의 원인을 알아보면서 싱크홀을 예방하는 방안 을 탐색해 본다.

도시에는 다양한 지하 구조물이 존재한다. 그러 나 지하차도, 지하철, 지하상가, 수도관이나 전 선 등 다양한 매설물 등으로 인한 맨홀, 환풍구 등과 매립과 고층건물 건설로 인한 지반 침하 등 의 우려 등 문제가 도시의 안전을 위협한다. 이 러한 도시의 지반 및 지하 구조물로부터 안전하 게 살아가기 위해서는 사전에 예방하는 활동이 보다 중요할 것이다.

이 프로그램에서는 자연 상태에서 발생하는 싱 크홀의 원인을 생각해 보고, 도시의 지하 세계를 상상하여 그림으로 그려 본다. 또 도시형 싱크홀

의 원인을 알아보면서 싱크홀을 예방하는 방안 을 탐색해 본다.

도시형 지하 구조물과 연결된 맨홀 추락 사고를 예방하기 위한 빠지지 않는 뚜껑 설계를 위한 정 폭도형의 특성을 알아본다.

마지막으로 환풍구 추락 사고를 예방하기 위한 환풍구 형태를 도시 경관을 고려하여 구안하는 활동을 해 본다.

도시의 땅 밑 과 공존하기

16

내용 목표

• 우리나라 지층의 특징을 이해하 고, 싱크홀의 원인을 이해하고 모형을 만들 수 있다.

• 도시의 다양한 지하 시설물 설치 를 위한 맨홀과 지하철 등 환풍구 사고를 줄일 수 있는 구조물을 설 계할 수 있다.

과정 목표

• 과제 수행을 통해 탐구 능력을 기를 수 있다.

• 탐구 수행 과정에서의 모둠 활동 및 토론을 통해 협 동하는 자세를 기를 수 있다.

고등학교 2학년 아름다운 한반도 과목 : 지구과학, 물리, 수학

학습 목표 주제 및 제작 의도

STEAM 과목 요소

싱크홀이나 환풍구, 맨홀 추락 사고 등 우리 주변에서 예기치 못한 사고 가 발생하고 그로 인한 우려가 점차 높아지고 있다. 이러한 안전 사고 로부터 우리를 지킬 수 있는 방안을 창안할 수 있다.

우리나라 지질의 특징과 싱크홀의 원인 도시의 맨홀이나 환풍구의 형태 분석 뚜껑의 상태를 알 수 있는 맨홀 제작 도시의 환풍구 디자인하기

정폭도형의 특징 이해하기

관련 교과

STEAM 단계 요소

상황 제시

Step1 • 도심에서 발생하는 싱크홀로 인한 주민들의 불안 증가, 맨홀 및 환풍구 추락 사

고 발생을 들은 적이 있는가?

창의적 설계 Step2

• 도시의 지하 세계에 대한 이해로부터 도시형 싱크홀의 원인을 이해한다.

• 맨홀 뚜껑이 왜 원형인지 분석하여 정폭도형의 특성을 이해한다.

• 환풍구 추락 사고를 예방할 수 있는 방법을 알아본다.

감성적 체험

Step3 • 사고는 사후 대책보다 사전 예방이 중요함을 인식한다.

교육 과정

수업 단계 과목 단원 단원 학습 목표 STEAM 성취 목표/STEAM 요소

1차시 지구

과학

아름다운 한반도

한반도의 유명 관광지에 서 볼 수 있는 지형과 지 질학적 현상을 이해한다.

싱크홀의 원인 알기

우리나라 지질과 지형의 특징으로 자연적 싱크홀 의 원인 알아보기

도시형 지반 침하 또는 싱크홀의 원인 유추하기 도시의 지하 세계를 상상하여 그림으로 그려 보기

2차시 수학 평면도형

평면도형과 정폭도형의 특징을 비교하여 설명할 수 있다.

