2019. 11.

(1)

2019 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2019. 11.

추자중학교 STEAM교육 교사연구회

(2)

과 제 개 요

과제명 2019년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

유형

(유형1) STEAM 프로그램 개선 및 보완을 통한 확산 모델 개발 ( ) - 선행 프로그램명:

(유형2) 다양한 교과 간 협동 연구를 통한 STEAM 프로그램 신규 개발 ( √ )

프로그램명 핵심역량강화 위한 코딩 연계 STEAM프로그램

학교급 중학교 대상 학년(군)

중학교 1~3학년

중심과목 과학 중심과목

성취기준 영역

[중학교 3학년] 창의력

연계과목 정보 연계과목

성취기준 영역

[중학교 1학년] 문재해결과 프로그래밍

연구기간 2019.5.16. ~ 2019.11.30.

연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000)

참여연구원 4명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 3명)

연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자 추자중학교 과학 교사 조은상

공동연구원 사범대학부설고등학교 과학 교사 진영주

공동연구원 세화중학교 과학 교사 고현자

공동연구원 한림공업고등학교 과학 교사 김태경

공동연구원

2019년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아

융합인재교육 (STEAM) 교사연구회를 운영한 최종 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2019년 11월 15일

연구책임자 : 조은상 (인)

(3)

“이 보고서는 2019년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

(4)

목 차

1. 요약문

··· 1

2. 서론

··· 1

3. 연구 수행 내용

··· 2

4. 연구 수행 결과

··· 3

4. 결론 및 제언

··· 7

5. 참고문헌

··· 8

[부록]

부록1. 핵심 역량 강화를 위한 코딩연계 STEAM 프로그램 부록2. 과학 긍정 경험 설문지

부록3. 협의록

(5)

1. 요약문

메이커 활동 기반 STEAM 과학 탐구수업을 구성하고 과학, 정보, 미술, 음악등 이 결합된 교과 융합수업을 개발하고 이를 적용하여 과학에 대한 정성적인 영역 변화를 살펴보았다. 그리고 학생들이 선호하는 수업과 평가의 형태도 알아보았다.

2. 서론

가. 개발목적

창의융합형 과학실의 인프라를 활용한 메이커 탐구 활동을 개발, 적용하여 학생들

이 과학에 흥미를 가지고 다양한 아이디어를 구현해 볼 수 있는 프로젝트 기반의 과

학 탐구 활동을 수행하는 과정에서 과학교육의 핵심 역량과 정보 교과의 핵심역량을

갖출 수 있는 수업 모델 개발한다.

(6)

3. 연구 수행 내용

가. 활용대상 및 활용 계획

- 활용대상: 중학교 1학년부터 중학교 3학년까지

- 활용계획: 메이커 활동을 적용한 탐구 활동 자료(교수 학습 과정안, 탐구 활동지, ppt, 동영상, 소스 코드)를 제작하여 코딩, 메이킹, 과학 탐구 활동이 결합된 새로운 형태의 과학탐구STEAM수업 모형을 교수학습 활동에 적용

다. 홍보 및 배포 계획

- 도교육청 및 교육연구원 주관 초・중등 과학교사 연수 시 교육과정에 편성 - 융합인재교육(STEAM) 연수

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 핵심역량강화 위한 코딩 연계 STEAM프로그램

선행

프로그램명 해당없음

학교급 중학교 대상 학년(군) 중1~3학년

중심과목 과학 중심과목

성취기준 영역

중학교 [1~3학년] 창의력

연계과목 정보 연계과목

성취기준 영역

[중학교 1학년] 문재해결과 프로그래밍

개발결과

주제 연번

차시

(시수) 과목 연계(안)

1 2 과학(1) + 정보(1)

2 2 과학(1) + 정보+미술(1) 3 2 과학(1) + 정보+음악(1)

4 2 과학(1) + 정보(1)

5 2 과학(1) + 정보(1)

6 2 과학(1) + 정보(1)

7 2 과학(1) + 정보+미술(1)

8 2 과학(1) + 정보(1)

적용결과 ※ 2019. 9.~10. 3주제 적용

(7)

4. 연구 수행 결과

구분 수행 결과

교수학습지도안 개발 차시 총 16차시

수업 적용 일정 2019. 9. 25. ~ 2019. 10. 17.

(STEAM 수업)수혜학생 수 세화중학교 59명(중학교 3학년 전교생) 학생 태도검사 사전검사 4월 30일, 2개 학급(46명) 실시 완료

사후검사 10월 19일, 2개 학급(46명) 실시 완료

학생 및 교사 만족도조사 10월 19일 실시 완료

교사연구회 STEAM 행사 개최 해당 없음

논문 또는 학술대회 해당 없음

특허출원 (국외, 국내) 해당 없음

가. 대상: 제주시 A 중학교 3학년 59명(남35명 여24명) 나. 프로그램 투입시기: 2019. 9.~10.

[그림1] 수업 활동 모습

다. 사전 사후조사: 사전조사(8/31), 사후조사(10/29) 라. 설문 결과

1) 과학 학습 정서

문항 사전평균 사후평균 증감비교

A1. 나는 과학 수업이 즐거웠다.

2.67 2.91 0.24

A2. 나는 과학 수업이 만족스러웠다.

2.74 2.98 0.24

A3. 나는 과학 수업이 재미있었다.

2.64 2.90 0.26

A4. 나는 과학 수업이 지루하였다.*

2.41 2.62 0.21

A5. 나는 과학 수업이 짜증나거나 귀찮았다.*

2.86 3.04 0.18

A6. 나는 과학 수업 시간에 불안하거나 초조하였다.*

3.20 3.28 0.08

*역배점

(8)

2) 과학 관련 자아개념

B1. 나는 과학 수업 시간에 주어진 과제 및 활동을 잘 해결할 수

있다.

2.58 2.86 0.28

B2. 나에게 과학 공부는 쉬운 일이다.

2.42 2.54 0.12

B3. 과학은 내가 잘하는 과목 중 하나이다.

2.40 2.53 0.13

B4. 나는 과학 수업 시간에 선생님과 친구들로부터 인정받고 있다.

2.40 2.44 0.04

B5. 과학 수업을 통해 나는 스스로를 쓸모 있는 사람이라고 느낀다.

2.51 2.59 0.08

B6. 과학 수업은 내가 스스로에게 만족할 수 있게 해준다.

2.56 2.64 0.08

3) 과학 학습 동기

C1. 나는 과학 수업 시간에 최선을 다하려고 노력한다.

3.22 3.25 0.03

C2. 나는 과학 공부에 많은 시간을 들인다.

2.81 2.89 0.08

C3. 나는 과학 수업 시간에 적극적으로 참여한다.

2.86 3.10 0.24

C4. 나는 과학 수업 시간에 특히 질문을 많이 한다.

2.32 2.55 0.23

C5. 나는 과학 수업 시간에 딴 짓을 하지 않고 집중한다.

2.66 2.93 0.27

C6. 나는 과학 수업 시간에 종종 수업과 관련이 없는 딴 생각을 한

다.*

2.10 2.35 0.25

C7. 과학 수업 시간에 배운 내용은 나와 관련이 있다.

2.76 2.93 0.17

C8. 과학 수업 시간에 배운 내용은 일상생활에 적용가능하다.

2.74 3.10 0.36

C9. 나에게는 과학 수업 시간에 배운 내용을 제대로 이해하는 것이

중요하다.

3.03 3.22 0.19

C10. 나에게는 과학 수업 시간에 주어진 과제나 활동을 성공적으로

마치는 것이 중요하다.

2.89 3.15 0.26

*역배점

(9)

4) 과학 관련 포부

D1. 과학 관련 진로 및 직업에 대하여 알게 되었다.

2.72 2.86 0.14

D2. 과학 관련 진로 및 직업은 내가 스스로 더 배우고 발전할 수

있는 기회를 준다.

