Earticle

이 논문의 목적은 순천만 습지의 대표적인 철새인 흑두루미의 생태를 에이전트 기반 모델링 도구인 Netlogo를 사용하여 시뮬레이션하는 콘텐츠를 설계 및 개발하고 과학영재반 수업에서 팀별 프로젝트로 수행한 사례를 탐구하는 것이다. 우리는 먼저 NetLogo 라이브러리 중에서 어항 시뮬레이션 예제를 토대로 에이전트 기반의 모델링 기법을 제공하였다. 그리고 이를 토대로 순천만의 흑두루미 먹이 사슬로 확장함으로써 영재반 학생들이 순천만에 서식하는 생물 사이의 관계성을 NetLogo 모델링 언어로 실험하게 하는 탐구 경험을 할 수 있도록 수업 콘텐츠를 설계하였다. 우리는 2016년 4월부터 7월 사이에 수학 및 정보 영재반 수업과 7월 말에 5일에 걸쳐 집중 프로그램 기간 동안에 미니 사사 프로젝트를 수행하였고 그 과정에서 생성된 학습 소감문 및 프로그래밍 코드 등을 수집하였다. 그리고 미니 사사 과정생들을 대상으로 사후 면담을 한번 실시하여 Netlogo 프로그래밍 수행 과정을 분석하였다. 그 결과 참여 학생들은 짧은 기간(4일) 동안에 순천만 먹이사슬에 관한 자료 검색을 토대로 방정식을 도출하는 한편 이를 토대로 Netlogo로 각 등장 생물에 관하여 에이전트 기반의 모델링을 하여 시뮬레이션 결과를 그래프로 구현하는 프로젝트 기반의 코딩 학습의 혜택을 거둔 것으로 드러났다. 또한 참여 학생들은 수치와 그래프가 가지는 의미를 분석하는 활동을 통해 자료 수집-분석-표현-모델링-구현-결과 제시-분석에 따른 과학적 탐구 능력을 함양할 수 있었다.

This paper aims at exploring gifted students’ inquiry-based activities using NetLogo contents of Hooded Crane Modeling for Food-Chain in a Math-Information Combined Class as well as with a mini mentoring-based team project. We first used a fish tank example from NetLogo library and provided a modified version for the target class teaching. Based on this, we extended it to modeling food chain of Hooded cranes in Suncheon wetland conservation for promoting inquiry-based scientific exploration. The research methods that were employed were contents development according to the IT-fused curriculum design and case study for implementing the proposed program at an attached gifted science education center in a regional university. We conducted two cases of applying those contents during the extensive program during the last week of July in 2016 and collected NetLogo codes as well as reflective memos from the participating students. We analyzed the collected data with an extra interview with the group of students who engaged in a mini mentoring-based team project. As a result, the participating students revealed taking benefits of coding education in terms of conducting modeling and simulation for the food chain relationship among warm-crab-bird-hooded crane and implemented it in NetLogo. Moreover, the mini mentoring-based team project turned out to be close to the shortened version of full scaled project via the cycle of data collection-analysis-representation-modeling-coding-running simulation-analysis of results to promote scientific exploration activities.

연구의 목적은 중학교 과학영재학생들의 R & E 프로그램으로, Cu (II) -M'(M=Zn, Al, Fe)의 산화-환원반응에서 생성물의 형상과 반응속도에 미치는 구리(II) 이온의 농도, 활성 금속 (M) 및 음이온(spectator ion)의 영향에 대한 연구를 수행하는데 있다. 본 연구를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, CuSO4-Zn 산화-환원반응에서 0.5 M 황산구리 수용액 보다 진한 농도와 표면적이 큰 아연 분말을 사용하였을 때, 환원 생성물은 빠르게 붉은색 구리로 환원됨을 확인 하였다. 불균일 반응계인 Cu(II)-M의 산화-환원반응은 반응물의 농도가 증가하면 구리의 핵형성 속도가 증가하므로 초기 형성된 검은색 구리가 빠르게 붉은색으로 변화되는 것을 알 수 있었다. 산화-환원반응의 진행에 따른 생성물의 형상 변화는 0.2 M CuSO4 수용액에서 가장 쉽게 확인할 수 있었다. 둘째, 환원 생성물인 구리의 형상은 사용하는 활성 금속의 종류에 따라 다른 것을 확인하였다. 반응성이 큰 아연(Zn)과 알루미늄(Al)은 반응초기에 검은색 구리가 석출되지만, 철(Fe)을 사용하면, 철 표면에 환원된 구리가 도금되는 현상을 쉽게 관찰할 수 있었다. 이처럼 철을 사용하면 새로운 지적 호기심은 감소되지만 형상에 따른 색변화에 따른 학생들의 오개념 형성을 방지할 수 있을 것으로 생각된다. 셋째, 활성 금속(M)의 종류에 따른 Cu(II) -M 산화-환원 반응의 반응속도는 Zn > Al > Fe 순으로 얻어졌다. 이는 환원된 구리의 핵형성 속도가 수소기체의 생성과 관련이 있고, 환원된 구리의 흡착속도 차이를 의미한다. 넷째, 음이온에 의한 Cu(II)-Zn 치환 반응의 반응 속도는 Cl- > SO42- > NO3- 순서로 얻어졌다. 질산 구리(NO3-)와 금속 아연을 반응시켰을 경우, 초기 생성물은 다른 음이온과 같이 검은색 생성물이 얻어졌으나, 2시간 후 다공성의 녹청색 생성물을 확인할 수 있었다. 이 프로그램의 특징은 페트리 접시를 이용한 산화-환원 반응의 실험으로 거시적 현상을 저 비용과 친환경적으로 학생들이 화학 변화를 직접 관찰할 수 있기 때문에, 과학 영재 학생의 지적 호기심과 탐구력을 자극하고 과제 집중력을 높일 수 있었다. 또한, 이 프로그램의 부분적 수정으로 고등학교 과학 영재교육에 적용될 것으로 기대된다.

