한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2018. 10. 31

백운고등학교

과 제 개 요

과제명 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 STEAM! Maker를 탐하다.

학교급 고등

학교 대상 학년(군) 2학년

중심과목 과학 중심과목

성취기준 영역[고등학교 2학년] 환경 2-2-1~환경2-2-3

연계과목 과학 미술

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 2학년] 환경과학 2-2-1~환경2-2-3 [고등학교 2학년] 물1211~물1224

[고등학교 2학년] 생1311-1∼생1423-3 [고등학교 2학년] 화1202 ~ 화1305 [고등학교 2학년] 지12101∼12206

연구기간 2018.3.협약체결일 ~ 2018.11.23.(약 8개월)

연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000)

참여연구원 6명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 5명) 연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자 백운고등학교 생명과학 교사 정종호

공동연구원 백운고등학교 화학 교사 양애진

공동연구원 백운고등학교 지구과학 교사 유인숙

공동연구원 백운고등학교 생명과학 교사 장명숙

공동연구원 백운고등학교 물리 교사 조선희

공동연구원 의왕중학교 미술 교사 이상원

2018년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아

융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 최종 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2018년 10월 31일

연구책임자 : 정종호 (인)

“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

1. 요약문

◦ 지구 환경과 기후변화에 대해 이해하고, 기후변화와 에너지의 관계를 이해하는 활동을 통해 신재생에너지를 적용한 에너지제로하우스를 설계하고 나만의 액티브 제로하우스를 구상 및 설계하고 소형 공작기계를 이용하여 나의 액티브 제로하우 스를 완성하는 메이커 작업을 수행하는 체험학습을 실시함.

2. 서론

◦ 실생활에서 발견한 에너지 문제를 메이커 교육을 통하여 4차 산업혁명시대에서 요구하는 사회적 요구와 특징을 반영한 교육과정으로 경험하게 한다.

◦ 문제 발견과 해결을 통해 메이커 활동에 참여한 학생들이 흥미와 재미를 느끼면 서 학습활동에 몰입하는 학생중심형 체험학습을 수행한다.

◦ 2015 개정 교육과정의 STEAM 교육 요소를 발굴하여 에너지, 메이커 교육을 통 해 자기주도성을 함양하며, 다른 사람들과의 사회적 관계성을 높힌다.

3. 연구 수행 내용

◦STEAM 프로그램 연구 및 적용

-메이커 교육의 적용이 가능한 2015 개정 교육과정의 STEAM 교육 요소를 과학 중점학교 2학년 과학교과를 중심으로 발굴하여 과제연구로 수행

◦STEAM 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사

-물리, 화학, 생명과학, 환경과학 교과의 과제연구 주제를 STEAM 교육으로 진행 하고 메이커 교육을 통하여 체험학습으로 수행

◦STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천

-2015 개정 교육과정의 STEAM 교육 요소를 교과별 단원분석과 성취기준 비교를 통하여 추출하고 연계성이 있는지 협의하고 공유

◦과학탐구 태도 설문지 사전 조사 실시 -검사대상 : 과학중점과정 고등학교 2학년 3학급

-검사시기 : 사전 검사 (1차) 2018.6.30/ 사후 검사 (2차) 2018.10.22.

◦분석결과 :

구성 영역(문항갯수)¹⁾

평균²⁾

사전 검사 사후 검사

A. 과학학습정서(6) 2.9 3.3

B. 과학관련 자아개념(6) 2.9 3.1

C. 과학학습동기(10) 3.1 3.6

D. 과학관련 진로포부(5) 3.4 3.8

E. 과학관련 태도(8) 3.3 3.9

합계³⁾ 15.6 17.7

1) 구성영역별로 결과 분석

2) 구성영역별 평균점수 4점 만점, 평균점수는 문항별 점수(4점 만점)를 문항 개수로 나눔 3) 평균의 합계임(20점 만점)

◦STEAM 프로그램 개발 중점사항 : 메이커를 중심으로 학생중심 체험활동 실시

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 STEAM! Maker를 탐하다.

