상상너머 상상, 만지는 수학+체험하는 과학

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

서울 반포고 박지현

Ⅰ. 미래를 준비하며

21세기 핵심역량, 4C2016년 세계경제포럼은 “초등학교 신입생의 65%는 현재 존재하지 않는 직업을 갖게 될 것”이라는 보고서를 발표했다. <사피엔스>의 저자 유발 하라리가 얼마 전 한국에 방문하여 “현재 학교에서 가르치는 내용의 80~90%는 아이들이 40대가 됐을 때 전혀 쓸모없게 될 것”이라는 충격적인 이야기를 했다. 주어진 지식을 습득하고 정답이 있는 문제를 해결하는 데 주력하고 있는 현재의 교육 시스템으로는 인공지능 시대를 살아갈 인재를 제대로 키워낼 수 없다는 말이다. 핀란드는 2020년부터 교과과정을 비판적 사고(Critical Thinking), 창의력(Creativity), 소통(Communication), 협업능력(Collaboration)을 키워주는 주제별 통합교육인 ‘4C 교육’을 한다고 발표했다. 21세기 핵심역량(21century skill)인 4C로 일컬어지는 비판적 사고력, 창의성, 의사소통 능력 협업 능력은 이러한 미래사회의 교육적 요구와 밀접한 연관이 있다. 소위 4C로 대변되는 21세기 핵심역량은 강의를 통해 주입할 수 있는 게 아니다. 핵심역량 교육을 위해서는 ‘무엇을 가르칠 것인가’에서 ‘어떻게 가르치고 배울 것인가’로 관점의 중심을 바꿔야 한다. 비판적 창의적 사고력을 키우고 소통과 협업 능력을 키울 수 있는 혁신적인 학습 ‘방법’이 정말 중요하고 필요하다는 것이다.
215 개정 교육과정에서 수학・과학 교과 역량교육과학기술부는 2010년 12월 17일 청와대에서의 ‘2011년 업무계획’ 보고에서 창의적인 융합인재 양성을 위한 초·중등 STEAM교육을 강화하겠다고 발표하였다. 2015년 개정 교육과정 역시 수학・과학의 지식과 기능을 활용하여 수학・과학 문제뿐만 아니라 실생활과 다른 교과의 문제를 창의적으로 해결할 수 있는 능력을 키울 것을 강조하였다. 과학·기술·공학에 대한 발전은 그야말로 하루가 다르게 변화하고 있다. 그러나 수학・과학교육에서 이런 변화를 따라가지 못하고 있어 다양한 첨단과학기술 제품들에 익숙한 청소년들이 이런 교육에 흥미를 잃는다는 것은 당연한 것이라 할 수 있다. 또한 초·중등 수학․과학교육에 의한 창의성 함양에도 문제점이 지적되어 온 바 있다. 수학․과학교육은 현재를 대비하는 교육이 아니라, 이들이 졸업 후 사회에 나가서 활동할 미래를 예측하게 하고 이것을 대비하게 해주는 교육이 되어야 하는 것이다. 7차 개정 교육과정 이래로 2009 개정 교육과정, 2015 개정 교육과정에 이르기까지 수학・과학교과는 이러한 시대적 흐름에 발맞추어 창의성의 신장이 강조되고 있는 상황이다. 2015 개정 교육과정의 가장 주목할 만한 특징은 핵심역량(core competency)의 강조이다. 교육과정 총론 차원의 핵심역량으로 ‘자기관리 역량’, ‘지식정보 처리 역량’, ‘창의적 사고 역량’, ‘심미적 감성 역량’, ‘의사소통 역량’, ‘공동체 역량’의 6가지를 도출하였고, 각 교과에서는 이를 교과의 관점에서 특화시킨 교과 역량을 도출하였다. 수학과의 경우 2015개정교육과정에서는 2009 개정 교육과정에 명시된 ‘문제 해결’, ‘추론’, ‘의사소통’의 세 가지 수학적 과정에 ‘창의․융합’, ‘정보 처리 ‘, ‘태도 및 실천’의 세 가지를 추가하여 수학 교과 역량을 여섯 가지로 규정하였다. 과학의 경우 모든 학생이 과학의 개념을 이해하고 과학적 탐구 능력과 태도를 함양하여 개인과 사회의 문제를 과학적이고 창의적으로 해결할 수 있는 과학적 소양을 기르기 위한 교과임을 밝히며, 2015 개정교육과정에서 과학적 사고, 과학적 탐구, 과학적 의사소통, 과학적 참여와 평생학습 능력을 교과 핵심역량으로 강조하였다.
창의성을 기르는 수학, 과학 학습의 방향모든 분야의 창의적 또는 창조적 사고는 언어로 표현되기 전부터 나타나며, 논리학이나 언어학 법칙이 작동하기 전에 감정과 직관, 이미지와 몸의 느낌을 통해 그 존재를 드러낸다. 창조적 사고의 결과로 나오는 개념은 공식적인 의사전달 시스템, 이를 테면 말이나 방정식, 그림, 음악, 춤 등으로 변환될 수 있다. 이 변환의 산물은 각양각색(예를 들어 그림, 시, 과학이론, 수학공식 등)이지만 그 과정은 보편적이다. 한 분야의 창의적 사고를 배운다는 것은 다른 분야에서 창의적 사고를 할 수 있는 문을 연다는 면에서 창의적 사고에 대한 접근은 통합적으로 이루어져야한다. 창의성을 발휘한다는 것은 ‘무엇’이 아니라 ‘어떻게’가 문제인 것이다. 즉 창의적 발상의 근원은 ‘무엇을 끄집어 낼 것인가가’ 아니라 ‘어떻게 끄집어 낼 것인가’에 달려 있다는 뜻이다. 오늘날의 교육은 문학, 수학, 과학, 역사, 음악, 미술 등 과목을 철저하게 분리시켜 학생들에게 가르친다. 수학자들은 오로지 ‘수식’ 안에서, 작가들은 ‘단어’ 안에서, 음악가들은 ‘음표’ 안에서만 생각하도록 강요받고 있다. 이것은 ‘생각하기’ 본질을 절반만 이해하고 있는 것이다. 그러나 ‘창의적인 사고’는 통찰을 서로 주고받는데 있어서 말이나 숫자만큼 중요하다. 통찰이라는 것은 상상의 영역으로 호출된 수많은 감정과 이미지에서 태어나는 것이므로 ‘느낌’, ‘감정’, ‘직관’ 또한 교육과정의 일부가 될 필요가 있다. 또한 학생들의 사고력과 창의력을 키우고 소통하고 협업하는 능력을 키우려면 학생들이 적극적으로 생각하고 말하게 해야 한다. 토론을 통해 생각을 소통하는 공부를 해야 생각하는 힘이 길러지고 소통능력이 길러진다. 교실에서 우리는 그 토론 꺼리, 의문 꺼리를 제시하는 것만으로 충분할 수 있다.