2.67 2.93 0.26

D3. 과학 관련 진로 및 직업은 사회적 영향력이 크다.

2.81 3.06 0.25

D4. 과학 관련 진로 및 직업에 흥미를 가지게 되었다.

2.44 2.72 0.28

D5. 미래에 과학과 관련된 직업을 가지고 싶다.

2.13 2.52 0.39

5) 과학 관련 태도

E1. 과학은 이 세상을 더욱 살기 좋은 곳으로 만드는 데 도움이 된다.

3.22 3.42 0.2

E2. 과학은 공부할 만한 가치가 있다.

3.45 3.30 -0.15

E3. 과학은 학교를 졸업한 후에도 쓸모가 있다.

2.89 3.18 0.29

E4. 과학의 발전은 환경, 기술 및 사회의 발전과 영향을 주고받는다.

3.15 3.33 0.18

E5. 학교에서 과학 수업 시간이 늘어나는 것은 바람직하다.

2.69 2.93 0.24

E6. 과학자는 합리적으로 생각하고 판단한다.

2.81 3.15 0.34

E7. 나는 과학에 대하여 더 알고 싶다.

2.61 2.79 0.18

E8. 나는 과학과 관련된 경험(독서, 견학, 과학 영상 시청 등)을 좋아한

다.

2.94 2.67 -0.27

(10)

6) 과학 긍정경험에 영향을 미친 요인

영역 내용 사전 사후

수업 방법 (1개만 선택)

□ ① 선생님께서 주로 설명하는 수업

□ ② 선생님이 말한 대로 따라하는 실험 수업

□ ③ 내가 스스로 탐구하는 실험 수업

□ ④ 과학 글쓰기를 하거나 어떤 주제에 대하여 토의 또는 토론하는 수업

□ ⑤ 모형(비유, 모델 등)을 만들거나 사용하는 수업

□ ⑥ 정보 또는 자료를 찾거나 조사하는 수업

□ ⑦ 혼자서 탐구 문제를 찾아 해결하는 수업(자유 탐구, 열린 탐구, 프로젝트 학습, 문제해결학습, 산출물 등)

□ ⑧ 모둠별로 탐구 문제를 찾아 해결하는 수업(자유 탐구, 열린 탐구, 프로젝트 학습, 문제해결학습, 산출물 등)

□ ⑨ 학교 밖 과학 활동(견학, 야외 탐구 활동, 현장 체험 학습 등)

19 4 7 0 6 1 1

2

15

16 8 3 2 3 0 1

7

16

수업 자료 (1개만 선택)

□ ① 정보 통신 기술과 기기(동영상, 컴퓨터나 스마트폰, 가상현실 또는 증강현실, 3D 프린터 등)

□ ② 과학의 역사, 과학자 이야기, 뉴스에서 볼 수 있는 과학 내용, 첨단과학 내용 및 이야기

□ ③ 과학과 관련하여 찬성과 반대 주장이 있는 사회적 문제(지구온난화, 미세먼지, 에너지 문제 등)

□ ④ 다른 과목(수학, 사회, 미술, 음악, 체육 등)과 관련이 있는 자료

□ ⑤ 과학이 가지고 있는 본래의 특성과 관련된 내용

□ ⑥ 기타 ( )

28

7

3

11 4 1

34

7

1

7 4 3 평가 방향

(1개만 선택)

□ ① 나의 활동 결과를 중심으로 하는 평가

□ ② 나의 활동 과정을 중심으로 하는 평가

14 41

15 44

평가 영역 (1개만 선택)

□ ① 나의 과학 지식을 평가

□ ② 나의 과학 탐구 능력을 평가(관찰, 측정, 의사소통, 예상, 가설설정, 변인통제 등)

□ ③ 나의 과학 태도를 평가

12 19

23

11 25

23 평가 대상

(1개만 선택)

□ ① 학생 개개인에 대한 평가

□ ② 모둠별로 평가

31 28

32 27

평가 방법 (1개만 선택)

□ ① 여러 개의 답지 중에서 알맞은 답을 선택하는 객관식 문항으로 평가

□ ② 주어진 물음에 따라 답을 쓰는 주관식 문항으로 평가

□ ③ 선생님이 나의 활동을 관찰하여 평가

□ ④ 선생님이 나와의 대화를 통해 평가

□ ⑤ 내가 실험 기구를 사용하는 능력이나 실험을 수행하는 능력 평가

□ ⑥ 내가 작성한 탐구 보고서 혹은 실험 보고서 평가

□ ⑦ 내가 작성한 여러 자료를 모은 자료집(포트폴리오) 평가

□ ⑧ 나의 과학 글쓰기 결과물 평가

□ ⑨ 기타 ( )

12 5 19 7 4 3 3 1 1

18 6 12 5 7 4 5 0 0

(11)

5. 결론 및 제언

4차 산업혁명의 흐름 속에서 문화와 경제의 격변기에 교실의 과학 수업은 어떤 흐름으로 나아가야하는가에 대한 고민에서 시작되었으며 새로운 장비와 소프트웨어에 대한 학생들의 경험과 이를 통한 과학학습의 효용성 증대에 초점을 맞추어 진행되었다. 교과서를 분석하고 차시별 수업을 계획하고 준비하면서 새로운 교육과정에서 제시하는 과학교육의 목표와 성취 기준과 성취수준에 다가가기위한 수업이 메이커 수업이 될 수 있다는 가능성을 볼 수 있었 다. 학습 의욕이 낮은 학생들의 수업 참가의욕을 높일 수 있으며 STEAM 수업과정을 통해 컴퓨팅 사고능력을 키울 수 있는 기회도 가질 수 있다.

하지만 교육과정에 제시된 내용 중 메이커 수업을 적용할 수 있는 주제를 선정하고 이에 맞는 피지컬 컴퓨팅 환경과 이를 구동할 수 있는 소프트웨어가 극히 부족한 현실 속에서 학 생의 만족도와 수업의 성취기준 두 마리의 토끼를 잡는 수업을 준비하는 것은 매우 어려운 일이다. 이에 향후 본 연구에서 진행된 프로그램을 발전시키기 위해서는 다음과 같은 조건들 이 필요하다.

첫째, 단위 학교에 STEAM 활동을 진행할 수 있는 메이커 스페이스가 필요하다. 현재 도내 에는 창의융합교실과 발명영재학급이나 과학영재학급을 운영하지 않는 학교의 경우 메이커 스페이스가 구축된 학교가 거의 없는 실정이다.

둘째, STEAM 수업을 위한 교육과정의 재구성이 필요하다. 교과서의 내용 중 STEAM 수업 을 진행하는 것이 가능한 내용 선정 및 정보교과와의 연계프로그램 수행이 수업의 진행과 효과의 증대를 위해 필요하다.

셋째, 교사의 전문성이 필요하다. 개인 및 교육청 차원의 연수프로그램을 통해 아두이노 및 소프트웨어의 전문성 향상이 없이는 수업의 구성 및 진행이 불가능하므로 반드시 교사의 교육이 필요하다.

산업과 문화가 빠르게 변화하는 상황 속에서 교육의 변화속도가 지체되어 사회에 필요한

인재를 배출해나가는 기능을 수행하지 못하는 일이 없도록 교실의 수업을 계속해서 변화하

고 적응해 나가야 한다고 생각한다.

(12)

6. 참고문헌

강은성(2017). 메이커 교육 아웃리치 프로그램을 통한 교육적 효과 : 자유학기 활동 사례를 중심으로. 박 사학위논문, 경희대학교.

강인애, 김홍순 (2017). 메이커 교육을 통한 메이커 정신의 가치탐색. 한국콘텐츠학회 논문지, 17(10), 250-267.

김 경(2018). 메이커 역량 추출 및 역량모델 개발. 석사학위논문, 한국교원대학교 대학원.

김남영 (2012). 탐구실험학습이 중학생들의 과학에 대한 태도와 과학흥미에 미치는 영향. 석사학위논문, 건 국대학교 교육대학원.

