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최인화

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김용원 선생님

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김용원

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김용원

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물리+생명

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화학, 물리

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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주제:불꽃 반응 색과 전자기파 에너지 관계 이론 탐구

중학생 때 배웠던 이온의 불꽃반응색에 대해 외우기만 하는게 아니라 그 이유가 궁금하여 탐구를 시작하게 되었다. 탐구를 진행하면서 불꽃 반응 색깔과 전자기파 에너지 사이의 연결성이 깊다는 것을 알게 되었고 융합하여 탐구해보기로 했다.

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김용원 선생님

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김용원

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김용원

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김용원 선생님

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김용원 선생님

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정보 + 물리

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생명+물리

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생명+물리

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윤리+일사

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화학+물리학

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정보+국어

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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요즘 자율 주행이 이슈가 되고 많이 개발되고 있는 상황이라서 자율 주행의 원리에 대해 알아보고자 이 주제를 선정했습니다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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에르빈 슈뢰딩거의 ‘생명이란 무엇인가?‘를 읽고 생명체가 어떻게 열역학 제2법칙을 위배하지 않으면서 질서정연한 상태를 유지하는지 궁금증이 생겼다. 에르빈 슈뢰딩거가 책에서 제시한 음의 엔트로피에 대해 탐구해 보고 싶어졌다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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에르빈 슈뢰딩거의 생명이란 무엇인가?를 읽고 어떻게 하면 생명체가 열역학 제2법칙을 위배하지 않고 질서정연한 상태를 유지하는지 궁금증이 생겼다. 에르빈 슈뢰딩거가 책에서 제시한 음의 엔트로피에 대해 탐구해 보고 싶어졌다

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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요즘 자율 주행이 이슈가 되고 많이 개발되고 있는 상황이라서 자율 주행의 원리에 대해 알아보고자 이 주제를 선정했습니다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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운동이나 부상후 냉찜질과 온찜질을 자주하는데 이게 학교에서 배운 생명과학의 항상성과 물리의 에너지 이동과 관련하여 어떤 영향을 주는지 궁금해졌기 때문이다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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시험 방식이 서술형 평가 중심으로 바뀌면서

객관식 문제만 잘 푸는 것으로는 부족해지고 있어요.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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일상에서 SNS, AI챗봇, 유튜브 등의 기술을 사용하면서 신조어나 줄임말, 외국어 사용이 많아지는 현상을 보며 이러한 언어 변화가 교육과 학습, 소통방식에 어떠한 영향을 주고 이러한 문제가 교육의 방향성과 언어 사용의 바람직한 것이 무엇일까에 대해 생각해 보고자 이 주제를 선택하게 되었습니다.

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정보 + 물리

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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현대 사회는 기술의 급격한 발전과 글로벌화로 인해 언어 사용 방식이 빠르게 변화하고 있다. 이에 따라 아동이 기술 매체(스마트기기, AI, 유튜브 등)에 처음 접촉하는 시기에 주목하게 되었고, 이를 탐구한 결과, 미디어 기기의 급속한 보급으로 인해 유아들이 스마트폰으로 영상을 시청하거나 게임을 즐기는 모습을 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있으며, 많은 부모들이 미디어 기기를 양육의 도구로 활용하고 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 실제로 수도권 지역의 영·유아 자녀를 둔 부모 1,000명을 대상으로 실시한 설문조사 결과, 스마트폰 최초 이용 시기의 평균은 2.27세로, 유아들이 3세가 되기 전인 영아기부터 이미 스마트기기에 노출되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 2019년과 2022년의 연구 결과를 비교해 본 결과, 스마트폰 노출 시기가 점차 앞당겨지고 있다는 점도 함께 탐구하였다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 핵심 기술 중 하나인 센서 시스템의 원리를 이해하기 위해서 물리 시간에 배운 파동, 전자기파, 빛의 성질을 바탕으로 레이더, 카메라, 라이다(LiDAR), 초음파 센서의 작동 원리를 조사하였다. 레이더는 전자기파를 발사해 반사파의 소요 시간을 측정하고 도플러 효과를 이용해 물체의 속도를 계산한다. 이는 자율주행에서 물체 감지와 속도 측정, 장거리 감지 등에 사용된다. 카메라는 빛의 반사와 굴절을 통해 들어온 영상을 디지털 신호로 변환해 물체를 식별한다. 그러므로 주변 환경의 영향을 많이 받는다는 특징이 있다. 레이더ㆍ라이다와 달리 색상을 구별할 수 있다는 장점이 있지만 거리 측정 성능이 상대적으로 떨어진다. 라이다(LiDAR)는 레이저 펄스를 발사해 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 3D 공간 정보를 얻는 기술로, 광속 불변의 법칙과 빛의 직진성 개념이 적용된다는 것을 알게 되었다. 또한 초음파 센서가 압전 소자를 이용해 음파를 발사하고 반사된 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 과정을 통해 작동함을 알게 되었다. 2일 차에는 센서에서 수집한 데이터가 어떻게 디지털 신호로 변환되고 소프트웨어에서 처리되는지를 탐구할 계획이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1일차 탐구에서는 생명체가 열역학 제2법칙에 따라 무질서로 향하는 물리 세계 속에서 어떻게 질서를 유지하며 복잡성을 높여가는지를 이해하기 위해 생명이란 무엇인가(에르빈 슈뢰딩거)를 읽기 시작했다. 물리 수업을 통해 접한 열역학 개념과 연계하여, 생명체가 외부로부터 에너지를 받아들이면서도 전체적인 엔트로피 증가 법칙을 위배하지 않는다는 점이 흥미롭게 느껴졌고, 슈뢰딩거가 이를 ‘음의 엔트로피(네겐트로피)’라는 개념으로 설명한 부분에 주목하였다.

물리학의 열역학 개념이 생명과학에서 관찰되는 질서 유지 현상과도 밀접하게 연결될 수 있다는 사실을 깨달았고, 물리와 생명의 융합적 관점에서 생명체의 특성을 탐구하는 데 흥미를 느끼게 되었다. 향후 탐구 주제를 좀 더 구체화하기 위해 관련 자료와 논문 등을 추가로 조사할 계획이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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책에서 저자는 생명현상을 물리학적으로 설명하고자 한다. 생명체가 열역학 제2법칙(엔트로피 증가 법칙)과 정반대인듯 질서를 유지하며 자기복제와 조직을 지속하는 존재임에 주목한다. 여기서 그는 음의 엔트로피(네겐트로피) 개념을 제안한다.생물체가 외부로부터 에너지를 흡수 또는 교환하여 내부조직을 유지하고, 엔트로피 증가에 맞서 질서를 유지한다는 것이다. 또한 DNA가 이중나선 구조로서 4가지 염기를 알파벳과 같은 배열로 저장할 수 있음은 왓슨과 크릭에 의해 발견되었으나 , 훨씬 이전에 슈뢰딩거가 '유전정보를 저장하는 분자가 화학적으로 안정적이면서 그 안에 막대한 정보량을 품을 수 있는' 구조라는 점을 예측한 사실이 책에 드러나 있어서 인상적이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 핵심 기술 중 하나인 센서 시스템의 원리를 이해하기 위해서 물리 시간에 배운 파동, 전자기파, 빛의 성질을 바탕으로 레이더, 카메라, 라이다(LiDAR), 초음파 센서의 작동 원리를 조사하였다. 레이더는 전자기파를 발사해 반사파의 소요 시간을 측정하고 도플러 효과를 이용해 물체의 속도를 계산한다. 이는 자율주행에서 물체 감지와 속도 측정, 장거리 감지 등에 사용된다. 카메라는 빛의 반사와 굴절을 통해 들어온 영상을 디지털 신호로 변환해 물체를 식별한다. 그러므로 주변 환경의 영향을 많이 받는다는 특징이 있다. 레이더ㆍ라이다와 달리 색상을 구별할 수 있다는 장점이 있지만 거리 측정 성능이 상대적으로 떨어진다. 라이다(LiDAR)는 레이저 펄스를 발사해 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 3D 공간 정보를 얻는 기술로, 광속 불변의 법칙과 빛의 직진성 개념이 적용된다는 것을 알게 되었다. 또한 초음파 센서가 압전 소자를 이용해 음파를 발사하고 반사된 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 과정을 통해 작동함을 알게 되었다. 2일 차에는 센서에서 수집한 데이터가 어떻게 디지털 신호로 변환되고 소프트웨어에서 처리되는지를 탐구할 계획이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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물리1의 관점에서 이 주제를 탐구했다. 특히 고온에서 저온으로 이동하는 열에너지의 메커니즘인 열전도(thermal conduction) 원리에 초점을 맞춰서 내용을 정리했다.

