ⅠⅠ 서 론 서 론

(1)

“이 보고서는 2015년도 정부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

STEAM 교사연구회 결과보고서

ⅠⅠ 서 론 서 론

1 연구의 필요성

우리나라는 지금 과학인재양성을 위한 노력을 하고 있다. 과학기술시대가 요구하는 높은 수준 의 창의성과 인성을 기르기 위해서는 무엇보다도 융합적 사고를 가진 창의적 과학인재 양성이 필 요하다. 융합인재교육(STEAM)은 과학기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이고, 과학기술 기 반의 융합적 사고와 문제해결력을 배양하는 교육으로 점차 검증받고 교육현장에 적용되고 있다.

스티븐 잡스는 창의적인 사람은 경험을 연결시켜 새로운 것들을 창조해낸다고 하였으며 융 합시대를 선도할 인재는 과학기술 지식뿐만 아니라 상상력과 예술적감성까지 아우를 수 있는 능력이 있어야 한다고 말한다. 하지만 우리나라 학생들은 과학, 수학에 대한 흥미도가 낮으며 과학적 원리가 실제 적용되는 기술, 공학에 대한 인지가 부족하다고 한다. 과학에 대한 일반 적 흥미도는 57개국 중 55위에 머물고 있다고 한다(PISA 2006). 또한 수능에서도 선택과목 의 축소와 과학선택의 기피현상이 나타나고 있고 학교급이 높아질수록 과학수업에 대한 흥미 는 감소하고 있다. 초등학생의 13.7%, 중학생의 31.1%, 고등학생의 42%가 과학이 재미없다 고 응답하고 있다(곽영순 등, 2006). 그러므로 과학기술에 대한 이해와 과학에 대한 흥미를 높이기 위해 새로운 교육 패러다임인 융합인재교육(STEAM)이 필요하다. 2011년 개정 고시 된 과학과 교육과정의 목표에 STEAM을 반영하여 학교교육과정에서 운영을 추진하고 있다(교 육과학기술부, 2011). 이러한 필요에 의해 고등학교 1학년 과학 정보통신과 신소재 단원에 알 맞은 무선전력전송을 이용한 STEAM 자료 개발이라는 주제를 가지고 교육자료 프로그램을 개발하고, 적용해보고자 한다.

첨단과학이 발달하면서 개인이 휴대하는 IT 및 모바일 기기들이 증가하게 되었고 기존 전자 기기의 배터리 용량 개발 속도에 비해 소비되는 전력요구량이 급속도로 증가하게 되었다. 이 러한 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전송하는 기술에 대하여 관심이 증가하고 있고 최근 Apple이 로컬 컴퓨팅 환경에서 무선전력전송 기술을 이용한 특허를 PCT 출원하여 관심 을 끌고 있다. 그 특허 내용은 1m 내외의 여러 기기들에 근접장 자기공진을 이용하여 무선으 로 전력을 공급하는 개념이다. 또 삼성전자도 무선충전 시스템 구성에 관하여 특허를 출원하 였다고 한다. 특히 갤럭시 스마트폰과 갤럭시 탭, 노트북PC를 무선으로 동시에 충전할 수 있 는 기술로 자기공진형 무선 전력 전송 기술을 사용한다.

이와 관련된 연구를 융합 과학 속에 개발된 프로그램을 통해 자기유도형 무선전력전송의 역 사, 이론, 앞으로의 과제등을 다루어 학생들에게 첨단과학을 소개하고 과학 교육과정을 통해 배우고 체험할 수 있는 STEAM 교육자료 프로그램을 제작하고자 한다.

(2)

2 연구의 목적

본 연구는 창의적인 STEAM 교육의 수업지도안을 만드는 데 목적이 있으므로 세부적인 연구목 적은 다음과 같다.

첫째, STEAM 교육과 관련된 전문가의 워크숍을 통한 창의적 융합인재 이해를 기반으로 창 의적인 수업지도안을 개발한다.

둘째, STEAM 교육의 기초가 되는 STEM 교육을 토대로 한 교육 사례를 수집하여 체계적이 고 다양한 접근을 통한 STEAM 수업지도안을 개발한다.

셋째, 학교 현장에서 적용 가능한 STEAM 교육 프로그램을 설계하고 적용하여 학생들의 과 학 흥미도에 어떤 영향을 미쳤는지에 대해 알아보고자 한다.

넷째, 고등학교에서 STEAM프로그램의 현장 적용이 가능한지에 대한 가능성을 모색하고 실 제 적용할 수 있는 방안에 대해서 모색한다.

3 연구의 범위

동아리는 미술 동아리와 과학동아리를 대상으로 하였으며 실제 교과내 적용은 고등학교 1학년 을 대상으로 하였다.

ⅡⅡ 이론적 배경 이론적 배경

1 관련 이론 탐색

STEAM 교육 가

새로운 융합교육의 형태로 제시된 용어로 이미 미국 등 선진국에서 추구되었던 STEAM 교육 에서 더 나아가 예술과 인문사회 분야를 아우를 줄 알고 사회 시스템과도 연계할 능력을 가진 과학․기술․공학 인재양성을 위한 확장된 개념의 교육 시스템이다. 즉, STEAM은 인문사회 및 경 영, 예술 등의 모든 분야에서 과학․기술․공학적 개념으로 창의적인 글로벌 인재양성을 목표로 하 는 시스템이다. 이러한 STEAM 교육에서 내용 개발을 위한 필요 요소와 특징을 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 내용 개발에서 과학․기술․공학을 중심으로 정치, 환경, 사회, 경제, 가치 추구 등의 융합적 인 사고로 체계적으로 미래를 예측할 수 있는 활동을 만든다는 자세가 기본적으로 견지되어야 한다.

둘째, 재미있고 이해하기 쉬우면서 창의적인 교육을 위해서는 기초과학 원리에서 과학․기술․공학 까지 스토리텔링으로 자연스러우면서도 체계적으로 표현하는 기술이 필요하다.

셋째, 창의성에서 매우 중요한 요소 중 하나인 어떤 과학 원리에 대한 응용 및 적용 등에 대한 과학․기술․공학의 다양성을 학년별 학생수준과 눈높이에서 제시해 주어야 한다. 이를 통해 기초 과학의 중요성에 대한 의미를 깨닫게 하여 과학․기술․공학에 대한 확산적 사고와 같은 창의성을 유도할 수 있다.

넷째, 다양한 창의기법과 창의적 학습도구 및 창의적 체험활동의 개발이 중요하다. 특히 체험활 동에 있어서 STEAM 개념에 기반을 둔 과학 체험활동이 되도록 해야 한다.

다섯째, 학생들의 STEAM에 대한 학제 간 협동 작업 활동에 대한 종합설계 개념을 도입하고, 이를 통해 과학․기술․공학에 대한 체계적인 탐구능력과 윤리, 사회성, 협동성, 리더십, 배려심, 소 통과 공감 능력을 키워 훌륭한 인성을 가진 창의성과 실무능력을 가진 과학․기술․공학자와 및 여 러 분야에서 사회일원으로 활동할 수 있는 인재를 육성해야 한다.

여섯째, 인류가 당면한 문제를 과학․기술․공학적 지식을 기반으로 국제적 감각과 문화, 역사, 정 치, 경제, 환경 등을 고려하여 높은 윤리의식으로 해결해 줄 수 있는 융합적 사고를 가진 인재 양성을 목표로 한다.

(3)

STEAM 3대 구성요소 나

융합인재교육(STEAM) 3대 구성요소는 상황제시와 감성적 체험, 창의적 설계이다. 감성적 체 험(Emotional Touch)은 학습자들이 학습에 대한 흥미와 동기 부여를 위한 요소이며, 동시에 학습 과 문제해결에 대한 성공을 경험하게 하여 학생들이 자신감을 가진 후, 다시 새로운 문제에 도전 하는 순환적 구조를 포함한다. 창의적 설계(Creative Design)는 학습자들이 스스로 주어진 상황에 서 지식, 제출, 작품 등과 같은 산출물을 구성하기 위하여 창의성, 효율성, 경제성, 심미성 등을 발현하여 최적의 방안을 찾아 문제를 해결하는 종합적인 과정이다.

