프로젝트

(1)

GERMANY ᵲ॒

ᨱ

ᮖ⧊ᯙᰍƱᮂ 45& ". ᬑᙹƱᬱ⧕᫙ᩑᙹ

ԁ}ෝݍ݅ S T E A M

(2)

(3)

프로젝트

03 다리 구조물에 숨겨진 비밀 18 발효, 그 신비한 효과!

34 건강한 음료수를 마셔요 44 마테마티쿰 속 빛의 당구대 65 범인을 찾아라!! DNA의 비밀 76 빛의 정체를 밝혀라!!

교사 연수 후기

097 STEAM! 독일의 와인 속에 빠지다. (와인실험) 098 독일에서 STEAM 교육의 본질에 대하여 생각하다.

099 독일 연수에 관한 단상

100 우수한 인력이 바탕이 되는 과학, 스팀의 경쟁력 101 독일 연수를 다녀와서

102 체험위주의 과학관, 수학관

103 지역사회와 함께하는 STEAM 교육

104 지역의 우수성을 알릴 수 있는 STEAM 교육

104 독일의 STEAM 교육

(4)

(5)

다리 구조물에 숨겨진 비밀 발효, 그 신비한 효과!

건강한 음료수를 마셔요

마테마티쿰 속 빛의 당구대

범인을 찾아라!! DNA의 비밀

빛의 정체를 밝혀라!!

(6)

(7)

다리 구조물에 숨겨진 비밀

안 숙 , 함 형 인

1 주제 개요

교량은 우리의 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 구조물의 하나이다. 현대의 구조물은 차량 및 사람이 이동하는 수단 이외에 도시를 아름답게 만드는 역할도 하고 있다. 이러한 다리 구조물에는 과학, 공학, 기술, 예술, 수학 등의 융합적 요소가 숨어 있는데, 이러한 생활 속에 융합적 요소가 숨어있 는 구조물을 탐구하는 과정은 미래를 살아갈 학생들이 꼭 갖추어야 할 역량이라고 할 수 있다. 이 에 본 프로그램에서는 다리 구조물에 숨겨있는 융합적 요소를 탐색함으로써 학생들의 융합적 소양 을 신장할 수 있도록 구성하였다.

2 학습 목표

내용 목표 •아치형과 트러스형 구조물에서 힘을 분산시키는 원리를 이해할 수 있다.

•아치형과 트러스형 구조물을 직접 만들어 볼 수 있다.

•우리 주변에서 아치형과 트러스형 구조물을 찾을 수 있고 구조적 특성을 설명할 수 있다.

•동일한 재료를 사용하는 경우에도 배치와 구조를 다르게 함으로써 견딜 수 있는 무게가 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다.

과정 목표 •안전한 구조물 제작을 위한 모둠별 토론을 통해 의사소통능력이 향상 된다.

•구조물을 제작하는 과정에서 관련 직업을 탐구해본다.

(8)

4

3 STEAM 과목 요소

S : 다리 구조물에 작용하는 힘의 종류 이해하기 T/E : 다리 구조물 건설의 이해 및 영향 이해하기 A : 창의적 주제 표현과 방법, 조형의 아름다움

4 STEAM 단계 요소

상황제시 •이 시대 대한민국의 키워드 중 하나는 “안전”일 것이다. 20년 전의 일이 지만 성수대교가 붕괴되는 사고는 대한민국 국민이라면 모두의 기억 속 한 부분을 차지하고 있을 것이다. 다리 구조물을 안전하게 만드는 방법은 무엇일까? 이에 대하여 탐구해보도록 하자.

창의적 설계 •제시한 재료를 활용하여 가장 안전한 구조물을 만들 수 있도록 설계한다.

•이 때 구조물의 무게는 최소한으로 하고 견딜 수 있는 무게를 최대한으로 할 수 있는 방법에 대하여 고려한다.

감성적 체험 •제작한 구조물에 하중 실험을 통하여 성공의 기회를 경험한다.

•구조물 제작과정을 통하여 자신의 진로와 적성을 탐색한다.

5 제작 의도

토목 구조물은 우리 주변의 구조물 중에 공익성과 공공성을 제일 많이 띄고 있는 것 중에 하나이 다. 이 중 우리가 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 것 중에 하나가 교량인데 그 교량의 종류는 매우 다양하며 환경을 고려하여 그 구조가 선택되게 된다. 하지만 우리는 일반적으로 다리라고 이야기 할 뿐 그 안에 숨겨져 있는 여러 과학‧기술‧공학‧수학‧예술적 원리를 생각하지 못하고 있다. 또한 토 목 구조물은 그 크기와 중요성만큼 잘못 제작된다면 그 피해 또한 상상 할 수 없을 만큼 큰 결과 를 초례할 것이다.

본 프로그램에서는 다리 구조물에 숨겨져 있는 비밀에 대하여 알아보고 학생들이 안전한 구조물을 설계하고 이를 다양한 재료로 만들어 보는 과정을 통하여 감성적 체험을 할 수 있도록 구성하였다.

(9)

평가 영역 평가 내용 평가방법

지식과 내용

•구조물에 작용하는 과학, 기술, 공학, 수학, 예술의 원리를 잘 이해하고 있는가?

•교량의 종류 및 특징에 대하여 잘 이해하고 있는가?

수행평가

6 차시별 계획 총괄표

차시 주제 교수 ․ 학습 활동 학습자료

및 유의점

1 (45분)

다리 구조물에 숨겨진

비밀

과거에서 현재까지 존재하는 교량의 모습을 보여주며 다리의 역할을 확인시켜준다.

(참고 동영상: 서해대교 홍보동영상:

https://www.youtube.com/watch?v=-pYFaky569o) 다리 구조물에 숨겨진 과학적 원리에 대하여

학생들에게 발문한다.

“다리에는 어떤 과학적 원리가 숨어 있을까요?”

- 다리에 작용하는 힘의 원리 및 트러스 구조물, 아치형 구조물의 원리를 설명한다.

모둠별로 토론을 통하여 가장 안전한 다리 모형을 설계해보자.

모둠별로 설계한 다리 구조물을 발표해보자.

학습지 PPT

2 (45분)

종이를 활용하여 일정한 무게를 견디는 다리 구조물 을 만들어보자.

하중을 골고루 분산할 수 있는 종이구조물에 대하여 창의적으로 설계한다. 이 때, 다리의 모양이

외부환경에 미치는 영향을 고려한다.

모둠별로 완성한 종이 다리 구조물에 자동차가 지나갈 수 있도록 구성한 후 하중 실험을 해본다. .

조별로 제작한 동영상

7 평가 계획

(10)

6

기능 및 기술 •안전하고 아름다운 구조물을 제작하였는가?

•교량 재하실험을 통과하였는가? 산출물평가

정의적 측면 •교량 제작 과정에 모둠원 전체가 성실하게 참여하였는가? 관찰평가

의사소통

•모둠원들과 의사소통을 잘 하고 다른 사람의 의견을 잘 듣는가?

•자신이 만든 교량의 특징 및 원리를 학생들이 공감하도록 충분히 설명하는가?

관찰평가, 동료평가

학습

과정 교수 ․ 학습 활동 학습자료

및 유의점

교사 자료

도입 (10분)

과거에서 현재까지 존재하는 교량의 모습을 보여주며 다리의 역할을 확인시켜준다.

(참고 동영상: 서해대교 홍보동영상

https://www.youtube.com/watch?v=-pYFaky569o)

다리 구조물에 관련된 자료를 학생들에게 보여주고 우리 생활 에 미치는 영향에 대하여 발문한다.

바람직한 예 부정적인 예

물류 수송 수단

도시의 아름다운 경관 성수대교 붕괴사고

다리 구조물을 건설할 때는 안전과 미관, 제작비용 등 다양한 고려사항이 있다는 것을 숙지할 수 있도록 안내한다.

PPT

8 차시별 교수학습과정

1차시 다리 구조물에 숨겨진 비밀은 뭘까?

(11)

학습

및 유의점

교사 자료

전개 (30)

다리 구조물 프로젝트에 대하여 모둠에게 설명하고 안전하고 미관이 뛰어난 교량을 설계한다.

다리 구조물의 종류와 다리 구조물에 작용하는 힘의 원리를 설명한다.