김재휘 (2016). 컴퓨팅 사고력 향상을 위한 EPL 및 피지컬 컴퓨팅 교육과정 개발 및 적용. 석사학위논문, 청주교육대학교 교육대학원

김혜진 (2016). 아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 교육이 중학생의 창의적 문제해결력 에 미치는 영향. 석사학위논문, 한국교원대학교 교육대학원.

손경호 (2013). 아두이노를 활용한 프로그래밍 교육방안 탐구 및 적용. 석사학위논문, 경인교육대학교 교육 대학원.

윤정구 (2017). 아두이노를 활용한 프로그래밍 교육이 고등학생의 창의적 문제 해결력에 미치는 영향. 석 사학위논문, 한국교원대학교 교육대학원.

이승철, 전용주, 김태영 (2017). 메이커 운동의 해외사례분석을 통한 국내 메이커교육 도입방향제안. 한국 컴퓨터 교육학회 학술발표대회 논문집. 29(4), 41-43.

이은혜 (2017). 디자인 싱킹 기반 STEAM프로그램이 초등학생의 융합적 문제해결력과 수학, 과학 흥미도 에 미치는 효과. 석사학위논문, 숭실대학교 교육대학원.

이재호, 장준형 (2017). 과학영재용 소프트웨어 코딩기반 메이커 교육 프로그램 개발. 영재교육연구, 27(3), 331-348.

(13)

[부록1]

(프로그램명) 핵심 역량 강화를 위한 코딩 연계 STEAM프로그램 1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

연번 차시 (중심과목)

2015 개정 교육과정 성취기준

(연계과목) 성취기준 영역

1 1, 2 [9과04-01] 기체의 확산과 증발 현상을 관찰하여 입자가 운동하고 있 음을 알고, 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

중학교 정보- 컴퓨팅 시스템- 센서 기반 프로그래밍

2 3, 4 [9과06-02] 물체의 색이 빛의 삼원색으로 합성됨을 관찰하고, 영상 장치에서 색이 표현되는 원리를 설명할 수 있다.

중학교 정보- 프로그 래밍- 입력과 출력

3 5, 6 [9과06-04] 파동의 종류를 횡파와 종파로 구분하고, 소리의 특징을 진폭, 진동수, 파형으로 설명할 수 있다.

중학교 정보- 자료와 정보- 자료의 유형과 디지털 표현

4 7, 8 [9과09-02] 전기회로에서 전지의 전압이 전자를 지속적으로 이동하 게 하여 전류를 형성함을 모형으로 설명할 수 있다.

중학교 정보- 프로그 래밍- 제어구조

5 9, 10

[9과09-03] 저항, 전류, 전압 사이의 관계를 실험을 통해 이해하고, 일 상생활에서 저항의 직렬연결과 병렬연결의 쓰임새를 조사하여 비교 할 수 있다.

중학교 정보- 문제 해결- 알고리즘의 이 해

6 11, 12 [9과11-02] 광합성에 필요한 물의 이동과 증산작용의 관계를 이해하 고, 잎의 증산작용을 광합성과 관련지어 설명할 수 있다.

7 13, 14 [9과12-03] 순환계의 구조와 기능을 이해하고, 혈액 순환 경로를 나타 낼수 있다.

중학교 정보- 프로그 래밍- 입력과 출력

8 15, 16 [9과18-01] 기권의 층상구조를 이해하고, 온실 효과와 지구 온난화를 복사평형의 관점으로 설명할 수 있다.

(14)

2. STEAM 프로그램 총괄표(총 16차시)

차시 주요내용

1, 2

주제(단원)명 기체의 확산

학생들에게 입자의 개념으로 물질을 설명하는 첫 단계의 수업내용이다. 눈에 보이지 않는 기 체확산 현상을 센서로 입력되는 값의 변화를 통해 확인하는 경험을 제공한다. 정보 교과의 센서 기반 프로그래밍과 연계하여 아날로그 데이터를 그래프로 표현하는 방법을 통해 탐구활동의 결 과를 정리한다.

Co 파스를 뿌리고 온 친구에게서 파스 냄새가 나는 현상을 어떻게 설명할 수 있을까?

CD 가스 센서를 이용하여 기체 확산 측정 장치를 제작

ET 기체의 확산과 관련한 생활 속 경험 나누기

3, 4

주제(단원)명 빛의 합성

빛의 삼원색을 이용하면 여러 가지 색의 빛을 만들 수 있다. 아날로그 출력으로 삼색LED에 출력되는 빨간색, 초록색, 파란색 빛의 세기를 각각 조절하여 다양한 빛의 색을 직접 확인해 볼 수 있도록 조명장치를 제작한다. 코딩에서 각 빛의 출력을 다르게 해가며 조명의 색이 어떻게 달라지는지 확인하고, 자신이 원하는 색의 빛을 차례로 출력하는 조명장치를 만들 수 있다.

Co 컴퓨터 모니터나 핸드폰 화면에서 다양한 색이 표현되는 이유를 생각한다.

CD 삼색 LED 를 활용하여 여러 가지 조건에서 다양한 색이 표현되는 조명 장치를 제작한다.

ET 코드를 변경하여 다채로운 색을 나타내는 아름다운 조명을 제작한다.

5, 6

주제(단원)명 소리의 특징

소리의 세기는 음파의 진폭에 의해, 소리의 높낮이는 음파의 진동수에 의해, 소리의 음색은 음 파의 파형에 의해 결정됨을 알고 주어진 진동수를 달리해 가면서 음의 높낮이가 바뀌는 것을 실 제로 확인해 볼 수 있도록 아두이노와 피에조 스피커를 이용하여 실험 장치를 제작한다. 실험 장치를 이용하여 진동수를 달리해가는 코딩을 통해 음의 높낮이를 확인해 보고 더 나아가 주어 진 악보를 연주할 수 있다.

Co 진동수와 소리의 관계를 알고나서 진동수를 변경하면 발생하는 음 높이의 차이를 이용한 사례들을 찾는다.

CD 스피커 센서와 코드를 이용하여 원하는 멜로디를 연주할 수 있는 장치를 제작한다.

ET 제작한 장치를 이용하여 내가 좋아하는 곡을 친구들에게 연주하여 들려준다.

7, 8

주제(단원)명 전류의 흐름

전류의 흐름을 간단한 회로와 코드를 사용하여 나타냄으로써 처음 전기를 배우는 학생들에게 전기이론이 재미있는 활동이 되도록 돕고 오개념이 형성되는 것을 줄여주는 수업의 형태이다.

코딩 프로그램을 이용하여 전류가 흐를 때 LED 가 켜지는 방향을 보고 전류가 흐르는 방향을 알 수 있다.

Co 전기 회로에서 꼬마 전구에 불이 들어오는 것을 보고 무엇을 느끼는지 발표하도록 한다.

CD 여러 개의 LED 를 회로에 연결하고 전류가 흐르는 방향에 맞추어 LED 가 점등하도록 코딩한다.

ET 조건 함수가 있는 코드를 이용하여 다양한 방법으로 점멸하는 LED 장치를 구상할 수 있다.

9, 10

주제(단원)명 옴의 법칙

전선에 흐르는 전류의 세기는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. 전기회로에서는 저항으로 전류의 세기를 조절하는데 이번 활동에서 아두이노의 가변저항과 피에조 스피커를 이용해 가변 저항을 변화시킬 때 변하는 스피커의 음을 통해 저항과 전압, 전류 사이의 관계를 밝힐 수 있 다.

Co 오디오의 볼륨은 어떻게 높일 수 있는지, 조명의 밝기는 어떻게 더 밝게 할 수 있는지 설명해본다.

CD 가번저항을 이용하여 아두이노에 입력되는 아날로그 데이터의 변화를 스피커의 음의 높이로 표현하는 장치를 제작한다.

