재료준비를 나눌 수 있도록 지 도한다. 부산대학교 과학영재교육원 31 3. 화 학 3. 탐구활동을 위한 재료 준비 ① 각 변인을 조작하고 통제할 탐구 재료를 준비한다. ∙ 일정한 간격의 다양한 농도의 알콜 용액을 제조하고 바이알 병에 보관한다. ∙ TLC판(20cm×20cm)을 잘라서 사용하기에 적절한 크기로 다량 제작하여 바이알병에 보관하도록 한다. ∙ 준비된 재료를 이용하여 탐구방법을 토의하고 팀원들과 함께 시물레이션을 하여 추가로 필요한 재료가 있는지 확인한다. 5~6 최적화 1 2 3 4 D 준비물 (모둠별) 증류수, 100% 에탄올, TLC판(20cm×20cm) 1개, 저울, 바이알병(70ml) 22개, 다양한 색의 수성싸인펜, 연필(또는 샤프펜), 유리판 4개, 자, 타이머(스마트폰 활용), 커터칼, 일회용 스포이드 다수 ② 전개속도는 70:30에서 가장 속도가 느리며 물100과 에탄 올100쪽으로 갈수록 점점 빨 라지는 경향을 보인다. 32 B A 학습 목표 1. 크로마토그래피의 원리를 이용하여 농도에 따른 이동상의 전개속도를 측정하고 농도별 전개속도에 대한 데이터시트를 완성하여 데이터 베이스를 만들 수 있다. 2. 약국에서 판매하는 알콜소독제와 소주, 고량주의 알콜 농도를 결정하기 위해 TLC판을 이용하여 전개속도를 측정하고 데이터 베이스와 비교하여 알콜 농도를 결정할 수 있다. 3. 알콜 농도를 측정하기 위한 적절한 방법인지 토의하고 정확한 알콜 농도를 측정하기 위한 다른 방법을 설계할 수 있다. 유의사항 ① 농도별로 전개액을 전개시킬 때 다양한 변인을 잘 고려하여 야 한다. 용액의 부피나 TLC 판의 기울인 정도, 전개병위 를 덮을 유리판 등을 모두 고 려하여 모든 조건이 같아질 수 있도록 세심하게 전개속도를 측정한다. C 최적화 1. 농도별 전개 속도 측정(농도별 전개속도에 대한 데이터 베이스 작성) ∙ 다양하게 제조된 농도별로 탐구계획에 따라 전개속도를 측정한다. ① 농도별로 이동상이나 용질의 전개속도를 측정하고 농도별 전개속도에 대한 데이터 시트를 작성한다. 농도(물:에탄올) 전개속도(1/s) 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 물100 90:10 … 20:80 10:90 에탄올100 알콜의 농도 측정 - 손소독제의 알콜농도는 얼마일까? 7~8 1 공학적 설계를 위한 사전 학습 2 3 4 D C 학습 목표 1. 아두이노의 기초 원리를 이해하고 설명할 수 있다. 2. 아두이노에 센서 및 표시장치를 부착하여 전자회로를 구성할 수 있다. 3. 설계된 공학적 도구를 구동하기 위한 코딩의 기본적인 구조와 간단한 명령어를 사용할 수 있다. 공학적 도구 제작을 위한 기초 학습 1. 아두이노의 기초 학습 ∙ 아두이노와 각종 센서 및 표시장치로 아두이노의 기초 이론을 스스로 학습할 수 있도록 한다. ① 아두이노의 기초 학습을 위한 학습 키트를 이용하여 아두이노의 기초 학습을 할 수 있도록 한다. ② 학습지를 이용하여 먼저 간단한 아두이노의 구조와 작동원리를 설명하고 간단한 전자회로를 구성하여 작동하는 원리를 학습하도록 한다. 기초이론을 학습할 수 있는 교재를 활용하여 학생들이 간단한 전자회로를 구성하고 코딩을 하는 과정을 학습할 수 있도록 한다. ③ 교사의 지도하에서 간단하게 작동하는 전자회로를 구성한 후, 전자회로가 작동할 경우에는 교재를 활용하여 학생들이 다양한 전자회로를 구성하여 공학적 도구를 제작하게 하고 아두이노를 팀별로 자유롭게 학습할 수 있도록 한다. 2. 