- 자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근 -

(1)

2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

- 자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근 -

2016. 11.

포항중앙고등학교

(2)

【 2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】

프로그램 구분

□ 초 □ 중 ■ 고 ■ 일반주제

■ 신규 개발

□ 일반화 자료 개발

■ 우대주제

메이커 및 수학교육

연구제목 자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근

연구기간 2016. 5. 19. ~ 2016. 11. 30.

연구비 금 사백만원정(4,000,000원정)

연구 책임자

소속 포항중앙고등학교

성명 정대호

참여 연구원 김정섭, 김준우, 남형진, 정대호

상기과제를 수행한 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2016년 11월 31일

연구책임자 : 정 대 법 (인)

한국과학창의재단 이사장 귀하

(3)

이 보고서는 2016년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임

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목 차

1. 요약문(Abstract) ··· 1

2. 서론 ··· 2

가. 연구의 필요성 및 목적 ··· 2

나. 연구의 범위 ··· 2

3. 연구 추진 내용 및 결과 ··· 2

가. 추진 내용 ··· 2

나. 추진 결과 ··· 6

4. 결론 및 제언 ··· 8

5. 참고문헌 ··· 9

[부록]

부록1. 현장적용 결과 요약

[붙임]

붙임1. 수업지도안 ··· 11

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2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

1. 요약문(Abstract)

2. 서론

가. 연구의 필요성 및 목적

‘자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근’ 에 관한 STEAM 교육은 학생들의 진 로를 위해 교과와 창의적 체험활동에서 연계되는 영역이다. 이와 더불어 각 교과의 교육과정 과 연계하여 세부적인 연구설계 주제를 선정하여 교과와 창의적체험활동, 학생들의 개별 진 로와 연관되는 활동을 연계하였다. 구체적으로 자전거와 포항, 경북의 생태환경, 자전거를 통 한 Road Tour, 자전거의 물리적 설계, 자전거의 수학적 원리, 자전거의 환경과 경제, 자전거 와 법, 자전거 Road Tour를 위한 어플개발 등 자전거와 포항, 경북지역의 자연환경을 둘러싼 여러가지 문제점들을 찾아내 STEAM 내 상황 제시를 하고, 다양한 교과 영역에서 창의적 설 계를 한 다음 학생들에게 문제 해결을 할 수 있도록 하는 감성적 체험을 유도하였다. 이렇게 자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근이라는 스토리텔링적 상황과 각 교과영역 별 ‘STEAM 준거틀’을 병합하여 학생들의 교과와 진로에 도움이 되도록 하였다.

자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근는 저탄소의 상징인 자전거란 즐거운 매개체를 통하여 우리 지역의 생태와 환경을 알아가고 발견해가는 과정이다. 이런 과정 속에 서 각 교과 영역의 STEAM 준거틀을 명확히 제시하여 학생들의 진로와 연관한 창의적 체험 활동이 가지는 한계에서 벗어나 초, 중, 고등학교에서 교과와 비교과에서 동시에 실행할 수 있는 프로젝트 모델을 개발할 수 있었다.

○ 연구의 필요성 및 목적

이 연구의 목적은 바로 자전거를 통한 저탄소 녹색에너지의 체험, 생태환경투어를 통한 자 연의 생물다양성 ․ 환경보존, 포항지역의 자전거 도로에 산재하고 있는 체험장소의 계발의 3 박자를 홍보하기 위해서이다. 이를 위해 가장 최적의 장소는 바로 학생들에게 지역 역사와 환경의 소중함을 알 수 있도록 하기 위해, 그리고 포항의 역사와 문화, 생태와 환경을 아우르 고 가로지르고 있는 형산강과 해안선 일대를 선정하였다. 이 연구주제를 자전거를 활용한 생 태탐방 프로그램의 융합적 접근이라 할 것이다.

- ‘자전거와 환경’을 주제로 학생들의 감성적 체험과 창의적 설계가 거시적이고 미시적인 영

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나. 연구의 범위

3. 연구의 실제 및 결과 가. 연구의 실제

있도록 구성한다.

- ‘자전거와 환경’과 연관된 상황과 그 상황을 해결해나가기 위해 방법적 측면의 간학문적 통합(Interdisciplinary Integration)과 내용적 측면의 주제망형(Webbed)을 연계하여 개발할 수 있도록 한다.

- ‘자전거와 환경’과 연관된 문제 상황을 스마트 교육과 연관지어 다양한 콘텐츠의 활용과 함께 직접 CRM(예시 : 스마트폰 어플, SNS, 블로그 등)을 개발 및 홍보해 보는 공학기반적 설 계를 할 수 있도록 한다.

○ 연구의 범위와 내용

- ‘자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근’이란 주제에서 발생하는 다양한 상황 중심적 문제를 학생들의 창의적 설계와 감성적 체험을 접목시킨다. 이를 효과적으로 확장시 키기 위해 하나의 스토리텔링적 시나리오를 구성하여 ‘자전거와 포항, 경북의 자연환경’ 속에 발견할 수 있는 문제를 해결해나가는 방식으로 교과와 창의적체험활동을 연계한 개발 프로 그램이라고 할 수 있다.

교육과정재구성 - 교과와 창의적체험활동을 연계한 STEAM 프로그램 개발

자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근

- 포항 해안도로 및 자전거도로, 형산강 일대의 자전거를 통한 생태탐방 프로그램 -

상황제시 ‘자전거를 활용한 생태탐방 프로그램’이란 대주제 속에서 찾아낼 수 있는 다양한 문제점들을 각 교과 영역에서 제시할 수 있도록 한다.

창의적 설계

1. 자전거에 대한 물리적 설계를 할 수 있도록 한다. : S, T, A

2. 인간의 체형에 적합하고 편안한 자전거를 설계하도록 한다. : E, A 3. 자전거의 원 운동과 관련한 수학적인 원리를 찾을 수 있도록 한다. : M 4. 자전거의 작동 원리를 수학적으로 해석하고 설계할 수 있도록 한다. : M

5. 자전거와 환경과 관련한 문제를 법적으로 해결할 수 있는 방안을 만들

어본다. : A

(7)

6. 자전거의 환경과 관련한 문제를 찾고 그에 대한 해결방안(경제 및 환 경)을 만들어 보도록 한다. : S, A

7. 모바일, SNS 및 인터넷 블로그 등을 활용하여 환경 문제에 대한 심각 성을 알리고 홍보할 수 있도록 한다. : A

감성적 체험 우리 주변에서 발생하는 문제 상황의 원인을 분석해보고, 그것을 해결해 나가는 과정을 통해서 학습자 스스로 성취감과 자신감을 획득할 수 있다.

일시 운영계획(2016년)

5월

￭ 사업 선정 후 프로그램 준비

￭ 교사 및 학생 오리엔테이션

￭ 프로그램을 위한 교육기자재 마련

6월

￭ 포항시 Road Tour 코스 1~4

￭ 구글맵을 활용한 정보 업데이트

￭ 환경 블로그 및 SNS 게시판 업데이트

￭ 생태탐방 프로그램북 일기 쓰기

￭ 생태탐방 프로그램북 포트폴리오 만들기

7~8월

￭ 포항시 Road Tour 코스 1~4

￭ 구글맵을 활용한 정보 업데이트

￭ 환경 블로그 게시판 업데이트

￭ 생태탐방 프로그램북 일기 쓰기

￭ 생태탐방 프로그램북 포트폴리오 만들기

9~10월

￭ 포항시 Road Tour 코스 1~4

￭ 구글맵을 활용한 정보 업데이트

￭ 환경 블로그 게시판 업데이트

￭ 생태탐방 프로그램북 일기 쓰기

￭ 생태탐방 프로그램북 포트폴리오 만들기

￭ 학생, 학부모, 교사가 함께하는 그린 로드 투어 캠프

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나. 연구 결과

- STEAM 준거틀에 의한 교과별 활동 계획 – 교과, 창체 연계 교육 -

일시 STEAM 교과 및 창체 활동 운영

5~6월

▪자전거의 운동▪

1. 포항중앙고 고 1~2 : 30명 적용 2. 청구고 고 1~2 : 40명 적용 3. 영진고 고 1~2 : 30명 적용 총 100명 적용

S, T, E

▪ 선행연구를 조사해보고 이를 바탕으로 주제와 관련된 개발 가능한 물리 프로그램에 대한 수업연구 기초자료를 마련함.

