작품번호 3506 제 51 회전국과학전람회 학생작품지도논문연구대회 디지털클리노미터제작및 현장적용에관한지도 출품 ( 지도 ) 부문 : 지구과학 2005. 7. 25 시 도학교직위성명 부산광역시장영실과학고등학교교사이혁우 지도학생 장영실과학고등학교 장영실과학고등학교 2 학년 2 학년 김택훈 김현재
작품번호 1506 제 51 회전국과학전람회 학생작품지도논문연구대회 디지털클리노미터제작및 현장적용에관한지도 출품 ( 지도 ) 부문 : 지구과학 2005. 7. 25 시 도학교직위성명 부산광역시장영실과학고등학교교사이혁우 지도학생 장영실과학고등학교 장영실과학고등학교 2 학년 2 학년 김택훈 김현재
차 례 1. 작품지도의동기및목적 1 가. 지도의동기 1 나. 지도의목적 2 2. 사전조사 3 가. 참가학생에대한사전조사 3 나. 주제와교육과정과의관련성 3 다. 관련내용 4 3. 작품지도계획 11 가. 교과내용에대한분석 11 나. 새로운지도방법모색 11 다. 기초조사 11 라. 작품지도목표의설정 14 마. 작품지도의절차및방법 15 4. 작품지도의실제 16 가. 지도관점 1의지도및수행 16 나. 지도관점 2의지도및수행 19 다. 지도관점 3의지도및수행 22 라. 지도관점 4의지도및수행 24 5. 지도의결과 27 가. 학생의태도변화면 27 나. 학생의학습변화면 27 6. 결론및제언 29 가. 결과 29 나. 제언 30 7. 참고문헌 31 가. 참고도서 31 나. 참고논문 31 다. 참고사이트 31
1. 작품지도의동기및목적 가. 지도의동기 현재고등학교에재학중인학생들은대학을진학하기위해여러가지공부에매달리고있다. 과거의내신과수학능력시험으로대학입학을평가하던것이지금은내신과수학능력시험의기본평가외에도각종경시대회, 전람회등의과학관련수상실적가산점등의부분점수를받기위해서고심하고있다. 현재의가산점수의의미보다는학생들이대학에진한한후졸업및그이상의심화교육을받기위해서는자신의연구를수행하며, 그결과를발표하는논문작성과정과심화탐구과정은중요한과정중의하나로판단된다. 이에따라학생들이고등학교과정에서대학교육을미리답사하는논문및심화탐구과정의형식의전람회의형태를밟아본다는것은바람직하다고느낀바학생들과함께전람회를수행해보고싶었다. 특히, 과학올림피아드의문제가점점대학수준을넘어선대학원수준의문제가제기되고있으며이는심화문제가아닌탐구설계문제즉, 누가더분석과해결능력이뛰어난가를측정하는것이아닌누가더많은지식을암기하고있느냐의형태가되었음에실망을가지고있었다. 이에따라, 대부분의과학교과서첫장에서다루는가설의설정및실험의수행과검증의절차를다루는과학의탐구방법을학생들이전람회를통하여작품제작을통하여그결과를도출해내는과학적탐구과정을수행하기원하였다. 클리노미터 (Clinometer) 는지질학자나일반인, 학생들이야외에서지질조사시층리면, 절리면, 변성암에서발견되는각종방향성등의주향과경사등을측정하여그지역의지각변동을해석하기위한필수적인장비이다. 어느날지구과학 교과의실험수업중우리나라의지질의지질조사와지질도단원을수업하던중, 주향과경사의정의를내리고, 주향 경사측정장치인아날로그식클리노미터의사용법에관하여설명하였는데, 한학생이수평도맞추기어렵고, 지층의연장방향인주향의측정이매우힘들고, 더군다나값을읽기가매우불편하다고이야기를하였다. 그럼에도불구하고평소실험수업을통하여기존의아날로그식클리노미터의불편한점을본교사도알고있었기에그학생에게좀더정밀도와편리성을높이는방안을생각해보라고하였으며, 며칠후학생이찾아와서클리노미터를디지털형태로제작하는방안이가능한지를문의하였다. 이에무언가방법이있을거라추측하여외국사이트를검색한바, 외국에서도아직까지뚜렷한기기가발명하지못했다는점이탐구욕을자극했다. 우리는조금더공학적으로접근하는방법을찾던중각종센서및회로설계에관한책자를검색해본결과, 지자기를측정하는센서가국내에는현재까지없다는사실을알게되었으며, 이에관한선행연구도전무하다는사실도알게되었다. 그래서학생들과함께보다오차를줄이면서도, 실용적이고간편한디지털방식의클리노미터를만들어보기로결정하고, 아이디어도출작업에착수하였다. - 1 -
본인이지도하는두명의학생중한명은자료의해석및분석 종합력이뛰어나고, 나머지한명은수학적공간 지각력이우수하여서로의장점을살려극대화한다면우수한작품을도출될것으로기대되었다. 디지털클리노미터에관한연구는야외에서지층의구조에관한정보를좀더정밀한방법에의해산출해냄으로써, 각종지층구조해석에보다정확한데이터를제공해줄것으로기대되었다. 또한학생들의탐구과정을지도함으로써학생들의심화실험능력및심화탐구능력을향상시킬수있는중요한계기가될것으로판단되었고, 각급학교및대학및일선현장에개선되어일반화된다면, 실험기기로서현장적용이가능할것으로기대되어본연구를지도하게되었다. 나. 지도의목적 기존의주향, 경사를측정하는방식은모두아날로그식이라우리는기존의사전자료를많이구할수가없었을뿐만아니라, 설령구한다하더라도별로도움이되지못할것같은느낌이들었다. 따라서디지털방식의시스템을처음으로창출해내는자체만으로도매우의미가있고, 학생들이과학적창의연구를수행할수있을것으로사료되어본격적인지도에착수하고자한다. 본작품은기존의클리노미터가자침의눈금을읽어내는데의어려움, 수평조정, 경사방향의결정, 경사각의측정, 관성진동에의한자침의흔들림등에의한오차들을보완하여실시간으로바로읽어들이면서도, 측정이용이하고정밀도와신뢰도를한단계향상시킨디지털식클리노미터를제작하는데강조점을두었다. 따라서다음과같은연구지도의목적을달성하고자한다. 실험 실습교과영역에서는 첫째, 중 고등학교지구과학교과목에서지질조사와지질도관련단원의주향및경사의개념과그측정원리를실시간으로쉽게보여줌으로써추상적개념과동시에시각적개념을보충하여학생들의이해를증대시키며둘째, 기존의방식과우리가제작한클리노미터의장, 단점등의차이를비교함으로써지질조사와지질도단원에서설명하는여러지층의구조해석에있어서의지식의구조화를효율화할수있으며셋째, 주향, 경사를측정하기위한각종센서, 전자회로, 인코더, 가변저항장치 (variable resistor), 수평조정장치, 솔레노이드 (solenoid) 등을이용하여전자제어계측에관한기본원리를선수학습할수있도록하고넷째, 전자기유도에의한노이즈 (Noise) 보정, data shifting 및 Micro-Processing 작업등을통하여전자제어공학에서의자기의개념을알려물리적이해를보조하고있다. - 2 -
