STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 태양광 발전, 화석 에너지의 대안이 될 수 있을까? 서울교육대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 구분 서울교육대학교 프로그램명 과학적 사고력 – 태양광 발전 주요 과목 과학 주요 단원 관련 과목 국어, 정보 관련 단원 STEM+I S, T, E, 요소 M, I 주 개발자명 수정보완 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 고1 개발차시 5차시 (공통과학) Ⅱ.생활 속의 과학 탐구 (과학 3) 7. 과학과 나의 미래 주장하는 글쓰기 데이터 사이언스(포괄적임) 적용 지역 보조 개발자 5차시 분량의 4개의 모듈로 구성 주요 수업 개요 1. 백신의무화 논쟁 2. 수소차와 전기차 개발 3. 태양광 발전의 전망 4. 국가 주도의 우주 개발 방향 1차시: 문제 인식 – 뉴스 기사나 영화, 서적 등을 통해 논점을 분명히 하 고 학생들끼리 서로의 기존 생각을 나누도록 구성 2차시: 핵심 개념 학습 – hands-on activity 등 구체적인 활동을 통해 관련 개념을 익힘. 단지 지식의 전달이 아닌 주장-증거-추론(CER) 에 바탕을 둔 활동 차시별 주요내용 (키워드 위주) 3차시: 주제에 관해 다양한 관점으로 접근한 글을 분석. 글은 논문이나 서적 등을 재구성(학생들이 읽기 쉽도록) 할 것. 분석은 툴민의 논 증 분석틀을 활용 4차시: 데이터로서의 접근 – 3차시가 글을 통해 주제에 접근하는 것이라 면 4차시는 데이터의 수집, 분석, 처리 등의 과정을 통해 주제를 좀 더 명확히 이해하도록 하는 것임 5차시: 종합 정리 – 먼저 자신의 생각을 분명히 하고, 다른 학생들과 서 로의 생각을 나눈 다음, 최종 자신의 생각을 정리하여 글로 표현하 도록 하는 활동 [1차시] 문제 인식 우리나라의 신재생 에너지 현황은? l 차시 개요 뉴스 영상을 시청하고 요약하는 과정에서 우리나라의 에너지원별 발전 비율과 다른 나라의 신재생 에너 지 비중 및 변화를 통해 우리나라 전력 공급 방식의 문제를 인식한다. 스스로 알고 있는 개념과 잘 모르는 개념을 글로 정리하고 자신의 생각을 친구들과 나누는 시간을 갖는다. l 활동 목표 뉴스 기사나 영상 등을 통해 우리나라의 신재생 에너지 상황을 인식하고 쟁점이 되는 문제의 본질을 파 악한다. 향후 최종 판단을 위해 문제와 관련하여 자신이 잘 알고 있는 개념과 모르는 것을 명확히 한다. l 배경 지식 1) 석탄화력발전 비율 및 변화 우리나라에서는 현재 12개 부지에 총 60기(35,350.7MW)의 석탄화력발전기가 가동 중이다. 총발전량에 서 석탄화력발전이 차지하는 비율은 2020년 현재 44.0%로 발전 에너지원 중 비중이 가장 높다. 우리나라 의 석탄화력발전 비중은 국제적으로 높은 편이다. 주요 석탄 수출국인 호주와 제조업 강국인 독일을 제외 하면 우리나라의 석탄화력발전 비중은 다른 선진국들에 비해 매우 높다. https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4292 2) 석탄화력발전 무엇이 문제인가? (2021.07.07.) https://www.newssc.co.kr/news/articleView.html?idxno=48429 3) 석탄화력발전 문제, 더 이상 미룰 수 없다. 외 (열린충남 76호. 2016.09.01.) https://www.cni.re.kr/main/search/down.do?gcd=AC0000040939&seq=1 4) 신재생 에너지 발전 비율 및 변화 (1차 에너지 대비 재생에너지 비율) 총발전량 대비 신·재생에너지 발전량의 비중은 2001년 0.04%에 불과하였으나 2003년 1.56%로 증가하 였다. 이는 신·재생에너지 발전량이 실질적으로 늘어났다기보다 2003년부터 수력을 신·재생에너지 통계로 집계하였기 때문이다. 신·재생에너지 시설용량은 꾸준한 증가세를 유지하고 있다. 하지만 국제 기준에 따 라 주요 국가들의 1차 에너지 대비 재생에너지 비율을 비교해 보면, 2020년 기준 한국(2.3%)은 이탈리아 (19.4%), 독일(16.4%), 영국(13.9%), 프랑스(11.8%), 미국(8.5%), 호주(8.5%), 일본(6.8%) 등 다른 선진국 들과 현격한 차이를 나타낸다. 국내에서 사용하고 있는 신·재생에너지 기준으로 비교해도 가장 낮은 수준 이다. https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4293 5) 2019년도 국내 신재생 에너지 발전 비중은 몇 %일까? (2020.08.18.) 2019년 국내 신재생 에너지 설비용량은 15,791MW(15.8GW)로, 재생에너지 3020 이행계획이 발표된 2017년 대비 5GW 가까이 증가했다. 