2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
2018. 10.31
해룡고등학교
【 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】
과 제 개 요
과제명 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 2015 개정교육 과학과 연계한 융합교육 프로그램 개발
학교급 고 대상 학년(군) 1학년
중심과목
통합 과학 화학
중심과목 성취기준 영역
[12화학Ⅱ01-07] 고체를 화학 결합의 종류에 따라 분 류하고, 간단한 결정 구조를 설명할 수 있다.
연계과목
기술 통사 수학 국어 미술
연계과목 성취기준 영역
[10통사04-01] 근대 시민 혁명 등을 통해 확립되어 온 인권의 의미와 변화 양상을 이해하고, 현대 사회에서 주 거, 안전, 환경 등 다양한 영역으로 인권이 확장되고 있 는 사례를 조사한다.
[12실수01-01] 다양한 현상에서 규칙을 찾고, 이를 식 으로 나타낼 수 있다.
[12실수01-03] 실생활에서 도형의 닮음이 이용되는 예 를 찾고 그 원리를 이해한다.
[12미창01-05] 아이디어를 스케치, 모델링 등으로 시각 화할 수 있다.
[10국01-03] 논제에 따라 쟁점별로 논증을 구성하여 토론에 참여한다.
연구기간 2018.4.협약일 ~ 2018.11.23.
연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000)
참여연구원 6명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 5명) 연구 수행자에 관한 사항
구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명
연구책임자 해룡고등학교 물리학 교사 윤영식
공동연구원 해룡고등학교 미술 교사 정한비
공동연구원 해룡고등학교 지리 교사 장정일
공동연구원 해룡고등학교 화학 교사 권춘범
공동연구원 해룡고등학교 지구과학 교사 김승현
공동연구원 해룡고등학교 물리학 교사 서은상
2018년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아
융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 중간 결과로써 본 보고서를 제출합니다.
2018년 10월 31일
연구책임자 : 윤 영 식 (인)
한국과학창의재단 이사장 귀하
“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문··· 1
2. 서론··· 1
3. 연구 수행 내용 ··· 2
가. TEAM 프로그램 연구 및 적용··· 2
4. 연구 수행 결과 ··· 3
가. 스팀 교육에 대한 흥미도 ··· 3
나. 배려와 소통 ··· 4
다. 과학지식에 대한 효용성 ··· 4
라. 스팀 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사 ··· 6
마. 적용 및 성과 ··· 6
라. 학생 인터뷰 ··· 7
4. 결론 및 제언 ··· 8
[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
부록2. 활동 사진 자료
1. 요약문
2. 서론
가. 연구의 필요성 및 목적
4S(생각의 씨, 행동의 씨, 습관의 씨, 인격의 씨) 활동을 통한 학생 역량강화형 융합 교육 실시
가. 생각하는 창의 융합형 인재(Thinking Seed 생각의 씨) 나. 행동하는 창의 융합형 인재(Activity Seed 행동의 씨) 다. 습관(실천)하는 창의 융합형 인재(habit Seed 습관의 씨)
라. 인격(인성)을 함양하는 창의 융합형 인재(humanity Seed 인성의 씨)
연구 활동은 일상생활에서의 간식으로 접하고 있는 사탕의 제작 과정을 직접 확인해 보고, 이곳에서 알아 보는 과학의 활동, 그리고 설탕을 얻는 과정에서의 과거의 일, 그리고 우리 선 조들의 일을 알아보는 역사적인 발자취를 찾아가 보는 활동을 접목 시켜 보고자 한다.
여기에 역사적인 과정에서 노동력 착취와 노예의 문제점을 확인해 보고, 또 이러한 활동에서 과학자가 한일, 수학자가 한일 등을 확인해 보고, 토의해 보는 활동으로 진행되었다.
추가적인 코딩교육에서 아두이노의 교육활도에서 기존의 스크래치 프로그램에서 벗어나 좀더 쉽게 교육 환경에서 접할 수 있는 엔트리 코딩을 배워 보고, 이를 아두이노에 접목 시켜 보 고, 교실에서 배우는 어려운 반도체 다이오드와 트랜지스터를 가지고 실험과 탐구를 통해 창 의적인 에너지 빌리지를 만들어 보는 활동으로 연구를 진행하였다.
이러한 활동을 진행하면서 학생들은 항상 쉽게 접하면서 먹고 있는 사탕이지만 과거의 일을 되돌아 보게 되었고, 사탕 하나지만 여러 가지 배움을 찾아가고 확장시켜 나가는 것을 알게 되었고, 스스로 다양성과 융합을 해보게 되었을 뿐아니라 가장 중요한 협업의 시간을 가지게 되었다.
2015 개정교육과정의 통합과학 및 통합과학 실험의 다양한 실험을 창의 융합형 교육과정내용의 핵심역량 강화를 위한 교육과정안을 구성해 보고 학생 스스로 문제 를 해결해 나가는 힘을 키우기 위한 교육 활동을 구성해 보고자 한다.
1) 연구의 필요성
과학 기술 사회가 요구하는 수준 높은 창의성과 인성을 강조하는 새로운 과학 교육에 맞추어 과학에 대한 흥미와 이해를 증진시키고 단순한 지식 습득을 넘어 창의적이고 융합적 사고와 의사결정능력 등과 같은 다양하고 통합적인 능력을 갖 출 수 있도록 STEAM 자료 개발이 필요
2) 연구의 목적
가) 인성 중심의 탐구 활동과 연구활동 나) 교과와 연계한 창의적 체험활동 확산
나. 연구의 범위
3. 연구 수행 내용
가. STEAM 프로그램 연구 및 적용
1) 결정 : 설탕 공예를 통한 글라스 아트
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 화학Ⅱ 연계한 융합교육 프로그램 개발
학교급 고등학교 대상 학년(군) 3학년
중심과목 통합과학 중심과목 성취기준 영역
[12화학Ⅱ01-07] 고체를 화학 결합의 종류에 따라 분류 하고, 간단한 결정 구조를 설명할 수 있다.
연계과목
통합사회 생활 수학 미술
연계과목 성취기준 영역
[10통사04-01] 근대 시민 혁명 등을 통해 확립되어 온 인권의 의미와 변화 양상을 이해하고, 현대 사회에서 주 거, 안전, 환경 등 다양한 영역으로 인권이 확장되고 있는 사례를 조사한다.
[12미적03-05] 곡선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.
[12실수01-01] 다양한 현상에서 규칙을 찾고, 이를 식으 로 나타낼 수 있다.
[12실수01-03] 실생활에서 도형의 닮음이 이용되는 예를 찾고 그 원리를 이해한다.
[12미02-02] 조형 요소와 원리를 다양하게 응용하여 창 의적으로 표현할 수 있다.
[10국01-03] 논제에 따라 쟁점별로 논증을 구성하여 토 론에 참여한다.
개발계획
주제 연번
차시
(시수) 과목 연계(안)
1 3 화학Ⅱ(2)+미술(1)
2 2 통합사회(1)+수학(1)
3 2 미술(0.5)+수학(1.5)
1) 연구의 범위와 내용
일반계 고등학교 1학년 학생들과 3학년 학생들을 대상으로 실시
정의적 영역 효과성 검증: 적용 대상학생은 일반계 고등학교인 해룡고등학교 1학년 4개반과 3학년 2개반 학생을 대상으로 하였으며 검사 도구로는 한국 과학창의재단 STEAM 태도변화 검사, 만족도 조사지를 통해 효과성을 검증 하였다.
4. 연구 수행 결과
가. 스팀 교육에 대한 흥미도
1) 나는 과학 수업 내용이 재미있다
적용전 적용후
2) 나는 수학 수업 내용이 재미있다.
적용전 적용후
3) 나는 과학 관련 활동(과학관 견학, 과학 행사 참여, 과학 관련 글읽기)이 재미있다
적용전 적용후
과학에 대한 흥미와 호기심에서는 전반적인 큰 변화는 없는 것으로 나타나고 있으며 수학과 과학내용에 재미와 호기심은 기존부터 많이 가지고 있으며, 과학과 관련된 많은 행사에 참여하고 재미있어하는 것으로 나타난다.
