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8-10차시 고등학교 교사용 교재
2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램
2014 융합인재교육(STEAM) 고등학교–설국열차 식물공장
식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기(8~10차시)
주제 개요
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식물공장(plant factory)은 지금까지 인류가 축적해 온 과학기술과 농업이 결합한 새로운 분야이자 기술이다.
식물공장은 시설 안에서 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 등 식물이 성장하는 데 필요한 환경을 인공적으로 제어하여 농산물을 생산하는 시스템이다. 식물공장에서는 날씨, 기온, 기상이변, 기후 등에 관계없이 1년 내내 안정적·계 획적으로 농산물을 생산할 수 있을 뿐 아니라 사막이나 극지 등 지역에 상관없이 식물을 기를 수 있다.
전 세계적으로 지구온난화, 기상이변, 기후변화 등으로 인하여 식량 생산에 차질이 발생한 가능성이 높아지고 있으며 이에 농산물 가격 급등과 같은 식량 관련 산업에 위험성이 증가하고 있다. 즉 이제 농업은 1차 생산만으 로는 한계가 있음을 의미한다. 이처럼 농업의 범위를 확장할 필요성이 늘어남에 따라 IT(정보통신기술), BT(
생명공학기술), IT-BT(융복합화 기술)을 융합하는 시도가 나타나고 있다. 이러한 시도의 대표적인 사례가 식 물공장이다.
식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있다는 장점 외에 LED 인공광원, 농업용 로봇, 생산 자동화시스템 기술 등 여러 과학과 기술이 복합체이다. 과학기술 분야의 최신 주요 이슈인 식물공장을 실생활 및 학교수업에 연계하여 학생들의 과학기술에 대한 흥미와 이해를 향상시키고 융합적 사고력과 문제해결력 향 상에 기여할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하였다.
고등학생용 식물공장 융합인재교육(STEAM) 프로그램의 테마는 <설국열차 식물공장>이다. 영화 <설국열차>
의 상황을 차용하여 탑승객을 위한 식량을 생산하기 위한 식물공장을 설계하고 식물 재배 계획을 세우며 작물의 생장조건을 고려하여 인공광원을 설계하고 애플리케이션으로 제어하는 활동을 구성하였다. 이러한 활동을 통 하여 생물(식물, 광합성), 물리(빛), 수학(식물의 생장조건 설계), 건축(식물공장 건축), 전자(애플리케이션), 미술(애플리케이션 화면 구성) 등 STEAM의 전 영역을 아우를 수 있게 하였다.
주어진 상황에 몰입하여 문제를 인식하고 문제해결 방안을 적극적으로 탐색할 수 있도록 제한된 상황, 즉 <설 국열차>를 제시하였다. 영화 <설국열차>는 지구온난화의 해결책으로 기대되었던 인공냉각제 CW-7의 대량 살 포 직후, 거대한 한파가 세계를 덮치면서 발생한 새로운 빙하기를 다루고 있다. 새로운 빙하기, 즉 설국에서 살아 남은 사람들이 탑승한 기차(설국열차) 안에 식물공장을 만들고, 식물을 재배하기 위한 양액 급수시스템과 조명 시스템을 설계하는 과정을 통하여 식물공장의 계획에서 운영에 이르는 전 과정을 학습하고 체험한다.
본 프로그램은 크게 3개의 단원으로 구성되어 있으며 ‘식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기’는 8~10 차시에 해당한다.
1-4차시
주제목표 : 달리는 열차 안에서 식물 기르기
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학습 목표
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생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하 며 이것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다.
설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많 은 승객들에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.
5~7차시
주제 목표 : 식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기
식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액(nutrient solution)에서 자란다. 양액 재배(nutriculture, nutri-ent solution)는 흙을 사용하지 않는 재배 방법으로 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율로 혼합하여 물에 용해 시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육환경을 인위적으로 조절한다. 식물공장 양액 급수시스템 방식을 결정하고 소형공작기계를 이용하여 식물공장 양액 급수시스템 모형을 제작한다.
8~10차시
주제 목표 : 식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기
설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성 장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사 람의 출입을 제한해야 한다. 센서, 인공광원, 인공광원 원격관리 애플리케이션이 필요하다.
내용 목표
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있다.
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 인공적인 요소로 대체하여 식물을 기를 수 있다.
∙ 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 있다.
∙ 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물재배 계획을 세우고 식물을 기를 수 있다.
∙ 광센서의 원리를 이용하여 식물을 재배하기에 적합한 인공광원을 설계할 수 있다.
∙ 설계한 인공광원을 제어할 수 있는 애플리케이션을 계획하고 제작할 수 있다.
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장개화결실에 필요한 환경요소를 찾아낼 수 있다.
과정 목표
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아낼 수 있다.