열전도는 물질을 통해 열이 직접 전달되는 현상이고 Fourier의 열전도 법칙을 통해 명확하게 설명된다. 이 법칙은 단순한 수식을 넘어서 찜질의 온도 차를 정확하게 산출할수있는 핵심 과학적원리다.

냉찜질은 10~15도의 아이스팩이나 냉수로 15분 이내로 처치하면 염증 감소와 통증 완화에 뛰어난 효과를 보인다. 그리고 온찜질은 40~45도의 온열팩을 사용해 그 부분를 따뜻하게 함으로써 혈액순환을 개선하고 근육피로회복을 촉진한다.

두 찜질방법 모두 피부와 외부물체 사이의 온도 차이를 이용해 열교환이 이루어지며 그 과정은 물리학적 원리로 설명된다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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디지털시대의 윤리적 문제점으로 대두되고 있는 것이 무엇인지 알기 위해 정보시간에 배운 다양한 인공지능 기술들을 다양하게 알아보고, 여기서 제기될 수 있는 문제점을 다룬 국어 지문을 활용하여 사고를 확장하고자 노력하였다. 나의 탐구의 방향이 어떻게 진행되는 것이 맞는지에 대해 조언을 줄 수 있는 "빅데이터", "디지털 기술의 길" 등등의 도서를 검색하였으며 이 중에서 "빅데이터"라는 도서를 학교 도서관에서 대출하여 정독하고 내용을 정리하는 중이다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 센서가 수집한 데이터가 차량 제어 시스템으로 어떻게 전달되고 실행되는지를 알아보기 위해 정보 교과 IV. 컴퓨팅 시스템 단원에서 배운 디지털 처리 개념과 물리 교과 III. 파동과 정보 통신 단원에서 배운 파동과 전자기파의 성질을 바탕으로 ADC(Analog-to-Digital Converter)와 DSP(Digital Signal Processor) 개념을 조사하였다. 센서가 출력하는 연속적인 아날로그 신호는 컴퓨터나 MCU(Motor Control Unit), ECU(Electronic Control Unit) 같은 디지털 장치가 직접 처리할 수 없으므로 반드시 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어야 한다. 이 과정에서 신호는 샘플링과 양자화를 거쳐 디지털화되며, 라이다와 레이더가 반사 신호를 초당 수만 번 샘플링하고 12bit로 양자화해 거리나 속도를 계산한다. DSP(Digital Signal Processor) 단계에서는 ADC에서 변환한 데이터에서 불필요한 잡음을 제거하고, 필터링과 패턴 분석을 통해 필요한 정보만 남긴 뒤, 여러 센서 데이터를 다중 센서 융합(Sensor Fusion)기술로 통합하여 더 정확한 주행 데이터를 만든다. 이렇게 가공된 데이터는 차량의 ECU(Engine Control Unit)로 전달된다. ECU에서는 받은 데이터를 바탕으로 주변 상황을 종합적으로 분석하고, 가속ㆍ감속ㆍ조향 같은 주행 판단을 내린다. ECU의 최종 데이터 결과는 MCU로 전달되어 모터의 속도, 회전 방향, 출력 토크가 즉시 조절되며 차량을 실제로 움직이게 한다. MCU는 모터 제어에 필요한 실시간 센서 데이터(RPM, 온도, 전류)를 받아 상태를 분석하고, 제어 알고리즘을 통해 운전자의 신호가 곧바로 반영되도록 한다. 이 과정을 통해 자율주행 자동차는 센서의 물리 신호가 디지털로 변환되어 분석되고, ECU와 MCU를 통해 물리적인 차량 구동으로 이어진다는 점을 탐구하였다. 3일 차에는 수집ㆍ가공된 센서 데이터가 소프트웨어 알고리즘으로 어떤 판단을 내리는지를 탐구할 계획이다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 센서가 수집하고, 시스템이 가공한 데이터가 소프트웨어 알고리즘으로 어떤 판단을 내리는지를 알아보기 위해 정보 교과 IV. 컴퓨팅 시스템 단원에서 배운 디지털 처리 개념을 바탕으로 CNN(Convolutional Neural Network), ANN(Artificial Neural Network), SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 개념을 조사하였다. ANN은 인간 뇌의 신경세포 구조를 모방해 만든 연결망 기반의 수학적 모델로, 입력층, 은닉층, 출력층으로 구성되며 입력값에 가중치를 곱해 신호를 전달하고, 활성화 함수를 통해 출력값을 계산한 뒤 학습 과정에서 오차를 계산해 가중치를 조정한다. 자율주행 자동차는 ANN 구조를 활용해 카메라로 촬영한 영상을 학습해 물체를 식별하고, 상황에 따라 어떻게 반응해야 할지 판단하며, 이상 상황을 탐지한다. CNN은 ANN 구조를 영상 데이터 처리에 특화해 발전시킨 딥러닝 구조로, 이미지 데이터에 필터를 덧대어 윤곽선, 모서리 등 영역별 특징을 추출하고, 풀링 층을 통해 중요한 정보만 남기며 연산량을 줄여 계산 효율을 높인다. 완전 연결 층에서는 추출된 특징을 벡터로 변환해 최종 분류 작업을 수행하며, 이는 ANN 구조와 연결된다. 자율주행 시스템은 라이다ㆍ레이더로 거리와 속도 데이터를 얻고, CNN 기반의 카메라 영상 인식을 통해 도로 상황을 해석하여 실시간으로 안전한 주행 판단을 내린다. 또한 SLAM은 자율주행 자동차가 GPS가 닿지 않는 지하나 복잡한 도심에서도 라이다 센서를 활용해 반사된 빛의 시간을 측정하고 이를 기반으로 고정밀 3차원 지도를 작성하며, 동일한 지점을 다시 지나갈 때 누적 위치 오차를 줄이는 루프 클로저 단계로 정밀도를 높인다. 이번 탐구를 통해 자율주행 자동차가 센서 데이터와 AI 알고리즘을 융합하여 실시간으로 객체를 인식하고 주행 데이터를 학습하며, 이를 바탕으로 안전하고 정확한 판단을 수행한다는 점을 알게 되었다. 4~5일 차에는 1~3일차에 탐구한 내용을 바탕으로 자율주행 알고리즘을 실제로 구현해 볼 예정이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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불꽃 반응의 원리

불꽃 반응의 원리는 불꽃의 열 에너지가 금속 원자 내 전자를 들뜨게 하고, 이 들뜬 전자가 다시 바닥상태로 돌아오면서 특정 파장의 빛을 방출하는 것이다.

