제 31 회서울특별시학생과학발명품경진대회 LED 를이용한수업중학생이해도표시기 작품번호 출품부문 학습용품 2009. 5. 6. 학교학년 / 직위성명 출품학생서울공업고등학교 2 학년이동일 지도교원서울공업고등학교교사오병구
목 차 1. 제작동기 3 2. 제작목적 3 3. 작품제작준비 3 가. 발명프로젝트진행계획나. 선행발명조사다. 유사선행발명품의분석 4. 관련지식 5 가.LED 점등회로 나. 솔라셀을이용한태양전지 5. 제작과정 7 가. 작품전체회로도나. 재료목록다. 작품외형및동작실험라. 작품의외형비교 6. 사용방법 9 가. 작품의개요나. 질문에대한응답다. 질문이있을때라. 사용후보관할때 7. 제작결과 11 가. 작품의특성 나. 제작소감 8. 기대효과 12-1 -
그림목차 < 그림 1> LED 점등회로 ( 부분 ) 4 쪽 < 그림 2> LED 점등회로 4 쪽 < 그림 3> 솔라셀의외형 4 쪽 < 그림 4> 솔라셀모듈의구조 6 쪽 < 그림 5> LED 표시기의회로도 7 쪽 < 그림 6> 완성된작품의외형 8 쪽 < 그림 7> 완성된작품의동작실험 8 쪽 < 그림 8> 일반건전지를사용했을때의외형 9 쪽 < 그림 9> 솔라셀을사용했을때의외형 9 쪽 < 그림 10> 수업내용을이해하였을때 10 쪽 < 그림 11> 수업내용을이해하지못하였을때 10 쪽 < 그림 12> 질문이있을때 11 쪽 < 그림 13> 사용후보관될때 11 쪽 - 2 -
1. 제작동기 우리나라의중 고등학교의교실수업은앞에서교사가설명하고학생들은대부분일방적으로듣는방식으로진행하고있다. 교사가수업도중에학생들이어느정도이해를하고있는지질문을통하여확인하는경우가많다. 이때학생들은손을들어서자신의의사를표시하게된다. 학생들은교사의질문에손을들도록요구받을때손을들려고하지않는성향을보인다. 즉긍정또는부정의어떤경우에도손을들지않는다. 이와같이학생들의수업참여도가저조한상황이생길경우특별히학생들의흥미를끌만한조건을제시를해줄필요성을느낀다. 이러한동기에서 수업이해도표시기 를고안하였고, 그장점은다음과같다. 가 ) 학생들이자신의의사를표시하고자할때손쉽게이용할수있다. 나 ) 학생들의주의를집중시키는도구로활용할수있다. 다 ) 학생들이자신의의사표시를적극적으로할수있다. 라 ) 학습에참여하고자하는의욕을이끌어낼수있다 수업이해도표시기 는학생들의흥미를자극하고학습의욕를증진시킬수있는도구가될수있다. 2. 제작목적 수업이해도표시기 를통하여학생들의관심과학습참여동기를향상시켜학습효과를극대화함을기본목적으로한다. 교실에서이루어지는모든행위가수업진행에도움이되어야하며학습효과를향상시키는방향으로긍정적인역할을담당해야한다. 학습이해도표시기는그모양과기능을단순화하였고, 표시기장치의동작에필요한전원은솔라셀을이용하여충전한에너지를사용할수있도록함으로써에너지절약효과를기대할수있다. 수업이해도표시기의제작목적은다음과같이요약하여말할수있다. 1. 맹목적인일방적인설명위주의수업방식을탈피한다 2. 학생들이기본적인도구의조작을통하여주위를환기시킨다 3. 교사가학생들의반응을한눈에쉽게확인한다. 4. 학생들의이해정도를파악하는즉시바로학습에피드백을적용한다. 5. 교사와학생과의즉각적인반응과응답으로수업효과를극대화한다. 3. 작품제작준비 가. 발명프로젝트진행계획 발명프로젝트과정을효과적으로진행하기위해, 다음과같이계획을세웠다. - 3 -
순서항목기간진행내용 1 발명아이디어 탐색 2009.2.20~ 3.14 제품구상, 아이디어창출및주제선정 2 기초조사 2009.3.16~ 3.21 창의성, 실용성, 경제성조사및선행발명품, 제품조사 3 계획수립 4 작품제작 2009.3.23~ 3.31 2009.4. 1~ 4.11 참고문헌및관련자료검색, 제작계획서및도면완성 재료및부품구입후가공조립 5 결과분석, 적용및수정 2009.4.13~ 4.25 결과분석, 문제점보안 6 작품완성 2009.4.27~ 5.6 작품완성 표 1. 발명프로젝트진행계획 나. 