알콜센서(MQ-3)를 이용한 알콜농도측정 장치 설계 ① 기초적인 아두이노 작동 원리을 학습하고 센서와 표시장치의 작동 원리를 이해한 후, 인터넷에서 음주측정장치 또는 알콜농도측정장치와 관련된 유튜브 또는 블로그를 검색하여 정보를 수집할 수 있도록 한다. ② 인터넷에서 소개하는 다양한 음주측정장치중에 실험목적에 가장 B A 준비물 (모둠별) 노트북, 아두이노, 알콜센서(MQ-3), 브레드보드, LED, LCD(1602 I2C모듈), 초음파센서, 동작감지 센서, 푸시버튼, 수동부저, 조도센서, 점퍼와이어, 전원케이블 유의사항 ① 기초적인 아두이노 원리를 학습지나 인터넷을 통해 학 습하도록 한다. 기초적인 아 두이노 학습교재와 키트를 함께 구매할 수 있는 사이트 에서 아두이노 키트를 구매 하여 기초학습을 할 수 있다. ∙ 구매 사이트 : 메카솔루션 https://mechasolution.com/s hop/goods/goods_view.php ?goodsno=576226&categor y= ② 음주측정장치를 기반으로 알콜 농도 측정 장치를 설계 하고 제작하도록 한다. 자료 는 인터넷을 통해 다양한 블 로그와 유튜브를 통해 자료 를 수집한다. https://www.youtube.com/w atch?v=trv6980m5sQ ③ 음주측정 장치는 입김으로 불어진 기체속의 알콜 농도 를 감지하여 혈액속의 알콜 농도를 계산하는 장치이므 로 우리가 측정하고자 하는 용액속의 알콜 농도 측정 장 치와는 설계가 달라야 함을 이해시킨다. 부합하는 장치를 찾아 구성회로와 코딩을 학습하도록 지도한다. ③ 음주측정장치를 제작하여 작동하는지 확인하고 실험에 필요한 알콜농도측정장치로 변형한 전자회로를 설계하도록 지도한다. ④ 음주측정장치를 작동시키기 위한 소스코드를 조별로 작성하게 한다. 부산대학교 과학영재교육원 35 3. 화 학 9 ~ 10 해결책 설계 및 공학적 도구 제작 1 2 3 4 준비물 (모둠별) 증류수, 100% 에탄올, 농도별 알콜 용액, 일회용 스포이드 다수, 알콜센서(MQ-3), 아두이노용 LCD1602(I2C), 브레드보드, 점퍼선, 삼색LED, 부저, 우드락, 칼, 글루건, 우드락본드, 가위, 하드보드지 ② 용액 상태의 알콜의 농도에 따라 제작한 공학적 도구의 값이 일정하게 변하지 않을 경우 농도 측정 장치의 구조 를 다양하게 변형하여 일정 하게 센서가 알콜을 감지할 수 있도록 하여야 한다. C B A 학습 목표 1. 아두이노와 알콜 센서를 연결하여 적절한 회로를 구성할 수 있다. 2. 아두이노와 알콜 농도 측정 장치를 작동시킬 수 있는 소스 코드를 코딩할 수 있다. 3. 알콜 용액속의 알콜 농도를 측정할 수 있는 측정 장치를 공학적으로 설계하고 제작할 수 있다. 유의사항 ① 설계된 알콜 농도 측정 장치 에 따라 제작한 공학적 도구 가 알콜의 농도에 따라 다른 수치를 나타내는지를 확인 하도록 하고 농도가 증가하 는 정도에 따라 값이 일정하 게 증가하는지를 확인하도 록 한다. D 해결책 설계 및 공학적 도구 제작 1. 아두이노와 알콜센서를 이용한 알콜 농도 측정 장치 제작 ∙ 알콜 센서를 통해 기화된 알콜의 농도를 상대적으로 측정하여 LCD에 값을 나타낼 수 있는 장치를 설계하고 제작한다. ① 전 시간에 설계한 알콜 농도 측정 장치를 아두이노와 알콜센서 및 부품을 이용하여 제작하도록 한다. ② 작성한 소스코드를 업로딩하여 제작한 알콜 농도 측정 장치가 제대로 작동하는지 알콜을 묻힌 솜을 이용하여 테스트한다. ③ 알콜 측정 장치가 알콜의 농도에 따라 작동하는지 확인하기 위해 알콜을 담은 비이커를 센서 근처에 가까이 가져가서 성능테스트를 해 본다. 다양한 농도의 알콜을 사용하여 알콜의 농도가 높아지면 수치가 증가하는지 보기 위해 농도별로 담긴 바이알병에 센서를 가까이 하여 농도별로 센서의 값이 다른지 확인한다. 2. 