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(1)

2019 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2019. 11.

인명여자고등학교

(2)

【 2019년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】

과제명 2019년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

유형 다양한 교과 간 협동 연구를 통한 STEAM 프로그램 신규 개발

프로그램명 생활 속 파동 활용하기

학교급 고등학

대상 학년(군) 2학년

중심과목 물리학I 중심과목

성취기준 영역 [고등학교 2학년] (3) 파동과 정보통신

연계과목

수학I 과학탐 구실험

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 2학년](2) 삼각함수

[고등학교 1학년](2) 생활 속의 과학 탐구

연구기간 2019.5.16. ~ 2019.11.30.

연 구 비 일금사백만원(₩4,000,000)

참여연구원 4명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 3명) 연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자 인명여자고등학교 물리학I 교사 류진영

공동연구원 인명여자고등학교 확률과 통계 교사 정석중

공동연구원 인명여자고등학교 수학II 교사 이수정

공동연구원 인명여자고등학교 통합과학 교사 박기성

2019년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아

융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 최종 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2019년 11월 15일

연구책임자 : 류진영 (인)

(3)

“이 보고서는 2019년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

(4)

목 차

Ⅰ. 서론

1. STEAM 교사연구회의 목표 ··· 1

2. STEAM 교사연구회의 필요성··· 1

Ⅱ. 연구 수행 내용 및 결과 1. 연구 수행 내용··· 1

2. 연구 수행 결과··· 3

Ⅲ. 결론 및 제언 ··· 4

Ⅳ. 참고문헌 ··· 4

[부록] 1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정 ··· 5

2. STEAM 프로그램 총괄표(총 12차시) ··· 5

3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안 ··· 6

4. 학생활동지 / 학생참고자료 ··· 17

5. 교사자료 ··· 28

6. 차시별 학생 평가기준 및 방법 ··· 31

7. 학교생활기록부 기재 예시 ··· 31

8. 학생 산출물 및 사진 ··· 32

(5)

Ⅰ. 서론

1. STEAM 교사연구회의 목표

○ STEAM 프로그램 개발 및 적용을 통한 교과지도 역량 강화

○ 교사 전문성의 집단 성장으로 학생들의 미래핵심역량 신장에 기여

2. STEAM 교사연구회의 필요성

현재의 과학교육은 과학자 양성에 필요한 지나친 개념 중심의 교육에서 과감하게 벗어나, 인위적 분과 과목 구분의 벽을 뛰어 넘는 융합인재교육(STEAM)을 통한 진정한 창의․인성 교육을 지향하고 있다. 그렇지만 대입이라는 현실에 인문계 고등학교에서는 STEAM교육을 제대로 실천하기에 사실 어려움이 많다. 특히 물리학 과목은 학생들이 과학 과목 중에서도 개념이해와 응용에 많이 어려워해 개념 설명만으로도 수업시간이 부족한 것이 사실이다.

하지만 그렇다고 매번 강의식으로 수업을 한다면 학생들의 머릿속에 물리라는 과목은 ‘역 시 재미없고 힘든 어려운 과목이야...’라는 생각이 고정되어 대학 진학 시 또는 사회인이 되었을 때 물리학과 관련된 분야는 기피하지 않을까 하는 우려가 들었다.

이에 매 차시마다 STEAM식 수업은 힘들겠지만, 일부 단원을 다른 과목의 선생님들과 연 계하여 STEAM수업으로 구성하여 물리학 과목이 현실에 있어 꼭 필요한 과목이고, 더 나아 가 지루하지 않은 재미있는 과목이라는 생각을 학생들이 하게끔 하고 싶었다. 그래서 학습 에 대한 흥미와 호기심뿐만 아니라 일상생활의 문제들을 과학적으로 해결하려는 태도를 길 러주고 단편적으로 과학 지식을 배우기보다 종합적으로 판단할 수 있는 융합적인 사고와 문제해결력을 기르게 하고자 STEAM 교사연구회를 조직하게 되었다. 더불어 STEAM 교사 연구회를 통해 학생들이 과학 지식뿐만 아니라 상상력과 예술적 감성까지 아우를 수 있는 능력을 겸비한 인재를 기르는데 도움을 주고자 한다.

Ⅱ. 연구 수행 내용 및 결과

1. 연구 수행 내용

가. 주제 중심 STEAM 프로그램 개발 - 중심 주제 : 물리학I – 파동

중심 과목/주제 성취기준 영역 영역별 성취기준

물리학I/ 파동 (3) 파동과 정보통신

[12물리I 03-01]

파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계를 알고 매질에 따라 파동 의 속력이 다른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다.

[12물리I 03-04]

파동의 간섭이 활용되는 예를 찾아 설명할 수 있다.

(6)

나. STEAM 교수학습 지도안(총 12차시) 개요

다. STEAM 프로그램 연구 내용

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 생활 속 파동 활용하기

학교급 고등학교 대상 학년(군) 1학년, 2학년

중심과목 물리학I 성취기준 영역중심과목 [고등학교 2학년] (3) 파동과 정보통신

연계과목

수학I 과학탐구

실험

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 2학년](2) 삼각함수

[고등학교 1학년](2) 생활 속의 과학 탐구

개발 결과

주제

연번 차시(차수) 과목 연계

1 3 과학(2) + 수학(1)

2 3 과학(2) + 수학(1)

3 3 과학(1) + 수학(2)

4 3 과학(1) + 수학(2)

적용 결과 2학년 물리학I 선택 학생 (124명), 1학년 56명(2반)

(7)

라. STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천

연번 일시 내용 장소

1 2019.5.17.(금) STEAM 교사연구회 1차 협의회 실시

- STEAM 교사연구회 운영계획 부산 벡스코

2 2019.5.18.(토) STEAM 교사연구회 착수 워크숍 참석 부산 벡스코 3 2019.5.9.(목) 3D펜 & 오조봇 활용 STEAM수업 지도안 협의 무한상상실 4 2019.5.10.(금) 교사 연수 - 3D펜 & 오조봇 활용에 관한 STEAM 수업 무한상상실 5 2019.5.29.(수) STEAM 공개 수업 - 3D펜과 오조봇을 활용한 자율주행 도로망 구축 무한상상실