각 원소별 불꽃 반응색의 고유성

각 원소마다 고유한 전자 배치와 에너지 준위 간격을 갖고 있기 때문에 전자가 전이할 때 방출하는 에너지의 양이 다르고, 이로 인해 방출되는 빛의 파장(색깔)이 원소마다 다르게 나타난다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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고전 컴퓨터와 구조를 논문을 찾아봄으로써 알아보았다.
고전 컴퓨터 구조는 중앙처리장치(CPU)와 메모리(DRAM)가 분리된 형태로 구성되어 있으며, 연산을 위해서는 데이터를 반드시 메모리에서 CPU로 이동시켜야 한다. 이러한 구조는 비교적 단순하고 범용성이 높다는 장점이 있지만, 연산은 이진 논리(0과 1)에 기반한 순차적 처리 방식으로 수행되기 때문에 복잡한 계산이나 특정 종류의 문제에서는 계산 속도에 한계가 있다. 특히 소인수분해, 최적화 문제, 양자 시뮬레이션 등 고차원 연산을 요구하는 작업에서는 고전 컴퓨터로는 처리 시간이 급격히 증가한다.

반면, 양자컴퓨터는 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 완전히 새로운 계산 구조이다. 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)라 불리는 양자 상태를 활용하여 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 중첩 상태, 그리고 여러 큐비트 간의 얽힘 상태를 이용해 병렬 계산을 수행한다. 이러한 구조는 기존 컴퓨터가 한 번에 하나의 계산만 처리하는 것과 달리, 양자적 성질을 이용해 여러 계산을 동시에 수행할 수 있다는 점에서 고전 컴퓨터 구조와 본질적으로 다르다. 이로 인해 특정 문제에서는 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 계산이 가능하다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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기존 전자회로를 기반으로 한 컴퓨터가 가진 한계가 무엇인지 궁금했고 양자 컴퓨터가 이를 어떻게 극복하는지 이해하면 전자공학 분야의 최신동향을 잘 알 수 있을것 같았기 때문이다

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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2일차에서는 논문을 통해 5세 아이들이 미디어를 어떻게, 얼마나 사용하는지가 언어 발달에 어떤 영향을 주는지 , AI 를 이용한 학습과 관련하여 살펴보았다. 그 결과 아이들의 미디어 사용 실태를 살펴보면 컴퓨터와 개인 게임기는 대부분의 아이들이 거의 사용하지 않는 것으로 나타났지만, 휴대폰이나 테블릿 같은 기기는 비교적 자주 사용하는 경향을 보였다. 특히 미디어를 사용하는 시간 중에서도 교육보다는 놀이 목적의 사용이 훨씬 많았는데 하루 평균 교육 목적의 사용 시간은 1분 정도에 불과하였고 놀이 시간은 평균 88분으로 나타나는 큰 차이를 보였다.

아이들의 언어 발달 수준은 어린이집이나 유치원의 담임교사가 교실에서 관찰한 내용을 기준으로 평가되었고 전체 평균 점수는 11점 만점 중 9.3점이었다 이 결과 미디어 사용 정보와 언어 발달 점수 사이의 관계를 분석한 결과 개인 게임기와 휴대폰을 자주 사용하는 아이일수록 언어 발잘 점수가 낮은 경향을 보였고 미디어를 활용해 노는 시간이 길수록 언어 발달에 더 안 좋은 경향을 주는 것으로 나타났다. 특히 미디어 놀이 시간과 언어 발달 사이에 더 뚜렷한 부정적인 관계가 있었는데 이는 아이가 오락이나 영상 시청에 많은 시간을 보내면 언어를 사용하는 기회가 줄어들기 때문임을 알 수 있다. 하지만 AI를 활용한 수업은 아이들에게 부정적인 영향을 주지 않도록 신중하게 설계되고 있다. AI는 학생들에게 개별화된 학습 경로를 제공하여 각자의 속도에 맞춰 학습을 도와주고, 교사와 함께 협력하여 창의적이고 흥미로운 수업을 만드는 동구로 활용된다. 또한 AI는 학생들의 학습을 모니터링하고 지원하는 역할을 할 뿐, 교사의 역할을 대체하는 것이 아니라 보완하는 형태로 사용된다. 이를 통해 아이들은 다양한 사고 방식을 배우고, AI와의 상호작용을 통해 새로운 기술을 배우며, 미래 사회에 필요한 능력을 기를 수 있다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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모든 생명체는 '음의 엔트로피'를 먹고 산다. 에르빈 슈뢰딩거가 한 말이다. 생명체는 다른 물체의 에너지를 흡수하며 본인의 엔트로피 증가를 억제한다. 열역학 제2법칙에 따라 우주는 시간이 흐를수록 무질서해지지만, 생명체는 외부로부터 에너지를 받아들여 내부의 질서를 유지하고 복잡성을 증대시킨다. 이는 생명체가 스스로 무질서를 줄이는 것이 아니라, 외부에서 질서 있는 에너지를 흡수함으로써 내부의 엔트로피 증가를 억제하기 때문이다. 이 과정을 슈뢰딩거는 ‘네겐트로피를 섭취한다’는 표현으로 설명하며, 생명체가 질서를 먹고 사는 존재임을 강조했다. 예를들어 식사를 한다면 음식이 소화되며 영양성분으로 분해된다. 음식 자체가 가진 엔트로피는 증가하지만 그걸 흡수한 우리는 에너지를 얻고 그 에너지로 세포를 새로 합성하는 등 네겐트로피를 흡수한다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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모든 생명체는 '음의 엔트로피'를 먹고 산다. 에르빈 슈뢰딩거가 한 말이다. 생명체는 다른 물체의 에너지를 흡수하며 본인의 엔트로피 증가를 억제한다. 열역학 제2법칙에 따라 우주는 시간이 흐를수록 무질서해지지만, 생명체는 외부로부터 에너지를 받아들여 내부의 질서를 유지하고 복잡성을 증대시킨다. 이는 생명체가 스스로 무질서를 줄이는 것이 아니라, 외부에서 질서 있는 에너지를 흡수함으로써 내부의 엔트로피 증가를 억제하기 때문이다. 이 과정을 슈뢰딩거는 ‘네겐트로피를 섭취한다’는 표현으로 설명하며, 생명체가 질서를 먹고 사는 존재임을 강조했다. 예를들어 식사를 한다면 음식이 소화되며 영양성분으로 분해된다. 음식 자체가 가진 엔트로피는 증가하지만 그걸 흡수한 우리는 에너지를 얻고 그 에너지로 세포를 새로 합성하는 등 네겐트로피를 흡수한다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 센서가 수집한 데이터가 차량 제어 시스템으로 어떻게 전달되고 실행되는지를 알아보기 위해 정보 교과 IV. 컴퓨팅 시스템 단원에서 배운 디지털 처리 개념과 물리 교과 III. 파동과 정보 통신 단원에서 배운 파동과 전자기파의 성질을 바탕으로 ADC(Analog-to-Digital Converter)와 DSP(Digital Signal Processor) 개념을 조사하였다. 센서가 출력하는 연속적인 아날로그 신호는 컴퓨터나 MCU(Motor Control Unit), ECU(Electronic Control Unit) 같은 디지털 장치가 직접 처리할 수 없으므로 반드시 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어야 한다. 이 과정에서 신호는 샘플링과 양자화를 거쳐 디지털화되며, 라이다와 레이더가 반사 신호를 초당 수만 번 샘플링하고 12bit로 양자화해 거리나 속도를 계산한다. DSP(Digital Signal Processor) 단계에서는 ADC에서 변환한 데이터에서 불필요한 잡음을 제거하고, 필터링과 패턴 분석을 통해 필요한 정보만 남긴 뒤, 여러 센서 데이터를 다중 센서 융합(Sensor Fusion)기술로 통합하여 더 정확한 주행 데이터를 만든다. 이렇게 가공된 데이터는 차량의 ECU(Engine Control Unit)로 전달된다. ECU에서는 받은 데이터를 바탕으로 주변 상황을 종합적으로 분석하고, 가속ㆍ감속ㆍ조향 같은 주행 판단을 내린다. ECU의 최종 데이터 결과는 MCU로 전달되어 모터의 속도, 회전 방향, 출력 토크가 즉시 조절되며 차량을 실제로 움직이게 한다. MCU는 모터 제어에 필요한 실시간 센서 데이터(RPM, 온도, 전류)를 받아 상태를 분석하고, 제어 알고리즘을 통해 운전자의 신호가 곧바로 반영되도록 한다. 이 과정을 통해 자율주행 자동차는 센서의 물리 신호가 디지털로 변환되어 분석되고, ECU와 MCU를 통해 물리적인 차량 구동으로 이어진다는 점을 탐구하였다. 3일 차에는 수집ㆍ가공된 센서 데이터가 소프트웨어 알고리즘으로 어떤 판단을 내리는지를 탐구할 계획이다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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생명1에서 냉.온찜질이 인체에 미치는 생리적 반응을 탐구하였다. 국내 스포츠,운동생리학 분야에서 발표된 논문 두개를 찾아보았다.

