성과물 번호 DD20010001
※ 모든 성과물(보고서, 교재, 논문, 간행물 또는 행사)에는 한국과학창의재단의 지원을 받아 연구한 결과임을 다음과 같이 명기해야 함
- “이 보고서는 2019년도 교육부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임”
- "This work was supported by the Korea Foundation for the Advancement of Science and Creativity(KOFAC) grant funded by the Korea government(MOE)"
※ 연구성과물에 대한 지적재산권 및 저작권 문제로 법적 분쟁 발생시 모든 책임 소재는 해당 연 구진에게 있음.
- 연구팀에서 연구 개발한 연구결과물에 포함된 타인의 저작물(글, 그림, 사진 등)은 모두 저작권 자에게 사전 이용허락을 받아야 함
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1. ‘특허검색 활용, 가전제품의 무한변신’ 프로그램은
중학교 1학년 자유학기제에 적용할 수 있는 프로그램이며,
과학의 원리가 발명품에 어떻게 적용되었는지를 특허검색을 통해 탐색해 보고, 생활 속에서 불편함을 느꼈던 선풍기를 창의적으로 설계하고 제작해 보는 일련의 과정 속에서 학생 스스로 지식을 적용하는 방법을 체험할 수 있는 프로그램 입니다.
2. 본 프로그램은 냉방의 원리를 이해하고, 다양한 선풍기 발명품을 탐색하여 새로운 선풍기를 제작해 보는 활동으로 구성하였습니다.
3. 본 프로그램은 생활용품 중 많이 사용하고 있는 선풍기를 대상으로 창의적 인 설계과정을 경험하고, 완성된 창의적 산출물이 가져다 주는 기대효과를 함께 공유하는 가운데 학생 스스로 감성적 체험을 할 수 있도록 구성하였습 니다.
4. 본 프로그램에서는 산출물 평가를 스톱모션 동영상을 제작하여 발표하고, 플리커 경매카드를 도입하여 평가보다는 상호 피드백이 될 수 있도록 구성 하였습니다.
5. 친구들과 경쟁하기보다는 서로 협력하면서 프로그램을 수행할 수 있도록
구성하였습니다.
1. 가전제품 들여다 보기
2. 상상 Plus
3. 선풍기의 무한변신
4. 아이디어 공유 및 발표
1~2차시. 가전제품 들여다보기
열에너지와 물질의 상태변화를 이해할 수 있어요
활동지, 휴대용 선풍기, 공구, PET병, 알루미늄 캔, 포스트잇, 모둠 보드판 모둠활동으로 선풍기의 원리와 다양한 기능을 경험해 봅니다.
1. 여름철 무더위에 대한 이야기를 통해 일상생활의 문제를 살펴봅시다.
작년과 마찬가지로 한 여름에는 35도 이상이 되는 날이 많을 것이라는 기상청 예보를 접하니 벌써 부터 땀이 나기 시작한다. 작년 겨울에는 영하 10도 이상씩 기온이 떨어져서 엄청 추웠었는데, 올 여름 은 거의 40도에 가까운 기온으로 엄청 더울 거라니……. 요즘 들어 날씨는 왜 이럴까? 학교에서도 내 자 리는 에어컨 바람이 거의 오지 않는다. 교실에 설치된 선풍기는 처음에는 시원하다가 시간이 지나면 뜨 거운 바람이 나온다. 집에서는 에어컨을 켜고 싶어도 전기요금 때문에 마음에도 켤 수가 없다. 엄마가 하루에 1시간만 틀어야 한다고 하신다. 그러면서 하시는 말씀이, 뉴스에 나오는 쪽방촌 기사를 보여주 면서 선풍기 하나만 가지고 여름을 나거나, 겨울에 전기장판 하나로 견디는 사람들도 있다고 참으라고 하신다.