6 2019.7.2.(화) STEAM 교사연구회 2차 협의회 실시

- STEAM 교수학습지도안 구안 및 설계 수학교무실

7 2019.9.9.(월) STEAM 교사연구회 3차 협의회 실시

- STEAM 교수학습지도안 실행 수학교무실

8 2019.10.28.(월) STEAM 교사연구회 4차 협의회 실시

- STEAM 교수학습지도안 실행 수학교무실

STEAM 교사연구회 착수 워크숍

STEAM 교사연구회 STEAM 지도안 협의

STEAM 공개 수업

- 3D펜과 오조봇을 활용한 자율주행 도로망 구축

마. STEAM 프로그램 개발 중점 사항

- 일상생활에서 많이 접하는 과학적 요소를 찾아 학생들 스스로 탐구하는 과정을 갖도록 구성하였다. 주제로 선정된 파동은 인간이 시각과 청각으로 감지할 수 있는 빛과 소리에 관한 에너지 전달 방식으로 학생들이 친숙하게 다룰 수 있을 것이라 생각했다. 파동에 관해 알아보 고 직접 소리에 관한 다양한 활동을 할 수 있도록 STEAM 프로그램을 구성하였다.

2. 연구 수행 결과

구분 수행 결과

교수학습지도안 개발 차시 총 112차시

수업 적용 일정 2019. 9. 2 . ~ 2019. 11. 1.

(STEAM 수업)수혜학생 수 인명여자고등학교 180명

(2학년 124명, 1학년 56명)

학생 태도검사 사전검사 8/19~8/30

사후검사 10/28~11/8

학생 및 교사 만족도조사 10/28~11/8

교사연구회 STEAM 행사 개최 10/23

(8)

Ⅲ. 결론 및 제언

현대 사회는 과학과 기술에 기반을 둔 사회로 과학 기술에 대한 이해와 중요성은 날이 갈수록 더욱 강 조되고 있다. 오늘날의 과학 기술은 빠르게 발전하고, 특히 첨단 과학 기술 분야의 발전 속도는 매우 빨라 일반인들은 그 내용을 파악하는 것조차 쉽지 않다. 그러나 과학 기술의 발달이 현대 사회에 큰 영향을 미 쳤음을 고려할 때 학생들에게 첨단 과학 기술에 대한 지식과 올바른 이해가 매우 중요하며, 이를 위해 첨 단 과학 기술에 대한 내용이 학교 교육 과정에 반영될 필요가 있다.

하지만 학교 교육과정에서 다루어지는 내용은 이미 10년이 넘은 과거의 내용을 담고 있는 경우가 많아 현재의 첨단 과학 기술 분야의 내용을 반영하고 있지 못하고 있다. 이에 따라 학 교 교육에서 최신 과학 동향을 파악하기 어려우며, 이를 반영하지 못한 교육 과정으로 학생들 의 과학 기술에 대한 흥미와 친밀도를 높이지 못하고 있다.

이에 이러한 과학 기술에 대한 흥미와 이해를 높일 수 있는 방안으로 최신 과학 기술의 내 용을 반영한 STEAM 교육 프로그램을 개발하고자 하였다. 로봇은 로봇이 가진 기술․공학․과 학․수학 기반의 메커니즘과 어떤 모양의 로봇을 조립할 것인지의 Art가 융합되어 최적의 STEAM 도구라 생각한다. 동아리 활동에 사용되고 있는 로봇을 기반으로 STEAM 교육 프로그 램을 개발함으로써 학생들에게 과학 기술 분야의 흥미와 이해를 높이고자 하였다.

Ⅳ. 참고 문헌

1. 이근호, 핵심역량 중심의 교육과정 재구조화 방안 연구, 교육부(2013)

2. 현장과학교육, 창의성 신장을 위한 과학과 교수 ․ 학습 프로그램 및 자료 개발(2010) 3. 임선빈, 협동학습의 실천적 접근 방안 모색, 한국 교육 공학 연구회 (1997)

4. 정문성 김동일 공저, 협동 학습의 이해와 실천, 교육과학사(1998)

(9)

[부록] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

(프로그램명) 생활 속 파동 활용하기

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

연번 차시 (중심과목)

2015 개정 교육과정 성취기준

(연계과목) 성취기준 영역

1 1~6/12

[12물리Ⅰ03-01]

파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계를 알고 매질에 따 라 파동의 속력이 다른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다.

[고등학교]

수학I - (2) 삼각함수

2 7~9/12

[12물리Ⅰ03-01]

파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계를 알고 매질에 따 라 파동의 속력이 다른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다.

[고등학교]

수학I - (2) 삼각함수

3 10~12/12 [12물리I 03-04]

파동의 간섭이 활용되는 예를 찾아 설명할 수 있다.

[고등학교]

과학탐구실험 -

Ⅱ. 생활 속의 과학 탐

2. STEAM 프로그램 총괄표(총 12차시)

차시 주요 내용

1~6/

12

주제(단원)명 삼각함수를 이용한 파동의 이해

◦삼각함수를 이용하여 파동을 이해한다.

◦지오지브라 프로그램을 사용해 파동의 그래프를 이해한다.

◦푸리에 소리 변환 프로그램을 사용하여 소리의 그래프를 확인한다.

7~9/

12

주제(단원)명 초음파 센서를 활용한 장애물 회피 로봇 제작

◦파동의 종류인 초음파를 알 수 있다.

◦EV3 프로그램을 사용하여 초음파 센서를 활용한 장애물 회피 로봇을 만들어본다.

10~12 /12

주제(단원)명 음파를 활용한 칼림바 악기 제작

◦과학 원리를 활용한 놀이 체험을 통해 과학의 즐거움을 느낄 수 있도록 음악과 과학을 융합한 수업지도

◦소리와 파동의 원리에 관해 학습 후 파동의 이론적 배경을 통한 음악에의 적용

◦일반적으로 접할 수 있는 악기 보다 학생들의 흥미를 유발 할 수 있는 새로운 악기를 도입

◦칼림바라고 하는 타악기를 스스로 제작하고 음을 맞춰봄으로써 타격에 의한 파동의 차이에 따라 스스로 문제를 해결해 나가는 태도를 유도함.