나. 배려와 소통
1) 과학 시간에 모둠 활동을 할 때 친구들과 의견을 교환하는 것은 중요하다
적용전 적용후
2) 나는 과학 시간에 의견을 주장할 때 다른 친구의 입장도 고려한다.
적용전 적용후
나눔과 배려에 있어서 의견 교환의 중요성과 배려하는 마음은 기존부터 많이 가지고 있었지만 융합교육후 조금의 자기 주장하는 경향이 조금 더 나타난 것으로 나타나고 있다.
다. 과학지식에 대한 효용성
1) 과학 지식은 일상생활에 도움이 된다.
적용전 적용후
과학지식은 일상생활에 도움이 된다는 학생의 비중이 조금은 많아 지고 있으나 매우 그렇다의 비중이 조금 줄어들게 나타나고 있다 하지만 융합교육 실시후 전반적으로 과학지식은 일상생활에 도움이
2) 자아효능감
과학 내용을 이해할 자신이 있다.
적용전 적용후
과학 내용을 이해하는데 그저 그렇다는 반응이 많아지고 상대적으로 자신있다고 생각하는
학생들은 많아진 반면, 자신이 없다고 하는 학생의 수는 줄어드는 것으로 보아 조금은 과학 내용을 이해하는데 자신감을 가지게 되는 것으로 나타난다.
3) 자아개념
나는 과학 내용에 대한 이해가 빠르다.
적용전 적용후
과학에 대한 확신한 이해도가 빠르다는 학생의 수는 밋하게 증가 하였으나. 그저 그렇다는 학생의 수가 급격하게 증가하고, 상대적으로 잘 모르겠다는 학생의 수가 감소하였다. 확실하지 않지만 과학에 대한 이해도에 대한 사진감고 연계하여 같은 변화를 나타내고 있다.
4) 이공계 진로
과학 관련 직업을 갖는 것은 멋진 일이다.
적용전 적용후
미세하게 나마 과학 관련 직접에 대한 선호도가 조금은 상승하는 것으로 나타나고 있다.
라. STEAM 수업 평가 방법 개발 1) 수업지도안 9차시 수업 지도안 작성
2) 평가내용 및 방법
평가 영역 평가 내용 평가 방법
지식과 내용
- 설탕의 분자구조를 이해하고 있는가?
- 결정의 생성과정을 이해하고 있는가?
- 용액의 농도와 포화 과포화 상태를 이해하고 있는가?
- 규칙성과 프렉탈의 특징을이해하고 있는가?
- 문제해결을 위한 공학적 설계를 할 수 있는가?
- 문제해결의 독창성이 있는가?
- 사탕수수의 역사적 배경을 찾고 발표할수 있는가?
체크리스트 관찰 자기평가
기능 및 기술
- 과포화 용액을 만들 수 있는가?
- 결정이 만들어 꾸준히 관찰 하는가?
- 협업을 통해 설탕공예품을 만들어 내는가?
관찰 체크리스트
정의적 측면
- 학습의 가치와 배움의 중요성을 인지하는 태도를 갖는가?
- 과제 수행에 대한 성취감을 갖는가?
- 새로운 과제에 대한 도전의 의지를 보이는가?
- 평가에 있어서 객관적인 관점을 가지고 있는가?
관찰/발표 체크리스트
의사소통 - 과제 수행에 있어서 의사소통이 잘 이루어지는가?
- 과제 수행동안 책임과 의무, 그리고 배려가 있는가?
관찰 자기평가
마. 적용 및 성과 조사
1) 스팀 교사 워크숍을 통한 프로그램 개발 가) 일시 : 5월 18~19일 1박 2일,
나) 대상 : 교사 연구회 회원 6명 다) 장소 : 신안엘도라도
라) 내용 : 융합교육 강의 및 프로그램 개발
2) 적용
가) 수업시간, 및 창의적 체험 활용하여 적용
나) 교내 스팀 스팀데이 기간 : 2018.6.13.~16(3일간 15시간), 11월 예정 다) 융합과학 축전을 통한 발표 : 10. 11~13(2박 3일
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 9차시
수업 적용 일정 2018. .6. 11~ 2018. . 6. 30.
(STEAM 수업)수혜학생 수 1교 640명(1학년 전교생, 3학년 2개반)
학생 태도검사 사전검사 5월 28일, 2개 학급(42명) 실시 완료 사후검사 10월 15일, 2개 학급(46명) 실시 완료
학생 및 교사 만족도조사 10월 13일 실시 완료
교사연구회 STEAM 행사 개최
2018. 6. 13 ~ 16 스팀 데이 실시 2018..10.31 수업 공개 실시 2018.10. 11~13. ‘융합과학 축전’ 개최
2018.11월 스팀 데이 2차 실시 예정
논문 또는 학술대회 해당 없음
특허출원(국외, 국내) 해당 없음
바. 학생 인터뷰 ‘오00’ 학생
중간고사가 끝나고 조금의 여유가 있어 과학 탐구 활동으로 생각하고 프로그램 에 참여하게 되었다. 설탕을 가지고 사탕을 만들 수 있겠다는 생각에 참여하게 되 었는데 기초 포화용액에서부터 결정까지, 그리고 인문적인 소양까지 이야기를 하 게 되어 짧지만 기억에 남는 활동이 되어졌으며, 생활기록부에 조금이나마 풍성하 게 기록될수 있어서 좋은 활동으로기억에 남는다.
‘김00’ 학생
과학의 활동이 재미있어 항상 과학적으로 접근하고 문제 풀이에 집중했지만 이 번활동으로 통해 스스로가 무언가를 창의적으로 생각하고 그것을 통해 친구들과 산출물믈 만들어 내는 것에서 새로움을 가지게 되었다. 과학을 더 흥미롭게 받아 들여지게 되었고 융합 한다는 것에 무한한 가능성을 보게 되었던 것 같다.
5. 결론 및 제언
1. 교내 스팀 교사 연구회 활동과 연계한 스팀 선도학교 운영을 병행 실시 학교에 연구활동 내 용을 바로 적용해 볼 수 있어서 좋았으며 이러한 연구 내용을 교육과정에 접목 시킬수 있어 교사의 참여도를 높일 수 있었다.
2. 교내 융합 과학 축전 행사를 지역 이 모빌리티 행사와 연계하여 실시 학생들의 다양한 산출 물을 지역의 학생들과 일반인들에게 알리고 학생들 스스로 배움의 기회를 갖게 되는 좋은 기 회가 되었다.
3. 지속적은 교육과정에서의 활동으로 학생들이 융합과학에 대한 거부감이 사라지고 수업에 대 한 참여도가 높아진다.
4. 1학기 3학년들에게 스팀 교육의 기회를 제공해 줌으로써 학생 참여형 활동과 수업에 대한 부 담감 감소 등으로 수업의 질이 높아지고, 학생들은 생활기록부에 다양한 내용을 기록할 수 있 어서 2가지 효과를 볼 수 있었다.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
고등학교 화학 Ⅱ 연계한 융합교육 프로그램 개발
1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정
연번 차시 (중심과목)
2015 개정 교육과정 성취기준
(연계과목) 성취기준 영역
1 1~4/9
[10통사04-01] 근대 시민 혁명 등을 통해 확립되어 온 인권의 의미와 변화 양상을 이해하고, 현대 사회에서 주거, 안전, 환경 등 다양한 영역 으로 인권이 확장되고 있는 사례를 조사한다.
[12미적03-05] 곡선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.
[10국01-03]
2 4~6/9 [12화학Ⅱ01-07] 고체를 화학 결합의 종류에 따라 분류하고, 간단한 결정 구조를 설명할 수 있다.
3 7~9/9
[12실수01-01] 다양한 현상에서 규칙을 찾고, 이를 식으로 나타낼 수 있다.
[12실수01-03] 실생활에서 도형의 닮음이 이용되는 예를 찾고 그 원리 를 이해한다.
