영상매체를 활용한 과학기술교과 수업모델 소개
1. 서론
가. 연구의 필요성 및 목적
○ STEAM 교육의 필요성
- STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) 통합교육은 미국에서 태동한 21세기 새로운 교육 패러다임으로 과학과 수학교육에 기술과 공학을 연계하여 가르치는 융합교육을 의미한다(Bybee, 2010; Merrill et al., 2010).
- 일상생활의 의미있는 문제와 내용에 초점을 두며 기술과 손과 장비를 사용하여 인간의 필 요를 창의적, 혁신적으로 해결하는 학습이다.
- 미국, 영국 등 선진국 교육현장에서 STEM이 강조되고 있는 것은 과학기술에 대한 학생들 의 흥미감소로 과학기술 전문 인력이 급격히 감소하고 있기 때문이다. 따라서 각국 정부 는 초·중등학교의 과학과 수학교육 분야에서 STEM 교육을 위한 지원을 아끼지 않고 있 다.
- 미래사회를 위한 창의성 교육은 ‘능동적으로 지식을 창출하며 공동체 속에서 타인을 배려 하는 인재를 양성’ 하는 교육이며, ‘새로운 가치를 창출하는 동시에 더불어 살아가는 인재 를 양성’하는 교육임
- 우리나라서는 이 STEM에 Arts(예술)를 더해 다섯 가지 학문을 융합한 STEAM 교육을 실시하고 있다. 교육과학기술부는 기존의 초·중등학교 시스템만으로는 창의적인 과학기술 인재 양성에 한계가 있다고 보고, 교사·기업 등과 협력해 이 융합교육 활성화에 모든 노 력을 기울이고 있다.
○ 과학기술교육에 영상매체 활용의 중요성
- SF영화 등을 비롯한 다양한 영상매체는 학생들이 창의성을 연습하고 발전시킬 수 있는 아 주 풍부한 기회를 제공.
- 창의적인 생각은 학생들이 창의성을 발전시키는데 도움을 주고, 시간, 공간, 일상의 경험의 제한을 벗어나게 함.
- 과학기술에 대해 흥미를 잃어가는 학생들에게 영상매체는 효과적인 대안적 수업 매체가 될 수 있음.
○ 영상매체를 활용한 STEAM교육의 필요성
- 수학, 과학, 기술과목에서 배운 내용을 일상생활에서 응용하는 경우가 거의 없으며, 과학 공부가 개인 생활에 의미가 있다고 생각하는 학생이 별로 없음
- 다양한 상황에서 개념학습이 이루어지지 않아 실생활에 학습한 개념을 적용하는데 학생들 이 어려움을 느끼고 있음
- 수학, 과학기술에 흥미를 일어가는 학생들에게 영상매체를 수업에 활용함으로써 교과 학습 에 흥미를 유발시킬 수 있음
- 개발한 수업모형과 자료들을 학교현장에 바로 적용할 수 있도록 보급할 필요가 있음.
나. 과학기술영역의 교과 수업에서 영상매체를 활용한 교육 실시 사례 및 장단점 1) 수학교과에서의 영상미디어를 활용한 학습자료 연구(오정, 2011)
① 영상미디어를 활용한 학습자료는 학생들이 수학에 대한 흥미를 가지게 하며 즐겁 게 수업에 참여할 수 있도록 돕는다.
② 영상미디어를 활용한 학습자료는 학생들의 기억에 오래도록 남아 수학에 대한 관 심과 호기심을 가지게 한다.
③ 개발된 학습자료는 본 수업과 방과 후 수업 등에 활용 가능하다. 긴 영상을 학생 들과 함께 봐야 할 경우에는 방과 후 수업에 적극 활용하도록 한다.
④ 개발된 학습자료는 학생들이 수학이 실생활과 깊이 연관되어 있음을 알도록 돕는 다.
2) 과학교과에서 영화를 활용한 수업 연구사례
① 최원석(2001)은 SF영화를 활용한 멀티미디어 CD를 제작하여 수업에 사용하였다.
그 결과 학생들의 흥미가 향상되었으며 과학수업에 대한 긍정적인 태도가 형성되었 다. SF뿐만 아니라 모든 장르의 영화를 포함한 영화 활용 수업이 학생들의 “과학수 업의 즐거움”, “과학의 사회적 의미”에서 효과가 있었으며, 과학개념의 이해에서도 효과가 나타났다고 주장했다.
② 배수경(2003)은 영화를 활용한 수업은 과학에 대한 태도에 효과가 있었다고 하였 다. 또 학습내용 이해 측면에서도 도움이 되었다고 하였다.
③ 권은정(2005)은 영화 속 과학자를 활용한 과학수업을 하였을 때 학생들이 가지게 되는 과학자에 대한 이미지에 어떤 변화가 있는지 연구하였다. 분석 결과 과학에 대한 태도에 있어 유의미한 차이가 없었으며, 학업성취도의 경우 역시 유의미한 차 이가 보이지 않았다고 한다. 하지만 과학자 이미지의 경우 과학자의 정형성이 감소 되는 효과가 나타났다고 주장하였다.
④ 강영주(2005)는 생물 2 교과 중 ‘생물학과 인간의 미래’ 단원에서 SF영화를 부교 재로 활용한 멀티미디어 CD를 개발하고, 수업 처치 후 교사와 학생의 반응을 조사 하였다. 사용상의 몇 가지 문제점이 발견되기는 하였지만, 대체적으로 긍정적인 반 응을 보였다고 주장하였다.
⑤ 강안나(2005)는 영화를 활용한 수업을 중학생에게 실시하고 학업성취도와 과학에 대한 태도를 조사한 결과 고등학생을 대상으로 하였던 선행연구와 다르게 학생들의 내용 이해에 도움이 많이 되었으며, 성적 향상에도 도움이 되었으며 정의적 영역인 과학에 대한 태도에도 효과가 있었다고 하였다.
⑥ 임순영(2007)은 영화 중 지구과학과 관련된 영화를 선정하고 편집·제작하여 수업 처치 후 인문계열 학생과 자연계열 학생의 수업효과 및 반응에 대해 분석하였다.