맨홀 만들기

빠지지 않는 뚜껑 설계를 위한 정폭도형 이해하기 정폭도형을 이용한 맨홀 만들기

힘과 역학적 평형의 원리를 이 환풍구의 구조 디자인하기

평가 계획

연번 평가 기준 방법

1 우리나라 지질과 지형의 특징을 알고, 싱크홀의 원인을 설명할 수 있는가? 지필 평가

2 도시의 지하 세계에 대하여 세밀하게 표현하였는가? 수행 평가

3 정폭도형의 작도법을 이해하고, 정폭도형을 활용한 생활용품을 만들 수 있는가? 수행 평가

4 안전한 환풍구를 디자인하는 데 적극적으로 참여하는가? 관찰 평가

5 흥미를 유지하면서 친구들과 토의와 협력을 통하여 문제 해결에 참여하는가? 관찰 평가

차시별 계획 총괄표

과목

지구과학, 수학, 물리

단원

지구과학(아름다운 한반도), 수학(평면도형), 물리(힘과 에너지의 이용)

차시 학습 내용

1차시

소주제

도시의 구멍! 싱크홀은 왜?

싱크홀은 왜 생길까?

자연적인 싱크홀이 생기는 원인 알아보기

암석 표본에 여러 종류의 액체를 떨어뜨려 어떤 경우에 반응이 일어나는지 관찰하고 반응 과정을 알아본다.

우리나라 지질과 지형에서 싱크홀이 생길 수 있는 조건 찾아보기

우리나라 지질도를 통하여 싱크홀이 생길 수 있는 지역의 지형 특징을 사진 자료로 찾아본다.

신문 기사를 읽고, 도시의 지하 세계를 그림으로 그려 보기

신문 기사 자료를 읽고, 모둠별로 도시의 지하 세계를 상상하여 그림으로 그려 보고, 도시형 싱크홀의 원인을 설명한다.

2차시

소주제

도시의 지하 세계와 통하는 입구

도시의 지하 세계는 도시와 어떻게 연결되어 있을까?

맨홀의 형태 알아보기

맨홀이 하는 역할을 알아보고, 맨홀의 형태를 관찰하여 빠지지 않는 뚜껑의 특징을 찾아본다.

정폭도형의 특징을 알고, 정폭도형 그리는 법 알아보기

정폭도형의 의미와 특징, 그리는 법을 알고, 두꺼운 도화지로 다양한 형태의 정폭도형을 만들어 본다.

정폭도형과 원형 형태의 맨홀 비교하기

정폭도형과 원형 형태의 맨홀의 장단점을 비교해 본다.

3차시

소주제

도시의 지하 세계로부터 안전하게 생활하기

환풍구 추락 사고의 원인 생각하기

환풍구 추락 사고는 왜 생길까?

도시의 환풍구 기능 이해하기

환풍구 추락 사고의 원인을 생각해 보고, 추락 사고를 방지하기 위한 방법을 생각한다.

무게를 견딜 수 있는 안전 구조물의 원리 알아보기 힘의 분산을 이용한 구조물을 찾아 원리를 설명한다.

도시의 미관을 고려한 안전한 환풍구 디자인하기

도시의 환풍구 구조를 그림으로 그리고, 추락 사고를 방지할 수 있는 원리를 설명한다.

차시(단계)별 교수 학습 과정

1차시 도시의 구멍! 싱크홀은 왜?

과목

고등학교 2학년 / 지구과학Ⅰ

수업 차시

1/3차시

단원

아름다운 한반도

교육 과정

한반도의 지질을 이해하고, 지형과 지질학적 현상을 이해한다.

학습 목표

싱크홀이 생기는 원인을 자연적인 상황과 인위적인 상황에서 찾아 설명할 수 있다.

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입

(5분)

싱크홀은 왜 생길까?

컴퓨터, 동영상 자료 또는 사진 자료(싱크 홀 관련)

학습 활동 (30분)

활동 싱크홀의 발생 원인 알아보기 자연적인 싱크홀이 생기는 원인 알아보기

암석 표본에 여러 종류의 액체를 떨어뜨려 어떤 경우에 반응이 일어나는지 관 찰하고 반응 과정을 알아본다.

tip 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 액체로 준비하고, 학생들이 산성비 등 실 제 일어날 수 있는 상황과 연결할 수 있도록 지도한다.

