STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 신재생에너지와 지속가능한 발전 전남대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 전남대학교 과학영재교육원 프로그램 이름 신재생에너지와 지속가능한 발전 주요 과목 통합과학 관련 과목 물리 STEM 요소 S, T, E, T 관련 Ⅵ. 환경과 에너지 – 2. 발전과 단원 신재생에너지 관련 단원 Ⅲ. 에너지 – 1. 역학적 에너지 지역 개발 차시 6 보조 주 개발자 개발자 - 이 프로그램은 학습자가 전기 에너지를 운동 에너지와 같은 다른 형태 의 에너지를 특별히 고안한 장치나 구조물을 사용하여 전자기 유도를 통해 정성적으로 알고 관련 현상을 체험할 수 있기를 기대하면서 설 계하였다. 주요 수업 개요 - 또한 수력 발전에서 물이 가진 퍼텐셜 에너지가 전기 에너지로 전환되 는 것을 수력 발전 모형을 만들어 실험하면서 체험할 수 있게 하였다. - 학생이 수력 발전 모형을 직접 구성하고, 물의 퍼텐셜 에너지와 모형 을 통해 전환된 전기 에너지를 측정, 계산하게 한다. - 학습자가 수력 발전 모형을 설치해보고(기술공학적 과정), 전자기 유도 현상, 에너지 전환을 탐구, 체험하고(과학적 탐구), 센서를 사용하여 데이터를 수집하고 처리(수학적 사고 활동)할 수 있게 한다. 주제 1차시 수업내 용 주제 차시별 2차시 수업내 용 주요내용 주제 3차시 수업내 용 4차시 주제 전자기 유도 코일, 자석, 검류계, 전자기 유도, 유도 전류의 방향과 세기 간이 발전기 전자기 유도, 간이 발전기 여러 가지 발전 화력발전, 수력발전, 핵발전, 풍력발전 자가 발전기의 에너지 전환 수업내 용 주제 5차시 수업내 용 주제 6차시 수업내 용 자가 발전기, 방전, 충전, 발전된 에너지의 양을 측정 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율Ⅰ 수력 발전 모형 구성 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율Ⅱ 수력 발전 모형, 발전, 전기 에너지 측정, 발전 효율 구하기 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 1. STEM 생각교실 프로그램 개요 교과군 중심교과목 학교급 학년 과학 통합과학 고등학교 1 수업 모형 순환학습 / POE / Jigsaw협동학습 / 갤러리 워크 수업 주제 발전과 에너지 전환 수업 단원 발전과 신재생 에너지 중심 교과목 관련 교육과정 영역 핵심개념 환경과 에너지 발전과 신재생 에너지 일반화된 지식 성취기준 관련탐구활동 내용요소 Ÿ 발전기 Ÿ 전기 에너지 Ÿ 발전기를 이용하여 생산된 전기 에너지가 가정에 공급된다. Ÿ 화석 연료를 대체하기 위하여 다양한 신재생 에너지를 개발하고 있다. Ÿ [10통과09-01] 화석 연료, 핵에너지 등을 가정이나 산업에서 사용하는 전 기 에너지로 전환하는 과정을 분석할 수 있다. Ÿ 자전거, 놀이 기구, 운동 기구 등을 이용한 간이 발전기를 만들고, 이 과 정에서 운동 에너지가 전기로 변환되는 과정 토의하기 Ÿ 이 단원에서 관찰 평가, 프로젝트 평가, 보고서 평가, 수행평가, 동료 평 가 등을 활용하여 학생의 성취 수준 및 학습 과정을 평가할 수 있다. 평가방법 Ÿ 간이 발전기 만들기 탐구 활동에서 변인 통제 등에 대한 실험실기 평가를 실시할 수 있다. 또한 태양광 발전을 이용한 장치를 고안하는 활동에 대 한 수행평가를 실시할 수 있다. - 1 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 2. 교사용 지도안 단원 학습 목표 전자기 유도 차시 1/6, 2/6 Ÿ 전자기 유도 현상에 대해 말할 수 있다. Ÿ 간이 발전기를 만들고 과학 개념을 사용하여 작동 원리를 설명할 수 있 다. 수업단계 학습과정 학습활동 및 내용 □ 다음과 같은 상황에 전기 에너지를 공급하려고 할 때 어떻게 행동했 는지 생각해보고 발표할 수 있도록 안내하기 도 입 동기유발 장난감 자동차를 가지고 놀다가 새롭게 구입한 텔레비전을 보려 움직이지 않을 때 고 할 때 □ 텔레비전에 전기에너지를 공급하려고 할 때 콘센트와 플러그를 연결 하는 행동이 발전소와 텔레비전을 연결하는 목적이 있는 행동임을 안 내하고 발전소에서 어떻게 전기에너지를 생산하는지 알아보고자 함을 안내하기 코일 주변에서 자석을 움직일 때 무슨 일이 생길까? 