연구 결과 영화를 활용한 수업이 수업에 집중도를 향상시키고 흥미와 재미를 유발 시키는데 아주 효과적이라고 하였다.
⑦ 김현주(2005)는 영화를 통해 초등학교 5학년 ‘화산과 암석’ 단원을 수업하였는데 그 결과 초등학교 5학년 학생들은 화산에 관한 개념을 구체적으로 인식하게 되었고
관련 용어를 더 잘 이해했다고 주장하였다.
위 선행연구들의 공통된 점은 영화를 활용한 수업이 학생들의 흥미를 향상시킨다는 것이다. 흥미는 학생들의 과학 관련 진로 선택 이유 중 가장 중요한 이유로 학생들의 진 로 선택에 영향을 끼치므로 이공계 기피현상이 뚜렷이 나타나고 잇는 현 시점에서 적절 한 수업이라고 할 수 있다.(권은정, 2005)
3) 과학교과에서 영화를 활용한 수업의 장․단점
① 최원석(2001)은 멀티미디어 CD를 활용한 수업을 통해 SF영화 활용 수업의 장점 을 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 과학수업에 대한 학생의 흥미 유발과 수업에 대 한 집중력 향상이 가능하다. 둘째, SF영화는 과학 또는 과학-사회-기술에 대한 다 양하고 유용한 정보를 제공한다. 셋째, 학교의 멀티미디어 수업환경을 활용하기에 적당한 방법이다. 넷째, 수업의 도입부나 전개부 또는 형성평가와 같이 과학 수업 전반에 폭넓은 활용이 가능하다.
② 강영주(2005)는 SF영화를 활용한 멀티미디어 CD를 활용한 생물2 수업의 장점을 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 생물수업에 대한 학생의 흥미 유발과 수업에 대한 집중력 향상이 가능하다. 둘째, SF영화는 과학 또는 STS에 대한 다양하고 유용한 정보를 제공한다. 셋째, 학교의 멀티미디어 수업환경을 활용하기에 적당한 방법이 다. 넷째, 폭넓은 활용이 가능하다. 다섯째, 영화의 소재가 무궁무진하다.
③ 김민성(2002)은 영화를 활용한 교육이 이러한 장점만 가지고 있는 것은 아니라 단 점도 가지고 있다고 하였다. 첫째, 교사는 많은 노력과 시간의 투자가 필요하다. 둘 째, 수업에 임하는 절반 이상의 학생이 과학적 개념보다는 영화 자체의 재미에만 관심이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 영화를 활용한 수업과 함께 사용할 수 있는 교재의 개발이 필요하며, 수업시간에 활용한 영화의 내용들을 다시 확인 할 수 있는 적절한 교재 개발로 수업의 효과를 극대화해야 한다고 하였다.
4) 기술․가정교과에서 영화를 활용한 수업 연구사례
이찬행(2009)는 중학교 기술·가정 교과에서 사용할 수 있는 영상 수업 자료를 제작 하고, 제작된 수업자료를 실제 수업에 적용하여 영상자료를 이용한 수업의 효과를 알 아보았다. 영상을 활용한 수업은 학교 현장에서 구현하기 힘든 여러 가지 상황을 좀 더 현실적으로 구현할 수 있었다. 또한 영상을 이용한 수업방식이 전통적인 수업방식 보다 인지적 영역과 정의적 영역에서 효과적인 수업방식이라고 하였다.
교육과정 학년 과목명 단원
2009개정 10학년 과학
대단원 6. 에너지와 환경 중단원 6-1. 에너지와 문명
연계단원
(2007개정) 7학년 과학 1 상태변화와 에너지 (2007개정) 8학년 과학 2 열 에너지 (2007개정) 9학년 과학 3 일과 에너지 다. 영상매체를 활용한 수업모델 예시 - 창의인성교육 중심 -
1. 교육 과정 및 영역
2. 창의 인성 요소
학습활동 창의 인성 요소
생각해보기
호기심/흥미 열역학 법칙 오류현상 찾아보기
사고의 수렴 영상 속에 나타난 현상에 과학적 개념 적용하기
토론하기 및 적용하기
사고의 확산 에너지 효율과 연관된 환경 현상 찾아보기
독창성 제시된 영상에서 비과학적인 현상을 찾아 과학적으로 수정하고, 에너지 절약 홍보 자료 제작하기
문제해결력 영구기관이 영구적으로 작동하지 않는 이유 찾기
존중/협력 토론 시 다양한 아이디어를 제시하고, 상대방의 의견을 존중하기
개방성/배려 토론 및 발표 시 상대방의 의견을 소용할 수 있는 열린 마음 갖기
3. 수업의 흐름
열역학법칙 오류현상 찾아보기
열역학 1, 2법칙과 제 1, 2종 영구기관 학습하기
제작기계의 영구적 작동이 불가능한 이유 찾기
방송 영상 속 과학적 오류 찾기
에너지 전환과 열기관의 효율
에너지 전환의 한계와 에너지 절약 홍보 생각하기
학습하기
생각하기
토론 및 발표하기
생각 및 발표하기
적용하기 도입
전개
정리
영화
‘슈퍼맨’
개방성, 유창성, 흥미, 수렴적 사고, 몰입, 배려
개방성, 유창성, 확산적 사고, 배려
몰입, 의사소통력, 존중 독창성, 상상력, 배려
확산적 사고, 유창성, 공감, 의사소통능력, 배려
확산적 사고, 독창성, 유창성, 의사소통능력
방송 프로그램
‘무동력 엔진’
영화
‘아스트로 보이’
4. 핵심개념(키워드)
가) 열역학 제1법칙
어떤 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환될 수는 있으나 에너지가 새롭게 창조되거나 소멸 되지 않는다. 전환과정에서 에너지의 총량은 외부에서 작용한 역학적 일과 외부 에서 들어온 열량의 합과 같다.(에너지보존 법칙)
나) 제 1종 영구기관
에너지 보존법칙에 따라 물질이 가진 에너지를 소모하지 않고 외부에 일을 할 수 있는 장치이다. 즉, 외부에서 한번 만 동력을 전달받으면 더 이상 에너지를 공급받지 않아도 스스로 영원히 운동하며 일 하는 기관을 말한다.