- 자전거의 운동을 속도와 가속도, 뉴턴의 운동법칙, 각운동량 보존 법칙 등과 관련지어 분석 및 접근할 수 있도록 창의적 설계를 위한 기초자료를 마련 및 개발하도록 함.

S ￭ 자전거와 생태환경과 관련한 수업연구 기초자료를 마련함.

M

￭ 자전거에 관한 수학적 요소를 찾아 연구 자료를 마련함.

- 사이클로이드 곡선, 원의 운동과 톱니바퀴 등

￭ 자전거의 평균 속력 구하기에 관한 수업연구 기초자료를 마련함.

￭ 자전거의 작동 원리를 지오지브라로 표현하기 위한 수업연구 기초자료를 마련함.

￭ 사이클로이드 곡선에 대한 구조적 설계를 위하여 수업연구 기초자료를 마 련함.

￭ 톱니바퀴의 작동 원리 연구 및 두 개의 톱니바퀴에 관계 수업연구 기초자 료 마련하기

A

￭ 자전거와 환경을 법과 정책적인 측면에서 해결할 수 있는 수업연구 기초자 료를 마련함.

￭ 자전거와 환경에 관련한 경제적학 손실과 효율의 가치에 대하여 수업연구 기초자료를 마련함.

7~8월

▪자전거의 바퀴▪

1. 포항중앙고 고 1~2 : 30명 적용

2. 청구고 고 1~2 : 40명 적용

3. 영진고 고 1~2 : 30명 적용

총 100명 적용

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S, T, E

￭ MTB, 사이클 등의 바퀴를 관찰한 후 차이점을 비교 분석하고 과학적 원리 를 탐구할 수 있도록 함.

- 압력, 힘과 에너지 등에 관련한 물리학적 자료

S ￭ 자전거의 바퀴와 생태환경과의 연관성에 대해 탐구할 수 있도록 함.

- 저탄소 및 친환경 에너지 등에 관련하여

M

￭ 사이클로이드 곡선 직접 그려 볼 수 있도록 함.

- 바퀴의 크기와 사이클로이드 곡선과의 관계 파악

￭ 경사도와 자전거의 최적화된 기어(톱니바퀴의 관계)를 탐구할 수 있도록 함.

￭ 바퀴의 회전 수와 최적 운동 효과의 관계를 탐구할 수 있도록 함.

E, A ￭ 자전거와 바퀴에 관련한 경제적 효율에 대한 탐구할 수 있도록 함.

A ￭ 자전거와 환경을 법과 정책적인 측면에서 해결할 수 있는 방안을 마련함.

- 자전거와 환경을 고려한 포항시 자전거 인프라 구축 방안 설계 방안 - ①

9월

▪자전거의 재질과 디자인▪

1. 포항중앙고 고 1~2 : 30명 적용 2. 청구고 고 1~2 : 40명 적용 3. 영진고 고 1~2 : 30명 적용 총 100명 적용

S, T, E

￭ 자전거의 재질을 분석해보고, 재질의 특성에 대해 재료공학적으로 분석할 수 있는 자료에 대해 탐구할 수 있도록 함.

- 알루미늄, 티타늄, 카본 등

M ￭ 자전거의 재질과 속력과의 상관관계를 지오지브라 프로그램을 통해 3차원 화 시키도록 함.

S, E, A ￭ 자전거의 디자인들을 조사해보고, 이들 자전거의 디자인이 물리 및 구조 공 학적으로 어떤 장점이 있는지를 탐구할 수 있도록 함.

S, A

￭ 자전거의 재질과 디자인이 생태환경에 미치는 영향관계를 탐구할 수 있도 록 함.

￭ 자전거의 재질과 디자인이 가지고 있는 경제적 효율에 대해 탐구할 수 있 도록 함.

A ￭ 자전거와 환경을 법과 정책적인 측면에서 해결할 수 있는 방안을 마련함.

- 자전거와 환경을 고려한 포항시 자전거 인프라 구축 방안 설계 방안 - ②

10월

▪내 몸에 맞는 자전거 설계하기▪

1. 포항중앙고 고 1~2 : 30명 적용

2. 청구고 고 1~2 : 40명 적용

3. 영진고 고 1~2 : 30명 적용

총 100명 적용

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- 교과, 창체 연계 교육 후 효과성 검증 -

스토리텔링을 활용한 융합인재교육(STEAM) 교수․학습 프로그램에 대한 학생들의 인식과 만족도 를 알아보기 위해 설문을 실시한다. 설문은 제시한 교수․학습 프로그램 적용 사례를 모두 이수한 학생들을 대상으로 실시한다.

설문지는 평성식 질문으로 구성된 문항으로 실시하고 교수․학습 프로그램 적용 사례를 실시하 기 전 학생들은 융합인재교육에 관한 어떠한 정보도 제공하고, 받지 않은 상태에서 응답하도록 한다. 이후 적용 후에 재검사를 실시하도록 한다. 폐쇄형 설문문항에 대해서는 문항별로 ‘매우 그 렇다’, ‘대체로 그렇다’, ‘보통이다’, ‘대체로 그렇지 않다’, ‘전혀 그렇지 않다’ 중 하나에 표시되는 리커트(Likert) 5점 척도를 이용하고 개방형 문항에 대해 학생들은 자유롭게 서술하도록 한다.

M, E, T

￭ 내 몸에 맞는 자전거 설계를 지오지브라 프로그램으로 구체화할 수 있도록 함.

￭ 내 몸에 맞는 자전거가 수학적 원리에 따른 효율성을 바탕으로 계산될 수 있도록 수치화함.

A ￭ 내 몸에 맞는 자전거가 가지고 있는 경제적 효율에 대해 보고서를 작성할 수 있도록 함.

A ￭ 자전거와 환경을 법과 정책적인 측면에서 해결할 수 있는 방안을 마련함.

- 자전거와 환경을 고려한 포항시 자전거 인프라 구축 방안 설계 방안 - ③

11월

▪내 몸에 맞는 자전거 설계하기▪

1. 포항중앙고 고 1~2 : 30명 적용 2. 청구고 고 1~2 : 40명 적용 3. 영진고 고 1~2 : 30명 적용 총 100명 적용

S, T, E ￭ 내 몸에 맞는 자전거를 설계한 뒤 적용해 본 뒤 Feedback을 통해 프로그램 을 개선할 수 있도록 함.

M, T, E

￭ 내 몸에 맞는 자전거를 설계한 뒤 개발한 프로그램을 적용해보고 설문조사 와 자문을 바탕으로 1차 수정함.

￭ 수정된 내 몸에 맞는 자전거 설계를 지오지브라 프로그램으로 구체화할 수 있도록 함.

A ￭ 수정된 내 몸에 맞는 자전거가 가지고 있는 경제적 효율에 대해 보고서를 작성할 수 있도록 함.

A ￭ 자전거와 환경을 법과 정책적인 측면에서 해결할 수 있는 방안을 마련함.

- 자전거와 환경을 고려한 포항시 자전거 인프라 구축 방안 설계 방안 - ③

(11)

번호 질문 응답 내용 응답율 (%)

1 과학을 공부하는 가장 중요한 이 유는 무엇이라고 생각합니까?

