STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 전지의 과학 탐구 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 전지의 과학 탐구 이름 주요 과목 화학2 관련 과목 STEM 요소 개요 차시별 전기 화학과 이용 관련 단원 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 관련 단원 개발자 화학 전지의 개념 및 작동 원리에 대해 알아보고, 실생활에서 어디에 쓰 이고 있는지 확인한다. 화학 전지로 잘 작동하기 위한 기본적인 특성을 분석한다. 볼타 전지의 원리를 이해하고 아연과 구리로 구성된 볼타 전 지가 잘 작동되는지 살펴보고, 볼타 전지의 문제점을 분석한다. 다니엘 전지에 대해 이해하고, 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 제작한다. 어떤 다니엘 전지가 가장 효율적이고 높은 전압을 나타내는지 확인해보 고, 예측에 부합하는지 분석한다. 1차시 화학 전지란? 2차시 볼타 전지를 만들어 보자 3차시 다니엘 전지의 원리를 탐구해보자 4차시 다양한 다니엘 전지로부터 측정된 결과 분석하기 주요내용 (키워드 위주) (화학) 전지의 과학 탐구 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 1차시: 화학 전지란? 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 화학 전지에 대해 알아본다. 화학 전지의 구동 원리에 대해 알아본다. 산화-환원 반응의 개념에 대해 이해해 본다. 금속의 이온화 경향에 대해 알아본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ 시약 사용 시 피부나 옷에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗 이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 화학 반응을 통하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 전류가 흐르도록 만든 장치를 화학 전지라고 한다. ◆ 전류가 흐른다는 것은 전자가 이동하는 현상으로 화학 전지는 전자의 이동이 있는 산화-환원 반응이 자발적으로 일어나고 그에 따른 전자의 이동을 우리가 이용할 수 있도록 만든 장치이다. ◆ 화학 전지의 기본적인 특성과 원리를 이해하고, 화학 전지는 실생활에서 어디에 사용되고 있는지 조사해보자. 건전지, 수은 전지, 노트북 배터리, 휴대폰 배터리, 각종 충전용 배터리 등 - 20 - (화학) 전지의 과학 탐구 2) 탐구 및 개념 확장 학생용 2차시: 볼타 전지를 만들어 보자. 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] § 볼타 전지의 원리를 이해해 보자. § 아연(Zn)과 구리(Cu)로 이루어진 볼타 전지를 제작해 보자. § 전류계와 전압계를 이용하여 제작한 볼타 전지가 작동하는지 알아보자. § 볼타 전지가 가진 단점에 대해 알아보자. [실험 안전 유의사항] § 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물 로 깨끗이 씻도록 한다. § 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지 한 후 활동을 진행한다. § 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 볼타 전지를 만들어보자 [탐구1] 볼타 전지 제작 및 탐구 * 볼타 전지의 원리를 이해하고 탐구하기 * 어떤 종류의 볼타 전지가 있는지 알아보고, 어떻게 제작할 수 있는지 조사 * 볼타 전지를 구성하는 요소(금속판, 전해질)가 어떤 것들이 있는지 설명하기 * 아연판과 구리판으로 이루어진 볼타 전지를 제작하기 * 위 두 가지의 금속판을 선택한 이유에 대해 생각하기 * 전해질이 필요한 이유를 생각해보고, 볼타 전지의 문제점을 탐구하기 * 볼타 전지의 문제점을 해결하기 위해 필요한 사항은 무엇인지 탐구하기 - 22 - (화학) 전지의 과학 탐구 3) 과학기술 적용 학생용 3차시: 다니엘 전지의 원리를 탐구해 보자. 