미래형 드론미래형 드론

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프로그램 명 미래형 드론

주 제 미래의 신재생에너지 융합 드론(동력원)

수업 목표 친환경적 에너지를 이용하는 미래의 드론을 디자인해보자.

권장 학년 / 시기 고등 1 ~ 3학년 / 2학기

총 수업시수 3차시

기술

▣ 학습활동1

- 모둠별 드론 조립하기

▣ 학습활동2

- 야외에서 드론 비행시키기

정리 ▣ 드론 비행 후, 기존 드론의 문제점 논의하기

신재생 전개 ▣ 신재생에너지는 무엇인가? 과학

미래형 드론

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▶ 드론의 동력원으로 신재생에너지를 이용할 수 있음을 알게 한다.

▶ 홍보전시관 관람과 신재생에너지 관련 자료를 통해 원리 등을 분석할 수 있다.

▶ 제시한 신재생에너지 원리를 드론과 융합하여, 미래형 드론 비전을 제시할 수 있다.

가. 주제 및 제작 의도

▣ 내용 목표

▶ 드론 비행을 통해, 기존 드론의 문제점(단점)을 말할 수 있다.

▶ 신재생에너지의 의미와 종류에 대해 알 수 있다.

▶ 신재생에너지의 원리에 대해 설명할 수 있다.

▶ 새로운 형태의 신재생에너지에 대해 파악할 수 있다.

▣ 과정 목표

▶ 드론을 조립하여, 비행 시킬 수 있다.

▶ 신재생에너지를 실생활에 접목시킬 수 있다.

▶ 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자인할 수 있다.

나. 학습 목표

▶ S : 신재생에너지의 의미와 종류, 신재생에너지의 원리 ▶ T : 드론 조립하기, 신재생에너지와 드론 융합하기 ▶ E : 드론 비행하기

▶ A : 미래의 드론 디자인하기

▶ M : 한정된 에너지량 대비 예상 비행 시간 예상하기

다. STEAM 과목 요소

상황제시(Co) : 유인 드론도 개발 중 일 정도로 드론에 대한 관심이 높아지고 있다. 그래서 드론을 직접 조립 해서 비행시켜보았다. 드론 비행시간이 10분 정도 인데, 배터리를 완전 충전 하는 데 3~ 6시간이 걸린다. 효 율성이 떨어지는 이러한 드론의 문제점을 해결할 수 있는 방법이 무엇이 있을까? 미래에는 드론이 어떠한 모 습일까?

라. 차시별 STEAM 단계 요소

▣ 1차시

▶ 창의적설계(CD) : 드론의 의미 및 동력원에 대해 탐구하기 ▶ 창의적설계(CD) : 기존 드론 조립하기(모둠활동)

▶ 감성적체험(ET) : 야외에서 드론 비행시키기

▣ 2차시

▶ 감성적체험(ET) : 전라남도 신재생에너지 홍보전시관 관람하기

▶ 창의적설계(CD) : 제시된 신재생에너지 원리 등에 대해 탐구하기(모둠활동)

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마. 차시별 교육 총괄표

차시 주제 단계 시간(분) 학습 내용

1

차시 드론이란?

도입 5 ▣ 드론은 무엇일까?

- https://www.youtube.com/watch?v=t5JgnMJzCtQ

전개 35

▣ 학습활동1(모둠) - 드론 조립하기

▣ 학습활동2(모둠) - 드론 비행시키기

정리 10 ▣ 드론 비행 후, 기존 드론의 문제점 논의

2

차시 론이란?

전개 20 ▣ 신재생에너지는 무엇인가?

- 전라남도 신재생에너지 홍보전시관 관람

정리 30

▣ 기존·새로운 형태의 신재생에너지란?

- 모둠별로 제시된 신재생에너지 중 하나를 선택하여 원리에 대해 토의 하여 탐구해본다.

3 차시

미래형 드론 디자인

전개 30

▣ 학습활동1(모둠)

- 신재생에너지 활용 시 고려 사항에 대한 논의

▣ 학습활동2(모둠)

- 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자인하기 정리 20 ▣ 디자인한 드론에 대해 모둠별로 발표하기

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바. 차시별 교수학습과정

미래형 드론

일시 장소 대상 고등 1~3 차시 1/3 수업자

주제 미래의 신재생에너지 융합 드론(동력원)

학습 목표

▶ 드론을 직접 조립하여, 비행 시킬 수 있다.