과학적 원리 기술/공학적 원리

중력, 압축력, 인장력, 탄성력 등 사장교, 현수교, 라멘교, 아치교, 트러스교

다리 구조물을 만들기 위해서 고려해야 할 사항은 무엇인지 모둠별로 토의한다.

- 자신이 생각하는 다리 구조물이 갖추어야 할 요인 - 타인이 생각하는 다리 구조물이 갖추어야 할 요인 - 우리 모둠이 생각하는 다리 구조물의 컨셉은?

모둠별 토의를 통한 컨셉 교량을 스케치해본다.

- 모둠이 선택한 교량의 형태에 맞는 교량을 그려본다.

교사는 모둠별로 선택한 교량의 형태에 대한 이유를 학습지에 적어보도록 안내한다.

참고자료 제시

발표하기

- 모둠별로 스케치한 그림을 전체 학생에게 발표해보도록 하고 모둠별 교량의 특징 및 구조에 대하여 설명한다.

교사는 학생들이 발표할 때 힘의 분산과 교량의 형태를 선택한 이유, 교량의 외관이 도시 전체에 미치는 영향을 중심으로 발표할 수 있도록 안내한다.

활동지

자유롭게 표현하도록 유도한다.

정리 (5분)

학습내용과 활동내용에 대해 의견 나누기

다리 구조물의 탐구 과정에서 자신의 소질과 적성의 발견 모둠별 토의 과정 중 타인의 의견을 경청한다.

(12)

8 학습

및 유의점

교사 자료

도입 (5분)

문제상황 제시하기

- 지난 차시에 했던 활동으로 종이 구조물 만들기 프로젝트에 대한 간단한 설명을 한다.

- 지난 차시에 모둠별 발표한 내용을 요약 정리한다.

전개 (35분)

설계한 내용을 바탕으로 종이구조물을 제작한다.

교량의 융합적 원리에 대하여 학생들이 탐구할 수 있도록 한다.

교량의 재하실험 결과 점수 산출 방법에 대하여 안내한다.

재하실험 점수= 올린 책의 무게/구조물의 무게

학생들에게 가장 가벼운 구조물로 가장 많은 책을 올려야하는 원리를 설명한다. 즉, 구조물의 하중 분산의 방법이 가장 중요한 점을 부각시킨다.

완성된 종이 구조물로 재하실험을 실시한다.

선택한 교량의 특징에 대하여 설명하고 재하실험에 들어간다.

재하실험은 구조물 재하실험 장치에 종이구조물을 설치 한 후 같은 무게의 책을 올려놓는 방식으로 진행한다.

재하실험 장치를 핸드폰 슬로모션 앱을 활용하여 촬영을 한 후 이를 피드백에 사용하며, 구조물에 작용하는 힘과 붕괴과정을 통하여 하중이 작용하는 모습을 확인할 수 있다.

학생들은 완성된 작품과 가벼운 종이로 무거운 책을 들어올릴 수 있다는 것에 성취감을 느낄 수 있도록 한다.

- 재하실험에서 높은 점수를 받은 모둠의 구조물에 대하여 자신의 모둠과 다른 점을 탐구할 수 있도록 한다.

활동지

종이 2장(A4), 나무젓가락 4쌍, 접착제, 칼, 자, 볼펜

정리 (5분)

구조물 만들기 활동에 대한 소감문 작성 및 발표하기 구조물 완성을 통한 성취감 느끼기

조별로 구조물에 대하여 평가하기 2차시 종이 다리구조물을 건설해보자.

(13)

학생 활동지1 다리 구조물에 숨겨진 비밀은 뭘까?

모둠명 : / 학년 반 번 이름:

일시: 201 년 월 일 교시

▶ 트러스 구조란?

트러스(Truss)구조는 여러 개의 직선 부재들을 한 개 또는 그 이상의 삼각형 형태로 배열하여 각 부 재를 절점에서 연결해 구성한 뼈대 구조를 뜻한다.

트러스 구조는 어떠한 건물 혹은 구조물에 있어서, 그 구조물이 받는 외부압력 등을 분산시켜서 건물 이 휘는 것을 막아주고, 안정감을 주는 동시에 아 름다움을 주기 위한 목적으로 사용된다. 트러스는 축방향 만으로 힘을 받는 직선 재료를 핀으로 결합 하여 효율적으로 힘을 전달하는 구조시스템이다.

▶ 트러스의 구성

- 부재: (상현재, 하현재, 경사재, 수직재) - 절점 : ()와 (부재)가 만나는 점

▶ 트러스구조에 작용하는 힘

대각선 부재는 (압축력)을, 대각선 부재는 (압축력)을,

(14)

10

1. 구조물에 작용하는 힘의 종류 (화살표로 힘을 표시하세요)

압축력 인장력

물체를 양쪽에서 (누르는 힘) 물체를 양쪽으로 (잡아당기는 힘)

전단력 휨모멘트

재료의 횡방향으로 작용하여 부재를 (파단 시키는 힘)

재료에 직각방향으로 힘이 작용하여 (압축력)과 (인장력)이 동시에 작용하여 휨이 발생

2. 보

하중

하중 작용 전 하중 작용 후

(1) 하중이 작용하면 보의 가운데를 중심으로 상부에는 (압축력)이 하부에는 (인장력)이 발생함

→ (휨모멘트)

(2) 위의 보가 붕괴 된다면 어디부터 붕괴될까? (상부, 가운데, 하부) (3) 대부분의 재료는 (인장력)에 약함.

(15)

학생 활동지2 종이 다리구조물을 건설해보자.

교량 구상하기 (스케치 및 구상도 그리기)

(16)

12

(17)

9 참고 자료

▶ 트러스 구조물의 하중 분산 원리

▶ 트러스의 종류¹⁾ 1) Warren트러스

2) Howe트러스

3) Pratt트러스

(18)

14

4) Parker트러스

5) K트러스

6) Baltimore트러스

(19)

▶ 종이 아치교 만들기 1. 준비물

복사 종이 2장(A4 크기), 나무젓가락 4쌍, 접착제(목공용, 순간접착제), 칼, 자, 볼펜, 같은 책 여러 권 ※ 참고 : 여러 종류의 종이를 사용할 수 있으나 적은 무게로 큰 것을 지탱하면 더 좋은 일이

겠지요.

2. 어떻게 할까요?

가. 설계하기

(1) 복사 종이(A4 크기)위에 아래 [그림 2]와 같이 가로 25cm, 세로 16cm 크기의 사각형에 가로 6등분, 세로 8등분의 칸을 만들고 세로 선은 지운다. 전체 크기는 조금 달라도 가로 6등분과 세로 8등분의 칸은 만들어야 한다.

(2) 아래 와 같이 대각선으로 그어 마름모 모양을 만든다.

(3) 가로 선을 점선으로 그어 대각선과 구분 짓는다.

[그림 1] 설계하기 [그림 2] 설계 완성하기

(4) 같은 방법으로 1장을 더 만든다.

(5) 이 작업을 워드프로세서의 표 그리기와 대각선 긋기를 이용하면 매우 편리하다.

나. 접기

(1) [그림 3]와 같이 칼이나 가위를 이용하여 바깥 둘레(사각형)를 정확하게 잘라 낸다.

(2) [그림 4]과 같이 모든 대각선(실선)을 같은 방향으로 정확하게 접는다. 접은 지점의 윤곽이 뚜렷해야 나중에 잘 접힌다.

(20)

16

(3) [그림 5]과 같이 실선을 모두 접었으면 가로선(점선)을 선에 맞게 정확하게 접는다.

(4) [그림 6]과 같이 가로선(점선)의 반대 방향으로 다시 한 번 접는다.

[그림 5] 선 따라 접기 [그림 6] 다시 반대로 접기

※ 주의 : 가로선(점선은) 대각선(실선) 방향과 반대로 접어야 하며([그림 3]의 ①과 ②는 반대로 접혀야 한다.) 윤곽이 뚜렷하게 접되 찢어지지 않게 조심한다.

다. 트러스·아치 만들기

(1) 전체를 가볍게 구부려 골이 위에 가도록 정리한 후, 끝에서부터 점선은 아래로(골 부분이 아 래로)가도록, 실선은 위로 가도록(마루 부분은 위로 가도록) 천천히 접어나간다.

(2) 다 접으면 아치형 모형이 완성된다.

(3) 다시 반복하여 1개를 더 만든다.

