2020 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
2020. 11. 20
풍문고등학교
【 2020년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】
과 제 개 요
과제명 2020년 STEAM 교사연구회 운영(풍문고등학교)
STEAM 프로그램
유형
(유형1) STEAM 프로그램 개선 및 보완을 통한 확산 모델 개발 ( ) - 선행 프로그램명:
(유형2) 다양한 교과 간 협동 연구를 통한 STEAM 프로그램 신규 개발 ( √ ) (유형3) StarT 프로그램 수행을 통한 STEAM 프로그램 신규 개발 ( ) 프로그램명 직관적 학습도구 제작을 통한 천체관측 교육프로그램 개발
학교급 고등학교 대상 학년(군) 1학년
중심과목 통합과학
중심과목 성취기준
영역
[고등학교 1학년 과학] (1) 물질과 규칙성
연계과목
물리 수학 미술 기술가정
연계과목 성취기준
영역
[고등학교 2학년 물리] (3) 파동과 정보통신 [고등학교 1학년 수학] (3) 도형의 방정식 [고등학교 1학년 미술] (2) 디자인과 생활 [고등학교 1학년 기술가정] (3) 창의공학의 설계 연구기간 2020.7.20. ~ 2020.11.30.
신청금액 일금사백만원(￦4,000,000)
참여연구원 7명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 6명) 연구 수행자에 관한 사항
구분 소속(학교명) 담당과목 직위 성명
연구책임자 풍문고등학교 과학/지구과학 교사 조용현
공동연구원 풍문고등학교 과학/물리 교사 홍종모
공동연구원 풍문고등학교 미술 교사 서희동
공동연구원 풍문고등학교 수학 교사 이강수
공동연구원 풍문고등학교 음악 교사 양미희
공동연구원 세종과학고 지구과학 교사 강석철
공동연구원 풍문고등학교 화학 교사 나종원
2020년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 결과로써 본 보고서를 제출합니다.
2020년 11월 20일
주관연구기관장 : 김길동 (인) 연구책임자 : 조용현 (인)
한국과학창의재단 이사장 귀하
“이 보고서는 2020년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문··· 1
2. 서론··· 1
3. 연구 수행 내용 ··· 2
가. 연구의 범위 ··· 2
나. 교과 교육과정 관련 내용 ··· 3
다. STEAM 단계에 따른 내용 ··· 4
라. STEAM 학습주제 이론적 배경 ··· 8
4. 연구 수행 결과 ··· 14
가. 연구 수행결과 개요 ··· 14
나. STEAM 학습활동 결과 분석 ··· 14
다. 메이커활동이 접목됨 STEAM 프로그램 운영결과 ··· 15
라. STEAM 프로그램의 적용현황 및 검증 ··· 17
마. STEAM학습관련 학교생활기록부 기록 ··· 22
5. 결론 및 제언 ··· 23
가. 결론 ··· 23
나. 제언 ··· 24
[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물 부록2. STEAM 학습 활동 사진 모음
1. 요약문
고등학교 1학년 통합과학 교과서의 시작은 우주를 이루는 원소들의 기원을 빅뱅 이론과 관 련지어 학습할 수 있는 내용으로 구성되어있다.
이 영역의 학습내용은 우주를 탐색하고 별빛의 스펙트럼을 분석하는 과정을 포함하고 있으 며 이와 관련된 효과적인 학습을 위해서는 천체를 관측하는 방법에 대해서 알아둘 필요가 있 다.
올해 교내에 구축한 천체관측시설과 천체투영실을 효과적으로 운영하여 이 단원의 학습을 학생들이 호기심을 가지고 능동적으로 참여하기를 바라는 입장에서 본 STEAM 학습프로그램 을 구상하게 되었다.
학생들과 이 단원학습활동을 해본 결과 천체투영실을 활용한 학습활동에 흥미가 많고 천체 투영실에서 다른 영상도 볼 수 있는지를 궁금해 하는 경우가 많았고 투영의 원리를 문의하는 학생들이 적지 않았다. 이러한 학생들의 호기심을 수업활동에 접목하여 학생들의 집중도를 높이고 학습효과를 늘리기 위해서 적절한 학습 프로그램의 필요성을 깨닫게 되었다.
따라서 본교의 STEAM 교사연구회에서는 이와 관련된 학습활동을 STEAM 학습활동으로 재편성하여 과학적 호기심과 공학적 도구조작능력 그리고 예술적인 활동까지 융합하는 학습 활동으로 재구성하여 적용하였다. 기존의 학습활동을 창의성과 과학적 호기심, 예술적인 감성 을 개발할 수 있는 STEAM 학습활동에 맞도록 재구성하는 것이 쉽지는 않지만 학생들의 다 양한 교과 융합 학습활동을 위해서는 꼭 필요한 요소라고 생각되었다.
2. 서론
가. 연구의 필요성
Ÿ 2015 통합과학 개정교육과정과 연계된 탐구활동 프로그램 개발
Ÿ 과학, 수학, 공학과 예술영역이 융합된 학습프로그램 개발 및 적용을 통한 융합적인 사 고를 가진 인재교육 수행
Ÿ 학생들이 쉽게 접근하고 호기심을 자극할 수 있는 천체관측 학습프로그램을 학생과 교 사가 공동으로 개발
Ÿ 학생들과 교사들이 참여하는 천문 관련 학습 도구의 제작을 통한 학생들의 창의성개발 및 코로나 사태로 거리감이 생긴 교사와 학생들 간의 소통의 장 마련
나. 연구의 목적
Ÿ 2015 통합과학 교육과정 중 우주에 대한 탐구활동과 관련된 STEAM 프로그램을 개발하 고 적용한다.
Ÿ 과학자들이 우주를 구성하는 원소들을 찾아낸 방법에 대해서 이해한다.
Ÿ 간이 천체투영실을 만들어 보는 활동을 통하여 천체투영실의 원리를 이해하고 이를 설명 할 수 있다.
Ÿ 교실에서 학습한 교과 지식간의 융합을 통하여 새로운 지식의 창출하고 이를 실제 생활 에 적용할 수 있는 방안에 대한 탐색의 기회를 제공한다.
Ÿ 첨단과학기술을 이용한 과학적인 자료가 구축되는 방안에 대해서 이해한다.
Ÿ 일상에 숨은 과학적인 현상을 탐구하여 규명하고 예술적인 방법으로 표현할 수 있다.
3. 연구 수행 내용
가. 연구의 범위
1) 고등학교 교과과정에 적용된 연구교과 및 내용
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 직관적 학습도구 제작을 통한 천체관측 교육프로그램 개발 학교급 고등학교 대상 학년(군) 1학년 목표 수혜학생 수 220명 중심과목 통합과학
중심과목 성취기준
영역
[고등학교 1학년 과학] (1) 물질과 규칙성
연계과목
물리 수학 미술 기술가정
연계과목 성취기준
영역
[고등학교 2학년 물리] (3) 파동과 정보통신 [고등학교 1학년 수학] (3) 도형의 방정식 [고등학교 1학년 미술] (2) 디자인과 생활 [고등학교 1학년 기술가정] (3) 창의공학의 설계
개발계획
주제 연번
차시
(시수) 과목 연계(안)
1 2 과학(1) + 미술(1)
2 2 과학(1) + 기술가정(1)
3 2 과학(1) + 미술(0.5) + 기술가정(0.5) 4 2 과학(0.5) + 미술(1) +수학(0.5)
※ 기존 계획의 변경 사유
① 코로나 19와 관련된 학사일정의 변경으로 학생들이 등교하는 시간이 줄어들어 처음 계 획했던 학습 프로그램 개발 및 적용의 횟수를 감소해야만 하는 상황이 발생함.