용액상태의 알콜 농도를 측정하기 위한 장치 설계 및 제작 ① 알콜 농도 측정 장치는 공기중의 알콜의 농도를 상대적으로 측정하는 장치이므로 용액속의 알콜 농도를 측정하는 도구를 설계하고 우드락이나 주위에서 쉽게 구할 수 있는 재료로 제작하도록 한다. ② 제작된 용액 알콜 농도 측정 장치를 이용하여 농도별로 알콜 농도를 측정하여 일정한 패턴의 농도측정치가 나타나는지 확인한다. ③ 일정한 패턴을 보이지 않는다면 측정 장치에서 잘못된 점을 토의를 통해 분석하고 잘못된 점을 개선하여 장치를 보완한다. ④ 용액 알콜 농도 측정 장치를 이용하여 일정한 비율의 농도의 알콜 용액의 농도에 대한 데이터 베이스를 작성하도록 한다. 36 2021 STEM 생각교실 프로그램북 - 교사용 수업지도안 알콜의 농도 측정 - 손소독제의 알콜농도는 얼마일까? 11 ~ 12 일반화 1 2 3 4 D C 학습 목표 1. 용액 알콜 농도 측정 장치를 이용하여 알콜 표준용액의 농도에 따른 측정값의 데이터 베이스를 만들 수 있다. 2. 알콜 소독제와 같은 시료의 알콜 농도를 측정하여 데이터 베이스와 비교하고 시료의 농도를 확인할 수 있다. 3. 실험 과정에서 토의와 협력을 통해 문제를 해결할 수 있으며 탐구과정을 정리하여 발표할 수 있다. 최적화 1. 알콜 표준용액을 사용한 농도별 알콜 측정값에 대한 데이터 베이스화 ① 조별로 제조되어 있는 다양한 알콜 표준용액과 제작된 알콜 농도 측정 장치를 이용하여 농도별로 알콜 농도 측정 장치가 나타내는 값을 표와 그래프로 나타내도록 한다. ② 농도의 증가에 따라 측정값의 일정한 증가를 보여 줄 수 있는지 확인하고 농도의 증가에 따라 측정값이 일정하게 증가하는 패턴을 보이지 않을 경우 원인을 파악하여 측정 장치를 변형하여 다시 측정하도록 한다. 2. 용액 알콜 농도 측정 장치를 이용한 시료의 알콜 농도 측정 ① 시중에서 구할 수 있는 다양한 알콜 함유 제품을 시료로 사용하여 용액 알콜 농도 측정 장치를 이용하여 알콜 농도를 측정하고 측정된 B A 준비물 (모둠별) 증류수, 100% 에탄올, 농도별 알콜 용액, 제작된 용액 알콜 농도 측정 장치, 시료(약국용 소독제, 손소독제, 알콜 농도별 술 등), 모눈종이 유의사항 ① 용액 알콜 농도 측정장치를 제작하였더라도 측정 장치 가 용액속 알콜의 농도를 정 확한 농도의 수치로 나타내 기 힘들기 때문에 크로마토 그래피와 같이 측정장치를 이용한 알콜농도 데이터 베 이스를 만들고 시료의 농도 를 데이터 베이스와 비교분 석하여 측정하는 것이 적절 하다. ② 학생들이 결과가 거의 유사 하다면 발표보다는 손소독 제 만들기 실습을 통해 학교 에서 함께 사용할 수 있는 손 소독제 만들기 활동으로 마 무리한다. https://www.youtube.com/w atch?v=eRg7oX6NJzE&t=45 0s 수치가 위에서 측정한 데이터 베이스와 비교 분석하여 시료의 농도를 예측한다. ② 예측된 자료가 상품설명에 제시된 알콜의 농도와 일치하는지 확인한다. ③ 일치하지 않을 경우 그 이유에 대해서 토의한다. 3. 팀별 알콜 농도 측정 방법 결정 및 발표 ① 팀별로 알콜의 농도를 측정하는 방법을 결정하고 자신들이 고안한 부산대학교 과학영재교육원 37 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 질병을 이해하자_백신 가천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 가천대학교 영재교육원 프로그램 질병을 이해하자_백신 이름 주요 과목 수학, 관련 과목 관련 단원 생물II 학, 미생물, 면역, 분자생물학 의 기술, 관련 단원 공학 STEM 요소 주 개발자 주요 수업 개요 S, T, E, M 지역 보조 개발자 코로나 바이러스와 바이러스 질병에 대해 이해한다. 코로나 바이러스 질병에 대한 감염 여부와 질병 진단법에 대한 지식을 습 득한다. 질병에 대처하는 인체의 면역 시스템을 이해한다. 백신의 원리와 여러 가지 백신의 제조 기술과 제조 방법을 알아본다. 