① 일상생활의 문제 해결에 도움이 되기 때문

② 창의적 사고 능력을 기를 수 있기 때문

③ 과학자의 탐구 방법을 배울 수 있기 때문

④ 논리적이고 비판적인 사고 능력을 기를 수 있기 때문

⑤ 기타

23 29 18 21 9

2 과학 공부를 하는데 있어 다른 교 과 지식이나 개념이 도움이 된다 면 어떤 교과라고 생각합니까?

① 수학

② 국어, 영어

③ 사회, 역사

④ 정보, 컴퓨터

⑤ 체육, 음악, 미술

⑥ 기타

61 11 4 10 11 3

번호 질문

응답율 (%) 매우

그렇다 그렇다 보통이다 그렇지 않다

매우 그렇지

않다 3

스토리텔링으로 엮은 각 교과의 교수학습이 효과적이라 생각합니 까?

32 51 17 1 0

4 과학 공부를 할 때 다른 교과의 지식이나 개념이 도움이 된다고 생각합니까?

20 59 19 2.7 0

5 과학 공부를 통해 얻은 지식이나 개념을 다른 교과 활동에 적용해 본 적이 있습니까?

19 62 16 4 0

6 과학 공부를 통해 얻은 지식이 나 개념을 생활에 적용해 본 경 험이 있습니까?

22 47 28 1.3 2

7 융합인재교육이 실생활 문제 해

결에 도움이 된다고 생각합니까?　 24 51 22 1.3 2

8 융합인재교육이 기후, 에너지, 생 명 등 미래 새로운 학문의 접근 에 도움이 된다고 생각합니까?

21 42 30 4 2.7

9 융합인재교육이 앞으로 여러분의 진학이나 진로 결정에 도움이 된 다고 생각합니까?　

7 57 32 1.5 2.7

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- 결과 및 분석 -

- 대다수의 교사들은 융합인재교육의 필요성을 느끼고 있으며 융합인재교육이 수학, 과학교과의 흥미와 재미를 향상시킬 뿐만 아니라 학생들의 진학이나 진로 선택 시에도 도움이 될 것으로 기 대하고 있다. 또한 교육 시간의 배정은 창의적 체험활동이나 R&E활동 시간이 적절하다고 응답하 였다.

- 융합인재교육을 실시함에 있어서 다수의 교사들은 과중한 업무 부담과 자료제작의 어려움을 호 소하였으며 소수의 의견으로는 연수 자체만으로는 융합인재교육에 대한 개념을 충분히 이해하기 힘들다는 견해도 보였다.

- 학생의 경우 특성상 다수의 학생이 과학 공부를 통해 얻은 지식을 다른 교과 활동에 적용해 본 경험이 많았으며 이는 학문 간의 통섭을 통한 창의적 인재 양성이라는 융합인재교육이 추구하는 지향점과 부합되었다.

- 대다수의 학생들은 융합인재교육을 통해 실생활 및 미래사회의 문제해결력이 향상된다는 긍정 적인 대답이 많았으며 앞으로 장래 진학이나 진로 결정에 도움이 될 것으로 생각하였다.

4. 결론 및 제언

본 연구회의 바이시클 융합인재교육(STEAM)은 이제 시작이다. 1년 간의 교육내용, 방법 등 을 연구해 본 결과 자전거라는 영역은 무궁무진하다고 할 수 있다. 자전거와 환경, 물리, 생 물, 수학, 디자인, 사회, 국어, 체육 등 모든 영역과 함께 할 수 있는 분야가 바로 자전거를 둘러싼 맥락적 교육이라고 할 수 있다.

올해 연구회에서 추진했던 중점은 바로 자전거 교육에 대한 기초쌓기이다. 물리 교과 영역 에서 자전거와 신재생 에너지를 주제로 삼아 효율성의 측면에 대해 교육내용을 마련하였다.

수학 교과 영역에서 자전거라는 부분에서 수학적 요소를 뽑아내어 자전거의 수학적 원리에 대해 탐구하게 하였으며, 그 원리를 바탕으로 상황에 맞는 최적의 자전거를 설계해보기도 하 였다. 더불어 국어 및 사회 교과 영역에서 자전거가 가지는 교통수단으로서의 경제적 효율성 과 자전거를 둘러싼 정책적 방안에 탐구해보았다. 또한 환경과학 영역에서 창의적체험학습을 병행하여 포항 및 경북 지역 일대의 자전거도로와 생태, 환경을 조사하였다. 몇 개월간 교과 융합영역 및 창의적 체험활동을 병행하여 실시한 결과 자전거 교육은 이제 시작이라는 결론 을 내릴 수 있었다.

자전거 융합교육은 학생들의 실제적인 자전거 타기가 병행되어야 하는 활동이다. 교과 영 역에서건 비교과 영역에서건 자전거에 대해 학생들이 적응되어야만 실시할 수 있는 교육이 다. 본 연구회에서는 8개월간 600km 이상을 학생들과 함께 자전거를 타오며 자전거에 대한 적응능력을 기르기 위해 많은 노력을 기울였다. 자전거 융합교육의 시작은 바로 실제적인 자 전거 타기이다. 그러기 위해서 자전거와 체육 그리고 교통문화에 대한 교육이 반드시 필요하 다고 할 수 있다.

더불어 자전거라는 융합적 주제는 너무나 많은 영역을 포함하고 있다. 그렇기 때문에 주제

선정과 학생들의 활동에 있어 많은 영역을 선정하지 않는 것이 좋을 듯 하다. 각 교과영역에

(13)

5. 참고문헌

서 제한된 주제를 바탕으로 조금씩 연구를 해 나가는 것이 반드시 필요할 것이다. 또한 교과 활동이 창의적체험활동과 반드시 병행되어야하는 영역이기에 교사와 학생의 많은 시간과 노 력, 금전이 필요할 것으로 생각된다.

￭ 교육과학기술부(2010). 2011년 업무보고 창의인재와 선진과학기술로 여는 미래 대한민국.

￭ 교육과학기술부․한국과학창의재단(2012). 융합인재교육 이오니아 양성과정 연수교재.

￭ 대구교육대학교대구부설초등학교(2011). 교육과정 재구조화를 통한 융합인재교육 수업모델 개발 및 적용 방안 탐색.

￭ 대구북동중학교(2011). 융합인재교육 프로젝트 구안․적용을 통한 창의적 문제해결력 신장.

￭ 문대영(2007). 초등학생의 공학에 대한 태도 및 공학 문제 해결에 대한 사례 연구. 한국실 과교육학회지, 23(3), 445-460.

￭ 신영준 외(2011). STEAM 수업모델. 융합인재교육파이오니어 양성과정 연수교재.

￭ 이효녕(2011). 창의적 융합 인재 양성을 위한 STEAM 교육 : 미국의 사례를 중심으로.

￭ 최영준(2011). 융합을 기반으로 하는 STEAM 교육이란. 월간과학창의 2월호.

￭ 최정훈(2011). 융합을 기반으로 하는 STEAM 교육이란. 월간과학창의 2월호.

￭ 한국과학창의재단(2011). 융합인재교육설명회 자료집.

￭ http://www.handsonlearning.co.kr/ 핸즈온 러닝 교수학습자료.

￭ http://www.geogebra.org/materials/ 지오지브라 학습센터

￭ http://gtska.com/199 자전거 기어 변속의 원리는 무엇일까?

