○ 바이오 분야 개발 목록 및 관련 교육과정 내용

○ 바이오 분야 개발 목록 및 관련 교육과정 내용

차시 학년 제목 내용 교육과정

1

초3-4

생물의 표면은 어떤 공통점과

차이점이 있을까?

사람의 피부 동물의 피부 식물의 표면

생물 표면의 공통점과 차이점

초3-4 과학 동물의 세계, 식물의 세 계(2007, 2009)

초5-6 실과 생활 속의 동식물(2009) 초5 미술 표현(2007, 2009)

2 3 4 5

초3-4 씨앗에서 배워요.

씨앗과 생체 모방

생체모방 기술을 응용한 발명

초3-4 과학 식물의 한살이(2007, 2009) 초5-6 실과 생활 속의 동식물(2009) 초3-4 미술 표현(2007, 2009) 6

7

초5-6 가늘지만 힘센 머리카락

머리카락의 특징

머리카락으로 물건 만들기

초5-6 과학 1. 우리 몸(2007, 2009) 초5-6 미술 표현(2007, 2009) 초5-6 실과 생활 속의 동식물(2009) 8

9

초5-6 두근두근 내 심장은 펌프

심장과 펌프의 닮은 점 펌프 체험하기

인공심장과 인공장기 미래의 인공장기 디자인하기

초5-6 과학 우리의 몸(2007, 2009) 초6 실과 생활속의 전기전자(2007) 초5-6 실과 생활 속의 동식물(2009) 10

11 12 13

중

식물의 색은 무엇에 의해

결정될까?

보이는 색, 보이지 않는 색 변화하는 꽃 색의 비밀 식물의 색이 완성되려면 빛 공간상자를 만들어보자!

빛이 만드는 색깔

중1-3 과학 식물의 구조와 기능, 광합 성(2007, 2009)

중1-3 물질의 구성(2007, 2009) 중1-3 미술 표현(2007, 2009) 14

15 16 17 18

중

작지만 넓은 지문의 세계로

빠져 봅시다

여러 가지 지문 방법 지문에도 스타일이 있다!

똑같은 지문을 찾아라

중1-3 과학 유전(2009)

중1-3 수학 확률과 통계(2007, 2009) 중1-3 기술/가정 생명기술의 세계 (2007, 2009)

19 20 21

중

핏자국은 어디에서 날아왔을까?

특별한 핏자국의 모양 핏자국 모양으로 발혈점 찾기

중학교 과학 소화, 순환, 호흡, 배설 (2007, 2009)

중학교 과학 힘과 운동(2007, 2008) 22

23 고

유전자는 우리 몸에서 무엇을 하고 있을까?

DNA 유전암호로 음악을?

유전암호를 연주해보자 유전 암호 한 개의 변화 유전자 치료

고1 과학 생명의 진화(2009)

고 2-3 생명과학 2 유전자와 형질발 현(2007, 2009)

고 1 음악 음악적 표현과 소통(2009) 24

25 26 27

고

어떻게 하면 건강하게 생활할

수 있을까?

어떻게 움직일까?

흰 근육과 빨간 근육 건강하게 생활하려면!

고 생명과학Ⅰ자극의 전달(2007, 2009) 고 물리 1 힘과 에너지의 이용(2007, 2009) 고1 체육 보건 체육활동(2007, 2009) 28

29 30

고

어떻게 하면 김치를 안전하게 운송할 수

있을까?

알코올 발효 김치 만들기

안전한 김치 운송 방법 고안

고2-3 생명과학 2 세포와 에너지, 발 효(2009)

31 32

목 차

1. 생물의 표면은 어떤 공통점과 차이점이 있을까?

1차시. 사람의 피부는 어떻게 생겼을까요? ··· 7

2차시. 동물의 피부는 어떻게 생겼을까요? ··· 19

3차시. 식물의 표면은 어떻게 생겼을까요? ··· 31

4차시. 생물 표면의 공통점과 차이점은 무엇인가요? ··· 43

2. 씨앗에서 배워요. 1차시. 씨앗과 생체모방 ··· 59

2차시. 생체모방 발명품 만들기 ··· 67

융합인재교육(STEAM) 주제별 프로그램 개발 - 바이오

생물의 표면은 어떤 공통점과 차이점이 있을까?

초등학교 3-4학년용

- 3 -

◉ 교육과정 관련 안내

2007 개정 교육과정

초등학교 3학년 ⑤ 동물의 세계

(가) 여러 가지 동물의 생김새와 특징을 안다.

(나) 여러 가지 동물을 공통점과 차이점에 따라 나눌 수 있다.

초등학교 4학년 ④ 식물의 세계

(가) 여러 가지 식물의 생김새와 특징을 안다.

(나) 여러 가지 식물을 공통점과 차이점에 따라 나눌 수 있다.

2009 개정 교육과정

초등학교 3~4학년 (5) 동물의 생활

(가) 여러 가지 동물의 생김새와 특징을 안다.

(나) 여러 가지 동물을 공통점과 차이점에 따라 나눌 수 있다.

(13) 식물의 생활

(가) 여러 가지 식물의 생김새와 특징을 안다.

(나) 여러 가지 식물을 공통점과 차이점에 따라 나눌 수 있다.

해설

본 수업은 생물 전체가 갖고 있는 표면의 공통점과 차이점을 학 습자 스스로 관찰을 통해 깨닫는데 목적이 있다. 사람의 피부, 그 밖의 동물과 식물의 표면을 자세히 관찰함으로써 표면의 특 징을 이해하고, 생물의 피부를 활용한 첨단 과학 기술의 발전 과정을 알 수 있다. 또한, 생물 표면의 특징을 살린 생활용품을 을 디자인 할 수 있다.

◉ 스팀 요소

S

T

E

A

생물 표면의 특징을 활용한 생활용품 디자인 하기

M

무엇이 무엇이 똑같을까?

무엇이 무엇이 똑같을까?

무엇이 무엇이 똑깥을까~ 젓가락 두짝이 똑같아요~

무엇이 무엇이 똑같을까~ 윷가락 네짝이 똑같아요~

세상엔 닮은 것이 참 많습니다.

생김새가 고양이나 개 심지어 물고기를 닮았다는 사람도 있고,

선인장이나 밤송이의 가시, 고슴도치의 바늘은 서로 비슷하게 생겼습니다.

우리 주변에선 또 무엇이 닮았을까요?

사람과 동물 그리고 식물 사이에도 닮은 점을 찾을 수 있을까요?

- 5 -

◉ 생물의 표면

차시 주제 활동 내용 연계

교과/단원

1

사람의 피 부는 어떻 게 생겼을 까요?

• 자신의 피부 관찰

-자신의 피부 관찰하고 그 특징 설명하기 -피부의 생김새에서 비슷한 점과 다른 점 설명 하기

-인체의 피부를 활용한 첨단 기술 알아보기

1학년 슬기로 운 생활/

나의 몸 2학년 슬기로 운 생활/

자라는 우리 들

2

동물의 피 부는 어떻 게 생겼을 까요?

• 동물의 피부 관찰

-애완 동물의 피부 관찰하고 그 특징 설명하기 -애완 동물 피부의 생김새에서 비슷한 점과 다 른 점 설명하기

-동물의 피부를 활용한 첨단 기술 알아보기

3학년 과학/

동물의 세계

3

식물의 표 면은 어떻 게 생겼을 까요?

• 식물의 표면 관찰

-식물의 표면 관찰하고 그 특징 설명하기 -식물 표면의 생김새에서 비슷한 점과 다른 점 설명하기

-식물의 표면을 활용한 첨단 기술 알아보기

4학년 과학/

식물의 세계

4

생물 표면 의 공통점 과 차이점 은 무엇인 가요?

• 생물 표면 생김새의 공통점과 차이점 정리 -1~3차시 내용 토대로 생물 표면 생김새의 공 통점과 차이점 정리하기

-생물 표면의 특징을 활용한 생활용품 디자인 하기

1학년 슬기로 운 생활/

나의 몸 3학년 과학/

동물의 세계 4학년 과학/

식물의 세계

1차시

사람의 피부는 어떻게 생겼을까요?

교사용 교재

- 9 -

◉ 수업 지도안

단 원 초등학교 3학년 과학 2. 동물의 세계 - 동물의 생김새 초등학교 4학년 과학 1. 식물의 세계 - 식물의 생김새 연계 단원 초등학교 3학년 미술 4. 자연 환경과 미술

수업차시 1차시 지도대상 초등학교 3~4학년

활동유형 발표, 관찰

교과 학습목 표

1. 피부의 생김새를 관찰하고 그 특징을 설명할 수 있다.