② 학습지도안 개발과 적용의 시수를 4차시로 줄였으면 교구개발 계획도 대면 활동의 어려 움으로 다소 축소함
2) 고등학교 교과과정을 중심으로 한 STEAM 학습프로그램 세부 내용
① 빛의 굴절과 반사에 대한 내용 이해하기(물리학) Ÿ 소리와 빛의 파동의 특성과 차이점에 대한 이해하기 Ÿ 거울의 특성에 따른 빛의 광로 이해하기
② 구조적으로 튼튼하고 미적 감각이 탁월한 돔 모형 만들기(미술)
Ÿ 독창적이며 튼튼한 구조로 내구성이 뛰어난 돔 모형 설계하고 제작하기 Ÿ 미래지향적인 디자인을 통하여 디자인관련 진로 및 적성 파악하기
③ 학생들이 구입할 정도의 저렴하고 사용이 쉬운 프로젝터 선정하기(기술, 공학) Ÿ 프로젝터의 설치와 사용방법 터득하기
Ÿ 가격대비 성능이 좋은 프로젝터 구매하기
④ 평면인 종리를 사용하여 돔을 만들 수 있는 수리적인 방법 찾아내기(수학) Ÿ 다양한 다면체 도형에 대한 학습을 통하여 구모양의 구조물 만들기 Ÿ 배율을 적용하여 다양한 크기의 모형 돔 만들기
3) 인문계 고등학교에서 활용할 수 있는 STEAM 학습프로그램 개발
Ÿ 교과 내용에 포함된 STEAM학습 요소 추출하여 정규교과시간에 적용하기
Ÿ 수시전형에 필요한 대학 입학을 위한 자기주도적 학습활동 및 프로젝트 학습에 적합 한 탐구활동 주제 선정하고 학습프로그램 구상하기
나. 교과교육과정 관련 내용 1) 2015교육과정과의 연계성
Ÿ 2015 개정교육과정 통합과학 단원 중 ‘물질의 규칙성과 결합’ 단원의 내용과 연계 Ÿ 2015 과학탐구실험 Ⅲ. ‘생활 속의 과학 탐구’ 단원 중 ‘우주기기 만들기’ 관련 탐구
실험 수업과 연계
Ÿ 2015 미술교육과정 주제와 발상 영역 중 발상과 표현 단원과 연계
Ÿ 과학, 수학, 미술, 기술·가정 교과의 교육과정 포함 요소의 융합을 연구과정에 포함 2) 교과별 교육과정과의 연계성 및 기대효과 분석
STEAM 학습프로그램의 내용을 교과영역 내용과 학습효과를 제시하면 <표 1>과 같다.
<표1> 교과 영역별 적용내용 및 학습효과 학습
영역 내 용 학습효과
과학
Ÿ 빛의 반사와 굴절
Ÿ 볼록거울과 오목거울의 특성 Ÿ 계절별 별자리
Ÿ 빛의 성질에 대한 호기심 증가 Ÿ 실상과 허상에 대한 개념이해 Ÿ 밤하늘 천체에 대한 관심 증가 기술
공학
Ÿ 돔형 구조의 장단점
Ÿ 제작의 기초가 되는 소재 공학 Ÿ 설계와 제도 및 도면 작성
Ÿ 건축공학 관련 진로 탐색기회 제공 Ÿ 소재 공학에 대한 관심 증가 Ÿ 제도를 통한 도면작성법 능력 배양
미술 Ÿ 돔 구조 제작하기
Ÿ 예술성과 내구성이 포함된 건축양식
Ÿ 형태에 따른 다양한 제작기법 학습 Ÿ 유명 건축물 구조에 대한 관심 증가
수학
Ÿ 수치로 만드는 도형
Ÿ 사물에 적용하는 비율 공식
Ÿ 도형이 수치로 표현되는 점을 이해 Ÿ 일상에 적용되는 수학적 개념에 대한
관심 증가
다. STEAM 학습단계에 따른 내용
1) STEAM 학습 방법에 따른 단계별 학습목표 및 내용
STEAM 학습 방법의 단계로 제시된 상황제시 – 창의적 설계 – 감성적 체험(성공의 경 험) 단계는 기존의 과학교육방법인 동기유발 – 전개 – 평가 및 차시 예고 단계와 유사하 지만 접근하는 방법에 차이가 다소 있다.
학생들에게도 지식과 관련된 학습보다는 학습의 과정과 학습 목표의 중요성을 인식할 수 있도록 하고 학습목표를 달성하기 위한 이유가 무엇인지를 깨달음으로 학습동기를 유 발할 수 있도록 학습과정을 구성하였다. 이에 따른 각 단계별 학습내용과 활동을 그림으 로 제시하였다.
[그림 1] STEAM 학습 단계별 활동내용
또한 앞에서 그림으로 제시한 단계별 학습목표와 내용을 세부적으로 정리하여 아래의 표 에 제시하였다.
<표2> STEAM 학습 단계별 학습 목표와 내용
단 계 학습 목표 및 내용
상황 제시
Ÿ 볼록거울에 반사되어 보이는 물체의 모습을 오목거울에 다시 반사시키면 정상의 모습으로 보일까?
Ÿ 우리가 보는 동영상을 오목한 스크린에 투영시키면 상이 어떻게 왜곡되어 나타날까?
Ÿ 고가의 프로젝터를 사용하지 않고 투영기를 만드는 방법은 무엇일 까?
Ÿ 반구형 시설 및 건물의 장점은 무엇일까?
Ÿ 세계적으로 유명한 돔 디자인을 모방하여 똑같이 만들어 볼까?
창의적 설계
Ÿ 볼록거울과 오목거울의 광로를 실험도구를 이용하여 탐구하고 그 결과를 그림으로 작성한다.
Ÿ 볼록거울과 오목거울의 사용사례와 거울의 원리와의 관계를 정리 하고 발표한다.
Ÿ 종이로 둘러 싼 지구본에 사진을 투영시킨 후 투영된 이미지를 따 라 그림을 그리고 상이 왜곡된 이유를 탐구한다.
Ÿ 천구본 안쪽을 종이로 둘러 싼 다음 사진을 투영시킨 후 투영된 이미지를 따라 그림을 그리고 상이 왜곡된 이유를 탐구한다.
Ÿ 완벽한 반구를 만들기 위한 조건과 방법에 대해서 토의한다.
Ÿ 과학적, 예술적인 요소가 융합된 천체 관련 영상을 구상하여 동영 상제작 프로그램을 사용하여 완성한다.
Ÿ 계절에 따른 대표적인 별자리를 선정하여 별자리의 의미를 포함한 그림으로 디자인한다.
Ÿ 간이 투영기의 제작을 완료하고 시연을 한 후 수정해야할 요소들 을 찾아 정리하고 수정방법에 대해서 토의한다.
감성적 체험
Ÿ 곡면에 나타나는 상의 원리를 찾아서 천체투영실에서 입체영화를 볼 수 있는 방안에 대해서 토의한다.
Ÿ 학생들이 제작한 반구의 안정성과 예술성이 우수한 작품에 스티커 를 붙여 학생들의 반응을 느낄 수 있도록 한다.
Ÿ 계절에 따른 대표적인 별자리를 선정하여 별자리의 의미를 포함한 그림으로 디자인한다.
Ÿ 간이 투영기의 제작을 완료하고 시연을 한 후 수정해야할 요소들 을 찾아 정리하고 수정방법에 대해서 토의한다.
Ÿ 학습의 과정 및 결과가 정규 평가에 반영되어 학생들이 만족감을 느낄 수 있도록 평가를 계획한다.
2) STEAM학생연구회 대상 STEAM 학습의 차시별 흐름도
[그림 2] STEAM 학습프로그램 흐름도
3) 학습프로그램의 융합 교과의 구성
본 STEAM 학습프로그램과 관련된 교과간의 협력활동 및 핵심 주제를 그림으로 표현하면 다음과 같다.
[그림 3] STEAM 학습프로그램 교과 핵심개념 구성도
라. STEAM학습 주제 관련 이론적 배경 1) 천체투영관(Planetarium)
천체투영관 또는 플라네타륨(planetarium)은 천체와 같은 천문 영상이나 천체를 교육적 목적이나 엔터테인먼트를 위해 반구형 스크린에 투영 및 상영하는 돔형 극장이다. 한국어 로는 천체투영관 또는 천체투영실로 불린다.
주요 구성품은 반구형 스크린, 광학식 천체투영기, 디지털 천체투영기, 오디오 장치, 조명 장치, 천체시뮬레이션 소프트웨어, 풀 돔 영상물, 통합제어 소프트웨어 등이 있다.
