「「태양광 식물공장 태양광 식물공장

2014 학교급 : 초등 3~4학년 2014 학교급 : 초등 3~4학년 융합인재교육[STEAM] 구분 : 교사용 융합인재교육[STEAM] 구분 : 교사용 프로그램 프로그램

「 「 태양광 식물공장 _{태양광 식물공장} 」 」 에서 만난 에서 만난

녹색·에너지 전문가 녹색·에너지 전문가

<차 례>

1. 주제 개요 ··· 1

2. 학습 목표 ··· 3

3. STEAM 과목 요소 ··· 3

4. STEAM 단계 요소 ··· 4

5. 지도안 총괄표 ··· 5

6. 평가 계획 ··· 8

7. 학습 내용 ··· 10

문제상황제시〔모듈1〕 ··· 10

창의적 설계〔모듈1〕 ··· 13

창의적 설계〔모듈1〕 ··· 20

창의적 설계〔모듈2〕 ··· 29

감성적 체험〔모듈2〕 ··· 33

진로활동〔모듈3〕 ··· 38

교사용 교재

초등학교 3-4학년

STEAM ③ 태양광 식물공장

1. 주제 개요

영화 설국열차를 보면 열차 안에서 바닷 속 세계를 그대로 가져온 듯한 거대한 수족관은 물론 가축을 키우는 곳, 농사를 지을 수 있는 농장이 그대로 재현되어 있습니다. 그 중에서도 가장 놀라웠던 것은 열차 내부에 있었던 ‘농장(과수원)’입니다. 영화라서가 아니라, 유리온실도 아니 고, 햇볕도 들지 않는 실내에서 농사를 짓는 것이 현실에서 가능할까요?

불가능할 것 같지만, 현재의 기술로 햇볕이 들지 않는 실내에서 채소와 과일을 재배할 수 있습 니다. 이러한 시설을 ‘식물공장’이라고 합니다.

현재 전 세계 인구는 70억 명을 넘어섰다고 합니다. 이러한 증가세라면 2050년에는 90억 명에 도달한다고 하는데요. 자원과 물자는 한정되어 있고, 아니 오히려 줄어들고 있는 추세인데, 인 구는 점점 증가하고 있으니 이에 따른 문제들이 인류 미래에 심각한 위협이 되고 있는 상황입 니다. 가장 우려되는 위협 중에 하나가 바로 ‘식량난’입니다. 이미 지구상에서는 식량난으로 굶 고 있는 인구가 늘어나고 있는데요. 반면 현재 지구상에서 작농 가능한 경작지는 턱없이 부족 한 상황입니다.

이 문제에 대한 심각성을 인지한 전세계 식량 연구가들은 이를 타파하기 위한 방법으로 ‘식물 공장’을 지목합니다. 식물공장은 건물 내부에서 빛, 온도, 습도 등을 인위적으로 조절하고 토양 이 아닌, 수경재배를 통하여 작물을 경작하는 실내 농장입니다. 실내에서 경작을 위한 모든 제 반 환경이 자동적으로 조절되기 때문에 어떠한 지리적, 기후적 여건에도 농사가 가능하다는 장 점이 있으며, 건물의 층수를 높이면 그 만큼 경작지가 늘어나기 때문에 현재 가장 큰 문제점으 로 꼽혔던 경작지 한계를 보완할 수 있다는 강점이 있습니다.

여기서 식물공장의 핵심 개념을 정리하자면 다음과 같습니다.

1. 태양 대신 인공조명 사용 2. 흙 대신 배양액을 사용한 수경재배

3. 다수의 인력 대신 자동화된 시스템 이용한 재배

식물공장에는 그동안 식물을 재배하면서 더 많은 수확을 얻기 위한 인간의 고민과 그 문제 해결을 위한 의지가 고스란히 들어가 있습니다.

태양 대신 인공조명을 사용하겠다는 것은 시간에 따른 일조량의 영향으로부터 자유로워진다 는 의지를 가집니다. 이렇게 인공조명을 이용한다면 24시간 동안 식물을 자라게 할 수도 있는 것입니다. 문제는 이 인공조명을 사용하는 것이 경제적인 것은 물론 사회전반인 이득이 있어야 한다는 것입니다. 그래서 사람들은 조금 더 전력을 적게 사용하는 조명이 필요했습니다. 따라 서 인공조명도 다음과 같이 발전을 해왔습니다.

고압 나트륨 메탈헬라이드

‣

형광등

‣

LED (적색, 청색) 가장 초기에 사용하기 시작

한 인공 조명으로 수명이 길고 광원의 세기가 강하여 현재도 사용하는 곳이 있 다. 개방된 공간에서의 광 원으로 적합하다. 그러나 전력 소모량이 꽤 크다

일본에서 밀폐형 식물공장 에서 광원으로 이용하고 있 다. 수명이 8000시간 정도 로 식물공장의 광원으로는 긴 시간이 아니다. 현재 가 장 많이 이용되고 있다.

현재 가장 주목받는 광원으 로 원하는 파장의 빛만을 선별해서 광원으로 활용할 수 있으며 무엇보다 전력을 가장 적게 소모하고 수명이 영구적이라는 장점이 있다.

식물의 광합성 작용 원리를 살펴보면 다음과 같습니다. 물과 이산화탄소(^CO2)와 빛이 잎 속에 있는 엽록체에서 만나면 탄수화물과 산소가 생겨납니다.

물 + CO2 + 빛--->탄수화물(포도당->녹말로 합성)+산소





출처 : http://blog.naver.com/yoon2454?Redirect=Log&lo gNo=20199680577

여기에서 해당하는 빛에 해당하는 부분을 LED 조명으로 대체하고 그 에너지원으로서 태양광 을 이용하여 경제적 이득을 꾀하고자 하는 것입니다.

이 프로그램은 초등학교 3~4학년 과학 교과 ‘식물의 한살이’ 단원, 수학 교과의 ‘꺾은선 그래 프’ 단원, 미술 교과 ‘생활 속 미술의 발견’ 단원의 학습 내용과 관련되어 있으며 학생들이 ‘녹 색 에너지 전문가’로의 진로에 대한 관심과 흥미를 갖도록 하는 것을 목적으로 합니다. 따라서 오늘날 재생 에너지 전문가가 하는 일을 이해하며, ‘태양광 식물공장’을 만들어 봄으로써 녹색

에너지 전문가에게 필요한 역량을 무엇인지 탐색해 보고자 합니다. 그리고 자신이 가진 강 약 점과 길러야 할 능력을 생각하며 진로탐색을 시작할 수 있도록 구성하였습니다. 여기에서는 본 차시 이후에 본격적으로 이루어지는 녹색 에너지 전문가가 되어 탐구하는 활동에 관심과 흥미 를 가질 수 있도록 격려하는 것이 가장 중요합니다.

2. 학습 목표

- 식물공장이 필요한 이유를 알고 식량난 및 이상기후에 대한 해결책을 제시 할 수 있다.

- 에너지 효율이 뛰어난 식물공장을 설계 및 제작할 수 있다.

- 식물공장에 필요한 과학, 농학 지식을 설명할 수 있다.

- 전기회로의 구성 및 연결방법에 대해 이해하고 직접 구성할 수 있다.

- 빛의 합성에 대해 이해하고 설명할 수 있다.

○ 과정 목표

- 세계 식량난문제와 이상기후에 대처하는 우리의 자세를 설명할 수 있다.

- 문제해결의 상황을 파악하고, 각자에게 주어진 상황에 맞는 LED식물공장을 효율적이고 창의적으로 설계 및 제작할 수 있다.

- 식물의 성장과정과 환경을 조사함으로써 식물 성장의 기본 원리들을 알 수 있다.

- 모둠별 활동을 통해 농업이 가지는 직업으로서의 장점과 협동심을 기를 수 있다.

- 재배한 채소를 가지고 실제 식재료로 사용해 보며 흥미와 재미, 성공을 경험할 수 있다.

- 직접 기른 식물(채소)를 수확하는 기쁨을 느낄 수 있으며 농업 분야에 대한 긍정적 인 식이 생긴다.