2. 피부 표면의 생김새에서 비슷한 점과 다른 점을 설명할 수 있 다.

교과 연계성

초 5 과학 작은 생물의 세계

-작은 생물과 우리 생활과의 관계를 이해한다.

초 6 과학

생태계와 환경

-빛, 온도, 물 등과 같은 환경 요소가 생물에 미치는 영향을 안다.

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

피부와 관련된 과학적 사실을 퀴즈 문항으로 제시

다음은 무엇에 대한 설명일까요?

1단계) 다양한 색깔이 있다. .

2단계) 대다수의 동물은 매일 이것을 씻기고 비빈다.

3단계) 어른의 경우 보통 이것의 무게는 약 3kg이고 몸무게 의 6%를 차지하고 있다.

4단계)이것의 색깔로 인종을 구분하기도 한다.

다양한 배율로 피부를 촬영한 사진을 제시하면 학생 들의 흥미를 배가할 수 있다.

2

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

얼굴과 손의 피부 관찰하기

얼굴과 손의 피부 생김새를 색, 털의 유무, 줄무늬를 중심으로 관찰한다.

얼굴과 손의 피부 특징 알아보기

얼굴과 손의 피부 생김새를 공통점과 차이점으로 나 눠 설명할 수 있도록 한다. 특징적인 줄무늬를 갖고 있는 피부의 생김새를 보고 그리도록 한다.

피부의 특징을 활용한 첨단 기술 알아보기

생체 인식으로 활용되는 지문에 대해 알아본다.

35‘

∙ 활동지

∙ 참고자료

정리

피부의 특징 정리하기

피부의 특징이 드러나는 사물이나 단어를 선택하고 그 이유를 발표하기

다음 차시 안내

다음 시간에는 애완 동물의 피부와 가죽 제품의 표면을 관찰 하므로 해당 관찰 대상을 가져올 수 있도록 안내한다. 애완 동물은 포유류에 국한하며 반드시 이동함(케이지)에 담아오 도록 강조하고, 집에서 사용하는 천연가죽제품이나 의류를 가져오도록 한다.

3‘

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

- 11 -

01. 사람의 피부는 어떻게 생겼을까요?

손가락 손바닥 손등 입술 볼

색 붉은색+살구 색

붉은색+살구

색 살구색 붉은색 붉은색+살구 색 털이

있나요? ○ × ○ × ○

줄무늬가

있나요? ○ ○ ○ ○ ○

재미있는 퀴즈를 하나 풀어 볼까요?

다음 설명을 듣고 공통적으로 해당되 는 것은 무엇인지 알아맞혀봅시다.

첫째, 이것의 색깔은 여러 가지입니 다. 둘째, 대다수의 동물은 매일 이것 을 씻기고 비빕니다. 셋째, 어른의 경 우 이것의 무게는 약 2~3kg이고, 전체 몸무게의 6%를 차지합니다. 넷째, 이 것의 색깔로 인종을 구분하기도 합니 다. 정답은 무엇인가요?

피부의 관찰

우리가 잠자리에 들기 전이나 일어나서 하는 것은 무엇일까요? 씻는 것입니 다. 또 언제 씻나요? 무언가를 먹기 전이나, 화장실에 다녀올 때 씻습니다. 그 러면 어디를 씻을까요? 뼈나 근육을 씻을까요? 아닙니다. 우리는 우리의 손이 나 얼굴에 있는 피부를 씻습니다. 우리의 피부는 외부의 자극을 막고 체온을 유지하며 비타민 D를 합성하는 등 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 하지 만 이렇게 중요하고 친숙한 피부지만, 정작 피부를 자세히 관찰한 적은 없는 것 같습니다. 그럼 오늘 수업을 통해 피부를 잘 살펴볼까요?

관찰 ^{피부 관찰하기}

▪ 자신의 손과 친구의 얼굴을 관찰한 후 그 특징을 적어봅시다. 우리의 피부는 부위별로 어떤 공통점과 차이점이 있습니까?

공통점은 모두 줄무늬가 있다는 것이고, 차이점은 색깔이 위치마다 다르고 털 도 있는 곳도 있고 없는 것도 있다는 것입니다.

손가락 손바닥 입술

줄무늬의 모양

▪피부에 있는 줄무늬는 모두 같습니까? 아니오

▪대부분의 피부에 있는 줄무늬는 어떻게 생겼습니까? 피부에 있는 선들이 겹치 면서 만들어내는 도형을 찾을 수 있습니까?

삼각형이나 사각형을 찾을 수 있습니다.

▪눈에 띄게 다른 줄무늬를 갖고 있는 피부는 어디 어디 입니까?

손가락, 입술, 손바닥 등입니다.

▪손가락, 입술, 손바닥에 있는 줄무늬는 다른 줄무늬와 어떻게 다릅니까?

길이와 굵기가 다양한 선들이 쉽게 보입니다. 다른 피부에 있는 줄무늬들은 자 세히 들여다보아야 보입니다.

▪각 부위별로 피부에 나타나는 줄무늬의 특징을 그림으로 그려봅시다.

▪인체의 피부를 확대해서 본 동영상(http://www.youtube.com/watch?v=XdKlmyfp5_w) 을 살펴봅시다. 확대해서 본 피부의 모습은 어떻게 생겼습니까?

피부 표면의 모양만 확인하면 되므로 40배까지 확대된 영상만 보는 것이 좋습니다.

피부의 표면이 매끄럽지 않고 울퉁불퉁하며 여러 개의 선으로 나뉘어져 있습니 다.

피부를 활용한 첨단 기술 알아보기

<미션 임파서블>같은 첩보 영화나 SF 영화를 보면 보안 시설에 설치된 지문 인식기를 통과하기 위해 타인의 지문을 복사하는 장면이 나옵니다. 실제로 몇 몇 회사에서는 사원들의 출퇴근 시간 확인을 하거나 출입문을 통과하는데 지 문 인식을 이용하기도 합니다. 이는 개인이 갖고 있는 고유한 피부 무늬가 다 르기 때문에 가능한 일인데요. 이처럼 피부를 활용한 첨단 기술의 발전 수준 은 현재 어디까지 와 있는 걸까요?

- 13 -

▪ 인체의 피부를 활용한 첨단 기술을 알아보고, 느낀 점을 적어 봅시다.

교사 지도 Tip

▪ 머리카락을 이용한 첨단 기술 사례는 참고자료에 제시한 <피부의 특징을 용 한 첨단 기술 - 촉각 센서>와 <검지 대세요-지문 인식 4초 만에 범죄 인식 줄줄>을 활용한다.

정리 피부의 특징을 정리해봅시다.

▪ 인체의 피부에 대해 한 단어로 정리하고 그 이유를 발표해봅시다.

-피부는 <집열쇠>라고 생각합니다. 왜냐하면, 피부를 인식해야 회사에 들어 갈 있는 사람이 있기 때문입니다.

-피부는 <보일러>라고 생각합니다. 왜냐하면, 추운 겨울을 보일러로 따뜻하게 보낼 수 있기 때문입니다.

참고 자료 피부의 특징을 활용한 첨단 기술 - 촉각센서

로봇은 무엇인가를 접촉할 때 무엇을 느낄까? 현재까 지는 전혀 또는 거의 느끼지 못한다. 그러나 정확한 센 서와 액추에이터 그리고 소프트웨어만 있으면, 로봇에게 어떠한 감촉이 전해주거나 적어도 접촉을 통해 다른 재 료를 식별할 수 있는 능력을 줄 수 있다.

사우스캘리포니아대학교 비터비 엔지니어링스쿨 (Viterbi School of Engineering) 연구원들이, 특수하게 고안된 로봇이 그들이 느끼는 촉감에 따라 다양한 형태의 천연 재료를 식별함에서 사람보다 더 월등할 수 있으며, 이것은 인공기관(prostheses), 개인 도움-로봇 그리 고 소비자 제품 시험 분야의 발전을 이룩할 것이라는 연구결과를 6월 18일 [Frontiers in Neurorobotics]에 발표했다.

