달리는 열차 안에서 식물 기르기11-4차시고등학교 학생용 교재

달리는 열차 안에서 식물 기르기

1

1-4차시

고등학교 학생용 교재

2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램

2014 융합인재교육(STEAM) 고등학교

식물공장

시작하기

Prologue 1

새로운 빙하기, 설국이 시작되고 17년. 살아남은 사람들을 태운 기차(설국열차)가 끝없이 궤도를 달리고 있다. 선 택된 사람들이 호화로운 생활을 누리는 앞 칸과 달리 꼬리 칸에는 춥고 배고픈 사람들이 모여 산다.

꼬리 칸의 탑승객들이 젊은 지도자 커티스와 함께 폭동을 일으킨다. 기차의 심장인 엔진을 장악하여 꼬리 칸과 기 차 전체를 해방시키려는 것이다. 커티스와 꼬리 칸 탑승객들은 설국열차의 설계자이자 절대 권력자인 윌포드가 거 주하는 엔진 칸을 향하여 질주하던 중, 예기치 못한 상황에 직면한다. 단백질 블록 생산 공장, 바다를 축소하여 옮 겨놓은 듯한 수족관, 앞 칸 고객의 자녀를 위한 학교, 그리고 온실……. 농장을 방불케 하는 거대한 온실을 발견하 고 커티스 일행은 경악한다.

“2014년 7월 1일 현재 시각 오전 6시 CW-7의 살포가 시작됩니다. 지난 7년간 수많은 논란을 일으키며 환경단체의 거센 반대 속에 개발을 이어온 CW-7은 지구온난화의 해결책으로 기대되고 있습니다. 지구 온난화가 심각해진 지금, 79개국 정상이 CW-7 살포를 결정하였고 대기 상층권에 CW-7이 살포되면 대 기온도가 이전 수준으로 급속히 회복되면서 지구온난화 위기가 해결될 것으로 기대됩니다. 과학자들은 기 온을 내려주는 인공냉각제인 CW-7이 지구온난화에 대한 획기적 해결책이라 밝혔습니다.”

CW-7의 대량 살포 직후, 거대한 한파가 세계를 덮쳤다. 새로운 빙하기, 지구상의 모든 생명체는 멸종되 었다. 끝없이 달리는 운명의 열차에 올라탄 사람들만이, 인류 최후의 생존자가 되었다.

―영화 <설국열차> 중에서 ―

■

<그림 1>설국열차 포스터

Prologue 2

일본 도쿄에 위치한 파소나 그룹의 사옥 로비에는 벼가 자라고 있다. 이곳의 벼는 태양광 대신 인공조명을 받고 자란다.

뜨고 지는 자연 상태의 태양과 달리 인공조명은 지는 법이 없는데다 적절한 온도를 유지하는 덕분에 이곳에서는 1년에 3회 벼를 수확한다. 벼의 생육 관리는 직원들이 담당하고 수확한 쌀은 구내식당에서 사용한다.

이뿐이 아니다. 직원들이 일하는 사무실에서는 토마토가 무럭무럭 자라고, 별도로 마련된 공간에는 상추를 비롯한 여 러 채소를 재배하는 시설이 들어서 있다. 이것이 바로 밀폐형 식물재배 시설인 식물공장이다. 점심시간이 되면 사내 식 물공장에서 재배된 채소가 직원식당에 제공되고 직원들은 방금 수확한 채소를 샐러드 바에서 즐긴다.

Prologue 3

본래 씨앗은 땅 속에 심어져 싹이 트고 자라며 이 과정에서 땅 속의 영양분과 햇빛의 도움을 받는다. 농부는 농작물이 잘 자랄 수 있도록 물과 비료를 주고 온도를 맞춰주는 역할을 한다. 이렇게 볼 때, 인류 농업의 역사는 농작물이 가장 좋은 조건에서 자랄 수 있는 환경을 제공하는 과학기술의 역사이다.

■

■

<그림2 >농촌진흥청/식물공장(57)

식물공장은 식물의 생장 환경을 조절하여 단위 면적당 생산량을 높이거나 식물의 생장 기간을 단축시킬 수 있다. 아울 러 식물공장은 병해충의 영향을 줄일 수 있을 뿐 아니라 농약을 사용하지 않고 작물을 재배할 수 있다. 이는 친환경, 유 기농 채소를 대량 생산하여 적당한 가격에 판매할 수 있음을 뜻한다. 이 외에 식물공장은 도시 지역에 위치할 수 있으므 로 유통 기간을 단축할 수 있고 운송비 부담이 적으며 운송 과정에서 발생하는 환경오염 물질의 배출도 줄일 수 있다.

이처럼 식물공장은 농업용 로봇, LED 인공광, 생산자동화시스템 기술의 복합체로 BT(생명공학 기술), IT(정보기술), 환경공학 등이 집약된 융복합 과학기술이자 안전하고 친환경적인 지역 농산물(로컬 푸드, local food)을 생산할 수 있 는 첨단 과학기술이다.

설국열차 식물공장 ➊

달리는 열차 안에서 식물 기르기(1~4차시)

생각열기 _1차시

생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하며 이 것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다.

설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많은 승객들에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.

달리는 설국열차 안에서 채소를 재배할 수 있는 방법을 찾아보자.

1. 자연환경에서 식물이 생장할 때 필요한 요소는 무엇인가?

2. 설국열차에서 식물을 재배할 때 필요한 요소는 무엇인가?

■

<그림 3> 영화 <설국열차>의 온실 /<설국열차> 스틸 컷

1. 설국열차의 식물재배 칸(식물공장)의 역할과 이를 통해 해결할 수 있는 문제는 무엇인가? 마인드맵을 이용하여 모 둠별로 생각을 정리하여 발표하자.

<활동지 1-1> 마인드맵 그리기

마인드맵 그리기

활동1

■

마인드맵을 작성해도 아이디어가 쉽게 모아지지 않을 때는 단어구름을 이용해 보자. 단어구름은 빈도수가 높은 단어 일수록 중심부에 큰 글씨로 표시하는 프로그램으로, 아이디어를 모으고 정리할 때 유용하다. 인터넷에 단어구름 만들 기를 도와주는 웹사이트가 여럿 있으므로, 편리한 것을 골라 사용할 수 있다.