우리나라의 천체투영관은 독립적으로 만들어지기 보다는 국립과학관이나, 교육과학연구원 등의 부속 시설로 설립되는 경우가 많지만 최근에는 과학교육에 집중하는 학교에도 설치 가 되고 있다. 또한 지방자치단체의 천문대에도 천체투영관이 대부분 설치되어 있다.
[자료 제공 METASPACE]
[그림 4] 로얄 아이즈 아이징가 천체투영관(좌) 서울지역의 천체투영관 설치 장소
가장 오래되고 지금까지도 운영 중인 천체투영관은 네덜란드의 소도시 프라네케르 (Franeker)에서 찾아볼 수 있다. Eise Eisinga(1744년–1828년)가 그의 집에 세운 것으로, 7년간의 작업 끝에 1781년 완성하였다.
로얄 아이즈 아이징가 천체투영관은 네덜란드 100대 문화유산 목록에 포함되었으며 2011년 12 월에는 미래의 유네스코 세계 문화유산 목록에 포함되었다.
우리나라 최초의 천체투영관은 1967년 광화문 전화국 옥상에 설치되었으며, 지금은 전국 에 약 80곳의 크고 작은 천체투영관이 있다.
우리나라 최초의 천체투영관 개관에 대한 당시의 동아일보 기사와 사진을 아래에 제시하 였다.
[이하 기사내용]
천체과학관 개관 6,000개의 별볼 수 있는 천상의 갖춰 [동아일보 기사 1967.4.29.]
천체의 움직임을 한눈으로 볼 수 있는 우리나라최초의 천체과학관이 29일 오전 10 시 개관됐다. 서울 광화문전화국 옥상에 마련된 이 천체과학관은 체신저축장려회가 2천만원의 예산을 들여 이룩한 것으로 약 6천 개의 별을 볼 수 있는 천상의가 갖춰 져 있다.
관람시간은 오전 11시부터 오휴 7시까지, 관람료는 일반 50원 학생 30원.
개관 기념행사 사진(좌)과 천체투영관 개관 기념품(우) 사진
세계 최초의 천체투영기는 독일의 칼 자이스(Carl Zeiss)에서 개발되었다. "Wonder of Jena"
라는 별명의 Zeiss Mark I 은 1923 년 독일 예나에 위치한 칼 자이스 공장에 설치된 16m 돔에서 처음으로 선을 보였다. 예나의 자이스 플라네타리움은 현재까지도 남아있으며, 매년 Jena Fulldome Festival 을 개최하고 있다.
예나는 그렇게 크지 않은 도시지만 괴테, 실러, 피히테, 헤겔 등이 예나대학의 교수를 거쳐 가면서 18 세기 말과 19 세기 초에 독일의 철학과 낭만주의의 중심 역할을 하기도 했다. 예나 대학은 ‘자본론’의 칼 마르크스가 박사 학위를 받은 곳이기도 하다.
"Wonder of Jena"는 뮌헨의 독일 박물관(Deutsches Museum)으로 이동하여 1923 년 10 월 21 일 최초로 공식적으로 일반인들에게 상영되었다. 이후 1930 년까지 비엔나, 로마, 모스크바, 스톡홀름, 밀란, 함부르크 등에 천체투영관들이 설치되었다.
1928 년 미국 시카고의 독지가 맥스 애들러(Max Adler)는 "Wonder of Jena"에 대한 소문을 듣고 아내와 함께 독일을 직접 방문했다. "Wonder of Jena"에 너무나 큰 감명을 받은 그는 시카고에 천체투영관 설치를 위한 자금을 기부하여, 1930년 3월 12일 그의 이름을 딴 애들러 플라네타리움(Adler Planetarium)이 미국 최초의 천체투영관으로 문을 열게 되었다.
천체투영관 역사에 대한 자료를 찾던 나는 우연히 1930 년에 발간된 ‘신생(新生)’이라는 잡지에서 애들러 플라네타리움을 소개한 기사를 발견하였다. 이 잡지의 편집인이자 이 기사를 쓴 유형기라는 사람은 감리교 목사로 미국 보스턴 대학과 하버드 대학에서 종교철학을 공부한 사람이라고 한다. 이 기사는 1930 년 4 월호에 소개되어 있으므로 애들러 플라네타리움이 문을 연 직후에 관람을 한 것으로 보인다. 그는 여기에서 엄청난 감명을 받았으며 우리나라에도 이런 것이 있었으면 좋겠다는 바람을 적어놓았다.
출처 이강환 연구사 (과천과학관)
2) 볼록거울, 오목거울
① 오목거울(Concave mirror)
오목거울은 반사면이 오목한 곡면인 거울로서, 곡면은 대개는 구면이지만, 원통면, 회전 대칭 성이 있는 포물면, 쌍곡면 또는 타원면인 것도 드물지만 쓰인다.
오목거울의 결상 특성은 볼록렌즈와 비슷하여 거울의 곡률반지름에 대한 거울과 물체 사이의 거리에 따라 실물보다 더 크고 거꾸로 선 상이 생기거나, 실물보다 더 작고 바로 선 상이 생 긴다. 오목거울은 흔히 퍼지는 빛살을 모아 필요한 곳으로 보낼 때도 쓰는데, 자동차의 전조등 이나 화상 투영기의 광원부에 달린 오목거울이 쉽게 볼 수 있는 예이다.
전문적인 결상광학계에서 반사광학계는 색수차가 생기지 않는 점을 살려 오목거울을 주요 결 상 소자로 쓴다. 대표적인 예가 천체망원경인데, 오목거울로 별빛을 받으면 모든 파장의 빛에 대해 똑같은 결상 조건에서 상이 생기므로 색수차가 없다. 또한 별빛은 아주 약하므로 최대한 많은 빛을 모아야 하고, 그러려면 구경이 커야 하는데, 렌즈로는 그렇게 큰 것을 만들 수 없으 므로 오목거울을 주 결상 소자로 쓴다.
반도체 소자 제작에서도 갈수록 선폭이 좁아지므로 이제는 파장 13.7 nm인 극자외선 (extreme ultraviloet: EUV)을 쓰기 시작했다. 이렇게 파장이 짧은 빛에는 투명도가 높은 광 학 매질이 없으므로 결국 반사광학계로 리소그래피 장비를 꾸밀 수밖에 없다.
오목거울의 결상 방정식은 다음과 같다
여기에서 I 는 상거리, o는 물거리이며, f는 초점거리로 거울의 정점에서의 거울 면의 곡률반 지름이 r이면 f=-r/2이다. 오목거울의 곡률반지름 r은 음수(r<0)로 잡는다(그림 5 참조).
[그림 5] 오목거울의 결상 (f<s<2f인 경우)
오목거울의 각 부분의 이름 및 관련된 요소의 정의는 그림 2와 같다.
[그림 6] 오목거울의 각 부분의 이름 및 관련된 요소의 위치
[출처 : 물리학백과사전 ]
② 볼록거울(Convex mirror)
볼록거울은 반사면이 볼록한 곡면인 거울로서 대개는 구면이지만, 원통면, 회전 대칭성이 있는 포물면, 쌍곡면 또는 타원면인 것도 드물지만 쓰인다.
볼록거울의 결상 특성은 오목렌즈와 비슷하여 물체의 상이 실물보다 더 작게, 바로 선 꼴 로 생기고, 시야가 넓다. 따라서 흔히 버스나 화물차 등 큰 자동차의 옆 거울에 써서 뒤쪽 에서 오는 차나 사람을 볼 수 없는 사각을 줄이거나, 꺾인 길에서 시선이 막혀 곧바로 볼 수 없는 쪽에서 오는 차나 사람을 살펴보는 데 쓴다(그림 1). 전문적인 결상 광학계에서는 배율과 광학계의 크기 등 기본 조건과 수차 등을 조절하기 위해 오목거울과 함께 쓴다.
[그림 7] 시선이 직접 닿지 않는 쪽을 보여주는 볼록거울
볼록거울의 결상 방정식은 다음과 같다.