[12미02-02] 조형 요소와 원리를 다양하게 응용하여 창의적으로 표현 할 수 있다.
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 10차시)
차시 주요내용
1~3 /9
주제(단원)명 근대 사회와 인권
Co 설탕을 얻기위한 과정의 노동력의 필요와 노예제도, 식민지 정책, 그리고 반인권적인 노예선의 만행에 대해 조사해 보고 발표해 본다.
CD 식민지를 만들기 위해 필요했던 과학에는 무엇이 있으며, 노예선에는 어떤 과학과 수학이 필요로 하는지 조사하고 발표해 본다.
ET 최적의 공간에서 최대의 효율을 얻을수 있는 공간의 구조를 만들어 보도록 한다.
- 3 차원의 배모형의 공간에 불규칙적인 최대 선적을 위한 효율적인 적층을 설계해 보도록 한다.
4~6 /9
주제(단원)명 페이크 글라스 만들기
Co 영화속 유리창을 깨는 장면을 보여주고 이것의 연출과정에 대해 이야기 해본다.
CD 용액의 농도를 구하는 방법과, 포화 용액, 과포화 용액의 특징을 설명해 보고, 과 포화 용액이 굳어지는 과정을 탐구해 본다.
ET 페이크 글래스를 만들어 영화의 한 장면을 연출해 본다.
7~9 /9
주제(단원)명 불규칙속에서 찾아보는 규칙성
Co 다양한 무늬를 보여주고 그 규칙성을 찾아 보도록 한다.
CD 과포화 용액에서 결정이 생성되어 지는 과정을 살펴 보고 탐구 한다.
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안 가. 1~3차시 수업 지도안
중심과목 통합사회 학교급/학년(군) 고등학교/3 학년
중심과목 성취기준
영역
[10통사04-01] 중심과목
성취기준
근대 시민 혁명 등을 통해 확립되어 온 인권 의 의미와 변화 양상을 이해하고, 현대 사회 에서 주거, 안전, 환경 등 다양한 영역으로 인권이 확장되고 있는 사례를 조사한다.
주제(단원)명 인권보장과 헌범 차시 1~3/9
학습목표
1. 근대사회로 오기까지 인권 유린사례를 조사하여 말할 수 있다.
2. 식민지 정책을 통한 과학의 잘못된 사용에 대해 비판할 수 있다.
3. 수학의 발전과정을 이야기 할 수 있다.
연계과목 수학 연계과목
성취기준 영역 12미적03-05] 미분, 적분
STEAM 요소
S 사탕 수수에서의 설탕 추출, 식민지화 과정에서의 총, 균, 쇠의 역할 T
E
A 식민지 인권 유린 사태, 노동력, 노예 M 수학의 미분과 적분의 적용 과정 개발 의도 과학자의 윤리의식
설탕을 추출하는 과정을 이해하고 이 설탕을 얻기 위한 과정에서의 사탕수수의 제배 과정에서의 값싼 노동력을 얻기위한 서구 열강들의 식민지 화 과정을 살펴 본다. 이 과 정에서의 총, 균, 쇠의 역할을 과학적으로 살펴보고, 노예들의 이동을 위한 노예선의 효 율적인 운영을 위한 수학자들의 자인함과 비 인륜적이 만행을 알아보도록 한다.
또 우리선조들의 돈을 벌기위해 왜 하와이 섬에 가야 했으며 그곳에서 우리 선조들은 어떤 일들을 했는지 찾아 본다.
과학과 수학의 발전이 우리에게 좋은 것만을 주는 것 같지만 동전의 양면처럼 어디에 선가는 반대의 결과를 받는다는 사실을 알아야 할 것이며 과학자의 윤리적인 의식이 필 요하다는 것을 인식하도록 하여야 겠다.
STEAM 학습준거
상황 제시
상 황 제 시
※설탕을 얻기 위한 과정 과정을 이해하고 그 과정에서의 노예제도와 우리 민족과의 관계를 이야기 해본다.
창 의 적 설 계
창의적 설계
※ 현재 교실의 효율적인 사용에 대해 이야기 해 본다.
감 성 적 체 험 식민지 정책에서의 총, 균, 쇠의
역할에 대해 조사 발표 한다.
노예선의 효율성을 위해 수학자들이 한 일에 대해 이야히 해 본다.
감성적 체험
ET 다양한 색상과 다양한 모양의 설탕 공예 작품을 만들어 발표해 본다.
도입 (20분)
Co 설탕 주출 과정을 살펴 보고, 사탕수수의 재배 과정을 이해한다.
- 과거 설탕 얻기 위한 과정에서 주 재료인 사탕 수수을 얻기 위한 과정을 살펴보고 조사한다.
동영상
전개 (110분)
1. 설탕의 추출과정을 이야기 해 본다. 그리고 설탕 추출을 위해 경제학적 으로 서구 열강을 무엇을 해야 했으며 그 해결문제를 해결하기 위한 과정에서 펼쳤던 정책은 무엇이였을까 이야기 해 본다.
2. CD 노동력을 얻기 위한 서구 열강의 식민지 정책을 조사하여 발표 하고, 과학적, 수학적, 사회적인 문제점들에 대해 토의 하도록 한다.
- 서구 문명이 어떻게 적은 수의 침략으로 아프리카, 아메리카를 식민지화 할 수있었는지 조사 발표 해 본다.( 과학적 총, 균, 쇠의 의미)
- 노예선들의 비 인권적인 만행에 대애 조사 발표 해본다.
- 노예선에 사용되어진 수학적인 원리에 대해 알아 본다.
- 노동력의 이동과정을 지도에 나타내어 본다.
- 노예 해방 이후 노동력을 얻기 위한 방법이 무엇이였으며 우리 선조들은 어 디로 이동하였까?
4. ET 효율적인 공간 사용에 대해 이야기 설계와 발표를 해 보도록 한다.
- 현재의 교실을 좀더 효율적으로 쓴다면?
학생활동지
정리 (20분)
설탕 추출 과정, 총, 균, 쇠의 의미 알기
미분과 적분의 이용 이해하기
인권과 노예제도 이해하기
지도상 유의점
Tip! 과적적인 요소를 빼 놓지 않도록 하고, 유리 민족의 아픔도 이야기 해 보도 록 한다.
나. 4~6차시 수업 지도안
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교/3 학년
중심과목 성취기준
영역
12화학Ⅱ01-07] 중심과목
성취기준
고체를 화학 결합의 종류에 따라 분류하고, 간단한 결정 구조를 설명할 수 있다.
주제(단원)명 페이크 글라스 만들기 차시 4~6/16
학습목표
1. 물질의 세가지 상태에 대해 이야기 할 수 있다.
2. 용액의 농도, 포화, 과포화에 대해 이야기 할 수 있다.
3. 결정의 생성과정과 고체의 특성에 대해 이야기 할 수 있다.
연계과목 인문, 미술 연계과목
성취기준 영역
[12실수01-01] 다양한 현상에서 규칙 을 찾고, 이를 식으로 나타낼 수 있다. [12미02-02] 조형 요소와 원리를 다양 하게 응용하여 창의적으로 표현할 수 있 다.
STEAM 요소
S 용액의 농도, 결정, 물질의 성질, 포화, 과포화 T 영화 촬영 기법
E
A 페이크 글래스, 희곡의 극본연출해 보기 M 농도 구하기
개발 의도 영화에서 쓰이는 특수촬용 장비
영화를 보면 유리를 깨고 지나가도 다치지 않는다. 하지만 실제로 유리는 비결정질 물질이기 때문이 불규칙적인 깨짐으로 인해 다 칠수 있어서 영화와 같이 따라 하면 안 된다. 그러면 영화에서는 어떻게 촬영을 했을까? 우리는 영화와 같은 특수 촬영용 유리 를 직접 만들어 보고, 연출해 봄으로써 이를 적용해 본다.
이러한 고체 물질들의 특성을 확인하고 탐구 해 보도록 한다.
