2021년 STEAM 교사연구회 결과보고서
2021. 11. 16.
전주근영여자고등학교
“이 보고서는 2021년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문··· 01
2. 서론··· 02
3. 연구 수행 내용 및 결과··· 03
가. STEAM 프로그램 개발‧적용 ··· 03
(1) 프로그램 개발 내용 ··· 03
(2) 프로그램 개발‧적용 결과 ··· 03
나. 성과 확산 및 실천 ··· 05
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최 ··· 05
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과 ··· 05
다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사 ··· 05
(1) 수혜학생 태도 조사 ··· 05
(2) 교원 만족도 조사 ··· 06
4. 결론 및 제언··· 07
5. 참고문헌··· 09
[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물(교수학습지도안, 교사용 참고자료, 학생용 활동지) 부록2. 학생 산출물, 사진
부록3. 회의록
부록4. STEAM 확산 실천 사례(발표 및 전시회) 자료
1. 요약문
(1) 연구 개발 배경 및 목적
- ‘수질 오염’이라는 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 문제를 제시하면서 과학적 접근을 통해 학생들의 창의적 사고 역량과 문제해결 역량, 더불어 공동체 역량을 함양하고자 한다.
인지적으로 어렵지 않지만 다양한 측면에서 바라볼 수 있는 수질 오염이라는 문제에 대해 발산적 사고와 더불어 교과서 내 학습을 접목하여 해결하는 과정에서 학생들의 창의력과 문제해결력을 이끌어 내고, 프로젝트 형태의 모둠활동을 통해 협업하는 과정을 겪고 공동체 역량을 발휘하도록 노력하였다.
(2) 개발 프로그램별 내용(주요 과목) ① 수질 오염의 화학적 원인
- 화학Ⅰ의 pH 개념과 더불어 수질 오염의 지표가 될 수 있는 COD, TDS, TOC, 총인, 질산 류 등을 학습하고 수질 오염의 원인을 파악할 수 있는 모형도를 설계해 나타낸다.
② 수질 오염의 지형적 원인
- 지구과학 Ⅰ의 퇴적암의 종류를 학습하고 육상 환경, 연안 환경, 해양 환경에서 수질 오염의 원인이 되거나, 수질에 영향을 미치는 지형적 특징에 대해 협업해 알아낸다.
③ 수질 오염의 원인 모형 제작
- 미술의 입체 표현을 학습하고, 우리 주변의 지형 및 수질 오염에 영향을 주는 수로를 다 양한 재료를 사용해 입체적으로 표현함으로써 심미적 감성을 이끌어 낸다.
④ 수질 오염의 개선 모형 제작
- 물리학, 지구과학, 화학, 생명과학 등 다양한 방법을 창의적으로 설계해 수질 오염을 개선 할 수 있는 방안을 도출하고 이를 수조 등에 모형으로 제작하는 등 창의적 사고력 및 문제 해결력을 함양한다.
⑤ 우리 주변의 수질 오염
- 우리 지역 하천의 오염 정도를 직접 다양한 지표를 사용해 수치로 측정하고 그래프 등으 로 표현한다. 또한 학생 스스로 물을 채취함으로써 공동체적 역량을 기르고 미리 세워둔 가 설과 결과 값을 비교하고 그 원인을 파악, 수치로 분석해봄으로써 과학적 사고, 탐구 역량 을 함양한다.
(3) 연구 범위
- 실제 생활에 바로 적용하기는 어려움이 있으나, 학생 스스로 설계, 창작 함으로써 일상생 활에서 적용할 수 있는 과학 및 미술에 대한 범위를 확장시키고 미래 수질 오염 개선에 창 의적 아이디어를 제시하고자 한다.
(4) 개발 결과 및 활용 계획
- 학생들의 결과물을 토대를 정리 및 학생들에게 배포하여 추후 실제적 수질 오염 개선 발 명대회, 수질 오염 토론 대회 등 교내 대회에 적극 활용하며, 앞으로 진행하게 될 STEAM 수업 을 활용할 수 있는 추가 연구 및 예시로 적극 홍보할 예정이다.
2. 서론
가. 연구회 목표
(1) 일상생활 속에서 발생하는 다양한 문제들을 창의적이고 융합적인 사고력을 바탕으로 문제를 학생 스스로 해결해나갈 수 있도록 PBL 중심의 수업 모델을 개발한다.
(2) 문제해결 중심의 수업을 통해 주제선정에서부터 탐구 과정을 학생 스스로 해결해나가 는 과정에서 의사 결정 과정과 협업 능력, 문제해결력 등을 신장시키고, 필요한 정보 를 수집하고 계획을 수립하여 학생들의 자기 주도적인 학습 능력과 비판적 사고력을 신장시킬 수 있는 학습 모형을 개발하기 위함이다.
나. 교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발 및 적용의 목적
성취기준이 유사한 교과 간에 동일한 주제를 가지고 각 교과별 특징에 맞게 지도함으 로써 학생 스스로 하나의 문제를 해결하기 위해 다양한 방법과 통합적 사고를 보다 창 의적이고 합리적으로 문제를 해결해낼 수 있도록 STEAM 프로그램을 개발하여 적용해보 는데 목적이 있다.
3. 연구 수행 내용 및 결과
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해결방안 고찰 선행
프로그램명 해당 없음
학교급 고등학교 대상 학년(군) 2학년
목표 수혜학생 수 150명
중심과목 화학 지구과학
중심과목 성취기준 영역
[고등학교 2학년] 역동적인 화학반응
[고등학교 2학년] 대기와 해양의 변화, 지구의 역사
연계과목 물리학 미술
연계과목 성취기준 영역
[고등학교 2학년] 역학과 에너지 [고등학교 2학년] 입체 표현
개발계획
주제 연번 차시
(시수) 과목 연계(안)
1 3 화학(2) + 지구과학(1) 2 3 화학(1) + 지구과학(2) 3 3 화학(1) + 지구과학(1) + 미술(1) 4 4 화학(1) + 지구과학(2) + 미술(1) 5 2 화학(1) + 지구과학(1)
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 15차시
수업 적용 기간 2021. 7. 7. ~ 2021. 10. 29.
(STEAM 수업) 수혜학생 수 전주근영여자고등학교 150명(고등학교 2학년 6개 학급) 학생 태도검사 1차(사전) 검사 7월 15일, 6개 학급(150명) 실시 완료
2차(사후) 검사 10월 30일, 6개 학급(150명) 실시 완료 학생 및 교사 만족도조사 10월 30일 실시 완료
논문 게재 학회명
게재여부
학술대회 참가 행사명
일자/장소 특허출원(국외, 국내) 출원명
가. STEAM 프로그램 개발‧적용
(1) 프로그램 개발 내용 (가) 연구 추진전략
① 교과별로 프로젝트를 수행할 수 있는 시간을 별도로 지정하여 운영한다.
② 모둠별로 프로젝트 주제를 선정하고 정해진 기간에 운영한 후 결과를 발표한다.
(나) 연구 방법
① 수질 오염의 환경적 요인을 COD와 TDS 측정 방법으로 연구한다.
② 수질 오염의 정도를 지형적 요인인 수로 형태에 따라 수질 오염 정도를 연구한다.
(다) 연구 추진 체계
① 화학, 지구과학, 물리학 시간에 공통의 주제를 가지고 연계하여 프로젝트를 진행할 수 있는 환경을 조성하여 추진한다.
② 측정 범위와 측정 방법 및 도구 등을 제시해주고 측정 주기 및 제시한 측정 방법에 따 라 수질 오염도를 측정한 후 결과물을 산출한다.
③ 프로젝트 운영 시기 및 방법은 5월에서 10월로 정하여 실시하고 수행평가 영역 중 융 합적 사고력 평가 영역에 과정 중심 평가 형식으로 기재한다.