(4) 종이 구조물 2개를 목공용 본드를 이용하여 나무젓가락에 붙여 구조물을 지탱할 수 있는 받 침대를 만든다.

라. 얼마나 튼튼할까?

(1) 나무젓가락 3개를 반으로 갈라서 순간접착제로 붙여 물건을 올려놓을 받침대를 만들고 구조물 위에 올려놓은 다음 같은 크기의 책을 올려놓으면서 얼마나 견딜 수 있는지 측정하여 보자.

( 권, g)

(21)

마. 원리 찾기

⼗ 종이 한 장으로 여러 권의 책을 올려놓을 수 있는 이유를 생각해 보자.

바. 생각 늘이기

여러 개의 구조물을 이용하여 다양한 구조물을 생각하고 만들어 보자. - 가능한 여러 명의 아이 디어를 합치자.

(22)

18

발효, 그 신비한 효과!

김 용 균

1 주제 개요

세계 인구의 도시밀집화가 심화되고 통행수단이 발달하면서 세균에 의한 질병이 대량으로 발생하 고, 슈퍼박테리아의 위험성이 알려지면서 각종 항균 제품에 대한 관심이 커지고 있다. 하지만 다른 한편으로는 미생물을 이용한 발효를 통해 장내 유해균과 몸속 독성물질 및 발암물질을 제거하고 혈전을 용해시킬 수 있으며, 감칠맛 나는 음식을 섭취할 수 있다. 발효 과정에서 미생물에 의해 물 질이 어떻게 변화되는걸까? 포도주가 발효되는 과정을 통해 이를 탐구해보자.

2 학습 목표

내용 목표 •발효의 의미와 장점을 이해할 수 있다.

•발효 과정에서 세균과 효모의 역할을 이해할 수 있다.

•발효 과정에서 일어나는 물질의 변화를 이해할 수 있다.

과정 목표 •포도의 발효 과정에서 이산화 탄소와 당도를 측정할 수 있다.

•포도주를 분별 증류할 때 알코올의 함량 변화를 측정할 수 있다.

•발효 과정에서 일어나는 물질의 변화와 인간에게 이로운 점을 4컷 만화로 표현할 수 있다.

(23)

3 STEAM 과목 요소

S : 포도의 발효 과정에서 이산화 탄소 발생량, 당도, pH, 알코올 함량을 측정하고 분별 증류하기 T, E : 포도주 제조 기술을 확인하고 발효 공정 설계하기

A : 발효 과정에서 일어나는 물질의 변화를 4컷 만화로 표현해보기, 발효와 가족을 단순화 그림으 로 표현하기

M : 포도즙의 변화 과정에서 측정값들이 갖는 수학적 의미 이해하기

4 STEAM 단계 요소

상황제시 •발효 영상물 시청을 통해 현대인을 괴롭히는 각종 성인병과 아토피 질환 들에 대한 발효 식품의 효과를 인식하고, 발효 과정에서 미생물들이 음식 물을 분해하여 유용한 물질로 변화시킨다는 것을 확인한다.

창의적 설계 •세계의 대표적인 발효 식품의 종류와 발효 식품이 인간에 미치는 효과를 조사한다.

•모둠별 협력활동을 통해 발효 과정에서 일어나는 물질의 변화와 이로운 점을 캐릭터로 형상화하여 4컷 만화로 제작한다.

•포도의 발효 과정에서 이산화 탄소의 양과 당도를 측정한다.

•발효 조건을 고려한 발효 공정을 설계한다.

•포도의 발효 과정에서 pH와 알코올 함량을 측정한다.

감성적 체험 •4컷 만화를 통해 발효 과정에서 일어나는 물질의 변화에 대한 자신의 생 각을 발표한다.

•4컷 만화 감상을 통해 발효 과정에서 일어나는 물질의 변화에 대한 생각 을 다른 모둠원들과 공유한다.

(24)

20

및 유의점

1

발효와 발효 식품의

효과 4컷만화

그리기

발효 영상물 시청을 통해 발효의 효과를 확인한다.

알코올의 발효와 산화 환원

세계적인 발효 식품의 예와 발효의 조건 및 발효 식품의 효과에 대하여 조사한 자료를 발표한다.

모둠별로 발효 과정의 물질의 변화와 이로운 점을 캐릭터로 형상화하여 4컷 만화로 표현한다.

자신의 아이디어를 창의적으로 표현하기

제작한 4컷 만화를 발표하고 감상하면서 생각을 공유하고 내면화 한다.

인터넷, 스마트폰 사용 교실환경, PPT 자료, 발효 자료 영상, PC, 크루캐스트

2

발효 공정 설계 및 물질변화

모둠별로 발효조건을 고려하여 발효 공정 설계해보기 발효 기술, 발효 공학

포도즙 속의 이산화 탄소의 양과 당도를 측정한다.

알코올 발효 과정 용액 속 용질의 용해도

포도즙 발효 전과 후의 알코올 함량을 측정하여 비교한다.

모세관 현상

포도즙, 포도주, 효모, 눈금실린더, 당도계

5 제작 의도

이 프로그램은 우리 몸 속과 주변에서 늘 함께 하는 세균들을 이용하여 인간들이 어떻게 유용한 음식을 만들고 이용하는지를 탐구하고자 하는 목적으로 제작되었다. 독일은 맥주도 유명하지만 라 인강을 따라 대량으로 재배되는 포도를 발효시킨 와인 산업이 대단히 발달하였다. 포도의 발효 과 정에서 이산화탄소의 발생량과 당도를 측정하고 적정하며, 분별 증류를 통해 알코올을 분리하면서 발효 과정에서 수반되는 물질의 변화를 이해한다. 우리나라에도 김치, 막걸리와 같은 많은 발효 식 품들이 제조, 판매, 시식되고 있다. 과학에 대한 흥미를 유발하고 실생활과의 관련성을 인식하게 하면서 융합적이고 창의적인 사고력 증대를 통해 우리나라 산업에 대한 이해와 저변을 확대하고자 이 프로그램을 제작하였다.

6 차시별 계획 총괄표

(25)

차시 주제 교수 ․ 학습 활동 학습자료 및 유의점

3

발효과정 물질 변화 및

과정에 대한발표

pH를 측정하면서 포도주를 적정해 포도주 속의 산의 농도를 측정한다.

로그함수의 활용

포도주를 분별 증류하여 알코올을 분리 및 함량을 측정한다.

분별 증류를 이용한 혼합물 분리

pH미터, 주정계, 분별 증류 키트(SSC), 비중병

7 평가 계획

지식과 내용 •발효의 원인 및 과정을 잘 이해하고 있는가?

•발효 과정에서 물질의 변화를 이해하고 있는가? 관찰평가

기능 및 기술 •포도즙 속의 이산화 탄소의 함량을 정확하게 측정하고 해석하는가?

•적정을 통해 산의 농도를 정확하게 구하는가?

동료평가 관찰평가

정의적 측면 •모둠 활동에 적극적으로 참여하는가? 관찰평가

의사소통 •모둠원들과 의사소통을 잘하고 다른 사람의 의견을 잘 듣는가?

•자신이 만든 4컷 만화를 학생들이 공감하도록 충분히 설명하는가?

관찰평가 동료평가

(26)

22

8 차시별 교수학습과정

1차시 발효, 그 신비한 효과!

학습

및 유의점

교사 자료

도입 (15분)

1차시

발효 영상물 시청을 통해 몇 가지 발효 생성물의 발효 과정과 효과를 확인하고 발효의 장점을 인식한다.

알코올 발효와 산화 환원

- KBS 발효(https://youtu.be/xmmc5YfhoV4)

발효에서 세균과 효모의 긍정적인 효과를 인식할 수 있도록 한다.

동영상 자료 10′40″

전개 (30분)

세계적인 발효 식품의 예와 발효의 조건 및 발효 식품의 효과에 대하여 조사한 자료를 발표한다.

발효 기술, 발효 공학

- 발효가 일어나기 위한 조건을 파악한다.

- 조사 자료에 대한 질문과 토론을 진행하여 이해를 돕는다.

조별로 중복되지 않게 발표하도록 유도한다. 4컷 만화에 활용할 소재를 찾을 수 있도록 안내한다.

발효 과정에서 물질의 변화와 이로운 점을 캐릭터로 형상화하여 4컷 만화로 표현한다.