로봇은 사람의 손가락 끝을 모방하여 만들어진 새로운 형태의 촉각 센서(tactile sensor)를 장착하고 있다. 또한, 이것은 사람이 사물 인식을 위해 사용하는 전략을 모방함으로써 외부 세계를 어떻게 인식할 것인지를 결정할 수 있는 새롭게 개발된 알고리즘을 사용했다. 사람의 느낌뿐 아니라, 이 센서는 손가락 끝에 어떤 쪽으로 그리고 어디에서 방향력이 작용하는지를 알 수 있으며 심지어는 접촉하는 물체의 열적 특성도 알 수 있다.

사람의 손가락처럼, 이 연구그룹이 개발한 BioTacⓡ 센서는 액체 성분 내에서도 부드럽고 유연한 피부를 보유하고 있다. 피부도 그 표면상에 지문을 가지고 있으므 로 진동에 대한 민감도를 상당히 향상시킬 수 있다. 손가락이 직물화된 표면을 미 끄러질 때, 피부는 특징적인 방법으로 진동한다. 이러한 진동은 손가락에 있는 뼈 같은 코어 내부에 있는 하이드로폰(hydrophone)에 의해 검지 된다. 사람의 손가락은 직물 형태를 구분하기 위해 비슷한 진동을 사용하지만, 로봇의 손가락은 사람보다 더욱 민감하게 반응한다.

사람이 접촉을 통해 물체를 식별할 때, 그들은 비슷한 물체에 대한 이전의 경험 에 기반을 두고 다양한 범위의 탐험적 움직임을 사용한다. 18세기 수학자인 토마스 베이즈(Thomas Bayes)의 유명한 이론에 의하면, 중요한 결정은 이러한 움직임 동안 에 획득된 정보로부터 이루어질 수 있다고 한다. 그런데 지금까지는, 그다음에 이 루어질 탐험적 움직임을 결정할 다른 방법이 없었다. 바이오의학 엔지니어링학과 Gerald Loeb 교수와 최근에 졸업한 박사과정 학생인 Jeremy Fishel씨에 의해 발표 된 논문에는, 이러한 일반적인 문제를 해결하기 위한 그들의 새로운 이론들을 베이 지안 탐험(Bayesian Exploration)으로 묘사하고 있다.

Fishel사에 의해 제작된 특수 로봇은 직물가게, 정지 및 하드웨어 가게에서 수집 된 117개의 일반적인 재료로 훈련되었다. 임의로 하나의 재료에 접근하게 될 때, 로

- 15 -

한 시간의 95% 이내에 재료를 정확하게 식별할 수 있었다. 또한, 사람이 그들 자신 의 탐험적 움직임을 사용하여 전혀 구별할 수 없는 유사한 물체에 의해서도 거의 혼동하지 않았다.

그러면, 접촉하는 행위가 사람이 로봇에게 아웃소싱할 수 있는 활동 영역인가?

Fishel사와 Loeb 교수는 로봇이 어떤 물체가 서로 비슷한지를 매우 잘 식별할 수 있지만, 사람들이 선호하는 직물을 말해 줄 방법이 없다는 것을 지적했다. 대신에, 그들은 이 로봇이 사람들이 사용하는 인공기관에 이 접촉 기술이 사용될 수 있거나 소비자 제품과 심지어는 인간의 피부가 느끼는 느낌을 평가하는 전문가를 고용하는 회사들을 도울 수 있다고 말했다.

Loeb 교수와 Fishel사는 [SynTouch LLC]사의 파트너이며, 이 회사는 사람의 손을 모방하는 메카트로닉스 시스템용 촉각 센서를 개발하고 제작하고 있다. 2008년에 사우스캘리포니아대학교 의학장치 개발연구실(Medical Device Development Facility) 출신의 연구진들에 의해 설립된 이 창업회사는, 다른 연구진들과 산업용 로봇 그리 고 인공 손 제조회사에 BioTac 센서를 현재 판매 중이다.

출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2012/06/120618194952.htm

참고 자료 검지 대세요-지문 인식 4초만에 범죄 전력 줄줄

“양손 검지를 천천히 올려주십시오.”

30일 오전 11시 반 인천국제공항 입국심사대 옆에 위치한 입국 재심(再審)실.

지문채취기에 녹색 불이 켜지자 중국인 A 씨가 천천히 두 손가락을 갖다 댔다.

지문을 인식한 출입국심사관의 컴퓨터가 곧바로 검색에 들어갔다. 국내에서 범죄 를 저지른 외국인 23만여 명의 지문과 A 씨의 지문을 대조하는 데 걸리는 시간 은 불과 4, 5초. A 씨는 범죄 전력이 없는 것으로 판명돼 입국이 허가됐다.

하루 동안 입국 재심실을 찾는 외국인은 300여 명. 인천공항 출입국관리사무소 는 국내로 들어오는 여객기 탑승객의 정보를 사전 분석해 정밀심사를 거쳐야 할 대상을 고른다. 해외에서 분실된 여권을 소지하고 있거나 신분을 바꿔 ‘위명(僞 名) 여권’, 즉 가짜 여권을 발급받은 것으로 의심되는 사람 등이 대상이다. 출입 국관리사무소 관계자는 “지금까지는 얼굴사진을 대조하고 심층 인터뷰를 해서 하루 평균 15명의 우범 외국인을 가려냈지만 지문인식시스템의 도입으로 우범 외국인을 더 정확히 파악할 수 있게 됐다”고 말했다.

법무부 출입국·외국인정책본부(본부장 석동현 검사장)는 다음 달 1일부터 전 국 22개 공항과 항만에서 국내에 들어오는 외국인에게 지문과 얼굴사진을 등록 하도록 하는 ‘외국인 지문인식시스템’을 본격 가동해 다른 사람의 신분으로 위 장한 우범 외국인의 입국을 차단한다고 30일 밝혔다. 이번 조치는 주요 20개국 (G20) 정상회의의 안전한 개최를 위해 신분을 위장했을 가능성이 높고 입국 목적 이 의심되는 일부 외국인을 대상으로 우선 시행된다.

지문등록 및 확인 대상은 △국제테러범과 인적사항이 유사하거나 △인터폴 등 에 분실신고된 여권을 소지했거나 △여행경로가 특이하고 출발 당일 현금으로 편 도 항공권만 구매했거나 △국적국의 언어와 사정에 능숙하지 못한 외국인 등이 다. 얼굴사진은 지문 검색으로 확인이 어려울 때 보조수단으로 활용할 예정이다.

법무부는 내년 상반기에 국내에 90일 이상 체류하는 모든 외국인을 대상으로, 내 년 하반기에는 국내에 입국하는 모든 외국인을 대상으로 지문 채취 및 확인에 나 설 예정이다.

한편 법무부는 최근 지문인식시스템 시험운용 과정에서 중국인 L 씨를 ‘위명 여권’을 사용한 첫 사례로 적발했다고 밝혔다. L 씨는 2000년부터 한국에서 불 법체류하다 적발돼 2005년 4월 강제 퇴거됐지만 신분을 바꾼 여권으로 6개월 후 다시 국내에 들어와 머물렀다. 2008년 한국을 떠났던 L 씨는 이달 27일 같은 여 권을 이용해 한국에 다시 들어오다 지문인식시스템에 적발됐다.

출처: 20100831 인천공항=최창봉 기자 ceric@donga.com

- 17 -

평가

영역 평가기준

평가척도

매우 잘함

잘 함

보 통

미 흡

미완 성

미제 출

5 4 3 2 1 0

통합적 사고

피부의 표면을 관찰하며 공통점과 차이 점에 관심을 기울이는가?

피부 표면의 공통점과 차이점을 관찰을 통해 스스로 발견하는가?

피부의 촉감, 무늬, 털의 유무 등에 따 란 부위별 특징을 찾아내는가?

감성적 터치

다른 학생의 발표를 경청하는가?

피부 관찰 활동에 적극적으로 참여하였 는가?

교사 의견

및 채점 평가

합산

◉ 평 가

학생들이 피부를 관찰하고 부위별 피부의 특징을 설명할 수 있다.

2차시

동물의 피부는 어떻게 생겼을까요?

교사용 교재

- 21 -

◉ 수업 지도안

단 원 초등학교 3학년 과학 2. 동물의 세계 - 동물의 생김새 초등학교 4학년 과학 1. 식물의 세계 - 식물의 생김새 연계 단원 초등학교 3학년 미술 4. 자연 환경과 미술

수업차시 2차시 지도대상 초등학교 3~4학년

활동유형 발표, 관찰

교과 학습목 표

1. 동물 피부의 생김새를 관찰하고 그 특징을 설명할 수 있다.

2. 동물 피부 표면의 생김새에서 비슷한 점과 다른 점을 설명할 수 있다.