백신의 일반적인 작용 원리와 종류, 그리고 현재 코로나 19 바이 1차시 러스에 대비해 전 세계적으로 사용되고 있는 백신들에 관한 내용 으로 진행된다. 분자 테크닉으로 개발된 백신을 다루는데 항원에 해당하는 단백 2차시 차시별 신에 대해서 알아본다. 바이러스 외피의 단위체 유전자의 mRNA 를 주입하는 RNA 백신에 대해 알아본다. 바이러스 외피의 단위체 유전자가 재조합된 DNA를 직접 주입하 주요내용 (키워드 위주) 질을 유전자 재조합으로 생산하여 백신으로 사용하는 단백질 백 3차시 는 DNA 백신과 재조합 DNA가 함유된 바이러스 벡터를 항원으 로 주입하는 바이러스 벡터 백신에 대해 알아본다. 4차시 5차시 바이러스 외피의 스파이크 단백질 유전자의 mRNA를 주입하는 RNA 백신에 대해 알아본다. . 감염병의 전파와 질병에 대한 집단면역을 간략히 알아보고 여러 가지 바이러스 질병의 치료제에 대해 그 작용 원리와 효과를 공 부한다. 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 백신의 효과 와 제작 원리 2. 여러 가지 백신의 차이점 - 13 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업에서 얻은 결론 1. 유전자 재조합으로 인체 단백질을 제작하는 원리와 과정 2. 단백질 백신의 제작 과정 - 30 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. DNA 백신과 RNA 백신의 비교 2. 재조합 DNA를 세포에 주입하는 방법 3.바이러스 벡터 백신의 제작 과정 - 44 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. mRNA 백신의 본질과 구조와 제작 과정 2. mRNA 백신의 제작 과정 3. mRNA 백신의 장단점 - 62 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. COVID-19의 치료제와 작용 원리 2. 집단 면역 3. 국가적 방역 대책mRNA 백신의 장단점 - 79 - )학년 성명 ( ) 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 세상을 바꾼 바이러스 가천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 가천대학교 영재교육원 프로그램 세상을 바꾼 바이러스 이름 주요 과목 수학, 관련 과목 관련 단원 생물II 학, 미생물, 면역, 분자생물학 의 기술, 관련 단원 공학 STEM 요소 주 개발자 주요 수업 개요 S, T, E, M 지역 보조 개발자 코로나 바이러스와 바이러스 질병에 대해 이해한다. 코로나 바이러스 질병에 대한 감염 여부와 질병 진단법에 대한 지식을 습 득한다. 질병에 대처하는 인체의 면역 시스템을 이해한다. 백신의 원리와 여러 가지 백신의 제조 기술과 제조 방법을 알아본다. 바이러스에 대한 이해를 위해 일반적인 바이러스의 본질, 구조 1차시 및 형태, 종류와 분류 방법, 그리고 바이러스에 의해 유발되는 대 표적인 질병들을 알아보고, 코로나 19 바이러스의 본질에 대해 공부한다. 바이러스에 의한 질병의 진단과 백신의 제작과 작용 원리에 대한 2차시 차시별 체의 면역 반응을 이해한다. 주요내용 (키워드 위주) 이해를 돕기 위해 기초적인 면역학 및 항원과 항체의 원리 및 인 3차시 유전자 증폭을 위한 PCR 기법, 유전자 변형 및 재조합 기술, 그 리고 인체로의 외부 유전자 도입 등을 학습한다. 바이러스 질병의 진단방법을 공부하는데, 항원과 항체를 이용한 4차시 면역진단법과 PCR을 활용한 분자진단법의 원리와 활용법을 익힌 다. 5차시 전문가의 특강으로 기업 연구소에서 개발한 국내의 분자진단 시 약에 대한 특강으로 진행된다. 