다) 열역학 제2법칙
에너지의 변화방향은 제약이 있다. 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐른다.
라) 제 2종 영구 기관
열에너지를 100% 역학적 에너지로 바꿀 수 있는 열기관을 말한다. 즉 열효율이 100%인 열기 관이다. 고온의 열원으로부터 받은 열 중에 일로 바뀐 비율을 열효율이라고 하며 열효율()는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
열효율()= 열기관에공급된열
열기관에외부에한일
×=
×
적용 단계
학습
과정 교수-학습활동 활동
시간
창의․인성 요소
수업 자료
도입
출석확인
호기심 갖기
학습목표 제시
• 출석을 확인하고 수업을 시작한다.
• 창의․인성 영화를 감상한다.
(슈퍼맨, 01:33:45~01:34:42)
• 영상을 집중해서 보도록 한다.
생각해보기
영화 ‘슈퍼맨’과 같은 현상이 일상생활에서 일어나지 않는 이유를 생각해 보자.
• 영화 장면과 같은 현상이 일상생활에는 일어 나지 않는 이유를 발표해 본다.
• 학습목표를 제시하고 학생들이 배워야할 내 용을 숙지하도록 한다.
1분
1분
2분
1분
개방성, 유창성, 흥미, 확산적 사 고, 몰입, 배려
★창의인성 발문 1
■영화 ‘슈 퍼맨’(열역 학 오류)- 영상자료
5. 학습지도안
단원 6-1. 에너지와 문명 지도대상 10학년
수업형태 모둠활동, 토론, 협동학습 교과
학습 목표
1. 열역학 제 1법칙을 설명할 수 있다.
2. 열역학 제 2법칙을 설명할 수 있다.
3. 영구 기관이 불가능함을 설명할 수 있다.
창의 인성 목표
1. 제시된 영상 속에서 비과학적인 요소들을 찾아 영구기관 제작이 불가능함을 이해한 다.
2. 에너지 전환과정의 한계와 관련된 환경 현상들을 알아본다.
3. 에너지 절약의 필요성을 알고 올바른 에너지 사용법을 찾아 실천하는 태도를 함양 한다.
4. 토의에 참여하는 다른 사람들의 입장에서 열린 태도를 갖고 타인에 대한 존중심과 배려심을 학습한다.
적용 단계
학습
과정 교수-학습활동 활동
시간
창의․인성 요소
수업 자료
전개
내용 학습
모둠별 토론 및 생각하기
발표하기
• 제 1종 영구기관의 의미와 제작이 불가능한 이유, 열역학 제1법칙인 에너지 보존 법칙 에 대해 학습한다.
• 제 2종 영구기관의 의미와 제작이 불가능한 이유, 열역학 제2법칙인 엔트로피 법칙에 대해 학습한다.
• 창의․인성 TV 프로그램을 감상한다.
(순간포착 세상에 이런 일이 362회 방영, 00:38:40~00:39:03, 00:40:27~00:40:43)
• 영상에 소개된 장치 및 작동과정을 집중해 서 보도록 한다.
생각해보기
‘순간포착 세상의 이런 일이’의 장면을 보고 출연자가 제작한 장치와 작동 과정 을 정리해 보자.
• 모둠 별로 작동 과정을 간단히 발표하고 모 둠의 의견을 경청한다.
토론하기
1. 시청한 TV프로그램에서 과학적 오류를 찾아 제작이 불가능한 이유를 열역학 법 칙으로 설명해 보자.
2. 오래전 고안되었던 영구기관 사진을 보 고 각각의 장치가 왜 영구적으로 움직일 수 없는지 그 이유를 설명해 보자.
• 모둠 별로 내용을 간단히 발표해 본다.
생각하기
1. 도입부분에서 보여준 영화 ‘슈퍼맨’의 현 상이 일어나지 않는 이유를 열역학 법칙 으로 설명해 보자.
2. 자동차 엔진에 공급된 에너지의 전환과 정을 설명해 보고 이 과정에서의 특징을 찾아보자.(인터넷 검색 활용 가능) 3. 높은 열효율을 낼 수 있는 열기관을 만 드는 것이 중요한 이유를 찾아보자.
• 모둠 별로 발표를 하고 모둠의 의견을 비교 하며 경청한다.
6분
3분
7분
10분
10분
개방성, 유 창성, 확산 적 사고, 몰 입, 존중, 배 려, 독창성, 상상력, 의 사소통능력, 공감, 분석 적 사고
■학생활동 지(생각해 보기)
‘ 순간포착 세상에 이 런 일 이 ’ - 영상자료
■ 학 생 활 동지(토론 하기)
‘아이언맨2’
-영상자료
★창의인성 발문 2
적용 단계
학습
과정 교수-학습활동 활동
시간
창의․인성 요소
수업 자료
정리
학습내용 정리
창의•인성적 과제
차시예고
• 열역학 1,2 법칙과 관련하여 영구기관이 실 현 불가능함을 확인한다.
• 열기관 효율 향상의 필요성을 정리한다.
적용하기
1. 우리나라 주요 대도시에서 발생하는 열 섬현상을 줄이는 데 녹지조성이 기여할 수 있는 이유는 무엇인가?
• 모둠 별로 발표를 하고 모둠의 의견을 비교 하며 경청한다.
• 열효율과 환경문제의 연관성 및 에너지 절 약의 필요성을 확인한다.
• 적용하기 2, 3번은 수업시간을 고려하여 실 행을 선택한다.(과제수행으로 제시가능) 적용하기
2. 열효율이 100%인 영구기관을 만드는 것 은 현재의 과학법칙으로 불가능하다. 미 래에도 불가능할까? 자신의 생각을 써 보자. 가능하다면 어떤 특징을 가질까?
또, 우리의 생활모습은 지금과 어떤 차 이가 있을까?
적용하기
3. 에너지 절약의 필요성 및 올바른 에너지 사용법을 알리는 표어, 만화, 과학송, UCC제작 콘티 등을 구성하여 보자.
• 다음 시간에 배울 대기와 해양을 움직 이는 원동력에 대해 선수학습을 할 수 있도록 지도한다.