학생지도영역에서는 첫째, 학생들이평소에관찰하여왔던소재에서의호기심및창의적아이디어창출을유발하여스스로탐구하며자기주도적인탐구활동하에서새로운원리를알아내는문제해결능력을신장시키며둘째, 사물이나현상에서원리와개념의이해를통하여이를실생활에접목시킬수있는응용력과적용력을개발하고셋째, 실제야외에서의비교 분석을위한실습을통하여정확한자료수집하에체계적심화탐구학습을함으로써, 실험의수행, 결과의검토및결론의도출을이끌어내는과학적탐구방법을수행하도록하는데그목적을두고있다. 2. 사전조사 가. 참가학생에대한조사 학생김택훈김현재 인적사항 학적사항 성격및자질 부김석현직업의사부김종원직업은행원 생년월일 88.10.23 출신중여명중생년월일 89.1.22 출신중수영중 클럽활동부 지구과학반 ( 퀘이사 ) 클럽활동부 지구과학반 ( 퀘이사 ) 장래희망의사장래희망천문학자 온화한성격으로, 평소에교우관계가좋으며, 수업에질문을잘하며과학적호기심이풍부하며, 자료의해석및분석 종합력이뛰어난학생이다. 생물및지구과학분야에관심이많으며, 컴퓨터에소질이있다. 활발한성격으로, 사고력이풍부하며, 창의적아이디어를잘도출해내며, 학급분위기를잘형성한다. 과학적호기심이강하고수학적공간 지각력이우수하다. 물리및지구과학에관심이많으며, 제어공학에재질이있다. [ 표 1. 지도학생에대한사전조사 ] 나. 주제와교육과정과의관련성 우리가연구하고자하는작품주제는디지털클리노미터의제작이다. 클리노미터와관련된지구과학단원은지질학영역으로서, 아래의단원과같이명시되어있다. - 3 -
교육과정 단원 대단원 관련 단원 중단원 중학교과학 (2 학년과정 ) Ⅲ. 지각의변동 2. 지층과화석 고등학교지구과학 Ⅰ Ⅳ. 지구의역사 1. 지구역사해석의원리 2. 지질구조 고등학교지구과학 Ⅱ Ⅴ. 우리나라의지질 2. 지질조사와지질도 [ 표 2. 관련된교육과정 ] 위의표 2 는중 고등학교교육과정으로구분되어있으며고등학교교육과정은공 통과학, 지구과학 Ⅰ, 지구과학 Ⅱ 로구분된다. 다. 관련내용 1) 클리노미터의용도클리노미터 (Clinometer) 는지질조사용, 기상관측용, 광산용, 공장에서의계측용등다양하게쓰이는기구이다. 지질조사의기본은주향과경사를측정하는것이다. 지질학용클리노미터는자석, 수준기 ( 水準器 ), 하-트모양의추를조합한간편한측각기구이다. 거울이달린뚜껑이나핸드레벨 ( 수평을재는기구 ) 을부착한것도있다 ( 브런턴컴퍼스라고한다 ). 이기구를이용하여지층면뿐만아니라암석에보이는절리면 엽리면등의면구조나각종선구조를야외에서직접관측할수있다. 따라서지질조사에꼭필요한기구로지형도위에서의위치결정이나루-트매핑을할때등간단한측량에도이용된다. [ 그림 1. 기존의클리노미터의대표적인예 ] 2) 야외에서의주향, 경사의측정법야외에서어느지층의측정하는방법은우선클리노미터의긴변을지층면에놓고수준기로수평을유지한다. 그때자침이보이는방위가주향이다. N 30 E 등과같이북에서동으로몇도기울었는가로나타낸다. 방위를직접읽게할수있도록동서가보통의자석과는반대로되어있다. 그다음에는클리노미터를세워긴변을주향에직각으로놓는다. 그때안쪽의추가보이는각도가지층의경사각이다. - 4 -
주향과직교하는방향은 2 방향이나자석으로경사방향을측정하여 50 SW 등으로 경사각에방위를첨가하여나타낸다. [ 그림 2. 기존의아날로그식클리노미터를이용한주향, 경사의측정법 ] 각각의경우의주향및경사측정방법을간략히언급하면다음과같다. 가 ) 거대한단일노두인경우 ⑴ 노두로부터수 m 떨어진곳으로이동한다. ⑵ 노두의전체적인자세에서판상의성층면을선택한다. ⑶ 이차평면이하나의선으로나타나는바로그지점으로서서히움직인다. 관찰자의시선이측정하려는성층면내에오게되면그자리에서서관찰자는클리노미터를수평기로장착하여판상의면을조준한다. ⑷ 이조준선이성층면내에있는수평선이되고그것이그면의주향선이다. ⑸ 관찰자는주의해서수평기로수평선상의점을찾고그점까지의방위각은컴퍼스를사용하여읽는다. ⑹ 경사는같은위치에서컴퍼스의뚜껑과조준팔을열어팔을뻗혀잡고측정하는데뚜껑과컴퍼스옆모서리가성층면과겹치도록한다. ⑺ 클리노미터를수평에맞추어경사각을읽는다. 나 ) 소규모의노두인경우판상의면이 1m 2 이하로좁게나타날겨우위에설명한방법으로는측정하기어려운경우에는다음과같이측정할수있다. ⑴ 가능한한대표적인면을선택한다. ⑵ 작은불규칙성을평균해버리기위해노트나지도덮개를그면위에올려놓는다. ⑶ 컴퍼스의밑모서리를거리에직접부착시킨다. ⑷ 컴퍼스의수평을유지시키면서방위각을읽는다. ⑸ 경사는컴퍼스를동일평면에주향선과수직이되게올려놓고측정한다. ⑹ 지도케이스나암석이자침에영향을주지않는지확인해야한다. ⑺ 노두가작은경우에는전석이나이동된것이아닌지다시확인한다. - 5 -
3) 주향, 경사의표시법 야외지질조사시측정한주향, 경사를지형도상이나야장에표시하는방법의 예를제시하면다음그림 3 과같다. [ 그림 3. 측정된주향, 경사의표시방법 ] 4) 기존의클리노미터의장 단점고찰현재각급중 고등학교의기자재로서, 그리고각급대학의지질학관련학과에보급되어있는클리노미터, 클리노컴퍼스및브런턴컴퍼스의대부분은미국, 일본등외국산이다. 우리들은기존의클리노미터를이용하여야외의노두상에서주향및경사를측정해본결과, 다음과같은특성들을파악하게되었다 ( 표 3). 장점 단점 휴대하기간편하다. 전원을필요로하지않는다. 외부충격에대체로강하다. 본체의수평맞추기및수평유지가쉽지않다. 해안가절벽, 급경사지층등의접근이힘든곳의주향, 경사의간접측정이거의불가능하다. 주향, 경사값을읽을때 1 단위까지정확히읽는것이매우어렵다. 자침의수형적인관성진동에의해자침을고정시키기가힘들다. 노두위치별편각보정시에는각위치마다매번계산해주어야한다. 경사방향의자동결정이불가능하다. [ 표 3. 기존의각종클리노미터의장 단점 ] 위의표 3에서살펴본바와같이, 기존의클리노미터는전원이필요없는등의장점도있으나, 실제야외조사시정확한각도읽기가용이치않는등의많은문제점을가지고있는것이사실이다. 따라서본연구자들은기존의이와같은단점을보완하고, 측정된주향, 경사값들을실시간으로읽어내는자기센서, 가변저항장치, 수평조정장치, LCD 모니터, 데이터 shifting 장치등을이용한새로운개념의완성도가높은디지털클리노미터를제작해보고자한다. - 6 -