3. STEAM 과목 요소

○ S : 식물의 광합성 기작, 병렬회로, 빛의 합성

○ T：식물공장의 설계 및 제작, 전기회로의 구성

○ A：창의적 식물공장 디자인, 국제적 식량난 해결책의 방법 제시

○ M：식물 성장 차트와 그래프 작성, 통계

○ E：식물생장의 원리, 채소 재배 방법

4. STEAM 단계 요소

○상황제시

‣ 이야기를 통한 상황 제시 : ‘태양이 이야기’ 내용 및 영화 설국열차 일부분 감상으로 식량 난으로 고생하는 사람들과 이상 기후, 에너지 절감 방안에 대한 구체적인 토의 진행

‣ 단계별 상황 제시 : 식량난에 대한 해결 방법 이후에 에너지, 생명 기술을 효과적으로 이 용하고 발전시켜 나가는 LED 식물공장, 직업으로서의 농업 소개

○창의적 설계

‣ 에너지 효율을 극대화한 식물공장 설계, 제작

‣ 식물의 대량, 미량 원소 공급을 원활히 할 수 있는 형태 설계 제작

‣ 태양광과 인공광을 적절히 배분하여 식물을 기를 수 있는 에너지 절감 식물 공장 설계, 제 작

‣ 모둠별 창의적 형태의 디자인을 가진 간이 식물공장을 제작

○감성적 체험

‣ 세계 식량난과 이상 기후에 대한 우리의 대처 방법과 자세를 토론 해 봄으로써 현실적으 로 느끼지 못하는 사회 문제와 미래 사회에 필요한 기술을 경험해 볼 수 있다.

‣ 도시에서 농업을 경험해 보지 못한 학생들이 자신이 먹을 수 있는 식물을 재배하는 도구 를 제작해 볼 수 있다.

‣ 식물공장의 조형적 형태 및 색을 통해 제작 의도와 감성을 전달할 수 있다.

‣ 실제 재배한 샐러드용 채소와 쌈채소를 이용하여 모둠별 활동을 진행 할 수 있다.

‣ 식물 재배에 대한 성공 경험을 통해 다양한 원예 활동에 대한 기대와 실제를 경험할 수 있다.

5. 지도안 총괄표

과목 과학 총차시 6

단원 식물의 한살이

교육과정

2009개정교육과정 초34학년군 과학-식물의 한살이

식물이 싹을 틔워 자라 꽃을 피우고 열매를 맺어 다시 씨를 만들기까지의 과정인 식물의 한 살이를 다룬다. 많은 식물들은 식물의 한 살이 과정을 통해 자손을 번식해왔으며 오랜 세월돤 식물의 한 살이 방식은 다양하게 변화해왔다. 따라서 다양한 식물의 한 살이를 통해 식물이 자 라고 그 생명이 연속하여 이어지고 있음을 이해하는 것은 중요한 학습목표이다. 이 영역에서는 식물을 기르면서 한 살이 과정을 관찰함으로써 식물의 싹트기와 생장에 따른 겉모습의 변화, 번식 방법 등을 이해하게 한다. 또한 풀과 나무 등 다양한 식물들을 비교 관찰함으로써 식물에 따라 한 살이 과정에 차이가 있음을 알게 한다.

[학습 내용 성취 기준]

가. 식물의 한 살이 관찰 계획을 세우고 그에 따라 식물을 기르며 관찰한다.

나. 여러 가지 씨앗을 관찰하여 공통점과 차이점을 찾고 싹이 트는 조건을 이해한다 다. 씨앗이 싹트고 자라서 꽃을 피우고 열매를 맺는 과정과 그에 따른 변화를 이해한다.

라. 여러 가지 식물의 한 살이를 비교하여 식물에 따라 한 살이의 유형이 다름을 안다.

(초등학교교육과정, 교육과학기술부고시 제2011-361호) 학습목표

1. 식량난, 이상기후 등 문제상황에 따른 해결방법을 찾을 수 있다.

2. 에너지 효율이 뛰어나고 친환경 에너지를 사용한 식물공장을 설계하고 만들 수 있다.

3. 태양광 발전 및 친환경 농업과 관련된 직업을 설명할 수 있다.

흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(‣) 및 유의점(※)

<상황 제시>

태양이 이야기 (40분) (1/6차시)



‣ 태양이 이야기를 통해서 식량부족, 에너지 부족 등의 문제에 대해 생각해보도록 한다.

Tip! 이야기를 읽으면서 지구촌에 발생하는 여러 문 제점들을 이해할 수 있도록 설명한다.

- 태양이는 어떤 고민을 겪고 있나요?

- 아프리카 지역의 식량난을 해결할 방법은 없을까 요?

- 식량난이 오게 된 원인은 무엇일까요?

아프리카 지역의 식량난과 관련된 이야기를 해결방법 을 고민해서 글로 적어봅시다.

‣ 태양이의 고민에 공감하면 식량난 해결 및 식물공 장의 효율적 사용에 관심을 갖게 될 것이다.

‣PPT 1

‣읽을거리 1

‣학습지 1

<창의적 설계>

태양광 식물공 장 구조 및 작 동원리 이해 (40분) (2/6차시)



‣ 태양이가 궁금해 하는 점 알아보기

- 태양광이 전기 에너지로 변하는 과정은 어떠한가?

- 태양광을 전기 에너지로 변화시키려면 구체적으 로 어떤 장치가 필요할까?

- 전기 에너지를 어떻게 빛 에너지로 바꿀 수 있을까?

- 태양광을 이용하는 것에는 무엇이 있을까?

‣ 태양광 식물공장에 대해 알아보기 - 태양광 식물공장의 의미 알아보기 - 태양광 식물공장이 필요한 이유 알아보기 - 태양광 식물공장의 종류 알아보기

- 태양광 식물공장 장치에 필요한 점 알아보기 - 태양광 전지판의 작동 원리 알아보기

- 적합한 조건과 효율성을 갖추어 각 부분을 조화 롭게 구성하여 태양광 식물공장의 형태를 만들기

‣PPT 2

<창의적 설계>

태양광 식물공 장 제작을 위 한 아이디어 탐색 및 설계 (40분) (3/6차시)



‣ 태양광 식물공장을 위한 재배조건 정리 - 빛의 합성 이해하기

- 식물생장에 필요한 환경 분석 및 재료 확인하기 ‣ 전기회로의 구성 이해하기

- 전기회로를 구성하는 전원, 도선, 부하에 대해 이 해하고 전압, 전류, 저항의 관계 이해하기

- 직렬연결 방법 알아보기 - 병렬연결 방법 알아보기 - LED에 대해 알아보기

‣ 태양광 식물공장 디자인 구성 및 설계하기 - 태양광 식물공장의 각 기능적 부분을 구분하기 - 각 기능적 부분을 재배치하며 설계하기 - 주어진 여건에 독창적인 조형미를 추구하기

‣활동지 1

‣활동지 1

<창의적 설계>

태양광 식물공 장 제작 (40분) (4/6차시)

 준비물을 꼼꼼히 확인하고 실제로 태양광 식 물공장을 제작하도록 한다.

‣ 설계한 내용과 준비물 비교하기 - 준비물 및 설계한 내용 확인하기 ‣ 태양광 전지판, LED 전구, 스위치 연결하기 - 연결 위치, 연결 순서 등 확인하기

- 전기테이프, 납땜 등의 방법으로 각각 연결하기 ‣ 식물공장 용기(나무, 플라스틱, 스티로폼 등)과 전 기회로 연결하기

- 태양광 전지판 및 각 부품의 적당한 위치 선정 하기

- 글루건, 테이프, 접착제 등을 이용해 식물공장 용기와 전기회로 연결하기

‣PPT 2

‣교사용 참고자료 2

<감성적 체험>

태양광 식물공 장 제작과정 및 산출물 평 가

(40분) (5/6차시)

● 태양광 식물공장을 전시하고 다른 친구들에게 자신이 만든 태양광 식물공장의 특징을 설명하며 자 기평가 및 상호평가를 실시한다.

‣ 태양광 식물공장 전시하기

- 자신이 만든 태양광 식물공장을 전시하고 발표한 다.

- 태양광 식물공장 재배 후 자기평가 및 상호평가 실시

- 태양광 식물공장 제작 활동에 대한 문제점 파악 및 해결과정 반성하기

- 태양광 식물공장 제작 및 식물재배를 통한 소감 문 작성하기

‣ 태양광 식물공장의 향후 재배계획 발표하기 - 식물공장 재배 관찰일지 안내

(자, 온도계, 사진촬영 등 활용)

- 매일 성장과정을 수치 및 그래프로 기록하기

‣자기평가지

‣상호평가지

‣재배일지

<진로 활동>

태양광 발전 및 친환경 농 업과 관련된 일과 직업카드 만들기 (40분) (6/6차시)



‣ 태양광 발전 및 친환경 농업에 대한 관심을 갖도 록 유도하고 관련 직업의 종류 및 하는 일에 대해 구 체적으로 조사하여 발표하도록 돕는다.