ET 저항 값을 변화시켜가며 음의 높이를 변화시켜 멜로디를 만들어 낸다.

(15)

11, 12

주제(단원)명 증산작용

식물의 잎을 통해 증산작용이 일어남을 확인할 수 있도록 아두이노 실험 장치를 이용하여 잎이 있는 식물과 잎이 없는 식물에서의 습도변화를 통해 잎에서 증산작용이 일어나며 이로 인해 습도가 높아짐을 확인할 수 있다.

Co 식물 재배의 경험을 나누며 햇빛을 비추는 것 만큼 물을 주는 것이 중요한데 식물 내에서 어떻게 물이 이동하는지 예상하여 의견을 제시한다.

CD 서로 다른 조건에서 습도 센서를 통해 측정되는 데이터를 활용하여 증산작용의 양을 비교할 수 있는 장치를 제작한다.

ET 증발과 모세관 현상을 이용한 사례들을 알아보고 이를 이용하여 제작 할 수 있는 편리한 장치들을 구상해 본다.

13, 14

주제(단원)명 혈액의 순환

혈액순환의 경로를 교과서의 그림을 통해 학생들이 암기식으로 폐순환과 온몸순환을 알고 있었다. 그러나 이 활동을 통해 학생들이 직접 아두이노를 사용함으로 흥미를 유발시키고 학 생들이 직접 메이커 활동을 통해 시현시켜봄으로서 심실, 폐동맥, 폐정맥, 심방과 심실, 대동 맥, 대정맥, 심방을 거치는 혈액의 흐름을 LED가 순차적으로 켜지는 과정을 통해 폐순환과 온몸순환의 경로를 쉽게 이해할 수 있다.

Co 심장의 움직임과 혈액이 이동하는 동영상을 통해 순환계의 역동성을 관찰한다.

CD 여러 개의 LED 를 활용하여 혈액의 순환을 표현하는 장치를 제작한다.

ET 여러 개의 LED 가 점멸하는 것을 통해 정보를 전달하는 장치들을 찾고 발표한다.

15, 16

주제(단원)명 복사평형

복사 평형의 과정을 그래프로 그려 표현하는 실험을 통해 눈에 보이지 않는 온도변화 를 표현하는 능력을 기는 과정으로서 아두이노를 활용하면 온도변화가 한눈에 들어오 고 시리얼 플루토 기능을 활용하면 컴퓨터 프로그램 내에서 그래프를 그리고 자료를 분석할 수 있는 장점이 있다.

Co 복사 평형 실험장치를 제시하고 온도변화를 예측한다.

CD 복사 평형 장치를 제작하고 시간에 따른 온도변화를 측정한다.

ET 지구 복사 평형 모형을 그리고 지구온난화에 대해 논의한다.

(16)

3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안 / 평가기준 / 활동지 / 참고자료

1) 기체의 확산

중심과목 과학 학교급/학년(군) 중학교 / 1 학년

중심과목 성취기준

영역

[중학교] 창의력 중심과목

성취기준

[9과04-01] 기체의 확산과 증발 현상을 관찰하여 입자가 운동하고 있음을 알 고, 이를 입자 모형으로 표현할 수 있 다.

주제(단원)명 기체의 확산 차시 1~2/16

학습목표 아두이노 실험 장치를 이용하여 기체의 확산을 확인할 수 있다.

연계과목 정보 연계과목

성취기준 영역 컴퓨팅 시스템- 센서 기반 프로그래밍

STEAM 요소

S 분자운동, 기체확산 모형 T 센서 데이터의 표현 E

A M

개발 의도

학생들에게 입자의 개념으로 물질을 설명하는 첫 단계의 수업내용이다. 눈에 보이지 않는 기 체확산 현상을 센서로 입력되는 값의 변화를 통해 확인하는 경험을 제공한다. 정보 교과의 센 서 기반 프로그래밍과 연계하여 아날로그 데이터를 그래프로 표현하는 방법을 통해 탐구활동 의 결과를 정리한다.

STEAM 학습 준거

상황 제시

상 황 제 시

파스를 뿌리고 온 친구 에게서 파스 냄새가 나는 현상을 어떻게 설명할 수 있을까?

창 의 적 설 계

창의적 설계

기체의 확산과 관련한 생활 속 경험 나누기

감 성 적 체 험 가스 센서를 이용하여 기체 확산

측정 장치를 제작

감성적 체험 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (10 분)

□ 대단원 소개

❍ 기체의 성질 단원에서는 일상생활에서 일어나는 현상들을 입자의 관점에서 설명 하고 이를 통해 물질이 입자로 구성되어 있음을 안다.

□ 학습 목표 제시

❍ 아두이노 실험 장치를 이용하여 기체의 확산을 확인할 수 있다.

□ 생각열기

❍ 점심시간이 다가오면 맛있는 냄새가 우리의 식욕을 자극한다. 보건실에서 파스를 뿌리고 교실로 들어온 친구가 있을 때 멀리 있는 친구도 파스 냄새를 맡는다 이 러한 현상을 어떻게 설명할 수 있을까? ^Co

∙ 전체 학 생이 참여 하도록 한 다.

∙ 학습 목 표를 미리 판서한다.

전개 □ 개념 설명

(17)

(60 분)

❍ 물질은 눈에 보이지 않는 작은 입자로 이루어져 있다. 입자가 스스로 운동하여 멀리 퍼져나가는 현상을 확산이라고 한다. 확산은 액체나 공기가 없는 진공에서도 일어난다.

□ 해보기(소집단 학습 – 메이커 활동) ^CD

❍ 유리관이나 수조와 같이 바람을 막아 줄 수 있는 장치를 준비한다.

❍ 센서의 원리와 연결방법을 이해한다.

❍ 아두이노와 가스센서를 연결하여 회로를 구성한다.

❍ 코드를 입력한다.

❍ 알콜에 적신 솜을 비커에 담아 준비한다.

❍ 유리관이나 수조에 비커를 넣고 비커와 서로 다른 거리에 있는 가스센서의 센서 값을 시리얼 모니터를 통해 확인한다.

∙ 파워포인 트 자료

∙탐구활동에 집중할 수 있도록 하고 회로의 구성 이 제대로 이루어지도 록 지도한 다.

정리 (20 분)

□ 학습 내용 정리

- 이번 차시 학습 내용 정리

- 기체 확산의 예를 서로 이야기한다. ^ET - [스스로 확인하기] 완성하기 및 정답 확인

□ 차시예고

❍ [창의・융합을 위한] 활동하기

∙다양한 대 화가 나올 수 있는 분 위기를 조 성한다.

평가

평가 내용 평가 방법

∙ 확산이 무엇인지 설명할 수 있는가?

∙ 알콜 및 실험 기구를 안전하게 다루었는가?

∙ 실험의 결과를 확산 개념을 이용하여 설명할 수 있는가?

자기평가

∙ 확산 실험이 오류 없이 실행되었는가?

∙ 실험에 영향을 주는 변인들이 잘 통제된 상태에서 실험이 진행되었는가?

∙ 회로의 구성과 코드 입력에 오류는 없었는가?

동료평가

(18)

탐구활동지

기체 확산 측정 장치

학년 반 번 이름:

-탐구목표 가스 센서를 이용하여 기체 확산 현상을 관찰하고 설명할 수 있다.

-준비물 수조나 플라스틱관 또는 유리관처럼 외부와 공기의 흐름을 차단할 수 있는 실험 장치, 알콜솜, 아두이노, 가스센서, 연결선, 노트북

- 탐구과정

(1) 회로도를 보고 2개의 가스 센서를 아두이노에 연결하여 회로를 구성한다.

(2) 스케치 프로그램을 실행하고 2개의 가스센서의 측정 값을 확인할 수 있는 코드를 작 성한다.

(3) 충분히 환기시킨 관(또는 수조) 내부에 가스 센서를 떨어트려 위치시킨다.

