한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

(1)

2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2018. 8. 29

울 산 중 학 교

(2)

(3)

“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

(4)

Ⅰ. 요약문

자유학기제 및 자유학년제가 전면 시행되므로 말미암아 STEAM교육의 필요성을 더욱 느끼므로 어렵게만 느껴졌던 과학을 음악과 율동 및 마술 형태로 표현함으로서 과학수업을 재미있게 즐길 수 있도록 하였다. 호기심이 많은 학생들에게 흥미와 재미를 가미한 과학과 마술의 융합한 프로 그램을 통해 학생들의 만족도는 매우 높았다. 학교에서 학생들과 함께 과학을 즐기고 이해 할 수 있는 과학마술은 학생뿐만 아니라 일반인들까지도 과학에 흥미와 재미 그리고 호기심을 가지기 에 충분 했다. 과학과 마술을 융합한 본 프로그램은 학생들에게 기본적인 과학의 지식 체계를 이 해시킬 뿐만 아니라 사회전반에 과학에 대한 이해와 과학마인드를 확산시키는데 목적이 있다.

Ⅱ. 서론

과학이라고 하면 많은 아이들이 어려운 것이라 여겨 거부감을 가지는 경우가 많다. 하지만 과학 은 결코 어려운 것이 아니다. 우리 주변에서 일어나는 많은 일들, 우리 주변에 있는 많은 물건들 이 과학이라는 재료를 첨가해 만들어지고 있다. 이제 과학은 더 이상 교과목으로서만 존재하는 것이 아니다. 우리 ‘과학마술’ 프로그램에서는 우리가 알지 못했던 신기하고 재미있는 과학적인 원리들을 이용해서, 그리고 새로운 물질들을 통해 마술과도 같은 현상들을 체험함으로써 과학에 대한 흥미와 이해를 높이고, 과학은 재미있는 것이라는 생각을 학생들뿐만 아니라 일반 학생들도 가질 수 있도록 여러 가지 활동을 계획하고 실천해 보기로 하였다.

Ⅲ. 연구 수행 내용

STEAM 프로그램

구분

프로그램명

과학과 마술을 융합한 자유학기제 STEAM 프로그램 개발

학교급 중학교 대상 학년(군) 1학년

중심과목 과학 중심과목

성취기준 영역 [중학교] (여러가지 힘, 빛과파동)

연계과목

기술 음악 국어 과학

연계과목 성취기준 영역

[중학교 1학년] (3) 전기의 활용 [중학교 1학년] (10) 악기다루기 [중학교 1학년] <시나리오>

중학교 1학년] <여러가지 힘, 빛과파동>

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 2 과학(1) + 수학(1)

2 2 국어(1) + 과학(1)

3 3 음악(1.5) + 과학(1.5)

4 2 기술(0.5) + 음악(1) + 과학(0.5) 적용결과

(5)

1. STEAM 연구 개발의 필요성

필요성

과학(S),기술(E),음악(A)을 응용한 융합형 과학마술을 자유학기제에 적용하여 과학의 기초 원리를 습득하고 또 과학마술을 직접 체험하는 동안 상식 밖의 현상을 즐기며

창의성을 신장함과 동시에 과학에 대한 친화감을 갖게 됨

2. STEAM 연구 개발의 목표

목 표

과학의 원리를 이용한 마술 연출로 과학(S)과 음악(A), 기술(E)의 융합형 교육으로 자유학기제에 적용하여 창의성 신장 목적

3. STEAM 프로그램 연구 및 적용

가. 융합인재교육(STEAM) 실행을 위한 교육적 연구 기반 조성

1) 자유학기제의 과학마술 STEAM 교육 실행을 위한 교육과정 협의회 조직 2) 자유학기제의 과학마술 STEAM 교육 실행을 위한 교육환경의 조성 3) 자유학기제의 STEAM 교육을 위한 교육공동체 역량 강화

4) 과학마술 STEAM 교육 적용을 위한 교육과정 분석과 학습 주제 추출 나. STEAM 수업 프로그램의 개발 방향

1) 과학마술 STEAM 교육 적용을 위한 교육과정 분석과 학습 주제 방향 가) 학생의 욕구

- 과학에 대한 관심도 유지 - 과학 하는 태도 및 사고력 향상 - 학교와 좀 더 색다른 심도 있는 수업 나) 개인적 방향

- 흥미 제공

- 과학 하는 태도 및 사고력 기르기

- 단순한 사실을 과학적 사고를 통해 재해석 - 기본 개념 및 기초지식에 집중

다) 프로그램방향

- 재미있는 데모자료 제공 및 시연 - 교과서 내에서 주제 선정

- 기존 지식을 과학적 사고를 통해 재해석

(6)

다. 과학마술 STEAM 수업 프로그램 적용

1) 수업 적용 : 마술은 기본적인 과학의 원리에서 출발 하였으므로 수업의 동기유발로서 활용 할 수 있다. 그러므로 과학마술은 곧 교육마술이다

2) 문제아 상담 적용 : 과학 마술은 과학이 포함된 연기 또는 연출, 친구사귀는 기술이므로 문제아를 상담 하거나 그들을 대상으로 수업을 진행 할 수 있다.

3) 학예회나 학급 파티 : 과학마술은 학예회나 학급 파티 또는 학교 축제 때 얼마든지 적용 할 수 있다.

4. STEAM 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사 가. 평가 목표

과학놀이 활동에 적용되는 과학적 원리를 충분히 이해하고, 과학적 인성 함양과 더불어 놀이과 정이나 실험설계에서 창의적 아이디어를 제시 할 수 있다.

나. STEAM 수업 적용 학생 성취도 평가 방법 개발

차시 평가기준(성취수준) 평가방법 평가도구

1~3 /12

상

열의 이동을 구성 입자의 운동 모형을 활용하여 설 명하고 냉난방 기구의 효율적 사용과 효율적인 단 열 방법에 대하여 조사하고 토의할 수 있다.

모둠별 토론평가 자기/동료평가지 (학생용) 중 물체의 온도 차이와 열의 이동을 구성 입자의 운동

모형으로 설명할 수 있다.

하 열의 이동 방법과 그 예를 말할 수 있다.

4~6 /12

상 기압의 개념과 작용 방향을 알고, 단위를 사용하여 기압의 크기를 나타낼 수 있다.

모둠별 토론평가 자기/동료평가지 (학생용) 중 기압의 크기와 단위를 말할 수 있다

하 기압의 개념과 작용 방향을 말할 수 있다.

7~8 /12

상 소리가 종파임을 알고, 소리의 특징을 진폭, 진동 수, 파형으로 설명할 수 있다.

관찰평가 관찰평가지

중 파동의 종류를 횡파와 종파로 구분하고, 주어진 파 동에서 진폭, 진동수, 파형을 구분할 수 있다.

하 파동의 종류를 횡파와 종파로 나누는 기준을 말할 수 있다.

9~12 /12

상 용수철을 이용하여 물체의 무게를 측정할 수 있고, 물체의 무게와 질량을 구별할 수 있다.

관찰 및

산출물평가 관찰평가지

중 무게와 질량의 의미를 구분하여 설명할 수 있다.

하 물체를 당기는 중력의 크기가 물체의 무게임을 말 할 수 있다.

(7)

다. 평가 영역

라. 적용 및 성과조사

가. 프로그램적용 시기 : 2018년 9월 1주 ~ 10월 2주 나. 프로그램 적용 대상 및 태도검사 학생

대상 학년 학생수 방법 비고(학교급지)

울산중학교 1학년 25명 프로그램개발 수업적용, 태도검사 자유학기

울산예술고 1학년 25명 프로그램개발 수업적용 공통과학

울산중 1학년 25명 프로그램개발 수업적용, 태도검사 자유학기

Ⅲ. 연구 수행 결과

1. 프로그램 개발 총괄

구분 수행 계획

교수학습지도안 개발 차시 총 12 차시

수업 적용 일정 2018. 9. 1. ~ 2018. 10. 25.