◦악기를 만들고 스스로 연주를 하거나 작곡을 하는 활동을 통하여 과학을 자연스럽게 기술과 음악에 융합하고 감성을 자극할 수 있는 수업을 전개함.

(10)

3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안

중심과목 물리학 I 학교급/학년(군) 고등학교/2 학년

중심과목 성취기준

영역

[고등학교] (3) 파동과 정보통신 중심과목

성취기준

[12물리Ⅰ03-01]

파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계 를 알고 매질에 따라 파동의 속력이 다 른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다.

[12물리Ⅰ03-04]

파동의 간섭이 활용되는 예를 찾아 설명 할 수 있다.

주제(단원)명 파동과 삼각함수 차시 1~6/12

학습목표 삼각함수를 통하여 파동을 이해한다.

연계과목 수학 연계과목

성취기준 영역 [고등학교] 수학I (2) 삼각함수

STEAM 요소

S 파동

T 푸리에 소리변환 프로그램 E

A 그래프 그리기 M 삼각함수

개발 의도 삼각함수를 통하여 파동 그래프를 이해한다.

· 지오지브라 프로그램 사용하기

· 푸리에 소리변환 프로그램 사용하기

STEAM 학습 준거

상황 제시

상 황 제 시

푸리에라는 프랑스의 수리 물리학자는 파동의 관찰에 서 파동을 나타내는 그래프 가 매우 복잡했지만 주기를 가지고 있다는 사실을 파악 하게 되었고, 같은 형태를 반복하고 있다면 아무리 복 잡한 것이라도 단순한 파동 들이 결합해 이루어진다는 것을 알게 되었다. 그래프를 통해 복잡한 파동의 특징을 관찰하고 실험을 통해 이를 증명해 보도록 하자.

창의 설계

창의적 설계

다양한 그래프의 모양 을 살펴본 후 특징에 대해 발표한다.

감 성 적 체 험 크게 물결치는 파동과 자잘하게

오르락내리락하고 있는 파동을 결합하면 자잘하게 오르내리면 서 크게 물결치는 파동이 됨을 이해하고 규칙성을 가지는 그래 프를 어떻게 구조적으로 분리할 수 있을지 토론한다.

감성적 체험

(11)

[1/12 차시] 파동과 수학 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (15 분)

Co 상황제시

▶ 주변에서 파동현상을 확인할 수 있는 것은 단순히 파도나 지진파 정도라고 생각 할 것이다. 하지만 빛과 소리에 관련된 모든 현상은 파동이다. 우리의 시각과 청 각은 파동을 받아들임으로써 성립한다. 빛과 소리라는 파동이 없으면 우리는 외 부 세계와 단절된 삶을 살게 될 것이다. 이러한 파동의 비밀을 풀 여러 가지 방 법들을 찾아보고 이를 수학적으로 표현해 보도록 하자.

CD 창의적 설계

▶ 파동현상이라고 생각되는 주변의 여러 현상을 찾아보고, 파동현상이 맞는지 인터 넷 검색을 통해 확인한다.

▶ 4~5 명을 기준으로 모둠을 나누어 파동현상을 가지는 것의 수학적 성질에는 어 떠한 것이 있을지 토론해 본다.

ET 감성적 체험

▶ 파동현상을 수학적으로 표현하였을 때, 더욱 편리하게 될 수 있는 것들을 이야기 해 보고 수학에 관심을 갖게 한다.

테블릿 PC

Tip!

파 동 현 상 을 전혀 이해하 지 못하는 경 우 인터넷 검 색에 사용할 단어를 제시 해 줌.

전개 (30 분)

Co 상황제시

▶ “아~”하고 말하면 목을 진동시켜 발생되는 공기가 압축되어, 진해지거나 엷어지 게 되고, 이러한 반복된 공기의 진동이 귀까지 전달되어 고막을 떨리게 만드는 것임을 알고, 음성이 전달되는 과정을 수학적 그래프로 표현하면 어떤 특징들이 나타날 지를 알아보기 위해 푸리에 소리 변환 프로그램을 이용한다.

CD 창의적 설계

▶ 목에 손을 대고 소리를 내어 진동이 일어나고 있음을 확인한다.

▶ 모둠원 끼리 같은 소리를 내어 보고 푸리에 소리 변환 프로그램을 이용하여 그 래프의 모양을 비교한다.

▶ 목소리를 낮게 혹은 높게 변화시켜보고, 크게 혹은 작게 변화시켜 보았을 때, 그 래프의 변화를 비교한다.

ET 감성적 체험

▶ 다양한 그래프의 모양을 보고, 귀에 들리는 모든 소리는 수학적 그래프로 표현할 수 있음을 이해한다.

푸리에 소리 변환 프로그

Tip!

모둠원 전체 가 참여할 수 있도록 활동 지를 제작

정리 (5 분)

Co 상황제시

▶ 다음 시간에는 그래프를 통해 알게 된 음성 파동의 특징을 파악하고 구조화 하 는 방법에 대하여 알아본다.

(12)

[2/12 차시] 파동을 나타내는 그래프의 성질 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (10 분)

Co 상황제시

▶ 푸리에라는 프랑스의 수리물리학자는 파동의 관찰에서 파동을 나타내는 그래프 가 매우 복잡했지만 주기를 가지고 있다는 사실을 파악하게 되었고, 같은 형태를 반복하고 있다면 아무리 복잡한 것이라도 단순한 파동들이 결합해 이루어진다는 것을 알게 되었다. 그래프를 통해 복잡한 파동의 특징을 관찰하고 실험을 통해 이를 증명해 보도록 하자.

ET 감성적 체험

▶ 크게 물결치는 파동과 자잘하게 오르락내리락하고 있는 파동을 결합하면 자잘하 게 오르내리면서 크게 물결치는 파동이 됨을 이해하고 규칙성을 가지는 그래프 를 어떻게 구조적으로 분리할 수 있을지 상상해 본다.

Tip!

그래프를 예 시로 파동이 합쳐지고 나 누어지는 원 리를 직관적 으로 이해하 게 한다.