5) 자기센서 (Magnetic Sensor) 의원리자기센서의기본원리는강자성체인원형의 Ring Core를따라 Drive Coil이감겨져있고, 링코어의중심에서직교하는 X-coil 및 Y-coil로구성된다. 이때, 드라이브코일에링코어에자력선을발생시키면, 링코어에발생되는자력과지자기가합성된유도전압이 X-코일및 Y-코일을통해측정되며, 측정되는유도전압의전위차에의해방향을감지하게된다. [ 그림 4. 자기센서의원리 ] 이를자세히살펴보면, 코일 (Solenoid) 을이용한아이디어로써원형변압기를두고그변압기를따라코일을감는다. 그리고변압기를중심에서직교하는 2개의코일을 축과 축위에올려놓는다. 그러면처음감아놓은코일에전류를흘려자력선을발생시키면, 그코일에발생하는자기장과지자기가합성된유도전압이 축상의코일과 축상의코일에감지되며이유도전압에의해서방향을감지해낼수있을것이다. 즉, 유도전압의원리와벡터를합성하는방법이다. 이때변압기 (TR) 는지자기의약한자기장을충분히증폭시키는데사용된다. 이것을이용하면, 변압기사용으로약한지자기를증폭하여유도전압의세기를확대할수있으므로, 지구자기장으로인한 Voltage 값이더크게검출될수있으며, 또한코일을 축과 상에놓음으로써얻어지는값의벡터를합성하여각도를보다쉬운방법으로감지할수있다는사실을알게되었다. 6) 로터리식인코더 (Encode) 의원리우리가 1차작품에서경사측정에이용하고자하는로터리식인코드의원리는다음그림 5와같으며, 그원리를축약하면다음과같다. 이센서의동작은 A상, B상 2개신호의각에지 ( 상승시, 하강시 ) 마다타이밍펄스의상승에동기하여회전방향검출신호를출력한다. 그림 () 의타임차트에서 이타이밍펄스이다. 모터 1회전에서의타이밍펄스의펄스수는인코더출력펄스 (A상또는 B상 ) 수의 4배의펄스가출력된다. 모터축이시계방향 (C W) 으로회전하고있을때회전방향검출신호는 high level이고, 반시계방향 (C C W) 일때는 low level이된다. 또회전방향이 C W에서 C C W 또는 C C W에서 C W 로절환할때, 회전방향검출신호는모터의회전이절환되고나서최초의타이밍 - 7 -
펄스의상승에동기하여 high level 에서 low level 로, 또는 low level 에서 high level 로각각반전한다. [ 그림 5. 로터리식인코더의원리 ] 이센서를사용하여우리의각도범위내에알맞게들어오는신호들을변환시켜 각도의값으로출력하기로하였다. 7) 가변저항장치 (variable resistor) 의원리 [ 그림 6. 가변저항장치의원리 ] 위그림 6에서갈색부분은탄소가루가붙어있는것이고빨간색부분은축에고정되어축과같이돌아가는부분이다. 그리고하늘색부분은빨간색부분에연결되어축과함께돌아가고탄소가루부분에접해있는금속이다. 탄소가루부분중어느특별한부위는전극에연결되어있고빨간색부분또한다른전극으로연결되어있다. 그러면탄소가루부분과하늘색부분이접하는부위와탄소가루부분의전극과의길이에따라저항의크기가달라지고 ( ) 이는축이돌아가는각도 ( ) 에비례 ( ) 한다. 8) 감지된센서 Voltage 의연산 (Micro-Processing) 원리 다음그림 7 은우리가생각해낸센서신호의연산방법을그림으로도식화시킨것 이다. - 8 -
[ 그림 34. Micro-Processing 에적용한 Voltage 의연산원리 ] 보통의자기센서는 0 ~360 형태의각도로만출력한다. 주향 (strike) 이라는것은지층이진북 ( 자북 ) 으로부터몇도기울었는가를알아내는것이기때문에우리는주향을표시하는방법으로위그림과같이나타내었다. 방위각을 N과 W, E로만출력을가능하게했고, 각도는 0 ~90 까지출력하게하였다. 여기서, 기존의클리노미터로주향을측정할때에는 N극을기준으로하여재야한다. 그러나클리노미터의긴변을반대방향, 즉 S극방향으로놓았을때에는다시클리노미터를 180 돌려서반대방향의긴변으로측정해야하는불편함이있었다. 그리고주향측정후지층면에경사진곳에다시접촉시켜경사를따로측정해야하는불편한점도있었다. 바로경사측정부분을주향측정부분의오른쪽에설치하는것이었다. 이렇게했을때우리는새로운문제점에봉착했다. 바로 S와 E,W 가출력될수밖에없다는점이었다. 그러나센서를이용하여간단한연산을할수있다는점에착안하여우리는새로운아이디어를도출해내었다. 즉 N극을기준으로해서측정을한다는점에착안하여 SW의값을모두 NE로, SE의값을모두 NW로바꿔서출력을하도록 Processing을한결과, 반대방향으로측정하더라도실시간으로보정된값이출력되었다. 9) 수평조정장치의설계및구동원리 우리가최종적으로채택한독창적인수평조정의원리를간략히제시하면다음과같 다. - 9 -
[ 그림 7. 최종채택한수평조정의원리모식도 ] 위의그림 7과같은모형을만들고가운데있는것을원기둥으로제작하며, 두개는각각도금이되어있어저항값이거의 에가까워야한다. 이것의원리는원기둥에전극을연결하고반대전극을도넛모양의모형에연결하여원기둥과도넛이접촉될때전류가흐르게하는것이다. 원기둥을케이스에매달아두고도넛모양의모형은케이스에고정하여수평이될때전류가흐르지않게하는원리이다. 이를위하여소재를찾던중필통이우연히발견되었는데, 필통의지퍼를여는손잡이에는속이꽉찬원기둥이있었고, 원기둥은서로직교하는두개의쇠사슬로연결되어있어 평면상의모든운동이가능하였는데이것이가장최적이라고판단되었다. - 10 -
3. 작품지도의계획 가. 교과내용에대한분석 1) 클리노미터의개념 각종교과서 ( 지구과학 Ⅱ) 마다클리노미터의원리에대한개념을언급하지않는 책이더많으며, 설령있다하더라도이것을측정하는방법만제시하고있었다. 2) 주향및경사관련내용지층과지질구조의주향및경사에대한최소한의정의개념만다루고있으므로그의미, 해석등은아예제외되어있기때문에지층의단명의해석과연관된지질구조의이해가어려울수밖에없으므로학생들의질문이많을수있는내용이다. 나. 새로운지도방법모색 1) 클리노미터의개념및그측정방법의도입클리노미터의원리에대한정확한설명이제시되어있지않거나불충분한현재의교과서체제하에서는지질구조해석의필수요소인클리노미터의원리에대한정확한개념의도입이반드시필요하며, 그측정방법에있어서도요즘학생들이친숙하게여기는디지털방식을도입하여측정한후, 그개념의적용및응용이가능하게끔클리노미터를제작하고자하였다. 2) 심도있는다양한접근주향, 경사의수치를아날로그식과병행하여디지털방식으로읽어들이게함으로써, 주향, 경사측정방식의장, 단점을판단하게끔할수있으며, 이에따른상호비교및지층해석의원리에대한자발적적용을할수있도록지도하였다. 다. 기초조사 1) 작품제작을위한사전지도가 ) 주향, 경사의개념및그값을야외에서직접측정해보도록지도하였다. 나 ) 기존의아날로그식클리노미터의종류및그특징에대하여알아보게하였으며, 관련연구논문을읽어보도록지도하였다. - 11 -