단어구름 프로그램 WordItOut http://worditout.com/word-cloud/make-a-new-one 단어구름(Words Clouds) 만들기

도움 닫기

■

1

2

3

4

5

1. 자연환경에서 식물이 생장할 때 필요한 요인(비생물적 요인)은 무엇일까? 아래 사진 또는 학교 내 화단이나 숲을 둘 러보고 비생물적 요인을 찾아내보자.

2. 설국열차와 같은 실내나 식물공장에서 식물을 재배할 때 필요한 요인(비생물적 요인)을 찾아 정리해 보자. 또 식물 공장 안에서 어떤 방식으로 이들 요소를 충족시킬 수 있을지 생각해보자.

<활동지 1-2> 식물재배와 비생물적 요인

비생물적 요인 작용 공급 방법 식물의 생장에 필요한 요인 확인하기

활동2

<그림 4,5> ⓒ고등팀 오윤정

설국열차의 식물공장을 바탕으로 다양한 형태의 식물공장을 구상해보자.

1. 식물 공장은 도심지에서도 신선한 채소를 바로 먹을 수 있다는 장점이 있다.

도심지 건물에 적합한 식물공장은 어떤 형태가 적합할까?

2. 도심지의 식물공장이 신선한 농작물을 공급뿐 아니라 생태공원과 같은 역할을 할 수 있을까?

생태공원의 역할을 수행할 수 있는 식물공장은 어떤 형태가 적합할까?

3. 1년 내내 영하의 온도를 나타내는 극지방의 식물공장은 무엇을 보강해야 할까?

극지방의 식물공장은 어떤 형태가 적합할까?

4. 사막 또는 사막화가 진행되고 있는 지역에는 어떤 형태의 식물공장이 필요할까?

사막의 식물공장은 어떤 형태가 적합할까?

5. 일반병원에서는 환자들에 따라 다양한 농작물이 필요하다.

병원에서 필요한 환자 전용 식물공장은 어떤 형태가 적합할까?

<그림 6> 식물공장 내부 / 농촌진흥청 자료 컷(42번)

생각펼치기 _2차시

■

식물공장에서 식물을 기를 때 환경 또는 생태계에 문제가 발생할 가능성이 전혀 없을까? 있다면, 어떠한 문제이며, 해 결책은 무엇인가? 아래의 아이디어를 참고하여 찬반토론을 진행해 보자.

식물공장 이외에 달리 식물을 재배할 방법은 없을까? 즉, 식물공장이 유일한 해결책일까?

에너지 사용과 이산화탄소 배출 측면에서 식물공장을 고려해 보자.

식물공장에서 식물을 기를 때 발생할 수 있는 문제는 무엇일까?

나는(우리 모둠은) 식물공장이 (친환경적이라고 / 친환경적이지 않을 수 있다고) 생각한다. 왜냐하면

도움 찬반토론

닫기

■

■

■

■

■

■

지역 및 형태

우리 모둠이 선택한 지역의 특성에 적합한 식물공장을 구상하여 발표하자.

1. 우리 모둠은 식물공장의 환경 요인(비생물적 요인)을 어떻게 충족시키려 하는가?

<활동지 1-3> 우리 모둠의 식물공장 환경 요인 충족 방법

에너지 공급원 (선택) 재배지 형태 (선택) 비생물적 환경 요인의 조절

우리 모둠의 식물공장 구상하기

활동3

빛(자연광) 인공조명 빛(자연광)+인공조명

토양

물 물 공급 적정 온도의 유지

■

■

지역 및 형태

도심지 건물1

도심지 건물2 (생태공원 기능)

사막 및 건조 지역

극지방

병원

모둠 발표와 모둠 간 토의를 통하여 각 모둠이 계획한 식물공장의 장점(P: Plus)과 단점(M: Minus), 창의적이거나 또 는 흥미로운 점(I: Interest)을 고려하여 모둠별로 계획한 식물공장을 수정•보완하자.

<활동지 1-4> 지역 및 형태별 식물공장 PMI 평가

P M I 특징 및 수정•보완할 점 식물공장 계획 검토하기

활동4

생각다지기 _3차시

■

1. 우리 모둠의 식물공장 설계도를 완성해 보자.

2. 각 모둠별 발표내용을 바탕으로 계획안을 수정 보완한다. 이때 식물공장의 형태, 내부 공간 활용을 고려한 배지 형태 및 규모, 조명장치의 위치 및 조절 방법, 물 공급 방법 등을 중심으로 설계도를 그려보자.

<활동지 1-5> 식물공장 설계도

식물공장 설계도 그리기

활동5

컴퓨터와 인터넷을 활용할 수 있는 환경이라면, 스케치업(SketchUp)을 이용해 보자. 스케치업은 3D 모델링 프로그 램으로, 사용법이 매우 간편하다. 스케치업 홈페이지(http://www.sketchup.com) 에 접속하면 1개월 무료 체험판 을 다운로드 받아 사용할 수 있다.

스케치업 홈페이지 (http://www.sketchup.com)

스케치업은 혼자서도 충분히 사용할 수 있으나, 동영상 강의를 이용하면 훨씬 수월하게 익힐 수 있다. U-tube를 비롯 하여 인터넷에는 스케치업 사용법 강좌가 많이 탑재되어 있으므로 수준과 필요에 따라 적절히 선택하도록 하자.

스케치업 2014 강좌 (http://www.youtube.com/watch?v=3hfr7PRVPsQ) 스케치업(SketchUp)

도움 닫기

■

■

1. 설계도에 따라 식물공장의 내부 구조와 외부 형태를 제작하자.

2. 이때 수분과 양분 공급을 위한 배지의 종류와 형태가 재배하려는 식물 종에 적합한지 점검한다.

3. 식물을 재배하기 위한 광원을 배치하고 위치를 표시해 보자.

