STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 AI를 이용한 분석) 인천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 인천대학교 기관명 과학영재교육원 구분 신규 (신규/수정보 완) 주요 적용 학년 중학교 2학년 빛의 세기에 따른 광합성량의 증거를 찾자 프로그램명 (디지털과학실험을 위한 센서 데이터 수집과 개발차시 4 AI를 이용한 분석) 주요 과목 정보 주요 단원 관련 과목 생물 관련 단원 S, E 적용 지역 STEM+I 요소 정보 (문제해결과 프로그래밍/프로그래밍, 알고리즘) 생물 (생명시스템의 구조) 보조 주 개발자명 개발자 1. 시청각 자료로 대체되는 실험 실습을 디지털화하여 데이터를 수집하여 데이터 기반 과학 수업이 되도록 한다. 주요 수업 개요 2. 인공지능으로 데이터를 분석하여 사람이 분석한 결과와 비교할 수 있 다. 3. 고가의 실험 실습 장비를 저렴하게 대체가 가능하다. 4. 이론이 나오게 된 배경의 실습을 직접 해보고 데이터를 누적 시킬 수 있다. 1차시: 입출력장치 연결방법, 소프트웨어 세팅, 다운로드, 코딩하여 데이 터 수집하기, 엑셀로 데이터 전송하기 방법 학습 2차시: 식물의 생존 전략, 동물과 대비되는 독특한 특징 설명, 식물의 에 너지 합성과정에 대한 설명, 이론에 대한 설명과 진짜 그런지 실험을 통 차시별 주요내용 (키워드 위주) 해 증명해보자 동기부여, PET병 자르기, 센서부착하기, 화분 넣고 글루건으로 밀봉하기 3차시: 2차시 실험 설정 계속하기. 통제된 실험환경 만들기, 센서 데이터 입력 테스트하기, 공기가 새나가지 않도록 밀봉하고 테스트하기. 양지바 른 곳에 두고 CO2와 빛 센서데이터 수집하기 4차시: 수집된 데이터 구조화하기. 구조화된 데이터 분석하기. 실험데이터 가 이론과 결과가 같은지 논의하기 5. 기 초 학 습 - 1차 시 센서 데이터 수집을 위한 하드웨어 세팅과 소프트웨어 세팅 그리고 코딩 사용설명 동영상 링크 https://youtube.com/playlist?list=PLV0fpigVietQ0EHMRJ4XhTbU_KIHHOnfv 시스템 구조도 아두이노에 연결된 센서의 값을 시리얼포트를 통해 컴퓨터로 전송 컴퓨터에서 PLX-DAQ라는 엑셀 제어프로그램을 통해 엑셀 시트에 데이터를 누적 하드웨어 세팅 센서 회로 구성 LCD, CO2센서는 I2C에 연결하고, 빛센서는 A0에 연결한다. - 7 - 창의디자인캠프 교재 6. 심 화 학 습 6 .1 1 부 심 화 학 습 : 일반 적 탐색 활 동(2차시 ) 식물의 광합성과 온도, CO2와의 관계에 대한 이론 학습 주의집중을 위한 도입 영상 제공 생물의 구성 https://www.youtube.com/watch?v=fTbGdzh0fa4&list=PLpps1Hm_DCYF2t26w84qVtUOx t5n_xe9u&index=18 소화 https://www.youtube.com/watch?v=jIIO4prjBAg 세포호흡 https://www.youtube.com/watch?v=5k3jQRRrnrQ 배설 https://www.youtube.com/watch?v=6SgyuwQpn98 식물과 에너지 광합성에 대한 이론 식물의 에너지 합성 https://www.youtube.com/watch?v=tPP-R4bTNh8 3분 45초까지 https://www.youtube.com/watch?v=EneecxGdeEQ 가. 기존 방법(과학교과서) 광합성량을 알아보는 방법으로는 광합성의 재료가 되는 물과 이산화탄소의 소모량을 측정하거 나, 혹은 생성된 포도당이나 산소 그리고 물의 양을 측정하면 된다. 중학교 2학년 교과서에서는 이 과정을 검정말(아나카리스)을 활용하여 물속에서 광합성이 일 어나게 하고 생성된 산소기체의 기포수를 새어 보는 방법으로 광합성량을 측정한다. 환경요인으로는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소의 농도, 빛의 파장 중에서 빛의 세기, 온도, CO2 환경요인만 사용한다.