전개 (30 분)

Co 상황제시

▶ 활동지를 통해 파동의 결합을 나타내는 현상을 직접 체험해 보자.

CD 창의적 설계

▶ 파동의 높이가 다른 두 그래프가 그려져 있는 활동지에 축의 같은 위치에 해당 하는 부분의 높이를 측정하고 높이의 합 또는 차를 파동의 높이로 하는 새로운 그래프를 그려 파동이 합쳐지는 원리를 이해한다.

▶ 이러한 복잡한 파동의 특징을 수식으로 표현하여 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 하는 과정을 설계한다. 즉, 복잡한 파동을 이루고 있는 구조를 단순화하여 단순 한 파동의 식을 표현하여 그것들의 합으로 복잡한 파동의 식을 만들어 가는 활 동을 진행한다.

ET 감성적 체험

▶ 복잡한 파동의 식을 설명하는 것은 어렵지만 한눈에 알아볼 수 있는 단순한 파 동으로 분해할 수 있다면 쉽게 설명할 수 있음을 이해하고 수학에 관심을 가진 다.

그래프 활동 지(별첨)

Tip!

작은 색종이 조각을 이용 하여 파동이 합쳐지고 나 누어지는 원 리를 직관적 으로 이해하 게 한다.

정리 (10 분)

Co 상황제시

▶ 다음 차시에는 복잡한 파동을 단순화하여 얻을 수 있는 기본적인 물결모양의 그 래프인 삼각함수의 그래프를 이해하고 식을 세워볼 예정임을 알려준다.

(13)

[3~4/12 차시] sin함수와 cos함수의 그래프 그리기 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (20 분)

Co 상황제시

▶ 주기를 가진(반복성이 있는) 파동 중에서 가장 단순한 파동의 모양을 고민해 보 고 주어진 활동지에 각자 그려본다.

▶ 단순한 파동 모양을 가장 간단한 수식으로 나타낼 수 있는 함수 중 대표적인 것 이 삼각함수임을 알고, 중학교 때 배웠던 삼각비를 복습한다. 잘 기억이 나지 않 는 다면 모둠원끼리 서로 가르쳐 주거나 인터넷 검색을 통해 찾아보고 토론한다.

CD 창의적 설계

▶ 모둠원이 그려낸 다양한 파동의 모양을 비교하고 혹시 오류가 없는지 서로 검토 하고, 자신이 그린 그래프와의 공통점과 차이점에는 어떠한 것들이 있는지 토론 한다.

ET 감성적 체험

▶ 직선으로 표현된 파동 그래프와 곡선으로 표현된 파동 그래프 중 수학적인 수식 으로 표현하기에 더욱 용이한 그래프가 무엇인지 이야기를 나누어 본다.

활동지, 펜 테블릿 PC

Tip!

가능한 많은 모양의 그래 프를 그리도 록 한다.

전개 (70 분)

Co 상황제시

▶ 삼각비를 이해하고 삼각함수를 정의한다. 직각삼각형에서 직각이 아닌 각을 택하 고, 이 각을 정의역으로 하고 서로 다른 두 변의 비율을 치역으로 하는 함수를 삼각함수로 정의하고,  의 크기가 변하면 두 변의 비율 역시 변함을 확인하고, 삼각형의 크기와는 상관없이  의 값에 따라서 일정하게 정해짐을 이해한다.

ET 감성적 체험

▶  의 크기와 세 변 길이 비율의 관계(밑변과 빗변, 빗변과 높이, 높이와 밑변의 길의)를 그래프로 나타낸다면 어떠한 파동의 모양이 생기는지 상상해보고 그 결 과를 모둠원들과 공유하여 대강의 그래프를 그려보도록 한다.

CD 창의적 설계

▶ 먼저 sin 함수의 파동을 그려본다. sin  빗변

높이이므로 빗변의 길이를 1 로 하면 sin  높이가 된다. 즉,  가 변할 때 sin 함수의 값은 높이가 된다. 이제  가 늘 어날 때 높이가 어떻게 변할지 모둠원들과 토론하고 이를 그래프로 나타내어 본 다.

▶ 주어진 활동지에 각도를    ⋯ 와 같이 변화시키며 높이를 그래프에 표시하고 이를 부드러운 곡선으로 연결하여 sin 함수의 파동을 만들어 본다.

▶ 이어 cos함수의 파동을 그려본다. cos  빗변

밑변이므로 빗변의 길이를 1 로 하면 cos  밑변이 된다. 즉,  가 변할 때 cos함수의 값은 밑변이 된다. 이제  가 늘어날 때 밑변이 어떻게 변할지 모둠원들과 토론하고 이를 그래프로 나타내어 본다.

▶ 주어진 활동지에 각도를    ⋯ 와 같이 변화시키며 밑변을 그래프에 표시하고 이를 부드러운 곡선으로 연결하여 cos함수의 파동을 만들어 본다.

ET 감성적 체험

▶ 예상했던 sin , cos함수의 그래프와 실제와 차이점이 있는지 확인하고 차이점이 있다면 왜 그런 차이가 생겼을지 이하기하며 그 이유를 찾아본다.

활동지, 펜

Tip!

삼 각 함 수 의 그래프는 곡 선으로 그려 지도록 한다.

정리 (10 분)

Co 상황제시

▶ 활동을 통해 얻어진 파동의 그래프는 1 과 –1 사이를 진동하는 파동밖에 표시할 수 없다. 즉, 이러한 종류의 파동만으로는 음성이나 전자파를 나타내는 복잡한 파동을 표현할 수 없다. 파동의 높이나 진폭을 변화시키기 위해 삼각함수의 식을 어떻게 변화시키면 될지 고민하고 이를 다음 시간에 해결함을 이해한다.

(14)

[5~6/12 차시] sin함수와 cos함수 그래프를 활용한 파동 그래프의 확장 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (20 분)

Co 상황제시

▶ 다양한 상황에서 발생되는 복잡한 파동의 그래프를 수식으로 표현하기 위하여 지난 시간에 sin 함수의 그래프와 cos 함수의 그래프를 정의하였는데, 이를 기반 으로 파동의 진동폭을 증가, 감소 시키는 수식과 단위시간당 진동수를 달리하 는 수식을 찾는 과정을 토론해본다.