- 커리어넷, 워크넷, 잡피디아 등을 통해 태양광 발 전 및 친환경 농업과 관련된 일과 직업 조사하기 - 태양광 발전 및 친환경 농업과 관련된 관심있는 직업을 선택하여 직업카드 만들기

※컴퓨실 수업으로 조사하거나 과제로 제시하여 발표하도록 한다.

6. 평가 계획

▢ 수행․관찰 평가 계획 평가

영역 평가항목 우수(A) 보통(B) 미흡(C)

상황제

시 상황이해

상황에 대한 이해가 올바 르고 학문의 지식적 조사 가 풍부하며 해결방법의 제시가 보편 타당하다.

상황에 대한 이해가 있고 학문의 지식적 조사가 풍 부하나 해결방법의 제시가 빈약하다.

상황에 대한 이해가 부족하고 학문의 지식적 조사도 빈약하 고 해결방법의 제시가 적절하 지 않다.

창의적 설계

창의적인 디자인

창의적이고 고유한 디자 인 의도를 갖추고 있으며 적합한 특징을 보여주는 형태미를 추구하였다.

디자인 의도를 추구하였으 나 평범하고, 조형적으로도 평범하다.

디자인전개함에 있어 친구나 다른 여타의 의도와 형태를 그대로 따라서 적용했다.

스케치와 일치도

포트폴리오에 스케치 한 것과 같게 결과물을 완성 하였다.

포트폴리오에 스케치한 것 이 수정되어 결과물을 완 성하였다.

포트폴리오에 스케치 한 것과 결과물이 전혀 다르다.

포트폴리 오 완성도

주어진 시간 내에 포트폴 리오를 완성하고 성의있 게 작성하였다.

주어진 시간 내에 완성하 였으나 다소 내용이 부실 하다.

주어진 시간 내에 완성하지 못하였다.

감성적 체험

호기심과 자신감

새로운 내용을 배우고 싶 어 하며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하지 않 고 적극적으로 참여한다.

새로운 내용에 대해 흥미 를 보였으나 융합적 과제 를 해결할 때 어려워하며 참여한다.

새로운 내용에 대해 흥미가 거의 없으며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하고 참여하 지 않는다.

결과물 발표 및 관찰

결과물의 특징을 잘 설명 하고 식물재배과정을 잘 관찰하고 기록을 잘 하였 다.

결과물의 특징을 파악하고 설명하려고 노력하였고 식 물재배과정을 잘 관찰하였 다.

결과물의 특징을 잘 설명하지 못하고 식물재배과정에 관심 을 기울이지 않았다.

총평

▢ 평가기록지 평가 영역

이름

상황제시 창의적 설계 감성적 체험

총평 상황이해 창의적인

디자인

스케치와 일치도

포트폴리오 완성도

호기심과 자신감

결과물 발표 및 관찰

평가영역 평가기준 평가척도

상 중 하

융합적 사고

◆ 자신이 만든 식물공장과 햇빛, 물, 흙 등 실제 자연과의 관 련성을 정확하게 이해하고 있는가?

◆ 과학적 원리, 미술의 심미성, 수학적 설계 등을 충분히 고 려하고 있는가?

창의적 설계

◆ 태양광 식물공장을 창의적으로 설계하였는가?

◆ 태양광 식물공장에 관한 발명품 또는 아이디어가 창의적인 가?

감성적 체험

◆ 자신이 설계한 실험에 대해 자긍심을 갖고 있는가?

◆ 느낀 점 발표 시 타인의 의견을 경청하고 수용하는 태도를 지니고 결과물에 대해 다시 생각해보았는가?

의사 소통 ◆ 다른 사람을 설득 할 수 있게 발표 하였는가?

◆ 경청 및 발표 태도를 올바르게 갖추었는가?

▢ 구술 평가에 대한 평가 요소 체크리스트 요소

이름 융합적 사고 창의적 설계 감성적 체험 의사소통

▢ 구술 평가 기준표

▢ 학생 자기/동료 평가 계획 평가

방법 평가영역 평가기준 평 가

상 중 하

자기 평가

감성적

체험 ◆ 즐거운 마음으로 활동에 참여하였는가?

창의적 설계

◆ 태양광 전지, LED 등 전기 부품의 활용이 적절하였는 가?

◆ 태양광을 활용한 식물공장 아이디어가 창의적인가?

◆ 여러 가지 학습적인 요소를 생각하기 위하여 노력하였 는가?

동료 평가

감성적 체험

◆ 모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동적으로 활동이 이루어졌는가?

7. 학습 내용

〔모듈1〕

문제상황제시 화석연료 고갈, 환경오염, 에너지 부족, 식량부족 급증

차시 1/6

출처 : 문화체육관광부 한국정책방송원

1. 읽기자료(1)

일요일 저녁, 집에서 TV를 보던 태양이는 아프리카에서 먹을 것이 없어 굶어 죽어가고 있 는 사람들, 특히 어린 아이들에 대해 보게 되었다. 자기보다 훨씬 어린 아이들과 아기들이 언젠가 박물관에서 봤던 미이라처럼 앙상하게 말라 있었다. 그리고 그 아이들이 며칠 동안 더 먹을 것을 먹지 못하면 다른 아이들처럼 굶어죽게 될 것이라고 했다.

얼마 전 추석에 시골에 계신 할아버지 댁에 다녀온 태양이는 농사를 짓고 계시는 할아버 지를 생각했다. 태양이의 할아버지는 벼농사와 여러 가지 채소를 기르고 계시는데 채소들은 유리로 된 온실에서 재배를 하고 계셨다. 태양이는 TV를 보고 생긴 궁금증에 할아버지에게 전화를 걸어 여쭈어보기로 했다.

“여보세요? 할아버지 저 태양이에요.”

“그래, 태양아. 무슨 일이니?”

“궁금한 게 있어서 전화드렸어요. TV에서 먹을 것 이 없어서 굶어죽는 아이들을 봤거든요.”

“그래, 할아버지도 가끔 TV에서 먹을 것이 없어 굶어죽는 그런 방송을 몇 번 본 것 같구나. 태양이 가 많이 안타까웠겠구나.”

“네, 할아버지. 그래서 갑자기 할아버지가 농사짓고 계신 게 생각나서 여쭤보고 싶은 게 있어요.”

“그래, 궁금한 게 있으면 무엇이든 물어보렴.”

“할아버지는 농사를 지으시잖아요. 그런 것처럼 굶어죽는 아이들이 많은 나라에서도 농사를 지으면 될 텐데 왜 굶어죽는 아이들이 생기는 걸까요?”

“그 나라마다 사정이 있기는 하겠지만 농사를 짓는 데에는 여러 가지가 영향을 끼친단다.

그 중에서 가장 중요한 것이 자연이지. 비가 너무 많이 오거나 적게 와도 작물이 자라지 않 고, 온도도 작물이 좋아하는 온도여야 하지. 그리고 습도나 땅의 성분도 중요하단다.”

“그럼 그런 나라들은 계속 농사를 지을 수 없는 건가요?”

“태양아, 할아버지가 채소를 어디에서 기르고 있는지 알지? 할아버지가 사용하고 있는 온실 이나 비닐하우스 같은 것들은 그런 자연환경의 변화에도 작물을 잘 기르게 하기 위한 거란 다. 요즘은 온도, 습도, 빛 같은 것들도 작물에 맞게 잘 조절할 수 있지.”

“그럼, 왜 그 나라들은 작물을 잘 기르기 위한 시설을 만들지 않을까요?”

“온도나 습도, 빛 같은 자연환경을 조절하기 위해서는 많은 연료가 들기 때문이란다. 할아 버지가 사용하는 시설도 간단한 시설이지만 온도나 습도를 조절하기 위해서 많은 연료를 사용하고 있지. 특히 겨울에는 난방비 걱정이 많이 된단다.”

“아, 그렇군요. 할아버지 고마워요. 궁금증이 많이 풀렸어요.”