학생이 스스로 문제 해결방법을 찾아가는 창의적설계 학생이 문제해결의

필요성을 구체적으로 느낄 수 있는 상황 제시

학생 스스로, 함께 문제를 해결하였다는

성공의 감성적경험

상황제시 창의적설계 감성적체험

[그림 1] STEAM 3대 구성요소

STEAM 교육의 수업유형 다

STEAM 교육 수업유형으로는 교과내 수업형, 교과 연계 수업형, 창의적 체험활동 활용 수업형으로 나눌 수 있다.

[그림 2] STEAM 수업유형

선행연구의 분석

2

1. 교육과정 분석

가. 중학교 교육과정에서의 전기회로와 자기장 개념

가정이나 학교에서 여러 가지 전기 제품을 사용하고 있고, 매년 새로운 전자기기, IT기기 가 발명되어 생산되고 있어 전기와 관련된 영역은 자주 접할 수 있다. 그러나 학생들에게 전류 의 흐름이나 자기장이 눈에 직접 보이지 않으므로 이해하는데 쉽지 않은 교육과정이기도 하다.

특히나 휴대폰은 쉽게 접할 수 있지만 휴대폰 속에 어떤 과학적 원리가 있는지를 알고 있는 학 생들은 드물다. 그리고 스마트폰은 정보통신기기로서 전자기파에 대한 이해가 매우 중요하고 특히 이 영역은 영상 기술, 미술, 음악등 다른 교과와 밀접한 관계가 있다.

분야 중학교 1학년 중학교 2학년 중학교 3학년 비고

물질과 에너지

힘과 운동 열과 우리 생활 분자 운동과 상태변화

물질의 구성 빛과 파동 물질의 특성 일과 에너지 전환

전기와 자기 화학 반응에서의 규 칙성

여러 가지 화학 반응

생명과 지구

지구계와 자연의 변화 광합성

수권의 구성과 순환

기권과 우리 생활 소화, 순환, 호흡, 배설

자극과 반응

태양계 생식과 발생 유전과 진화 외권과 우주개발

[표 2] 중학교 과학 교육과정

중학교 교육과정에서는 전기와 자기에 대한 이해를 바탕으로 전기회로와 자기장 개념과 연계 되어 전자석의 원리를 이해하게 하였다.

과목(학년군) 기술의 세계 내용 체계

기술∙가정 (중학교 1~3학년 군)

○ 생활과 기술 - 기술과 발명의 기초 - 창의적인 제품 만들기

[표 3] 중학교 전기와 자기 관련 기술∙가정 교육과정

중학교 기술∙가정 내용 중 (4) 생활과 전기∙전자에서 여러 가지 형태로 사용하고 있는 전기∙전 자의 원리를 이해하여 전기∙전자 제품에 사용되는 주요 전자 부품을 이용하여 간단한 제품을 만들 수 있도록 안내되어 있다. 또 ‘기술의 세계’ 영역의 학습주제는 과학, 기술, 공학, 예술, 수 학 교과들과의 융합적 교육∙학습 활동을 수월하게 적용할 수 있다.

(4)

영역 내용 요소

우주와 생명

우주의 기원과 진 화

우주의 팽창, 허블의 법칙, 선스펙트럼, 우주의 나 이, 기본입자, 양성자, 중성자 원자핵의 형성, 수소 와 헬륨 원자, 우주배경복사 등

태양계와 지구

태양계 형성 과정, 태양 에너지, 지구형 행성, 목성 형 행성, 케플러의 법칙, 뉴턴의 운동법칙, 행성의 운동, 지구와 달의 운동, 자전, 공전 등

생명의 진화

원시 지구, 화학 반응과 화학적 진화, 탄소 화합물, 생명의 기본 요소, DNA, 단백질, 세포막의 구조, 유전자와 염색체, 유전 암호, 세포 분열, 유전자의 복제와 분배, 생식을 통한 유전자 전달

과학과 문명

정보통신과 신소재

정보의 발생, 센서, 디지털 정보처리, 반도체 특성, 반도체 소자, 고분자 소재, 저장 매체, 디스플레이, 정보 처리의 응용

인류의 건강과 과 학기술

육종, 비료, 식품 안전, 생태계와 생물 다양성, 첨 단 영상 진단, 암의 발생과 진단, 치료

에너지와 환경

에너지의 종류․보존․전환, 에너지보존 법칙, 에너지 효율, 화석 연료, 에너지 자원의 생성과 고갈, 신재 생에너지, 핵에너지, 지속가능 발전과 에너지

[표 4] 고등학교 과학 교육과정

고등학교 1학년 과학의 정보통신과 신소재 부분에서 반도체 부품의 특성과 신소재 및 디지털 정보처리에 관한 내용으로 전자기장의 기본 원리인 전자기 유도 현상과 RFID에 관한 원리를 이해하는 내용으로 구성되어 있다.

영역 내용 요소

운동과 에너지

힘과 운동 위치벡터, 힘과 운동, 포물선과 원운동, 운동량보 존, 관성력

열에너지 절대온도, 기체운동론, 이상기체 상태방정식, 내부 에너지, 엔트로피

전기와 자기

전하와 전기장 전위, 전기쌍극자, 평행판 축전기, 전기용량, 유전 체

전류와 자기장 전류에 의한 자기장, 자기선속과 패러데이법칙, 로 렌츠 힘

파동과 빛

파동의발생과 전달 호이겐스원리, 정상파와 공명, 굴절과 반사, 회절과 간섭, 도풀러 효과와 출격파

빛의 이용 거울과 렌즈, 광학기기, 엑선과 감마선,레이저, 편 광

미시세계와 양 자현상

물질의 이중성 풀랑크의 양자설, 빛의 입자성, 드브로이 물질파와 입자의 파동성, 전자 현미경

양자물리 불확정성의 원리, 슈뢰딩거 방정식, 파동함수, 원자 모형, 에너지 준위, 양자터널

[표 5] 물리Ⅰ 교육과정

물리 Ⅰ에서는 전기와 자기영역에서 전류에 의한 자기장을 통해 기본 원리를 이해시키고 있고 패러데이 법칙과 전자기 유도 현상을 통해 자기유도방식의 휴대폰 충전 원리를 이해하게 하였 다.

위에서 중학교, 고등학교 전기∙자기와 관련된 교육과정을 살펴본 결과 전자기유도 현상과 관 련된 내용을 살펴보면 다음과 같다.

전동기(모터)는 전기적 에너지를 기계적 운동에너지로 바꾸는 장치로 코일에 전류를 흘려줌 으로써 코일에 전자기력을 작용시켜서 회전력을 얻는 장치이고 이와 반대로 발전기는 기계적 운동에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 장치로 자기장에 변화를 주어 유도 전류를 발생시키는 장치이다.

이와 관련하여 초등학교에서는 전류가 흐르는 직선 도선 주위에 자기장이 생기는 것과 전자 석의 원리를 시작으로 고등학교에서는 전자기유도현상을 학습하게 된다. 전자기유도는 교류전 압에서의 임피던스와 관계되는 고교물리에서의 최상위 물리 개념으로 이 전자기유도를 배우기 위해서 필요한 특별한 선수학습은 없다. 하지만 중고교에 걸친 전체적인 전기와 관련된 지식이 없으면 이해하기 힘들다. 또한 2007 교육과정에서 2009 개정교육과정으로 오면서 융합형 과 학은 전류에 의한 자기장을 언급하면서 실생활에서 사용되어지는 전자기 유도에 제한되어 설명 하고 있고 2009 개정 물리Ⅰ,Ⅱ에서는 장의 개념을 도입하여 전자기 유도를 설명하고 있다.

본 자료에서는 실생활에서 많이 볼 수 있는 전자기 유도현상을 STEAM(융합인재교육)으로 재미있고 흥미롭게 배울 수 있으며 누구나가 쉽게 무선전력전송을 접할 수 있도록 제작하였 고 첨단과학을 몸소 체험할 수 있게 제작하였다.