CD 창의적 설계

▶ 빗변의 길이를 1 로 했을 때, sin 함수와 cos함수의 그래프는 1 과 –1 의 사이를 진동하는 파동의 그래프를 나타내었다. 그렇다면 빗변의 길이를 달리하였을 때, 파동의 진동폭은 어떻게 변화할지 예상해본다.

▶ 파동이 한번 진동하는데 걸리는 시간을 주기라고 함을 알고, 주기를 변화시키 면 sin 함수와 cos함수의 수식은 어떻게 변화할지 예상해본다.

ET 감성적 체험

▶ 다른 친구들과 서로 예상한 그래프를 비교해 보고 어떠한 차이점이 있는지 토 론해본다.

Tip!

난이도가 높 은 부분으로 토론에 어려 움이 있는 모 둠에 도움을 준다.

전개 (70 분)

Co 상황제시

▶ 다양한 함수의 수식을 입력하면 그래프로 변환시켜 주는 프로그램인 ‘지오지 브라’라는 프로그램을 테블릿 PC 에 설치하고 파동을 나타내는 함수를 표현한 다.

CD 창의적 설계

▶ 지오지브라 프로그램을 통해 함수    sin    cos의  부분의 크기 를 변화시켜가며 그래프의 모양을 관찰한다.

▶ 두 함수에 새로운 수식을 추가하였을 때, 그래프의 변화를 관찰하고 이를 기록 하여 다른 모둠원들과 토론한다.

▶ 지오지브라 프로그램을 이용하여    sin   cos인 꼴로    부분 을 변화시켰을 때 그래프의 변화를 관찰하고, 사람의 음성과 같은 복잡한 파동 을 기록하기에 충분한지 의견을 나누어 본다.

▶ [2 차시]에서 학습했던 파동의 합을 수식으로 표현하기 위해 필요한 함수의 종 류를 이야기 해보고 필요한 규칙을 정의해 본다.

테블릿 PC

Tip!

다양한 함수 의 그래프를 그려보게 하 여 프로그램 이 익숙해 질 수 있도록 지 도한다.

정리 (10 분)

CD 창의적 설계

▶ 수학적으로 정의한 파동을 다음시간에는 물리적 현상과 결합하여 표현함을 주 지하고, 이러한 활동을 통해 수학과 과학분야의 연결성에 대하여 이해한다.

ET 감성적 체험

▶ 얻어낸 결론을 토대로 물리적 현상속에서의 파동현상을 수식으로 표현하고 이 를 응용하는 것이 과학기술의 발전에 어떠한 역할을 하였을지 토론한다.

(15)

중심과목 물리학 I 학교급/학년(군) 고등학교/2 학년

중심과목 성취기준

영역

[고등학교] (3) 파동과 정보통신 중심과목

성취기준

[12물리Ⅰ03-01]

파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계 를 알고 매질에 따라 파동의 속력이 다 른 것을 활용한 예를 설명할 수 있다.

[12물리Ⅰ03-04]

파동의 간섭이 활용되는 예를 찾아 설명 할 수 있다.

주제(단원)명 파동과 정보통신 차시 7~9/12

학습목표 초음파의 성질을 이용한 장애물 회피 로봇을 제작할 수 있다.

연계과목 수학 연계과목

성취기준 영역 [고등학교] 수학I (2) 삼각함수

STEAM 요소

S 파동

T 소리 변환 어플 사용하기 E EV3 프로그래밍

A 장애물 회피 로봇 디자인 및 제작 M

개발 의도 초음파 센서를 활용한 프로그램을 할 수 있다.

· LEGO MINDSTORMS EV3 프로그램 사용하기

STEAM 학습 준거

상황 제시

상 황 제 시

자율주행 자동차에서 장 애물은 어떻게 감지하는 것일까?

창의 설계

창의적 설계

조별로 완성된 작품의 결과를 함께 공유한다.

감 성 적 체 험 초음파 센서를 활용하여 장

애물 회피 로봇을 만든다.

감성적 체험

(16)

[7/12 차시] 파동의 성질 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (15 분)

Co ‘파동’이란 단어에서 떠오르는 이미지는 무엇인가?

CD 조별로 토의하고 발표한다.

Tip!

전개 (30 분)

파동의 정의를 정의를 설명한다.

파동의 성질을 설명한다.

파동의 종류를 설명한다.

소리의 3 요소를 이해하기 위해 소리분석(진폭, 진동수, 파형) 어플을 다운로드 한다.

1. 프로그램을 실행시키고 소리를 발생시킨 다음 일시정지 버튼을 눌러 마음에 드는 파형 이 나왔는지 확인한다. 만약 마음에 드는 파형이 나오지 않았다면 다시 재생 버튼을 눌러 마음에 드는 소리를 발생시킨다.

2. 일시정지 시킨 파형이 마음에 들면 capture 버튼을 눌러 파형을 캡쳐한다. 그럼 capture 버튼과 파형의 색이 붉은 색으로 바뀌어 기존 파형과 비교하기 쉽게 될 것이다.

3. 두번째 소리를 발생시켜 첫번째 캡쳐한 화면과 비교해 본다. (필요에 따라 show/hide 버튼을 눌러 캡쳐한 화면을 안보이게 할 수도 있다.)

4. 추가로 계속해서 화면을 캡쳐해서 비교해 볼 수 있다. 캡쳐된 화면을 없애고 싶으면 delete 버튼을 누르면 모든것이 초기화 된다.

정리 (5 분)

ET 소리는 사람이 들을 수 있는 소리 이외에 들을 수 없는 소리(초음파)가 있음을 안내한 다. 들을 수는 없지만 일상생활에 유용하게 사용되는 사례가 많음을 알리고 다음 시간에 초음 파를 활용한 로봇 제작을 하게 됨을 안내한다.

(17)

[8/12 차시] 초음파센서를 활용한 장애물 회피 로봇 – 제작 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (10 분)

Co 우리 주변에서 초음파가 어떻게 사용될까?

