달리는 열차 안에서 식물 기르기
1
1-4차시
고등학교 교사용 교재 2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램
2014 융합인재교육(STEAM) 고등학교–설국열차 식물공장
달리는 열차 안에서 식물 기르기 (1~4차시)
주제 개요
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식물공장(plant factory)은 지금까지 인류가 축적해 온 과학기술과 농업이 결합한 새로운 분야이자 기술이다.
식물공장은 시설 안에서 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 등 식물이 성장하는 데 필요한 환경을 인공적으로 제어하여 농산물을 생산하는 시스템이다. 식물공장에서는 날씨, 기온, 기상이변, 기후 등에 관계없이 1년 내내 안정적·계 획적으로 농산물을 생산할 수 있을 뿐 아니라 사막이나 극지 등 지역에 상관없이 식물을 기를 수 있다.
전 세계적으로 지구온난화, 기상이변, 기후변화 등으로 인하여 식량 생산에 차질이 발생한 가능성이 높아지고 있으며 이에 농산물 가격 급등과 같은 식량 관련 산업에 위험성이 증가하고 있다. 즉 이제 농업은 1차 생산만으 로는 한계가 있음을 의미한다. 이처럼 농업의 범위를 확장할 필요성이 늘어남에 따라 IT(정보통신기술), BT(
생명공학기술), IT-BT(융복합화 기술)을 융합하는 시도가 나타나고 있다. 이러한 시도의 대표적인 사례가 식 물공장이다.
식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있다는 장점 외에 LED 인공광원, 농업용 로봇, 생산 자동화시스템 기술 등 여러 과학과 기술이 복합체이다. 과학기술 분야의 최신 주요 이슈인 식물공장을 실생활 및 학교수업에 연계하여 학생들의 과학기술에 대한 흥미와 이해를 향상시키고 융합적 사고력과 문제해결력 향 상에 기여할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하였다.
고등학생용 식물공장 융합인재교육(STEAM) 프로그램의 테마는 <설국열차 식물공장>이다. 영화 <설국열차>
의 상황을 차용하여 탑승객을 위한 식량을 생산하기 위한 식물공장을 설계하고 식물 재배 계획을 세우며 작물의 생장조건을 고려하여 인공광원을 설계하고 애플리케이션으로 제어하는 활동을 구성하였다. 이러한 활동을 통 하여 생물(식물, 광합성), 물리(빛), 수학(식물의 생장조건 설계), 건축(식물공장 건축), 전자(애플리케이션), 미술(애플리케이션 화면 구성) 등 STEAM의 전 영역을 아우를 수 있게 하였다.
주어진 상황에 몰입하여 문제를 인식하고 문제해결 방안을 적극적으로 탐색할 수 있도록 제한된 상황, 즉 <설 국열차>를 제시하였다. 영화 <설국열차>는 지구온난화의 해결책으로 기대되었던 인공냉각제 CW-7의 대량 살 포 직후, 거대한 한파가 세계를 덮치면서 발생한 새로운 빙하기를 다루고 있다. 새로운 빙하기, 즉 설국에서 살아 남은 사람들이 탑승한 기차(설국열차) 안에 식물공장을 만들고, 식물을 재배하기 위한 양액 급수시스템과 조명 시스템을 설계하는 과정을 통하여 식물공장의 계획에서 운영에 이르는 전 과정을 학습하고 체험한다.
본 프로그램은 크게 3개의 단원으로 구성되어 있으며 ‘달리는 열차 안에서 식물 기르기’는 1~5차시에 해당 한다.
1-4차시
주제목표 : 달리는 열차 안에서 식물 기르기
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학습 목표
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생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하 며 이것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다.
설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많 은 승객들에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.
5~7차시
주제 목표 : 식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기
식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액(nutrient solution)에서 자란다. 양액 재배(nutriculture, nutri- ent solution)는 흙을 사용하지 않는 재배 방법으로 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율로 혼합하여 물에 용해 시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육환경을 인위적으로 조절한다. 식물공장 양액 급수시스템 방식을 결정하고 소형공작기계를 이용하여 식물공장 양액 급수시스템 모형을 제작한다.
8~10차시
주제 목표 : 식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기
설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성 장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사 람의 출입을 제한해야 한다. 센서, 인공광원, 인공광원 원격관리 애플리케이션이 필요하다.
내용 목표
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있다.
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 인공적인 요소로 대체하여 식물을 기를 수 있다.
∙ 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 있다.
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아 낼 수 있다.
과정 목표
자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아낼 수 있다.
과학 및 공학적 지식을 활용하여 다양한 해결 방안을 모색하고 문제해결 계획을 세운다.
문제 해결 과정으로서의 설계를 경험한다.
모둠 협동학습을 동하여 서로 배려하고 협력하는 태도를 기른다.
문제를 인식하여 과학적으로 탐구하고 공학적으로 구현하는 태도를 기른다.
효율적인 문제 해결 방안에 심미적 요소를 결합하는 경험을 갖는다.
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STEAM 과목 요소
STEAM 단계 요소
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□ 상황제시
생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하며 이것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다.
설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많 은 승객들에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.
창의적 설계
자연환경에서 식물이 생장할 때 필요한 요소를 고려하여 식물공장에서 식물을 재배하기 위한 요소를 도출하고 도 심지 빌딩, 병원, 극지 등 여러 환경에 적합한 식물공장을 설계해 본다. 모둠별로 식물공장의 설계도를 계획, 수정, 완성하고 설계도를 바탕으로 식물공장 모형을 제작한다.
감성적 체험
계획, 수정, 완성하고 설계도를 바탕으로 식물공장 모형을 제작하는 과정에서 모둠별 협동학습을 경험하고 여러 방법으로 문제 해결할 수 있음을 알게 한다. 모둠별 협동학습 과정에서 토의·토론, 발표, 동료평가를 활용하여 직 접·간접적으로 탐구 및 문제해결 과정에 동참하게 한다.
S 과학, 생명과학I, 생명과학II
T/E 기술/공학 A 미술 M 수학
과학 — 식량자원(식물의 생장), 생명과학I — 생태계의 구성요소, 생명과학II — 광합성 식물공장 설계, 식물이 영양학적 특성
식물공장 설계
식물 생육에 필요한 인공환경의 적정성 도출
식물 공장의 온도, 습도, 물 공급량 조도(광포화점·보상점)를 고려한 식물의 재배 계획서 작성
➌
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지도안 총괄표
과목 총차시 단원
교육과정
학습목표
성취기준 핵심 성취 기준
성취 수준
과학 생명과학I 생명과학II 4
과학 생명과학Ⅰ 생명과학Ⅱ 과학
생명과학Ⅰ
생명과학Ⅱ
상
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V. 인류의 건강과 과학기술 IV. 자연속의 인간 I. 세포와 물질대사
V. 인류의 건강과 과학기술 — 1.식량자원
1. 질소 고정의 의미와 비료의 생산, 농작물과 가축 개량을 위한 육종 과 유전공학 기술, 식품의 안전성과 품질 개선 기술 등 식량 자원의 양 과 질의 향상에 기여한 과학의 원리를 이해한다.
2. 식량 자원의 지속적인 개발 및 확보와 관련하여 생태계와 생물 다 양성의 가치를 이해하고, 종자은행의 중요성을 이해하며, 물의 소독, 살균, 세제의 사용이 인간 수명의 증가와 건강의 증진에 기여한 바 를 이해한다.
IV. 자연속의 인간 — 1.생물과 환경의 상호관계
1. 자연 속의 한 생물로서 인간이 갖는 환경과의 상호 관계를 생태계 차원에서 이해하고, 생태계 보전의 필요성을 안다.