(2) 프로그램 개발‧적용 결과 (가) 프로그램 개발 및 적용 현황
교수학습 지도안 개발
차시(시수)
프로그램명 프로그램 주제 운영
대상(학년)
완료 여부
개발 수업적용 학생수 1(3)
수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해
결방안 고찰 수질오염의 화학적 원인 2학년 완료 완료 150
2(3)
수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해
결방안 고찰 수질오염의 지형적 원인 2학년 완료 완료 150
3(3)
수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해
결방안 고찰 수질오염 원인 모형 제작 2학년 완료 완료 150
4(4)
수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해 결방안 고찰
수질오염 개선 모형 제작 2학년 완료 완료 150 5(2)
수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해 결방안 고찰
우리 주변의 수질오염 2학년 완료 완료 150
합계 750
(나) STEAM 활동의 과정 중심 수행평가 학교생활기록부 기재 예시
① STEAM 활동 중 화학 수업(2021.○.○.)에서 지역 하천의 상류, 중류, 하류의 COD, 질산 이온, 알칼리도, TDS를 비교하여 발표함. 상류에 비해 하류로 올수록 질산과 아질산 이온의 농도가 커지며 이는 생활 하수 및 동식물에서 배출된 질산이온의 합류로 예측 했으며, 나머지 지표는 굉장히 깨끗한 것으로 나타나 지역 하천의 수질이 충분히 정화 되어 흐름을 알 수 있었다고 발표함.
② STEAM 활동 중 지구과학 수업(2021.○.○.)에서 계단식 구조와 입자 크기를 고려한 수 질 정화 수조 만들기를 수행함. 입자 크기가 큰 자갈부터 작은 모래 순으로 배열되었 을 때 TDS 수치가 가장 낮아짐을 확인했고. 계단식 구조의 수조가 직선형 수조보다 더 많은 수질 정화가 되었다고 발표함.
③ STEAM 활동 중 미술 수업(2021.○.○.)에서 다양한 수로 유형 제작이라는 주제로 수수 깡, 지점토, 우드락 등을 이용해 수질 정화에 활용될 수 있는 수로를 제작함. 하천에서 탄소 그물을 이용해 큰 오염물질을 걸러내는 모습을 표현했으며, 철근으로 만들어진 다리 대신 나무로 만든 다리를 이용해 수질 오염을 줄이는 방법을 표현했다고 발표함.
나. 성과 확산 및 실천
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최
회차 일시 장소 참석대상 주요내용
1차 ‘21. 10. 27. 송지관 소속학교 교원 및 학생
- 프로젝트 활동 산출물 전시를 통해 STEAM 교육의 가치 제고 및 확산
- STEAM 활동 발표회
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과
회차 일시 장소 참석자 상호 컨설팅 결과
1차 ’21.5.31.(월)
16:30~18:00 온라인 하미정 교사(연구책임자) - 운영 방법 전달 및 개선안 협의 2차 ’21.7.15.(목)
16:30~18:00 온라인 하미정 교사(연구책임자) - 중간 평가 및 과목 연계 방향 협의 3차 ’21.9.14.(화)
16:30~18:00 온라인 이승환 교사(참여연구원) - 특강 교육 및 융합교육 프로그램 개선 방향 협의
다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사
(1) 수혜학생 태도 조사 (가) 적용 성과
구분 수혜 학생 수 학생 사전․사후 태도
검사 시기 대상 선정 이유
1차(사전)검사 150명 ’21.06.21. ~ ’21.07.15. 선택과목이 화학 I과 지구과학 I을 동시에 선택한 학급을 대상으로 함
2차(사후)검사 150명 ’21.10.04. ~ ’21.10.30. ″
(나) STEAM 수업 적용 후 학생의 만족도 조사 결과
① 실생활에서 직접적으로 생각했었던 수질 오염에 대해 직접 실험을 해볼 수 있었던 좋 은 기회였습니다. 한 과목이 아닌 다양한 과목에서 같은 주제로 탐구를 해서 새로운 연구를 직접 해보는 느낌을 받아 앞으로 연구원이 되고 싶은 저의 꿈에 도움이 될 것 같습니다.
② 학교에서 다양한 실험을 하지만 한 가지 주제로 여러 과목이 같은 수업을 하는 새로운 경험이었습니다. 무엇보다 모둠을 구성해서 수업을 진행하니 모둠 구성원과 이야기를 할 많은 시간이 있어서 좋았습니다.
③ 수질 오염이라는 우리 가까이 존재하는 주제로 실험을 한 흥미로운 시간이었습니다. 비
록 실험 결과가 가설과 맞지 않아 고생했지만 모둠원과 함께 해결해나가는 과정이 즐 거웠습니다. 앞으로 후배들에게도 이런 좋은 기회가 많이 있었으면 좋겠습니다.
④ COD, 알칼리도, pH, TDS 등 수질 오염의 지표가 이렇게 다양함을 처음 알게 되었고, 수질오염을 정화할 수 있는 방안을 알아보며 새로운 기술이 또 개발될 수 있을 것이라 는 확신을 갖게 되었습니다.
⑤ 수질 오염이라는 간단한 주제를 가지고 여러 과목이 함께 수업을 진행할 수 있었던 신 선한 경험이었습니다. 수업 진도에 연연하지 않고 내 자신이 과학자의 마음으로 실험 을 수행할 수 있었던 기회였고 모둠원과 한마음으로 도전할 수 있었던 수업이었습니 다.
(2) 교원 만족도 조사 결과 (가) 연구책임자
21세기 4차 산업 혁명 시대가 요구하는 인재상은 비판적 사고, 의사소통 능력, 협업 능 력, 창의적 문제해결력을 갖춘 인재라고 합니다. 이러한 흐름에 발맞춰 교육의 패러다 임도 변해야 한다는 생각을 가지고 도전했던 본 연구 활동은 학생들의 성장하는 과정 을 직접 발견하고 체험해보는 시간이었습니다.
학생 주도 참여형 수업 형태로 시작했던 STEAM 수업은 처음 운영해보는 것으로 수업 을 어떻게 재구성할 것인지에 대한 고민이 많았습니다. 이런 형태의 수업에 익숙하지 않았던 학생들 또한 적응하고 프로젝트의 결과를 얻기까지 시간도 많이 걸렸습니다. 하 지만 활동 과정에서 학생들 스스로 느꼈던 성취감으로 인하여 학생들은 점차 적극적인 학습 태도를 보였고 탐구형 인재로 성장하는 모습을 발견할 수 있었습니다.
STEAM 활동 중 가장 주안점으로 둔 것은 협업 능력으로 모둠별로 주어진 과제를 해결 하기 위해 모둠원의 관심 분야와 능력에 맞게 역할을 나누어 협업하는 과정을 관찰하 고 평가하였습니다. 지도 과정에서 STEAM 활동으로 안배했던 시간 안에 일련의 성과 를 거두기에 턱없이 부족했던 수업 시수를 어떻게 극복할 것인가에 대한 고민이 많았 습니다. 그리고 학생들이 과학적 호기심을 잃지 않고 끊임없이 도전하는 자세와 논리적 사고력을 키울 수 있는 효율적인 교육 방법을 찾기 위해 노력했던 시간이었습니다.
(나) 참여연구원
융합학습공동체형 중 학생 주도 참여형 활동으로 참여하게 되었는데 교사 본인에게나 학생들에게나 부담이 될 수 있는 활동이었습니다. 처음에는 낯설게만 느꼈지만 주제 선택부터 교사들이 모여 회의를 거쳐 선정하고, 학생들에게 설명을 통해 점차 이 프로 그램에 적응을 할 수 있었습니다. 놀랐던 점은 여러 학생들이 참여하다 보니 정말 다 양한 실험이 설계되었고, 각각의 결과와 고찰들도 다양하게 얻을 수 있었다는 것입니 다. 학생들의 적극적인 참여 또한 인상 깊었습니다. 마지막으로 한 교과가 아닌 여러
교과가 프로그램을 통해 융합되어져 나가는 과정을 직접 확인할 수 있었고, 학생들의 창의적인 사고력과 문제해결력 등을 키울 수 있었던 시간이였습니다.