(중2과정) - 16 - 창의디자인캠프 교재 6 .2 2부 심 화 학 습 : 집단 실험 활동(3차 시) 통제된 실험 환경 구축 충분한 물을 주고 PET병에 작은 화분을 넣는다. 빛센서, CO2센서, 온도센서를 넣고 글루건으 로 고정시킨다. 뚜껑을 덮고 글루건으로 밀봉한다. 케이블로 센서와 아두이노를 연결하고, PC에 USB로 연결한다. 센서 수집을 위한 코드를 작성하여 아두이노에 업로드 한다. - 19 - 창의디자인캠프 교재 6 .3 3부 심 화 학 습 : 개인 및 소집단별 생활 속 과학문제 탐구 활동(4차 시) 수집된 데이터 구조화하기 엑셀에 수집된 데이터를 챠트로 구조화 한다. 데이터 영역 선택하기 – 삽입-챠트에서 꺽은선형 차트 선택 구조화된 데이터 분석하기 밀폐된 실험환경이 데이터에 어떤 영향을 주었는가? 빛의 양이 최고조인 시간대와 온도와의 관계는 어떠한가? 빛의 양과 CO2값과의 관계는 비례관계인가? 반비례관계인가? CO2값이 최고인 시간대는 언제이며 그 시간대의 빛의 양은 얼마인가? 온도와 빛의 양과의 관계는 어떠한가? 빛과 CO2와의 관계 설명하기 분석 내용을 바탕으로 빛과 CO2사이의 관계에 대해 설명하고, 이유가 무엇인지 설명하라. 실험 데이터가 이론을 증명하는 지 살펴보기 - 22 - 창의디자인캠프 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 옴의 법칙, 옴총 쉽다! 인천대학교 과학영재교육원 2020년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 옴의 법칙, 옴총 쉽다! 이름 주요 과목 중2 관련 단원 과학 관련 과목 수학2 관련 단원 STEM 요소 S, M 지역 개요 차시별 식의 계산 개발자 LED 회로 아트와 팝업 학습지를 통해 옴의 법칙과 저항의 연결의 과학적 원리를 재밌게 터득할 수 있다. 다양한 활동식 수업을 통해 과학적 탐구력뿐만 아니라, 수학적 사고력을 신장시킬 수 있다. 1차시 주의 집중을 위한 도입 2차시 수업의 목표 설정 3차시 기초 학습 4차시 심화 학습 주요내용 (키워드 위주) 유리수와 순환소수 보조 주 개발자 주요 수업 전기와 자기 8. 옴의 법칙, 옴총 쉽다! 교재명 관련 교과 (단원) 옴의 법칙, 옴총 쉽다! 중학교 2학년 과학 (Ⅱ. 전기와 자기) 중학교 2학년 수학 (Ⅰ. 수와 식) ⚬ LED 회로 아트를 통해 예술적으로 회로를 직접 설 계하며 어려운 과학 개념의 장벽을 낮출 수 있다. ⚬ 팝업 학습지를 이용하여 옴의 법칙과 저항의 연결 교육 목적 의 어려운 수학적 계산에 대한 학생들의 문제해결력 및 흥미를 유발할 수 있다. ⚬ 전기 관련한 직업을 소개함으로써 자신의 진로에 대해 고민하고, 과학 학습의 필요성을 깨달을 수 있다. ⚬ LED 회로 아트와 팝업 학습지를 통해 옴의 법칙과 저항의 연결의 과학적 원리를 재밌게 터득할 수 있다. 교육 목표 ⚬ 다양한 활동식 수업을 통해 과학적 탐구력뿐만 아 니라, 수학적 사고력을 신장시킬 수 있다. 교수학습 방법 n o n o o o o o o o o 강의 반복 연습 및 암송 직접 교수 책략기반 교육 내용영역에서 도움을 받는 교수 그래픽 조직체 (Graphic Organizer) 코칭 개념 달성 시네틱스 (Synectics) 실연/모델링 소크라테스식 질문 - 1 - n o n o o o n o o o 시각화 역할 놀이 협동학습 모의 재판 시뮬레이션 탐구기반 학습 문제해결 및 문제기반 학습 그림자 경험 (shadowing experience) 사사제 (Mentorship) 독립 연구 2. 교재 양식 인천대학교 과학영재교육원 Incheon Science Elite Program Tel: 032-835-4971~3, Fax: 032-835-4976 [심화] - 교사용 교재 - 옴의 법칙, 옴총 쉽다! 교재개발자 : 옥련중학교 교사 표민희 개발년도 : 교육 대상 : 중등 공통과정 온라인교재 수업 시간 : ( 총 4 시간 ) 2021 학년도 < 교재 요약 > LED 회로와 팝업 학습지를 통해 옴의 법칙과 저항의 연결에 대한 물리적 원리 및 수학적 계 산 문제를 재밌게 해결할 수 있도록 구성 ▢ 관련 분야 및 내용 교과 분야 과학(물리) 내용 전기(옴의 법칙, 저항의 연결) 회로 연결 요소 S 수학 수와 식 M 미술 LED 회로 아트 A 진로 전기와 관련된 직업 탐색 - 2 - Ⅰ. 