Ⅰ. 세포와 물질대사 2. 세포와 에너지
1. 미토콘드리아와 엽록체의 구조와 기능을 안다.
2. 세포 호흡의 해당 과정, TCA 회로, 광합성의 암반응이 효소에 의 한 화학반응임을 이해한다.
3. 세포 호흡의 전자전달계와 광합성의 명반응이 생체막을 통한 에 너지 전환 과정임을 이해한다.
식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물 생장에 필요한 비생물적 환경 요인을 구체적으로 파악하여 과학적 원리가 잘 적용 된 식물공장의 모형을 창의적으로 설계할 수 있다. 식물공장을 계획 할 때 지역적 특성을 고려할 수 있으며 이를 논의하여 제작하는 과정 에서 융합적 사고가 잘 드러나며 집중력을 갖고 적극적인 자세로 과 제를 해결할 수 있다.
1. 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있다.
2. 식물이 생장할 때 필요한 요소를 인공적인 요소로 대체하여 식물을 기를 수 있다.
3. 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물공장을 설계하여 제작할 수 있다.
1.식물공장의 개념과 필요성을 이해할 수 있다.
2.식물생장에 필요한 비생물적 환경요인을 파악하여 식물공장에 적용할 수 있다.
3.지역의 특성에 맞는 다양한 식물공장을 설계하고 모형을 만들 수 있다.
1.식량자원
1. 생물과 환경의 상호관계 2. 세포와 에너지(광합성)
<상황 제시> 달리는 설국열 차에서 식물을 기를 수 있을까?
(15분) (1/4차시)
주제 목표 : 설국열차 안에서 식물 기르기
S A 설국열차의 마지막 칸에 탄 승객들의 상황을 중심으 로 식물공장 의 개념과 필요성을 인지하도록 한다.
1. 설국열차의 식물재배 칸(식물공장)의 역할과 이를 통해 해결할 수 있는 문제는 무엇인가? 마인드맵을 이용하여 모둠별로 생각을 정리 하여 발표하자.
식물공장의 필요성을 찾아보자.
∙ 식물공장이란 무엇인가?
∙ 왜 식물공장이 필요할까?
단어구름(Word Clouds) 만들기
단어구름은 빈도수가 높은 단어일수록 중심부에 큰 글씨로 표시하는 프로그램으로, 아이디어를 모으고 정리할 때 유용하다. 인터넷에 단 어구름 만들기를 도와주는 웹사이트가 여럿 있으므로, 편리한 것을 골라 사용할 수 있다.
(단어구름 프로그램 WordItOut
http://worditout.com/word-cloud/make-a-new-one) 흐름
문제제시&
제작활동
중
하
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식물공장의 개념과 필요성을 이해하며 식물 생장에 필요한 비생물 적 환경 요인을 파악하였으나 과학적 원리와 융합적 사고력이 부족 하여 이를 식물공장에 알맞게 적용하는데 다소 미흡하다. 이에 식물 공장을 계획함에 있어서 지역적 특성이 반영되어 있지 않거나 식물 생장에 부적합한 인공 환경이 조성된 식물공장을 설계하여 제작할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성에 대한 이해가 부족하여 식물공장의 설계 와 제작에 흥미가 거의 없다. 식물생장에 필요한 비생물적 환경 요인 을 파악하였으나 과학적 원리와 융합적 사고력이 부족하여 이를 적 용하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 없으며 예시된 식물공장을 통해 식물공장에 필요한 인공 환경요소를 말할 수 있다.
TIP
학습자료(‣) 및 유의점(※)
※ 유의점
1차시를 시작하기 전에, 교사는 지도안 총괄표에 제시된 본 프로그램과 관련된 교과목과 단원, 교과내용을 학생들에게 반드시 알린다.
‣ 교사용 참고자료1 ― 설국열차 상황제시 영화 <설국열차>에서 설 국열차의 마지막 칸 승 객들의 상황을 나타내는 앞부분과 설국열차의 식 물공장을 캡처하여 약 5 분간 감상한다.
‣ <활동지1-1> 마인드 맵 그리기
‣ 교사용 참고자료2 — 식물공장 사진 및 동영 상(농업진흥청 제공)
‣ 교사용 참고자료3 ― 원더풀 사이언스 : 미래 형 농업모델, 식물공장
도움 닫기
<창의적 설계> 식물생장에 필요한 환경요소 는 무엇인가?
(35분)(1/4차시)
S T E 자연 환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아서 인공적인 요소로 대체하고 활용하는 방법 을 창의적으로 고안해보자.
1. 자연환경에서 식물이 생장할 때 필요한 요소는 무엇인가? 학생용 교재에 제공된 사진 또는 학교 내 화단이나 숲을 둘러보고 비생물적 요인을 찾아내보자.
2. 설국열차(식물공장)에서 식물을 재배할 때 필요한 요소는 무엇인 가?
학생용 교재에 제공된 사진 외에 인터넷이나 동영상을 이용할 수 있 다. 가능하다면, 10분가량 학교 교정을 둘러보면서 학생들이 식물의 생장에 필요한 비생물적 요인을 직접 체험하게 할 것을 권한다.
식물은 광합성을 통해 스스로 에너지원을 합성하는 독립영양생물이 다. 식물의 광합성에 필요한 환경요인(비생물적 요인)의 작용을 정리 하고, 식물공장에서는 이러한 환경요인들을 어떻게 충족시킬 것인지 생각해보자.
∙ 설국열차에 빛을 공급할 수 있는 방법은 무엇일까?
∙ 설국열차에서 흙 없이 식물을 기를 수 있을까?
∙ 설국열차에서 식물을 기를 때 가장 효과적으로 물을 공급할 수 있는 방법은 무엇일까?
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제작활동
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‣ 교사용 참고자료4 — 새로운 성장동력, 식물 공장
‣ 교사용 참고자료5 — 식물공장의 정의
‣ 교사용 참고자료6 — 식물공장의 역사
‣ 교사용 참고자료7 ― 해외 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료8 ― 국내 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료9 ― 식물공장 전망
‣ <활동지1-2> 식물재 배와 비생물적 요소
‣ 교사용 참고자료3 ― 원더풀 사이언스 : 미래 형 농업모델, 식물공장
‣ 교사용 참고자료7 ― 해외 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료8 ― 국내 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료9 ― 식물공장 전망
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
TIP
TIP
TIP
S A 식물공장의 역사와 현재 가동 중인 식물공장의 예를 살펴보고 모 둠별로 주어진 식물공장을 구상해보자.
식물공장의 역사를 간략하게 살펴보면서 현재 가동 중인 식물공장의 동영상과 다양한 식물공장 사진을 보면서 식물공장을 구상하도록 하 자.
<창의적 설계> 우리 모둠의 식물공장은 어떻게 설계할까?
(30분) (2/4차시)
모둠별로 식물 재배시 필요한 기본요소와 지역의 특성에 맞는 요소를 생각하여 식물공장을 창의적으로 구상해보자.
1. 식물 공장은 도심지에서도 신선한 채소를 바로 먹을 수 있다는 장점 이 있다. 도심지 건물에 적합한 식물공장은 어떤 형태일까?
2. 도심지의 식물공장이 신선한 농작물을 공급뿐 아니라 생태공원과 같은 역할을 할 수 있을까? 생태공원의 역할을 수행할 수 있는 식물공 장은 어떤 형태일까?
3. 1년 내내 영하의 온도를 나타내는 극지방의 식물공장은 무엇을 보 강해야 할까? 극지방 식물공장은 어떤 형태일까?
4. 사막 또는 사막화가 진행되고 있는 지역에는 어떤 형태의 식물공장 이 필요할까? 사막의 식물공장은 어떤 형태일까?