▶ 드론 비행을 통해, 기존 드론의 동력원 및 문제점(단점)을 말할 수 있다.

교육 과정

관련교과 STEAM 성취목표 STEAM 요소

과학, 기술 드론에 대한 이해 및 드론 비행 과학(S), 기술(T), 공학(E)

차시별 계획 총괄표

과정 소

주제 교수·학습 활동 STEAM

요소

학습 자료/

유의점

상황 제시 (5분)

드론이란?

▶ 드론은 무엇인가?

https://www.youtube.com/watch?v=t5JgnMJzCtQ TIP 동영상을 통해 드론에 대해 관심을 환기시킨다.

S 시청각 자료

창의적 설계 (30분)

▶ 드론은 어떻게 비행할까?

학습활동1

- 모둠별로 드론을 직접 조립해본다.

학습활동2

- 야외에서 드론을 비행시켜 본다.

TIP 드론 비행 관련 항공 법규 및 주의 사항에 대해 지도한다.

S, T, E 워크북 드론

감성적 체험 (5분)

▶ 미래의 드론은 어떤 모습일까?

S, T, E 드론

지도상의

유의점 ▶ 학습주제 해결을 위해 기존 드론에 대해서 집중 탐구 할 수 있도록 한다.

유인 드론도 개발 중 일 정도로 드론에 대한 관심이 높아지고 있다. 그래 서 드론을 직접 조립해서 비행시켜보았다. 드론 비행시간이 10분 정도 인데, 배터리를 완전 충전 하는 데 3~ 6시간이 걸린다. 효율성이 떨어지 는 이러한 드론의 문제점을 해결할 수 있는 방법이 무엇이 있을까? 미래 에는 드론이 어떠한 모습일까?

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주제 미래의 신재생에너지 융합 드론(동력원)

학습 목표

▶ 신재생에너지의 의미와 종류에 대해 알 수 있다.

▶ 신재생에너지의 원리에 대해 설명할 수 있다.

▶ 새로운 형태의 신재생에너지에 대해 파악할 수 있다.

교육 과정

과학, 기술, 미술 신재생에너지에 대한 이해 과학(S), 기술(T), 공학(E), 예술(A)

과정 소

요소

학습 자료/

유의점

신재생 에너지란?

▶ 신재생에너지는 무엇인가?

- 전라남도 신재생에너지 홍보전시관을 관람해보자.

TIP 신재생에너지 의미·종류·원리 이해에 중점을 두고 관람을 하도록 지도한다.

S, T, E, A

▶ 기존·새로운 형태의 신재생에너지란?

학습활동1

- 모둠별로 제시된 신재생에너지 중 하나를 선택하여 원리에 대 해 토의하여 탐구해본다.

( 태양광 / 수소연료전지 / 공기방울을 이용한 전기에너지 생산법 ) TIP 모둠별로 선택한 신재생에너지가 겹치지 않도록 한다.

S, T,

E, A 워크북

지도상 의 유의점

▶ 학습주제 해결을 위해 신재생에너지에 대해서 집중 탐구 할 수 있도록 한다.

(7)

주제 미래의 드론(동력원) 비전 제시

학습 목표

▶ 신재생에너지를 실생활에 접목시킬 수 있다.

▶ 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자인할 수 있다.

교육 과정

과학, 기술, 미술, 수학 신재생에너지를 동력원으로 한 미래의 드론 디자인

과학(S), 기술(T), 공학(E), 예술(A)

수학(M)

과정 소

요소

학습 자료/

유의점

미래형 드론 디자인

▶ 미래의 드론에 대해 디자인한다.

- 모둠별로 선택했던 신재생에너지를 이용하기 위해 필요한 것들 에 대해 논의한다.

- 모둠별로 선택했던 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자 인한다.

TIP 신재생에너지의 저장 장치, 한정된 에너지양 대비 예상 비행 시간 등 다양한 측면을 고려할 수 있도록 지도한다.

S, T, E, A, M

워크북 A3 싸인펜

▶ 디자인한 드론에 대해 발표해본다.