또한, 교육과정분석에서 볼 수 있듯이 전기와 자기는 초등학교에서 배운 전류가 흐르는 전선 주위에 생기는 자기장을 고등학교 물리Ⅰ,Ⅱ에서도 배우고 학습하기 때문에 물리에서 중요한

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연도 자료명 제작자 내용 및 특징

2011 LED를 활용한 전자기유도 실험 학습자료 배주열, 김

채균 LED를 활용한 실험장치 개발 2010 MBL을 이용한 발전의 원리 김종숙 전자기유도 현상과 탐구학습자료

2009 다양한 발전방식을 통한 전기발생원리 탐 구학습 실험장치

전문명, 노 선혜

전기 발생원리 탐구학습 실험장치개 발

2009 멜로디를 싣고 가는 무선 송신기 강태교 김미화

무선통신의 송수신 원리에 대한 교 육자료

2008 자가발전에 의한 공항카트의 영상광고 시

스템 임진순 IT기술이 접목된 자가발전이 가능한

공항카트 제작 2008 자기장 변화에 의한 유도기전력의 정량적

측정에 대한 연구

노세영, 정 수황

시간에 따라 자기장을 변화시켜 유 도기전력을 측정함

영역이라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 더욱더 학생들에게 쉽게 다가갈 수 있도록 자료를 제공 해주어야 한다고 생각한다.

2. 선행연구 분석 가. 최근 선행 연구의 조사

1)검색사이트

한국교원총연합회홈페이지 http://kfta.or.kr 2) 검색결과 - 5건 검색

[표 6] 선행 연구 조사

나. 선행 연구의 분석

기존의 교육자료전의 선행연구에서는 무선전력전송과 관련된 자료가 없었다. 하지만 무선전력전 송의 기본원리라고 할 수 있는 전자기유도현상과 관련된 자료로 발전기의 원리와 유도기전력를 측정할 수 있는 자료등을 볼 수 있었다. 또한 전기, 자기와 관련된 최근 몇 년의 교육자료을 검색 해 본 결과 패러데이법칙과 관련된 내용과 전자기 유도와 관련된 자료들이 많았으며 패러데이 법 칙을 설명한 자료와 전자기유도현상을 설명하기 위한 자료들이 있었다. 주로 코일의 감은수, 자석 의 수, 유도된 전류의 측정을 하는 방법, MBL을 이용한 전자기유도를 탐구하는 학습자료이다. 대 부분의 학습자료들이 학생들에게 유의미하고 정량적으로 특정할 수 있으며 체계적인 학습자료가 되었지만, 학생들이 흥미를 가지고 사용하는데는 어려움이 있는 것 같았다. 그래서 학생들이 쉽고 재미가 있으며 구조적으로 간단하고 누구나 쉽게 제작할 수 있는 자료의 제작을 개발 방향으로 삼았다. 무엇보다도 새로운 교육 패러다임인 STEAM(융합인재교육)을 쉽게 이해하고 학생들이 융 합적 사고와 창의성을 가지고 학습할 수 있는 학습 자료가 없어서 새롭게 개발하여 제시하고자 하였다. 그리고 무선전력전송과 관련하여 첨단IT기기를 이해할 수 있는 교육자료를 만들어 전자기 유도현상에 관한 이해와 요즘 핫 이슈가 되고 있는 무선전력전송 열차와 버스, 무선충전 휴대폰에 대한 원리를 재미있고 흥미롭게 학생들이 접근할 수 있도록 제작하고자 한다.

2 실태분석

STEAM 교육 확산을 위해 2012년에 ‘STEAM 리더스쿨 (융합인재교육 연구시범학교)을 80개로 확대하여 교육의 실무적용과 더불어 피드백을 통한 종합적 실행체제를 구축하고 첨단과학 교사센 터 운영, 교사 현장 체험 연수 추진, ‘STEAM 파이오니어’ 1만명 양성을 추진하여 현장에 대한 지 원하였다. 학교현장에서는 교과간 융합형 수업이 가능한 ‘미래형 과학교실(스마트 클래스)’의 모델 개발로 전국32개교(초등 16개교, 중등 16개교)에 미래형 과학교실이 구축되었으며 이에 사용될 소 프트웨어 활용 매뉴얼 또한 함께 보급되었다. 개발된 프로그램은 한국과학창의재단 자료실에서 찾 을 수 있다. 다양한 프로그램을 소개하고 있으나 STEAM 교육이 학교현장에 안정적으로 정착되고 활성화하기 위해서는 미래형 과학교실에서만 이루어질 수 있는 디지털 세대에 적합한 수업모형 개발과 소프트웨어를 적극 활용한 구체적인 STEAM 교육 수업 방안이 제시되어야 한다. 본 교재 에서 현장의 수업에서 바로 적용할 수 있는 현실적으로 적용 가능한 소프트웨어 기반 STEAM 수 업을 안내하였다. STEAM과 SMART 교육을 병행하여 수업을 설계하고 교사들이 수업에 즉시 사 용할 수 있도록 상세한 매뉴얼을 개발하고자 하였다. 아직 다양한 프로그램이 개발되지 않은 상태 라 교육과정에 완벽하게 적용하기에는 부족함이 있을 수 있지만, 현장의 수업에서 수업도구로 활 용하면 많은 도움이 될 것이다.

(6)

ⅢⅢ

ⅣⅣ

연구의 설계 연구의 설계

1 대상 및 기간

학교 대상 기간

삼일여자고등학교 미술, 과학 동아리

1학년 전체 2015. 7 ~ 2015. 11(4개월)

2 연구 계획

일 정

수행내용

추 진 일 정

5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

무선전력전송자동 차 제작 프로그램 개발

--- --- ---

프로그램의 현장

적용 방안 연구 --- ---

현장 적용 --- --- ---

프로그램 보완 ---

효과 검증 --- ---

최종보고서 작성 ---

연구진도(%) 10 10 20 10 10 20 10 10

연구비집행계획

(천원) 3,500 1,200 500

※주요결과물 (예상되는 결과물

기재)

프 로 그 램 학습 지도안

중 간 보 고서

연구 산출물

결과 최종보고

서

3 연구의 조직

연구책임자 ․연구책임자 1명

․공동연구원 5명

․자문위원 1명 민재식

(계 7명)

프로그램 개발 연구 현장 적용 방안 연구

연 구 원 : 윤 대 혁 오 나 경 안 현 진

연 구 원 : 우 종 순 임 영 아

ⅣⅣ

ⅤⅤ

연구의 실제 연구의 실제

1 융합인재교육(STEAM) 연구를 위한 환경 조성

효과적인 STEAM을 위해서는 먼저 STEAM 교과협의회 구성, 교육과정 분석, 주제 선정, 교육과정 재편성 및 시간표 구성, 수업 지도안 작성 등의 과정을 거쳤다.

그림1. STEAM 교육 설계 절차

1. STEAM 교과협의회 구성

협력학습(Co-Work)을 통해 교육과정 내에서 STEAM을 적용시키기 위해서는 가장 먼저 해야 할 일이 참여의사가 있는 관련교과 교사들의 교과협의회 구성이다. 협의회는 STEAM교육의 취지와 방향에 대해 동의하는 관련 교과(과학, 수학, 기술․가정, 예체능 등) 교사들로 구성해야 한다. 그 리고 정규 수업시간에 적용할 때를 고려해서 동일 학년을 지도할 교사들로 구성하였다.

(7)

그림2. 협의회 구성

2. 교육과정 분석

각 과목별 교육과정을 교과서로 분석하는 것은 어렵다. 교과서가 검정제도에서 인정제도로 바뀌 면서 교과서를 분석해서 교육과정을 이해하기는 어려워졌다. 교과서는 만드는 주체에 따라 국정과 검인정으로 나뉘는데, 국정은 교과부가 공모를 하여 만들고, 검정은 출판사에서 만든 교과서를 검 정기준에 따라 한국교육과정평가원이나 관련 기관에서 검정 심사를 하는 방식이다. 하지만 인정교 과서는 시도교육청에서 검정제도보다는 간단한 심의 절차를 거쳐 인정하는 방식이다. 학교자율화 와 다양성 확대라는 취지에서 실시되는 인정 교과서에는 검정 교과서보다 교육과정이 충실히 반 영되었다고 볼 수 없다. 따라서 시중에 나와 있는 모든 교과서를 분석하는 것보다는 교육과정 자 체를 분석하는 것이 좋다. 교육과정을 분석 방법은 다음과 같은 방식으로 하였다.