학교급 고등학교 대상 학년(군) 2학년

중심과목 과학 중심과목

성취기준 영역[고등학교 2학년] 환경 2-2-1~환경2-2-3

연계과목 과학

미술

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 2학년] 환경과학 2-2-1~환경2-2-3 [고등학교 2학년] 물1211~물1224

[고등학교 2학년] 지12101∼12206

개발계획

주제 연번

차시

(시수) 과목 연계(안)

1 2 지구과학+미술(1)

2 2 물리+미술(1)

3 2 환경과학+미술(1)

총 6

◦ 전체 6차시를 순서대로 수업에 적용하고 산출물을 전시중

- 환경과학 단원중 지속가능발전에 관한 지구적 해결 방법 등 주제 선정

- 학생중심 활동 수업으로 시범 적용하여 미술 수업과 지속적인 연계방안 모색

4. 연구 수행 결과

◦연구수행 결과

- 6차시 시범 적용 후 산출물 제출

구분 수행 계획

교수학습지도안 개발 차시 총 6차시

수업 적용 일정 2018.7.9. ~ 2018.10.31.

(STEAM 수업)수혜학생 수 백운고등학교 72명(과학중점학급 2학년 3개학급) 예정

학생 태도검사

사전검사 6월 30일, 3개 학급(72명) 실시 완료 사후검사 10월 22일, 3개 학급(71명) 예정

학생 및 교사 만족도조사 10월 23일 예정

교사연구회 STEAM 행사 개최

1. 2018.10.25. 2교시(10:00~10:50) 2-3반수업공개를 통한

‘STEAM 군포의왕 수업나눔’ 개최(정종호 교사의 환 경과학 공개수업)

2. 2018.11.22. 6교시(15:00~17:00) ‘군포의왕 교육과정 수업 방법 나눔’ 개최 예정(정종호 교사의 환경과학 수 업 방법 나눔을 통한 워크숍)

논문 또는 학술대회 해당 없음

특허출원(국외, 국내) 해당 없음

5. 결론 및 제언

1. STEAM 프로그램은 과학중점과정 학생들에게 수업중인 물리, 화학, 생명과학, 지구과학, 환 경과학을 융합하는 내용으로 구성이 가능하여 과학에 대한 문제해결력을 함양하는데 매우 적 절한 활동임.

2. 물리, 화학, 생명과학, 지구과학, 환경과학 단원 안에서 주제를 선정하고 해결 가능한 주제를 선정한 후 메이커를 통하여 직접 완성해가는 학생활동이 가능하여 흥미도가 매우 높음

3. STEAM 수업 프로그램에 관한 선행과제가 크레존을 비롯하여 창의재단 홈페이지를 통하여 매우 적절히 제공되어 학생들이 활동에 필요한 정보가 적절히 제공되고 있음.

부록1 STEAM 프로그램 운영 활동 메이커 활동을 통한 STEAM 프로그램 운영

주제 : 에너지 제로 하우스

■ 프로그램 목표

1. 지구 환경과 기후변화에 대해 이해하고, 기후변화와 에너지의 관계를 알 수 있습니다.

2. 신재생에너지에 대해 알아보고, 에너지제로하우스를 이해합니다.

3. 나의 액티브 제로하우스를 구상 및 설계하고 소형 공작기계를 이용하여 나의 액티브 제로하우스를 완성합니다.

■ 프로그램 목차

차시 주제 활동내용

1 기후변화와 지속가능 에너지 태양광 액티브하우스

Ÿ 지구의 환경과 기후변화의 관계 알아보기 Ÿ 기후변화와 에너지의 관계 알아보기 Ÿ 태양전지로 전기에너지 만들기 Ÿ 태양전지 충전시스템 구성하기 2 액티브 에너지제로하우스

설계하기

Ÿ 나의 액티브 에너지제로하우스 구상하기 Ÿ 나의 액티브 에너지제로하우스 설계하기

3 액티브 에너지제로하우스 제작하기

Ÿ 소형 공작기계를 이용하여 나의 액티브 에너지 제로하우스 만들기

Ÿ 나의 액티브 에너지제로하우스 전시하기

I. 기후변화와 지속가능 에너지

1. 기후변화

기후변화는 시간이 지나면서 기후 상태가 변화하는 것을 말합니다. 최근 들어 가장 큰 기후변화로 손꼽히는 문제는 바로 '지구의 온도상승'입니다. 최근에 지구의 온도 상 승이 눈에 띄게 심화되고 있기 때문이다.

