2021년 STEAM 교사연구회 결과보고서
2021. 11.
충북과학고등학교
“이 보고서는 2021년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문··· 01
2. 서론··· 01
3. 연구 수행 내용 및 결과··· 02
가. STEAM 프로그램 개발‧적용 ··· 03
(1) 프로그램 개발 내용 ··· 03
(2) 프로그램 개발‧적용 결과 ··· 03
나. 성과 확산 및 실천 ··· 03
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최 ··· 03
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과 ··· 03
다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사 ··· 04
(1) 수혜학생 태도 조사 ··· 04
(2) 교원 만족도 조사 ··· 04
4. 결론 및 제언··· 05
5. 참고문헌··· 05
[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물(교수학습지도안, 교사용 참고자료, 학생용 활동지) 부록2. 학생 산출물, 사진, 수업 영상, 성찰일지, 교사의견, 자체평가 결과 등
부록3. 회의록
부록4. STEAM 교사연구회 주최, STEAM 확산 실천 사례(행사 및 연수) 자료 등
1. 요약문
화합물은 2종류 이상의 원소로 구성되어있는 물질로 다양한 분자를 포함하고 있다.
특히, 화학에서는 이러한 분자의 구조 및 성질에 관심이 많이 있으며, 그 중에서도 색 과 관련된 다양한 연구가 진행되었다. 하지만 분자의 구조와 연관지어 색을 나타내는 분자의 수는 많지 않으며, 교육과정과 연관을 짓기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구 에서는 분자의 구조를 바탕으로 그동안 관심을 받지 않았던 소리와 관련된 부분을 연 관지어 STEAM적인 요소를 가미한 프로그램을 개발하고자 한다. 이와 관련해서 첨단기 자재의 하나인 FT-IR기기를 이용해 분자구조와 직접적으로 연관이 있는 진동운동에 관 한 정보를 얻을 것이다. 이렇게 얻은 분자 고유의 스펙트럼을 수학적인 과정을 바탕으 로 우리가 들을 수 있는 가청범위의 진동수로 변환할 것이다. 또한, 생명과학적인 내용 을 바탕으로 사람이 들을 수 있는 가청범위에 대한 내용을 학습 한 후 자신이 듣고싶 어하는 악기를 선택하고 이에 맞는 진동수를 고려하여 자신이 선택한 분자의 소리를 듣는 활동을 진행할 것이다. 이러한 작업에는 기본적으로 파이썬을 이용한 코딩이 필 요하다. FT-IR 스펙트럼으로부터 얻은 진동수를 가청범위의 진동수로 변환한 후, 이를 들을 수 있는 음으로 변환하는 과정을 파이썬을 이용해 코드로 작성한다. 그 후 직접 소리를 들어보며 잘 매칭이 되었는지 확인할 것이다. 마지막으로는 이렇게 매칭한 음 을 평소 좋아하는 악기들을 조합하여 자신만의 화합물 Song으로 만들고, 더 나아가 가 사를 붙여보는 과정을 통해 STEAM 적인 프로그램을 개발해보고자 한다.
2. 서론
◦ 과학, 기술, 공학, 예술, 수학, 정보를 융합할 수 있는 STEAM 프로그램을 개발하여 융합인재를 양성할 수 있다.
◦ 교육과정 중 학생들이 시험의 부담에서 벗어나 꿈과 끼를 찬을 수 있도록 수업을 계획하고, 활동과 토론 위주의 수업 방식으로 창의적인 사고를 최대한 이끌어 낼 수 있도록 프로그램을 개발한다.
◦ 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 학생 스스로가 빅데이터를 이용해 정보를 조작하고 원하는 형태로 가공해 산출물을 만들어 낼 수 있는 역량을 키워줄 수 있는 프로그 램을 개발한다.
3. 연구 수행 내용 및 결과
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 [분자의 소리 듣기]활동을 통한 고등학교 과학·수학·정보 STEAM 프로그램 선행
프로그램명
학교급 고등학교 대상 학년(군) 1, 2, 3학년
목표 수혜학생 수 138명
중심과목 화학 중심과목
성취기준 영역
[12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설 명할 수 있고, 구조식을 그려 특징을 설명할 수 있다.
연계과목
화학 수학, 생명과학,
정보
연계과목 성취기준 영역
[12화학Ⅰ03-07] 물리적, 화학적 성질이 분자 구조와 관계가 있음을 설명할 수 있다.
[12미적 01-06] 등비급수를 활용하여 여러 가지 문제를 해결할 수 있다.
[12생과Ⅰ03-01] 활동 전위에 의한 흥분의 전도와 시냅스를 통한 흥분의 전달을 이해하고, 약물이 시 냅스전달에 영향을 미치는 사례를 조사하여 발표 할 수 있다
[12정보04-07] 배열의 개념을 이해하고 배열을 활용한 프로그램을 작성한다.
[12정보04-08] 함수의 개념을 이해하고 함수를 활용한 프로그램을 작성한다.
[12정보04-09] 다양한 학문 분야의 문제 해결을 위한 알고리즘을 협력하여 설계한다.
개발계획
주제 연번 차시
(시수) 과목 연계(안)
1 4 화학(2) + 수학(1) + 생명과학(1) 2 4 화학(3) + 수학(1)
3 3 화학(1) + 정보(2) 4 4 화학(3) + 생명과학(1)
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 15차시
수업 적용 기간 2021. 6. 1. ~ 2021. 10. 29.
(STEAM 수업) 수혜학생 수 충북과학고등학교 1, 2, 3학년 전교생 학생 태도검사 1차(사전) 검사 7월 25일, 3개 학급(52명) 실시완료
2차(사후) 검사 10월 22일, 6개 학급(88명) 실시완료 학생 및 교사 만족도조사 10월 29일 실시 완료
논문 게재
* 해당하는 경우만 기입
학회명 게재여부 학술대회 참가
* 해당하는 경우만 기입
행사명 일자/장소 특허출원(국외, 국내)
* 해당하는 경우만 기입 출원명
가. STEAM 프로그램 개발‧적용
(1) 프로그램 개발 내용
(가) 수학적인 요소를 사용한 에너지와 파수 파장 진동수 사이의 관계에 대한 내용 (나) 첨단기자재인 FT-IR 스펙트럼과 앞서 진행한 수하적 과정을 통한 소리 변환 (다) 파이썬을 이용한 스펙트럼 속 피크를 실제 소리로 변환
(라) 다양한 악기를 활용한 화합물의 소리를 실제 소리로 변환하고 작사하는 활동
(2) 프로그램 개발‧적용 결과
교수학습 지도안 개발
차시(시수)
프로그램명 프로그램 주제 운영
대상(학년)
완료 여부
개발 수업적용 학생수 1
[분자의 소리 듣기]활동을 통한
고등학교 과학·수학·정보 STEAM 프로그램
분자의 운동과 에너지 속
숨어있는 수학 3학년 완료 완료 33
2 FT-IR 과 화합물의
작용기를 활용한 소리변환 1학년 완료 완료 54
3
파이썬을 이용해 파수를 음으로 변환하는 코드를 만들어보자
2학년 예정 예정 52
4 다양한 분자를 선정하고
분자의 소리를 들어보자 1학년 예정 예정 54
합계 193
나. 성과 확산 및 실천
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최
회차 일시 장소 참석대상 주요내용
1차 ‘21.6. 18. 충북과학고등학교 학부모, 소속학교 교원
- STEAM 연구회 회원 수업공개 - 수업공개 후 피드백
2차 ‘21.10. 27. 충북과학고등학교 학부모, 소속학교 교원
- STEAM 연구회 회원 수업공개 - 수업공개 후 피드백
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과
회차 일시 장소 참석자 상호 컨설팅 결과
1차 ’21.5.31.(월)
16:30~18:00 온라인 임종일 교사(연구책임자) - STEAM 수업 구성 관련 노하우 공유 - 주제선정 및 활용방안 관련 공유 2차 ’21.7.15.(목)
16:30~18:00 온라인 임종일 교사(연구책임자) - 예산 사용 및 융합 관련 노하우 공유 - 수업적용의 어려움 관련 공유
3차 ’21.9.14.(화)
16:30~18:00 온라인
다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사
(1) 수혜학생 태도 조사
- 1학년의 통합과학과목을 통해 빛과 에너지, 소리 및 신경계에 대한 기본 개념을 학습하 고 있으며, 1, 2학년 화학Ⅱ 과목과 고급화학 과목을 통해 분자의 운동과 첨단기자재 를 통한 화합물 분석 관련 개념을 학습하고 있음.