The aims of in this study is to investigate the effects of the reactants concentration, kinds of active metal (M) and the anion (spectator ion) on the morphology and the rate constants of Cu(II)-M’substitution reaction as the R&E programs of science (chemistry) gifted students. As a result of this study, the following conclusions were obtained. First, in the CuSO4-Zn substitution reaction, it was confirmed that most of the product was red copper when using an aqueous solution of copper sulfate that is thicker than 0.5 M or using a zinc powder having a large surface area. As the concentration of the reactants increases, the nucleation rate of copper is increased and red copper is obtained. However, the concentration at which the change of metal surface was observed was 0.2 M CuSO4 aqueous solution. Second, it was confirmed that the morphology of copper as a reduction product varies depending on the kinds of the active metal. Although zinc (Zn) that generates hydrogen gas has black copper precipitate, iron (Fe) has a morphology and color similar to that of metallic copper. Third, the reaction rate of Cu(II)-M substitution reaction according to the kind of active metal(M) was shown in order of Zn, Al, and Fe. This indicates that the rate of nucleation of the reduced copper is related to the generation of hydrogen gas and the adsorption capacity of copper reduced to the surface of the active metal. Fourth, the reaction rate of Cu(II)-Zn substitution reaction by anions was decreased by Cl-, SO42-, and NO3- order. However, in the case of NO3-, the product was found to be a mixture of various types. The experimental methods of the redox reaction using Petri dishes are economical, environmentally friendly, and can directly observe the chemical changes as macroscopic phenomena. Also, applying this program to middle school students, we were able to stimulate intellectual curiosity and inquiry ability of science gifted students, and to increase task concentration ability. We expect that some modifications of this program will be applicable to high school science gifted education.

빛의 길이가 식물 생장과 발달에 주는 영향을 알아보기 위해 식물생장, 엽록소 농도, 엽록소 형광 및 잎 반사율을 포함하는 생리적 지표들이 다른 빛 길이 조건에서 자라는 13종의 식물에서 분석되었다. Arabidopsis thaliana (Columbia) 식물을 재료로 가로등 모방실험에서, 24h 빛 조건에서 자란 식물은 12h 빛 조건에서 자란 식물에 비해 더 높은 식물성장 및 엽록소 형광과 500-600 nm 파장영역에서의 낮은 반사율 및 빠른 개화를 보여주었으며, 가로등과 가로등이 없는 환경에서 수집한 12종의 식물들: 느티나무(Zelkova serrata), 개망초(Erigeron annuus), 털쓰레기꽃(Galinsoga ciliata), 철쭉(Rhododendron schlippenbachii), 장미(Rosa L), 피라칸타(Pyracantha angusifolia), 괭이밥(Oxalis corniculata), 토끼풀(Trifolium repens), 속털개밀(Agropyron ciliare), 벚나무(Prunus serrulata), 개벚나무(Prunus serrulata 남천(Nandina domestica)도 식물 종 및 성장 시기에 따라 가로등이 엽록소 농도, 엽록소 형광 및 반사율의 차이를 유도하였다. Arabisopsis에서의 24h 빛에 의한 성장 및 개화 촉진, 가로등에 의한 식물 종 및 성장 시기에 따른 생리적 지표 변화는 빛의 길이가 식물 생장 및 발달에 영향을 줌을 뒷받침해준다.

To investigate the effects of light length on the growth and development of plants, physiological parameters including plant growth, chlorophyll content, chlorophyll fluorescence and spectral reflectance were analyzed in 13 plant species growing in different light length conditions. In lab experiments using Arabidopsis thaliana (Columbia), plants grown under 24h light showed higher plant growth and chlorophyll fluorescence, lower spectral reflectance at 500-600 nm wavelengths and earlier flowering compared to the 12h light plants. In field experiments, Zelkova serrata, Erigeron annuus, Galinsoga ciliata, Rhododendron schlippenbachii, Rosa L., Pyracantha angusifolia, Oxalis corniculata, Trifolium repens, Agropyron ciliare, Prunus serrulata, Prunus serrulata and Nandina domestica growing under streetlights and no streetlights were analyzed and showed a difference in chlorophyll content, chlorophyll fluorescence and spectral reflectance according to species and growth stage. The results indicate that 24h light enhances plant growth and shortens the flowering time in laboratory settings, and streetlights influence the physiological parameters of plants and the effects depending on the species in field experiments.