5. 일반병원에서는 환자들에 따라 다양한 농작물이 필요하다. 병원에 서 필요한 환자 전용 식물공장은 어떤 형태일까?
식물생장에 필요한 요소들을 바탕으로 각 지역의 특성에 맞추어 식물 공장의 외관과 내부 공간 활용 및 심미적 기능, 물 공급 방법, 적정 조도 와 적정 온도를 유지하기 위한 장치, 에너지절약(채산성) 등을 고려한 다양한 아이디어를 공유하고 발전시켜보자.
∙ 식물공장의 환경요인(비생물적 요인)을 어떻게 충족시킬 것인가?
∙ 우리 모둠이 설계한 식물공장의 장점과 단점은 무엇인가?
∙ 우리 모둠의 식물공장을 계획하기 전에 ‘Inspiration Green’의 ‘수 직농장’에 접속해보자. 세계 유명 건축가들이 구상한 식물공장을 경험 할 수 있을 것이다.
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문제제시&
제작활동
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□ ‣ <활동지1-3> 우리 모
둠의 식물공장 환경 요 인 충족 방법
‣ 교사용 참고자료7 ― 해외 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료8 ― 국내 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료9 ― 식물공장 전망
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
‣ ‘Inspiration Green’
의 ‘수직농장’
http://www.inspi- rationgreen.com/
vertical-farms.html’
※ 유의점: 완전제어형 식물공장은 지역적 특성 과 상관없이 인공 환경 을 통해 작물을 재배할 수 있다.
TIP
TIP 도움
닫기 찬반토론
식물공장에서 식물을 기를 때 환경 또는 생태계에 문제가 발생할 가능 성이 전혀 없을까? 있다면, 어떠한 문제이며, 해결책은 무엇인가? 아 래 내용을 바탕으로 찬반토론을 진행해 보자.
∙ 식물공장 이외에 달리 식물을 재배할 방법은 없을까? 즉, 식물공장 이 유일한 해결책일까?
∙ 에너지 사용과 이산화탄소 배출 측면에서 식물공장을 고려해 보자.
∙ 식물공장에서 식물을 기를 때 발생할 수 있는 문제는 무엇일까?
<창의적 설계> 우리 모둠의 식물공장 계획을 검토해보자 (20분) (2/4차시)
S T E 각 모둠이 계획한 식물공장의 내용을 정리하여 발표한 후 서로 다른 모둠에서 발표한 내용에 대해 자유롭게 논의하자. 또, 그 결과를 모둠별 계획안에 적용하여 수정·보완하자.
1. 도심지 건물에 적합한 식물공장을 설계해보자.
2. 생태공원의 역할을 수행할 수 있는 도심지의 식물공장을 설계해 보자.
3. 극지방의 식물공장을 설계해보자.
4. 사막의 식물공장을 설계해 보자.
5. 병원에서 필요한 환자전용 식물공장을 설계해보자.
식물생장에 필요한 요소들을 바탕으로 지역적 특성에 맞추어 식물공 장의 외관과 내부형태, 물공급방법, 조도와 온도를 유지하기 위한 장 치, 에너지절약(채산성) 등을 고려한 다양한 아이디어를 반영되었는 지 검토하자.
∙ 모둠별로 계획한 식물공장에서 작물을 재배하기 위해 설정한 환경요 인(비생물적 요인)의 공급과 제어 방법에 대한 장단점을 파악한다.
∙ 우리 모둠이 설계한 식물공장의 장점과 단점을 파악하고 이를 통해 계획안을 수정 보완한다.
∙ 식물공장에서 식물을 기를 때 야기되는 환경오염문제를 파악하여 그 해결책을 논의하고 그 결과를 식물공장의 설계도에 반영한다.
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문제제시&
제작활동
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□ ‣ <활동지1-4> 지역 및
형태별 식물공장 PMI 평가
‣ 교사용 참고자료3 ― 원더풀 사이언스 : 미래 형 농업모델, 식물공장
‣ 교사용 참고자료7 ― 해외 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료8 ― 국내 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료9 ― 식물공장 전망
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
※ 유의점
학생들이 관련 자료를 찾기 전, 교사가 관련 자 료(읽기 자료, 시각 자 료)를 제시하여 이를 바 탕으로 학생들이 관련 정보를 확장하여 검색할 수 있도록 돕는다. 교사 가 활용할 수 있는 관련
TIP
TIP
<창의적 설계> 우리 모둠의 식물공장의 설계도를 그려보자.
(10분) (3/4차시)
S T E A 모둠별 발표 내용을 바탕으로 식물공장의 설계도를 그려보자.
각 모둠별 발표내용을 바탕으로 계획안을 수정 보완하여, 식물공장의 형태, 내부 공간 활용을 고려한 배지형태 및 규모, 조명장치의 위치 및 조절방법, 물공급 방법 등을 중심으로 설계도를 그려보자.
스케치업(SketchUp)
컴퓨터와 인터넷을 활용할 수 있는 환경이라면, 스케치업(Sketch- Up)을 이용해 보자. 스케치업은 3D 모델링 프로그램으로, 사용법이 매우 간편하다. 스케치업 홈페이지(http://www.sketchup.com) 에 접속하면 1개월 무료 체험판을 다운로드 받아 사용할 수 있다. U- tube를 비롯하여 인터넷에는 스케치업 사용법 강좌가 많이 탑재되어 있으므로 수준과 필요에 따라 적절히 선택하도록 하자.
<창의적 설계>
우리 모둠의 식물공장 모형을 설계도에 따라 직접 제작해보자.
(40분) (3/4차시)
S T E A 식물공장의 설계도에 따라 식물공장을 모형으로제작하자.
1. 설계도에 따라 식물공장의 내부 구조와 외부 형태를 제작하자.
2. 이때 수분과 양분 공급을 위한 배지의 종류와 형태가 재배하려는 식 물 종에 적합한지 점검한다.
3. 식물을 재배하기 위한 광원을 배치하고 위치를 표시해 보자. 태양광 을 일부 또는 전부 이용할 때는 식물공장의 내부 및 외부 구조가 태양 과 이용에 적합한지 점검한다.
4. 조도와 온도 조절을 위한 장치를 배치하고 위치를 표시해보자.
도심지나 병원에는 공간 활용도가 높거나 심미적 기능이 추가된 생태 공원과 같은 식물공장을 생각해 볼 수 있다. 극지방의 식물공장은 단열 효과가 높은 소재를 사용하여 에너지를 절약하고 채산성을 높일 수 있 흐름
문제제시&
제작활동
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문제제시&
제작활동
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자료는 교사용 지도서의 [교사용 참고자료]를 활 용할 수 있다.
‣ 활동지1-5> 식물공 장 설계도
※ 스케치업 페이지 http://www.sketch- up.com
‣ 활동6 — 식물공장 모 형 제작하기
식물공장을 만들기 위 한 소재는 주로 재활용 품을 이용하여 모둠별 로 준비한다. 내부 구조, 외부 형태를 포함하여 광원의 위치, 조도 및 온 도 조절 장치 등을 표시 한다. 식물공장 모형 제 작을 위한 틀(frame) 샘플은 다음의 작품을
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제작활동
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제작활동
도움 닫기
TIP
TIP
도록 하며, 사막의 식물공장은 물의 재순환을 통해 수분공급이 원활하 게 이루어질 수 있도록 한다.
∙ 식물공장과 온실의 차이점은 무엇인가?