(STEAM 수업)수혜학생 수 울산중학교 87명(중학교 1학년87명) 학생 태도검사 사전검사 4월 30일, 1개 학급(25명) 실시 완료

사후검사 10월 19일, 1개 학급(25명) 학생 및 교사 만족도조사 10월 19일

교사연구회 STEAM 행사 개최 2018. 10. 12. 3교시(13:00~13:45) 수업공개

논문 또는 학술대회 해당 없음

특허출원(국외, 국내) 해당 없음

구 분

번

호 성취 기준 평가방

법 평가도구

형 성 평 가

1 독창성-오토마타의 구조에 따른 창의적인 아이디어 적용 (20)

동료평 가

설계도 및 산출물 평가 2 융합성-오토마타의 제작을 위한 STEAM 영역 간 융합성

(20)

관찰평

가 산출물 평가

3 정교성-오토마타의 제작에 따른 전체적인 외형의 정교성 (10), 조립상태와 완성도(10)

동료평

4

합리성-주어진 조건(3가지 이상 움직임이나 동작)에 맞는 오토마타의 적용 도달여부(20점), 움직임이나 동작기능이 많아지면 가산점 부과

동료평

총 괄 평 가

1

체계성-오토마타를 제작하기 위해 적용된 과학적 원리 (5 점), 오토마타의 제작에 대한 논리성(5점), 제작에 따른 상 호협력과 역할분담(5점), 발표 내용의 명확한 전달성(5점)

동료평 가 및 관찰평

가

산출물 및 발표 평가

(8)

2. 프로그램개발 중점 사항

3. STEAM 프로그램(수업) 현장적용 시간표

구분 STEAM 프로그램명 적용 학교명 적용

학년 적용 교과(시수) 적용 기간 수혜 학생 수

개선 온도의 세계

울산중 1 과학(2)+미술(2)+

기술(1) 8.19~11.10 25 울산중 1 자유학기제(3) 8.19~11.10 25

울산중 1 자유학기제(3) 9.10~10.20 25

개발 힘의 세계

울산중 1 과학(2)+미술(2)+

기술(1)

10.19~11.2

5 25

울산중 1 자유학기제(3) 10.19~11.2

5 25

울산중 1 자유학기제(3) 10.19~11.2

5 25

울산중 1 자유학기제(3) 10.19~11.2

5 25

자유학기제의 과학마술을 적용한 융합(STEAM)형 수업 지도안 제작 중점사항

1. 연구 산출물 (수업지도안) 개발 방향

가. 각 활동과 관련된 과학마술 STEAM(창의성, 인성포함)요소를 제시하였다.

나. 교수․학습 과정 안에서는 수업활동에 관련된 전반적인 내용을 구체적으로 제시하고, 과학마술 STEAM에 관련된 내용은 학습과정에 제시하여 알아보기 쉽도록 하였다.

다. 수업활동 중에 이루어지는 과학실험활동과 창의성 활동, 인성활동에 관련된 학습지는 필요에 따라 개발하여 활용할 수 있도록 하였다.

라. 차시별 자료의 끝부분에는 교사용 참고 자료를 제시하고 교사들이 참고할 수 있도록 하였다.

2. 연구 산출물 (수업지도안) 구성 개요

가. 단원 개관, 단원 학습계획 : 단원 이해 도움 나. 본시 수업지도방법 : 수업 흐름을 파악하는데 도움 다. 본시 과학마술 STEAM 교수 학습안

라. 학생용 학습지(과학마술 STEAM Work sheet) 마. 교사용 자료

바. 참고 학습 자료

사. 참고 문헌 및 인터넷사이트

(9)

4. 학교생활기록부 기재 예시

5. 적용 결과

가. 과학마술 STEAM 교육이 학생들에게는 과학지식과 개념의 자연스런 이해를 유도하여 과학에 재미와 흥미를 가지도록하며, 학부모와 일반인에게는 과학을 이해하고 친밀하게 하는 역할을 할 수 있었다.

나. 과학마술 STEAM 교육을 통한 일련의 학습과정이 교사 주도적이 아닌 학생스스로의 자기 주 도적 학습으로 이뤄지기 때문에 학습에 창의성과 합리성 그리고 교사와 학생, 그리고 학생과 학 생간의 협동성을 기를 수 있는 좋은 학습방법이 될 수 있었다.

다. 자유학기제 프로그램으로 재미있는 과학마술 STEAM 교육을 통해서 과학적 호기심을 유발하 고 과학적 소양을 지닌 사람뿐만 아니라, 융합적 사고와 창의적 과학기술 인재를 기를 수 있었다.

라. 과학마술 STEAM 교육을 통해서 과학의 단편적인 지식 전달보다는 기본 개념을 유기적이고, 통합적으로 이해하도록 하고, 창의성, 개방성, 객관성 ,합리성, 협동성을 기르는데 유의하며 교 수·학습활동이 이루어질 수 있었다.

마. 과학을 주제로 한 창작활동과 공연은 과학을 즐길 수 있는 여유와 대중의 관심과 참여 그리 고 과학에 대한 이해를 증진시켜 과학문화를 확산 시킬 수 있었다.

바. 과학적 개념이나 내용을 예술적이고 창의적으로 표현하여 이를 통해 대중에게 과학이 친숙하 고 즐겁게 다가가도록 할 수 있었다.

사. 과학마술은 학교와 학교 밖 활동을 연결하는 고리가 될 수 있으며 과학적 인식의 제고와 마 인드확산에 크게 기여할 수 있었다.

항목 학생부 기재 예시

교과학습발달상황 세부 능력 및 특기사항

(과학)액체 질소 실험을 통해 물질의 상태변화를 이해하였으며, 대기압 실험 을 통해 공기압의 크기를 탐구하였고 생활 중에 공기압이 우리들에게 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있었음. 또 조별활동에서 다른 친구들과 협력하 기 위해 노력하는 모습을 기재한다.

(수학)조별활동을 위한 팀원 간 역할 분담이 원활하게 이루어지도록 활동하는 동안 모둠 원들을 배려하는 자세를 보임. 조별 주제에 맞는 적절한 탐구 활동 을 전개하면서 탐구결과등을 기재한다.

행동특성 및 종합의견

과학 개념을 이해하는 과정에서 통찰력이 있으며 모둠활동을 할 때 활발하게 의사소통을 주도하는 모습과 제작 작품의 우수성 보다 설계와 제작, 주제 발 표에 대한 창의성과 열성, 태도, 협업능력 등을 중심으로 기재한다.

창의적 체험활동상황

(동아리)

수업 활동을 통하여 학생들을 독창성과 융합성을 관찰평가하고, 완성된 결과 물의 평가와 학생들이 서로의 결과물을 평가하고 의견을 발표하는 발표력, 활 동에서 동료평가를 종합하여 학생부에 기재한다.

(10)

Ⅳ. 결론 및 제언

1. 결론

STEAM수업을 준비하면서 힘들었던 점은 교육과정을 분석하여 재구성해서 수업을 설계하는 일 이었다. 이러한 과정 속에서 얻게 된 점은 그동안 무관심했던 타 교과 에 대한 이해와 배려, 타 교과 교사들과의 교류도 잦게 되었으며 통합교육에 대한 필요성을 다시 한 번 더 깨닫게 되었다.

그리고 일반 수업을 진행하다가도 아~ 이 단원은 STEAM수업을 하면 아이들이 더 흥미를 느끼 게 되겠구나~ 하는 마인드도 갖게 되었고 일상 속에서도 자연스레 STEAM교육이 스며들게 되었 다. 과학과 마술의 STEAM 교육을 통한 일련의 학습과정이 교사 주도적이 아닌 학생스스로의 자 기 주도적 학습으로 이뤄지기 때문에 학습에 창의성과 합리성 그리고 교사와 학생, 그리고 학생 과 학생간의 협동성을 기를 수 있는 좋은 학습방법이 되었다. 그러면서 STEAM 교육을 통해서 과학의 단편적인 지식 전달보다는 기본 개념을 유기적이고, 통합적으로 이해하도록 하고, 창의성, 개방성, 객관성 ,합리성, 협동성을 기르는데 유의하며 교수·학습활동이 이루어질 수 있었다.