자신의 아이디어를 창의적으로 표현하기 - 모둠별로 협의하여 4컷 만화 구상하기 - 협업을 통해 구상한 작품 제작하기

재미있는 캐릭터로 발효 과정과 물질 변화를 형상화할 수 있도록 유도한다.

학생 활동지1 4컷 만화 학생 활동지2 크류캐스트 (미러링)

수업 PPT

정리 (5분)

제작한 4컷 만화를 발표하고 감상하면서 생각을 공유하고 내면화 한다.

- 모둠별로 4컷 만화를 발표하기 - 다른 모둠의 생각 확인하기

(27)

학습

및 유의점

교사 자료 도입

(5분)

포도주를 만드는 과정을 소개하면서 포도주가 발효 식품임을 안다.

전개1 (45분)

포도즙 속의 이산화 탄소의 양과 당도를 측정한다.

용액 속 용질의 용해도

- 포도즙이 담긴 눈금 실린더에 고무관을 꽂아 꽉 잡은 뒤 흔들어 녹아 있던 이산화탄소 때문에 포도즙이 뿜어져 나오도록 하고, 이 과정을 여러 차례 반복한다.

- 더 이상 나오지 않을 때 남은 포도즙의 양을 측정하여 비교표를 이용하여 이산화 탄소의 양을 결정한다.

포도즙이 뿜어져 나올 때 주의하고 이산화 탄소가 생성 되는 이유를 생각해보도록 유도한다.

- 당도계를 이용하여 포도즙과 포도주의 당도를 측정하여 비교한다.

당도계에는 액체가 패널의 윗면에 기포가 없으면서 가득찼을 때 가장 정확한 값을 나타낸다. 당도가 어떻게 변했는지, 그 변화가 의미하는 바가 무엇인지를 토론하고 학습지를 작성한다.

포도즙 발효 전과 후의 알코올 함량을 측정하여 비교한다.

모세관 현상

- 주정계를 이용하여 포도즙과 포도주의 알코올 함량을 측정한다.

주정계에 액체가 들어갈 때 공기가 들어가지 않도록 주의한다.

흔들이 실린더세트, 비커, 학생 활동지3 주정계, 비커

수업 PPT

전개 2 (40분)

pH를 측정하면서 수산화 나트륨 수용액으로 포도주를 적정해 포도주 속의 산의 농도를 측정한다.

로그함수의 활용

- pH미터를 이용해 포도주를 적정하고 포도주 속의 산의 농도를 알아낸다.

- pH가 1이 변할 때 수소 이온의 농도 변화를 생각해본다.

(pH=-log[H+])

pH미터는 예민하고 값이 쉽게 변하므로 주의를 기울여서

pH미터, 교반기, 뷰렛, 비커, 학생활동지 4

SSC 분별 증류 키트, 가열기

수업 PPT, 2-3차시 발효 산물을 알아보자!

(28)

24 학습

및 유의점

교사 자료 충분한 시간을 두고 측정한다. 항상 측정기기는 그 값이

일정해졌을 때 읽는다. 적정을 통해 산의 농도를 알 수 있다.

포도주를 분별 증류하여 알코올을 분리해내고 알코올 함량을 측정한다.

분별 증류를 이용한 혼합물 분리

- SSC 분별 증류 키트를 이용해 분별 증류한다.

- 분별 증류하기 전과 후의 알코올 함량을 비교한다.

가열할 때 알코올 램프 대신 가열기를 사용하며 화상을 입지 않도록 주의한다.

정리 (10분)

발효 식품이 우리 가족을 행복하게 하는 짧은 장면을 구상하고 단순화된 그림으로 표현하고 발표한다.

자신의 아이디어를 창의적으로 표현하기

학습지

(29)

학생 활동지1 발효, 그 신비한 효과!

▶ 세계적인 발효 식품의 예는 어떤 것들이 있는가?

▶ 발효의 조건은 무엇인가?

▶ 발효 식품이 사람들에게 이로운 점은 어떤 것인가?

(30)

26

학생 활동지2 발효 4컷 만화

▶ 발효 과정에서 물질의 변화와 이로운 점을 캐릭터로 형상화하여 4컷 만화로 표현해보자.

(31)

학생 활동지3 포도즙과 포도주 분석Ⅰ

▶ 발효 공정 설계하기

발효 조건을 고려하여 포도주를 대량으로 발효시키는 과정을 단계별로 구별하여 그림으로 표현 해보자. 단계별로 조건과 특이사항을 기록한다.

포도→

→포도주

▶ 이산화탄소의 함량 측정

준비물: 흔들이 실린더 세트, 비커

1. 그림과 같은 흔들이 실린더 세트의 눈금 실린더에 100mL의 포도즙을 담는다.

2. 고무관의 콕을 고정시킨 뒤 눈금실린더에 맞추어 뚜껑을 닫는다.

3. 포도즙이 담긴 눈금 실린더를 뚜껑이 튀어나가지 않도록 꽉 잡은 채 흔들어 준다.(처음에는 천천히 흔들고, 점차 세게 흔든다.)

4. 비커에 고무관의 끝을 집어넣은 뒤 콕을 열어 포도즙이 뿜어져 나오도록 한다.

5. 3-4의 과정을 여러 차례 반복한다.

6. 포도즙이 더 이상 나오지 않을 때 남은 포도즙의 양을 측정하고 비교표를 이용하여 이산화탄소의 양을 결정한다.

흔들이 실린더 세트

실린더 속 이산화 탄소 함유량 더 이상 액체가 뿜어져 나오지 않을 때 남은 액체의 부피: mL

이산화탄소의 함유량: g/L

(32)

28

▶ 당도 측정

준비물: 피펫, 종이타월, 굴절식 당도계, 여과장치 1. 여과장치를 이용하여 포도즙을 여과시킨다.

2. 여과시킨 포도즙을 당도계의 패널에 기포가 생기지 않도록 전체를 덮을 정도로 떨어뜨린다.

3. 굴절면을 햇빛이 있는 곳을 향하게 하고 접안부를 들여다 보고 눈금을 읽는다.

▶ 비중 측정

준비물: 비커, 비중병, 저울 1. 비중병의 질량을 측정한다.

2. 비중병에 가득 차도록 포도즙을 담는다.

3. 비중병의 질량을 다시 측정하여 포도즙의 질량을 구한다.

4. 비중병의 부피와 포도즙의 질량을 이용하여 포도즙의 비중을 구한다.

굴절식 당도계

당도와 오슬레도의 관계

비중병 당도 : Brix

설탕 함량 : 포도즙 비중 :

(33)

▶ 알코올 함량 측정

준비물: 여과 장치, 피펫, 종이 타월, 증류수, 주정계 1. 포도즙을 여과장치를 이용하여 여과시킨다.

2. 여과액을 주정계에 그림 B와 같이 조심스럽게 담는다.

3. 포도즙이 담긴 주정계를 거꾸로 뒤집어 놓고 눈금의 변화가 없을 때 눈금을 읽는다.

4. 포도즙과 같은 방법으로 포도주의 알코올 함량을 측정한다.

주정계 사용법 주정계 실험

포도즙 알코올 함량 : % 포도주 알코올 함량 : %

▶ 실험 결과 해석

(34)

30

학생 활동지4 포도즙과 포도주 분석Ⅱ

▶ 포도주 속 산의 농도 결정

준비물: pH 미터, 교반기, 비커(100mL), 눈금 실린더, 뷰렛(50mL), 0.1M NaOH 수용액, 증류수 1. 포도주 10mL에 증류수를 섞어 100mL로 만든다.

2. 아래 그림과 같이 희석시킨 포도주 25mL를 비커에 담고 pH 미터를 담가 pH를 측정한다.

3. pH를 측정하면서 뷰렛을 이용하여 0.1M NaOH 수용액을 pH가 7이 될 때까지 넣는다.(중화 점은 마지막 한 방울을 넣었을 때 pH가 급격하게 7보다 커질 때이다.)

4. 중화점이 될 때까지 사용한 NaOH 수용액의 부피를 구한다.

5. 포도주의 부피와 사용한 염기의 농도, 부피를 이용하여 포도주 속에 들어 있는 산의 농도를 계산한다.