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다니엘 전지에 대해 이해하고, 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 제작해 본다. Ÿ 실험 설계, 제작, 테스트 과정에서 성공의 경험과 학습에 대한 자신감을 가진다. Ÿ 볼타 전지의 단점을 보완한 다니엘 전지 구성 요소 중 염다리의 역할을 알아본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [탐구1] 다양한 금속으로 구성된 다니엘 전지를 구성하여 탐구해보자. - 설명하기: 다니엘 전지의 구성 요소 및 원리를 설명해 보자. 염다리는 어떻게 이루어져 있고, 다니엘 전지에서의 역할은 무엇인지 설명해 보자. - 예측하기: 어떤 금속으로 전극을 구성했을 때, 가장 높은 전압과 전류가 흐를지 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 다니엘 전지를 구성한 금속의 종류에 따라 전압 또는 전압의 세기가 바뀌는가? 만약 바뀐다면 왜 그런지 탐구해보자. - 준비물 및 시약: 전압계, 전류계, 금속판(Zn, Cu, Mg, Fe), 비커 (50 mL) 10개, LED 전구, 집게 전선, 염다리, 0.5 M ZnSO4 수용액, 0.5 M CuSO4 수용액, 0.5 M Mg(NO3)2 수용액, 0.5 M Fe(NO3)2 수용액 - 26 - (화학) 전지의 과학 탐구 4) 공학적 적용 학생용 활동지 4차시: 다양한 다니엘 전지로부터 측정된 결과 분석하기 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 다양한 금속으로 제작한 다니엘 전지에서 일어나는 화학 반응과 원리를 이해하고, 결과값을 비교·분석해 본다. Ÿ 화학 전지 반응을 하는 공학적 산출물을 고안해보고 적용해 본다. Ÿ 탐구 활동의 이론적 배경을 공학적으로 적용해 본다. [실험 안전 유의사항] Ÿ Ÿ Ÿ 시약 또는 묽은 황산이 신체에 묻지 않게 조심하며, 만약 묻었을 경우에는 즉시 흐르는 물로 깨끗이 씻도록 한다. 학생들이 실험 준비물 및 시약을 다루기 전에 실험 방법 및 실험기구 사용법을 충분히 숙지한 후 활동을 진행한다. 실험 진행 시에는 반드시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험을 진행 한다. 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 각 다니엘 전지의 전압 및 전류 측정값 비교/분석하기 ◆ 가장 큰 전압을 나타내는 금속 쌍은 어떤 것인지 쓰고, 이유를 설명해 본다. 마그네슘(Mg)과 구리(Cu)로 이루어진 다니엘 전지, 이 두 금속의 이온화 경향성 또는 반응성이 가장 많이 차이가 나므로 - 28 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 산화제 응용 : 표백과 살균 충북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 산화제 응용: 표백과 살균 이름 주요 과목 화학I 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 물질의 변화/ 화학반응/ 산화, 환원 관련 단원 S, T, E, M 지역 보조 주 개발자 개발자 산화와 환원에 애하여 학습하고, 이를 바탕으로 직접 산화제/환원제의 능력을 확인해볼 수 있는 실험을 진행한다. 