선행발명조사수업이해도를확인하는 LED 표시기에관련된선행발명품의조사를위하여다음과같이확인하였다. (1) 특허청의특허기술정보검색 (htp:/www.kipris.or.kr 검색 ) (2) 중앙과학관의발명품경진대회출품작 (htp:/www.science.go.kr 검색 ) (3) 서울과학전시관의발명품경진대회출품작 (htp:/www.ssp.re.kr 검색 ) 교실수업, 이해도, LED 표시기 라는각각의키워드로검색하여, 교실에서의 수업이해도 LED 표시기 에대한관련된선행발명품이검색되지않았다. 이에따 라서 이상없음 이라는결론을얻었다. 다. 유사선행발명품의분석 (1) 분석결과 1 선행발명품들중에는 LED 표시기에관한제품이많이나타났으나그활용분야가매우다른것으로것으로판단되었다. 2 태양전지사용은대체에너지및그린에너지에대한관심이증대되어있음에도불구하고, 다양한콘텐츠와하드웨어가개발되지않고있었다. 따라서새로운시스템과콘텐츠개발이요구되었다. - 4 -
4. 관련지식 가 )LED 점등회로 LED 에직류전원을공급하면순방향으로전압이가해졌을때회로에전류가흘러 LED 를점등시킬수있다. 스위치조작 (ON 또는 OFF) 을통하여회로의전류를단소하여 LED 를점등하므로서자신의의사를표시한다. 스위치는누름식잠금스위치을사용하여한번누르면 ON, 다시누르면 OFF 를반복한다. 그림 1.LED 점등회로 ( 부분 ) 그림 2.LED 점등회로 나 ) 솔라셀을이용한태양전지태양전지는태양의빛에너지를전기에너지로바꾸는것으로, P형반도체와 N형반도체라고하는 2종류의반도체를사용해전기를일으킨다. 태양전지에빛을비추면내부에서전자와정공이발생한다. 발생된전하들은 P,N 극으로이동하며이현상에의해 P극과 N극사이에전위차가발생하며이때, 태양전지에부하를연결하면전류가흐르게된다. 그림 3. 솔라셀의외형 - 5 -
태양의빛에너지를전기에너지로바꾸는것이태양전지이다. 이태양전지는지금까지의화학전지와는다른구조를가진것으로 물리전지 라할수있다. 태양전지는 P형반도체와 N형반도체라고하는 2종류의반도체를사용해전기를일으킨다. (1) 태양전지의원리태양전지에빛을비추면내부에서전자와정공이발생한다. 발생된전하들은 P, N극으로이동하며이현상에의해 P극과 N극사이에전위차 ( 광기전력 ) 가발생하며이때, 태양전지에부하를연결하면전류가흐르게된다. 이를광전효과라한다. (2) 태양전지발전방법 그림 4. 솔라셀모듈의구조 태양전지모듈은대형의시스템에서는여러태양전지를직 병렬로연결하여전력을꺼낸다. 셀은전기를일으키는최소단위이며, 모듈은전기를꺼내는최소단위이고현관문의 1/2 정도의크기이다. 어레이는직 병렬로끼어진여러패널을말한다. 서브어레이는설치작업이나유지보수의편리함때문에여러개의모듈을정리한단위이다. (3) 태양전지의종류태양전지는실리콘반도체를재료로사용하는것과하합ㅁㄹ반도체를재료로하는것으로크게나눌수있다. 다시실리콘반도체에의한것은결정계와비결정로분류된다. 현재개발중인것을포함하면더욱다양하다. 태양전지의기술개발에관해서는변환효율의향상이나가격조정등이계획되고있다. 또, 변환효율 20% 를초월하는태양전지나가격을낮출수있는박막태양전지등도개발하고있다. 현재, 태양광발전시스템으로일반적으로사용하고있는것은실리콘반도체가대부분이다. 특히결정계실리콘반도체의단결정및다결정태양전지는변환효율이좋고신뢰성이높아서널리사용하고있다. - 6 -
5. 제작과정 가. 작품전체회로도 D4 SW4 DIODE SW SPST D1 녹색 D2 빨강 D3 노랑 솔라셀 Solar Cell 충전용 BATTERY R1 R R2 R R3 R SW1 OK SW2 NO SW3 Q? 그림 5.LED 표시기의회로도 나. 재료목록 부품명 규격 수량 솔라셀 3V,100mA 1개 LED 적색, 녹색, 황색,φ5mm 각 1개 다이오드 정류다이오드 1개 스위치 푸시버튼, 잠금형 3개 스위치 개폐형 1개 받데리 충전식, 대체용 1개 건전지홀더 AA 형,2 개입 1개 기판 만능기판 1개 땜납 4mm, 부품조립용 0.5m 단선 3색,0.4mm 0.5m 전기인두 220V,20~25W 1개 표2.LED 표시기제작에필요한재료목록 - 7 -