CD 초음파 이용사례 발표하기

동영상

Tip!

전개 (35 분)

▮LEGO MINDSTORMS EV3 드라이빙 로봇 제작하기

Co 자율주행 자동차에 필요한 장애물 감지는 어떤 원리를 이용하는 것일까?

Co 자동차가 후진할 때 발생하는 경고음은 어떻게 발생하는 것일까?

CD LEGO MINDSTORMS EV3 의 초음파 센서를 이용하여 장애물 회피 로봇을 만들어 보 자.

1. 노트북 바탕화면의 아이콘을 실행 시킨다.

2. 홈화면-시작하기-사용

드라이빙 베이스 로봇 조립 설명서를 보고 제작한다.

3. 드라이빙 베이스에 초음파 센서를 추가한다.

4. 드라이빙 로봇의 모양을 변형하여 자신만의 모델을 제작한다.

ET 5. 제작된 로봇에 이름을 지어주고 조별로 간단히 로봇 소개를 한다.

정리 (5 분)

다음 시간에 초음파 센서를 활용하여 장애물 회피가 가능하도록 프로그램을 제작할 예정 이라고 안내해 준다.

(18)

[9/12 차시] 초음파센서를 활용한 장애물 회피 로봇 – 프로그래밍 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입

(10 분) Co 드라이빙 로봇이 장애물을 감지하기 위해 초음파 센서를 어떻게 활용할까?

Tip!

전개 (35 분)

▮LEGO MINDSTORMS EV3 프로그램 작성하기

1. 노트북 바탕화면의 EV3 아이콘을 실행 시킨다.

2. EV3 초음파 센서의 특징을 이해한다.

- 초음파 센서는 소리를 잘 반향하는 딱딱한 표면을 포함한 물체를 감지하는 데 적합함

- 천과 같은 부드러운 물체는 음파를 흡수하여 감지되지 않을 수 있음 - 표면이 둥글거나 각진 물체도 감지하기가 어려움

- 초음파 센서는 센서와 매우 가까운(3cm 또는 1.5인치보다 가까운) 물체를 감지할 수 없음

- 센서는 시야가 넓기 때문에 정면의 물체 대신 측면의 가까운 물체를 감지할 수 있음

3. 새 프로젝트를 실행한다.

4. 초음파 센서 블록을 추가한다.

- 초음파 센서의 사용법을 익힌다.

Co 5. 초음파 센서를 활용하여 드라이빙 로봇이 35cm 이내의 장애물을 감지하면 정지하고, 감지 거리가 35cm 보다 작아질 때까지 기다리도록 프로그램을 작성해보자.

CD 6. 조별로 알고리즘을 작성하고 프로그램을 작성하여 로봇에 전송한 다.

정리

(5 분) ET 로봇 주행 시 장애물을 설치하고 제한된 거리에서 정지하는지 살펴본다.

(19)

중심과목 과학탐구실험 학교급/학년(군) 고등학고/1 학년 중심과목

성취기준 영역

[과학탐구실험]

Ⅱ.생활 속의 과학 탐구

중심과목 성취기준

[10과탐02-03]

과학 원리를 활용한 놀이 체험을 통해 과학의 즐거움을 느낄 수 있다.

주제(단원)명 생활 속의 과학 탐구 차시 10~12/12

학습목표

-일상생활과 관련된 다양한 분야에 적용된 과학 원리를 알아보는 활동을 통하여 과학 원리와 개념을 적용할 수 있다.

-과학 원리를 활용한 놀이 체험을 수행하고, 과학의 즐거움을 느낄 수 있다.

-흥미와 호기심을 갖고 과학 탐구에 참여하고, 협력적 탐구 활동을 수행할 수 있다.

연계과목 수학, 음악 연계과목

성취기준 영역

STEAM 요소

S 파동의 이론적 배경 T

E 칼림바라고 하는 악기를 직접 제작함 A 음악을 통한 작곡활동

M

개발 의도

파동에 관한 이론을 응용하여 생활 주변에서 발생하는 파동에 관련된 예시와 이를 통한 예술활동과 과학의 연관성을 알아보고 자연스럽게 감성적 체험을 경함할 수 있는

활동으로 유도한다.

· 다른 차시에서 진행된 이론을 바탕으로 탐구 활동 및 만들기 위주의 이론을 응용하는 시간을 가짐으로써 과학적 이론의 우리 주변에서의 사용에 대해 친근감을 가지고 접근할 수 있다.

· 파동과 관련된 주변 사례 조사하기

· 파동의 특징을 이용한 생활 속 문제 해결 사례 찾아 발표하기

· 파동의 특징을 이용한 생활 속 문제 해결 도구나 방법을 창의적으로 설계하기

· 파동의 특징이 이용된 우리 주변 물건 조사하기

· 파동의 원리의 대표적인 예시인 악기 만들기

· 제작한 악기를 이용하여 미니 음악회 개최하기

STEAM 학습 준거

상황 제시

상 황 제 시

[자료 조사]

▷파동을 이용한 생활 속 문제 해결 사례를 찾아 발표

▷악기 종류를 다양하 게 조사하기

▷칼림바라고 하는 악 기 조사하여 학습하기

창의적 설계 [연주하기]

▷만들어진 칼림바를 이용하여 주어진 간단 한 악보를 연주해본다.

[음악회 개최하기]

▷만들어진 칼림바를 이용하여 미니 음악회 를 개최한다.

▷자신의 음악을 작곡 하여 학우들에게 들려 주는 시간을 가져본다.

감 성 적 체 험 [문제상황 해결방안 구상하기]

▷파동을 이용한 생활 속 문제 해결 도구나 방법 창의적을 설계 하기

[악기만들기]

▷주어진 키트를 이용하여 칼림 바를 만들고 만들어진 칼림바의 음 조절해보기

감성적 체험

(20)

[10~12/12 차시] 악기연주 학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (40 분)

Co

[자료 조사]

▷ 과학 및 수학 시간에 진행된 파동과 관련된 이론을 복습함

▷ 파동과 관련된 자료를 직접 조사함.

▷ 파동을 이용한 생활 속 문제 해결 사례를 찾아 발표함.