(다) 참여연구원
여러 수업이 연계된 STEAM 수업을 학교 현장에서 처음 적용해 볼 수 있었던 기회였 습니다. 수질 오염이라는 주제로 여러 수업이 유기적으로 적용해나가는 과정이 매끄러 워 놀라웠고, 학생 주도 참여형 활동이므로 난관이 많을 것이라고 예상되었지만 학생 스스로에게 충분한 책임이 주어진다면 훌륭한 연구를 할 수 있는 존재라고 느끼는 계 기가 되었습니다. 같은 주제를 다양한 관점에서 바라볼 수 있는 STEAM 수업을 장려한 다면 새로운 아이디어를 생산해내는 창의적 사고 역량과 모둠을 구성해 함께 활동 해 나가는 의사소통역량뿐 아니라 과학적 사고역량을 기르는데 큰 도움이 될 것이라고 확 신합니다.
(라) 참여연구원
학생들의 관심 분야와 연계하여 팀 프로젝트를 진행함으로써 수업에 적극적으로 참여 하는 자세를 보였다. 학생들의 재능과 능력에 따라 역할을 분담하여 연구 활동을 추진 하고 참여하는 과정에서 학생들 스스로 성취감을 느끼고, 창의적인 탐구 자세로 적극 참여하는 등 학습 태도의 긍정적 변화가 나타남을 확인할 수 있었다. 그리고 여러 교 과의 융합적 탐구 요소를 가지고 팀 프로젝트를 진행하였기 때문에 탐구 과정에서 학 생들은 통합적 사고력을 키울 수 있었다.
4. 결론 및 제언
가. 교사연구회의 전체 회원 사이의 협력적 활동 내용
① 수시로 이루어진 협의회를 통해 각 과목의 현재 수업 내용을 꾸준히 공유하였고, 과학 실 1개를 지정해 수업을 진행하여 각 과목 선생님들이 다른 과목의 현 상황을 충분히 인지할 수 있었고 학생들 역시 혼선 없이 수업이 이루어졌다.
② 융합학습 공동체형 중 학생 주도 참여형 활동의 경우 학생이 주도함으로 한 과목에 치 우치지 않고 여러 과목을 넘나들며 활동들이 이루어지므로 화학 수업이라고 할지라도 지구과학 선생님이나 물리학 선생님이 수업을 참관해 수시로 도움을 줄 수 있었다.
③ 주말에 전주천의 물을 구해오는 과정에서 교사가 돌아가며 학생들을 인솔해 지도하였 다.
④ 수행 평가 시 채점 기준 및 학생들의 참여를 공유함으로써 중복된 채점 기준과 채점 준거를 확립하는 과정에 있어서 자유롭게 토의가 이루어졌다.
나. 교사연구회를 통해 참여 교사들의 STEAM 수업 역량 증가 내용 및 설명 제시
(1) 협의회를 통한 지속적 정보 공유
① 수질 오염의 지표로 활용된 COD와 TDS, 질산염, 알칼리도, 경도, pH 등의 개념을 교
사연구회를 통해 함께 학습하고 학생들에게 어떻게 제시할 것인지 협의하였다.
② 학생들에게 수업할 방법과 방향을 협의회를 통해 미리 제시함으로써 각 과목의 유기 적인 방향을 공유하였다.
③ 과정 중심의 수행평가 채점 방법 등을 공유하며 새로운 아이디어로 창출하였다.
(2) 수업 참관을 통해 수업 역량 함양
① 각 과목의 선생님이 돌아가며 다른 과목의 수질 오염 수업을 참관하였다. 각 과목의 현 상황을 파악하고 다른 과목의 개념에 대한 정보는 자신의 수업에도 적용할 수 있 는 능력이 키워졌고, 다른 선생님의 수업을 모티브로 자신의 수업을 발전시킬 수 있는 계기가 되었다.
② 수업에 참관함으로써 수행평가 적용 시 과정 중심 평가에 도움이 되었다. 수업 중에 일어나는 탐구 과정과 학생들이 참여하는 모습을 더 많이 볼 수 있어 결과물이 아닌 수업 중 과정을 평가하는데 다각적 측면에서 유용했다.
다. STEAM 교사연구회와 해당 STEAM 수업 프로그램 발전을 위한 개선 방안
① STEAM 수업 프로그램 운영에 있어서 중간 변경사항을 유연하게 대처할 수 있도록 했 으면 좋겠고, 고등학교의 경우 교육과정의 단원에 국한시키기 보다는 교육과정을 재구 성하여 수업 내용에 맞게 단원 내용을 선택할 수 있는 방향으로 제시했으면 한다.
② STEAM 교사연구회를 구성하고 활성화하기 위한 방법에 대해 고민할 필요가 있으며, STEAM 교사연구회에 참여를 유도하기 위해서 선생님들에게 많은 이점을 가져올 방법 을 모색했으면 한다.
라. 교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발‧적용 관련 좋았던 점과 어려웠던 점
(1) 좋았던 점
① 의사소통 능력과 비판적 사고력 증진 효과
▻ 일상생활의 문제를 해결하기 위해 과학적 사실, 원리, 개념 등의 지식을 생각해 내 고 활용하고 다양한 정보와 자료를 수집, 분석, 평가, 조직하는 과정에서 스스로 해 결방안을 제시할 수 있고 합리적인 의사 결정 능력을 향상시킬 수 있었다.
▻ 과학적 문제해결 과정과 결과를 공유하기 위해 말, 글, 그림, 기호 등을 컴퓨터, 시 청각 기기, 다양한 재료 등을 활용하여 자신의 주장을 제시하는 과정에서 의사소통 능력을 키우고 과학적으로 논증할 수 있는 능력을 키울 수 있었다.
② 창의적이고 융합적인 사고력 향상
학생들 스스로 탐구 주제를 선정하고 이를 해결하기 위해 필요한 정보를 수집하고 수 행하는 과정에서 자기 주도적 학습 능력뿐만 아니라 다각적 관점에서 문제를 해결해 나가며 창의성과 교과 간 융합적 사고력을 신장시킬 수 있었다.
(2) 어려웠던 점
① STEAM 활동을 위한 공간 필요
STEAM 프로그램의 성공적인 운영을 위해서는 팀 프로젝트 활동에 필요한 토론 활동, 조사 활동. 제작 활동 등이 한 공간에서 동시에 이루어질 수 있도록 STEAM 활동에 최적화된 교실이 필요하였다.
② STEAM 활동에 필요한 수업 시수 부족
교육과정 상의 교과 내용과 병행하며 STEAM 프로그램을 운영하기에는 턱없이 부족한 시수로 인하여 내실을 기하기가 어려웠다.
③ STEAM 활동 중심과목의 블록 타임 시간표 운영 필요
STEAM 활동 특성상 활동 준비에서 활동 마무리까지 시간이 많이 소요되기 때문에 일 정한 성과를 내기 위해서는 블록 타임 시간표로 운영하여 연구 성과 및 효율을 높일 필요가 있다고 생각하였다.
5. 참고문헌
제목 저자 출판사 출판연도
A Study on Removal of Pb, Cr, Cd in Wastewater Using Exhausted Coffee
임성훈, 정문식,
박석환 한국환경위생학회 1995
Removal Capacity of Nitrate by Activated Carbon from Exhausted Coffee
이부한, 임두일,
라덕관 한국환경기술학회 2014
Analysis of Microcystis Bloom in Daecheong Reservoir using ELCOM-CAEDYM
정세웅
이흥수 2011
표면 개질 활성탄에 의한 중금속(As3+, Cr6+) 흡착 및 안정화
신우석,나규리, 김영기
우리나라 하천의 자랑 모래톱 오경섭 한국교 원대학교 교수
엽록소와 엽록체 교육부 블로그
녹조 제거의 새로운 실마리 국 립 생 물 자 원 관 블로그 과산화수소를 이용하여 녹조 제거하기 네이버 블로그
주 의 문
1. 본 연구의 주장이나 제언은 연구진의 견해이며, 한국과학창의재단의 공식 입장이 아닙니다.