중화시킬 때까지 넣어준 NaOH 수용액: mL 포도주 속 산의 농도: M

타타르산(HO2CCH(OH)CH(OH)CO2H)

(35)

▶ 포도주의 분별 증류

준비물: SSC 분별 증류 키트, 주정계

1. 분별 증류 키트를 가지고 그림과 같이 분별 증류 장치를 꾸민다.

2. 포도주를 반응 용기(24mL)에 담고 그림과 같이 분별 증류 장치의 가열기 위에 올려 놓는다.

3. 냉각기에는 고무관을 연결하여 찬물이 아래쪽에서 흘러들어가 증기를 액화시킬 수 있도록 준 비한다.

4. 가열기로 반응 용기 속 포도주를 가열하면서 액체가 증류되어 나올 때의 온도를 측정한다.

5. 분별 증류가 충분히 일어나면 주정계를 이용하여 모은 액체의 알코올 함량을 측정한다.

온도:

알코올 함량:

▶ 실험 결과 해석

(36)

32

9 참고 자료

▶ 모둠 구성 및 소요 시간

•4명씩 모둠으로 조직하여 진행하면 효율적이고 구성원 모두가 적극 참여 가능하다.

•제시된 소요시간은 주제에 맞춰 간단하게 진행할 때의 시간이며 각 실험을 제대로 하려면 더 많 은 시간이 필요할 것이다.

▶ 활동의 응용

•독일 연수를 바탕으로 포도주의 제조 과정을 적용하였다. 그러나 우리나라의 막걸리 산업에 맞 추어 막걸리 제조 과정을 수업에 적용하면 학생들에게 보다 친숙하게 다가갈 수 있다.

•발효 산물인 김치나 식초 등의 재료를 활용하여 발효 과정에서 과학적 변화를 인식하게 하고 발 효 산업을 이끌 수 있는 마인드를 함양하는 계기로 만들어주면 그 의미가 클 것이다.

▶ 발효와 포도주

•발효

발효는 미생물이 자신이 가지고 있는 효소를 이용해 유기물을 분해시키는 과정에서 우리의 생 활에 유용한 물질이 만들어지며, 부패는 부패균에 의해 악취나는 유해한 물질이 만들어진다.

김치

메주

전통주

식초

(37)

•포도주

포도를 으깨서 나온 즙을 발효시킨 알코올 음료로 물, 당, 알코올이 주성분이다. 400가지 이 상의 성분 물질이 포도주의 맛을 좌우하며, 알코올 함량은 7-15% 정도로 알칼리성을 띤다.

효모는 포도 속의 당 성분을 효소를 이용해 분해하며 에탄올과 이산화 탄소를 만든다.

☞ 당도 측정할 때 당도계와 비중계의 이용

당도계와 비중계는 모두 액체 속의 고형물의 양을 측정하는 장치로 당도와 다소 거리가 있다.

그러나 측정물의 주성분이 고형물이고 당이 소량인 경우는 두 기구의 값이 비슷하다.

당도계에서 당도(Brix)는 wet%와 거의 같다. 비중계를 이용해 측정한 비중으로부터 오슬레도 를 구하고 주어진 표를 이용하여 당도(g/L)를 구한다.

오슬레도=(비중-1)×1000

오슬레도로부터 구한 당도를 10으로 나누면 당도계에서 구한 당도와 거의 비슷하게 나온다.

▶ 활용 동영상 정보

•KBS 동영상(발효, https://youtu.be/xmmc5YfhoV4) 10′44″

(38)

34

건강한 음료수를 마셔요

김 정 미 , 윤 대 혁

1 주제 개요

많은 청소년들을 비롯하여 성인까지도 목이 마르면 물보다 음료수를 즐겨 찾는다. 하지만, 많은 사 람들이 즐겨 찾는 많은 음료수들 속에는 설탕이 과다하게 포함되어 있다. 과다한 설탕섭취는 우리 몸에 유해한 영향을 끼쳐 각종 질병을 유발시킬 수 있다.

따라서, 다양한 음료수 속에 들어 있는 설탕(당)의 양을 측정해 보고, 우리가 하루 동안 섭취하게 되는 설탕의 양을 계산하여 과다한 설탕 섭취의 위험성에 대한 경각심을 갖고자 한다. 우리의 건 강을 위해 음료수의 설탕을 대체할 만한 물질에 대해 조사해 보고, 대체 물질이 포함된건강한 음 료수 섭취를 권장하는 내용의 UCC를 제작하여 교육적 효과를 높이고자 한다.

2 학습 목표

내용 목표 •당도 측정기의 원리를 이해한다.

•설탕이 인체 내에서 미치는 영향과 그와 관련한 질병을 정리한다.

•건강한 설탕 대체 물질을 조사하여 정리한다.

과정 목표 •하루 동안 섭취한 설탕의 양을 계산한다.

•건강한 음료수 섭취를 권하는 내용의 UCC를 제작한다.

(39)

3 STEAM 과목 요소

: S, T, E, A, M 각각과 관련되는 학습요소

S : 인체 내의 설탕(당) 작용과 관련 질병의 이해, 당도 측정기 원리 이해 E/T : 건강한 음료수 섭취 권장 내용의 UCC 제작

M : 하루 동안 섭취하는 설탕의 양 계산

4 STEAM 단계 요소

: Co, Cd, ET 등 융합인재교육(STEAM) 구성 틀(Frame)에 따른 요소 제시 상황제시 •다양한 음료수 성분 살펴보기

•설탕의 유해성과 음료수 속 설탕의 양을 제시한 TV 프로그램 시청 창의적 설계 •다양한 음료수의 당도 측정하여 성분표와 비교하고 적합성 판단

•설탕을 대체할만한 건강한 물질 조사하여 정리하기

•설탕 대체 물질을 포함한 건강한 음료수 섭취를 권장하는 UCC 제작

감성적 체험 •건강을 위한 당의 적절한 섭취에 대한 인식

•의도한 감성을 UCC 제작 내용(과정)에 담아 교육적 효과 체험

5 제작 의도

자주 찾는 음료수 속의 설탕의 양을 실험을 통해 직관적으로 확인하여 과다한 설탕 섭취의 위험성 에 대한 경각심을 갖는다. 우리의 건강을 위해 음료수의 설탕을 대체할 만한 물질에 대해 조사해 보고, 건강한 음료수 섭취를 권장하는 내용의 UCC를 제작한다면 교육적 효과에서부터 홍보 효과 까지 노릴 수 있을 것이다.

또한, 이 프로그램은 고등학교 생명과학Ⅰ과목의 Ⅲ. 항상성과 건강 단원 중 신경과 호르몬에 의한 혈당량 조절 원리 교육내용에 심화하여 적용해 볼 수 있다. 과도한 설탕 섭취에 따른 문제점을 혈

(40)

36

6 차시별 계획 총괄표

Science 과학, Technology 기술, Engineering 공학, Art 예술, Math 수학 Context 상황 제시

Creative Design 창의적 설계 - 주어진 상황에서 창의성, 효율성, 경제성, 심미성을 발현하 여 최적의 방안을 찾아 문제를 해결하는 종합적인 과정

Emotional Touch 감성적 체험 - 학습에 대한 긍정적 감정과 성공의 경험 즉, 학습과정에서 학습에 대한 흥미, 자신감, 지적 만족감, 성취감 등을 느껴 학습에 대한 동기유발, 요구, 열 정, 몰입의 의지가 생기고 개인적 의미를 발견하는 선순환적인 자기주도적학습이 가능하게 하는 모든 활동과 경험

차시 주제 교수 ․ 학습 활동 학습자료 및

유의점

1

음료수 설탕 (당)량

측정

각종 음료수에 들어 있는 설탕(당)의 양 측정하기 다양한 음료수 성분과 설탕(당)의 함유량 분석하기

과다한 설탕 섭취의 부작용과 음료수 속의 설탕의 양을 분석 한 TV 프로그램 시청(5분)

음료수의 당도 측정하여 성분표의 함유량 비교하여 하루 동안 섭취한 설탕의 양 계산하기

설탕(당)을 줄일 수 있는 방법 및 대체물질 조사

과다한 당의 섭취로 인한 질병과 음료수속에 포함된 당의 역할을 대체할만한 건강한 물질에 대해 조사하는 과정에서 건강의 소중함을 느낄 수 있다.