이 연구는 전북대학교 과학영재교육원의 사사과정 과제로 수행되었다. 대기 중 미세먼지는 1군 발암물질로 지정될 정도로 위험하며, 미세먼지로 인한 사망률의 증가가 최근 논란이 되고 있다. 우리는 가정과 학교의 미세먼지 실태를 조사하고 미세먼지 농도를 감축할 수 있는 방안을 찾고자 하였다. 미세먼지 농도는 휴대용 장치를 이용하여 측정하였다. 먼저 실내의 먼지 가 외부 농도에 크게 영향을 받는다는 것을 밝혔다. 이와 더불어 집과 학교는 장소에 따라 미세먼지 농도가 약간 다르게 나타났다. 특히 집에서는 방에서, 학교에서는 교무실에서 미세먼지 농도가 낮았다. 학생들이 등교하면 교실의 농도가 증가하였다. 또한 흥미롭게도 실내의 미세먼지는 높이에 따라 약간의 농도 차이가 있었다. 미세먼지 농도는 천정부근보다는 바닥에서 약간 높았다. 기름을 사용한 요리를 할 때 집 안의 미세먼지 농도를 크게 증가시켰다. 이때는 요리가 끝난 후에도 미세먼지 농도의 증가가 지속되는 모습을 볼 수 있었다. 또한 실내의 미세먼지를 제거하기 위해 주로 제안되는 방법인 환기시키는 것이 때로는 효율적이지 못하거나 오히려 농도를 높일 수 있음을 보였다. 우리는 실내 미세먼지를 제거하기 위해서는 공기청정기가 필수적이나 여의치 않다면 에어컨을 활용할 수 있다는 것을 제시하였다. 이 결과는 좀 더 흥미로운 연구를 위한 기초자료로 활용되거나 학교나 가정의 미세먼지 저감에 기여할 것으로 기대된다.

This study is based on a research project by gifted students at Science Education Institute for the Gifted in Chonbuk National University. Particulate matter is so dangerous to humans as to be ranked among the Group 1 Carcinogens, and it becomes a more prominent cause of death. This study conducted a survey of particulate matter in houses and schools and considered an effective method of reducing particulate matter concentrations. A portable device was used to measure the concentrations. We showed that indoor particulate matter was much affected by its outdoor concentration. Besides, the particulate matter concentrations had a small variation among different points both in houses and schools. Especially, houses and schools had lower concentrations in rooms and the teachers' room, respectively. When students went to school, the concentrations in classrooms increased. Moreover, indoor particulate matter showed a small difference of concentration depending on height. The concentration was a little higher near the floor than the ceiling. Cooking with oils drastically increased the indoor particulate matter concentration in a house. Even when cooking was over, the increase of concentration continued. Ventilation was not so efficient as has been typically suggested to remove indoor particulate matter, or rather often raised the indoor concentrations. We proposed that an air purifier is essential for removing indoor particulate matter, or if it is not available, an air conditioner can be utilized. This result can be basic information for further interesting studies. We also expect that this study will contribute to reducing particulate matter both in house and school.

본 연구는 대학교 부설 과학영재교육원에서 수행한 결과를 바탕으로 하며, 중학생을 대상으로 하는 융복합 과학영재교육 프로그램 개발에 응용되는 것을 목적으로 한다. 피보나치 수열이란 앞의 두 수의 합이 바로 뒤의 수가 되는 수의 열이다. 피보나치 수열은 토끼 한 쌍의 번식 과정을 표현하는 수학적 모델로서 생물학에서 광범위하게 사용된다. 종래의 피보나치 수열은 토끼의 수명이 무한하여 죽지 않는다는 가정을 두고 있다. 유한한 수명을 갖는 토끼를 고려하면 토끼의 번식 과정을 보다 정확히 모델링 할 수 있다. 본 논문에서는 수명이 4인 토끼 한 쌍에 의해 생성되는 피보나치 수열을 연구하였다.

The paper is based on the research from a university science education institute for the gifted, and aims at developing an interdisciplinary science educational program for the gifted middle school students. Fibonacci sequence generates numbers in a manner that every number after the first two is the sum of the two preceding ones. The Fibonacci sequence has been widely used in biology as a mathematical model for describing the reproduction of a pair of rabbits. The traditional Fibonacci sequence assumes rabbits with an infinite lifespan so that the rabbits can live forever. Considering a finite lifespan in the Fibonacci sequence can enhance biological applicability in practice. In this paper, we take a finite lifespan into account in the reproduction of rabbits and analyze the number of pairs of baby rabbits as well as adult rabbits when the rabbits have a lifespan of 4.