‘실내 온도가 40도나 되는 쪽방촌에서 할아버지, 할머니는 어떻게 이 더위를 견디시는 걸까?’ 뉴스에 서는 지구 온난화 현상 때문에 앞으로 이런 무더위와 혹한은 자주 발생할 것이라고 한다. 에너지 사용 을 줄여야 이런 악순환이 되풀이 되지 않는다고 하던데, 덥거나 추워서 전기를 많이 사용하게 되면 결 국 지구 환경이 파괴되어 악순환이 되풀이 되는 게 아닐까? 전기를 적게 사용하고 무더위와 혹한을 견 딜 수 있는 새로운 무엇인가가 있어야 된다는 생각이 들었다.
선풍기나 전기장판은 거의 모든 집에서 하나 정도는 가지고 있는 가전제품이고, 이것을 잘 활용해서 더위나 추위를 해결할 수는 없을까? 선풍기에 차가운 얼음을 달면 시원해 지지 않을까? 무엇을 추가하 고 무엇을 바꾸면 이 문제가 해결될까? 생각이 깊어진다.
2. 위성으로 본 올 여름 폭염 기사 보면서 열이 우리 생활에 미치는 영향을 알아봅시다.
<영상>
여름철 폭염 관련 뉴스
1) 폭염이나 혹한으로 인해 우리의 생활이 어떻게 달라졌나요?
2) 더운 여름과 추운 겨울에 학교에서는 어떻게 견디나요?
가전제품 들여다보기
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3. 전기가 없던 시대에는 어떻게 더위를 식혔을까요? 다음 건축물의 냉방원리를 찾아보고 설명해 봅 시다. (모둠별로 하나씩 선택 후 설명하기)
냉방 원리 설명 하기
야크찰(증발식 냉방장치) 바드기르 석빙고
2. 다음의 실험을 진행해 보세요.
➜ ➜
실험방법
1. PET병 2개에 따뜻한 물(40~45도)을 담아서 적외선 온도계로 측정합니다.
2. PET병 1개는 알루미늄캔을 올려서 고정해 줍니다.
3. 5분이 지난 다음 2개의 PET병 온도를 다시 측정하여 비교합니다.
실험결과
3. 휴대용 선풍기를 분해해서 동작원리와 부품별 기능 탐색하기
1모둠 2모둠 3모둠 4모둠 5모둠 6모둠 7모둠 8모둠
전 후 전 후 전 후 전 후 전 후 전 후 전 후 전 후
(실혐 결과 알게 된 사실)
부품명
모양
역할
3~4차시. 상상 Plus
나만의 창의적인 선풍기를 생각하고 설계할 수 있어요.
활동지, 아이디어 보드판, 필기구(다색)
과학적 지식과 원리가 발명품에 어떻게 표현되었는지를 탐색하고, 스캠퍼 기법을 활용하여 새로운 생각을 더해 보면 됩니다.
1. 제공된 다음의 내용을 읽고, 특허 검색을 위한 검색어를 선정합니다.
읽을거리1 : 항아리 냉장고
항아리 속에 작은 항아리가 들어가 시원하게 해주는 냉장고인데, 과일 이나 채소들을 오랜 시간 신선도를 유지할 수 있도록 해 준다.
읽을거리2 : 자연에서 발견한 아이디어
흰 개미의 집은 보통 그 규모가 1~3m 정도로 매우 크다. 이 흰개미의 집은 실외 온도가 35~40도를 오르 내릴 때에도 실내 온도는 30도를 유지한다.
읽을거리3 : 야크찰, 바드기르, 석빙고의 냉방원리
야크찰 바드기르 석빙고
모둠에서 선정한 검색어 ➜ ( 기화열, 대류현상을 이용한 선풍기 )
상상 Plus
2. 아이디어 선정하기
선정된 아이디어 적용된 과학원리(지식) 선정하게 된 이유
3. 아이디어로 창의적 산출물 제작하기 (계획단계)
최종 산출물은 이렇습니다.