Ⅱ. 4D Frame(포디프레임)

포디프레임이란포디프레임(4D Frame)은‘Fourth Dimension(4차원)’의 4D와 ‘Frame’(틀)로 이루어진 합성어로서, 사람의 생각, 마음, 내면의식, 꿈(4D) 등 눈에 보이지 않는 무한한 것들을 Frame이라는‘유연한 연결봉과 연결발’들을 사용하여 눈에 보이는 점, 선, 면, 입체로 표현하는 것을 의미한다(박호걸, 2015).
1. 포디프레임의 개발 포디프레임은 자연의 생명력을 모사한 창의적인 교구를 지향하고 있다. 자연은 스스로 문제해결 능력을 갖고 있다. 이는 변화무쌍한 자연환경 속에서 스스로 조화를 이루어나가는 모습으로 표현된다. 자연의 그러한 면들 속에서 보게 되는 특징이 있다면 ‘유연함’과 ‘틈(공간)’을 들 수 있다고 볼 수 있다. 또 한국의 고건축 모형을 연구해 보면, 건축하는 과정에서 못을 쓰지 않고 마치 입체퍼즐을 조립하는 것처럼 건축물의 뼈대를 만드는 것을 볼 수 있으며, 특히 지반의 불안정성, 열에 의한 재질의 변화 등을 고려하여 나무를 이음새로 활용하는 경우 연결 시에 틈을 적절히 보정하여 넣는 점을 발견할 수 있다. 포디프레임은 자연의 문제해결력을 반영한 이러한 건축물의 설계 원리 속에서 착안하여 개발되었다.
  
  또 교구로서의 역할을 위해 비싸지 않은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 이용하고, 조립과 조작이 어렵지 않게 무엇보다 재미있고, 똑같지 않는 새로운 것을 계속 표현할 수 있도록 개발되었다.
2. 포디프레임의 특징 및 사용방법
  1. 포디프레임 재료의 구성 프레임의 연결봉(tube)과 연결발(connector, bridge)은 재질이 부드러운 연질 재료인 폴리프로필렌(poly-prophylene)으로 되어 있고 연결봉의 경우 안이 비어 있기 때문에 활처럼 휘지만 부러지지 않는 특징을 갖고 있다.
  2. 포디프레임 연결봉 연결봉의 기본 길이로는 아래와 같이 2cm부터 30cm까지 여러 종류이며, 색깔도 흰색, 검정, 은색, 주황, 연두, 노랑, 파랑, 보라 등 다양하다.
    