우리나라 지질과 지형에서 싱크홀이 생길 수 있는 조건 찾아보기

우리나라 지질도를 통하여 싱크홀이 생길 수 있는 지역의 지형 특징을 사진 자료로 찾아본다.

tip 우리나라 지질도에서 위에서 실험한 암석의 종류로 이루어진 지역을 찾아보 고, 그 지역에서 많이 발견되는 지형을 찾아보도록 안내한다.

도시에서 싱크홀이 생기는 원인 찾기

서울 송파구 일대 지도에서 동공과 싱크홀 현황을 나타낸 지도를 보고, 도시 형 싱크홀의 원인을 찾아본다.

tip 지하 매설물 및 지하철 공사, 지하수 유출의 원인을 생각해 보도록 지도한다.

학생활동지 1 참고자료 1

암석 표본(9종), 산성 용액, 염기성 용액, 중 성 용액(식초, 비눗물, 소금물 등), 산성비 실 험키트, 우리나라 지 질도

마무리 (10분)

신문 기사를 읽고, 도시의 땅 밑을 그림으로 그려 보기

신문 기사 자료를 읽고, 모둠별로 도시의 땅 밑을 추측하여 그림으로 그려 보 고, 도시형 싱크홀의 원인을 설명한다.

싱크홀 관련 신문기 사, 4절 도화지, 그리 기 도구

지도상

유의점

✽ 탐구 과정에서 강한 산성 용액은 사용하지 않도록 하여 안전에 유의한다.

학생활동지 1 싱크홀의 발생 원인 알아보기

다음 자료는 2009년부터 서울과 신도시 지역에서 발생한 도로 위 싱크홀 현황을 나타낸 것이다. 2014 년 서울시 송파구 석촌 지하 차도 주변 싱크홀과 석촌 호수 주변의 동공 발견 등으로 주민들의 불안감 이 높아지고 있다. 싱크홀은 왜 생기는 것일까?

❶ 암석 표본에 산성 용액, 중성 용액, 염기성 용액을 떨어뜨려 봅니다. 암석 표본 중에서 액체와 반응한

경우를 쓰시오.

석회암, 대리석-식초(산성 용액)

발생 위치 직경 깊이 복구 내용 발생원인

서울

동대문구 2011.

08.08

전농로, 서울시립대 앞 교차로

(떡전교차로 방향) 2×2 2

되메우기 후 포 장 복구

원인 불명(장기 압밀로 추정) 강남구 2011.

06.14

양재대로,일원지하차도 전

200m 4차로와 인도상 3×3 1.3

구로구 2011.

07.29

서부간선도로 성산 방향 안양철

교 지난 50m 2차로 2×2 0.2

중랑구 2011.

07.29

동부간선도로 망우선철교 전

200m 1차로 2.5×2 1.5

서초구 2013.

01.00

강남대로 강남역 2번 출구와

7번 출구 사이 2×2 1

원인 불명(지하 철 공사로 인한 영향으로 추정) 송파구 2014.

08.05

백제고분로 석촌지하차도

종점부 2.8×8 5 원인 조사 중

(응급 복구 완료)

인천 중구 2014.

07.28 중구 중산동 3.5×10 5 도로 복구 조치

예정 원인 조사 중

도로에 생긴 싱크홀 싱크홀이 생기는 원인

빗물이 스며들어 지하수를 만듦

동공이 무너지면서 씽크홀이 생김

씽크홀

동공

❷ 옆의 우리나라 지질도를 보고 ❶의 반응과 같은 현

상이 일어날 것으로 생각되는 지역을 찾아 봅시다.

❻ 싱크홀이나 지반 침하 현상을 예방하기 위하여 어떤 노력을 해야 하는지 써 봅시다.

푸른색으로 나타낸 부분이 조선 누층군으로 석회암 지

도시의 지질도 파악, 지하의 난개발 방지 대책 마련, 지하수 보전을 위한 노력 대이다.

❸ ❷에서 찾은 지역에 어떤 지형이 발달하였는지 조

사하고, 그러한 지형이 만들어진 원인을 써 봅시다.

석회 동굴 발달, 빗물 유입으로 인한 석회암의 용해 현상

❹ 2014년 서울 지역 싱크홀 발생 현황을 나타낸 지도

(참고 자료 1)를 보고, 도시형 싱크홀의 발생 원인을 써 봅시다.