첫 번째는 운동 직후 피험자들에게 냉수침수를(19~21도,3분) 적용하고 생리학적 지표의 변화를 측정하였다. 실험 결과, 체온은 크게 변하지 않았지만, 혈중 칼륨 농도는 상승, 젖산 농도는 감소, 산소포화도는 약간 감소하였다. 이는 냉찜질이 말초혈관의 수축을 유도해서 근육 대사산물의 제거를 도우며 회복에 긍정적인 영향을 미칠수 있음을 보여준다.

두 번째는 피험자의 허벅지 부위에 40도의 습열팩을 20분간 적용한 뒤에 통증 및 회복지표를 측정한 실험이다. 그 결과로 자각통증 척도(VAS) 점수가 6.5점에서 4.2점으로 감소했고 혈중CK(Creatine Kinase) 수치 역시 감소했다. 이는 온찜질이 국소혈류를 증가시켜 손상된 근육조직의 회복을 촉진하는데 효과적이라는점을 입증한다.

이 두연구를 통해 확인할수 있었던 핵심은 냉,온찜질이 단순한 물리적 온도자극에 그치지 않고 시상하부를 중심으로 한 체온조절 시스템과 자율신경계 반응을 통해 인체의 항상성 유지와 밀접하게 연관되어 있다는 점이다. 자율신경계는 외부의 온도변화에 따라 혈관의 수축과 확장을 조절하며 인체는 이를통해 내부 환경을 일정하게 유지하고자 한다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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디지털 시대의 윤리를 바르게 정리하고자 시도하는 나의 탐구활동의 근거를 마련하기 위해 쳇GPT뿐만 아니라 현재 통용되고 있는 다양한 어플이나 프로그램들을 활용하고, 여러가지 도구들의 장단점과 윤리적인 문제를 파악하기 위해 노력하였다. 이에 관련 학술자료에 접근하여 현시대적인 문제점들을 인식하게 되었으며 이에 대해 다른 사람들은 어떻게 생각하는지 알아볼 필요성을 실감하여 설문문항을 제작하여 그 링크를 공유하고 결과를 도출하는 작업을 진행하였다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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양자컴퓨터는 양자역학의 중첩·얽힘 현상을 활용해 기존 컴퓨터보다 복잡한 계산을 빠르게 수행하는 기술이다. 큐비트(양자비트)를 기반으로 작동하며, 0과 1의 중첩 상태를 동시에 처리해 병렬 연산이 가능하다.

1. 큐비트 기술 : 초전도체, 이온트랩, 광자 등 다양한 방식으로 구현되며, DiVincenzo 기준(확장성, 초기화, 간섭 시간 등)을 충족해야 한다.

2. 양자 알고리즘 : 중첩과 얽힘을 활용해 특정 문제(예: 화학 시뮬레이션, 최적화)에서 기존 컴퓨터보다 효율적이다.

3. 상용화 현황 : IBM, 구글, 아이온큐 등이 50~100큐비트 수준의 양자컴퓨터를 개발 중이며, 2025년 기준 64AQ(64큐비트) 시스템은 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 성능을 목표로 한다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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빛의 파장, 진동수, 속도의 관계

c = λν 이 식는 빛의 속도는 파장과 진동수의 곱을 나타내며 빛의 속도는 일정 하므로 파장과 진동수가 반비례 관계임을 할 수 있다. 이 식을 통해 파장을 알면 진동수까지 알 수 있고 E=hν 이 식을 통해 에너지까지 구할 수 있다.

플랑크 상수와 광자의 에너지 (E=hν)

위에 언급한 E=hν 이 식은 빛 에너지는 플랑크 상수과 진동수의 곱임을 나타낸다. 빛은 연속적인 에너지를 갖는기 아니라 광자로 존재하는데 광자의 에너지는 그 진동수이 비례한다. 따라서 진동수가 클수록 에너지가 크다.

위의 두식을 이용해 E=hc/λ 이 식을 유도할 수 있다. 파장만으로 빛의 에너지까지 계산할 수 있고 빛 에너지가 파장에 반지례함을 알 수 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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3일차부터는 이 책에대한 비판과 한계를 이야기해보았다. 책이 처음 출간되었을 때는 아직 DNA의 구조나 유전정보의 구체적 메커니즘이 밝혀지지 않은 시점이었다. 따라서 슈뢰딩거가 말한 아페리오딕 결정, 네겐트로피 등이 개념적으로 정확하지 않은 부분도 있다.예를 들어, 실제 유전정보는 '염기서열(ATGC)'의 특정 조합으로 저장되며, 슈뢰딩거가 말한 결정구조와는 조금 다른 방식으로 작동한다. 따라서 현대 분자생물학자 시각에서는 그의 설명이 추상적이고 다소 투박하다고 볼 수 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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3일차부터는 이 책에대한 비판과 한계를 이야기해보았다. 책이 처음 출간되었을 때는 아직 DNA의 구조나 유전정보의 구체적 메커니즘이 밝혀지지 않은 시점이었다. 따라서 슈뢰딩거가 말한 아페리오딕 결정, 네겐트로피 등이 개념적으로 정확하지 않은 부분도 있다.예를 들어, 실제 유전정보는 '염기서열(ATGC)'의 특정 조합으로 저장되며, 슈뢰딩거가 말한 결정구조와는 조금 다른 방식으로 작동한다. 따라서 현대 분자생물학자 시각에서는 그의 설명이 추상적이고 다소 투박하다고 볼 수 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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자율주행 자동차의 센서가 수집하고, 시스템이 가공한 데이터가 소프트웨어 알고리즘으로 어떤 판단을 내리는지를 알아보기 위해 정보 교과 IV. 컴퓨팅 시스템 단원에서 배운 디지털 처리 개념을 바탕으로 CNN(Convolutional Neural Network), ANN(Artificial Neural Network), SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 개념을 조사하였다. ANN은 인간 뇌의 신경세포 구조를 모방해 만든 연결망 기반의 수학적 모델로, 입력층, 은닉층, 출력층으로 구성되며 입력값에 가중치를 곱해 신호를 전달하고, 활성화 함수를 통해 출력값을 계산한 뒤 학습 과정에서 오차를 계산해 가중치를 조정한다. 자율주행 자동차는 ANN 구조를 활용해 카메라로 촬영한 영상을 학습해 물체를 식별하고, 상황에 따라 어떻게 반응해야 할지 판단하며, 이상 상황을 탐지한다. CNN은 ANN 구조를 영상 데이터 처리에 특화해 발전시킨 딥러닝 구조로, 이미지 데이터에 필터를 덧대어 윤곽선, 모서리 등 영역별 특징을 추출하고, 풀링 층을 통해 중요한 정보만 남기며 연산량을 줄여 계산 효율을 높인다. 완전 연결 층에서는 추출된 특징을 벡터로 변환해 최종 분류 작업을 수행하며, 이는 ANN 구조와 연결된다. 자율주행 시스템은 라이다ㆍ레이더로 거리와 속도 데이터를 얻고, CNN 기반의 카메라 영상 인식을 통해 도로 상황을 해석하여 실시간으로 안전한 주행 판단을 내린다. 또한 SLAM은 자율주행 자동차가 GPS가 닿지 않는 지하나 복잡한 도심에서도 라이다 센서를 활용해 반사된 빛의 시간을 측정하고 이를 기반으로 고정밀 3차원 지도를 작성하며, 동일한 지점을 다시 지나갈 때 누적 위치 오차를 줄이는 루프 클로저 단계로 정밀도를 높인다. 이번 탐구를 통해 자율주행 자동차가 센서 데이터와 AI 알고리즘을 융합하여 실시간으로 객체를 인식하고 주행 데이터를 학습하며, 이를 바탕으로 안전하고 정확한 판단을 수행한다는 점을 알게 되었다. 4~5일 차에는 1~3일차에 탐구한 내용을 바탕으로 자율주행 알고리즘을 실제로 구현해 볼 예정이다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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AI 시대에 따른 영유아에게 강조하는 오감놀이와 창의성