그림3. 교과서 민원 바로 처리 센터 (http://www.textbook114.com/)

먼저 교과서 민원바로 처리센터에 접속해서 <교과서정보서비스>→<교육과정>에 찾고 싶은 교과 를 입력하고 검색을 클릭한다. 예를 들어 수학교과 교육과정을 알고 싶다면 검색어에 ‘수학’을 입 력하고 클릭하면 된다.

그림4. 교과서 정보서비스 절차

만일 교육과정에 대해 더 자세하게 알고 싶다면 교육과정 자체보다는 『교육과정해설서』를 통 해 교육과정을 분석하는 것이 좋다. 교육과정 해설서에는 교육과정을 만든 취지와 구체적인 지도 방안이 자세히 설명되어 있다. 교육과정과 교육과정 해설서에는 각 학년에 다루고 있는 내용 요소 에 대해 자세히 나와 있어 각 해당 과목에서 어떤 내용 요소를 적용할지에 대해 알 수 있다.

3. 주제 선정

참여하는 교사들은 각 과목의 교육과정 분석을 통해 함께 융합 가능한 주제를 선정한다. 10학년에 적용하기로 하였다면 10학년에 편성된 과목의 내용 요소를 교육과정에서 알아보았다. 이러한 방식 으로 STEAM 관련 교과 (미술, 기술․가정 등) 교육과정의 내용 요소를 고려하여 교사협의회에서 적합한 주제를 정한다. 각 과목별 내용 요소에서 융합을 위해 어떤 주제를 정하면 좋을 것인지에 대해 논의한 다음 선정하였다.

4. 교육과정 재편성 및 시간표 구성

주제가 정해졌으면 교육과정 속에서 어떻게 적용할 수 있는지를 분석하였다. 창의적 체험활동 시 간을 활용할 것인지, 정규 교육과정 속에서 적용을 시킬 것인지를 정하였다.

5. 수업지도안 작성

수업 설계는 흥미, 동기, 성공의 기쁨 등을 통해 새로운 문제에 도전하고자 하는 열정이 생기게 하는 감성적 체험이 가능하도록 구성되어야 한다. 프로그램은 먼저 전체 차시에 대한 기본 계획을 수립한다. 기본 계획을 수립할 때 내용요소는 협의회에서 함께 의논해서 정하는 것이 좋다. 기본 계획이 수립되면 각 차시별로 세부 지도안을 작성한다. 세부 지도안을 작성할 때에도 함께 모여 작성하면 더 좋은 수업 지도안을 작성할 수 있다. 또한 전체 STEAM 교육 프로그램 속 세부 지도 안에도 상황제시, 창의적 설계, 감성적 체험이 들어갈 수 있도록 하였다.

2 개발한 프로그램 제시

가. 상황제시 : KAIST에서 개발한 온라인 전기자동차의 원리 이해 (1-2차시)

KAIST에서 개발한 온라인 전기자동차와 스마트폰 무선충전기술의 원리를 통해 학생들에게 흥 미와 호기심을 가질 수 있도록 하고 첨단과학을 통해 STEAM(융합인재교육)에 적합한 융합형 지 식을 가질 수 있도록 유도한다. 한눈에 볼 수 있는 첨단과학을 통해 케이블이 없이도 충전이 가능 한 전자기 유도 현상 원리를 학생들이 필요하다는 것을 구체적으로 느낄 수 있는 단계로 자연스 럽게 무선전력전송의 원리를 이해한다.

[그림 6] 수업 장면

나. 창의적 설계 : 전자기 유도 현상 원리와 패러데이 법칙을 이용한 무선전력전송 송수신기 만들기 (3-4차시)

창의적 설계 단계는 학생들이 지식을 습득하고 과학적 원리와 기술을 이용하여 응용, 적용시켜보는

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단계이다. 먼저 수업을 통해 학생들이 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 생기는 현상에서부터 자기 장이 변화되면 코일에 유도전류가 흐른다는 원리를 배운 다음 실생활에 쓰이는 여러 물품(전동칫솔, 스 마트폰 무선충전등)을 가지고 모둠 토론을 한다. 그 결과 전자기유도 현상과 패러데이 법칙과 렌츠의 법칙을 이해하고 무선전력전송을 이용한 자동차충전소를 만들어 실제로 무선으로 전력이 전송되는지를 LED 전구를 통해 관찰한다. 더 나아가서는 무선전력전송의 용량을 크게 만들어 활용도를 높일 수 있 는 방안을 만들어 보도록 한다.

[그림 7] 무선전력전송 송수신기 제작

다. 감성적 체험 : 무선전력전송 충전소를 만들어 무선충전이 되는 과정을 시현 (5-6차시)

감성적 체험 단계에서는 학생들이 직접 조사하고 만든 무선전력송수신기를 통해 무선전력충전 소를 개발하는 탐구수행 및 발표 단계이다. 즉 무선전력전송을 이용한 전자기 유도 현상을 활용할 수 있는 방안을 구체적으로 실현한다. 무선전력전송 송수신기를 만들어 봄으로써 무선전력전송의 원리와 응용방안에 대해 생각해보고 무선전력전송충전소를 통해 무선으로 충전되는 세상을 만들 수 있다. 이 단계를 통해 학생들은 융합적 사고력과 창의력을 발휘하게 되고 흥미, 동기, 성공의 기쁨등을 통해 새로운 문제에 도전하고자 하는 열정이 생기게 된다. 그리고 이 실험 장치를 실제 교실 현장에 적용하고자 한다.

[그림 8] 무선전력전송 충전소

ⅤⅤ

연구 과제의 결과연구 과제의 결과

1 검증 계획

가) 사전 설문지 조사 실시 통계 조사 및 수업 적용 후 1차 설문조사 실시 나) 1차 조사 실시 결과를 통한 수정 보완

다) 최종 설문조사 실시 라) 경우에 따라 학생 면담 실시 2 검증 내용 및 방법

1. 검증방법

본 자료의 교육적 효과를 분석 검증하기 위하여, 수업을 적용한 후 설문조사를 실시하였다.

가. 설문 시기 : 2014. 6월

나. 표집 대상 : 울산산업고 동아리 30명, 신선여고 동아리 30명 다. 표집 방법 : 설문지법

라. 설문 목적 : 무선전력전송을 활용한 STEAM 수업의 호응도나 만족도를 파악해보고 주자료 와 보조자료를 통해 첨단과학 IT인 무선전력전송의 원리인 전자기유도 현상에 대해 관심과 흥미를 갖게 되었는지와 학습의 유의미성을 진단하는 자료로 이용할려고 실시하였다.

(9)

항 목 응답유형 ^①매우_그렇다 ^②그렇다 ^③그저_그렇다_{지 않다}^④그렇 _{그렇지 않다}^⑤전혀

1. 무선전력전송을 이용한 충전소와 자동차 수업이 전자기유도 현상을 이용한 실험이 라고 생각하는가?

10명 (16.7%)

25명 (41.6%)

19명 (31.7%)

4명 (6.7%)

2명 (3.3%)

2. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업을 통 하여 정보통신과 신소재 단원을 이해하기 쉬웠다고 생각하는가?

21명 (35%)

28명 (46.7%)

10명 (16.6%)

1명 (1.7%)

0명 (0%)

3. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험 에 흥미가 있다라고 생각하는가?

34명 (56.7%)

18명 (30%)

5명 (8.3%)

1명 (1.7%)

2명 (3.3%)

4. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 집중도가 높다 고 생각하는가?

13명 (21.7%)

26명 (43.3%)

16명 (26.7%)

3명 (5%)

2명 (3.3%)

5. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험 은 만들기가 쉽다라고 생각하는가?