교과 연계성

초 5 과학 작은 생물의 세계

-작은 생물과 우리 생활과의 관계를 이해한다.

초 6 과학

생태계와 환경

-빛, 온도, 물 등과 같은 환경 요소가 생물에 미치는 영향을 안다.

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

전시 학습에서 관찰한 인간 피부의 특징을 상기한 다.

피부의 색깔은 살구색이 대부분이지만 입술의 경우 붉 은색이 대부분이고, 손바닥(발바닥)과 입술을 제외한 모든 피부에는 털이 있었다. 입술과 손에는 다른 부위 의 피부와는 다른 특징적인 줄무늬가 있었다.

2‘

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

애완 동물의 피부 관찰하기

강아지, 고양이, 기니피그 등 학생들이 키우고 있는 애완 동물을 학교로 가지고 와서 동물들의 머리와 발 을 직접 관찰한다.

애완 동물의 피부 특징 알아보기

머리와 발의 피부 생김새를 공통점과 차이점으로 나 눠 설명할 수 있도록 한다.

천연 가죽 제품의 표면 관찰하기

천연가죽으로 만든 각종 의류, 잡화 등을 학생들이 가져와서 그 표면을 관찰하도록 한다.

동물 피부의 특징을 활용한 첨단 기술 알아보기

게코도마뱀, 상어, 홍합 등 동물 피부의 특징을 활용 한 사례를 알아본다.

게코도마뱀 관련 동영상:

http://www.youtube.com/watch?v=jVd6bOhDUKI http://www.youtube.com/watch?v=odAifbpDbhs

35‘

애완 동물을 직접 관찰하기 어려운 경우 사진 자료를 활용할 수 있 다.

정리

피부의 특징 정리하기

동물 피부의 특징이 드러나는 사물이나 단어를 선택 하고 그 이유를 발표하기

3‘

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

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02. 동물의 피부는 어떻게 생겼을까요?

발가락 발바닥 발등 코

털이 있나요? ○ × ○ ×

무슨 색인가요?

(털이 있다면 털 색깔을 적으세요) 흰색 분홍색 흰색 검은색

사람의 피부는 위치에 따라 털도, 색깔도, 무늬도 다르다는 것을 알았습 니다. 하지만 모든 피부에 생김새는 다르지만 줄무늬가 존재한다는 것을 알았죠. 그렇다면 다른 동물들은 어떨 까요? 인간이 아닌 다른 동물들도 인 간처럼 모든 피부에서 줄무늬를 관찰 할 수 있을까요? 지금부터 우리 주변 에서 흔히 볼 수 있는 애완 동물의 피부는 어떻게 생겼는지 살펴보도록 하겠습니다.

동물 피부의 관찰

인간에게 가장 친숙한 애완 동물로 알려진 개. 사냥터에서 경쟁자로 만났던 개와 인간이 서로의 이점을 깨달아 함께 살기 시작한지 어느 듯 1만년의 시 간이 흘렀습니다. 이렇듯 대표적인 애완동물인 개로부터 요즘은 혐오 동물로 간주되던 거미, 악어, 뱀 등에 이르기까지 다종다양한 동물들이 인간의 사랑 을 받고 있습니다. 하지만, 애완 동물에 대한 사랑만큼 그들의 생김새를 자세 히 관찰해 본 적이 있는지 모르겠습니다. 이번 기회에, 애완 동물의 피부를 자세히 관찰해 보고, 그들을 더 잘 이해하는 계기가 되었으면 좋겠습니다.

관찰 동물의 피부 관찰하기

▪ 애완 동물의 다리와 머리를 관찰한 후 그 특징을 적어봅시다. 애완 동물의 피 부는 부위별로 어떤 공통점과 차이점이 있습니까?

사전에 학생들에게 집에서 키우고 있는 애완 동물을 수업 시간에 가져올 것을 안내 한다. 관찰 대상으로 삼는 애완 동물은 포유류에 국한한다. 아래 예시는 개에 대한 내용이다. 만약 직접 관찰이 힘들 경우, 사진 자료로 대체한다.

▪코와 발바닥에 있는 줄무늬는 비슷합니까? 예

▪피부에 있는 선들이 겹치면서 만들어내는 도형을 찾을 수 있습니까?

원형에 가까운 사각형과 오각형 등을 찾을 수 있습니다.

▪코와 발바닥에 나타나는 줄무늬의 특징을 그림으로 그려봅시다.

코 발바닥

줄무늬의 모양

▪코와 발바닥의 피부는 어떤 공통점과 차이점이 있습니까?

두 곳의 색깔은 다르지만 비슷한 모양의 줄무늬를 발견할 수 있습니다.

▪사람과 애완 동물의 피부 생김새에는 어떠한 공통점과 차이점이 있습니까?

사람과 애완 동물의 피부 표면에서 공통적으로 둥글고 네모난 모양으로 연속되 는 줄무늬를 발견할 수 있었습니다. 하지만 색깔이나 촉감은 각각 다르고, 애완 동물의 몸은 대부분 사람보다 길고 빽빽한 털로 덮혀 있습니다.

▪사람과 달리 애완 동물의 피부가 대부분 빽빽하고 긴 털로 뒤뎦혀 있는 이유는 무엇 때문이라고 생각합니까?

잘 모르겠지만 특별한 이유가 있을 것 같습니다. 추위와 더위가 피부에 직접 닿는 것을 막기 위해 그런 것 같습니다.

교사 지도 Tip

털이 있는 동물들은 대부분 '정온동물'이다. 이러한 동물들은 추위와 더위에 대 비해 체온을 일정하게 유지하려 털을 만들어냈다.

또한 털은 일종의 쿠션 역할을 해서 바깥의 타격이나 다른 동물들의 공격으로 부터 몸을 보호한다. 목과 가슴 주위에 난 털은 사나운 다른 동물들과 싸울 때 날카로운 송곳니가 목에 박혀 즉사하는 일이 없도록 보호해 준다.

털은 감각 기능도 갖고 있다. 털 끝에 무언가가 닿으면 털이 눌려 휘어지고, 이 것이 모근에 전달되어 물체에 직접 닿지 않고도 감각을 느낄 수 있다. 이를 통해 공간감각, 온도 등 많은 감각을 느끼므로 직접 피부가 닿는 것보다 안전하다.

털은 위생에도 유리하다. 더러운 것이 묻더라도 털 겉면에 묻고 피부에 직접

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▪애완 동물이 아닌 다른 동물의 피부를 관찰해봅시다. 천연가죽으로 만든 각종 의류 및 잡화(소, 돼지, 양, 뱀, 악어 등)를 관찰해 봅시다. 어떻게 생겼나요?

모두 일정한 줄무늬가 있습니다.

동물 피부를 활용한 첨단 기술 알아보기

사람의 피부와 동물의 피부 표면의 가장 큰 차이는 무엇이었나요? 사람과 동물 중에 어느 쪽이 더 털이 많았죠? <스파이더 맨>이나 <배트맨> 같은 영화 를 보면 거미와 박쥐의 뛰어난 능력이 사람의 능력과 결합되어 온갖 범죄를 해결하고 악한을 처단하곤 합니다. 영화에서처럼 인간과 동물의 능력을 직접 적으로 결합시킨 단계는 아직 많은 과제가 남아있지만, 동물의 특정한 기능을 모방하거나 극대화한 과학 기술은 현재 활발하게 연구가 진행중입니다. 특히, 인간과는 다른 동물 피부의 특징을 활용한 다양한 첨단 기술들이 있는데요.

이와 관련된 사례를 살펴보도록 하겠습니다.

▪ 동물의 피부를 활용한 첨단 기술을 알아보고, 느낀 점을 적어 봅시다.

게코도마뱀 관련 동영상: http://www.youtube.com/watch?v=jVd6bOhDUKI http://www.youtube.com/watch?v=odAifbpDbhs

교사 지도 Tip

▪ 동물의 피부를 이용한 첨단 기술 사례는 참고자료에 제시한 <도마뱀 발바닥에 서 찾은 황금 기술 줄줄>, <정교한 자연, 그것 베낀 게 첨단 기술>을 활용한다.

정리 동물 피부의 특징을 정리해봅시다.

▪ 동물의 피부에 대해 한 단어로 정리하고 그 이유를 발표해봅시다.

-동물의 피부는 <최첨단 유행>이라고 생각합니다. 왜냐하면, 동물은 옷을 갈아 입을 필요가 없기 때문입니다.