    하지만 연결봉은 상황에 따라 간단한 도구(가위) 하나로 길이를 마음대로 조절하여 쓸 수 있어, 선의 길이를 자유롭게 표현할 수 있게 된다. 또한 연결봉의 배를 가위로 길게 자르면 연결봉의 두께를 줄일 수 있는 데 이것을 이용하여 봉과 봉 사이에 끼워 연결할 수도 있다.
  3. 포디프레임의 연결발 포디프레임의 가장 핵심적인 요소는 연결봉을 이어주는데 쓰이는 연결발이다. 연결봉을 자유자재로 이어줌으로써 무엇이든 표현해 낼 수 있도록 해주는 연결발은 그 종류에 따라 2발, 3발, 4발, 5발, 6발, 8발, 12발, 납작발 등이 있다. 2발의 경우, 두 발 사이의 각도는 180도(직선)이고 3발은 각 발 사이의 각도가 120도, 4발의 경우는 90도가 되어 각도가 달라진다. 즉 발의 수에 따라 각도가 변하는 것뿐만 아니라 발을 위아래로 꺾거나 옆으로 젖히면 입체적으로 발과 발사이의 각도를 조절할 수 있어 막힘이 없다.
    
    제한된 수의 연결발 이외로 추가적으로 필요한 연결발이 있는 경우에는 직접 가위를 활용하여 연결프레임을 잘라서 필요한 개수의 발을 얻을 수 있다. 또는 연결봉을 활용하여 연결발들을 겹쳐서 끼우게 되면, 다양한 개수의 발을 자유롭게 얻는 것이 가능하여 임의의 각도를 자유롭게 표현할 수 있게 된다. 연결발의 각도를 상하좌우로 조절할 수 있다는 것이 연결봉의 표현력을 자유자재로 높여 나가는 강력한 힘이 되는 것이다. 연결발은 적응력이 뛰어나서 발의 수에 제한 받지 않고 상상의 나래를 펼 수 있다. 4발, 6발, 8발은 2발 대신 쓸 수 있으며 6발은 3발로 사용할 수 있다. 6발의 발을 하나 건너 하나씩 잘라내면 3발과 같은 모양이 되기 때문이다. 6발과 같은 방식으로 자르면 8발도 4발과 같이 쓸 수 있어 6발과 8발 안에는 각각 3발과 4발이 2개씩 들어있는 셈이다. 필요할 때에는 상황에 따라 8발을 잘라 7발로도 만들어 쓸 수도 있고, 6발을 잘라 5발로도 만들어 쓸 수 있다. 이 밖에도 정해진 틀 안에서 벗어나 연결발을 활용하여 상상력이 미치는 범위에 따라 폭넓게 이용할 수 있다.

Ⅲ. 4D Frame의 활용

창의성을 자극하고 융합적 요소를 반영한 활용 방안은 다양하다. 최근에는 정적인 구조물에서 벗어나 정보통신분야와 연결된 메카트로닉스 분야까지 그 활용이 확장되고 있다. 몇 가지 학생들이 단체로 협동, 협력적 소통을 통해 구조물을 구현할 수 있는 예와 수학・과학 융합, 회로 및 정보 통신과 연결하여 활용하는 예를 소개한다.

자연의 원리 탐구, 재현가볍고 간단한 소재는 무엇이든 보이는 것을 재현하고 원리를 구현해 낼 수 있다.
안전하고 유동성 있는 대형구조물가장 적은 재료로 튼튼한 구조물을 만들 수 있다. 가장 적은 재료라 함은 튼튼한 정도에 비해 가장 가볍게 만들 수 있다는 뜻인데, 예를 들면 시에르핀스키 삼각형 구조물, 지오데식 돔 등이 그 예이다. 시에를 핀스키 삼각형 구조물 1단계 13cm가 4개 모이면 2단계가 되고 또 2단계 4개가 모이면 3단계, 이렇게 해서 만들어진 6단계는 그 높이가 약 4m 20cm가 되지만, 가볍기 때문에 학생들이 충분히 만들 수 있다. 이처럼 한 사람이 하나의 유닛을 만들고 각자 만든 것을 여러 명이 모여서 합치면 하나의 거대한 구조물을 만들어 낼 수 있다.
창의적인 발상과 확장한편, 본인이 원하는 여러 구조물들을 한번 만들어보고 끝내는 것이 아니라 여러 번 활용할 수도 있다. 다시 말해 정형화된 형상물 보다 자유로운 구조물을 표현할 수 있다는 것이 큰 장점이다.