다 ) 아날로그방식을디지털방식으로변환시키는각종방법을알아보며, 이에따른준비사항들을알아보도록지도하였다. 라 ) 지구자기력에관련된개념을사전에파악하고, 지자기를읽어들일수있는방법에관한자료들을찾아보도록지도하였다. 마 ) 기존아날로그방식의문제점을파악, 개선점및새로운아이디어를도출하도록지도하였다. 2) 작품에관한선행연구및사례조사 가 ) 선행연구조사 조사방법 인터넷검색 도서관자료찾기 학생의활동 공공기관방문및전문가의자문 지도내용선행연구된이전의자료를찾아보고, 관련연구소및대학을방문하여, 도출된아이디어에대해서제어공학전문가의자문을통하여실현가능성을파악하도록지도 1) 인터넷검색주향, 경사의개념이제시되어있고, 클리노미터에의한측정법만제시되어있으며, 그원리에대해서는제시된것이없었으며, 디지털클리노미터가현재개발중이라는정보는없었음. 조사결과 2) 도서관자료찾기국회도서관및부산대학교도서관등을이용하여클리노미터에관련한논문이없음을알게되었으며, 그중본내용과관련성이있음직한논문은겨우 1건이었으나실패했음을간접적으로확인하였고, 전국과학전람회내용중클리노미터제작과관련된내용은아직없음을파악하였다. ⑴ 클리노미터개발에관한연구, 순천향대학교 ( 김창교, 1996) 3) 관련연구소, 관련전자상가방문및전문가자문대전한국지질자원연구원, 한국표준연구원, 전자공구상가및지질학과개설관련대학에전화접촉을시도하였으며, 몇몇대학교수님을만나뵙고자문을구하였으나, 다음과같은결론을얻게되었다. - 12 -
조사결과 ⑴ 디지털클리노미터제작에는각종첨단센서및인코더가장착되어야가능하므로, 제어센서공학적기초개념의습득이필요하며, 특히주향, 경사를실시간으로동시에측정해야하므로, 회로설계에많은어려움이예상되고, 또한전원공급도고려해야되므로많은노력과시행착오가예상된다. ⑵ 주향측정에는광센서또는자기센서를최대한활용하고, 경사측정에는로터리식의인코더를사용하여자기신호를전기적신호 ( 전위차 ) 로변환한후이를수치화하는 Micro-Processing을하는방법이타당할것으로결론을내림 우선각부속품작동의기본원리와특징, 그리고그 Processing 방법을파악하는것이급선무라고판단되어, 이와관련된자료를입수하여충분한연구들통하여아디디어를도출하기로함. ⑶ 테스트용 (1단계) 클리노미터를가능한한빨리제작하여구동을시켜본후, 관련문제점을파악하여그해결책을모색하고, 그와동시에측정오차를줄이는방법을강구해야할것이다. 나 ) 기존의아날로그식클리노미터의주향, 경사측정방법에대한조사 조사 방법 인터넷검색 학생의활동 도서관자료찾기 지도내용 기존의측정방법을분석하여개선점을파악하게하고, 이를보완하는아이디어를도출하도록지도 조사결과 1) 인터넷검색기존의아날로그식클리노미터는많은단점을가지고있으며, 이를체계적으로지적한사이트를찾지못했으며, 현재전자나침반은현재시판되고있으나, 디지털클리노미터는개발중에있지않다는사실을알게되었다. 따라서기존의클리노미터사용시의각종문제점을파악하도록지도하였다. 조사결과 2) 개선방안및준비방안 ⑴ 자침의관성운동을제거시키는방안이필요하다. ⑵ 2개의눈금값을하나로통일하는방안이필요하다. ⑶ 실제주향, 경사값을도출하기위하여측정지역의편각을보정할필요가있다. ⑷ 경사각의측정및경사방향의결정의불편함을개선할새로운아이디어를도출해야한다. ⑸ 가격이저렴하게끔제작하여일선학교및각종관련대학의실험 실습기자재로서의기능을할수있도록한다. - 13 -
라. 작품지도목표의설정 기존의각종아날로그식클리노미터의실제야외에서의주향, 경사측정시의기능, 장 단점등의특성을분석하게하고, 새로운개념의디지털클리노미터를완성하여실제야외현장에서적용해보게하며, 연구의주제와관련된지식및실험방법을학생들에게지도해나감으로써학생스스로과학적인심화탐구방법을수행하고, 스스로문제해결을할수있도록지도하며, 연구결과의검증을통하여탐구결과를도출할수있음을기반으로한다. 따라서, 본연구의주제는다음과같은지도목표를설정하였다. < 지도목표 1> 디지털클리노미터의제작을위한각구성소재들에관한선행연구지도근본적으로디지털방식이되기위해서는광센서, 자기센서, 가변저항장치, 인코더, 입 출력 Processing, Data Shifting 등의일련의작업이필요하므로각구성소재들에대한용도, 특성파악및사전모형실험등의선행연구를지도한다. < 지도목표 2> 주향, 경사측정방식에관한아이디어도출지도사용의편리성, 신뢰성, 정밀도가높은작품이제작되기위해서가장적합하면서도경제적인방식이적용되어야하므로이에대한다양한아이디어를도출하도록지도한다. < 지도목표 3> 측정한값을수치화시킬수있는소프트웨어에관한지도하드웨어로측정된 Voltage 데이터를실제주향, 경사값으로수치화할수있는데이터처리소프트웨어작성 (Micro-Processing) 과이를노트북컴퓨터로이송이가능한통신용프로그램 Processing 작업을학습하도록지도한다. < 지도목표 4> 각소재들을조립, 완성을위한회로도설계에관한지도각구성소재들의조합에의한작품의완성을위한회로도의구성및하드웨어간의충돌을최소화하는작품회로도가필요하므로, 완성도가높은회로도를설계할수있도록지도한다. - 14 -
마. 작품지도의절차및방법 위에서언급한지도목표아래, 도출된각종아이디어를효과적으로작품으로구현 하기위하여, 본지도교사는다음과지도절차를계획하고, 이방향에의거하여학생 작품을지도하기로하였다. 그절차를모식적으로나타내면다음그림 8 과같다. 기존클리노미터연구및센서관련자료수집지도 여러가지실현가능한아이디어도출지도 제작을위한사전준비작업 각종센서, 저항장치, 부품, 실험기자재, 자문처선정, 검증준비지도 각종센서및 encode, 가변자항장치들의특징조사지도 각소재별전문가의자문및설계도및회로도를완성하기위한지도 각종관련부품의 직접수집및조립원리지도 1 차작품의제작지도및 현장적용방법지도 각종문제점분석지도및해결방안모색지도 1 차작품의보완및기능추가작업실시지도 최종작품완성 [ 그림 7. 작품지도절차 ] - 15 -
4. 작품지도의실제 본작품의주제를해결하는데필요한과학적지식을구조화한후, 지도대상학생들에게다양한아이디어의도출, 단계별탐구활동및각단계별토의를통하여지도하였으며, 출력신호의 Micro- Processing, Data Shifting, 작품의조립및회로도설계의어려운부분에있어서는물리교과교사와관련연구소의전문가의지도 조언을받았다. 가. 지도관점 1 의지도및수행 < 지도목표 1> 디지털클리노미터의제작을위한각구성소재들에관한선행연구지도근본적으로디지털방식이되기위해서는광센서, 자기센서, 가변저항장치, 인코더, 입 출력 Processing, Data Shifting 등의일련의작업이필요하므로각구성소재들에대한용도, 특성파악및사전모형실험등의선행연구를지도한다. 1차적으로클리노미터와수치화되는데필요한소재들을선정하는것이가장중요하였는데, 이는이론적으로찾아질수있는것이아니라, 실제여러선행실험조작을통하여선정하도록지도하였다. 1) 구성소재에관한연구 본기기의구동에필요한구성소재를인터넷이나관련책자를통하여모두찾아보도 록지도하였다. 그결과광센서, 자기센서, 인코더, 입 출력을위한 Micro-Processing, 노트북컴퓨터로데이터를 back-up 하기위한 Processing 등이필요한것이라는것을 알게되었다. 이에따라각소재들에대한구성요소들이상호충돌없이원활하게구동 되기위해서가장적합한환경이무엇인지를함께알아보기로하였다. 구성소재에대한논의 학생의견지도내용 ⑴ 주향과경사관련소재를동시에장착해야하므로, 우리나라에서의지구자기력의세기 ( 약 40T) 에대한 Noise에강한기판을선택하는것이유용하다. ⑴ 회로설계용기판의선택은어 ⑵ 포토센서, 자기센서 (MR세서, 지자기센떤것이좋을까? 서등 ), 변위센서등의감도, 적용환경 ⑵ 각종센서중우리의주향측정등에관한모든자료를수집하여, 가장적합한센서를선택해야한다. 구현에가장적합한것은무엇일까? ⑶ 각아이디어중 90 까지측정에정교하 ⑶ 경사측정방법은도출된아이고, 비교적설계가간단하면서도기존의디어중어느것이가장타당할잉크젯프린트에내장되어있는로터리식까? 인원형인코더가적합하다. ⑷ 인코더의단점을보완할수있는가변저항장치 (variable resistor) 를이용하여경사를측정하기위한아이디어를도출하도록지도하였다. - 16 -