2. 이 보고서 내용을 대외적으로 공개하거나 발표할 때에는 반드시 한국
과학창의재단과 사전에 상의하여야 합니다.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
프로그램 명: 수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해결방안 고찰
1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정연번 차시 (중심과목)
2015 개정 교육과정 성취기준
(연계과목) 성취기준 영역
1 1~3/15 [12화학Ⅰ04-03] 산･염기 중화 반응을 이해하고, 산･염기 중화 반응에서 의 양적 관계를 설명할 수 있다.
[중학교 1~3학년]
화학 반응의 규칙과 에너지 변화
2 4~6/15 [12지과Ⅰ02-01] 지층에서 나타나는 다양한 퇴적 구조와 퇴적 환경의 관 계를 설명할 수 있다.
[중학교 1~3학년]
지권의 변화
3 7~9/15 [미창222] 입체 표현의 특징을 살려 창의적으로 표현할 수 있다.
4 10~13/15 [12화학Ⅰ04-04] 중화 적정 실험을 계획하고 수행할 수 있다.
[중학교 1~3학년]
화학 반응의 규칙과 에너지 변화
5 14~15/15
[12지과Ⅰ04-04] 기후 변화의 원인을 자연적 요인과 인위적 요인으로 구 분하여 설명하고, 인간 활동에 의한 기후 변화의 환경 적, 사회적 및 경제적 영향과 기후 변화 문제를 과학적 으로 해결하는 방법에 대해 토의할 수 있다.
[중학교 1~3학년]
수권과 해수의 순환
1-1. 교육과정 재구성표
1) 실험 시간이 소요되는 수업의 경우 과학과 간 수업 시간 변경으로 블록타임제를 실시함.
2) 지구과학 수업에서 필요한 단원인 2단원과 4단원의 경우 소단원별 순서를 재구성해 필요 부분을 먼저 수업함.
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 15차시)
차시 주요내용
1~3 /15
주제(단원)명 수질오염의 화학적 원인
pH 의 정의와 중화반응, 산화 환원의 원리를 알고 이를 수질오염에 적용할 수 있도록 한다.
Co 수질 오염의 다양한 사례를 제시함.
CD 수질오염의 원인과 이를 해결하기 위한 현실 가능한 화학적 중심으로 다양한 방안에 대해 모둠별 계획을 설계함.
4~6
/15 주제(단원)명 수질오염의 지형적 원인
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
차시 주요내용
다양한 지형의 정의와 퇴적암의 구성 입자와 지형별 특징을 수질오염에 적용할 수 있다.
Co 수질 오염의 다양한 사례를 제시함.
CD 이를 해결하기 위한 현실 가능한 지형적 방안에 대해 모둠별 계획을 설계함.
7~9 /15
주제(단원)명 수질오염 원인 모형 제작
CD 모둠별 수질오염으로 원인 모형을 제작할 수 있도록 토의한다.
ET 다양한 재료를 가지고 원인을 만드는 화학적, 지형적 원인 모형을 제작한다.
CD 창의적 설계
ET 감성적 체험
10~13 /15
주제(단원)명 수질오염 개선 모형 제작
CD 모둠별 수질오염의 원인에 따른 개선 방안 모형을 제작할 수 있도록 토의한다.
ET 다양한 재료를 가지고 화학적, 지형적 원인에 따른 수질오염 개선 방안을 융합적 사고 를 통해 입체적 모형으로 제작한다.
14~15 /15
주제(단원)명 우리 주변의 수질오염
Co 전주 지역의 수질오염을 알아볼 수 있는 사례를 제시한다.
CD 전주 지역 하천의 오염 정도를 알아볼 수 있는 방안에 대해 토의한다.
ET 모둠별로 전주 지역 하천의 수질오염 및 개선 방안에 대해 탐구한다.
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교 2 학년
중심과목 성취기준
영역
[고등학교] 화학Ⅰ04 역동적인 화학반응 중심과목 성취기준
[12화학Ⅰ04-04] 중화 적정 실험을 계획하고 수행할 수 있다.
주제(단원)명 역동적인 화학반응 차시 15 차시
학습목표
[화학Ⅰ] pH와 중화반응, 산화 환원을 이해하고, 화학적으로 수질 오염의 원인과 적정기술, 개선 방안에 대한 모델을 제작할 수 있다.
[생명과학Ⅰ] 녹조의 발생 원인과 증감을 이해하고, 수질 오염에 활용할 수 있는 생물학적 요소를 적용 할 수 있다.
[지구과학Ⅰ] 지형별 특징과 구성요소를 이해하고, 지형적으로 수질 오염의 원인과 개선 방안에 대한 모 델을 제작할 수 있다.
[물리학Ⅰ] 물리흡착을 이용해 수질오염 개선 방안에 대한 모델을 제작할 수 있다. [미술] 개선 방안 모델을 심미적 요소를 고려해 입체적으로 표현할 수 있다. 연계과목 물리학, 생명과학, 지구과학, 미술 연계과목
성취기준 영역
[고등학교] 대기와 해양의 변화, 지구의 역사 [고등학교] 입체표현
#1 1~3차시 : 화학Ⅰ 수질오염의 화학적 원인
STEAM 요소
S 이론적 배경
T 적정기술, 수질 오염 원인 개선 모델 찾기 E 수질 오염 개선 장치 구현
A 심미적 요소를 추가한 수조 제작 M
개발 의도 수질오염에 대한 과학적 이론을 가지고 학생이 직접 원인을 파악하고 또한 해결방안을 모색 및 모델 제작함으로써 수질 오염에 대한 관심을 고찰하기 위함.
수질오염에는 다양한 원인과 해결방안이 현재 존재한다. 하지만 실상 수질오염에 대한 막연한 개념이 쉽게 떠오르지 않는다. 따라서 학생들과 함께 ‘수질 오염의 환경적 요인과 지형적 요인 분석을 통한 해 결방안 고찰’ 이라는 주제로 수질오염의 원인을 화학, 지구과학, 물리학, 생물학적 원인으로 나누고 이에 대한 개념을 습득한 후 개선 방안에 대한 토의 및 실제 제작을 통해 해결책을 찾고자 한다.
첫째 화학에서는 pH, COD, TDS 등 수질 오염 정도를 측정하고 산화 환원 중 앙금생성 반응 등의 적정 기술을 통해 개선 모델을 제작한다. 둘째 지구과학에서는 지형적 특징 등을 배우고 이를 직접 수조에 구 현하여 지형이 수질오염에 미치는 영향을 탐구한다. 또한 지형을 구성하는 입자에 따라 수질 개선을 입 증하고자 한다. 셋째 물리학에서는 태양광을 이용한 분수를 이용해 물의 순환이 수질오염에 미치는 영향 을 조사한다. 넷째 생명과학에서는 녹조의 생성 원인을 파악하고 직접 기르며 증감 요인을 찾고, 부레옥 잠을 이용해 개선을 파악하고자 한다. 마지막으로 미술 시간을 통해 수질오염 수조 모델에 심미적 요소 를 더해 입체적으로 표현함으로써 학생들의 창의 역량을 기르고자 한다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
수질오염의 사례 및 관련 과학 개념 제시
수질오염의 해결방안 사례 제시
창 의 적 설 계
창의적 설계
수질 오염의 원인 모 형 제작
수질 오염 측정 기구 탐구
수질오염 개선 방안 모형 제작
감 성 적 체 험 우리 주변 하천의 수질 오염
원인과 이를 파악할 수 있는 방법, 해결할 개선 방안 도출
감성적 체험
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (20 분)
Co · ‘돌아온 물의 비밀’이라는 동영상을 시청하고 물의 오염을 느끼는 정도에 대 해 설문조사 한다.