여기에서 i는 상거리, o는 물거리이며, f는 초점거리로 거울의 정점에서의 거울면의 곡률
반지름이 r이면 f=-r/2이다. 볼록거울의 곡률반지름 r은 양수(r>0)로 잡는다(그림 8 참조).
[그림 8] 볼록거울의 결상을 보여주는 빛살 그림 볼록거울의 각 부분의 이름 및 관련된 요소의 정의는 그림 9와 같다.
[그림 9] 볼록거울의 각 부분의 이름 및 관련된 요소의 위치
[출처 : 물리학백과사전 ]
4. 연구 수행 결과
가. 연구 수행 결과 개요
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 8차시
수업 적용 일정 2020. 7 . 20 . ~ 2020. 12. 11.
(STEAM 수업)수혜학생 수 풍문고등학교 242명(1학년 전체)
학생 태도검사 사전검사 7월 1개 학급(21명) 사후검사 11월 1일, 1개 학급(21명) 학생 및 교사 만족도조사 11월 10일 실시 교사연구회 STEAM 행사 개최 9월, 1회 수업공개 수행
서울과학축전 융합체험마당 서울시에서 취소함
논문 또는 학술대회 현장과학학회 연구자료 게재 예정
특허출원(국외, 국내) 해당 없음
나. STEAM 학습활동 결과 분석
1) STEAM 학습에 따른 학생들의 지적 능력의 발달 정도
① 고등학교 교과 내용에 대한 과심과 이해 능력 증가
Ÿ 거울에 의해서 나타나는 상의 변화와 반사와 굴절에 대한 이해력 증가 Ÿ 공학적인 디자인과 미적인 디자인을 융합할 수 있는 방법에 대한 능력 확장 Ÿ 천체관측에 대한 관심도 증가와 계절별 별자리 선정에 대한 원리 이해 Ÿ 돔 디자인을 통한 건축 공학에 대한 능동적인 접근
② STEAM교육활동을 통한 진로탐색 기회 부여
Ÿ 천체투영실 모형 디자인 학습을 통한 관련 진로에 대한 적성 파악기회 제공
Ÿ 과학적 원리를 적용한 실생활도구 및 학습도구제작에 대한 관심유발을 통한 제조업 에 대한 이해와 적성 정도의 파악
Ÿ 과학과 예술이 융합된 산업 디자인에 대한 관심도 증가와 관련 직업에 대한 탐구기 회 제공
Ÿ 학습활동에 수반된 자신의 능력을 발현할 수 있는 진로에 대한 탐색 기회 제공
③ 학생과 교사들의 STEAM 교육에 대한 관심과 참여의 증가
Ÿ STEAM 교육에 대해서 관심이 없거나 모르는 교사·학생들의 관심도 증가
Ÿ 특정교과의 지식에 해당되지 않는 영역에 대한 관심 증가와 활용할 수 있는 영역에 대한 관심 증가
Ÿ STEAM교육 프로그램을 대학진학에 연계하려는 교사들의 참여 증가
다. 메이커활동이 접목된 STEAM프로그램 운영 결과 1) 모형 돔 제작 활동 결과물
축구공 모형의 전개도 학생 제작 모형
지구본 모형의 전개도 학생 제작 모형
지오데식 모형 전개도 학생 제작 모형
[그림 10] 돔 모형 제작 실습 결과물
2) 모형 돔 제작 학습과정
[그림 11] 돔 모형 제작 실습활동 전개도
라. STEAM 학습프로그램의 적용현황 및 검증
STEAM학습프로그램을 수행하는 과정에서나 수행 후 나타나는 학생 및 교사들의 지적, 정 의적 영역의 변화를 알아보기 위해서 평가 및 검증을 수행하였으며 이와 관련된 상호관계를 그림 12에 제시하였다.
[그림 12] 학생-교사간의 평가 방법과 검증방법 관계도
1) STEAM 학습프로그램의 적용 및 검증 현황 적용대상
(학생수)
적용 시기 /
횟수 적용 방법 비고
풍문고등학교 1학년 11개 반
(약 220명)
7월 ~ 11월 3개반 × 3회 3개반 × 2회 3개반 × 1회 2개반 × 4회
과학 및 타 교과와의 블 록타임 적용 정규수업
정규시간 및 창의적 체험활동시간 활용
2) STEAM학습프로그램 적용 평가표 Ÿ 자기 평가
평가항목 평가내용 및 기준 평점
지식 학습개념 아두이노 모듈을 사용한 모형자동차를 스마트폰을
사용하여 작동시키는 과정을 설명할 수 있다. 1 / 2 / 3
흥미 /태도
창의성 자신이 만든 모형자동차가 기존의 자동차와 다른 구
조와 기능이 있다면 몇 가지가 있는지를 나열하시오 1 / 2 / 3 협력 STEAM학습활동을 통하여 다른 학생들과 협력해서
얻어낸 탐구활동 결과물이 3개 이상이다. 1 / 2 / 3 만족도 STEAM학습활동을 통하여 교사나 친구들로부터 칭
찬을 받은 횟수가 3회 정도는 된다. 1 / 2 / 3 학습태도
STEAM학습활동의 장점을 3가지 정도 나열하고 다 음 학습활동도 이런 방식의 수업을 했으면 좋겠다고 생각한다.
1 / 2 / 3
합 계
Ÿ 모둠별 동료평가(모둠 평가판에 스티커 붙이기) 모둠
평가항목 A B C D E
지식 발표
흥미/태도 참여도 협력 결과물의 완성도
합 계
Ÿ 산출물 평가(교사평가)
평가항목 평가내용 및 기준 평점
산출물
완성도 STEAM활동을 통한 산출물이 견고하며 학습 주제에
대한 표현이 반영되었는가? 1 / 2 / 3 독창성 다른 모둠이나 기존의 산출물을 모방했는가?
자신만의 새로운 요소가 표현되었는가? 1 / 2 / 3 예술성 산출물이 정교하면서도 미적인 요소가 포함되어 아
름답게 보이는가? 1 / 2 / 3
합 계
Ÿ 관찰 평가(교사평가)
영역 평가 내용 및 기준 평점 의견란
정 의 적 영역
1. 학습대상을 계속 바라보고 집중하는 시간이 3분
을 초과한 횟수 회
2. 학생이 학습 테이블에서 수업과 상관없이 이탈
한 횟수 회
3. 조별활동에 참여하지 적극적으로 참여하지 않는
학생 수 명
4. 3명 이상의 학생들이 머리를 맞대고 학습활동
에 대한 토의를 한 횟수 회
5. 실험 조 전원이 테이블에 앉아 학습활동을 한 시간 및 횟수
분 초 회 6. 학습활동 결과물에 대한 만족감을 표현한 횟수 회
인 지 적 영역
1. 학습활동 주제와 관련된 질문횟수 회
2. 학습활동과 관련된 그림 또는 표를 제시한 횟수 분 3. 교사의 질문에 적합한 답을 한 횟수 회 4. 학습활동 주제관련 발표 시간 및 횟수 분 회
5. 추가 학습자료 요청횟수 회
6. 학습 활동과 관련된 학습자료의 오류를 찾아내
거나 문의한 횟수 회
3) STEAM 교과 내용 요소에 따른 검증 검증내용
학습 과정 검증 주제 검증 요소 검증
도구 거울에 따른 빛
의 반사와 계절 별 별자리(과학)
거 울 면 에 서 의 빛의 반사
Ÿ 빛과 소리의 파장과 특성 분석 인지정도 Ÿ 반사·굴절에 관련된 스넬의 법칙 인지여부
학습 활동지 계절에 따른 별
자리의 변화
Ÿ 지구의 공전에 의해서 나타나는 현상 Ÿ 태양이 지나가는 길 황도에 대한 인해
학습 활동지
돔 모형 디자인 및 제작(미술)
돔 모형 전개도 만들기
Ÿ 다양한 방법의 돔 모형 중 제작이 쉬운 것 결정하기
Ÿ 외관 모형의 견고성 정도
Ÿ 예술성이 접목되는 모형 탐색하기
산출물
투영에 적합한 프로젝터 결정 (공학, 기술)
프로젝터의 해 상도와 투영거 리 확인
Ÿ 좁은 공간에서 사용이 적절한 제품 선정 Ÿ 프로젝터의 조작 용이성 판단
사용 보고서 지오데식 돔 제
작(수학)
돔 제작을 위한 수식 산출
Ÿ 지오데식 돔 제작을 위한 공식 산출
Ÿ 삼각형 각변의 길이 산출 보고서
4) STEAM 학습프로그램의 효과성 검증
STEAM학습프로그램의 수행결과 및 만족도를 알아보기 위하여 다음 표와 같은 방식 으로 검증을 수행하였는데 학생들이 작성하는 설문지 조사 방식과 교사들이 학생들의 활동은 관찰하여 기록하는 관찰기록법 등 학습 참여 교사들의 의견을 반영하였다.