태양광을 일부 또는 전부 이용할 때는 식물공장의 내부 및 외부 구조가 태양과 이용에 적합한지 점검한다.

4. 조도와 온도 조절을 위한 장치를 배치하고 위치를 표시해보자.

식물공장과 온실의 차이점은 무엇인가?

[ 생각 꼬투리 ]

□

식물공장 모형 제작하기

활동6

<그림 7> 식물공장의 모습 – 농촌진흥청(35번)

수직농장(Vertical Farm)은 건물 전체가 식물공장이 되는 빌딩형 식물공장이다. 즉 도심에 고층 건물을 짓고 층마다 농장을 만들어 농작물을 재배하는 아파트형 식물공장이다. 수직농장은 1999년 딕슨 데스포마이어(Dickson De- spommier, 전 컬럼비아대 공공보건학과 교수)가 고안한 개념이다. 데스포마이어는 지구온난화 및 기후변화에 의한 식량난과 농경지 부족 문제를 해결할 대안으로 수직농장을 제안하였다.

데스포마이어가 제안하는 수직농장의 장점은 다음과 같다.

① 기후 조건이 통제되는 고층 건물에서 농작물을 기르므로 해충이나 박테리아의 침입, 급격한 날씨 변화 등으로부터 농작물을 보호할 수 있으며 살충제나 화학 비료의 사용도 피할 수 있다.

② 계절과 시간에 관계없이 1년 내내 농작물을 기르고 생산할 수 있다.

③ 사막, 극지방과 같이 환경적 요인으로 인하여 농사가 불가능한 지역에서도 농업이 가능하다.

④ 식물에서 배출되는 메탄가스를 활용해 전력을 생산하고 활용할 수 있다.

⑤ 농촌에서 재배한 농작물을 도심으로 가져오는 운반 과정을 생략하거나 줄일 수 있다. 이에 따라 운반 과정에서 발생 하는 에너지 사용량과 대기오염을 줄일 수 있다.

⑥ 수직농장이 도시의 환경을 생태적으로 바꿀 수 있다. 즉, 수직농장을 이용하며 환경도시로 변화할 수 있다.

‘The Vertical Farm(http://www.verticalfarm.com)에 접속하면 수직농장과 식물공장에 대한 자세한 정보를 확 인할 수 있다.

The Vertical Farm 홈페이지 수직농장에 대하여 설명한 도서

수직농장(Vertical Farm)

도움 닫기

■

■

생각되돌아보기 _4차시

인간의 무분별한 활동으로 인하여 자연환경이 훼손되고, 훼손된 자연환경이 다시 인류의 생존을 위협하고 있다. 지구 온난화와 그로 인한 기후변화는 이상기온, 폭설, 폭우 등의 자연재해를 일으키고 자연환경에 의존한 전통방식의 농작 물 재배를 어렵게 한다. 또한 중금속과 방사능에 의한 토양오염, 수질오염 등으로 특정 지역에서 재배되는 농작물을 기 피하는 현상이 점점 증가하면서 농작물 재배는 인류의 건강과 직결된 문제가 되었다. 식물공장은 인류의 건강을 위한 하나의 해결책으로 제시될 수 있을 것이다.

식물공장의 개념과 필요성을 정리해보자.

1. 활동 3과 4에서 다루었던 내용을 토대로 식물공장의 특징과 전통방식의 농업을 비교하여 식물공장에는 어떤 장점 (P)과 단점(M)이 있는지 알아보자.

<활동지 1-6> 식물공장의 특징과 장단점(P&M)

특징 P & M

■

■

항목

지역

공간의 활용

신선도

청정도

2. 식물공장의 필요성에 대한 자신의 의견을 정리하여 발표해보자.

<활동지 1-7> 식물공장의 필요성

3. 제작한 식물공장의 장단점을 모둠별로 발표해보자.

<활동지 1-8> 모둠별 식물공장의 특징과 장단점(P&M)

특징 P & M

■

■

항목

식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기

2

5-7차시 권장용 고등학교 학생용 교재

2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램

설국열차 식물공장 ➋

식물공장

양액 급수시스템 설계 및 제작하기(5~7차시)

생각열기 _5차시

식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액(nutrient solution)에서 자란다. 양액 재배(nutriculture, nutrient so- lution)는 흙을 사용하지 않는 무토양(無土壤), 무지력(無地力) 재배 방법으로 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율 로 혼합하여 물에 용해시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육환경을 인위적으로 조절한 다. 양액 재배는 식물을 지지하는 방법에 따라 물을 사용하는 수경 재배와 고체 배지를 사용하는 고형배지경 재배, 미 세한 물방울을 분사하는 분무경 재배로 크게 나뉜다. 또한 영양액을 공급하는 방식에 따라 순환식과 배출식으로 분류 할 수도 있다.

토양에는 여러 가지 식물의 영양분이 함유되어 있을 뿐 아니라 다양한 미생물이 끊임없이 물질대사 활동을 한다. 따라 서 토양에 공급한 영양분과 식물이 흡수하고 이용한 영양분 사이의 관계를 정확하게 파악하기 어렵다. 반면, 양액에서 재배하면 식물의 생육에 필요한 영양소 중에서 특정한 영양소를 가감 혹은 제외함으로써 해당 영양소가 식물의 생육에 영향을 미치는 영향을 정확하게 확인할 수 있다.

<그림 14> 물을 이용한 양액 재배 <그림 15>고형 배지를 이용한 양액 재배

식물은 생존과 생육을 위해 빛과 이산화탄소, 물 그리고 몇몇 필수 무기원소를 필요로 한다. 녹색식물은 태양에너지(

빛)을 이용하여 이산화탄소와 물을 원료로 탄수화물을 만들어냄으로써 생존과 생육에 필요한 에너지원을 만들어낸 다. 또한 뿌리털에서 흡수한 무기원소들은 식물의 물질대사 과정에 필수적인 요소다. 필수 무기원소들이 부족하면 결 핍증상을 나타나 생존할 수 없다.