ET · 모둠별로 설문조사한 내용을 발표하고 그 이유에 대해 토의한다.
Co · 물의 오염도를 어떻게 측정할 수 있는지 묻고 토의 후 답변하도록 한다.
동영상 시청
‘돌아온 물의 비밀’
Tip! 수질오염 의 기준이 무 엇인지 궁금증 을 유도한다.
전개 (70 분)
Co · 통합과학 시간에 배운 pH 와 함께 산화 환원 중 앙금생성 반응을 소개하고 이를 어떻게 수질과 관련 지을 수 있는지 질문한다.
· pH 는 물의 산성도를 측정하기 위한 것으로 물의 오염지수를 판단하는 지표 중 한 가지임을 설명한다.
CD · pH 외에 수질오염에 지표가 될 수 있는 개념을 모둠별로 검색하고, 지표가
설 계 도 면 을 평 가 하 지 않도록 주 의한다.
#2 4~6차시 : 지구과학Ⅰ 수질오염의 지형적 요인
될 수 있는 이유에 대해 토의 및 발표하도록 한다.
· 지표를 근거로 수질오염을 일으키는 물질을 발표하도록 유도한다.
CD ET
· 화학적으로 수질 오염의 원인 및 개선할 수 있는 방안에 대해 토의하고 이를 모형으로 제작할 수 있도록 설계도를 그려본다.
· 수질오염을 측정할 수 있는 도구를 모둠별로 결정하고, 수질 오염 탐구활동 과정 계획을 설계하고, 결과를 예상한 가설을 세운다.
정리 (10 분)
ET · 모둠별로 작성한 설계도를 발표하고, 학생들의 피드백을 통해 향후 계획을 수 정 및 보완한다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (10 분)
Co 준비한 동영상을 보면서 학생들의 동기유발과 흥미를 이끌어낸다.
- 우리나라 아름다운 지형들의 동영상을 시청 후 우리나라 수질 오염된 동영상을 보면서 수질오염의 심각성을 깨닫게 한다.
‘우리나라 아름다운 지형과 우리나라
수질’
동영상
전개 (30 분)
CD 퇴적물에 따른 퇴적암의 예를 보면서 퇴적물이나 퇴적암에 따라 수질오염은 어 떻게 나타날지 토의해본다.
구분 쇄설성 퇴적암 화학적 퇴적암 유기적 퇴적암
퇴적물 점토 모래, 점토 자갈, 모래, 점토 화산재 CaCO3 NaCl 식물체 조개껍데기, 산호 퇴적암 셰일 사암 역암 응회암 석회암 암염 석탄 석회암
Co 퇴적 환경을 크게 육상 환경, 연안 환경, 해양 환경으로 구분하면서 수질오염의 지형적 원인을 모둠별로 조사하여 본다.
CD 수질 특히 해수의 pH 변화를 살펴본다.
pH 에 관한 화 학 식 은 화 학 시 간 을 이 용 하 여 학 습 하 도 록 지도한다.
#3-1 7~9차시 : 미술 수질오염 원인 모형 제작
Co 모둠별로 수질오염의 지형적 원인을 다양한 측면에서 생각해본다.
빙하 선상지
호수 사막
강 해빈
삼각주
석호 사주 대륙붕
심해저 대륙 사면
정리 (10 분)
ET 모둠별로 생각한 수질오염의 지형적 원인을 정리한다.
- 정리한 것을 토대로 어떤 실험을 할 수 있을지 계획을 세워본다.
ET 차시예고
- 다음 시간에 배울 수질오염에 대해 안내한다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (10 분)
Co 학습목표를 소개한다.
Co 다양한 소재를 가지고 입체적으로 표현한 다양한 작가의 작품을 감상한다.
- 무엇이 다른가?
- 소재마다 표현하는 방법의 차이는 무엇인가?
전개 (80 분)
CD 모둠별로 수로의 모형을 토의한다.
ET 다양한 재료를 사용하여 수질의 원인과 해결방안을 모색할 수 있는 수로 모형 을 제작한다.
단 면 적 으 로 표 현 하 는 대신 입체 적 표현에 주 안 점 을 둔다.
#3-2 7~9차시 : 화학Ⅰ 수질오염 원인 모형 제작
#4 10~13차시 : 지구과학Ⅰ 화학Ⅰ 수질오염 개선 모형 제작
정리 (10 분)
ET 모둠별로 수로 모형의 특징과 입체적으로 표현하고자 했던 특징을 정리하도록 한다.
ET 차시예고
- 다음 시간에 모둠별로 수로 모형을 발표할 수 있도록 예고한다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (10 분)
Co · ‘산성비에 머리카락 빠진다’라는 동영상을 시청하고 산성비에 대해 아는 대로 토의하도록 한다.
ET · 모둠별로 토의한 내용을 발표하고 그 이유에 대해 토의 한다.
Co · 산성비가 생성되는 과정을 묻고 토의 후 답변하도록 한다.
동영상 시청
‘산성비에 머리카락 빠진다’
전개 (70 분)
Co · 전시에 학습한 pH 는 물의 산성도를 측정할 수 있으므로 산성비의 정도를 비 교할 수 있음을 설명한다.
CD · 산성비가 어떠한 문제점을 야기하는지 토의하도록 한다.
· 산성비를 실험적으로 만들 수 있을지 발표하도록 한다.
CD ET
· 시범실험으로 산성비를 구현해보는 실험 과정을 설명하고 pH 측정기를 통해 측정해본다.
① 수용액 상태인 황산을 솜에 적시고 고체 상태인 수산화나트륨을 증류수에 녹여 수용액 상태로 솜을 적신다.
② 충분한 시간을 두고 기화할 수 있도록 한다.
③ 수조 2개를 이어붙이고 최대한 밀폐될 수 있도록 한다.
④ 수조 벽면에 분무기 구멍을 만들어 물을 뿌린다.
⑤ 바닥에 고인 수용액의 pH, COD, TDS를 측정한다.
반드시 보 호 장 구 를 착 용 하 고 실험에 임 한다.
정리 (10 분)
ET · 개인별로 실험 과정의 문제점과 이를 보완할 수 있는 방법을 발표해 보도록 한다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점 도입 Co · 유튜브‘ 2mm 이하 미세 플라스틱까지 걸러낸다는 바다 위 쓰레기통’이라는 동영상
#5 14~15차시 : 지구과학Ⅰ 화학Ⅰ 우리 주변의 수질 오염
(10 분) 동영상을 시청하고 수질 오염을 해결 할수 있는 방안을 토의한다.
시청 유 튜 브 ‘ 2 m m 이 하 미세 플라스 틱까지 걸러 낸다는 바다 위 쓰레기통’
전개 (70 분)
Co · 수질 오염 정화 방법으로 부레옥잠, 물배추, 숯, 황토 등의 원리를 설명한다.
CD · 수질 오염의 범위를 하천, 해수, 지하수 등으로 생각했을 때 정화할 수 있는 방안에 대해 구체적으로 토의하고, 모형을 제작할 수 있는 방법을 모색한다.
CD ET
· 다양한 재료를 사용하여 수질의 원인과 해결방안을 모색할 수 있는 수로 모형을 제작한다.
특정 과목에 치우치지 않 고 발산적 사 고를 유발한 다.
정리
(10 분) ET · 모둠별로 차시에 모형에 대해 발표할 내용을 정리하도록 한다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (10 분)
Co · 유튜브‘ 온실가스’를 시청한다
· 알고 있는 온실가스가 무엇인지 질문하고 학생들은 답변한다.
전개 (70 분)
Co · 온실가스와 지구온난화를 설명하고, 지구의 기온 변화 과정을 설명한다.
