1. ICT 정보의 전달방법 탐구하기

1

Prologue

Part 1

본 프로그램에서는 일상생활 속에서 전자기유도 원리를 이용한 제품과 그 예를 탐구하고, ICT기술이 일상생활 속에 적용되어 삶의 질이 얼마나 향상되었는지를 토의한다. 또한, ICT 와 센서 기술을 활용한 레이저 통신과 NFC에 대해 학습한다. 본 프로그램에서는 첫째, 상황제시를 통해 ICT의 의미와 그 활용에 대해 이해한다. 둘째, 창의적 설계 단계에서는 구체적인 물리학적·공학적 탐구로써 광전효과와 에너지의 양자화 원리를 바탕으로 광센서와 레이저를 활용한 레이저 하프를 제작하게 되는데, 이때 제작된 장치를 개선할 수 있는 방법(디지탈 방식으로 입력 방법 개선)을 평가하고 설계, 모색하는 과정을 경험하게 된다. 셋째, 감성적 체험 단계에서는 학습한 내용을 바탕으로 아두이노 기술을 이용하여 레이저하프를 담아둘 공간을 만들기 위해 창의적 아이디어를 표현하게 된다.

3 Part 2

본 프로그램은 유도전류의 개념과 페러데이 전자기 유도법칙을 다양하게 활용하는 방법에 대해 이해하며 다양한 미래의 진로를 탐색해 본다. 첫째, 상황제시를 통해 음악 속에 담겨진 수학의 원리와 그 아름다움에 대해 이해하며, 아름다운 음을 내주는 악기의 고유진동수에 대해 학습한다. 또한, 재생의 원리에는 물리가 있음을 확인한다. 골드웨이브 프로그램을 통해 주파수와 음계의 파형을 탐색해 본다. 창의적 설계 단계에서는 구체적인 과학적 탐구로써 전자기유도의 원리와 페러데이 법칙을 활용한 레이저 광통신 장치를 제작하게 되는데, 이때 제작된 장치를 개선할 수 있는 방법을 평가하고 설계, 모색하는 과정을 경험하게 된다. 감성적 체험 단계에서는 학습한 내용을 바탕으로 다양한 ICT기술을 이용하여 정보를 전달해 본다.

ICT 관련 유망직업을 찾아보고, 조사한 직업 중 미래의 명함에 QR코드를 입력하는 등 창의적 아이디어를 표현하여 자기소개 자료 만들기를 실행한다.

Contents

Part.01

1. ICT 정보의 전달방법 탐구하기

2. 일상 생활 속의 ICT(유비쿼터스)

3. 미니컴퓨터(아두이노)의 기본 원리 이해하기

4. 빛으로 연주하는 악기1

5. 빛으로 연주하는 악기2

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Part.02

6. ICT와 수학

7. ICT와 음악(고유진동수)

8. 광통신으로 ICT정보 전달하기

9. 스마트폰의 NFC 이용 전자기유도 실험

10. ICT 직업 탐색

PART 01.

1. ICT 정보의 전달방법 탐구하기

수업주제 정보의 전달과 다양한 통신 방법

수업 학습목표 정보 통신 기술의 기초 원리와 사례를 설명할 수 있다.

정보의 전달 방법인 이동 통신 방법의 예를 들어 설명한다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획), ppt자료

학생 -학습자료, 스마트폰

교육과정

기술·가정

Ⅳ. 미래 기술과 사회 1. 미래 기술의 세계 01. 정보 통신 기술

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상황

제시 미래의 스마트(유비쿼터스)세상

우리가 미래에 ICT가 어떻게 사용되고 활용될 것인가에 대한 영상을 보면서 앞으로 다가올 시대를 상상해 보도록 한다.

· 은상이의 하루

아침 6시! 경쾌한 음악의 스마트 폰의 알람시계가 울린다.

은상이는 어제 늦게까지 스마트폰으로 학교폭력에 대한 사례와 자료들을 찾아 클라우드에 업로드 시키고 자료 정리 하느라 피곤이 가시지 않은 상태이지만, 아침에 일찍 만나기로 한 약속 때문에 평소보다 30분정도 일찍 알람 시간을 조정해서 설정했었다.

아침 7시에 학교 도착했으나 아직 반 친구들은 아무도 없다. 잠시 후 영도와 탄이도 교실에 도착했다. 1교시 시작 전까지 인터넷에 소개된 사례를 재구성해서 UCC 영상의 콘티 작성과 각자 맡을 부분에 대해 논의를 했다.

쉬는 시간마다 모여 다시 의논하고, SNS를 통해 다른 반에 있는 친구들을 물색해서 주인공과 주변 인물까지 캐스팅까지 끝냈다.

점심을 먹으며, 탄이가 QR코드를 만들어 스마트폰으로 스캔하면 우리가 현재 만들고 있는 동영상과 함께 학교폭력 근절이라는 문구가 첫 장면에 나오도록 만들자는 제안을 했다.

영도도 탄이의 의견에 찬성하며, 둘이서 QR코드 만드는 방법을 스마트 폰으로 검색하고 자료를 다운받는 등 모두가 이번 UCC 공모전에 적극적이었다.

수업이 모든 끝난 3시 30분! 캐스팅 된 출현자가 모두 모였다. 스마트 폰으로 여러 번 동영상을 찍었다. 조금씩 상황을 바꾸어가며 찍은 동영상들은 클라우드에 업로드하고 나니 벌써 시간은 6시! 학원갈 시간이 늦어버렸다.

저녁시간 동영상 편집을 맡은 은상이는 학원을 다녀온 9시부터 확 눈에 들어올 영상을 만들기 위해 컴퓨터와 스마트 폰을 이용해 고군분투하지만 편집에 마음만 조급하다. SNS를 통한 친구들의 격려와 함께 편집을 마친 은상이는 동영상을 클라우드와 SNS를 통해 다시 친구들에게 전달했다. 동영상이 이웃 학교의 모르는 친구들에게까지도 어떻게 전달되어 갈지 생각해보자.

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출처: http://www.youtube.com/

watch?v=eOSJdQ3e6JE

· [채널IT] ICT 컨버전스가 변화시킬 놀라운 미래

· ICT 동영상 : 유리와 함께 하는 하루2

유비쿼터스는 ‘언제 어디에나 존재한다’라는 뜻의 라틴어에서 출발했다. 유비쿼터스 컴퓨팅 개념의 제안자인 마크 와이저 박사는 사람을 포함한 현실 공간에 있는 모든 것들을 연결해 사용자에게 필요한 정보나 서비스를 바로 줄 수 있는 기술을 유비쿼터스 컴퓨팅이라고 정의했다. 마치 촘촘히 짜인 실처럼 컴퓨터가 생활 모든 곳을 연결해서 사람의 다양한 요구를 즉시 만족시켜 줄 수 있는 정보통신 환경을 의미하는 것을 말한다. 지금은 스마트란 말이 대신 사용되고 있다.

· [CS] 2019년 미래 사회의 모습(by MS)

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=pCUXbz5XNek

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=Wo7KbLgk9S4

창의적 설계

1. 장거리 이동 통신에 대한 개념 설명 가. 정보통신기술

정보 기술(Information Technology)과 통신 기술(Communication Technology)의 합성어정보 기기의 운영 및 정보 관리에 필요한 소프트웨어 기술과 이들 기술을 이용하여 정보를 수집, 생산 가공, 보존, 전달, 활용하는 모든 방법을 말한다.

나. 스마트 폰[smart phone]

휴대폰에 컴퓨터 지원 기능을 추가한 지능형 휴대폰. 휴대폰 기능에 충실하면서도 개인 휴대 정보 단말기(PDA) 기능, 인터넷 기능, 리모콘 기능 등이 일부 추가되며, 수기 방식의 입력 장치와 터치스크린 등 보다 사용에 편리한 인터페이스를 갖춘다. 무선 인터넷 기능의 지원으로 인터넷 및 컴퓨터에 접속되어 이메일, 웹브라우징, 팩스, 뱅킹, 게임 등 단말기로서의 기능도 수행한다.

