mission
출원번호 10- 2013-00001 출원인
1. 주제 개요
가. 더 빠르게 더 빠르게 !
빠른 교통수단을 만들 때 가장 큰 장애 요소는 무엇일까요? 바로 마찰력입니다. 마찰력 은 물질과 물질사이의 접촉면에서 운동방향과 반대방향으로 작용하는 힘을 말합니다. 즉 교통수단이 공기 중에서 질주하게 되면 공기와 교통수단사이의 마찰력이 교통수단의 운 동을 방해하게 됩니다. 이러한 마찰력은 교통수단의 속력에 영향을 주고, 에너지 효율을 낮추며, 소음과 같은 여러 가지 환경문제도 일으키게 됩니다. 비록 작은 공기마찰이라 하 더라도 속력이 높아지면 엄청난 마찰로 바뀌고, 이로 인해 많은 열까지 발생하여 차체를 손상시키게 됩니다. 그리고 마찰은 더 많은 에너지를 소비하게 하여 교통수단의 경제적, 환경적 효율을 저하시킵니다. 그렇다면 마찰을 없앨 수 있는 방법은 없을까요? 만약 그렇게만 된다면 현재의 교통시스템을 완전히 뒤바꿀 엄청난 변화의 기회가 될 것입니다.
따라서 현재 마찰을 없애는 연구가 꾸준히 진행되고 있 습니다. 최근 ‘엘론머스크’ 테슬라 회장은 회사의 홈페이 지를 통하여 ‘하이퍼루프’를 소개하며 고속전철보다 건설 비가 저렴하고 속도는 고속전철의 2배 이상 즉, 1000Km/h 가깝게 낼 수 있는 진공튜브열차의 개념을 발 표했습니다. 하이퍼루프의 원리는 거의 진공상태와 가깝게 유지되는 터널 속을 자기부상 된 캡슐이 총알같이 이동하는 개념입니다. 이 계획에 따르면 28명의 승객을 태운 밀봉된 캡슐이 로스앤젤레스~샌프란시스코 구간을 2분 단위로 출발하고, 피크타임엔 30초 단위로 출발합니다. 머스크가 생각하는 하이퍼루프 건설비는 75억 달러(약 8조3688억원)정도이며, 캡슐과 모터보다는 대부분 튜브에 돈이 많이 들어간다고 합니다. 캘리포니아 고속전철 건 설비가 700억~1000억 달러라고 합니다. 만약 이러한 구상이 현실화 될 수 있다면 육지 사 이에 운항하는 항공 산업뿐만 아니라 철도, 도로교통의 변화는 피할 수 없게 될 것입니다.
특히 하이퍼루프는 튜브에 태양열 집열판을 설치하여 그 에너지를 이용해 압축공기를 만들 고, 태양광에너지가 부족한 시점에 압축공기를 이용하여 전력을 생산하기 때문에 유지비가 많이 들지 않는다는 장점도 있습니다.
<전신수영복>
출처: 스포츠동아
<베어링>
출처: www.si-nitride.kr
나. 속력의 최대의 적 마찰력
지금은 금지되었지만 올림픽 수영경기에서 전신 수영복이 유행한 적이 있습니다. 전신 수영복이 등장하기 전까지는 수영복을 최대한 작게 만들 어 물과의 마찰을 줄이려고 노력하였습니다. 그런데 1998년 아디다스사 에서 피부보다 마찰력이 덜 작용하는 전신 수영복을 개발 한 후 수영선 수들은 너도나도 전신수영복을 착용했고, 그 결과 새로운 기록들이 무더 기로 쏟아졌습니다. 하지만 그러다보니 스스로의 노력보다는 과학의 힘 에 의존한다는 비판을 받게 되었고, 따라서 올림픽 및 국제 대회에서는 전신 수영복의 착용이 금지되었습니다. 이처럼 마찰력은 속력 경기에서 매우 중요한 요소로 작용합니다.
마찰력은 물체끼리 접촉하는 면적과 접촉면의 재질과 관련이 있습니다. 접촉하는 면이 거칠고, 면적이 넓다면 마찰력은 커집니다. 이와 반대로 접촉하는 면이 적고, 접촉면이 매끄럽다면 마찰력은 작아집니다. 그 러나 마찰력은 우리 생활에 많은 도움을 주기도 합니다.
