2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.
경기 경안고 정오남
Ⅰ. 들어가는 글
아이팝콘은 가속도, 온도, 자외선온도, 조도, 자기장 센서 등이 내장된 과학실험 및 피지컬 컴퓨팅(SW코딩)교육용 디바이스입니다. 아이팝콘은 스마트폰과 연동되어 각각의 센서로 부터 측정된 데이터를 블루투스 통신을 통해 디스플레이에 표시해주며 그래프까지 그려 주는 유익한 기능들이 많이 있습니다. 아이팝콘을 활용한 과학실험과 코딩기반 STEAM교육을 소개하고자 합니다.
1. 아이팝콘은 어떤 디바이스인가
아이팝콘(iPOPCON)은 MBL장치의 기능과 스크래치가 결합된 디바이스로써 아이팝콘이 사용자의 스마트폰과 통신함으로써 과학실험에서 물리량 측정 뿐 아니라 SW코딩도 할 수 있는 ICT STEAM교육에도 적합한 디바이스입니다. 아이팝콘에는 모두 7가지 센서가 들어 있습니다. 센서에서 측정한 데이터는 블루투스를 통해 앱으로 전송합니다. 아이팝콘 센서는 ① 과학 실험을 위한 실험 장비가 되기도 하고, ② 액티브한 게임을 즐기는 컨트롤러가 되기도 하고, ③ 메이커를 위한 센서 기기가 되기도 합니다. 어떻게 사용할지는 사용자의 아이디어에 달려 있습니다. (아이팝콘 홈페이지, 2018) 
과학실험에서 아이팝콘의 가장 막강한 기능은 측정된 값에 대한 그래프를 그려줌으로써 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 나타난 그래프를 동영상으로 저장할 수 있고 이 그래프를 재생할 경우 측정된 값을 손가락으로 움직일 때 마다 측정값을 모두 추적하여 읽어낼 수 있다. 따라서 학습자가 실험 상황에서 얻어진 그래프를 이해하고 해석하는데 매우 도움이 된다.
아이팝콘은 사용자의 스마트폰과 연결됨으로써 아이팝콘의 센서로부터 측정된 물리량을 스마트폰에 전송해 줍니다. 따라서 측정하여 얻어진 데이터를 그 자체로 활동할 수도 있지만 아이팝콘 앱에 포함된 스크래치 블록코딩 활동을 통해 SW코딩교육(피지컬 컴퓨팅)도 할 수 있습니다.
2. 기압센서와 적외선 온도센서를 활용한 아이팝콘 실험
가. 지퍼백과 기압센서
작은 크기의 지퍼백을 준비합니다. 공기가 어느 정도 차 있는 상태에서 아이팝콘을 지퍼백 안에 넣습니다. 그래프를 기압측정 모드에 놓고 지퍼백을 잠급니다. 손으로 풍선을 누르듯이 지퍼백을 눌렀을 때 아이팝콘에 나타나는 기압의 변화를 읽어 봅시다. 학생들은 아이팝콘에서 측정된 기압의 변화를 통해 왜 그렇게 되는지 탐구할 수 있습니다.
나. 단열팽창과 단열압축
손펌프를 이용한 진공 실험 장치에 아이팝콘을 넣고 공기를 빼낼 때 적외선 온도측정과 기압 측정 모드를 동시에 실시하면서 진공 실린더 내부에서 일어나는 기압과 온도변화를 그래프로 관찰할 수 있습니다. 이때 단열 팽창에서 나타나는 특징을 이해할 수 있습니다. 그리고 공기 밸브를 열어 갑자기 외부공기를 실린더 내로 들어오게 했을 때 단열 압축에 의한 변화를 경험할 수도 있습니다. 이 두 가지 실험을 통해 이러한 이유를 탐구해 볼 수도 있습니다.
다. 기체발생 반응과 중화반응
금속과 산의 반응, 이산화 탄소 생성반응 등 기체가 발생하는 화학 반응을 확인하고자 한다면 화학 반응이 일어나는 비커와 아이팝콘을 밀폐용기(음식보관용)에 넣고 밀폐용기의 뚜껑을 잠급니다. 이 때 나타나는 기압의 변화를 통해서 기체가 발생했음을 확인할 수도 있습니다. 만약, 내부에서 나타나는 적외선 온도의 변화도 측정한다면서 이러한 화학 반응에서 나타나는 발열반응을 측정을 통해서 관찰할 수 있으면 학생들은 그 이유를 탐구할 수도 있습니다.
라. 중화적정과 중화열
중화적정에서 중화점에 도달할 때까지 발열반응을 하며 중화점이 지나면 다시 온도가 서서히 낮아진다는 중화열 그래프를 이해하기 위해 아이팝콘을 중화반응이 일어나는 삼각플라스크나 비커 옆에 놓고 적외선 온도 측정 모드로 설정하면 중화점에 도달 할 때 까지 온도가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있습니다.
마. 흡열반응과 발열반응
염화암모늄 또는 질산암모늄이 물에 용해될 때 흡열반응을 함으로써 용액 주변의 온도가 낮아진다는 것을 확인할 수 있습니다. 흡열반응이 일어나는 비커 옆에 아이팝콘을 세워놓은 뒤 적외선 온도 측정 모드로 설정하면 온도가 감소한다는 것이 관찰됩니다. 또한 용해시키는 용질의 양을 달리함으로써 또는 용질입자를 더 작게 함으로써 화학반응속도에 대한 차이를 이해하는데 도움이 됩니다.
3. 가속도센서 활용한 아이팝콘 실험
가. 뉴턴의 운동법칙
질량이 서로 다른 역학수레에 아이팝콘을 붙여 고정시킨 뒤 역학수레를 정지 상태로부터 출발시킵니다. 이 때 나타나는 가속도의 최댓값의 크기가 수레의 질량에 반비례 한다는 것을 알 수 있습니다.
나. 원운동과 원심력 측정
아이팝콘을 끈으로 단단히 묶은 뒤 손으로 원을 그리며 돌려봅니다. 원을 그리며 돌릴 때에는 내 머리 위와 수직인 평면 위를 따라 운동시킵니다. 줄의 길이(반지름)을 다르게 했을 때 원심력의 크기를 설명할 수 있습니다.
4. 아이팝콘으로 측정 가능한 또 다른 실험들
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- 수많은 발열반응과 흡열반응에서 적외선온도의 측정
- 광원과 거리에 따른 빛의 밝기 변화(조도 센서)
- 풍선에 공기를 주입할 때 풍선 내부에서 기압의 변화
- 건물의 계단을 올라가면서 나타나는 기압의 변화
- 비오는 날의 기압 측정, 화창한 날의 기압측정
- 아이팝콘이 낙하하는 과정에서 중력가속도의 측정
- 엘리베이터 내부에서 가속도의 변화
- 효모의 발효에서 나타나는 기체 발생에서 밀폐 용기 내부에서 기압과 온도의 변화
- 무엇을 상상하든 이 작은 아이팝콘을 활용하면 실험은 무궁무진해집니다.
- 코딩교육의 사례는 원고의 분량제한으로 인해 연수 현장에서 강사의 안내를 통해 배워보는 시간을 가져보겠습니다