다. LTE[long term evolution]

노키아와 소니에릭슨이 주도하는 3.9세대(3.9G) 이동통신 기술

3세대 HSPA기술에서 진화한 LTE는 초당 100Mb급의 전송속도를 구현할 수 있어 이동통신망에서 대용량 동영상도 원활하게 송수신할 수 있다. 기존 2세대 C DM A ( 코 드 분 할 다 중 접 속 ) , G S M ( 유 럽 형 이 동 통 신 ) , 3 세 대 WC DM A ( 광 대 역 코드분할다중접속) 기술에 이은 것으로 다운로드 속도 100Mb, 업로드 속도 50Mb로 송신할 수 있다. 기존 네트워크와 유연한 연동이 이뤄지고, 투자 비용이 저렴해 세계의 많은 이동통신사들이 차세대 기술로 채택하고 있다. 한편, 롱텀에볼루션(LTE)를 3세대(3G)인 CDMA 2000과 4세대(4G)의 중간 기술에 해당한다 하여 3.9세대라고도 한다. 4세대(4G)는 LTE를 진화시킨 기술이라는 뜻에서 '4G LTE' 또는 'LTE Advanced'라 부른다.

라. LTE-A[long term evolution-advanced]

LTE보다 2배 빠른 속도 구현이 가능한 이동통신 서비스

주파수 집성(CA : carrier aggregation, 다른 주파수 대역을 묶어 주는 첨단 기술)을

정보 통신 기술의 개념 및 스마트폰 개념 설명하기

출처:

http://www.softwarecatalog.

c o . k r / i s r c / m p / 2 0 1 1 / 0 7 / software_web/review.htm

출처: http://navercast.naver.com/

contents.nhn?rid=122&contents_

id=5712

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활용한 이동통신서비스로 서로 떨어져 있는 주파수 2개를 묶어서 빠른 속도를 구현한다.

최대 속도가 150Mbps에 달해 유선인터넷보다 1.5배 빠르며 800MB 영화를 43초 만에 내려 받을 수 있어 3G보다 10배, LTE보다 2배 빠른 속도로 서비스가 가능하다.

마. 와이파이[Wireless Fidelity]

와이파이(Wi-Fi)란 wireless fidelity의 약자로, 하이파이(Hi-Fi : high fidelity)에 무 선 기 술 을 접 목 한 것 으 로 , 고 성 능 무 선 통 신 을 가 능 하 게 하 는 무 선 랜 기 술 을 말한다.무선랜이란 네트워크 구축 시 유선을 사용하지 않고 전파나 빛 등을 이용하여 네트워크를 구축하는 방식이다.

2. 이동 통신 규격의 발전 과정에 대한 설명

* 참고자료 : 1G~5G, 이동통신 세대 변천사

우리가 언제부터 통신 방식에 G를 이토록 자연스럽게 붙이기 시작했나 이제 와서 돌이켜 생각해보면 아마도 3G시절부터였던 것 같다. 3G는 이전 세대인 2G와 확연히 달라진 점이 바로 유심의 사용이다. 그 이유로 ‘3G 휴대전화라서 유심이 꼭 필요하다’는 이야기를 하곤 했따. 이제는 4G LTE를 지나 LTE-A가 상용화되었으며 벌써 5G에 대한 이야기도 나오고 있다. 이번 시간에는 세대를 뜻하는 ‘Generation’의 머리글자인 G가 어떤 모습으로 발전해왔고 또 우리 생활에는 어떤 영향을 미쳤는지 알아보자.

(중략)

5G, 얼마나 빨라질까

전송속도의 발전은 언제까지 계속될까? 아직까지 5세대 이동통신의 표준이나 기준에 대해 정해진 것은 없지만 벌써부터 예측은 조심스레 나오고 있다. 우선 5월경 삼성이 공개한 5세대 이동통신 기술을 보면 데이터 전송속도는 초당 기가급(Gbps)에 이르며 초고주파 대역을 이용하게 된다고 전했따. 주파수 대역이 높아질수록 신호의 도달거리는 짧아지는 특성이 있지만 64개의 안테나를 활용하는 새로운 기술로 이를 극복해서 1Gbps 전송속도로 2km까지 전송하는 시연에 성공했다고 한다. 1Gbps면 현재 LTE-A의 전송속도보다 7배가량 빠른 속도다.

이동통신 세대가 올라가면서 데이터 전송속도의 향상으로 단지 데이터 사용량만 늘어난 것이 아니라 초기 문자만 주고받던 방식에서 사진을 주고받기 시작하고 이제는 완전한

1G 2G 3G 4G

접속방식 아날로그 GSM

CDMA

WCDMA CDMA2000

와이브로

LTE / LTE- Advanced 와이브로-에볼루션

(와이맥스2)

전송속도 - 14.4 ~

64kbps

144kbps ~ 2Mbps

100Mbps ~ 1Gbps

전송형태 음성 음성/문자 음성/문자/동영

상 등 음성/문자/동영상 등 다운로드

속도

다운로드

불가 약 6시간 약 10분 약 85초~6초

(이론적) 출 처: h t t p:// n a v e r c a s t .

n a v e r . c o m / c o n t e n t s . nhn?rid=122&contents_id=5712

출처: http://navercast.naver.

com/magazine_contents.

nhn?rid=1103&contents_

id=33842

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멀티미디어 환경으로 바뀐 것처럼 5세대에 이르러서는 현재에 상상하지 못한 무언가가 추가될지도 모른다. 이미 3D 화상통신이 가능해질 것이라는 이야기도 있고 스마트폰 역시 Full HD의 4배 높은 해상도인 UHD 영상을 지원하게 될 것이라는 예상도 나오고 있다. 지금은 이런 이야기가 한낱 허무맹랑한 이야기처럼 들릴 수도 잇겠지만 세대가 넘어가기 이전에는 다음 세대에 대한 상상은 항상 믿기 힘든 수준이었다는 것을 떠올린다면 2020년경으로 예상되고 있는 5세대 이동통신 시대에는 어떤 세상이 펼쳐질지 기대해도 될 것이다.

1. 스마트 폰의 기능 중에서 정보를 전달하는 방법을 찾아 정리 하도록 한다.

창의적

설계 학생탐구활동: 스마트폰 기능 중에 있는 근거리 이동 통신 조사하기

1G 2G

NFC

불루투스

RFID

[ radio frequency identification ]

안드로이드 Beam/

S Beam

테더링

핫스팟

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2. 정리한 자료를 ppt로 자료로 정리한다.

3. 스마트폰 기능 중에 하나인 Screen Mirroring를 이용하여 발표한다.

위 기능이 없는 경우 인터넷 클아우드 서비스를 활용하여 컴퓨터로 자료 전송 후 수업용 컴퓨터를 통해 발표하도록 한다.

감성적

체험 한 대의 스마트 폰이 만들어지기까지... (뉴스 영상)

출처: http://www.ytn.co.kr/_

ln/0102_201202260020135847

· [YTN] 한 대의 스마트폰이 만들어지기까지...

[앵커]

스마트폰 한 대가 만들어지려면 500번이 넘는 작업과 검사가 필요하다고 합니 다.

또, 소비자의 손에 넘어가기 직전에 이동통신사가 다시 5만 번이 넘는 테스트를 한다고 하는데요, 스마트폰이 만들어져서 판매되기 까지의 과정을, 강성웅 기자 가 취재했습니다.

[리포트]

한 달이 멀다하고 신제품이 쏟아지는 스마트폰.

하지만 새 스마트폰이 탄생하기까지 과정은 멀고 험난합니다.

먼저 충격 낙하시험.

1.5m 높이에서 20번 이상 떨어져도 멀쩡해야 합니다.

60도 이상의 고온과 영하 2,30도의 저온도 견뎌야 합니다.

화면은 수십만 번 터치를 해도 문제가 없어야 합격입니다.

[인터뷰:김경수, 팬택 품질기술1팀 차장]

"LCD 화질, 오디오 품질, 터치 사용성, 이런 부분에 대한 체감 품질을 향상시킬 수 있도록 신뢰성 시험을 구성해 평가를 진행하고 있습니다."

개발이 끝나고 양산되는 과정은 정밀함과 섬세함이 동시에 필요합니다.

명함 크기의 기판 위에 깨알만한 부품들을 얹어 회로를 만듭니다.