- STEAM 프로그램을 적용한 1, 2학년의 경우 화학 수업을 통해 실제로 FT-IR을 이용해 화합물의 스펙트럼을 찍어보고 정보 수업 시간을 이용해 코딩을 진행하고 분자의 소 리를 들어보는 활동을 진행함. 따라서 통합과학, 화학, 정보시간에 학습한 내용을 토대 로 과제연구 시간과 방과후 수업 시간을 활용하여 분자의 소리를 기계음이 아닌 악기 의 음으로 들어보고 제작하는 활동을 진행함. 1학년의 경우 특히, 과제연구 시간을 이 용해 카페인의 FT-IR 스펙트럼을 이용해 5종류의 악기를 이용한 창의적인 결과물을 만들어냄. 3학년의 경우 9월, 10월에 대학 입시를 치르고 있어 수업을 적용하기 어려 움. 따라서 1, 2학년 108명을 대상으로 선정하였음.
(2) STEAM 수업 수혜 학생들의 반응(인터뷰)
화학과 관련하여 분자의 소리를 듣는다는 것에 흥미를 느꼈음. 특히, 실험을 통한 수업 은 아니었지만 코딩을 통해 내가 정한 피크들의 소리를 바탕으로 악기 소리로 변환한 음을 들어보는 활동을 통해 분자의 구조, 결합, 운동에 대해 좀 더 깊이있게 이해하는 계기가 됨.
실제로 코딩을 진행했을 때에는 기계음이 들려서 살짝 실망했지만, 코딩된 자료를 바 탕으로 내가 정한 악기를 이용해 반복되는 음을 만들어서 들어보니 그럴듯한 결과가 나와서 신기했고, 화학에서 소리와 관련된 활동을 해다는 것이 신기했다. 어렵기만한 화학과 분자에 대한 이야기를 친근한 음악을 통해 표현해볼 수 있는 경험이 신기했다.
(3) 교원 만족도 조사
STEAM 프로그램을 개발해보고 적용하는 과정에서 서로의 교과간 연결접을 찾는 것이 쉽 지 않았다. 교육과정상 편재가 1, 2, 3학년 과정에서 엉켜있어 이를 바탕으로 하나의 프로 그램으로 만드는 것이 힘들었다. 화학을 매인 교과로 하고 수학과 생명과학적 지식을 바탕 으로 하는 개념을 지도하면서 코딩을 통해 학생들의 상상한 부분을 구현하는 과정이 인상 적이었다.
처음 분자의 파수를 소리로 변환했을 때 들리는 기계음을 악기 소리로 변환하는 과정에서 어려움을 겪었지만 악기의 소리로 변환하고, 다양한 악기를 이용해 자신만의 분자 소리를 디자인하는 모습이 신기했고, 최종 결과물로 제출한 음을 듣는 것은 또 하나의 재미였다.
과목 간의 융합과 연계가 어려웠지만 최종 결과물로 모든 어려움이 사라지는 경험이었다.
STEAM 요소를 통해 학생의 호기심을 끌어내고 수업을 진행한 것은 좋았지만, 실제 수업 에 이를 적용하는데에는 많은 어려움을 겪었고, 이를 개선하기위한 노력이 필요하다.
4. 결론 및 제언
※ 교사연구회의 전체 회원 사이의 협력적 활동 내용
연구회 회원들 사이의 교육과정의 순서가 달라 수업을 진행하는데 어려움이 있었다. 이를 해결하기위해 정규 교과 수업시간 뿐만 아니라 동아리와 방과후 프로그램을 접목하여 이 문제를 해결하기 위해 노력하였다.
정보와 관련된 코딩에 대한 기본적인 이해가 필요해 정보선생님을 중심으로 기본적인 아 두이노와 파이썬 관련 연수를 진행하였다.
※ 교사연구회를 통해 참여 교사들의 STEAM 수업 역량 증가 내용 및 설명
연구회 회원들 끼리 교육과정에 대한 이야기와 각 교과의 개념적인 부분을 설명하면서 다 른 교과의 개념과 위계 등을 이야기하는 과정을 통해 다른 교과에 대한 이해도가 사이의 교육과정의 순서가 달라 수업을 진행하는데 어려움이 있었다. 이를 해결하기위해 정규 교 과 수업시간 뿐만 아니라 동아리와 방과후 프로그램을 접목하여 이 문제를 해결하기 위해 노력하였다.
정보와 관련된 코딩에 대한 기본적인 이해가 필요해 정보선생님을 중심으로 기본적인 아 두이노와 파이썬 관련 연수를 진행하였다.
※ STEAM 교사연구회와 해당 STEAM 수업 프로그램 발전을 위한 개선 방안
화학 첨단 기자재 기반으로 프로그램을 구성하다보니 일반고등학교에는 적용이 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구회 회원들과 논의한 결과 화학에 등장하는 평균 결합에너지에 해 당하는 개념을 앞서 진행했던 과정에 대입해 진행하면 어떨까? 하는 의견이 나왔다. 이렇 게 수업을 진행한다면 화학반응 과정에서 화합물이 갖고있는 다양한 결합에 해당하는 에 너지를 소리로 바꾸어서 진행할 수 있으며, 화학반응식 자체를 소리로 변환하는 것이 가능 하다는 의견이었다. 가능하다면, 내년에는 이 주제를 이용해 STEAM 프로그램을 구상해 학 생들에게 도입하고자 한다.
※ 교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발‧적용 관련 좋았던 점과 어려웠던 점
학생들이 딱딱한 수업이 아니라 활동 중심의 수업을 할 수 있어 참여율이 높았다. 첨단기 자재를 직접 수업에 활용한다는 점이 학생들에게 높은 만족도를 갖게 했다. 코딩에 익숙하 지 않은 학생들은 참여에 어려움을 겪었으며, 주변의 친구들의 결과물을 인용하기에 바빴 다. 하지만 학생들 전체의 의견은 자신들에게 친숙한 음악으로 어려운 개념을 접근해서 신 선했다는 의견과 자신만의 노래를 만들어보는 것이 신선한 경험이라는 의견이 있었다.
5. 참고문헌
주 의 문
1. 본 연구의 주장이나 제언은 연구진의 견해이며, 한국과학창의재단의 공식 입장이 아닙니다.
2. 이 보고서 내용을 대외적으로 공개하거나 발표할 때에는 반드시 한국
과학창의재단과 사전에 상의하여야 합니다.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
프로그램 명: [분자의 소리 듣기]활동을 통한 고등학교 과학·수학·정보 STEAM 프로그램
1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정연번 차시 (중심과목)
2015 개정 교육과정 성취기준
(연계과목) 성취기준 영역 1 1~4/15 [12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설명할 수 있고, 구조식을
그려 특징을 설명할 수 있다.