STEAM 교육이 학생들에게는 과학지식과 개념의 자연스런 이해를 유도하여 과학에 재미와 흥미 를 가지도록하며, 학부모와 일반인에게는 과학을 이해하고 친밀하게 하는 역할을 할 수 있었다.

마지막으로 STEAM 교육은 학교와 학교 밖 활동을 연결하는 고리가 될 수 있으며 과학적 인식 의 제고와 마인드확산에 크게 기여하였다.

2. 제언

가) 자유학기제 또는 자유학년제가 전면 시행되고 있으므로 본 프로그램은 현재 학생들에게 적용 되고 있는 상황이므로 조금의 시간이 흐른 뒤 대략적인 결과물과 연구 결과가 나올 것으로 예상 된다.

나) 과학과 마술 교육은 학교와 학교 밖 활동을 연결하는 고리가 될 수 있으며 과학적 인식의 제 고와 마인드확산에 크게 기여할 것이다. 계속하여 자유학기제, 동아리활동, 학급발표회, 학교축제 등에 적용할 것이다. 과학마술 교육은 창의적인 수업과 체험교육까지 확대 발전시켜야 한다.

(11)

[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

과학과 마술을 융합한 자유학기제 STEAM 프로그램 개발

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

연번 차시 (중심과목)

2015 개정 교육과정 성취기준

(연계과목) 성취기준 영역

1 1~3/12

[9과15-01] 물체의 온도 차이를 구성 입자의 운동 모형으로 이해하고, 열의 이동 방법과 냉난방 기구의 효율적 사용에 대하여 조사하고 토의 할 수 있다

[중학교1~3학년 ] 물질의 상태 변 화,열과 우리 생활

2 4~6/12 [9과18-03] 기압의 개념을 알고, 바람이 부는 이유를 설명할 수 있다.

[중학교1~3학년 ] 기체의 성질,기 권과 날씨

3 7~8/12 [9과06-04] 파동의 종류를 횡파와 종파로 구분하고, 소리의 특징을 진 폭, 진동수, 파형으로 설명할 수 있다.[

[중학교1~3학년 ] 빛과 파동

4 9~12/12 [9과02-01] 무게가 중력의 크기임을 알고, 질량과 무게를 구별할 수 있 다.

[중학교1~3학년 ] 여러 가지 힘

2. STEAM 프로그램 총괄표(총 12차시)

차시 주요내용

1~3 /12

주제(단원)명 온도의 세계

열에 의해 상태 변화 현상을 관찰하고 물질의 상태가 변해도 그 성질은 변하지 않음을 재미나고 신기한 과학적 실험으로 확인할 수 있다.

상황 제시 Co 영하 196℃의 세계로~, 냉동금붕어, 다시 살아나라~!!

창의적 설계 CD -196℃의 온도에서 물체를 순식간에 얼리기 과학 마술을 연출 설계

감성적 체험 ET 나만의 마술 도구로 마술 쇼 하기

4~6 /12

주제(단원)명 엇! 보이지 않아요! 느낌도 없어요! 공기의 힘

기체에 힘을 가할 때 기체의 부피 변화와 온도의 변화에 따른 기체의 부피 변화에 대한 과학 마술을 혼합한 실험

상황 제시 Co 아무 느낌이 없는 공기도 엄청난 힘(기압)이 작용하고 있음을 확인하자.

창의적 설계 CD 마술도구나 소품으로 사용하기 위한 물건 구하기

(12)

3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안(12차시) 가. STEAM 프로그램 지도안1 - 온도의 세계 (1~3차시) 1) 지도안

주제 및

중심과목 온도의 세계 (과학) 학교급/학년(군) 중학교/1-3 학년 중심과목

성취기준 영역

[중학교1~3학년]

물질의 상태 변화,열과 우리 생활

중심과목 성취기준

[9 과 15-01] 물체의 온도 차이를 구성 입자의 운동 모형으로 이해하고, 열의 이동 방법과 냉난방 기구의 효율적 사용에 대하여 조사하고 토의할 수 있다

주제(단원)명 물질의 상태 변화와 에너지 차시 1~3/12

학습목표 • 여러 가지 상태 변화 현상을 관찰하고 구분할 수 있다.

• 물질의 상태가 변해도 그 성질은 변하지 않음을 설명할 수 있다.

연계과목 과학, 미술, 가정 연계과목

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] (3) 물질의 상태변화

STEAM 요소

S 우리 주변에서 볼 수 있는 상태 변화를 자유롭게 생각해 보게 한다.

T 액체질소 및 금붕어 냉동 박스만들기 E

A 놀이 과정에 적용되는 과학적 원리 및 실험을 마술공연형태로 대본을 만든다.

M

개발 의도

온도(열)에 의해 상태가 변하는 원리를 이용하여 금붕어를 영하196 액체질소에 넣어 재미 있고 신기한 과학 실험을 관람객들에게 팬터마임 공연 감상을 통하여 친근하게 다가가게 하 여 실험에 대한 과학적 원리를 깨닫게 하고, 과학에 관심과 흥미를 갖게 한다.

◇ 개발 의도

액체질소 속에 여러 가지 물체를 넣었다 꺼내었을 때의 상태변화 현상을 직접 관찰하고 그 원리를 이해하며, 여러 가지 물체의 상태변화를 예측할 수 있다.

◇ 교수 및 학습내용

감성적 체험 ET 대기압을 통해 재미난 과학 마술 연출하기

7~8 /12

주제(단원)명 소리의 세계

우리 주변에서 볼 수 있는 음파를 이용한 도구를 찾아보고 소리가 전달되는 모양을 확인할 수 있 다.

상황 제시 Co 와인잔 연주가 가능한 이유를 설명할 수 있다.

창의적 설계 CD 도구나 소품 디자인하고 만들어 보기

감성적 체험 ET 와인잔 연주를 합주 하기

9~12 /12

주제(단원)명 힘의 세계

힘의 분산 원리를 응용한 마술을 연출할 수 있다.

상황 제시 Co 무게 중심의 원리를 응용한 외줄타기 인형 연구하기

창의적 설계 CD 거꾸로 오르는 바퀴를 관찰하고 중력과 에너지에 대하여 알아보기

감성적 체험 ET 연출자로 마술공연을 위한 공간/시선/동선/표정 등을 구상해보기

(13)

1. 냉동금붕어를 살리는 것을 통해 상태변화를 통한 생명현상을 확인할 수 있다.

2. 금붕어를 액체질소 속에 넣었다가 꺼내어 다시 물에 넣었을 때 다시 살아나는 것을 확인하고, 생명 의 놀라움을 체험할 수 있다.

STEAM 학습준거

상황 제시

상 황 제 시

친구가 준비해온 장미를 얼려서 손가 락으로 튕겼을 때 장면 관찰.

창 의 적 설 계

창의적 설계

풍선을 액체 질소 속 에 넣었을 때 풍선의 크기를 관찰한다.

감 성 적 체 험 고무호스 굽힌 상태에서 액체질

소에 넣어 얼린 후 굽힌 부분에 주전자를 걸어 돌려본다.

감성적 체험

학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 ( 10

분)

Co 우리 주변에서 볼 수 있는 상태 변화를 자유롭게 생각해 보게 한다.

ET 우리 주변에서 볼 수 있는 융해와 응고 현상 찾아보게 한다.

드라이아이스가 담긴 비커 표면에 일어나는 변화를 관찰한다.

호기심 흥미

전개 ( 25 분)

CD 활동 1 영하 196℃의 세계로~

․ 액체질소 속에 여러 가지 물체를 넣었다 꺼내었을 때의 상태변화 현상을 직접 관찰하고 그 원리를 이해하며, 여러 가지 물체의 상태변화를 예측할 수 있다.