14명 (23.3%)

23명 (38.6%)

15명 (24.8%)

5명 (8.3%)

3명 (5%)

6. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 물리교과의 다른 실험에도 적용할 필요가 있다고 생각하는가?

12명 (20%)

24명 (40%)

18명 (30%)

4명 (6.7%)

2명 (3.3%)

7. 무선전력전송를 이용하여 휴대폰을 충전하 는 수업 모형을 다른 교과에서도 한다면 좋다고 생각하는가?

15명 (25%)

20명 (33.4%)

12명 (20%)

10명 (16.6%)

3명 (5%)

8. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 학습 내용이 오 래 기억에 남는다고 생각하는가?

18명 (30%)

25명 (41.6%)

12명 (20%)

4명 (6.7%)

1명 (1.7%)

9. 무선전력전송를 이용하여 휴대폰을 충전하 는 실험에서 조금 아쉬웠던 점이나 개선되 어야 할 점에 대해 자유롭게 서술하여 보시 오.

① 납땜하는 것이 어려웠어요

② 부품들을 PCB기판의 40핀 구멍에 끼우는 것이 어려워요

③ 코일을 감고 난 후 테이프로 감을 때 친구의 손을 빌리면 쉽게 감을 수 있어요

④ 실제 무선으로 다니는 자동차를 타고 싶어요

2. 검증결과

1) 1, 2번 항목분석(①+② : 만족, ③ : 보통, ④+⑤ : 불만족)

17%

32% 41%

7% 3%

1. 무선전력전송을 이용한 충전소와 자동차 수업이 전자기유도 현상을 이용한

실험이라고 생각하는가?

① 매우 그렇다

② 그렇다

③ 그저 그렇다

④ 그렇지 않다

⑤ 전혀 그렇지않다

35%

46%

17% 2% 0%

2. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업을 통하여 정보통신과 신소재 단원을 이해하기 쉬웠다고 생각하는가?

② 그렇다

1, 2번 항목의 만족이 58%, 81%를, 반면에 불만족은 10%, 2%를 보이고 있어 본 자료가 전자 기 유도 현상에 의해 생기고 그 원리로 무선전력전송된 자동차가 움직일 수 있다는 사실을 자연스럽게 알게 된 것 같으며 정보통신과 신소재에 나오는 전류 주변의 자기장에 대해서도 이해 할 수 있다는 사실을 알게 된 것 같다. 특히 2번 문항에 5번이라고 답한 응답자가 없어 더욱더 이해하는데 어려움이 없었던 것 같다.

2) 3, 4번 항목분석(①+② : 만족, ③ : 보통, ④+⑤ : 불만족)

30% 57%

8%2% 3%

3. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험에 흥미가 있다라고 생각하는가?

② 그렇다

22%

43%

27%

5% 3%

4. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 집중도가 높다고 생각하는가?

② 그렇다

3, 4번 항목의 만족이 87%, 65%를, 반면에 불만족은 5%, 8%를 보이고 있어 본 자료를 통해 흥미와 집중도가 높게 나온다는 사실을 알 수가 있는데 특히 3번 문항에서 ①번항에 만 족이 높음을 알 수 있으며 이는 학생들이 휴대폰 충전을 통해 재미있어하고 즐길려고 했 기 때문이라고 생각하며 STEAM(융합인재교육) 수업이 학생들에게 재미와 흥미를 갖는 다는 것을 알 수가 있다.

3) 5번, 6번 항목 분석(①+② : 만족, ③ : 보통, ④+⑤ : 불만족)

(10)

23%

39%

25%

8% 5%

5. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험은 만들기가 쉽다라고 생각하는가?

② 그렇다

20%

39%

31%

7% 3%

6. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 물리교과의 다른 실험에도 적용할 필요가 있다고 생각하는가?

② 그렇다

5번 항목의 만족이 79%로 나왔고 6번 문항은 70%가 나왔다. 5번 문항을 통해 학생들이 본 자료 를 만드는 것에 어려워하지 않는다는 것을 알 수 있고 6번 문항에서는 STEAM(융합인재교육)으로 수업을 하면 물리의 다른 탐구실험과 관련된 부분에서 적용하면 좋을 것 같다는 생각을 학생들이 하는 것 같다.

4) 7번, 8번 항목 분석(①+②:만족, ③:보통, ④+⑤:불만족)

25%

33%

20%

17%5%

7. 무선전력전송를 이용하여 휴대폰을 충전하는 수업 모형을 다른 교과에서도 한다면 좋다고 생각하는가?

② 그렇다

30%

41%

20%

7% 2%

8. 무선전력전송을 이용한 STE AM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 학습 내용이 오래 기억에

남는다고 생각하는가?

② 그렇다

7번 문항을 보면 만족이 58%이고, 불만족이 22% 나왔다. STEAM(융합인재교육)으로 수업을 하면 과학, 기술, 공학, 예술, 수학의 어려운 과목들도 쉽게 이해하기가 쉬울 것으로 보는 것 같 다. 그리고 8번 문항을 보면 기존의 탐구실험과 달리 학생들이 직접 원리를 이해하고 제작을 해 보고 완성을 했다는 성취감 때문인지 높게 나왔다.

4 성과

1) STEAM 학술대회 및 성과회 발표

[부록 1] 설문지

무선전력전송을 활용한 STEAM 학습자료 설문지

1. 무선전력전송을 이용한 충전소와 자동차 수업이 전자기유도 현상을 이용한 실험이라고 생각하는가?...( )

① 매우 그렇다 ② 그렇다 ③ 그저 그렇다 ④ 그렇지 않다 ⑤ 전혀 그렇지 않다

2. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업을 통하여 정보통신과 신소재 단원을 이해하기 쉬웠다고 생각하는가?...( )

3. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험에 흥미가 있다라고 생각하는가?...( )

4. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 집중도가 높다고 생각하는가?...( )

5. 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험은 만들기가 쉽다라고 생각하는가?...(

)

6. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 물리교과의 다른 실험에도 적용할 필요가 있다고 생각하는가? ...;...( )

7. 무선전력전송를 이용하여 휴대폰을 충전하는 수업 모형을 다른 교과에서도 한다면 좋다고 생각하는가?...( )

(11)

8. 무선전력전송을 이용한 STEAM 수업이 기존의 수업과 비교했을 때 학습 내용이 오래 기억에 남는다고 생각하는가?...( )

9. 무선전력전송를 이용하여 휴대폰을 충전하는 실험에서 조금 아쉬웠던 점이나 개선되어야 할 점에 대해 자유롭게 서술하여 보시오.

______________________________________________________________________

설문에 응해 주셔서 감사합니다.

ⅥⅥ

ⅤⅤ

결론 및 제언 결론 및 제언

자료의 교육적 효과

가. 융합인재교육(STEAM)을 적용한 창의적 융합 교수-학습 지도안 개발 -과학, 기술, 공학, 예술, 수학과목이 활용 가능한 수업 설계

나. 과학에 흥미를 잃은 중∙고등학생들에게 감성적 체험을 통해 창의성을 발휘할 수 있는 기 회 부여와 무선전력전송을 통한 과학의 학습 효과 극대화

다. 기존의 교과서에서는 단순히 정보 통신과 전자기파, 전자기 유도에 대해서 이론적인 내 용을 강조하였지만 무선전력전송을 통한 휴대폰 충전을 통해 전자기파의 발생과 공명의 원리, 전자기유도 현상등에 대한 자세한 탐구, 실험과정이 주어져 있고 무선으로 충전되 는 유비쿼터스의 세상을 간접 경험해 볼 수 있다. 무엇보다도 막연하게 느껴졌던 무선충 전에 대한 학생들이 더욱더 호기심과 흥미를 가지게 될 것이다.

라, 무선전력전송을 통해 전류 주위에 자기장이 발생함을 이해할 수 있고 자기선속이 시간 에 따라 변화할 때 유도전류가 생긴다는 것을 LED의 밝기로 쉽게 이해할 수 있다. 또 저항, 축전기와 코일을 이용하여 전기신호의 진동수 및 크기를 조절하는 원리를 이해할 수 있고 무선통신과 방송의 원리를 알 수 있다.