[12미적 01-06]
등비급수
2 5~8/15 [12고화01-27] 탄화수소 유도체의 작용기에 따른 화학 반응성을 설명할 수 있다.
[12미적 01-06]
등비급수
3 9~11/15 정보 생명과학
4 12~15/15 [12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설명할 수 있고, 구조식을
그려 특징을 설명할 수 있다. 음악
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 15차시)
차시 주요내용
1~4 /15
주제(단원)명 분자의 운동과 에너지 속 숨어있는 수학
일상 생활에서 듣는 소리를 구성하는 요소 파악 및 그 속에 숨은 수학적 개념 파악
Co 우리가 생활하며 듣는 다양한 소리들은 어떤 것이 다를까?
CD 소리마다 갖고 있는 특색을 학습 자료를 통해 학습하고, 음과 음 사이의 관계를 수학적 으로 어떻게 구성이 되어있는지 알아본다.
ET 음과 음 사이의 관계를 직접 들어보고 반음과 온음으로 구성된 다양한 음악을 들어보 자.
5~8 /15
주제(단원)명 FT-IR 과 화합물의 작용기를 활용한 소리변환
화합물의 분석 장비인 FT-IR 의 원리를 이해하고 파수를 가청 범위로 변환시켜보자
Co FT-IR 은 어떤 원리로 화합물 속 작용기를 파악할 수 있을까?
CD FT-IR 의 원리에 대한 학습을 진행하고, 작용기의 파수를 가청범위를 맞추면서 다양한 악기 의 소리로 구성 할 수 있을지 생각해보자.
ET 자신이 원하는 악기를 정하고 FT-IR 속 파수를 악기의 소리로 표현해보자.
9~11 /15
주제(단원)명 파이썬을 이용해 파수를 음으로 변환하는 코드를 만들어보자
코딩을 통해 FT-IR 파수를 음으로 변환하는 코드를 짜보자
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
차시 주요내용
Co FT-IR 파수를 소리로 변환시키려면 어떤 코드가 필요할까?
CD 엑셀을 이용해 받은 빅데이터들을 어떻게 쉽게 음악적인 코드 또는 음으로 바꿀 수 있을지 생각해보자
ET 코딩을 통해 작성한 프로그램을 이용해 실제 소리로 들어보자
12~15 /15
주제(단원)명 다양한 분자를 선정하고 분자의 소리를 들어보자
다양한 분자의 FT-IR 파수 측정 및 코딩을 통한 분자의 소리를 들어보는 활동을 진행한다.
Co 다양한 분자들은 어떠한 FT-IR 파수를 가지고 있을까?
CD 관심이 있는 분자를 선정하고 FT-IR 을 이용해 스펙트럼을 얻어보자. 스펙트럼 속 파수를 코딩을 통해 음으로 변환해보자.
ET 자신이 선택한 악기의 음역대를 이용해 분자의 파수를 소리로 변환한 후, 원하는 파수를 선정해 음악으로 표현해보자.
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교 2 학년
중심과목 성취기준
영역
[고등학교 2 학년]분자의 구조와 성질
중심과목 성취기준
[12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설명할 수 있고, 구조식을 그 려 특징을 설명할 수 있다.
주제(단원)명 분자의 구조와 화학결합 차시 1~4/15
학습목표
분자의 구조를 이해할 수 있다.
분자의 구조 속 화학결합에 대해 설명할 수 있다.
파장 파수 진동수 사이의 관계를 설명하고 이를 수학적으로 변환할 수 있다.
한옥타브의 음 속 진동수 사이의 수학적인 관계를 설명할 수 있다.
연계과목 수학, 생명과학 연계과목
성취기준 영역
[12미적 01-06] 등비급수를 활용하여 여러 가지 문제를 해결할 수 있다.
STEAM 요소
S 분자의 구조, 화학결합, 진동수 T FT-IR
E
A 음악, 소리
M 반음과 온음 속 수학적인 관계
개발 의도 일상생활에서 우리는 소리를 듣고 있다. 대표적으로는 다양한 음악을 듣고 있으며, 이러한 노래 속 하나의 음들 사이에 는 수학적인 관계가 성립하고 있다.
분자의 구조는 다양하며 이러한 분자는 다양한 운동을 하고 있다. 물질에 적외선을 쏘았을 경우 원자 단은 특정 파장의 적외선을 흡수하여 진동하게 됩니다. 흡수되는 파장과 그 크기는 분자에 따라 다르 게 나타나며, 이를 통해 화학 조성과 구조를 확인할 수 있습니다. 하지만 모든 파장에서 적외선 흡수 가 일어나지는 않습니다. 모든 분자는 기본진동을 가지며, 그 기본진동과 진동수가 같은 적외선을 쬐 어주었을 경우에만 선택적으로 적외선의 흡수가 일어나며 분자 진동과 함께 분자의 dipole moment 의 변화가 발생해야 적외선 흡수가 일어납니다. 이러한 원리를 이용한 기기가 FT-IR 이며 FT-IR 이 측정 할 수 있는 파수는 4000cm ~500cm 이며 이러한 파수는 파장으로 변환이 가능하며 이 파장은 다 시 진동수로 변환할 수 있습니다. 이때, 주어진 영역을 진동수로 변환하는 경우 사람이 들을 수 없는
범위에 해당합니다. 따라서 이를 수학적인 변환과정을 통해 가청범위의 진동수로 변환하는 것이 가능 하며, 특히, 원하는 악기의 음역대로 변환할 수 있습니다. 또한, 음과 음 사이에 존재하는 수학적인 비 율관계를 통해 온음과 반음 사이의 급수에 대한 학습을 진행할 수 있습니다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
분자들은 어떠한 운동 을 할까?
분자의 운동을 분석할 수 있을까?
분자의 진동운동에 해 당하는 것을 소리로 바꿀 수 있을까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
파수, 파장, 진동수의 관계를 이해한다.
자신이 원하는 악기의 진동수 범위를 계산해 보고 직접 들어본다.
FT-IR 파수를 자신이 원하는 악기의 진동수 범위로 넣을 방법을 구상한다.
감 성 적 체 험 FT-IR 기기의 파수를 파장 및 진
동수로 변환시켜본다.
가청범위의 진동수에 해당하는지 분석한다.
가청범위의 진동수로 변환하기 위한 수학적 사고 과정을 전개한 다.
감성적 체험
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (20 분)
Co 분자들은 어떠한 운동을 할까?
-분자의 운동과 관련된 기체 분자 운동론에 대한 소개를 한다.
Co 분자의 운동은 어떻게 확인할 수 있을까?
-분자들의 운동을 확인할 수 있는 장비에 대한 조사 활동을 진행한다.
ppt, 동영상
Tip! 노트북 을 이용해 분자의 운 동 및 분석 장비에 대 한 조사가 이 루 어 질 수 있는 시 간을 제공 한다.
전개 (90 분)
Co 기체분자 운동론에 대해 알아보고 발표하기
Co 분자들의 운동에 대해 알아보고 발표하기
Co 분자들의 운동을 확인할 수 있는 장비에 대해 발표하기
CD 분자들의 운동을 확인할 수 있는 장비에 필요한 에너지들을 진동수로 변환하면 어느 영역에 해당하는 에너지가 되는지 분석한다.
노트북, ppt
도입 (20 분)
Co 내가 좋아하는 악기는 어느 정도의 소리까지 낼 수 있을까?