-동물의 피부는 <갓난아기>라고 생각합니다. 왜냐하면, 엄마가 아기를 보호하 듯이 털이 피부를 보호하기 때문입니다.

참고 자료 도마뱀 발바닥에서 찾은 '황금 기술' 줄줄

한국 과학이 선진국 '추격형'에서 '주도형'으로 도약하고 있다. 그 중심에 아무 도 생각지 못한 아이디어와 도전정신으로 세상을 놀라게 한 과학자들이 있다. 눈 을 항상 미래에 두고 한국의 과학과 산업의 미래를 열어가는 과학자들을 소개한 다.

2004년 서울대 공대 기계항공공학부의 한 연구실. 게코(gecko) 도마뱀이 유리벽 을 기어오르는 모습을 시간 가는 줄 모르고 쳐다보는 과학자가 있었다. 게코는 도마뱀의 사촌 격인 도마뱀붙이과의 파충류. 동남아시아 여행을 가면 천장에 거 꾸로 매달려 있는 모습을 흔히 볼 수 있다. 발바닥에서 끈끈한 접착물질이 나오 는 것도 아니다. 발바닥에 있는 수많은 미세 털들이 천장 표면과 물리적으로 서 로 끌어당기기 때문이다.

그로부터 7년이 지난 지금, 연구실에서 게코는 사라졌다. 대신 반도체나 디스 플레이, 태양전지 기판을 옮기는 묘한 연구용 기계장치(이송장치)가 들어섰다. 기 계장치는 게코 도마뱀의 발바닥을 모방한 접착테이프로 태양전지 기판을 옮긴다.

반도체나 디스플레이 기판은 보통 집게로 집거나 정전기로 흡착해 옮기는데 둘 다 문제가 있다. 집게로 옮기면 기판 표면이 긁히거나 휘는 문제가 있다. 정전기 이송도 전기가 흐르는 소형 기판만 가능한 데다 표면이 오염되기 쉽다.

하지만 도마뱀이 모래밭을 지나도 발바닥이 깨끗한 것처럼, 도마뱀 테이프는 기 판에 흠집이나 불순물을 남기지 않는다. 테이프가 기판 전체에 붙으니 아무리 큰 기판이라도 휠 염려가 없다.

경제적 효과도 대단하다. 매년 300억~400억원어치 수입하는 반도체나 디스플레 이 이송 장비를 도마뱀 테이프로 대체할 수 있다. 도마뱀 테이프는 의료용 패치 나 극한 환경용 접착제로도 쓰일 수 있다.

화학물질을 쓰지 않는 물리적 접착제 시장은 2008년 이후 매년 5%씩 성장해 올해는 77억달러의 시장을 형성할 것으로 예측된다.

7년 전 도마뱀 발바닥에서 '미래의 황금알'을 봤던 과학자는 바로 서울대 서갑 양 교수(기계항공공학부·39)다. "원래 전공은 화학공학으로 주로 나노미터(10억 분의 1m) 단위로 물질을 가공하는 연구를 했어요. 2004년 서울대에 부임하면서 남들이 안 하는 분야가 무엇일까 고민하다가 도마뱀을 만난 것이죠. 나노기술로 모방하면 무언가 새로운 것이 나오지 않을까 생각했어요."

2000년 미국 연구진은 도마뱀 발바닥의 미세 털과 물질 표면 사이에 서로 끌어 당기는 힘이 있다는 사실을 밝혀냈다. 이후 전 세계적으로 미세 털 구조를 모방 한 접착테이프가 앞다퉈 개발됐다. 하지만 서 교수는 '자연을 100% 그대로 흉내 내는 것은 초보자나 하는 것'이라 생각하고, 한 단계 더 나아간 연구에 매달렸다.

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과학자들은 액체 고분자에 아주 가는 홈들이 나있는 틀을 눌러 미세 털 구조를 만들었다. 여기에 자외선을 쪼이면 털이 굳는다. 그런데 이 과정에 산소가 들어 가면 털이 제대로 굳지 않고 끈적끈적해진다. 다들 실패라고 생각하고 버릴 때 서 교수는 발상의 전환을 했다. 1차로 만든 미세 털이 굳기 전에 처음보다 더 가 는 홈으로 눌러 전 세계에서 가장 정밀한 털로 만든 것이다. 말하자면 머리카락 끝부분을 깎아내 아랫부분보다 더 가늘게 만든 것.

서 교수가 만든 도마뱀 테이프는 1㎠ 면적으로 2㎏의 무게를 지탱할 수 있다.

실제 게코 도마뱀보다 접착력이 두 배나 강하다. 작은 도마뱀 테이프를 여러 개 연결하면 10㎏의 디스플레이 기판을 옮기는 것은 문제도 아니다.

서 교수는 서울대 벤처 1호인 LCD장비업체 SNU프리시전과 협력해 3년 내 시 제품을 내놓고, 산업체용 상용장비는 5년 안에 시판할 수 있도록 할 계획이다.

도마뱀 테이프를 두루마리 형태로 만들어 대형 기판을 수평으로 옮기는 장치도 개발 중이다.

서 교수는 서울대에서 학부부터 박사학위까지 마친 토종 과학자다. 유학을 가 지 않는 대신 '무조건 남들보다 2배 열심히 한다'는 자세로 연구했다. "한밤중에 연구실에서 별을 보며 라면을 먹는 게 일상이었다"고 했다. 그런 식으로 6년을 보내며 석·박사 과정을 모두 수석으로 마쳤다. 학위 과정 중엔 교수도 한 해에 한 편을 내기 어렵다는 SCI(국제논문인용색인)급 세계 최고 국제학술지에 24편의 논문을 실었다.

MIT가 발행하는 '테크놀로지 리뷰'는 2004년 이런 실적을 보인 서 교수를 '올 해의 젊은 과학자 100인'으로 뽑았다. 전 세계 35세 미만 과학자 중 각 분야 최 고에게만 주는 상이다. 2010년에는 교육과학기술부가 40세 이하 최고 과학자에게 주는 '젊은 과학자상'도 받았다.

그렇지만 그는 자신을 "1등보다 더 빛을 발하는 2등 과학자"라고 규정했다. "

좋은 논문을 내는 1등 과학자도 훌륭하지만, 저는 2등일지라도 그 원리로 세상에 쓸모 있는 것을 만드는 사람이 되고 싶습니다."

자연은 그의 스승이다. 그는 뱀 피부를 모방해 마찰이 없는 베어링을 만들었 고, 튤립이 색을 내는 것을 본떠 고효율 발광다이오드(LED)도 개발했다. 연잎의 표면을 본떠 물에 젖지 않는 물질도 만들었다. 풍뎅이 날개에서는 인공피부의 아 이디어를 얻었다.

"생각이 막히면 과격한 운동을 하면서 에너지를 다 쏟아낸 다음, 머리를 리셋 (reset·재시동)합니다. 조급하면 아무것도 못하죠. 세계적인 학자가 나오는 학회 에 가서 '따끈한' 연구성과를 보고 감동하면서 자극을 받으면 또 아이디어가 샘 솟게 됩니다."

박사과정의 방창현씨는 "대학원생 모두가 열심히 하면 교수님처럼 한국에서도 세계 최고가 될 수 있다고 생각한다"고 말했다. 젊은 과학자들의 자부심이 자연 의 지혜를 한국의 기술로 발전시키고 있는 것이다.

출처: 20110601 조선Biz 이영완 기자 ywlee@chosun.com

참고 자료 정교한 자연, 그것 베낀 게 첨단 기술

하늘을 나는 새를 보지 못했다면 인간 역시 비행을 꿈꾸지 못했을 것이다. 밀 납으로 만든 날개를 달고 하늘에 도전했던 그리스 신화 속 이카루스처럼 자연을 모방하고 뛰어넘는 것은 인간의 오랜 꿈이나 다름없다. 그 후에도 자연은 우리에 게 수많은 영감의 원천이 되어 왔다. 현대 과학도 자연에게 많은 부분을 빚지고 있다. 자연 속 생물에게서 신기술을 이끌어내는 것, 바로 생체모방공학 (Biomimetics)다.

생체(bio)와 모방(mimetics)의 합성어인 생체모방공학은 살아 있는 생물의 행동 과 생김새, 생산 물질 등을 모방하는 공학기술이다. 자연의 유용한 부분을 따라 하는 것이다. 가만히 살펴보면 우리 주변의 많은 사물이 자연 속 생물들과 똑같 이 생겼다. 주사기는 벌의 독침에서 아이디어를 얻은 것이고, 헬리콥터 역시 잠 자리의 날개 모양을 따 온 것으로 알려져 있다.

