중학교 신소재
꿈의 신소재 그래핀으로 그리는 미래의 꿈
I. 주제 개관 ···
3Ⅱ. 주제 학습 내용 ···
4Ⅲ. 관련 교육과정···
4Ⅳ. 주요 학습 개념 ···
6Ⅴ. 교수 학습 과정안 ···
7Ⅵ. 참고 활동 및 정보 ···
44Ⅶ. 참고 문헌 및 사이트···
47꿈의 신소재 그래핀으로 그리는 미래의 꿈
I. 주제 개관
우리가 걸치는 옷이나 신발, 식사를 위해 필요한 그릇, 냄비, 인터넷을 하기 위한 컴퓨터, LCD 모니터, 초고속 인터넷 통신망 등 우리 생활에 편리를 주는 많은 제품들이 가능 할 수 있었던 이유는 바로 신소재의 개 발 때문이었다. 소재를 지배하는 자가 세계를 지배한다는 말이 있듯이 지금 이 순간에도 세계 각국에서는 새로운 소재를 찾기 위한 소리 없는 전쟁이 끊임없이 일어나고 있다.
이 프로그램에서는 그래핀 신소재를 통해 최신 과학 기술의 동향을 살 펴봄과 동시에 중학교 교육 과정에서 제시되어 있는 부분의 내용을 다룸 으로써 학생들의 과학 기술에 대한 흥미와 동기를 유발하도록 구성하였 다. 또한 자신의 미래에 대한 꿈을 생각해 보고 그 꿈을 디자인하여 작 품으로 나타내는 과정에 그래핀 발견 원리 와 그래핀 구현 모습을 이용 하도록 내용을 구성하였다. 이
프로그램에서 학생들에게 제시 된 과제는 모둠별 과제와 개인 별 과제로 구분하였으며, 이에 따른 평가표도 개인별 평가표 와 모둠별 평가표로 구분하여 제시하여 전체 학생이 프로젝 트에 참여할 수 있도록 구성하 였다.
과목 2007 개정 교육과정 2009 개정 교육과정
과학
·학년 : 8학년
⑵ 물질의 구성
㈐ 모형을 사용하여 원자를
·학년 : 1~3학년군 (8) 물질의 구성
(나) 원소는 물질을 구성하는
Ⅱ. 주제 학습 내용
영역 학습 목표
융합 지식 활용 (문제이해)
문제와 관련된 융합적 지식을 활용할 수 있다.
나노 신소재의 특성을 이해할 수 있다.
창의적 사고력 (해결방안탐색)
자신의 미래 꿈 예술 작품 제작 프로젝트를 수행하며 창의적으로 아이디어를 탐색할 수 있다.
문제해결능력 (과정 지식)
문제 해결 방법을 제시할 수 있다.
그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선을 제작하고 LED를 병렬연결 시킬 수 있다.
수행능력 (기능)
도구나 공구의 안전사항을 지키며 자신의 미래 꿈 예 술 작품을 제작할 수 있다.
감성적 태도 (몰입)
동기를 가지고 과제를 실패해도 계속 도전할 수 있 다.
Ⅲ. 관련 교육과정
1. 교육과정 연계표
이 프로젝트에서 다루어진 교과 범위는 중학교 1~3학년의 다양한 영 역이다. 그러나 중학교의 다양한 학교 급에서 사용이 가능하도록 내용의 수준을 낮추어 제시하였으며 내용을 배우지 않은 학생들에게는 관련 개 념을 파악할 수 있는 기회를 제공하고자 하였다. 이 프로젝트에서 다루 어진 교육과정을 제시하면 다음과 같다.
과목 2007 개정 교육과정 2009 개정 교육과정 구성하는 원자핵과 전자를
나타낼 수 있다.
·학년 : 9학년
⑸ 전기
㈎ 전류를 이해하고, 전류가 흐를 때 전하가 보존됨을 안 다.
㈏ 도체와 절연체의 개념을 이해한다.
㈐ 폐회로에서 저항, 저항에 흐르는 전류, 저항에 걸린 전 압 사이의 관계를 설명할 수 있다.
㈑ 저항의 직렬연결과 병렬 연결에 옴의 법칙을 적용할 수 있다.
원자로 구성되고 원자는 원자 핵과 전자로 구성되어 있음을 알고, 이를 모형을 사용하여 나 타낸다.
(15) 전기와 자기
(나) 저항, 전류, 전압 사이의 관계를 알고, 이를 적용하여 저 항의 직렬연결과 병렬연결의 특징을 이해한다.
(22) 과학과 인류 문명
(가) 우리 생활에 이용되고 있 는 첨단 과학의 예를 들 수 있 다.
기술
․ 가정
·학년 : 9학년
⑶ 전자 기계 기술
㈎ 전기ㆍ전자 기기에 이용 되는 부품의 구조와 원리, 용 도 등을 이해한다.
·학년 : 1~3학년군 (4) 제조 기술과 자동화
(나) 기초 전기·전자 기술, 자 동 제어 및 자동화 기술을 이 해하고, 기계를 구성하는 요소 와 동력 전달 장치를 원리를 이해하며, 생활 속에 로봇의 활 용 및 제조 기술과 관련된 직 업 세계를 설명할 수 있다.
수학
·학년 : 8학년 (마) 기하
작도와 합동
① 간단한 도형을 작도할 수 있다.
·학년 : 1~3학년군 (마) 기하
작도와 합동
① 삼각형을 작도할 수 있다.
평면도형의 성질
① 다각형의 성질을 이해한다.
미술 표현
사진, 영상 등의 새로운 매체 와 표현 방법을 탐색하여 나 타내기
표현
새로운 표현 방법과 매체를 탐 색하기
2. STEAM 과목 요소
과목 학습활동 및 수업 내용
S 과학 원자의 구조, 전류의 측정, 저항의 병렬연결 T 기술 /
E 공학 전선, LED, 회로의 구성 A 예술 및
인문사회 빛을 이용한 예술 작품 만들기
M 수학 정삼각형의 작도, 정사각형의 작도, 정육각형의 작도, 정 육각형의 특징
3. STEAM 단계 요소
문제 상황 : 납땜을 이용하지 않으며 와이어스트리퍼를 사용하지 않고 가위나 칼로도 잘라 사용할 수 있는 전선은 어떻게 만들 수 있을까?
창의적 설계 : 자신의 미래 꿈을 글과 그림으로 표현하여 LED의 빛 으로 비추는 작품 설계하기
감성적 체험 : 자신의 꿈을 생각해 보고 이를 창의적인 방법으로 표 현한 후 발표하는 과정에서 얻을 수 있는 성취감
Ⅳ. 주요 학습 개념
단계 차 시 주 제 및 주 요 활 동 내 용 관 련 교 과
문제로의
초대 1차시
문제로의 초대
- 문제 상황과 도전 과제를 이해한다.
- 모둠을 조직한다.
과학 (3학년-전기) 기술 (3학년- 전자 기계 기술)
문제 해결을 위한 활동
2차시
그래핀이란 무엇일까?
- 모둠별로 그래핀에 대해 조사한 내 용을 발표한다.
과학
(2학년-물질의 구성)
3차시 그래핀 구조 확인하기
- 그래핀의 기본 구조를 작도한다.
과학
(2학년-물질의 구성)
수학
(1학년-삼각형 의 작도) 4차시 그래핀의 발견 원리 탐구하기
- 그래핀의 물리적 박리법을 이용하 여 테이프 전선을 제작한다.
- 제작한 테이프 전선으로 회로를 구 성하고 이 회로에 흐르는 전류를 측정한다.