Co 내가 알고 있는 음의 진동수는 얼마일까?
Co 진동수를 다른 물리량으로 변환할 수 있을까?
ppt
전개 (90 분)
CD 피아노 상에서 각 음과 진동수의 관계
CD 음높이의 기준 진동수와 옥타브 사이의 관계
음 이름 라(A4) 시(B4) 도(C5) 레(D5) 미(E5) 파(F5) 솔(G5) 라(A5)
진동수 440.00 493.88 523.25 587.33 659.26 698.46 783.99 880.00
차이 - +53.88 +29.37 +64.08 +71.93 +39.2 +85.53 +96.01
비율 - ×1.122 ×1.059 ×1.122 ×1.122 ×1.059 ×1.122 ×1.122
ET 한 옥타브에 존재하는 음 사이의 관계에 대해 이해하고 실제 피아노를 이용해 들어본다.
정리
(20 분) CD 자신이 좋아하는 악기의 진동수 범위를 정리한다.
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교 2 학년 중심과목
성취기준 영역
[고등학교 2 학년]분자의 구조와 성질
중심과목 성취기준
[12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설명할 수 있고, 구조식을 그 려 특징을 설명할 수 있다.
주제(단원)명 FT-IR 과 화합물의 작용기를 활용한
소리 변환 차시 4~8/15
학습목표
FT-IR 의 원리를 설명할 수 있다.
FT-IR 작용기의 파수를 가청 범위의 진동수로 변환할 수 있다.
FT-IR 파수를 수학적인 과정을 통해 자신이 원하는 악기의 음역대로 변환할 수 있다.
연계과목 수학 연계과목
성취기준 영역
[12미적 01-06] 등비급수를 활용하여 여러 가지 문제를 해결할 수 있다.
STEAM 요소
S 파장, 파수, 진동수 T FT-IR
E
A 음악, 소리
M 비례상수를 이용한 변환
개발 의도
FT-IR 을 이용하면 분자에 포함되어있는 작용기를 알 수 있고, 이러한 과정을 통해 분자를 정성분석 할 수 있다. FT-IR 을 통해 측정한 파수를 가청범위로 변환해 각 작용기의 소리 를 들어볼 수 있다. 또한, 자신이 원하는 악기를 선정해 같은 진동수를 갖지만 악기마다 고유의 음색이 다른 소리를 들어볼 수 있을 것이다.
분자 내 원자 간 결합들은 끊임없이 진동을 한다. 이 때문에 분자 내 존재하는 결합마다 각자 고유의 진동 주파수를 가진다. 분자 내 특정 공유결합 전자가 적외선을 흡수하면, 원자 내 원자가전자의 에너 지 흡수(n=1 -> n=2)와 마찬가지로, 공유결합 전자의 에너지는 바닥상태에서 더 높은 상태로 들뜨게 된다(v=0 -> v=1). 이때 흡수하는 적외선 에너지는 특정 결합의 진동 에너지와 일치한다. 즉 분자가 갖고 있는 진동 주파수와 일치하는 적외선 주파수만을 흡수한다. 따라서 적외선 분광기란 IR 영역에서 분자가 흡수하는 주파수를 측정하는 기기이며, 시료에 존재하는 작용기에 대한 정보를 제공한다. 이러 한 FT-IR 기기의 특징과 원리를 통해 화합물의 화학결합에 대한 정보 및 작용기에 대한 정보를 얻을 수 있으며 이를 가청범위의 진동수로 변환하기 위한 수학적인 사고과정이 필요하다. 또한, 눈에 보이 지 않는 화학과 관련된 특징을 소리를 통해 재해석하는 과정에서 학생들에게 재미있는 경험을 제공할 수 있을 것이다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
FT-IR 은 어떤 원리로 작용기를 파악할 수 있을까?
FT-IR 속 작용기는 어 떠한 것들이 있을까?
FT-IR 로 분자의 소리 를 들을 수 있을까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
작용기의 파수를 실제 로 들을 수 있는 소리 로 변환하고 들어본다.
자신이 좋아하는 악기 를 이용해 작용기의 소리를 들어본다.
감 성 적 체 험 FT-IR 기기의 작동 원리를 이해
한다.
작용기의 파수를 가청범위의 진 동수로 변환해본다.
자신이 원하는 악기의 진동수를 확인하고 변환하기 위한 조정 변 수를 계산해본다.
감성적 체험 학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (20 분)
Co FT-IR 기기는 어떻게 생겼을까?
Co FT-IR 기기는 어떤 원리로 작용기를 파악할 수 있을까?
-FT-IR 기기의 원리에 대해 조사한다.
Co FT-IR 속 작용기는 어떠한 것들이 있을까?
-FT-IR 기기의 작용기에 대해 조사해본다.
ppt, 동영상
Tip! 실 물 사진 또는 동 영 상 을 통해 분석 장비를 보 고 원리에 대해 조사 한다.
전개 (90 분)
Co FT-IR 로 분석할 수 있는 작용기에 대해 조사 후 발표한다.
CD 작용기의 파수를 확인하고 파장, 파수, 진동수, 에너지의 관계를 통해 어느 정 도의 영역에 해당하는지 분석한다.
CD 가청범위의 진동수로 변환하기 위한 수학공식을 작성하고 이를 엑셀을 이용해 구해본다.
×
×
( × )
CD 실제 작용기의 파수를 소리로 변환해본다.
노트북, ppt, FT-IR
화합물 (작용기) 파수(c m ) 진동수(H z) 음
Alkanes (CH) 2850-2960 791.66-822.22 G5-G#5
Alkenes (=CH) 3020-3100 838.89-861.11 G#5-A5
Alkenes (C=C) 1640-1680 455.56-466.67 A4-A#4
Alkynes (≡CH) 3300 916.67 A5-A#5
Alkynes (C≡C) 2100-2260 583.33-627.78 C#5-E5
Alcohols (OH) 3400-3650 944.44-1013.89 A#5-C6
Alcohols (CO) 1050-1150 291.67-319.44 C#4-E4
Benzene 1660-2000 461.11-555.56 A4-D5
1450-1600 402.78-444.44 G4-A#4
1차 Amines (NH) 3332-3400 925.55-944.44 A5-B5
2차 Amines (N-H) 3300-3500 916.66-972.22 A5-B5
Amines (CN) 1030-1230 286.11-341.67 C#4-F4
Ester (C=O) 1735-1750 481.94-486.11 A#4-B4
Ester (C-O) 1160-1210 322.22-336.11 D#4-F4
Carboxylic acid (O-H) 2900-3100 805.55-861.11 G5-A5
Carboxylic acid (C=O) 1680-1700 466.66-472.22 A#4-B4 Carboxylic acid (C-O) 1211-1320 336.38-366.66 E4-F#4
Halogens (C-Cl) 600-830 166.66-230.55 E3-A#3
Halogens (C-Br) 500-600 138.88-166.66 C#3-E3
도입 (20 분)
Co 분자들은 어떤 소리를 낼까?
Co FT-IR 의 지문 영역과 작용기 영역으로 어떤 소리를 낼 수 있을까? ppt
전개 (90 분)
Co 화합물을 FT-IR 기기를 이용해 분석하면 어떠한 모양이 나올까?
-FT-IR 기기를 이용해 실제 화합물의 분석 스펙트럼을 얻는다.
-FT-IR 기기가 없는 경우 인터넷에 나와있는 물질의 분석 스펙트럼을 이용한다.
아스피린의 IR 스펙트럼
아닐린 IR 스펙트럼
CD 자신이 찾은 화합물의 FT-IR 스펙트럼을 이용해 주요 작용기별 소리로 변환하 는 활동을 해보자.