생체모방공학의 영역은 다양하다. 눈에 보이지 않는 영역에서도 '모방'이 이뤄 지고 결과물도 일상생활에서 쉽게 접할 수 있다.

대표적인 예가 2000년 시드니 올림픽을 강타했던 전신수영복이다. 그 해 호주 의 수영 선수 이언 소프는 전신수영복을 입고 나와 3관왕을 차지하며 세계적 화 제를 불러모았다. 소프의 선택은 당시 수영계의 상식과 완벽히 대치되는 것이었 다. 당시까지만 해도 수영복이 차지하는 면적이 작을수록 물의 저항을 덜 받는다 고 생각했다. 저항을 줄이기 위해서라면 머리카락까지 전부 미는 것도 마다하지 않는 수영선수들이다. 그러나 결과는 정반대로 나타났다. 전신수영복으로 저항을 더 줄일 수 있었던 것이다.

전신수영복의 비밀은 상어다. 상어가 어떻게 빨리 헤엄칠 수 있는지 연구한 끝 에 얻은 성과가 수영복에 고스란히 적용된 것이다. 1980년대 미국에서 상어 피부 표면에 대한 조사를 진행한 결과 비늘의 미세한 돌기들이 발견됐다. 이 돌기가 물과 충돌하며 만들어내는 작은 소용돌이들이 표면을 흐르고 지나가는 큰 물줄기 를 막아주는 '코팅제' 역할을 해서 마찰이 최소화된다. 매끄러울수록 유체 저항이 적다는 기존의 상식과 정반대였다. 매끄러운 표면보다 작은 돌기들이 표면을 흐 르면서 저항을 더 줄여주는 것이다.

미국의 스포츠용품업체 스피도(Speedo)가 1998년 처음 선보인 전신수영복에도 상어의 비늘처럼 촘촘한 돌기들이 붙어 있었다. 2000년 올림픽이 끝난 뒤 전신수 영복은 새로운 '상식'이 됐고 최첨단 생체모방공학의 좋은 사례로 소개된다.

상어 비늘의 원리가 응용되는 것은 수영복만이 아니다. 자동차, 비행기, 잠수함 등 공기나 물의 저항을 줄여야 하는 영역에서 활발히 도입됐다. 일본 타이어 회 사인 브리지스톤 사는 타이어 홈에 미세돌기를 만들어 물이나 공기가 빠르게 빠 져나가도록 만들었다. 미국 항공사인 캐세이퍼시픽 사는 3M이 개발한 필름을 비

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지 공기 저항을 줄일 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이는 곧 연료 절감과 직결 된다.

'찍찍이'라는 별명이 붙어 있는 벨크로, 즉 섬유부착포는 생체모방공학의 초창 기 사례다. 1941년 스위스 전기기술자인 조지 드 메스트랄(George de Mestral)은 사냥을 하고 돌아오는 길에 자신의 옷에 도꼬마리가 잔뜩 붙어 있는 것을 발견한 다. 떼어 내려고 털어내도 잘 떨어지지 않았다. 호기심이 생겨 현미경으로 들여 다보니 갈고리 모양의 도꼬마리 끝부분이 섬유 올에 고리처럼 걸려 있었다. 여기 서 아이디어를 얻은 그는 쉽게 붙으면서 약간 힘을 주면 떨어지는 부착포를 개발 해 크게 성공했다.

게코도마뱀도 최근 인기있는 연구 대상이다. 게코도마뱀은 벽을 타고 올라가거 나 천장을 자유자재로 기어다닌다. 체중을 지탱하면서 벽에 단단히 붙어 있는 게 코도마뱀의 '신기'에 대해 많은 연구가 이뤄졌고 2000년 반데르발스 힘(van der Waals forces)이 원인인 것으로 밝혀졌다.

게코도마뱀의 발바닥에 나 있는 미세한 강모가 분자간 인력인 반데르발스 힘과 같은 작용을 하는 것이다. 게코도마뱀의 발바닥은 길이 50~100마이크로미터의 강 모 수백만개로 덮여있고, 이 강모에 또 지름 200~500나노미터의 섬모가 붙어 있 다. 발을 붙였을 때 강력하게 붙으면서 떼어낼 때는 흔적없이 분리되는 것이 특 징이다.

발견된 지 10년밖에 안 된 게코도마뱀의 접착 원리는 대체 접착제 개발의 원동 력이 되고 있다. 최근에는 탄소나노튜브털을 이용, 게코도마뱀의 강모를 흉내낸 ' 게코테이프'가 개발됐고 2006년에는 유리벽을 수직으로 올라갈 수 있는 도마뱀 로봇인 '스티키봇(Stickybot)'이 그 해 최고 발명품으로 선정되기도 했다.

지난 5월에는 카이스트 신소재공학과 홍순형 교수와 화학과 이해신 교수, 생명 과학과 고(故)박태관 교수로 구성된 연구팀이 홍합의 족사를 모방한 탄소나노튜 브섬유를 개발했다. 해안가 바위에 단단히 붙어 있는 홍합의 생체특성을 모방해 초고강도 섬유 제조 기술을 탄생시킨 것.

실 모양으로 엉켜 있는 홍합의 족사는 접착력이 강해 한 가닥으로 12.5kg을 들 어올릴 수 있다. 홍합의 족사는 'Mefp-1' 단백질과 콜라겐 섬유로 이뤄져 있는데, Mefp-1 단백질의 '카테콜아민'이라는 아미노산이 콜라겐 섬유와 단백질을 강하게 결합시킨다.

연구팀은 카테콜아민과 같은 구조의 고분자 구조 접착제를 개발, 탄소나노튜브 섬유에 작용해 길고 가벼우면서도 끊어지지 않는 섬유를 만들었다. 이 섬유는 향 후 방탄 소재나 인공 근육 등에 이용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

출처: 20111012 아시아경제 김수진 기자 sjkim

평가

영역 평가기준

평가척도

매우 잘함

잘 함

보 통

미 흡

미완 성

미제 출

5 4 3 2 1 0

통합적 사고

동물 피부의 표면을 관찰하며 공통점과 차이점에 관심을 기울이는가?

피부 표면의 공통점과 차이점을 관찰을 통해 스스로 발견하는가?

피부의 촉감, 무늬, 털의 유무 등에 따 란 부위별 특징을 찾아내는가?

감성적 터치

다른 학생의 발표를 경청하는가?

동물 피부 관찰 활동에 적극적으로 참 여하였는가?

교사 의견

및 채점 평가

합산

◉ 평 가

학생들이 동물의 피부를 관찰하고 부위별 피부의 특징을 설명할 수 있다.

3차시

식물의 표면은 어떻게 생겼을까요?

교사용 교재

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◉ 수업 지도안

단 원 초등학교 3학년 과학 2. 동물의 세계 - 동물의 생김새 초등학교 4학년 과학 1. 식물의 세계 - 식물의 생김새 연계 단원 초등학교 3학년 미술 4. 자연 환경과 미술

수업차시 3차시 지도대상 초등학교 3~4학년

활동유형 발표, 관찰

교과 학습목 표

1. 식물 표면의 생김새를 관찰하고 그 특징을 설명할 수 있다.

2. 식물 표면의 생김새에서 비슷한 점과 다른 점을 설명할 수 있다.

교과 연계성

초 5 과학

식물의 구조와 기능

-뿌리, 줄기, 잎, 열매의 관계를 설명할 수 있다.

초 6 과학 작은 생물의 세계

-작은 생물과 우리 생활과의 관계를 이해한다.

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

전시 학습에서 관찰한 인간과 동물 피부의 특징을 상기한다.

피부 표면에 줄무늬가 있었고, 동물이 인간에 비해 피 부 표면 전체에 걸쳐 털이 많았다.

2‘

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

나뭇잎 표면 관찰하기

호박잎, 플라타너스, 포인세티아 등의 나뭇잎 표면을 관찰한다.

나뭇잎 표면의 특징 알아보기

나뭇잎 표면의 생김새를 공통점과 차이점으로 나 눠 설명할 수 있도록 한다.

식물의 특징을 활용한 첨단 기술 알아보기 연잎, 도꼬마리 열매 등을 알아본다.

연잎효과 관련 동영상

http://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5E http://www.youtube.com/watch?v=sovkFdv4RWE

35‘

동영상

정리

식물 표면의 특징 정리하기

식물 표면의 특징이 드러나는 사물이나 단어를 선택 하고 그 이유를 발표하기

3‘

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

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03. 식물의 표면은 어떻게 생겼을까요?