대량 영양소: 식물조직을 건조시켰을 때 무게 1kg당 최소한 1g의 농도를 필요로 하는 무기원소 미량 영양소: 식물조직을 건조시켰을 때 무게 1kg당 최소한 100mg 이하의 농도를 필요로 하는 무기원소

※ 최소율의 법칙(Law of the minimum)

다른 무기원소들의 양이 충분하더라도, 어느 한 가지 무기원소가 생육에 필요한 최소량보다 적을 때, 식물은 생장과 발 달, 번식에 장애가 발생한다. 다시 말해 식물의 생장은 가장 부족한 필수원소에 의해 생육이 제한된다.

식물 생육에 필요한 원소

출처: Purves 외, <생명생물의 과학(제6판)>

원소 대량 영양소

미량 영양소 N P K S Ca Mg Fe Cl Mn

흡수형태 NO₃^-, NH₄⁺ H₂PO₄^-, HPO₄^2- K⁺

SO₄^2- Ca ²⁺

Mg ²⁺

Fe ²⁺

Cl ^2- Mn ²⁺

주요기능

단백질, 핵산 등의 구성성분 핵산, ATP, 인지질 등의 구성성분 효소활성, 물 균형, 이온균형, 기공열림 단백질과 조효소의 구성성분

세포골격, 막, 그리고 많은 효소들에 영향 엽록소의 성분, 많은 효소작용에 필요

산환환원효소의 활성자리 구성성분, 전자전달자, 엽록소 합성 광합성, 이온균형

많은 효소의 활성화

식물의 생육에 필요한 영양(무기원소)과 양액

도움 닫기

■

□

□

■

잎 잎 질소

마그네슘

질소

열매

칼슘 인

칼슘(과실) 인(종자)

꽃 인 줄

기

뿌 리

<그림 16> 주요 비료 원소의 작용

〈그림 17〉

최소율의 법칙은 각기 다른 높이의 나무 조작으로 이루어진 나무통으로 설명될 수 있다. 다른 나무 조각의 높이가 아무리 높아도 질소(N)의 나무 조각의 높이를 키우지 않으면 더 많은 물을 나무통에 담을 수 없다. 따라서 질소는 이 나무통에 담을 수 있는 물의 양을 결정하는 가장 중요한 제한요인이 된다. (출처: http://gfs.wur.nl/slide.php?sld=86EHVCT5)

■

□

□

■

식물공장의 양액 급수시스템에는 여러 가지 방식이 있다. 문헌 및 인터넷 검색을 통하여 식물공장의 양액 급수시스템 을 조사해보자.

식물공장의 양액 급수시스템에는 어떤 방식이 있는가?

식물공장에서 주로 사용하는 양액 급수시스템 방식은 무엇인가?

<활동지 2-1> 식물공장의 양액 급수시스템

식물공장 양액 급수시스템 조사하기

활동1

식물공장의 양액 급수시스템의 종류

식물공장에서 주로 사용하는 양액 시스템의 종류

■

■

1. 조사한 내용을 바탕으로 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템을 구상해보자. 우리 모둠의 식물공장에는 어떤 양 액 급수시스템이 적당할까?

2. 토론을 통하여 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 방식을 결정하자.

<활동지 2-2> 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템

2. 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템의 장단점을 정리해 보자. 창의적으로 구상해보자.

<활동지 2-3> 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 평가

식물공장 양액 급수시스템 모형 구상하기

활동2

나의 양액 급수시스템

우리 모둠의 양액 급수시스템

장점 단점 흥미로운 점 특징 및 수정・보완할 점

■

3. 우리 모둠의 양액 급수시스템 모형을 그림으로 나타내보자.

<활동지 2-4> 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형 구상안

식물공장 양액 급수시스템 모형을 제작하기 위하여 소형공작기계를 사용할 것이다. 다음 소형공작기계의 안전수칙 과 사용법이다.

소형공작기계의 안전수칙

① 작업하기 전 작업장 주위를 정돈한다. 불필요한 물건이 많으면 작업에 방해가 되어 안전사고가 일어나기 쉽다.

② 감전의 위험이 있으므로, 습기가 있거나 젖은 곳에서는 작업을 하지 않는다.

③ 작업장에는 소화기와 구급약 세트를 구비한다.

④ 공작기계 속에 끼지 않도록 옷이나 머리카락을 단정하게 한다.

⑤ 공작기계와 공구에 무리하게 힘을 가하지 않는다.

⑥ 공구는 항상 용도에 맞춰 사용한다.

⑦ 파편이 튈 수 있는 작업을 진행할 때는 반드시 보안경을 착용한다.

공구 사용법 익히기

① 측정하기 : 목재를 자르기 전에 자를 이용하여 수치를 정확하게 측정한다.

② 소형공작기계(Unimat)로 톱질하기 : 톱질은 목공의 기초 작업 과정으로, 나무를 원하는 모양으로 자르고자 할 때 수행한다. 양쪽 엄지손가락은 나무판 위에 마주보게 대고 지그시 누른 상태에서 절취선에 맞춰 자른다. 이때 절취할 부분에 톱을 대고 살짝 밀어주면 쉽게 잘라진다. 너무 세게 누르거나 빨리 밀면 톱날이 휘어질 우려가 있다.

③ 가공하기 : 사포를 사용하여 거친 면을 부드럽게 갈아낸다.

④ 목재용 접착제: 목재용 접착제는 나무 사이로 접착 성분이 스며들게 하여 목재를 접착시킨다. 따라서 목재가 완전히 접착되기 위해서는 1시간 정도 시간이 소요된다.

소형공작기계로 직선과 곡선 연습하기

① 소형공작기계의 구조를 관찰한다.

② 소형공작기계의 사용법을 익힌다.

③ 목재 위에 자를 이용하여 직선을 그린 뒤, 소형공작기계로 잘라본다.

④ 목재 위에 곡선을 그린 뒤, 소형공작기계로 잘라본다.

<그림 18> 소형공작기계 <그림 19> 소형공작기계 사용 모습

생각펼치기 _6차시

■

□

□

□

연필을 사용하여 잘라내고 싶은 모양을 나무 조각에 그 려 넣는다.