냉동금붕어를 살리는 것을 통해 상태변화를 통한 생명현상을 확인할 수 있다.

ET 활동 2 냉동금붕어, 다시 살아나라~!!

․ 금붕어를 액체질소 속에 넣었다가 꺼내어 다시 물에 넣었을 때 다시 살아나는 것을 확인하고, 생명의 놀라움을 체험할 수 있다.

실제 실험 은 동영상 으로 대체 할 수 있 음

정리 ( 10 분)

ET 재미있고 신기한 과학 실험을 관람객들에게 팬터마임 공연 감상을 통하여 친근 하게 다가가게 하여 실험에 대한 과학적 원리를 깨닫게 하고, 과학에 관심과 흥미를 갖게한다.

협동성 사고의

확장

(14)

2) 학생활동지

학습주제

액체질소의 세계 1 액체질소의 세계 1 액체질소의 세계 1 차시 차시 차시

2018년 월 일

1/12 1/12 1/12

탐구목표

액체질소를 이용하여 여러 가지 물질의 상태변화 시 일 어나는 현상을 관찰하고, 물질의 상태가 변해도 성질이 변하지 않음을 이해한다.

학년 반 번 조 이름 :

영하 196℃의 세계로~

▶ 준비물 ◀

액체 질소, 스티로폼 컵, 풍선, 장미꽃, 비스킷(과자류)

▶ 탐구 과정 ◀

1. 신선한 장미꽃 줄기를 잡고 그 꽃을 액체 질소에 넣는다. 약 1분 후 꽃을 꺼내어 손으로 부스 러뜨려보자.

2. 바나나를 액체 질소 속에 넣었다 꺼내어 못을 박아보자.

3. 과자를 액체 질소 속에 넣었다 꺼내어 먹어보자.(용가리 실험)

4. 남은 액체를 멀리 떨어진 곳에서 바닥에 살짝 부어보자.(발에 떨어지지 않게 주의한다.)

5. 풍선을 적당히 분 다음 액체 질소 속에 천천히 넣어보자. 차가운 액체 속에서 풍선의 크기가 줄 어드는 것을 보면서 계속 풍선을 넣어보자.

6. 풍선 전체가 냉각되면 이를 책상 위에 놓아 따뜻해지면서 원래의 크기로 되는 것을 관찰하자.

<냉동 장미꽃> <못 박는 바나나> <냉동 제크> <공기야!어딨니?>

▶ 왜 그럴까?◀

1. 장미꽃을 손으로 부스러뜨렸을 때 어떻게 되었나요? 바나나를 액체 질소 속에 넣었다 꺼내어 못을 박았을 때 어떻게 되었나요? 왜 이런 현상이 생기는지 상태변화와 연관 지어 표현해 보세요.

(15)

2. 과자를 액체 질소 속에 넣었다 꺼내어 먹었을 때 코와 입으로 나오는 김은 어떻게 만들어진 것 일까요? 한겨울 추운 날씨에 나오는 입김과 비교해 보세요.

3. 남은 액체를 멀리 떨어진 곳에서 바닥에 부었을 때 생기는 현상을 상태변화로 표현해 보세요,

4. 풍선을 액체 질소 속에 넣었을 때 풍선의 크기가 줄어들었다가 꺼내면 다시 원래의 크기로 되 는 것은 무엇 때문일까요? 풍선 속에 수소기체를 넣고 동일한 실험을 해도 같은 현상이 생길까요?

만약 다른 현상이 생긴다면 왜 그럴까요? 서로 이야기해 보세요.

5. 생활 속 여러 분야에서 액체질소를 유용하게 사용하고 있습니다. 여러분이 앞으로 액체질소를 사용하여 꼭 하고 싶은 일이 있다면 어떤 것이 있을까요?

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3) 교사자료

▮과학적 요소 1▮ -196℃의 온도에서 물체를 순식간에 얼리기

장면

1. 친구가 준비해온 장미를 얼리는 장면

2. 친구의 머리에 장식한 고무장갑을 얼려 깨뜨리는 장면 3. 고무호스로 주전자를 돌리는 장면

4. 아이들이 시원한 아이스크림을 머기 원하여 아이스크림을 주려고 했는데 깜빡 잊고 아이스크림을 냉장고에 넣어 않아 다 녹아서 다시 얼려두었던 장면

내용

1. 장미를 액체질소에 넣기 전에 바닥에 내리쳐보고 난 후 장미를 액체질소에 3초 정도 넣었다가 꺼내어 바닥에 살짝 내리치면 장미의 꽃잎은 산산조각이 난다. 이 장미를 관중들에게 던진다.

(시간을 잴 때는 관중들과 함께 카운트다운 한다.)

2. 고무장감을 풍선처럼 코믹하게 불어 바닥에 세게 내리쳐 큰 소음이 나도록 한 후 액체질소에 3초 동안 넣었다가 꺼내어 바닥에 내리쳐서 깨뜨리면 고무장갑 역 시 산산조각이 난다. 고무장갑을 관중들에게 던져 확인시킨다.

3. 고무호스 굽힌 상태에서 액체질소에 넣어 얼린 후 굽힌 부분에 주전자를 걸어 돌리면 주전자는 떨어지지 않고 잘 돌릴 수 있다.

4. 녹은 아이스크림이라는 것을 보여주기 위해 가위로 잘라 물이 흐르도록 한 후 녹은 아이스크림을 액체질소 속에 40초 정도 넣은 다음 한 개를 꺼내어 책상을 두 들겨 소리가 나도록 하여 아이스크림이 얼었음을 보여준 다은 나머지 아이스크림 은 아이들과 관중들에게 나누어 준다.(너무 오래 동안 얼릴 경우 먹는데 지장이 있으므로 40초 동안만 얼려 나누어준다.)

▮ 과학적 요소 2▮ 열의 전도를 이용한 과학마술

장면 액체 질소를 용기에 담은 것을 손으로 퍼서 바닥에 던지는 장면

내용

상식적으로 액체질소를 손으로 퍼서 던진다고 생각하는 사람은 드물 것이다. 이론 적으로 생각하면 그 손은 바로 얼어야 한다. 그러나 손으로 퍼서 던질 수 있다.

바로 우리의 몸은 열의 전도율이 낮다는 것이다. 따라서 차가운 물질이라도 순간 적으로 만지는 것은 큰 문제가 발생하니 않는다. 손에 물기를 제거한 후 기합을 크게 지른 후 손으로 액체질소를 퍼서 바닥에 던지면 액체질소는 쭉 퍼지게 된다.

▮ 과학적 요소 3▮ 온도차에 의해 나타는 현상

장면 과자를 액체질소에 넣어 얼린 다음 아이들의 입 속에 넣어 먹어보게 하는 장 면

내용

액체질소 안에 과자를 넣고 바로 채로 건져서 입 속에 넣어주면 마치 입에서 연기 가 나는 것처럼 보인다. 액체질소의 낮은 온도에 과자가 순식간에 얼어 입 속으로 넣으면 온도차로 인해 연기가 난다.

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4) 참고자료

▣ 질소

질소는 2원자 분자로서 공기 부피의 80%를 차지하는 기체 원소로서 공업적으로는 공기를 액화시킨 액 체공기로부터 분류(分溜)에 의해서 얻는 방법(액화법+분별증류)이 널리 이용되고 있으며, 화학적으로는 염화암모늄과 아질산나트륨의 혼합액을 70℃로 가열하여 분별증류로 얻는다. 질소는 반응성이 작아 전 구 내부나 식품 용기의 충전제로 사용된다.

▣ 액체질소

질소를 액화한 것으로 대기 압력 하에서 -196℃에서 액체로 존재한다. 끓는점은 latm하에서 -196℃이 다. 질소를 -196℃까지 냉각하여 액체질소를 제조한다.