과학 (3학년-전기) 기술 (3학년- 전자 기계 기술) 5차시
문제해결
6차시
나의 미래 꿈 디자인하기
- 나의 미래 꿈 설계하고 A5용지에
표현한다. 과학(3학년-전기)
기술
(2학년-제조기 술, 3학년-전자 기계기술) 미술 (표현 방법) 7차시
나의 미래 꿈 새기기
- 설계한 미래 꿈 LED 빛으로 나타날 수 있는 다양한 재료에 새긴다.
8차시
나의 미래 꿈 완성하기
- 모둠별로 회로를 완성한 후 작품을 촬영한다.
평가 및
성찰 9차시
평가 및 성찰
- 모둠별로 자신이 작성한 내용을 발 표하고 평가한다.
- 모둠별로 가장 잘된 작품을 작성한 학생이 학급 전체에게 자신이 작성
기술
(2학년-제조기 술, 3학년-전자 기계기술) 미술 (표현 방법)
Ⅴ. 교수 학습 과정안
1. 차시별 총괄 계획
단계 차 시 주 제 및 주 요 활 동 내 용 관 련 교 과 한 내용을 발표하고 평가한다.
진로탐색 10차시 그래핀 관련 직업 탐색 - 그래핀 관련 직업 탐색하기
가정 (진로와 생애설계) 진로와 직업
2. 차시별 교수-학습 과정안
1차시 문제로의 초대 □TE
학습
주제 문제로의 초대 학습유형 탐구형 차
시 1/10 학습
목표
문제의 조건을 이해할 수 있다.
모둠을 조직할 수 있다.
맥락 주제
□ IT ■ 에너지
□ 환경 ■ 디자인 준비물
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입
(5) 주제의 이해 부분 소개 및 학습목표 제시 T/E
전개 (35‘)
생각열기와 관련된 동영상 제시 문제 상황을 읽어 보게 한다.
- 만약 학생 자신이라면 어떻게 문제를 해결할 것인지 생각해 보게 한다.
도전 과제를 제시한다.
- 개인별 과제와 모둠별 과제의 내용을 구분하 여 제시한다.
흥미
T/E
모둠을 조직한다.
- 최대 4명을 넘지 않도록 모둠을 조직한다.
협력, 배려, 소통, 소속감 정리
(5‘) 정리 및 다음 차시 과제 확인하기
1차시 내용 해설 학생용 3-7쪽
1차시 문제로의 초대 단계에서는 도 입 부분에 주제 이해, 학습 목표, 생각 열기, 단원 개관 등이 구성되어 있다.
각 요소는 다음과 같이 활용할 수 있다.
주제의 이해에서는 이 프로젝트 전체 의 주제인 신소재의 개관이 소개 되어 있다. 학생들이 가볍게 읽고 넘어 갈 수 있는 부분으로 1~2분의 시간을 주어 어떠한 내용을 다룰 것인지 잠시 생각하도록 한다.
학습목표에서는 전체 학습 목표가 제시되어 있다. 각 차시별 학습 목 표는 교사용 지도서 제시되어 있으니 그 내용을 참조하도록 한다.
생각열기에서는 휘어지는 디스플레이가 사진이 제시되어 있다. 사진에 서처럼 휘어지는 디스플레이를 본 경험이 있는지 질문해 보고 학생의 의 견을 들어본다. 영화 아바타 등에서 나온 휘어지는 모니터를 소개하여 학생들의 흥미와 관심이 유발되도록 한다.
생각열기의 “휘어지는 모니터는 현재 실현 가능한 기술일까?”란 질문 을 학생들에게 제시해 보고 어떠한 생각을 가지고 있는지 학생의 의견을 들어보도록 한다.
휘어지는 최근 몇 년간 다양한 현실화 실험이 이루어지고 있는데 우리 나라의 대기업인 S전자와 L전자도 이 분야에서 상당히 앞선 기술력을 지니고 있다.
학생의 의견을 충분히 들어본 후 아래의 동영상이나 기사 등을 소개하 여 이러한 기술이 이미 현실화 되어 가고 있음을 알려준다. 또한 학생들 이 성장하였을 때에는 이런 기술이 보편화 될 수 있음을 소개시켜 준다.
Samsung Flexible display prototype Hands-On : 국내 대 기업의 프로토 타입의 구불일 수 있는 화면을 소개한 영상이다.
☞ http://youtu.be/CckFd79KDPg
삼성, 휘어지는 플렉서블 디스플레이 YOUM(윰)을 보여주다 : 구불일 수 있는 화면이 소개되어 있다.
☞ http://blog.naver.com/nshop_mall/175412654
이러한 휘어지는 화면이 현실화되기 위한 소재로 그래핀 신소재가 주 목 받고 있다. 그래핀은 생각열기에서 제시된 휘어지는 모니터를 실현 가능하게 해줄 신소재로 주목 받고 있는 소재이다.
관련 단원에서는 2007개정 교육과정과 2009 개정 교육과정의 관련 단 원이 제시되어 있다. 이 프로젝트를 진행하다가 더 알고 싶은 내용이 있 다면 이 부분을 참조하여 관련 내용을 좀 더 탐색할 수 있도록 한다.
문제로의 초대 본문 단계에서는 문제 상황, 도전 과제, 모둠 만들기 등 으로 내용이 구성되어 있다.
문제 상황에는 정연이라는 학생이 겪는 문제가 제시되어 있다. 이 프 로젝트에서 실제 흑연 가루를 이용하여 전선을 제작하는 과정이 있어 이 를 문제 상황으로 제시하였다.
도전 과제에서는 학생들이 실제로 이 프로젝트를 진행하며 제작해야 하는 과제가 모둠과 개인별로 제시되어 있다. 모둠별로는 그래핀의 물리 적 박리법을 이용한 전선을 제작하고 그 전선을 이용하여 회로를 구성하 는 과제가 제시되고, 개인별로는 자신의 꿈을 디자인하여 LED로 비추는 과제가 제시되어 있다. 이렇게 개인별로 제작한 작품을 모둠내에서 발표 해 보고, 모둠원 중 가장 잘 만든 작품을 학급 전체에게 발표하는 과정 으로 수업이 이루어짐을 제시하여 준다.
이렇게 도전 과제를 제시해 준 후 모둠을 정하도록 한다. 이때 모둠은 최대 4명을 넘지 않도록 한다. 모둠이 편성되면 모둠장을 선출하여 모둠 장을 중심으로 모둠명, 프로젝트 주제, 각 모둠원의 역할을 등을 정하도 록 한다.
모둠원이 정해진 후 교사는 학생용 교재 6~7쪽에 제시되어 있는 조사 내용을 모둠원끼리 배분하여 조사해 오도록 한다. 즉 한명이 1~2문항 정도를 인터넷에서 최대한 자세히 조사해 오도록 하며, 모둠원에게 관련 자료를 배부할 수 있도록 모둠원에 해당하는 수만큼 내용을 출력해 오도 록 한다.
2차시 그래핀이란 무엇일까? □S□
TE
학습
주제 그래핀이란 무엇일까? 학습유형 직소학습 차
시 2/10 학습
목표 그래핀의 특성을 조사하여 발표할 수 있다. 맥락 주제
□ IT □ 에너지
□ 환경 □ 디자인 준비물
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입 (5)
그래핀 관련 최신 뉴스 동영상 두 편을 제시하 고 그 동영상에 대한 소감 발표하기
S, T/E
전개 (30‘)
각자가 조사해온 내용을 바탕으로 직소 학습 활동을 실시한다.
- 전문가 협의 활동 : 5개의 전문가 영역을 설정 하고 그 영역에서 각자가 조사한 모둠원끼리 자신이 조사해 온 내용을 전문가 그룹끼리 협 의하도록 한다.