연번 검증자료 제목 검증 방법 조사대상
1 2016 STEAM교사연구회 활동에 관한 설문지 설문지 교사
2 STEAM교수･학습활동 관찰기록 양식 관찰기록지 교사
3 STEAM교수･학습 개선방안 설문지 양식(학습활동영역) 설문지 학생 4 STEAM교수･학습 개선방안 설문지양식(학습목표성취영역) 설문지 학생
또한 한국과학창의재단에서 제공하는 STEAM학습활동 만족도에 관한 설문자료를 인쇄하여 학생 들에게 검사를 실시하기도 하였다.
STEAM(융합인재교육) 만족도 검사지(중등학생용)
※ 다음은 ‘학생들의 STEAM 교육 만족도’를 알아보기 위한 질문입니다.
여러분의 의견과 일치하는 내용의 번호 또는 □ 위에 ü 표시하거나 간단히 답해 주십시오
1. 성별 □ ① 여자 □ ② 남자 2. 학교급 □ ① 초등학교 □ ② 중학교 □ ③ 고등학교 3. 학년 □ ① 1학년 □ ② 2학년 □ ③ 3학년
1. STEAM 수업에 만족하십니까?
□ ① 전혀 그렇지 않다 □ ② 대체로 그렇지 않다 □ ③ 보통이다
□ ④ 대체로 그렇다 □ ⑤ 매우 그렇다
2. STEAM 수업은 재미있었나요?
□ ① 전혀 재미없다 □ ② 대체로 재미없다 □ ③ 보통이다
□ ④ 대체로 재미있다 □ ⑤ 매우 재미있다
3. STEAM 수업 활동에 적극적으로 참여하였나요?
□ ① 전혀 그렇지 않다 □ ② 대체로 그렇지 않다 □ ③ 보통이다
□ ④ 대체로 그렇다 □ ⑤ 매우 그렇다
4. STEAM 수업의 내용 수준은 어떠하다고 생각합니까?
□ ① 매우 어렵다 □ ② 대체로 어렵다 □ ③ 보통이다
□ ④ 대체로 쉽다 □ ⑤ 매우 쉽다
5. 기존의 수업과 오늘 참여한 STEAM 수업의 가장 큰 차이점이 무엇이라고 생각하는지 한 개만 고르세요.
□ ① 수학, 과학, 기술 등 여러 과목을 관련지어 배울 수 있다
□ ② 학생 중심의 활동이 많고, 선생님의 설명은 많지 않다
□ ③ 친구들과 협력해서 수행하는 모둠별 활동이 많다
□ ④ 스스로 생각하고 학습해야 한다
□ ⑤ 과학, 수학 수업시간에서 배운 내용이 실제 생활에서 어떻게 활용되는지 알 수 있다
□ ⑥ 과학기술과 관련된 직업 정보를 얻을 수 있다
□ ⑦ 기타( )
이하 생략
마. STEAM학습관련 학교생활기록부 기록
1) 교과학습발달사항 교과세부능력 기재 예시
Ÿ 지구의 공전에 따른 별자리의 변화를 쉽게 이해하고 간접적으로 관측할 수 있는 모형 천체 투영 돔을 제작하는 활동에 참여하여 과학적인 면과 예술성이 융합된 산출물을 제작함(과학 : 과학적 기반의 융합적사고력)
Ÿ 간이 천체 투영 돔의 제작과정에 참여하여 지오데식 돔을 만들기 위한 수식을 산출하 고 이를 적용하여 다양한 모양의 돔 모양을 만들 수 있도록 친구들을 도와주고 학습활 동에 능동적으로 참여함(수학 : 수학적 응용력 및 사고의 확장성)
Ÿ 밤하늘 천체의 아름다움과 규칙적인 운동과 관련된 요소들이 포함된 동영상제작에 참 여하고 이를 투영할 수 있는 간이 천문돔 제작에도 참여하여 예술성과 제작의 효율성 을 높이는데 도움을 줌(미술 : 예술성을 기반으로 한 조형물 제작 능력)
Ÿ 천체 투영돔에 필요한 프로젝터를 사용 공간과 목적에 맞게 배치하는 설계도를 완성하 고 곡면에 투영된 영상의 왜곡을 바로 잡아 학습교구를 만드는데 많은 도움을 줌(기술·
공학 : 상황에 맞는 재료 및 구조물의 선정능력)
2) 교과별 학교생활기록부 기록을 위한 내용 및 학습효과 안내 학습
영역 내 용 학습 효과
과학
Ÿ 빛의 반사에 따른 특성에 대한 탐구 활동과 이를 일상에 적용한 사례에 대한 연구조사
Ÿ 지구의 공전과 별자리 및 계절 변화 에 대한 탐구
Ÿ 알성 생활에서 활용되는 거울에 의한 반사된 상에 대해서 쉽게 이해함.
Ÿ 자신이 태어난 일시의 별자리를 생일 알에 볼 수 없다는 과학적인 개념 습 득
기술 공학
Ÿ 곡면에 투영된 상의 왜곡을 줄일 수 있는 방안 탐색
Ÿ 거리에 따른 프로젝터 상의 해상도에 대한 탐구
Ÿ 곡면에 투영된 상과 평면에 투영된 상의 왜곡 원인 이해
Ÿ 판매 중인 영상기기에 대한 이론적인 지식 배양
미술
Ÿ 창의적이고 예술적으로 돔 구조 디자 인하기
Ÿ 견고한 구조의 돔 모양 제작 방안에 대한 탐구
Ÿ 목적에 맞는 산업디자인에 대한 이해 도 증가
Ÿ 기하학적인 구조와 예술적인 구조를 융합할 수 있는 자신감 배양
수학
Ÿ 지오데식 돔 구조를 만들기 위한 수 식 산출
Ÿ 과학적인자료를 다양한 종류의 그래 프로 표현하기
Ÿ 삼각형 모양을 활용하여 다양한 크기 의 구 모양 제작 능력 배양
Ÿ 수치자료를 시각적인 자료로 변환할 수 있는 학습능력 배양
5. 결론 및 제언
가. 결론
2020년 한 해에는 코로나 사태로 인하여 여러 가지로 어려움이 많았던 한해였다. 특히 교육 현장에서는 학생들이 학교에 제대로 등교하지 못하는 사태로 인하여 교육활동에 많은 차질이 빗어졌고 이를 대처하기 위하여 온라인 수업이라는 소극적인 방안을 택해야만 하는 어려운 시 기였다.
특히 대면 탐구활동과 도구조작, 산추물 제작 등이 포함되었던 본 연구회 활동은 특히 어려 움을 겪어야만 했다. 이런 어려운 상황에서도 연구회 활동을 할 수 있게 지원을 해준 한국과 학창의재단 측에 감사를 드린다.
올해의 STEAM교육활동 프로그램은 간이 천문 돔을 만드는 과정을 통하여 여러 교과목에서 학습할 수 있는 요소들을 구체화하려고 노력하였다.
주로 돔 제작과 관련된 이론적인 지식을 STEAM 학습활동 과정을 통하여 교육과정에 포함된 학습요소를 추출하여 학습에 적용할 수 있도록 구성하였다.
학생들을 대면하기 어려운 상황에서 STEAM 활동에 중점을 두고자 했던 요소들은 아래와 같 다.