카메라와 스피커,진동모터 등을 다는 공정은 일일이 손으로 해야 합니다.

각 공정이 끝날 때마다 정상 작동 여부를 꼼꼼히 확인합니다.

(중략)

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생각

되돌아보기

2. 일상 생활 속의 ICT (유비쿼터스)

수업주제 일상 생활 속의 ICT(유비쿼터스)

수업 학습목표

유비쿼터스의 개념을 이해한다.

일상생활 속의 ICT(유비쿼터스)를 조사해 보며, ICT의 미래를 미래를 생각해 본다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획), ppt자료

학생 -학습자료, 스마트기기

Ⅳ. 미래 기술과 사회

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상황

제시 ^{유비쿼터스 세상}

· ‘국제 스마트 홈·빌딩전’에서 만난 미래 거주 환경

· [채널IT]3D프린터 쇼 파리 2013

· [T타임] 당신의 10년 뒤 미래, 이미 영화는 알고 있었다!

출처: http://tvcast.naver.com/

v/103184/list/10183

출 처 : h t t p : / / n e w s . n a v e r . c o m / m a i n / t v g a l l e r y / i n d e x . n h n ? c i d = 9 6 1 7 9 2 & s id1=105#056_0000018745 출처:http://blog.naver.com/gico1 2?Redirect=Log&logNo=2019942 8991&jumpingVid=8C051F3ADBF 8A0279F14C0A6F6B48DEC76C8

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창의적 설계

1. 유비쿼터스

유비쿼터스는 '언제 어디에나 존재한다'는 뜻의 라틴어로, 사용자가 컴퓨터나 네트워크를 의식하지 않고 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속할 수 있는 환경을 말한다. 컴퓨터 관련 기술이 생활 구석구석에 스며들어 있음을 뜻하는 '퍼베이시브 컴퓨팅(pervasive computing)'과 같은 개념이다.

2. 네트워크

① 넓은 뜻으로, 지리적으로 떨어져 있는 장치(전화기, 팩스, 컴퓨터, 단말기 등) 간에 정보를 교환할 수 있도록 이들 장치를 상호 접속하기 위하여 사용되는 전기 통신 기기와 장치, 전송로의 결합. 전기 통신 기기와 장치에는 회선 다중화 장치, 교환 기기, 송수신 기기 등이 포함되고 전송로는 동선 케이블, 광섬유, 마이크로파 링크, 통신 위성 등 다양한 매체로 구성된다. 네트워크는 사용되는 단말 장치 또는 서비스에 따라서 전신망, 전화망, 컴퓨터 통신망 등으로 발전해 왔으나 컴퓨터 처리와 통신의 결합으로 이들 간의 경계는 없어지고 종합 정보 통신망(ISDN)으로 발전하였으며, 컴퓨터는 컴퓨터실의 경계를 훨씬 벗어나게 되어 분산 컴퓨터 처리를 가능하게 하였다.

② 좁은 의미로, 컴퓨터 상호 간의 정보 교환과 정보 처리를 위한 데이터 통신망. 통신망 운영 체계, 통신망 데이터베이스 등 네트워크 관련 용어는 대부분 컴퓨터 통신망과 관련하여 사용되는 용어이다. 네트워크의 규모에 따라 구내 정보 통신망(LAN), 도시권 통신망(MAN), 광역 통신망(WAN), 세계적 통신망 등으로 분류된다.

3. 스마트네트워크

고성능 저비용 데이터센터를 구축해 PC휴대폰 등 인터넷과 연결된 모든 단말기를 통제하며, 대용량 데이터와 동영상을 빠르고 싸게 처리할 수 있는 통신망을 말한다. 이를 이용하면 하나의 데이터로 모든 단말기를 통제하여 3스크린(휴대폰, PC, TV)을 1개의 스크린으로 이용할 수 있으며, 데이터 센터를 통해 기존보다 더욱 빠르고 많은 양의 데이터를 처리할 수 있게 된다.

유비쿼터스 및 네트워크 개념 설명하기

출처: [네이버 지식백과] 네트워크 [network, -階層] (IT용어사전, 한국 정보통신기술협회)

창의적 설계

1. 은상이의 하루 생활 속의 ICT이다.

학생탐구활동1: 은상이의 하루

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2. 은상이의 하루 생활을 통해 일상생활 속에 ICT관련 기술을 찾아보자.

- 글, 그림, 사진 어는 것이든지 자신만의 방법으로 찾아 보도록 한다.

홈(집) 스쿨(학교) 사회(그 외 생활)

감성적

체험 아미쉬 프로젝트(지식e채널)

출처: http://blog.naver.com/pluere d?Redirect=Log&logNo=501353385 10&jumpingVid=557DF7EF255355F 662D20FC3B833223888E9

-진정한 스마트한 삶은 무엇인지 생각해보기

‘더 아미쉬 프로젝트’ 아미쉬라는 프로젝트 이름은 현대 문명의 이기를 모두 거부한 채 19세기 생활방식으로 살아가고 있는 미국 필라델피아주에 있는 아미쉬공동체에서 따왔다. (중략)

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생각

되돌아보기

3. 미니컴퓨터(아두이노)의 기본 원리 이해하기

수업주제 아두이노의 기본 기능을 이해하기

수업 학습목표 아두이노의 기본 원리를 이해한다.

깜박이는 LED 만들기 예제를 통해 아두이노의 활용 방법 이해한다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획)

학생 -학습자료, 스마트폰

Ⅱ. 물질과 전자기장

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상황

제시 ^상황제시

· 프랑스 ICT의 모범 - 오토리브

-오토리브란?

파리 시내 곳곳을 누비는 전기 자동차, ‘오토리브’는 회원 가입만 하면 누구나 저렴한 가격으로 이용할 수 있는 렌터카입니다. 자신의 위치에서 가장 가까운 곳에서 오토리브를 대여할 수 있으며 목적지 근처의 충전소를 편리하게 예약할 수 있는 IT시스템이 잘 갖춰져 있어 누구나 쉽고 편리하게 이용 가능하다는 장점이 있습니다. 파리는 이 오토리브 시스템을 지난 2011년부터 현재까지 성공적으로 운영해 오고 있습니다.

(중략)

-NFC를 이용한 무인 대여 시스템

대여와 반납도 100% 무인 시스템으로 이루어집니다. 사용자는 NFC* 기술이 접목된 카드를 자동차에 갖다 대는 것만으로 대여 절차가 한 번에 끝납니다.

* NFC : 근거리 무선 통신(Near Field Communication)을 뜻하며, 아주 가까운 거리의 무선 통신을 하기 위한 기술이다. 현재 지원되는 데이터 통신 속도는 초당 424 킬로비트다. 교통, 티켓, 지불 등 여러 서비스에서 사용할 수 있다.

(중략)

· [행복동행] 인천 전통시장에서 무료로 첨단 ICT 서비스를 체험해 보세요~

- T뉴스

출처: http://blog.sktworld.

co.kr/4185

출처: http://blog.daum.net/

withmsip/398

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SK텔레콤이 지원하고 있는 인천 신기시장 내에 26일 새롭게 오픈하는 고객센터에 ICT 체험 공간이 마련됩니다.

전통시장에서 스마트로봇, 초소형 빔프로젝터, 소상공인 경영지원 솔루션을 만나보세요!

인천 신기시장은 인천의 대표적인 전통시장 중 하나로, 고객센터 및 주차빌딩 건립을 통해 시설을 현대화 하고, 인천에 정박하는 크루즈선 승객과 인천국제공항 환승객을 위한 체험시장으로서 특화 전략을 추진하는 등 새로운 도약을 준비하고 있습니다.

SK텔레콤은 고객·사회와 함께 하는 ‘행복동행’의 일환으로, 지난 5월부터 인천 신기시장에 자사가 보유한 ICT 솔루션 및 마케팅 역량을 지원해 경쟁력을 강화할 수 있도록 지원하고 있답니다.

이러한 전통시장 활성화 지원 활동의 일환으로, SK텔레콤은 신기시장 고객센터를 보다 특화된 고객친화적 공간으로 만들기 위해 방문고객과 상인들을 위한 다양한 ICT 솔루션을 모은 ICT 체험 및 교육 공간을 마련했습니다.