예를 들어 축구공 만들기 과정을 통해 제작된 축구공들을 창의적인 구조나 패턴을 활용해 다양하게 응용하여 볼 수 있다. 개별적으로 만든 축구공 여러 개를 다양한 방식으로 연결하여 얻은 새로운 모델들에 대해 탐구할 수 있는 기회를 제공해 준다. 또한 개별적인 아이디어를 반영하여 자신의 스토리를 담은 창의적인 작품도 만들 수 있다.

공간적 사고를 통해 관찰된 입체 구조물들의 구조를 보는 관점에 따라 다양하게 재조립하며 탐색해 본다거나 확장하여 새로운 조형물 조립을 해볼 수 도 있다.
키네틱 아트움직임을 구현하는 원리로 간단한 기어의 움직임, 자동차 변속 등을 활용하여 바람과 물로부터 동력을 전달받아 자신들만의 키네틱 아트를 구현하는 작품을 만들 수 있다. 난타, 방아 찧는 기구, 풍차 만들어 돌려보기, 오토마타를 활용한 스토리텔링 등이 그 예이다.

이것은 기하적 구조의 이해의 학습에 도움이 되는 것뿐만 아니라 움직임 속에 담긴 기계공학적, 구조학적 원리를 과학적 원리에 접목해 물, 바람 등 지속가능한 미래를 위한 다양한 에너지를 기술로 결합시켜 자신만의 창작품을 만드는 것을 지원할 수 있다.
협력 활동간단한 포디프레임 연결봉과 발을 제공해 주고, 다양한 형태의 롤링 볼을 제작하며 각자 제작한 롤링 볼을 협동으로 연결하여 롤링 볼로 이루어진 놀이동산 구성하는 미션은 움직임, 낙차, 구조적 안정성 등을 구현을 통해 수리과학적 원리 체득할 수 있게 한다. 아울러 협동하여 창의적인 놀이 구조물을 만들어 봄으로써 수리과학적 의사소통력 향상 및 창의 인성을 함양한다.
포디 메카트로닉스포디 메카트로닉스(Mechatronics)는 Mechanics(역학)의 Mecah 단어와 Electronics(전자)의 tronics의 합성어인 메카트로닉스(Mechatronics)와 4D Frame을 혼용하여 개발한 IT 융합 프로그램을 일컫는다. 전자회로에 아두이노 등 IT 프로그래밍과 수리과학적 원리를 융합하여 블루투스나 스마트 폰 등을 이용하여 포디프레임 구조물을 움직이도록 만드는 것이다.

Ⅳ. 만지는 수학, 체험하는 과학

수학과 과학, 수학과 사회, 수학과 예술, 수학과 정보통신 등은 실생활에서 또는 주변의 현상을 이해하고 문제를 해결하는 데 있어 통합적인 요소를 가진 교과들이다. 따라서 학생들의 수준과, 각 교과의 교육과정 분석을 통한 수학・과학의 입장에서 타 교과와의 연계성을 고려한 주제를 선정하여, 프로젝트 진행이 가능할 것으로 보인다. 이는 융합과학인재교육과 관련이 있으며 앞으로는 이러한 관점에서의 프로젝트 학습이 활발히 진행되어야 할 것으로 보인다. 융합교육의 선두자로 우리에게 널리 알려진 Yakman(2008)은 중·고등학교에서 방과 후 학교 활동을 제안하며 다양한 실험과 체험 활동을 제안 하여, 과학을 따분하게 여기던 학생들이 실험과 프로젝트를 즐기기 시작했고 스스로 더 남아서 연구하길 원했다고 보고한 바 있다. 학교에서 활용한 일련의 STEAM 기반 프로젝트 사례를 보여주며, 예술을 비롯하여 다양한 분야가 접목된 과학과 공학 즉, STEAM 스타일 교육이 학생들을 더욱 즐겁게 공부하도록 만들어 주었음이 증명되었다.