입 출력프로세싱 정밀도 외관설계 학생의견지도내용 ⑴ Micro-Processing 을위해서는어떤언어를선택하고, 어디서소스를구하고, 어떤과정을통해서작성할것인가? ⑴ 실제구현시측정오차범위 ( 정밀도 ) 를어느정도목표로하는것이좋을까? ⑴ 외관은어떤디자인으로하는것이좋으며, 소재를어떤것을쓰는것이좋을까? ⑴ Micro-Processing 은주향측정용으로는내부의전기적신호 ( 전위차 ) 를수치신호로처리하는방식을선택하고, 경사측정용으로는수신저항값을 360 단위의변위로써구현해야하므로인코더와가변저항장치의소 - 스를사용하여 Processing 하는 것이좋을것이다. ⑴ 기존의아날로그식이주향값이 ±10 정도, 경사값이 ±5 정도의오차범위를가지므로이보다는훨씬오차범위를줄여야한다. 따라서정밀도를주향값은 ±0.5, 경사값은경사값이 ±2 정도로높여야매우우수하다고판단된다. ⑵ 주향과경사의값은소수첫째자리까지 측정이가능한것이바람직하다고판단된다. ⑴ 기존의일자식배열을개선하여, 수평조정, 주향과경사값을동시에측정할수있는폴더형으로만드는것이바람직하며, 작품설명을위하여외장은아크릴로제작해야한다. 그러나외부충격에도견뎌야하므로회로도, 인코더장치, 외장케이스등이비교적견고해야만한다. ⑵ 만약가변저항장치를경사측정방식으로적용할경우에는회전축을어떠한방식으로배열할것인가를면밀히검토해야한다. 가 ) 센서의선택기존의센서중지자기를구현할수있는센서로는 flux gate라는감도가매우우수한것이있으나, 외국산이며국내에서구하기도매우어렵다는사실을한국표준연구원소속연구원에자문을구한결과알게되었으며, 또한 MR 센서도타당성은높았으나우리의주향측정용으로는많은오차를유발할것으로판단되었다. 따라서 IC 자기센서 라는 Solenoid의원리를이용한것이우리의지자기측정감도에도비교적적합하다고판단되었다. 그러나주향측정용으로설계를하는작업이매우힘들게느껴졌다. 보다정교한설계를위하여전문가의조언을받았으며, 또한매우정교한 Micro-Prdcessing이필요한것으로결론지어졌다. 나 ) 인코더의선택 시중에는경사측정을위한별도의인코더는없었다. 따라서우리는대전한 - 17 -
국표준연구원의관련연구원의방문을통한자문을구해본결과, 기존프린터에내장된로터리식인코더의원리를이용해보는것이바람직하다고판단되어프린터를분해하여로터리및광센서부분을재조립해보았다. 그러나이를이용하여경사값을구현시켜본결과우리의경사측정을위해서는눈금보정, 수신저항의감지등많은문제점들확인되었다. 따라서보다정밀도가높으면서도, 로터리식인코더의장점을최대한살린새로운방식의인코더도입이필요하다고판단되었다. 다 ) Micro-Processing 작업습득 Micro-Processing은자동제어계측공학분야이어서, 그작업을단기간에습득하는데는매우힘든작업이다. 따라서학생들에서시중에나와있는 Processing 관련전문서적을탐독하게하였으며, 또한전기적신호를수치신호로변환하는소소와수신저항값을수치로변환하는소스를구하여 Processing 절차를습득하는것이급선무라고판단되어이를학생들이학습하게하였다. 2) 최초학생들이도출했던아이디어들가 ) [ 방법 1] 광선세의원리를이용하여주향을측정하고, 와전류식센서의원리를이용하여경사를측정하는방안 나 ) [ 방법 2] flux gate 라는자기센서를이용하여주향을측정하고, 디스크내에홈을파 서여기에적외선발광다이오드의원리로써회전각도를감지하는방안 다 ) [ 방법 3] IC 자기센서의원리를이용하여주향을측정하고, 2 개의발광다이오드식인 코더의원리를사용하여수평조정과경사측정을동시에하는방안 3) 최종선택지도우리는타당도, 정밀도, 실용성을모두갖추면서동시에제작이보다용이한방법이어떤것인가를고민한끝에, 전자기유도 ( 즉, 솔레노이드 ) 를사용하고, Processing이가능한 IC 자기센서를사용하기로결정하였으며, 톱니바퀴원판이회전함에따라발광다이오드가방출하는적외선을감지하는 3개의포토다이오드를사용한로터리식인코더의원리를경사측정장치를사용하기로결정하였다. 그러나인코더의크기와무게, 측정오차등을고려해볼때최상의방식이아니라는사실을주지시켰으며, 따라서가볍고, 소형이면서도정밀도가매우높은 - 18 -
가변저항장치를사용한측정아이디어도동시에고안해보도록지도하였다. 나. 지도관점 2 의지도및수행 < 지도목표 2> 주향, 경사측정방식에관한아이디어도출지도사용의편리성, 신뢰성, 정밀도가높은작품이제작되기위해서가장적합하면서도경제적인방식이적용되어야하므로이에대한다양한아이디어를도출하도록지도한다. 주향, 경사값의측정및수평조정이보다원활하게구동되기위해서는소재의선택도중요하지만, 측정방식에관한아이디어가무엇보다도중요하다고판단되었다. 따라서본지도교사는학생들에게다양한아이디어를도출하여도식화하도록지도하였다. 측정방식에대한아이디어도출 학생의견지도내용 ⑴ 도출된아이디어중감도가우수하고외부 Noise에의한변위가가장적은자기센서를사용하는것이더욱효과적일것으로지도함. ⑵ 지자기가아닌기타외부유도자장에민감한와전류식보다는발광다이오드식을선택하는것은타당할것으로지도함. ⑴ 주향측정방식은어느것이 ⑶ 기존의물방울식보다는보다디지털화가장좋을까? 된반구형태의중력감지방식이나인코 ⑵ 경사측정방식은어느것이더에서직접수치를읽어들이는방식이좋가장타당할까? 은것으로지도함. ⑶ 수평조정은어떤방식으로할 ⑷ 물방울대신에점성이큰글리세린을것인가? 사용하여금속구의운동을효과적으로감쇄시켜적외선센서가감지할수있게아이디어를도출하도록지도함. ⑸ 직선금속도선을중력에직각으로매달고, 원형금속도선을몸체에고정시켜수평을감지하는방안도고안하도록지도함. - 19 -