주요 피크의 파수(cm ) 진동수(H z ) 음계 영역
2921.6 811.39 G5/G#5 Carboxylic acid
(O-H)
1749.8 485.83 A#4 Ester(C=O)
1678.8 466.33 A#4 Carboxylic acid
(C=O)
1293.9 359.42 F4/F#4 Carboxylic acid
(C-O)
1182.5 328.33 E4 Ester(C-O)
1093.9 303.86 D4/D#4
지문영역
915.0 254.17 B3
703.6 195.44 G3
아스피린의 주요 피크와 음계로의 변환
주요 피크의 파수(cm ) 진동수(H z ) 음계 영역
3380 938.88 A#5 1차 Amines
(NH)
3020 838.88 G#5
1940 538.88 C5/C#5
1600 444.44 A4
1240 344.44 F4 Amines (CN)
1160 322.22 D#4/E4
지문영역
750 208.33 G#3
700 194.44 G3
아닐린(Aniline)의 주요 피크와 음계로의 변환
정리 (20 분)
ET 작용기의 소리를 실제로 들어보는 활동을 한다.
ET 자신이 좋아하는 악기로 위의 활동을 통해 만든 음을 들어본다.
중심과목 정보 학교급/학년(군) 고등학교 2 학년
중심과목 성취기준
영역
[고등학교 1 학년] 제어 구조 중심과목 성취기준
주제(단원)명 차시 9~11
학습목표
라이브러리를 활용하여 주파수를 소리로 만들 수 있다.
음계를 주파수로 변환하여 악보를 소리로 변환할 수 있다.
변환 수식을 프로그래밍에 연산자를 활용하여 적용할 수 있다.
반복문을 활용하여 변환한 음계를 소리로 변환할 수 있다.
연계과목 생명과학 연계과목
성취기준 영역
STEAM 요소
S 가청범위, 신경계 T 코딩
E 자료 변환 A
M 파수와 진동수와으 ㅣ변환
개발 의도
정보 교과는 실생활의 문제를 프로그래밍으로 해결하는 것에 목적을 두고 있다. 우리 주변에 존재하는 데이터를 실생활의 음악으로 구현할 수 있다면 실생활 적용력을 키울 수 있을 것이다.
파이썬의 라이브러리를 활용하면 주파수를 소리로 변환하거나, 엑셀 데이터를 데이터프레임으로 가져 오고 이를 수정, 사용할 수 있습니다. 학습자는 제어문, 반복문을 다루는 능력을 가지고 있다면 자신의 데이터를 소리로 바꾸는 과정을 통해 지식을 실생활의 결과물로 바꾸는 학습을 진행할 수 있습니다.
또한 자신이 만든 기능을 함수화하여 모듈식 프로그래밍 기법을 학습함과 동시에 프로그램의 실행 구 조에 대해 이해하게 됩니다. 학습자는 연계 학습 과정을 통해 프로그래밍이 어느 방면에도 사용할 수 있다는 자신감을 얻는 점이 가장 중요하며 이후 더 많은 분야에서 활용할 수 있습니다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
주파수를 어떻게 소리로 변환할까?
주어진 데이터를 프로그램에게 주는 방법은 무엇일까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
자신이 원하는 악기의 대역을 주어진
데이터에 적용한다.
자신의 데이터를 활용하여 음악을 만든다.
감 성 적 체 험 주어진 음악(학교종이 땡땡땡)을
활용하여 주파수를 음으로 변환해본다.
데이터를 주어진 대역에 맞게 변환해본다.
변환한 데이터를 음으로 재생한다.
감성적 체험
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (20 분)
Co 우리는 프로그래밍을 활용하여 소리를 만들 수 있을까요?
Co 인공지능으로 만든 음악 감상하기
동영상
전개 (110 분)
Co 파이썬 라이브러리 불러오기
Co winsound 를 활용하여 주파수를 음으로 재생하기
CD 음계와 주파수의 관계
Co 학교종이 땡땡땡 악보를 검색하여 주파수를 음으로 변환하기
ET 친구들이 만든 음악을 들어본다.
Co Pandas 를 활용하여 제시된 엑셀 데이터 불러오기
Co 주어진 변환공식을 프로그래밍으로 구현하기
CD 변환공식
Co 피아노 음계에 맞게 주어진 데이터 변환하기
Co 변환한 데이터 음으로 재생하기
Co 자신이 원하는 악기의 주파수 대역 검색하여 적용하기
J u p y t e r notebook, 노트북
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
Co 적용한 데이터를 음으로 변환하기
ET 친구들이 데이터로 만든 음 들어보기
Co 자신이 만든 기능을 함수로 구현하기
정리 (20 분)
Co 자신이 만든 프로그램을 정리한다.
Co 음으로 만들어보고 싶은 다른 데이터를 찾아본다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점 도입
(20 분)
Co 요즘 제일 많이 듣는 노래는 어떤 노래인가요?
Co 멜로디를 만들려면 몇 개의 악기가 필요할까요? 동영상
중심과목 화학 학교급/학년(군) 고등학교 2 학년
중심과목 성취기준
영역
[고등학교 2 학년]분자의 구조와 성질
중심과목 성취기준
[12고화01-22] 탄소 화합물이 다양한 이유를 설명할 수 있고, 구조식을 그 려 특징을 설명할 수 있다.
주제(단원)명 자신이 작성한 코드를 이용해 만든
음악에 작사를 해보자 차시 12~15/15
학습목표
자신이 선택한 화합물의 특징을 살린 파수를 선정할 수 있다.
자신이 선정한 파수를 다양한 악기를 사용해 음으로 표현할 수 있다.
자신이 선정한 화합물의 특성을 고려한 작사를 진행하고 노래로 표현할 수 있다.
연계과목 음악 연계과목
성취기준 영역 [중학교 1~3]
STEAM 요소
S FT-IR, 작용기, 탄소화합물 T 코딩
E
A 악기, 소리, 가사 M
개발 의도
단순하게 수학과 데이터적인 변환에서 벗어나 창의적인 설계를 바탕으로 어려운 화학적 내용을 누구자 공감할 수 있는 음악적인 요소와 창의적인 아이디어를 바탕으로 작사해보 는 경험을 제공한다.
앞선 차시에서 진행한 과정을 통해 자신이 선택한 악기의 소리로 음을 표현할수 있었다. 팀을 구성하 고 개개인의 역할을 정해 자신이 해야 할 일을 결정하고, 그에 따른 조별 활동을 진행한다. 화합물을 선정하여 FT-IR 스펙트럼을 얻은 후 선정된 음을 다양한 악기의 소리로 표현한 후 가장 적절한 조합의 멜로디를 찾는다. 이후, 화합물 하면 떠오르는 이미지와 활용법 등을 이용해 작사한 후 함께 노래를 불러보는 활동을 진행한다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
그동안 학습한 내용을 바탕으로 다양한 음역 대의 소리를 낼 수 있 는 화합물을 찾아봅시 다.
창 의 적 설 계
창의적 설계
서로가 만든 멜로디와 작사한 내용을 모두 불러보며 어렵기만한 화학적 개념을 공감할 수 있는 음악적인 요소로 감상해보자
감 성 적 체 험 팀을 구성하고 화합물을 선정하
여 FT-IR 스펙트럼을 얻은 후 선 정된 음을 다양한 악기의 소리로 표현한 후 가장 적절한 조합의 멜로디를 찾는다.
화합물 하면 떠오르는 이미지와 활용법 등을 이용해 작사한다.