톱 작업대 표면에 나무를 밀착시키고 톱날로 천천히 밀 어 넣는다. 이때 무리하게 힘을 주어 밀어 넣어서는 절대 안 된다.

엄지손가락과 톱 사이의 거리는 항상 2~3cm를 유지한 다.

곡선으로 재단할 때는 나무의 방향을 전환하여 곡선을 만 들어 준다. 이때 절대 톱날이 휘지 않도록 주의한다.

소형공작기계 유니맷 실톱 사용법

도움 닫기

1

2

3

4

■

1. 앞에서 작성한 양액 급수시스템 구상안을 바탕으로 양액 급수시스템을 설계해 보자. 설계도를 바탕으로 양액 급수 시스템 모형을 제작해야 하므로, 치수를 정확하게 기입해야 한다.

<활동지 2-5> 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 DIY모형 설계도(치수 기입)

2. 설계도에 맞추어 양액 급수시스템 모형을 만든다.

① 설계도를 나무판에 붙인다.

② 소형공작기계를 이용하여 나무판을 마름질한다.

③ 자른 나무판을 사포로 매끄럽게 다듬는다.

④ 나무판을 설계도에 맞추어 조립하고 접착시킨다.

식물공장 양액 급수시스템 모형 제작하기

활동3

배양액 온도조절장치

배양액 관리시스템

pH 조정액 저장조

배양액 저장조 배지경

비료원액탱크

1. 자른 나무 조각으로 식물공장 양액 급수시스템 모형을 만든다.

2. 모형을 제작한 뒤 모형 겉면을 디자인한다.

3. 디자인이 맞추어 색을 칠한다.

4. 식물공장 양액 급수시스템 모형을 완성한다.

<그림 24> 식물공장 양액 공급 개념도 예시

생각펼치기 _7차시

식물공장 양액 급수시스템 모형 완성하기

활동4

1. 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형을 발표한다.

<활동지 2-6> 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형 발표

모둠 이름

모둠원

우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템의 특징·장점 및 단점

생각마무리하기 _7차시

식물공장 양액 급수시스템 모형 발표하기

활동5

■

2. 다른 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형을 평가해 보자.

<활동지 2-7> 모둠별 식물공장 양액 급수시스템 모형 평가

모둠 이름 평가 내용(특징·장점 및 단점)

■

식물공장 재배 계획 세우기

2

5-7차시 선택용 고등학교 학생용 교재

2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램

설국열차 식물공장 ➋

식물공장

재배 계획 세우기(5~7차시)

생각열기 _5차시

새로운 빙하기가 시작되고 설국열차가 달리기 시작한 지 십 수 년이 지났다. 설국열차 탑승객들은 단백질 블록, 식수, 식물공장에서 재배한 농작물을 통하여 영양분을 공급받고 있다.

매년 1월과 7월이면 설국열차에서는 탑승객들이 선호하는 농작물의 종류를 파악하기 위하여 ‘올해의 농작물’ 설문 조사를 실시한다. 과학자들과 농부들로 구성된 식물공장 전문가회의에서는 ‘올해의 농작물’ 설문조사 결과를 바탕으 로 탑승인원, 탑승객의 성별과 연령, 영양소 균형 등을 고려하여 한 해 동안 재배할 농작물의 종류와 양을 결정한다.

식물공장에서 주로 재배하는 채소는 상추나 샐러리와 같은 잎채소류, 고추와 토마토 등 열매채소류, 감자를 비롯한 뿌 리채소류 및 버섯류 등이다.

식물공장 동영상을 시청하고 식물공장에 대하여 이해한다.

식물이 생장하는 데 필요한 요소는 무엇인가?

설국열차는 물 공급원으로 눈과 빙하를 사용하고 있다.

눈이나 얼음이 녹은 물을 곧바로 식물공장에서 이용할 수 있을까?

■

[ 생각 꼬투리 ]

□

□

생각펼치기 _5차시

■

1. 식물공장에서 눈이나 얼음이 녹은 물을 사용하여 식물을 재배하려면 어떻게 해야 할까?

2. 모둠별로 소요 시간과 에너지 사용량 등을 고려하여 여러 방법을 고안해 보자.

3. 각 모둠이 고안한 방법을 발표하고 평가해 보자.

<활동지 2-1> 얼음물로 식물 재배하기

얼음물로 식물 재배하기

활동1

방법 소요 시간 에너지 절약 방법 장점

기타 조건

단점

식물공장 전문가회의에서는 식물공장의 상황을 고려하여 ‘올해의 농작물’을 선정한다. 설비와 자원, 노동력은 최소로 투입하고 생산량은 최대화할 수 있는 농작물을 선택하되 잎채소, 열매채소, 뿌리채소를 1종씩 선정한다.

우리 모둠 식물공장의 재배 환경은 어떠한가? 우리 모둠 식물공장의 조건 중에서 식물을 재배하기에 좋은 조건과 나 쁜 조건은 무엇인가?

‘올해의 농작물’로 선정한 식물을 재배하려면 우리 모둠의 식물공장에는 어떤 환경 조건이 필요할까?

선택한 작물을 재배하기 위하여 우리 모둠의 식물공장에서는 어떤 환경 조건을 조절해야 할까?

1. 인터넷을 검색하여 모둠별로 식물공장에서 재배할 작물을 결정한다.

2. 재배할 작물의 특성과 재배 조건을 조사한다.

3. 조사한 내용을 자유롭게 정리해 보자.

