몸 10

생체 모방(biomimicry)은 생명을 의미하는 bios 와 모방을 의미하는 mimesis라는 단어가 합성 된 용어로 장시간에 걸쳐 생존을 위해 자연계에 서 일어난 전략과 패턴을 채택하고 활용하여 실 생활에 지속 가능한 해법과 디자인을 제공하는 연구 분야이다.

이 프로그램은 2학년 과학의 ‘물질의 구성’ 단원 에서 모든 물질은 원소로 이루어져 있음을 알고 방수의 원리를 이해하고 1학년 기술·가정의 ‘기 술과 발명’ 단원에서 방수 옷을 창의적으로 설계 및 제작할 수 있도록 구성되어 있다. 또 1학년 국 어의 ‘말하기와 듣기’ 단원에서 다른 사람의 이야

기를 경청하고 자신의 의견을 말할 수 있는 능력 을 키울 수 있다.

비, 눈 등과 같은 제한적 환경에서 주어진 재료와 생체 모방 기술을 이용하여 우리의 몸을 보호할 수 있는 방수의 원리를 이용한 신문지 옷을 설계 하여 제작하고자 한다.

비로부터 우리

몸 을 보호하자

10

내용 목표

• 생체 모방 기술을 이해하고 설명 할 수 있다.

• 비와 눈으로부터 자신의 몸을 보 호하는 방수성이 뛰어난 신문지 옷을 설계할 수 있다.

• 물질은 원소로 이루어져 있음을 설명할 수 있다.

과정 목표

• 다른 학생들과의 토의 및 활동 과정에서의 협동심 을 기를 수 있다.

• 방수 신문지 옷을 제작하면서 타인을 배려하는 마 음을 기른다.

• 듣기와 말하기의 소통 과정을 이해하고 효율적인 듣기와 말하기를 할 수 있다.

중학교 2학년 물질의 구성

과목 : 과학, 기술·가정, 국어

학습 목표 주제 및 제작 의도

STEAM 과목 요소

각종 사고로 인해 극한 상황에서 생 체 모방 기술을 이용하여 몸을 보호 할 수 있는 옷을 만들 수 있다.

생체 모방 기술의 이해, 물질의 구성 방수성이 뛰어난 신문지 옷의 설계 및 제작 신문지 옷 디자인하기

관련 교과

STEAM 단계 요소

상황 제시

Step1 • 비와 눈이 내리는 극한 상황에서 우리 몸을 보호할 수 있는 방법은 무엇일까?

창의적 설계

Step2 • 생체 모방 기술과 방수의 원리를 이해하고 신문지를 이용한 다양한 방수옷을 설

계하고 제작한다.

감성적 체험

Step3 • 비와 눈이 내리는 극한 상황에서 우리의 몸을 보호하는 방수 신문지 옷을 제작하

면서 극한 상황에서도 살아날 수 있는 자신감을 갖는다.

교육 과정

수업 단계 과목 단원 단원 학습 목표 STEAM 성취 목표/STEAM 요소

1 ~ 4차시

과학

물질의 구성 물질은 원소로 이루어져 있음을 설명할 수 있다.

방수의 원리 이해하기 물질의 구성 알기

고어텍스의 방수 원리 이해하기

과학과 인류 문명

과학이 사회와 문화 예술, 환경 등 우리 생활에 미치는 영향을 알 수 있다.

생체 모방 기술 이해하기 생체 모방 기술의 정의 생체 모방 기술의 사례 찾기

기술·

가정 기술과 발명

생활 속의 제품의 문제를 확산적 사고 기법, 수렴적 기법을 활용하 여 창의적으로 해결할 수 있다.

방수성이 뛰어난 원단 설계 및 제작하기 방수성이 뛰어난 원단 설계 방수성이 뛰어난 원단 제작

국어 듣기·

말하기

제작한 매체 자료를 사용하여 효 과적으로 발표할 수 있다.