감성적 체험
4. 학생활동지 / 학생참고자료
차시 1~4/15
1. 피아노 상에서 여러 악기의 음과 진동수의 관계를 표현한 자료입니다.
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
전개 (80 분)
Co 4 명을 한 팀으로 하는 팀 조성하기
Co 팀 마다 다양한 음으로 표현이 가능한 화합물 찾기
CD 팀원간의 역할 제시하기 FT-IR 스펙트럼 얻는 사람
코딩을 통해 파수를 음으로 변환할 사람
기계음을 팀원들이 선정한 악기 소리로 변환할 사람 멜로디가 될 수 있도록 음을 배열할 사람
Co 다양한 음이 만들어 질 수 있는 화합물을 주어진 프로그램과 인터넷 검색을 통해 조사하기
CD 조사한 화합물을 FT-IR 기기를 이용해 스펙트럼 얻기
Co Pandas 를 활용하여 제시된 엑셀 데이터 불러오기
Co 주어진 변환공식을 프로그래밍으로 구현하기
CD 변환공식
Co 피아노 음계에 맞게 주어진 데이터 변환하기
Co 변환한 데이터 음으로 재생하기
Co 자신이 원하는 악기의 주파수 대역 검색하여 적용하기
Co 적용한 데이터를 음으로 변환하기
ET 친구들이 데이터로 만든 음 들어보기
Co 자신이 만든 기능을 함수로 구현하기
J u p y t e r notebook, 노트북
도입 (10 분)
Co 만들어진 음을 다양한 배열을 통해 멜로디로 만들어 볼까요?
Co 절절한 리듬감이 있는 구성을 하기 위해서는 무엇이 필요할까요?
전개 (80 분)
CD 다양한 악기의 소리를 바탕으로 멜로디로 구성해본다.
ET 멜로디를 들어보면서 좋은 멜로디가 나올 수 있도록 토의 및 배열한다.
Co 배열된 멜로디에 맞는 가사를 작성해본다.
CD 작성한 가사에 화합물의 특성 및 용도가 반영되도록 작성한다.
ET 완성된 멜로디와 가사를 발표시간을 이용해 친구들과 발표하고 들어본다.
정리 (10 분)
Co FT-IR 이 아닌 화학 교과서 속 개념을 소리로 표현할 수 있는 부분이 어디가 있을지 생각해본다.
가. 자신이 좋아하는 악기의 음역대와 진동수를 적으세요.
나. 자신이 좋아하는 음을 하나 선택하고, 진동수와 파수사이의 관계를 수식적으로 표현하세요.
2. 다음 표는 한 옥타브 내의 음들 사이의 진동수 자료입니다.
음 이름 라(A4) 시(B4) 도(C5) 레(D5) 미(E5) 파(F5) 솔(G5) 라(A5)
진동수 440.00 493.88 523.25 587.33 659.26 698.46 783.99 880.00
차이 -
비율 -
가. 빈칸을 채워주세요
나. 음의 차이와 비율을 이용해 온음과 반음 사이의 관계를 설명하세요.
차시 4~8/15
1. 다음 자료는 FT-IR 기기로 분석할 수 있는 작용기의 파수 범위를 나타낸 자료입니다.
가. 파수와 진동수의 관계를 이용해 아래의 빈칸을 채워주세요
화합물 (작용기) 파수(c m ) 진동수(H z ) Alkanes (CH) 2850-2960
Alkenes (=CH) 3020-3100 Alkenes (C=C) 1640-1680 Alkynes (≡CH) 3300 Alkynes (C≡C) 2100-2260
Alcohols (OH) 3400-3650 Alcohols (CO) 1050-1150 Benzene 1660-2000
1450-1600 1차 Amines (NH) 3332-3400 2차 Amines (N-H) 3300-3500 Amines (CN) 1030-1230
Ester (C=O) 1735-1750 Ester (C-O) 1160-1210 Carboxylic acid (O-H) 2900-3100 Carboxylic acid (C=O) 1680-1700 Carboxylic acid (C-O) 1211-1320 Halogens (C-Cl) 600-830 Halogens (C-Br) 500-600
나. 계산한 진동수를 확인하고 조사한 가청범위의 진동수와 비교 후 사람이 들을 수 있는 소리로 변환 할 수 있는 방법에 대해 설명하세요.
2. 앞서 자신이 선택했던 악기의 음역대를 확인하고, 어떻게 하면 FT-IR 기기의 작용기를 자신의 악기 로 들을 수 있는지 수학적인 사고과정을 토대로 정리 및 발표하세요.
차시 9~11/15
차시 12~15/15
다양한 음역대를 포함할 수 있는 화합물을 인터넷 검색을 통해 조사해보세요
구조 선정 이유
조사한 화합물의 FT-IR 스펙트럼을 검색해 보세요
FT-IR 스펙트럼 중 음으로 사용할 피크들을 선정해 보세요(지문영역, 작용기 영역)
주요 피크 파수(c m ) 진동수(H z ) 피아노 음계
만들어진 음을 다양한 배열로 배열해 멜로디를 만들어 보세요 FT-IR 스펙트럼
리듬감을 주기 위해 필요한 악기가 있다면 여러 가지 악기로 음을 표현해보세요
멜로디가 완성된 팀은 화합물에 맞는 가사를 붙여보세요
5. 교사자료
차시 1~4/15
1. 기준진동수 속 음과 진동수 사이의 관계
음 이름 라(A4) 시(B4) 도(C5) 레(D5) 미(E5) 파(F5) 솔(G5) 라(A5)
진동수 440.00 493.88 523.25 587.33 659.26 698.46 783.99 880.00 차이 - +53.88 +29.37 +64.08 +71.93 +39.2 +85.53 +96.01 비율 - ×1.122 ×1.059 ×1.122 ×1.122 ×1.059 ×1.122 ×1.122
① 음높이의 기준 진동수는 높은 음자리표의 라(A4)음을 440Hz로한다.
② 한 옥타브가 올라가면 진동수는 2배가 된다. 따라서 안 옥타브 높은 라(A5)음의 진동수는 880 Hz가 된다.
③ 두 라 음인 A4와 A5사이에 시, 도, 레, 미, 파, 솔이 들어가는데 이들의 주파수 공식은 어떻게 될 까?
④ 진동수 사이의 차이와 비율을 통해 비율들 사이에 1.122와 1.059가 반복된다는 사실을 알게되었 다. 또한, 미, 파와 시, 도사이의 반음 차이에는 1.059의 비율이고 나머지 온음 차이에서는 1.122 의 비율을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
⑤ 1.059와 1.122가 어떻게 나오는지를 알면 음과 진동수 사이의 관계를 알 수 있다.
⑥ A4와 A5사이에는 반음으로 세면 12개의 반음들이 존재한다. 12개의 반음들을 일정한 수식으로 표현하면 각 반음 차이의 비율을 계산할 수 있다.
⑦ 따라서 반음 차이의 비율을 R이라고 한다면 Hz×R Hz로 표현할 수 있고, 이를 통해 계산해 낸 R 으로 위 표의 1.059와 같다.
⑧ 온음 차이의 비율은 반음 차이의 비율 R을 두 번 곱하면 얻을 수 있는데 이는 R 으 로 1.122와 같다.
⑨ 이 공식을 이용하면 진동수를 음으로 바꾸는 것이 가능하다.
