나. 진공튜브트레인
Ⅴ. 새로운 도전
우리는 이 활동에서 태양돛의 효과에 영향을 줄 수 있는 변수를 확인하고 그 에 따라 효과적인 바람돛을 만들어 보았습니다. 또한, 바람돛 경주 결과를 바탕 으로 태양돛의 경우에는 어떠한 결과가 나올지 추리해보았습니다. 이제 실제로 태양돛을 우주여행에 활용한다고 생각해보겠습니다. 하지만 거대한 태양돛을 지구에서 우주공간으로 바로 발사하는 것은 매우 어려운 일입니다. 태양돛을 우주공간에 발사하려면 어떻게 해야 할까요? 또한 태양돛을 우주공간에서 우주 여행에 활용하기 위해서는 방향을 전환할 수 있어야 합니다. 태양돛의 운동 방 향은 어떻게 바꿀 수 있을까요?
황금백합을 좇아서
(심해탐사선)
9~10 차시
고등학교
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[교사용]
(출처: 동아일보, news.donga.com)
교사용 교재
고등학교 STEAM
황금백합을 좇아서 (심해탐사선)
1. 주제 개요
심해탐사선은 심해의 매우 큰 수 압에서 심해 조사, 광물 자원 탐사 등을 수행할 수 있는 탐사선을 말합 니다. 학생들은 압력에 대한 기본 개 념을 갖고 있어야 하며, 여기에서는 유체에서의 압력과 관련한 아르키메 데스 법칙과 파스칼 법칙을 이해하 고 이로부터 수심이 증가할 때 수압 이 증가하는 원리를 정량적으로 이 해하고 있어야 합니다. 이 과정에서 심해 탐사와 관련된 “해저 2만리” 및
“황금 백합” 등을 참고합니다. 이러 한 원리의 이해를 바탕으로 학생들 은 좀 더 효과적으로 수압에 저항할 수 있는 탐사선을 조사하여 토론하 고, 심해에서 수심을 조절할 수 있는 기능을 설계하고 실험해보는 경험을 갖게 될 것입니다. 이러한 경험을 통 해 학생들은 지식의 내면화와 창의 적 설계 및 자아효능감을 체험하게 될 것입니다.
우주와 더불어 심해는 인류가 아직 정복하지 못한 마지막 대상입니다. 잠수함이나 잠수정과 같이 바다 속을 여행하거나 탐사할 수 있는 탈것은 현대 기술로 비교적 쉽게 개발할 수 있으나, 심해에서 운행할 수 있는 탐사선을 개발하는 것은 매우 어려운 일입니다. 바다에서 수심이 10m 깊어질수록 수압이 약 1기압씩 증가하여 수심이 2천m를 넘는 경우 특별하게 고안된 심해 전용 의 잠수정이 아니면 접근이 어렵기 때문입니다.
2012년에는 영화 ‘타이타닉’의 감독인 제임스 캐머런이 1인용 잠수정을 타고 수심 10,818m까 지 잠수한 적이 있습니다. 심해에 내려갔다 오는 것과 심해에서 탐사와 개발 활동을 하는 것은
기술적으로 매우 큰 차이가 있습니다. 한 차례의 잠수는 쉽지만 지속적인 활동을 위해서는 훨씬 더 기술적으로 진보해야 합니다.
현재 미국, 프랑스, 일본, 중국과 같은 일부 심해탐사 선진국만이 심해 잠수정을 개발하여 활 용하고 있습니다. 해양수산부는 2013년 4월에 수심 6000m급 한국형 유인잠수정을 2020년까지 개발하겠다고 밝혔습니다. 하지만 심해탐사선은 아직 시험 운용 단계에 있으며 심해 탐사를 위 해서는 아직도 해결해야 할 것이 많습니다.
이 주제에서는 21세기의 새로운 탈것이 될 심해탐사선의 배경 과학 원리 및 공학적 설계를 공부하고 수행함으로써 바다에서 수압과 부력은 어떻게 작용하는 것이며, 이것을 극복하기 위한 심해탐사선의 설계는 어떠해야 하는지를 다루어보도록 하였습니다.
이를 위해 학생들은 압력과 유체 속에서의 압력, 파스칼의 원리 등에 관하여 선수학습을 수행했어야 합니다. 이 주제에서는 유체 속에서 수심에 따라 수압이 달라지는 원리를 활용 하여 심해에서의 수압을 계산할 수 있어야 하고, 그처럼 깊은 바다에서 활동해야 할 심해 탐사선이 높은 수압을 버티기 위하여 갖추어야 할 조건들에 대해 생각해보도록 합니다.
활동은 심해탐사선이 부력을 이용하여 수심을 조절하는 내용에 초점을 맞추었습니다. 학 생들이 모둠별로 특색있는 심해탐사선의 모형을 만들고 이것을 이용하여 수심을 조절할 수 있는 공학적 설계를 수행하고 그 결과로 제작을 수행하여 성능을 시험해 보는 과정으로 이 루어져 있습니다.