STEAM 학습준거
상황 제시
상 황 제 시
※영화에서의 유리를 깨는 장면을 살펴보고 촬영 방법에 대해 이야기 해 보도록 한다.
창 의 적 설 계
창의적 설계
※ 조별로 페이크 글래스를 활용 영화의 한 장면을 연출 해 본다.
감 성 적 체 험 과포화 용액을 만들어 패이크
글래스를 직접 만들어 탐구 해 본다.
감성적 체험
도입 (10분)
Co 영화에서의 유리가 깨지는 장면을 보고 어떻게 촬영했는지 이야기 해 본다.
- 다양한 영상을 살펴 본다.
동영상
전개 (120분)
1. CD 용액의 농도, 불포화, 포화, 과포화 상태를 이야기 해 보고, 과포 화 상태를 만들기 위한 조건을 이야기 해본다.
2. CD 과포화 용액을 만들고 페이크 글래스를 만들어 본다.
- 페이크 글래스를 깨 본다.
- 페이크 글래스의 특징을 오감(촉각, 미각, 후각, 시각, 청각)을 이용해 나 타내 본다.
- 다양한 색상의 페이크 글래스를 만들어 본다.
- 페이크 글래스 왜 먹을수 있는 설탕을 만들어 본다.
4. ET 페이크 글래스를 가지고 영화의 한 장면을 연출해 본다.
- 조별 대본을 작성하여 페이크 글래스를 소품으로 활용한 한 장면을 연출하 고 발표한다.
학생활동지
정리 (20분)
용액의 농도와 고체의 특성을 이야기 할 수 있다.
용액의 농도를 구할 수 있다.
영극 연출
지도상 유의점
Tip! 과격한 행동을 하지 않도록 하고, 식용 색소를 쓰도록 한다. 화상에 유의한 다.
다. 7~9차시 수업 지도안
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교/3 학년
중심과목 성취기준
영역
12화학Ⅱ01-07] 중심과목
성취기준
고체를 화학 결합의 종류에 따라 분류하고, 간단한 결정 구조를 설명할 수 있다.
주제(단원)명 불규칙속에서 찾아보는 규칙성 차시 4~6/16 학습목표 1. 결정 생성과정을 이야기 할 수 있다.
2. 불규칙적인 결정 구조속에서으 프랙탈 구조를 찾아 보도록 한다.
연계과목 수학, 미술 연계과목
성취기준 영역
[12미02-02] 조형 요소와 원리를 다양하게 응용하여 창의적으로 표현할 수 있다.
STEAM 요소
S 결정
T 락캔디 만들기 E
A 설탕공예 M 프랙탈
개발 의도 결정 생성 과정 관찰
과포화 용액이지만 결정이 생성되어지는 과정을 보기에는 시간이 소요가 너무 많다.
우리는 간단한 씨드를 통해 과포화 용액에서 쉽게 결정이 생성되어지는 것을 살펴 보 고, 이 결정이 성장해 가는 과정의 관찰을 통해 수학적인 규칙성(프렉탈) 무늬를 찾아보 도록 하고, 과 포화 용액을 통해 다양한 각 조별 다양한 설탕 공예품을 만들어 보도록 한다.
STEAM 학습준거
상황 제시
상 황 제 시
※락캔디는 어떻게 만드는 것일까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
※ 과 포화 용액의 결정을 통해 설탕 공예품을 만들어 본다.
감 성 적 체 험 과 포화 용액속에서 만들어지는
결정 모양을 관찰해 본다.
감성적 체험
도입 (10분)
Co 시중에 판매되어지는 락캔디를 나누어 주고 관찰하도록 한다.
- 재료와 모양에 대해 발표 한다. 락캔시 시식
전개 (120분)
1. CD 과포화 용액과 간단한 씨드를 통해 락캔디를 직접 만들어 보도록 한다.
- 락캔디가 만들어지는 과정에서 결정의 성장과정을 탐구 해 본다.
- 락캔디의 모양을 보면서 규칙성과 수학적 적용사례를 찾아 보로록 한다.
4. ET 과 포화 용액을 가지고 설탕 공예 작품을 만들어 보도록 한다.
- 조별 다양한 작품을 만들어 보도록 한다.
학생활동지
정리 (20분)
결정의 구조와 결정 생성의 조건
규칙성 찾기 활동
설탕 공예품 만들기
지도상
유의점 Tip! 화상에 유의 한다.
4. 학생활동지 / 학생참고자료
차시 1~3/9
브레인스토밍 : 설탕은 어디에서 왔을까?
필요한 것은?세계지도, 색연필, 연필
1. 북회귀선(하지선) : 북반구에서 열대와 온대를 구분하는 경계선으로, 북위 23°27‘의 위도선
2. 남회귀선(동지선) : 남반구에서 열대와 온대를 구분하는 경계선으로,남위 23°27‘의 위도선
3 사탕수수 : 벼과 다년생 풀로 연평균 기온이 20℃이상인 열대, 아열대 지역에서 재배되며 줄기에 10~20%의 당분이 들어 있다. 설탕을 처음 제조한 곳은 인도지만 사탕수수가 처음 재배된 곳 은 태평양 남서부의 뉴기니 섬이다. 뉴기니 섬의 사탕수수 경작은 기원전 8000년경에 시작된 것 으로 알려져 있다. 기원전 6000년경에 서쪽으로 이동하기 시작해 인도네시아, 필리핀을 거 쳐 설탕 생산 의 원조국인 인도에 도착했다. 현재 사탕수수는 멕시코, 호주, 아프리카, 브라질, 아르헨티나, 콜럼 비아, 인도, 태국, 필리핀, 과테말라, 중국에서 재배되고 있다.
사탕수수는 일단 베어내면 빠른 속도로 변질되기 때문에 신속하게 수액을 뽑아야 한다. 성숙하 면 바로 베어야 하고 베고 나면 바로 갈고 끓여야 하는 긴밀한 작업이 한 장소에서 거의 동시에 이루 어지기 때문에 시간계획을 철저히 세워야 한다. 이는 노동력을 치밀하게 조직화하여 통제해 야하기 때 문에 일부 학자들은 아메리카의 사탕수수 농장에서 자본주의의 맹아를 찾는다.
설탕 제조를 위한 사탕수수 공정
4. 사탕무 : 쌍떡잎식물 명아주과에 속하는 두 해 살이 풀로 설탕을 만드는데 뿌리를 이용하며 뿌리 는 시장에서 흔히 볼 수 있는 무와 거의 비슷한 모양이다. 사탕수수가 열 대 지방에서 잘 자라는 것과 달리 사탕무는 더운 곳에서는 병충해를 입기 쉬워서 온대 나 냉대 지방 같은 서늘한 지역에 서 잘 자란다. 뿌리가 살찌고 설탕을 듬뿍 저장하 는데 가장 적합한 온도는 20℃이며 원산지는 동 부 지중해 연안과 중앙아시아이다. 현재 사 탕무는 독일, 프랑스, 네덜란드 등 중부 유럽 여러 나라 들과 스칸디나비아 반도, 폴란드,
민지의 사탕수수 농장에서 설탕을 생산하는 동안 식민지가 거의 없었던 독일에서는 사탕수수 이외의 식물에서 설탕을 만드는 방법에 대해 연구했다. 1747년 화학자 마르 그라프(Marggraf)는 사탕무의 뿌 리로 설탕을 만드는 방법을 발표했지만 제조비용이 비싸서 현실화 하지는 못하였다. 나중에 프러시 아의 왕 프레데릭 4세의 지원으로 1801년 사탕무 공장이 설립되었다.
5. 플랜테이션 : 주로 열대, 아열대 기후인 동남아시아와 아프리카 및 라틴아메리카에서 이루어지는 농업으로, 서양인이 가진 기술력과 자본, 원주민과 이주노동자의 값싼 노동력, 좋은 토지로 이 루어 지는 농업이다. 주로 단일경작을 하며 기업 위주 농업이다. 재배되는 것으로는 고무, 사 탕수수, 카 카오, 담배, 커피, 삼, 목화 등이 있다. 최근에는 대규모 기업위주의 단일경작 농업 보다 소규모 개 인 다각경영이 주를 이루고 있다.