플라타너스 호박

털이 있나요? 있음 있음

잎의 색은 무엇인가요? 갈색 초록

줄무늬가 있나요? O O

잎은 어떤 모양인가요? 손모양 손모양

사람과 동물의 피부는 공통적으로 줄무늬가 있지만, 동물은 털이 사람보 다 더 길고 빽빽하다는 것을 알았습 니다. 그렇다면 식물들은 어떨까요?

동물이 아닌 식물들도 모든 표면에서 줄무늬를 관찰할 수 있을까요? 지금 부터 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 식물의 잎은 어떻게 생겼는지 살펴보 도록 하겠습니다.

식물 표면의 관찰

나뭇잎으로 우리는 무엇을 할 수 있을까요? 나뭇잎을 돛 삼아 배를 만들수 도 있고, 동그랗게 말아 입김을 불어넣으면 피리 소리도 낼 수 있습니다. 그 것만 가능한가요? 여러 개의 나뭇잎을 엮어 왕관을 만들 수도 있고, 곱게 빻 아 손톱 위에 올려 놓으면 물을 들일 수도 있습니다. 옛날엔 그릇 대용으로 쓰기도 했구요, 지붕 대신에 나뭇잎을 엮어 집 위에 올리기도 했고, 불을 피 우기 위해 불쏘시개로 쓰기도 했습니다. 하지만, 나뭇잎의 표면을 자세히 본 적이 있는지는 모르겠네요. 나뭇잎의 표면은 어떻게 생겼나요? 인간을 포함한 동물의 피부처럼 줄무늬도 있고 털도 있을까요? 다 같이 한번 살펴보겠습니 다.

관찰 나뭇잎 표면 관찰하기

▪ 학교 화단에 있는 나뭇잎을 관찰한 후 그 특징을 적어봅시다. 나뭇잎의 표면 은 어떤 공통점과 차이점이 있나요?

식물의 털은 모용(trchome)이라고 한다. 식물의 모든 기관에서 다양한 형태로 나 타난다. 세포가 1열로 늘어선 털, 많은 가지가 있는 성상모, 세포가 평면적으로 늘 어선 비늘조각도 털의 일종이다. 플라타너스는 잎의 앞뒷면이 빽빽하게 털로 뒤덮 혀 있으나 잎이 자라면서 점차 떨어져 가을 낙엽으로 질 때는 거의 없어진다.

▪나뭇잎에 모두 줄무늬가 있습니까? 예

▪나뭇잎의 표면을 그림으로 그려봅시다. (앞면을 그리세요)

▪나뭇잎의 표면은 어떤 공통점과 차이점이 있습니까?

잎의 색이나 모양은 다르지만 표면에서 줄무늬와 털을 발견할 수 있습니다.

▪사람을 포함한 동물과 식물 표면의 생김새에는 어떠한 공통점과 차이점이 있습 니까?

사람, 동물, 식물 표면에서 공통적으로 일정한 모양이 연속되는 줄무늬를 발견 할 수 있었습니다. 하지만 피부의 색깔과 털의 길이와 모양 등은 모두 다릅니다.

교사 지도 Tip

잎은 광합성과 증산 작용 및 호흡 작용을 하는 식물의 기관 가운데 하나이다.

잎에서 일어나는 중요한 생명 활동인 광합성을 위해 잎의 모양은 대부분 빛을 투 과할 수 있도록 얇은 판 모양으로 진화하였다. 식물의 잎은 광합성 작용을 하는 엽록체에 의해 대부분 녹색을 띠며 잎의 표면은 미끈한 큐티클 방수층으로 균일 하게 덮여있다. 큐티클층은 수분의 과다한 증발을 막는 동시에 자외선과 파장이 짧은 빛의 흡수를 줄여주어 잎의 온도를 낮춘다.

또한 식물은 동물과 달리 이동이 불가능하기 때문에 자신에게 다가오는 것들로 부터 몸을 보호해야 한다. 그래서 잎의 표면을 두껍게 한다거나 왁스로 미생물의 침입을 막거나 큐티클층으로 외부의 자극을 막고, 혐오감이 드는 냄새나 가시, 털 등으로 몸을 보호한다. 호박잎 등에 있는 털은 외부로부터의 방어 기능, 미세 먼 지나 이물질 차단 및 기공 보호, 청결 기능 등이 있다. 연꽃류의 식물 잎을 보면 아무리 물을 부어도 물 한 방울 남아있지 않는데, 이것은 잎의 표면에 아주 미세 하게 융기된 조직이 물을 밀어내기 때문이다.

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식물 표면을 활용한 첨단 기술 알아보기

벨크로를 아시나요? 일명 찍찍이로 불리며 옷소매부터 가방끈까지 다방면에 활용되는 벨크로 테이프는 도꼬마리 씨앗의 갈고리를 모방한 것입니다. 연잎 에 맺혀 있는 물방울을 본 적 있나요? 연잎 위를 굴러다니며 먼지를 제거해 항상 연잎을 깨끗하게 유지시킵니다. 그럼, 이 두가지에 대해 좀 더 알아볼까 요?

▪ 식물의 표면을 활용한 첨단 기술을 알아보고, 느낀 점을 적어 봅시다.

연잎효과 관련 동영상 http://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5E http://www.youtube.com/watch?v=sovkFdv4RWE

교사 지도 Tip

▪ 식물의 피부를 이용한 첨단 기술 사례는 참고자료에 제시한 <연잎의 비밀…연 잎효과와 나노원리>, <톰 크루즈 첨단 장갑 도마뱀 발바닥 본떠 만든 거라고요?>

를 활용한다.

정리 식물 표면의 특징을 정리해봅시다.

▪ 식물의 표면에 대해 한 단어로 정리하고 그 이유를 발표해봅시다.

-식물의 표면은 <엄마>라고 생각합니다. 왜냐하면, 겉으로 보기엔 약하지만 실제로는 강하기 때문입니다.

-식물의 표면은 <갓난아기>라고 생각합니다. 왜냐하면, 피부의 대부분이 털로 감싸여 보호되기 때문입니다.

참고 자료 연잎의 비밀…연잎효과와 나노원리

"집착을 떠나 행동하는 자는 죄에 물들지 않나니, 마치 연잎이 물에 젖지 않음 같으니라." 기원전 4세기경에 쓰인 것으로 추정되는 힌두교 경전 '바가바드 기타' 의 한 구절이다.

잘 살펴봐야 할 부분은 '연잎이 물에 젖지 않는다'는 것이다. 사실이다. 연잎 위에서 물방울은 동그란 공 모양을 유지하며 굴러다니거나 미끄러져 내린다. 이 과정에서 연잎 표면의 먼지까지 물방울과 함께 떨어져 내려 연잎은 언제나 깨끗 한 상태를 유지한다. 수천년 전 사람들도 관찰을 통해 연잎에는 이렇듯 무언가 특별한 것이 있다는 것을 알고 있었다. 이는 현대에서 과학으로 이어진다. 연잎 의 발수성과 자정작용의 원리는 과학의 영역에서 다양하게 이용되고 있다.

1997년 독일 본 대학의 식물학자 빌헬름 바르트로(Wilhelm Barthlott)교수는 전 자현미경으로 식물 잎의 표면구조를 관찰하다 먼지나 얼룩없이 늘 청정한 상태를 유지하는 잎이 있다는 것을 알게 된다. 표면이 젖지 않은 채 물방울이 굴러다닐 뿐만 아니라, 이 물방울이 떨어지며 먼지는 물론이고 박테리아나 곰팡이같은 물 질까지 저절로 세정이 된다는 것이다. 연잎을 비롯해 갈대, 튤립등에서도 관찰된 이 현상은 '연잎효과(Lotus effect)'로 명명됐다.

연잎효과가 가능한 과학적 원리는 무엇일까. 핵심적인 것은 연잎 표면을 덮고 있는 '나노 돌기'다. 연잎을 현미경으로 자세히 들여다보면 표면이 작은 솜털같은 먼지, 즉 나노돌기로 감싸여 있는 걸 볼 수 있다. 이 돌기 때문에 연잎의 표면장 력이 엄청나게 커진다. 표면장력은 액체의 표면을 작게 하려고 작용하는 힘인데, 쉽게 말해 무수한 나노 돌기들이 연잎 표면에 닿을 수 없도록 떨어진 물방울을 지탱하고 있다고 보면 된다.