2. 학습 목표
○ 내용 목표- 힘과 유체 속에 있는 물체에 작용하는 부력의 크기와 비중의 개념을 정량적으로 이 해한다.
- 심해탐사선의 수심을 조절하기 위한 효과적인 방법을 고안하고 설계한다.
- 수압에 잘 버틸 수 있는 효율적인 탐사선을 제작하고 공학적 관점에서 성능을 개선 할 수 있다.
- 탐사선의 성능을 비교하고 어떠한 요인이 그것에 영향을 주었는지 확인하고 평가한다.
○ 과정 목표
- 주어진 상황과 조건을 이용하여 최선의 방법을 고안해 낼 수 있다.
- 프로젝트 학습과정을 통하여 소통과 협력을 체험한다.
- 새로운 교통수단이 가진 문제 해결 과정을 통하여 주어진 상황에 대하여 공학적 접근을 수행할 수 있다.
3. STEAM 과목 요소
○ S : 유체 속에서의 압력과 부력 ○ T/E：탐사선의 수심 조절 기능 창안
○ A：탐사선과 탐사선의 수심 조절 장치 설계 ○ M：심해에서 수압의 계산
4. STEAM 단계 요소
○ 상황제시“황금 백합” - 사라진 대규모 금괴를 찾아
언론인 스털링 시그레이브가 저술한 ‘일본인도 모르는 천황의 얼굴’이란 책을 보면 자못 흥미로운 대목이 나온다. 일명 ‘황금백합’ 작전. 이는 일본이 제2차 세계대전중에 아시아 각국에서 금, 다이아몬 드를 비롯한 각종 보물과 유물을 조직적으로 약탈한 작전을 일컫는다. 작전을 주도한 인물은 히로히 토 천황의 동생인 치치부 왕자로 소개돼 있다. 1970년대 필리핀 마르코스 정부가 인양한 보물선 나지 이호도 치치부 왕자가 숨긴 172개 비밀벙커와 보물의 일부라는 것이다.
특히 일본은 패망 직전인 1945년 5월초부터 6월까지 자국의 전후 재건사업을 위해 중국에서 집중 적으로 약탈을 시도했던 것으로 전한다. 일본은 이렇게 약탈한 보물을 잠수함 26척을 동원해 부산항 군용 우암역 근처로 옮겨놓았지만, 연합군의 해상장악으로 일본 본토로 운반하기 어려워지자 엄청난 양의 보물을 부산에 그대로 숨겨놓았다고 한다.
(출처: 주간경향, 2005/08/23 www.wkh.kr)
창의적 설계
자기주도적
학습 유체에서 부력의 발생 원리, 수심에 따른 압력 변화의 원리 등 탐구 문제발견 및
정의 심해의 수압 및 내수압 설계, 수심 조절을 위해 필요한 변수의 동정 및 활용 아이디어 발현 수심 조절에 영향을 줄 것으로 판단되는 변수들의 조작
학습 방법 자료조사, 분석, 토의 등을 통하여 심해탐사선의 수심 조절에 영향을 주는 변수를 동정하고 각 변수의 효과적 조건 탐색
과정, 활동 중심
심해탐사선의 수심 조절 효과에 영향을 주는 변수와 각 변수의 조건을 탐색해 가 는 과정에서 협업의 정도와 각자의 역할 수행 정도
다양한 산출물 다양한 변수의 동정 및 그를 바탕으로 한 다양한 설계의 구안 협력 학습 역할 분담과 토의를 통한 의사소통과 협력학습 도모
감성적 체험
몰입 효과적인 수심 조절 기능의의 개발을 위한 설계 과정에서의 몰입
Hands-on 실제 실험을 수행하가면서 다양한 설계에서 수심 조절의 효과가 어떻게 달라지는 지 확인하고 피드백을 가하는 과정의 체험
성취의 경험 자신이 설계하고 제작한 수심 조절 기능의 효과를 확인하는 과정을 통한 성취의 경험
배려 다른 모둠의 설계의 장단점을 비교하고 토의하는 활동을 통하여 상호 설계의 장점 과 단점의 결합을 추구
새로운 도전 심화 읽기 자료를 통해 복사압에 관련된 다양한 과학 현상을 이해하고 관련 진로 를 탐색함
자기 평가 목표를 활용하여 활동에서 자신의 활동을 평가하고 스스로 피드백하는 과정을 수행 함
역사소설에나 나올 법한 이야기입니다. 그로부터 70년 가까이 지난 현재, 이 황금백합을 쫓는 사람들이 당시 매장된 보물의 실마리를 찾아 다니고 있습니다. 실마리는 또다른 실마리를 암시하고 그 실마리는 또다른 실마리를 암시합니다. 오랜 세월 끝에 그들은 결국 부산에서 일본에 이르는 동해의 수심이 깊은 곳에 당시 황금을 운반하던 선박이 침몰해 있다는 실마리를 얻게 됩니다. 이 실마리는 매우 유력하고 실 제 보물이 묻혀 있을 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있습니다.