자료출처
차시 4~8/15 1. FT-IR
1) 원리
FT-IR은 푸리에 변환 적외선분광 분석기(Fourier Transform Infrared Spectrometer)의 약자입 니다. IR은 크게 두 가지의 역할을 하는데, 정성 분석을 통해 분자 내 작용기를 확인할 수 있으며, 정량 분석을 통해 UV-Vis와 같은 원리로 검정곡선을 그려 정량할 수 있습니다. 일반 적으로는 정성 분석을 하는 경우가 더 많습니다.
IR은 파장에 따른 적외선의 흡수량을 측정하고, 그 단위로 파장의 역수인 파수(cm )을 사 용합니다. 이 기기는 mid-IR 영역(4000cm ~ 500cm )에서 측정을 진행합니다.
물질에 적외선을 쏘았을 경우 원자단은 특정 파장의 적외선을 흡수하여 진동하게 됩니다.
흡수되는 파장과 그 크기는 분자에 따라 다르게 나타나며, 이를 통해 화학 조성과 구조를 확 인할 수 있습니다. 진동운동은 두 가지 종류로 나눌 수 있는데, 신축 운동(Stretching vibration)은 2개의 원자 사이의 거리가 변화하는 운동으로. 동일한 결합 축에서 일어납니다.
굽힘 운동(Banding vibration)은 원래의 결합 축에 대하여 원자들의 기본진동이 상하 또는 좌 우로 바뀌는 진동입니다.
하지만 모든 파장에서 적외선 흡수가 일어나지는 않습니다. 모든 분자는 기본진동을 가지며, 그 기본진동과 진동수가 같은 적외선을 쬐어주었을 경우에만 선택적으로 적외선의 흡수가 일어납니다. 그 기본진동수는 아래와 같은 Hookes law를 만족시키는 값입니다.
cm c
K
K이 식에서 K는 분자를 구성하는 원자 사이의 결합력, 는 원자의 질량을 나타냅니다.
① 물질의 결합력이 클수록 K 값이 증가되어 peak가 높은 파수에서 나타납니다.
( 삼중>이중>단일)
②질량이 큰 원자의 경우 값이 증가하므로 peak가 낮은 파수에서 나타납니다.
( C H C C C O C Cl C Br C I) ③ s-character가 강할수록 K값이 커집니다.
( )
④ K값은 굽힘운동이 신축운동보다 작으므로 굽힘운동은 peak이 낮은 파수에서 나타납니다.
IR의 진동수가 분자의 고유진동수와 같을 때에도 분자가 항상 적외선을 흡수하지는 않습니 다. 분자 진동과 함께 분자의 dipole moment의 변화가 발생해야 적외선 흡수가 일어납니다.
진동운동에서 대칭 신축은 dipole moment를 변화시키지 않으므로 적외선의 흡수가 일어나 지 않는 경우에 속합니다. 같은 이유로 O, N등의 분자도 스펙트럼에서 나타나지 않습니다.
또한 분자 간 결합력이 강한 대부분의 무기물의 경우에도 측정할 수 없습니다.
지문영역(fingerprint region)은 독특한 지문 역할을 하며 작용기와 달리 물질의 고유한 피크 를 나타낸다.
2) 분석방법
분자 내 원자 간 결합들은 끊임없이 진동을 한다. 이 때문에 분자 내 존재하는 결합(IR에선 공유결합만 취급)마다 각자 고유의 진동 주파수를 가진다. 분자 내 특정 공유결합 전자가 적 외선을 흡수하면, 원자 내 원자가전자의 에너지 흡수(n=1 -> n=2)와 마찬가지로, 공유결합 전자의 에너지는 바닥상태에서 더 높은 상태(들뜬상태)로 들뜨게 된다(v=0 -> v=1). 이때 흡 수하는 적외선 에너지(주파수)는 특정 결합의 진동 에너지(주파수)와 일치한다. 즉 분자가 갖 고 있는 진동 주파수와 일치하는 적외선 주파수만을 흡수한다. (단, 진동할 때 결합 쌍극자 모멘트 변화가 있는 주파수만 흡수한다.)
따라서 적외선 분광기란 IR 영역에서 분자가 흡수하는 주파수를 측정하는 기기이며, 시료에 존재하는 작용기에 대한 정보를 제공한다. 또한, 어떤 물질을 합성하고 나서, 내가 원하는 데 로 제대로 합성이 되었나를 확인하기 위해서(또는 제대로 합성했다는 증거 자료로 사용하고 자) IR 스펙트럼을 측정한다. IR 스펙트럼의 x축은 파수, y축은 흡수율을 나타낸다.
[그림 7]을 보면 대표적인 IR 스펙트럼인 헥세인 IR 스펙트럼을 볼 수 있다. 헥세인 IR 스펙트 럼을 봄으로써 각 작용기 별 내는 파수 구간을 알 수 있다. 그림 1 헥세인 IR 스펙트럼의 왼쪽 의 3000cm 밑에서 발견되는 피크 세 개는 C-H의 신축 진동이고 1462 cm 와 1381cm 은 CH bending vibration이다.
다양한 화합물을 FT-IR을 통해 IR 스펙트럼을 구해본 결과 각 피크점에 해당하는 작용기를 알 수 있고 [그림 7]과 같이 화합물들의 작용기의 파수 구간을 알 수 있다.
2. 파장, 진동수, 파수의 관계
[그림 9] 파동과 관련된 성질 1) 파장(wavelength-
)파장은 같은 위상을 가진 서로 이웃한 두 점 사이의 거리 또는 한 주기 동안 파동이 진행한 거리를 말하며 단위는 m이다.
2) 진동수(frequency-
)진동수는 매질의 한 점이 1초 동안 진동한 횟수이며, 단위는 Hz이다. 이때, 파장과 진동수의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(
: 빛의 속력)3) 파수(wavenumber)
파수 파장
로 표현할 수 있으며, 단위는 m 이다.
따라서 진동수와 파장의 관계를 이용하면 파수를 다음과 같이 표현할 수 있다.
이렇기에 IR 스펙트럼에서 특별한 점(피크)이 나타내는 파수를 진동수로 변환하여 나타낼 수 있다.
자료출처
차시 9~11/15
자료출처 winsound, pandas reference
차시 12~15/15
다양한 음역대를 포함할 수 있는 화합물을 인터넷 검색을 통해 조사해보세요
구조 선정 이유
육각 고리를 포함하는 다양한 작용기가 존재하 고 있으며 질소와 산소 의 다양한 결합이 존재 해 다양한 음역대를 낼 수 있을거라 생각한다.
조사한 화합물의 FT-IR 스펙트럼을 검색해 보세요
FT-IR 스펙트럼 중 음으로 사용할 피크들을 선정해 보세요(지문영역, 작용기 영역) 파수(c m ) 진동수(H z ) 피아노 음계 3112 9.33E+13 G#5/Ab5
2955 8.86E+13 G5
1691 5.07E+13 A#4/Bb4
1644 4.93E+13 A4
1545 4.63E+13 G#4/Ab4
1480 4.44E+13 G4
1454 4.36E+13 G4
1428 4.28E+13 G4
1357 4.07E+13 F#4/Gb4
1236 3.71E+13 E4
1023 3.07E+13 C#4/Db4
972 2.91E+13 C4
742 2.22E+13 G#3/Ab3
609 1.83E+13 E3
FT-IR 스펙트럼
만들어진 음을 다양한 배열로 배열해 멜로디를 만들어 보세요
리듬감을 주기 위해 필요한 악기가 있다면 여러 가지 악기로 음을 표현해보세요
멜로디가 완성된 팀은 화합물에 맞는 가사를 붙여보세요
자료출처
6. 차시별 학생 평가기준 및 방법
차시 평가기준(성취수준) 평가방법 평가도구
1~4 /15
상
파장 파수 진동수 사이의 관계를 설명하고, 한 옥 타브의 음 속 진동수 사이의 수학적 관계를 설명할 수 있다.