3분
5분
1분
개방성, 유 창성, 확산 적 사고
★창의인성 발문 3
■ 창 의 인 성 과 제 학 습지
6. 수업세부계획
수업 전
▷ 이번 차시의 수업은 모둠별 수업이 효과적이므로 수업 전 미리 모둠을 구성해서 모둠별로 자리배치가 되도록 한다.
▷ 열역학 제 1법칙을 정량적(단열과정, 등온과정)으로 다루지 않도록 주의하며, 엔트로피에 대해 깊이 다 루지 않도록 주의한다.
▷ 열역학 제 1,2법칙 및 제 1종, 2종 영구기관의 개념과 영구기관의 제작이 불가능한 이유에 중점을 두어 에너지의 절약의 중요성을 학습한다.
도입
1. 영화 시청 및 생활 속 열역학 법칙 알아보기
▷ 영화 시청한다.(‘슈퍼맨’ 01:33:45~01:34:42)
▷ 영화를 주의 깊게 시청한 후 각 모둠별로 영화 장면과 같은 현상이 일상생활에서는 일어나지 않는 이 유를 생각해 보도록 한다.
▷ 일상생활에서는 일어나지 않는 이유를 간단히 발표하도록 한다.
▷ 영화 장면에서 슈퍼맨처럼 바다로 쏟아진 기름을 슈퍼맨이 입김을 불어서 다시 제자리로(유조선 안 으로) 넣는 일이 일상생활에서 일어나지 않는다는 것은 쉽게 찾아내지만 이런 현상이 ‘왜 일어날 수 없는가?’를 설명하지 못함을 인지시킨다.
2. 학습목표 제시
▷ 이번 시간에 해야 할 학습 목표를 학생들에게 제시한다.
1) 열역학 제 1, 2법칙과 영구기관의 개념을 이해한다.
2) 제시된 영상 속에서 비과학적인 요소들을 찾아 영구기관 제작이 불가능함을 이해한다.
3) 제시된 영상 속 현상이 일상생활에서 일어날 수 없음을 열역학 법칙으로 설명한다.
4) 에너지 전환과정의 한계와 관련된 환경 현상들을 이해한다.
5) 에너지 절약의 필요성을 알고 올바른 에너지 사용법을 찾아 실천하는 태도를 함양한다.
6) 토의에 참여하는 타인의 입장에서 열린 태도를 갖고 타인에 대한 존중심과 배려심을 학습한다.
전개
1. 제 1, 2종 영구기관과 열역학 제 1, 2법칙 학습하기
▷ 열역학 제 1법칙과 제 2법칙의 내용을 소개하고 영구기관이 무엇인지, 종류와 차이점을 설명한다.
1) 열역학 제 1법칙 : 어떤 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환될 수는 있으나 에너지가 새롭 게 창조되거나 소멸되지 않는다. 전환과정에서 에너지의 총량은 외부에서 작용한 역학적 일과 외부 에서 들어온 열량의 합과 같다.(에너지보존 법칙)
2) 열역학 제 2법칙 : 에너지의 변화방향은 제약이 있다. 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향 으로 흐른다.
3) 제 1종 영구기관 : 에너지 보존법칙에 따라 물질이 가진 에너지를 소모하지 않고 외부에 일을 할
수 있는 장치이다. 즉, 외부에서 한번 만 동력을 전달받으면 더 이상 에너지를 공급받지 않아도 스 스로 영원히 운동하며 일하는 기관을 말한다.
4) 제 2종 영구기관 : 열에너지를 100% 역학적 에너지로 바꿀 수 있는 열기관을 말한다. 즉 열효율이 100%인 열기관이다. 고온의 열원으로부터 받은 열 중에 일로 바뀐 비율을 열효율이라고 하며 열효 율()는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
열효율()=열기관에공급된열
열기관에외부에한일
×=
×
▷ 인류는 에너지를 다양한 형태로 전환해서 사용하고 있으나 에너지 전환과정을 통해 얻을 수 있는 유 용한 에너지양에는 한계가 있음을 설명한다.
2. TV 프로그램 시청 및 무동력 엔진 알아보기 (학생활동 1)
▷ TV프로그램 시청하기(2005. 10.13, ‘순간포착 세상에 이런 일이’ 362회 )
▷ 각 모둠별로 영상자료에 대해 ‘무동력 엔진이 무엇일까?’, ‘ 어떤 과정으로 작동하는가?’를 토의하여 보 자.
▷ 다른 학생들이 조용히 청취할 수 있는 분위기에서 각 모둠별 발표를 진행한 후 발표내용을 간단히 요 약해서 전체적으로 설명한다.
▷ 예상되는 발표내용
- 다른 에너지 없이 계속 움직일 수 있는 엔진이다.
- 계속 움직이는 엔진이다.
- 여러 단계의 에너지 전환과정을 거친다.
첨언 : 무동력 엔진의 사전적 의미는 일반적으로 한번 외부에서 동력을 전달 받으면 더 이상의 에너 지 공급 없이 스스로 영원히 운동하며 작동하며 일을 하는 가상의 기관이다.
3. 시청한 TV프로그램 중 기계의 과학적 오류 찾기 (학생활동 2)
▷ 보여준 TV 프로그램 중 기계의 과학적 오류 부분을 찾아보고 제작이 불가능한 이유를 열역학 법칙으 로 설명하게 한다.
▷ 오류에 대해 예상되는 발표내용
- 출연자의 발명품 : 처음에 모터에 의한 톱니의 운동에너지→ 풍차의 운동에너지→ 풍차에 의한 바람→ 톱니의 운동에너지로 전환과정에서 열에너지가 발생한다. 따라서, 계속 움직이지 않는다.
열역학 제 1법칙 오류가 발생한다.
4. 영구기관 제작의 불가능성 설명하기(학생 활동 3)
▷ 오래전 고안되었던 영구기관의 사진을 제시하고 각각의 장치들이 영구적으로 움직일 수 없는 이유를 열역학 법칙으로 설명해 보자.