자신의 의견을 발표하기 모둠 활동의 결과물 발표하기

평가 계획

연번 평가 기준 방법

1 생체 모방 기술을 이해하고 설명할 수 있는가? 수행 평가

2 모둠 활동 중 서로 배려하고 협력하였는가? 관찰 평가

3 방수의 원리를 이해하고 설명할 수 있는가? 수행 평가

4 방수성이 뛰어난 신문지 옷을 설계하고 제작하는 과정에 열심히 참여하였는가? 자기 평가

5 방수가 잘 되는가? 체크리스트

차시별 계획 총괄표

과목

단원

차시 학습 내용

1차시

소주제

생체 모방 기술의 이해와 사례 알아보기

극한 상황에서 비나 눈이 내릴 때 우리의 몸을 보호할 수 있는 방법은 무엇일까?

tip 영화 ‘캐스트 어웨이’의 주인공이 조난당한 상황에서 비가 내릴 때 몸을 보호하기 위해 식물을 활용하는 영 상을 보여주고 본 수업의 상황에 몰입하도록 한다.

생체 모방 기술의 이해 및 우리 주위의 사례 알아보기 주변에서 생체 모방 기술을 활용한 예를 찾아본다.

tip 과학의 기본적인 탐구 능력을 향상시키기 위해 자연 속에서 쉽게 찾아볼 수 있는 동·식물의 기능들을 관찰 하고 탐구하여 실생활에서 생체 모방 기술이 사용되는 사례와 연관짓도록 한다.

2차시

소주제

물질의 구성 및 방수 원리 이해하기

물질을 이루는 기본 성분은 무엇인가?

풍선에 바람을 불어 오래두면 바람이 서서히 빠져나간다. 그 이유는 무엇일까?

tip 풍선을 이루는 입자와 공기와의 관계를 생각할 수 있도록 유도한다.

고어텍스의 방수 원리 이해하기

아웃도어를 만드는 섬유인 고어텍스는 방수가 된다고 알려져 있다. 이 섬유의 방수 원리를 알아본다.

3~4 차시

소주제

방수성이 뛰어난 신문지 옷 제작하기

생체 모방 기술을 활용하여 방수성이 뛰어난 옷 설계하기 신문지를 이용하여 방수성이 있는 옷을 만들 수 있을까?

tip 설계 방법에 따라 옷에 방수성을 부여할 수 있다는 것을 알려준다.

생체 모방 기술을 활용하여 방수성이 뛰어난 옷 제작하기

생체 모방 기술을 활용하여 주어진 재료로 방수성이 뛰어난 옷을 제작한다.

만든 신문지 옷의 방수 원리를 발표하고 방수성을 테스트한다.

- 모둠별 방수 신문지 옷의 앞쪽 뒷면에 수성 사인펜으로 글자를 쓰고, 일정 거리에서 다른 모둠원이 1분 동안 물총을 쏜다. 이때 사인펜의 글자가 번지지 않으면 방수성이 있는 것으로 한다.

자신이 제작한 옷에 대한 성취감을 느끼고 생체 모방 기술의 중요성을 인식한다.

1차시 생체 모방 기술의 이해와 사례 알아보기

과목

수업 차시

단원

교육 과정

학습 목표

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입 (10분)

극한 상황에서 비나 눈이 내릴 때 우리의 몸을 보호할 수 있는 방법은 무 엇일까?

tip 영화 ‘캐스트 어웨이’의 주인공이 조난당한 상황에서 비가 내릴 때 몸을 보 호하기 위해 식물을 활용하는 영상을 보여주고 본 수업의 상황에 몰입하도 록 한다.

영화 ‘캐스트 어웨이’

영상

학습 활동 (25분)

조난을 당한 상태에서 갑자기 눈이나 비가 올 때, 몸을 보호할 수 있는 방법 을 찾아본다.

tip 주변에 있는 재료를 충분히 고려하여 생각할 수 있도록 한다.

활동 생체 모방 기술 이해하기

생체 모방 기술의 이해 및 우리 주위의 사례를 알아보기 주변에서 생체 모방 기술을 활용한 예를 찾아본다.

tip 우리 주변에 사용하고 있는 다양한 예들을 생각하고, 어떤 원리를 이용한 것 인지 정리할 수 있도록 한다.

학생 활동지 1 참고자료 1-1 참고자료 1-2

마무리 (10분)

생체 모방 기술을 이용한 사례를 발표한다.

- 내가 찾은 다양한 생체 모방 기술의 사례를 적용한 원리와 매칭하여 발표 한다.