￭ 윤현철(2015) 대구광역시교육연구정보원 교원정보화 연수자료(앱개발)

￭ 오지석(2015) 대구광역시교육연구정보원 교원정보화 연수자료(로봇동아리 지도)

(14)

[부록1] 현장적용 결과 요약

<STEAM 프로그램(수업) 현장적용 요약>

※ 신규 STEAM 프로그램 개발 교사연구회는 1개, 기존 STEAM 프로그램 일반화자료 개발 교사연구회는 2개 작성

※ 제안된 STEAM 프로그램 개발 개수보다 많이 개발한 경우 칸을 늘여 추가 작성

구분 STEAM

프로그램명 적용 학교명 적용

학년 적용 교과(시수) 적용 기간 수혜 학생 수

1 자전거를 활용한 생태탐방

프로그램의 융합적 접근

중앙고 1~2 사회+국어+환경+창체 5.19~11.10 30

영진고 1~2 사회+환경+창체 5.19~11.10 30

청구고 1~2 물리+수학+환경+창체 6.10~7.20 40

2

(15)

[붙임1] 수업지도안

1. 프로그램 개요

주제 자전거를 활용한 생태탐방 프

로그램에 융합적으로 접근 관련교과 (학년) 1~2학년

(과목) 과학,수학,사회,국어,영어,환경

학습 목표

내용 목표

• ‘자전거와 환경’을 주제로 학생들의 감성적 체험과 창의적 설계가 거시적이고 미시적인 영역으로 동시 진행될 수 있도록 한다.

• ‘자전거와 환경’과 연관된 문제 상황을 스토리텔링으로 전환하여 전체적인 이야기가 될 수 있도록 구성한다.

• ‘자전거와 환경’과 연관된 상황과 그 상황을 해결해나가기 위해 방법적 측면의 간학문적 통합(Interdisciplinary Integration)과 내용적 측면의 주제망형(Webbed)을 연계하여 개발할 수 있도록 한다.

• ‘자전거와 환경’과 연관된 문제 상황을 스마트 교육과 연관지어 다양한 콘텐츠의 활용과 함께 직접 CRM(예시 : 스마트폰 어플, SNS, 블로그 등)을 개발 및 홍보해 보는 공학기반적 설계를 할 수 있도록 한다.

과정 목표

• 자전거의 구조와 원리를 파악하여 우리에게 맞는 자전거를 디자인 할 수 있다.

• 자전거 이용활성화 방안에 대해 토론하고 이를 제시할 수 있다.

• 포항지역의 자전거 로드맵을 만들고 이와 관련된 홍보영상을 만들 수 있다.

STEAM 과목 요소

S 자전거의 구조 및 과학적 원리 T 포항 지역의 자전거 로드맵 설계

E 자전거 이용활성화에 따른 법률 개정안 만들기 A 외국인을 위한 자전거 매뉴얼 설계

M 바퀴의 회전운동을 계산하고 그에 따른 운동량을 파악할 수 있다.

개발 의도 저탄소의 상징인 자전거란 즐거운 매개체를 통하여 우리 지역의 생태와 환경을 알아가고 발견해가는 과정이다.

기후 과학자 97%~98%는 인간이 배출한 온실가스가 기후변화의 원인이라는데 동의하였다. 2008년 7월 개최된 G7 확대 정상회의에서 한국의 중기 온실가스 감축목표를 발표할 것을 공언한 이래로 2009년에 2020년 온실가스배출전망(Business As Usual, BAU) 대비 30% 감축이라는 중기 국가 온실가스 감축목표 가 확정되었으며 2011년 7월, 국가감축 목표설정에 대한 후속조치로서 온실가스종합정보센터 주관 하 주요 관장기관 뿐만 아니라 산업계, 시민사회 등의 폭넓은 의사결정과 참여를 바탕으로 단계별·부문별 온실가스 감축목표가 수립되었다. 온실가스 감축 후 2020년부터 저탄소 경제구조로의 전환이 시작될 것 이라는 전망이 나온 이 시점에서 교육에서도 저탄소 시대를 위한 맞춤 교육이 필요하다. 자전거와 포항 의 생태환경, 자전거의 물리적 설계, 자전거의 수학적 원리, 자전거의 환경과 경제, 자전거와 법, 외국인 을 위한 자전거 안전매뉴얼 및 동영상 제작, 자전거를 통한 Road Tour, 자전거 Road Tour를 위한 홍보

(16)

성적 체험을 유도한다.

STEAM 단계 요소

상황 제시

‘자전거를 활용한 생태탐방 프로그램’이란 대주제 속에서 찾아낼 수 있는 다양한 문제 점들을 각 교과 영역에서 제시할 수 있도록 하기.

창의적 설계

자전거에 대한 물리적 설계하기. : S, T, A

인간의 체형에 적합하고 편안한 자전거 설계하기. : E, A 자전거의 원 운동과 관련한 수학적인 원리찾기. : M 자전거의 작동 원리를 수학적으로 해석하고 설계하기. : M

자전거와 환경과 관련한 문제를 법적으로 해결할 수 있는 방안만들기. : A

자전거의 환경과 관련한 문제를 찾고 그에 대한 해결방안(경제 및 환경)만들기. : S, A 포항의 자전거 로드맵을 만들고 홍보동영상 만들기. : A

감성적 체험

우리 주변에서 발생하는 문제 상황의 원인을 분석해보고, 그것을 해결해나가는 과정을 통해서 학습자 스스로 성취감과 자신감을 획득하기.

(17)

2. 교육과정

수업단계 과목 단원 단원 학습 목표 STEAM 성취 목표/STEAM 요소

각 1~4차시

과학, 기술‧가정

(3) 에너지와 환경, (3) 기술

혁신과 설계

자전거와 지속 가능 발전 을 결합할 수 있다.

태양, 풍력, 조력, 파력, 지열, 바이오 등의 재생 에너지, 핵융합이나 수소와 같은 새로운 에너지 자원에 대해 알 고, 에너지 자원의 활용을 지속 가능 한 발전의 관점에서 이해한다.



미적분Ⅱ 2. 삼각함수

삼각함수의 뜻을 알고 사 인함수, 코사인함수, 탄젠 트함수의 그래프를 그릴 수 있다.

지오지브라 프로그램을 통하여 사이 클로이드 곡선을 만들 수 있다.



사회 - 지역이해

인간과 환경의 상호 작용으로서

지역이해

자전거의 원리와 경제적 효율성에 대해 이해할 수 있도록 한다.

자전거와 환경과 관련한 경제적 효율 성을 평가할 수 있다.

자전거와 환경을 고려한 지역관련 정 책 방안을 설계할 수 있다.



(18)

3. 차시별 계획 총괄표

STEAM

요소 차시 학습주제 학습내용 2009 개정

상황

제시 1~2

생태 환경 보전 필요성과 배경

 -> 창의적체험활동에 관한 부분 생태 환경 보전의 사회적 관점과 환경적 관점의 영역

환경, 사회

자전거에 대하여

 -> 창의적체험활동에 관한 부분 자전거가 가지고 사회적 관점과 환경적 관 점

환경, 사회

창의적 설계

3~4

자전거를 활용한 생태탐방 프로그램의 융합적 접근

설계하기

․ ￭

생태 및 환경의 관점에서 프로젝트를 설계 - 프로젝트 주제 및 활동 내용을 학생들 스스로 설계 및 유도하기

과학 – 인류의 건강과 과 학 기술, 에 너 지 와 환경

5~6 내게 맞는 자전거 디자인하기

․ ￭

자전거의 물리적, 공학적 특징을 살펴보면 서 프로젝트를 실행하기 가장 적합한 자전 거를 찾아보고 설계하기

1) 자전거와 운동

2) 자전거와 바퀴 그리고 기어 -> 메이커 교육

기 술 ‧ 가 정 – 기술 혁 신과 설계

7

수학적으로 접근하기, 어플 제작 프로그램 익히기

․ 

지오지브라를 활용한 자전거의 원리 탐색 및 표현하기

1) 사이클로이드 곡선 – 원의 운동과 톱니 바퀴

2) 바퀴와 관련하여 지오지브라로 표현하 기

-> 수학 강화

수학

8

경제학적 관점의 해결방안 찾아가기

․ ￭

자전거와 환경의 경제적 관점의 해결방안 을 설계 후 발표하기

환경, 사회

9

정책적 관점의 해결방안 찾아가기

․ ￭

자전거와 환경의 정책적 관점의 해결방안 을 설계 후 발표하기

환경, 사회

감성적 체험

10~11

매거진, 페이퍼, e-book 제작,

어플 제작

 -> 창의적체험활동에 관한 부분 팀을 나누어서 매거진, 페이퍼, e-book 제 작

12 발표 및 홍보

 -> 창의적체험활동에 관한 부분 모둠별 발표와 장점과 개선할 점에 대해 토론 및 홍보하기

(19)