태양이는 궁금증은 풀렸지만 TV에서 본 그 아이들을 도와줄 방법이 없어서 안타까웠다.

2. 지구가 만약 100명의 마을이라면 동영상 보기(PPT 1) (주소 : http://www.youtube.com/watch?v=mglPZ7KALhY)

3. 기아문제와 관련한 그림 자료 보기(PPT 1)

학습지 (1) 생각하고 말하고 글쓰기

학년 반 번 이름 :

① ‘지구 가 100명의 마 을 이라 면’을 시 청하 고 어떤 생 각 이 들 었 나요 ?

② 식 량 난의 이 유는 무 엇일 까 요?

③ 태양이가 생각하는 식량난을 해결하는 방법은 어떤 것이었나요?

④ 이상기후와 식량난에 대해서 자신이 생각하는 가장 좋은 해결 방법을 써 보세요.

〔모듈1〕

창의적 설계 태양광 식물공장 제작을 위한 구조 및 작동원리 이해

차시 2/6

1. 무엇이 문제일까?

태양이는 할아버지와 통화를 끝낸 뒤에도 며칠 동안 계속 그 방송이 생각났다. 어떻게 하면 그 아이들을 도와줄 수 있을까? 하고 생각을 하며 고민했지만 잘 생각이 나지 않았다. 태양이 는 할아버지의 설명을 듣고 나서 어떤 시설을 사용하면 될 것 같았는데 그 다음에 어떻게 해 야할지 알지 못했다. 그래서 태양이는 일단 선생님에게 도움을 청했다. 선생님은 태양이의 이 야기를 모두 듣고 나서 몇 가지 조언을 해 주셨다. 우선 연료와 비용 문제를 해결하기 위해서 는 친환경 에너지인 태양광 에너지가 좋겠다고 말씀하셨다. 태양광 에너지를 이용할 수 있는 태양광 전지에 대해서 자세히 알아보는 것이 좋겠다고 하셨고, 이 때 발생한 전기의 힘을 어떻 게 이용해서 식물을 잘 자라게 할 것인지 작동원리를 잘 따져보아야 한다고 말씀하셨다.

그리고 태양광 전지의 효율에 대해서도 고민해보는 것이 좋겠다는 의견도 말씀하셨다. 태양이 는 태양광 식물공장을 만들어 본다는 기대도 컸지만 잘 만들 수 있을까? 하는 걱정도 함께 생 겼다.

태양이의 궁금한 점?

첫째, 어떤 원리를 통해 태양광이 전기 에너지로 바뀌는가?

둘째, 태양광이 전기 에너지로 바뀌는 원리를 실현하기 위해 구체적으로 어떤 장치가 필요한 가?

셋째, 태양광을 통한 전기 에너지를 어떻게 빛 에너지로 바꿀 수 있는가? 또 식물 공장의 형 태나 모양을 어떻게 만드는 것이 좋은가?

2. 어떻게 풀어갈까?

▶ 태양광 이용 기술

태양광 발전은 태양의 빛에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전기술이다. 햇빛을 받으면 광 전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식이 대표적이다.

태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성되어 사용되지만 태양전지만 사용되기도 한다.

▶ 태양 전지에 의한 발전 원리

-태양 전지

태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 PN접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것을 말한다. 금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 PN접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있다.

-PN접합에 의한 발전원리

태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스 럽게 개발되었다. 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반 도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계 부분을 PN접합(PN-junction)이라 말 한다.

이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가 지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖 는 입자(정공, 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도 체쪽으로, 정공(+)은 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리이다.

▶ PN 접합에 의한 태양광 발전의 원리

발전원리 1단계 : P형과 N형 두 실리콘 반도체 층이 형성되는 태양전지의 구조

대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론 (boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실 리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어진다. 이 PN접 합에 의해 전계(電界)가 발생한다.

발전원리 2단계 : 태양전지에 빛 입사

이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 된다.

발전원리 3단계:전류발생

자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들 어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 된다.

P형 반도체와 N형반도체 표면에 전극을 형성하여 전 자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생된다.

3. 식물 공장의 정의

기술은 인간의 필요와 욕구를 충족시키기 위해서 주변의 자원들을 이용하여 대상물을 설계하 고 생산하며 활용하는 지식과 행위를 말한다. 그 만큼 기술에는 이제까지 이루어지지 않았던 것이나 불편했던 점들을 해결하려고 하는 인간의 굳은 의지가 표출되는 활동이라 말할 수 있 을 것이다. 유독 이러한 인간의 의지가 꺾여왔다거나 성장이 더딘 분야가 있었다고 하면 이 생 명기술 분야가 아닌가 싶다. 다른 기술과 다르지는 않지만 생명기술은 왠지 모르게 자연의 거 대한 힘 앞에 기를 못 펴고 있었던 것이 사실이었다. 물론 최근에 와서는 가장 연구가 활발하 게 이루어지고 있는 분야이기도 하지만 내용이 매우 전문적이고 복잡한 것들이 많아 학생들에 게 전달하기 매우 어려운 내용들이 많은 것이 사실이다. 이에 식물공장이란 개념은 학생들에게 아주 친숙하게 다가갈 수 있는 주제가 아닌가 싶다.

농업 분야는 이제까지 계절과 시간의 제약을 어느 것보다 많이 받아왔다. 때문에 이 자연의 힘을 극복하고자 했던 인간의 욕구는 끊임없이 이 문제를 해결하기 위해 노력해 왔을 것이다.

일조량이 적어 작물 재배가 어려웠던 북유럽 지역에서는 일찍이 식물공장과 관련한 연구가 활발히 진행되었다고 한다. 1957년 덴마크 크리스텐센 농장에서는 고압 나트륨 램프를 이용하 여 새싹 채소를 대량 수확했다. 이때부터 식물공장에 대한 인간의 본격적인 성과가 나타아기 시작하여 1970년대에 와서 컴퓨터로 제어되는 본격적인 식물공장이 등장하여 오늘날에 이르고 있다.

식물공장의 정의는 ‘태양대신 인공조명 LED를 사용하고 흙 대신 배양액을 사용하면서 다수의 인력의 노동대신 자동화된 기계시스템을 이용해서 컴퓨터 제어, 계측 등 광범위한 첨단 과학기 술을 이용한 시스템’ 이다. 여기서 식물공장의 핵심 개념을 정리하자면 다음과 같다.

1. 태양 대신 인공조명 사용 2. 흙 대신 배양액을 사용한 수경재배

3. 다수의 인력 대신 자동화된 시스템 이용한 재배

식물공장에는 그동안 식물을 재배하면서 더 많은 수확을 얻기 위한 인간의 고민과 그 문제 해결을 위한 의지가 고스란히 들어가 있다.

태양 대신 인공조명을 사용하겠다는 것은 시간에 따른 일조량의 영향으로부터 자유로워진다 는 의지를 가진다. 이렇게 인공조명을 이용한다면 24시간 동안 식물을 자라게 할 수도 있는 것 이다. 문제는 이 인공조명을 사용하는 것이 경제적으로 이득이 있어야 한다는 것이었다. 그래 서 사람들은 조금 더 전력을 적게 사용하는 조명이 필요했다. 따라서 인공조명도 다음과 같이 발전을 해왔다.

고압 나트륨 메탈헬라이드

‣

형광등

‣

LED (적색, 청색) 가장 초기에 사용하

기 시작한 인공 조 명으로 수명이 길고 광원의 세기가 강하 여 현재도 사용하는 곳이 있다. 개방된 공간에서의 광원으 로 적합하다. 그러 나 전력 소모량이 꽤 크다

일본에서 밀폐형 식 물공장에서 광원으 로 이용하고 있다. 수명이 8000시간 정 도로 식물공장의 광 원으로는 긴 시간이 아니다. 현재 가장 많이 이용되고 있 다.

현재 가장 주목받는 광원으로 원하는 파 장의 빛만을 선별해 서 광원으로 활용할 수 있으며 무엇보다 전력을 가장 적게 소모하고 수명이 영 구적이라는 장점이 있다.

