적외선 열화상 카메라를 이용한 열 단원 탐구활동 가시화 학습자료 개발 :Development of Teaching Materials For Visualizing Thermal Phenomenon Using IR Camera and Its'' Applications

이진한

자료유형: 학위논문

저자정보: 이진한 (공주대학교, 공주대학교 대학원)

지도교수: 이희복

발행연도: 2016

저작권: 공주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수18

초록· 키워드

본 연구에선 열 관련 교육연구와 관련 시뮬레이션의 수가 역학이나 전자기학에 비해 상대적으로 부족한 실정 가운데 이에 대한 연구가 필요하다고 판단하여 열화상카메라를 이용한 열 현상의 가시화를 통해 오개념 해소에 도움을 줄 수 있는 학습자료를 개발하여 적용하였다.
학습자료의 개발을 위하여 초중고 2009 과학과 개정교육과정을 분석하여 열 관련 단원의 학교급별 분포를 파악하였으며, 각급 학교에서 쓰이고 있는 교과서들을 분석하여 열 관련 개념의 정의를 파악하였다. 초중고 과학 교육과정의 분석을 통하여 열과 온도는 물질의 상태변화, 기체의 운동, 분자운동, 마찰, 운동 등과 관련된 핵심개념으로, 각급 교과서에 소개된 주요한 실험들이 직접적, 간접적으로 열과 온도에 관련되어 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 이들과 관련된 탐구활동은 각 현상에 대해 추상적으로 접근할 수밖에 없다는 한계가 있어 열, 온도 관련 현상의 근본을 이해하는 데엔 어려움이 있다.
이와 같은 한계를 보완하기 위하여 열화상카메라를 이용한 열 단원 탐구활동 가시화 학습자료를 개발하였다. 이렇게 얻어진 열화상들은 크게 ‘개념 학습을 위한 열화상 학습자료’, ‘탐구활동에 대한 열화상 학습자료’, ‘학생 연구 실험활동을 위한 열 현상 경계치 문제해석’으로 분류하였다. ‘개념 학습을 위한 열화상 학습자료’는 특별한 조건의 설정 없이 일상에서 볼 수 있는 물체 및 생물들의 온도분포 열화상을 분류한 것이고, ‘탐구활동에 대한 열화상 학습자료’ 에서는 실험상황을 설정하여 촬영한 열의 흐름, 열평형, 열전도, 대류, 기체부피의 팽창, 단열팽창, 복사열, 바이메탈, 온도가 다른 두 액체의 혼합, 흡열반응, 발열반응, 연소 등의 열화상을 분류해 두었다. 마지막으로 ‘학생 연구 실험활동을 위한 열 현상 경계치 문제해석’에서는 Wolfram Mathematica 10.1 로 그린 경계치 문제의 그래프와 실제 펠티에소자, 니크롬선 등을 이용한 1차원 경계치 문제에서 나타나는 온도분포 형태가 동일한 형태임을 살펴 이론적인 계산문제와 실제 열 현상이 일치함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 학습자료는 중학교 1학년 수업에 투입되었고, 투입된 열화상 학습자료에 대한 선호도 및 기대 조사를 실시하였다. 이에 대한 학생들의 반응은 매우 긍정적이었다. 이처럼 교육과정에서 열, 온도관련 단원이 갖는 위상과 학생들이 열화상 학습자료에 보이는 긍정적인 반응을 고려하면 열화상카메라의 존재는 수업을 진행함과 각종 현상을 이해하는데 있어 핵심적인 위치를 차지할 것이다. 이를 통해 눈에 보이지 않는 열과 온도에 대한 오개념 형성을 최소화 할 수 있을 것이며, 열 개념, 더 나아가 물리에 대한 어려움 또한 해소해 줄 수 있을 것을 확신한다.

Many students feel physics is too difficult because they think physics formulas are just for solving problems. Furthermore, thermal phenomenon is an abstract concept that cannot be seen and associations as such tend to be deep and add to that misconception.
There are many simulations and experiments about gravity, electronics, etc, but as you know there is no information about visualizing thermal phenomenons. Many students are confused about heat and temperature, calculate temperature arithmetically, and have many misconceptions. Solving this is a source of trouble for the educator.
This paper analysed Korean national curriculum which is revised in 2009 and textbooks according to the level of schools to rectify the misunderstanding and develop teaching materials.
This paper used a visioplasticity experiment method and application by using a thermal infrared image camera to reduce the difficulty of educating students. The experimental equipment is the FLIR E30. By using this equipment, I was able to examine thermal phenomenons in daily life, principles surrounding some equipment, heat flow, thermal equilibrium, thermal conduction, gas expansion, adiabatic expansion, radiation, bi-metal, mixture regarding different temperature liquids, endothermic reaction, exothermic reaction, burning, thermal boundary problems, etc and was able to understand many phenomenons.
Heat and temperature is the core concept around the change of conditions, gas kinetics, molecular motion, friction, motion, etc, and through that I could grasp many experiments introduced in our middle school textbook regarding heat and temperature. When considering the status of heat and temperature, the thermal infrared image camera’s existence allowed understanding of class progression and each type of phenomenon when put in fundamental and core locations.
Boundary problem graphs by Wolfram Mathematica 10.1 and temperature distribution of practical boundary problems by Peltier effect device and nichrome wire had the same form. In other words, theoretical calculation and practical thermal phenomenon coincide in many experiments, and provide images about invisible thermal problems to the students.
By using this strategy, we can reduce formation misconceptions and difficulties about learning thermal concepts in physics. and we can expect student’s interest in examining these possibilities.

Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
가. 열과 온도에 관한 오개념 3
나. 열확산과 라플라스방정식 4
다. 적외선 열화상 카메라 7
Ⅲ. 연구방법 8
가. 열 현상과 관련된 교육과정과 교과서 분석 8
나. 적외선 열화상 카메라를 이용한 탐구활동 가시화 학습자료 개발 8
다. Wolfram Mathematica를 이용한 경계치 문제의 해석 9
Ⅳ. 연구결과 및 고찰 10
가. 열 현상과 관련된 교육과정 분석 10
1) 초등학교 과학 10
2) 중학교 과학 10
3) 고등학교 과학 11
4) 물리Ⅰ 12
5) 물리Ⅱ 12
6) 기타 과목(화학Ⅰ, 화학Ⅱ, 생물Ⅰ, 생물Ⅱ, 지구과학Ⅰ, 지구과학Ⅱ) 13
나. 각 과학 교과서에서 사용하는 열, 온도 관련 개념의 정의 분석 13
다. 교과서에 수록된 열 관련 탐구활동 분석 16
1) 초등학교 과학 16
2) 중학교 과학 17
3) 고등학교 과학 21
4) 물리Ⅰ 22
5) 물리Ⅱ 23
6) 개념학습을 위한 탐구활동 24
라. 적외선 열화상 카메라를 이용한 탐구활동 가시화 학습자료 개발 25
1) 개념 학습을 위한 열화상 학습자료 25
2) 탐구활동에 대한 열화상 학습자료 29
3) 학생 연구 실험활동을 위한 열 현상 경계치 문제해석 49
Ⅴ. 결론 및 제언 55
참고문헌 56
ABSTRACT 58

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