(중략)

· `로봇·ICT 융합` 지능형 휴먼기술 태동

(왼쪽부터 시계방향)ETRI 연구원이 미래형 로봇컴퓨터를 통해 애플케 이션을 실행하고 있다, 견마형 로봇을 원격 운용시스템으로 작동시키 고 있는 모습, ETRI가 개발한 무인 자율주행 전기 자동차인 `에스트로`가 ETRI 야외 시험구간을 운행하고 있다, ETRI가 개발 한 미래형 로봇

컴퓨터의 모습과 탁자에 비춰진 애플리케이션.

-스타트C 코리아-과학·ICT 융합빅뱅 (10) 인간을 닮아가는 융합 결정체 `로봇`

과학기술과 ICT를 핵심으로 한 기술과 산업융합은 미래 먹거리뿐만 아니라 의료, 에너지, 복지 등 국가적 이슈를 해결할 수 있다. 본지는 `융합으로 새 길 여는 과학기술·ICT` 기획 시리즈를 통해 과학기술과 ICT를 핵심으로 하는 산업·기술 융합 현장을 소개한다.

(중략)

출처: http://blog.daum.net/

withmsip/398

창의적 설계

아두이노(Arduino)는 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. AVR을 기반으로 한 보드로 이루어져 있고 최근에는 Cortex-M3를 이용한 제품(Arduino Due)도 있으며 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 있다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다. 또한 플래시, 프로세싱, Max/MSP와 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다.

아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다.

일반적으로 AVR 프로그래밍이 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다. 또한 아두이노는 다른 모듈에 비해 비교적 저렴하고, 윈도를 비롯해 맥 OS X, 리눅스와 같은 여러 OS를 모두 지원한다. 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있으므로, 누구나 직접 보드를 직접 만들고 수정할 수 있다.

아두이노의 기본 개념

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출처:　http://robobob.co.kr/51

-PC에서 아두이노의 설정에 대해 알아본다.

-아두이노 가이드. 설치하고 프로그래밍 해보기 RT1

1단계. 준비물 확인

2단계. 아두이노 개발환경 설치하기 3단계. PC에 아두이노 연결하기

4단계. 드라이버 설치하기(드라이버 설치 과정 캡쳐이미지, WINDOWS 7 기준) 5단계. 아두이노 개발환경(스케치)을 실행합니다.

6단계. 아두이노 보드종류 선택하기 7단계. 시리얼 포트 선택하기 8단계. Blink 예제 소스코드 불러오기 9단계. 컴파일 및 아두이노에 전송하기

10단계. LED Blink - 발광다이오드의 깜빡임 확인하기 11단계. 문제처리

12단계. 참고사항(LED사용할땐 꼭 저항과 함께 사용하며, 직접 원하는 핀에 LED를 장착하여 작동하려면 저항과 함께 연결해야 한다.)

창의적

설계 ^{아두이노의 설정}

1. 준비물 확인

2. 소프트웨어를 준비

http://arduino.cc/en/Main/Software 여기로 가서 자의 컴퓨터 환경에 맞게 다운 받는다.

압축을 풀면 스케치 실행 파일과 드라이버 설치파일이 있다.

① 간단한 설정을 한다.

먼저 컴퓨터와 아두이노 보드를 USB로 연결하면, 드라이버 설치가 진행되면서 설치파일을 요구한다.

설치파일은 방금 전에 다운받은 파일에 있으므로 경로에 맞게 설정을 해주고 설치한다.

① LED 다리가 짧은 쪽이(-)이

며, 다리가 긴 쪽이(+) ② Bread Board, 브래드보드(빵판)

③ 아두이노 보드와 빵판을 서로 연결시키기 위한 전선

④ 아두이노 보드 (기본적으로 위의 부품만 있으면 예제를 충분히 할 수 있다.

출 처 : h t t p : / / 4 d i s t r i c t . com/10162718740

창의적

설계 학생탐구활동 1: 깜빡이는 LED만들기 예제

35

② [제어판 -> 하드웨어및 소리 -> 장치관리자 -> 포트]

Ardoino 또는 UNO 라고 표기된 새로운 포트가 생겼을 것이다. (이 포트 번호를 기억해 둔다.) 스케치를 실행해 본다.

여기서도 몇 가지 설정이 필요하다.

③ 일단은 자신이 구입한 보드에 맞게 소프트웨어와 연동시키는 것이다.

[도구 -> 보드 -> 보드선택]

보통 가장 흔하게 사용하는 리스트 최상단에 있는 UNO를 찾아본다.

④ 외부포트를 설정 해줘야 한다.

드라이버 설치 후 확인했던 포트번호에 맞게 설정해주면 설정 완료

⑤ 프로세스: [하드웨어 세팅 -> 코딩 -> 컴파일 -> 아두이노에 업로드 -> 실행]

하드웨어 세팅부터 해본다.

보드에 숫자가 적혀 있는데 그 부분은(+) 그중 13번에 연결해 본다.

GND는 Ground의 약자로 (-)

빵판에 LED와 해당 전선을 극에 맞게 잘 꼽아주면 하드웨어 세팅 완료

37

⑥ 스케치에서 코딩한다.

-스케치에는 초보자들이 쉽게 따라 할 수 있는 예제프로그램이 들어 있다.

[파일 -> 예제 -> Basic -> Blink] 를 선택하면 Blink 소스코드가 첨부된 창이 뜬다.

코드는 다음과 같다.

int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup(){

// initialize the digital pin as an output.

pinMode(led, OUTPUT);

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop(){

digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second

digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second

}

13이라는 값을 가진 led라는 변수 하나가 선언 되었다.

아까 13번 핀과 LED의 (+) 를 연결했었다. 보드에 숫자가 적혀 있었던 이유가 바로 저것이다. 보드에 있는 고유의 숫자 핀과 연결된 장치를 프로그래밍을 통해 제어 할 수 있다. 그리고 밑의 소스는 주석이 달려있다.

⑦ 코딩이 끝났으면 컴파일을 한다.

노란색으로 표시된 체크버튼(컴파일)은 자신이 입력한 코드에 이상이 없는지 확인해주는 맞춤법 검사와 같은 기능이다.

컴파일 버튼을 누르고 작성한 코드에 별 이상이 없으면 컴파일 완료라고 뜬다.

⑧ 컴파일이 끝났으면 보드에 업로드한다.

컴파일버튼 바로 우측에 업로드버튼이 있다. 업로드가 완료 되었다.

39

⑨ 업로드가 되면 하드웨어에서는 즉각적인 반응을 보인다.

감성적

체험 학생탐구활동 2: 아두이노의 간단한 활용 방법을 이해한다.

1. 반도체의 특징은 무엇인가?

2. 주변에서 반도체를 포함하고 있는 물체를 찾아보자.

3. 트랜지스터의 증폭 작용을 이용하여 어떤 장치를 만들 수 있을지 상상하여 적어 보자.

41

생각

되돌아보기

4. 빛으로 연주하는 악기1

수업주제 빛으로 연주하는 악기 만들기1-아날로그 입력 방식

수업 학습목표 광센서의 원리를 이해한다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획)

학생 -학습자료, 스마트폰

43

상황

제시 ^상황제시

·[세상의 창] 우주 쇼와 구름 파도가 한 곳에

[앵커]

인터넷으로 보는 <세상의 창>입니다.

공상 과학 영상 속 장면을 옮겨 놓은 듯한 하와이 명소가 화제입니다.

지금 바로 감상해보시죠.

[리포트]

밤하늘을 수놓다 못해 땅으로 쏟아질 듯한 별들을 만날 수 있는 곳!

하와이 휴화산 '할레아칼라' 정상에 위치한 마우이 우주 관측 시설입니다.

슈퍼 망원경과 레이저 추적 장비들이 24시간 지구 궤도를 관측 중인데요.

공상과학 영화 속 우주 기지를 옮겨놓은 듯합니다.

한 잡지사 소속 사진작가와 프로듀서가 최첨단 관측 시설과 신비한 우주가 빚어내는 조화를 타임랩스 기법으로 촬영한 건데요.