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 성명 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 코로나 19 바이러스의 정체 2. 코로나 19 바이러스의 구조 규명이 질병의 진단과 백신 개발에 왜 중요한가? - 21 - ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 인체 방어는 어떻게 일어나며 면역의 종류는 어떤 것들이 있나? 2. 항체의 다양성은 어떻게 나타나나? - 38 - 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( )학년 성명 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. COVID-19의 진단과 백신 제작에 왜 분자 테크닉이 필요한가? 2. 분자 테크닉은 어떤 것들이 있으며 어떻게 활용되는가에 대해 기술 3. PCR과 RT-PCR의 차이와 활용법 - 54 - ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 면역진단법의 원리 2. 면역진단법의 장단점 - 67 - )학년 성명 ( ) 가천대학교 과학영재교육원 STEM 생각 교실 과정 분야 ( ) 학교 ( ○ 수업내용 요약 ○ 수업에서 얻은 결론 1. 분자진단법의 원리 2. 분자진단법의 장단점 - 73 - )학년 성명 ( ) 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 논증과 토론 중심의 과학적 사고력 신장 교육프로그램 개발 서울교육대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 서울교육대학교 프로그램 논증과 토론 중심의 과학적 사고력 신장 교육프로그램 개발 이름 중학교 주요 과목 관련 과목 STEM 요소 과학 고등학교 통합과학 국어, 사회, 수학 관련 단원 관련 단원 S, T, E, M 과학 탐구/ 과학의 본성 의사소통 과정의 점검과 조정(국어), 사회 연구 방법(사회), 자료의 정리와 해석(수학) 지역 보조 주 개발자 개발자 1. 사회과학적 문제에 대하여 문제의 본질을 이해하고, 관련된 다양한 논쟁 을 분석한 다음, 종합하여 자신의 의견을 정리하여 글로 표현하도록 함 2. 논증 구조를 분석할 수 있는 분석틀을 제공하여 논증의 타당도와 건전 주요 수업 개요 성을 판단하는 훈련을 도움 3. 5개의 영역(개인적 의사결정, 사회적 의사결정, 공학적 문제해결, 과학 지식의 구성, 과학인 것과 아닌 것의 구분) 별로 4개의 학습 주제 선정 4. 5개의 역량(논리 기반의 사고, 과학 연구 방법의 이해와 활용, 과학 지 식의 이해와 적용, 데이터(수학) 기반 사고, (세계) 시민 의식)의 함양을 도모함 #00 과학적 사고와 논증 #01 비만과 다이어트 보조식품 #02 코로나19 백신 접종의 득실 #03 고용량 비타민C 요법 #04 아질산나트륨의 안전성 차시별 주요내용 (키워드 위주) #05 원자력발전의 효율성 #06 종이빨대 계속 써야 할까 #07 유전자변형식품(GMO)의 안전 성 #08 핵융합 발전의 실효성 #09 메타버스 #10 인공지능 기술 발전에 대한 기 대와 우려 #11 후쿠시마 원전 오염수 처리 #12 전기자동차 충전요금은 올려야 할까 #13 우리나라는 정말 더워지고 있 을까 #14 과학기사를 읽는 법 #15 기억의 저장소는 존재하는가 #16 정상과 비정상 #17 우리 동네의 미래 기후는? #18 외계인의 존재 #19 초능력의 존재 #20 MBTI 0. 과학적 사고와 논증 1. 논증  과학적 사고의 핵심은 이론과 증거를 조화시키는 데 있다. 과학 이론을 바탕으로 자 연 현상을 설명할 수 있으며, 증거를 바탕으로 과학 이론을 평가한다. 