<활동지 2-2> 재배하려는 작물의 특성 및 재배 조건

특성 및 재배 조건

생각펼치기 _6차시

■

[ 생각 꼬투리 ]

□

□

□

■

재배 작물

상추

토마토

재배할 식물의 특성과 재배 조건 조사하기

활동2

15~25℃ 최적 조건이며 서늘한 기후를 좋아함

저온(8℃)에서는 성장이 늦어지며 30℃ 이상에서는 싹이 싹트기 어려움 무농약, 무비료로 재배해도 잘 자라며 병치레를 하지 않음

비타민과 무기질이 풍부하며 항산화 물질을 다량 함유하고 있음

뇌졸중·심근경색 예방, 혈당 저하, 암 예방 효과가 있는 건강식품임 / 7℃ 이하 성장이 정지함

물빠짐과 햇볕이 좋고 기온이 20℃ 이상 되면 대체로 잘 자람 / 곁가지 제거하기, 지주 세우기 등의 보살핌이 필요함

조사한 결과를 발표해보자.

1. 활동1의 ‘얼음물로 식물 재배하기’를 바탕으로 고안한 물 공급 방법과 조건을 정리해보자.

2. 활동2의 ‘재배할 식물의 특성과 재배 조건 조사하기’를 통하여 확인한 식물의 생장과 물 공급 조건을 정리해보자.

3. 활동1과 활동2를 종합하여 재배 계획을 세워보자.

우리 모둠의 식물공장에서 선정한 ‘올해의 농작물’의 재배계획서를 작성해 보자.

<활동지 2-3> 식물공장 재배 계획서

생각다지기 _7차시

■

■

■

식물공장 재배계획서 작성하기

활동3

재배 작물 재배 일정 재배 조건 함께 기를 작물/

피할 작물 특이사항

온도

기타 물 공급방법

온도

기타 물 공급방법

생각되돌아보기 _7차시

식물공장 재배계획서 발표하기

활동4

■

항목

1. 모둠별로 식물공장 재배계획서를 발표해보자.

2. 각 모둠의 식물공장 재배계획서의 장단점을 정리해보자.

<활동지 2-4> 모둠별 식물공장 재배계획서의 특징과 장단점(P&M)

특징 P & M

식물공장 원격관리

애플리케이션 설계하기

3

8-10차시 고등학교 학생용 교재

2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램

■

■

■

설국열차 식물공장 ➌

식물공장 원격관리

애플리케이션 설계하기(8~10차시)

생각열기 _8차시

설국열차 탑승객들은 단백질 블록, 식수, 식물공장에서 재배한 농작물을 통하여 영양분을 공급받고 있다. 설국열차 탑 승객들의 건강을 유지하기 위해서는 단백질 음식뿐 아니라 농작물의 공급도 중요하다. 설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온 도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사람의 출입을 제한해야 한다.

식물공장 동영상을 시청하고 식물공장에 대하여 이해한다.

사람이 접근하기 않고 식물을 재배하는 방법을 찾아보자.

1. 물이나 광원을 손대지 않고 조절할 수 있을까?

2. 식물의 생장이나 상태가 변화했음을 직접 보지 않고서 확인하는 방법이 있을까?

건물 입구에서 사람의 움직임을 감지해 자동으로 문이 열리는 자동문을 흔히 볼 수 있다. 자동문은 광(光)센서가 사람 의 몸에서 나오는 적외선을 감지해서 문을 열거나 닫는다. 이처럼 센서는 인간이 느끼는 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 의 기능을 대신하여 인간의 감각으로는 감지하기 어려운 빛, 소리, 냄새와 같은 신호를 감지한 후 전기 신호로 바꾸어 주는 장치이다.

<표 3-1> 인간의 감각에 해당하는 센서의 원리와 종류

<그림 > 자동문 센서

센서 광 센서 소리 센서 압력 센서 온도 센서 가스 센서 이온 센서 전자기 센서 가속도 센서

센서의 원리 빛을 인식 소리를 측정

외부에서 가하는 압력을 측정 물체의 온도를 감지 기체 성분의 변화를 감지 특정한 이온의 농도에 반응 자기장의 변화에 의한 유도전류 속도의 변화

센서의 활용

바코드 스캐너, 디지털 카메라 음파 탐지기, 초음파 진단기 터치 스크린, 전자 저울 온도계, 에어컨, 전기밥솥 가스 경보기, 공기 오염 측정기 산염기 측정기, 염도 측정기 도난 방지 시스템, 금속 탐지기 스마트폰, 배와 비행기의 수평 유지 감각

시각 청각 촉각

후각 미각 기타

■

■

각 모둠이 설계한 식물공장에서 생산성을 높이기 위해서는 어떠한 센서를 설치해야 할까?

각자 센서 설치 계획서를 구상해보고, 모둠별로 하나의 설계도를 완성해보자.

<활동지 3-1> 식물공장 센서 설계도

식물공장 센서 설치 설계도(상상) 사용한 센서 센서가 조절해야 하는 대상

센서 설치 계획서 작성하기

활동1

예) 센서 빛을 조절함

애플리케이션 화면을 구성할 때 ‘페이퍼 프로토타입(paper prototype)’을 활용할 수 있다. 페이퍼 프로토타입은 기 획 단계에서 아이디어를 종이에 손으로 그려 검증하는 방식이다. U-tube에 탑재된 페이퍼 프로토타입 동영상 중에서 일부를 정리하여 소개하면 다음과 같다(출처 http://www.youtube.com/watch?v=TostDY7joX8).

1

3

U-tube를 비롯하여 인터넷에는 페이퍼 프로토타입 사용법 강좌가 많이 탑재되어 있으므로 수준과 필요에 따라 적절 히 선택할 수 있다.

※ 페이퍼 프로토타입 동영상(U-tube)

http://www.youtube.com/watch?v=GrV2SZuRPv0 2

4

페이퍼 프로토타입(paper prototype)

도움 닫기

■

■

언제 어디서나 센서를 관리하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 이용하려고 한다.

센서를 조절하기 위한 애플리케이션의 화면을 직접 구성하고 그려보자.

<활동지 3-2> 식물공장 센서 관리 애플리케이션 구성

위에 제시된 센서 외에 개발되어야 할 센서가 있을까? 있다면, 무엇인가?

인간의 감각이 센서보다 더 우수한 사례를 찾아보자.

■

■

[ 생각 꼬투리 ]

□

□

센서 원격관리 애플리케이션 계획서 작성하기

활동2

<그림 9>

온도/습도 : 재배사 내 3곳에서 측 정된 온/습도의 수치 를 실시간 보여줍니다.