활용할
SW(소프트웨어)도구 및 활용 방법
제작을 위한 역할 정하기
발명품 분류보드 판
모둠활동용
< 특허검색 방법 >
1. 특허검색 사이트로 이동하기
http://beginner.kipris.or.kr/beginner/search/headerSearch.do?#page1
www.kipris.or.kr ➜ 초보자 검색
2. 적절한 검색어 및 검색식 사용하기 * (AND) +(OR), !(NOT)
3. 모둠별로 검색어와 검색식을 사용하여 선풍기 관련 특허 검색하기 - 검색어 : 과학적 원리에 기반하여 검색어 사용하기
(열, 기화열, 날개, 바람, 단열팽창, 단열압축, 수증기)
검색어 ( )을 사용해서 검색하면,
기능이 달라졌어요 디자인이 달라요 사용방법이 달라요
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아이디어 보드판 (스캠퍼)
모둠활동용
< 특허검색 방법 >
1. 특허검색 사이트로 이동하기
http://beginner.kipris.or.kr/beginner/search/headerSearch.do?#page1
www.kipris.or.kr ➜ 초보자 검색
2. 적절한 검색어 및 검색식 사용하기 * (AND), +(OR), !(NOT)
3. 모둠별로 검색어와 검색식을 사용하여 선풍기 관련 특허 검색하기 - 검색어 : 과학적 원리에 기반하여 검색어 사용하기
(열, 기화열, 날개, 바람, 단열팽창, 단열압축, 수증기)
검색어 ( )을 사용해서 검색하면,
기능이 달라졌어요 디자인이 달라요 사용방법이 달라요
아이디어 보드판 (스캠퍼)
모둠활동용
선정된 발명품 적용된 과학원리(지식) 스캠퍼 적용하기
S C A M P E R
5~6차시. 선풍기의 무한변신
모둠에서 도출한 아이디어로 창의적인 선풍기를 제작할 수 있어요.
피지컬 도구, 우드락, 상자, 다색 필기구 등
SW(소프트웨어)피지컬 도구와 재료를 이용하여 아이디어를 다양하게 표 현할 수 있는 시제품을 제작하고, 동작시켜 본다.
1. 제공된 소스코드 중 모둠에서 필요한 것을 다운받아 간단한 코드 실습을 해 본다.
1. 적외선센서 사용하기 2. 적외선센서 + 모터 사용하기 3. 적외선센서 + 서보 모터 사용하기 4. 온도센서+네오픽셀 사용하기 5. 초음파센서 + 네오픽셀 사용하기 6. 원격제어하기 (보내는 쪽)
7. 원격제어하기 (받는 쪽)
http://bit.ly/2019fan1 http://bit.ly/2019fan2 http://bit.ly/2019fan3 http://bit.ly/2019fan4 http://bit.ly/2019fan5 http://bit.ly/2019fan6-1 http://bit.ly/2019fan6-2
모둠에서 필요한 코드
2. 모둠별 Prototype 디자인하기 (스케치해 보세요)
선풍기의 무한 변신
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마이크로비트 사용법
피지컬 컴퓨팅 시스템 (Micro:bit 확장형)
1. 마이크로 비트의 이해
BBC는 2015년 3월 ‘메이크 잇 디지털’이라는 프로젝트를 공개하며 디지털 교육에 앞장서겠다고 발표했다. 마이크로비트 는 ‘메이크 잇 디지털’ 프로젝트의 일환으로 개발되었으며 ‘아두이노’나 ‘라즈베리파이’와 비슷한 형태의 초소형 컴퓨터이다.
이를 이용하면 사용자가 직접 소스코드를 작성해 원하는 디지털 기기를 만들 수 있다. 최종 공개된 마이크로비트의 크기 는 가로 4cm 세로 5cm이며 25개의 빨간색 LED, 프로그래밍 할 수 있는 버튼 2개, 모션 인식기, 나침반, 블루투스 모듈, 입출력 I/O포드 등으로 구성되어있다. 사용자는 이러한 기능들을 활용해 다른 기기나 센서, 물체와 마이크로비트를 연결할 수 있다.