4. 평가계획

세부활동 프로그램 평가비율(%) 개별평가점수(A~E) 종합평가점수

생태탐방 프로그램

설계 및 계획 20

(각 세부활동 프로그램 내 영역별 원점수*반영비율)의 합산 후 A~E로 단계별 측 정

(세부활동 영역점수 * 평가 비율) 적용 점수를 5단계 평가 적용

내게 맞는 자전거

디자인하기 20

자전거를 수학적으로

접근하기 20

상황에 최적화된 자전거를

디자인하기 20

자전거와 환경과 관련한

정책만들기 20

세부 활동 프로그램 반영비율(%) 평가방법 평가비율(%)

생태탐방 프로그램

설계 및 계획 20

연구활동지 평가 30

동료평가 20

관찰평가(태도 및 학생소감문) 10

산출물평가 40

내게 맞는 자전거

디자인하기 20

연구일지 평가 30

동료평가 20

산출물평가 40

자전거를 수학적으로

접근하기 20

동료평가 20

산출물평가 40

상황에 최적화된

자전거를 디자인하기 20

동료평가 20

산출물 평가 40

자전거와 환경과 관련한

정책 만들기 20

정책일지 평가 30

동료평가 20

산출물평가(토론 후 단계 평가) 40

(20)

5. 차시(단계)별 교수 학습 과정

소주제 생태탐방 프로그램 설계하기 차시 2차시

과목

(단원) 과학 (2) 인류의 건강과 과학 기술, (3) 에너지와 환경, 환경 프로젝트

교육 과정

2009개정교육과정_제 2부. 과학과 문명_(2) 인류의 건강과 과학 기술

② 식량 자원의 지속적인 개발 및 확보와 관련하여 생태계와 생물 다양성의 가치를 이해하고, 종자은행의 중요성을 이해하며, 물의 소독, 살균, 세제의 사용이 인간 수명의 증가와 건강의 증진에 기여한 바를 이해한다.

2009개정교육과정_제 2부. 과학과 문명_(3) 에너지와 환경

⑤ 화석 연료의 사용을 산화와 환원 과정으로 이해하고, 화석 연료의 과다 사용에 따른 지구 온난화와 기후 변화를 이해한다.

2009개정교육과정_(1) 환경 프로젝트

① 이 과목의 내용과 관련된 탐구 프로젝트 주제를 탐색하고 선정하는 활동을 통하여 자기 주변 지역의 환경 문제를 인식하고 환경 문제에 대한 감수성을 증진시킨다.

② 자신이 선정한 탐구 프로젝트 주제에 대한 계획을 수립하고 실행함으로써 기획력과 의사 결정력, 문제 해결력을 기르고, 자기 주변 지역의 환경 문제 해결에 적극적으로 참여한다.

③ 환경 탐구 프로젝트의 수행 과정과 결과를 발표하고 종합적으로 평가함으로써 의사소통 능력과 발표력을 기르고, 자기 탐구 프로젝트를 개선하는 기회를 갖는다.

학습 목표

- 생태탐방 프로젝트를 창의적으로 설계할 수 있다.

- 우리 주변의 생태와 환경에 관심을 갖는 태도를 지닌다.

학습

과정 교수학습 활동 준비물

도입 (15분)

․ ￭

Co 생태 환경 보전의 중요성을 알릴 수 있는 방법이 무엇이 있을지 고민해본다.

- 포항지역 일대의 자전거 투어와 연관한 생태탐방 코스의 신문기사 및 동영상 자 료를 활용해 학생들의 관심과 흥미를 불러일으킬 수 있도록 한다.

신문기사 동영상

학습 활동 (60분)

․ ￭

CD 모둠별로 우리 주변에 있는 하천이나 강 주변의 생태 및 환경과 관련된 주제 를 선정하고, 자전거로 탐방 계획을 창의적으로 설계한다.

ET 모둠별로 설계한 계획을 발표하고, 다른 모둠과 의견을 교류한다.

노트북이나 테블릿 pc 와 같은 스 마트 기기

PPTX

마무리

(20분) ^ET 모둠별로 설계한 계획을 발표한 뒤 피드백을 가진다.

지도상 유의점

Tip! 모둠별 주제는 모둠에서 협의해서 정할 수 있도록 하며, 되도록 다른 모둠과 주제가 겹치지 않도록 한다.

(21)

소주제 자전거와 지속가능한 환경 조성하기 차시 2차시 과목

(단원) 과학, 기술가정 (3) 에너지와 환경, (3) 기술 혁신과 설계

교육 과정

2009개정교육과정_(3) 에너지와 환경

⑧ 태양, 풍력, 조력, 파력, 지열, 바이오 등의 재생 에너지, 핵융합이나 수소와 같은 새로운 에너 지 자원에 대해 알고, 에너지 자원의 활용을 지속 가능한 발전의 관점에서 이해한다.

2009개정교육과정_(3) 기술 혁신과 설계

② 공학 설계를 위한 기초적인 제도 방법, 제도 통칙, 투상법 등을 이해하고, 이를 토대로 창의적 제품을 구상하고 설계할 수 있으며, 간단한 창의 공학 설계 프로젝트를 수행할 수 있다.

학습 목표

- 지속 가능 발전에 대해서 말할 수 있다.

- 자전거와 지속 가능 발전을 결합할 수 있다.

학습

도입 (15분)

․ ▪‧ ￭

Co 현재 가장 많이 사용하고 있는 에너지원인 화석연료의 사용과 그로 인한 폐해 에 대해서 이야기해 본다.

- 친환경에너지의 필요성에 대해 환기활 수 있는 시간을 가지도로 한다.

신문기사 동영상 PPTX

학습 활동 (60분)

․ ▪‧ ￭

CD Jigsaw모형을 활용하여 태양, 풍력, 압전소자, 열전소자 등으로 주제를 가지고 전문가 집단 학습을 형성하여 각 주제에 대해 학습한다.

CD 원래 모둠으로 돌아가 지속 가능 발전을 접목한 자전거를 창의적으로 디자인 한다.

- 친환경적 자전거에 대한 아이디어 만들기 활동을 통해 학생들이 자전거와 에너 지에 대해 이해할 수 있도록 한다.

CD 지속 가능 발전을 접목한 자전거를 제작한다.

노 트 북 이 나 테블릿 pc와 같은 스마트 기기

PPTX 마무리

(20분) ^ET 제작한 자전거에 대해서 소개하고, 다른 모둠과 의견을 교류한다. 제작품

Tip! 프로젝트에 활용할 수 있는 실용성과 경제적 관점에서의 효율성, 디자인 등을 고려하여 디자인할 수 있도록 한다.

(22)

소주제 자전거와 지구온난화 차시 1차시 과목

(단원) 화학 – 에너지와 환경

교육 과정

(1) 지구 온난화 : 대기 중 온실 기체 증가로 지구 평균 기온이 상승하는 현상.

(2) 온실 효과 : 지구 복사 에너지가 대기의 온실 기체에 의해 흡수되어 지표로 재복사되므로 지표 온도를 상승시킴.

(3) 자전거와 지구온난화.

학습 목표

과다한 화석 연료의 이용과 지구 온난화와의 관계에 대하여 이해하고, 지구 온난화로 때문에 발 생하는 문제점과 이에 대한 대책에 대하여 논의하고 이해할 수 있다.