· 조별로 파동과 관련된 자료 조사를 진행함 · 해결 사례의 문제상황 조사

· 해결 사례의 정확한 상황 제시

Tip!

준비물 : 인 터넷이 가능 한 컴퓨터

Tip!

Wifi 가능 장 소에서는 핸 드폰 사용

전개 (90 분)

CD

[문제상황 해결방안 구상하기]

▷파동을 이용한 생활 속 문제 해결 도구나 방법 창의적을 설계하기 · 도입에서 조사한 자료를 토대로 조별 문제 상황 설계하기

· 조별로 설계한 문제 상황에서 문제를 해결할 수 있는 도구나 방법 제안하기 · 해결 방안으로 제시된 도구나 방법에 파동과 관련된 이론 도입 필수

· 해결방안 제시 시에는 과학적 탐구 방법에 따른 보고서 양식으로 작성하기 · 해결 도구 설계 시에는 설계도 그리기, 도구 이름 작성, 도구에 들어간 과학 적 원리를 설명하는 글 작성하여 제시하기

Co

[자료조사]

▷악기 종류를 다양하게 조사하기

▷조사한 악기의 파동의 특성에 관해 학습하고 소리의 3 요소에 관해 알아보기

▷악기가 소리의 3 요소를 나타내는 원리에 관해 학습하기

▷칼림바라고 하는 악기 조사하여 학습하기

CD

[악기만들기]

▷주어진 키트를 이용하여 칼림바를 만들고 만들어진 칼림바의 음 조절해보기

ET

[연주하기]

▷만들어진 칼림바를 이용하여 주어진 간단한 악보를 연주해본다.

Tip!

문 제 해 결 에 있어서 파 동과 관련 된 이론이 잘 도입되 었는 지 중 간 확인

Tip!

준비물 : 인 터넷이 가 능한 컴퓨 터

Tip!

W i f i 가 능 장 소 에 서 는 핸드폰 사 용

정리 ( 20 분)

ET

[음악회 개최하기]

▷만들어진 칼림바를 이용하여 미니 음악회를 개최한다.

▷자신의 음악을 작곡하여 학우들에게 들려주는 시간을 가져본다.

Tip!

음 악 회 를 즐겁게 진 행할 수 있 도록 격려 한다.

(21)

4. 학생활동지 / 학생참고자료

Let’ s Enjoy Math

[ 학 생 활 동 지 1 ]

모둠명 교사확인

학번

(인) 이름

학습 주제 파동과 수학

Self Check

(목표에 도달하였나요?) 차시 테블릿PC, 필기구

준 비 물

오늘의 목표

1. 파동현상을 수학적으로 표현할 수 있다.

1 / 12 2. 다양한 목소리를 그래프로 표현할 수 있다.

Q1. 우리 주변에서 찾아 볼 수 있는 파동 현상들을 찾아봅시다.

Q2. 파동 현상들의 공통점을 찾아보고 수학적으로 표현하였을 때 편리한 점을 이야기해봅시다.

(22)

Q3. 푸리에 소리변환 프로그램을 이용하여 다양한 목소리를 그래프로 표현해봅시다.

(23)

Let’ s Enjoy Math

[ 학 생 활 동 지 2 ]

모둠명 교사확인

학번

(인) 이름

학습 주제 파동파동을 나타내는 그래프의 성질과 수학

Self Check

(목표에 도달하였나요?) 차시 색종이, 풀, 가위, 자, 테블릿PC, 필기구

준 비 물

오늘의 목표 두 그래프를 통하여 파동이 합쳐지고 나누어지는

원리를 직관적으로 이해할 수 있다. 2 / 12 [그래프1]

[그래프2]

[그래프1+그래프2]

[결론]

(24)

Let’ s Enjoy Math

[ 학 생 활 동 지 3 ]

모둠명 교사확인

학번

(인) 이름

학습 주제 사인함수와 코사인함수의 그래프 그리기

Self Check

(목표에 도달하였나요?) 차시 삼각함수 그래프 만들기 키트, 색연필 또는 형광펜,

풀, 테블릿PC, 필기구 준 비 물

오늘의 목표

1. 삼각비를 완벽하게 이해할 수 있다.

3 / 12 4 / 12 2. 사인함수와 코사인함수의 기본형 그래프와

성질을 이해할 수 있다.

Q1. 주기를 가진 파동 중 가장 단순한 파동의 모양은 무엇인지 생각해봅시다.

Q2. ‘삼각비’란?

(25)

Let’ s Enjoy Math

[ 학 생 활 동 지 4 ]

모둠명 교사확인

학번

(인) 이름

학습 주제 사인함수와 코사인함수 그래프를 활용한 파동 그래프의 확장

Self Check

(목표에 도달하였나요?) 차시

준 비 물 테블릿PC, 필기구

오늘의 목표 삼각함수의 그래프의 특징을 완벽하게 이해한다. 5 / 12 6 / 12 Q1.   sin    의 그래프의 특징을 찾아봅시다.

Q2.   cos    의 그래프의 특징을 찾아봅시다.

(26)

S T EA M

활동지 (7/12 차시) 학번

주제 파동 - 소리분석하기 이름

학습 목표 소리분석 어플을 활용하여 소리의 3요소를 알 수 있다.

▮실험방법

1. 핸드폰에 소리분석(진폭, 진동수, 파형) 어플을 다운로드 한다.

2. 프로그램을 실행시키고 소리를 발생시킨 다음 일시정지 버튼을 눌러 마음에 드는 파형이 나왔는 지 확인한다. 만약 마음에 드는 파형이 나오지 않았다면 다시 재생 버튼을 눌러 마음에 드는 소 리를 발생시킨다.

3. 일시정지 시킨 파형이 마음에 들면 capture 버튼을 눌러 파형을 캡쳐한다.

4. 두번째 소리를 발생시켜 첫번째 캡쳐한 화면과 비교해 본다.

5. 추가로 계속해서 화면을 캡쳐하여 소리의 높낮이에 따른 진동수, 소리의 크기에 따른 진폭 변화 를 확인한다.