협력, 배려, 소통,
소속감 S, T/E - 모둠별 학습 활동 : 원래 자신의 모둠으로 돌아
와 전문가 협의에서 추가로 배운 내용이나 자 신이 학습한 내용을 학생들에게 전달해 준다.
협력, 배려, 소통, 소속감 정리
(10‘)
정리 및 다음 차시 과제 확인하기
- 교사는 1번부터 5번까지의 조사 내용에 대한 답을 제시하여 학생들의 조사 내용을 정리해 준다.
2차시 내용 해설 학생용 8-11쪽
2차시는 학생들 개인별 조사 내용을 바탕으로 직소 모형에 의한 수업 을 진행한다. 이를 위해서는 1차시에 제시한 개인별로 1~2문항을 조사 하는 과제를 작성해 오는 것이 중요하다. 그러므로 방과 후에 인터넷 등 을 이용하여 관련 내용을 조사해 오도록 안내한다. 만약 1~2차시를 묶 어 수업을 진행할 경우에는 컴퓨터실 등을 활용하여 개인별로 5~10분정
도의 조사 검색 시간을 부여한 후 직소 모형에 의한 수업을 진행할 수도 있다.
수업에 앞서 다음의 동영상을 제시하여 학생들이 동기가 유발될 수 있 도록 한다.
http://news.naver.com/main/read.nhn
?mode=LPOD&mid=tvh&oid=052&aid=00 00318552
http://youtu.be/-YbS-YyvCl4
동영상 시청 후 학생들에게 각자 조사한 내용을 바탕으로 전문가 그룹 학습(직소 학습)을 실시한다. 이 학습은 총 3단계로 전문가 협의 활동 단계, 모둠별 학습 활동 단계, 교사의 정리 단계로 구분하여 운영한다.
[1단계 : 전문가 협의 활동 단계]
이를 위해 책상의 배치를 다음과 같이 변경할 필요가 있다(30명 기준 – 6개의 전문가 영역으로 구분).
각 전문가 그룹 영역에서 1번을 조사한 전문가 학생끼리 1번 문제에 대한 토의를 실사하여 자신이 부족한 부분을 학습하고, 다른 학생들이 모르는 내용을 알려주는 전문가 활동을 실시한다. 학생용 교재에 제시된 문제는 총 5개이므로 4인 1모둠의 경우에는 융통성을 발휘하여 자신이 어려웠던 문제 쪽의 전문가 그룹 협의 장소로 이동하여 관련 내용을 배 워 오도록 한다.
[2단계 : 모둠별 학습 활동 단계]
전문가 그룹 활동이 끝나면 책상 배치를 원래의 모둠별로 배치하여 모 둠별로 학습이 이루어지도록 한다. 모둠별 활동 시 각 문항에 전문가 학 생이 다른 학생들에게 자신이 작성한 프린트물 등을 배부하여 다른 학생 의 이해가 쉽도록 한다. 전문가 활동 단계에서 학습한 내용을 개인별로 3분 이내에 다른 학생들에게 내용을 전달하도록 하고 부족한 부분에 대 해서는 개별적으로 지도하도록 한다.
[3단계 : 교사의 정리 단계]
모둠별 학습 활동 단계가 마무리 될 무렵 교사는 각 모둠별로 조사 내 용에 대한 학습이 어느 정도 이루어졌는지 최종 점검을 실시한다. 그리 고 다음의 내용으로 조사 내용을 정리하여 학생들이 오개념이 발생하지 않도록 한다.
1) 그래핀이란 용어는 어떤 뜻일까?
w 그래핀이란 용어는 연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 '그래파이트 (Graphite)’와 화학에서 탄소 이중 결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 인 'ene'을 결합해 만든 용어이다.
2) 그래핀은 어떠한 방법으로 발견했을까?
w 2004년 맨체스터 대학 연구팀이 스카치테이프의 떼었다 붙이는 방 법을 이용하여 흑연에서 그래핀을 추출해 냈다.
w 반도체의 원료로 쓰이는 실리콘 보다 100배 이상 전자가 자유로이 이동할 수 있으며, 구리보다 단위면적당 100배 많은 전류를 전달 할 수 있다.
w 6각형 벌집 모양 덕분에 충격에도 강하다. 육각형 구조의 빈 공간 이 완충 역할을 하기 때문이다. 이 때문에 강도는 강철보다 200배 강하고, 면적의 20%를 늘려도 끄떡없을 정도로 신축성이 좋다.
w 구부리거나 늘려도 전기 전도성이 사라지지 않는다.
w 열전도율도 금속인 구리의 10배가 넘고, 빛의 98%를 통과시킬 정 3) 그래핀의 두께는? 그래핀의 두께를 1cm로 확대 한다고 가정해 보자.
이 비율로 두께 1cm의 책을 확대 한다면 그 두께는 어떻게 될까?
w 그래핀의 두께는 0.2nm 정도이다.
w 1nm는 10-9m 이므로 0.2nm는 2×10-10m이다.
w 1cm는 10-2m 이다.
w 비례식에 의해 2×10-10m : 10-2m = 10-2m : x w 그러므로 x = 500,000m이다.
4) 그래핀은 어떤 구조를 지니고 있는가? 구조를 간단히 그려 보자.
w 흑연은 탄소를 6각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓아 올린 구조로 이루어져 있다. 그래핀은 이 흑연에서 가장 얇게 한 층을 떼어낸 것으로, 이 층은 탄소원자가 육각형으로 연속 결합된 구조가 나타 난다.
5) 그래핀은 어떤 특징을 가지고 있을까?
도로 투명하다.
w 그래핀은 열전도성이 최고로 알려진 다이아몬드보다도 2배 이상 열전도성이 높다.
http://www.fotopedia.com/items/fli ckr-88271993
평가
관점 Ÿ 그래핀의 특성을 말할 수 있는가?
◎ 참고 자료
그래핀의 사촌들 – 플러린, 탄소나노튜브
1) 플러린
풀러린은 탄소 원자 60개가 축구공 무늬 처럼 연결되어 있으며 속은 비어 있는 공 모양으로 뭉친 형태이다. 풀러린은 다이아 몬드와 비슷한 단단함을 가지고 있고 고온 과 고압에 잘 견딜 수 있다. 풀러린은 특이 한 전기 반응을 보이는데 다른 물질과 어 떻게 섞느냐에 따라 도체, 반도체, 초전도 체의 세 가지 성질이 나타난다고 한다.
2) 탄소나노튜브
탄소나노튜브는 수백~수만 개의 탄소원자가 육각형 모양이면서 가늘 고 긴 죽부인 모양으로 형태를 이룬다. 길이는 수 μm까지 길게 만들 수 있고 굵기는 머리카락의 5만분의 1정도이지만 구리보다 전류가 더 잘 흐 르며, 매우 가볍고, 다이아몬드보다 열을 더 잘 전달합니다. 또한 강철보 다 수십 배 탄성이 강하여 강한 힘으로 나노 튜브를 구부려도 원래 상태 로 복원하는 능력이 탁월하다.
재미있는 것은 탄소원자들끼리 결합을 해서 육각형의 평면구조가 되면 그래핀이 되고 그래핀을 동그랗게 튜브형태로 말면 탄소나노튜브가 되 고, 축구공 모양으로 만들면 풀러린이 된다. 그리고 그래핀이 겹겹이 쌓 이면 흑연이 되고 흑연을 초고압 상태로 놓게 되면 그래핀 층 사이에 결 합이 형성되면서 다이아몬드가 된다.
3차시 그래핀 구조 확인하기 □S□
M
학습
주제 그래핀의 구조 확인하기 학습유형 탐구형 차 시 3/10 학습
목표
그래핀 구조의 특징을 알 수 있다.
그래핀 구조를 작도할 수 있다.