지도상 유의점

✽ 영화 ‘캐스트 어웨이’ 감상 후 학생들에게 흥미를 유발할 수 있도록 분위기를 조성한다.

✽ 주변의 생체 모방 기술을 찾을 때, 휴대폰을 사용할 수 있도록 배려한다.

✽ 학생들이 충분하게 탐색할 수 있도록 시간을 준다.

학생활동지 1 생체 모방 기술 이해하기

❶ 영화 ‘캐스트 어웨이’의 일부분을 보고 주인공과 같은 상황에서 나는 어떻게 할 것인지 써 봅시다.

❸ 우리 주변에서 생체 모방 기술의 사례를 찾아봅시다. (자연의 어떤 부분에서 모방했는지 찾아봅시다.) 아이들의 창의적인 생각으로 정답은 없음.

영화 ‘캐스트 어웨이’ 포스터

❷ 생체 모방 기술은 자연에서 힌트를 얻어 만들어지는 것입니다. 다음 그림을 보고 생체 모방 기술과 자연

의 동·식물을 바르게 연결하고 그 이유를 써 봅시다.

● 벨크로 : 엉겅퀴의 끝부분은 고리 모양으로 되어 있다. 벨크로의 한쪽은 고리 모양이고 다른 한쪽은 고리가 걸릴 수 있다.

● 일본의 신칸센 : 물총새의 길쭉한 부리 모양을 보고 공기 저항을 최소화하는 신칸센의 앞부분을 만들었다.

● 우산 : 연꽃잎에 물을 뿌리면 물이 스며들지 않고 흘러내린다. 이러한 연꽃잎 효과를 이용하여 우산을 개발하였다.

벨크로(찍찍이)

연꽃잎

일본의 신칸센

엉겅퀴

우산

물총새

참고자료 1-1 생체 모방 기술

생체 모방 기술은 생명을 의미하는 단어 ‘bios’와 모방을 뜻하는 단어 ‘mimesis’를 합쳐서 자 연의 구조와 기능을 연구하고 모방하는 분야를 말하여 바이오미메틱스라고 한다.

우리 주위에서 찾아 볼 수 있는 생체 모방 기술은 다음과 같다.

자연 생체 모방 기술 내용

파리

파리의 공기 역학적 비행 능력을 응용한 초소형 무인 비행체, 파리의 이동과 항법 능력에 대한 원리를 밝혀내 하드웨어로 재구현하면 만능 곤충 로봇을 만들 수 있다.

북극곰

북극곰의 검은 피부와 투명한 털은 극한의 추위에서 생존할 수 있도록 하며, 이는 단열 및 건축에 응용된다.

방울뱀

방울뱀은 적외선을 인식하는 능력이 아주 탁월해 멀리 떨어진 지점의 먹이가 발산하는 적외선을 인식해 사냥을 한다. 이 기능을 응용하여 적외선 유도 미사일을 연구하였다.

적외선 유도 미사일의 앞부분에는 적외선 감지기가 붙어 있어 적기의 엔진이나 배기가 스에서 나오는 적외선을 끝까지 추적, 파괴할 때까지 따라다닐 수 있다.

박쥐

박쥐는 높은 초음파를 입이나 코(관박쥐)로 발사하여 반향되어 오는 신호를 귀(귀 내부 의 달팽이관 속털 세포)로 받아 이를 분석하여 주변을 볼 수 있는 능력이 있다. 이를 응 용하여 초음파 진단기, 어군 탐지기, 유도 미사일에 이용한다.

게코도마뱀

게코도마뱀(도마뱀붙이) 발가락 표면의 극세모는 분자 간의 힘이 작용하여 벽이나 천정 에 들러 붙을 수 있다. 이 특징을 응용하여 게코테이프(끈적끈적한 화학 물질을 사용하 지 않고도 접착력을 발휘), 스티키봇(로봇) 등을 연구하였다.

뱀

뱀은 좁고 어두운 공간과 통로를 자유롭게 다닌다는 점에 착안해 뱀을 모방하여 만든 로 봇에 원격 카메라와 송수신기를 부착, 조난자 탐색용으로 활용할 수 있다. 뱀 로봇은 화 산 폭발, 지진, 홍수 등 자연 재해 상황과 극한 환경에서 운용 가능하다.