첫째, 오프라인과 온라인 학습활동을 병행하는 학생들과의 STEAM 활동을 하고자 집에서 할 수 있는 요소들과 학교에서 모여서 할 수 있는 요소들을 구분하여 적절하게 운용하는 것이었 다. 이 과정에서 어렵게 수업시간을 구성하고 창의적 체험활동시간을 할애하여 6차시 분량의 학습지도안도 개발하였다. 그러나 개발한 차시의 학습활동을 모두 체험하지 못한 학급도 적지 않으며 단축된 수업시간으로 충분한 학습활동을 하기도 쉽지 않았다.
둘째로는 교과적인 지식보다는 흥미 위주의 학습활동을 구성하여 학생들의 참여와 호응을 높 이고자 학습활동을 구성하였다.
집에서 혼자 활동할 수 있도록 재료와 준비물을 제공하였지만 재미가 없을 경우 학생들의 참 여가 저조할 것으로 판단되어 재미를 느낄 수 있는 학습활동을 하도록 구성하였다.
완성한 결과물이 실패했든 성공했든 중요하지 않고 활동과정에 집중하도록 독려했다.
이 결과 학생들은 자유롭고 부담이 없어서 그랬는지 오히려 더 창의적이고 예술성이 있는 산 출물을 만들어내는 결과를 보여주었다.
이를 통하여 STEAM 교육활동은 교과적인 지식보다는 학생들의 창의성과 예술성을 키우는데 꼭 필요한 활동이라는 결론을 얻게 되었다.
2020년 본 연구 활동을 통하여 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
가. 학생들이 간이 천체 투영돔을 제작하여 봄에 따라 수학이 공학에 적용됨을 깨닫고 수학의 중요성을 인식하게 되었고 공학 및 디자인에 관한 자신의 진로에 대한 탐색의 기회도 제 공할 수 있었다.
나. 오프라인 수업이 정상적으로 이루어지는 않는 상황에서 STEAM 교수･학습 프로그램의 적 용이 가능한 주제를 선정할 수 있는 기반을 마련하였으며 STEAM 활동을 활성화할 수 있 는 방안을 탐색할 수 있는 계기가 되었다.
다. 과학과 공학기술, 예술의 영역을 하나의 주제로 통합하여 수업을 진행하는 학습프로그램
개발 방법을 습득하였으며 온라인 학습활동에서 학생들에게 STEAM수업을 조화롭게 적용 하는 방법을 개발하고 확인하였다.
나. 제언
2020년 STEAM 교수･학습프로그램의 개발 및 적용 과정에서 느낀 점들을 항목별로 정리하 면 다음과 같다.
가. 2021년 대비 STEAM 교수･학습프로그램 개발의 확장성 필요
코로나 사태가 현재와 같이 진행된다면 2021년에도 학교 수업이 변칙적으로 이루어질 것으로 생각된다. 따라서 이에 대비한 STEAM 학습 프로그램 개발 계획이 필요할 것이며 비대면 학 습활동에서의 적절한 STEAM 학습활동 방안을 강구해야 할 것으로 판단된다.
또한 프로그램 참여 교사의 협업 활동도 다양하게 구성해야만 할 필요성이 느껴진다.
나. STEAM 교수･학습프로그램의 교과와의 연계성
수능 해당 교과에서 STEAM 학습 프로그램을 개발하고 적용할 경우 학생들의 참여도가 떨 어지는 경향을 보였다. 이를 극복하기 위해서 가능하며 교과의 핵심 주제를 STEAM 학습 프 로그램에 포함시키고 이를 활용할 수 있도록 진행했지만 시험 문제 풀이 식의 학습활동이 필 요하다고 느끼는 학생들도 적지 않았다.
고등학생의 경우 입시나 내신 성적에 민감하기 때문에 교과와의 연관성이 확실한 것을 요구 하였다. 따라서 수행평가의 형태로서 참여를 유도할 수 는 있었으나 학생들의 반응은 적극적 이지는 않은 현상이 나타났다. 교과영역이 적절하게 반영될 수 있도록 STEAM 교수･학습프 로그램을 구성하는 것이 필요하다고 생각되었다.
다. STEAM 교수･학습프로그램 준비 및 운영시간 확보
STEAM 교수･학습프로그램을 효과적으로 적용하기 위해서는 준비해야 될 요소들이 너무 많았다. 기존의 수업형태는 교과서와 동영상자료 또는 간단한 실험기구가 활용되는 정도였 으나 STEAM 프로그램을 위해서는 많은 장비와 도구, 자료 등의 준비해야할 것들이 많았으 며 교과 영역 별로 준비물이 다르기 때문에 이를 통합하는 과정이 필요했다.
그리고 학습활동 시간이 강의식 수업시간 보다 더 많이 필요하고 수업 필요시간을 예측할 수 없는 경우가 많아 정해진 학습 시간에 맞춰 종료하기 어려운 점도 많았다.
따라서 창의적 체험활동 시간 등을 활용해서 주된 학습활동을 해야 하는 경우가 발생하였 고 이 과정에서 여러 가지 이유로 학습활동에 참여하지 못하는 학생들도 발생하였다.
이런 문제들도 STEAM 학습활동에서 해결해야 할 문제로 제시한다.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
직관적 학습도구 제작을 통한 천체관측 교육프로그램 개발
1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정
연번 차시 [중심과목]
2015 개정 교육과정 성취기준 연계과목
1 1~2/6
[10통과09-05]
물질에서 방출되는 빛을 이용하여 다양한 정보를 얻을 수 있음을 설명할 수 있다.
수학
2 3/6 [10수학02-02]
선분의 내분과 외분을 이해하고, 내분점과 외분점의 좌표를 구할 수 있다. 과학 3 4/6 [12미02-03]
표현 재료와 용구, 방법의 특징을 이해하고 표현 과정을 점검할 수 있다. 수학
4 5/6
[기가.0312-1]
융합적 기술과 관련된 문제를 체험 활동을 통해 이해하고, 수학, 과학, 공 학, 예술교과와의 연계를 통한 통합적 관점에서 융합적 기술 프로젝트를 창 의적으로 해결할 수 있다
과학
5 6/6
[과1215]
은하의 크기, 구조, 별의 개수 등의 다양함을 알고 은하와 은하 사이의 공 간 등 우주의 전체 구조를 말할 수 있다.
기술·가정
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 6차시)
차시 주요내용
1~2 /6
주제(단원)명 오목 거울과 볼록거울에 투영된 상의 분석
Co 천체투영실에서 평소에 보면 영상을 투영해서 볼 수 있을까?
Ÿ 평면에 투영하던 영상을 곡면에 투영하면 상이 어떻게 왜곡될까?
Ÿ 왜곡된 상을 펴거나 평면상을 곡면상에 정상적으로 보이게 할 수 있을까?
CD 천체 투영실에서 투영실 전용 영상과 일반 영상을 투영하여 본다.
Ÿ 볼록 거울을 이용하여 오목면에 영상을 투영시켜 본다.
Ÿ 볼록거울과 오목겨울에 투영된 상을 빛의 반사를 이용하여 이해한다.
ET 다양한 거울이 어떤 경우에 사용되는 지를 이해한다.
Ÿ 거울을 이용하여 다양한 체험을 할 수 있는 도구를 만들고 학습에 재미를 갖게 한다.
Ÿ 3~4
/6
주제(단원)명 지오데식 돔 제작법
Co 돔을 만들 수 있는 다양한 방법을 모두 제시한다.
Ÿ 평면인 종이를 이용하여 구를 만들 수 있을까?
3~4 /6
Ÿ 구를 만들기 위한 수학적인 공식이 있을까?
CD 반구 형태인 돔을 만들기 위한 다양한 활동을 전개한다.
Ÿ 인터넷을 통하여 기존에 만들어진 돔 모양 구조물을 검색하고 제작 방법을 탐구한다.
Ÿ 삼각형을 이용한 지오데식 돔 제작 사이트를 방문하여 수학적인 공식을 찾아낸다.
Ÿ 다각형으로 돔 구조물을 만들데 가장 쉽고 견고하게 만들 수 있는 다각형은 무엇인지를 찾아내고 그 이유를 탐색한다.
ET 돔 제작 방법을 많이 찾아낸 조를 칭찬하여 가능하면 다양한 경험을 할 수 있도록 지도 한다.