당도 측정기, 다양한 음료수, 관련 영상 자료

2~3

건강한 음료수 섭취 권장 UCC 제작

설탕을 대체할만한 물질이 담긴 건강한 음료수 섭취를 권장하는 UCC제작하기

당을 대체할만한 물질을 담은 음료수 찾아보기 찾은 음료수가 건강한 음료수인지 분석하고 토의하기 건강한 음료수 섭취를 권장하는 UCC 제작하기

건강을 위한 적절한 당의 섭취 필요성 및 건강한 음료수를 권하는 UCC 제작과 홍보 과정에서 본인의 건강 뿐 아니라 다른 사람의 건강까지 생각해 볼 수 있다.

스토리보드, 넷북(무비메이 커 프로그램 설치)

(41)

학습

및 유의점

교사 자료

도입 (8분)

다양한 음료수의 성분 함량표 속의 설탕(당)의 양을 확인함 과다한 설탕을 섭취할 경우 어떤 질병이 발생할 수 있는지 준

비한 동영상을 시청

활동지 다양한

음료수, 동영상

전개 (35분)

당도 측정기의 원리 알아보기 당도 측정기의 작동 원리 알아보기

- 당도 측정기가 사용되는 사례 보여주기

음료수의 당도 측정하여 성분표의 함유량 비교하기 조별 실험 탐구 활동

- 음료수의 당도를 측정하여 음료수와 같은 당도의 각설탕을 녹여가며 확인

- 당도의 단위만 가지고 설탕의 양을 확인하기 어려우므로

활동지 다양한

음료수, 당도 측정기, 각설탕, 비커, 스포이 트

17 평가 계획

지식과 내용 •당도 측정기의 원리를 잘 이해하였는가? 수행평가

기능 및 기술 •음료수 속에 들어있는 설탕(당)의 양을 잘 측정하는가?

•하루 동안 섭취한 설탕의 양을 계산할 수 있는가? 관찰평가

정의적 측면 •설탕의 유해성을 이해하고 건강한 식생활을 위한 생활태도를 갖기

위해 노력하는가? 관찰평가

의사소통 •모둠 또는 전체 활동 시 서로의 생각을 공유하는가? 관찰평가, 동료평가

8 차시별 교수학습과정

1차시 음료수의 설탕(당)량 측정

(42)

38 학습

및 유의점

교사 자료 각설탕의 양을 서로 비교하여 음료수 종류별로 들어 있는

각설탕의 양을 상대적으로 비교한다.

조별 토의 및 조사 활동

당을 줄일 수 있는 방법 및 당을 대체할 수 있는 물질을 조사하여 건강한 음료수 성분 제안하기

- 과다 섭취한 당을 줄일 수 있는 방법 토의하기

- 당을 대체할 수 있는 물질을 조사하여 활동지에 정리하기 음료수 속에 포함된 설탕의 양과 하루 동안 섭취한 설탕(당)의

양을 비교하면서 과다 섭취하고 있는 사실을 깨닫게 되고 당의 섭취를 제한하는 방법과 당을 대체할만한 물질을 조사한다.

이를 통해 자신의 건강을 위해 과다한 음료수 섭취를 제한하는 계기가 될 수 있을 것이다.

정리 (7분)

각 조별 당을 대체할만한 물질 발표하기

다음 차시의 건강한 음료수 섭취 권장 내용을 담음 UCC 제작 활동과 연계할 수 있도록 건강한 음료수 성분 제안과 평가를 한다.

활동지

학습

및 유의점

교사 자료

도입 (10분)

문제 상황 제시하기

당을 대체할만한 물질을 담은 음료수 찾아보기 찾은 음료수가 우리 몸에 건강한 음료수일까?

활동지 음료수

사진

전개 (80분)

스토리 보드 작성하기

건강한 음료수 섭취 권장하는 UCC 내용 설계

우리가 흔히 접하는 음료수가 건강에 좋지 않은 이유, 설탕 과다섭취의 유해성, 설탕을 대체한 건강한 음료수 섭취를 권장하는 내용을 모두 담을 수 있도록 한다.

UCC 제작하기

건강한 음료수 섭취 권장하는 내용의 UCC 제작

스토리보드 완성 후 발표할 수 있도록 함.

스토리보드 를 완성한

스토리 보드 무비메 이커가 있는 넷북 2-3차시 건강한 음료수 섭취 권장 UCC 제작

(43)

학습

및 유의점

교사 자료 특정한 상표를 홍보하는 내용이 아니라 음료수의 종류와

기능을 홍보할 수 있도록 한다. 예를 들면 “B 식혜 홍보” 가 아니라, “식혜” 음료수에 대해 UCC를 제작할 수 있도록 한다.

건강을 위한 적절한 당의 섭취 필요성 및 건강한 음료수를 권하는 UCC 제작과 홍보 과정에서 본인의 건강 뿐 아니라 다른 사람의 건강까지 생각해 볼 수 있다.

모둠조는 넷북의 무비메이커 를 이용하여 UCC 제작할 수 있도록 하되, 제작에 시간이 걸리는 만큼 다음 차시 수업에서 제작한 UCC를 발표할 수 있도록 한다.

정리 (10분)

스토리 보드 내용 발표 및 다음 차시 예고

- 스토리 보드 내용을 발표하고 제작한 UCC 평가회는 다음 차시에 할 수 있도록 한다.

활동지

(44)

40

▶ 당도 측정기의 원리를 정리해 봅시다.

▶ 음료수에 들어있는 설탕(당)의 양을 측정해 봅시다.

1. 당도계의 렌즈를 통해 보이는 부분이 전부 파란색인지 확인한다.

2. 실험할 재료를 스포이트로 덜어 당도계 센서에 흐르지 않을 정도로 떨어뜨린 후 뚜껑을 덮는다.

3. 당도계의 렌즈를 통해 파란색과 하얀색의 경계면을 읽어 나온 숫자를 측정해 기록하자.

4. 당도계를 물로 깨끗이 씻어준다.

5. 비커에 과정 2의 실험 재료와 같은 양의 물을 준비한 후 재료와 같은 당도의 값이 될 때까지 각설탕을 넣어준다.

6. 이를 통해 재료 속에 들어 있는 설당의 양을 각설탕을 통해 확인한다.

(예시 : 요구르트 25ml 한 병에 각설탕 2개, 사이다 250ml 한 캔에 각설탕 5개.)

음료수 종류 당도(°Brix)

설탕량 (각설탕 갯수)

---> 만약 내가 하루에 두 병의 ( )을 마신다면 나는 각설탕 ( )g을 먹은 것이며, 이것은 하루 권장 섭취량의 ( )% 이다.

학생 활동지1 음료수의 설탕(당)량 측정

(45)

당도의 단위 브릭스(Brix)란?

우리나라, 일본, 미국 등에서 사용하는 단위로서, 용액 100 g 중의 고형물 양을 무게(g)로 나타 낸 것이다. 10 브릭스는 설탕물 10 % 와 동일한 농도를 말한다.

▶ 당 섭취를 줄일 수 있는 방법에 대해 토의한 후 정리해 봅시다.

󰊱

󰊲

󰊳

󰊴

󰊵

▶ 음료수 속의 당을 대체할 만한 물질을 조사하여 정리해 봅시다.

󰊱

󰊲

󰊳

󰊴

󰊵

(46)

42

학생 활동지2 건강한 음료수 섭취 권장 UCC 스토리보드

▶ 설탕을 대체한 물질이 포함된 건강한 음료수 섭취를 권장하는 UCC를 제작하기 위하여 스토리 를 계획해 봅시다.

(47)

9 참고 자료

▶ 당도 측정기의 원리

당도 측정기는 빛의 굴절계이다. 굴절계(refractometer)란 빛에 대한 물질의 굴절률을 이용하여 수 용액의 농도를 측정하는 장비이다. 빛은 공기 중을 통과할 때 거의 30만 km/h 의 속도로 달릴 수 가 있다. 그런데 공기가 아닌 다른 매질, 예를 들어 물속으로 들어 갈 때는 속도가 느려지는데 이 때 어느 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때는 이러한 속도차이에 의해 방향을 바꾸게 된다. 이러 한 현상은 우리 일상생활에서도 많이 찾아 볼 수 있으며 컵에 물을 넣어 젓가락을 그 안에 넣으면 젓가락이 구부러져 보이게 된다. 이러한 성질을 빛의 굴절 (refraction) 현상이라고 하며 빛의 굴절 은 수용액의 농도에 따라서 각기 다르게 나타난다.