CO2 농도 : 측정된 이산화탄소 수 치를 나타냅니다.

조도 : 재배사내 측정된 조 도의 수치를 보여줍 니다.

실시간 재배사 영상 : 재배사 내부와 외부에 설치된 각 웹캠 영상을 볼 수 있습니다.

Temperature & Humidity 2014.04.04.11:49:40

MEDIA FARM

CO2 2014.04.04.11:49:40

Lumination 2014.04.04.11:49:40

Camera

Camera 1 Camera 2

20℃

52%

20℃

51%

1200 ppm

127 lux 20℃

50%

식물은 광합성을 통해 성장한다. 따라서 식물공장에 반드시 필요한 요인 중 하나가 인공조명이다. 그러나 형광등은 어 두운 곳에서 사람이 생활하는 데 불편함이 없도록 맞춰진 조명이므로 식물을 기르기에 적합하지 않다. 반면 LED는 반 도체를 활용하여 만든 조명으로, 식물의 생장에 필요한 빛을 선택하여 설치할 수 있다.

빛이 식물에 미치는 영향을 고려하여 LED조명을 이용한 인공광원을 설계해보자.

<표 3-2> 파장이 식물에 미치는 영향

파장(nm) 적외선

가시광선

자외선

작용효과

식물에 대하여 특별한 작용 없음 열에 영향을 미침

식물의 신장 효과를 촉진함 발아 저지, 광합성 작용의 최대

엽록소 작용 최대, 발아 작용과 잎 배포 화아 형성 광합성에 유익하지 않음, 해충이 싫어함 노란 색소에 의한 일부 흡수, 어류 집어

광합성 작용 최대, 엽록소 작용의 최대, 해충 유인

식물의 잎을 두껍게 함, 색소의 발색을 촉진함, 해충을 유인함 면역체 등 여러 합성 과정에서 중요한 역할을 함

지나치게 강하면 해가 됨 식물을 급속하게 시들게 함 IR-A

적색 적황색 황색 녹황색 청색 UV-A UV-B

UV-C

1400~1000

780 700 660 610 510 430~440 400~315 280

100

생각펼치기 _9차시

■

■

■

■

설국열차 안에는 밝기를 조절할 수 있는 빨강, 파랑, 초록의 3가지 LED전구가 있다.

LED 전구의 에너지 효율은 녹색, 파란색, 빨간색 순서로 높고 전구 1개당 소비 전력은 30W이고 식물공장의 면적이 10 m²이다. 토마토, 딸기, 고추, 오이, 완두콩 중에서 1개의 식물을 기른다고 가정 하고, 식물공장 내에 인공광원(LED 조명)을 모둠별로 설계해보자.

<활동지 3-3> 식물공장 LED 조명 설치 설계도

인공광원 설계하기

활동3

전력 1W로 1m² 면적을 비추는 밝기

(단위: lx)

빨간색

10

파란색

12

녹색

100

빛의 삼원색

RED

BLUE GREEN

R

G B

■

■

[ 생각 꼬투리 ]

□

□

채소를 재배하기 위하여 빨강, 파랑, 초록의 LED조명(인공조명)을 어떻게 조절해야 할까? 인공조명 1일 계획표를 모 둠별로 작성해보자.

<활동지 3-4> 인공광원 1일 계획표

전력량이 클수록 식물 재배에 더 효율적이라고 할 수 있을까?

자신의 계획표와 친구의 계획표를 비교해보자.

인공광원 사용 시간표 작성하기

활동4

시간

오전 6시~8시

밝기(lx)

300lx

빨강 LED전구 1개

전력량(Wh)

30W×2h=60Wh

다음은 국내 기업에서 제작한 실제 식물공장 애플리케이션이다(www.mediafarms.org). 이 애플리케이션을 다운 로드 받아 설치하면, 식물공장의 현재 온도, 습도, 조도를 확인할 수 있을 뿐 아니라 온도, 습도, 조도를 원격 제어할 수 있다.

① 애플리케이션을 구동하면 식물공장의 현재 온도, 습 도, 조도를 확인할 수 있다.

② 식물공장의 온도가 식물의 생육조건에서 벗어나면 화 면 위에 붉은 종이 깜박이면서 경고음이 울린다. 이때 ‘평균온도’를 터치하면 온도를 조절할 수 있는 화면으 로 이동한다.

생각다지기 _10차시

■

④ 조도를 조절하는 화면

⑤ 미디어팜의 홈페이지로 이동하여 식물공장의 상황을 카메라로 확인할 수 있다. 이 화면은 미디어팜 홈페이 지 이동하는 화면이다.

LED전구의 밝기와 색을 원격으로 제어하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 이용하려고 한다. 앞에서 작성한 인공광원 1일 계획표의 1일 사용한 전력량을 비교하여 어떤 방법이 에너지 절약에 도움이 되는지 생각해보자.

인공광원 1일 계획표에서 LED 전구를 효율적으로 제어하기 위한 애플리케이션을 모둠별로 구성해보자.

<활동지 3-5> 인공광원 조절 애플리케이션 구성

생각다지기 _10차시

■

■

■

인공광원 조절 애플리케이션 구성하기

활동5

앞에서 디자인한 ‘센서 관리 애플리케이션’과 ‘인공광원 제어 애플리케이션’을 하나의 애플리케이션으 로 통합하자. 이 애플리케이션이 ‘식물공장 원격관리 애플리케이션’이다.

<활동지 3-6> 식물공장 원격관리 애플리케이션 구성

1. ‘식물공장 원격관리 애플리케이션’ 화면을 모둠별로 완성하여 발표해보자.

2. 다른 모둠의 애플리케이션을 자신의 어플리케이션에서 보완할 점은 무엇인지 정리해보자.

생각되돌아보기 _10차시

■

식물공장 원격 제어 애플리케이션은 식물공장과 멀리 떨어진 곳에서도 식물을 기를 수 있게 도와준다. 어떤 사람들에 게 식물공장 원격 제어 애플리케이션이 쓸모가 있을까? 식물공장을 계획하고 운영하기 위해서는 어떤 일을 하는 사 람이 필요할까?