전원방식 학생의견지도내용 ⑴ 전원공급방식은직류를쓸 것인가? 아니면교류방식을사용 할것인가? ⑴ 전원공급장치의휴대성, 무게, 수명등을종합적으로검토하여, 충분한전문가의지도조언등사전검토후아이디어를도출하여결정하도록지도함. ⑵ 납축전지방식은무겁고보관이불편하므로, 일단납축전지의단점을면밀히파악한후, 충전이가능하면서도가벼운 2 차전지를사용하도록지도함. 1) 아이디어선정지도초기에는기존의클리노미터는아래쪽에그대로두고, 그위에주향측정장치를추가하는형식의디지털화를시도하는아이디어를도출하도록지도하였다. 그결과주향측정아이디어가 4가지정도, 경사측정아이디어가 2가지정도도출되었다. 이들아이디어의실현가능성, 실용성, 타당성등을검토하고동시에보완하기위하여본격적인검토및선정작업에들어갔다. 이와더불어전원공급방식에관한조사및토의작업도병행하였다. 가 ) 주향측정아이디어선정지도 지도학생과함께도출한주향측정아이디어를요약하면다음과같으며, 이 들중가장타당한방식을결정하여주향측정장치를제작하기로결정하였다. 도출된아이디어장점단점 자침위에광센서를부착하여, 삼각함수를이용한간단한프로그램으로각도를계산하는방식 고정된센서위에톱니간의간격이좁은톱니바퀴모양의원판을제작하여회전거리를측정하여중심각을산출해내는방식 솔레노이드내부에자기장측정센서를넣어직접측정하는방법 Micro-Processing을적게이용하고도구동가능하고, 부피를줄일수있으며, 측정정밀도가높음. 관성진동에의한측정의어려움과유도자기장의형성이최대한보증됨. 좀더정밀한값의측정이가능하고, 연직자기력에의한오차를줄일수있음 자침위에광센서부착의어려움이예상되며, 그에따른자침의균형조정에도어려움이예상됨. 아주미약한지자기에대한유동이어려우며, 판자체의무게중심에축을두는작업이거의불가능하고센서자체의마찰에의한센서의손상이예상됨. 감도가너무우수하여지자장이외의외부자장에민감한반응을보이는점과범용센서가아니어서매우고감의장치임. - 20 -
도출된아이디어장점단점 1 차코일에전류를흘리고, 이에의해발생한자기장이 2 차코일에유도전류를생기게한후, 유도전류의세기로써자기장의세기를측정하고, 솔레노이드원리를이용하여주향을측정 솔레노이드및원형변압기를이용하는방법으로, 원형변압기위에감은코일에생긴자력선이, 두축의코일에감지된합성유도전압의크기를이용하는방법 코일을감는횟수를이용하여정밀도를조절할수있고, 손쉽게만들수있어비용을줄일수있다. 지자기로인한유도전압의세기를확대시켜지구자기장으로인한전위차값이크게정밀도를높일수있으며, 각도를쉽게찾아낼수있음. 실험결과, 지구자기장으로인한자기장의변화를감지할수없었음 그제작과정이매우시간이많이소요되며, 고도의 Mic ro-processing 이필요함. 나 ) 경사측정아이디어의선정지도 지도학생과함께도출한주향측정아이디어를요약하면다음과같았으며, 이들중가장타당한방식을결정하여경사측정장치를제작하기로결정하였 다. 도출된아이디어장점단점 와전류식센서와무거운금속구를이용하여금속접근시진폭크기감소하는원리를이용하는방법 톱니바퀴원판이회전시발광다이오드가방출하는적외선을감지하는 3 개의포토다이오드각각의적외선의양이달라질것이고이를이용하여 경사값을측정여러펄스값에해당하는각도와방향을출력하도록만든바코드센서를이용하여, 각각위치에따라펄스의주기가다르고, 여러가지펄스끼리의위상차를통하여방향과경사각도를출력하는방법 금속구의위치를정확하게측정할수있고, 현장에서의미세한진동에도정확한측정이가능하며, 정밀도가매 우높다. 아주정확한경사값의측정이가능하고, 센서가고정되며, 보정해야할값이적어 Processing 작성이간단하고, 제작비용이적게들어일반화에유리함. 제작이간편하고, 제작비가적게들어일반화하기가쉽다. 주향측정시와전류에의한자기장의영향을받으며, 모형제작이어렵고, 금속구가센서를파손할수도있다. 톱니바퀴회전원판제작이어려우며, 관성진동을최소화해야만하며, 인코더의회전마찰력이비교적크다. 바코드를제작하는데세밀한작업이요구되며, 미세한각도범위까지측정이어렵다. - 21 -
도출된아이디어장점단점 원통형의직선도선에전극을연결하고매달고, 도넛모양제작이쉽고, 구조가간단하의원형에반대전극을연결제작시정교한작업이요구며, 가벼우며, 소비전력도하여케이스에고정하여전류됨. 적다. 가흐르지않을때를이용하여수평을감지하는방법 2) 최종적인선택지도연구소및전자상가의제어부문의전문가의조언을구해본결과, 초기에우리가주향측정아이디어로도출했었던바코드센서원리와매우유사한로터리식인코더를 1차적으로적용하기로하였다. 이센서는열점조절을할때마다측정의오차가날가능성이거의없다는매우큰장점을가지고있으며, 2개를사용하여서로직각되게양쪽에각각부착하면경사측정과동시에수평조정도가능할것으로기대되었기때문에적용해보도록지도하였다. 그러나인코더자체가무거우며, 고가이고차지하는부피도크므로, 가변저항장치를사용하면더욱효율적일것으로판단되어최종작품제작시에는가변저항측정장치를적용해보도록유도하였다. [ 그림 9. 로터리인코더 ( 및그출력파형 ) 과가변저항장치 ( 맨우측그림 )] 다. 지도관점 3 의지도및수행 < 지도목표 3> 측정한값을수치화시킬수있는소프트웨어에관한지도하드웨어로측정된 Voltage 데이터를실제주향, 경사값으로수치화할수있는데이터처리소프트웨어작성 (Micro-Processing) 과이를노트북컴퓨터로이송이가능한통신용프로그램 Processing 작업을학습하도록지도한다. Micro-Processing은자동제어계측분야이어서, 그작업을학생들이단기간에습득하는것은거의불가능하였다. 따라서학생들에서시중에나와있는 Proce- - 22 -
ssing 관련전공서적을학습하게하였으며, 또한전기적신호를수치신호로변환하는각종소스와수신저항값을수치로변환하는 360 단위의로터리식인코더의소-스를인터넷에서구하여 Processing 절차를습득하게하였으며이와동시에연동 Processing 작업이가능하도록전공서적을탐독하게하였다. 1) Micro-Processing 선정지도하드웨어에의해출력된신호를우리가원하는주향, 경사값으로표시하게해주는일련의프로그래밍작업인 Micro-Processing을위해서는여러운용프로그램이가능하다는사실을알게되었으며, 호환성이있는어셈블러어 (ASSEMBLY LANGUAGE) 인 PIC를사용하여작성하기로결정하였으며, 이에따라관련서적을먼저읽어본후, 의문사항에대해서전자상가에서전문가의자문을구하였다. Micro -Proc essing 학생의견지도내용 ⑴ 어셈블리어는프로그램을작성하기 ⑴ Micro-Processing을위하여어렵지만, 직접적인하드웨어의접근이쉽프로그래밍언어는무엇이가장고, 속도가빠르고, 그결과신호처리장치 ( 기계제어부 ) 를최적화할수있으므로, 최적일까? PIC이라는어셈블러어를사용하도록지도 ⑵ 컴퓨터와의연동을위한통신하고, 이에관해자료를검색하고관련문헌용 Processing 방식으로는어느을학습할것을지도함. 