한 뉴스에 따르면 유네스코는 2050년 교육의 방향을 제시하면서, 미래 사회에서 중요한 교육의 핵심은 영유아 교육에서 놀이와 오감 교육, 그리고 창의성을 중시하는 것이라고 강조한다. 이는 미래 사회가 요구하는 협력적 회복력과 지속 가능한 성장, 그리고 창의적 문제 해결 능력을 키우기 위해 필수적인 방향이라 할 수 있다. 특히, 인공지능(AI) 시대에 대비하기 위해서는 기술적 지식뿐만 아니라 창의적 사고와 융합적인 사고 능력이 중요하다는 것이다. AI가 우리의 일상에 빠르게 자리 잡으며, 반복적인 일들을 대신해주고 있지만 그로 인한 위기감도 커지고 있다. 아이들은 앞으로 더욱 진보한 디지털 환경에서 인공지능과 함께 살아가야 하므로, 이들을 위한 교육이 절실하게 필요하다.

인공지능 시대에는 단순히 기술을 다루는 능력뿐만 아니라, 문제를 창의적으로 해결할 수 있는 능력과 논리적 사고력이 중요한 역할을 한다. 또한, 아이들은 새로운 아이디어를 발굴하고, 융합적 사고를 통해 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 그런데 이런 능력들은 전통적인 주입식 교육이나 일률적인 학습 커리큘럼으로는 제대로 길러지기 어렵다. 그래서 영유아 교육에서 중요한 것은 자율성과 선택이 보장되는 교육, 놀이를 통해 자연스럽게 배우고 창의적으로 사고할 수 있도록 돕는 접근 방식이다. 이와 같은 교육 방식은 특히 캘리포니아의 실리콘밸리와 할리우드에서 잘 나타난다. 이 지역에서는 아이들에게 창의행동력을 강조하며, 이는 아이들이 스스로 동기를 부여받고 새로운 방법을 통해 창의적인 결과물을 만들어내도록 돕는 교육 방식이다. 아이들이 놀이를 선택하는 과정에서 자율성을 발휘하고, 독서를 통해 타인의 삶을 간접적으로 경험하며 상상력을 키우고 융합적인 사고를 넓히는 것이다. 또한, 오감 교육을 통해 지적 능력뿐만 아니라 육체적인 능력도 균형 있게 발달시킬 수 있도록 지원한다. 결국, 인공지능 시대를 살아갈 아이들에게 필요한 교육은 창의적이고 융합적인 사고를 촉진할 수 있는 교육이어야 하며, 이는 자율적이고 경험적인 학습을 통해 가능하다. 아이들이 놀이와 독서를 통해 스스로 배우고, 다양한 경험을 통해 창의적이고 혁신적인 능력을 기를 수 있도록 하는 것이 미래 교육의 핵심이 된다고 말하고 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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불꽃 반응 색과 전자기파 에너지

원자 속 전자는 일정한 에너지 준위에 존재하며, 외부 에너지를 흡수하면 더 높은 준위로 올라간다. 그러나 이 상태는 불안정하기 때문에 전자는 다시 낮은 에너지 준위로 떨어지며, 그 에너지 차이만큼의 빛(광자)을 방출한다. 이때 방출되는 광자 한개의 에너지는 2일차에 탐구한 식 E=hν=hc/λ 으로 계산할 수 있다.

전자 전이로 인한 에너지 변화는 방출된 빛의 에너지와 정확히 같다. 전이의 크기가 클수록 방출되는 빛의 에너지는 크고, 파장은 짧아지며(보라색), 전이 에너지가 작으면 긴 파장의 빛(붉은색)이 나온다. 이 원리를 통해 불꽃 반응에서 금속 이온마다 다른 색이 나타나는 이유를 설명할 수 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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위 사진은 나무위키에서 열전도 부분을 캡쳐한 것이다.

고온에서 저온으로 방향으로 열이 흐르고 온도차(dT), 접촉면적(A), 재료 특성(k), 두께(dx)에 따라 열전달량(q)이 결정된다.

피부온도: 약 32-34도

냉찜질팩: 약 0-5도

온찜질팩: 약 40-45도

k값은 대략 0.5로 가정할수있다.

두께는 피부와 찜딜팩의 사이경계로 0.01mm로 가정할수있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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고전 컴퓨터는 특정 복잡한 계산이나 데이터 분석에 있어 한계를 지닌다. 많은 데이터를 빠르게 처리해야 하는 문제에 대해 시간 소모가 큰 단점을 갖고 있으며, 대량의 연산이 필요한 경우에는 처리 속도가 저하된다. 이러한 한계로 인해 대규모 시뮬레이션이나 암호학적 연산을 예로 들면, 특정 문제에 대해 고전 컴퓨터보다 양자 컴퓨터가 더욱 유리할 수 있는 것이다. 추가적으로, 고전 컴퓨터는 사람들이 이해할 수 없는 형태의 대수를 해결하는 데 어려움을 겪기도 한다.

양자컴퓨터는 암호 해독, 물리학, 인공지능과 같은 특정 분야에서 더 높은 성능을 발휘할 수 있는 반면, 고전 컴퓨터는 일반적인 사무처리, 웹 탐색, 그리고 다양한 비즈니스 응용 프로그램에서 안정적으로 사용된다. 이는 양자 컴퓨터가 특정 문제를 해결하는 데 특화되어 있는 동안 고전 컴퓨터가 다방면에서 활용될 수 있는 장점을 지니고 있음을 시사한다.

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1~3일 차에 탐구했던 자율주행 시스템의 센서 원리와 신호 처리 개념을 바탕으로, 4~5일 차에는 Python과 OpenCV를 활용하여 자율주행 알고리즘을 간단하게 구현하였다. OpenCV와 HOGDescriptor를 사용해 제시된 도로 이미지에서 사람을 자동으로 탐지하고, Haar cascade를 사용해 차량을 탐지할 수 있도록 코드를 작성하였다. 탐지된 사람이나 차량의 위치에 따라 전방 거리를 가상으로 설정하고, 신호등 정보도 가상으로 설정하여 주행 로직에 반영하였다. 사람이 탐지되면 즉시 정지하고, 신호등이 빨간색이며 거리가 50m 미만이면 정지하도록 설계하였다. 또한 감지된 사람 수와 차량 수를 출력하고, 비가 오는 상황이면 추가 감속이 일어나도록 코드를 구성하였다. 이미지 로드 과정에서 발생하는 오류는 Pillow를 이용해 보완하였으며, 차량 인식을 더 잘 하도록 하기 위해서 스케일링을 촘촘히 하고, 탐지 민감도를 높였다. 이렇게 자율주행 알고리즘을 직접 만들어 보면서 물리 교과에서 배운 파동, 빛의 성질과 정보 교과에서 배운 컴퓨팅 시스템 기술이 실제 코드와 어떻게 연결되는지 구체적으로 확인할 수 있었다.