수업을 준비하며 1. 수 업 의 도 과학 교과는 동일한 주제의 내용, 핵심 아이디어(정수)를 모든 학년에서 동일하게 다루도록 조 직되는 경우가 많다. 다만, 학년이나 수준이 올라갈수록 더욱더 상세해지고 난이도가 높아지는 계열성을 갖고, 수직적으로 교육과정이 조직되어 있다. 따라서 중등 교육과정에서 과학적 개념 및 원리에 대한 정확한 이해가 이뤄지지 않는다면 상위 교육과정으로 올라갈수록 어렵게만 느 껴져 ‘과학은 어렵고 복잡한 학문’으로 생각하며 포기하는 경우가 발생한다. 중학생을 대상으로 설문조사를 한 결과 중학교 2학년 1단원인 ‘전기와 자기’ 단원을 가장 어 려워함을 알 수 있었다. 특히 옴의 법칙과 저항의 연결부분에서 물리적 원리와 수학적 사고력 을 함께 융합하여 이해해야 하는 부분에서 가장 많은 학생이 좌절하기 시작함을 알 수 있었다. 물리적 원리를 이해했다고 생각한 학생이 막상 관련 문제를 풀면 수학적 사고력 및 계산 능력 이 부족해 어려움을 겪고, 수학적 계산 능력에 자신 있다고 생각한 학생은 물리적 원리를 이해 하지 못해 역시 어려움을 겪고 있었다. 따라서 이 부분에 대한 학생들의 올바른 이해가 필요해 보인다. 또한, 전기 회로는 물리학뿐만 아니라 전기, 전자 등 공학 계열 등에서도 가장 기초가 되는 개 념이다. 특히 다양한 전기 소자가 전선으로 연결되어 어떻게 상호작용하느냐에 따라 완전히 다 른 결과물을 얻을 수 있다. 전기 회로에서 다루는 전류, 전압, 전기 저항과 이들 사이의 상호 관계인 옴의 법칙은 물리학에서 매우 중요하게 다루는 개념이다. 아래 표에서 볼 수 있듯이 중 학교에서 배운 개념이 고등학교 물리학Ⅰ, Ⅱ에서 심화되어 나온다. 따라서 옴의 법칙에 대한 과학적 원리를 올바르게 이해하고, 수학적 사고력을 바탕으로 계산 적 문제 풀이에도 쉽게 응용할 수 있도록 수업을 구성하는 것에 필요성을 느껴 이 교재를 개 발하게 되었다. 2. 수 업 주 안 점 전기와 자기에 대한 어려운 물리적 개념이 많이 등장하고, 수학적 계산 능력과 사고력도 필요 하므로 일반 설명 및 강의식으로 진행할 경우 학생들의 집중도가 현저히 떨어질 수 있다. 따라 서 전류계, 전압계 같은 큰 기구들 말고 개별적으로 쉽게 만들 수 있는 아기자기한 LED 회로 (아래 추가 설명 참조)와 팝업 학습지를 활용하여 학생들의 흥미를 유발하고 적극적으로 참여 하도록 구성되어 있다. 머릿속으로만 이해하는 것이 아닌 눈으로 보며 손으로 쓰는 ‘오감’을 이 용한 학습이 일어나도록 구성하여 ‘해야만 하는’ 실험이 아닌, ‘하고 싶은’ 활동이 가미된 수업 이 되도록 한다. 또한, 코로나 19 위기 상황에 걸맞게 모둠 활동이 아닌 개별적으로 진행할 수 있도록 수업을 설계하였다. - 3 - Ⅲ . 본 시 교 수 학 습 전 략 (전 개 과 정 ) 1. 1차 시 전 개 과 정 1) 본 시 수 업 의 흐 름 활동 학습 단계 형태 도입 상황 제시 교수-학습 활동 내용 및 주안점 • 동기유발 - 일상생활에서 활용되고 있는 전류, 전압, 저항의 예시에 대해 질문하며 동기유발 ⇩ 창의 · 인성 유추적 사고 확산적 사고 ⇩ • 오늘 할 활동 소개하기 - ‘LED 회로아트’의 다양한 활동 진행함을 소개하 흥미, 약속 며 흥미 유발 ⇩ 개념 도입 전개 및 창의 적 설계 • 전류, 전압, 저항 개념 복습 - ‘LED 회로아트’ 속 활용된 전류, 전압, 저항의 수렴적 사고 개념 복습 • 재밌는 체험식 활동을 통한 과학 개념 학습 유추적 사고 - ‘LED 회로아트’를 통해 전류, 전압, 저항의 관 확산적 사고 계가 어려운 수식이 아닌, 이해를 통해 받아들일 상상력, 몰입, 수 있도록 함 협동, 배려 - 변인을 조작하며 옴의 법칙에 대해 수식 없이 도 터득할 수 있도록 함 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 확산적 사고 - 활동내용 정리하기 - 다음 차시 예고하기 (흑연과 빨대 비유 실험) - 5 - 유추적 사고 2. 