방식이가장적절한가? ⑵ serial port를사용하여컴퓨터와연동시킬것이므로, text 형태로수신이가능한통신용 Processing을수행하도록지도함. 가 ) PIC( 어셈블러어 ) 을이용한출력신호처리작업우리가작성한프로그램 (Micro-Processing) 은자기센서및 encode의출력신호를실시간으로인식할수있게하기위하여, 전자상가에서전문가의자문을구해본결과 assembler language을이용하여작성하는것이유리하다는결론을얻었다. 그결과전문가의도움을얻어서시행착오를겪은끝에 Processing의소스 (source) 를작성하였다. 나 ) C ++ 을이용한통신용프로그램 Processing 작업디지털클리노미터의캐쉬메모리에임시저장된주향, 경사측정데이터를노트북컴퓨터에효율적으로 back up하기위한통신용프로그램 Processing 작업을위하여 C ++ 언어를사용하게하여 Processing 작업을수행하였다. 이결과 text 파일형태로자료의 shifting이가능하게되었다. 다 ) Micro-Processing 에의한자기센서출력신호연산처리의원리 - 23 -
[ 그림 10. Micro-Processing 에적용한주향측정의원리 ] 위의그림 10은우리가고안한낸센서의전기적신호의연산방법모식화한것으로, 보통의이센서는출력값을 0 ~360 으로표시밖에할수없다. 주향이라는것은지층이북으로부터몇도기울었는가를알아내는것이기때문에우리는주향을표시하는방법으로, 방위각을 N과 W, E로만출력을가능하게했고, 각도는 0 ~90 까지출력하게하였다. 이때, 기존의클리노미터로주향을측정할때 N극을기준으로하여재야한다. 그러나클리노미터의긴변을반대방향, 즉 S극방향으로놓았을때에는다시클리노미터를 180 돌려서재야하는불편함이있었다. 이경우에는 S와 E, W가출력될수밖에없다는단점이있다. 따라서학생들에게연산된 SW의값을모두 NE로, SE의값을모두 NW로바꿔서출력을하도록했다. 이렇게하면클리노미터의긴변의방향과는무관하게계산한결과가항상 N을기준으로원하는값이그대로출력될수있도록 Processing 을지도하였다. 라. 지도관점 4 의지도및수행 < 지도목표 4> 각소재들을조립, 완성을위한회로도설계에관한지도각구성소재들의조합에의한작품의완성을위한회로도의구성및하드웨어간의충돌을최소화하는작품회로도가필요하므로, 완성도가높은회로도를설계할수있도록지도한다. 학생들에게회로도의설계의주안점을완성도, 휴대성과견고성에주안점을두도록지도하였으며, 전문가의충분한조언및검토과정을거쳤으며각구성요소간의전기적인신호의충돌, 측정오차에대한평가의과정이필요하므로각단계마다 Modeling Check-up 과정을거쳤다. - 24 -
1) 회로도의구성에관한지도 회로도설계시구성요소 ( 하드웨어 ) 가무엇인지를철저하게조사하였으며, 여 러회로도중휴대성과상호충돌의거의없는방안을찾도록지도하였다. 회로도구성에관한논의 외장의설계 학생의견지도내용 ⑴ SCL, SDA, PWM등을사용하여신호를감지하고 Calibration 기능을하는소자들 ⑴ 자기센서 input은어떻게구성을구성하여설계한다. 할것인가? ⑵ hold와 DA1 DA7을사용하여시간에따라펄스의차이를일으키게 input을구 ⑵ 로터리인코더 input은어떻게성한다. 구성할것인가? ⑶ P5, TX, G pin으로구성하여신호가 ⑶ LCD output은어떻게설계하출력되게구성한다. 는것이가장효율적인가? ⑷ calibration 소자들을사용하여, IC센서 ⑷ 신호제어장치는어떠한방식을의신호와 LCD 및인코더신호를제어하게구성한다. 적용할것인가? ⑸ BD406 다이오드를사용하여전류의 ⑸ 전원공급부 input은어떻게구극성에관계없이 DC 12V로정류된전류성할것인가? 가 input되게회로를구성한다. 그러나직류 12V를사용하게되면전원공급부의부피가다소커질것이다. ⑴ 기존의클리노미터보다는부피가크지만, 양쪽의인코더부분, 즉수평측정부분 ⑴ 클리노미터의외장은어떠한과경사측정부분을접을수있게접이식 ( 폴크기로어떤외형으로설계할것더형 ) 케이스형태로설계하도록지도함. 인가? ⑵ 또한가변저항장치를사용하여경사측정부의부피를최소로줄이는형태로케이스를제작하도록지도함. 2) 회로도설계의결과 다음그림 11 은회로도구성에관한논의및검토의결과채택된회로기판을 구성할클리노미터내부의전체의회로설계도이다. [ 그림 11. 설계된전체회로도 ] - 25 -
적용된구성요소는인코더의신호 input 장치, 자기센서신호의 input 장치, LCD ouput 장치, 수평조정신호 input 장치, LCD output 장치, 전원공급부 input 장치, 가변저항신호 input 장치, 신호제어장치등이다. 또한 1단계작품에서채택된클리노미터외장과최종적인작품에구현된클리노미터의외장을모식적으로나타내면각각다음그림 12, 13과같다. < 수평조정 Part> ( 로터리인코더 1) * 폴더형 < 주향측정 Part> (IC 자기센서, 회로 ) < 경사측정 Part> ( 로터리인코더 2) * 폴더형 [ 그림 12. 1 단계작품에채택된클리노미터의외장 ] [ 그림 13. 최종적인클리노미터의외장형태 ] 3) 회로도및외장설계의성과가 ) 하드웨어간의충돌을최소화하는방향으로회로도가설계되어, 측정편의성및측정오차의최소화가기대된다. 나 ) 클리노미터의긴변의주향측정부의선택과상관없이자동으로 N을기준으로한주향출력값을도출할수있었다. 다 ) 1단계작품에서폴더형외장을선택함으로써, 수평조정과동시에경사측정기능을가진클리노미터를구현할수있었다. 라 ) 최종적인작품에서는 1단계작품의부피, 무게를보완한가변저항장치를사용한접이식경사측정부및고리형수평측정장치를사용한수평조정부를적용함으로써, 한단계진화된클리노미터를구현할수있었다. 마 ) 주향, 경사측정부와 LCD 모니터의소비전력을최소화함으로써, 전원공급부의최소화를구현하였다. - 26 -