세탁이나 청소에 사용하는 주요 수업 표백제가 산화제임을 이해하고, 가정에서 흔하게 사용하는 락스계 개요 산화제를 사용하여 오염물질을 제거하는 실험을 직접 수행해보고, 세탁과 표백이 되는 원리에 대하여 이해한다. 또한, 강력한 산화제가 피부 및 세포에도 영향을 주는 과정을 이해하여, 살균 과정에 대해 학습한다. 차시별 1차시 화학전지-산화와 환원에 대한 이해 2차시 표백제를 이용한 산화 실험 3차시 산화제를 이용한 탈색 실험 4차시 다양한 표백 성능 비교 실험 주요내용 (키워드 위주) (화학) 산화제 응용, 표백과 살균 교사용 STEM 생각교실 (중/고) 산화제 응용: 표백과 살균 주제 산화제 응용: 표백과 살균 2015 개정 교육과정 중학교 3학년, 고등학교 1학년/ 2학년 적용 학년 영역: 핵심개념 물질의 변화: 화학 반응 과학기술 적용 표백제와 살균제의 역할을 이해하자 응용 분야 물질의 상태 변화 이해, 유기화학 반응의 이해 산화와 환원에 대하여 학습하고, 이를 바탕으로 직접 산화제/환원제의 능력을 확인해볼 수 있는 실험을 진행한다. 세탁이나 청소에 사용하는 프로그램 개요 표백제가 산화제임을 이해하고, 가정에서 흔하게 사용하는 락스계 산화 제를 사용하여 오염물질을 제거하는 실험을 직접 수행해보고, 세탁과 표 백이 되는 원리에 대하여 이해한다. 또한, 강력한 산화제가 피부 및 세포 에도 영향을 주는 과정을 이해하여, 살균 과정에 대해 학습한다. 차시구분 차시계획 차시별 교수학습 주제 및 내용 1차시 화학전지-산화와 환원에 대한 이해 2차시 표백제를 이용한 산화 실험 3차시 산화제를 이용한 탈색 실험 4차시 다양한 표백 성능 비교 실험 충북대학교 과학영재교육원 - 13 - (화학) 산화제 응용, 표백과 살균 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 학생용 1차시: 화학전지-산화와 환원에 대한 이해 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산화와 환원에 대한 이해를 여러 관점에서 진행한다. Ÿ 화학 전지인 볼타 전지와 과일 전지를 만들어서 산화와 환원 반응을 관찰하고 이해한다. [실험 안전 유의사항] § 볼타 전지의 전해질을 산 용액을 사용하므로 피부에 닿거나 마시지 않도록 주의한다. § 화학 전지 합성에 이용되는 금속판은 날카로울 수 있으므로 취급시 주의한다. § 실험 중 물질이 눈에 튄 경우, 즉시 물로 충분히 씻어주고, 의사의 진찰을 받도록 한다. 1차시 [개념 도입] 화학전지-산화와 환원에 대한 이해 ◆ 쇠가 녹스는 현상을 비롯하여 우리 주위에서 물질이 산화되는 반응과 환원되는 반응 의 종류를 찾아서 정리해보자. 산화 반응과 환원 반응을 산소를 얻고 잃는 관점과 금속이 전자를 얻고 잃는 관점에서 정리해보자. - 20 - (화학) 산화제 응용, 표백과 살균 2) 탐구 및 개념 확장 학생용 2차시: 표백제를 이용한 산화 실험 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 락스의 주 성분인 NaOCl을 이용한 산화 반응을 이해할 수 있다. Ÿ 산화 반응이 물질의 구조의 변화에 미치는 영향을 이해할 수 있다. [실험 안전 유의사항] 산화제는 피부 및 세포에도 영향을 줄 수 있으므로, 직접 피부에 닿지 않도록 실험복, 장갑, § 고글 등을 반드시 착용하고 실험하도로 한다. 락스에는 NaOCl 외에도 강한 염기성의 수산화 소듐 등의 포함 되어있기 때문에, 더욱 피부 § 에 직접 닿지 않도록 주의힌다. § 실험 중 물질이 눈에 튄 경우, 즉시 물로 충분히 씻어주고, 의사의 진찰을 받도록 한다. § 뜨거운 물을 사용할 때, 화상을 입지 않도록 주의한다. 2차시 [탐구 및 개념 확장] 표백제를 이용한 산화 실험 ◆ 표백제인 락스는 무엇으로 이뤄져 있고, 어떻게 산화 작용을 촉진할까? 