2차 시 수 업 1) 본 시 수 업 의 흐 름 활동 학습 단계 형태 교수-학습 활동내용 창의 · 인성 • 전시학습 - ‘띵커벨’을 활용해 전류, 전압, 저항에 대해 확인 도입 상황 제시 하기 흥미, 몰입 • 동기유발 - 일상생활 속 저항의 직렬, 병렬 연결에 대한 예 시 보여주며 동기 유발 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 제시 - 저항의 직렬 연결과 병렬 연결의 쓰임새를 설 흥미, 몰입 명하고 비교할 수 있다 ⇩ • 저항의 연결 비유 실험 - 전류계, 전압계, 니크롬선 등과 같은 큰 실험기 전개 창의 적 설계 구들을 처음부터 제시할 경우 재미없고 어렵게 만 느껴질 수 있음 - 빨대를 이용하여 전류, 전압, 저항 체험하기 - 빨대를 직렬, 병렬로 연결할 때 어떤 차이가 있 는지 확인하며 저항의 직렬, 병렬 연결일 때 어 논리 · 분석적 사고 유추적 사고 상상력, 몰입, 책임, 약속 떤 관계인지 터득하도록 함 ⇩ 몰입, 흥미, • 관련 문제 풀어보기 - 빨대 비유 실험 정리하기 상상력, 논리 - 저항의 직렬, 병렬 연결일 때의 문제 풀어보기 분석적 사고 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 활동 내용 정리하기 - 다음 차시 예고하기 (대탈출 미션) - 8 - 확산적 사고 유추적 사고 3. 3∼ 4차 시 수 업 1) 수 업 흐 름 활동 학습 단계 형태 교수-학습 활동내용 창의 · 인성 - ‘띵커벨’을 활용해 옴의 법칙과 저항의 연결에 논리 · • 전시학습 도입 문제 제시 분석적 사고 대해 복습하기 • 동기유발 수렴적 사고 - 동영상을 보며 오늘 배울 내용에 대해 흥미를 유추적 사고 갖도록 유도하기 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 확인하기 - ‘팝업 만들기’ 활동을 통해 저항의 직렬, 병렬 유추적 사고 연결 수학적 계산 쉽게 이해하기 흥미, 약속, - 모둠별로 해결해야 할 미션 알려주기 협동 ⇩ 논리 · • 모둠별 토론하기 전개 협력 프로 젝트 학습 - 주어진 팝업 학습지를 개별적으로 분석하기 분석적 사고 - 모둠별 역할을 충실히 수행하도록 지도하기 수렴적 사고 (모둠장, 서기, 발표 2명, 활발 참여) - 자신의 생각을 발표하며 모둠원들과 토론하며 의견 조정하기 유추적 사고 확산적 사고 상상력, 몰입, - 서기는 모둠의 결론을 활동지에 정리하여 패들 릿에 게시하기 협동, 배려, 책임, 약속 ⇩ 논리 · • 모둠별 추리 결과 공유하기 - 각 모둠이 만든 팝업 학습지 공유하기 - 실제 시험 문제 과학적 개념 설명 분석적 사고, 의사소통 능력, 협동, 책임, 배려, 경청 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 활동 내용 정리하기 - 전기 관련 직업에 대해 알고 진로와 연계시키기 - 12 - 확산적 사고 유추적 사고 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 탄자니아에 보내는 태양광 전지 인천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 탄자니아에 보내는 태양광 전지 이름 주요 과목 과학 기술 ❍ 태양광 전지 알아보기 관련 단원 관련 과목 사회 관련 단원 STEM 요소 S, T 지역 ❍ 전력 계산 ❍ 태양광 전지 제작 더불어 살아갈 탄자니아의 사회, 경제와 적정기 술 개발자 ❍ 탄자니아의 사회 경제 전반에 대해 탐색하고 전력이 부족한 상황을 인 지하여 적정기술로 문제를 해결하기 위한 탐구를 계획한다. 주요 수업 개요 ❍ 태양광 발전의 원리를 알아보고 태양광 전지를 이용한 태양광 전력공급 을 위한 계획을 세운다. ❍ 태양광 전지가 생산하는 전력과 필요한 전력을 알아보고 계산할 수 있 다. ❍ 태양광 전구 및 충전기의 부품과 회로도를 탐구하고 제작한다. 