수직농장(Vertical Farm)
수직농장(Vertical Farm)은 건물 전체가 식물공장이 되는 빌딩형 식 물공장이다. 즉 도심에 고층 건물을 짓고 층마다 농장을 만들어 농작물 을 재배하는 아파트형 식물공장이다. 수직농장은 1999년 딕슨 데스 포마이어(Dickson Despommier, 전 컬럼비아대 공공보건학과 교 수)가 고안한 개념이다. 데스포마이어는 지구온난화 및 기후변화에 의 한 식량난과 농경지 부족 문제를 해결할 대안으로 수직농장을 제안하 였다. ‘The Vertical Farm’에 접속하면 수직농장과 식물공장에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있다.
<상황 제시> 왜 식물공장이 필요한가?
(15분) (4/4차시)
S A 전통적 농업 방식과 비교할 때 식물공장의 장점은 무엇인가?
<활동지1-7>에 제시된 항목을 중심으로 식물공장의 장점을 정리해 보자.
∙ 현재 우리나라의 식물공장에서 주로 재배되는 식물(농작물)종류와 소비층을 알아보고 전통적 농업 방식으과 비교하여 식물공장의 효율 성을 모둠원끼리 토의해보자.
<창의적 설계> <감성적 체험>
식물공장을 통해 해결할 수 있는 문제는 무엇인가?
(35분) (4/4차시)
S A 식물공장의 필요성에 대한 자신의 의견을 정리하여 발표해보자.
제작한 식물공장의 장단점을 모둠별로 발표해보자.
모둠별로 제작한 식물공장의 장점을 중심으로 정리하고, 미래에는 어 떤 곳에서 어떤 형태의 식물공장이 필요할지 생각을 발전시켜 보자.
∙현재 운영 또는 개발되고 있는 식물공장은 어떤 형태일까?
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참고할 수 있다.
출처 :
http://alischiller.blogspot.
kr/2010/06/enzo-mari- fable-game.html
※ The Vertical Farm 홈페이지
http://www.verti- calfarm.com
‣ <활동지1-6> 식물 공장의 특징과 장단점 (PMI)
‣ <활동지1-7> 식물공 장의 필요성
‣ <활동지1-8> 모둠별 식물공장의 특징과 장 단점(P&M)
‣ 교사용 참고자료4 — 새로운 성장동력, 식물
공장
‣ 교사용 참고자료5 — 식물공장의 정의
‣ 교사용 참고자료13
— 지속가능발전을 위 한 식물공장 모델을 제 시하고자 할 때 모둠별 선택 과제 유형
평가 계획
【A】
【B】
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평가척도
상 중 하
모둠별 평가 : 5개의 활동지와 완성된 결과물(식물공장)
평가 영역
개인별 평가 : 모둠활동에서의 수행관찰평가
성취 기준 및 핵심 성취 기준
➏
평가 기준
식물공장의 내부구조와 외부형태를 설계할 때 가장 중요하다고 생각하는 요소는 무엇인가?
식물공장 설계 시 식물이 생장할 때 필요한 요소(빛, 온도, 물, 무 기양분)를 식물공장에 적합한 인공적인요소로 대체하였는가?
지역의 특성과 식물의 종류를 고려하여 식물공장을 창의적으로 설계했는가?
재활용품을 활용한 생활용품을 창의적으로 설계하였는가?
모둠이 설계한 식물공장에 대해 자긍심을 갖고 있는가?
모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동적으로 활동이 이루어 졌는가?
융합적 사고
창의적 설계
감성적 체험
성취기준 핵심 성취 기준
성취 수준
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물공장을 설계하여 제작할 수 있다.
1.식물공장의 개념과 필요성을 이해할 수 있다.
2.식물생장에 필요한 비생물적 환경요인을 파악하여 식물공장에 적용할 수 있다.
3.지역의 특성에 맞는 다양한 식물공장을 설계하고 모형을 만들 수 있다.
상
중
하
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□
□
식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물 생장에 필요한 비생물적 환경 요 인을 구체적으로 파악하여 과학적 원리가 잘 적용된 식물공장의 모형을 창의적으로 설 계할 수 있다. 식물공장을 계획할 때 지역적 특성을 고려할 수 있으며 이를 논의하여 제 작하는 과정에서 융합적 사고가 잘 드러나며 집중력을 갖고 적극적인 자세로 과제를 해 결할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하며 식물 생장에 필요한 비생물적 환경 요인을 파악 하였으나 과학적 원리와 융합적 사고력이 부족하여 이를 식물공장에 알맞게 적용하는 데 다소 미흡하다. 이에 식물공장을 계획함에 있어서 지역적 특성이 반영되어 있지 않 거나 식물 생장에 부적합한 인공 환경이 조성된 식물공장을 설계하여 제작할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성에 대한 이해가 부족하여 식물공장의 설계와 제작에 흥미가 거의 없다. 식물생장에 필요한 비생물적 환경 요인을 파악하였으나 과학적 원리와 융 합적 사고력이 부족하여 이를 적용하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 없으며 예시된 식물공장을 통해 식물공장에 필요한 인공 환경요소를 말할 수 있다.
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■
수행관찰 평가 계획
평가기록지 평가 영역 감성적 체험
창의적 설계
총평 평가항목 집중과 끈기
호기심과 자신감
창의성
해결방안 및 계획
문제해결 과정
산출물 도출
우수(A) 과제에 대한 집중력이 좋으며 과제를 끈기 있게 해결함 새로운 내용을 배우고 싶어 하며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하지 않고 적극적으 로 참여함
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 두드러지게 나타남 식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물공장 에 필요한 요소를 구체적으 로 파악함
지역의 특성에 알맞은 식물공 장의 구조와 가장 적합한 인 공 환경을 적용하여 식물공장 을 설계함
제작한 식물공장에 과학적 원 리가 잘 적용되었으며 융합적 사고가 잘 나타남
보통(B) 과제에 대한 집중력은 있으나 끈기가 부족함
새로운 내용에 대해 약간의 흥 미가 있으며 융합적 과제를 해 결할 때 어려워하지만 참여함
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 가끔씩 나타남
식물공장의 개념과 필요성을 이해하였으나 식물공장에 필 요한 요소를 구체적으로 파악 하지 못함
지역의 특성에 알맞은 식물공 장의 구조를 구상하였으나 식 물공장 설계 시 적합한 인공 환경을 적용하지 못함 제작한 식물공장에 과학적 원 리가 잘 적용되었으나 융합적 사고가 부분적으로 나타남
미흡(C) 과제에 대한 집중력과 끈기 가 부족함
새로운 내용에 대해 흥미가 거 의 없으며 융합적 과제를 해 결할 때 어려워하고 참여하 지 않음
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 거의 나타나지 않음 식물공장의 개념과 필요성 에 대한 이해가 부족하며 식 물공장에 필요한 요소를 파악 하지 못함
지역의 특성에 알맞은 식물공 장의 구조를 찾지 못하였으며 식물공장 설계 시 적합한 인공 환경을 적용하지 못함 제작한 식물공장에 과학적 원 리의 적용이 미흡하며 융합적 사고가 나타나지 못함
감성적 체험 창의적 설계 총평
집중과 끈기 해결방안
및 계획 호기심과
자신감
문제해결
창의성 과정 산출물
도출 평가영역
이름
■ 면접 기록지
감성적 체험 융합적 사고
면접 기록지
면접대상 일시 면접계획 면접 목적 면접 진행 계획 등 면접내용 면접 과제 질문과 답변 학생 특성
평가결과 평가영역
교사총평
면접 후 학생의 변화
면접교사
( ) 학년 ( ) 반 이름 : 성별 : 2014년 월 일 : ~ :
• 식물공장의 개념과 필요성을 설명할 수 있는가?
• 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있는가?
• 식물공장을 창의적으로 설계할 수 있는가?
• 모둠별 활동시 구성원으로서의 역할을 충실히 수행했는가?
• 식물공장 설계 시 식물이 생장할 때 필요한 요소를 식물공장에 적합한 인공적인 요소로 대체하였는가?