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4일차도 이어서 책에 대한 비판과 한계를 이야기해보았다.

-철학적 일반화의 비판

슈뢰딩거는 열역학이나 양자론에서 찾은 통찰을 과감히 생물학적 현상 전반에 적용하면서, 때로는 다소 급 진적으로 일반화했다는 평가를 받는다. 가령, "양자적 확실성이 돌연변이를 설명한다"라는 발상 자체가 틀린 것은 아니지만, 이후 분자유전학이 DNA 복제 오류나 화학적•물리적 인자(방사선 등)를 통해 더 구체 적으로 돌연변이 기전을 설명하면서, 슈뢰딩거의 가설적 언급은 보다 미시적 메커니즘으로 치환되었다. 결과적으로, 그의 개념적 도약이 여러 후속 연구를 자극한 점은 공로로 인정받지만, 그 자체가 완결된 이론'은 아니었다.

-물리학 중심의 환원주의가 과도하지 않은가

생물학적 복잡성을 설명할 때, "모든 것이 결국 물리학으로 환원된다"고 보는 시각은 현재도 논란거리다.슈뢰딩거는 이 책에서 그런 환원주의적 접근을 일면 과감히 주장했는데, 생명체의 거시적 특성(발생, 진 화, 행동, 인지 등)을 단순히 물리화학적 작동 원리에만 귀속시키는 건 부족하다는 반론이 뒤따른다.그러나 동시에 이는 분자 수준에서 생명현상을 파고들기"를 촉구하는 '도전장'이기도 했으며, 실제로 분자 생물학, 생물물리학이 부흥하는 초석이 되었다고도 볼 수 있다

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4일차도 이어서 책에 대한 비판과 한계를 이야기해보았다.

-철학적 일반화의 비판

슈뢰딩거는 열역학이나 양자론에서 찾은 통찰을 과감히 생물학적 현상 전반에 적용하면서, 때로는 다소 급 진적으로 일반화했다는 평가를 받는다. 가령, "양자적 확실성이 돌연변이를 설명한다"라는 발상 자체가 틀린 것은 아니지만, 이후 분자유전학이 DNA 복제 오류나 화학적•물리적 인자(방사선 등)를 통해 더 구체 적으로 돌연변이 기전을 설명하면서, 슈뢰딩거의 가설적 언급은 보다 미시적 메커니즘으로 치환되었다. 결과적으로, 그의 개념적 도약이 여러 후속 연구를 자극한 점은 공로로 인정받지만, 그 자체가 완결된 이론'은 아니었다.

-물리학 중심의 환원주의가 과도하지 않은가

생물학적 복잡성을 설명할 때, "모든 것이 결국 물리학으로 환원된다"고 보는 시각은 현재도 논란거리다.슈뢰딩거는 이 책에서 그런 환원주의적 접근을 일면 과감히 주장했는데, 생명체의 거시적 특성(발생, 진 화, 행동, 인지 등)을 단순히 물리화학적 작동 원리에만 귀속시키는 건 부족하다는 반론이 뒤따른다.그러나 동시에 이는 분자 수준에서 생명현상을 파고들기"를 촉구하는 '도전장'이기도 했으며, 실제로 분자 생물학, 생물물리학이 부흥하는 초석이 되었다고도 볼 수 있다

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1~3일 차에 탐구했던 자율주행 시스템의 센서 원리와 신호 처리 개념을 바탕으로, 4~5일 차에는 Python과 OpenCV를 활용하여 자율주행 알고리즘을 간단하게 구현하였다. OpenCV와 HOGDescriptor를 사용해 제시된 도로 이미지에서 사람을 자동으로 탐지하고, Haar cascade를 사용해 차량을 탐지할 수 있도록 코드를 작성하였다. 탐지된 사람이나 차량의 위치에 따라 전방 거리를 가상으로 설정하고, 신호등 정보도 가상으로 설정하여 주행 로직에 반영하였다. 사람이 탐지되면 즉시 정지하고, 신호등이 빨간색이며 거리가 50m 미만이면 정지하도록 설계하였다. 또한 감지된 사람 수와 차량 수를 출력하고, 비가 오는 상황이면 추가 감속이 일어나도록 코드를 구성하였다. 이미지 로드 과정에서 발생하는 오류는 Pillow를 이용해 보완하였으며, 차량 인식을 더 잘 하도록 하기 위해서 스케일링을 촘촘히 하고, 탐지 민감도를 높였다. 이렇게 자율주행 알고리즘을 직접 만들어 보면서 물리 교과에서 배운 파동, 빛의 성질과 정보 교과에서 배운 컴퓨팅 시스템 기술이 실제 코드와 어떻게 연결되는지 구체적으로 확인할 수 있었다.

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영유아 교육 플랫폼, AI시대의 필수 역량 메타인지 향상에 집중함.

최근 인공지능 기술의 발전으로 메타인지(Metacognition), 즉 자신이 알고 있는 것과 모르는 것을 구분하고 문제를 해결하는 능력이 중요한 역량으로 떠오르고 있습니다. 특히 생성 AI를 활용하는 디지털 네이티브 세대에게는 스스로 문제를 해결하고, 자신의 학습 과정을 점검하며 조정하는 능력이 필수적이 되어가고 있습니다. 이러한 흐름 속에서, 교육업계는 메타인지를 키울 수 있는 다양한 학습 프로그램을 선보이며 이를 학습자의 핵심 역량으로 강화하려고 노력하고 있습니다.

크레타클래스는 스토리텔링 학습법을 통해 학생들이 단편적인 지식에 그치지 않고, 체계적이고 심층적인 학습을 할 수 있도록 돕고 있습니다. 이 프로그램은 영어와 수학을 중심으로, 학생들이 ‘눌러보면서 배우기’, ‘도전해 보기’, ‘가르쳐 보세요’와 같은 단계별 학습을 경험할 수 있도록 구성되어 있습니다. 그 중 ‘가르쳐 보세요’ 단계는 특히 중요합니다. 이 단계에서 학생들은 배운 개념을 자신만의 방식으로 설명하고, 이해한 부분과 그렇지 않은 부분을 명확히 구분할 수 있게 됩니다. 이러한 과정이 반복되면서 학생들은 점차 자기 주도적 사고력을 기를 수 있게 되고, 이는 자연스럽게 메타인지 능력을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

또한, 비상교육의 ‘온리원키즈’와 단비교육의 ‘윙크학습’ 도 메타인지 이론을 반영한 학습 시스템을 제공하고 있습니다. ‘온리원키즈’는 학생들이 이미 알고 있는 것과 모르는 것을 진단하고, 이를 바탕으로 모르는 개념에 집중하여 학습할 수 있도록 돕습니다. 이를 통해 학생들은 자신의 이해도를 스스로 평가하고, 필요한 부분을 더 깊이 학습하는 방식으로 메타인지 능력을 기르게 됩니다. 반면, ‘윙크학습’은 유아 영어 과목을 중심으로, 게임과 말하기 연습을 통해 학생들이 자연스럽게 영어를 반복적으로 익힐 수 있도록 지원합니다. 이와 같은 학습 방식은 메타인지를 활성화시켜 학생들이 학습 내용을 스스로 점검하고 조정하는 능력을 기를 수 있게 만듭니다.

이 모든 프로그램들은 학생들이 자기 조절 능력과 사고력을 향상시키는 데 큰 도움이 됩니다. 메타인지 훈련은 학생들이 자신의 학습 과정을 인식하고, 필요한 전략을 선택해 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 학생들의 인지 발달에 긍정적인 영향을 미칩니다. 결국, 이러한 교육적 접근은 학생들이 자신감 있게 문제를 해결하고, 변화하는 세상에 능동적으로 대처할 수 있는 능력을 기를 수 있도록 돕고 있습니다.