수경재배란 흙을 사용하지 않고 물과 수용성 영양분으로 만든 배양액 속에서 식물을 키우는 방법을 말한다. 흙 대신 배양액을 이용한 수경재배를 한다는 것은 식물에게 꼭 필요한 것만을 제공하여 인간의 기호에 맞는 식물을 생산하겠다는 의지가 담겨 있다. 마치 아이에게 꼭 필요 하고 건강에 좋은 음식만을 먹이겠다는 어머니의 마음을 보는 것 같다. 흙은 재배 후에 기력이 쇠하고 지속적으로 재배를 하는 것이 불가능하다. 또한 식물을 인간이 원하는 상태로 만들기 위해서 원하는 요소의 양분만을 흡수하게 해야 하는데 흙 안에 원하는 요소만 있도록 하기란 쉽지 않을 것이다. 따라서 수경 재배는 원하는 대로 식물의 상태를 만들기 위한 가장 적합한 방법이라고 할 수 있겠다. 그러나 장점만 있는 것은 아니다 수경재배는 물위에서 키우는 방법 인 만큼 흙속에 있는 유용한 미생물이 없어 완충효과가 떨어진다. 또한 병원균이 직접 뿌리에 달라붙을 수 있어 위생 관리가 철저하지 못할 경우 짧은 시간 안에 균이 대량으로 전파될 수 있다.

다수의 인력 대신에 자동화 시스템을 이용하겠다는 것은 편하게 일하고 싶은 인간의 욕구와 함께 사람이기에 정확하게 관리해줄 수 없는 측면을 컴퓨터와 기계의 힘을 빌려 실현하겠다는 의지라고 할 수 있겠다. 식물 공장의 가장 큰 목적은 식물을 같은 기간 안에 대량생산하여 많 은 수익을 내겠다는 것이다. 따라서 인건비를 줄일 수 있는 자동화 시스템은 식물 공장에 있어 필수적인 요소이다. 그러나 아직까지는 초기 투자비용이 아주 많이 들어 쉽게 시작하기 어려운 사업이다.

4. 식물공장의 종류

식물 공장은 다음과 같은 구성 요소를 가진다.

태양을 대신 할 인공조명

흙을 대신 할 배양액 온도 습도 조절

에어컨 이산화탄소 농도

를 조절하는 장치

모든 것을 자동 제어할 컴퓨터

출처: EBS 원더풀 사이언스

이러한 요소를 갖추고 있는 식물공장은 그 운영 형태에 따라 크게 두 가지로 분류한다. 첫째로 태양광 이용형이 있다. 이 방법은 초기 북유럽에서 시작된 방식으로 낮에는 태양광을 조여주고 밤에는 인공조명을 이용하여 광합성을 시켜주는 방식이다. 이 방법은 태양광을 받아 야 하기 때문에 식물들이 단층으로 넓게 분포해 있어야 한다. 따라서 넓은 재배면적을 필요로 한다. 재배면적이 넓으면 그만큼 관리와 운용에 있어 많은 비용이 들어간다.

둘째로 밀폐형 식물공장이 있다. 이것은 1970년대부터 일본에서 본격적으로 시작한 형태로 24시간 밀폐된 공간에서 인공조명만으로 식물을 재배하는 방법이다. 항상 인공조명을 이용하면 복층구조로 시설을 갖출 수 있어 좁은 면적에서도 많은 양을 재배할 수 있는 장점이 있다. 24 시간 인공조명을 비추어 주기 위해서는 전력을 적게 소모하는 방법을 찾아야 하며 자동으로 시설을 꾸준히 관리해주고 제어해줄 시스템의 구축이 필요하다.

5. 새로운 인공조명 LED

이제까지 식물공장의 광원은 형광등이 가장 많이 이용되어 왔지만 최근에 와서 LED의 이용 이 점차적으로 증가하고 있는 추세이다. LED의 장점들이 그만큼 식물공장의 환경과 적합하다 고 할 수 있겠다. LED가 인공조명으로서 가지는 장점들은 다음과 같다.

첫째로 수명이 길다. 형광등의 수명이 8천 시간에서 1만 시간 정도인데 비해 LED는 적절하게 이용만 하면 수만 시간을 이용할 수 있어 그 이용 시간이 영구적이라 할 수 있다.

둘째로 단일 파장의 빛을 낼 수 있어 식물의 광합성에 가장 필요한 빛의 파장만을 쪼여 줄 수 있다는 장점이 있다. 광원의 파장에 대한 실험 결과에서 식물은 대부분이 적색과 청색의 파 장에서 광합성이 가장 잘 된다는 결과가 나왔다.

출처 : EBS

최근 흥미로운 연구결과는 광원의 파장에 따라서 식물체의 성장 속도와 조건이 달라진 다는 것이다. 상추를 재배하는 과정을 예로 들면 초기에는 적색광을 주로 이용하였는데 적색광은 상 추의 단맛을 강하게 해주고 저작감 즉, 씹는 느낌을 부드럽게 해준다고 한다. 반면 청색광을 내는 LED가 등장하면서 청색을 실험에 투입한 결과 청색은 생장 속도가 가장 빠를 뿐 아니라 쓴맛이 강하고 기능성 물질이 풍부한 결과를 얻었다. 가장 밭에서 기르는 상추와 비슷한 맛을 내려면 적색과 청색이 6:1 정도의 비율을 갖고 같이 사용되는 것이 좋다는 연구 결과도 나와있 다. 즉, LED는 단일 파장의 빛을 낼 수 있기 때문에 얼마든지 원하는 식물의 조건을 조절할 수 있다는 유용성을 갖는다고 할 수 있다.

셋째로 LED는 적은 소비전력으로 광원의 역할을 충실히 수행할 수 있다. 24시간 인공조명을 내야하는 식물 공장에서는 전력을 적게 소비하는 광원이 절실하게 필요했었다. LED는 적은 전 기로도 빛을 낼 수 있는 반도체 소자로 형광등을 대체할 수 있는 가장 효율적인 광원체이다.

하지만 인공조명으로 사용될 수 있는 LED는 신호등 같은데 사용되는 것과는 다른 종류이고 그 가격이 비싸 경제적으로 수지가 맞는지에 대해서는 아직까지 신중한 눈치다.

6. 식물공장 관련한 동영상 보기

가. 뉴스(김포 식물공장)

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=214&aid=0000236404

나. 원더풀 사이언스(미래형 농업모델, 식물공장) 1) http://tvcast.naver.com/v/247134/list/23763 2) http://tvcast.naver.com/v/247135/list/23763 3) http://tvcast.naver.com/v/247136/list/23763 4) http://tvcast.naver.com/v/247137/list/23763 5) http://tvcast.naver.com/v/247138/list/23763

다. LED 식물공장, 식물의 생육을 결정하다.

http://tvcast.naver.com/v/116263

라. 식물공장 착공

http://www.tagstory.com/100442462

〔모듈1〕

창의적 설계 태양광 식물공장 제작을 위한 아이디어 탐색 및 설계

차시 3/6

1. 식물공장과 광합성

식물공장은 좁은 면적에서 식물을 짧은 기간 내에 대량생산하여 수익을 극대화 하기 위한 목 적이 있기 때문에 광합성과는 매우 밀접한 관련성을 가진다. 식물공장의 모든 시설은 ‘어떻게 하면 광합성을 가장 최적화 시키며 식물이 자라도록 할까’에 모든 관심과 연구의 초점이 맞추 어져 있다고 해도 과언이 아니다. 광합성이란 대기 중의 이산화탄소에 포함되어 있는 탄소를 유기물로 만들어 식물의 생장에 이용한다.

식물의 광합성 작용(출처: 삼성엔지니어링 꿈나무 교실)

<광합성에 필요한 요소>

물

물은 광합성에 절대적으로 필요합니다. 물과 이산화탄소가 기본원료인 셈입니다. 물은 뿌리로부터 흡수되어 잎까지 전달되고, 광합성뿐만 아니 라 만들어진 영양분을 전달하기도 합니다.

이산화탄소 이산화탄소는 대기 중에 항상 일정량이 존재하고 있으므로 잎에 난 기 공을 통해 흡수해서 사용합니다.

엽록체

물과 이산화탄소가 빛을 받아 광합성작용이 일어나는 곳이 바로 엽록체 입니다. 전자현미경으로 관찰하면 구조가 복잡하게 되어 있음을 알 수 있습니다.

빛

식물은 반드시 빛이 있어야 광합성을 통해 양분을 만들어 낼 수 있습니 다. 빛을 받지 못한 식물은 녹말을 만들어 내지 못하며 빛의 종류는 햇 빛 이외에도 다양한 빛에서 광합성 반응을 보입니다.

광합성에 영향을 미치는 요인(출처:Encyber)

식물마다 잘 자랄 수 있는 온도가 다릅니 다.