5. 지도의결과 가. 학생의태도변화면 본작품은크게디지털클리노미터를제작하는단계, 현장적용하는검증단계등의 2개의단계로계획되어있다. 이러한탐구수행의과정에서학생들은수많은시행착오를경험했으며, 부딪치게되는난관과문제점들이제기될때마다, 학생들은매우실망하기도했지만돌파구를찾아내는과정에서시작단계보다다음과같은여러측면에서변화 성숙된면을관찰할수있었다. 1) 과학적탐구능력향상이번과학전람회준비의전과정을통하여, 한주제를선정하고그주제에맞는주제를결정한후, 탐구과정을수행하면서여러난관에부딪히게되었다. 난관에부딪칠때마다보완점을도출해내고오차를보정하면서결과를검토하는이러한과학적탐구방법으로거의 1년이라는시간을보낸후학생들은평소과학을지식위주의습득보다는직접문제점을제기하고, 창의적아이디어를짜내어검토하는과학적탐구능력이향상되었다. 2) 과학적관심과흥미유발평소큰관심거리가아니었던클리노미터라는기기를가지고탐구활동을수행하였던바, 아무리하찮은과학측정기기일지라도하나의과학적탐구수행의산물이될수있다는것을알수있었고, 학교의정규수업과정에서다루기어려운제어계측공학분야의실험의설계과정과심화탐구과정을통한과학탐구의깊이있고다양한경험을얻게되었다. 3) 지식의구조화및발표능력의향상하나의창의적소재를가지고탐구활동을수행해나가면서, 자신의탐구결과를보고서로작성하고, 각종전시결과물을준비하고발표를통하여개개인의지식의구조화를향상시킬수있었고, 자신의창작산물을다른사람에게조직적으로알려줄수있는발표능력의향상을꾀하였다. 나. 학생의학습변화면 1) 클리노미터의측정원리에대한심화학습능력의향상주향, 경사를측정하는디지털클리노미터를직접제작해봄으로써, 그동안교과서에서단편적으로만알고있었던클리노미터의기본개념을명백히파악할수있었을것이며, 과학적개념과원리가말로는쉽지만, 그창작과정에는많은 - 27 -
노력이필요하다는것을깨달았을것으로사료된다. 2) 실험기기설계능력의향상디지털클리노미터를제작하기위하여여러가지구성소재들을결합해봄으로써, 평소실험을통하여느끼지못했던기기설계능력과현장적용을통해획득횐자료의해석및결과분석능력이향상되었을것이다. 3) 관련컴퓨터운영능력및데이터처리능력의향상평소에컴퓨터를정보와편집도구로거의사용하여왔지만, 컴퓨터를이용하여데이터를변환하는 processing작업을수행해봄으로써, 입 출력자료들을해석하고, 그데이터를처리해보는과정에서컴퓨터와관련된적용능력이눈에뛰게향상되었다. 4) 지구과학적심화사고능력및문제해결능력의배양주향, 경사의기기제작및실제측정을통하여그동안간과하고있었던간학문적접근의중요성을깨달았으며, 이에따라하나의탐구활동에있어서의다양한접근및문제해결능력이향상되어한방향의접근보다는다양한과학적인방면으로의해석과접근능력이향상되었을것이다. - 28 -
6. 결론및제언 가. 결론 대부분의학생들이주변의지질현상에대하여관심은가지고있으나, 그원리를적용시켜관찰하지못하여, 지질학을외우는학문으로잘못이해하고있음에대하여안타까움을감출길없었다. 더군다나, 지질구조의결과의해석에관해서는익숙하지만, 정작이를탐구하는과정이나관련측정기기에관해서는생소하게느끼는것이일반적이다. 따라서디지털클리노미터의제작및현장적용이라는심화탐구활동을통하여학생들에게주향, 경사의개념을주지시킬수있었으며, 이에대한원리를파악하고스스로문제점을도출하게유도하였다. 그러나그무엇보다도기존의아나로그방식의기기를한단계향상시킨완성도가높은디지털방식으로변화시키는데열정을쏟았다는데큰의미를부여하고싶다. 이번심화탐구활동을통하여얻은결론을제시한다면다음과같다. 1) 기존클리노미터를디지털화함으로써, 주향, 경사의측정원리를보다이해하기쉽게시각화하였다. 2) 기존의야외에서의측정시많은문제점을개선한최초로실시간측정이가능한클리노미터를구현하였다. 3) 측정오차가크고 Noise가보정되지않았던주향, 경사값을보다정밀도가높은산출값으로변환할수있게하였다. 4) 비교적경제적이면서도주향, 경사측정방식을쉽게보여줄수있는학교실험실습기자재를제작하였으며, 과학과교수-학습에즉시적용할수있게설계하여일반화가가능할것으로기대된다. 5) 학생들이우리들의이론을적용하여직접클리노미터를제작하고현장적용을함으로써심화체험학습에이용될수있을것으로기대된다. 6) 본작품의제작과정을응용하여센서및각종저항장치를이용하는다른작품에적용할수있는소재가많이생겼으며, 학생들의창의적사고력이개발되었다. 7) 지구과학의한분야인지질분야를심화탐구의소재로제시함으로써교수 - 학습활동에적극적으로참여하는자세와학생들의지구과학기기의제어공학적접목을통한간학문적탐구활동이이루어지게되었다. - 29 -
나. 제언 지난해여름이학생들과같이전람회를준비하기시작한이래 13개월이흘러가는데많은어려움과시행착오의순간들이아직도기억이남아있다. 특히국내에관련선행연구나자문처를찾지못해애태운적이한두번이아니었다. 하지만, 디지털클리노미터제작에관한최초의시도라는점, 학생들의수준에서는그접근법이매우어려웠음에도좌절하지않고끝가지도전하여수준있는작품을완성했다는점에서큰의미를두고싶다. 지금까지출품학생들이본지도교사를신뢰하면서시간적으로나, 학문적으로많은노력과정열을가지고야심찬도전을끝까지같이해준점을높이평가하고싶으며, 작품에대한모든성과를학생들에게돌리고싶다. 끝으로, 우리가제작한이기기가보다세련되게설계되고, 대량제작되어각급학교의실험실습기자재로일반화된다면이보다더큰보람이없을것이다. - 30 -
7. 참고문헌 가. 참고도서 1. 광센서기술, 박욱동역, 그린, 2003. 9 2. 지구과학개론 - 한국지구과학회편 / 교학연구사 2000. 2 3. 구조지질학, 김정환저, 우성, 2002. 3 4. 센서공학, 김한근외, 기전연구사, 2003. 8 5. 센서응용공학, 장기철외, 북두출판사, 2002. 3 6. 센서의이야기, 일본번역도서 7. 야외지질학, 양승영외역, 형성출판사, 1998. 8 8. 지구과학실험서, 한국지구과학회편, 교학연구사, 1998. 3 9. 센서인터페이싱 2, 김영해, 기전연구사 10. 센서회로디자인북, 대삼학, 기전연구사 11. 센서회로설계및실험실습, 지일구외, 성안당, 2002. 6 12. 센서회로실험, 김재범, 세화, 2000. 2 13. 전자회로설계노트, 편집부, 세운 14. C PROGRAMMING BIBLE, 전인호외, 영진.com, 2004. 3 15. 창의적공학설계 (ENGERINEERING DESIGN PROCESS), 김경천외, 시그마프레스, 2004. 3 나. 참고논문 1. 박해석외 4, 2 축마이크로플럭스게이트센서제작을통한전자나침반개발, 삼성종합기술원, Trans. KIEE. Vol. 52C, No.9 2. 김창교, 클리노미터개발에관한연구, 순천향대학교, 1996 다. 참고사이트 1. http://www.pacificsites.com/~brooke/3am.shtm( 자기센서소개 ) 2. http://www.pacificsites.com/~brooke/sensors.shtml(fluxgate 제품소개 ) 3. http://www.ssec.honeywell.com/solid State Electronics Center( 지자기연구소 ) 4. http://www.robot-electronics.co.uk/htm/cmps_cal.shtml(calibrating the CMPS01, CMPS03 Robot Compass Modules 설명 ) 5. http://sample.co.kr/robotelec/se-cmps.htm(se-cmps 조립키트설명 ) - 31 -