과학자들이 자연 현상과 관련하여 궁금한 문제를 발견했을 때 그 문제에 대한 상황을 분석하여 잠정적으로 가능한 여러 가지 답을 생각하고, 그 답을 뒷받침하거나 반대되는 증거 를 찾아 종합한 다음, 그 답을 받아들일지를 결정한다. 과학 뿐만 아니라 다른 분야 에서도 증거에 바탕을 둔 판단 과정을 거쳐 문제를 해결하는 방법이 활발하게 활용 되고 있다.  개인의 생각은 서로 나누고 비교하는 과정을 통해 더욱 정확하고 정교하게 발전한 다. 이 과정에서 생각의 옳고 그름에 관한 판단이 필요해진다. 이유를 들어 생각의 옳고 그름을 따지는 과정을 논증이라고 하는데, 논증이라는 협력 과정은 생각의 차 이에서 오는 갈등을 극복하여 문제를 해결하고 지식을 발전시키는 데 매우 유용한 도구이다.  주장은 논증과 같지 않다. 주장에 대한 반대 의견이나 반박 가능한 증거가 제시되어 야만 논증이 된다. 즉, 논증에서는 서로 다른 주장과 증거들의 제시와 반박 등을 통 해서 서로의 생각을 설득시키는 과정이 중요하다.  영국의 철학자이자 작가, 교육자인 스티븐 에델스턴 툴민(Stephen Edelston Toulmin, 1922년 3월 25일 – 2009년 12월 4일)은 실질적으로 적용 가능한 실용 논 증 모형을 개발하였다. 툴민의 모형은 다음과 같이 안건, 주장, 논거, 세기, 지지, 및 반론으로 이루어진다. - 안건: 주장의 대상 - 주장: 논증의 결론으로 자신의 견해를 밝히거나 타인의 지지를 얻기 위해 내세운 진술 - 세기: 주장을 확신하는 정도를 나타내는 표현: 확실히, 십중팔구는, 아마도, 거의, 절대로 등 - 7 - 1. 다이어트 보조식품 먹어도 될까?  활동 개요 - 우리는 평소 TV나 인터넷 등 다양한 매체를 통해 다이어트 보조식품 광고를 자주 접하고 있다. 특히 코로나-19로 인한 활동 감소로 인해 집에 있는 시간이 길어져 야외 활동이 줄었기 때문에 다이어트 보조식품에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 러나 다이어트 보조 식품을 이용하는 것이 타당한지에 대한 의사 결정은 일화성의 부족한 정보 혹은 판매자 측에서 제공하는 한쪽에 치우친 정보를 토대로 즉흥적으 로 이루어지고 있다. 이 활동에서는 관련 자료를 꼼꼼하게 분석하여 스스로 다이 어트 식품의 이용과 관련된 의사 결정을 내리며 이 과정에서 건강한 삶을 위한 식 생활에 대한 이해를 높이고, 증거 기반의 논리적 사고를 통해 스스로 의사 결정을 하는 능력을 높인다.  활동 목표 - 다이어트 보조식품의 효과 및 부작용에 대한 자료에 대한 검토 결과를 토대로 결 론을 내리는 과정에서 논리 기반의 사고 역량을 함양한다. - 관련 자료를 분석하고 종합한 결과를 바탕으로 건강한 식생활 방안을 이해하고 실 천한다.  지도 방향 - 다이어트 보조식품을 먹는 사람들이 늘어나고 있고, 주변 사람이나 가족 등의 실 제 사례를 가져와 학생들에게 생활과 밀접한 내용으로 접근이 가능하다. - 비만이나 다이어트 보조식품을 먹고 있는 학생이 있을 수 있으므로 수업에 적용 할 때 사전 조사 등을 병행하는 것이 바람직함. - 크릴오일 외에도 가르시니아 캄보지아, 시서스, L-카르니틴, 오메가3, 프로바이오 틱스 등 다양한 다이어트 보조식품이 존재하므로, 관련 내용을 추가로 조사하여 학생들의 찬반 토론, 먹을 것인가 말 것인가에 대한 토론 등 다양한 추가 활동이 이루어질 수 있다.  권장 차시: 2차시 - 1차시 (개별활동) 크릴오일을 먹어도 될까에 대한 두 기사를 읽고 까치와 찌르레 기의 논증 정리 활동 → (모둠활동) 모둠 구성 후 개인 활동에서 정리한 결 과 및 추가 자료(크릴오일에 대한 두 자료)를 통한 모둠별 토론 활동 실시 - 2차시 (모둠활동) 모둠별 토론 활동 결과 정리 → (개별활동) 크릴오일을 먹어도 될까에 대한 최종 선택 후 논증 정리 및 글쓰기 - 13 - 2. 