식물공장과 관련된 직업에는 무엇이 있으며 구체적으로 어떤 일을 할까?

식물공장으로 인하여 새롭게 생겨난 직업이 있을까? 있다면, 어떤 직업인지 적어보자.

식물공장은 시설 내에서 빛, 온도, 수분, 양분 등을 조절하여 작물에게 최적의 생육 조건을 제공하여 생산량을 최대화 하는 농업으로 IT, BT, 건축, 농업기술 등 다양한 분야의 최첨단 기술의 융합이 요구된다. 식물공장의 5대 핵심기술 은 ‘PLNAT’ 즉, 장소(Place), 빛(Light), 자동화(Auto), 양분(Nutrient), 온도(Temperature)로 정리할 수 있다.

식물공장과 직업 세계

도움 닫기

식물공장의 핵심 기술

도움 닫기

■

□

□

■

□ 농화학공학자

□ 바이오프로세스 모니터링가

□ 건축 디자이너

□ 유비쿼터스 시스템/네트워크 전문가

□ 식물공장 설계사

□ 로봇 공학자

□ 유통관리사

□ 생명공학 엔지니어

□ 생체공학사

□ 나노소재공학자

□ 바이오에너지 연구원

□ 환경공학자

이에 따라 식물공장에서는 핵심기술과 관련된 직업이 창출된다. 이들 직업은 다음과 같으며 [원더풀 사이언스 - 미래 형 농업모델, 식물공장⑤]를 참고할 수 있다.

■

온도조절

다양한 식물 생육 속도 및 수확기 조절

식물생장 적합한 양분공급 기능성과 품질향상 전생산과정 자동화

로봇개발, 자동환경 제어, 원격제어

작물 생육 조절기술 다양한 광원: 형광등, 고압나트륨, LED 등

장소한계극복 사막, 바다, 극지 등 기후 및 환경조건 극복

Plant Factory

Future Agriculture fused with high technologies Light

빛

Auto 자동화

Nutrient 양분

T 온도 Place

장소

전략 기술개발

경제성 확보

제도 정책 개선

세세부 내용

1 파종, 육모, 재배, 수확, 수확 후 관리기술 2 기능성물질 증진 및 기능성 작물 재배기술 3 병해충 발생 예찰 및 생물학적 방제 기술 1 LED, 형광등, 메탈할라이드 등 조명기술 2 광원배치, 광조합(단색광, 혼합광, 3파장) 기술 3 방열, 냉각 기술 및 광량, 광파장 제어기술 1 pH, EC, 이온성분 계측기술 및 센서 개발 2 재배베드, NFT, DFT 등 양액재배 기술

3 양액 공금, 혼합, 여과, 살균 기술 및 시스템화 기술 1 광량, 광질 계측기술 및 센서 개발

2 온,습도, CO2등 환경, 식물체 계측 기술 및 센서 개발 3 공기순환, 냉난방, 가습, 제조, 공조 기술

4 이상 진단 및 경보 기술, 원격제어기술 1 광원관련(LED, 형광등) R&D로 저가 시공 2 최적 식물공장 설치(운영주체 능력, 자금력 등) 3 기존 시설의 개보수로 시공비 절감

1 생육기간 단축

2 시설재배 회전률 향상(조수익 ↑, 감강상각비↓ 등) 3 품질 향상으로 높은 판매 단가

1 계약재배에 의한 주년 생산(백화점, 호텔, 학교급식) 2 판매처 차별화 판매단가 상승(병원식, 기능성 원료) 3 시장예측에 기초한 계획생산(출하시기 조절) 1 노력비 절감(파종, 육묘, 정식, 수확, 일관 자동화) 2 광열, 동력비 절감(광원 선택 등 광조절 자동화) 3 고부가가치 작물 재배로 소득 증대

1 식물공장 육성법 제정

2 식묵공장을 농업으로 인정하여 농지 사용 인허가 완화 세분류

작물 재배기술

광원 및 조명기술

양액제어 기술

환경제어 기술

시공비 절감

생산성 및 품질 향상

판로 확보, 출하시기 조절

운영비 절감 및 소득 증대

식물공장 관련 법, 제도 정비

이 중에서 이색 직업으로 다음과 같은 직업을 들 수 있다.

LED제품 개발자

LED(Light-Emitting-Diode)는 칼륨, 비소 등 무기물에 전류를 흘려 빛을 내는 반도체소자이다. LED전등은 백열 전구 소비전력의 20% 수준에 불과할 뿐 아니라 적색, 녹색, 청색, 흰색 등의 비교적 다양한 색을 표현할 수 있으며 진 동과 충격에 강해 반영구적이다. 또한 기존 조명등에서 나오는 수은이나 납과 같은 환경오염물질도 배출되지 않아 친 환경적이다.

LED제품 개발자는 LED를 활용해 제품을 개발하고 LED적용에 필요한 시스템을 개발하는 사람을 가리킨다. 이들은 상품기획자, 마케팅전문가 등과 협의해 LED를 적용할 제품의 사업성 여부를 판단하고 개발 타당성이 인정되면 LED 를 적용한 제품을 설계한다. 대다수의 식물공장에서 LED를 주로 사용함에 따라 LED제품 개발자는 식물공장에서도 꼭 필요한 직업이다.

생태건축가

식물공장이 쓰레기를 다량 배출하거나 환경오염 물질을 마구 쏟아낸다면, 친환경적인 농업 생산방식이라 할 수 없을 것이다. 생태건축가는 환경을 보전하며 건물을 설계하는 직업을 말한다. 생태건축가는 건물 내 에너지 효율을 높이고 물 사용량과 이산화탄소 배출량을 감소시키는 다양한 방법을 고안하여 건물에 적용한다. 또한 건설 과정에서 배출되 는 건축 및 산업 폐기물을 줄이는 건설 방법을 찾아내기도 한다.

■

□

□