이렇게 하여 얻은 액체질소는 무색투명하며 유동성이 크다. 또한 기본적인 용도인 암모니아의 합성 원 료 이외에도 그 비활성과 저온액체라는 점 등의 성질이 주목되어 화학․철강․전자공업 분야 등에서 그 수 요가 증가하고 있다. 또 식품공업에서는 안전한 냉동용 액체로서도 사용된다.

액체질소는 대기압하 -196℃에서 액체로 존재하여 온도를 낮추는데 이용한다. 아이스크림의 기원은 기 원전 335~325년 사이 알렉산더 대왕이 원정길에 심산계곡에서 눈을 가져오게 하여 이에 과즙을 혼합 해서 부하들에게 마시게 하여 더위를 극복하게 하고 또 창고에 저장하게 하여 여름에 이용하였다는 가 설이 있다.

질소는 공기 중에 약 80%를 차지한다. 끓는점이 영하 196도로 아주 낮기 때문에 평소에는 기체상태로 존재한다. 가게에서 아이스크림을 포장할 때 넣어주는 드라이아이스가 영하 76도 정도인 점을 고려하면 영하 196도는 엄청나게 낮은 온도이다. 이 온도에서 질소는 기체상태에서 액체로 된다. 드라이아이스가 승화성 물질이라 이산화탄소가 액체를 거치지 않고 바로 기체가 되는 성질이 있다. 그래서 아이스크림

▮ 과학적 요소 4▮ 열에 의한 부피변화

장면 고무풍선을 액체질소에 넣었다 집게로 집어내어 천천히 흔들어 보이는 장면

내용 액체질소에 풍선을 넣었다 빼면 부피가 줄어들었다가 시간이 지나감에 따라 원해 상태로 전점 돌아오게 된다.

▮ 과학적 요소 5▮ 초저온에서 순식간에 얼려 아이스크림 만들기

장면 아이들에게 빵에 아이스크림을 발라주어 먹이는 장면

내용

제과점의 아이스크림은 저온에서 오랫동안 저어 거품이 많이 생기면서 얼도록 하 여 만든다. 당연히 오랫동안 저어야 하므로 많은 시간이 필요하지만 재료를 넣고 액체질소를 부어 빠르게 저어주면 순식간에 아이스크림이 된다. 이를 빵에 발라 아이들에게 주면 너무나 좋아할 것이다.

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을 포장해 온 비닐봉지에 드라이아이스가 사라져도 비닐봉지는 그대로 말라있다. 물론 이산화탄소 기체 도 높은 압력을 가하면 액체상태로 존재하기도 한다. 액체질소의 보관은 특별한 용기를 사용해야 하는 데, 용기의 가격은 20L를 기준으로 40만원에서 100만 원대로 상당히 비싸다. 반면, 액체질소 그 자체는 20L를 3만원 정도면 충전할 수 있고, 용기에 따라 한번 충전한 것은 한 달 이상 보관할 수 있다. 질소 의 어는점이 영하 약 210도(영하 210도 이하에서 고체로 된다)이므로 용기에 들어있는 액체상태의 질 소온도를 약 200도로 보면 무방하다.

▣ 초전도성(Superconductivity)이란?

1911년 오네스가 수은 시료의 온도가 내려감에 따라 4.15K에서 전기저항이 갑자기 줄어들어 극도로 작 게 되는 것을 발견하였다. 금속이 새로운 초전도 상태로 천이된 것이다. 초전도체의 비저항은 보통 도체 에 비하여 적어도 만큼 작은 것이기에 0이라 할 수 있다. 초전도체 내부에 유도된 전류는 온도를 임계 온도 이하로 유지하면 외부에서 걸어 주는 전기퍼텐셜 차이 없이도 여러 해 동안 흐르는 것을 관찰하였 다.

초전도체는 전자석에 사용할 수 있는 것 이외에도 여러 곳에 이용할 수 있다. 송전선에서 저항 때문에 공급전력의 약 10%가 손실된다. 이 때문에 방출되는 열은 초전도 도선을 사용하면 줄일 수 있다. 초전 도체 내부의 빈 구멍 주변의 지속 전류는 기억소자로 사용할 수 있을 것이다. 초전도 상태로의 천이는 매우 작은 온도 범위(Sn의 경우 K)에서 일어나므로 초전도체는 빛의 탐지소자로 사용할 수 있을 것이 다.

▣ 초반자성 (또는 완전 반자성)

저온의 특정 물질에서 발생하는 현상이다. 자기 투자율이 전무하며(즉, 자기 투자율 = −1) 내부 자기장을 축출하는 특징을 지닌다. 초반자성은 초전도의 특색이다. 이것은 1933년에 월터 마이스너에 로버트 오센펠트에 의해 확인되었다.(마이스너효과)

초반자성은 물질의 초전도가 위상 천이의 단계임을 확증한다. 초전도 자기 부상은 초반자성으로 인한 것인데 이것은 자석이 부유하여 떠나는 것을 막는다.

5) 액체질소를 가지고 할 수 있는 실험들

가. 풍선을 가지고 하는 실험

모든 기체는 온도가 내려가면 부피가 줄어든다. 줄어드는 정도는 1℃내려갈 때 마다 0℃때 부피의 1/273씩 줄어든다. 이것을 샤를의 법칙이라 한다. 온도가 내려갈수록 분자운동이 느려지므로 분자간의 간격이 좁아진다. 그러므로 부피가 줄어들게 되는 것이다. 이런 원리를 이용한 재미있는 실험 몇 가지를 소개한다.

컵에 액체질소를 반 정도 붇고 길게 분 풍선을 넣어본다. 풍선이 작아지면서 컵 속으로 들어간다. 풍선 을 밖으로 꺼내면 원래대로 다시 부풀어 오른다.

둥근 풍선을 사용할 경우는 크게 불은 풍선 하나가 들어갈 만한 스티로폼 통에 액체질소를 반가량 붇 고 풍선을 넣는다. 터뜨리지 않고 넣는다. 미리 커다란 바구니에 풍선을 10개 이상 불어놓고 그 풍선을 하나씩 차례로 다 넣어버린다. 그리고 풍선을 꺼내면 풍선은 다시 부풀어 올라 온다. 이 관계는 기본적 으로 샤를의 법칙을 따르지만 자세히 보면 꼭 그런 것만은 아니다. 더 큰 비밀이 숨어있다. 풍선 속에

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든 공기가 아예 액체로 변하기 때문에 더욱 부피가 줄어들어 더 많은 풍선이 들어갈 수 있는 것이다.

풍선 넣기 풍선을 꺼낸 초기상태 시간이 지난 후의 풍선 나. 필름통을 이용한 실험

필름통에 액체 질소를 조금만 넣고 뚜껑을 닫으면, 액체질소가 기화하면서 부피가 급격히 팽창하여 폭 발적으로 뚜껑이 열린다. 이 실험은 가정에서 액체질소 대신 아이스크림가게에서 구한 드라이아이스를 넣고 해도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

다. 액체 세제를 이용한 실험

메스실린더에 물을 조금 넣고 그 위에 액체세제를 약간 떨어뜨린다. 그리고 액체질소를 살짝 부어주 면, 기화된 질소가 빠져나올 때 세제의 비누 막에 갇혀지기에 거품 기둥을 만들게 된다. 이 실험 또한 집에서는 드라이아이스를 넣어도 된다.

준비물 액체질소를 넣은

초기상태

거품기둥이 점점 커짐

6) 참고문헌 및 사이트

천재교육, 중학교 과학1 교사용지도서, 2010 네이버, www.naver.com. http://www.kjea.or.kr http://hytist.hanyang.ac.kr.

(한양대학교 청소년과학기술진흥센터) 과학동아리의 통합자료실 경기과학탐구놀이연구회 카페

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나. STEAM 프로그램 지도안2 - 엇! 보이지 않아요! 느낌도 없어요! 공기의 힘(4~6차시) 1) 지도안

주제 및 중심과목

엇! 보이지 않아요! 느낌도 없어요!