게다가 이곳은 고도가 높고 공해가 없어 늘 맑은 대기 환경을 갖춘 덕분에 새벽녘이나 저녁 무렵엔 이처럼 역동적인 파도 구름도 감상할 수 있다고 합니다. 경

이로운 자연 장관을 한 곳에서 볼 수 있는 명소 중 명소네요.

출처: http://news.kbs.co.kr/

news/NewsView.do?SEARCH_

NEWS_CODE=2755002

45

·레이저 다이오드 브래드보드에 제작

·국내최초의 최첨단 의료용 레이저조사기, 관절염치료

병원에 가지 않아도, 값비싼 치료비 안 들여도 스스로 치료할 수 있는 관절염 치료기 하이리빙 라파 402이 라파 402가 관절염 치료 분야에서 누구나 집에서 치료받을 수 있는 '하우스클리닉', '셀프케어' 시대를 엽니다. 無수술, 無투약 퇴행성 관절염 통증치료 효과 뿐만 아니라 라파402의 저출력(650nm)레이저는 흉터나 화상 등 피부손상부위의 재생 및 미용 효과도 얻을 수 있습니다. 뿐만 아니라 환부에 조사된 레이저는 한의학분야, 한방병원에서 쓰는 침치료 이상의 경혈치료효과가 까지 있습니다.

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=LxeDyDbE6S4

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=NzmZRLU6yqs

창의적 설계

1. 레이저 하프의 개념

레이저 하프란 이름에서 알 수 있듯이 현악기 ‘하프’의 현을 대신에 레이저로 대체하여 연주할 수 있게 만든 악기를 말한다.

우리가 여기서 다룰 레이저 하프의 종류는 Artisan’s Asylum hackerspace가 Somerville, Massachusetts에서 만든 것과 RadioShack East Vs. West Hackerspace Challenge의 우승팀이 만든 레이저 하프 프로젝트의 간소화된 버전이다. 초심자들을 위해 간소화했지만 작동 원리는 기본적으로 같다.

2. 레이저 하프의 기본 원리

레이저 하프의 기본 원리는 레이저를 포토셀에 연결하고 스텝모터로 레이저를 8개의 경로로 나눈다. 손으로 레이저의 경로를 차단하면 포토셀이 자극을 받아 그 즉시 아두이노 마이크로 컨트롤러는 MIDI “note on” 메시지를 보내 소리가 나게 한다.

게다가 레이저 센서가 손의 위치를 파악하여 소리의 질을 바꾼다. 즉 레이저의 경로를 차단하고 이것을 감지한 센서가 신호를 보내 소리를 나게 하는 것이다. 레이저 하프를 이용해 다양한 음을 찾아 신나는 연주를 해보자.

-레이저의 원리(물리Ⅱ), CdS 광센서(물리Ⅰ) 이해-

3. 레이저 하프의 작동 원리

레이저 하프에는 악기를 연주할 수 있는 현 대신에 레이저 포인터가 사용된다. 연주자는 현을 튕기는 것 대신에 레이저 포인터에서 나오는 레이저를 막음으로써 음을 연주할 수 있다. 연주자가 어떤 레이저를 손가락으로 막으면 브레드보드에 장착된 황화카드뮴셀이 어두워지며 저항이 증가한다. 아두이노는 브레드보드에 연결되어있어 이 변화를 감지하게 되고 미리 입력된 프로그램에 따라 이에 걸맞는 전기신호를 스피커에 보내면 특정 음이 나오게 된다. 이때 황화카드뮴셀은 어두운 날, 밝은 날과 같이 주위 환경에 따라 의도하지 않은 결과를 낼 수 있으므로 분압기를 이용하여 보정한다.

레이저 하프란?

47

창의적 설계

1. 제작 방법

① 아두이노를 위한 레이저하프의 스케치는 아래 링크에서 다운받을 수 있다.

http://www.radioshack.com/graphics/uc/rsk/Support/ProductManuals/

RS_DIY_LaserHarpJr.ino.zip

② 레이저하프의 제작을 위해서는 특별히 “Tone” 라이브러리가 필요하다.

라이브러리는 아래 링크에서 받을 수 있다. 라이브러리는 아두이노 소프트웨어 폴더의 라이브러리 폴더에 있어야 한다.

http://code.google.com/p/rogue-code/wiki/ToneLibraryDocumentation

③ 컴퓨터에 아두이노 소프트웨어를 깔고 라이브러리를 넣은 후 위 스케치를 열면 작동 코드가 보인다. 우리는 이것들을 다 알 필요는 없지만 중요한 코드를 하나 살펴보자.

이 코드는 센서의 개수, 세 개의 센서와 세 개의 음의 관계를 나타낸다. G3, D4, A4는 각각 ‘솔’‘레’, ‘라’, 를 나타낸다. 이 아르페지오 대신 ‘도’‘레’, ‘미’, 를 연주하고 싶다면 G3을 C4로, A4를 E4로 바꾸면 된다. 또한 현의 개수를 늘리고 싶다면 코드를 비슷하게 따라 적고 센서 개수를 3에서 원하는 숫자로 바꿔야한다.

④ 회로도는 다음과 같다. 아두이노와 주어진 부품으로 회로도를 완성한다.

학생탐구활동1: 레이저 하프 제작 1차

sensor[0].pin = A0;

sensor[0].note = NOTE_G3;

sensor[1].pin = A1;

sensor[1].note = NOTE_D4;

sensor[2].pin = A2;

sensor[2].note = NOTE_A4;

const int SENSOR_COUNT = 3;

※브레드보드의 구조

위 그림의 하단에 구멍이 규칙적으로 잘게 난 기판이 브 레 드 보 드 이 다 . 보 드 의 가 장 자 리 를 이 루 는 두 쌍 의 파란색과 빨간색줄 사이의 두 행에 나열된 여러 구멍들은 각 행끼리의 구멍만 서로 일직선으로 모두 연결되어있으며 두 행은 서로 떨어져있다. 또 중앙의 넓은 구멍들 중 윗부분의 5행 구멍은 아랫부분의 5행 구멍들과 독립돼있으며 둘 다 서로 같은 열끼리만 연결되어있다.

⑤ 조립이 끝났으면 아두이노를 컴퓨터에 꽂고 코드를 업로드 한다.

⑥ 업로드가 끝났으면 아두이노가 적절한 때에 소리가 날 수 있도록 분압기로 소리가 나는 지점과 안나는 지점의 경계를 찾고, 평상시에 소리가 안 나도록 경계에서 가까운 곳에 임계점을 잡는다.

⑦ 보정이 끝났으면 황화카드뮴셀에 손가락을 갖다 대어 특정 소리가 나는지 확인해볼 필요가 있다. 만약 소리가 나지 않는다면 다음을 확인해본다.

- 접합, 연결이 제대로 되어있는지 확인할 것.

- 황화카드뮴셀을 아두이노에서 분리하고 멀티미터로 황화카드뮴이 조도에 따라 전압이 잘 바뀌는지 확인할 것.

- 멀티미터로 황화카드뮴이 조도에 따라 전압이 잘 바뀌는지 확인할 것. 만약 셀에 문제가 없을 시 저항을 바꿔볼 것.

- 아두이노에서 무엇이 진행되는지 알고 싶다면,

const boolean DEBUG = false; 를 const boolean DEBUG = true; 로 바꿔보기 바란다.

⑧ 이제 레이저포인터가 황화카드뮴셀을 쪼일 수 있게 레이저포인터를 적절히 고정시키고 레이저포인터를 모두 켜놓는다. 손가락이 레이저를 가리면 레이저하프가 음을 연주할 것이다.

▲레이저하프 제작(아날로그 입출력방식)

49

1. 5음이 나는 레이저 하프를 이용하여 연주해본다.

2. 재생한 음을 무슨 음인지 맞춰본다.

감성적

체험 레이저 하프 연주하기

감성적

체험 학생탐구활동 2: 광센서의 원리 이해

※ 광센서란?

1. 광센서 : 빛에 의해 물리량이 변하는 광전 효과 등을 이용하여 빛의 세기, 물체의 움직임 등을 감지하는 장치

2. 이용 : 화재 탐지기, 자동문, 도난 경보기 속도 측정기 등

3. 광다이오드

· 흔히 사용하는 광센서의 일종.