(4) 코드를 업로드하여 가스 센서 값을 확인한다.

(5) 가스 센서 값이 충분히 안정되면 알콜솜을 장치 내부에 넣는다.

(6) 두 가스 센서의 값을 확인한다.

- 실험장치 구조

- 소스코드

const int gas1 = A1;//1번 가스센서 const int gas2 = A2;//2번 가스센서 int val1 = 0;//1번 가스센서 값 int val2 = 0;//2번 가스센서 값 void setup() {

Serial.begin(9600);//시리얼 모니터 시작

(알콜솜) (센서1) (센서2)

(19)

pinMode(A1,INPUT);//아날로그 1번핀 입력 pinMode(A2,INPUT);//아날로그 2번핀 입력

}

void loop() {

val1 = analogRead(A1);//1번 가스센서 값이다.

val2 = analogRead(A2);//2번 가스센서 값이다.

Serial.print("gas1:");//두 가스센서의 값을 시리얼모니터에 출력한다.

Serial.print(val1);

Serial.print("gas2:");

Serial.println(val2);

delay(5000);//5초 기다린다.

}

- 스스로 정리하기

(1) 두 가스 센서의 측정값의 변화가 급격하게 변하는 시간을 측정해서 기록해 보자.

(2) 위와 같은 결과가 나타나는 이유는 무엇인가?

1회 2회 3회 4회 5회

센서1

센서2

(20)

회로도

회로도 및 회로도 설명

전원 및 GND를 브레드 보드를 이용하여 연결하고 센서의 아날로그 핀을 A1과 A2에 연결한 다.

코딩소스

코딩소스 및 코딩소스 설명

const int gas1 = A1;//1번 가스센서 const int gas2 = A2;//2번 가스센서 int val1 = 0;//1번 가스센서 값 int val2 = 0;//2번 가스센서 값 void setup() {

Serial.begin(9600);//시리얼 모니터 시작 pinMode(A1,INPUT);//아날로그 1번핀 입력 pinMode(A2,INPUT);//아날로그 2번핀 입력

}

void loop() {

val1 = analogRead(A1);//1번 가스센서 값이다.

val2 = analogRead(A2);//2번 가스센서 값이다.

Serial.print("gas1:");//두 가스센서의 값을 시리얼모니터에 출력한다.

Serial.print(val1);

Serial.print("gas2:");

Serial.println(val2);

(21)

delay(5000);//5초 기다린다.

}

과학이론

기체의 확산

기체 분자가 분자 운동에 의해 다른 기체 속으로 퍼져 나가는 현상 기체의 분출

기체 분자가 작은 구멍을 통해 진공이나 압력이 낮은 곳으로 빠져나가는 현상

2. 그레이엄 법칙

일정한 온도와 압력에서 기체의 확산 속도는 기체 분자량의 제곱근에 반비례함

3. 기체의 확산 속도에 영향을 주는 요인

기체의 온도가 높을수록 확산 속도가 빠름

같은 온도일 때 기체 분자량이 작고, 밀도가 작은 기체일수록 확산 속도가 빠름 진공 속>공기 속>물속 순으로 확산 속도가 빠름

기체의 분자량과 확산 속도

일정한 온도에서 기체의 분자량이 작을수록 평균 운동 속력이 빠르므로 확산 속도가 빠 름

→ (가)에서 꼭지를 동시에 열었다가 닫는 경우：평균 운동 속력이 빠른 기체 B가 더 빠 르게 확산되어 실린더 속에 기체 분자 수는 B가 A보다 많음. 따라서 피스톤은 왼쪽으로 이동함.

→ (나)에서 A와 B의 분자량 비교：같은 온도에서 평균 운동 속력이 큰 B가 A보다 분자 량이 작음

예상되는 상황 및 대처요령

(22)

1. 두 센서 값이 동시에 올라가는데요?

→ 알콜 증기가 진행하는 속도가 빨라 두 가스 센서의 값이 거의 동시에 올라갈 수 있기 때 문에 긴 플라스틱관이나 유리관을 사용하여 가스 센서의 거리를 벌릴 필요가 있음.

2. 이미 가스 센서의 값이 높게 나타나는데요?

→ 실험을 진행하는 동안 장치 내부를 확실히 환기시킨 다음 가스 센서 값이 충분히 내려온 다음 실험관찰을 진행하도록 한다.

3. 가스 센서 값에 변화가 없는데요?

→ 회로연결을 확인한 다음 장치 내부기 밀폐되지 않아 가스가 세고 있는 것은 아닌지 확인 한다.

(23)

2) 빛의 합성

영역

성취기준

[9과06-02] 물체의 색이 빛의 삼원색으 로 합성됨을 관찰하고, 영상 장치에서 색 이 표현되는 원리를 설명할 수 있다.

주제(단원)명 빛의 합성 차시 3~4/16

학습목표 아두이노를 이용해 다양한 색의 무드등을 만들 수 있다.

성취기준 영역 프로그래밍- 입력과 출력

STEAM 요소

S 빛의 합성

T 연속적인 데이터의 입력과 그 결과 E

A 연속적으로 색이 변하는 조명 제작 M

개발 의도

빛의 삼원색을 이용하면 여러 가지 색의 빛을 만들 수 있다. 아날로그 출력으로 삼색LED에 출력되는 빨간색, 초록색, 파란색 빛의 세기를 각각 조절하여 다양한 빛의 색을 직접 확인해 볼 수 있도록 조명장치를 제작한다. 코딩에서 각 빛의 출력을 다르게 해가며 조명의 색이 어 떻게 달라지는지 확인하고, 자신이 원하는 색의 빛을 차례로 출력하는 조명장치를 만들 수 있 다.

상황 제시

상 황 제 시

컴퓨터 모니터나 핸드폰 화면에서 다양한 색이 표현되는 이유를 생각한다.

창 의 적 설 계

코드를 변경하여 다채로운 색을 나타내는 아름다운 조명을 제작한다.

감 성 적 체 험 삼색 LED 를 활용하여 여러 가지

조건에서 다양한 색이 표현되는 조명 장치를 제작한다.

및 유의점

도입 (10 분)

□ 앞 차시 확인

❍ 전자기기에서 다양한 색이 표현되는 원리를 복습한다.

❍ 아두이노를 이용해 다양한 색의 무드등을 만들 수 있다.

□ 생각열기

❍ 스마트 기기 화면의 최소 단위인 화소는 빨간색, 초록색, 파란색 빛으로 이루어 져 있는데, 그렇다면 스마트 기기가 어떻게 다양한 색의 빛을 내는지 생각을 발 표한다. ^Co

전개 (60 분)

□ 개념 설명

❍ 빛의 삼원색 ∙ 파워포인

(24)

- 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 빛의 삼원색이라고 하며, 이 세 가지 빛은 여러 가 지 색을 표현하는 기본이 되는 빛이다.

❍ 빛의 합성

- 색이 다른 둘 이상의 빛을 합하여 다른 색 빛을 만드는 것을 빛의 합성이라고 하며, 빛을 합성하면 원래의 색과 다른 색 빛이 만들어진다.

- 빛의 합성

빨간색 + 초록색 = 노란색 초록색 + 파란색 = 청록색 파란색 + 빨간색 = 자홍색

빨간색 + 초록색 + 파란색 = 흰색

- 빛의 삼원색을 적절히 합성하면 모든 색의 빛을 만들 수 있다.

- 빛은 합성할수록 밝아진다.

❍ 빛의 삼원색으로 다양한 색의 빛 만들기 - 아두이노와 삼색LED의 회로를 구성한다.

- 빨간색, 초록색, 파란색 빛의 세기를 바꿔가며 한 가지씩 차례로 출력하며 빛의 색을 확인한다.

- 삼색 LED를 이용해 빛을 합성하여 노란색, 청록색, 자홍색 빛을 만들어 본다.