사람의 눈

1830년 다게르에 의해 인간의 눈을 모방하여 정지된 영상을 기록할 수 있는 카메라가 발 명되었으며, 사람의 안구 구조를 모방하여 겔형 소프트렌즈도 개발하였다.

해바라기

태양의 움직임에 따라 방향을 바꾸는 해바라기는 태양 빛을 받을수록 더 활발히 광합성 을 할 수 있다. 태양광 모듈에도 해바라기가 움직이는 것과 같은 효과를 구현하는 시스 템을 개발하였다.

잠자리

잠자리는 비행 시 날개를 둥글게 돌리듯 움직인다. 이러한 행태를 모방하여 헬리콥터(헬 리콥터는 잠자리의 날갯짓처럼 기체의 윗부분에 있는 날개인 ‘메인로터’(Main Rotor, 프 로펠러 모양)를 회전시켜 비행함)를 개발하였다.

거미줄

거미줄에서 아이디어를 얻어 첨단 소재인 인공 거미줄을 개발하였다. 또 수술 후에 상처 부위를 꿰매었던 실을 따로 제거하지 않아도 되는 녹는 실을 개발하였다. 거미줄의 강도 와 유연성을 활용하여 초극세사, 방탄복, 밧줄 등을 개발하였다.

참고자료 1-2

생체 모방 기술의 사례

✽노랑거북복을 따라한 생체 공학적 콘셉트의 메르세데스 벤츠 승용차

독특한 외형과 단단한 골격을 가진 오스트락숀 쿠비쿠스(일명 노랑거북복)가 큰 몸집에 비해 빠른 속도로 헤엄치는 바다 물고기인 것에 착안하여 메르세데스 벤츠사에서는 이 형태를 모 방한 자동차를 만들었다. 노랑거북복을 닮은 독특한 형태로 디자인된 차량은 여러 가지 테스 트 과정을 거친 끝에 공기와의 저항 계수를 가장 낮출 수 있었다고 한다.

✽이스트게이트 센터(eastgate centre) - 흰개미집을 모방한 연료 절약형 친환경 건물

흰개미집은 다음 그림처럼 U자 형태의 구멍이 체계적으로 배열된 높은 건물 형태를 갖추고

있는데, 지면 가까이 뚫린 아래쪽 구멍으로 공기가 유입된 후 지열로 데워지면서 굴뚝처럼

생긴 윗부분의 구멍으로 올라가는 상승 기류가 발생하여 빠져나가게 된다. 즉, 자연 통풍이

되고 그 결과 일정한 온도를 유지할 수 있다. 흰개미집의 자연 통풍 구조를 모방한 ‘이스트게

이트센터’는 적은 비용을 들여 빌딩 내의 냉난방을 조절할 수 있게 만든 연료 절약형 친환경

건물이라고 할 수 있다.

✽새로운 디자인의 풍력 터빈 - 웨일파워(Whale Power)

고래의 지느러미에 있는 요철 모양의 돌기는 속도가 떨어지는 것을 방지하는 데 큰 역할을 한 다. 이 요철을 풍력 터빈에 적용하여 만든 제품이 웨일파워이며 기존의 제품에 비하여 속력 은 향상되고 항력은 감소된 효율적인 터빈이다.

[출처 : www.interfaceflor.com]

[출처 : 2013 융합인재교육(STEAM 프로그램) ‘스마트 패션’(www.whalepower.com)]

✽인터페이스(Interface)사의 카펫-무질서한(엔트로피) 카펫

미국의 카펫 제조사 인터페이스는 나무 표면에서 볼 수 있는 불규칙적인 색과 무늬에서 얻

어낸 아이디어를 카펫에 적용하여 획일적이지 않고 무질서한(엔트로피(Entropy) 카펫)을 제

작하였다.

2차시 물질의 구성 및 방수 원리 이해하기

과목

수업 차시

단원

교육 과정

학습 목표

•방수의 원리를 설명할 수 있다.

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입 (10분)

물질을 이루는 원소 알아보기

물질을 구성하는 기본 성분은 무엇인가?

tip 동영상을 보면서 원소의 개념을 이해할 수 있도록 한다. 이때 입자에 대한 설명이 함께 이루어지면 좋다.