∙ 과학 및 공학적 지식을 활용하여 다양한 해결 방안을 모색하고 문제해결 계획을 세운다.
∙ 문제 해결 과정으로서의 설계를 경험한다.
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STEAM 과목 요소
STEAM 단계 요소
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□ 상황제시
설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성 장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사람 의 출입을 제한해야 한다. 사람이 접근하기 않고 식물을 재배하는 방법을 찾아보자.
창의적 설계
식물공장의 인공광원을 제어하는 광센서와 광센서를 조절하기 위한 애플리케이션 화면을 구성하고 설계한다. 빛 이 식물에 미치는 영향을 고려하여 LED조명을 이용한 인공광원을 설계하고 인공조명 1일 계획표를 작성한다. 또 한 LED 전구를 효율적으로 제어하기 위한 애플리케이션을 구성한다.
감성적 체험
광센서와 애플리케이션 설계도를 구상, 수정, 완성하는 과정에서 모둠별 협동학습을 경험하고 여러 방법으로 문 제 해결할 수 있음을 알게 한다. 모둠별 협동학습 과정에서 토의·토론, 발표, 동료평가를 활용하여 직접·간접적으 로 탐구 및 문제해결 과정에 동참하게 한다.
S 과학, 물리I, 물리II
T/E 기술/공학 A 미술 M 수학
과학 — 정보의 인식과 전달, 물리Ⅰ — 에너지의 발생, 물리Ⅱ — 빛의 이용 광센서 설계, 인공광원 설계, 인공광원 및 광센서 원격 조절 애플리케이션 설계 인공광원 및 광센서 원격 조절 애플리케이션 화면 디자인
식물 생육에 필요한 인공환경의 적정성 도출
식물 공장의 온도, 습도, 물 공급량 조도(광포화점·보상점)와 빛의 파장을 고려한 인공광원 설계
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∙ 모둠 협동학습을 동하여 서로 배려하고 협력하는 태도를 기른다.
∙ 문제를 인식하여 과학적으로 탐구하고 공학적으로 구현하는 태도를 기른다.
∙ 효율적인 문제 해결 방안에 심미적 요소를 결합하는 경험을 갖는다.
지도안 총괄표
과목 총차시 단원
교육과정
학습목표
성취기준 핵심 성취 기준
성취 수준
과학 물리I 3 과학 물리Ⅰ 물리Ⅱ 과학
물리Ⅰ
물리Ⅱ
상
중
하
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Ⅳ. 정보통신과 신소재 IV. 정보와 통신 빛의 이용
Ⅳ. 정보통신과 신소재 — 1. 정보의 처리와 발생
1. 정보를 인식하는 여러 가지 센서의 기본 작동 원리를 과학적으로 이해하고 휴대전화, 광통신 등 첨단 정보 전달기기를 통하여 정보가 다른 형태로 변환되어 전달되는 과정을 이해한다.
IV. 정보와 통신 — 1. 소리와 빛
1. 광전효과를 이해하고, 여러 가지 광센서의 구조와 원리를 안다.
2. 눈에서 색채를 인식하는 과정과 빛의 3원색의 의미를 이해하고, 영상장치에서 색을 구현하는 과정을 안다.
Ⅲ. 파동과 빛 — 2. 빛의 이용
엑스선, 감마선, 마이크로파와 같은 여러 전자기파가 실생활에서 사 용되는 예를 들 수 있다.
식물 공장에 필요한 센서의 종류가 무엇이고 어떤 원리로 작동하는 지 설명할 수 있으며 애플리케이션으로 센서가 조절되는 과정을 직 접 설계하여 설명할 수 있다.
식물 공장에 필요한 센서의 종류를 말할 수 있으며 애플리케이션으 로 센서가 조절될 수 있음을 알고 조절 과정을 이해할 수 있다.
식물 공장에 센서가 필요함을 이해할 수 있으며 애플리케이션으로 센서가 조절된다는 사실을 말할 수 있다.
1. 신호의 종류에 따라 적용되는 센서의 종류가 다름을 알 수 있다.
2. 식물을 재배하는데 인공광원이 활용될 수 있음을 이해한다.
3. 식물공장 원격관리에 활용할 수 있는 애플리케이션을 제작할 수 있다.
식물공장에 센서를 설치하고 스마트폰 애플리케이션으로 센서를 조절할 수 있음을 이해한다.
1.센서를 이용한 정보 전달 과정을 이해하고 애플리케이션으로 식물 공장에 설치한 센서를 작 동할 수 있음을 이해한다.
2.식물이 생장 조건에 필요한 빛을 인공조명으로 조절할 수 있음을 이해한다.
3.광센서가 눈의 역할을 대신해 빛을 인식하는 과정을 이해하고 애플리케이션으로 인공 광원 을 조절할 수 있다.
1. 정보의 처리와 발생 1. 소리와 빛