우리가 걸을 수 있는 것은 다름 아닌 발과 지면과의 마찰 력 때문입니다. 또 무거운 책을 손에 들지 않고 어깨에 맬 수 있는 것도 가방끈과 어깨의 마찰력 때문입니다. 컵 을 손에 쥐고 편하게 물을 마실 수 있는 것도 역시 마찰
력 때문이고요. 하지만 앞서 본 것처럼 마찰력을 줄여야 할 때도 많지요. 자동차의 엔진에 서 만들어진 회전력을 바퀴에 전달할 때 엔진의 회전축과 바퀴의 회전축을 연결합니다. 이 때 회전축의 마찰을 줄이기 위해 회전축에 베어링이라고 하는 구슬이 들어있는 틀 위에 놓 습니다. 베어링 속에 작은 구슬이 들어있어 축이 잘 굴러가서 마찰력을 줄입니다.
2. 학습 목표 ○ 내용 목표
- 힘과 운동의 관계를 설명할 수 있다.
- 물체에 작용하는 마찰력을 줄이는 방법을 설명할 수 있다.
- 마찰력을 줄이는 예를 일상생활 속에서 찾을 수 있다.
○
과정 목표- 주어진 상황과 조건을 이용하여 최선의 방법을 고안해 낼 수 있다.
- 프로젝트 학습과정을 통하여 소통과 협력을 체험한다.
- 교통수단이 가진 문제 해결 과정을 통하여 주어진 상황에 대하여 공학적 접근을 할 수 있다.
<배가 아파요>
<즐거운 여행>
3. STEAM 과목 요소
○ S : 마찰력과 운동 상태의 변화
○ T/E：섬과 섬을 이어주는 새로운 안전하고 빠른 교통시스템 창안 ○ A：고속 해양 교통시스템 설계
○ M：새로운 교통시스템 평균 속력 계산
4. STEAM 단계 요소 ○ 상황제시
병욱이는 우리나라에서 아름답기로 유명한 다도해의 한 섬으로 여 름휴가를 떠났습니다. 병욱이가 도착한 섬은 작지만 매우 아름다 웠고, 물고기가 많아 휴가지로서는 최적의 장소였습니다. 병욱이는 오늘도 직접 잡은 신선한 물고기로 배불리 밥을 먹었습니다. 밥도 배부르게 먹었겠다, 병욱이는 숙소에서 뒹굴 거리며 한가로이 시 간을 보내고 있었습니다.
그런데 얼마쯤 지났을까요? 조금씩 배가 따끔거리는가 싶더니, 갑자기 아랫배에 통증이 느껴졌습니다. 설상가상 화창하던 날씨는 언제 그랬냐는 듯이 천둥 번개에 폭우까지 쏟아 지고 있었습니다. “너무 많이 먹어서 그럴 거야. 소화가 되고 나면 괜찮을 거야.” 이런 생각 을 하며 누워있는데, 바람과는 달리 배는 점점 더 아파만 왔고, 시간
이 지날수록 참을 수 없이 통증이 밀려들었습니다. “도와주세요!!” 도 저히 참을 수 없어 내지른 소리에 주인아저씨가 달려오셨고, 재빨리 마을 보건소 의사선생님께 연락을 하셨습니다. 하지만 병욱이의 상태 를 본 의사선생님께서는 심각하다며, 여기서는 치료가 불가능하니 빨 리 육지의 병원으로 가야한다고 하셨습니다. 그런데 아무리 배편을 알아봐도 굳은 날씨 탓에 도저히 운행이 힘들다는 대답만 되돌아왔 습니다. 어떡하나요? 병욱이를 살릴 수 있는 방법은 없는 건가요?