원소 탄생의 비밀

학습 활동 (30분)

활동 물질의 구성 및 방수 원리 알아보기

아리스토텔레스의 연속설과 데모크리토스의 입자설 이해하기

풍선에 바람을 불어 오래 두면 바람이 서서히 빠져나간다. 그 이유를 알아 본다.

tip 풍선을 이루는 입자와 공기와의 관계를 생각할 수 있도록 유도한다.

생체 모방 기술을 적용한 방수의 원리 고어텍스의 방수 원리 이해하기

아웃도어를 만드는 섬유인 고어텍스는 방수가 된다고 알려져 있다. 이 섬유 의 방수 원리를 알아본다.

tip 연꽃잎과 고어텍스의 연관성을 고려하여 이해할 수 있도록 지도한다.

학생활동지 2 참고자료 2

마무리 (5분)

고어텍스의 방수 원리를 연잎의 방수 원리와 연관지어 설명한다.

tip 차시 예고 : 신문지 옷 제작

지도상 유의점

✽ 물질을 이루는 기본 입자인 원자는 크기가 모두 다르다는 것을 이해할 수 있 도록 한다.

✽ 방수의 원리를 이해하기 위한 토론 활동에서 학생들이 다양한 생각을 할 수 있 도록 분위기를 조성한다.

학생활동지 2 물질의 구성 및 방수 원리 알아보기

❶ 한국교육방송공사(EBS) 기획 특강 ‘원소 탄생의 비밀, 그리고 원자’를 보고 원소란 무엇인지 쓰시오.

❷ 바람을 넣은 풍선을 일정 시간 동안 방치하면 풍선에 들어 있는 공기가 빠집니다. 그 이유를 써 봅시다.

한국교육방송공사(EBS)에서 우리 학교 학생들을 대상으로 EBS 기획 ‘원소 탄생의 비밀, 그리고 원자’라 는 주제의 특강에 참가를 부탁하는 초청장을 받았다.

[출처 : EBS]

하지만 철수는 원소에 대해 전혀 알지 못하였다. 그래서 선생님과 특강을 듣기 전에 원소가 무엇인지에 대해 알아보려고 한다.

더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 물질을 이루는 기본 성분

풍선 안에 있는 공기들이 풍선의 틈으로 빠져나오기 때문이다. 우리가 보기에는 풍선에 틈이 없어 보이지만 풍선도 분자로 이루어져 있기 때문에 분자 사이에는 작지만 틈이 있다. 그 틈으로 공기 분자들이 서서히 빠져나오는 것이다.

풍선에 향수 한 방울을 넣고 분 후에 풍선을 묶고 냄새를 맡아보면 향수 분자가 풍선의 틈으로 빠져나와서 향수 냄 새를 맡을 수 있다.

❸ 다음은 자연의 연꽃잎을 활용한 생체 모방 기술입니다. 방수 원단 고어텍스는 어떻게 방수가 되는지 알

아봅시다.

아웃도어 고어텍스에는 물 입자보다는 작고 수증기 입자보다는 큰 구멍이 있는데, 이 구멍은 물 입자에게는 너무 작 은 바늘 구멍이고 수증기 입자에게는 활짝 열린 대문처럼 크다. 그러므로 고어텍스는 몸에 발생하는 땀은 밖으로 배 출하고 외부에서 발생하는 물(비, 눈 등)은 통과시키지 못하고 튕겨 나가기 때문에 엄밀히 말하면 방수가 아닌 발수 가 되는 것이다.

땀(수증기) 방수

투습 방풍 바람, 비 수증기 통과(투습)

참고자료 2

아리스토텔레스의 연속설 VS 데모크리토스의 입자설

✽아리스토텔레스의 연속설

물질을 구성하는 원소들 사이에 빈 공간이 없이 연속적이라는 가설로, 물질은 한 없이 쪼개진 다는 것이다. 진공이 없다는 것을 강조하기 위해 세웠다.

✽데모크리토스의 입자설

물질은 작은 알갱이인 원자와 빈 공간으로 이루어져 있다는 가설로, 물질은 쪼개다 보면 더 이 상 쪼갤 수 없는 원자에 이른다는 것이다. 진공의 존재를 인정하였다.