① 세계 지도에 대륙과 해양의 이름을 적어보자.
② 적도, 북회귀선, 남회귀선을 색연필로 표시해보자
③ 우리가 살고 있는 장소를 지도에 표시해보자.
④ 사탕수수와 사탕무가 잘 자라는 지역을 색칠해보자.
생각해 봅시다
1. 왜 사탕수수는 플랜테이션이라는 방식으로 경작을 하게 되었을까? 사탕수수의 특성과 관련 하여 생각해보자.
2. 그림을 보고 많은 사람들이 대서양을 건너간 이유는 무엇이었을지 생각해보자.
3. 그림은 1870년 이후 설탕 플랜테이션은 계약 노동의 형태로 발전하였다. 이것과 우리나라 역사는 어떤 관계가 있을까?
4. 오늘날 우리가 먹는 설탕이 우리에게 오기까지 어떤 역사를 가지고 있는지 연대표를 만들어 보자.
5. 사탕수수에서 설탕을 얻어내기 위하여 어떤 혼합물 분리 방법이 사용되는지 알아보자.
6. 식민지를 만들기 위해 서구 열강의 침략전쟁에서 쓴 무기를 무엇이였는지 찾아보자.
7. 노예선의 비 인권적인 만행에 대해 조사 발표 해 보자.
차시 4~6/9
영국식 설탕공예를 지칭하는 슈가 크래프트에서는 궁전, 꽃, 악기, 사람 등의 조 각상을 설탕 으로 만든다. 연회의 호사스러운 진열품에 설탕을 사용하는 유럽의 귀족 문화 는 무하마드 (570~532)를 비롯한 무슬림들에 의해 전파된 것이다. 샤케르(shaker), 즉 설탕(sugar)의 기원은 BC 1500년~900년경에 쓰여진 인도의 힌두 경전에 기록이 남아있다.
11세기 무렵 이슬람 국가 에서는 명절이 되면 설탕을 사용하여 갖가지 거대한 예 술품을 만들었으며 완전히 설탕만으로 회교 사원을 짓기도 했는데 명절이 끝날 무 렵에는 사람들을 초대하여 그것을 함께 먹어치우기 도 했다.
페이크 글라스(fake glass), 페이크 바틀(fake bottle) 등은 영화나 드라마, 광고 촬영에서 없 어 서는 안 될 소품들이다. 주인공은 머리로 맥주병을 깨고 박진감 넘치는 액션을 보여주기도 하 며 때로는 자동차 유리창의 깨진 유리 파편들이 온몸에 박혀 응급실 로 실려 들어오기도 한다. 극적인 상황을 묘사하는 이러한 유리 소품들은 설탕으로 만든 다.
오늘날 설탕은 비만과 충치, 성인병의 원인이라고 강조되고 있지만 우리의 식단은 설탕에 의 하여 상당히 지배당하고 있다. 우리가 쉽게 먹기도 버리기도 하는 설탕. 그것을 먹어야할지 말 아야할지 고민하기 전에 설탕을 누가 수확했는지, 설탕에 의하여 인류의 역사가 어떻게 흘 러갔 는지를 알게 된다면 여러분은 깜짝 놀라게 될 것이다. 설탕에 관한 몇 가지 활동을 해 보면서 현대의 일상에서 쉽게 접하는 설탕에 얽힌 진실을 찾아가보자.
도전 ! 페이크 글라스(Fake glass)
필요한 것은?
재료 : 설탕 250mL, 물 50mL, 물엿(또는 요리당) 25mL (설탕 : 물 : 물엿 = 대략 부피비 10 : 2 : 1) 식용 구연산 1/4 티스푼(1 꼬집), 색소, 식용유 도구 : 편수 냄비, 핫플레이트, 디지 털 온도계, 스탠드, 클램프, 나무젓가락 스테인리스 접시, 알루미늄 호일, 키친 타올, 랩
① 편수 냄비에 설탕 250mL와 물 50mL, 물엿 25mL, 구연산 1/4 티스푼, 색소를 조금 넣는다.
② 나무젓가락으로 혼합 용액을 천천히 저으면서 냄비를 핫플레이트로 가열하며, 혼합 용액의 변화를 관찰한다. (화상에 주의한다.)
③ 스탠드의 클램프에 디지털온도계를 걸고 용액의 온도 변화를 관찰하며, 용액의 온도가 15 0℃가 될 때까지 가열한다.(디지털온도계의 탐침이 냄비 바닥에 직접 닿지 않도록 주의한다.)
④ 스테인리스 접시의 안쪽 면 전체를 알루미늄 호일로 씌우고, 식용유를 키친 타올에 묻혀서 식용유 를 호일 면에 바른다.
⑤ 냄비를 기울여 150℃의 용액을 알루미늄 호일을 씌운 스테인리스 접시에 천천히 붓는다.
⑥ 용액을 담은 스테인리스 접시를 상온(또는 냉장고)에 1 ~ 2시간 놓아 둔다.
⑦ 굳은 용액의 표면을 망치로 쳐 보자. (조각이 튀는 것에 주의한다.) 또는 스테인리스 접시에서 조심 하여 떼어낸 뒤, 랩으로 표면을 싼 후 바닥에 떨어뜨려보자.
⑧ 잘린 조각을 관찰해 보자.
⑨ 미리 만들어 공기 중에 놓아둔 굳은 용액의 표면과 잘려진 면을 관찰해 보고 ⑧에서 만든 것과 비교해 보자.
⑧번과 ⑨번의 조각 표면을 손가락으로 눌러보면 어떠한 변화가 관찰되는가?
생각해봅시다
1. 혼합용액(설탕, 물엿, 물, 구연산)을 가열할 때 시간이 지남에 따라 어떠한 변화가 나타 나는가?
2. 온도를 150℃까지 높여야 하는 이유가 무엇일지 생각해 보자.
3. 구연산과 물엿의 역할은 무엇일까?
4. 굳어진 용액은 Fake glass 또는 설탕 유리라고 불린다. 그 이유가 무엇일지 생각해 보자.
5. 만들어진 직후의 설탕 유리와 공기 중에 한참 놓아둔 설탕 유리를 비교하였을 때 차이점을 생각 해 보자.
만들어진 직후의 설탕 유리 공기 중에 놓아둔 설탕 유리
단단한 정도 촉감, 점성
6. 위와 같은 차이가 생긴 이유는 무엇일까?
7. 설탕 유리를 수업에 활용할 수 있는 방법에 관해 가능한 많이 생각해 보자.
8. 페이크 글래스를 통해 영화의 한 장면을 연출 해 보자.
차시 7~9/9
Rock Candy! 어떻게
필요한 것은?
재료 : 설탕 600mL, 물 200mL(설탕 : 물 = 대략 부피비 3 : 1)
도구 : 250ml 비커, 편수 냄비(또는 스테인리스 비커), 핫플레이트, 디지털 온도계, 나무젓가 락, 씨드(나무꽂이)
① 편수 냄비에 설탕 600mL와 뜨거운 물 200mL를 넣고 핫플레이트를 이용하여 가열한다.
② 나무젓가락으로 잘 저어주면서 약한 불에서 서서히 가열한다. 대부분의 설탕이 녹으면 가만 히 둔 채로 가열한다.
③ 설탕 수용액을 가열하는 동안 씨드와 비커(또는 음료수병)를 각각 2개씩 준비한다.
④ 설탕 수용액이 투명한 시럽상태가 되면 가열을 멈추고 덮개로 덮어서 30분간 식힌다.
⑤ 식힌 설탕 수용액 위에 생긴 얇은 막을 제거한 후 준비한 비커에 설탕 수용액을 부어주고 나서 씨드를 그림 9와 같이 비커에 넣어 걸쳐 놓는다. 이때 씨드는 비커 바닥에서 약 1.5cm 정도 떨어진 위치에 있도록 준비한다.