• 지역의 특성과 식물의 종류를 고려하여 식물공장을 창의적으로 설계했는가?
• 식물공장 제작 시 생활용품을 적극적으로 재활용했는가?
• 식물공장 가동 시 에너지를 절약할 수 있는 방법은 무엇인가?
• 식물공장으로 인해 해결되는 문제는 무엇인가?
• 식물공장으로 인해 야기되는 환경오염문제가 있는가?
창의적 설계
구술 평가에 대한 평가 요소 체크리스트
구술 평가 기준표
학생 자기/동료 평가 계획 평가기준
식물공장의 내부구조와 외부형태를 설계할 때 가장 중요하다고 생각하는 요소는 무엇인가?
식물공장 설계 시 식물이 생장할 때 필요한 요소(빛, 온도, 물, 무기양분)를 식물공장에 적합한 인공적인요소로 대체하였는가?
지역의 특성과 식물의 종류를 고려하여 식물공장을 창의적으로 설계했는가?
재활용품을 활용한 생활용품을 창의적으로 설계하였는가?
자신이 설계한 식물공장에 대해 자긍심을 갖고 있는가?
모둠별 활동 시 구성원으로서의 역할을 충실히 수행하였는가?
다른 사람을 설득할 수 있게 발표하는가?
경청 및 발표 태도는 바람직한가?
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융합적 사고 요소
이름
평가영역
융합적 사고
창의적 설계
감성적 체험
의사소통
창의적 설계 감성적 체험 의사소통
평가척도
상 중 하
평가기준
모둠별 활동 시 구성원으로서의 역할을 충실히 수행하였는가?
재활용품을 활용한 생활용품이 창의적이었는가?
식물공장의 설계과정에서 내부구조, 외부형태, 인공환경 조성을 위한 아이디어가 창의적인가?
여러 가지 과학적 원리를 잘 활용하기 위해 노력하였는가?
모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동적으로 활동이 이루어졌는가?
평가영역
감성적 체험 창의적 설계
감성적 체험 자기
평가
동료 평가
평가척도
상 중 하
식물공장 재배 계획 세우기
2
5-7차시 권장용 고등학교 교사용 교재 2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램
2014 융합인재교육(STEAM) 고등학교–설국열차 식물공장
식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기 (5~7차시)
주제 개요
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➊
식물공장(plant factory)은 지금까지 인류가 축적해 온 과학기술과 농업이 결합한 새로운 분야이자 기술이다.
식물공장은 시설 안에서 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 등 식물이 성장하는 데 필요한 환경을 인공적으로 제어하여 농산물을 생산하는 시스템이다. 식물공장에서는 날씨, 기온, 기상이변, 기후 등에 관계없이 1년 내내 안정적·계 획적으로 농산물을 생산할 수 있을 뿐 아니라 사막이나 극지 등 지역에 상관없이 식물을 기를 수 있다.
전 세계적으로 지구온난화, 기상이변, 기후변화 등으로 인하여 식량 생산에 차질이 발생한 가능성이 높아지고 있으며 이에 농산물 가격 급등과 같은 식량 관련 산업에 위험성이 증가하고 있다. 즉 이제 농업은 1차 생산만으 로는 한계가 있음을 의미한다. 이처럼 농업의 범위를 확장할 필요성이 늘어남에 따라 IT(정보통신기술), BT(
생명공학기술), IT-BT(융복합화 기술)을 융합하는 시도가 나타나고 있다. 이러한 시도의 대표적인 사례가 식 물공장이다.
식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있다는 장점 외에 LED 인공광원, 농업용 로봇, 생산 자동화시스템 기술 등 여러 과학과 기술이 복합체이다. 과학기술 분야의 최신 주요 이슈인 식물공장을 실생활 및 학교수업에 연계하여 학생들의 과학기술에 대한 흥미와 이해를 향상시키고 융합적 사고력과 문제해결력 향 상에 기여할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하였다.
고등학생용 식물공장 융합인재교육(STEAM) 프로그램의 테마는 <설국열차 식물공장>이다. 영화 <설국열차>
의 상황을 차용하여 탑승객을 위한 식량을 생산하기 위한 식물공장을 설계하고 식물 재배 계획을 세우며 작물의 생장조건을 고려하여 인공광원을 설계하고 애플리케이션으로 제어하는 활동을 구성하였다. 이러한 활동을 통 하여 생물(식물, 광합성), 물리(빛), 수학(식물의 생장조건 설계), 건축(식물공장 건축), 전자(애플리케이션), 미술(애플리케이션 화면 구성) 등 STEAM의 전 영역을 아우를 수 있게 하였다.
주어진 상황에 몰입하여 문제를 인식하고 문제해결 방안을 적극적으로 탐색할 수 있도록 제한된 상황, 즉 <설 국열차>를 제시하였다. 영화 <설국열차>는 지구온난화의 해결책으로 기대되었던 인공냉각제 CW-7의 대량 살 포 직후, 거대한 한파가 세계를 덮치면서 발생한 새로운 빙하기를 다루고 있다. 새로운 빙하기, 즉 설국에서 살아 남은 사람들이 탑승한 기차(설국열차) 안에 식물공장을 만들고, 식물을 재배하기 위한 양액 급수시스템과 조명 시스템을 설계하는 과정을 통하여 식물공장의 계획에서 운영에 이르는 전 과정을 학습하고 체험한다.
본 프로그램은 크게 3개의 단원으로 구성되어 있으며 ‘식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기’는 5~7차 시에 해당한다.
1-4차시
주제목표 : 달리는 열차 안에서 식물 기르기
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학습 목표
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생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하 며 이것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다. 설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많은 승객들 에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.
5~7차시
주제 목표 : 식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기
식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액(nutrient solution)에서 자란다. 양액 재배(nutriculture, nutri- ent solution)는 흙을 사용하지 않는 재배 방법으로 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율로 혼합하여 물에 용해 시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육환경을 인위적으로 조절한다. 식물공장 양액 급수시스템 방식을 결정하고 소형공작기계를 이용하여 식물공장 양액 급수시스템 모형을 제작한다.
8~10차시
주제 목표 : 식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기
설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성 장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사 람의 출입을 제한해야 한다. 센서, 인공광원, 인공광원 원격관리 애플리케이션이 필요하다.
내용 목표
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있다.
∙ 식물이 생장할 때 필요한 요소를 인공적인 요소로 대체하여 식물을 기를 수 있다.
∙ 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물공장을 양액 급수시스템을 설계하고 제작할 수 있다.
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아 낼 수 있다.
과정 목표
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아낼 수 있다.
∙ 과학 및 공학적 지식을 활용하여 다양한 해결 방안을 모색하고 문제해결 계획을 세운다.
∙ 문제 해결 과정으로서의 설계를 경험한다.
∙ 모둠 협동학습을 동하여 서로 배려하고 협력하는 태도를 기른다.
∙ 문제를 인식하여 과학적으로 탐구하고 공학적으로 구현하는 태도를 기른다.
∙ 효율적인 문제 해결 방안에 심미적 요소를 결합하는 경험을 갖는다.
➋
STEAM 과목 요소
STEAM 단계 요소
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□ 상황제시
식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액(nutrient solution)에서 자란다. 양액 재배(nutriculture, nutri- ent solution)는 흙을 사용하지 않는 재배 방법으로 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율로 혼합하여 물에 용해 시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육환경을 인위적으로 조절한다. 양액 재배는 식물 을 지지하는 방법 또는 영양액을 공급하는 방식에 따라 나눌 수 있다. 식물공장 양액 공수시스템을 설계하고 소형 공작기계를 이용하여 모형을 제작한다.