- 빛의 삼원색에 해당하는 빛의 출력을 조절하며 자신이 원하는 색의 무드등을 만 들어 본다.

-

트 자료

∙ 탐구활동 에 집중할 수 있도록 하고 회로의 구성이 제대 로 이루어지 도록 지도한 다.

정리 (20 분)

- 이번 차시 학습 내용 정리 - 빛의 삼원색과 빛의 합성

- 시간에 따라 색이 다양하게 변하는 무드등을 만들어 본다. ^ET

□ 차시예고

❍ [해보기] 조명 색에 따른 물체의 색 관찰하기

∙ 주의를 집중시킨다.

평가

∙ 회로를 제대로 구성하여 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 출력하였다.

∙ 회로를 제대로 구성하여 노란색, 청록색, 자홍색 빛을 출력하였다.

∙ 탐구활동에 적극적으로 참여하였다.

자기평가

∙ 회로를 제대로 구성하여 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 출력하였다.

∙ 회로를 제대로 구성하여 노란색, 청록색, 자홍색 빛을 출력하였다.

∙ 빛의 삼원색을 말하고 빛의 합성에 대해 바르게 설명하였다.

∙ 다른 모둠 구성원을 배려하면서 자신의 생각을 논리적으로 전달하였다.

동료평가

(25)

탐구활동지

아두이노로 무드등 만들기

학년 반 번 이름:

TV모니터의 일부를 확대하여 본 모습이다.

1. 스마트 기기 화면의 최소 단위인 화소로 어떻게 다양한 색의 빛을 표현할 수 있을지 토의해보자.

빛의 삼원색이란?

스마트 기기 화면을 확대하면 빨간색, 초록색, 파란색 만 볼 수 있는데 이 세 가지 색의 빛 은 여러 가지 색을 표현하는 기본이 되는 빛으로, 빛의 삼원색이라고 한다.

2. 빛의 삼원색을 합성하면 어떤 색의 빛이 나타날지 적어보자.

(26)

(가) - (나) - (다) - (라) -

3. 삼색 LED로 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 출력해보자.

4. 삼색 LED로 (가) ~ (라)에 해당하는 빛을 출력해보자. 실제로 어떤 색의 빛이 나타나는가?

(가) - (나) - (다) - (라) -

5. 삼색 LED로 시간에 따라 색이 변하는 무드등을 만들어 보자.

(27)

회로도

회로도 및 회로도 설명

삼색LED (R) – 아두이노 우노보드의 9번 핀 삼색LED (-) – 아두이노 우노보드의 GND 삼색LED (G) – 아두이노 우노보드의 10번 핀 삼색LED (B) – 아두이노 우노보드의 11번 핀

코딩소스1

int RED = 9;

int GREEN = 10;

int BLUE = 11;

void setup(){

pinMode(RED, OUTPUT); // RED가 연결된 9번 핀을 출력핀으로 설정 pinMode(GREEN, OUTPUT); // GREEN이 연결된 10번 핀을 출력핀으로 설정 pinMode(BLUE, OUTPUT); // BLUE가 연결된 11번 핀을 출력핀으로 설정 }

void loop(){

analogWrite(RED, 255); // 9번 핀의 출력 255(최대) analogWrite(GREEN, 0); // 10번 핀의 출력 0(OFF) analogWrite(BLUE, 0); // 11번 핀의 출력 0(OFF) } // 빨간색 빛이 최대로 출력된다.

*아날로그 출력값을 바꿔가며 빨간색, 초록색, 파란색 빛의 세기를 조절해보자.

(28)

※ 아두이노 스케치 명령어 알아보기

◦ analogWrite(핀번호, 출력);

아날로그 값(PWM)을 핀에 출력하는 함수이다. LED의 밝기나 모터의 속도 등을 조절할 때 많이 쓰이는 함수로 analogWrite()가 호출되면 특정 사이클의 펄스폭 변조(PWM)를 통한 아 날로그 값을 출력합니다. 이 함수를 사용하기 위해서는 회로 연결 시 반드시 물결(~)표시가 있는 핀에 연결해야 아날로그 값을 출력할 수 있다. ‘핀 번호’에는 출력할 장치의 핀 번호를 입력하며 ‘출력’에는 0(꺼짐)부터 255(최대 출력)사이의 값을 넣는다. 이 때 범위 밖의 값을 넣으면 오류가 뜨거나 장치가 작동하지 않는 현상이 나타날 수 있다.

<예> analogWrite(9, 100) 9번 핀을 100으로 출력한다.

코딩소스2

int RED = 9;

int GREEN = 10;

int BLUE = 11;

void setup(){

pinMode(RED, OUTPUT); // RED가 연결된 9번 핀을 출력핀으로 설정 pinMode(GREEN, OUTPUT); // GREEN이 연결된 10번 핀을 출력핀으로 설정 pinMode(BLUE, OUTPUT); // BLUE가 연결된 11번 핀을 출력핀으로 설정 }

void loop(){

analogWrite(RED, 100); // 9번 핀의 출력 100 analogWrite(GREEN, 100); // 10번 핀의 출력 100 analogWrite(BLUE, 0); // 11번 핀의 출력 0(OFF) } // 노란색의 빛이 출력된다.

* 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 합성하여 노란색, 청록색, 자홍색, 흰색의 빛을 만들어보자.

코딩소스 - 심화 학습(무드등 만들기)

* 삼색 LED를 암-수 연결핀으로 연결하고 LED에 흰색 탁구공을 씌워 간단한 무드등을 만들어 보자.

* 시간에 따라 색이 변하는 무드등을 만들어 보자.

<예> 빨간색 -> 노란색 -> 초록색 -> 청록색 -> 파란색 -> 자홍색 순서로 변하는 무드등

(29)

int RED = 9;

int GREEN = 10;

int BLUE = 11;

void setup(){

pinMode(RED, OUTPUT);

pinMode(GREEN, OUTPUT);

pinMode(BLUE, OUTPUT);

}

void loop(){

analogWrite(RED, 255); // 빨간색 빛 출력 delay(500); // 0.5초 기다리기

analogWrite(RED, 255);

analogWrite(GREEN, 255); // 노란색 빛 출력 delay(500);

analogWrite(GREEN, 255); // 초록색 빛 출력 delay(500);

analogWrite(GREEN, 255);

analogWrite(BLUE, 255); // 청록색 빛 출력 delay(500);

analogWrite(BLUE, 255); // 파란색 빛 출력 delay(500);

analogWrite(BLUE, 255);

analogWrite(RED, 255); // 자홍색빛 출력 delay(500);

}

과학이론

(30)

빛의 삼원색이란?

스마트 기기 화면을 확대하면 빨간색, 초록색, 파란색 만 볼 수 있는데 이 세 가지 색의 빛 은 여러 가지 색을 표현하는 기본이 되는 빛으로, 빛의 삼원색이라고 한다. 빛의 삼원색을 이 용하면 여러 가지 색의 빛을 만들 수 있다.

빛의 합성

색이 다른 둘 이상의 빛을 합하여 다른 색 빛을 만드는 것을 빛의 합성이라고 한다. 빛을 합성하면 원래의 색과는 다른 색 빛이 만들어지는데 예를 들면, 빨간색과 초록색 빛을 합성 하면 노란색 빛이 만들어지고, 초록색과 파란색 빛을 합성하면 청록색 빛이, 파란색과 빨간색 빛을 합성하면 자홍색 빛이 만들어진다. 빛의 삼원색을 적절히 합성하면 모든 색의 빛을 만 들 수 있다. 빛은 합성할수록 밝아지며, 빛의 삼원색을 같은 세기로 모두 합성하면 백색광이 된다. 스마트 기기나 모니터 등의 영상 장치는 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 내는 수많은 화소 로 이루어져 있으며 각 화소에서 나오는 색의 빛이 합성되어 화면에 다양한 색을 표현한다.

예상되는 상황 및 대처요령

(31)

1. 빛이 안나요.