온도가 높아지 면 광합성의 양도 많아지지 만 어느 정도 이상으로 올라 가면 더 이상 많아지지 않습 니다.

학습지 (2-1) 식물에 필요한 요소가 없다면?

학년 반 번 이름 :

왼쪽에 예쁜 꽃이 심어져 있어요. 이 식물이 잘 자라려고 광합성을 하려면 필요 한 것들이 있는데 만약 이것이 부족하면 어떻게 될까요?

한 번 상황에 맞게 그려봅시다.

그림에 자신이 없으면 글로 써도 됩니다.

물이 부족 하면 식물 이 어떻게 될까?

햇빛이 부 족하면 식 물이 어떻 게 될까?

이산화탄소 가 부족하 면 식물이 어떻게 될 까?

2. 식물의 광학성 원리 알아보기

학습지 (2-1) 식물의 광합성 원리 알아보기

학년 반 번 이름 :

*다음 그 림은 식물 의 광합 성 을 나타 낸 그 림 입니 다 . 그 림 을 잘 보고 빈 칸에 들어 갈 말 을 생 각해 보 세 요.

1. ( )

우리 지구에 큰 에너지를 끊임없이 전해주고 있어요.

2. ( )

1번은 우리 지구에 열과 이것을 주고 있어요. 이것 때문에 낮 동안 우리가 밝게 지낼 수 있어요.

3. ( )

식물 잎에 있는 작은 구멍이에요. 이 구멍에서 광합성이 일어나지 요.

4. ( )

우리가 내쉴 때 나오는 기체인데 공기 중에 많이 들어있어요. 그게 식물의 잎에 있는 3번으로 들어가서 광합성이 일어나요.

5. ( )

땅 속에 있는 이것이 식물 뿌리와 줄기를 통해 잎으로 가서 광합 성을 하게 되지요.

학습지 (2-2) 식물의 광합성 원리 알아보기

학년 반 번 이름 :

1. 식물의 영양분 만들기

식물이 자라는 데 필요한 영양분을 만드는 일을 ( ) 이라고 해요. 식물의 잎에는 엽록체라는 것이 있고, 엽록체에는 초록 색 색소인 엽록소가 있어요. 그래서 식물의 잎이 초록색으로 보이지 요. 이곳에서 물, 이산화탄소, ( )을 가지고 영양분을 만들어 요.

2. 광합성에 필요한 물은 어디에서 올까요?

( )에서 물을 흡수해서 잎맥까지 연결되어 있 는 물관을 통해 잎까지 운반돼요.

3. 광합성에 필요한 이산화탄소는 어디에서 올까요?

잎의 뒷면에 있는 ( ) 이라는 작은 구멍들을 통해 이산 화탄소가 식물 안으로 들어와요. 이 구멍들은 광합성으로 만들어진 산소가 나가는 길도 돼요.

4. 식물의 광합성

식물은 광합성을 하면서 기공을 통해 ( )를 흡 수하고, ( )를 내보내요. 식물이 만들어 내 는 ( )가 없으면 사람도, 동물도, 식물도 살 수 없어요.

5. 식물이 잘 자라려면 어떤 것들이 필요할까요?

가. 직렬 연결 ㉠ 저항을 한 줄로 연결하는 방법

㉡ 회로의 각 저항에 흐르는 전류는 모두 같다.

I =I= I= _



 

= _





㉢ 각 저항에 걸린 전압은 저항의 크기에 따라 달라짐.

V = V1+V2 = IR + IR = I(R+R )

㉣ 합성저항 : 여러 개의 저항을 하나의 저항으로 환산한 값 R = R ＋ R

나. 병렬연결 ㉠ 저항을 나란히 연결하는 방법

㉡ 각 저항에 걸리는 전압은 모두 같다

㉢ 흐르는 전류는 저항의 크기에 반비례하여 나누어 짐.

I = I1 + I2 ( I1 = _

 , I2 = _

 )

㉣ 합성저항 : 합성저항의 역수는 각 저항의 역수의 합이 된 다.



 = __

 ＋ __

 다. 발광다이오드(LED)

LED는 다른 일반적인 다이오드와 동일하게 극성을 가지고 있다.

극성 판별법

㉠ 다이오드의 두다리 중 긴다리가 +극

㉡ 다이오드를 뒤집어 머리부분을 아래쪽으로 보게 되면 정 원이 아니라 잘린 부분이 있다. 이 잘린 쪽이 -극

㉢ 다이오드 머리 속을 보면 일자 부분과 ㄱ자로 꺽인 부분 이 있다.

일자부분이 +극, ㄱ자 부분이 -극.

1) LED의 특징

가) 발광효율이 높고 저전류에서 고출력을 얻을 수 있다.

나) 응답속도가 빠르다.

다) 소용량, 긴 수명을 가지고 있고 소비 전력이 적다.

라) 작동 온도범위가 –200℃-200℃로 극단적인 곳에 사용이 가능하다.

마) 다양한 색상을 연출할 수 있다.

3. 전기전자의 이해(출처:기초 전기회로 직류 직렬 병렬 편)

출처:고려대 물리전자재료 연구실 2) LED의 원리

LED의 발광 원리는 1907년 반도체에 전압을 가했더니 빛이 나오는 것이 관측되면서 발견되었다.

LED는 PN 접합 구조의 반도체로 이루어져 있다. LED에 순방향 전압을 가하면 PN접합 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 재결합하게 되는데 이 때 전자와 정공은 높은 에너지에서 낮은 에너지로 바뀌게 된다. 전자와 정공의 재결합 시에 발생되는 에너지 차이가 광자, 즉 빛으로 방출되는 것이 다.

라. 스위치(3핀 슬라이드 스위치)

일반적으로 수업시간에 많이 사용되는 3핀 슬라이드 스위치 의 연결 방법은 3핀중 가운데 핀은 꼭 연결이 되어 있어야 하며, 양쪽 핀 중 마음에 드는 핀 하나만 연결하면 된다. 슬 라이드를 조작할 때 전선이 두 개다 연결된 부위가 ON, 전 선연결이 안된 쪽이 OFF.

4. 태양 전지의 생산 과정 알아보기

1. 폴리실리콘 -태양전지의 원료

-일반실리콘에 비해 빛에 잘 반응한다.

2. 잉곳/웨이퍼

-폴리실리콘을 녹여서 기둥모양의 덩어리(잉곳) 으로 만든 뒤 이것을 얇게 잘라 웨이퍼를 만든다.

3. 셀(태양전지)

-빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 일종의 반도체 -윗면과 아랫면의 전극이 달라 전류가 흐를 수 있다.

4. 모듈

-셀이 모여서 만들어진 판

-먼지 등으로부터 셀을 보호하기 위해 유리로 덮 는다.

5. 시스템

-여러개의 태양광 모듈 및 인버터 등의 전자기기 들이 연결된 발전 시스템

5. 완성된 모습 상상하여 스케치하기

학습지 (3) 태양광 식물공장 완성된 모습 그리기

학년 반 번 이름 :

* 아래에 완성될 태양광 식물공장의 겉모양을 그려보세요 * 되도록 선마다 길이를 표시해요!

① 스펀지 윗 쪽에 칼집을 내고 그 틈에 핀셋을 이용 하여 상추 씨앗을 넣는다.

※상추재배조건 : 서늘한 기후를 좋아함.

15℃~25℃ 최적조건임.

저온(8℃)에서는 성장이 더딤.

30℃ 이상 싹트기 어려움.

〔모듈2〕

창의적 설계 태양광 식물공장 제작

차시 4/6

가. 준비물 소개

재료 및 공구 수량 재료 및 공구 수량 플라스틱 용기 2개 전기테이프 1개 주름빨대 2개 상추 씨앗 등 약간 고휘도 LED(파랑) 1개 스펀지 조각 1개 고휘도 LED(빨강) 1개 식물영양제 1개

스위치 1개 글루건 1개

태양광 전지판 1개 가위 1개

가는 전선 2개 칼 1개

우드락 약간 핀셋 1개

● LED는 실제 자연환경 속에서 무엇을 대신하는 것일까요?

● 스펀지 조각은 실제 자연환경 속에서 무엇을 대신하는 것일까요?

● 위 준비물 중에서 사용할 때 특히 주의해야 할 것은 어떤 것이며 어떤 주의를 기울여야 할 까요?