건강한 청소년도 코로나19 백신을 맞는 것이 더 좋을까?  활동 개요 - 코로나19 바이러스는 2019년 12월 중국에서 발생한 폐렴환자에서 최초 확인된 신종 호흡기바이러스이다. - 코로나19는 강력한 전염성, 빠른 증상 악화 등 기존의 코로나바이러스 유행에 비해 훨씬 심각하다. 그럼에도 특히 젊고 건강한 사람은 아무 증상 없이 그냥 지나가거나 평범한 감기 수준으로 끝나는 경우도 있다. - 코로나19 유행 상황에서 건강한 청소년도 코로나19 백신을 맞는 것이 더 좋을 까? 백신 접종에 관해 서로 대립하는 주장과 근거를 꼼꼼히 살펴보고 스스로 판 단해 보자.  활동 목표 - 건강한 청소년 대상 코로나19 백신 접종 관련 논쟁 사례를 바탕으로 논리 기반 의 사고, 과학 지식을 이해하고 적용하는 역량을 함양한다. - 건강한 청소년 대상 코로나19 백신 접종 관련 논쟁 사례에서 서로 대립하는 주 장을 논리적으로 분석하여 과학적 주장에 대한 타당성을 판단하는 능력을 함양 한다.  지도 방향 - 청소년 대상 코로나19 백신 접종 논쟁 사례에서 찬반 주장을 균형 있게 다룬다. - ‘치명률’(확진자 수 대비 사망자 수 비율)과 ‘사망률’(인구수 대비 사망자 수 비율) 등 헷갈릴 수 있는 용어와 개념을 정확하게 설명한다. - ‘사회적 거리두기’나 ‘청소년 방역 패스’와 같은 제도적 문제와 연결하기보다는 백신 자체의 효용성에 초점을 맞추어 활동을 진행한다. - 활동 시간에 여유가 있는 경우, 자료 말미의 ‘Ⅱ. 홍역완전퇴치국가에서 홍역이 다시 유행하게 된 이유’를 읽고 추가적인 논의를 진행한다.  권장 차시: 2차시 - 1차시(개별활동): I-1, 2 활동을 통해 대립하는 각 주장에 대한 논거와 증거 찾기 - 2차시(모둠활동): I-3 활동을 통해 조별 토의를 거쳐 최종적으로 개인 의견 정리  참고도서 - 김대중, 허중연, 김현수(2021). 코로나19 백신: 현직 의사들이 친절하게 알려드립 니다. 덴스토리. - 27 - 3. 비타민C는 하루 권장섭취량보다 훨씬 많이 먹어야 좋다?  활동 개요 - 비타민C는 비타민의 한 종류로서 콜라겐의 합성 효소를 활성화하는 등 인체에 필수적인 성분 중 하나이다. - 2020 한국인 영양소 섭취기준에 따르면 19세 이상 성인의 하루 비타민C 권장섭 취량은 100 mg이며 상한섭취량은 2,000 mg이다. 하지만 일부 의사 또는 학자 중에는 비타민C를 권장섭취량의 5배에서 많게는 100배 이상 섭취하는 것이 건 강에 좋다는 ‘고용량 비타민C 요법’을 주장하기도 한다. - 비타민C를 권장섭취량보다 훨씬 많이 먹는 행위가 과연 건강에 도움이 될까? 고 용량 비타민C 요법에 관해 서로 대립하는 주장과 근거를 꼼꼼히 살펴보고 스스 로 판단해 보자.  활동 목표 - 고용량 비타민C 요법에 관한 논쟁 사례를 통해 논리 기반의 사고, 과학의 본성 을 이해하고 활용하는 역량을 함양한다. - 고용량 비타민C 요법에 관한 논쟁 사례에서 서로 대립하는 주장을 논리적으로 분석하여 과학적 주장에 대한 타당성을 판단하는 능력을 함양한다.  지도 방향 - 고용량 비타민C 요법에 관한 논쟁 사례에서 찬반 주장을 균형 있게 다룬다. - 학생들이 자주 섭취하는 비타민C 관련 제품을 예로 들며 학생들이 좀 더 자신의 문제로 여길 수 있게 한다. - 활동 시간에 여유가 있는 경우, 자료 말미의 ‘Ⅱ. 개 구충제는 암 치료제로 효과 가 있을까?’를 읽고 추가적인 논의를 진행한다. - 수업 여건에 맞게 본 자료를 적절히 수정·보완하여 활용하는 것을 권장한다.  권장 차시: 2차시 - 1차시(개별활동): I-1, 2 활동을 통해 대립하는 각 주장에 대한 논거와 증거 찾기 - 2차시(모둠활동): I-3 활동을 통해 조별 토의를 거쳐 최종적으로 개인 의견 정리 - 41 - 4. 