창의적 설계
문헌 및 인터넷 검색을 바탕으로 식물공장의 양액 급수시스템을 조사하고 식물의 생장조건과 영양분과의 관계를 고려하여 식물공장 양액 급수시스템 모형을 설계한다. 설계도를 바탕으로 소형공작기계를 이용하여 양액 급수시 스템 모형을 제작한다.
감성적 체험
식물의 생장조건과 영양분과의 관계, 효율성, 실현가능성 등을 고려하여 양액 급수시스템을 설계한다. 과학적·
기술적으로 효율적이면서 미적 요소도 만족시킬 수 있도록 양액 급수시스템을 설계하고 설계도에 맞춰 양액 급 수시스템 모형을 제작한다.
S 과학, 생명과학I, 생명과학II
T/E 기술/공학 A 미술 M 수학
과학 — 식량자원, 생명과학I — 생태계의 구성요소, 생명과학II — 광합성 식물의 영양학적 특성, 식물의 생장 조건
식물공장 양액 급수시스템 설계
식물 생육에 필요한 인공 환경의 적정성 도출, 식물 공장의 온도, 습도, 물 공급량 조도(광포화 점·보상점)를 고려한 식물의 재배 계획서 작성
➌
➍
지도안 총괄표
과목 총차시 단원
교육과정
학습목표
성취기준
핵심 성취 기준
성취 수준
과학 생명과학I 생명과학II 3
과학 생명과학Ⅰ 생명과학Ⅱ 과학
생명과학Ⅰ
생명과학Ⅱ
상
중
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➎
V. 인류의 건강과 과학기술 IV. 자연속의 인간 I. 세포와 물질대사
V. 인류의 건강과 과학기술 — 1.식량자원
1. 질소 고정의 의미와 비료의 생산, 농작물과 가축 개량을 위한 육종 과 유전공학 기술, 식품의 안전성과 품질 개선 기술 등 식량 자원의 양 과 질의 향상에 기여한 과학의 원리를 이해한다.
2. 식량 자원의 지속적인 개발 및 확보와 관련하여 생태계와 생물 다 양성의 가치를 이해하고, 종자은행의 중요성을 이해하며, 물의 소독, 살균, 세제의 사용이 인간 수명의 증가와 건강의 증진에 기여한 바 를 이해한다.
IV. 자연속의 인간 — 1.생물과 환경의 상호관계
1. 자연 속의 한 생물로서 인간이 갖는 환경과의 상호 관계를 생태계 차원에서 이해하고, 생태계 보전의 필요성을 안다.
Ⅰ. 세포와 물질대사 — 1. 세포의 특성
1. 세포의 물질대사가 효소를 이용한 화학반응에 의해 이루어지며, 이에 필요한 에너지 공급이 생체막을 통한 에너지 전환과 관련됨을 이해한다.
식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물의 특성과 생 장조건, 환경과의 관계를 파악하고, 이를 바탕으로 식물의 특성과 생 장 조건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형 을 제작할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환 경과의 관계를 파악하였으나, 이를 바탕으로 식물의 특성과 생장 조 건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제 1. 식물이 생장할 때 필요한 요소를 설명할 수 있다.
2. 식물이 생장할 때 필요한 요소를 인공적인 요소로 대체하여 식물을 기를 수 있다.
3. 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물공장을 설계하고 제작할 수 있다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제작할 수 있다.
1. 식물공장의 개념과 필요성을 이해할 수 있다.
2. 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 이해할 수 있다.
3. 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제 작할 수 있다.
1.식량자원
1. 생물과 환경의 상호관계 1. 세포의 특성
<상황 제시>
식물공장에 대하여 이해하고 식물공장 양액 급수시스템에 대하여 조사한다 (15분)(1/3차시)
주제 목표 : 식물공장 양액 급수시스템 설계 및 제작하기
S T E 식물공장의 식물은 흙이 아니라 물, 즉 양액에서 자란다. 양액 재배에서는 식물에게 필요한 양분을 적당한 비율로 혼합하여 물에 용 해시켜 배양액을 만든 뒤, 식물이 배양액을 잘 흡수할 수 있도록 생육 환경을 인위적으로 조절한다. 문헌 및 인터넷 검색을 통하여 식물공장 의 양액 급수시스템을 조사해보자.
1. 식물공장의 양액 급수시스템에는 어떤 방식이 있는가?
2. 식물공장에서 주로 사용하는 양액 급수시스템 방식은 무엇인가?
수업의 도입에서 식물공장 동영상을 시청하되, 학생들이 지루해하면 분량을 5분 내외로 축약할 수 있다.
식물의 생육에 필요한 영양(무기원소)과 양액
식물은 생존과 생육을 위하여 빛과 이산화탄소, 물 그리고 몇몇 필수 무기원소를 필요로 한다. 식물은 뿌리털로부터 흡수한 무기원소들은 식물의 물질대사 과정에 필수적인 요소로서 필수 무기원소들이 부족 하면 결핍증상을 나타내며 생존할 수 없다.
흐름
문제제시&
제작활동
하
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작하는 데 다소 미흡하다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환 경과의 관계를 파악하는 데 어려움이 있으며, 식물의 특성과 생장 조 건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제 작하는 데 미흡하다.
TIP
도움 닫기
학습자료(‣) 및 유의점(※)
※ 유의점
1차시를 시작하기 전에, 교사는 지도안 총괄표에 제시된 본 프로그램과 관련된 교과목과 단원, 교과내용을 학생들에게 반드시 알린다.
‣ <활동지2-1> 식물공 장의 양액 급수시스템
‣ 교사용 참고자료1 – 설국열차 상황 제시 영화 <설국열차>에서 설 국열차의 마지막 칸 승 객들의 상황을 나타내는 앞부분과 설국열차의 식 물공장을 캡처하여 약 5 분간 감상한다.
‣ 교사용 참고자료2 — 식물공장 사진 및 동영 상(농업진흥청 제공)
‣ 교사용 참고자료3 ― 원더풀 사이언스 : 미래 형 농업모델, 식물공장
‣ 교사용 참고자료4 — 새로운 성장동력, 식물 공장
‣ 교사용 참고자료5 — 식물공장의 정의
<창의적 설계> 식물공장 양액 급수시스템 모형 구상하기 (35분) (1/3차시)
T E A 조사한 내용을 바탕으로 식물공장 양액 급수시스템을 구상해 보자. 우리 모둠의 식물공장에는 어떤 양액 급수시스템이 적당할까?
1. 토론을 통하여 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 방식을 결 정하자.
2. 양액 급수시스템 모형을 그림으로 나타내보자.
모둠별로 토론이 활발하게 진행될 수 있도록 배려한다. 학생들이 자유 롭게 아이디어를 표현할 수 있도록 돕는다.
<창의적 설계> 식물공장 양액 급수시스템 모형 설계도 작성하기 (15분) (2/3차시)
흐름
문제제시&
제작활동
흐름
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‣ 교사용 참고자료7 ― 해외 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료8 ― 국내 식물공장 현황
‣ 교사용 참고자료9 ― 식물공장 전망
※ 유의점
학생들이 관련 자료를 찾기 전, 교사가 관련 자 료(읽기 자료, 시각 자 료)를 제시하여 이를 바 탕으로 학생들이 관련 정보를 확장하여 검색할 수 있도록 돕는다. 교사 가 활용할 수 있는 관련 자료는 교사용 지도서의 [교사용 참고자료]를 활 용할 수 있다.
‣ <활동지2-2> 우리 모 둠의 식물공장 양액 급 수시스템
‣ <활동지2-3> 우리 모 둠의 식물공장 양액 급 수시스템 평가
‣ <활동지2-4> 우리 모 둠의 식물공장의 양액 급수시스템 모형 구상안
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
TIP
문제제시&
제작활동
흐름
문제제시&
제작활동
흐름
문제제시&
제작활동
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TIP
TIP
TIP
S T E A M 식물공장 양액 급수시스템 모형을 제작하기 위하여 소형 공작기계를 사용할 것이다. 소형공작기계의 안전수칙과 사용법을 익 힌다.