그러나 한 가지 문제가 있다. 수심이 2천m를 넘어 심해 잠수정이 아니면 접근이 어렵다는 점입니다.
바다에서는 보통 10m 깊이가 증가함에 따라 수압이 1기압씩 증가하므로 심해에서는 수압이 매우 높습니 다. 심해 잠수정은 미국과 프랑스 및 일본을 비롯한 일부 심해 탐사 선진국에서 개발하여 활용하고 있으 나 우리나라에서는 아직 시험 운용 단계에 있습니다. 문제는 바로 여기에 있습니다. 황금이 침몰한 해역 에 대한 정보가 일본에 유출된다면 일본이 앞선 심해 탐사 기술을 활용하여 조직적으로 공해상에 위치한 이 해저를 탐사할 가능성이 있기 때문입니다. 황금백합을 쫓는 사람들은 일본이 실마리를 찾아 내기 전 에 심해 탐사선을 개선하여 서둘러 황금을 찾아내려고 합니다.
○ 창의적 설계
○ 감성적 체험
과목 과학, 기술 총차시 2
단원 에너지
교육과정
<2009 개정 교육과정 물리II 힘과 에너지의 이용>
- 깊이에 따른 유체의 압력 변화를 정량적으로 알게 하고, 이로부터 유체 속에 있는 물체에 작용 하는 부력의 크기와 비중의 개념을 정량적으로 알게 한다. 파스칼의 원리를 알게 하고, 이를 바 탕으로 유체를 이용하여 큰 힘을 얻는 장치의 작동원리를 이해하게 한다. 실생활에서 부력과 유 체의 압력을 이용한 다양한 응용에 대해 알게 한다.
<2009 개정 교육과정 기술가정 기술의 세계>
- 기술 혁신과 발명, 기술 연구 개발 활동이 인류와 사회에 미친 영향을 이해하고 평가하며, 제도 와 설계의 기초적 이해를 통해 창의 공학 설계의 개념을 습득하여 기술적 문제를 창의적으로 해 결하는 능력과 설계능력을 기를 수 있다.
- 정보 통신 기술, 우주 항공 기술, 바이오 기술, 로봇과 자동화 기술 및 환경과 건설 기술의 동향 을 이해하고, 미래 사회에서 이러한 기술의 영향을 예측하고 평가하며, 미래 기술 사회의 직업을 탐색할 수 있으며, 융합적 기술 문제를 체험적으로 해결할 수 있다.
<2009 개정 교육과정 화법과 작문I 수용과 생산>
- 개인적, 사회적 관심 분야에서 다양한 화제를 쉽하고 탐구한다.
- 의사소통의 목적과 참여자의 특성을 고려하여 내용을 생성한다.
- 담화 유형, 화제 특성, 상황에 알맞게 내용을 조직한다.
- 배경 지식, 경험, 추론을 바탕으로 담화의 내용을 재구성한다.
- 화법이 의미의 교섭 과정임을 알고 협력적으로 의미를 구성한다.
<2009 개정 교육과정 미술 조형요소와 원리>
- 조형요소와 원리를 탐색하여 표현한다.
학습목표
1. 유체 속에 있는 물체에 작용하는 부력의 크기와 비중의 개념을 정량적으로 이해한다.
2. 심해탐사선의 수심을 조절하기 위한 효과적인 방법을 고안하고 설계한다.
3. 심해탐사선의 수심 조절 장치를 이용하여 수심을 조절하는 과정을 수행하고 각 방 법의 장단점을 비교하고 개선을 도모한다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(‣) 및 유의점(※)
<상황 제시>
황금 백합 (15분) (1/2차시)
상황제시
- “황금 백합”을 소재로 하여 일제 강점기에 군국주의 일본이 조선과 중국 및 필리핀 등지로부터 수집한 황금을 운반하던 과정에서 선박이 좌초하면서 심해 에 가라 앉은 선박을 다양한 실마리를 이용하여 찾 는 과정을 시나리오로 제시합니다.
- 황금 사냥꾼들이 황금 백합의 실마리를 찾아다닌 지 몇 십 년 만에 드디어 마지막 실마리가 해독되어 수심 2천 미터 이상의 심해에 황금 선박이 침몰되어 있으나, 정 보가 유출될 수 있어, 심해 탐사 기술에서 우위를 차지
- 학생들이 역사적 상황으로부터 관심을 갖도록 하되 민족 감정 으의 측면에서 접근하지 않도록 하는 것이 좋습니다. 관심의 실 마리를 끄는 데에만 역사적 상 황을 이용하는 것이 좋습니다.
- 미스테리한 금괴 실종 사건과