햄, 소시지에 일부러 발암물질을 넣는다고?  활동 개요 - 아질산나트륨(NaNO2)은 햄이나 소세지와 같은 대부분의 육가공 식품에 첨가되 어 일반 식생활에서 흔히 섭취하고 있는 성분이지만, 2015년에 세계보건기구 (WHO)가 지정한 ‘발암 가능성 있는 물질’이기도 하다. 하지만 정부 당국과 일부 학계는 각 식품 내 아질산나트륨의 잔존량이 기준치 이하일 경우 유해성이 없다 고 주장하며 소비자들의 혼란이 가중되고 있다. - 과연 햄이나 소세지를 안심하고 먹어도 될까? 아질산나트륨의 유해성에 관해 서 로 대립하는 주장과 근거를 꼼꼼히 살펴보고 스스로 아질산나트륨의 유해성을 판단해 보자.  활동 목표 - 아질산나트륨의 유해성 논쟁 사례를 통해 논리 기반의 사고, 과학적 연구 방법을 이해하고 활용하는 역량을 함양한다. - 아질산나트륨의 유해성 논쟁 사례에서 서로 대립하는 주장을 논리적으로 분석하 여 특정 물질의 인체 유해성을 판단하는 능력을 함양한다.  지도 방향 - 아질산나트륨의 유해성 논쟁 사례에서 찬반 주장을 균형 있게 다룬다. - Ⅰ-3의 자료와 자료 해석은 각 주장의 근거를 정량적으로 검토해보는 과정이다. 정량분석 과정에서 익숙하지 않은 개념으로 인해 학생들이 어려움을 겪을 수 있 으므로 상황에 따라 각 자료의 ‘결론’에 중점을 두어 비교 해석하는 활동으로 대 체할 수 있다. - 활동 시간에 여유가 있는 경우, 자료 말미의 ‘Ⅱ. 다른 식품첨가물은 안전할까?’ 를 읽고 추가적인 논의를 진행한다. - 수업 여건에 맞게 본 자료를 적절히 수정·보완하여 활용하는 것을 권장한다.  권장 차시: 2차시 - 1차시(개별활동): I-1, 2 활동을 통해 대립하는 각 주장에 대한 논거와 증거 찾기 - 2차시(모둠활동): I-3 활동을 통해 조별 토의를 거쳐 최종적으로 개인 의견 정리 - 54 - 5. 원자력 발전, 좋은 거야 나쁜 거야?  활동 개요 - 최근 전 세계는 온실가스와 기후변화 등 지구의 환경 문제를 해결해 나가려는 노력의 일환으로 대대적인 에너지 전환을 추진하고 있다. 즉 전통 에너지원인 석탄, 석유 등의 화력 발전의 비중을 줄이고 친환경 에너지원의 비중을 늘리는 추세다. - 이 과정에서 원자력 발전은 안전하고 깨끗한 에너지 생산 방식인지에 대해 전문 가들 사이에서도 논쟁이 계속되고 있다. 과연 우리나라도 원자력 발전을 지속하 는 것이 좋을까? 원자력 발전에 관해 서로 대립하는 주장과 근거를 꼼꼼히 살펴 보고 스스로 원자력 발전에 관한 생각을 정리해보자.  활동 목표 - 원자력 발전 관련 논쟁 사례를 바탕으로 논리 기반의 사고, 과학 지식을 이해하 고 적용하는 역량을 함양한다. - 원자력 발전 관련 논쟁 사례에서 서로 대립하는 주장을 논리적으로 분석하여 과 학적 주장에 대한 타당성을 판단하는 능력을 함양한다.  지도 방향 - 원자력 발전 관련 논쟁 사례에서 찬반 주장을 균형 있게 다룬다. - 자료 중 정량적 근거를 검토할 때 학생들이 SI 접두어(k, M, G 등)를 생소하게 느낄 수 있으므로 필요한 경우 간단하게 개념을 소개한다. - 활동 시간에 여유가 있는 경우, 자료 말미의 ‘Ⅱ. 핀란드는 원자력 발전소 논쟁을 어떻게 해결했을까?’를 읽고 추가적인 논의를 진행한다. - 수업 여건에 맞게 본 자료를 적절히 수정·보완하여 활용하는 것을 권장한다.  권장 차시: 2차시 - 1차시(개별활동): I-1, 2 활동을 통해 대립하는 각 주장에 대한 논거와 증거 찾기 - 2차시(모둠활동): I-3 활동을 통해 조별 토의를 거쳐 최종적으로 개인 의견 정리  참고도서 - 본 프로그램을 수업에 활용할 때 더욱 풍성한 논의를 위해 아래의 도서를 참고 할 수 있습니다. - 서울대학교 사회발전연구소(2017). 원자력 논쟁: 원자력 전문가가 직접 알려준 찬 반의 논거. 한울아카데미. - 68 -