맥락 주제
□ IT □ 에너지
□ 환경 □ 디자인 준비물
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입 (5)
그래핀의 특징 중 가장 신기했던 내용 발표해 보
기 T/E
전개 (35‘)
그래핀의 구조적 특징을 제시한다.
- 그래핀이 왜 정육각형 구조를 지니고 있는지 생각해 보게 한다.
- 일상생활에서 사용되는 정육각형 구조를 확인 하게 한다.
흥미
T/E, 정 N각형의 작도를 통해 배치되는 탄소 원자 M
의 개수를 구해본다.
- 정삼각형 구조 작도하기 - 정사각형 구조 작도하기 - 정육각형 구조 작도하기
창의적 문제해결
정리
(5‘) 정리 및 다음 차시 과제 확인하기
3차시 내용 해설 학생용 12-18쪽
3차시에서는 그래핀의 구조를 수학과 연계하여 학습한다. 그래핀은 정 육각형 구조를 지니고 있는데 이는 벌집에서도 이용되는 구조이다.
벌집에 방을 하나만 짓는다고 가정하면, 둘레의 길이가 일정할 때 넓이가 최대인 도형인 원 모양으로 짓는 것이 가장 효율 적일 것이다. 그러나 벌집과 같이 방을 여
90°×4=360°
60°×=6 = 360°
120°×3=360°
러 개 이어서 만들면 원과 원 사이에 공간이 생겨 효율성이 떨어진다.
평면을 빈틈없이 채울 수 있는 정 다각형은 다음과 같이 정삼각형, 정사 각형, 정육각형이 있다. 각 도형의 한 내각의 크기는 60°, 90°, 120° 이므 로 합동인 도형을 각 6개, 4개, 3개씩 한 꼭짓점에 모이게 붙이면 평면을 빈틈없이 채울 수 있다.
그러나 정삼각형은 같은 크기의 공간 을 만드는 데 정육각형 보다 재료가 더 들고, 정사각형은 외부의 힘이나 충 격이 분산되지 않아 쉽게 비틀리거나 찌그러져 변형되기 쉽다. 그렇지만 정
육각형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견고할 뿐만 아니라 안정적 이다. 그러므로 최소의 재료로 튼튼 한 공간을 만들려면 정육각형이 적합 하다. 이러한 이유로 정육각형 구조 는 벌집 구조 뿐만 아니라 그래핀의 구조에서도 사용되고 있는 것이다.
참고 : 건축물에서 사용되고 있는 정육각형 구조 http://ko.fotopedia.com/items/flickr-15139082/slideshow
이러한 정육각형 구조의 특징을 설명한 후 학생들이 자와 컴퍼스를 이 용하여 정삼각형, 정사각형, 정육각형으로 작도하여 탄소 원자를 배치해 보도록 한다.
▶ 정삼각형으로 배치하였을 때 : 20개
▶ 정사각형으로 배치하였을 때 : 16개
학생들이 삼각형을 하나 씩 그리지 않도록 한다.
즉 큰 삼각형을 그린 후 각 선분을 이등분하여 작은 삼각형을 그리는 등의 방법을 이용하도록 한다.
평가 관점
Ÿ 그래핀 구조의 특징을 알 수 있는가?
Ÿ 그래핀 구조를 작도할 수 있는가?
▶ 정육각형으로 배치하였을 때 : 45개
정육각형의 배치 역 시 기본 정육각형의 작도를 2~3개 이용 하면 기본 패턴이 보이는데 이를 이용 하면 간단하게 전체 의 정육각형을 배치 시킬 수 있다.
4-5차시 그래핀 발견 원리 탐구하기 □S□
TE
학습
주제 그래핀의 발견 원리 탐구하기 학습유형 탐구형 차 시
4~5 /10
학습 목표
그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 전 선을 제작할 수 있다.
그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선 으로 전류를 측정할 수 있다.
맥락 주제
□ IT ■ 에너지
□ 환경 □ 디자인
준비물
흑연가루, 청테이프, 스카치테이프, 전기테이프, 가위, 핀셋, LED, 1.5V 건전지, 건전지 케이스, 흑연 가루를 묻힌 테이프 전선 3종류, 전류계, 집게 달린 전선
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입 (5)
2차시에서 그래핀의 발견 원리를 조사했던 학생 들 이외의 학생들에게 그 원리를 발표시킨다.
S, T/E
전개 (75‘)
그래핀의 추출 과정을 확인한다.
- 그래핀의 추출이 어려웠던 이유를 설명한다.
- 노벨상을 받게 된 이유를 설명한다.
- 그래핀 발견 원리 동영상을 시청하고 그래핀 의 추출 과정을 정리하도록 한다.
흥미
S, T/E 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 전선을
제작한다.
- 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 흑연 테 이프 전선을 제작한다.
- 회로를 구성하여 LED의 불이 들어오는지 확 인한다.
협력, 배려, 소통, 융합 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선으로
회로를 구성하여 전류를 측정한다.
- 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선으로 회로를 구성하고 그 회로에 흐르는 전류를 전 류계로 측정한다.
- 여러 종류의 테이프 전선으로 회로를 구성해 보고 이때 흐르는 전류를 측정한다.
협력, 배려, 소통, 융합
정리 (10‘)
정리 및 다음 차시 과제 확인하기 - 주변을 정리한다.
- 자신의 미래 꿈에 대해 생각해 오도록 한다.
(http://youtu.be/LwmxSjydPEE 에서 캡처)
4-5차시 내용 해설 학생용 21-25쪽
4~5차시에서는 그래핀의 추출 원리를 바탕으로 전선을 제작하고, 그 전선으로 회로를 구성하며 그 회로에 흐르는 전류를 측정하는 활동을 진 행한다.
먼저 교사는 2차시에 그래핀의 발견 원리를 조사한 학생들 이외의 학 생들에게 그래핀 발견 원리를 자신의 말로 설명해 보도록 하는 활동을 진행한다. 이는 학생들이 어느 정도 충실히 활동에 참여하였는지 와 지 난 시간에 학습한 활동에 대한 피드백을 부여할 수 있는 활동이다.
학생들의 발표 내용을 들어 본 후 학 생용 교재에 제시된 동영상을 학생들에 게 제시한다.
이 동영상에서는 그래핀의 발견 원리 를 비교적 자세하게 설명되어 제시하고 있는데 처음부터 끝까지 영상을 제시하 지 말고, 중요한 부분만 제시하도록 한 다. 동영상에서 제시하고 있는 연필을 회로에 문지르는 활동은 연필심의 구성 원소인 흑연이 전기를 통할 수 있는 성질이 있음을 소개한다. 또한 화면 에서 나오는 암석은 HOPG란 것으로 이는 고배향성 열분해 흑연이라 불 리는데 쉽게 흑연이라고 보면 된다. 실제 노벨상 수상 연구팀은 이 HOPG에서 스카치테이프를 붙여 여기에서 흑연 가루를 추출해 냈다. 화 면에서 스카치테이프를 접었다 뗐다를 반복하는데 이렇게 단순한 작업을 반복하는 이유는 단 한 개의 탄소 원자 층으로 이루어진 그래핀을 분리 하기 위해서 이다. 동영상에는 제시되지 않았지만 이렇게 스카치테이프 에 붙어 있는 흑연을 반도체를 만들 때 사용하는 실리콘 웨이퍼에 붙이 고 스카치테이프를 제거한다. 그러면 실리콘 웨이퍼 위에는 단 한 겹으 로 이루어진 그래핀이 붙어 있게 되는데, 2004년 이전에는 각종 첨단 기 술을 이용해도 이렇게 단 한 겹으로 이루어진 그래핀을 추출하지 못했 다. 가임 교수팀에서는 이렇게 간단한 방법을 이용하여 그래핀을 추출한 공로를 인정받아 2004년 노벨상을 수상하게 된 것이다. 이러한 추출 방
① 시험 막대를 연결한다. ② 예상 값보다 크게 전환 스위치 를 설정한다.