- 8 -

이와 같은 온도 상승의 가장 큰 원인은 온실가스의 증가 때문입니다. 온실가스는 인 류가 산업혁명 이후 발전하는 과정에서 발생한 것이기 때문에 인간의 활동에 의해 지 구의 온난화가 가속화 되었다고 볼 수 있습니다.

한편, 해수면 상승 또한 기후변화의 대표적인 예입니다. 해수면 상승은 지구 온난화 와도 깊은 연관이 있는데, 지구의 기온 상승으로 인해 양 극지방의 빙하가 대거 녹아내 리고 있기 때문입니다.

이와 같은 변화는 사람뿐만 아니라 동물과 식물에도 영향을 미칩니다. 온도 상승으로 북극과 남극의 빙하가 녹시 시작하자, 해수면은 점차 높아졌고 태평양에 있는 작은 섬 들은 육지 전체가 물에 잠길 위험에 놓이게 되었습니다. 이곳에 살던 사람들은 살기 위 해 이사를 가야 합니다. 또한 기온이 바뀌면 그 기온에서 살 수 있었던 식물과 동물들 은 생존이 어렵게 됩니다. 이처럼 기후 변화는 사람을 포함하여 지구에 있는 모든 생태 계에 큰 영향을 미치게 됩니다.

2. 신재생에너지

기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열 ·강수·생물유기체 등을 포함하 여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지입니다.

1) 신에너지: 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 수소, 산소 등의 화학반응을 통 하여 전기 또는 열을 이용하는 에너지

예) 수소에너지, 연료전지, 석탄을 액화· 가스화한 에너지 등

2) 재생에너지: 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지

예) 태양에너지, 풍력, 수력, 해양, 지열, 생물자원을 변환시켜 이용하는 바이오에너 지, 폐기물에너지 등

- 9 -

3) 신재생에너지의 종류와 특징

신재생에너지 기술

① 태양광 태양광발전시스템(태양전지, 모듈, 축전지 및 전력변환장치로 구성)을 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술

② 태양열 태양열이용시스템(집열부, 축열부 및 이용부로 구성)을 이용하여 건 물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술

③ 풍력

풍력발전시스템(운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치 및 제 어장치로 구성)을 이용하여 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 유도전 기를 발생시키는 기술

④ 연료전지 수소, 메탄 및 메탄올 등의 연료를 산화시켜서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술

⑤ 수소에너지

기체상태의 수소가 연소할 때 발생하는 폭발력을 이용하여 기계적 운동에너지로 변환하여 활용하거나 수소를 다시 분해하여 에너지원 으로 활용하는 기술

⑥ 바이오에너지

태양광을 이용하여 광합성 하는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체(바이오매스)를 에너지원으로 이 용하는 기술

⑦ 폐기물에너지

사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높 은 폐기물을 산업 생산 활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 재생에너지로 생산하는 기술

⑧ 지열에너지

지표면으로 부터 지하로 수m(미터) 에서 수㎞(킬로미터)깊이에 존재 하는 뜨거운 물(온천)과 마그마를 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지 를 이용하는 기술

⑨ 해양에너지 해양의 조수·파도·해류·온도차 등을 변환시켜 전기 또는 열을 생산하 는 기술

⑩ 수력에너지

개천, 강이나 호수 등의 물의 흐름으로 얻은 운동에너지를 전기에너 지로 변환하여 전기를 발생시키는 시설용량 10,000kw이하의 소규모 수력발전 기술

II. 에너지제로하우스

에너지제로하우스는 에너지 사용으로 인한 탄소배출이 제로인 100% 에너지 자립형 주택을 말하는 것으로 친환경주택, 그린홈이란 명칭을 쓰기도 합니다. 또한 에너지제 로하우스는 외부의 자연 환경을 이용하여 에너지를 만들어 쓰는 액티브 하우스와 주 택의 에너지손실을 막는 방법을 사용하는 패시브 하우스로 구분합니다.