지하철 공사, 초고층 건물 건축, 지하수 개발로 인한 지

하수 부족

❺ 우리가 사는 도시의 땅 밑은 어떤 모습일지 생각하여 그림으로 그려 봅시다.

(예시)

가스관 상수도관 하수도관

참고자료 1

송파구 일대 동공, 싱크홀 및 건물 기울어짐 현황

서울 잠실 석촌 지하 차도에 대형 싱크홀과 동공(洞空·빈 공간)이 발생한 데 이어 지하철 9호선 공사장 인근 건물들이 잇따라 기울어지는 현상이 나타났다. 송파구청은 송파구 잠 실동 백제고분로 주변 5개 건물에서 기울어짐 현상이 나타났다고 10일 밝혔다.

[출처: 2014. 11. 10. 연합뉴스]

2차시 도시의 지하 세계와 통하는 입구

과목

고등학교 1학년 / 수학

수업 차시

^2/3차시

단원

평면도형

교육 과정

평면도형(원,삼각형,사각형)과 정폭도형(뢸로 다각형)의 다른 특징을 이해한다.

학습 목표

•정폭도형의 형태를 이해하고 작도할 수 있다.

•실생활에서 정폭도형이 이용되는 예를 찾고 정폭도형의 장단점을 파악한다.

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입 (5분)

원형 맨홀 뚜껑이 대부분인 이유는 무엇일까? 원형 뚜껑의 장점과 단점에는

무엇이 있을까? 맨홀 뚜껑 사진 자료

학습 활동 (30분)

활동 1 맨홀 뚜껑의 모양 맨홀 뚜껑의 형태 알아보기

원형이 아닌 다른 모양(삼각형, 사각형, 타원 등)의 맨홀 뚜껑이 있다면 어 떤 일이 발생할까?

삼각형, 사각형, 타원 등의 뚜껑을 적절히 회전하거나 기울여 구멍을 통과시 킬 수 있는지 알아본다.

tip 상황을 상상하고 추측해 본 후 두꺼운 도화지를 이용하여 실험한다.

활동 2 뢸로 삼각형을 맨홀 뚜껑에 적용하기

정폭도형의 특징을 알아보고 정폭도형을 그리는 법 알아보기

여러 방향에서 뢸로 삼각형의 폭을 재어보고 평면 위에서 굴려보았을 때 높 이의 변화를 살펴본다.

- 두꺼운 도화지에 뢸로 삼각형을 작도하여 만든 후 책상 위에서 굴려본다.

이때 뢸로 삼각형 위에 자를 올려 자의 움직임을 관찰한다.

뢸로 삼각형을 이용한 맨홀 뚜껑을 기존 원형 맨홀 뚜껑과 비교해 보기 뢸로 삼각형과 원의 폭(지름)이 같을 때 어떤 도형의 맨홀 뚜껑이 더 경제적

일지 생각해 보고 장단점을 찾아본다.

tip 뢸로 삼각형이 회전할 때 중심의 변화를 관찰하게 한다.

학생활동지 2-1 학생활동지 2-2 참고자료 2

두꺼운 도화지, 자, 컴 퍼스, 칼

마무리

(10분)

찾아낸 장단점을 모둠별로 발표하고, 다양한 친구들의 생각을 들어본다.

지도상

유의점

✽ 컴퍼스 또는 칼을 사용할 때 날카로운 물체에 부상을 입지 않도록 유의한다.

학생활동지 2-1 ^{맨홀 뚜껑의 모양}

도시를 걷다보면 길바닥에 있는 맨홀 뚜껑을 볼 수 있다. 상·하수도, 통신, 전기 등의 원활한 관리를 위 해 지하에 여러 케이블이나 관 등의 시설물을 설치하였고, 지상과 지하의 연결 통로로 맨홀이 만들어졌 다. 어느 날 양현이와 친구들은 맨홀 뚜껑을 열고 공사하는 아저씨들을 보았다. 맨홀 뚜껑이 구멍에 빠 지는 일이 발생하지 않을까 궁금해져서 이에 대해 조사해 보기로 하였다.