차시별 주요내용 (키워드 위주) 1차시: 더불어 살아갈 탄자니아의 사회와 적정기술 2차시: 태양광 전지 알아보기 3차시: 전력 계산 4차시: 태양광 전지 제작 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2016년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 인천대학교 과학영재교육원 Incheon Science Elite Program Tel: 032-835-4270~2, Fax: 032-835-4273 [STEM생각교실] { 탄자니아에 보내는 태양광 전지 } 교재개발자: 교육 대상 : 수업 시간 : 개발년도: ( 중등 ) 교육과정 ( ( 2021학년도 ) 분야 총 4 시간 ) [지도교사용] 1. 교과의 개요 및 목적 가. 주제 선정의 이유 국가의 경쟁력을 갖추기 위해서는 융합기술, 융합형 기술인재 그리고 학문간 융합 교 육이 필요하다. 학생들의 문제상황에 대한 창의적인 해결 능력을 이끌어내는 교육은 다 양한 경험과 교육에서 드러날 수 있다. 이에 실제로 아프리카 탄자니아의 문제상황을 제 시하고 이를 해결하기 위한 방안에 대한 탐구활동을 통해 융합적 사고력을 키우고 실생 활에 적용해보고자 한다. 나. 수업 의도 물질적 풍요 속에 살고 있는 학생들에게 전세계적인 관점에서 이웃을 돌아보고 적정기 술을 통해 나눔을 실천하고자 하는 의지를 심어주며 태양광과 관련된 지속 가능한 발전 과학기술에 대한 관심과 실천을 이끌어내고자 한다. 이에 아프리카 탄자니아의 전기자립 상황에 대한 이해와 태양광 전지 기술을 탐구하고자 한다. - 1 - STEM 생각교실 교재 마. 차시별 수업 지도안 학습 주제 과목 단원 학습 목표 수업 의 더불어 살아갈 탄자니아의 사회와 적정기술 차시 1/4 사회 Ⅻ. 더불어 사는 세계 2. 저개발 지역의 발전을 위한 노력 - 저개발 지역의 빈곤 문제를 해결하기 위한 방안을 제시할 수 있다. - 탄자니아 지역의 자연환경과 경제 상황을 이해하고 적정기술을 통해 에너지 부족 문 제를 해결할 수 있는 방안을 찾아 발표할 수 있다. - 빈곤과 빈곤의 해결 내용 정리 - 탄자니아의 자연환경과 경제 상황 조사 발표 - 전력이 부족한 상황을 인지하여 적정기술로 문제를 해결하기 위한 탐구를 계획 진행 [도입] 시간: 5분 1. 코로나 바이러스가 보여준 빈부격차 [세계를보다] 바이러스가 보여준 빈부 격차 민낯 코로나19로 인해 발생한 세계 각국 의 위기 사례와 빈부격차의 심화에 대한 내용으로 구성된 뉴스 - 나이지리아, 남아프리카공화국, 미국 등의 질병, 식량부족, 범죄 등 에 대한 이야기 - 대조적으로 섬으로 피신한 백만장 자들의 이야기 [출처] 채널A 뉴스, 2020. 9. 20. [주소] https://youtu.be/DU_b4QDP3a4 2. 학습목표 - 저개발 지역의 빈곤 문제를 해결하기 위한 방안을 제시할 수 있다. - 탄자니아 지역의 자연환경과 경제 상황을 이해하고 적정기술을 통해 에너지 부족 문제를 해결할 수 있는 방안을 찾아 발표할 수 있다. - 4 - STEM 생각교실 교재 학습 주제 과목 단원 학습 목표 수업 의 진행 태양광 전지 알아보기 차시 2/4 과학 Ⅷ. 과학기술과 인류 문명 1. 과학기술과 인류 문명 태양광 전지에 대한 탐구로 지속가능한 에너지를 이해하고 적용할 수 있다. - 태양광 발전의 원리 탐구 - 태양광 전지를 이용한 태양광 전력공급을 위한 계획서 작성 - 탄자니아에 태양광등 보내기 프로젝트 - 9 - STEM 생각교실 교재 학습 전력 계산 주제 과목 차시 2/4 과학 Ⅵ. 에너지 전환과 보존 2. 전기 에너지의 발생과 전환 단원 학습 생활 속의 전력에 대해 찾아보고 전력의 개념을 설명할 수 있다. 목표 - 전력이란? 전력 계산 방법 익히기 - 생활 속 전력 찾기 - 전력량 계산하기 수업 의 진행 [도입] 시간: 10분 1. 영상보기 ▶ 태양광 전지 유튜브 영상 함께 보기 [집중취재M] '전력 피크타임' 오후 5시로 늦춘 태양광 발전의 위력 [출처] MBC NEWS, 2021. 7. 21. [주소] https://youtu.be/NDOXyFVyC9E 본격적인 폭염이 시작되면서 이번 주 전력 수요가 올여름 최대치를 기록할 것 으로 전망되고 있습니다. 지난 15년 동안 전력을 가장 많이 쓰는 시간대를 조사해 봤더니, 2005년 낮 12시에서, 2020년에는 오후 5시로 옮겨 간 것으로 확인됐습니 다. 