- 10 -

<GE사가 구상하고 있는 에너지제로하우스, 2015>

1. 액티브 하우스

액티브(Active) 하우스는 태양열, 지열, 풍력 등 자연에너지를 기계적인 시스템을 통 하여 능동적으로 에너지를 생산하는 집을 의미하는 것으로, 태양열 흡수 장치 등을 이 용하여 외부로부터 에너지를 끌어와서 사용합니다.

1) 태양광을 이용한 발전

태양전지를 이용하여 전기를 생산함으로써 에너지제로하우스에 필요한 전기를 일부 분 충당함으로써 전력비를 절감할 수 있습니다.

태양전지(solar cell)는 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로 가장 기본 단 위는 셀(Cell)입니다. 셀은 결정질의 종류에 따라 단결정질 셀과 다결정질 셀로 나누 어집니다. 또한 태양전지는 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물 반도

- 11 -

체 등으로 분류합니다. 이 중에서 현재 결정질 실리콘 태양전지가 가장 많이 사용되 고 있습니다.

2) 발전 에너지 충전시스템

태양광, 풍력, 수력에서 만들어진 전기에너지를 충전하여 사용할 수 있도록 다음과 같은 충전시스템을 구축하기도 합니다.

2. 패시브 하우스

패시브(Passive) 하우스는 건물의 단열 및 형태를 활용해 에너지 손실을 절감시키는 주택을 의미합니다. 집으로 들어온 열을 밖으로 새나가지 않도록 최대한 차단함으로써 실내온도를 따뜻하게 유지할 수 있는 구조입니다.

- 12 -

1) 단열법

패시브 하우스는 에너지를 생산하고 끌어오는 것보다 기존의 열을 잘 가두고 활용 하는 것에 초점을 두기 때문에 단열이 아주 중요합니다. 건물은 기본적으로 남향(南 向)으로 지어 남쪽에 크고 작은 창을 많이 내는데, 창을 통한 열의 손실을 방지하기 위하여 3중 유리창을 설치합니다. 일반 주택보다 두 배 이상의 단열재를 사용하여 30㎝ 이상을 설치하는 등 첨단 단열공법으로 시공합니다.

2) 태양광 활용법

①　계절별 태양의 고도가 달라지는 것을 감안하여 햇빛의 양을 조절할 수 있도록 주택의 차양 및 처마설계를 해야 합니다.

② 태양광을 이용하여 실내조명에 활용하여 인공조명에 대한 의존도를 줄입니다.

빛을 모으기 위해 창부분의 건물 설계, 방향 및 배치를 신중하게 고려하고, 반사 면 등을 활용합니다.

③ 태양광 덕트를 활용하여 햇빛을 원하는 장소로 끌어올 수 있습니다.

- 13 -

직접해보기

준비물

태양전지, 충전시스템, LED, 모터, 프로펠러, 스위치, 테스터기

주의사항

1. 태양전지의 표면이 유리로 되어 있으니 깨지 않도록 조심합니다.

2. 햇빛이나 전구 빛을 직접 보지 않도록 조심합니다.

3. 실험도구를 쓰임새에 맞게 적절히 사용하여 다치지 않도록 합니다.

[활동1] 나의 환경 점검해보기

우리 집에서 에너지가 쓰여 지는 곳을 점검해 봅니다. 에너지를 어떤 곳에서 어떻 게 낭비하고 있는지 생각해 봅니다.

- 14 -

[활동2] 태양광 발전하기

[준비물] 태양광, 태양전지, LED, 전선, 테스터

1. 태양전지로 만들어 낼 수 있는 전기량에 대해 측정하기

1) 테스터기를 이용해 태양전지가 만들어 내는 전류와 전압을 측정해 봅니다.

2) 조사 각도를 달리하여 태양전지의 전류와 전압을 측정합니다.

각도 0˚ 30˚ 45˚ 60˚ 90˚

전류 (mA) 전압 (Volts)

- 15 -

2. 태양전지의 발전 이용하기

1) 태양전지, LED, 전선, 브레드보드를 사용하여 다음의 회로를 구성합니다.