- 모둠별로 디자인한 드론의 동력원과 필요한 것, 예상 비행시간 등에 대해 발표해본다.

S, T, A, M

지도상 의 유의점

▶ 신재생에너지의 원리와 드론을 쉽게 융합할 수 있도록 모둠별 논의 시간을 충분히 준다.

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사. 평가계획

평가 영역

평가 기준

평가 방법

과정

지식 기존 드론의 동력원 및 문제점(단점)에 대해 말할 수 있다.

신재생에너지의 의미·종류·원리에 대해 설명할 수 있다. 자기평가

기능 드론을 올바르게 조립할 수 있다.

태도 미래형 드론에 대해 적극적으로 발표한다. 동료평가

결과

기능 조립한 드론을 안전하게 비행시킬 수 있다. 동료평가

기능 제시된 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자인할 수 있다. 학습 산출물

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MEMO

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일 자 년 월 일 장 소

학 년 이 름

< 1부 드론이란? >

◆ 다음 영상을 보고, 질문에 답해 봅시다.

※ 자료출처 : http://www.youtube.com/watch?v=t5JgnMJzCtQ

● 미래 이동수단으로 유인 드론이 가능할까? 유인 드론을 개발하는 데 있어, 현재

문제점은 무엇일까?

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◆ (모둠별) 드론을 조립 후, 야외에서 드론을 비행시켜 봅시다.

※ 자료출처 : http://m.blog.naver.com/sjhe8808/220395451208

◆ (모둠별) 드론 비행 후, 드론의 문제점에 대해서 말해봅시다.

드론의 비행 가능 시간이 10분 정도여서, 마음껏 비행시켜 볼 수 없다.

◆ 드론의 문제점을 해결할 후 있는 방법에는 무엇이 있을까?

드론의 동력원에 신재생에너지를 접목 ⇒ 미래형 드론 비전 제시

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< 2부 신재생 에너지란? >

◆ 신재생에너지 홍보전시관을 관람을 하면서, 아래의 빈칸을 채워봅시다.

신재생에너지

의 미 기존의 화석 연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물체 등 재생 가능한 자원을 이용하는 에너지

종 류

(신) 에너지 (3개 분야)

재생 에너지에 비해 생산 비용이 높지만, 이산화탄 소 배출을 줄이는 효과가 있음.

연료전지, (수소), 석탄 액화·가스화

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◆ (모둠별) 제시된 신재생에너지 중 하나를 선택하여, 원리에 대해 탐구 해봅시다.

[ 태양광 에너지 / 수소연료전지 / 공기방울을 이용한 전기 에너지 생산법 ]

태양광 에너지

의 미

태양으로부터 얻은 빛을 에너지로 활용하는 방식.

태양의 빛에너지를 광전효과를 이용하여 전기에너지로 바꿔주는 태양전지를 이용한 에너지.

종 류

장점

- 에너지원이 청정·무제한

- 필요한 장소에서 필요량 발전 가능 - 유지보수가 용이, 무인화 가능 - 긴 수명(20년 이상)

단점

- 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 - 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요 - 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 - 초기투자비와 발전단가 높음

태양전지

햇빛을 받을 때, 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자를 말하지만, 일반적인 표현으로 태양전지 셀, 태양전지 모듈, 태양전지 어레이(array) 등을 총칭.

셀 모듈 어레이

태양전지 발전 원리(반도체의 광전효과)

: 태양전지에 빛을 쏘이면, 전자와 정공이 발생하여 (+) 전극과 (-) 전극이 형성되고, 그 전극이 외부회로와 접속되어 있으면 전류가 흐르게 된다.

∴ 광전효과(photovoltaic effect)

- 복사 에너지가 직접 전기 에너지로 변환되는 현상. 즉, 빛을 받아 기전력이 발생하는 현상으로 보통 반도체 접합에서 볼 수 있다.

- 태양전지에는 전지를 저장하는 능력이 없고, 빛이 있을 때 전기를 생산만 한다.

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수소연료전지

의 미

수소를 산화시킬 때 발생하는 에너지를 전기로 변환시키는 배터리 석유·가스 등에서 추출된 수소를 연료로 공급해 공기 중의 산소와 반응시켜 전기와 열을 생산하는 것.

종 류

장점

- 연소생성물이 물 뿐이므로 청정·무제한 - 지구의 물질 순환을 어지럽히지 않음.