⑥ 설탕 수용액을 넣은 2개의 비커를 실험실 한쪽에 두고 시간이 지남에 따라 어떠한 변화가 나타나는 지 1시간 후 관찰해 본다. (단, 비커 1개는 따뜻한 물이 들어 있는 수조에 넣어 천 천히 냉각되도 록 한다.)
⑦ 일정 시간이 흐른 후 담가놓은 꽂이에 어떤 변화가 있는지 관찰한다.
< 씨드 만드는 법>
물에 나무꽂이를 담근 후 꺼낸 뒤 설탕을 묻히고 자연 건조시킨다.
생각해 봅시다
1. 설탕 수용액을 가열하는 이유는 무엇일까?
2. 비커에 설탕 수용액을 부은 후 냉각시키면서 설탕 수용액과 씨드 주변의 변화를 관찰하여 보 자.
3. 이러한 변화는 왜 나타날까?
4. 락 캔디를 성장시킬 수 있는 또 다른 방법을 생각해 보자.
5. 우리가 만든 락 캔디는 결정일까?
6. 결정의 다양한 구조를 살펴 보고 규칙성을 찾아보자.
7. 다양한 과포화 용액을 만들어 설탕 공예 품을 만들어 보자.
5. 교사자료
차시 설탕 대체재
가. 인공 감미료(순수 화학 합성 감미료, 비당질 감미료)
인공 감미료들은 당류는 아니지만 설탕보다 수백 배 더 단 물질로써 물에 잘 녹고 독성 이 없 으며 몸속의 신진 대사로 인해 변하지 않아야 한다. 최초로 개발된 사카린 (saccharin)은 설탕보 다 300~500배 단맛을 내지만 일정 양(0.02%) 이상을 사용하면 뒷맛이 쓰기 도 하다. 이러한 사 카린은 열량이 없어서 1960~1970년대 식품첨가물이나 감미료로 널리 쓰였지 만 이후 흰쥐에서 방광암을 일으킨다는 연구결과로 인해 발암물질로 알려졌고, 1981년 미 환 경보호청(EPA)의 유 해 우려 물질로 분류되는 등 여러 국가에서 사용이 금지되었다. 하지만 이후 여러 연구에서 독 성이 입증되지 않아 오해가 풀리고 현재는 다시 허용되어 합법적 으로 사용되고 있다. 2010년 미 환경보호청(EPA)은 미국의 저열량식품 업체 모임인 열량통제 협회(CCC, Calorie Control Council)의 청원에 따라, 합성감미료 사카린을 '인간 유해 우려 물질' 리 스트에서 삭제하였다.
그렇다면, 사카린은 정말 설탕의 300분의 1만 있어도 설탕과 같은 단맛이 나는 것일까? 그렇 지 않다. 이 말의 의미는 물에 사카린을 넣고 처음 단맛이 느껴지는 농도(역치)가 설탕의 경우 의 300분의 1이라는 뜻이다. 즉, 사카린은 단맛의 역치가 설탕의 경우보다 훨씬 낮다. 하지만 농도가 높아 진다고 단맛이 비례하여 강해지지는 않는다. 사카린에서는 입안의 풍부한 단맛을 절대 느낄 수 없 다. 오히려 일정 농도를 넘어서면 쓴맛이 강해져 불쾌감을 준다. 이는 다른 인 공 감미료에 서도 마찬가지로 나타나는 현상이다.
그 이유는, 사카린이나 아스파탐 같은 인공 감미료는 혀의 맛봉우리에 있는 단맛 수용체에 착 달라붙 어 안 떨어진다. 이 때 사카린은 단맛 수용체 뿐만 아니라 쓴맛 수용체에도 어느 정도 달 라붙기 때 문에 뒷맛이 쓴 것이다. 반면 설탕은 단맛 수용체에만 상호작용하여 깨끗한 단맛을 느 낄 수 있다. 하지만 설탕과 단맛 수용체와의 결합력은 약하기 때문에 쉽게 떨어져 나가므로 계속 해서 단 음식을 먹고 싶은 것이다.
사카린은 원래 당뇨병 환자 식단에서 설탕 대용으로 사용되어 일반적으로 많이 사용되었지만 금속성의 뒷맛을 남긴다는 단점과 독성이 있을지도 모른다는 가능성이 제기되면서 시클라메이 트나 아스파탐 같 은 새로운 인공 감미료가 개발되었다. 인공 감미료는 설탕과 전혀 다른 구조 이지만 그림 20, 그림 21, 그림 22와 같이 단맛을 내는 데 필요한 원자, 기하학적 배열, 유연성 등을 공통으로 가지고 있 다. 하지만 이러한 인공 감미료들은 열분해로 인해 탄산음료나 차가운 음식에만 사용해야 하거나 또는 물에 잘 녹지 않거나 또는 단맛 이외의 다른 맛을 지니고 있 는 등의 문제를 여전히 지니 고 있다.
아스파탐(aspartame)은 아스파틸-페닐알라닌-1-메틸 에스터
(Aspartyl-phenylalanine-1-methyl ester)의 이름으로, 일반적으로 설탕과 가장 비슷한 맛이 나고 포 도당보다 200배 이상 단맛을 내기 때문에 설탕 대용의 저칼로리 감미료로 많은 식품에 쓰이 고 있다. 예를 들면, 다이어트 콜라와 자일리톨 껌 등의 저가당 식품을 들 수 있다. 아스파 탐은 자연계에 존재하는 2개의 아미노산으로 이루어져 있지만 몸 안의 신진대사를 통해
다른 물질 로 변하기도 한다. 당뇨환자, 임신 수유부, 어린이 등을 포함한 대다수의 사람 에게는 안전하지 만, 희귀성인 페닐케톤뇨증(유전병) 환자는 아스파탐이 분해될 때 생기 는 페닐알라닌(아미노산 의 한 종류)을 신진대사 시킬 수 없기 때문에 아스파탐 섭취를 피해야 한다.
설탕 사카린 아스파탐
이외에도 아세설팜칼륨(Acesulfame-k)은 설탕에 비해 당도가 200배 높고, 칼로리가 없다. 또한 지금 까지 인공 감미료 중 가장 안전성이 높을 것으로 평가받고 있는 슈크랄로스(Sucralose)는 설탕에 비해 당도가 600배 높으며 칼로리는 없다.
나. 올리고당[oligosaccharides] (당질 감미료)
과당류(寡糖類) 또는 올리고당류(oligosaccharide)는 단당류가 탈수 축합하여 글리코사이드 결 합을 한 것으로 단당류가 2~10개 결합되어 있는 당류의 총칭이며 소당류( 少 糖 類 )라고도 한다. 설탕이나 포 도당이 소장에서 분해, 소화되는 것과는 달리 이소말토올리고당, 프락토올리고당, 갈락토올리고당 등의 일부 기능성 올리고당의 경우 소장을 통과해서 거의 대장까지 도달하여 장내의 비피더스균을 증식시켜 주는 등 장내 유익한 균의 영양원이 되어 장내 부패를 억제하 고 대장 환 경을 개선(청결)하는 데 도움을 준다. 즉, 간장 장애, 설사, 변비, 대장암 등의 각종 질병 및 노화를 예방할 수 있다고 한다.
올리고당의 성분 요리당의 성분 1) 이소말토 올리고당(Isomalto-oligosaccharide)
이소말토 올리고당(IMO)은 omaltose, isomaltotrise, 6-o-maltosyl maltose가 주성분으로 포도 당이 α-1.6결합을 한 올리고당의 혼합물을 말한다. 이소말토 올리고당은 전분을 가공해서 포도 당 을 연결하여 만든 감미료로서 비발효성 당으로 벌꿀에 존재하는 천연의 식품성분으로 알려 져 있다. 칼로리는 설탕의 1/2정도이며, 우수한 감미특성, 보습성, 전분질 식품의 노 화방지 효 과 및 장내에 존재하는 비피더스균의 유용세균 증식, 충치를 예방하는 효과 등 여러 가지 기능 성을 가지고 있어서 유제품, 제빵, 캔디, 주조용 당질 원료, 제과류 등에 이용되고 있다. 전분원 료(100%)에 포도당 분자가 결합되도록 효소를 작용시켜 얻은 당액을 여과, 정제, 농축한 액상 또는 분말상의 것이다.