CD · 온실가스인 이산화탄소와 아질산, 질산이 지구온난화 외에 산성비에 관여함을 설명하고 모둠별로 우리가 살고 있는 지역에 어떠한 영향을 미칠지 토의한다.
CD ET
· 조별로 주말 간 채취해온 지역 하천물의 오염 상태를 측정한다.
· 측정한 하천물의 수질 개선을 위한 방안을 토의하고 정리한다.
· 전북 지역별 비를 측정한 결과를 확인하고 그 이유를 모둠별로 토의한다.
이산화탄소가 산성을 띄게 되는 이유를 화 학 실 으 로 설명한다.
정리
(10 분) ET · 모둠별로 지구온난화와 산성비가 연관이 있을지 정리하여 활동지를 작성한다.
4. 학생활동지 / 학생참고자료
차시 1~3/15
전주근영여자고등학교
제 목 수질오염의 화학적 원인 학번 : 평
가
A, B, C
날 짜 2021 년 월 일 이름 :
목 표 · pH와 중화반응, 산화 환원을 이해하고, 화학적으로 수질오염의 원인과 적정기술, 개선 방안에 대한 모델을 제작할 수 있다.
탐 구 과 정
◎ 묻고 답하기
- 다음 설문조사에 따라 평소 물의 수질 오염에 대한 생각을 알아봅시다.
(중복체크 가능)
① 수질오염의 원인을 알고 있다.
② 수질오염을 해결방안에 대해 생각해 볼 수 있다.
③ 수질오염이 심각하다고 생각한다.
④ 수질오염 중 미세 플라스틱에 대해 알고 있다.
⑤ 수질오염은 인간에 의해서만 생겨난다.
- 방금 시청한 ‘돌아온 물의 비밀 영상’을 보고 물의 수질과 관련해 pH는 어떻게 활 용되는가요?
< pH>
① : 용액이 가지고 있는 산의 세기에 따라 자신의 색깔을 변화시킴으로써 그 물질이 어떤 특성(산성, 중성, 염기성)을 지니는가를 구분해 주는 물질
ex) 만능지시약, pH 지시약, 페놀프탈레인, BTB, 리트머스 종이 등
② : 수소이온 농도 지수
pH =
lo g H
= -log[H
+]
(1) 수용액의 pH는 ③ 사이의 값을 갖는다. (pH<7 산성, pH>7 염기성) (2) pH가 1씩 작아질수록 [H+]는 10 배 ④
◎ pH 외에 수질오염의 지표가 될 수 있는 지표를 알아보고 발표해 봅시다.
차시 4~6/15 1. 퇴적암의 종류
① 쇄설성 퇴적암 : 기존의 암석이 풍화와 침식을 받아 생성된 점토나 모래, 자갈 등이 운반된 후 쌓여 생성된 암석. 쇄설성 퇴적암은 퇴적물 입자의 크기에 따라 ex) 셰일, 사암, 역암 등으로 구분된다.
② 화학적 퇴적암 : 호수나 바다 등에서 물에 녹아 있던 물질이 화학적으로 침전하거나 물이 증발하면서 침전하여 생성된 암석. ex) 석회암, 처트, 암염, 석고 등
③ 유기적 퇴적암 : 동식물이나 미생물의 유해가 쌓여 생성된 암석. ex) 석탄, 석회암, 처트 등
<수질기준 예시>
①pH
②BOD
③COD
④TOC
⑤부유 물질량
⑥용존 산소량
⑦TDS
⑧총인
◎ 화학적으로 수질오염의 원인 및 개선할 수 있는 방안에 대해 토의하고 이를 모형으로 제작할 수 있도록 설계도를 그려본다.
정리 ※ 다른 모둠원의 피드백을 받고 수정해야 할 사항을 정리해보자.
빙하 선상지
호수 사막
강 해빈
삼각주
석호 사주 대륙붕
심해저 대륙 사면
구분 쇄설성 퇴적암 화학적 퇴적암 유기적 퇴적암
퇴적물 점토 모래, 점토 자갈, 모래, 점토 화산재 CaCO3 NaCl 식물체 조개껍데기, 산호 퇴적암 셰일 사암 역암 응회암 석회암 암염 석탄 석회암
2. 퇴적 환경 : 육상 환경, 연안 환경, 해양 환경
① 육상 환경 : 육지 내에 주로 쇄설성 퇴적물이 퇴적되는 곳으로, 선상지, 하천, 호수, 사막 등이 있다.
② 해양 환경 : 가장 넓은 면적을 차지하는 퇴적 환경으로, 해저 지형에 따라 대륙붕, 대륙 사면, 대륙대, 심해저 등이 있다.
③ 연안 환경 : 삼각주, 조간대, 해빈, 사주, 강 하구, 석호 등이 있다.
차시 7~9/15
전주근영여자고등학교
제 목 수질오염의 원인 모형 제작 학번 : 평
가
A, B, C
날 짜 2021 년 월 일 이름 :
목 표 다양한 소재를 이용해 입체적으로 다양한 수로 모형을 제작할 수 있다.
활 동 ◇ 다양한 소재를 가지고 입체적으로 표현한 다양한 작가의 작품을 감상하고 작 품들의 차이를 비교해봅시다.
- 무엇이 다른가?
- 소재마다 표현하는 방법의 차이는 무엇인가?
◇ 모둠별로 수로의 모형을 어떻게 만들지 토의하고 다양한 재료(수수깡, 물감, 지점토, 우드락 등)을 이용해서 수질의 원인과 해결방안을 모색할 수 있는 수 로 모형을 제작해 봅시다.
차시 7~9/15
전주근영여자고등학교
제 목 수질오염의 원인 모형 제작 학번 : 평
가
A, B, C
날 짜 2021 년 월 일 이름 :
목 표 · 산성비의 생성원리를 이해하고, pH를 측정할 수 있다.
· 중화 적정 실험을 계획하고 수행할 수 있다.
탐 구 과 정
◎ 묻고 답하기
- 방금 시청한 ‘산성비에 머리카락 빠진다’라는 영상을 보고 산성비에 대해 아는 대 로 발표해 봅시다.
- 산성비가 생성되는 과정을 발표해 봅시다.
< 산성비 >
1) 산성비 생성원리
산성비는 공기 중에 있는 매연으로 만들어진다. 공장에서는 화석연료를 주 로 사용하는데, 화석연료는 황이라는 물질을 포함한다. 화석연료를 태우는 과정에서 황이 산소와 만나 삼산화황이 되고, 물에 녹아 아황산과 황산이 되는데 모두 강한 산성 물질이다. 이산화황과 질소산화물이 대기 중의 산 소, 수분과 반응하여 묽은 황산이나 질산이 만들어진다. 이것이 비가 내릴 때 같이 섞여 산성비가 된다.
정리
◇ 모둠 별로 수로 모형의 특징과 입체적으로 표현하고자 했던 특징을 정리하고, 이를 다른 모둠에게 차시에 발표해봅시다,
1) 산성비, 염기성비 재현 탐구실험 가. 탐구 방법
대기 중의 이산화황 기체와 물이 결합하는 원리로 만들어지는 산성비를 재현 하기 위한 실험을 구상했다.
나. 실험과정
(준비물) 수조 4개, 황산 수용액, 비커, 수산화나트륨, 테이프, 랩, 분무기, 증류수, 솜 1. 수용액 상태인 황산을 솜에 적시고 고체 상태인 수산화나트륨을 증류수에 녹여
수용액 상태로 솜을 적신다.
2. 충분한 시간을 두고 기화할 수 있도록 한다.
3. 수조 2개를 이어붙이고 테이프 및 랩을 이용해 최대한 밀폐될 수 있도록 한다.
4. 수조 벽면에 분무기 구멍을 만들어 물을 뿌린다.
5. 바닥에 고인 수용액의 pH, COD, TDS를 측정한다.