이를 에너지원별로 다시 쪼개보면 전체 신재생 에너지의 67%를 태양 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 85 - [2차시] 핵심 개념 학습 태양전지는 어떻게 작동할까? l 차시 개요 태양광 발전이 화석 에너지의 대안으로 가능성이 있는지를 판단하기 위해서는 태양전지의 구조와 작동 원리를 이해하는 것이 필요하다. 소형 태양전지 모듈의 구조 이해를 바탕으로 태양전지가 만드는 전력은 어떤 특징이 있는지 실험을 통해 알아보자. l 활동 목표 뉴스 기사나 영상 등을 통해 우리나라의 신재생 에너지 상황을 인식하고 쟁점이 되는 문제의 본질을 파 악한다. 향후 최종 판단을 위해 문제와 관련하여 자신이 잘 알고 있는 개념과 모르는 것을 명확히 한다. l 배경 지식 1. 태양전지의 구조와 작동 원리 (1) 태양전지의 구조 및 작동 원리 태양전지는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 만든다. ➡ 접합점에 빛을 비추면 n형 반도체의 전자와 p형 반도체의 정공이 반대편으로 이동하여 양쪽에 모이 게 된다. ➡ 양끝을 전선으로 연결하면 전선을 따라 전류가 흐르게 된다. ➡ 이 전선에 전기기구를 연결하면 전기기구가 작동한다. (2) https://ecopower.kr/article/%EC%9E%90%EB%A3%8C%EC%8B%A4/7/18/ 2. 태양전지는 어떻게 작동할까? https://www.youtube.com/watch?v=7WnBDvc5Pl0 3. 태양광 모듈 제작 과정 https://blog.naver.com/ejqmfdbvl/221296282254 4. 실리콘 태양전지의 제조 원리는 무엇인가? STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 89 - [3차시] Data Science 태양광 발전에 가장 많은 영향을 미치는 기상요소는? l 차시 개요 태양광 발전량에 영향을 미치는 요소는 다양하다. 연간 태양광 발전량을 예상하기 위해서 기상 데이터를 수집하여 태양광 발전량과 관련지어보고 태양광 발전량에 영향을 미치는 기상요소를 친구들과 나누는 시 간을 갖는다. 공공데이터를 수집하여 스프레드시트(MS, 구글)로 정리하고, 태양광 발전량과 기상요소(기온, 풍속, 일조량 등)을 스프레드시트(MS, 구글)의 산점도 시각화 기능을 통해 관계를 추론하거나 데이터마이 닝 도구인 웨카(WEKA)를 사용하여 분석한다. l 활동 목표 태양광 발전소를 선정하고 시간 단위 발전량 데이터와 기상 데이터를 관련지어 태양광 발전량에 가장 영향을 많이 미칠 것으로 예상되는 기상요소를 선정하고 이유를 설명할 수 있다. l 배경 지식 1. 공공데이터란 무엇이고 어떻게 활용할까? https://youtu.be/oJ6ELprPa_o - 공공데이터의 의미와 제공되는 공공데이터를 활용하는 방안에 대해서 폭넓게 설명하는 소개영상으로 공공데이터에 대해 처음 접하는 학생을 위한 설명자료이다. 2. 공공데이터포털 OpenAPI 활용방법 https://youtu.be/pe5-RQb-OPI - 공공데이터를 사용하기 위해서 학생이 수집된 데이터를 검색하는 공공데이터포털에 대한 소개영상으로, 공공데이터를 검색하고 공공데이터를 실시간으로 사용하기 위한 방법인 API를 사용하는 방법에 대한 설명 자료이다. 본 차시에서는 실시간 데이터(API)를 사용하지 않고, 과거에 수집된 데이터(cvs)를 사용한다. 3. Data Mining with Weka https://youtu.be/nHm8otvMVTs - 수집된 데이터를 분석하는 도구를 스프레드시트 이외에 데이터마이닝 도구인 웨카(WEKA)를 사용하여 분석하기 위한 기초적인 사용법 설명자료이다. 4. 상관경향성분석 https://m.blog.naver.com/istech7/50153047118 - 수집한 기상데이터를 태양광발전량과 기상요소의 관계를 분석하고 해석하기 위한 설명자료이다. 양(+) 의 상관관계는 한 변수의 값이 증가할 때, 다른 변수의 값이 함께 증가하는 것이고, 음(-)의 상관관계는 한 변수의 값이 증가할 때, 다른 변수의 값이 함께 감소하는 것이다. l 유의 사항 1. 개별 컴퓨터의 인터넷 연결과 스프레드시트(MS, 구글) 프로그램을 준비한다. 2. 실제 태양광 발전소의 전력 생산량 데이터와 발전소가 위치한 지역의 데이터를 수집이 필요하기 때문 에 데이터를 제공하는 발전소를 선정할 수 있도록 안내한다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 95 - [4차시] 논증을 위한 자료 분석 태양광 발전이 화석 에너지의 대안이 될 수 있다는 근거는 무엇일까? l 차시 개요 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능 혹은 불가능을 주장하는 글이나 자료를 꼼꼼히 읽고 분석하여 근거 와 증거를 찾는다. l 활동 목표 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능/불가능에 대한 다양한 관점들에서 서로 대립하는 주장을 논리적으 로 분석하여 과학적 주장에 대한 타당성을 판단하는 능력을 함양한다. l 배경 지식 (대안이 될 수 있다는 자료) 1. 