- 석유에 대신하는 유체에너지

- 연료전지 연료원으로서 고효율에너지

단점

- 가볍고 확산속도가 크고 누설하기 쉬움.

- 점화에너지가 작고 착화하기 쉬움.

- 단위질량당의 발열량은 높지만 단위체 적당의 발열량이 낮다.

수소 연료전지 전기발생

원리

① 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해

② 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동

③ 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생

④ 공기극에서 수소이온과 전자, 산소가 결합해 물이 된다.

양극반응 음극반응

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공기방울을 이용한 전기에너지 생산법

의 미 자기유체(전기가 흐를 수 있는 액체)에 공기방울을 주입하여 전자기 유도 현상에 기반하여 전기에너지를 생산

종 류 장점

- 기존 재생에너지 방법과 비교해 환경 파괴가 낮음 - 매우 간단한 장치로 구현이 가능한 새로운 형태의 친

환경 에너지 생산방법 단점 - 아직 실험 단계임.

전기발생

원리 자기유체를 통과하는 공기방울에 의해 전기에너지가 생산됨

※ 자료출처 : (논문명) Ferrohydrodynamic energy harvesting based on air droplet movement

자기유체에는 나노사이즈의 산화철 입자가 분산되어 있어서 외부자 기장 하에서 자기유체는 마치 고체 자석과 같은 거동을 보인다. 이러 한 자기 유체에 마이크로 리터의 공기방울이 지나가게 되면 분산되 어 있는 산화철입자가 움직이게 되고 이를 통해 자기유체의 자기장이 변화되게 된다. 코일 내에서 자기유체의 자기장이 시간에 따라서 변화 되게 되면 코일에 유도기전력에 의해 전기에너지가 발생하게 된다.

∴ 전자기 유도현상(electromagnetic induction) : 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때, 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상

∴ 자성유체(ferrofluid) : 액체 속에 자성분말을 콜로이드 모양으로 안정·분산 시킨 다음 침전이나 응집이 생기지 않도록

계면활성제를 첨가한 유체

∴ 유도 기전력(induced electromotive force) : 전자 유도 작용에 의해서 발생하는 기전력.

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< 3부 미래형 드론 디자인 >

◆ (모둠별) 2부에서 선택한 신재생에너지를 동력원으로 한 드론을 디자인 해봅시다.

고려사항 1) 동력원의 원리 2) 동력원 저장 관련 사항 3) 드론의 적절한 사용처

4) 한정된 에너지양 대비 예상 비행시간 등.

동력원 예 시

태양광 에너지

※ 자료출처 : http://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20150522000128

수소연료전지

※ 자료출처 : http://techholic.co.kr/archives/33883

공기방울을 이용한

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교사지도자료(읽어보기)

드 론

드론(Drone)은 사람이 타지 않은 무인 항공기(무인 비행기)를 말한다. 사람이 타지 않고 무선 전파나 지상에서 조종하는 데 벌이 윙윙거리는 소리와 비슷하다는 뜻에서 드론이라는 이름이 붙여졌다.

처음에는 군대에서 무인 정찰이나 폭격, 연습용 표적으로 개발됐지만, 최근에는 위성항법장치(GPS) 와 센서, 카메라 등을 장착한 민간용 드론이 개발되면서 이용 범위가 확대되고 있다. 최근에는 무인으로 임무를 수행하는 기계장치를 통칭해 드론이라고 통칭하고 있다. 물 속에서 무인으로 임무를 수행하는 어뢰, 잠수정 등도 수중드론이라고 부른다.

드론이란?

1 ·물체가 뜨는 원리 : 공기역학

프로펠러의 회전으로 공기 흐름이 빨라지면 기압이 센 아래쪽 공기가 위로 위동하면서 물체를 뜨게 한다.

·날개가 짝수 : 작용-반작용 원리

헬리콥터에서 멀티콥터까지 회전익기의 프로펠러는 짝수다. 뉴턴역학 제3법칙(작용-반작용 원리) 때문이다. 꼬리 프로펠러는 작용-반작용 원리에 따라 동체가 회전하지 못하도록 잡아주는 동시에 방향을 바꾸는 역할을 맡는다.