Ÿ 돔 제작을 위한 전개도를 완성하고 B4용지로 모형을 접어보고 느낀 점을 서로 토의한다.
Ÿ 학생들이 자신이 찾아낸 구조물과 같은 모양을 만들 수 있다는 자신감을 부여한다.
Ÿ 인터넷에서 돔 구조물을 찾아보고 어떤 방식으로 만들었는지를 맞추어 보도록 하고 이를 칭찬하고 보상한다.
5/6
주제(단원)명 모자이크 돔 만들기
Co 평면 재료인 스티로폼 보드를 사용하여 반구 모양의 돔을 만들 수 있을까?
Ÿ 주변에서 볼 수 있는 돔 구조물을 보고 비슷하게 만들어볼까?
Ÿ 지오데식 돔 구조의 원리는 무엇일까?
CD 여러 종류의 다각형을 사용하여 돔 구조를 만드는 방법을 탐색하고 가장 적합한 방법을 찾아낸다.
Ÿ 같은 재료를 사용하지만 다른 학생들과는 다르게 모형을 제작하여 자신만의 아이덴티티가 나타나도록 한다.
Ÿ 삼각형 모양만을 사용한 지오데식 구조물과 다른 형태의 다각형을 사용한 구조물의 차이 점을 무엇인지를 탐구한다.
Ÿ 평면이 실험실 테이블에서 구형의 모양을 제작하는 적절한 방법을 찾아낸다.
Ÿ 돔구조를 만드는 과정에서 수학적인 규칙성을 찾아낸다.
Ÿ 완성된 반구 돔의 외관을 어떻게 꾸밀지를 계획한다.
ET 학생들이 제작한 돔 구조에 대한 동료평가를 하고 우수 조 학생에게 보상을 한다.
Ÿ 학생들이 제작한 돔 구조물을 과학실 복도에 전시하고 제작과겅을 촬영한 동영상을 유튜 브에 올려서 다른 사람들의 반응을 알아본다.
6/6
주제(단원)명 별자리 영상제작
Co 별자리의 이름에 맞는 별자리 판을 만들 수 있도록 기존의 다양한 자료를 찾아본다.
Ÿ 별자리와 그에 따른 운세는 통계적으로 정말로 맞는 것일까?
Ÿ 생일날 밤 자신의 별자리를 볼 수 있을까?
CD 별자리의 변화가 지구가 태양 주위를 공전하기 때문에 나타나는 현상임을 이해한다.
Ÿ 계절에 따른 별자리의 변화를 쉽게 이해할 수 있는 실습환경을 구현한다.
Ÿ 창의적이고 예술적인 별자리 판을 만들고 조명을 이용하여 투영하여 별자리를 볼 수 있는 학습 환경을 구상한다.
Ÿ 자신의 별자리는 낮에 태양 뒤쪽에 있음을 알기 쉽게 설명할 수 있는 학습자료를 제작한 다.
ET 학생들이 제작한 별자리 판을 이용하여 친구들의 별 점을 봐주는 시간을 갖는다.
Ÿ 지구의 공전과 별자리의 변화를 관련지어 창의적이고 재미있는 별자리 점궤를 만든다.
Ÿ 별자리 점궤 놀이를 통하여 자연스럽게 황도 12궁을 이해하고 자신의 별자리와 태양의 위 치를 알고 재미를 느낄 수 있도록 한다.
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
1-1) STEAM 프로그램 1~2차시 수업지도안
중심과목 통합과학 학교급/학년(군) 고등학교/1 학년
중심과목 성취기준
영역
통합과학 1. 물질과 규칙성 중심과목 성취기준
[과1221-1] 물질에서 방출되는 빛을 이용하여 다양한 정보를 얻을 수 있 음을 설명할 수 있다.
주제(단원)명 오목거울과 몰록거울에 의한
빛의 진행 경로 관찰하기 차시 1~2/6
학습목표
• 전자기파의 한 종류인 빛의 성질 중 반사에 관한 내용을 설명할 수 있다.
• 소리와 빛의 차이점을 파장으로 설명할 수 있다.
• 빛의 반사각과 입사각을 이해하고 오목거울과 볼록거울에 의한 빛의 진행에 대해서 설명할 수 있다.
• 거울면으로 부터의 거리에 따른 상의 변화를 이해하고 이를 설명할 수 있다.
연계과목 기술 연계과목
성취기준 영역 [기가.0312-1] 기술의 융합
STEAM 요소
S 빛의 반사와 굴절에 대한 이해와 지식의 확장성 T 돔 구조 제작을 위한 설계도 작성
E 다양한 재료를 사용한 돔 구조물 제작 A 예술적인 돔 구조물 제작과 외장 디자인하기 M 돔 구조 제작을 위한 기하학적인 접근
개발 의도
Ÿ 우리가 생활하는 주변에서 활용되는 특수거울의 예를 찾아보고 그 원리를 이해하고 이를 응용할 수 있는 사고의 확장성 배양
Ÿ 소리와 빛의 전달 조건이 다름에 대한 이해와 전달 매질에 대한 학습의 필요성 Ÿ 오목거울과 볼록거울이 사용되는 사례와 이를 이용하여 천체투영기를 만들 수
있는지의 가능성을 판단할 수 있는지를 알아보는 지식의 적용성 배양
빛의 반사와 관련된 지식을 학습하고 이를 적용하여 볼록거울이 활용된 사례를 찾아 각각의 거울에 숨어있는 원리를 파악하는데 본 차시의 학습 목적이 있다.
주변에서 흔히 접하는 거울을 이용하여 창의적인 도구를 만들어 보고 볼록거울과 오목거울과 같은 원리가 적용된 사례를 찾아 빛의 반사현상을 넘어 다양한 전자기파가 반사되는 것을 학습하고 사고의 확장성을 증진시키는 학습활동을 할 수 있도록 본 차시를 구성하였다.
볼록거울과 오목거울을 이용한 탐구실험을 통하여 거울면으로 부터의 거리와 관련된 상의 변화를 관측하고 그 상에 대해서 토의할 수 있는 기회를 마련하였으며 상의 변화를 예측하여 그림으로 그려볼 수 있는 시간을 제공하여 학생들의 예술성을 발휘할 수 있는 학습활동도 포함하였다. 레이저 광로실험장치와 레이저 포인터를 이용하여 빛의 경로에 대한 시각적인 실험활동을 준비하여 눈에 보이지 않는 빛의 반사와 굴절현상을 쉽게 이해할 수 있게 하고 학습의 호기심도 자극할 수 있도록 구성하였다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (20분)
1. 프랑스 파리의 베르사유궁전에 있는 ‘거울의 방’과 관련된 동영상과 외계 에서 오는 전파신호를 포착하여 외계와 교신을 한다는 내용의 영화
‘Contact’의 외계신호 포착장면이 포함된 동영상을 시청한다.
1) ‘거울의 방’의 동영상을 보고 거울의 이용하여 아름답고 신비로운 전시 관을 만들 수 있을가? Co
Ÿ ‘거울의 방’에 사용된 거울의 개수와 종류는 무엇인지 자연스럽게 얘기 할 수 있는 시간을 갖는다.
Ÿ 어렸을 적에 ‘만화경’을 만들어 본 경험이 있는 학생이 있으면 학생들 에게 발표하도록 지도한다.
Ÿ 준비한 만화경 샘플을 분해하여 내부에 배치된 거울의 위치를 파악하고 놓인 사물이 어떻게 보일지를 예측한다.
[그림1. 시중에서 판매중인 만화경]
2) 영화 ‘Contact’에서 사용된 전파망원경과 오목거울의 구조를 비교하고 오목한 구조물이 사용된 사례를 더 찾아본다. Co
Ÿ 영화에서처럼 실제로 외계신호를 탐색하는데 전파망원경을 사용하는지 인터넷 검색결과를 바탕으로 토의한다.
Ÿ 영화에서 전파신호를 소리로 변환하는 과정은 전파의 파장을 소리의 진 동수로 바꾸는데 문제는 없는 것일까?