2) LED의 변화를 관찰합니다.

3) 커패시터를 꽂고 충전한 후, LED를 연결해 봅니다.

- 16 -

[활동3] 발전시스템 구축하기

1. 발전시시템 작동하기

[준비물] 브레드보드, 커패시터, 다이오드, 발전기, 모터, 프로펠러, 테스터

1) 발전기(기어모터)를 충전기모듈에 연결하여 발전시킵니다.

2) 발전기를 힘차게 돌려봅니다. 전류와 전압을 측정하여 기록합니다.

회전수 10 20 30 40 50

전류 (mA)

전압 (Volts)

3) 충전기에 프로펠러를 연결하여 봅니다. 결과를 확인합니다.

- 17 -

[활동4] 액티브 에너지제로하우스 설계 및 제작

[준비물] 유니맷, 나무판, 태양전지, LED, 충전기, 프로펠러, 거울, 전선

1. 소형목공기계를 이용하여 나의 액티브 에너지 제로 하우스를 제작하려고 합니다. 집 모형과 에너지 충전시스템을 어떻게 구성하면 가장 효율적인지를 구상해 봅니다.

2. 구상한 대로 설계해 봅니다.

3. 액티브 에너지 제로 하우스 제작 준비활동 1) 목공기계 사용 시 주의사항

- 18 -

① 작업하기 전 주위를 정리합니다.

② 옷이나 머리카락이 기계에 끼이지 않도록 주의합니다.

③ 파편이 튈 수도 있으니 보안경을 착용합니다.

④ 다른 사람이 작업할 때 근처에 가까이 가지 않도록 합니다.

⑤ 바닥의 전선에 걸려 넘어지지 않도록 주의합니다.

4. 설계한 대로 소형목공기계 등을 이용하여 액티브 에너지 제로 하우스를 제작해 봅 니다.

1) 설계한 도면 나무판에 그리기 2) 마름질하기

3) 가공하기( 자르기, 사포질하기) 4) 조립하기

5) 태양전지 충전시스템 설치하기 6) 채색 및 완성하기

정리하기

1. 기후변화로 인한 지구의 환경은 어떻게 변하고 있는지 이야기 해보고 주요 원인을 적어봅니다.

- 19 -

2. 에너지제로하우스가 기후변화에 대처하기 위한 방법으로 어떤 장단점이 있는지 적어 봅니다.

3. 나만의 에너지제로하우스의 제작과정을 통해 새롭게 알게 된 점과 느낀 점을 적어 봅니다.

부록2 STEAM 프로그램 운영 활동

메이커 활동을 통한 STEAM 프로그램 운영 활동 모습 1. 기후변화와 에너지 교육 활동 모습

2. 상황제시 및 탐구활동(패시브 하우스 구상 및 설계)

3. 창의적 설계(패시브 하우스 제작)

에너지 자료 마인드 맵 활동 에너지 자료 포스터 제작 에너지 자료 검색

패시브하우스 재료 정리 패시브하우스 설계 패시브하우스 구상

패시브하우스 목공 제작 패시브하우스 도면 제작 패시브하우스 협동 작업

- 21 -

4. 감성적 체험(패시브 하우스 전시 및 해설)

5. 산출물

패시브하우스 결과 발표 패시브하우스 원리 발표 패시브하우스 작품 발표

차광이용 패시브하우스 지붕이용 패시브하우스 태양광 패시브하우스

STEAM 프로그램 나눔 교사 활동 모습 1. 에너지와 지속가능발전 수업 공개

2. 에너지와 지속가능발전 수업 나눔

3. STEAM 교사 연구회 협의회

군포의왕지역 수업공개 학생중심 프로젝트 학습 수업 지속가능과 에너지 주제 선정

군포의왕지역 관내 과학, 환경

교사 초청 수업 공개 학생주도학습 수업 참관 학생 행동중심 수업 참관중

정기 STEAM 교사 협의회 프로젝트 피드백과 의견수렴 수업공개전 발표내용 협의