학습

도입 (15분)



Co

전 세계적으로 일어나고 있는 기상 이변에 대한 자료를 제시

학습 활동 (60분)

․ ￭  1. 온실 효과 (1) 온실효과

대기 중의 온실 기체가 지구 복사 에지를 흡수하여 생물이 살아갈 수 있도록 적 당한 온도를 유지시키는 것

(2) 온실 기체

온실 효과를 일으키는 기체를 의미하며, 이산화탄소, 메탄, 프레온 가스, 이산화 질소, 수증기 등이 이에 속한다. 온실 기체 중 메탄과 산화질소는 많은 양이 자연 중에서 방출되기 때문에 배출을 줄이기 어렵다. 온실 효과를 억제하기 위해 관심을 가지고 있는 물질은 이산화 탄소와 프레온 가스이다. 특히 프레온 가스는 적은 양 으로도 온실 효과에 큰 영향을 주는 물질인데, 오존 층을 파괴하기 때문에 생산량 을 규제하고 있으며, 앞으로 생산을 중단할 예정이다. 따라서 온실 효과를 억제하 기 위해서는 이산화탄소의 배출량을 줄이는 것이 중요한 과제이다.

(3) 주요 온실 기체

온실기체에 따라 지구 온난화에 미치는 영향이 다르다. 분자 1개당 지구 온난화 에 미치는 산대적인 기여도를 지구 온난화 계수(golbal warming potential)라고 한 다. 물질에 따라 대기 중에서 존재하는 수명이 다르므로, 100년간에 걸쳐 미치는 영향을 상대적으로 나타내면 다음과 같다.

온실기체 지구온난화 계수 대기 중 농도 주요 발생원

_ 1 375 화석연료, 바다

_ 21 1.8 소, 매립지

_ 310 0.31 화학공정

프레온가스   3800 - 발포단열제

  8500 - 냉매

프레온가스 대체물질

HCFC 1500 - 냉매

PFC 6500 - 반도체

_ 23900 - 전지기구 절연용

PPTX

(23)

2. 지구 온난화 (1) 지구 온난화

온실 기체의 증가로 인해 필요 이상으로 온실 효과가 커져서 지구의 평균 기온이 올라가는 현상

(2) 지구 온난화의 원인

화석연료(석탄, 석유 등)의 과다 사용으로 인해 배출되는 많은 양의 이산화탄소는 지구가 방출하는 복사 에너지 중 일부를 흡수하여 지구의 기온을 일정하게 유지하는 온실효과가 있다. 그러나 대기 중에 이산화탄소의 농도가 너무 높으면 지구의 기온 을 비정상적으로 상승시키는 지구온난화를 일으킨다.

(3) 지구 온난화의 영향

지구 온난화가 계속됨에 따라 지구 전 지역에 걸쳐 강수량의 변화가 일어나며, 남 극과 북극의 빙산이 녹아 해수면이 상승하고 빙하가 녹으며, 사막 지대가 넓어지는 등의 심각한 문제가 일어나고 있다.

(3) 열대 우림의 파괴와 지구 온난화

지구상에 살고 있는 생물의 호흡이나 화석 연료의 연소에 의해 이산화탄소가 대 기 중에 방출되고, 녹색 식물들은 대기 중의 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하여 대기 중 이산화탄소를 감소시킨다. 삼림은 대기 중의 이산화탄소를 감소시키는 매 우 중요한 존재이므로, 열대 우림 등 삼림의 파괴는 결과적으로 대기 중의 이산화 탄소를 증가시키는 중요한 원인이 되고 있다.

(4) 지구 온난화에 대한 대책

화석연료 사용 억제, 무공해 대체 에너지 개발(풍력, 파력, 지열, 태양열, 태양광 에너 지 등), 연료전지 등

3. 지구온난화 방치를 위한 자전거의 역할

자전거는 세계에서 아주 독특한 영역을 차지하고 있다. 자전거는 환경, 지속가능 성, 건강과 체력 증진에 대한 관심을 충족시켜 준다. 수백만 명의 사람들에게 혼자 여행 할 수 있는 자유도 제공한다. 전기스쿠터나 자동차는 전기나 휘발유를 에너지 로 사용하여 많은 양의 이산화탄소를 발생시키지만 자전거는 사람의 이너지를 이 용할 뿐이다.

마무리

(20분) ^ET 모둠별로 조사한 자료를 발표하고, 다른 모둠과 의견을 교류한다. PPTX 지도상

유의점

Tip! 모둠별 주제는 모둠에서 협의해서 정할 수 있도록 하며, 되도록 다른 모둠 과 주제가 겹치지 않도록 한다.

(24)

소주제 자전거와 과학 차시 1차시 과목

(단원) 화학 – 고분자 화학

교육 과정

(1) 고분자물질의 일반적인 특징 (2) 고분자 물질의 합성

(3) 자전거 제작에 사용되는 고분자 물질 학습

목표

고분자 물질의 특징을 이해하고 자전거 제작에 사용되는 고분자 물질의 조건에 대해 이해할 수 있다.

학습

도입 (15분)

․ ▪‧ ￭

Co 생활에서 사용되는 고분자 물질의 종류와 특징을 설명한다.

학습 활동 (90분)

․ ￭ 

1. 고분자 물질

(1) 고분자 물질의 의미

탄소 원자는 본질적으로 무제한의 길이를 가진 안정한 사슬로 이루어질 수 있다.

따라서 탄소 화합물은 수천 개 또는 수백만 개의 원자를 포함 할 수 있는 거대한 분자를 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 분자의 상대적 질량이 10000 이상인 거대 한 분자를 고분자 화합물이라고 하며, 고분자 화합물은 천연에서 산출되는 천연 고 분자와 합성한 합성 고분자로 나누어 진다.

(2) 고분자 물질의 일반적인 특징

고분자 화합물은 주된 사슬이 공유 결합으로 이루어진 분자성 물질로, 이온 결합 물질이나 금속 결정과는 매우 다른 성질을 가지고 있다.

① 작은 분자들은 분자식이나 분자의 상대적 질량이 정해져 있지만, 고분자 화 합물은 일반적으로 분자의 상대적 질량이 정해져 이ㅉ지 않고 그 범위가 넓다. 따 라서 고분자 화합물은



^_



_ 과 같이 을 사용하여 나타낸다.

② 고분자 화합물은 분자 전체가 규칙적인 배열을 하지 않으므로 결정으로 되 기 어렵고 녹는점이 일정하지 않다. 고분자 화합물을 가열하면 어느 온도에서 부드 러워져서 변형이 일어나기 시작하다가 녹아 액체가 되며, 계속해서 가열해도 기체 로 되지 않고 분자 내 결합이 끊어져 분해된다. 따라서 고분자 화합물은 고체나 액 체 상태로만 존재하고, 기체 상태로는 존재하지 않는다.

③ 사슬 모양의 고분자 화합물은 용매에 녹지만 그물망 구조를 가지는 고분자 화합물은 용매에 녹지 않는다. 사슬 모양의 고분자 화합물도 용매에 녹는 과정이 매우 복잡하여 녹더라도 작은 분자들과는 달리 끈적끈적한 점성이 있는 용액이 된 다.