 연속설과 입자설은 진공 존재의 여부에 대한 초점이 맞춰진 것이다. 알갱이 여부는 근대 과

학에서 빛의 입자설, 파동설과 관계가 있다.

아리스토텔레스의 연속설 데모크리토스의 입자설

3~4차시 방수성이 뛰어난 신문지 옷 제작하기

과목

수업 차시

단원

교육 과정

학습 목표

학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물

도입 (10분)

신문지를 이용하여 방수성이 있는 옷을 만들 수 있을까?

tip 설계 방법에 따라 옷에 방수성을 부여할 수 있다는 것을 알려준다.

학습 활동 (50분)

활동 방수성이 뛰어난 신문지 옷 제작하기

생체 모방 기술을 활용하여 방수성이 뛰어난 옷 설계하기

생체 모방 기술을 활용하여 주어진 재료로 방수성이 뛰어난 옷을 설계한다.

- 재료 : 신문지 5장, 풀 1개, 가위 1개, 칼 1개, 자 1개 설계한 내용을 이용하여 신문지로 옷을 만들어 본다.

tip 옷은 디자인이나 모양보다는 방수가 목적이라는 것을 강조한다.

학생활동지 3 신문지 원단 사진 신문지 5장, 풀 1개, 가위 1개, 자 1개, 칼 1개

마무리 (30분)

신문지 옷의 방수 원리를 발표하고 방수성 테스트하기

모둠별 방수 신문지 옷의 앞쪽 뒷면에 수성 사인펜으로 글자를 쓰고, 일정 거 리에서 다른 모둠원이 1분 동안 물총을 쏜다. 이때 사인펜의 글자가 번지지 않으면 방수성이 있는 것으로 한다.

자신이 제작한 옷에 대한 성취감을 느끼고 생체 모방 기술의 중요성을 인식 한다.

물총 1개, 수성 사이 펜 1개

지도상 유의점

✽ 제작을 완료한 신문지 옷은 작은 힘에도 찢어지기 쉬우므로 찢어지지 않도 록 주의를 준다.

✽ 신문지 옷 방수성 테스트를 할 때 물총을 가지고 장난을 치지 않도록 한다.

학생활동지 3 방수성이 뛰어난 신문지 옷 제작하기

❶ 방수성이 뛰어난 신문지 옷을 어떻게 만들지 자연에서 힌트를 찾아 써 봅시다.

- 강아지의 털 모양과 같이 신문지 일부를 잘라서 가위질로 털과 같이 만든다.

- 비가 내려도 하늘을 날아가는 새처럼 새털 모양을 응용하여 물을 맞으면 바로 흐를 수 있도록 신문지를 길게 잘라 끝부분은 공간을 두어 만든다.

❷ 신문지 옷이 방수성을 가지기 위해서는 모양, 공간, 크기 등을 고려해야 합니다. 주어진 신문지로 이러

한 조건을 만족하기 위하여 어떤 원리를 사용할 것인지 토의하고, 그 원리를 써 봅시다.

❸ 신문지 옷(상의)의 전체적인 모습을 그리고 주어진 재료로 만들어 봅시다.

[재료] 신문지 5장, 풀 1개, 칼 1개, 가위 1개, 자 1개

❹ 제작한 신문지 옷의 방수성을 테스트해 봅시다.

● 테스트 방법

① 자신이 제작한 신문지 옷에 뒷면에 수성펜으로 이름(모둠원의 이름 전부)을 크게 적는다. (모둠별 글씨의 크기는 동일하게 한다.)

② 자신이 만든 신문지 옷을 입고 일정 거리에서 다른 모둠 한명이 나와 물총을 1분 동안 쏜다.

③ 1분 후 신문지 옷 뒷면의 글씨가 번진 것은 몇 글자인지 확인한다. (가장 적게 번진 모둠이 이긴다.)

④ 모둠별로 글씨가 번진 개수를 쓰고, 방수가 잘된 점 또는 잘못된 점에 대해 말해 봅시다.

❺ 자신이 제작한 신문지 옷을 테스트한 후 극한 상황에서 자신의 몸을 보호할 수 있는 옷을 만들 수 있는

지 자신의 소감을 쓰고 발표해 봅시다.