법을 그래핀의 물리적 박리법이라 한다. 이와 같은 일련의 과정을 소개 시켜 준 후 이 원리를 이용하여 전선을 제작해 보는 활동을 진행한다.
학생용 교재에 제시된 내용대로 실습을 진행하되 실제 수업에서 적용할 때에는 흑연 가루로 책상이 더럽혀질 가능성이 있으므로 이와 같이 신문 지 등으로 책상을 감싼 후 실습을 진행하도록 한다. 또한, 학생들에게 흰 색 장갑 등을 착용하게 하여 손에 흑연 가루가 직접 묻지 않도록 한다.
마지막 활동으로 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 여러 전선으로 회 로를 구성하고 그 회로에 흐르는 전류를 측정해 보는 실험을 진행한다.
이때 전류는 학교 마다 사용하는 LED, 꼬마전구 등에 따라 차이가 있을 수 있다. 학생용 교재에서는 전류계를 이용하여 측정하는 방법을 소개하 였으나, 회로 시험기를 이용하여 전류를 측정할 수도 있다. 회로 시험기 로 직류 전류를 측정하는 방법을 소개하면 다음과 같다.
③ 측정할 물체를 연결한다.
④ 측정할 값을 읽는다.
전류값(A) =
지침×(전환스위치값/눈금최대값) = 150×0.1=15mA
평가 관점
Ÿ 그래핀의 물리적 박리법을 알 수 있는가?
Ÿ 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 전선을 제작할 수 있 는가?
Ÿ 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선으로 전류를 측정할 수 있는가?
학습
주제 나의 미래 꿈 작품 만들기 학습유형 탐구형 차 시
6-8/
10 학습
목표
나의 미래 꿈을 디자인할 수 있다.
나의 미래 꿈을 새긴 후 LED의 빛으로 표현할 수 있다.
맥락 주제
□ IT ■ 에너지
□ 환경 ■ 디자인 준비물
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
예술 적 발상 (10‘)
지난 시간에 탐구했던 내용 관련 소감 청취
폴포츠 동영상 시청 흥미 S,
T/E
아이 디어 창안 (30‘)
모둠별 활동 및 개인별 활동 제시
- 이번 시간부터 모둠별 활동과 개인별 활동이 구분되어 진행됨을 제시한다.
흥미
T/E, A 나의 미래 꿈 상상 일기 적기
- 미래에 자신이 하고 싶은 직업을 적고 그 때 일어날 것으로 생각되는 일을 상상하여 일기 로 적어보도록 한다.
- 몇 명의 학생에게 작성 내용을 발표 시킨다.
창의적 문제해결
A5 용지에 자신의 꿈을 글과 그림으로 표현하기 - 앞에서 작성한 일기 내용과 연관 지어 자신의
꿈을 글과 그림으로 표현하도록 한다.
- 작성 내용을 다음 시간에는 새길 것 이므로 너 무 복잡하지 않게 작성하도록 한다.
창의적 문제해결
나의 꿈을 표현할 재료 찾기
- 자신의 꿈을 표현할 수 있는 재료를 모둠별로 토의해 보도록 한다.
- LED의 빛에 의해 잘 표현될 수 있는 소재를 찾되 그래핀과 같이 휘어질 수 있는 소재가 있 는 지도 토의해 보도록 한다.
협력, 배려, 소통, 융합
S, T/E,
A
정리 (5‘)
정리 및 다음 차시 과제 확인하기 - 주변을 정리한다.
- 자신의 미래 꿈을 표현할 소재를 준비해 온다.
협력, 배려, 소통, 융합
6-8차시 나의 미래 꿈 작품 만들기 □TE□
A
작품 산출 (80‘)
나의 미래 꿈 새기기
- 준비한 재료에 지난 시간 작성 내용 새기기 - 개인별로 준비한 재료에 3개의 LED 빛으로 작
성한 내용이 잘 표현될 수 있도록 내용을 새기 거나 표현한다.
나의 미래 꿈 완성하기
- 모둠별로 3개의 LED를 밝히는 회로를 구성한 다.
- 개인이 새긴 작품을 비춘 후 디지털 카메라로 촬영한다.
협력, 배려, 소통, 융합
S, T/E,
A
정리 (10‘)
정리 및 다음 차시 과제 확인하기 - 주변을 정리한다.
- 촬영된 내용을 출력해 오도록 한다.
- 각자 자신이 작성한 내용에 대해 2분정도 발 표할 내용을 구상해 오도록 한다.
6차시 내용 해설 학생용 26-27쪽
6차시에서 9차시까지는 나의 미래 꿈을 그래핀 신소재 관련 재료로 표현 해 보고 평가하는 활동이 진행된다.
이를 위해 이번 시간에는 자신의 미래 꿈을 일기로 표현해 보고, A5 용지 에 표현해 보는 활동이 이루어진다.
먼저 자신의 미래 꿈을 일기로 표현하는 활동은 자신이 하고 싶은 일을 상 상하여 적어보는 활동을 통해 자신의 진로에 대한 생각을 할 수 있는 기회를 제공하고자 하였다.
본격적인 학습 활동에 앞서 다음의 폴포츠 동영상을 제시하여 학생들이 이 프로젝트 과정에 좀 더 충실히 진행할 수 있도록 한다.
동영상 주소 : http://youtu.be/d2ATsnoEejg
동영상 시청 후 간단히 학생들의 동영상에 대한 시청 소감을 확인한 후 자 신의 미래에 있을 일을 일기로 작성하는 활동을 진행한다. 학생용 교재에 제 시되어 있는 사례와 같이 어떤 특정한 직업을 하나 선택하여 작성하도록 한 다. 이때 최소 10년 이후의 어느 날을 선택하되 최대한 그 직업의 특성을 잘 나타내는 상황을 적어 보도록 한다.
(예) 개그맨 2033년 4월 2일
오늘은 “우쫓사:웃음을 쫓는 사람들” 녹화가 있었다. 나는 세 번째 순서였는데, 나의 파트너가 약속 시간보다 늦게 와서 나의 매니저가 계속 초긴장 상태를 유 지했다.
다음 활동은 예시 작품을 바탕으로 A5 용지에 자신의 꿈을 글과 그림으로 표현해 보는 활동을 진행한다. 이때 A5 용지는 하나의 예시일 뿐이므로 학 생들은 이에 제한 받지 않고 자유롭게 작성할 수 있도록 한다. 단, 지금 표 현된 내용을 다른 소재에 옮길 하나의 기초 설계에 해당하므로 너무 복잡하 게 그리지 않도록 한다.
마지막으로 나의 꿈을 표현할 재료를 찾는 활동을 모둠별로 진행한다. 이 활동에서는 제시된 문제인 LED의 빛으로 나의 미래 꿈을 표현할 수 있는 어 떠한 소재도 가능하되, 이 프로젝트 전체 주제인 그래핀과 연관 지어 휘어질 수 있는 디스플레이 등을 표현할 수 있도록 안내한다. 즉, 이 과정에 학생들 이 창의력을 발휘하여 자신의 미래의 꿈을 표현할 수 있도록 한다. 이때 LED는 개인이 만든 작품에 공통적으로 적용되기 때문에 재료에 대한 토의를 모둠 별로 진행한다.
7차시 내용 해설 학생용 28쪽
7차시에서는 6차시에서 학생들이 작성한 나의 미래 꿈을 직접 재료에 표 현하는 활동을 진행한다. 학생용 교재에는 아크릴 판에 자신의 미래 꿈을 새 긴 후 표현하는 활동이 예시되어 있으나 학생들은 자신이 준비한 재료를 이 용하여 다양하게 산출물이 작성될 수 있도록 한다.