전력 거래소엔 잡히지 않지만 이렇게 집들마다, 또 소규모 공장마다 설치해 놓 은, 태양광 패널이 영향을 미친것으로 보 이는데요. 한여름엔 원전 네 개에 맞먹는 전력을 자체 생산하고 있는 것으로 분석 됐습니다. 금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나와 전압이나 전류를 만들 수 있는 광전효과 가 생긴다고 한다. 이 원리를 이용해 태양광 발전이 이루 광전효과를 이용한 태양광 발전 [출처] YTN 사이언스, 2019. 9. 16. 어진다고 하는데, 태양광 발전 원리에 대 해 알아본다. [주소] https://youtu.be/HgZaNP_SOaE 2. 학습목표 ▶ 생활 속의 전력에 대해 찾아보고 전력의 개념을 설명할 수 있다. - 15 - STEM 생각교실 교재 학습 주제 과목 단원 학습 목표 수업 의 진행 태양광 전지 제작 차시 4/4 기술․가정 1. 적정 기술의 이해 02 적정 기술과 지속 가능한 발전 전기 부품과 전기회로에 대하여 이해하고 회로를 구성하여 태양광등을 제작할 수 있다. - 태양광 패널 및 전기 부품 이해하기 - 테양광 전구 회로도 익히기 - 태양광 전지와 태양관 전구 만들기 [적정기술] 시간: 10분 1. ( 적정 기술 ): 정치적, 문화적, 환경적 조건을 고려하여 기술의 혜택을 필요로 하는 지역 에 지속적인 개발이 가능하게 하는 활동이나 방법 2. ( 적정 기술 )의 조건 가. 사용 방법이 간단해야 한다. 나. 적은 비용으로 제작이 가능해야 한다. 다. 누구나 쉽게 사용하고 혜택을 받아야 한다. 라. 재생 가능한 에너지 자원을 활용해야 한다. 마. 그 지역의 기술로 제작 및 유지가 가능해야 한다. - 20 - STEM 생각교실 교재 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 전자 회로 시뮬레이터를 이용한 반도체의 이해와 창의적 활용 경북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 경북대학교 과학영재교육원 프로그램 전자 회로 시뮬레이터를 이용한 반도체의 이해와 창의적 활용 이름 Ⅱ. 물질과 전자기장/ 1. 물질의 전기적 특성/ 주요 과목 물리학Ⅰ 관련 단원 관련 과목 정보 관련 단원 Ⅳ. 컴퓨팅 시스템/ 2. 피지컬 컴퓨팅 STEM 요소 S, T, E 지역 개발 차시 04. 반도체 4 주 개발자 반도체의 물리학적 이해를 바탕으로 생활 속 문제 해결을 위해 전자 회로의 원리 이해, 설계 및 제작, 활용에 대한 탐구를 수행한다. 학습한 개념과 원리를 적용하여 생활 속 문제를 해결할 수 있는 전자 회로 제작에 대한 아이디어를 토의하고 전자 회로 시뮬레이터를 이용하여 회로를 직접 주요 수업 설계 및 성능 개선 과정을 수행한다. 설계를 기반으로 실제 회로를 제작 개요 및 개선 과정을 수행한다. 제작한 전자 회로의 성능과 활용도에 대한 평가 및 발표(문제 해결 과정, 산출물의 작동 원리, 활용 사례 등)를 통해 학습한 개념이 어떻게 적용되어 문제가 해결되는지를 이해한다. 문제 해결 과정에서 역할 분담을 통해 관련 진로/직업에 대해 탐색하고, 제작한 전자 회로를 희망 진로 분야와 관련지어 활용 가능성을 탐색한다. 1차시 차시별 2차시 전자 회로 시뮬레이터(ThinkerCAD Circuit Simulating)를 이용한 반도체의 원리 탐구와 가상 전자 회로 시뮬레이션 학습 전자 회로 시뮬레이터를 이용하여 생활 속 문제상황을 해결할 수 있는 전자 회로 설계 및 개선 주요내용 (키워드 위주) 3차시 4차시 반도체 소자를 이용하여 생활 속 문제를 해결할 수 있는 전자 회로 제작 문제해결 과정과 관련된 직업에서의 활용 방안 탐색과 진로 연계 문제해결 과정과 산출물에 대한 평가 및 발표 차 시 1 전자 회로 시뮬레이터를 이용한 반도체의 이해 ■ 학습 목표 1. 반도체를 활용한 다이오드의 원리를 말할 수 있다. 2. 