또한 나노돌기는 물과 서로 겉도는 성질이 있다. 이런 성질을 물과 거리가 멀 다고 해서 '소수성'이라고 부른다. 반대는 물과 가깝다는 뜻의 '친수성'이다. 물과 표면이 접촉하는 각도가 90도보다 작으면 친수성을, 이보다 크면 소수성을 띈다.

연잎의 경우 나노 돌기와 물방울의 접촉면적이 아주 작고 각도 역시 100도보다 커져 일반적 소수성보다 훨씬 강한 '초소수성'을 띈다. 또한 돌기가 기름 성분으 로 코팅돼있어 이중방수 효과를 가져온다.

단순하게 생각할 땐 표면이 매끄러운 쪽이 덜 더러워지고 젖지 않을 듯 싶다.

처음에 바르트롯 교수의 주장은 '비상식적'이라며 평가 절하당했다. 그러나 산업 계에서도 식물 표면에 주목하며 연잎효과는 다양한 영역에서 응용되기 시작했다.

연잎효과로 가능한 것은 무엇이 있을까? 비만 내려도 저절로 깨끗해지는 유리창, 음료수를 엎질러도 젖지 않는 옷, 알아서 깨끗해지고 젖지 않는 상품들을 한 번 상상해보라. 이것들 중 일부는 이미 현실화됐다.

'나노텍스(Nanotex)'라는 의류는 옷 섬유 표면에 소수성을 띄는 나노 고분자 물

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로 털어내기만 하면 알아서 굴러 떨어진다. 뜨거운 음료를 쏟아도 방수효과가 유 지되도록 한 옷감도 있다. 연잎에 섭씨 50도 이상의 뜨거운 물을 부으면 돌기의 기름성분이 녹아버리는 데다가, 나노 돌기가 물을 밀어내는 성질도 줄어들고 만 다. 이와 관련해 미국 미네소타대 유양 리우 박사와 홍콩과기대 섬유직물연구소 연구팀은 테플론과 탄소나노튜브 용약에 옷감을 담그면 된다는 연구결과를 내놨 다. 탄소나노튜브가 옷감 표면에 나노돌기와 같은 역할을 하는 미세한 홈을 만든 다는 것이다.

'로터산(Lotusan)'이라는 페인트도 연잎효과를 응용한 것이다. 페인트칠한 벽이 나 담장이 시커멓게 더러워진 모습을 흔히 봤을 거다. 페인트는 대체로 염료와 유기용매를 섞어 만드는데 시간이 지날수록 먼지 등이 기름 성분에 엉겨붙어 더 러워진다. 잘 지워지지도 않는다. 반면 '로터산'은 도포 후 유기 용매가 증발해버 리고 대신 나노 돌기로 덮인 표면만 남는다. 덕분에 물만 뿌려주면 깨끗해지고, 비가 내리면 부러 물을 뿌리는 수고도 필요없다.

변기 표면에 나노 돌기를 코팅해 상품화한 사례도 있다. 찌꺼기 없이 더 깨끗 한 것은 물론이다. 코팅 과정에서 은나노 입자, 산화티타늄 나노 입자 등을 섞으 면 항균 기능까지 겸하게 된다. 여러 사람들이 만지는 손잡이, 청결이 중요한 병 원이나 학교 등의 시설물에도 이런 아이디어를 접목시킬 수 있다.

최근 국내에서는 전자기기에 연잎효과를 접목시킨 사례도 등장했다. 포스텍 화 학공학과 용기중 교수와 박사과정 이승협씨 연구팀은 나노소재를 이용한 초발수 기술을 전자소자 표면처리에 응용해 물에 젖어도 안정적으로 작동하는 소자를 개 발하는 데 성공했다. 전자소자 표면에 연잎 위 돌기처럼 나노선을 덮고 화학물질 에 담가 코팅한 것이다. 이 화학물질이 연잎 돌기의 기름성분 역할을 한다. 기존 의 방수 전자제품들은 물이 기기 속으로 들어가지 않도록 밀봉하는 '패키징' 기 술을 이용해왔다.

연구팀은 차세대 메모리소자로 각광받는 R램에 물을 떨어뜨려도 전원이 안정 적으로 유지되는 것을 확인했다. 앞으로 물에 약한 메모리소자 등 다양한 전자소 자에 활용될 것으로 기대되고 있다. 용 교수는 "나노선이 물방울을 밀어내 소자 가 젖지 않는다"며 "패키징을 해 놓더라도 물이 조금 새어 들어갈 수 있는데, 이 기술을 이용하면 더 안정적"이라고 덧붙였다.

출처: 20110902 아시아경제 김수진 기자 sjkim

참고 자료 톰 크루즈 첨단 장갑 도마뱀 발바닥 본떠 만든 거라고요?

인간은 끊임없이 고민하고 무언가를 새롭게 만들어낸다. 문명의 발전을 이끄는 과학기술 역시 탐구와 발명의 토대 위에서 존재한다.하지만 인간에게 가장 많은 아이디어를 제공하고 영감을 주는 것은 결국 자연이다. 지구에 단세포로 처음 등 장한 이후 수십억년에 걸쳐 진화해 온 동물과 식물은 상상할 수 없을 정도로 정 교해 ‘신비’와 ‘경외’라는 찬사를 받기에 부족함이 없다. 기상현상이나 먹이 사슬에서 자신을 보호하기 위해, 또 생존을 위해 변신을 거듭해 온 현재의 모습 자체가 훌륭한 발명품이다. 동식물을 비롯한 자연의 모습을 연구해 최대한 가깝 게 흉내내는 분야는 이미 ‘자연모사’ 또는 ‘생체모방’이라는 이름으로 과학 의 주류가 된 지 오래다.

미국 스탠퍼드대 연구진이 2006년 발표한 로봇 ‘스티키봇’(원 안)은 게코도 마뱀의 발바닥을 흉내내 천장과 벽을 자유자재로 기어오를 수 있다. 영화 미션임 파서블4에 등장하는 이단 헌트의 장갑 역시 같은 원리로 현실화되고 있다.

거미는 어떻게 눈에 잘 보이지도 않는 가느다란 실에 몸을 맡길 수 있을까. 수 많은 식물 중 유독 장미 가시는 왜 날카롭고, 파리를 비롯한 곤충들은 천장에 발 을 붙이고 매달려 있어도 떨어지지 않는 것일까. 자연모사는 이 같은 궁금증에서 출발한다.

주위에서 자연을 흉내낸 기술이나 제품을 찾는 것은 어렵지 않다. 생체모방을 말할 때 가장 대표적인 사례로 거론되는 것은 ‘벨크로’다. 벨크로 테이프는 1948년 프랑스의 조르주 드 메스트랄이 발명했다. 산길을 걸을 때 바지 자락에 엉키는 엉겅퀴, 도깨비풀 등의 갈고리를 흉내낸 것이다. 진화학에서는 식물이 갈 고리를 갖게 된 것은 좀 더 넓은 지역으로 퍼져 종족을 보존하기 위한 수단으로 보고 있다. 식물의 생존본능이 인간의 손을 거쳐 신발과 의류를 고정시키는 새로 운 역할을 맡게 된 셈이다.

최근 인기를 끌었던 할리우드 영화 ‘미션 임파서블3’ 속에서 주인공 이단 헌 트(톰 크루즈 분)는 장갑을 끼고 거대한 유리빌딩을 거침없이 오른다. 현실에서 개발되고 있는 이 장갑의 기본원리는 벽과 천장을 자유자재로 기어다니는 게코도 마뱀에서 비롯됐다. 게코도마뱀의 발바닥에는 길이 50~100㎛(마이크로미터, 1㎛

=100만분의1m)에 불과한 공간에 지름 5~10㎛의 강모가 수백만개 이상 덮여 있다.

각각의 강모는 다시 주걱 모양의 섬모 수백개로 구성돼 있다. 개별 섬모들의 힘 이 모여 결국 강력한 부착력을 만들어내는 것이다. 이 같은 원리가 현실화되면 별도의 접착제 없이 막대한 무게를 지탱할 수 있고, 세척 등의 절차 없이 무한정 재활용이 가능하다는 점에서 활용 가능성이 높다. 2000년 게코도마뱀 발바닥의 원리를 처음으로 밝혀낸 스탠퍼드대 연구진은 유리벽을 기어오를 수 있는 로봇

‘스티키봇’을 선보였지만 수차례 사용하고 나면 섬모를 흉내낸 발바닥 전체를