공기의 힘 (과학) 학교급/학년(군) 중학교/1-3 학년 중심과목

기체의 성질,기권과 날씨

[9과18-03] 기압의 개념을 알고, 바람이 부는 이유를 설명할 수 있다.

주제(단원)명 분자의 운동 차시 4~6/12

학습목표 • 기체에 힘을 가할 때 기체의 부피 변화에 대해 설명할 수 있다.

• 온도의 변화에 따른 기체의 부피 변화에 대해 설명할 수 있다.

연계과목 과학, 미술, 가정 연계과목

성취기준 영역

기체의 성질,기권과 날씨

STEAM 요소

S 대기압의 작용으로 인한 물체의 모양 변화를 관찰 할 수 있다.

T 아무 느낌이 없는 공기도 엄청난 힘(기압)이 작용하고 있음을 확인 할 수 있다.

E

A 대기압을 통해 재미난 과학 마술을 연출할 수 있다.

M

개발 의도 눈으로 보이지 않고 피부 적으로 느끼기 힘든공기의 세계를 재미있는 실험을 활용하여 꾸 며지기 때문에 과학 학습 내용의 인식 효과를 가질 수 있도록 한다.

1. 우리 생활 주변에 온도의 변화에 따른 기체의 부피변화와 관련된 현상이 많이 있음을 알고 과학적 원리를 생활에 적용해 볼 수 있다.

2. 기체의 온도의 변화에 따른 기체의 부피변화를 몸으로 느낌으로써 과학적 원리를 체득할 수 있다.

상황 제시

상 황 제 시

아무 느낌이 없는 공기도 엄청난 힘 (기압)이 작용하고 있음을 확인하자.

창 의 적 설 계

대기압을 통해 재미난 과학 마술 연출하기

감 성 적 체 험 마술도구나 소품으로 사용하기

위한 물건 구하기

감성적 체험

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학습

및 유의점

도입 ( 10

분)

Co 영수는 탁구를 치다가 탁구공을 찌끄러 뜨렸다.

ET 헬륨 풍선을 끈을 끊어 버리면 풍선은 끝없이 하늘로 올라 갈까?

호기심 흥미

전개 ( 25 분)

CD 기압에 의한 물체의 부피 변화

1. 진공장치 속의 공기가 빠지면서 초코파이의 모습에 어떤 변화가 있는가?

☞ 초코파이가 점점 커진다.

2. 진공장치 속에 다시 공기를 넣어주면 초코파이의 모습에 어떤 변화가 있는 가?

☞ 초코파이가 원래 크기로 되돌아온다.

3. 진공장치 속 초코파이가 변화된 까닭은 무엇일까?

☞ 공기가 누르는 힘이 변화되었기 때문이다.

4. 기체를 누르는 힘의 변화와 기체의 부피 변화와는 어떤 관계가 있을까?

☞ 기체를 누르는 힘이 크면 기체의 부피는 작아진다.

☞ 기체를 누르는 힘이 적으면 기체의 부피는 커진다.

ET 활동 2 빨대로 감자에 구멍 뚫기

1. 빨대의 입구 쪽을 감자의 표면에 대고 찌른다. 어떻게 될까?

☞빨대가 감자를 뚫지 못하고 휜다.

2. 이번에는 빨대의 끝을 손가락으로 막고 빠르게 감자를 찌른다. 어떻게 될까?

☞ 빨대 안의 공기는 압축되고 그로 인해 압력이 커져 빨대는 단단하기 때문 에 감자를 뚫는다.

3. 감자 대신 무의 경우는 어떻게 될까?

☞ 빨대의 끝을 손가락으로 막고 찌르면 뚫는다.

정리 ( 10 분)

ET 1. 기체에 가한 힘과 기체 부피 사이의 관계를 말할 수 있다.

2. 오늘 학습에서 느낀점을 발표해보자.

☞ 기체에 힘을 가하면 부피가 변한다는 것을 알았다.

☞ 온도의 변화에 따라 기체의 부피가 변한다는 것을 알았다.

☞ 직접 기체가 되어보는 활동이 재미있었다.

☞반드시 과학 선생님과 함께 실험해 주세요.

☞빨대로 뚫을때 다치지 않도록 한다.

협동성 사고의

확장

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2) 학생 활동지

학습주제 공기는 천하장사

(생수통 찌그러뜨리기, 공기대포) 2018 년 월 일

탐구목표

눈에 보이지 않는 공기가 어떠한 힘들을 가지고 있는지 알아보자

학년 반 번 조 이름 :

우리 모둠의 쵸코파이 모양 변화

▶ 준비물 ◀

1. 생수통 찌그러 뜨리기

- 생수통, 알콜, 종이컵, 점화기, 집게, 휴지, 송곳, 2. 공기대포(종이박스)

- 종이박스, 넓은 테이프, 칼 3. 미니 공기대포

- 500ml페트병, 풍선, 양초, 포그머신, 칼, 가위

1) 생수통 찌그러 뜨리기

① 생수통이 얼마나 단단한지 직접 찌그러뜨려 보게 한다.(힘센 사람) ② 생수통 안에 10cc 정도의 소량의 알콜을 넣는다.

③ 적당히 흔들어서 기화된 알콜 가스가 생수통 안에 가득 차게 한다.

④ 집게를 이용하여 휴지에 불을 붙여 생수에 입구에 넣어 기화된 알콜 가스가 폭발하도록 한다.

⑤ 준비된 종이컵으로 재빨리 생수통 입구를 막는다.

⑥ 생수통이 완전히 찌그러들면 송곳으로 가운데에 구멍을 뚫는다.

⑦ 변화를 관찰하게 한다.

휴지에 점화 생수통안에 불꽃넣기

2) 공기대포

① 종이상자를 테이프로 붙인다.

② 박스 안에 접히는 부분도 테이프로 붙여준다.

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③ 입구에 칼을 이용하여 원형의 구멍을 만든다.

④ 구멍을 앞으로 하고 양손으로 박스 옆면을 친다.

⑤ 바람이 없는 장소(강당)에서 포그머신을 이용해도 좋다.

⑥ 공기대포를 이용하여 물체를 쓰러뜨리거나 촛불을 꺼본다.

공기대포 1 공기대포 2 공기대포 3 공기대포 4

<여러 모양의 공기대포 입구모양>

포그머신 공기대포에 포그 주입 공기대포 발사 공기대포 발사 2

<포그 머신을 이용한 공기대포 발사>

3) 미니 공기대포

① 500ml 페트병을 준비한다.

② 페트병의 뒷부분(바닥)의 1/3 지점을 잘라낸다.

③ 풍선의 입구 부분을 잘라낸다.

④ 풍선을 페트병에 씌우고 테이프로 단단히 붙인다.

⑤ 페트병을 조준하고 풍선을 당겼다 놓아 본다.

⑥ 물건이나 양초를 이용하여 다양한 활동을 한다.

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미니 공기대포 제작 양초 세우기 미니공기대포 발사 양초 촛불 끄기

<미니공기대포를 이용한 활동모습>

매직쇼 공기대포 시연1 매직쇼 공기대포 시연2 매직쇼 공기대포 시연3

<실제 사이언스 매직 쇼 공연시 모습>

1) 생수통 찌그러 뜨리기

생수통안의 알콜이 기화 한 후 생수통의 뚜껑을 닫음으로써 순간적으로 물통안의 공기가 빠져나가서 진공상태가 되어 생수통 안이 저기압 밖이 고기압이 되어 주변의 공기가 사방에 서 생수통으로 작용하게 되어 힘들이지 않고 쉽게 찌그러뜨릴 수 있게 되는 것이다.

2) 공기대포

상자를 주먹으로 치면 상자안의 공기는 순간적으로 수축하게 되고 이 압력은 구멍을 통하 여 바깥쪽으로 배출되면서 공기대포로부터 나오는 공기는 구멍의 가장자리에서 저항을 받아 바깥쪽으로 소용돌이치기 때문에 연기모양을 보면 도너츠 같은 띠를 형성하면서 날아갑니다.