태양전지의 블루칩, 페로브스카이트(2021.04.12.) http://www.energycenter.co.kr/news/articleView.html?idxno=1292 기존 태양전지의 단점인 효율을 비약적으로 높인 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지를 소개하면서 태 양전지의 구조와 원리, 종류를 종합적으로 다루고 있다. 특히 2021년 2월 25일, 네이쳐 표지에 실린 우리 나라 연구진의 페로브스카이트 태양전지가 눈이 띤다. 2. 차세대 태양광 ‘페로브스카이트(Perovskite)’ 탠덤 셀 https://www.youtube.com/watch?v=lwPKwlyEz5Y 한화 큐셀의 유튜브 채널. 태양광 모듈의 현재와 미래를 종합적으로 다루고 있다. 태양전지의 다양한 이 용을 소개하고 있으며 페로브스카이트 탠덤 셀의 유래도 자세히 설명하고 있다. 3. 태양광 발전소 1MW의 온실가스 감축 효과는 얼마나 클까? (엔라이튼, 2021.11.19.) https://www.enlighten.kr/insight/policy-issue/7468 태양전지를 이용한 태양광 발전소의 온실가스 감축 효과를 구체적인 수치를 예로 들어 설명하고 있다. 4. 일본의 GENESIS 계획과 지속 가능한 에너지의 활용 (2010.01.) http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId= ARTI_000000000038555&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201001&subCtgId= GENESIS란 ‘Global Energy Network Equipped with Solar cells and International Superconductor grids’의 머리글자를 딴 것으로 구약성서의 창세기를 의미하는 말이다. GENESIS 계획 을 제창한 쿠와노 코우토쿠 박사(전 산요전기 사장)는 세계의 에너지 소비 예상과 태양전지의 필요 면적을 효율 10%의 태양전지를 이용한 케이스로 계산한 결과, 약 800km×800km의 정사각형 상당으로 전 인류 가 필요한 에너지를 조달할 수 있다고 나타냈는데, 이것은 현존하는 세계 사막의 불과 4%에 지나지 않는 다고 강조했다. 6. 미래의 전력 공급 방법 - '스마트 그리드'와 '제네시스 계획' (2021.09.03.) https://surpriser.tistory.com/369 태양광 발전소에서 생산된 직류 전력을 소비자에 전달하기까지의 전력망에 필요한 송전, 충전에 대해 간 략히 다루고 있다. 축전기, 스마트 그리드 등 이에 필요한 개념들을 설명하고 있으며 더 거대한 송전망 아 STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 107 - [5차시] 토론과 글쓰기 태양광 발전의 화석 에너지 대안 가능성에 대한 내 생각은 무엇일까? l 차시 개요 1~4차시까지의 활동을 통해 알아본 태양광 발전의 특징, 태양광 발전의 장･단점 등을 바탕으로 태양광 발 전이 화석 에너지의 대안으로 가능성이 있는지를 판단하는 시간이다. 나의 생각을 확정하고 주장하기에 앞 서 모둠원들과 토의를 통해 생각을 변경하거나 확고히 한 뒤, 툴민의 논증 모형에 따라 주장을 논술해 본 다. l 활동 목표 태양광 발전의 화석 에너지의 대안 가능성에 대한 나의 생각을 정하고 툴민의 논증 모형에 따라 이유, 설 명, 예상 가능한 반대 의견과 반박 등을 갖추어 주장할 수 있다. l 배경 지식 1. 주장은 논증과 같지 않다. 주장에 대한 반대 의견이나 반박 가능한 증거가 제시되어야만 논증이 된다. 즉, 논증에서는 서로 다른 주장과 증거들의 제시와 반박 등을 통해서 서로의 생각을 설득하는 과정이 중요하다. 2. 영국의 철학자이자 작가, 교육자인 스티븐 에델스턴 툴민(Stephen Edelston Toulmin, 1922년 3월 25 일 ~ 2009년 12월 4일)은 실질적으로 적용 가능한 실용 논증 모형을 개발하였다. 툴민의 모형은 다음 과 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 - 논거: 제시된 근거가 주장을 정당화시킬 수 있는 이유. 공통의 배경지식이나 전제가 포함됨 - 지지: 추가 자료 등 논거를 뒷받침하는 상세 증거 - 반론: 주장을 반박하거나 한계를 제시하는 진술 l 유의 사항 1. 모둠 구성 시 서로 반대되는 의견을 가진 학생들이 섞일 수 있도록 한다. 2. 짧은 시간 내에 서로의 생각과 근거를 들을 수 있도록 토의 진행자를 정해서 효과적인 토의가 이루어 지도록 한다. STEM 생각교실 과학적 사고력2 - 116 -