1) 물의 부력을 이용한 영구기관
- 속이 빈공을 줄에 연결한 것이다. 이때, 왼쪽은 물에 잠겨있어 위쪽으로 부력을 받고 오른쪽은 공기 중에 있어 부력을 받지 않는다. 따라서 속이 빈공들은 반시계방향으로 회전하게 된다.
2) 수력 나사를 이용한 목재 영구기관
<자동차에서 에너지 전환과정>
- 1660년 고안된 이 영구기관은 그림의 위에 보이는 통에 물이 들어 있다. 이 물은 왼쪽의 홈으 로 떨어지며 물레바퀴를 돌린다. 바닥에 고인 물은 물레바퀴에 연결된 나사와 기어들에 의해 다시 물통으로 올라간다.
- 이 장치들은 현재 장치가 가진 에너지보다 더 많은 에너지를 만들 수 없기 때문에 계속에서 움 직일 수 없다.
-열역학 제 1법칙 오류가 발생한다.
5. 영화장면의 과학적 오류를 열역학 법칙으로 설명하기 (학생활동 4)
▷ 보여준 영화 ‘슈퍼맨’의 장면이 현실에서 불가능한 이유를 열역학 법칙으로 설명하게 한다.
▷ 도입부분에서 찾은 과학적 오류장면이 일상생활에서 관찰되지 않는 이유를 전개부분에서 학습한 열 역학 제 2법칙으로 설명하도록 한다.
- 열역학 제 2법칙의 오류현상들은 자연적으로 발생할 수 없음과 에너지 흐름에는 방향성이 있 으므로 열효율이 개념이 필요함을 인식시킨다.
6. 자동차 엔진(열기관)의 효율 (학생 활동 5)
▷ 자동차 엔진에 공급된 에너지의 전환과정을 설명보고 이 과정에서의 특징을 찾아보자.(인터넷 검색 활용 가능)
▷ 예상되는 발표내용
- 석유(화학에너지)→연소(열에너지)→엔진(역학적 에너지) → 배기가스 배출(열에너지)
- 특징 : 연소에 의한 열, 마찰에 의한 열, 기계작동에 의한 열 등 공급된 에너지의 대부분의 활용 불가능한 열에너지 로 전화되어 대기로 이동한다.
▷ 열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)에 따르면 우리 세계의 에 너지는 항상 일정하게 보존되는데 에너지 절약을 강조하고 높
은 열효율을 낼 수 있는 열기관을 만드는 것이 중요한 이유를 설명해 보자.
▷ 예상되는 발표내용
- 에너지의 총량은 보존되지만 우리가 사용할 수 있는 에너지의 양은 줄어들기 때문 - 우리가 사용하는 에너지의 대부분이 열에너지로 전환되어 대기로 전달될 것이다.
- 대부분의 에너지는 열에너지로 전환이 가능하지만 열에너지에서 일로 전환되는 비율은 상대적으 로 낮으며 모든 열에너지를 이용할 수는 없기 때문이다.
정리 및 창의․인성적 과제 1. 학습 내용 정리
▷ 지금까지 학습한 내용 및 토론 발표한 내용을 가지고 정리한다.
- 영구기관은 열역학 제 1법칙에 오류이므로 제작할 수 없다.
- 열역학 제 2법칙에서 에너지 흐름에는 방향이 있으므로 영화 ‘슈퍼맨’과 같은 오류현상은 일상에서는 관찰되지 않는다.
- 에너지 전환과정에서 열효율이 향상되면 유용하지 않은 열에너지를 감소시켜 환경 문제에 영향을
준다. 올바른 에너지 사용 및 에너지 절약 실천이 필요하다.
2. 창의․인성적 과제
▷ 우리나라 주요 대도시에서 발생하는 열섬현상의 과정을 찾아보고 녹지조성이 열섬현상을 줄이는 데 기여할 수 있는 이유를 설명해 보자.
▷ 열효율이 100%인 영구기관을 만드는 것은 현재의 과학법칙으로 불가능하다. 미래에도 불가능할까?
자신의 생각을 써 보자. 가능하다면 어떤 특징을 가질까? 또, 우리의 생활모습은 지금과 어떤 차이가 있을까?(과제수행으로 전환가능함)
▷ 에너지 절약의 필요성 및 올바른 에너지 사용법을 알리는 표어, 만화, 과학송, UCC제작 콘티 등을 구성하여 보자.(과제수행으로 전환가능함)
3. 차시예고
▷ 다음 시간에 학습하게 될 대기와 해양을 움직이는 원동력에 대해 선수 개념을 학습하도록 지도한다.
7. 창의․인성 발문
번호 발문내용 예상답변 적용시점 창의․인성
요소
1
(1) 왜 영화 속 현상들은 일상생활에서 관찰할 수 없는가?
• 슈퍼맨이 바다로 쏟아진 기름을 입김을 불어서 다시 제자리로(유조 선 안으로) 넣는 것을 쉽게 찾아낸 후
- 글쎄요.(잘 모르겠어요.) - 과학적으로 안돼요.(영화니까요.)
도입단계 호기심 유 발단계 전 또는 수업 시작 후
호기심/ 흥미 /사고의 확산 / 존 중 / 협 력 / 개방성/배려
2
(1) 열역학 제 2법칙에서 말하는 제 2종 영구기관 이 가능할 경우 예상되는 현상에는 무엇이 있을까?
- 녹았던 얼음이 다시 얼음이 된다.
- 깨진 유리가 다시 원래상태로 돌 아간다.
- 낮은 곳의 물이 위로 올라간다.
- 어질러진 책상위의 물건들이 정렬 한다.
- 형광등이 뜨겁지 않다.
전개단계 열역학 제 1,2법칙과 영 구 기 관 학습 후
사고의 수렴/
문 제 해 결 력 / 독창성/존중/
협력/개방성/
배려
3
(1) 에너지 전환과정에서 열효율과 관련된 환경문 제는 어떤 것이 있을까?
(2) 영화 ‘아이언맨2’로 유 추해 볼 때 미래의 엔진 은 어떤 특징을 갖게 될 까?
- 도시에서 방출된 열에너지가 집중 되어 섬처럼 집중되는 현상이므로 열효율이 높아지면 열에너지 전환 비율이 낮아져 열섬효과가 있다.