예를 들어 투명 플라스틱 등에 자신의 미래 꿈을 송곳 등으로 조각하거나 자신의 꿈을 그린 후 그 내용을 코팅하여 표현할 수도 있다. 또한 휘어지는 소재 등을 이용하여 미래에 휘어지는 화면에서 자신이 출현하고 있는 화면 등을 표현하는 것도 가능하다.
작품 예시 : 접는 TV에 나오는 나의 소개
8차시 내용 해설 학생용 29-32쪽
8차시에서는 모둠별로 3개 이상의 LED로 회로를 구성하여 개인별로 작성 한 작품을 비춘 후 디지털 카메라로 작품을 촬영하는 과정이 진행된다. 즉 지난 시간에 이어서 학생들 개별적으로 만든 작품에 LED의 빛으로 작품을 비춰 촬영하는 활동이 진행된다.
3개 이상의 LED를 병렬연결 시켜 회로를 구성하는데 이때 LED간 연결에 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선을 이용한다. 이번 시간에 전선을 직 접 제작하여 사용하기 보다는 5차시에 실험한 전선을 보관해 두었다가 사용 한다.
이때 작품의 촬영은 교사나 모둠별로 준비한 디지털카메라를 이용하는데 2 대 정도이면 원활한 수업이 이루어질 수 있다. 촬영된 내용은 컴퓨터를 잘 다룰 수 있는 학생이 일괄적으로 수합하여 교사용 PC에 옮겨 놓으면 되는데 이를 위해 교사는 USB 케이블 등을 미리 준비해 놓도록 한다.
8차시에서는 학생들이 작품을 촬영하고 뒷정리를 하는데 까지 활동이 진행 되며, 9차시에는 8차시에서 작성한 내용을 바탕으로 모둠별 발표 및 평가가
(1) 아크릴 판 아래에 그림과 글로 표현한 내용을 놓는다.
(2) 아크릴판의 비닐을 떼어내지 않은 상태에서 작성한 그림과 글을 네임펜으로 따라 그린다.
진행됨을 학생들에게 공지한다.
○ 참고 : 아크릴판으로 예술 작품 만들기
준비물 : 청테이프, 흑연가루, 전선 1m, 9V 건전지, 고휘도 LED, 아크릴판, 스위치, 9V용 건전지 연결선, 아크릴 본드, 강력 본드
(3) 뒷면의 비닐을 벗겨 낸다.
(4) 비닐을 벗겨낸 아크릴판 뒷면에 커터칼, 송곳 등을 이용하여 그림과 글 씨를 새긴다.
(5) 네임펜으로 그림과 글을 따라 그린 부분의 비닐을 제거한다.
(6) 흑연 테이프 전선을 놓을 크기의 종이를 자르고, 양면테이프를 붙인 다.
(7) 받침이 될 아크릴 판 위에 (6)에서 만든 종이를 양면테이프로 붙인 다. 그 위에 이전 차시에 제작한 흑연 테이프를 올려놓아 접합시킨 다(흑연을 묻은 쪽이 위쪽이 되도록).
(8) 3V 건전지로 LED의 불이 들어오는지 확인한다. 만약 빛이 너무 약 할 경우 9V 건전지를 이용한다.
※ 이 실험에서는 흑연 가루 사이의 공간이 있어, 실제 그래핀에서처럼 전기가 잘 통하지 않는다.
(9) 전기를 공급할 전선을 위치시키고 다른 흑연 테이프 전선으로 덮는 다.
(10) 종이를 잘라 깔끔하게 마무리 한다. 마무리한 후에도 LED의 불이 들어오는지 수시로 확인한다.
※ 9V 건전지를 이용하며, 다음과 같은 방식으로 LED를 배열해야 LED의 불 빛이 가장 밝지만, 학생들에게 이를 직접 제시하지 않고 탐구 활동을 통 해 확인할 수 있도록 한다.
(11) LED의 남은 다리 부분을 잘라내고, 아크릴 판을 끼워 넣는다.
(12) 아크릴 판 조각으로 위쪽을 씌우고 아크릴 본드, 강력 본드 등으로 아크릴을 접합시킨다. 더블클립 등을 이용하면 보다 쉽게 아크릴 판 을 고정할 수 있다.
(13) 어두운 곳에서 작품 내용을 확인한다.
예시 작품 : 3V 전원 연결 (고휘도 LED 사용)
예시 작품 : 9V 전원 연결 (고휘도 LED 사용)
평가 관점
Ÿ 나의 미래 꿈을 디자인할 수 있는가?
Ÿ 나의 미래 꿈을 새긴 후 LED의 빛으로 표현할 수 있는 가?
Ÿ LED를 병렬연결 시킬 수 있는가?
적용 사례
9차시 평가 및 성찰 □S □
TE□
A
학습
주제 평가 및 성찰 학습유형 탐구형 차
시 9/10 학습
목표 나의 미래 꿈을 발표할 수 있다. 맥락 주제
□ IT ■ 에너지
□ 환경 ■ 디자인 준비물 작품 촬영 사진 파일
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입
(5‘) 학생들의 작품에 대한 간단한 감상 S,
T/E
전개 (35‘)
모둠원 자체 평가
- 모둠별로 자신이 작성한 미래 꿈 작품 내용을 2분 이내로 발표하도록 한다.
- 모둠원이 발표한 내용과 실제 작품의 촬영 내 용을 바탕으로 학생용 교재에 제시된 평가 항 목에 의해 평가를 실시한다.
- 모둠원의 평가에서 가장 높은 점수를 부여받 은 학생은 학급 학생 전체에게 발표할 준비를 한다.
흥미
T/E, 다른 모둠 평가하기 A
- 모둠별로 가장 높은 점수를 받은 학생이 학급 전체 학생을 대상으로 자신의 작품을 소개한 다.
- 모둠별로 상의하여 학생들의 발표 내용과 작 품에 대한 평가를 실시한다.
창의적 문제해결
자기 평가 및 성찰
- 자기 평가표를 작성해 보고 소감문, 성찰문을 작성한다.
정리 (5‘)
정리 및 다음 차시 과제 확인하기
- 모둠별로 그래핀 관련 직업 내용 중 관련 빈칸 의 내용(38쪽)을 조사하고, 직업 인터뷰 조사 양식으로 그래핀 관련 직업에 대한 직업 조사 활동을 실시해 오도록 안내한다.
항목 세부 평가 항목 가산 비율
평가
스티커 개수 점수 합계 항목
1
발표 자세와 내용은 어
떠하였는가? ×1 파란색
스티커 2 2
20점 항목
2
자신의 미래의 꿈을 글 과 그림으로 적절히 표 현하였는가?
×3 빨간색
스티커 4 12
항목 3
창의적으로 표현 하였는가?
(예: 휘어지는 소재를 이용하여, 그에 맞는 상 황들을 제시함)
×3 노란색
스티커 2 6
9차시 내용 해설 학생용 33-37쪽
9차시에서는 이전 차시에서 활동했던 내용을 평가 및 성찰하는 시간이다.
평가는 모둠원 자체 평가, 다른 모둠 평가, 자기 평가 및 성찰 등으로 이루 어진다.
먼저 모둠원 자체 평가는 모둠원 끼리 자신의 작품 내용을 발표해 보고, 학생용 교재에 제시된 평가표에 의해 평가하는 단계가 진행된다. 학생용 교 재 31쪽의 왼쪽의 ‘자신이 발표할 내용 적어보기’란에 간단히 발표 내용을 메모하도록 하고, 오른쪽의 ‘모둠원들의 발표 내용 적어보기’란에 다른 학생 들의 발표 내용을 메모하도록 한다.