· p-n 접합 구조로 되어 있어 p-n 접합부에 빛을 비추면 광전 효과로 전류가 흐름.

51

감성적

체험 ^형성평가

1. 금속판에 빛을 쪼였을 때 금속판의 전자들이 떨어져 나오는 현상을 무엇이라고 하는가?

2. 광센서의 역할을 간단히 쓰시오.

생각

되돌아보기

53

5. 빛으로 연주하는 악기2

수업주제 빛으로 연주하는 악기 만들기2-디지털 입력 방식

수업 학습목표 8음계가 재생되는 레이저 하프를 제작한다.

에너지의 양자화 개념을 이해한다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획)

학생 -학습자료, 스마트폰

55

상황 제시

· 야마하의 빛으로 연주하는 악기 [테노리온]

· 멜버른 거리에서 신기한 악기를 연주하는 예술가

상황제시

출 처 : ht t p : / / w w w . yo u t u b e . com/watch?feature=player_

detailpage&v=7kEvAksVTN0

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=Vu5NWtIeMpA

57

· 아이폰 어플리케이션 "종이건반(Paper Piano)" - 신기한 종이 피아노

ㆍ레이저 하프 연주

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=4cq4V9LElpg

출처: http://tvpot.daum.net/

v/43014722

창의적 설계

-지난 차시에 제작한 아날로그 입력방식의 레이저 하프로 연주해본다.

-8음계(1옥타브) 가 안되는 이유를 생각해보자.

1. 레이저 하프 제작 2차 ※ 제작방법은 4차시 레이저 하프 제작 1차 제작방법 참고 (Arduino 컨트롤러 활용하여 1옥타브의 연주가 구현되게 제작)

레이저하프의 아날로그 입력방식으로는 8음계를 표현할 수 없다.

▲ 디지털 입력방식으로 교체한 2차 레이저하프

- 주어진 회로도를 보며 회로를 연결한다.

- usb로 연결하여 pc에서 음을 인식하고, 처리할 수 있게 소스를 입력

- 상판에서 조사하는 레이저의 각도를 조절하여 CdS 광센서로 향하게 하며, 광센서 머리 부분에 빨대나 튜브를 끼워 빛을 잘 받고, 주변의 영향을 덜 받게 한다.

학생탐구활동 1: 레이저 하프 제작 2차

59

① 레이저하프 구성품 알아보자.

제품명 스쿨(학교) 가격 개수 판매처 링크

Arduino UNO

R3 39,900 1

http://mediaflow.cafe24.com/

product/detail.html?product_

no=42&cate_no=61&display_group=1

브레드보드 6,600 3

http://mediaflow.cafe24.com/

product/detail.html?product_

no=114&cate_no=71&display_group

스피커 400 1 http://www.ds-parts.co.kr/goods_

detail.php?goodsIdx=4875

CdS 광센서 200 10 http://www.devicemart.co.kr/goods/

view.php?seq=11364

레이저포인터 3,000 8 http://www.devicemart.co.kr/goods/

view.php?seq=38082

10K 옴 저항 x 10 100 1 http://www.devicemart.co.kr/goods/

view.php?seq=856

100 옴 저항 x 10 100 1 http://www.devicemart.co.kr/goods/

view.php?seq=895

점퍼케이블 7,260 1

http://mediaflow.cafe24.com/

product/detail.html?product_

no=187&cate_no=73&display_

group=1

12V전원(선택사항) 13,200 1

http://mediaflow.cafe24.com/

product/detail.html?product_

no=91&cate_no=74&display_group=

USB2.0 케이블 2,200 1

http://mediaflow.cafe24.com/

product/detail.html?product_

no=188&cate_no=71&display_group=

② 레이저하프 조립하기

아두이노에 프로그램을 깔기 전, 먼저 레이저하프의 부품들을 기판 위에 조립할 것이다.

먼저 브레드보드 기판 3개를 준비하자. 앞서 제작하게 될 레이저하프는 8음계이므로 현들이 적당한 너비를 가지고 있어야하기 때문에 3개를 일렬로 길게 이어붙인 하나의 새로운 기판에 부품을 조립할 것이다. 그렇다면 어떻게 세 개의 기판을 하나로 합칠 수 있을까?

1단계: 세 개의 기판 합치기

다음 그림 a) 를 살펴보면 어떻게 합치는지 사진 한 장으로 설명되어있다. 먼저 두 브레드보드를 물리적으로 레고 끼우듯이 맞춘다. 그 다음, 점퍼 와이어로 +극은 +끼리, -극은 -끼리 연결한다. (그림에서는 짧은 점퍼로 대용함.) 마찬가지로 반대편도 점퍼 와이어로 연결하면 두 브레드보드는 하나의 보드랑 다름없는 구조를 가지게 된다. 이렇게 하나만 더 연결하면 끝이다.

2단계: 기판에 아두이노의 전원 공급

아두이노의 작은 덩치에도 불구하고 안정된 전원을 지속적으로 공급하면 5V의 꽤 많은 전력을 활용할 수 있다. 레이저하프의 레이저 모듈을 작동시키는 방법은 바로 이 아두이노의 전 력 을 이 용 하 는 것 이 다 . 그 림 a ) 와 같 이 기판의 끝을 같은 극끼리 점퍼 와이어로 연결 후, 아두이노의 5V, GND 단자를 각각 +, -와 연결한다.

3단계: 각종 저항, 센서, 레이저 포인터 활용 부품들의 여러 가지 특성 중 크게 두 가지로 분류가 가능한데, 이를 참고하고 조립하면 분명 도움이 될 것이다.

극의 구별이 있는 부품을 잘못 조립했다면 작동이 안 되니 이 점 유의하기 바란다.

그림 a) 두 판을 이어붙인 모습

그림 b) 아두이노로부터 전력 공급받기

+극, -극을 구분하는 부품 극의 구별이 없는 부품

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4단계: 부품 조립

필요한 부품은 10K옴 저항, 빨간색 지렁이 모양의 센서, 점퍼 와이어이다. 그림c) 와 같이 센서모듈을 만든다.

이때 브레드보드에 장치를 꼽는 방식은 그림d) 와 같은데, 선으로 연결된 부분끼리는 모두 내부에 금속으로 만나게 된다. 따라서 두 장치를 이을 때 납땜 없이도 간편히 조립할 수 있는 간편한 보드다.

브레드보드의 내부 구조를 이해하면 장치를 꼽는 방식을 더 잘 이해할 수 있다.

예를 들면 지금 CdS 센서와 저항과의 연결 관계는 직렬연결 관계인 걸 찾아낼 수 있다. 그리고 두 장치 사이에 아두이노 입력 단자가 껴있다.

5단계: 부품 조립

성공적으로 센서와 저항을 연결했다면 그림e) 처럼 7개를 더 연결해보자. 이때 노란색 선은 디지털 단자의 2~9까지의 번호 순으로 접속되어있다.

6단계: 레이저 설치

레이저는 센서조립보다 더 간단한 모습을 하고 있다.

단순히 레이저, 저항을 직렬연결하면 끝이다. 그림f) 를 참고하여 레이저 포인터의 극을 주의하여 저항 100옴과 같이 직렬로 조립해보자. (-)는 검은색, (+)는 빨간색이다. 이때 센서를 위쪽에 설치했으면 아 래 쪽 에 공 간 이 남 으 므 로 아 래 쪽 에 맞 추 어 조립해보자. 이 역시 7개를 추가로 연결해서 센서의 개수와 같아지도록 한다.

7단계: 스피커 연결

스피커는 그림g) 와 같이 극을 주의하며 조립한다.

이때 밖으로 나가는 주황색 선은 디지털 단자 10번과 연결된다.

그림 d) 브레드 보드

그림 e) 센서 8개를 연결한 모습

그림 f) 레이저 포인터 연결

그림 g) 스피커 연결

③ 아두이노 코드 삽입

1. 아두이노와 USB케이블을 연결하여 컴퓨터에 꽂는다.

2. 아두이노 프로그램을 실행한다.

3. 아두이노 프로그램 디렉토리의 라이브러리 폴더에 들어간다.

예: (C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries) 4. 그곳에서 ‘pitches’ 라는 이름의 폴더를 만든다.