굴절계는 굴절지수(nD)를 사용 하여 빛의 방향이 변화하는 각 도(굴절각)를 비교하여 시료액 의 농도를 측정할 수 있는 측 정기이다. 굴절계 내부의 프리 즘은 수용액보다 더욱 큰 굴절 지수를 가지고 있으며, 측정은 아래의 그림과 같이 프리즘과 수용액이 만나는 곳에서 이루어진다.

•묽은 시료 일 때는 프리즘과의 사이에 굴절율차가 크게 되어 크게 굴절한다 → A

•짙은 시료 일 때는 프리즘과의 사이에 굴절율차가 적게 되어 작게 굴절한다 → B

Brix 눈금은 100ml의 물속에 담겨져 있는 사탕수수의 양(Gram)을 포함한 것을 의미하며 일반적으 로 당도의 눈금이라고도 한다.

▶ 학교 현장에서의 적용 방안

•과학 시간 농도 관련 심화실험, 영양소의 기능 및 과다섭취에 따른 질병, 항상성 유지 조절 중 혈당량 조절에 관한 탐구 수업시 적용이 가능하다.

•과학 실험시 당도측정을 정량적으로 확인하기가 좋다.

(48)

44

마테마티쿰 속 빛의 당구대

윤 대 혁 , 조 정 식

1 주제 개요

마테마티쿰은 독일 헤센 중 기센에 있는 세계 최초의 수학 박물관이다. 딱딱한 수학의 원리를 실 험과 체험을 통해 이해시키면서 재미와 흥미를 안겨주는 박물관이다. 이곳에서 빛을 이용하는 수 학 체험 프로그램을 보면서 우리나라 학생들에게도 마테마티쿰의 빛과 관련된 체험프로그램을 적 용해 보면 좋을 것 같아 개발하게 되었다.

마테마티쿰 거울을 이용한 빛의 반사

우리는 각자의 개별적인 학습과 기억을 바탕으로 오감을 통해 외부의 정보를 받아들인다. 특히 오 감 중에서도 주로 시각과 청각으로 대부분의 정보를 습득하고 오래 기억하게 된다. 그 중에서도 빛은 학생들에게 과학을 보여주는 가장 중요한 요소가 된다. 실험이나 탐구활동의 과정을 설명하 기, 원인과 결과에 의해 나타나는 현상, 무엇보다도 학생들에게 가장 호기심의 대상이 된 것이 빛 이라고 생각한다.

빛의 반사는 학생들이 거울을 볼 때 가장 잘 볼 수 있고 두 장의 거울 사이에 섰을 때 생기는 무 수한 상을 확인할 수 있다. 하지만 평면거울에서의 빛의 반사경로는 거울에 비스듬히 입사하는 경 우는 잘 알고 있지만 거울 면에 수직으로 입사하는 경우는 반사의 법칙을 적용하지 못하는 경우가

(49)

있었고 구면거울에서의 빛의 반사경로는 법선을 적용하지 못해 그리지 못하는 경우가 있다. 그래 서 빛에 대해 친숙한 초등과정과 경험으로부터 개념을 학습한 중학교 과정을 구성한 고등학생들을 대상으로 보다 재미있고 과학과 예술을 접목시켜 융합인재교육을 하고자 한다. 빛의 반사 융합프 로그램을 통해 학생들이 빛의 성질을 좀 더 쉽고 친숙하게 배울 수 있도록 과학 원리를 당구대와 결합하여 반사의 법칙을 이해하고자 하였고 수학에서는 대칭이라는 개념을 사용하여 수학적으로 해석을 해보고자 하였다. 또한 당구대를 공학적으로 설계를 하고 제작하면서 스포츠 가운데 하나 인 당구에서 반사의 원리를 예술적으로 경험을 할 수 있도록 유도하고자 한다.

2 학습 목표

내용 목표 •빛의 반사를 이해하고 반사의 법칙을 설명할 수 있다.

•수학적인 개념인 대칭을 이용하여 수학적으로 해석할 수 있다.

•당구대를 설계할 때 가로, 세로 비율을 통해 쿠션수가 다름을 알 수 있다.

과정 목표 •거울을 통해 빛의 반사를 이해할 수 있다.

•회전거울이나 벽면 반사거울을 이용하여 수학의 대칭 개념을 이해할 수 있다.

•모둠별 제작을 통해 학생들 간의 의사소통능력 향상과 창의력을 키울 수 있다.

3 STEAM 과목 요소

S : 반사를 이해하고 반사의 법칙을 이해하기

E/T : 다양한 거울(회전식, 고정식)을 이용한 빛의 당구대 제작하기 M : 대칭에 따른 피타고라스 정리 이해하기

(50)

46

4 STEAM 단계 요소

상황제시 •영화 미션임파서블 영화를 보면 주인공이 거미줄처럼 뻗어 있는 레이저 공 간을 빠져나가는 장면을 볼 수 있다. 레이저에서 나가는 빛은 하나인데 모 든 공간을 가로 질러 비추고 있는 것은 어떻게 비추고 있는 것인지 생각해 본다. 만약 교실 안에 도둑이 물건을 훔쳐가지 못하도록 하기 위해 거미줄 처럼 레이저를 비추려고 하면 거울을 어떻게 배치하면 될지 생각해 본다.

그리고 거울에 비추어진 레이저의 광선 경로가 거울을 만나게 되면 어떻게 바뀔지를 고려해 본다.

창의적 설계 •평면거울에 의해 생기는 상은 물체와 대칭의 위치에 생긴다는 사실을 통해 당구대 벽면에 거울을 사용하여 반사 현상을 눈에 보이도록 한다.

•당구공을 치듯이 레이저 빛을 이용하여 재미있는 과학 게임이 되도록 구성 한다.

감성적 체험 •빛의 반사를 통해 반사의 법칙을 만족하는 지적 만족감 경험하기

•게임을 이용한 미션 수행하기

•미션을 수행하는 과정 중에 서로 의견을 교환하고 토의하면서 성취감 느끼기

5 제작 의도

이 프로그램은 빛의 반사를 이용하여 학생들이 빛의 반사 개념과 수학의 대칭 개념을 이해함으로 써 빛에 대한 호기심과 흥미를 유발하고 융합인재를 키우고자 제작하였다. 그리고 빛의 반사를 이 해하기 위해 벽면에 아크릴거울을 붙여 입사각과 반사각을 보도록 하였다. 또한 당구테이블 위에 각각 회전거울과 사각 거울을 설치하여 원하는 위치에 빛이 도달할 수 있도록 난이도를 조절할 수 있으며 장애물을 설치하여 게임의 재미를 높이고자 하였다.

1차시에는 반사의 법칙과 수학에서의 대칭 개념을 이용하여 당구의 원리를 이해하도록 구성하였고 2~3차시에는 당구테이블을 직접 제작하여 게임을 구성하게 하였다. 레이저포인터를 이용하여 빛 의 현상 즉, 빛의 반사에 관한 현상을 눈으로 보고 이해하고, 흥미와 학습효과를 더해주며, 또한 목표까지 가기 위해 고도의 집중력을 발휘 할 수 있도록 한다. 그리고 사고력과 창의력을 향상시 키는데 그 목적이 있다.

❍ 대상학년 : 중3 ~ 고2

(51)

6 차시별 계획 총괄표

및 유의점

1

빛의 반사 와 수학의 대칭 이해

하기

영화 미션임파서블에서 주인공이 거미줄처럼 되어 있는 공간 을 어떻게 빠져나오는지를 생각해보고 레이저 한 개로 전체 공간을 거미줄처럼 비출 수 있는 방법을 생각해 보자

- 레이저와 거울을 이용하여 다양하게 반사할 수 있는 것을 보여준다.

빛의 반사에 대해 알아보기

- 항상 빛은 입사각과 반사각이 같을까요?

우리주변에서 일어나는 빛의 반사에 대해 반사의 법칙이 항상 적용되는지에 대한 문제 상황 파악하기

- 실생활에서 사용되는 빛의 반사 예를 들어보기 수학의 대칭을 이용하여 당구에서도 적용되는지 확인한다.

- 당구를 통해 수학의 대칭원리를 이해하도록 한다.