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3) 교사 자료

◈ 보일-샤를의 법칙에 대해 알아봅시다.

◈ 보일의 법칙

온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 서로 반비례 관계에 있다. 즉 압력을 2배, 3배로 키 울 때 부피는 1/2, 1/3이 된다. 이는 1662년 영국의 과학자 로버트 보일이 기체의 압력과 부 피 사이의 관계를 조사하여 알아낸 결과로써 이상기체 상태방정식에서 P=nRT/V=상수/V로 표 현된다.

공기보다 가벼운 기체가 들어있는 풍선을 놓치면 하늘로 계속 올라가며 부피가 커지다가 결국 에는 터지게 되는데 이는 대기압이 고도가 높아질수록 낮아지기 때문이다. 외부 압력이 낮아 질 때 풍선의 부피가 증가하는 현상은 보일의 법칙을 극명하게 보여주는 실생활의 한 예이다.

◈ 샤를의 법칙

1787년 프랑스의 과학자 샤를이 발견한 법칙으로 기체의 압력을 일정하게 유지할 때 기체의 온도를 높이면 기체의 부피가 증가하게 됨을 기술한다. 기체의 부피와 온도 사이에 존재하는 이러한 규칙을 샤를의 법칙이라고 명명하고 V=nRT/P이므로 V와 T는 서로 비례 관계에 있음 을 쉽게 알 수 있다.

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 시간이 조금 흐른 뒤 팽팽하게 다시 펴지는 현상을 관 찰할 수 있다. 이는 샤를의 법칙에 따라 탁구공의 안의 온도가 올라감과 동시에 내부 기체의 부피가 팽창하기 때문이다.

위 그래프에서 보는 바와 같이 초기상태(A점)에서 기체는 의 부피, 의 압력, 의 온도를 갖는 다. 압력과 부피 및 온도가 동시에 변화하여 의 부피, 의 압력, 의 온도를 갖는 최종상태(C점) 에 도달한다고 할 때 이를 온도를 일정하게 하였을 때의 과정( A->B)과 압력을 일정하게 할 경우의 과정(B->C)으로 나눌 수 있다. A점에서 B점까지의 등온변화의 경우 보일의 법칙에 의해 다음의 관계를 만족한다.

또한 B점에서 C점까지의 등압변화의 경우 샤를의 법칙에 의해 다음의 관계가 성립한다.

두 관계식을 합치면(A->C) 일정량의 기체의 상태가 A점에서 C점으로 변화할 때 성립하는 보 일-샤를의 법칙을 다음 식과 같이 얻을 수 있다. 위 법칙은 이상기체의 경우 성립하며 실제기 체의 경우 근사적으로 성립한다.

4) 참고문헌 및 사이트

박희송 외 15인(2009). 중학교 1학년 과학. (주)교학사

김성원 외 17인(2009) 중학교 1학년 과학. (주) 한국과학창의재단

(26)

최정훈 외 12인(2009) 중학교 1학년 과학. (주) 도서출판 디딤돌 복완근 외 11인(2009) 중학교 1학년 과학. (주) 지학사

인체 고급 영향학 이영순 외, 광문각(1999)

공주대학교 과학 교육 연구소 http://science.kongju.ac.kr 대한 영양사 협회 http://www.dietitian.or.kr/

서울대학교 생활 과학 연구소 식생활 정보실 http://living.snu.ac.kr/

경기과학탐구놀이연구회 카페

다. STEAM 프로그램 지도안3 - 소리의 세계 (7~9차시) 1) 지도안

주제 및

중심과목 소리 세계 (과학) 학교급/학년(군) 중학교/1-3 학년 중심과목

빛과 파동

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

주제(단원)명 파동 차시 7~9/12

학습목표 • 소리가 전달되는 모양을 확인할 수 있다.

• 와인잔으로 간단한 연주를 할 수 있다.

연계과목 과학, 음악, 가정 연계과목

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] 빛과 파동

STEAM 요소

S 소리가 전달되는 모양을 확인할 수 있다.

T 앗!! 소리가 보인다.

E 어? 신기하네! (와인잔 연주) A 소리와 함께 춤추는 유릿잔 M

개발 의도

온도(열)에 의해 상태가 변하는 원리를 이용하여 금붕어를 영하196 액체질소에 넣어 재미 있고 신기한 과학 실험을 관람객들에게 팬터마임 공연 감상을 통하여 친근하게 다가가게 하 여 실험에 대한 과학적 원리를 깨닫게 하고, 과학에 관심과 흥미를 갖게 한다.

◇ 개발 의도

눈에 보이지 않는 소리를 간단한 실험으로 소리의 전달과정을 눈으로 모양을 할수 있 다. 우리 주변 에서 볼 수 있는 음파를 이용한 도구를 찾아보고 소리가 전달되는 모양을 확인할 수 있다.

우리 주변에서 볼 수 있는 음파를 이용한 도구를 찾아 보게 한다.

상황 제시 상

황 제

와인잔 연주가 가능 한 이유를 설명할 수

창 의 적

와인잔 연주를 합주 하 기

감 성 적 도구나 소품 디자인하고 만들어

보기

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시 있다. 설 계

체 험

감성적 체험

학습

및 유의점

도입 ( 10

분)

▶ 활동 1

☞ 북 위에 작은 돌을 올려놓고 북을 두드려서 돌의 움직임 관찰하기

☞자신의 성대부분을 잡고 소리내어보기

▶ 활동 2

☞ 소리를 눈으로 보자

☞ ‘레이저 진동기’ 만들기

▶ 활동 3

☞ 천장이나 벽에 비친 레이저 모양을 통해 소리의 진동모양 확인하기

호기심 흥미

전개 ( 25 분)

CD 활동 1 앗!! 소리가 보인다.

☞ 목소리, 소리굽쇠, 리코더, 장구를 이용해 작은 소리를 낼 때와 큰 소리를 낼 때의 그래프의 변화 관찰하기

▶ 활동 2

☞ 작은 소리와 큰 소리의 차이점 토의하기

☞ 소리의 크기는 진폭과 관계있음을 이해한다.

ET 활동 2 ․ ▶활동 3

☞ 리코더를 이용해 소리의 높낮이에 따른 그래프의 변화 관찰하기

▶활동 4

☞ 소리의 높낮이가 달라지는 이유 토의하기 ☞ 소리의 높낮이는 진동수와 관계있음을 이해한다.

정리 ( 10 분)

ET ☞실험설계에 따라 바른 실험이 될 수 있도록 한다.

‘소리’프로그램을 실행시키고, 실행분석 탭에서 마이크를 클릭하여 소리가 달라질 때의 그래프 변화를 관찰할 수 있게끔 세팅한다. 학생이 저장한 화면은 바로 프 린트하여 비교가 용이하게 한다.

▶ 활동 4

- 토의 결과 발표하기

협동성 사고의

확장

(28)

학습주제

앗!! 소리가 보인다

20 년 월 일

탐구목표

소리가 전달되는 모양을 확인할 수 있다. 학년 반 번 조 이름 :

앗!! 소리가 보인다

▶ 준비물 ◀

빈 깡통, 나무막대기(길이 30cm 정도의 ㄱ자형), 나무토막(1cmx1cmx1cm 정육면체형), 털실, 고 무 밴드, 가위, 풍선, 레이저 포인터, 양면테이프, 거울(1cmx1cm정사각형)

1. 깡통 따는 도구를 이용해서 깡통의 바닥을 오려낸다.

2. 사진과 같이 풍선의 중간부분을 약 5cm정도 오린 후 깡통에 팽팽하게 씌운다.

3. 털실을 이용하여 풍선 위를 잘 묵어준 후 나무막대기와 깡통을 고무 밴드로 사진과 같이 고정시 킨다.

4. 반대쪽 나무막대기 끝에 사진과 같이 레이저 지시기 앞쪽에 작은 나무토막을 대고 고무 밴드로 고정시킨다.

(29)

5. 레이저를 쏘면서 풍선에 가리키는 지점에 거울을 양면테이프를 이용하여 붙인다.