❶ 맨홀 뚜껑이 주로 원형인 이유는 무엇일까요? 삼각형이나 사각형, 타원 모양으로 만들면 안 되는 이유

를 써 봅시다.

❷ 맨홀 뚜껑이 원형인 경우 위의 그림처럼 주변과 무늬가 어긋나서 보기에 좋지 않습니다. 그렇다면 빠지

지도 않고 방향을 맞히기도 쉬운 맨홀 뚜껑은 어떤 특징을 가지고 있어야 하는지 써 봅시다.

뚜껑을 열었다 닫을 때 방향에 상관없이 닫을 수 있다. 사람이 드나들기 편하다. 어느 방향으로 닫아도 지름의 길이

빠지지 않으려면 원처럼 폭이 일정해야 하고, 방향을 쉽게 맞히려면 꼭짓점이 있는 것이 좋다.

가 일정하므로 구멍 속으로 빠질 염려가 없다. 동그란 모양은 다른 모양보다 충격과 진동에 강하다. 삼각형이나 사각

형인 경우에는 뚜껑이 자칫 구멍 속으로 빠질 수 있다. 커다란 관(파이프) 또는 장비를 내리거나 올릴 때 원으로 하면

지름이 너무 커지므로 사각형으로 만들면 좋을 것 같다.

학생활동지 2-2 뢸로 삼각형을 맨홀 뚜껑에 적용하기

❶ 정폭도형이란 원과 같이 어디에서나 폭이 같고 방향과 관계없이 평행하게 두 직선 사이의 거리가 항상

일정한 도형입니다. 그래서 정폭도형을 바닥에 굴리면 그 도형의 높이가 변하지 않습니다. 정폭도형의 대표적인 도형은 뢸로 삼각형으로 독일의 기계공학자 프란츠 뢸로(1829~1905)의 이름을 딴 것입니다.

뢸로 삼각형의 작도는 정삼각형의 각 변을 호로 바꿔주면 됩니다.

❸ 뢸로 삼각형과 원형으로 된 맨홀 뚜껑을 만들었을 때 각각의 장단점에 대해서 써 봅시다.

❷ 뢸로 삼각형의 넓이를 구해 보고, 원의 넓이와 비교해 봅시다.

삼각형의 한 변의 길이(도형의 폭)를 라 하면 뢸로 삼각형의 넓이는 ( - ) 이고, 같은 폭을 가지는 원의 넓이는 이다.

예를 들어 = 4라고 하면 뢸로 삼각형의 넓이는 약 10.72, 원의 넓이는 약 12.56이다. 따라서 같은 폭을 갖는 두

도형의 넓이를 비교하면 뢸로 삼각형의 넓이가 원의 넓이의 90%가 안 된다는 것을 알 수 있다.

<뢸로 삼각형의 작도법>

㉠ 원하는 길이의 선분을 긋고, 선분의 양 끝점을 각각 중심으로 하여 선분과 같은 길이의 호를 그려 준다.

㉡ 두 호가 만나는 점을 중심으로 하는 호를 그려 준다.

✽기타 피크 ✽연필

참고자료 2

정폭도형의 생활 속의 예

✽뢸로 삼각형 맨홀 뚜껑

✽동전

우리나라의 기념 주화 중에는 삼각형 모양의 한국문화 유산 기념주화는 삼각형 동전과 전 통민속놀이 십이각형 기념주화가 있다.

[출처 : 한국은행]

3차시 도시의 지하 세계로부터 안전하게 생활하기

과목

고등학교 2학년 / 물리Ⅰ

수업 차시

^3/3차시

단원

힘과 에너지의 이용

교육 과정

역학적 평형의 원리를 이해하고, 구조물의 안정성을 설명할 수 있다.

학습 목표

도시의 환풍구 사고 원인을 분석하여 안전한 환풍구 구조를 설계할 수 있다.

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입 (5분)

환풍구 추락 사고는 왜 생길까?

컴퓨터, 빔프로젝터, 뉴스 동영상

학습 활동 (30분)

활동 도시의 미관을 고려한 안전한 환풍구 디자인하기 도시의 환풍구 기능 이해하기

도시의 환풍구는 왜 필요할까?