2) 프락토 올리고당(Fructo-oligosaccharide)
프락토 올리고당은 우엉, 양파, 마늘, 바나나 등 천연식품에도 소량 함유되어 있고 감미도는 설탕의 20-40% 정도이며 장내 소화 효소에 의해 분해되지 않고 칼로리가 없다. 충치 예 방, 장 내 유용 세균 증식, 장의 운동 촉진으로 변비 개선 효과가 인정되어 요구르트, 차, 빵, 젤리, 프 리믹스 제품 등에 첨가하여 사용하고 있다. 설탕 또는 설탕 원료(100%)를 주원료로 하여 설탕 분자에 1~3개의 과당 분자가 결합되도록 효소를 작용시켜 얻은 당액을 여과, 정 제, 농축한 액 상 또는 분말상의 것이다.
3)갈락토 올리고당(Galacto-oligosaccharide)
동물성 기원의 올리고당으로 유즙에 함유되어 있고 비 피더스의 증식작용과 충치예방의 효과가 있 다. 유당 또 는 유탄수화물 원료(100%)에 효소를 작용시켜 얻은 전이 갈락토 올리고당액 또는 사 탕무, 대두 등에서 추출한 라 피노스, 스타티오스의 당액을 여과, 정제, 농축한 액상 또는 분말 상의 것이다.
4) 물엿 [starch syrup] (당질 감미료)
전분시럽은 전분 또는 전분질 원료를 산 또는 효소로 부분적으로 가 수분해(당화)하여 만들어진 점조성 감미물질을 말하며 산당화물엿, 효 소당화물엿(맥아물엿, high maltose syrup)의 두 가지가 있다. 산 당화 물엿은 전분을 산으로 분해하면 최후에 대부분 포도당으로 분해되지 만 그전에 분해를 멈추면 포도당과 dextrin의 혼합물이 되어 산당화물 이 된다. 포도당 함량이 많기 때문에 가열 에 의해 착색되기 쉽다. 효 소당화물엿(맥아물엿)은 맥아의 β-아밀레이스로 전분을 분해하는 것으 로 제조의 역사는 산당화물엿보다 오래되었고 β-아밀레이스에 의하여 맥아당을 절단하여 최후에는 더 이상 분해할 수 없는 한계 덱스트린 (limit dextrin)과의 혼합물이 맥아물엿이 되고 보통 정제하 지 않기 때문에 특유의 풍미를 갖는다(high maltose syrup). 또한 액화한 전분을 β-아밀레이스로 당 화하고 정제하여 만든 물엿은 맥아당 함량이 높아 순한 감미를 나타낸다. 이들 효소당화물엿은 산 당화 물엿에 비하여 내열성이나 내흡습성이 우수하다. 물엿류는 예부터 제과, 제빵, 통조림, 해산물 조림 등에 널리 이용되고 있다
갈락토 올리고당
물엿의 성분
단맛이란?
방향족 화합물의 향기가 원자들의 공간 배치에 기인하듯이 포도당(C6H12O6 및 기타 당류) 분 자의 단맛도 원자들의 공간 배치에 기인한다. 단맛과 화학구조 사이의 관계는 복잡하지만 Shallenberger(1969)는 단맛을 느끼기 위해선 그림 29와 같이 단맛 화합물(Sweet tasting compound, 단맛 분자)과 미각 수용체(Taste bud receptor site)의 수소공여체(HA)와 수소수용 체(B) 사이의 거리가 2.5~4Å이어야 한다고 한다. 이러한 ‘A-H, B모형’은 단맛이 분자 내의 원자 배열에 달려 있다고 본다. 즉, 원자들은 특별한 기하학적 구조를 갖고 있어서 원자 B는 원자 A 와 결합한 수소와 결합할 수 있게 된다. 다시 말해서 그림 27과 같이 단맛을 내는 분자(단맛 화합물)가 미각 수용체의 단백질 분자(G protain)와 결합할 수 있게 된다는 것이다. 이 아 주 짧 은 순간에 ‘이것은 달다’라는 정보를 가진 신호가 만들어지게 되고, 이 신호는 신 경을 통해 뇌 로 전달된다. 그림 28의 경우 A와 B는 대개 산소 원자나 질소 원자이다.
한편, Kier(1972)는 미 각 수용체 내에 수소공여체(HA), 수소수용체(B) 이외에 3번째 결합부위(X)가 있어서 이 세 점에 화합물이 일치하면 강한 감미를 느낀다고 하였다(그림 30). 설탕 외에도 단맛을 내는 화합물은 많지만 이들 전부가 먹을 수 있는 것은 아니다.
단맛의 기작과 포도당(glucose)에서 Shallenberger의 AH-B이론
사카린과 D-글루코오스에서 Shallenberger의 AH-B이론
Taste bed receptor site와 Sweet tasting compound 사이의 거리 사카린과 미각 수용기
결정과 비결정
가. 결정성 고체와 비결정성 고체 - 고체를 분류하는 일반적인 기준
고체는 내부구조에서 보아 결정성과 비결정성 물질로 대별된다. 결정성 고체는 원자나 분자 의 배열상태가 주기적 규칙성을 가지고 있는데 비해, 비결정성 고체는 일반적으로 이와 같은 규칙성이 결 여되어 있다. 결정성 고체는 그 외형이 일정한 결정면으로 둘러싸인 형태를 취하는 경우가 많으나, 비 결정성 고체는 일정한 형태를 취하는 일이 없다.
결정성 고체(crystal) : 결정성 고체는 원자, 분자, 이온 등의 구성입자가 긴 범위에 걸쳐서 규칙적으로 배열된 고체이다. 보통 결정성 고체는 평평한 면과 특징적인 각을 갖고 있어서 원자 단 위에서 이러한 질서 있는 배열을 눈으로 확인할 수도 있다. 그 특징을 살펴보면,
입자의 배열이 규칙적임
결합을 끊기 위한 에너지가 일정하므로 일정한 녹는점을 가짐 비등방성을 가짐
열전도율, 전기전도율, 굴절률, 굳기 등 물리적 성질이 방향에 따라 다름 예 : 설탕, 소금, 얼음, 다이아몬드, 구리 등의 결정
※ 결정성 고체의 4가지 유형
결정성고체 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정
구성 입자 분자 원자 양이온,
음이온
원자(금속양이온 ,
자유전자)
결합력 쌍극자-쌍극자 힘 또는
분산력 또는 수소결합
공유 결합 이온 결합 금속 결합
녹는점 낮음 높음 높음 높음
예 얼음, 설탕 등 다이아몬드,
SiO2 등
염화나트륨
등 나트륨, 철 등
입자 모형
비결정성 고체(amorphous solid) : 보통 유리라고 불리는 비결정성 고체는 다방면에서 결정 성 고체 를 닮았다. 결정과 유사한 화학적 조성, 경도 및 탄성과 같은 기계적 성질 그리고 전 기적 자기적 성질을 가진다. 또한 결정처럼 유리는 분자성, 공유성, 금속성 결합을 형성할 수 도 있다. 그러 나 원자 수준에서 비결정성 고체는 결정의 규칙적인 주기적 구조가 없다. 그것 들은 엄청난 결함이 존재해서 결정성 질서가 파괴된 물질의 상태이다. 즉, 비결정성 고체는 구성 입자들이 무질서하게 배열되고 긴 범위에 걸쳐 규칙성이 나타나지 않는 고체이다. 이러 한 불규칙한 구조의 결과는 항상 일정하거나 균일하게 행동하지 않는다는 것이다. 따라서 가 열을 할 경우, 일정한 녹는점을 갖기 보다는 점차 일부의 결합들이 끊어지면서 연화한다. 물질이 액화될 수 있다면 거의 분명하게 비결정성 상태로 제조될 수 있다. 결정성 상태로 주로 알려진 금속 조차 비결정성 고체로 만들 어질 수 있다. 용융된 물질을 급속 냉각시켜 결 정화를 우회하는 것이 요령이다. 쉽게 엉키고 무질서해 질 수 있는 길고 비규칙적인 형태의 분자는 유리를 형성하는 강한 경향성을 가지고 있다. 이런 분자 의 액체는 천천히 냉각시켜도 고체화되기 전에 결정성 격자로 조직화되기 위한 충분한 시간이 없 다. 급격한 액체-결정 전 이 대신 일정 온도 범위에 걸친 유리 형성 과정을 통해 연속적으로 비결정성 고체로 변형된 다. 비결정성 고체의 특징을 살펴보면,
- 입자의 배열이 불규칙적임 - 녹는점이 일정하지 않음 - 등방성을 가짐
예 : 유리, 엿, 플라스틱 등
1) 석영과 유리 : 결정성 고체와 비결정성 고체를 비교하기 위한 대표적인 예로 석영과 유리 를 들 수 있다. 석영과 유리는 둘 다 주성분이 SiO2로 같지만 그 성질은 다르다. 석영을 약 1600℃
이상으로 가열하면 많은 Si-O 결합이 끊어지고, 결정성 고체에서 점차 점성이 있는 액체로 변화한다.