● 위 준비물 중에서 이건 왜 필요한지 궁금증이 생기는 것은 선생님에게 물어보세요.

나. 간이 식물공장 만들기 메뉴얼

② 스펀지를 물에 담가 씨앗이 물을 충분히 흡수하도 록 한다.

③ 빨대의 주름 부분을 잘라 다른 빨대의 주름 부분 에 연결하여 ㄷ자 모양이 되도록 한다.

④ LED 2개의 극성에 맞추고(긴 단자가 +극임) 전선 을 연결한다.

⑤ LED의 양 단자가 합선되지 않도록 빨대로 한 쪽을 절연한다.

⑥ 전선을 빨대에 넣고 아래 플라스틱 용기에 글루건 을 이용하여 아래 플라스틱 용기에 붙인다.

※글루건 사용시 주의점 :

- 사용하지 않을 때에는 뜨거운 부분이 책상 안쪽을 향하도록 놓아두기

- 손잡이 부분만 잡고 사용하기

⑦ 태양광 전지판과 스위치를 전선에 연결하고 태양 광 전지판을 우드락 등을 이용해 위쪽을 바라보도록 붙인다.

⑧ 위쪽 플라스틱 용기의 바닥에 스펀지보다 약간 작 게 사각 구멍을 뚫는다.

⑨ 위쪽 플라스틱 용기의 구멍에 씨앗이 위로 향하도 록 스펀지를 끼우고 아래 용기에 올려 놓는다.

⑩ 아래 용기에 물을 충분히 채워 싹이 날 때까지 스 펀지의 씨앗이 마르지 않도록 한다.

⑪ 약 2-3일후 떡잎이 나오면 물에 영양제를 투입한 다.

※영양제란? : 식물이 병에 잘 걸리지 않고 잘 자랄 수 있도록 필요한 영양분을 제공해 주는 것

⑫ 잎이 자람에 따라 LED를 켜 빛을 쪼여 광합성이 충분히 이루어지도록 한다.

다. 실험방법 및 결과

5일 경과 10일 경과 15일 경과

학생들이 식물공장의 효과를 직접 눈으로 확인하기를 원한다면 단지 제작하고 상추가 자라는 모습을 확인하는 것만으로는 무언가 부족하다. 과학에서 하는 실험으로 식물공장의 효과를 확 인하려면 어떤 실험조건을 갖추어야 할지를 생각해보자. 앞서 식물공장의 형태가 두 가지가 있 다고 했는데 이 실험을 태양 이용형으로 할지 완전 밀폐형으로 할지를 정한다.

(1) 태양 이용형으로 실험군을 설정할 경우

- 태양이 떠 있을 동안은 실험군과 대조군을 같이 햇빛에 노출시켰다가 밤이되면 실험군에 해당하는 식물공장의 LED를 점등시켜 놓아 두 상추씨의 성장 속도를 비교해 보는 방법이다.

(2) 완전 밀폐형으로 실험군을 설정할 경우

- 대조군은 일반적으로 태양이 있는 낮에 노출시켜 놓고 실험군은 24시간 LED 인공 조명을 쪼여주는 방법이다. 제작할 때 우리가 태양광을 이용하는데 이 경우 태양이 지는 저녁무렵부터 는 건전지를 이용해 건전지를 지속적으로 교체한다거나 차량용 12V LED를 이용하여 교류전원 을 이용하여 상시로 조명을 가동하는 방법도 생각해 볼만 하다.

※ 체험활동 팁 및 주의사항

- 버려지는 PET병, 플라스틱 용기, 스티로폼 박스 등을 이용하여 만들 수도 있다.

- 글루건 사용이 어려운 경우에는 접착제나 테이프만을 이용하여 만들 수도 있다.

- LED 연결시 극성에 주의하여 연결한다.

- 태양광 전지판 대신 핸드폰 충전기나 직류전원 공급 장치를 이용하여 LED를 켤 수 있다. 단 이때는 LED 가 과열되는 것을 방지하기 위해 적당한 저항을 달아 주어야 한다.

- 잎이 나온 후 충분한 빛을 공급하지 않으면 작물이 웃자라게 된다.

- 식물의 성장기에는 뿌리의 호흡을 위해 뿌리가 1/3 정도가 공기 중에 노출되도록 배양액을 채우는 것이 좋다.

〔모듈2〕

감성적 체험

(평가) 태양광 식물공장 제작과정 및 결과물 평가 차시

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완성된 태양광 식물공장을 햇빛이 비치는 밖에 놓아 봅시다. 태양광 전지를 통해 전기 에너 지로 바뀐 태양광이 LED에 불이 들어오게 합니까? LED에 불이 들어오면 회로시험기를 이용하 여 얼마나 많은 양의 전기가 나오는지 확인해봅시다.

또 다른 학생들이 만든 태양광 식물공장의 모양을 비교해가면서 어떤 재료 및 구조가 더 가 볍게 만들 수 있는지 확인해 봅시다.

평가 항목 점검 결과

(○, ×)

주어진 조건에서 효율적인 식물공장을 만들어냈는가?

태양광이 전지에 축적되어 전기에너지로 변환되었는가?

- 전기 에너지가 스위치 및 LED로 잘 전달되는가?

- LED에 불이 들어왔을 때 회로시험기를 연결하면 어느 정도의 전기 가 나오는지 확인 할 수 있는가?

만약 제대로 작동하지 않는 태양광 식물공장이 있다면 다음과 같은 사항을 점검해 보아야 합니다.

점검 사항 점검 결과

(○, ×)

▶ 태양광 전지 부분

태양광 전지의 각도 등이 잘 연결되었는가?

태양광 전지와 스위치가 전선으로 잘 연결되었는가?

납땜 등의 접착이 잘 이루어졌는가?

▶ 식물공장 부분

(대부분의 씨앗이 발아하지 않았을 때)씨앗의 삽입 깊이는 적당했 는가?

LED와 식물과의 거리는 적당한가?

영양제는 충분한가?

▢ 학생 자기/동료 평가

내가 만든 것, 다른 친구들이 만든 것을 꼼꼼하게 살펴보고 스스로 평가해보도록 합시다.

평가 방법

평가

영역 평가기준 평 가

상 중 하

자기 평가

감성적

체험 ◆ 즐거운 마음으로 활동에 참여하였는가?

창의적 설계

◆ 태양광 전지, LED 등 전기 부품의 활용이 적절하였는가?

◆ 태양광을 활용한 식물공장 아이디어가 창 의적인가?

◆ 여러 가지 학습적인 요소를 생각하기 위 하여 노력하였는가?

동료 평가

감성적 체험

◆ 모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동 적으로 활동이 이루어졌는가?

태양광 식물공장을 제대로 이해하기 위해서는 태양광이 전기 에너지로 바뀌는 원리, 전기 에 너지가 빛 에너지로 바뀌는 원리를 알아야 합니다. 또 재료 및 모양에 따라 다양한 태양광 식 물공장이 만들어질 수 있으며 태양광 전지의 크기에 따라서도 햇빛에 따른 빛의 세기 등에 차 이가 생겨날 수 있습니다. 태양광 전지는 앞으로도 계속 계발이 이루어져 효율이 좋아지거나 축전지의 크기가 작아지거나 재료가 바뀌어 태양광 전지 자체에 전기를 모을 수 있다거나 하 는 등 더 좋아질 것입니다. 앞으로도 꾸준히 관심을 갖게 된다면 고효율의 태양광 식물공장을 만들 수 있게 될 것입니다.

지금까지의 활동을 되돌아 봅시다.

①가장 재미있었던 활동은 무엇이었나요?

②가장 힘들었던 활동은 무엇이었나요?

③가장 따분하고 하기 싫었던 활동은 무엇이었나요?

■ 관찰 및 평가

평가항목 평가 기준 배점

창의적인 디자인

창의적이고 디자인함에 있어서 독창적이 특징이 있다. 상

디자인이 평범하고, 결과물이 특징이 없다. 중

디자인이 친구나 다른 여타의 결과물을 그대로 따라했다. 하

스케치와 일치도

포트폴리오에 스케치 한 것과 같게 결과물을 완성하였다. 상

포트폴리오에 스케치 한 것과 결과물이 다르다. 하

포트폴리오 완성도

주어진 시간 내에 포트폴리오를 완성하고 과정과 결과물에 대해

성실하게 작성하였다. 상

주어진 시간 내에 완성하였으나 과정이나 결과물에 대한 내용이

부족하다. 중

주어진 시간 내에 완성하지 못하였다. 하

추후 관찰

추후에 결과물을 체계적으로 관찰하고 기록을 잘 하였다. 상 추후에 결과물의 관리가 소홀하고 관찰 함에 있어서 다소 부족

하였다. 하

최종 점수

․ 학교의 실정에 맞게 평가의 요소를 재구성 할 수 있고. 교사의 관점에 따라 평가의 요소를 수정하여 사용한다.