- 열대야현상
- 크기가 작고 휴대하고 있다.
- 열이 발생하지 않는다.
- 에너지가 100% 일을 한다.
- 환경오염이 적은 친환경 엔진
정리단계 적 용 하 기 전단계 학 습 내 용 정리 후
‘ 아 이 언 맨2’를 본 후
사고의 확산/
호 기 심 / 문 제 해 결 력 / 독 창 성/존중/협력 /개방성/배려
8. 평가계획
◎ 평가목표
열역학 제 1, 2법칙을 이해하여 주어진 영상에서 비과학적인 요소를 찾아내는 능력을 기르고, 에너지절약의 필요성을 열역학 법칙으로 설명할 수 있다.
◎ 평가영역
평가
영역 평가기준
평가척도 매우
잘함 잘함 보통 미흡 노력
요함
5 4 3 2 1
교과 학습 목표
열역학 제 1법칙 개념을 구체적으로 설명하는 가?
열역학 제 2법칙에서 에너지 흐름의 방향을 이해 하는가?
영구기관의 개념을 명시적으로 설명하고 있는 가?
창의성 교육 목표
과학적인 오류를 찾아내어 영구기관 제작이 불 가능함을 이해하는가?
에너지 전환과정의 한계와 관련된 환경 현상들 을 설명하는가?
에너지 절약의 필요성 및 올바른 에너지 사용법 을 제시하는가?
인성 교육 목표
발표나 수업활동할 때 적극적으로 참여하였는 가?
모둠 활동시 협동이 잘 이루어졌는가?
발표나 토론시 다른 사람의 의견을 경청하였는 가?
교사의 평가 의견
합계
※ ‘순간포착 세상에 이런 일이 362회’ 방송내용 중에서
방송 제작팀이 거대한 기계의 이름과 작동에 대해 질문을 할 때 출연자가 27년동 안 직접 고안하고 제작한 기계의 이름을 설명하고 제작하게 된 동기와 작동과정을 설명하고 있는 장면이다.
1. 제시된 영상에서 무동력 엔진은 무엇인가?
2. 출연자가 이 기계를 제작하게 된 동기와 기계의 작동과정을 정리해 보자.
생각해보기 : 무동력 엔진을 알아보자!
학생활동지
1. 시청한 TV방송 프로그램에서 과학적 오류를 찾고 출연자의 기계제작이 불가능한 이유를 열역학 법칙으로 설명해 보자.
2. 제시된 사진은 오래전 사람들이 고안했던 영구기관이다. 각각의 장치가 왜 영구 적으로 움직일 수 없는지 그 이유를 설명해 보자.
<물의 부력을 이용한 영구기관 > <수력 나사를 이용한 목재 영구기관>
학생활동지
토론하기 : 영구기관은 실현가능할까?1. 도입부분에서 시청한 영화 ‘슈퍼맨’의 현상이 일어나지 않는 이유를 열역학 법칙으로 설명해 보자.
2. 자동차에 공급된 에너지는 어떤 전환과정을 거치며, 이 과정에서의 특징을 찾아 보자.
2. 열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)에 따르면 에너지는 항상 일정하게 보존되는 데 에너지 절약을 강조하고 높은 열효율을 낼 수 있는 열기관을 만드는 것이 중 요한 이유를 설명해 보자.
학생활동지
생각하기 : 에너지를 100% 활용하는 것이 가능할까?학생활동지
1. 우리나라 주요 대도시에서 발생하는 열섬현상의 과정을 찾아보고 녹지조성이 열 섬현상을 줄이는 데 기여할 수 있는 이유를 설명해 보자.
2. 열효율이 100%인 영구기관을 만드는 것은 현재의 과학법칙으로 불가능하다. 미 래에도 불가능할까? 자신의 생각을 써 보자. 가능하다면 어떤 특징을 가질까? 또, 우리의 생활모습은 지금과 어떤 차이가 있을까?
3. 에너지 절약의 필요성 및 올바른 에너지 사용법을 알리는 표어, 만화, 과학송, UCC 제작 콘티 등을 구성하여 보자.
적용해보기-열효율과 에너지 절약
창의․인성 과제
※ ‘순간포착 세상에 이런 일이 362회’ 방송내용 중에서
방송 제작팀이 거대한 기계의 이름과 작동에 대해 질문을 할 때 출연자가 27년동 안 직접 고안하고 제작한 기계의 이름을 설명하고 제작하게 된 동기와 작동과정을 설명하고 있는 장면이다.
1. 제시된 영상에서 무동력 엔진은 무엇인가?
- 무동력 엔진의 사전적 의미는 일반적으로 한번 외부에서 동력을 전달 받으면 더 이상의 에너 지 공급 없이 스스로 영원히 운동하며 작동하며 일을 하는 가상의 기관이다.
2. 출연자가 이 기계를 제작하게 된 동기와 기계의 작동과정을 정리해 보자.
- 영구기관 제작을 시도하는 대부분의 사람들은 영구기관 제작도를 보면 가능할 것이라는 생각을 가진다. 외부에 에너지 공급없이 영구적으로 작동하는 기관의 경제적인 가치는 매우 크다. 대부분 은 이 경제적 가치를 목적으로 제작을 시도하지만 출연자의 경우는 해외노동자로 외국을 다녀온 경험과 유한한 석유자원을 대체할 동력원으로 이 기계 제작을 27동안 유지해 오고 있다.
- 이 기계의 작동과정
- 동력을 이용하여 엔진을 가동시킨다.→ 엔진은 날개를 움직여 바람을 일으킨다. → 일으킨 바람 으로 큰 바퀴를 돌린다.→ 큰 바퀴의 바람모터없이도 날개를 영구적으로 움직인다.
생각해보기 : 작동원리를 찾아라!
교사용 지도자료
1. 시청한 TV방송 프로그램에서 과학적 오류를 찾고 출연자의 기계제작이 불가능한 이유를 열역학 법칙으로 설명해 보자.