▲ 황산 기체에 물을 뿌려 산성비를 만 드는 모습
▲ 수산화나트륨 기체에 물을 뿌려 염기성 비를 만드는 모습
▲ 산성비의 pH 측정 ▲ pH 4로 측정됨
▲ 염기성 비의 pH 측정 ▲ pH 9로 측정됨
▲ COD 측정 ▲ TDS 측정
◎ 시범 실험으로 진행한 실험 과정의 문제점과 이를 보완할수 있는 방법을 발표 해본다.
정리 ※ 산성비가 생성되는 원인이 무엇인지 토의해본다.
차시 10~13/15
전주근영여자고등학교
제 목 수질오염의 개선 모형 제작 학번 : 평
가
A, B, C
날 짜 2021 년 월 일 이름 :
목 표 · 수질오염을 개선할 수 있는 방안을 고안하고 이를 모형을 표현할 수 있다.
· 중화 적정 실험을 계획하고 수행할 수 있다.
탐 구 과 정
◎ 묻고 답하기
- 방금 시청한 ‘2mm이하 미세 플라스틱까지 걸러낸다는 바다 위 쓰레기통’이 라는 영상을 보고 느낀 점을 발표해 봅시다.
- 해수, 하천, 지하수 등의 수질오염을 해결할 수 있는 방안을 모둠별로 토의 해 봅시다.
◎ 개선 방안 예시
① 화학 침전: 물속의 오염물질의 제거하기 위해 유기, 무기 응집제을 주입하 여 오염물질을 중력에 의해 가라앉을 수 있는 크기로 응집시키고, 침전하 여 제거하는 것이다.
② 중화 반응 : 산 + 염기 -> 물 + 염을 만드는 반응으로 pH를 조절하기 위해 사용한다.
③ 흡착 : 다공질 구조의 숯은 벌집 같은 다공질 구조로, 일정한 부피 안에 최 대한으로 많은 공간을 품고 있다. 따라서 숯과 만난 불순물은 숯의 수많은 구멍을 들락거리게 되고 이때 불순물이 숯에 달라붙어 정화가 된다.
④ 산화제 : 유기물을 산화시켜 녹조 등의 현상을 억제한다.
⑤ 황토 : 황토가 입자 사이에 식물성 플랑크톤(녹조)과 남조류의 먹이가 되는 인과 질소 성분을 흡착해 앙금 형태로 가라앉아 녹조를 제거하는데 효과적 이다.
⑥ 부레옥잠 : 부레옥잠은 볼록한 생김새로 물에 둥둥 떠다니며 뻗어있는 뿌 리와 잎자루에 달린 공기주머니가 질소와 인을 흡수하며 물속에 있는 불필 요한 오염 물질을 식물체로 흡수하여 자연 정화시키는 식물이다.
◎ 수질 오염에 개선 방안을 수조에 구현하기 전에, 직접 구상도를 그려보자.
◎ 수질 오염에 개선 방안 수조 모형을 직접 제작하고 수질오염키트, COD, TDS 측정 기를 사용해 정확한 수치를 기록해보자.
정리 ※ 차시에 제작한 수질 개선 방안 모형에 대해 발표를 준비해 봅시다.
차시 14~15/15
전주근영여자고등학교
제 목 우리 주변의 수질오염 학번 : 평
가
A, B, C
날 짜 2021 년 월 일 이름 : 목 표 · 온실 기체의 종류를 설명할 수 있다.
· 우리 주변의 수질의 상태를 측정하고 그 이유를 설명할 수 있다.
탐 구
과 정
< 인간의 활동과 기후 변화 >
1) 온실 효과와 온실 기체
지구 대기는 지구에 입사하는 태양 복사 에너지는 잘 투과시키지만, 지표 에서 방출되는 지구 복사 에너지의 일부를 흡수하였다가 재복사하여 지표 온도를 높이는데, 이를 온실 효과라고 한다. 온실 효과를 일으키는 기체를 온실 기체라고 하며, 주요 온실 기체에는 수증기, 이산화탄소, 메테인, 산화 이질소 등이 있다. 지구는 이러한 온실 효과 때문에 연평균 기온이 15℃ 정 도로 유지되고 있다. 그런데 최근에는 대기 중의 온실 기체 증가로 심각한 기후 문제가 나타나고 있다.
대기 중 온실 기체가 증가함에 따라 온실 효과가 증대되어 지구의 평균 기온이 상승하는 현상을 지구온난화라고 한다. 지구온난화는 산업 혁명 이 후 석탄, 석유 등 화석연료 소비량이 증가함에 따라 이산화탄소, 메테인 등 온실 기체 농도가 증가한 것이 주요 원인이다. 그 밖에 과도한 삼림 벌채, 교통량 증가 등 인간의 경제 활동도 지구온난화를 일으킨다.
1) 지구의 기온은 어떻게 변하고 있을까?
가. 실험과정
그림 (가)는 1850 년부터 2012 년까지 지구의 기온 편차를, (나)는 대기 중 온실 기체의 농도 변화를 나타낸 것이다(그림 (나)의 ppm은 100만 분의 1, ppb는 10억 분의 1을 나타내는 농도 단위이다.).
(가) 지구의 기온 변화 (나) 온실 기체의 농도 변화
1. 지구의 기온 변화와 온실 기체의 농도 변화 사이에는 어떤 관계가 있는가?
2. 이 기간에 온실 기체의 농도가 증가한 원인은 무엇인지 조사해 보자.
○ 산성비란 수소이온 농도(pH)가 5.6 미만인 비이다. 산성비는 식물, 물고기, 토양 등에 안 좋은 영향을 미친다. 일반적인 비의 pH는 5.6~6.4로 약산성이다. 온실가스 인 이산화탄소가 수증기와 결합하여 약산인 탄산을 형성하기 때문이다.
↔
대기 중의 화학물질이 수증기와 결합하면 화학반응에 의해 비의 수소이온농도가 낮아져 산성비가 된다.▶ 지구온난화에 큰 영향을 미치는 이산화탄소와 아질산, 질산이 많아지면 비는 어떻게 될지 토의해보자.
▶ 모둠별로 채취해온 지역 하천의 물의 오염도를 TDS, COD, 수질 키트를 활용해 측정해보자.
① 측정한 결과를 발표하고, 그 이유를 유추해보자
② 상류, 중류, 하류의 오염 정도를 비교하고 그 이유를 유추해보자
▶ 전북의 지역별 비를 측정한 결과를 확인하고 그 이유를 모둠별로 토의해보자.
*화학적 산소 요구량(COD)
고창 군산 진안 삼천동 덕진동 송천동
색깔 1~2
(연보라색)
4~6 (보라색)
2~4
(보라색) 15(파란색) 2~4 (보라색)
6 (진한 보라색)
등급 좋음 보통 약간 좋음 매우 나쁨 약간 좋음 보통
바다(군산)
시골(고창)
산(진안)
산업지대(삼천동)
덕진동
송천동
정리
※ 주요 온실 기체 중 이산화탄소, 질산, 아질산 등은 산성비와 관련이 있다. 지구온난 화와 산성비의 관계를 정리해보자.