Ÿ 교내에 설치된 천체투영관의 내부를 보고 내부구조가 전파망원경의 구 조와 차이점이 있는지를 찾아보고 레이저 포인터을 이용하여 빛이 거울 에서 반사되는 진행 경로를 볼 수 있도록 한다.
[그림2. 베르사유궁전의 ‘거울의 방’과 영화 ‘Contact’]
다양한 종류의 만화경
샘플 거울의 방과 영화
Cantact, 관련 동영상 레이저 포인터
학습 활동 전개 (65분)
1. 오목거울과 볼록거울에 의해 형성된 빛의 진행
[그림 3. 오목거울, 볼록거울과 빛의 경로 ]
1) 실습용 오목거울과 볼록거울을 보고 각각의 거울의 활용에 대해서 토의 한다. CD
Ÿ 볼록거울의 상의 크기는 거리와 어떤 관계가 있는지를 탐구한다.
Ÿ 오목거울의 상의 크기와 모양은 거리와 어떤 관계가 있는지를 탐구한 다.
Ÿ 거리에 따라 보이는 상의 모양과 크기를 스케치하고 그 이유를 간단히 적으시오.
거리
종류 A B C
볼록거울
오목거울
2) 오목거울과 볼록거울 탐구활동 결과를 발표하도록 지도하고 빛의 진행 경로와 관련된 자료를 제시한다.CD
Ÿ 레이저를 이용하여 빛의 광로를 시각적으로 볼 수 있는 실험 장치를 이용하여 오목거울에 반사된 빛의 경로를 볼 수 있도록 실험 준비를 한다.
Ÿ 레이저 포인터를 사용하여 빛의 경로를 볼 수 있도록 실험실의 암막을 하고 조명을 모두 소등한다.
Ÿ 어두운 상태에서 학습활동이 진행되기 때문에 학생들이 레이저 빛이 시야에 들어가지 않도록 조심하고 학습에 집중할 수 있도록 지도한다.
[그림4. 레이저 광로 실험장치]
레이저 광로실험
장치 레이저 포인터 오목거울 볼록거울 평면거울
노트북
① 볼록거울 - A위치에서 보이는 상과 광로
② 볼록거울 - B위치에서 보이는 상과 광로
③ 오목거울 - A위치에서 보이는 상과 광로
④ 오목거울 - B위치에서 보이는 상과 광로
⑤ 오목거울 - C위치에서 보이는 상과 광로
3) 광로를 확인할 수 있는 동영상을 제시한다. CD
동영상 자료 예측활동
광 로 1
광 로 2
광 로 3
Ÿ 동영상학습활동을 통하여 자신이 속한 모둠에서 실습한 것과 같은 점 과 다른 점을 발견하고 그 이유를 설명한다.CD
Tip! 독창적인 의견을 제시하거나 발표하는 경우 칭찬을 하여 학생들이 창 의적인 학습활동을 할 수 있도록 유도한다.
2. 오목거울과 볼록거울의 활용 사례 조사하고 발표하기 CD
1) 오목거울의 사용 사례 자료
사례 발표자료 요약하기
2) 오목거울의 사용 사례 자료
사례 발표자료 요약하기
3. 학습활동보고서를 완성하여 조별로 발표한다. CD
Ÿ 관계도를 그릴 때 가능한 그림을 사용하여 시안성이 좋게 나타나도록 지도한다.
Ÿ 조별 발표자를 정해서 발표하고 우수한 조를 칭찬하고 보상한다.
Ÿ 광로를 알아보는 탐구활동을 동영상으로 촬영하여 추후에 유튜브(You
Tube) 동영상 사이트에 올려 서로 공유할 수 있도록 지도한다.
마무리 (15분)
1. 조별로 작성한 학습 포스터를 실험실 벽에 붙이고 학생들이 스티커를 붙 여서 평가하는 시간을 제공한다. ET CD
Ÿ 우수한 조로 선정된 학생들에게 적절한 보상을 하고 칭찬한다.
2. 광센서를 이용하여 안전성을 높일 수 있는 분야에 대한 탐구와 조사를 할 수 있도록 과제를 제시한다.
3. 다음 차시의 학습 내용을 제시하고 필요한 선행학습 과제를 부여한다.
학습결과 물 포스터
지도상 유의점
1. 레이저 포인터를 이용한 탐구활동 시에 눈에 향하지 않도록 특별하게 강 조하여 지도한다.
2.학습내용이 교과서의 내용과 다소 거리감이 있을 수 있기 때문에 학생들 의 흥미를 자극할 수 있도록 수업을 진행한다.
3. 다음차세에 사용할 준비물을 미리 보여주는 경우가 많기 때문에 준비물 이 파손되거나 분실하지 않도록 지도한다.
1_2) 학생활동자료
차시 및 학습 주제 1차시 : 다양한 거울에 의해서 나타나는 반사현상 학년 반 번호 이름
1. 탐구실험 목표
Ÿ 거울에 반사된 사물의 모양을 빛의 반사와 관련된 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.
Ÿ 스넬의 법칙을 이용하여 빛의 경로를 그림으로 그릴 수 있다.
2. 준비물
오목거울, 볼록거울, 평면거울, 레이저 포인터, 레이저 광로실험장치, 자, 각도기
3. 탐구활동 과정
가. 제시된 평면거울 반사되는 거울상을 알아보기 위한 광로를 완성하시오.
나. 제시된 볼록거울 반사되는 거울상을 알아보기 위한 광로를 완성하시오.
다. 제시된 볼록거울 반사되는 거울상을 알아보기 위한 광로를 완성하시오.
4. 학습결과의 확장
가. 실험결과를 바탕으로 빈칸을 채우시오.
거울 종류
거울상의 모양 평면거울 볼록거울 오목거울
거울면과 물체와의 거리가 증가하면 상 의 크기는?
거울상의 모양 좌우 반대모양
물체가 초점 안쪽에 위치할 경우 나타나 는 상의 형태는?
나. 각 거울이 이용되는 예와 그 이유를 조사하여 적으시오.
사례와 이유
거울 종류 이용 사례 이유
평면거울 볼록거울 오목거울
5. 활동 마무리
본 학습활동하면서 느낀 좋은 점과 나쁜 점을 한 가지씩 적으시오.
차시 2차시 : 오목거울과 볼록거울의 빛의 경로 학년 반 번호 이름
1. 탐구실험 목표
Ÿ 거울에 반사된 사물의 모양을 빛의 반사와 관련된 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.
Ÿ 스넬의 법칙을 이용하여 빛의 경로를 그림으로 그릴 수 있다.
2. 준비물
오목거울, 볼록거울, 평면거울, 레이저 포인터, 레이저 광로실험장치, 자, 각도기
3. 탐구활동 과정
가. 그림1에 제시된 볼록거울의 위쪽의 광로를 완성하고 이 거울의 초점이 위치를 작도하여 나타내시오.
그림1. 볼록거울의 빛의 경로
나. 그림2에 제시된 오목거울의 광로를 완성하고 이 거울의 초점이 위치를 작도하여 나타내시오.
그림2. 오목거울의 빛의 경로 4. 학습 결과
Ÿ 위 활동에서 나타난 구심과 초점의 차이를 정의를 이용하여 서술하시오.
차시 2차시 : 오목거울과 볼록거울의 빛의 경로 교사용 자료( 탐구실험 정답안)
1. 탐구실험 목표
Ÿ 거울에 반사된 사물의 모양을 빛의 반사와 관련된 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.
Ÿ 스넬의 법칙을 이용하여 빛의 경로를 그림으로 그릴 수 있다.
2. 준비물
오목거울, 볼록거울, 평면거울, 레이저 포인터, 레이저 광로실험장치, 자, 각도기
3. 탐구활동 과정
가. 그림1에 제시된 볼록거울의 위쪽의 광로를 완성하고 이 거울의 초점이 위치를 작도하여 나타내시오.
그림1. 볼록거울의 빛의 경로
나. 그림2에 제시된 오목거울의 광로를 완성하고 이 거울의 초점이 위치를 작도하여 나타내시오.
그림2. 오목거울의 빛의 경로
4. 학습 결과
Ÿ 초점은 거울 면에 반시된 빛이 만나는 점이고 구심은 겨울면의 곡면의 중심점에 해당한다.