마. 이공계 진출을 위한 과학의 흥미유도와 자신의 적성에 맞는 진로 탐색 기회제공 ( 전자부 품연구원을 통한 STEAM 진로형 수업지도안 참고 )

1. 일반화 방안

가. 교육적 공헌도

1) 과학교과 시간이 아닌 창의적 체험활동 시간에도 활용할 수 있다.

2) STEAM 수업을 할 수 있는 수업모형으로 학생들이 직접 만들어 볼 수 있게 함으로써 학습자의 능동적 참여를 유도할 수 있다.

3) 교사들에게 진로형 STEAM 수업지도안을 제시하여 학생들과 함께 미래의 진로를 선택 하는데 도움을 주고자 제작하였다.

나. 실용성 및 적용성

1) 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 실험KIT를 통해 학생들이 쉽게 전자기유도현상에 의 한 무선전력전송을 체험할 수 있도록 KIT화 시켰다.

2) 첨단과학이라고 할 수 있는 무선전력전송 기술을 학교 현장에 적용하여 학교에서 배운 지 식을 바탕으로 미래의 기술을 체험할 수 있게 하였다.

3) 휴대폰 충전 실험 후 전문가의 인터뷰 동영상을 통해 무선전력전송이 어떻게 개발되고 있 고 향후 어떻게 적용될 수 있는지를 넣어 미래에 대한 비젼을 제시하였다.

(12)

4) 실험 KIT 가격을 최소화하여 저렴하게 구입할 수 있다.

다. 자료의 보급성

1) 고등학교 교육과정안에서 배운 지식과 저렴하게 구입할 수 있는 실험KIT를 가지고 노작활 동을 할 수 있으며 미래의 기술을 경험하게 할 수 있다는 데 보급의 가치가 있다.

2) 보조 자료로 개발한 무선전력전송 송수신기의 회로도와 파워포인트를 활용한다면 처음 하 는 교사라 할지라도 학생들과 충분히 재미있는 STEAM 수업을 할 수 있다.

3) 학생들의 관심과 흥미를 가지고 배울 수 있도록 기존 교과서 내용을 재구성함으로써 동기 부여를 제공할 수 있다.

ⅦⅦ

ⅤⅤ

참고 문헌 참고 문헌

1. 김용숙 (2012), 제7차,2007개정, 2009 개정 중학교 과학 교육과정에 따른 물리 영역 비교 및 2009 개정 고등학교 물리 교육과정과의 연계성 분석

2. 김진수 (2011). STEAM 교육을 위한 큐빅 모형. 한국기술교육학회지 3. 이효녕 (2011). 창의적 융합 인재 양성을 위한 STEAM 교육: 미국의 사례를 중심으로. STEAM 교육 국제 세미나. 이화여자대학교(2011.6.25)

4. 이형석 (2008), “전파 수신형 무선 전력 전송에 관한 연구”, 한양대학교 5. 김용해 (2011), “자기공진형 무선 전력전송 기술”,전자공학회지 제38권 제9호

6. 임용석외 2 (2012), “자기공명기반의 모바일 단말기용 무선전력전송 기술 구현”,전자부품 연구원 7. 최승희 (2011), “자기공명 현상을 이용한 무선 전력 전송 기술의 이해 및 실험적 고찰”,과학전 람회

8. 정완호 (2011), 고등학교 과학 (주) 교학사 9. 방형찬 외5 (2011), 고등학교 물리Ⅰ (주) 천재교육 10. 방형찬 외5 (2011), 고등학교 물리Ⅱ (주) 천재교육 11. 사이언스올 에듀 과학과 교육과정

12. 임태훈외 10인 (2011), 중학교 교과서 (주) 비상교육

붙임 1. 수업지도안 양식 1부.

2. 정산보고서 양식 1부. 끝.

붙임1 수업지도안 양식

무선전력전송 자동차 제작을 통한 전자기 유도 탐구

STEAM교수학습 과정안

1. 주제 개요

무선전력전송이란 전선을 사용하지 않고 전자기파를 이용하여 송신부와 수신부 사이에 전력을 보내는 것으로 전자기유도의 기본 원리를 이용하여 모바일 기기 및 디지털 가전기기들에 대해 무선전력을 공급 하는 개념이다. 개인이 휴대하는 IT 및 모바일 기기들이 증가하게 되면서 기존 전자기기의 배터리 용량 개발 속도에 비해 소비전력 요구량이 급속도로 증가하고 있다. 또 이러한 문제를 해결하기 위하여 무선 으로 전력을 전송하는 기술에 대하여 관심이 증가하고 있어 학생들에게 유용한 교육자료가 될 수 있다.

무엇보다도 전자기유도 원리에 대해 호기심과 흥미를 가져다 줄 수 있으며 첨단과학에 대한 이해를 높 일 수 있다.

2. 학습 목표

내용 목표

• 고등학교 공통과학의 정보통신과 신소재 단원의 자기기록카드, 하드 디스크 등의 디지털 정보 장치의 원리와 구조 용도를 설명할 수 있고 물리 Ⅰ의 유도 전류의 개념을 이해하고 패러데이 전 자기 유도 법칙을 다양하게 활용하는 방법을 알게 한다. 또한, 물리 Ⅱ의 패러데이 전자기 유도 법 칙이 활용되는 다양한 적용 사례를 말할 수 있다.

과정 목표

• 하드디스크 등 여러 가지 디지털 정보저장 장치의 원리와 구조를 이해하고 자기 기록 카드 등 의 전자기적 원리와 활용 방법을 이해한다.

• 자기선속이 시간에 따라 변화할 때 유도기전력이 회로에 유도된다는 패러데이 법칙을 이해함으 로써 유도 전류의 개념을 설명할 수 있다.

• 패러데이 법칙을 이용하여 자기선속이 시간에 따라 변화할 때 회로에 유도되는 기전력을 구할 수 있다. 또, 코일에 흐르는 전류가 변할 때 자체유도와 상호유도를 이해할 수 있다.

3. STEAM 과목 요소

S : 전자기 유도, 패러데이법칙, 자체유도, 상호유도 T/E : 무선전력전송 충전 회로 및 PCB

A : 휴대폰 케이스 만들기

(13)

1차시 무선전력전송 알아 보기

과목 ^과학, 기술 수업차시 1/4

단원 ^Ⅳ.정보통신과 신소재 Ⅳ-1. 정보의 발생과 활용

교육과정

2009개정교육과정 제2부 과학과 문명 (1) 정보통신과 신소재

② 정보를 인식하는 여러 가지 센서의 기본 작동 원리를 과학적으로 이해하고 휴대전화, 광통신 등 첨단 정보 전달기기를 통하여 정보가 다른 형태로 변환되어 전달되는 과정을 이해한다.

학습목표 - 무선전력전송의 기본 원리를 알 수 있다.

학습과정 교수 ‧ 학습 활동 준비물

도입 (10분)

 무선전력전송이 무엇인지 알아보기

Co 집안에 있는 많은 전자제품들을 멀티탭에 모두 꽂아 사용하지 않고 사 용할 수 있는 방법이 없을까?

Tip! 무선전력전송이 사용되는 곳에 대해 알아 본다.

학습활동 (35분)

 모둠별로 인포그래픽 작성하기

- 스마트폰을 이용하여 무선전력전송의 기본 구조인 전자석과 전자기 유도 현상의 내용을 바탕으로 무선전력전송의 특징, 장단점, 사용되는 곳등의 주제를 정해 나타내 보고 발표한다.

ET 무선전력전송이 전자기 유도 현상이라는 것에 대해 다시 설명하여 준다.

Tip! 무선전력전송의 원리를 구체적으로 적을 수 있도록 안내한다.

마무리 (5분)

ET 발표하기

Tip! 동일한 내용이 나와도 과정을 학생들이 이해하는데 초점을 맞추도록 한다.

지도상의

유의점 무선전력전송에 대해 탐색할 수 있도록 정보를 제공한다.