- 동력(투입 전기에너지)을 이용하여 엔진을 가동→ 날개를 움직여(일) 바람(에너지)을 일으켜 바람 으로 큰 바퀴를 돌린다(일).→ 큰 바퀴에서 발생한 바람(에너지)이 날개를 움직인다(일). 과정에서 에너지가 일로 전환되고 있고 기계들의 작동에는 마찰열이 발생한다. 이 과정이 반복되려면 투입 된 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 생산해야하므로 에너지보존 법칙에 위배되는 오류가 생긴 다.
- 실현 불가능하다.(열역학 제 1법칙에 위배되기 때문에)
-에너지 전환과정에서 마찰, 저항에 의한 열에너지, 소리에너지의 형태로 손실되는 에너지가 발생 하기 때문에 공급한 에너지보다 같거나 많은 일을 할 수 없다. 즉, 열역학 제 1법칙인 에너지보존 법칙에 어긋난다.
2. 제시된 사진은 오래전 사람들이 고안했던 영구기관이다. 각각의 장치가 왜 영구 적으로 움직일 수 없는지 그 이유를 설명해 보자.
<물의 부력을 이용한 영구기관 >
-속이 빈 공을 줄에 연결한 것이다. 이 때, 왼쪽은 물에 잠겨있어 위쪽으로 부력을 받고 오른 쪽은 공기 중에 있 어 부력을 받지 않 는다. 따라서 속이 빈 공들은 반시계 방향으로 회전하게 된다.-실현 불가능 함.
<수력 나사를 이 용한 목재 영 구기관>
1660년 고안된 이 영구기관은 그림의 위에 보이는 통에 물이 들어 있 다. 이 물은 왼쪽의 홈으로 떨어지며 물레 바퀴를 돌린다. 바닥에 고인 물은 물레바퀴 에 연결된 나사와 기어들에 의해 다시 물 통으로 올라간다.
교사용 지도자료
토론하기 : 영구기관은 제작 가능할까?<자동차에서 에너지 전환과정>
1. 도입부분에서 시청한 영화 ‘슈퍼맨’의 현상이 일어나지 않는 이유를 열역학 법칙으로 설명해 보자.
- 열역학 제 2법칙에서 에너지가 전환(흐름)에서 방향성이 있어서 고온의 물체에서 열은 저온의 물체로, 높은 곳에 위치한 물은 낮은 곳으로, 질서 정연한 상태는 무질서한 상태로
즉, 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어난다. 그러므로, 영화처럼 흩어진 기름이 슈퍼맨의 입김으로 질서정연하게 다시 유조선 안으로 들어갈지는 않는다.
2. 자동차에 공급된 에너지는 어떤 전환과정을 거치며, 이 과정에서의 특징을 찾아 보자. 찾아보자.
- 석유(화학에너지)→연소(열에너지)→엔진(역학적 에너지)→ 배기가스 배출(열에너지) - 특징 : 연소에 의한 열, 마찰에 의한 열, 기계작동에 의한
열 등 공급된 에너지의 대부분의 활용 불가능한 열에너지로 전화되어 대기로 이동한다.
3. 열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)에 따르면 에너지는 항상 일정하게 보존되는 데 에너지 절약을 강조하고 높은 열효율을 낼 수 있는 열기관을 만드는 것이 중 요한 이유를 설명해 보자.
- 에너지의 총량은 보존되지만 우리가 사용할 수 있는 에너지의 양은 줄어들기 때문 - 우리가 사용하는 에너지의 대부분이 열에너지로 전환되어 대기로 전달될 것이다.
- 대부분의 에너지는 열에너지로 전환이 가능하지만 열에너지에서 일로 전환되는 비율은 상대적 으로 낮으며 모든 열에너지를 이용할 수는 없기 때문이다.
생각하기 : 에너지를 100% 활용하는 것이 가능할까?
교사용 지도자료
1. 우리나라 주요 대도시에서 발생하는 열섬현상의 과정을 찾아보고 녹지조성이 열 섬현상을 줄이는 데 기여할 수 있는 이유를 설명해 보자.
- 도시는 대부분 아스팔트와 콘크리트 구조물로 뒤덮여 있어서 태양열로 쉽게 달궈지고, 주택의 냉 난방, 자동차의 배기가스 등 인간의 각종 활동에 따른 열에너지가 집중적으로 발생한다. 이 때문 에 도심 지역의 기온이 인근 교외에 비해 2~5℃가량 높아지는데, 이 현상이 열섬현상이다.
- 도시에 녹지를 조정하는 것은 태양열로 쉽게 달궈지는 현상을 완화시키며, 주택의 냉난방, 자동차 의 배기가스에 포함된 이산화탄소를 식물이 이용하여 에너지 전환과정에서 배출되는 열에너지뿐만 아니라 배출가스에 의한 지구 온난화 효과의 완화에도 도움이 된다. 하지만, 근본적인 해결방법은 아니며 화석연료의 사용을 줄이고 각종 내연기관의 열효율을 높여 손실되는 열에너지와 배기가스 의 발생량을 최소화시키는 것이 더 효과적인 방법이다.
2. 열효율이 100%인 영구기관을 만드는 것은 현재의 과학법칙으로 불가능하다. 미 래에도 불가능할까? 자신의 생각을 써 보자. 가능하다면 어떤 특징을 가질까? 또, 우리의 생활모습은 지금과 어떤 차이가 있을까?
2. 에너지 절약의 필요성 및 올바른 에너지 사용법을 알리는 표어, 만화, 과학송, UCC 제작 콘티 등을 구성하여 보자.
적용해보기-열효율과 에너지 절약
교사용 지도자료
에너지 효율에 대한 추가적인 영상정보 슈퍼맨 3 (Superman III)
1. 제작년도(개봉일) : 1983년 2. 영화사 : 워너브라더 3. 감독 : 리처드 레스터
4. 등장인물 : 크리스토퍼 리브, 리차드 프라이어, 재키 쿠퍼, 마크 맥클루어
5. 과학장면 시간 : 01:33:45~01:34:42
6. 과학장면 정보 : 유조선에서 흘러나온 기름이 바다 위에 떠 있는데 슈퍼맨은 입김(바람)으로 기름을 마치 영화를 거꾸로 되돌리는 것 처럼 유조선으로 넣는 장 면이다. 고온에서 저온으로, 높은 위치에서 낮은 위치 로, 질서정연한 상태에서 무질서상태로 에너지의 흐름 은 일정한 방향을 갖는다. 그러므로, 방향을 거스르는 영화같은 장면은 열역학적 오 류이다.