헬리콥터와 새 등 하늘을 나는 모든 비행체에 적용되는 힘도 짝수다. 양력(lift : 위로 들어 올리는 힘), 추력(thrust : 앞으로 밀어내는 힘), 항력(drag : 공기가 뒤로 끄는 힘), 중력(weight : 지구가 당기는 힘) 4가지 힘이 작용한다. 메인 프로펠러가 공기를 휘저어 일으키는 양력이 중력보다 크면 동체가 떠오 르고 추력은 프로펠러를 회전시키는 로터를 앞으로 기울이거나 프로펠러의 각도를 조절하면 생긴다.

드론의 비행 원리 2

비행금지구역은 항공법에 의해 법적으로 비행이 금지된 구역으로, 이 지역에서 드론(취미용드론 포함)을 날릴 경우 지방항공청 또는 국방부의 허가가 필요하다.

·항공법상 비행금지구역(2015.5.30. 기준)

1. 서울시 대부분, 휴전선 인근, 기타 지정된 비행금지구역 2. 전국 비행장(민간공항, 군공항) 반경 9.3km 이내 3. 모든 지역에서 150m 이상의 고도

비행금지구역

3

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교사지도자료(읽어보기)

신재생 에너지

신재생 에너지는 기존의 화석 연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물체 등 재생 가능한 자원을 이용하는 에너지다. 우리나라에서는 ‘신에너지 및 재생 에너지 이용·개발·보급 촉진법’에 의하여 태양열, 태양광 풍력, 지열, 생체량(바이오매스), 소수력, 해양 에너지, 폐기물 에너지, 연료전지, 석탄 가스화·액화, 수소 에너지가 신재생 에너지로 지정되어 있다. 신재생 에너지를 아래와 같이 크게 신 에너지와 재생 에너지로 구분할 수 있다.

·신 에너지(3개 분야)

- 재생 에너지에 비해 생산 비용이 높지만, 이산화탄소 배출을 줄이는 효과가 있음.

- 종류 : 연료 전지, 수소, 석탄 액화·가스화

·재생 에너지(8개 분야)

- 자연계에 존재하는 에너지로 무한하게 공급 가능함.

- 종류 : 태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물

신재생 에너지란?

1 신재생 에너지의 종류 2

구분 에너지원 개 요

수 소 에너지

수소를 기체상태에서 연소시 발생하는 폭발력을 이용하여 기계적 운동에 너지로 변환하여 활용하거나 수소를 다시 분해하여 에너지원으로 활용하 는 기술

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신재생 에너지의 장·단점 3

구분 에너지원 개 요

태양열 에너지

태양열이용시스템(집열부, 축열부 및 이용부로 구성)을 이용하여 태양 광선의 파동성질과 광열학적성질을 이용분야로한 태양열 흡수·저장·

열변환을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술

풍 력 에너지

풍력발전시스템(운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치 및 제어 장치로 구성)을 이용하여 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생하는 유도 전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

해 양 에너지

해수면의 상승하강운동을 이용한 조력발전과 해안으로 입사하는 파랑 에너지를 회전력으로 변환하는 파력발전, 해저층과 해수표면층의 온도 차를 이용, 열에너지를 기계적 에너지로 변환 발전하는 온도차 발전

수 력 에너지

개천, 강이나 호수 등의 물의 흐름으로 얻은 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 발생시키는 시설용량 10,000kw이하의 소규모 수력발전

지 열 에너지

지표면으로 부터 지하로 수m(미터) 에서 수㎞(킬로미터)깊이에 존재하는 뜨거운 물(온천)과 돌(마그마)을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지를 이용 하는 기술

바이오 에너지

태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비 하여 생성되는 모든 생물 유기체(바이오매스)의 에너지

폐기물 에너지

사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐 기물을 열분해에 의한 오일화기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수기술 등의 가공·처리 방법을 통해 연료를 생산

장 점 단 점

·자원의 해외 의존도를 낮춘다.

·고갈되지 않고 지속적으로 사용 가능하다.

·탄소 발생량이 적다.

·환경 보호가 가능하다.

·높은 설치 비용과 낮은 수익률

·경제적 효용이 낮다

·설치를 위한 지리적 조건이 까다롭다.

※ 자료출처 : 에너지관리공단 신재생에너지센터

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