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불꽃 반응 분석

1.나트륨(Na) 불꽃 반응 분석

나트륨(Na)의 전자 배치는 1s^2 2s^2 2p^6 3s^1로, 가장 바깥 껍질에 있는 3s 전자가 불꽃의 열에 의해 에너지를 흡수하여 3p 준위로 들뜨게 된다. 이후 전자는 다시 3s 준위로 전이하며 빛을 방출하는데, 이때 나트륨 특유의 선명한 노란색 불꽃이 나타난다. 방출되는 빛의 파장은 약 589nm이다.

2.리튬(Li) 불꽃 반응 분석

리튬(Li)의 전자 배치는 1s^2 2s^1이다. 가장 바깥 전자인 2s 전자가 들뜨면서 2p 준위로 전이한 후, 다시 2s로 떨어지며 붉은색 불꽃을 방출한다. 이 전이에 해당하는 빛의 파장은 약 670nm이다.

3.칼륨(K) 불꽃 반응 분석

칼륨(K)의 전자 배치는 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1이다. 4s 전자가 들떠 4p나 그 이상의 준위로 이동한 뒤 다시 4s로 전이하면서 보라색 계열의 불꽃을 방출한다. 주된 파장은 약 766nm으로 비교적 파장이 길어 육안으로는 희미하게 보일 수 있다.

4.구리(Cu) 불꽃 반응 분석

구리(Cu)는 예외적인 전자 배치를 가지며, 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1이다. 다양한 준위 간의 전이가 동시에 일어나면서 복합적인 청록색 불꽃을 만든다. 주요 전이 중 하나는 약 520nm파장의 빛을 방출하는 것으로 알려져 있다. 구리는 화합물의 종류에 따라 불꽃 색이 녹색에 가까워지거나 푸른빛을 띠기도 하며, 전이 경로가 다양하기 때문에 스펙트럼이 복합적이라는 특징이 있다.

각 원소가 방출하는 빛의 에너지는 2일차에 탐구하여 알게 된 식으로 계산할 수 있다.

1.파장과 에너지의 반비례 관계 : 파장이 짧을수록 에너지 값이 크고, 파장이 길수록 에너지 값이 작다.

2.색상과 에너지의 관계 : 보라색, 청록색 쪽의 불꽃색을 내는 원소들은 상대적으로 높은 에너지를 방출한다.

금속 원소는 고유한 전자 배치에 따라 불꽃 반응 시 서로 다른 에너지 준위 전이가 발생하며, 각각 고유한 색의 불꽃을 형성한다. 이 성질은 불꽃 반응이 원소 식별 도구로 활용되는 과학적 근거가 된다.

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이 물리학와 생명과학의 개념으로 1-3일차에서 실제 찜질 시 전달되는 열의 양을 수학적으로 분석하고 그로인한 신체의 생리학적 반응을 탐구하였다.

우선 열전도는 고온에서 저온으로 열이 직접 이동하는 물리적 현상으로 Fourier의 열전도 법칙을 통해 정량적으로 측정할 수있다. 열전도 공식을 활용해 냉찜질중 피부에서 외부로 방출되는 열의 양을 밑에서 계산해보았다.

예시 조건:피부 온도: 33 도

아이스팩 온도: 0 도 (dT = 33K)

접촉 면적 A: 0.02 m²

열전도율 k: 0.5 W/m·K

두께 dx: 0.01 m

식에 넣어서 계산해보면 약 33W의 열에너지가 피부에서 아이스팩으로 전달되고 급격한 냉각효과를 유발한다.

이러한 열손실은 시상하부에서 감지되어 말초혈관을 즉각적으로 수축시키며 산소포화도 변화, 젖산제거 촉진, 칼륨농도 조절 등 복합적인 체내항상성 유지 과정이 작동한다. 온찜질의 경우엔 혈류가 증가하고 근육재생이 가속화되고 동시에 통증과 염증수치가 현저하게 감소한다.

찜질은 단순한 감각적 자극을 넘어서 열전도라는 물리학적 메커니즘과 자율신경계의 정교한 조절을 통해 인체의 항상성을 유지하는 복합적인 생리학적 현상을 수치로 보일수있다.

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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양자역학의 기본 원리

1. 양자화

양자역학에서 에너지, 각운동량 등의 물리량은 연속적인 값이 아닌 불연속적인 값으로 존재합니다. 예를 들어, 원자의 전자는 특정 에너지 준위에서만 존재할 수 있다.

2. 파동-입자 이중성

물질과 빛은 입자와 파동의 두 가지 성격을 가진다. 이는 전자가 파동처럼 행동할 수도 있고, 입자처럼 행동할 수도 있다는 것을 의미한다. 이 원리를 통해 전자와 같은 미시적 입자를 이해할 수 있다.

3. 불확정성 원리

하이젠베르크의 불확정성 원리는 미시세계에서 관찰 가능한 물리량, 특히 위치와 운동량 사이에 존재하는 근본적인 한계를 설명한다. 이는 양자역학의 중요한 특징 중 하나이다.

4. 중첩 원리

입자의 상태는 여러 가능성의 중첩으로 설명될 수 있다. 예를 들어, 전자는 특정 위치에 있는 것이 아닌 여러 위치에 동시에 존재할 수 있는 것이다. 이러한 상태는 관측하기 전까지는 실제로 결정되지 않는다.

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옛날에 학습했던 이온의 불꽃 반응색을 단순히 암기하는 것을 넘어, 각 원소마다 고유한 색이 발현되는 근본적인 원리에 대한 깊은 호기심을 바탕으로 탐구를 시작함. 이는 화학의 원자 구조와 전자의 에너지 준위 개념, 그리고 물리의 전자기파와 빛의 에너지 관계를 융합하여 탐색하는 심화 탐구로 발전함. 탐구 과정에서 불꽃 반응이 금속 원자의 전자가 불꽃의 열에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 된 후, 다시 안정된 바닥 상태로 전이하면서 특정 파장의 빛을 방출하는 현상임을 학습함. 특히, 각 원소의 고유한 전자 배치와 에너지 준위 간격이 방출되는 빛의 파장을 결정한다는 화학적 원리를 이해함. 더불어 빛이 전자기파의 일종이며 그 에너지는 파장에 반비례한다는 물리적 원리를 탐구하여, 방출되는 빛의 파장이 짧을수록 더 큰 에너지를 가진다는 사실을 파악함. 또한 주요 금속 원소별 불꽃 반응색에 해당하는 빛의 파장을 조사하고, 이를 바탕으로 각 빛이 가지는 에너지 값을 정량적으로 계산하는 과정을 수행함.

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자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '자율주행 자동차의 센서 데이터 분석과 소프트웨어 처리 방식' 주제를 선정하고, '자율주행 자동차의 센서에서 수집한 데이터는 어떻게 소프트웨어에서 처리될까?'라는 핵심 질문을 스스로 설정하고, 그 해답을 찾기 위해 탐구활동을 주도적으로 수행함. 탐구를 위해 자율주행, ADC, 샘플링, 양자화, DSP, CNN, ANN, OpenCV 등의 핵심 키워드로 자료를 조사하여 자율주행 알고리즘이 어떻게 실행되는지에 대한 이론적 배경을 쌓음. 조사한 이론적 배경을 바탕으로 Python과 OpenCV를 이용해 차량과 사람을 인식하고 이를 주행 로직에 적용하여 판단을 내리는 자율주행 알고리즘을 구현해 냄. 이미지 로드 시 발생하는 오류를 Pillow로 해결하고 탐지 민감도를 조절해 인식 정확도를 높이는 코드를 작성함. 이를 통해 자율주행 기술의 핵심 구조를 직접 실습하며 정보 처리 능력과 문제해결력을 키우고, 이론과 실제 코드를 연계해 분석할 수 있는 융합적 사고력을 키움.