발표 및 작품에 대한 평가는 색깔별 스티커에 의해 평가를 한다. 즉 발표 자세와 내용은 파란색 스티커, 자신의 미래 꿈에 대한 글과 그림의 적절한 표현은 빨간색 스티커, 창의성은 노란색 스티커로 평가하게 한다. 이때 학생
들에게는 각 5장씩 스티커를 배부 받고, 배부된 스 티커를 평가 항목에 의해 자신의 작품을 제외하고 스티커를 붙여 평가하도록 한다. 즉 가장 잘되었다 고 생각하는 작품에 5장을 모두 부여하거나, 나누 어 부여할 수 있다. 학생들이 모두 평가를 마친 후 에 스티커의 색별로 개수를 센 후 가산비율을 곱해 총점을 매긴다. 예를 들어 왼쪽과 같이 어떤 학생 의 작품에 빨간색 스티커 4장, 파란색 2장, 노란색 2장이 스티커가 붙여졌을 경우 점수는 다음과 같이 계산한다.
모둠 내 평가를 마친 후 가장 높은 점수를 받은 학생은 학급 전체에서 자 신의 미래 꿈 작품에 대해 발표하도록 하도록 한 후 이를 바탕으로 다른 모 둠을 평가하도록 한다. 이때 교사는 해당 학생의 작품 촬영 사진을 교사용 컴퓨터에서 찾아 학생이 발표할 때 이를 제시해 주도록 한다. 다른 모둠별 평가 방법도 모둠 내 평가 방법과 동일한 방법으로 진행된다. 단, 이때 다른 모둠의 평가를 위해 모둠별로 어떤 모둠에 어느 정도 스티커를 부여할 것인 지에 대한 협의를 진행하는 과정이 모둠 내 평가와 차이가 있다.
교사는 모둠별 평가에서 가장 높은 점수를 받은 조에게 간단한 시상을 할 수 있다. 이와 같은 스티커를 이용한 학생에 의한 평가는 학생들이 주가 되 어 평가가 이루어지므로 교사 평가의 공정성에 대한 시비는 없고 학생들이 평가 활동에 직접 참여할 수 있다는 장점이 있다.
모둠별 평가활동이 끝나면 마지막으로 자기 평가 및 성찰을 실시한다. 자 기 평가표에 제시된 질문지에 간단히 체크하면서 학습 목표에 도달했는지에 대한 간단한 체크 후 체험 활동 소감문이나 성찰 활동 등을 진행한다.
참고로 스티커 평가 외에 다음과 같은 점수 루브릭을 이용하여 작품을 평 가할 수도 있다.
[활동] 모둠원이 발표한 내용, 제작한 작품, 작품을 촬영한 사진 등을 다 음에 제시된 항목으로 평가해 보자. 단, 자신도 제시된 항목으로 평가할 수 있으나 총계 점수에 반영하지는 않는다.
세부 평가 항목 가산
비율
우수 (2점)
보통 (1점)
미흡 (0점) 항목
1 발표 자세는 어떠하였는가? ×1 항목
2 발표 내용은 어떠하였는가? ×1 항목
3
자신의 미래의 꿈을 글과 그 림으로 적절히 표현하였는가? ×3 항목
4
창의적으로 표현 하였는가?
(예:휘어지는 소재를 이용하여, 그에 맞는 상황들을 제시함)
×3 항목
5
얼마나 성실하게 작품을 제작
하였는가? ×3
항목
6 작품의 질은 어떠한가? ×3
◎ 모둠원 평가표 ◎
우수
(2점) 보통
(1점)
미흡 (0점)
가산 비율 소
계 총계
모둠원 1 ( )
항목1 ×1
항목2 ×1
항목3 ×3
항목4 ×3
항목5 ×3
항목6 ×3
모둠원 2 ( )
항목1 ×1
항목2 ×1
항목3 ×3
항목4 ×3
항목5 ×3
항목6 ×3
모둠원 3 ( )
항목1 ×1
항목2 ×1
항목3 ×3
항목4 ×3
항목5 ×3
항목6 ×3
모둠원 4 ( )
항목1 ×1
항목2 ×1
항목3 ×3
항목4 ×3
항목5 ×3
항목6 ×3
※ 평가가 끝나면 모둠장은 모둠원들이 평가한 점수를 합산한다. 이때 발표 학 생 자신의 점수를 제외한 점수를 합산하고, 최고 점수를 받은 학생은 학급원 전체에게 자신의 작품 내용을 발표할 준비를 한다.
조원 1 점수 총계 조원 2 점수 총계
조원 3 점수 총계 조원 4 점수 총계
10차시 그래핀 소재 관련 직업 탐색 □S□
TE
학습
주제 그래핀 소재 관련 직업 탐색 학습유형 탐구형 차 시 10/10 학습
목표
그래핀 소재 관련 직업을 탐색할 수 있 다.
맥락 주제
□ IT □ 에너지
□ 환경 □ 디자인 준비물
절차 교수 학습 활동 감성체험 STEAM
도입 (5‘)
그래핀이 실용화 되었을 때 나올 수 있는 직업에 대한 개인 생각의 발표
S, T/E
전개 (35‘)
미래유망직업-탄소소재연구개발자 소개 - 학생용 교재에 제시된 탄소 소재 연구 개발자
를 읽고 내용 요약하여 발표하기
S, T/E 그래핀 관련 직업 조사 내용 발표
- 모둠별로 재료공학기술자, 반도체공학기술자 에 대해 조사한 내용을 발표해 본다.
- 개인별로 조사한 그래핀 관련 직업에 대해 발 표해 본다.
그래핀 관련 분야 직업에 대한 조사 발표 - 그래핀이 실용화 되었을 때 관련 있을 분야의
직업에 대해 사전 조사 후 그 조사 내용의 발 정리 표
(5‘)
내용 정리 및 마무리
- 그래핀 관련 프로젝트에 대한 총괄 마무리
S, T/E
10차시 내용 해설 학생용 38-42쪽
10차시에서는 그래핀 관련 직업을 탐구하는 시간을 갖는다. 학생용 교재에 서 사전 조사해야할 부분을 과제로 제시하여 학생들이 관련 직업을 조사해 올 수 있도록 한다. 워크넷 (http://www.work.go.kr)의 한국직업정보시스템 을 이용하면 다양한 직업의 정보를 쉽게 파악할 수 있으므로, 학생들에게 미 리 사이트 주소를 공지해 주는 것도 하나의 팁이 될 수 있다.
직업 인터뷰에서는 학생들에게 관련 내용을 직접 인터뷰 하거나 인터넷과 서적 등을 통해 설문 내용을 조사해 보도록 한다. 조사 내용을 E-mail이나 인터넷 게시판 등에 공유하여 다른 학생들도 내용을 확인할 수 있도록 하고, 수업 시간에 몇 명의 학생이 조사한 내용을 발표하게 하여 신소재 관련 분야 의 진로에 관심을 유도하도록 한다.
○ 재료 공학 기술자
재료 공학 기술자는 산업에서 사용하고 있는 금속 및 비금속재료를 가공ㆍ 처리하여 제조하는 일련의 재조공정을 연구ㆍ개발 및 기술을 지휘ㆍ감독한 다.
비금속의 속성 및 특성에 관한 연구를 수행하고 세라믹, 반도체 및 기타 재료들의 주형, 조형, 열처리를 위한 공정을 설계한다.
고분자구조 및 물성, 중합체의 결정성 등에 관한 고분자재료의 구조, 고분 자의 합성법, 중합반응 메커니즘과 반응속도, 고분자의 구조 및 분자량 결정 법, 고분자의 구조와 물성간의 상호관계 등 고분자재료의 구조에 관하여 연 구한다.