수업지도의 Tip Ÿ 학생들이 직접 락스의 뒤 라벨 정보를 읽고 어떤 물질이 들어있는지 조사한다. Ÿ 하이포염소산 소듐의 경우, 우리가 흔히 알고 있는 소금, 염화 소듐에 산소가 하나 추가된 형태로, 하이포염소산 소듐이 염화 소듐으로 돌아가면서 산소를 내어놓기 때문에, 자신은 환원이 되며, 그 산소를 다른 분자에 전달하여 다른 분자가 산소를 얻게 하는 산화 반응을 일으키는, 즉, 산화제임을 이해하도록 1교시 수업과 연결한 다. - 23 - (화학) 산화제 응용, 표백과 살균 3) 과학기술 적용 학생용 3차시: 산화제를 이용한 탈색 실험 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 세탁의 원리와 세제의 기능을 이해하고 설명할 수 있다. Ÿ 세탁에서 표백제의 기능을 이해하고, 이를 대체할 수 있는 방법에는 어떤 것이 있을지 고민 해보자. [실험 안전 유의사항] 산화제는 피부 및 세포에도 영향을 줄 수 있으므로, 직접 피부에 닿지 않도록 실험복, 장갑, § 고글 등을 반드시 착용하고 실험하도로 한다. 락스에는 NaOCl 외에도 강한 염기성의 수산화 소듐 등의 포함 되어있기 때문에, 더욱 피부 § 에 직접 닿지 않도록 주의힌다. § 실험 중 물질이 눈에 튄 경우, 즉시 물로 충분히 씻어주고, 의사의 진찰을 받도록 한다. § 뜨거운 물을 사용할 때, 화상을 입지 않도록 주의한다. 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 ◆ 3종류의 식용색소를 이용하여 흰색 천에 동그란 오염을 만들고, 표백제로 처리했을 때, 탈색되는 시간을 비교한다. 탈색의 효율에 영향을 줄 수 있는 표백제의 농도와 온도에 대 한 조절 실험을 하고, 각 식용색소의 구조를 바탕으로 표백 및 탈색 성능의 차이를 설명 한다. 수업지도의 Ÿ Tip 대표적인 색소의 구조를 바탕으로, 산화 반응 때문에 색을 나타내는 성분의 구조가 변형되거나 깨져서 탈색될 수 있음을 이해시킨다. Ÿ 색소의 종류, 농도, 표백제의 농도, 처리 시간, 온도 등이 탈색에 영향을 미칠 수 있 음을 고려하여, 실험을 진행하며, 탈색을 위한 최적의 조건을 찾아본다. - 25 - (화학) 산화제 응용, 표백과 살균 4) 공학적 적용 학생용 4차시: 표백제를 비교해보자 활동지 수업일 ( ) 학년 ( ) 반 이름 모둠 [학습 목표] Ÿ 산화 반응을 바탕으로 표백 성능을 보이는 산화제들을 비교할 수 있다. Ÿ 산화력이 표백 외에도 살균과 소독에도 사용될 수 있음을 이해한다. [실험 안전 유의사항] § 산화제는 피부 및 세포에도 영향을 줄 수 있으므로, 직접 피부에 닿지 않도록 실험복, 장갑, 고글 등을 반드시 착용하고 실험하도로 한다. § 락스에는 NaOCl 외에도 강한 염기성의 수산화 소듐 등의 포함 되어있기 때문에, 더욱 피부 에 직접 닿지 않도록 주의힌다. § 실험 중 물질이 눈에 튄 경우, 즉시 물로 충분히 씻어주고, 의사의 진찰을 받도록 한다. 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 ◆ 우리 생활 속에서 산화력을 발휘할 수 있는 여러 물질을 찾아보고 핵심 성분 에 대해 비교해보자. 수업지도의 Ÿ Tip 락스 외에 산화를 바탕으로 표백 역할을 할 수 있거나, 비슷한 역할을 할 수 있을 것 으로 기대되는 성분들을 준비하여, 비교 실험을 학생들이 직접 설계하고 진행하도록 한다. Ÿ 대표적인 준비물인 락스, 과탄산소다, 구연산, 에탄올, 과산화수소 외에 학생들이 원하 는 재료가 (주로 빨래나 설거지 등에 사용되는 재료) 있다면 함께 비교하는 실험을 진 행하는 것도 좋다. - 26 -