→ 캐소드 타입의 LED의 경우 (-)가 GND에 잘 연결되었는지, 애노드 타입의 LED의 경우 (+) 가 5V에 잘 연결 되었는지를 확인한다. 연결이 잘 되어있다면 저항을 연결하였는지 확인한 다. 저항을 연결하지 않고 작동시킨 경우 LED가 파손되었을 수 있으니 LED를 교체하고 다 시 장치를 구동해본다.

2. 빛을 합성했는데 이상한 색의 빛이 나와요.

→ 삼색 LED는 빨간색, 초록색, 파란색 LED를 하나에 합쳐놓은 LED라고 할 수 있으며 각 색 의 LED마다 내부저항이 조금씩 달라 같은 값을 출력했는데도 빛의 세기가 다를 수 있다.

따라서 아날로그 출력 값을 바꿔가며 최적의 합성 수치를 찾아내야 한다.

빛의 합성을 조금 더 잘 관찰하기 위해서는 흰색 종이 등에 비친 빛을 관찰하거나 흰색 탁 구공 안에 LED를 넣고 출력하여 탁구공에 비치는 빛을 관찰하면 좋다.

(32)

3) 소리의 특징

영역

성취기준

[9과06-04] 파동의 종류를 횡파와 종파 로 구분하고, 소리의 특징을 진폭, 진동 수, 파형으로 설명할 수 있다.

주제(단원)명 소리의 특징 차시 5~6/16

학습목표 아두이노 실험 장치를 이용하여 악보를 연주할 수 있다.

성취기준 영역 자료와 정보- 자료의 유형과 디지털 표현

STEAM 요소

S 소리의 진폭, 진동수 T 디지털신호와 표현 E

A 디지털 음원 제작 M

개발 의도

소리의 세기는 음파의 진폭에 의해, 소리의 높낮이는 음파의 진동수에 의해, 소리의 음색은 음파의 파형에 의해 결정됨을 알고 주어진 진동수를 달리해 가면서 음의 높낮이가 바뀌는 것 을 실제로 확인해 볼 수 있도록 아두이노와 피에조 스피커를 이용하여 실험 장치를 제작한다.

실험 장치를 이용하여 진동수를 달리해가는 코딩을 통해 음의 높낮이를 확인해 보고 더 나아 가 주어진 악보를 연주할 수 있다.

상황 제시

상 황 제 시

진동수와 소리의 관계를 알고나서 진동수를 변경하면 발생하는 음 높이의 차이를 이용한 사례들을 찾는다.

창 의 적 설 계

제작한 장치를 이용하여 내가 좋아하는 곡을 친구들에게 연주하여 들려준다.

감 성 적 체 험 스피커 센서와 코드를 이용하여

원하는 멜로디를 연주할 수 있는 장치를 제작한다.

및 유의점

도입 (10 분)

□ 앞 차시 확인

❍ 소리의 특성 실험결과를 확인한다.

❍ 아두이노 실험 장치를 이용하여 악보를 연주할 수 있다.

□ 생각열기

❍ 어린이 소리와 어른 소리는 무엇이 다른지 질문하고 파동에서는 어떤 차이가 있 는지 발표하도록 한다. ^Co

전개 (60 분)

□ 개념 설명

❍ 소리의 3요소 ∙ 파워포인

(33)

- 소리의 세기 : 소리 굽쇠를 사용하여 세게 칠 때의 소리를 들려주고, 이 소리는 어떻게 다른지 질문한다. 다음으로 교사가 큰 화면에 세게, 약하게 칠 때 파동을 보여주어서 확인하고, 진폭의 차이라는 것을 정리하도록 한다.

- 소리의 높낮이 : ‘도’ 음과 ‘솔’ 음을 화면에 파동으로 보여주면서 파동의 차이가 무엇인지 확인하도록 한 후 진동수의 차이임을 이해시키도록 한다.

- 음색 : 다른 악기로 같은 소리를 만들 때 큰 화면으로 다른 파형이 만들어지는 것 을 보여 준 후 악기마다 음색이 다른 것은 파동에서 파형이 다르게 나타남을 이 해시키도록 한다.

- 소리는 진폭, 진동수, 파형이 달라지면 다른 소리가 날 수 있음을 통해 원래 소리 에서 파동을 변화시켜 다른 소리로 만들 수 있음을 알 수 있고 이를 응용한 여러 가지 소리가 있음을 사진 자료나 소리 샘플을 통해서 알 수 있도록 한다.

❍ 진동수에 따른 음의 높낮이 확인하기

- 아두이노와 피에조 스피커의 회로를 구성한다.

- 진동수가 나와 있는 표를 보고 진동수를 달리해 가면서 피에조 스피커에서 나는 소리를 확인한다.

- 피에조스피커를 이용하여 ‘도레미파솔라시도’를 연주해 본다.

- 악보를 주고 악보의 맞는 계이름을 확인하여 코딩을 통해 악보를 피에조스피커로 연주해 본다.

트 자료

∙ 탐구활동 에 집중할 수 있도록 하고 회로의 구성이 제대 로 이루어지 도록 지도한 다.

정리 (20 분)

- 이번 차시 학습 내용 정리 - 진동수와 음의 높낮이 관계

- 제작한 장치를 이용하여 내가 좋아하는 곡을 친구들에게 연주하여 들려준다.^ET - [스스로 확인하기] 완성하기 및 정답 확인

□ 차시예고

❍ [창의・융합을 위한] 활동하기

∙주의를 집 중시킨다.

평가

∙ 회로를 제대로 구성하여 ‘도레미파솔라시도’를 연주하였다.

∙ 회로를 제대로 구성하여 주어진 악보를 연주하였다.

자기평가

∙ 회로를 제대로 구성하여 ‘도레미파솔라시도’를 연주하였다.

∙ 회로를 제대로 구성하여 주어진 악보를 연주하였다.

∙ 진동수와 음의 높낮이 관계를 제대로 설명하였다.

∙ 다른 모둠 구성원을 배려하면서 자신의 생각을 논리적으로 전달하였다.

동료평가

(34)

탐구활동지

아두이노로 악보 연주하기

학년 반 번 이름:

다음은 어떤 소리의 파동 모습이다.

1. 위 파동의 진폭과 진동수가 어떻게 변하였는지 토의한다.

파동의 진폭은 파동의 진동수는

2. 과정 1에서 분석한 내용을 바탕으로 파동을 표현할 소리의 세기나 높낮이 변화를 토의한다.

3. 진동수에 따른 음의 높낮이 표를 보고 아두이노를 이용하여 ‘도레미파솔라시도’를 코딩하고 연주해 본다.

(35)

◦ 음계별 아두이노 보드의 주파수

(36)

회로도

1) 회로도 및 회로도 설명

2) 피에조 스피커 (+) – 아두이노 우노보드의 13번 핀 3) 피에조 스피커 (-) – 아두이노 우노보드의 GND

코딩소스

4) 코딩소스 및 코딩소스 설명 5)

int melody[]= {262, 294, 330, 349, 392, 440, 494, 523};

// 'melody'를 변수로 정하고 변수값을 {}안의 값으로 정하기 void setup() {

for (int i = 0; i < 8; i++) { // i가 8이 될 때까지 i에 1씩 더하며 반복하기 tone(13, melody[i], 250);

// 소리를 내기(핀번호, 음주파수('melody'변수의 'i'번째 변수값), 음길이) delay(400); // 0.4초 기다리기

noTone(13); // 13번 핀의 음을 멈추기 }

}

void loop() { }

// 피에조 스피커가 도, 레, 미, 파, 솔, 라, 시, 도 음을 한 번 낸다.

※ 아두이노 스케치 명령어 알아보기

◦ tone();

일정한 주파수의 파형(구형파)을 출력하는 함수이다. 아두이노 우노 보드는 주파수의 범위가

(37)

31Hz ~ 65,535Hz이다. 함수 pinMode()로 출력 핀을 설정하지 않아도 된다.