1. 양액 급수시스템 구상안을 바탕으로 양액 급수시스템을 설계한다.
2. 설계도를 바탕으로 양액 급수시스템 모형을 제작해야 하므로, 치수 를 정확하게 기입해야 한다.
안전사고에 대하여 충분히 주의시킨다.
도움닫기 - 소형공작기계 유니맷(unimat)
고등학교 현장에서 가장 많이 사용하는 소형공작기계는 유니맷 제품 이다. 유니맷은 사용하기 간편할 뿐 아니라 안전성도 높은 편이다. 유 니맷 사용법은 유니맷 홈페이지(http://www.thecooltool.com/
en/videos)에서 문서와 동영상으로 제공받을 수 있다.
<창의적 설계> 식물공장 양액 급수시스템 모형 제작하기 (35분)(2/3차시)
S T E A M 설계도에 맞추어 양액 급수시스템 모형을 제작한다.
1. 소형공작기계를 이용하여 나무판을 마름질한다.
2. 마름질한 나무판을 조립하고 접착시킨다.
안전사고가 발생하지 않도록 주의시킨다.
<창의적 설계> <감성적 체험> 식물공장 양액 급수시스템 모형 완성하기 (30분) (3/3차시)
S T E A M 식물공장 양액 급수시스템 모형을 완성한다.
1. 식물공장 양액 급수시스템 모형의 구조를 완성한다.
2. 모형을 제작한 뒤 모형 겉면을 디자인한다.
3. 디자인이 맞추어 색을 칠한다.
4. 식물공장 양액 급수시스템 모형을 완성한다.
안전사고가 발생하지 않도록 주의시킨다.
‣ 활동지 2-5> 우리 모 둠의 식물공장 양액 급 수시스템 모형 설계도(
치수 기입)
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
‣ <활동지 2-5> 우리 모 둠의 식물공장 양액 급 수시스템 모형 설계도(
치수 기입)
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
‣ <활동지 2-5> 우리 모 둠의 식물공장 양액 급 수시스템 모형 설계도(
치수 기입)
‣ 교사용 참고자료 11~16 — 식물 생육에 필요한 요소①~⑥
도움 닫기
TIP
TIP
TIP
각각의 모둠원이 역할을 적당히 분배하여 수행할 수 있도록 돕는다.
<창의적 설계> <감성적 체험> 식물공장 양액 급수시스템 모형 발표하기 (20분) (3/3차시)
식물공장 양액 급수시스템 모형을 발표한다.
1. 우리 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형을 발표한다.
2. 다른 모둠의 식물공장 양액 급수시스템 모형을 평가해 보자.
모형의 특징과 장단점을 정리하여 발표하고 평가할 수 있도록 활동지 를 제공한다.
필요하면, 식물공장 양액 급수시스템의 중요성과 교사용 지도서 [부 록]의 식물공장 핵심 기술, [8~10차시]의 식물공장 관련 직업을 연 결하여 설명할 수 있다.
흐름
문제제시&
제작활동
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□ ‣ 활동지 2-6> 우리 모
둠의 식물공장 양액 급 수시스템 모형 발표
‣ <활동지 2-7> 모둠별 식물공장 양액 급수시스 템 모형 평가
‣ 교사용 참고자료4 — 새로운 성장 동렬, 식물 공장
평가 계획
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➏
성취기준
핵심 성취 기준
성취 수준
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제작할 수 있다.
1. 식물공장의 개념과 필요성을 이해할 수 있다.
2. 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 이해할 수 있다.
3. 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형 을 제작할 수 있다.
상
중
하
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식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관 계를 파악하고, 이를 바탕으로 식물의 특성과 생장 조건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수시스템을 설계하고 모형을 제작하였다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 파악 하였으나, 이를 바탕으로 식물의 특성과 생장 조건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수 시스템을 설계하고 모형을 제작하는 데 다소 미흡하다.
식물공장의 개념과 필요성을 이해하고 식물의 특성과 생장조건, 환경과의 관계를 파악 하는 데 어려움이 있으며, 식물의 특성과 생장 조건, 환경의 관계를 고려하여 양액 급수 시스템을 설계하고 모형을 제작하는 데 미흡하다.
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■
수행관찰 평가 계획
평가기록지 평가 영역 감성적 체험
창의적 설계
총평 평가항목 집중과 끈기
호기심과 자신감
창의성
해결방안 및 계획
문제해결 과정
산출물 도출
우수(A) 과제에 대한 집중력이 좋으며 과제를 끈기 있게 해결함 새로운 내용을 배우고 싶어 하 며 융합적 과제를 해결할 때 어 려워하지 않고 적극적으로 참 여함
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 두드러지게 나타남 식물공장의 개념과 필요성을 정확하게 이해하고 식물의 특 성과 생장조건, 환경의 관계를 파악하였음
식물의 특성과 생장조건, 환경 의 관계를 파악하고 그에 적합 한 재배 환경을 계획하였음
식물의 특성과 생장조건, 환경 의 관계를 파악하고 그에 적합 한 양액 급수시스템을 설계하 고 제작하였음
보통(B) 과제에 대한 집중력은 있으나 끈기가 부족함
새로운 내용에 대해 약간의 흥 미가 있으며 융합적 과제를 해 결할 때 어려워하지만 참여함
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 가끔씩 나타남
식물공장의 개념과 필요성을 정 확하게 이해하였으나 식물의 특 성과 생장조건, 환경의 관계를 다소 미흡하게 파악하였음 식물의 특성과 생장조건, 환경 의 관계를 파악하고 그에 따른 재배 환경을 계획하였으나 다 소 미흡하였음
식물의 특성과 생장조건, 환경의 관 계를 파악하고 그에 적합한 양액 급 수시스템을 설계하고 제작하는 데 다 소 미흡하였음
미흡(C) 과제에 대한 집중력과 끈기가 부족함
새로운 내용에 대해 흥미가 거 의 없으며 융합적 과제를 해 결할 때 어려워하고 참여하 지 않음
문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 거의 나타나지 않음 식물공장의 개념과 필요성을 정 확하게 이해하지 못하였으며 식 물의 특성과 생장조건, 환경의 관계를 미흡하게 파악하였음 식물의 특성과 생장조건, 환경 의 관계를 파악하고 그에 따른 재배계획서를 작성하였으나 매우 부족하였음
식물의 특성과 생장조건, 환경의 관 계를 파악하고 그에 적합한 양액 급 수시스템을 설계하고 제작하는 데 매우 부족하였음
감성적 체험 창의적 설계 총평
집중과 끈기 해결방안
및 계획 호기심과
자신감
문제해결
창의성 과정 산출물
도출 평가영역
이름
■ 면접 기록지
감성적 체험 융합적 사고
면접 기록지
면접대상 일시 면접계획 면접 목적 면접 진행 계획 등 면접내용 면접 과제 질문과 답변 학생 특성
평가결과 평가영역
교사총평
면접 후 학생의 변화
면접교사
( ) 학년 ( ) 반 이름 : 성별 : 2014년 월 일 : ~ :
• 식물공장에서 재배할 식물의 특성과 재배조건을 설명할 수 있는가?
• 식물의 생장과 영양분의 관계를 설명할 수 있는가?
• 식물의 생장에 필요한 조건(물)을 고려하여 양액 급수시스템을 설계할 수 있는가?