교사용

1차시 무선전력전송의 원리 알아 보기

1. 무선전력전송

무선전력전송이란 전선을 사용하지 않고 전자기파를 이용하여 송신부와 수신부 사이에 전력을 보내는 것으로 모바일 기기 및 디지털 가전기기들에 대한 전력 공급의 편리성, 물과의 접촉에 의 한 배터리 방전의 위험제거, 전력 공급의 공간 제약 극복등의 장점을 가지고 있다. 무선전력전송 방식에는 크게 자기유도방식, 전자기파 방식, 자기공진 방식등이 있다. 자기유도 방식은 수 cm 이 내의 근거리에서 전력을 공급하는 방식으로 그림과 같이 무접점 충전기가 대표적인 기기이다. 스 마트폰을 무접점 충전기 위에 올려놓기만 하면 저절로 충전이 되는 방식이다. 하지만 송수신부간 거리가 너무 짧고 송수신부간 정렬이 틀어지면 전력공급이 되지 않는 불편한 점이 있다. 전자기파 방식은 RFID등에 사용되는 방식으로 장거리까지 전력전송이 가능하지만 전력 전송효율이 떨어지 는 단점이 있다. 최근에 각광받는 자기공진형 무선전력전송은 근거리( 수 cm ~ 수 m )에서 전력 을 전달할 수 있는 기술이다.

➜

2. 전자기 유도

건전지나 다른 전원장치 없이 코일의 양 끝에 검류계를 연결한 후 코일 내부에 자석을 가까이했 다 멀리했다 하면 검류계 바늘의 움직임을 볼 수 있다. 자석과 코일 중 어느 하나가 나머지에 대하 여 상대적으로 움직이면 코일에 전류가 발생하게 된다. 이러한 현상을 전자기 유도라고 한다. 이때 흐 르는 전류를 유도전류라고 하며 유도 기전력이 수립한 전류라고도 한다. 코일에 전류가 흐른다는 것은 유도 기전력이 생겼다는 것을 의미한다. 즉, 자기장의 변화가 전기장을 유도한다고 말할 수 있다.

(14)

전자기 유도

( 유도 기전력의 크기 )

전자기 유도 현상에서 자석이나 코일이 빨리 접근하거나 빨리 멀어질 때 많은 유도 전류가 발생 한다. 둘레에 도선을 N번 돌려 감으면 한 번씩 돌려 감은 모든 원형의 도선마다 기전력이 생기게 되어 이들 기전력을 더해 주어야 한다. 따라서 코일의 감은 수를 증가시켜도 많은 유도 전류가 발생 한다. 또한, 강한 자석을 사용하면 같은 시간 동안에 코일의 단면을 지나는 자기장(자기력선속)의 변화가 커지게 되어 많은 유도 전류가 발생한다.

“유도 전류의 세기는 코일의 단면을 지나는 자속(자기력선속)의 시간적 변화율에 비례하고, 코일 의 감은 횟수에 비례한다.”

이것을 패러데이의 전자기 유도 법칙이라고 한다.

식으로 나타내면 다음과 같다.

E=-N_

∆

∆=-N_

∆

∆

여기서 (-)는 자속의 변화에 반대하는 전류의 방향이 되도록 유도 전류가 발생함을 의미하고 E는 코일 양단에 발생된 기전력, B는 자속밀도, A는 자기장에 수직한 코일의 면적을 의미한다.

역학적 에너지(해준 일)가 전기 에너지(유도된 기전력과 관련되는 에너지)로 전환되고, 마지막으 로는 열에너지(코일의 미소한 온도 상승)으로 전환된다.

3. 무 선전 력 전송 의 한계 및 전망 과 과제

◆ 무선전력전송의 한계

무선전력전송에 대한 기초이론이 이미 100년 전에 정립이 되었고, 어느 정도 기술개발이 이루 어졌음에도 불구하고 여전히 전선이 이용되고 있는 이유는 아직 기술에 한계가 있기 때문이다. 현 재 기술은 공급전력 대비 낮은 효율성으로 낭비 전력이 발생하므로 지속적인 연구가 필요하다. 자 기 유도방식과 전자기파 방식 모두 효율성에 한계가 있다. 자기 유도 방식의 경우 전송 효율이 90%이상으로 매우 높지만 거리가 멀어질 경우 효율이 급격히 저하된다. 전자기파 방식 역시 전력 의 상당부분이 전송되는 도중에 사라진다. 또한 기기 간 간섭이 문제가 되고 있는데 송신기기와 기기 사이에 방해물이 있을 때 충전기능이 현저히 줄어들기 때문이다.

기술이 인체에 어떠한 유해성이 있는지도 확실치 않은 상황에서 전파법의 개정과 함께 안정성 을 확인해야한다. 전파가 이동하면서 인체에 어떠한 영향을 끼칠지 알 수 없다. 조그마한 핸드폰

의 전자파도 환경에 큰 문제를 일으키는데 전기를 이동시키는 전파의 경우 더 큰 악재를 불러올 수 있을 가능성을 염두에 두어야 한다. 그리고 전력 전송 시에 사용되는 무선채널을 이용한 통신 기술도 추가가 필요하다. 이는 비용 상승으로 직결되므로 이익과 비용 사이의 관계도 따져 봐야한 다. 과연 현재의 시스템을 대체함으로써 얻는 득과 실을 비교했을 때 실이 더 클 경우 기술의 도 입이 오히려 독이 될 수 있다.

◆ 무선전력전송 기술의 전망과 과제

최근 들어 유망산업으로 추망 받아봤지만 기술력의 부족과 한계점으로 인해 성장에 걸림돌을 만나는 경우가 많다. 대표적인 예가 태양광 발전, 풍력발전이다. 장밋빛 미래를 예상했지만 발전성 과는 미비한 현실이다. 설비단가와 국내 환경에 적합성을 인식하지 못한 결과다. 무선전력전송기 술이 이 전례를 뒤밟지 않으려면 해결해야 할 점이 무수히 많다. 전력전송효율과 인체에 유해성 등이 있는데 산업이 성공하기 위해 넘어야 할 과제물인 것이다. 무선전력전송이라는 말은 생소하 지만 이제 곧 우리 삶 가까이에 존재할 것이다. 무선전력전송 기술 분야는 이제 막 걸음마를 뗀 단계이다. 앞으로 이 기술이 적용될 분야는 무궁무진하다. 핸드폰과 같은 소형 기기부터해서 TV, 청소기 등 가정 내 중형 전자기기, 더 나아가 인공위성을 통해 전력을 공급받는 등 범위는 점점 넓어지고 있다. 이 모든 것들이 지금 발전되고 있고 우리가 이용할 것들이다. 무선전력전송 기술 은 2009년 MIT가 정한 10대 미래산업에 선정되었다. 산업의 경제성과 가치성은 충분히 인정받았 다. 과연 이 기술을 언제 개발하고 어떻게 활용할 것인지가 관건인 셈이다. 끊임없는 연구와 개발 이 산업의 성공을 가져다 줄 것이며 세상을 윤택하게 만드는 데 일조할 수 있는 일이다. 무선전력 전송은 전자기기의 외형을 변화시키는 데 그치지 않고 삶의 패러다임을 바꿀 수 있는 변화의 방 아쇠가 될 것이다.

4. 무 선전 력 전송 의 방법

무선전력전송의 경우는 크게 세 가지로 구분이 가능하다. 자기유도 방식, 자기공명방식 그리고 전 자기 방식으로 구분이 된다. 자기유도방식의 경우는 비복사 특성과 비공진기를 활용하는 기술인데 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시키면, 그 자기장의 영향으로 수신부 코일에서 전기가 유도 되는 전자기 유도 원리를 이용한 방식이다. 이러한 자기 유도 방식은 이미 1800년대 후반부터 전 기 모터나 변압기 등에 이용되어 왔으며, 최근에는 교통카드에 주로 사용되는 RFID나 전동 칫솔 충전기 등에도 이용되고 있다.자기공명방식의 경우는 비복사 특성과 공진기를 활용하는 기술이며, 전자기파 방식은 복사 특성과 공진기를 활용하는 기술이다. 송신부에서 전자기파를 발생시키면 수 신부에서는 여러 개의 렉테나(Rectenna)를 이용하여 전자기파를 수신한 후 전력으로 변환하여 사 용하는 방식이다. 전자기파 방식도 이미 1890년경에 니콜라 테슬라에 의해 구현되었으며, 이동통 신이 그 대표적인 응용 사례이다.