이 용융액을 급속하게 냉각시키면 일부 Si-O 결합이 불규칙하게 재형성되
어 유리라는 비결정성 고체가 생성된다. 결정의 성질을 갖는 석영과는 대조적으로 유리는 대부분 무질 서한 부분들로 이루어져 있다. 유리는 마치 점성이 매우 높은 용액과 아주 유사 하다고 볼 수 있다.
석영과 유리의 구조
나. 설탕 결정
현미경으로 본 설탕 결정
현미경으로 볼 때 설탕 결정은 정확하게 입방체가 아니라 양끝에 직사각형과 비스듬한 모양 이 있음 을 알 수 있다. 설탕 결정을 의도적으로 키우면 상당한 크기로 커지는데, 마치 얼음처 럼 보인다고 하여 얼음설탕이라고 한다. 얼음설탕의 현미경 사진을 보면 결정 모양이 확실히 보인다.
현미경으로 본 얼음설탕 결정
다. 결정 사탕과 비결정 사탕
기본적으로 사탕에는 완성된 형태로 결정을 포함하는 사탕과 막대 사탕, 태피 및 캐러멜 등과 같은 결정을 포함하지 않는 비결정성 사탕의 두 가지 분류가 있다. 설탕의 결정이 형성되는 것 을 방지하고 비결정성 캔디를 만들기 위해서는 특별한 레시피가 필요하다. 결정화를 방지하기 위한 한 가지 방법은 다른 유형의 설탕(보통 과당 및 포도당)이 그 과정에 있는지 확인하는 것 이다.
과당과 포도당 분자가 주변에 있을 때 설탕의 큰 결정이 형성되기 어렵다. 결정은 마치 레고 조각이 붙어서 연결되어 있는 것과 같은데, 분자 중 일부가 다른 크기와 모양이라면 서로 맞지 않을 것이고, 결정이 형성되지 않을 것이다.
다른 유형의 사탕을 얻는 간단한 방법은 산을 첨가하는 것이다. 레몬주스 또는 타르타르 크림 과 같은 산은 설탕을 두 가지 간단한 성분인 과당과 포도당으로 분해시킨다. 또 다른 방법은 대 부분 이 포도당으로 구성되어 있는 옥수수 시럽과 같은 것을 첨가하는 것이다. 어떤 막대사탕의 경우는 옥 수수 시럽을 50%이상 사용하기도 한다.
사탕 속의 지방도 비슷한 목적을 가지고 있다. 버터와 같은 지방 성분은 결정을 고정시키려는 설 탕 분자를 방해함으로써 결정화를 방해한다. 토피 사탕은 다량의 버터가 함유되어 있어 설탕 결정이 없고, 부드러운 질감과 깨지기 쉬운 특성이 있다.
슈겨크래프트(Sugar Craft) 가. 슈거 크래프트란?
슈거 크래프트란 설탕을 주재료로 만드는 먹을 수 있는 화려한 공예 작품을 말한다. 슈거파
우더에 젤라틴, 계란 흰자 등을 섞어 만든 설탕 반죽에 색을 덧입혀 다양한 모양을 만든다. 케 이 크, 컵케이크 등 베이커리류 뿐만 아니라, 꽃이나 장식품으로 만들어 인테리어에 활용하기도 한다. 슈 거 크래프트의 가장 큰 특징은 영구적으로 보관할 수 있다는 점이다. 설탕 자체가 천 연 방 부제 역할을 하기 때문에 습기만 주의한다면 형태가 흘러내리거나 녹지 않는다.
그림 34. 슈거 크래프트(sugar craft) 나. 슈거 크래프트의 분류
모델링 - 사람, 동물, 사물 등 입체감이 있는 것을 만드는 것 슈거플라워 - 플라워페이스트를 사용하여 꽃을 만드는 것
로열아이싱 - 모델링과 플라워에서 표현하지 못하는 것을 아이싱기법으로 자유롭게 표현하 는 것
다. 컵케이크 만들기
컵케이크를 만들기 위해서는 두 종류의 반죽이 필요하다. 컵케이크 위에 씌우는 반죽인 슈거페 이스트와 케이크 위에 올라갈 장식을 만드는 반죽인 모델링페이스트다. 슈거페이스트는 부 드럽고 무른 편이고, 모델링페이스트는 단단하고 탄력이 있는 편이다. 두 종류의 반죽을 모두 만드는 것 은 그리 번거롭지 않다. 슈거페이스트에 CMC(Carboxy Methyl Cellulose, 식용 고무분말) 가루를 넣 으면 모델링페이스트가 된다.
1단계 - 슈거페이스트를 만들어 컵케이크에 씌우기 2단계 - 모델링페이스트로 리본 같은 모양 만들기 3단계 – 2단계 모양을 1단계 컵케이크 위에 붙이기
Teaching tip! 이것이 정답~ 브레인 스토밍
왜 사탕수수는 플랜테이션이라는 방식으로 경작을 하게 되었을까? 사탕수수의 특성과 관련 하여 생각 해보자.
☞ 사탕수수의 수숫대는 베어내는 순간 안쪽의 달콤한 덩어리가 딱딱해져 나무처럼 변하기 때문에 24시간 안에 끓이지 않으면 수확물의 질이 낮아진다. 또한 베어낸 사탕수수 더미는 무 겁고 커서 운반하기 어렵지만 결정으로 만든 설탕은 작은 통에 담아 배로 실어 나를 수 있 었다. 사탕수수는 오래 놓아둘수록 돈을 잃지만 설탕으로 만들면 엄청난 돈을 벌 수 있었 다. 따라서 많은 설탕을 만들 수 있는 유일한 방법은 노동자들을 수수밭에 풀어놓고 수 숫대 를 잘라 바로 밟아 시럽으로 만든 다음 가열실로 흘러가게 하는 단일 시스템을 만드는 것 이었다. 대규모의 사람들이 모든 단계를 정확하게 주어진 시간 안에 함께 수행하는 전체 시 스템이 필요했기 때문에 만들어진 경영 방식이 플랜테이션이다.
그림 5를 보고 많은 사람들이 대서양을 건너간 이유는 무엇이었을지 생각해보자.
☞ 1400년대 스페인과 포르투갈은 아프리카 해안을 따라 탐험하며 아시아로 가는 바닷길을 찾고자 경 쟁하던 중 카나리아 제도를 정복했다. 그들은 무슬림식 설탕 플랜테이션들을 그 섬에 건설하기 시 작했고 가까운 아프리카에서 노예를 구매했다. “하얀 금”이라 불리우는 설 탕을 거래하기 위해 아시아 라고 생각한 곳을 향해 항해를 떠나는 사람도 있었다. 점점 많은