5. 첨부된 pitches.h 파일을 폴더에 집어넣는다.

6. 보고서 파일에 첨부된 .ino 프로그램을 실행한다.

7. 제어판-> 하드웨어 및 소리-> 장치 관리자 -> 포트에서 아두이노의 포트 이름을 알아낸다.

8. Tools-> Serial Port->에서 아두이노 포트와 같은 것을 클릭한다.

9. 화살표 => 모양의 upload 버튼을 누른다.

④ 레이저하프 작동하기

프로그램을 업로드 하자마자 스피커에서 이상한 소리가 날 수 있다. 사실 그것은 레이저하프가 매우 성공적으로 완성됐다는 뜻이다. 즉, 센서가 빛의 어두움을 감지했다는 뜻이다. 그러나 소리가 안 나온다면 밝은 조명 아래에서 장치를 갖다 놓고 손으로 센서를 가려보자. 그래도 소리가 안난다면, 안타깝게도 장치를 제대로 만들지 못한 것이다.

부품을 제대로 끼웠나 확인하고, 프로그램이 제대로 업로드 된지 확인해보자.

2. 에너지의 양자화 (1) 바닥상태와 들뜬상태

① 바닥상태: 전자가 가장 낮은 에너지 준위 궤도에 있는 상태

② 들뜬상태: 전자가 바닥상태보다 높은 에너지 준위 궤도에 있는 상태

③ 바닥상태에 있는 전자가 에너지를 공급받으면 들뜬상태로 전이

④ 들뜬상태에 있는 전자는 빛(광자)을 방출하면서 바닥상태로 전이

▲pitches.h 경로 ▲포트 설정

63

(2) 전자가 전이할 때 방출되는 광자의 에너지는 두 에너지 준위의 차와 같다.

ΔΕ에너지준위=Ε광자=hf

3. 광센서 (CdS(황화카드뮴) 셀) 의 기능

일반적으로 12-16족의 화합물은 반도체의 성질을 지닐 수 있다. 황화카드뮴도 따라서 반도체이며, 최근 들어 자주 사용되는 광센서이다. 이 반도체는 빛을 흡수하면 전기 저항이 감소하고, 빛을 받지 못하면 전기 저항이 증가한다.

반도체가 빛을 받아 전기 저항이 변하는 원리를 이해하려면, 먼저 광전효과를 알아야한다.

광전효과에 의하면 자유전자들이 있는 금속에 빛을 비추면 알갱이와 같은 빛이 전자에 부딪쳐서 전자를 튕겨낸다. 이는 마치 당구공끼리 부딪칠 때 당구공이 튕겨 나가는 것과 같은데, 이때 튀어나온 전자를 광전자라고 한다.

광전효과의 실험적 사실에 대해 알아보면 첫째, 금속에서 광전자가 튀어나오게 하기 위해서는 금속에 비추는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 커야한다. 이때 이 특정진동수를 한계진동수하고 한다. 둘째, 아무리 세기가 약한 빛이라도 그 진동수가 한계진동수 보다 크면 시간 지연 없이 광전자는 즉시 튀어나온다. 셋째, 광전자의 운동에너지는 빛의 세기와는 관련이 없고 진공수와 관계한다. 넷째, 같은 진동수의 빛을 쪼일 경우에 튀어나오는 광전자의 수, 즉 광전류는 빛의 세기에 비례한다.

위와 같은 실험적 사실이 빛의 파동성으로는 설명할 수 없어서 빛의 파동 모형 이외에 다른 이론이 필요하게 되었다.

감성적

체험 ^형성평가

1. 광전 효과

금속 등의 물질에 특정 (진동수) 이상의 빛을 비추었을 때, 금속의 표면에서 전자(광전자)가 튀어 나오는 현상

2. 광전자의 운동 에너지

광전자의 운동 에너지는 빛의 세기와는 관계가 없고 빛의 (진동수)에 비례한다.

3. 레이저 빛이 백열등이나 LED에서 나온 빛과 다른 점은 무엇인가.

레이저는 단색광이며, 방출된 빛의 위상이 모두 같다.

4. 매질의 상태 이외에 어떤 기준으로 레이저를 분류할 수 있는지 알아보자.

레이저마다 방출하는 빛의 진동수에 따라서 적외선 레이저, 가시광선 레이저, 자외선 레이저 등으로 분류할 수 있다.

65

생각

되돌아보기

67

PART 02.

6. ICT와 수학

수업주제 ICT와 관련된 음악(악기)의 기본 원리는 수학

수업 학습목표 황금비, 피보나치 수열의 원리를 이해하고 실생활에서의 적용된 예를 안다.

학습자료

교사 -수업 지도안(지도 계획), STEAM 전자교과서

학생 -학습자료, 스마트폰, STEAM 전자교과서

수학Ⅰ Ⅲ. 수열

03. 수열의 점화식

69

상황

제시 ^상황제시

· 청원이 이야기

경기도 장흥에 있는 천문대에 온 청원이는 좀생이 별이라 불리우는 메시에 목록 M45 플레아데스 성단을 보고 있다. 평상시 무뚜뚝하기만 하던 지구과학 선생님이 대학 다닐 때는 서울 하늘에서도 이넘들이 보였는데 이제는 망원경 도움 없인 서울 하늘에서는 볼 수 없다는 푸념이 들려온다. 과학선생님이 가리키는 레이저 포인터의 빛을 따라 올려다 본 밤하늘에서 목성과 황소자리를 찾아보며, 점점 별빛이 대도시에서 사라져간다. 아마 다음 세대는 별이란 걸 못 볼 수도 있겠단 생각이 든다. 맑은 밤하늘의 별과 성단을 보며 감탄과 감동을 하며, 멀지 않은 서울의 밤거리와 먼 하늘의 별들을 눈에 담아본다.

과학선생님의 도움으로 밤하늘을 가로 지르는 녹색의 레이저를 이용해 별자리를 찾아보는 청원이, 콕콕 찍듯이 보이는 레이저가 정말 신기하다. 이 빛은 어떤 원리로 이렇게 주욱 퍼지지 않고 나아갈까? 이 빛으로 먼 곳으로 정보를 보낼 수 있지 않을까?

· 아두 스마트 피아노(Ardu Smart Piano) 0:51

· 레이저 테레민-MONLA , 'Ave Maria' 연주동영상 5:43

-테레민 악기: "라디오에서 나는 잡음 같은 소리를 제대로 통제할 수 잇게 하면 악기로도 쓸 수 있지 않을까?"에서 착안해서 만든 악기. 고주파 발진기의 간섭을 통해서 소리가

출 처 : ht tp : / / w w w . youtu b e . com/watch?feature=player_

detailpage&v=VO9yR7xSVJw

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=DPh3ZYQRtRs&feature

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· 피타고라스 음률 4:26

대장간에서 쇠를 두드리는 소리는 늘 시끄러웠는데, 오늘따라 아름답게 들렸다. 그 이유가 뭘까?

온도가 적당한가? 쇠가 잘 달구어졌나? ...비밀은 바로 2 와 3의 비율!!!

모든 악기에서 2와 3의 비율을 이루면 아름다운 화음이 된다는 것을 알았다.

비율을 유지하며 바꾼 줄로 7음계가 태어나게 되었다.

아름다운 음악은 저절로 태어나는 것이 아니라 감동을 찾다보면 비율이 있다는 것을 알 수 있었다. 바로 음악 속에 수학이 존재하는 것이다. 이렇게 피타고라스는 "이 세상은 정수의 비율로 이루어졌다"는 결론을 내렸다.

출처: http://www.youtube.com/

watch?v=V5TlNHkKLI0

창의적 설계

① 레이저 하프로 간단한 동요를 연주해본다.

② ICT정보 전달의 다양한 방법을 악기와 음악을 주제로 발표해본다

③ 도입부 언급한 테레민 악기의 연주원리가 전기공진과 관련이 있음을 레이저 하프와 아두이노 스마트 피아노에 포함된 과학원리 (광센서, 반도체, 전자기유도, 레이저 등)를 간단하게 발표해 본다.