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자율적교육과정 프로젝트에 참여하여 물리학 수업에서의 열역학 제2법칙에 대항한 생명체의 질서 유지 원리의 의문을 해결하고자 ‘생명이란 무엇인가(에르빈 슈뢰딩거)‘를 읽고 탐구를 진행함. 탐구 과정에서 관련 서적과 학술 자료 등을 적극 활용하여 에르빈 슈뢰딩거의 네겐트로피 개념을 깊이 있게 이해하고, 스스로 탐구의 해답을 도출함. 생명체는 외부로부터 질서 있는 에너지를 흡수함으로써 내부의 질서를 유지하고, 전체적인 엔트로피 증가 속에서 국소적인 질서를 가능하게 만든다는 핵심 내용을 이해하여 정리함. 이 과정을 영상 콘텐츠로 제작해 발표하며, 학우들에게 네겐트로피 개념을 일상적 예시와 함께 쉽게 전달하고 생명과학과 물리의 융합적 사고를 확장함. 또한 책의 출간 시점을 고려해 슈뢰딩거의 아페리오딕 결정이 개념적으로 정확하지 않으며, 생명체의 거시적 특성을 물리화학적 작동 원리로만 접근했다는 점을 비판적으로 분석함. 이 과정에서 과학 개념에 대한 깊이있는 해석과 융합적 시각, 비판적 사고력을 바탕으로 한 탐구 역량을 보여줌.

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"자율적 교육과정 프로젝트"에서 생명과학•물리학 수업시간에서 파생된 궁금증인 생명체가 열역학 제2법칙에 대항하여 자가조직을 유지하는 원리를 탐구하기 위해 '생명이란 무엇인가?(에르빈 슈뢰딩거)'를 읽고, 탐구를 진행함. 엔트로피의 반대개념을 네겐트로피로 정의하였으며, 생명체가 네겐트로피를 먹고 사는 존재임을 강조하였음. 생명현상을 유지하기 위한 활동들이 네겐트로피를 흡수하고 노화를 늦추는 과정임을 이해하였음. 이러한 주장에 대해 영상을 제작하고 발표를 진행하여 학급 친구들이 이해하가 쉽게 설명함. 이를 보아 엔트로피 증가 속도를 낮추는 생명현상을 명확하고 깊이있게 이해하였음을 알수 있음. 또한 책이 가지는 이론적 한계를 비판하면서 실제 유전정보가 아페리오딕 결정구조와는 다른 방식으로 작동한다는 점. 열역학의 이론을 너무 급진적으로 생물학적 현상에 적용하여 철학적 일반화를 해내었다는 점. 모든 것이 물리학으로 환원되는 물리학 중심의 환원주의가 과도하다는 점을 들어 책을 비판적으로 이해하였다.

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자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 ‘자율주행 자동차의 센서 데이터 분석과 소프트웨어 처리 방식’을 주제로 선정하고, 센서 데이터가 어떻게 소프트웨어에서 처리되어 차량 판단으로 이어지는지에 대한 핵심 질문을 설정함. 기본 자료 조사를 통해 라이다·초음파 센서, ADC, DSP 등 이론을 탐구한 뒤 Python과 OpenCV로 차량과 사람 인식 후 주행 판단을 내리는 알고리즘을 직접 코딩함. 이미지 처리 오류를 Pillow로 해결하고 탐지 정확도를 높이는 코드를 완성하며 문제 해결력과 알고리즘 설계 감각을 발전시킴. 이를 통해 문제 인식 및 해결 능력과 코드에 오류가 나더라도 끈기 있게 해결하려는 능력이 발전했음.

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자율적 교육과정 프로젝트에 참여 하여 'AI 시대의 글로벌화 속 영유아 언어와 교육의 방향성에 미치는 영향'이라는 주제를 선정하고 아동이 기술 매체(스마트기기, AI, 유튜브 등)에 처음 접촉하는 시기와 영향 기술 발달로 인한 교육 방식에 관한 질문(미디어 사용 이유, 접촉 시기, AI 시대에 따른 플랫폼)을 만들어 답을 찾는 탐구활동을 수행함 이를 위해 AI 시대,언어 교육, 아동 발달 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. 참고 기사로 영유아 교육 폴랫폼, AI 시대를 대비한 영유아 오감놀이교육, 미디어 이용과 5세의 언어 발달의 상관관계를 조사 및 사례를 분석하여 AI의 긍정적 측면과 부정적 측면등을 학습함 후속활동으로 직접 AI 기반 교육 플랫폼을 사용해보고 장단점을 비교하거나 유아 눈높이에서 접근이 쉬운 교육 앱을 분석하여 평가표를 만들어봄.

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(예시) 자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '❶’ 주제를 선정하고 스스로 ❹핵심 질문(~, ~, ~)을 만들어 답을 찾는 탐구활동을 수행함. 이를 위해 ❻~,~,~,~, 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. ❼참고도서(~, ~, ~) 책을 읽고, ❽독서활동을 통해~, ❾조사 및 사례 분석~ 등을 학습함. ❿나만의 특색 활동/ 해결 방안으로 ~를 제안함.

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양자컴퓨터와 기존 전자회로 기반 컴퓨터의 기술적 차이와 미래 전망을 과학 교과 융합 주제로 탐구함. 김태현 외, “양자컴퓨터의 소개 및 전망”(『전자공학회지』, 2018) 논문을 통해 초전도체·이온트랩 큐비트 구현 방식, DiVincenzo 기준, 양자 알고리즘 적용 가능성을 과학적으로 분석하였고 , 화학 및 물리 분야에서 양자 시뮬레이션과 최적화 문제 해결의 실질적 응용을 확인함. 또한, “양자컴퓨터, 작동원리부터 한계까지”(사이언스올, YouTube, 2022) 영상을 통해 중첩·얽힘 병렬 연산 구조, 고전 컴퓨터 대비 속도 우위, 상용화 단계의 기술적 도전과 한계까지 시각적으로 이해함. 이를 바탕으로 양자역학 원리가 기술로 실현되는 과정을 명확하게 파악하고, 양자컴퓨터의 과학적 기반·상용화 가능성·기존 컴퓨팅 한계 극복 방안을 구체적으로 조사·분석함.

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에르빈 슈뢰딩거

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에르빈 슈뢰딩거

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자율 교육과정 보고서 20101 강다현

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이 탐구는 냉,온찜질이 인체에 미치는 영향을 물리 및 생명과학의 융합적 관점에서 심층적으로 분석하였다. 물리 분야에서는 푸리에의 열전도 법칙을 적용하여 고온에서 저온으로 열이 이동하는 메커니즘을 규명하고 실제 찜질 과정에서 피부와 찜질팩 사이에 전달되는 열에너지의 양을 정밀하게 측정했다. 구체적으로 0도 아이스팩과 33도 피부 사이의 열전달량을 33W로 계산하여 냉각 효과를 수치로 입증했다.

생명과학 영역에서는 냉찜질이 말초혈관 수축을 통해 근육의 대사산물을 제거하고 회복을 지원하며 온찜질은 국소 혈류 증가를 통해 손상된 근육 조직의 재생을 촉진한다는 연구를 탐구했다. 특히 찜질이 단순한 물리적자극을 넘어 시상하부 중심의 체온 조절 시스템과 자율신경계 반응에 깊이 연관되어 있어 인체의 항상성 유지에 중요한 역할을 한다는점을 알아내ㅛ다. 이 연구를 통해 과학적 원리가 실생활에 적용되는 과정을 이해하고 물리와 생명과학의 유기적 연관성을 탐색하며 융합적 사고력을 효과적으로 발휘했다.