2. 고분자 물질의 합성

(1) 첨가 중합에 의한 고분자 물질의 합성과 물질의 특징

PPTX

(25)

① 단위체들이 중합할 때 어느 원자도 제거되지 않고 이중 결합이 끊어지면서 중합되는 반응

② 첨가 중합에 의한 고분자 화합물 원리

첨가중합

nCH

2

= CH ---> CH

2

- CH

∣

X X n

(단위체) (첨가 중합체)

X 단위체 이름 고분자 화합물

이름 용도

H 에틸렌 폴리에틸렌 플라스틱, 필름

Cl 염화비닐 폴리염화비닐 PVC관, 레코드판

CH

3

COO 아세트산비닐 폴리아세트산비닐 접착제, 도료

CH

3

프로필렌 폴리프로필렌 섬유, 상자, 밧줄

CN 아크릴로니트

릴

폴리아크릴로니트

릴 옷감, 양탄자

스티렌 폴리스티렌 스티로폼, 투명용기

(2) 축합 중합에 의한 고분자 물질의 합성과 물질의 특징

① 단위체 분자내 두 개 이상의 작용기(-COOH, -NH2, -OH 등) 존재

(26)

A B A B

H

2

O H

2

O H

2

O

H H O O

∣

∥

nH - N - (CH

₂

)

₆

- N - H + nHO - C - (CH

₂

)

₄

- C - OH 헥사메틸렌디아민 아디프산

H H O O

축합중합 ∣

_∣

_∥

---> - N - (CH

2

)

6

- N - C - (CH

2

)

4

- C -

n

+ 2nH

2

O

펩티드 결합

6,6 - 나일론

③ 펩티드 결합(아미드 결합)을 가진 화합물을 폴리아미드라 함 (3) 혼성 중합에 의한 고분자 물질의 합성과 물질의 특징

- 종류가 다른 두 가지 이상의 단위체를 중합시킬 때 교대로 첨가 중합되는 것

nCH

2

= CH - CH = CH

2

+ nCH

2

= CH - CN 부타디엔 아크릴로니트릴 ---> - CH

2

- CH = CH - CH

2

- CH

2

- CH -

n

_∣

부나 - N(NBR 고무) CN

nCH₂ = CH - CH = CH₂ + nCH₂ = CH – C₆H₅(스티렌)

--->

부나 - S(SBR 고무)

3. 자전거 제작에 사용되는 고분자 화합물의 조건에 대해 각 팀별로 조사, 발표할 수 있도록 한다.

일반적인 자전거의 부품은 금속이 아니면 폴리머로 만들어지고 있다. 라이더가 자 전거와 접촉하는 두 지점인 안장과 핸들바는 편안하도록 폴리머 커버로 싸여져 있 다. 타이어와 튜브는 신축성이 필요하기 때문에 폴리머로 제작된다. 다른 부품들도 폴리머로 만들어지는데, 그 이유는 값이 저렴하고 불투과성이며 가볍기 때문이다.

최고급 자전거에 장착되는 탄소섬유 프레임은 탄소 섬유 디스크 휠과 마찬가지로 금속 보다는 폴리머에 가깝다.

마무리 (15분)

ET 조사한 내용에 대해서 소개하고, 자전거의 고분자 화합 물질에 관해 다른 모 둠과 의견을 교류한다.

Tip! 모둠별 주제는 모둠에서 협의해서 정할 수 있도록 하며, 되도록 다른 모둠과 주제가 겹치지 않도록 한다.

(27)

소주제 자전거와 과학 차시 2차시 과목

(단원) 자전거의 소재

교육 과정

(1) 자전거프레임은 가벼운 폴리스티렌으로 만들지 못하는 까닭 (2) 자전거 프레임으로 많이 사용되는 금속의 특징

(3) 금속이 강한 원자론적 이유 학습

목표 금속의 원자론적인 특징과 폴리스티렌과 같은 가벼운 소재와의 차이점을 이해할 수 있다.

학습

도입 (15분)

․ ￭ 

Co 자전거 제작에 플라스틱보다 금속을 많이 쓰는 이유 설명

학습 활동 (90분)

․ ￭  1. 금속

청동기 시대에는 높은 온도에서 광물을 녹일 수 있는 능력이 없었다. 그래서 철보다 가공 온도가 낮고 천연상태에서 쉽게 채취할 수 있었던 구리와 주석의 합금인 청동이 금속의 주류를 이루었다.

청동의 원료인 황동광(Cu2S)을 채광하는 과정에서 색깔이 비슷한 적철광석 (Fe2O3)을 잘못 채취해 이를 청동 제조로에서 용해시키다가 철 성분만 남은 덩 어리를 얻었다는 것이 바로 채광 착오설이다. 또 한 가지 가설은 산불로 인해서 지표면 위에 드러나 있던 철광석이 철 덩어리로 변한 것을 가지고 철기를 만들 었다는 설이다.

기록과 유적 발굴로 정리된 내용에 따르면 인류가 처음으로 철을 사용한 것은 기원전 4천년쯤 소아시아 지역에서였다. 이후 철을 실제 생활에 사용한 철기 시 대의 시작은 기원전 8세기경이고 이집트에서는 기원전 6세기에 이르러서야 철 을 사용하기 시작했다. 이렇게 철이 등장하면서부터 인류 역사는 한층 더 힘의 논리에 지배를 받게 되었다. 이로써 철을 잘 다루는 민족이 세계역사의 주무대 로 나서게 되었고, 철을 더욱 많이 확보하는 민족이 강한 군대와 부유한 국가를 이룰 수 있었다.

구리와 주석은 순수한 상태의 광맥으로 발견되기도 한다. 청동은 구리 90%, 주 석 10% 정도로 만들어진 합금이다. 주석의 양이 10%를 넘게 되면 흰빛을 띠는 백동(白銅)이 되므로 거울의 재료로 쓰였다. 오늘날까지 알려진 바로는 청동 야 금술은 메소포타미아 북부나 시리아 방면에서 BC 31세기경에 발명된 것으로 보 인다. 오리엔트에서도 BC 31세기부터 거의 동시에 청동기 시대로 들어갔는데, 이 새로운 기술은 여러 경로를 통하여 사방으로 전파되어 각 지역을 청동기 시 대로 이끌었다. 또한 신대륙에서의 구리의 야금술은 남아메리카, 특히 콜롬비아

PPTX

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철(철을 포함하는 운석으로 소량의 니켈을 포함함) 등의 광석 형태로 지표상에 존재한다. 최초로 사용되었던 것은 운철로서, 이집트 제4왕조나 오스만 투르크의 아라자 유구(遺丘 : 청동기 시대)에서와 같이 운철을 사용한 장신구, 드물게 보이 는 단검류는 BC 3000년대 이래 제작되기는 하였으나 고온의 노(爐)가 없었던 것 과 원료의 양이 한정되어 있었기 때문에 대량생산은 불가능했다. 또 철광을 제 련하여 얻은 괴철(塊鐵)에서 소량의 연철(鍊鐵)을 얻었으나 연철은 약해서 청동 보다도 사용가치가 떨어졌다. 그러나 연철을 목탄과 접촉시키면서 가열하여 탄 소와 화합시키면 강철이 되는데, 이 기술은 BC 15세기경 아르메니아 지역과 소 아시아 서부지역에서 개발되어 미타니인(人)과 히타이트인(人)에게 전해졌고, BC 13세기경에는 당시 진행 중이던 민족이동 경로를 따라 각지에 보급되었다.

2. 금속의 특성 (1) 자유전자

[나트륨 금속 내의 자유전자] [자유전자에 의한 전기전도도]

① 금속원자는 전자를 잃고 양이온이 됨 ② 양이온이 될 때 떨어져 나온 전자

③ 금속들의 공통적인 성질을 나타내는 원인 (2) 금속결합

① 금속 양이온 + 자유전자 : 정전기적 인력

② 결합력 ∝ 양이온의 전하량, 자유전자의 수, __{원자 반지름}^

(원자반지름은 같은 주기에서 원자번호가 증가할수록, 같은 족에서 원자번 호가 작을수록 감소한다.)

(3) 금속의 공통적인 성질

① 대부분 은백색 또는 회백색의 광택, 자유전자가 모든 파장의 빛 반사 ② 열과 전기 전도성 우수

③ 전성과 연성 우수

④ 녹는점과 끓는점이 비교적 높음(예외: 알칼리금속은 낮은 편임)

2. 자전거 제작에 가장 많이 쓰이는 철

자원 풍부, 값이 저렴하고, 은백색 광택을 가지며 전성, 연성이 크다. 밀도가 크 고 단단하여 교량, 건축, 기계 부품, 주물, 조각 등에 이용되며, 탄소를 조금 섞 어 강철로 만들어 사용

3. 금속합금의 종류와 특성

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스테인리스강

․철, 크롬, 니켈이 일정한 비율로 섞임

․녹이 슬지 않고 산에 부식되지 않음

․공구, 주방용기

황동(놋쇠)

․구리에 아연을 첨가

․녹슬지 않고 전성․연성이 커서 가공이 쉬움

․금관악기, 동전(새10원동전: 구리48%+아연52%)

청동

․구리에 아연과 주석을 첨가

․주조성이 좋다.