- tone(핀 번호, 주파수, duration)

핀 번호 : 펄스신호를 출력시키는 디지털 핀의 번호 주파수 : 펄스신호의 주파수

duration : 파형지속 시간(ms)

<예> tone(10, 262, 400)

10번 핀으로 주파수가 262인 음(4옥타브의 “도”)을 0.4초 동안 내보낸다.

[구형파]

◦ noTone(핀번호);

정해진 핀에서 나는 소리를 정지시키는 명령어이다. 버튼을 눌러 tone(핀번호)가 실행되면 음이 나온다. 그런데 버튼이 원상태로 돌아가 누르지 않아도 계속 음이 발생한다. 이때 noTone(핀 번호);을 실행시키면 음이 제거된다.

◦ 음계별 아두이노 보드의 주파수

코딩소스 - 심화 학습(주어진 악보 연주하기)

6) 코딩소스 및 코딩소스 설명 7)

(38)

※ 엘리제를 위하여 코딩 예시

int melody[]= {330, 311, 330, 311, 330, 247, 294, 262, 220, 131, 165, 220, 247, 165, 196, 247, 262, 165, 330, 311, 330, 311, 330, 247, 294, 262, 220, 131, 165, 220, 247, 165, 262, 247};

void setup() {

(39)

// put your setup code here, to run once:

for (int i = 0; i < 9; i++) { tone(13, melody[i], 250);

delay(250);

noTone(13);

}

delay(500);

delay(250);

noTone(13);

}

delay(400);

delay(250);

noTone(13);

}

delay(400);

delay(250);

noTone(13);

}

delay(500);

for (int i =27; i < 31; i++) { tone(13, melody[i], 250);

delay(250);

noTone(13);

}

delay(400);

delay(250);

noTone(13);

}

tone(13, 220, 500);

delay(1000);

noTone(13);

}

(40)

void loop() {

}

과학이론

소리의 특징은 무엇에 따라 달라질까?

연주용 종을 세게 흔들 때와 약하게 흔들 때 나는 소리의 파동 모습을 비교하면 큰 소리가 날 때에는 진폭이 크고, 작은 소리가 날 때에는 진폭이 작다. 이처럼 소리의 세기는 파동의 진폭에 따라 달라진다. 음악을 연주할 때에는 악기를 두드리는 세기를 달리하여 소리의 세 기를 조절한다.

큰 소리 위

치

시간 시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간 시간

소리의 세기 진폭이 클수록 큰 소리이다.

작은 소리 위

치

시간 시간 시간 시간 시간시간시간시간시간시간시간시간 시간

연주용 종으로 ‘솔’ 음과 ‘도’ 음을 같은 세기로 낼 때 소리의 파동 모습을 비교하면 낮은 소리는 진동수가 작고 높은 소리는 진동수가 크다. 이처럼 소리의 높낮이는 파동의 진동수에 따라 달라진다. 가야금과 같은 현악기는 줄의 굵기나 길이를 다르게 하고, 리코더와 같은 관 악기는 관의 길이를 다르게 하여 높낮이가 다른 소리를 만든다.

소리의 세기와 높낮이가 같아도 리코더와 오카리나에서 나는 소리는 다르게 들린다. 같은 음의 리코더와 오카리나 소리의 파동 모습을 비교하면 소리의 파형이 다르다. 이것은 진동하 는 물체나 진동하는 방법이 다르기 때문이다. 여러 악기에서 나는 소리가 다른 것은 소리의 파형이 다르기 때문이다.

소리의 높낮이 진동수가 클수록 높은 소리이다.

(41)

위 치

시간 시간 시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간 시간 바이올린의 파형▶

위 치

시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간시간 시간

소리의 파형 파형이 다르면 소리가 다르게 들린다.

소리의 특성은 파동 모습을 분석하거나 여러 소리를 합성하여 많은 분야에서 이용되고 있 다. 사람마다 지닌 고유한 목소리 파동의 모습을 분석하여 범죄 수사에이용하기도 하고, 여러 소리의 진폭이나 진동수를 변화시켜 로봇 소리나 영화 속 괴물 소리를 만드는 데 이용하기도 한다.

소리 파동의 이용

▲ 목소리의 파동 모습 분석 ▲ 로봇 소리

예상되는 상황 및 대처요령

1. 소리가 안나요.

→ 피에조 스피커의 (+)를 아두이노 우노보드의 5V 또는 GND에 연결하고 피에조 스피커의 (-)를 디지털 핀에 잘못 연결했을 수 있다. 핀을 잘 연결할 수 있도록 지도한다.

원인을 알 수 없는 센서 자체의 오류인 경우도 있기 때문에 센서를 다량 확보하여 교환해 주는 방법과 보드를 교체하는 방법을 권한다.

2. 시간이 너무 부족해요.

→ 회로를 연결하고 계이름을 연주하고 진동수와 음과의 관계를 이해하는데 시간을 할애하다 보면 시간이 부족하여 주어진 악보를 연주할 수 없을 수 있다. 이때는 주어진 악보에 관련 된 코딩내용은 과제로 내주어 다음시간에 확인하는 것도 좋을 듯 하다. 또는 주어진 악보 외에 자신이 연주하고 싶은 악보를 가지고 코딩을 해와서 조별로 자신들이 코딩해 온 내용 을 발표하면서 여러 노래를 함께 감상하는 시간을 갖는 것도 좋을 듯 하다.

(42)

4) 전류의 흐름

영역

성취기준

[9과09-02] 전기회로에서 전지의 전압이 전자를 지속적으로 이동하게 하여 전 류를 형성함을 모형으로 설명할 수 있 다.

주제(단원)명 전류의 흐름 차시 7~8/16

학습목표 LED를 이용하여 전기회로에서 전류가 흐르는 방향을 설명할 수 있다.

성취기준 영역 프로그래밍- 제어구조

STEAM 요소

S 전자의 흐름, 전류

T 변화하는 데이터를 이용하여 명령을 내리는 함수 E

A 패턴조명 장치 제작 M

개발 의도

전류의 흐름을 간단한 회로와 코드를 사용하여 나타냄으로써 처음 전기를 배우는 학생들에게 전기이론이 재미있는 활동이 되도록 돕고 오개념이 형성되는 것을 줄여주는 수업의 형태이다.

코딩 프로그램을 이용하여 전류가 흐를 때 LED 가 켜지는 방향을 보고 전류가 흐르는 방향을 알 수 있다.

상황 제시

상 황 제 시

전기 회로에서 꼬마 전 구에 불이 들어오는 것을 보고 무엇을 느끼는지 발표하도 록 한다.

창 의 적 설 계

조건 함수가 있는 코드를 이용하여 다양한 방법으로 점멸하는 LED 장치를 구상한다.

감 성 적 체 험 여러 개의 LED 를 회로에

연결하고 전류가 흐르는 방향에 맞추어 LED 가 점등하도록 코딩한다.

과정 교수-학습 활동 ^Co ^CD ^ET 학습자료

및 유의점

도입 (10 분)

□ 선수학습 확인

❍ 전지를 사용하지 않고 네온전구에 불 키는 방법을 다시 확인한다.

□ 학습목표 제시

❍ LED를 이용하여 전기회로에서 전류가 흐르는 방향을 설명할 수 있다.

□ 동기유발

❍ 전기 회로에서 꼬마 전구에 불이 들어오는 것을 보고 무엇을 느끼는지 발표하

도록 한다. ^Co ∙ PPT활용

전개 (60 분)

□ 개념 설명 ❍ 전류

- 전류란: 전하가 일정한 방향으로 흐르는 것 - 전류의 단위: A(암페어)

❍ 전압

- 전압이란: 전류를 흐르게 하는 능력 - 전압의 단위: V(볼트)

❍ 물의 흐름과 전류의 비교

∙ PPT활용