6. 사진과 같이 깡통을 입에 대고 레이저 지시기를 누른 채로 소리를 내면서 벽에 나타나는 모양을 관찰한다. (레이저가 거울에 반사되어 벽에 도달해야 하므로 손이 레이저 광선을 막는 일이 없도록 한다.)

➜ 어떤 현상이 일어나는가?

가. 왜 이런 현상이 나타날까요?

깡통에 대고 소리를 내면 그 소리에너지에 의해 거울이 붙어있는 풍선을 진동시키게 되며 레이저 광선이 그 진동하는 거울에 의해 반사되어 벽에 다음과 같은 그림(리사주 그림)을 만들게 된다.

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나. 리사주 그림(리사주 도형)

평면 내에서 서로 수직인 2개의 단진동을 합성하여 얻어지는 2차원 운동의 자치를 리사주 도형 이라고 한다. 위의 그림과 같이 x축, y축에서 진동을 하게 되면 합성되어 리사주 그림을 나타내게 되는 것이다.

1855년 J.A.리사주에 의하여 실험적으로 그 장치가 고안되었다. x축 및 y축 방향에서의 단진동은 각각 x=A cos ωt, y=B cos (ω't＋

δ)로 나타낼 수 있다. 그러나 진동 수 ω 및 ω'의 비(比)나 위상차(位相差) δ의 값에 따라 여러 가지 도 형이 xy 평면상에 그려진다. 오른 쪽 그림은 2개의 단진동의 진폭이 같은 경우에 대하여 위상차 및 진 동수의 비가 다른 것을 예시한 것 이다.

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라. STEAM 프로그램 지도안4 - 힘의 세계 (10~12차시) 1) 지도안

주제 및

중심과목 힘의 세계 (과학) 학교급/학년(군) 중학교/1-3 학년 중심과목

[[중학교1~3학년]

여러 가지 힘

[9과02-01] 무게가 중력의 크기임을 알 고, 질량과 무게를 구별할 수 있다.

주제(단원)명 힘과 운동 차시 9~12/12

학습목표 • 무게중심의 원리를 알아보고 이를 이용한 장난감을 만들 수 있다.

• 힘의 분산 원리를 응용한 마술을 연출할 수 있다.

연계과목 과학, 기술, 수학 연계과목

성취기준 영역

여러 가지 힘

STEAM 요소

S 무게 중심의 원리를 이해할 수 있다.

T 무게 중심의 원리를 응용한 외줄타기 인형을 만들 수 있다.

E

A 힘의 분산 원리를 스스로 이해하고, 이를 응용한 마술을 연출할 수 있도록 한다.

M

개발 의도 다양한 장난감을 통해, 그 속에 숨겨진 무게 중심의 원리를 찾을 수 있다.

◇ 개발 의도

힘의 분산 원리를 응용한 마술을 연출할 수 있다.

• 무게중심의 원리를 알아보고 이를 이용한 장난감을 만들 수 있다.

• 힘의 분산 원리를 응용한 마술을 연출할 수 있다.

상황 제시

상 황 제 시

무게 중심의 원리 를 응용한 외줄타기 인형 연구하기

창 의 적 설 계

연출자로 마술공연을 위한 공간/시선/동선/

표정 등을 구상해보기 감 성 적 체 험 거꾸로 오르는 바퀴를 관찰하고

중력과 에너지에 대하여 알아보기

감성적 체험

학습

및 유의점

(32)

도입 ( 10

분)

Co ㆍ다음 그림과 같이 잠자리와 앵무새가 균형을 잡고 서 있을 수 있는 이유에 대해 생각해 보게 한다.

호기심 흥미

전개 ( 25 분)

[탐구 1] 균형 잠자리

1. 도안을 OHP에 필름을 복사한다.

2. 복사된 OHP필름 도안을 자른 후 원하는 색으로 색을 칠한다.

3. 잘라서 풀이나 테이프를 이용하여 각 부분을 붙인다.

4. 잠자리 날개에 클립을 키운다.

5. 머리 부분을 살짝 아래쪽으로 접은 뒤 뽀족한 곳에 올려놓는다.

<잠자리> <균형잡은 잠자리>

[탐구 2] 앵무새

1. 앵무새 도안을 두꺼운 종이에 붙인다. 얇은 종이 2장 이상 붙일 수도 있다.

2. 매직으로 색을 칠한 후 도안을 오려낸다.

3. 클립을 여러 개(10~15개) 연결한 후 앵무새 꼬리 부분에 단다.(연결 방법이 나 클립의 개수는 상황에 따라 조정한다. 단 꼬리 부분(낚싯줄 보다 아래)에 다 는 것을 잊어서는 안 된다.)

4. 앵무새의 다리부분을 낚싯줄이나 스탠드에 올려놓는다. 손가락 끝에 올려놓 아도 괜찮을 것이다.

<앵무새> <줄타는 앵무새>

실제 실 험은 동 영 상 으 로 대 체 할 수 있음

정리 ( 10 분)

1. 완성한 잠자리가 뾰족한 곳에서도 떨어지지 않고, 앵무새나 삐에로가 균형을 유지하는 것은 무게 중심의 원리를 응용한 것임을 이해시킨다.

2. 놀이과정에 사용된 기구나 장치 등을 원상태로 바르게 정리 정돈한다.

협동성 사고의

확장

(33)

천하장사 종이 컵

날 짜 월 일 모둠명

학 번 이 름

실험목적 • 힘의 분산 원리를 스스로 이해하고, 이를 응용한 마술을 연출할 수 있도록 한다.

준비물 팀별 종이컵 50~60개, 50cm×50cm 나무판자(또는 투명아크릴 판) 5개, 풍선

주의사항

1. 종이컵의 배치는 위층으로 올라갈수록 마름모 모양이 되도록 하는 것이 중 요하며, 올려 놓는 물체들은 균일한 높이를 유지해야 한다.

2. 마지막 풍선을 올린 판이 미끄러지지 않도록 잘 잡아 준다.

3. 사람이 올라갈 경우에는 양쪽에 2명이 부축을 해주어 올라간다.

탐구 과정

[탐구 활동]

1. 각 팀을 3~4명 정도로 구성한다.

2. 종이컵 일정량(50여개)과 풍선(6개정도)을 팀 별로 나눠 준다.

3. 교사가 지정하는 일정한 무게(약 60Kg)를 올렸을 때 찌그러지지 않도록 종이컵으로 쌓기를 한다.

4. 첫 번째 판에 성공하면 계속해서 층을 올려가면서 4층까지 도전한다.

5. 마지막 5층에서는 풍선을 올리고 그 위에 5층 상판 위로 완벽하게 올라간 팀이 승리!

6. 같은 무게를 올리는데 컵과 풍선을 가장 적게 사용한 팀이 승리한다.

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3) 참고자료

가) 힘의 분산을 응용한 다양한 활동 1) 전구 위에 올라서기

전구 역시 대단히 힘이 약한 것으로 생각하기 쉽다. 그 러나 전구 3개를 올려놓아 나무판으로 덮으면 힘을 받 는 면적을 넓힌 효과가 있기 때문에 압력의 세기를 줄 일 수 있다.

2) 풍선 위에 올라서기

: 바닥에 신문지와 같은 것을 깔고 4개의 풍선을 고정시 키고, 넓은 합판을 올려놓고 양쪽에 두 사람의 어깨를 잡고 살며시 올라선다. 이 때, 4개의 풍선의 크기는 비 슷해야 하며, 바닥에 신문지나 깨끗한 판지를 깔아 작 은 돌멩이나 모래 등이 풍선을 터지게 하는 것을 예방 한다.

3) 못 위에 올라서기 탐구

결과

1. 종이컵을 어떻게 놓을 때 무게를 가장 잘 견딜 수 있는지 그림으로 나타 내 봅시다.

2. 약한 종이컵이 무거운 물체를 견딜 수 있는 이유는 무엇일까요?