ICT와 음악(악기)

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피타고라스와 음악

① 피타고라스가 수학 뿐만 아니라 음악에서도 수의 질서가 있다는 것을 발견해 음악사에서도 큰 업적을 남겼다. 우리가 생활하는데 비와 비율은 굉장히 많다. 우리가 살아가는데 곳곳에 그 비율들을 발견할 수가 있다. 그 비율은 바로 황금비이다. 어떤 선을 두 부분으로 나누었을 때, 각 부분의 비가 가장 균형있고 아름답게 느끼는 비율이다. 황금분할은 인간의 정서와 관계가 있다. 인간은 황금비를 갖춘 조형물이나 예술품에서 안정감과 아름다움을 느낀다고 한다. 황금비율(1.618034...)은 종종 그리스 문자 Phi로 표현된다. 파이의 가장 근접한 값은 소수점 자리수 즉 0.618034이다.

지금까지 남아있는 유물 중 황금분할을 적용한 가장 오래된 예가 기원전 4,700여년에 건설된 피라미드인 것으로 미루어 보아 인류가 황금분할의 개념과 효용가치를 안 것은 그 이전부터일 것이라는 추측이 가능하다. 이집트인들이 발견한 황금분할의 개념과 효용가치는 그 뒤 그리스의 조각, 회화, 건축 등에 적극적으로 적용된다. 결국,

‘황금분할(golden scetion)' 또는 ‘황금 비율(golden ratio)'이라는 명칭도 그리스의 수학자 에우독소스(Eudoxox, B.C. 408?~B.C355?)에 의해 붙여졌고, 황금 비율을 나타내는 파이도 이 비율을 올림푸스 신전의 제우스 신상을 조각하는데 이용하였던 건축가 파이디아스(Phidias)의 머리글자에서 따왔다. 등식의 형태로 나타내면 가 되며 이것을 바로 황금 분할 또는 황금비율의 등식이다. 일반적으로 황금비율을 말할때는 0.618 또는 1.618을 의미한다. 어떤 주어진 선이 있다고 하자. 이 직선상에서 Α:Β=Β:(Α+Β)의 등식이 충족되게 나눌 수 있는 점은 오직 한 점이며 이 점을 황금분할의 점(전체의 61.8%에 해당하는 점)이라고 한다.

그러므로 황금분할이라 함은 전체 속에서 두 개의 크기가 다른 부분 사이의 독특한 상호관계이며, 황금분할이란 용어는 이 비율 관계의 절묘함에서 나온 것이다.

Α:Β=Β:(Α+Β)에서 Α=1, Β=χ로 놓으면 1: χ=χ:(1+χ)에서 χ²=1+χ, χ²-χ-1=0

∴χ= 5+12 = 1.618···

∴χ= ΑΒ: ΡΒ = 1.618···≒5:8 이 성립한다.

창의적

설계 ^{피타고라스와 음악}

※ 실생활에서의 황금비를 찾아보자.

명함, 신용카드, 엽서, 책, 공책, 키, 얼굴등의 생활주변에서 찾아볼 수 있으며 해바라기 씨 배열, 꽃잎 수 등의 자연현상과 피라미드, 파르테논 신전, 석굴암, 모나리자, 최후의 만찬 등의 예술 분야에서도 찾아볼 수 있다. 특히, 레오나르도 다빈치의 인체 황금 비례도에 의하면 배꼽의 위치가 사람의 몸 전체를 황금분할하고, 어깨의 위치가 배꼽 위의 상반신을 황금분할 할 때, 가장 조화롭고 아름답다고 한다.

② 피타고라스 음계란?

- 순정 5도(진동수비 3/2)와 완전8도(진동수비 2)를 기본요소로 해서 구성되는 음계 - 2:1비의 주파수 간격으로 오디오에서 가장 낮은 옥타브는 20~4OHz에서 40~8OHz, 80~160Hz식으로 올라가서 가장 높은 옥타브는 1O~2OkHz가 된다.

- 음악에서는 도에서 다음 도까지를 1옥타브라고 하는데 오디오에서는 주파수가 2배로 늘어났을 때의 폭을 옥타브라 한다. 1kHz의 1옥타브 위는 2kHz이며 1옥타브 아래는 500Hz가 된다.

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1. 피타고라스 음계 이용한 피리 만들기!

그림은 기타와 비슷한 ‘류트’라는 악기인데, 16~18세기 유럽에서 성행했다. 즉, 기타는 피타고라스 음계의 원리를 이용한 악기라고 할 수 있다.

옆의 그림은 피타고라스 음계를 기타 줄의 길이로 나타낸 것이다. 그림을 설명하자면, 피타고라스 음계에서 현의 길이(기타 줄의 길이)를 1/2배 할 경우 한 옥타브(8도)가 올라가고, 2/3배하면 5도 올라간다.

이 비율을 ‘평균율’ 이라고 한다.

현의 길이가 1/2배가 되면 파동의 파장이 1/2배가 되는데, 그렇게 되더라도 줄에서의 정상파의 속력은 일정하기 때문에 파동의 진동수는 2배로 증가한다.

같은 원리로 현의 길이가 2/3배가 될 때, 진동수의 크기는 3/2배가 된다.

창의적

설계 ^참고활동

출처: http://www.youtube.

com/watch?feature=player_

detailpage&v=xuWrPXmPziw

[도에서 5도 증가시]

도 레 미 파 솔 ⇒ 현의 길이는 2/3배 진동수의 크기는 3/2배

[파에서 5도 증가시]

파 솔 라 시 도 ⇒ 현의 길이는 2/3배 진동수의 크기는 3/2배

[레에서 8도 증가시]

레 미 파 솔 라 시 도 레 ⇒ 현의 길이는 1/2배 진동수의 크기는 2배

[시에서 8도 증가시]

시 도 레 미 파 솔 라 시 ⇒ 현의 길이는 1/2배 진동수의 크기는 2배

2. EBS 무릎학교 : 수학, 음악 속에 담긴 수학_#001 영상중 일부

출처: http://www.youtube.

com/watch?feature=player_

detailpage&v=Y65z6JrvC-4

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감성적

체험 학생탐구활동: 실생활에서 황금비를 찾아보고 피보나치 수열의 원리를 이해한다.

1. 아주 특별한 가로가 긴 직사각형의 카드를 만드려고 한다. 가로의 길이가 20cm일 때 가장 아름다움을 느끼게 하면서 조화롭게 만드려고 할 때 세로의 길이는 어떻게 하면 될까?

(풀이) 20:χ=χ:20+χ χ²-20χ-400=0 χ=10+10 ∵χ>0

2. <산반서>에 소개된 문제 - 피보나치 수열

한 쌍의 토끼가 1월 초에 태어났다고 하자. 이 토끼는 출생 두 달 후부터 즉, 3월 초부터 한 달에 한 쌍의 새끼를 낳는다고 한다. 이 후에 태어난 토끼들도 마찬가지로 출생 두 달 후부터 한쌍의 토끼를 매달 낳고 어떠한 토끼도 죽지 않는다고 가정할 때, 1년 동안 출생한 토끼는 모두 몇 마리인가?

토끼 쌍의 수를 표로 나타내어라.

월 토끼 번식 과정 토끼 쌍의 수

1월초 2월초 3월초 4월초 5월초 6월초 7월초

8월초

9월초 10월초

11월초 12월초

1. 1년 동안의 토끼의 번식 과정과 각 달의 토끼 쌍의 수는?

(가) 그림으로 표시해 가며 알아본다. 첫 달은 처음 새끼 토끼 한 쌍만이 있다.

(나) 두 번째 달의 토끼 쌍의 수는?

(다) 세 번째 달의 토끼 쌍의 수는?

2. 1년이 지난 13달째에 우리 안에 있는 토끼 쌍의 수는?

89+144=233

3. 1년 동안의 토끼 쌍의 수는?

1+1+2+3+5+8+

13+21+34+55+89+144=376 4. 피보나치 수열의 특징을 찾아보자.

터 맨 앞자리 단위의 수가 1,2,3,5,8로 반복된다.

5. 피보나치 수열의 일반항 을 수열의 귀납적 정의(점화식)을 찾아보자.

Ｆⁿ⁺² =Ｆⁿ⁺¹ + Ｆⁿ (n≥1), Ｆ¹ = 1, Ｆ2 = 1