5. 교사자료
차시 1~3/15
<하천의 수질기준>
등급
기준
pH BOD
(mg/L)
COD (mg/L)
TOC (mg/L)
부유 물질량(m
g/L)
용존 산소량 (mg/L)
총인 (mg/L)
매우좋음 Ⅰa 6.5~8.5 1이하 2이하 2이하 25이하 7.5이상 0.02이하
좋음 Ⅰb 6.5~8.5 2이하 4이하 3이하 25이하 5.0이상 0.04이하
약간좋음 Ⅱ 6.5~8.5 3이하 5이하 4이하 25이하 5.0이상 0.1이하 보통 Ⅲ 6.5~8.5 5이하 7이하 5이하 25이하 5.0이상 0.2이하 약간나쁨 Ⅳ 6.0~8.5 8이하 9이하 6이하 100이하 2.0이상 0.3이하
나쁨 Ⅴ 6.0~8.5 10이하 11이하 8이하
쓰레기등이 떠있지 아니할 것
2.0이상 0.5이하
매우나쁨 Ⅵ - 10초과 11초과 8초과 - 2.0미만 0.5초과
자료출처 네이버 이미지
차시 4~6/15
φ = -log2d (d : 입자의 직경(㎜))
<퇴적물의 입도분류에 사용되는 Wentworth 표준척도>
구분 해도기호 입자직경
φ＝－log2 (mm) 점토
(clay) Cy ＋8 이상 1/256 이하 실트
(silt, mud) M ＋8~＋4 1/256~1/16 고운모래
(fine sand) fS ＋4~＋2 1/16~1/4 모래
(sand) S ＋2~＋1 1/4~1/2
거친모래
(coarse sand) cS ＋1~－1 1/2~2 왕모래
(granule) Gr －1~－2 2~4
자갈
(pebbles, gravel) G －2~－6 4~64 굵은자갈
(cobbles, shingle) Sn －6~－8 64~256 볼더
(boulder, stone) St －8 이하 256 이상
바닷물의 pH는 평균 8 정도로 약알칼리성. 상당히 많은 양의 이산화탄소가 바닷물에 녹아 있는 점에 비추어보면 좀 이상한 값이다. 이산화탄소가 물과 반응해서 만들어내는 탄산은 약한 산성을 띠는데 어째서 바닷물은 약알칼리성이 될까? 이산화탄소가 물에 녹으면 실제 로는 여러 가지 화학물질로 존재한다. 탄산(H2CO3)도 그 가운데 하나이다. 수용액에서 탄산 이 수소 이온을 물로 내놓으면 중탄산 이온(HCO3-)으로 바뀐다. 중탄산이 수소 이온을 하나 더 떼어 놓으면 탄산 이온(CO32-)이 된다. 만약 산을 바닷물에 더해 주면 산성 용액으로 되 어 pH는 낮아지고 수소 이온을 제거하기 위해 반응이 일어난다. 반대로 염기를 바닷물에 더해 주면 알칼리 용액으로 되어 pH는 높아지고 수소 이온을 내놓는 반응이 일어난다. 이 러한 거동은 산이나 염기가 더해졌을 때 pH의 변동폭을 크게 감소시키는 완충 작용을 한 다. 강물이나 호숫물에는 이러한 완충제가 적어 하수구를 통해 산이나 염기가 흘러들면 pH 변동이 크게 일어난다.
자료출처 해양학, 미래엔 지구과학Ⅰ
차시 7~9/15
1) 산성비 생성원리
산성비는 공기 중에 있는 매연으로 만들어진다. 공장에서는 화석연료를 주로 사 용하는데, 화석연료는 황이라는 물질을 포함한다. 화석연료를 태우는 과정에서 황 이 산소와 만나 삼산화황이 되고, 물에 녹아 아황산과 황산이 되는데 모두 강한 산성 물질이다. 이산화황과 질소산화물이 대기 중의 산소, 수분과 반응하여 묽은 황산이나 질산이 만들어진다. 이것이 비가 내릴 때 같이 섞여 산성비가 된다.
2) 산성비와 염기성 비
산성비는 수소이온 농도가 5.6미만인 비로, 산성비가 내리게 되면 토양 속의 작 은 미생물과 효소가 죽거나 기능이 상실되고, 토지가 산성화되어 식물이 더 이상 자라지 못하게 된다. 그러나 강을 부영양화하거나 처음 내린 산성비의 질소가 땅 에 스며들어 식물의 성장을 촉진하는 장점도 있다.
염기성 비가 내릴 확률은 매우 적으며, 화강암으로 만들어진 석상이나 외부 벽 돌이 손상되고, 대부분의 식물에게 문제가 된다.
3) 토양 산성화의 원인
토양 산성화의 원인으로는 산불, 화학물질 누출 및 토양오염, 산성비, 미세먼지 등의 공해물질, 과도한 화학비료의 사용이 있다. 산불은 낙엽, 낙지 등을 불태워 질소, 인, 칼륨, 황과 같은 토양의 양분 손실을 초래하며, 과도한 재를 발생시켜 산성을 높여 토양이 산성화된다. 과도한 화학비료를 사용하면 식물 성장에 필요한 질소, 인산, 칼륨 등이 사용되고 난 후, 황산만이 남게 되어 토양이 산성화된다.
4) 산성 토양
전국 산림 토양의 평균 pH는 4.3으로 강한 산성으로 나타나며, 최근 10년간 산림
토양의 산성도는 16% 감소하였고, 꾸준히 산성화가 진행 중이다.
5) 염기성 토양
pH가 7이상인 토양으로, 치환성 나트륨 함량이 높은 토양이다. 기반암이 석회암 인 경우에 염기성 토양이 되고, 산성 토양과 반대로 산의 성질을 띠는 인산이나 황산이 포함된 비료를 주어야 한다.
자료출처 환경부 “대기환경연보”, 국립산림과학원
차시 10~13/15
1) 녹조: 녹조는 기본적으로 수체의 부영양화, 특히 인의 과도한 유입으로 인해 발생한다.
주변 농경지 등에 뿌려진 비료에 의해 질소의 유입이 있는 상태에서 인이 유입되면 특정 남세균이나 조류가 대발생하게 된다. 특정 생물 종의 생장에 맞는 환경이 지속 되면 세포 분열의 결과, 조류나 남세균의 세포 수가 폭발적으로 증가하여 물 색깔을 변화시킨다. 남세균과 조류가 대발생한 뒤 분해될 때 미생물의 활동으로 인해 수중 산소가 고갈되며 녹조가 발생한 부영양화의 심층수부터 무산소층이 형성된다. 이러한 무산소층의 형성은 산소를 이용해 호흡하는 대부분의 저서 생물의 생존에 치명적이어서 생물다양성을 감소시킨다. 산소가 고갈된 심층수를 하류로 방류할 때 댐 하류의 어류 폐사가 일어날 수 있다. 또, 식물성 플랑크톤의 광합성으로 표수층의 산도는 9.5 이상에 이를 수 있는데, 민감한 어류에게 심각한 영향을 줄 수 있어 동물다양성이 크게 낮아질 수 있다.
2) 부레옥잠 : 부레옥잠은 부영양화(강·바다·호수 등의 수중생태계의 영양물질이 증가하여 조
류가 급속히 증식하는 현상)를 일으키는 질소와 인을 흡수하는 수질 정화 능력이 탁월한 수생식물로 살아있는 수질 정화 장치이자 살아있는 정수기이다.
3) 미생물 : Em 이란 유용 미생물군(Effective(유용한) Micro organisms)의 약자로 유용한 미 생물이 서로 협력하며 공생하는 미생물 집합체이며 간단하게 유기물을 분해 작용을 한 다. Em 미생물은 탄화수소를 이용해 증식하며 기름은 이들의 훌륭한 먹이감으로 이를 먹으며 증가하며 자체 정화 기능을 담당한다. 수질 개선에 도움을 줄 뿐만 아니라 도심 하천의 악취제거용으로도 쓰일 수 있으며 한 번 떨어뜨리면 3.3 제곱미터가 정화되는 효 과가 있다. 또한 2차 피해가 적다.
4) 산화제 : 과망가니즈산은 물과 반응시 2KMnO4(s) → K2MnO4(s) + MnO2(s)+O2(g)로 환 원되기 때문에 강한 산화제로 작용하며 녹조 등 유해 물질을 산화시킨다.
5) 자갈, 모래, 흙, 활성탄: 다공성 알갱이에 유기, 무기 물질이 흡착시켜 수질을 정화한다.
자료출처 네이버 지식 백과
차시 14~15/15
자료출처 학생들과 채취해 온 표본 측정값