창의적 설계
자기주도적 학습 •스스로 문제를 발견하고 문제의 해결책을 제시
문제발견 및 정의 •악천후에 외딴 섬에서 환자가 발생한 상황을 고려하여 새로운 교통시스템 개발 아이디어 발현 •물의 마찰력을 극복하고 악천후에도 운용 가능한 교통시스템에 대한 아이디어
학습 방법 •미션을 해결하기 위한 과학, 기술, 미술, 사회의 학문적 요소를 자기주도적으로 학습할 수 있는 기회 제공
과정, 활동 중심 •미션을 해결하는 프로젝트 활동을 수행 다양한 산출물 •모둠 또는 개인적인 교통시스템 산출
협력 학습 •토의 및 프로젝트 학습을 통한 역할 분담 및 협력
감성적 체험
몰입 •자신에게 일어날 수 있는 문제를 해결하기 위한 과정에서 몰입 경험 Hands-on •실제 교통시스템을 개발하는 과정에서 스스로 작업을 실시
성취의 경험 •자신이 입안한 아이디어를 실제 산출물로 제작함으로서 성취경험 체험 배려 •환자를 배려한 미션 수행과 토의와 협의 과정을 통하여 상대 배려 새로운 도전 •더 빠른 더 안전한 교통 시스템 아이디어 창안
자기 평가 •체크리스트를 통한 자기 평가
○
창의적 설계○
감성적 체험과목 과학, 기술 총차시 2
단원 힘과 운동
교육과정
<2009 개정 교육과정 과학 힘과 운동>
- 중력, 탄성력, 마찰력, 전기력, 자기력 등 여러 가지 힘의 특징을 알고, 이들이 주변의 현상을 이해하는 데 어떻게 활용되는지 이해한다.
<2009 개정 교육과정 기술 에너지와 수송기술>
- 수송기술의 발달 과정 및 우리나라 전통 수송기술을 탐색하고, 우리 생활 속에서 수송 기술의 개념, 특성, 시스템을 이해하며, 육상, 해상, 우주 항공 분야의 수송 기술의 기초적 원리와 활용 방법을 탐구하고, 이와 관련된 직업 세계를 설명할 수 있다.
<2009 개정 교육과정 사회 환경문제와 자연으로 떠나는 여행>
- 지형과 관련하여 세계적으로 유명한 관광지를 찾고, 해당 지역의 기후 특징을 설명할 수 있다.
<2009 개정 교육과정 미술 조형요소와 원리>
- 조형요소와 원리를 탐색하여 표현한다.
학습목표
1. 해상에서 마찰력을 최대한 줄일 수 있는 교통시스템 및 수단을 모형으로 제작할 수 있다.
2. 교통시스템 및 수단의 작동원리를 설명할 수 있다.
흐름 문제제시 제작활동 학습자료 및 유의점
상황 제시 병욱이 이야기
분 차시
상황제시
- 병욱이 이야기를 읽어보고, 선생님 또는 학생들과 이야 기해보며 상황을 분석하고 감성적 공감대를 형성한다.
- 병욱이는 어떤 상태입니까?
- 병욱이의 생명을 살리기 위해 필요한 것은 무엇입니 까?
< 감성적체험>
- 학생들이 상황분석을 하며 안타까움, 다른 사람을 돕고 싶다는 느낌과 같은 감성적 체험을 할 수 있도록 합니다.
- 상황제시에서 가장 중요한 것은 내면화입니다. 상황이 실제 자기에게 일어날 수도 있다는 생각이 들어야 적극 적인 자세로 임하기 쉬워집 니다. 비슷한 경험을 발표해 보게 함으로서 내면화를 좀 더 쉽게 할 수 있습니다.
창의적 설계 교통시스템
구상 분 차시
우리가 해결해 보자(1. Mission 설명) - 미션에 대한 조건 및 규칙을 설명 - 제시된 규칙 이외에 학생들의 의견 수렴
우리가 해결해 보자(2.. 재료 설명) - 미션 수행에 필요한 재료를 설명
- 최대한 적은 재료를 이용하여 최대의 효율을 낼 수 있 는 시스템 및 장치를 구상할 수 있도록 지도
- 실제로 교통시스템을 건설하 거나 교통수단을 만들기 어려 우므로 실제 상황과 비슷한 상황을 만들고 상황을 해결하 게 하는 것이 중요합니다.
- 미션에 대한 정확한 이해가 될 수 있도록 충분한 설명을 해 주시고 문제 해결에 대한 발산적 사고가 이루어질 수