동료평가지 동료평가지
(학생용) 중
파장 파수 진동수 사이의 관계를 설명하지만, 한 옥타브의 음 속 진동수 사이의 수학적 관계를 잘 설명하지 못함.
하
파장 파수 진동수 사이의 관계를 설명하지 못하고 , 한 옥타브의 음 속 진동수 사이의 수학적 관계를 잘 설명하지 못함.
5~8 /15
상
FT-IR 의 원리를 잘 설명하고, 작용기의 파수를 가 청범위의 진동수로 변환해 자신이 원하는 악기의 음역대의 소리로 표현할 수 있다.
동료평가 및 산출물 평가
동료평가지 (학생용) 및 산출물 평가지 중
FT-IR 의 원리를 잘 설명하지만, 작용기의 파수를 가청범위의 진동수로 변환해 자신이 원하는 악기의 음역대의 소리로 표현하지 못함.
하
FT-IR 의 원리를 잘 설명하지 못하고, 작용기의 파 수를 가청범위의 진동수로 변환해 자신이 원하는 악기의 음역대의 소리로 표현하지 못함.
9~11 /15
상
파이썬과 제어구조를 활용하여 주파수를 음으로 변 환할 수 있다. 주어진 데이터를 원하는 대역에 맞 게 변환할 수 있다.
관찰 및
산출물평가 자기/동료평가지
중
파이썬을 활용하여 주파수를 음으로 변환할 수 있 다. 주어진 데이터를 주어진 대역에 맞게 변환할 수 있다.
하 파이썬을 활용하여 소리를 낼 수 있다. 주어진 데 이터를 소리로 낼 수 있다.
12~15 /15
상
적절한 화합물을 선정하여 FT-IR 파수를 코딩을 통 해 소리로 표현할 수 있다.
적절한 가사와 리듬감 있는 구성을 노래로 표현할 수 있다.
포트폴리오 평가 포트폴리오 중
적절한 화합물을 선정하여 FT-IR 파수를 코딩을 통 해 소리로 표현할 수 있다.
적절한 가사와 리듬감 있는 구성을 통해 노래로 표 현하지 못함.
하
적절한 화합물을 선정하여 FT-IR 파수를 코딩을 통 해 소리로 표현하지 못함.
적절한 가사와 리듬감 있는 구성을 통해 노래로 표 현하지 못함.
가. 자기/동료평가지(1~4차시)
평가방법 평가기준 평가
상 중 하
동료평가
분자의 구조와 화학결합을 잘 이해하고 있는가?
파장, 파수, 진동수 사이의 관계를 잘 설명할 수 있는가?
한 옥타브의 음 속 진동수 사이의 수학적 관계를 설명할 수 있는 가?
나. 산출물평가지(5~8차시)
항목 평가기준 배점
가청범위를 고려한 변환상 수 사용여부
FT-IR기기를 사용하여 사용범위를 파악하였는가?
가청범위를 고려한 변환상수를 사용하였는가?
5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
자신이 좋아하는 악기를 활용한 소리 표현 여부
자신이 좋아하는 악기의 음역대를 조사하였는가?
작용기의 파수의 구별이 명확하게 되었는가?
5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
다. 산출물평가지(9~11차시)
항목 평가기준 배점
가청범위를 고려한 변환상 수 사용여부
FT-IR기기를 사용하여 사용범위를 파악하였는가?
가청범위를 고려한 변환상수를 사용하였는가?
5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
자신이 좋아하는 악기를 활용한 소리 표현 여부
자신이 좋아하는 악기의 음역대를 조사하였는가?
작용기의 파수의 구별이 명확하게 되었는가?
5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
라. 포트폴리오 평가지(12~15차시)
모둠명
평가 영역 평가항목
평가
(매우우수5, 우수4, 보통3, 미흡2, 매우미흡1)
5 4 3 2 1
모둠별 평가
(25)
주제선정 화합물 선정 이유가 타당한가?
자료수집 FT-IR 파수 중 지문영역과 작용기 영역의 데이터를 적절하게 수집하였는가?
자료정리 FT-IR 파수의 선정결과를 적절하게 정리하여 음으로 선정하였는가?
발표 선정한 화합물의 소리와 가사를 적절하게 발표하였는가?
모둠별 협동 모둠별 활동에서 역할 분배가 절절한가?
합계
개별 평가
(25)
모둠원(번호) 자기평가점수(5) 동료평가점수(10)
체크리스트(10) 합계
종합 평가
(50)
모둠별평가 점수 +개별평가 점수
상(40이상), 중(25이상), 하(25미만)
7. 학교생활기록부 기재 예시
항목 학생부 기재 예시
교과학습발달상황 세부능력 및 특기사항
(화학) 첨단기기인 FT-IR 을 활용하여 화합물의 원자 단위의 화학 결합과 분자 운동에 대한 관심을 바탕으로 수학과 정보 과목을 연개한 장기 프로젝트를 진행함. 특히, FT-IR 의 작동 원리와 분자의 구조를 바탕으로 활용할 수 있는 분자를 선정하는 과정에서 진동운동과 쌍극자 모멘트에 대한 내용을 잘 이해 하고 있음.
(수학) 급수 관련 내용 부탁드려요 ㅜㅜ (정보) 정보 관련 내용 부탁드려요~ㅜㅜ
행동특성 및 종합의견
2 학년 1 학기부터 2 학기 까지 수학, 과학, 정보를 융합한 프로젝트를 진행함.
특히, 어렵게 느끼는 화학 관련 분자의 구조와 운동에 대한 개념을 정보와 수 학을 바탕으로 재구성하여 친숙한 음악적 요소로 표현하는 모습에서 창의적 인 사고를 드러냄.
[부록2]
[부록3]
회 의 록
회의 일시
2021.06.21.(월), 16:30~18:00
회의 장소충북과학고등학교 화학 R&E실
회의 목적
STEAM 수업 공개후 피드백 및 성과 공유
참 석 자
임종일(충북과학고), 권영택(충북과학고), 김선주(충북과학고), 이봉형(충북과학고), 최승재(충북과학고)
회의내용
◦STEAM 수업 공개 소감 이야기
- 서로의 수업 관련 아이디어와 의도 공유 - STEAM적 요소에 대한 논의
◦ 2학기 STEAM 수업 공개에 대한 논의 - 아이디어와 IOT기기 활용 관련 논의
지출내역
◦ 2021.06.20. 99,840원 식비 및 다과비 5인(성심당, 농협하나로마트)
지출금액
총 99,840원
회 의 록
회의 일시
2021.09.08.(수), 15:00~18:00
회의 장소충북과학고등학교 화학 R&E실
회의 목적
STEAM 프로그램 운영 및 적용에 관한 컨설팅
참 석 자
황경하(충북교육정책연구소), 임종일(충북과학고), 권영택(충북과학고), 김선주(충북과학고), 이봉형(충북과학고), 최승재(충북과학고)
회의내용
◦STEAM 프로그램 운영 소감 발표 - 수업 공개시 프로그램 운영 소감 발표 - STEAM적 요소에 대한 논의
◦ STEAM 프로그램 적용에 관한 소감 및 어려웠던 점 논의 - STEAM 프로그램 적용의 어려움 논의
- STEAM 프로그램 적용 노하우 공유
지출내역
◦ 2021.09.08. 96,000원 회의 및 다과비, 6인(농협하나로마트)
지출금액