환풍구 추락 사고의 원인을 생각해 보고, 추락 사고를 방지하기 위한 방법 을 알아본다.

무게를 견딜 수 있는 안전 구조물의 원리 알아보기 힘의 분산을 이용한 구조물을 찾아 원리를 설명한다.

tip 생활 속의 예로부터 힘의 분산 원리를 찾아보도록 안내한다.

학생활동지 3 참고자료 3 컴퓨터, 빔프로젝터

마무리 (10분)

도시 미관을 고려한 안전한 환풍구 디자인하기

모둠별로 도시의 환풍구의 구조를 포스터로 그려 벽에 붙인 후, 친구들에게 안전 사고를 방지할 수 있는 방법을 설명한다.

도화지, 그리기 도구

지도상 유의점

✽ 여러 모둠의 활동을 모두 발표하기 어려우면 포스터를 교실 벽에 붙이고, 전 체 모둠이 돌아다니면서 포스터 발표를 듣는 방법도 있다.

학생활동지 3 도시의 미관을 고려한 안전한 환풍구 디자인하기

오른쪽 사진은 2014년 발생한 판교 테크노밸리 '환풍구 추락 사고' 현장을 나타 낸 것이다. 지하 주차장이나 지하철의 공기를 지상으로 배출하는 환풍기에 많 은 사람이 올라가 덮개 구조물이 붕괴하여 사고가 발생하였다.

환풍구 추락 사고는 왜 생기는 것일까?

❶ 도시의 환풍구는 어떤 역할을 하는지 써 봅시다.

❺ 도시의 미관을 고려하여 안전한 환풍구의 모양을 디자인해 봅시다.

[출처 : 2014. 10. 19. 중앙일보]

대형 건물의 공기 순환, 지하철 환기 및 연기 제거

❷ 환풍구 사고가 발생하는 원인은 무엇이라고 생각하는지 써 봅시다.

환풍구에 대한 인식 부족으로 인하여 환풍구에 올라서는 행동을 무의식적으로 한다.

❸ 환풍구 추락 사고를 예방하기 위한 방법을 생각하여 써 봅시다.

•환풍구에 대한 인식을 높이고, 올라서지 못하도록 구조를 변경한다.

•인도 위에 설치할 경우, 인도 폭이 좁아지는 문제를 해결하기 위해서는 힘을 분산하는 구조를 이용하여 강도를 높인다.

❹ 그림은 생활 속에서 찾을 수 있는 여러 가지 구조물을 나타낸 것입니다. 그림의 공통점을 써 봅시다.

아치 구조로 힘을 분산시킨다. 트러스 구조로 힘을 분산시킨다.

참고자료 3

환풍구 기준과 관련된 신문 기사

환풍구 설계 20년 전 것…보행권과 조화 고려해 환풍구 유형별 안전 기준 필요

국토교통부는 20일 환풍구 안전 기준이 없다는 지적에 대해 ‘국토부 고시’를 거론하며 “바 닥형 환기구는 사람이 통행할 만한 곳에는 1㎡당 300㎏, 차량이 통행할 만한 곳에는 1㎡당 500㎏을 기준으로 설계·시공하도록 돼 있다. 지하철 환기구는 형태와 관계없이 모두 1㎡

당 500㎏을 기준으로 설계·시공돼 있다”고 밝혔다.(중략).. 서울시의 경우 보행 공간이 절 대적으로 부족한 상황에서 지하철 환풍구의 높이를 낮춰 보행로를 확보하겠다는 정책을 시 행하고 있다.

전문가들은 안전과 보행권의 조화를 위해서는 설계·시공 기준 강화와 함께 발상의 전환이 필요하다고 주문하고 있다. 설재훈 한국교통연구원 선임연구위원은 “인도가 좁아 환풍구 위 를 사람이 다니는 길로 써야 한다면 환풍구 설계 때부터 육교에 적용하는 하중 기준을 쓰면 된다. 그 기준에 못 미치는 위험한 곳은 울타리를 설치해 못 들어가도록 하고, 굳이 사람이 다닐 필요가 없는 곳은 환풍구를 높여 올라가지 못하도록 하면 된다.”고 했다.

[출처 : 2014.10.20 한겨레 신문]