예시 캡쳐된 화면

▮실험결과

(27)

S T EA M

활동지 (8/12 차시) 학번 주제 파동 – 장애물 회피 로봇 제작② 이름

학습 목표 초음파 센서를 활용한 장애물 회피 로봇을 제작할 수 있다.

1. LEGO MINDSTORMS EV3 를 실행시킨다.

2. 드라이빙 베이스 모델의 조립도를 참고하여 제작한다.

3. 드라이빙 베이스에 초음파 센서를 추가한다.

4. 드라이빙 로봇의 모양을 변형하여 자신만의 모델을 제작한다.

5. 완성된 드라이빙 로봇을 그림으로 나타내보자.

6. 완성된 드라이빙 로봇의 이름은 무엇인가?

(28)

S T EA M

활동지 (9/12 차시) 학번 주제 파동 – 장애물 회피 로봇 제작② 이름

학습 목표 초음파 센서를 활용한 장애물 회피 로봇을 프로그래밍 할 수 있다.

1. EV3 프로그램 창에 초음파 센서 블록을 추가한다.

① 측정 모드 결과 값

출력 유형 비고

거리 숫자 센티미터 단위의 거리(0~255cm) 거리 숫자 인치 단위의 거리(0 ~ 100인치)

초음파 감지 논리 초음파 신호가 감지되면 참, 그렇지 않으면 거짓 비교 결과 논리 비교 모드의 참, 거짓 결과

② 비교모드 결과 값

입력 유형 허용값 비고

비교유형 숫자 0-5

0: =(다음과 같음) 1:≠ (같지 않음) 2:> (보다 큼)

3:≥ (보다 크거나 같음) 4:< (보다 작음) 5:≤ (보다 작거나 같음)

경계값 숫자 모든

숫자 센서 데이터와 비교하는 값

측정모드 숫자 0 또는 1

고급 모드의 초음파 신호 모드 : 0 = 단일 측정 모드

1 = 연속

2. 문제 해결을 위한 알고리즘 작성

3. 완성된 프로그램을 캡쳐하여 출력 후 붙이기

(29)

ST E A M

활동지 (10/12 차시) 학번

주제 파동 – 탐구활동① 이름

학습 목표 문제 상황 해결 방안 제시하기 1. 탐구 주제

2. 문제 상황

3. 이론적 배경

4. 해결 방안

5. 결과 및 토의

(30)

ST E A M

활동지 (11/12 차시) 학번

주제 파동 – 탐구활동② 이름

학습 목표 문제 상황 해결하기

1. 과제 해결을 위한 설계도를 과학적으로 그리시오.

2. 제시된 도구의 이름을 만들고 그 이유를 설명하시오.

3. 도구에 적용된 과학적 원리를 설명하시오.

(31)

ST E A M

활동지 (12/12 차시) 학번 주제 파동 – 악기 제작 및 연주하기 이름

학습 목표 작곡하여 악기 연주하기

1. 칼림바 연습용 악보

2. 작곡한 악보

(32)

5. 교사자료

- EV3 교사 참고 자료

- 1 - - 2 -

- 3 - - 4 -

- 5 - - 6 -

(33)

- 7 - - 8 -

- 9 - - 10 -

- 11 - - 12 -

(34)

- 13 - - 14 -

- 15 - - 16 -

- 17 - - 18 -

(35)

6. 차시별 학생 평가기준 및 방법

차시 평가기준(성취수준) 평가방법 평가도구

1~6 /12

과학 원리를 활용한 놀이 체험을 통해 수학의 즐거움을 느끼고, 놀이 체험에 활용된 과학 원리를 설명할 수 있 다.

자기/동료평가 자기 평가 설문지

과학 원리를 활용한 놀이 체험을 통해 수학의 즐거움을 느끼고, 놀이 체험에 과학 원리가 활용되었음을 말할 수 있다.

과학 원리를 활용한 놀이 체험을 수행하고, 수학의 즐거 움을 느낄 수 있다.

7~9 /12

EV3 프로그램을 사용하여 로봇이 일정한 속도로 주행 하도록 하고 15cm 이내의 장애물을 인지하면 멈추도록 함.

자기/동료평가 자기 평가 설문지 중 EV3 프로그램을 사용하여 로봇이 일정한 속도로

주행 하도록 하였으나 장애물을 인지하지 못함.

하 EV3 프로그램을 사용하여 로봇이 일정한 속도로 주행하지 못함.

10~12 /12

일상생활과 관련된 다양한 분야에 적용된 과학 원 리를 알아보는 실험을 수행하여 실험 결과를 과학 원리와 개념을 적용하여 해석하고 동일한 과학 원 리가 적용된 다른 사례를 제시하여 과학의 유용성 을 설명할 수 있다.

자기/동료평가 발표

음악회

일상생활과 관련된 다양한 분야에 적용된 과학 원리를 알아 보는 실험을 설계하여 실험 결과를 과학 원리와 개념으로 적 용하여 해석할 수 있다.

일상생활과 관련된 다양한 분야에 적용된 과학 원리를 알아 보는 실험을 수행할 수 있다.

7. 학교생활기록부 기재 예시

항목 학생부 기재 예시

교과학습발달상황 세부능력 및

특기사항

(통합과학실험) 일상생활과 관련된 파동에 적용된 과학 원리를 알아보는 탐구활동을 수행하여 문제해결 과정에서 과학 원리와 개념을 적용하여 해석하고 동일한 과학 원리가 적용된 다른 사례를 제시하여 과학의 유용성을 설명하였다. 과학 원리를 활용한 놀이 체험을 통해 파동의 원리를 적용한 칼림바 타악기를 제작해 봄으로써 과학의 즐거움을 느끼고, 놀이 체험에 활용된 과학 원리 잘 이해하고 적용하는 모습을 보인다.

(물리학 I)파동의 성질을 이해하고 초음파의 원리를 활용하여 거리를 감지하는 로봇 프로그램을 작성함. EV3 프로그램을 사용하여 장애물 거리에 따른 속도 변환 프로그램을 스위치 블록을 중첩하여

창의적으로 작성함.

(36)

8. 학생 산출물 및 사진

[1~6 차시]

(37)

[7~9 차시]

[10~12 차시]

참조

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