가. BBC micro:bit 사양
micro:bit의 기본적인 사양은 다음과 같다.
▪ ARM(M0 CPU, 16KB RAM, 블루투스 포함) ▪ LED 25개 (5×5 매트릭스 배열)
▪ A와 B버튼
▪ 가속도센서 및 자기계센서 ▪ 3V, GND
▪ P0, P1, P2 확장핀 ▪ 20개 소형 핀
▪ 운영체제 : 리눅스 기반 라즈베리파이 호환 임베디드 SW(소프트웨어)플랫폼
나. Block Editor
Micro:bit 및 개발도구에 관한 사항은 영국에서 비영리단체로 운영하고 있는 Microbit.org 사이트를 통하여 이용할 수 있 다. 지원하는 언어는 영어, 중국어, 네덜란드어, 노르웨이어, 한국어등 다양한 언어를 제공하고 있다. 현재 Micro:bit을 활용 할 수 있는 개발도구는 Block Editor, Touch Develop, JavaScript, MicroPython이 있고 Mbed환경에서도 C/C++등을 쉽게 이용할 수 있도록 제공하고 있다. 각각의 개발도구의 장‧단점이 있지만, 컴퓨팅사고력 향상을 위한 우리나라의 SW(소프트 웨어)교육과정을 고려하였을 때, Block Editor가 좋은 방안이라고 생각된다. Block Editor는 블록형태의 시각화 개발도구로 코딩블록을 Drag&Drop방식으로 프로그래밍을 할 수 있다. 또한 Touch Develop, JavaScript 등의 텍스트 기반 언어로 변환 시킬 수 있어 SW(소프트웨어)교육의 연계성을 살릴 수 있는 장점이 있다.
PXT(Programming Experience Toolkit)는 Block Editor와 JavaScript를 지원하며, 라디오통신 기능을 추가한 Beta버전의 에 디터로 기존의 Block Editor에 비해 확장성이 커졌다. http://pxt.io (또는 http://pxt.microbit.org)에서 무료로 사용할 수 있 다.
❶ 접속정보 : 크롬브라우저 실행 후 주소창에 pxt.io 입력 ➜ micro:bit 선택 ➜ 코딩창 나타남.
❷ micro:bit 코딩창
❸ micro:bit 코딩창 설명
- 1번 : 프로그래밍 후 결과를 시뮬레이터로 보여주는 창 - 2번 : 명령어 블록
- 3번 : 명령어 입력창
-
프로그래밍 한 프로그램을 micro:bit에 다운로드 할 때 사용함.
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2. Micro:bit 확장보드(Robotbit)의 이해
마이크로 비트의 확장보드인 Robotbit V2.0은 강력한 DC 모터, 스테퍼 모터, 서보 드라이브 기능, 내장 된 RGB 램프 및 부저, 그리고 Microbit의 유휴 핀 모두를 밖으로 확장시켜 Arduino와 같이 일반적인 전자 모듈을 지원한다. 충전 배터리인 18650 홀더, 내장된 리튬 배터리 부스트 충전, 보호 칩이 함께 제공되며, 외부 전원 입력이 지원된다.
가. 확장보드 Robotbit의 구성
① 5V 외부 전원 공급 장치 터미널
② 전원 스위치
③ 전원 표시등
④ 배터리 표시기
⑤ 마이크로 충전 포트
⑥ DC 모터 연결
⑦ 부저 점퍼
⑧ 8개의 IO(P0-P2,P8,P12-P15)
⑨ 5V, GND 핀
◯10 수동 부저
◯11 8개의 서보 3PIN 인터페이스
◯12 I²C 인터페이스
◯13 18650 리튬 배터리 홀더
◯14 배터리 보호 활성화 버튼
◯15 Microbit 슬롯
◯16 4개의 Full 컬러 RGB
◯17 서보 드라이브 IC
◯18 모터 드라이브 IC
◯19 표준 KittenBot 로봇 고정 hole
◯20 표준 레고 블록 고정 hole
1) RGB 네오픽셀 (I/O핀 16번에 연결되어 있음)
2) 서보 모터 제어 3Pin
3) DC 모터/스테퍼 모터 지원
4) 마이크로: 비트의 I/O 포트
나. 확장보드 사용하기
명령어 코드창 ➜ 고급 ➜ 확장을 선택한 후, Robotbit 선택.