PPT

2~3

빛의 당구대 만들기

창의적 설계하기

빛의 당구테이블을 만들어 빛의 반사를 이용하여 구성할 수 있는 재미있는 당구테이블 구성하기

미션을 구성하여 주어진 시간 안에 빛의 반사를 이용하여 미션을 수행하는 게임 설정하기

발표하기

활동결과에 대한 탐구결과 발표를 통한 성취감 느끼기

우드 폼, 공작 풀, 아크릴거울, 레이저포인 터, PPT

(52)

48 학습

및 유의점

교사 자료

도입 (10분)

‘당구의 비밀’ 어플을 사용하여 입사각과 반사각이 같은지를 확 인한다.

https://itunes.apple.com/kr/app/dang-guui-bimil/id96989 2130?mt=8#

입사각, 반사각등 당구의 원리를 알아 볼 수 있는 포켓볼 시뮬레이션이다.

어플, PPT

7 평가 계획

지식과 내용

• 빛의 반사를 정확히 알고 있는가?

• 수학에서 대칭을 이용하여 피타고라스 정리를 이해하고 있는가?

• 반사의 법칙에 대해 이해하는가?

수행평가

기능 및 기술

• 빛의 당구테이블을 구성하여 빛의 반사과정을 확인할 수 있는가?

• 미션을 수행할 수 있도록 구성하였는가?

• 다양한 반사를 볼 수 있도록 재료, 방법을 활용하는가?

관찰평가

정의적 측면 • 탐구활동에 호기심을 가지는가? 관찰평가

의사소통 • 모둠 또는 전체 활동 시 서로의 생각을 공유하는가? 관찰평가, 동료평가

8 차시별 교수학습과정

1차시 빛의 반사와 당구의 대칭 이해하기

(53)

학습

및 유의점

교사 자료

전개 (35분)

‘입사각 = 반사각’ 원리 이용한 쿠션당구

빛의 반사법칙과 수학의 대칭과 어떤 관계가 있는지 알아보자 빛은 거울에 반사될 때 입사각과 반사각이 같은 것으로 알려져

있고 수학에선 이 사실을 대칭 개념으로 설명할 수 있다.

쿠션당구의 원리 이해하기

빛이 여기 저기 부딪혀 목표점을 맞추듯이 당구 게임에 대해 알아보기

- 활동지에 문제에 대한 다양한 결과 예측해보기 - 자, 각도기, 활동지, 연필

입사각과 반사각 측정 방법과 과정 설명하기 활동결과에 대한 결과 토의하기

반사의 법칙과 당구의 쿠션과 연관하여 활동지의 질문에 대한 답을 생각해보게 한다.

활동지

정리 (5분)

활동내용 정리 및 의견 나누기

당구를 통한 과학적 원리와 수학적 원리를 정리해 준다.

활동지

(54)

50

1차시 빛의 반사와 당구의 원리 알아보기 (교사용)

▶ 빛

빛이란 좁은 의미에서 가시광선, 즉 일반적으로 사람이 볼 수 있는, 약 400 nm에서 700 nm 사 이의 파장을 가진 전자기파를 뜻한다. 넓은 의미에서는 모든 종류의 전자기파를 지칭 한다. 고전 물리학에서 보는 빛은 전자기파이며, 매질 없이 전파한다. 전기 또는 자기를 띠는 물질이 가속 운 동하면 전자기파가 전파한다. 그러나 빛은 회절과 간섭의 파동성을 띤다. 양자 물리학에서 보는 빛 은 파동뿐 아니라 입자로서 이중성을 갖는다. 아인슈타인의 광양자 가설에 따라 빛은 일정한 에너 지를 갖도록 양자로 되어있다.

▶ 빛의 종류

1. 전파 (마이크로, 레이더, 라디오, 장파)

전파 (파장 약 0.1mm 이상) /* mm = 마이크로미터/ 휴대전화와 같은 이동통신, 라디오나 텔레 비전 등의 정본전달에 주로 이용된다. 파장이 짧은 쪽부터 마이크로파(파장mm~1m)는 전자레인 지에서 물체를 따뜻하게 하는데 사용되는 전파이다. 이 외 초단파, 단파, 중단파, 중파, 장파(파 장이 1km~10km) 등으로 세분된다.

2. 적외선( 파장 약 800nm ~ 1mm)

열을 지닌 물질에서 방출된다. 빛스펙트럼에서 빨간색 바깥쪽의 빛으로 열작용을 하여 살균, 냄새, 습기 제거 등에 활용된다. 빨간색 가시광선보다 파장이 길어서 적외선이라는 이름이 붙여졌다.

3. 가시광선( 파장 약 40nm ~ 800mm)

눈에 보이는 빛, 인간에게는 파장에 따라 색깔이 달리 보인다. 파장이 짧은 쪽부터 보라, 남색, 파랑, 초록, 노랑, 주황, 빨강이 된다.

4. 자외선( 파장 1nm ~ 400nm)

빛스펙트럼에서 보라색 바깥쪽의 빛으로 화학작용 및 생리작용이 크다. 살균과 멜라닌 세포 활 성화, 비타민 D생성에 도움을 주기도 하지만 피부가 타거나 기미의 원인이 된다. 보라색 가시광 선보다 짧기 때문에 자외선이라는 이름이 붙었다.

(55)

5. X선( 파장 1pm ~ 10nm)

물질에 대한 강한 투과력으로 의료와 공업에서 다양하게 이용된다. 특히 X선 사진과 같이 특정 물질을 통과하기 때문에 병의 진단과 재료 검사에 많이 쓰인다.

6. 감마선( 파장 10pm 이하) /* pm = 피코미터/

방사성 물질에서 나오는 방사선의 일종이다. 전자기파 중 가장 강력하며 기계 내부 검사나 암 등의 질병을 치료할 때 쓰인다.

▶ 빛의 직진

빛이 균일한 매질 속에서 곧바로 나아가는 현상. 파장이 짧을수록 직진성이 강하다. 빛의 직진 성 으로 물체에는 그림자가 생긴다. 바늘구멍 사진기에 물체의 상이 생기는 것이나 달이 태양과 지구 사이에 놓여있을 때 태양이 가려지는 일식이나 달이 태양에 의해 생긴 지구의 그림자 속에 들어와 달이 보이지 않게 되는 월식 등은 빛이 직진하기 때문에 일어나는 현상이다.

▶ 빛의 반사 : 파동이 다른 두 매질의 경계에서 방향을 바꿔 진행하는 물리 현상 1. 빛의 직진

진공 중에서나, 성질이 같은 물질 내에서 빛은 직진한다.

예) 구름 사이로 비치는 햇빛, 방 안으로 들어오는 햇빛, 밤하늘에 비치는 손전등의 빛, 햇빛을 가로막아서 생기는 물체의 그림자, 바늘구멍 사진기에 거꾸로 맺힌 물체의 상, 장애물에 가

(56)

52

2. 빛의 반사

성질이 서로 다른 두 물질의 경계면에서 빛은 반사한다.

예) 거울 속에 우리 모습이 비쳐 보이는 것, 치과 의사가 거울로 입 안을 살펴보는 것, 우리가 주변의 사물을 볼 수 있는 것, 호수 면에 비쳐 보이는 태양이나 달의 모습 등

(1) 반사의 법칙

빛이 서로 다른 두 물질의 경계면에서 반사할 때, 경계면에 들어오는 빛을 입사 광선, 반사하여 나가는 빛을 반사 광선이 라고 한다. 이 때, 두 물질의 경계면에 수직인 선을 법선, 입사 광선과 법선이 이루는 각을 입사각, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각이라고 한다.

① 입사 광선과 반사 광선은 법선의 양 쪽에 있고, 두 광선과 법선은 같은 평면 상에 있다.

② 입사각과 반사각은 항상 같다.

입사각 = 반사각

(2) 반사의 종류

① 정반사 : 매끄러운 거울 면에 평행 광선이 비치면, 반사 광선도 평행 광선이 된다.

② 난반사 : 대부분의 물체의 표면은 매끄럽지 않고 울퉁불퉁하다. 이러한 물체에 평행 광선이 비치면 각각의 빛은 반사의 법칙에 따라 반사하지만, 반사 광선은 서로 다른 방향으로 진 행하게 된다. 우리가 물체를 어느 방향에서나 볼 수 있는 것은 물체의 표면에서 일어나는 난반사 때문이다.