전자 회로 시뮬레이터(ThinkerCAD Circuit Simulating)를 이용하여 다이오드의 정류작용을 구현할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 반도체, 다이오드, 교류, 정류작용, LED(Light Emitting Diode) 1. 전자 회로 시뮬레이터(ThinkerCAD Circuit Simulating) 예제 실습 가. 전자 회로 시뮬레이터(ThinkerCAD Circuit Simulating)의 설치 1) Tinkercad는 전 세계 사람들이 생각하고, 만들고, 제작할 수 있도록 도와주는 무료 온라인 소프트웨어 도구 집합으로, 3D 디자인, 엔지니어링 및 엔터테인먼트 소프트웨어의 선두 기업인 Autodesk에 대한 이상적 인 입문 도구이다. 2) Thinkercad의 회로 시뮬레이터인 Circuits은 오토데스크(Autodesk)라는 회사에서 제공하는 시뮬레이션 도구입니다. 기본적인 회로 부품(전선, 저항, 콘덴서 등)은 물론 센서보드(아두이노 등)까지 연결하여 작동시켜 볼 수 있다. 3) 실행과정을 프로그래밍하여 제작도 가능한데 텍스트 기반 프로그래밍 언어도 사용할 수 있으며 블록 기 반 프로그래밍 언어(Scratch)도 지원한다. 4) ThinkerCAD Circuit Simulating 실행 가) 사이트 접속(https://www.tinkercad.com/) - 39 - 차 시 2 반도체의 창의적 활용(반도체의 활용 사례 탐색 및 시뮬레이션) ■ 학습 목표 1. 전자 회로 시뮬레이터를 이용하여 생활 속 문제를 해결할 수 있는 전자 회로를 설계할 수 있다. 2. 아이디어 협의 및 산출 과정에서 의사소통과 협력적 태도를 기를 수 있다. ■ 주요 학습 개념 반도체 소자(다이오드, 발광다이오드(LED), 광다이오드) ■ 활동지 1단계 문제 상황 인식하고 선택하기 다음은 일상생활 속에서 경험해 볼 수 있는 문제 상황이다. 상황1. LED를 이용한 장치(크리스마스트리) 민준이는 LED를 깜빡이는 회로에 관해서 공부하고 다가오는 크리스마스를 위해 LED를 사용하여 트리를 만들고 싶다고 생각했다. LED를 이용한 장치를 설계하고 만들어보자. int led = 3; void setup() { pinMode(led, OUTPUT); } void loop() { ▲ 문제 상황 구성요소 Arduino UNO R3 LED 저항(레지스터) 수량 1 여러개 여러개 digitalWrite(led, HIGH); delay(500); 규격 220Ω digitalWrite(led, LOW); delay(500); } ▲ 구성요소 목록 예시 ▲ 아두이노 코드 예시 상황2. 햇빛에 따라 작동하는 장치(어두울 때 켜지는 조명) 지우는 방에 누워 책을 읽고 있다가 어두워져 불을 켜려고 한다. 일어나기가 귀찮은 지우는 어두울 때 저절로 켜지는 조명을 만들고 싶다고 생각했다. 조도 센서를 이용하여 햇빛에 따라 작동하는 장치를 설계하고 만들어보자. void setup() {Serial.begin(9600); pinMode(6,OUTPUT); pinMode(A0,INPUT);} ▲ 문제 상황 구성요소 Arduino UNO R3 저항(레지스터) 조도 센서 저항(레지스터) LED 수량 1 1 1 1 1 void loop() 규격 10kΩ 220Ω {int light = analogRead(A0); Serial.println(light); if(light<120) {digitalWrite(6,HIGH); } else {digitalWrite(6,LOW);}} ▲ 구성요소 목록 예시 ▲ 아두이노 코드 예시 - 48 - 차 시 3~4 반도체의 창의적 활용(문제 인식과 반도체를 활용한 창의적 전자 회로 설계 및 개선 ) ■ 학습 목표 1. 문제를 인식하고, 문제를 해결할 수 있는 전자 회로를 설계 및 개선할 수 있다. 2. 다양한 진로 분야에서 활용 방안을 발견할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 1. 반도체 소자(다이오드, 발광다이오드(LED), 광다이오드) 2. 전자 회로의 작동 원리(전압, 전류, 저항) ■ 활동지 1단계 문제 인식: 문제 상황을 찾기 자신의 관심 분야 또는 진로 희망 분야에서 전자 회로를 이용하여 해결할 수 있는 문제 상황을 찾아보자. (작성 예시) 농사를 지을 때 흐린 날에는 식물의 생장이 느려질 수 있다. 