다양한 하드웨어를 연결하고자 할 때, 동일한 방법으로 고급 ➜ 확장 ➜ 검색 및 주소창에 검색어 및 주소를 입력하면 된다.
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3. Micro:bit 펌웨어 업데이트
펌웨어 업데이트는 하드웨어의 성능을 개선시키기 위해 소프트웨어를 하드웨어 메모리에 업로딩시키는 작업을 말하는 데, 이를 통해 하드웨어를 교체하지 않고 성능을 개선하거나 오류를 수정할 수 있게 된다.
1) 초기 화면에서 우측상단의 환경설정 클릭하기
2) 환경설정에서 장치 페어링을 클릭하면, 최신 펌웨어를 업데이트 할 수 있는 메뉴가 나타남.
3) 펌웨어에 대한 설명이 나타나고, 문서의 중간쯤에 펌웨어 다운로드 링크가 있다.
다운받은 펌웨어를 끌어다 넣는다.
➜
리셋버튼을 누른상태에서 전원을 연결함.
4) 펌웨어가 업데이트 되고 나면, 프로그램을 다운로드 할 때, 기존에 소스코드를 끌어다 놓는 방식이 아니라 다운로드 버튼을 누르면 마이크로비트에 프로그램이 다운로드 된다.
① 환경설정 버튼 클릭
② 장치페어링 선택하기 ③ 아랫쪽 장치페어링 클릭
④ 마이크로비트 선택 후 연결 클릭 ⑤ 페어링이 되었습니다. 메시지 출력 후 다운로드 버튼을 클릭하면 한 번에 다운로드가 됨.
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1 네오픽셀 (Strip type) 사용하기
사용하는 부품 부품의 특징
네오픽셀은 VCC, Din, GND의 3핀으로 구성되어 있으며, 직렬로 여러 개가 연 결된 형태이기 때문에 중간에서 자르면 뒤쪽으로는 신호가 끊어지고, 잘라서 사 용할 때는 Din과 Dout을 잘 구분하여 연결하면 된다.
Micro:bit 네오픽셀
3V VCC
GND GND
P8 Din
네오픽셀은 확장보드에도 있고, 네오픽셀 스트 립을 사용할 수도 있다. 네오픽셀을 연결할 때 는 반드시 네오픽셀의 Din이 확장보드에 연결되 도록 해야 한다. 네오픽셀을 사용하기 위한 라 이브러리는 고급 ➜ 확장 ➜ robotbit을 선택하 면 자동으로 설치된다.
확장보드에 있는 네오픽셀을 사용하기 위한 방 법이다. 확장보드인 robotbit 내에 RGB를 네오픽 셀 명령어 블록에 넣으면 바로 사용가능하다.
A 버튼을 누르면 빨간색이 4번 깜빡이고, B버튼을 누르면, 7개의 LED에 각각 할당된 색이 켜진다.
2 적외선 센서 사용하기
사용하는 부품 부품의 특징
적외선 센서는 GND, OUT, VCC의 3개 의 핀을 갖고 있으며, LED에서 나온 적외선이 반사되어 다시 들어오는 것 을 인식하여 사물을 감지하는 센서이 다. 센서의 민감도는 센서 상단의 볼륨 을 돌려서 조절한다.
Micro:bit 적외선센서
3V VCC
GND GND
P0 OUT
3 초음파 센서 사용하기
사용하는 부품 부품의 특징
초음파 센서는 VCC, Trig, Echo, GND 의 4개의 핀을 가지고 있으며, VCC를 연결할 때는 기존의 다른 센서와는 다 르게 5V에 연결해 줘야 제대로 동작한 다.