아이언맨 2 (Iron Man 2 )
1. 제작년도(개봉일) : 2010년 4월 29일 2. 영화사 : 마블 코믹스
3. 감독 : 존 파브로
4. 등장인물 : 로버트 다우니 주니어, 기네스 팰트로, 미키 루크, 스칼렛 요한슨, 돈 치들 5. 과학장면 시간 : 1) 04:57~05:57(아이언맨 비행장면) 2) 01:09:49~01:10:15(동력장치) 3) 01:17:30 - 01:17:55(장식품) 6. 과학장면 정보 : 1) 영화 속에서 팔라듐 원자로를 동 력원을 사용하는 아이언맨의 비행장면, 작은 원자로에 서 만들어지는 엄청난 에너지를 가늠하게 한다.
2) 로봇 슈트에서 해체된 동력장치의 모양을 보면 크기가 작고, 휴대가 간편한 형 태로 표현된다. 현재의 원자력발전은 핵분열인데 영화 속 원자로는 핵융합을 이 용하고 있다. 또한, 원자로를 들고 있는 손은 뜨겁지 않을까? 앞으로의 발전형 태로 핵융합 발전과 향상된 열효율을 예측해 본다.
3) 책상 위에서 장식물은 동력장치 없이 움직이지만‘물먹는 새’완구처럼 에너지 전환과정에서 효율이 매우 좋은 한 예이며 영구기관은 아니다.
교사용 지도자료
그림 1. mkvtoolnix 실행화면, 파일 불러오기.
영상클립 제작 방법
영상클립을 만드는 방법을 소개하고자 한다. 수많은 영상편집 프로그램들이 있지만 대부분의 경우 높은 사양의 컴퓨터를 필요로 하며 다양한 기능들을 포함하고 있는 경 우가 많다. 여기서 소개하는 프로그램은 단지 원하는 장면을 클립으로 만들어주는 기 능을 가지고 있는 프로그램이다. 영화다운로드 사이트에서 다운 받는 영상은 파일 형 식이 avi 또는 mkv파일의 고화질영상으로 되어 있다. avi파일과 mkv파일을 클립으로 만들고자 할 때에는 mkvtoolnix 프로그램을 사용하는 것이 편리하고, wmv와 같은 파 일을 클립으로 만들고자 할 때에는 window movie maker를 활용하는 것이 좋다.
가. mkvtoolnix.exe 사용법
1. 포털사이트에서 mkvtoonix, smi2srt2.exe를 검색하여 다운받는다(무료).
2. smi2srt2.exe 파일을 자막이 있는 폴더에 복사하여 붙여넣은 후 실행시킨다.
→ smi 자막파일이 srt파일로 변환됨
→ 자막이 없는 영상이거나, 영상에 자막을 넣을 필요가 없는 경우에는 생략한다.
3. mkvtoolnix_setup.exe 파일을 실행시킨다.
→ 시작 메뉴->프로그램->mkvtoolnix->mkvmerge GUI 실행
4. add 버튼을 눌러서 영화 파일과 자막파일(.srt)를 불러 들인다[그림 1].
5. output filename에서 원본 파일과 다른 이름을 넣는다.[그림 2].
→ 같은 이름이면 원본파일을 덮어쓰기가 된다.
그림 2. 편집될 파일명 지정하기
6. 메뉴 탭에 있는 Global 버튼을 누르고 -> enable splitting -> after timecodes 를 누른다. 그리고 편집하고자 하는 시간을 넣는다. 예를 들면 35분 25초부터 40분 12초까지를 편집하고자 하면 00:35:25, 00:40:12를 입력하면 된다.(맨 앞은 시간, 두 번째는 분, 마지막은 초이다.)
7. Start muxing을 눌러서 실행시키다.
8. 편집과정에서 전체 영화를 보면 다음과 같이 나눠진다.
1) 처음부터 편집 : 편집하고자 하는 부분 - 영화의 뒷부분
2) 중간부분 편집 : 영화의 앞부분 - 편집하고자 하는 부분 - 영화의 뒷부분 3) 마지막 부분 편집 : 영화의 앞부분 - 편집하고자 하는 부분
- 보통 2)의 경우에 해당하므로 전체 파일이 3개로 나눠진다.
(aaa001.mkv, aaa002.mkv,aaa003.mkv)
- 필요한 것은 2번째 부분이므로 진행상황 화면을 보면 001.mkv가 지나고 나면 002.mkv, 003.mkv가 순서대로 진행되는데 003번이 시작될 때 밑의 메뉴에서 Abort 버튼을 누르면 필요한 002번까지는 편집되었기 때문에 시간을 줄일 수 있다.
9. 마지막으로 편집한 부분의 파일 명을 다른 이름으로 저장한다.
- 예 : 아이언맨2(빛의 전반사).mkv
그림 3. 편집될 시간 입력하기
나. windows movie maker 사용법
1. windows live movie maker 를 검색하여 다운로드 후 설치한다.(무료) 2. 영상 편집하기
① [시작]-[모든프로그램]-‘Windows Live 무비 메이커’ 프로그램을 켭니다.
② 편집하려는 영상을 드래그 해서 무비 메이커 프로그램 우측편으로 끌어옵니다.
[그림 1]
③ 위쪽 [편집] 메뉴 안의 자르기 도구를 클릭합니다. [그림 2]
④ ‘시작 지점’과 ‘종료 지점’을 지정한 뒤 엔터를 누르고 아래쪽 화면에 ‘재생’ 버튼 을 눌러서 확인한 뒤 자르기 저장을 클릭합니다.[그림 3]
⑤ 상단의 [메뉴]-[동영상저장]-‘컴퓨터용’을 클릭합니다.
⑥ 저장할 폴더를 지정한 뒤에 파일이름을 수정하고 저장을 합니다.
그림 1. 편집할 영상 가져오기
그림 2. 자르기 도구 선택하기
그림 3. 시작지점과 종료지점 입력하기
그림 4. 영상 클립 저장하기