전 개 탐색 img. 고등학교 통합과학, 김성진 외, 미래엔, □ 위 그림과 같이 코일에 검류계를 연결하고 자석을 코일 주변에서 움 직이면(코일을 움직이면) 무슨 일이 벌어지는지 예상하도록 안내하기 □ 코일에 검류계를 연결하고 자석을 코일 주변에서 움직이면서(코일을 움직이면서) 무슨 일이 벌어지는지 실험, 관찰, 기록하고 발표하도록 안내하기 - 5 - 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 여러 가지 발전 Ÿ 차시 3/6 화력발전, 수력발전, 핵발전, 풍력발전의 원리와 장단점을 말할 수 있 다. 학습과정 학습활동 및 내용 모집단 도입 모집단 형성 전문가 학습 주제 배부 전문가 집단 전개 전문가 집단 학습 모집단 복귀 후 다른 학습자에게 전달 주제 화력발전 정리 전체 학습 주제 보고서 작성 모집단별 발표 및 교사 피드백 수력발전 핵발전 풍력발전 - 8 - 전문가 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 자가 발전기의 에너지 전환 Ÿ 차시 4/6 자가 발전기로 전기 에너지를 얻고 이를 측정할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 □ 자가 발전기와 LED를 제공하고 이를 연결하여 LED에 전류를 흘려 작동시켜 볼 수 있도록 안내한다. 도입 동기유발 □ 자가 발전기의 내부는 어떤 모습을 하고 있을지 그림을 그리고 주석 을 달아 자료를 만든 뒤 발표할 수 있도록 안내한다. 예상하기 □ 자가 발전기(직류)를 사용하여 스마트 폰을 완전 방전 상태에서 2% 충전 상태까지 걸리는 시간을 예상해 볼 수 있도록 안내한다. 전개 img. tinkercad.com 관찰하기 □ 자가 발전기(직류)와 스마트 폰을 연결하고 2%씩 충전하면서 걸리는 시간을 측정한 뒤 기록하여 발표하도록 안내한다. 충전율 2% 충전시간(초) - 9 - 4% 6% 2021학년도 전남대학교 과학영재교육원 단원 학습 목표 수업단계 수력 발전 모형의 에너지 전환과 효율 차시 5/6, 6/6 Ÿ 수력 발전 모형을 구성하고 발전된 전기 에너지를 측정할 수 있다. Ÿ 수력 발전 모형의 발전 효율을 구할 수 있다. 학습과정 학습활동 및 내용 □ 그림과 같은 아이디어로 수력 발전 모형을 만들었을 때 다음을 예상 하고 그 이유를 말할 수 있도록 안내하기 도입 예상하기 Ÿ 물이 수력 발전 모형을 통과하는 동안 에너지 전환이 일어나는 과정(단계) 예상 Ÿ 「발전된 전기 에너지/물통(댐)에 담긴 물의 퍼텐셜에너지」값 예 상 □ Jigsaw협동학습/도구와 재료를 제공하고 수력 발전 모형을 구성하기 위한 방법을 그림과 글로 표현하고 발표할 수 있도록 안내하기 Ÿ 모집단 형성, 전문가 학습 주제 배부 모집단 관찰하기 전개 Jigsaw 협동학습 - 11 - 전문가 집단 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 우리 주변에는 어떤 천연 항생물질이 있을까? 아주대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 우리 주변에는 어떤 천연 항생물질이 있을까 이름 주요 과목 과학탐구실 험 관련 단원 관련 과목 생물 관련 단원 STEM 요소 S, T, M 지역 II. 생활 속의 과학 탐구, 05. 우리 주변에는 어떤 천연 항생 물질이 있 을까? 개발자 주요 수업 항생제의 기본 개념을 이해하고 천연물질의 항생작용을 확인하는 과정을 개요 체험하며 이를 통해 연구윤리, 결과 분석법, 과학적 사고력을 배양한다. 1차시 : 항생제의 기본 개념, 세균의 특징과 배양법, 항생제 내성 기작에 대한 기본 개념을 익힌다. 2차시: 현미경 사용법을 익히고 실제 세균과 기타 진핵생물을 자세히 관찰 차시별 주요내용 (키워드 위주) 하고 비교하는 능력을 기른다. 3차시: 세균을 배양하기 위한 한천고체 배지 제조의 원리를 이해하고, 안전 사항을 준수하여 직접 제조해본다. 4차시: 천연물질의 항생 작용을 검증법인 페이퍼 디스크법을 이해하고 실 행한다. 5차시: 실험결과를 해석하고 분석하며, 생물정보학의 개념을 이해하고 온라 인 프로그램과 염기서열을 이용한 세균동정법을 직접 체험한다.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

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