․동전, 동상

백동

․구리에 니켈을 첨가

․전성과 연성 큼

․장식품과 화폐

두랄루민

․알루미늄, 구리, 마그네슘, 망간의 합금

․강도가 철강과 비슷하나 가벼움

․비행기, 자동차의 재료

아말감

․수은에 은과 주석을 첨가

․매우 안정하고 굳으면 단단함

․치과용 충전제

니크롬

․니켈에 크롬과 망간을 첨가

․전기저항이 큼

․저항선, 전열기

땜납

․납에 주석을 첨가

․녹는점 낮고 단단함

․금속의 접합

우드합금

․비스무트에 납, 주석, 카드뮴을 첨가

․녹는점(60.5℃) 낮음

․퓨즈, 화재 감지기

금속 활자

․납에 안티몬, 주석을 첨가

․녹는점이 낮고 주조성이 좋다.

․인쇄 활자

4. 자전거 제작에 적합한 합금의 조건에 대해 모둠별로 조사, 발표할 수 있도록 한다.

- 자전거는 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 철 등 네 가지 주요 금속으로 만들어진 다. 이들은 상이한 원자구조를 가지고 있으며, 이는 결정체 구조를 포함한 다른 속성으로 이끌어진다. 네 가지 금속들은 순수한 형태로 사용되는 경우는 별로 없는데, 그 이유는 합금처럼 다른 금속들과 혼합될 때 속성이 더 향성 되기 때 문이다.

- 자전거 부품은 반드시 순수한 금속으로만 제작되지 않는다. 보다 강하고, 가볍 고, 튼튼하게 하기 위하여 합금을 자주 사용한다.

마무리 (15분)

ET 조사한 내용에 대해서 소개하고, 자전거의 고분자 화합 물질에 관해 다른 모둠과 의견을 교류한다.

(30)

소주제 상황에 최적화된 자전거를 디자인하기 차시 1차시 과목

(단원) 미적분Ⅱ 2. 삼각함수  삼각함수의 미분

교육 과정

2009개정교육과정_교육과학기술부 고시 제 2011361호 2. 삼각함수

 삼각함수의 미분

① 삼각함수의 덧셈정리를 이해한다.

② 삼각함수의 극한을 구할 수 있다.

③ 사인함수와 코사인함수를 미분할 수 있다.

학습 목표

① 자전거의 각 요소별 기능과 특징을 말할 수 있다.

② 경사도 및 도로 상황에 따른 운동량을 분석하고 그린에코 로드투어에 맞는 자전거를 디자인할 수 있다.

학습

도입 (5분)

․ ▪‧ ￭ 

Co 자전거를 탈 때 도로상황에 따른 운동량을 확인해보고 좀 더 쉽게 자전거를 탈 수 있는 방법에 대하여 생각해본다.

프레젠테이 션자료

학습 활동 (40분)

․ ▪‧ ￭ 

CD 자전거 바퀴의 운동 모습을 사이클로이드 곡선으로 표현하고 바퀴의 회전하는 모습을 통하여 자전거의 움직인 거리와 톱니바퀴수에 따른 운동량을 모둠별로 분 석할 수 있다.

CD 자전거 패달 회전에 따른 운동량과 톱니바퀴 수에 관계를 파악하고, 경사도에 따른 톱니바퀴 수에 대하여 알아본다.

CD 여러 가지 도로 상황에 따른 운동량을 최소화 할 수 있는 자전j거에 대하여 알 아본다.

노 트 북 이 나 테블릿 pc와 같은 스마트 기기, 자전 거, 자전거 모형

마무리

(5분) ^ET 모둠별 자전거 디자인을 발표하고, 다른 모둠과 의견을 교류한다. 프레젠테이 션 자료

프로젝트에 활용할 수 있는 실용성과 경제적 관점에서의 효율성, 디자인 등을 고려 하여 디자인할 수 있도록 한다.

(31)

소주제 상황에 최적화된 자전거를 디자인하기 차시 2차시 과목

(단원)

미적분Ⅱ (2. 삼각함수  삼각함수의 미분)

정보 (함수의 개념을 이해하고 함수를 활용한 프로그램을 작성)

교육 과정

2009개정교육과정_교육과학기술부 고시 제 2011361호 2. 삼각함수

 삼각함수의 미분

삼각함수의 덧셈정리를 이해한다.

삼각함수의 극한을 구할 수 있다.

사인함수와 코사인함수를 미분할 수 있다.

2009개정교육과정_교육과학기술부 고시 제 2011361호

【공통교육과정】

∎정보

4. 프로그래밍

⑧ 함수의 개념을 이해하고 함수를 활용한 프로그램을 작성한다.

⑨ 다양한 학문 분야의 문제 해결을 위한 알고리즘을 협력하여 설계한다.

⑩ 다양한 학문 분야의 문제 해결을 위해 설계한 알고리즘을 프로그램으로 구현하고 효율성을 비 교･분석한다.

학습 목표

① 자전거의 각 요소별 기능과 특징을 말할 수 있다.

② 경사도 및 도로 상황에 따른 운동량을 분석하고 그린에코 로드투어에 맞는 자전거를 디자인할 수 있다.

③ 자전거 로봇 모형을 통하여 자전저의 작동원리를 이해한다.

④ 자전거 작동을 위한 알고리즘을 이해하고 프로그래밍을 한다.

학습

도입 (5분)

․ ▪‧ ￭ 

Co 자전거를 탈 때 도로상황에 따른 운동량을 확인해보고 좀 더 쉽게 자전거를 탈 수 있는 방법에 대하여 생각해본다.

․ ￭

Co 자전거의 작동원리에 대해 이해할 수 있도록 한다.

Co 자전거의 작동원리를 프로그래밍을 통하여 구현할 수 있다.

Tip! 센서를 이용하여 톱니바퀴의 작동 방법에 대하여 익힌다.

프 레 젠 테 이 션자료

학습 활동

․ ▪‧ ￭ 

CD 자전거 바퀴의 운동 모습을 사이클로이드 곡선으로 표현하고 바퀴의 회전하는 모습을 통하여 자전거의 움직인 거리와 톱니바퀴수에 따른 운동량을 모둠별로 분

노 트 북 이 나 테블릿 pc와 같은 스마트

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따른 톱니바퀴 수에 대하여 알아본다.

CD 여러 가지 도로 상황에 따른 운동량을 최소화 할 수 있는 자전j거에 대하여 알 아본다.

․ ￭

CD 모둠별 활동을 통하여 자전거의 세부적 원리와 효율성을 파악할 수 있도록 한 다.

Tip! 학생과 인접해 있는 구체적인 사례를 통해 접근할 수 있도록 한다.

CD EV3 센서에 대하여 이해하고 센서에 따른 자전거 작동원리를 생각해본다.

Tip! EV3 작동원리에 대하여 이해하고 작동방법에 대하여 안다.

마무리 (5분)

ET 모둠별 자전거 디자인을 발표하고, 다른 모둠과 의견을 교류한다.

ET 자전거의 효율적인 동력 전달 방법에 대하여 이해하고 이를 구현할 수 있다.

프 레 젠 테 이 션 자료

프로젝트에 활용할 수 있는 실용성과 경제적 관점에서의 효율성을 고려하여 로봇 디자인 및 동력구동장치를 구성 할 수 있도록 한다.