다. 작품외형및동작실험 (1) 이해도표시기의주전원은태양전지를이용하여전원공급한다 (2) 충전식받데리를대체전원으로활용한다 (3) 표시하고자하는내용의스위치버튼 3 개와각색의 LED 를사용한다. 그림 6. 완성된작품의외형 그림 7. 완성된작품의동작실험 - 8 -
라. 작품의외형비교 (1) 일반건전지를사용했을때의외형은다음과같다 그림 8. 일반건전지사용했을때의외형 (2) 솔라셀을사용했을때의외형은다음과같다 그림 9. 솔라셀을사용했을때의외형 6. 사용방법 가. 작품의개요 1. 패널에 LED 3개가있다.( 파랑 / 빨강 / 노랑 LED) 2. 학생들이선생님의설명을여부에따라스위치를누른다. 3. 정해진스위치에따라해당하는색깔의 LED 가켜진다. - 9 -
4. 선생님은설명하면서학생들의응답에따라이해하는과정과이해여부를파악한다. 나. 질문에대한응답 수업중에선생님이이해여부를묻는질문에학생들이응답하는수동장치이다. 1. 수업내용을이해하면파란 LED 의점등스위치를누른다 그림 10. 수업내용을이해하였을때 2. 수업내용을이해를못하면빨간 LED 의점등스위치를누른다 그림 11. 수업내용을이해하지못하였을때 다. 질문이있을때 1) 수업내용에대해질문이있으면노란 LED 의점등스위치를누른다. - 10 -
그림 12. 질문이있을때 라. 사용후, 보관될때 1) 전원을차단 ( 스위치 of) 한다. 2) 전원스위치를끄면태양전지에의한충전상태로자동전환된다. 그림 13. 사용후보관될때 7. 제작결과 이작품을이용하여수업시간에학습효과를높이고에너지절감효과를얻을수있 는일석이조의교육학습용보조시스템이다 가. 작품의특성 1. 교실에서의사소통및학생의이해를관찰할수있는도구이다. 2. 아날로그의장점 ( 수업 ) 과디지털 ( 반응 ) 의장점을융합하였다. - 11 -
3. 작고저렴하며, 사용이편리하다. 4. 제작이쉽다. 나. 제작소감발명은결코쉽지만않았다. 하지만꼭해보고싶었고, 드디어완성하였다. 이작품을제작하면서느낀점은내가무언가를발명하고만들수있다는것을알고또도전해서완성할수도있다는것을알게되었다. 또이런기회가있다면더욱최선을다해서잘할수있을것같다. 무엇이든지 나는할수있다 생각하고도전한다면이룰수있다는것을깨닫게되었다. 그동안작품을제작하면서새롭게발견한좋은점이있다첫째, 공고에입학하여많은발명에관한지원을받을수있었다. 둘째, 내가좋아하는발명이나의전공과일치한다는사실이었다. 셋째, 나와같이발명에참여하는친구가많았다. 마지막으로, 나의생각을발명품으로적용할수있었던것이좋았다. 8. 기대효과이작품의근본적인목적은역시수업시간에학습효과를극대화하기위한것이다. 더불어태양광을이용한시스템이므로다른제품및콘텐츠의아이디어로확산될수있으며다음과같은효과를기대할수있다. 첫째, 신기술은아니지만, 새로운개념에기존지식의적용으로평가받을수있다. 둘째, 교실현장에서거부감없이사용할수있다셋째, 현재의기술과부품을최대한이용한시스템이다. 넷째, 태양광을이용한시스템으로에너지절감효과를얻을수있다. - 12 -
참고자료 참고문헌 1. 전국학생과학발명품경진대회수상작품집, 특허청 2. 현장교사를위한발명교육핸드북, 국제지식재산연수원발명교육센터 3. 아이디어착상및발명기법, 특허청ㆍ한국발명진흥회 4. 발명 100 제, 정재섭ㆍ전인기ㆍ서재흥ㆍ정창문, 도서출판세화 5. 위대한발명품이나를울려요, 햇살과나무꾼, 사계절 6. 놀라운발명품책, 박수현, 비룡소 7. 생각의눈을떠봐발명품이보여, 아이사랑, 아테나 참고사이트 1. 특허청, htp:/www.kipo.go,kr 2. 국립중앙과학관, htp:/www.science.go.kr 3. 특허기술정보센터, htp:/www.kipris.or,kr 4. 네이버, htp:/www.naver.com 5. 다음, htp:/www.daum.net - 13 -