○ 반도체 공학 기술자
반도체 공학 기술자는 냉장고, 텔레비전, 세탁기 등의 가전제품과 의료기 기, 컴퓨터, 휴대폰 등 전자제품에 사용되는 반도체의 기술적 성능을 개선하 거나 새로운 기능과 성능을 가춘(갖춘) 반도체를 개발한다.
반도체에 대한 전반적인 기술적 지식을 활용하여 반도체의 제조, 조립을 위한 공정별 최적조건(온도, 압력, 시간, 사용량, 처리방법 등)을 설정한다.
반도체 제조에 필요한 설비와 장비를 시운전하여 조작, 운영 방법을 규정 하고 작업자에게 지시하고, 불량제품의 원인을 분석하고 그 대책을 수립한 다.
○ 교재의 직업 인터뷰 예시 작성 내용 (출처 : 조선일보. 2012. 10. 17) 1. 왜 이 직업을 선택하였나?
2004년이었다. 러시아 출신 안드레 가임과 노보셀로프가 흑연 덩어리 에 유리테이프를 붙였다 떼어 내는 방법으로 그래핀을 분리한 것. 그래 핀은 물성 면에서 탄소나노튜브보다 탁월한 점이 많았다. 발견 6년 만인 2010년 발견자들에게 노벨상이 주어졌다.
탄소나노튜브 연구자들로서는 '닭 쫓던 개 지붕 쳐다보는 꼴'이 된 셈 이었으나 이 교수는 "어느 물질이 낫느냐를 따지는 것은 '슈퍼맨이 세냐, 스파이더맨이 세냐'를 따지는 격"이라고 말했다. 응용 단계에선 장단점이 다르기 때문에 둘 모두를 활용해 더 좋은 물질을 만들면 될 뿐이라는 것. 그는 발 빠르게 시너지 연구로 나아갔고, 지난해 탄소나노튜브와 그 래핀을 사용해 투명하면서 휘어지는 트랜지스터와 메모리 소자를 개발했 다. 올해엔 수십억 원 하는 전자현미경으로도 관찰이 어려운 그래핀 표 매우 가난한 농부의 자식으로 태어나 고교에 진학할 형편이 안됐다.
학비가 무료인 옛 국립철도고(서울 용산 소재)를 갈 수밖에 없었다. 그 리고 갓 스물에 역무원이 됐고, 월급으로 먹는 문제는 해결됐지만 간 절하게 대학이란 곳을 가고 싶었다.
낮엔 정비창에서 역무원들의 무전기를 고치고 밤엔 종로의 입시학원 에 다녔다. 학원에서 그는 물리 강의에 흠뻑 빠졌다. 진로는 물리학도 로 정해졌다.
2. 구체적으로 하는 일은?
탄소나노튜브와 그래핀으로 신물질을 만드는 분야에서 탁월한 연구 업적을 쌓아 왔다. 1999년 삼성전자와 함께 탄소나노튜브로 세계 최초 의 평판 디스플레이를 만들었다. '탄소나노튜브의 응용 가능성'을 실증 한 이 논문은 지금까지 1000회 이상 인용됐다. 2002년엔 수소 원자를 이용해 금속성 탄소나노튜브를 반도체성으로 바꾸는 기술을 역시 세계 최초로 개발했다. 탄소나노튜브는 합성할 때 쓸모 적은 금속성과 쓸모 가 큰 반도체성의 두 가지가 동시에 만들어져 골치였는데 이 난제를 풀 어냈다.
3. 일을 하면서 즐거웠거나 힘들었던 기억은?
면을 값싼 광학현미경으로 관찰, 그래핀 합성 공정을 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 과학 저널 '네이처'에 발표했다.
4. 앞으로의 전망은?
플렉시블 디스플레이, 에너지 관련 소자, 반도체 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
5. 같은 직업을 희망하는 학생은 무엇을 준비해야 하나?
중‧고등학교의 과학 기술 분야에 흥미가 중요하다. 본인도 물리 과목 에 많은 흥미를 갖고 끝없이 관련 분야를 탐색하다 보니 지금의 위치에 서게 되었다.
6. 같은 직업을 희망하는 학생에게 하고 싶은 말은?
이 교수팀은 연구원 중 40%는 외국인이다. 미국, 베트남, 중국, 유럽 등으로 다양하다. "창의성은 다양성에서 나옵니다." 자신이 이끌 연구단에 도 1~2개 분야는 외국인 학자에게 팀장을 맡길 계획이다.
여러분도 여러분의 꿈을 펼치기 위해 다양성을 추구하라.
Ⅵ. 참고 활동 및 정보
○ 그래핀의 탐구 – 심화 활동
다음과 같은 내용으로 그래핀에 대한 탐구 활동을 심화할 수도 있다.
1) 자와 컴퍼스만으로 한 변의 길이가 4cm인 정육각형을 그려 보자.
2) 자와 컴퍼스만으로 그래핀 모형을 그려 보자.
(조건)
1. 탄소 원자 모형의 지름은 2cm로 한 다.
2. 탄소와 탄소의 간격은 4cm로 한다.
3) 앞에서 작성한 그래핀 모형의 단면적을 계산해 보자(탄소 원자 모형 포함).
60°
30°
S1 S2 S3
6
6
3 3
(풀이식)
이 그래핀 구조는 변의 길이가 6cm 정육각형에 반지름 1cm인 원이 6 개 1/3 중첩되어 있다. 그러므로 먼저 6cm 정육각형의 면적을 구한 후 지름 1cm 인 원 6개를 더한 후 1/3씩 중첩된 6개의 원의 넓이를 빼면 된다.
즉, 변의 길이 6cm 정육각형 넓이 + 반지름 1cm 원 6개의 넓이 – 중첩된 부분의 넓이(반지름 1cm 원 * 6개 * 1/3)
= 한 변의 길이 6cm의 정육각형 넓이 + 반지름 1cm 원 4개 넓이
먼저 정육각형의 넓이를 구해보면 옆의 그림 과 같이 삼각형과 사각형으로 나누어 각 넓이를 구한 후 이를 더해 전체 넓이를 구할 수 있다.
S1 = (3 × 3 )/2=9 /2 S2 = 6 × 3 = 18 S3 = (3 × 3 )/2=9 /2
그러므로 정육각형의 윗부분의 넓이를 구하면 S1+S2+S3 = 27 전체 넓이는 이 넓이의 두 배이므로 54 이 된다.
여기에서 반지름 1cm인 원 4개의 넓이 4π를 더해주면 54 +4π가 전체 넓이가 된다.
Ⅶ. 참고 문헌 및 사이트
○ 참고 문헌
김지윤(2012). 맛있는 과학 42. 주니어김영사.
노영자 외(2010). 중학교 미술. 교학사.
노영자 외(2010). 중학교 미술 교사용 지도서. 교학사.
류희찬 외(2013). 중학교 수학1. 천재교육
이은희 외(2011). 청소년이 꼭 알아야할 과학이슈11. 동아사이언스.
윤창주, 정해상(2011). 미래를 열어가는 탄소재료의 힘. 일진사.
편집부 저(2011). 과학향기 재스민. 한국과학기술정보연구원.
○ 참고 사이트 수선의 작도.
http://blog.naver.com/samassy/50146516118(2012.10.14.).
정삼각형 작도.
http://fly4hyun.blog.me/90104637748(2012.10.12.).
육각형 벌집 구조의 비밀. http://pavlo.kr/549(2012.09.30.).
정사각형의 작도법.
http://limjhrbc.blog.me/10009589782(2012.10.14.).
"532兆 나노시장 공략할 원천기술 개발할 것".
http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2012/10/17/2012101702781.html(
2012.10.18.)