Micro:bit 초음파센서
5V VCC
GND GND
P14 Trig
P15 Echo
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4 온도센서 센서 사용하기
사용하는 부품 부품의 특징
온도센서는 DHT11/DHT22를 주로 사용 하는데, VCC, DATA, GND의 3개의 핀 을 가지고 있으며, DATA핀 하나를 통 해서 온도와 습도를 측정하여 전송한다.
Micro:bit 온도센서
3V VCC
GND GND
P1 DATA
5 DC모터와 서보모터 사용하기
사용하는 부품 부품의 특징
DC모터 서보모터 DC모터는 (+), (-)의 2개의 핀을 가지고 있고, 서보모터는 VCC, DATA, GND의 3개의 핀으로 구성되어 있다. DC모터가 전원이 들어가면 한 방향으로 회전을 한다면, 서보모터는 주어진 신호에 따 라 일정한 각도로 회전을 할 수 있는 모터이다.
Micro:bit DC모터 Micro:bit 서보모터
M2A+ 적색 + 3V VCC
M2A- 흑색 - GND GND
S1 DATA
Code1 : 외부 아날로그 센서 사용하기 기본 코드
Code2 : 외부 아날로그 센서에 따라 모터 제어하기 기본 코드
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Code3 : 외부 아날로그 센서에 따라 서보모터 제어하기 기본 코드
Code4 : 외부 온도센서(DHT11)에 따라 네오픽셀 색깔 바꾸기 기본 코드
Code5 : 초음파 센서에 따라 네오픽셀 색깔 바꾸기 기본 코드
Code6-1 : 원격지에서 리모컨으로 신호보내기 기본 코드
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Code6-2 : 원격지에서 보낸 신호를 받아서 네오픽셀 켜고,끄기 기본 코드
7~8차시. 아이디어 공유 및 발표
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새로운 선풍기를 소개하고, 다양한 선풍기를 만날 수 있어요.
활동지, 플리커 경매카드, 포스트잇, 스톱모션 작품 동영상
스톱모션 앱으로 1분이내의 작품소개 동영상을 제작하고 발표합니다.
1. 동영상 제작을 위한 스토리 보드 작성하기
장면 비디오 오디오 내용 시간
#1
#2
#3
#4
2. 최종 산출물 보완 및 수정 계획서
아이디어 공유 및 발표
<1~2차시>
- 서울시 표면 온도 분포에 관한 뉴스 : YTN뉴스 https://tv.kakao.com/v/401469282
- 야크찰 정보 https://geowiki.tistory.com/1362 // https://youtu.be/ZNLPeb3qIhc
- 바드기르 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=aircon2404&logNo=10022101881&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F - 석빙고
http://www.edunet.net/nedu/contsvc/viewWkstCont.do?menu_id=82&contents_id=b655565a-97f6-45cb-9ce7-aba4a5 15aeed&clss_id=CLSS0000000363&svc_clss_id=CLSS0000072449&in_div=mainmore
<3~4차시>
- 항아리 냉장고
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=healingad&logNo=220090873956&proxyReferer=ht tps%3A%2F%2Fwww.google.co.kr%2F
- 자연에서 발견한 아이디어
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kilukas0000&logNo=60194651746&proxyReferer=h ttps%3A%2F%2Fwww.google.co.kr%2F
<5~6차시>
- 스톱모션 제작 방법 영상 (셀프어쿠스틱) https://youtu.be/cp0-GzHqIKY , https://youtu.be/0ZirV0keNQo
<7~8차시>
- 스톱모션 예시 영상 https://youtu.be/RiNrNDg9Wh0
태진미 | 숭실대학교
이경표 | 한국발명진흥회 박정미 | 새롬고등학교
이화정 | 서울동자초등학교 강원정 | 서울봉현초등학교 김승혁 | 경기평동초등학교 이윤형 | 진주동중학교 임재철 | 부산장산중학교
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편집 디자인 이은혜 | 숭실대학교 일러스트 강연 | 일러스트레이터