구름에 의해 흐린 경우도 있지만, 최근에는 대기 오염에 의해 햇빛의 양이 줄어드는 경우도 많이 발생한다. 식물의 생장을 돕기 위해 일정한 밝기를 유지하는 장치를 만들고 싶다고 생각했다. 해결하고 싶은 문제 상황 2단계 역할 분담 문제 해결을 위해 필요한 역할을 토의하여 정리하고, 각자 자신의 역할을 선택해보자. 1. 필요한 역할: 예시) 물리학자, 전자공학자, 컴퓨터공학자(프로그래머), 디자이너, 최고 창의성 책임자(CCO, chief creative officer) 등 2. 역할 분담 모둠원 이름 역할 김OO 물리학자 최OO 전자공학자 박OO 컴퓨터공학자 정OO 디자이너 이OO CCO 해야 할 일 (작성 예시) 전자 회로의 작동 원리 탐구, 반도체 소자의 작동 원리 탐구 (작성 예시) 전자 회로 설계, 전자 회로 제작 (작성 예시) 문제 해결 과정 순서도 작성, 아두이노 코드 작성 및 업로드 (작성 예시) 문제 해결을 위한 디자인, 틴커캐드를 활용한 3D 디자인 (작성 예시) 작품 개선 및 발전, 창의적 아이디어 제안 및 수렴 - 59 - 차 시 반도체의 창의적 활용(반도체를 활용한 창의적 전자 회로 제작) 5 ■ 학습 목표 1. 반도체 소자를 이용하여 문제를 해결할 수 있는 전자 회로를 제작할 수 있다. 2. 제작한 전자 회로의 작동 원리를 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 1. 반도체 소자(다이오드, 발광다이오드(LED), 광다이오드) 2. 전자 회로의 작동 원리(전압, 전류, 저항) ■ 활동지 1단계 제작하기 1. 회로 제작하기 반도체 소자, 아두이노 등을 이용하여 설계한 전자 회로를 만들어보자. 2. 결과 확인 및 문제 해결 실험 및 작동 결과를 확인하고 회로를 제작하는 과정에서 발생한 문제점을 해결해보자. version 문제점 해결 방법 1 (작성 예시) 아두이노 코드가 업로드되지 않음 2 (작성 예시) LED에 불이 꺼지지 않음 3 (작성 예시) 켜지지 않는 LED가 있음 (작성 예시) 코드에 오류가 있는지 확인하고 노트북과 아두이노의 연결 포트를 확인한다. (작성 예시) 실제 환경에서 빛의 밝기에 따른 입력값 을 확인하고 아두이노 코드를 수정한다. (작성 예시) 순방향 전압과 연결 도선을 확인한다. 2단계 결과 정리 및 작동 원리 설명 1. 회로 설계, 회로 제작, 작동 원리, 코드 등을 정리하여 표를 작성해보자. ▲ 회로 설계(예시) ▲ 회로 제작 - 62 - 차 시 결과 발표 및 공유의 장 6 ■ 학습 목표 발표 및 평가를 통하여 다른 모둠의 아이디어를 공유하고 문제 해결 능력을 신장시킬 수 있다. ■ 주요 학습 개념 전자 회로, 전자 공학, 전자 시스템, 사물인터넷(IOT) ■ 활동지 1. [활동 결과 발표하기] 활동지를 바탕으로 모둠에서 제작한 전자 회로에 대해 발표해 봅시다. (발표 내용 예시) -최고 창의성 책임자(CCO, chief creative officer): 모둠의 이름, 어려웠던 점, 보완 해야 할 점, 느낀 점 등 모둠에서 제작한 전자 회로에 대한 설명 -물리학자: 전자 회로의 원리 등 -전자공학자: 전자 회로의 장단점 등 -엔지니어: 제작시 고려한 점, 제작하며 느낀 점 등 -디자이너: 전자 회로 구성의 디자인 장점, 기기의 외관 등 -컴퓨터공학자(프로그래머): 코딩 과정 등 수업 Tip  학생들이 발표를 위해 프레젠테이션 자료나 대본 작성에 시간을 쓰는 경우가 많은데 수업 차시 내에 발표 자료를 제작하는 과정은 포함되어 있지 않다. 시간이 충분하다면 발표 자료를 제작하는 시간을 추가할 수 있으나 시간이 여의찮다면 작성한 활동지를 한글 프로그램에서 [도구]-[프레젠테이션]-[프레젠테이션 실행]을 통해 발표 자료로 활용 할 수 있다. 2. [활동 결과 공유하기] 다른 모둠의 전자 회로 제작에 대한 발표를 듣고 1개를 선택하여 의견을 적어 봅시다. -우수한 점: 다른 모둠에서 제작한 전자 회로의 우수한 점과 궁금한 점 -궁금한 점 : - 64 -