창의적 설계
구술 평가에 대한 평가 요소 체크리스트
구술 평가 기준표
학생 자기/동료 평가 계획 평가기준
여러 가지 식물의 특성과 생장 조건, 환경 사이의 관계를 이해하였는가?
식물의 특성과 생장 조건, 환경 사이의 관계를 고려하여 식물공장 양액 급수 시스템을 선택하였는가?
식물의 특성과 생장 조건, 식물공장의 환경을 고려하여 식물공장 양액 급수시 스템을 설계하였는가?
식물의 특성과 생장 조건, 식물공장의 환경을 고려하여 식물공장 양액 급수시 스템 모형을 제작하였는가?
식물공장 양액 급수시스템 모형을 발표할 때 효과적으로 설명하였는가?
경청 및 발표 태도는 바람직한가?
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융합적 사고 요소
이름
평가영역
융합적 사고
창의적 설계
감성적 체험
의사소통
창의적 설계 감성적 체험 의사소통
평가척도
상 중 하
평가기준
수업에 성실하게 참여하고 과제를 충실히 수행했는가?
식물의 생장조건을 고려하기 위하여 노력하였는가?
식물공장의 환경을 고려하기 위하여 노력하였는가?
식물의 생장 조건과 식물공장의 환경을 고려하여 식물공장 양액 급수 시스템을 작성하고 모형을 제작하였는가?
수업에 성실하게 참여하고 과제를 충실히 수행했는가?
평가영역
감성적 체험 창의적 설계
감성적 체험 자기
평가
동료 평가
평가척도
상 중 하
식물공장 재배 계획 세우기
2
5-7차시 선택용 고등학교 교사용 교재 2014 융합인재교육(STEAM) 프로그램
2014 융합인재교육(STEAM) 고등학교–설국열차 식물공장
식물공장 재배 계획 세우기 (5~7차시)
주제 개요
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➊
식물공장(plant factory)은 지금까지 인류가 축적해 온 과학기술과 농업이 결합한 새로운 분야이자 기술이다.
식물공장은 시설 안에서 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 등 식물이 성장하는 데 필요한 환경을 인공적으로 제어하여 농산물을 생산하는 시스템이다. 식물공장에서는 날씨, 기온, 기상이변, 기후 등에 관계없이 1년 내내 안정적·계 획적으로 농산물을 생산할 수 있을 뿐 아니라 사막이나 극지 등 지역에 상관없이 식물을 기를 수 있다.
전 세계적으로 지구온난화, 기상이변, 기후변화 등으로 인하여 식량 생산에 차질이 발생한 가능성이 높아지고 있으며 이에 농산물 가격 급등과 같은 식량 관련 산업에 위험성이 증가하고 있다. 즉 이제 농업은 1차 생산만으 로는 한계가 있음을 의미한다. 이처럼 농업의 범위를 확장할 필요성이 늘어남에 따라 IT(정보통신기술), BT(
생명공학기술), IT-BT(융복합화 기술)을 융합하는 시도가 나타나고 있다. 이러한 시도의 대표적인 사례가 식 물공장이다.
식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있다는 장점 외에 LED 인공광원, 농업용 로봇, 생산 자동화시스템 기술 등 여러 과학과 기술이 복합체이다. 과학기술 분야의 최신 주요 이슈인 식물공장을 실생활 및 학교수업에 연계하여 학생들의 과학기술에 대한 흥미와 이해를 향상시키고 융합적 사고력과 문제해결력 향 상에 기여할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하였다.
고등학생용 식물공장 융합인재교육(STEAM) 프로그램의 테마는 <설국열차 식물공장>이다. 영화 <설국열차>
의 상황을 차용하여 탑승객을 위한 식량을 생산하기 위한 식물공장을 설계하고 식물 재배 계획을 세우며 작물의 생장조건을 고려하여 인공광원을 설계하고 애플리케이션으로 제어하는 활동을 구성하였다. 이러한 활동을 통 하여 생물(식물, 광합성), 물리(빛), 수학(식물의 생장조건 설계), 건축(식물공장 건축), 전자(애플리케이션), 미술(애플리케이션 화면 구성) 등 STEAM의 전 영역을 아우를 수 있게 하였다.
주어진 상황에 몰입하여 문제를 인식하고 문제해결 방안을 적극적으로 탐색할 수 있도록 제한된 상황, 즉 <설 국열차>를 제시하였다. 영화 <설국열차>는 지구온난화의 해결책으로 기대되었던 인공냉각제 CW-7의 대량 살 포 직후, 거대한 한파가 세계를 덮치면서 발생한 새로운 빙하기를 다루고 있다. 새로운 빙하기, 즉 설국에서 살아 남은 사람들이 탑승한 기차(설국열차) 안에 식물공장을 만들고, 식물을 재배하기 위하는 과정을 통하여 식물공 장의 계획에서 운영에 이르는 전 과정을 학습하고 체험한다.
본 프로그램은 크게 3개의 단원으로 구성되어 있으며 ‘식물공장 재배 계획 세우기’는 6~7차시에 해당한다.
1-4차시
주제목표 : 달리는 열차 안에서 식물 기르기
생장 및 생리적 기능을 유지하기 위하여 인간은 인체가 합성하지 못하는 영양 성분을 음식물로부터 섭취해야 하
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학습 목표
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며 이것을 영양소라고 한다. 인체에 필요한 영양소는 탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민, 물이다.
설국열차 탑승객들은 검소한 식사와 단백질 블록, 식수를 통하여 영양소를 공급받고 있다. 그러나 근래 들어 많 은 승객들에게서 비타민과 무기질 부족 증상이 나타남에 따라 채소의 공급을 늘릴 필요가 발생하였다.
5~7차시
주제 목표 : 식물공장 재배 계획 세우기
매년 1월과 7월이면 설국열차에서는 탑승객들이 선호하는 농작물의 종류를 파악하기 위하여 ‘올해의 농작물’
설문조사를 실시한다. 과학자들과 농부들로 구성된 식물공장 전문가회의에서는 ‘올해의 농작물’ 설문조사 결과 를 바탕으로 탑승인원, 탑승객의 성별과 연령, 영양소 균형 등을 고려하여 한 해 동안 재배할 농작물의 종류와 양 을 결정한다. 식물공장에서 주로 재배하는 채소는 상추나 샐러리와 같은 잎채소류, 고추와 토마토 등 열매채소 류, 감자를 비롯한 뿌리채소류 및 버섯류 등이다.
8~10차시
주제 목표 : 식물공장 원격관리 애플리케이션 설계하기
설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성 장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사 람의 출입을 제한해야 한다. 센서, 인공광원, 인공광원 원격관리 애플리케이션이 필요하다.
내용 목표
∙ 식물공장 및 식물의 특성을 고려하여 식물재배 계획을 세우고 식물을 기를 수 있다.
∙ 광합성의 원리를 이해하고 설명할 수 있다.
∙ 광포화점과 보상점을 이해하고 이를 고려하여 식물을 재배 계획을 세울 수 있다.
∙ 광포화점과 보상점을 식물 재배에 활용할 수 있다.
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아 낼 수 있다.
과정 목표
∙ 자연환경에서 식물의 생육과정을 관찰하여 생장·개화·결실에 필요한 환경요소를 찾아낼 수 있다.
∙ 과학 및 공학적 지식을 활용하여 다양한 해결 방안을 모색하고 문제해결 계획을 세운다.
∙ 문제 해결 과정으로서의 설계를 경험한다.
∙ 모둠 협동학습을 동하여 서로 배려하고 협력하는 태도를 기른다.
∙ 문제를 인식하여 과학적으로 탐구하고 공학적으로 구현하는 태도를 기른다.
∙ 효율적인 문제 해결 방안에 심미적 요소를 결합하는 경험을 갖는다.
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