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무선전력전송의 방법 (출처-전자부품연구원)

학생용

1차시 무선전력전송 알아보기

활동 1 무선전력전송이 무엇인지 인포그래픽으로 나타내보자

다음의 상황 제시문을 읽고 모둠별로 인포그래픽을 만드시오.

상황제시문

해결 과제

자신이 가지고 있는 스마트폰을 이용하여 무선전력전송에 대한 인포그래픽을 만드 시오

준 비 물

전지 A0 2장, 사인펜 1세트, 스마트폰

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2차시 무선전력전송 알아 보기

과목 ^과학, 기술, 미술 수업차시 2/4

단원 ^Ⅳ.정보통신과 신소재 Ⅳ-1. 정보의 발생과 활용 2.정보의 인식과 전달

교육과정

학습목표 - 무선전력전송의 기본원리인 전자기유도 현상을 발전기 만들기로 이해하기

도입 (10분)

 전자기유도 현상의 발전기 특징 알아보기

CD 전자기유도 현상 설명하기

- 자석과 코일의 상대적인 운동에 의해 전자기 유도 현상의 특징을 알 수 있 고 유도전류의 방향을 알 수 있다.

학습활동 (35분)

 전자기유도 현상의 발전기 만들기

Co꼬마발전기를 만들어 전자기유도 현상을 이해한다.

CD 자석과 코일로 미니발전기를 만들기

- 찌통에 에나멜선을 감고 LED를 연결하여 발전기 만들기

ET 모둠별로 만들어 발표하고 평가한다.

Tip! 유도 전류가 많이 나올 수 있는 방법을 찾도록 안내한다.

마무리 (5분)

ET 발표하기

∘ 스피드 보트(speed boat)를 활용한 동료 평가

Tip! 학생들의 결과물에 관해 평가하는 툴로서 해결책을 의사소통을 통하 여 다 같이 제시하다는 특징이 있다. 모둠 대표가 자신들의 작품에 대하여 구두 발표를 하고, 이에 대한 문제점을 다른 모둠에서 지적한다. 노란색 접 착 메모지에 상대방의 문제점을 지적하면, 파란색의 접착 메모지에 그 문제 점을 해결할 방법을 발표자 모둠에서 제시한다.

지도상의

유의점 다양한 미니발전기를 고안할 수 있도록 정보를 제공한다.

교사용

2차시 꼬마 발전기로 전자기유도 현상 알아 보기

에나멜선과 자석을 이용한 꼬마 발전기

학습 목표

전자기 유도 현상의 원리와 특징을 알고 이를 이용한 꼬마발전기를 만들어 무선전력전송 을 이해한다.

[준비물]

투명관, 투명관 마개, 네오디늄자석, 에나멜선, LED, 사포, 가위등

▶ Tip : 구입처

사이언스존 : www.sciencezone.co.kr/

[활동]

1. 에나멜선 끝을 투명관 끝에 유리테이프로 붙여 둔다.

2. 투명관 가운데에 에나멜선을 250번 정도 감아준다.

3. 다 감은 에나멜선 가운데를 유리테이프로 잘 풀리지 않게 감아준다.

4. 에나멜선 양 끝의 코팅을 칼, 사포 등으로 벗겨낸다.

5. 발광다이오드(LED) 전구의 다리를 양쪽으로 벌려주고 에나멜선 끝과 연결한다.

6. 네오디늄자석을 투명관 안에 넣는다.

7. 투명관 마개로 LED를 고정시켜 끼워넣는다.

8. 양쪽 두껑을 잡고 좌우로 흔들면서 LED를 관찰한다.

(17)

[ 유의할 점 ]

1. 에나멜선이 중간에 끊어지지 않도록 조심한다.

2. 에나멜선 양끝의 코팅을 깨끗하게 벗겨내도록 한다.

[ 생각해 보기 ]

1. LED에 불이 들어오는 이유가 무엇일까요?

자석과 에나멜선의 상대적인 움직임에 의해 유도 기전력이 발생하여 유도 전류가 흘러 LED에 불이 들어오게 된다. 이때 발생하는 유도 전류는 교류이다.

2. LED의 밝기를 더 밝게 할려면 어떻게 하면 될까요?

패러데이 법칙은 “유도 전류의 세기는 코일의 단면을 지나는 자속의 시간적 변화율에 비 례하고 코일의 감은 수에 비레한다.”이고 이 법칙에 의해 상대적인 움직임이 빠를수록, 코일의 감은 수가 많을수록, 강한 자석을 사용할수록 유도 전류가 많이 발생하게 된다.

( E=-N_^∆_∆=-N_^∆_∆ )

학생용

2차시 꼬마 발전기로 전자기유도 현상 알아 보기

에나멜선과 자석을 이용한 꼬마 발전기

학습 목표

전자기 유도 현상의 원리와 특징을 알고 이를 이용한 꼬마발전기를 만들어 무선전력전송 을 이해한다.

[준비물]

투명관, 투명관 마개, 네오디늄자석, 에나멜선, LED, 사포, 가위등

[활동]

1. 에나멜선 끝을 투명관 끝에 유리테이프로 붙여 둔다.

2. 투명관 가운데에 에나멜선을 250번 정도 감아준다.

3. 다 감은 에나멜선 가운데를 유리테이프로 잘 풀리지 않게 감아준다.

4. 에나멜선 양 끝의 코팅을 칼, 사포 등으로 벗겨낸다.

5. 발광다이오드(LED) 전구의 다리를 양쪽으로 벌려주고 에나멜선 끝과 연결한다.

6. 네오디늄자석을 투명관 안에 넣는다.

7. 투명관 마개로 LED를 고정시켜 끼워넣는다.

8. 양쪽 두껑을 잡고 좌우로 흔들면서 LED를 관찰한다.

(18)

[ 유의할 점 ]

1. 에나멜선이 중간에 끊어지지 않도록 조심한다.

2. 에나멜선 양끝의 코팅을 깨끗하게 벗겨내도록 한다.

[ 생각해 보기 ]

1. LED에 불이 들어오는 이유가 무엇일까요?

.

2. LED의 밝기를 더 밝게 할려면 어떻게 하면 될까요?

3~4차시 무선전력전송을 활용한 휴대폰 충전기

과목 ^과학, 기술 수업차시 3~4/4

단원 ^Ⅳ.정보통신과 신소재 Ⅳ-1. 정보의 발생과 활용 2.정보의 인식과 전달

교육과정

학습목표 - 무선전력전송 전기회로와 송수신기를 만들어 휴대폰 충전을 할 수 있다.

도입 (10분)

 무선전력전송의 전기회로에 대해 알아보기

Co 무선전력전송에서 필요한 송수신기는 어떤 원리로 작용하게 될까요?

Tip! 사전에 전기회로를 나누어 주고 전기회로의 기호를 이해하고 오도록 한다.

학습활동 (80분)



CD 나만의 무선전력전송을 이용한 휴대폰 충전 만들기

- 주어진 재료로 무선전력전송 송수신기를 제작하여 휴대폰을 충전하 는 감성체험을 해본다.

활동1 코일감기

활동2 무선전력전송 송신기 만들기 활동3 무선전력전송 수신기 만들기

활동4 탐구학습지 및 무선전력전송 전문가 인터뷰

Tip! 교사는 사전실험을 통해 실험에 대한 이해가 필요하고 전문가 인터뷰를 보고 무선전력전송의 전망과 미래에 대해 알 수 있게 한다.

무선전력전송 송수신기 kit

마무리 (10분)



ET 나만의 무선전력전송 휴대폰 충전하기를 통해 감성체험을 하고 충 전되는 휴대폰에 대해 안내한다.

Tip! 학생들이 자신의 휴대폰이 충전되는 과정을 이해하도록 유도한다. 지도상의

유의점 순서를 잘 지키도록 하고 납땜을 할 때 화상을 입지 않도록 조심한다.