․ 태양광 식물공장을 구상한 것과 같게 만들었는가? 창의적인 디자인으로 만들었는가? 등의 제작과정과 작품의 완성도에 대하여 평가하고 완성 후 관찰과 이를 통한 포트폴리오의 완성도에 대한 이원적 평가를 실시한다.

․ 교실에서 재배가 가능한 태양광 식물공장 재배시설을 구성하여 학생들이 시간에 따른 잔디인형의 성장과정을 볼 수 있도록 한다.

태양광 식물공장 제작 및 식물재배를 통한 소감문 작성

학년 반 번 이름 :

태양광 식물공장을 만 들기 전에 들었던 생 각은 무엇인가요?

만드는 동안 힘들거나 어려웠던 부분은 무엇 이었나요?

태양광 식물공장을 만 들어진다면 굶주리고 있는 사람들에게 도움 이 될 것 같나요?

태양광 식물공장을 만 들고 식물을 재배하며 든 생각을 말해보세요

교수학습 자료1 식물공장 식물재배 일지

학년 반 번 이름 : 식물공장 재배 일지

1. 태양광 재배(창 밖/ 실외 재배)

일짜 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

온도(℃) 습도(%) 성장(cm) 비고

2. 태양광, 인공광 재배(낮 : 실외/ 밤 : 실내 인공광)

일짜 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

온도(℃) 습도(%) 성장(cm) 비고

3. 인공광 재배(실내 재배)

일짜 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

온도(℃) 습도(%) 성장(cm) 비고

4. 통계 및 그래프 작성

34cm 32cm 30cm 28cm 26cm 24cm 22cm 20cm 18cm 16cm 14cm 12cm 10cm 8cm 6cm 4cm 2cm

1일 2일 3일 4일 5일 6일 7일 8일 9일 10일 11일 12일 13일 14일

〔모듈3〕

진로활동 태양광 발전과 관련된 일과 직업카드 만들기

차시 6/6

1. 태양광 발전과 관련된 일과 직업

분 야 직업명 직업

태양광 발전

태양광발전 연구원태양광을 효과적으로 모으고 이를 전기에너지로 전환하는 변환효율을 증가시킬 소재 및 공정, 설계기술 등을 개발․연구하는 업무를 수행한다.

태양광발전시스템 기술자

태양광발전시스템 기술자는 태양광에너지를 전기에너지로 전환하는 발전시스템 을 설계․개발․시험하거나 제조․설치를 감독한다.

태양열 발전

태양열발전 연구원태양열을 효과적으로 집열하고, 전기에너지로의 전환효율을 높일 수 있는 장치, 소재 등 요소기술 및 공정기술을 개발하는 업무를 수행한다.

태양열발전시스템 기술자

태양열발전 시스템을 설계, 개발, 시험하거나 제조, 설치를 감독하고 발전시스템 의 타당성, 경제성, 효율성 등을 검토·분석한다.

지열 에너지

지열에너지연구원 지구 내부의 마그마에 의해 땅(토양, 지하수, 지표수 등)이 보유하고 있는 열에 너지를 이용하는 방법을 연구한다.

지열시스템기술자 지열 히트펌프 시스템, 지열발전 플랜트 등 각종 지열시스템 및 관련 설비의 설 계는 물론 제작․설치․유지관리 등의 일과 관련된 기술적 업무를 한다.

풍력 발전

풍력발전연구원 청정에너지인 풍력을 이용한 전력생산 기술과 풍력발전 단지의 개발 가능성을 연구한다.

풍력발전시스템 기술자

풍력발전시스템 및 그 구성품의 설계․제작․설치에 관련된 기술적 업무를 수행한 다.

해양 에너지

해양에너지연구원 파랑, 조석, 조류, 해류, 해수의 온도차 등 여러 형태로 존재하는 해양에너지를 전기에너지로 활용하는 기술과 장치를 연구한다.

해양에너지시스템 기술자

해양에너지를 활용한 발전시스템 및 관련 설비에 대한 설계․제작․시공 등 기술적 업무를 수행한다.

폐기물 에너지

폐기물에너지화 연구원

다양한 종류의 가연성 및 유기성 폐기물을 환경친화적으로 처리하여 에너지화하 기 위한 기술을 개발하고, 그 상용화를 연구하는 일을 한다.

폐기물에너지화설 비기술자

폐기물에너지화 공정을 실제 제품생산으로 이어질 수 있도록 플랜트를 개발․설계 하는 일을 한다.

분 야 직업명 직업

바이오 에너지

바이오에너지연구 원

옥수수, 감자 등 육상에서 광합성 작용에 의해 생장하는 식물성 바이오매스를 포 함한 다양한 종류의 바이오매스를 이용하여 바이오에너지를 생산하는 방법과 기 술을 연구한다.

바이오에너지 생산시스템기술자

바이오매스나 유기성 폐기물을 에너지화하는 각종 플랜트 및 생산시스템의 설계․

제작․설치․유지관리에 관련된 기술적 업무를 한다.

연료전지

연료전지연구원 연료전지연구원은 수소, 에탄올 등 연료전지의 전해질 즉 에너지원으로 활용 가 능한 물질을 연구․개발하는 업무를 한다.

연료전지시스템 기술자

연료전지를 활용하여 전기에너지를 생산하는 일련의 시스템을 연구․개발․설계한 다.

수소생산시스템 기술자

발전용 또는 가정용 연료전지에 사용할 수소를 생산하는 시스템을 연구․개발한 다.

화석연료 청정화

화석연료청정화 기술연구원

석탄, 석유 등 화석연료를 깨끗하고 부가가치가 높은 연료로 만드는 기술을 개발 하고 연구한다.

화석연료청정화 설비기술자

화석연료를 청정에너지로 바꾸는 플랜트를 건설하고 운전하는 데 있어 기술적 일을 한다.

수력 발전

수력발전연구원 소수력발전을 포함한 수력발전시스템을 개발하는 일을 한다.

수력발전시스템

기술자 수력발전소에 대한 개발․기획, 설계, 시공관리, 운전관리 등의 업무를 수행한다.

신재생 에너지 사업화

신재생에너지 사업자

태양광, 태양열, 바이오, 풍력, (소)수력, 해양, 폐기물, 지열, 연료전지, 석탄액화 가스화 및 중질잔사유가스화, 수소에너지 등의 신재생에너지를 이용한 발전소를 개발, 설치, 운영하여 전기를 생산하고, 이를 한국전력거래소나 한국전력공사에 판매하는 사업을 한다.

신재생에너지입지 환경분석전문가

민간 신재생에너지사업자나 지자체 등에서 풍력발전, 태양광발전 등의 신재생에 너지 사업을 추진함에 있어 신재생에너지 발전설비의 입지를 평가하고 선정하는 것으로 수행하거나 컨설팅하는 일을 한다.

2. 녹색․에너지 전문가와 관련된 직업카드 제작 요령 안내

① 미리 과제를 내주어 전체 학생이 직업을 1가지씩 찾아 직업카드를 만들게 한다.(컴퓨터를 이용하거나 색지를 이용하여 직업카드를 만들도록 한다.)

② 다음과 같은 양식으로 직업카드를 만들게 함

초등학교 교사

활하면서 학생들에게 공부를 가르 치고 생활 태도를 지도하여 아이 들의 성장을 돕는 일을 해요.

초등학교 교사가 되려면……

교육대학을 졸업하고 초등학교 교 사자격증이 필요해요. 무엇보다 학생들에 대한 이해와 사랑이 있어야 하고, 각 과목에 대한 지식과 전달 능력이 있어야 해 요.

③ 선택한 직업이 다른 학생 한두 명의 발표를 들으면서 정보를 나누도록 한다.

④ 완성한 직업 카드를 환경 게시물로 활용해 다른 친구에 대한 이해와 직업 정보를 나누도록 한다.