공기 중에서 물을 만들어내다, 와카 워터 (Warka Water)
1. 배경 아프리카에만 10억 명이 물 부족 문제에 시달리고 있다. 에티오피아의 어떤 지역에서는 물을 뜨러 아이들과 여성들이 6시간을 걸어간다. 그렇게 구한 물도 더럽고 위험한 경우가 태반이다. 그 동안 많은 NGO와 자선 단체, 사회적 기업들이 이 문제를 해결하기 위해 고군분투했고, 물 부족 문제에 관한 캠페인은 전세계적으로 끊이지 않는다. 깨끗한 물을 기부하는 비즈니스 모델을 가진 사회적기업도 많다. 하지만 물 문제는 여전히 난제다. 국제구호단체에서 만들어 준 우물과 설치해 준 펌프가 방치되고, 고장나는 예 역시 이미 많이 소개되었다. 가난하고 고립된 마을에서 시설 유지비용을 감당하기 어렵고, 시설이 고장났을 때 고칠 기술자는 현지에 없다. 그럼 아프리카의 물 부족 문제는 해결할 수 없으니 포기해야 할까? 그간의 수많은 시도들은 한 걸음도 나아가지 못한 걸까? 이탈리아의 디자이너 아르투로 빗토리 (Arturo Vittori)는 ‘비싸다’, ‘고도의 기술이 필요하다’, ‘물을 찾아 이동해야 한다’ 는 기존 시도들의 문제점에서 출발, 저렴한 재료로 간단히 엮어 어디든 가만히 세워두면 공기 중에서 물을 만들어내는 ‘탑’을 만들어냈다. ‘와카 워터(Warka Water)’ 다.
2. 원리 언뜻 보면 설치미술 같기도 한 와카 워터는 2012년에 개발된 약 9미터 높이의 거대한 꽃병 모양 탑이다. 와카 워터가 공기 중에서 물을 만들어내는 원리는 간단하다. 낮과 밤의 기온 차이가 커지면 풀잎에 이슬이 맺히는 것과 같은 원리다. 사하라 이남 지역의 큰 일교차를 이용하면 충분한 양의 이슬을 모을 수 있다.
  
  와카 워터는 가볍고 탄력이 있는 골풀 줄기를 엮어서 형태를 만들고, 안에는 청사초롱을 연상시키는 나일론이나 폴리프로필렌 매쉬 그물을 매달아 둔다. 골풀을 엮는 패턴은 강한 바람이 불어도 공기가 통과해 안정적으로 버틸 수 있도록 설계되었다. 꽃병 형태의 커브와 그물의 형태는 이슬을 모으기 위해 정교하게 설계된 것으로, 차가운 공기가 모이면서 맺힌 이슬은 아래로 흘러내려 탑 아래쪽 물통으로 모인다. 사람들은 아래쪽에서 수도꼭지를 열고 물을 받아 가면 된다. 어디든 땅 위에 와카 워터를 가만히 세워두고 하루가 지나면 약 95리터의 깨끗한 물을 모을 수 있다. 와카 워터는 특별한 기계 장비 없이도 일주일이면 만들 수 있다. 우물을 만들기 위해 힘들게 땅을 파며 물을 찾을 필요도 없고, 많은 돈과 외국의 기술자를 동원해 펌프나 여과기 같은 기계 장치를 만들 필요도 없다. 물을 길러 몇 시간 씩 먼 곳으로 다녀올 필요도 없다. 지역 주민들이 와카워터를 만드는 기술을 배워 인근 주민들에게 가르쳐 줄 수 있다. 소재도 쉽게 구할 수 있는 것들이고, 생분해성으로 환경오염 걱정도 적다. 청소와 유지도 간단하고, 무엇보다 저렴하다. 와카 워터가 단순히 물 부족 문제를 해결하고, 오염된 물을 마셔 생기는 질병을 예방하는 장치라가 아니다. 더 중요한 것은 ‘시간’ 이다. 하루에 여섯 시간 씩 물을 찾아 걸어야 하는 아이들과 여성들이 그 시간에 더 생산적인 일을 하거나, 미래를 위해 교육을 받을 수 있다면 물 문제를 해결하는 것보다 더 큰 변화를 스스로 만들 수 있을 것이다. 결국 중요한 것은 ‘지금보다 나아질 수 있다, 지금보다 행복해 질 수 있다’는 희망과 가능성이다.
3. 프로젝트 학습 와카 워터 프로젝트 소개를 통해 적정기술에 대해 생각해보고, 다양한 와카 워터를 다양한 차원에서 변형하고 탐구하면 팀원들이 협동하여 디자인하고 구성하는 활동을 할 수 있다.
바람 에너지, 움직임을 만들다
1. 배경 21세기 화석연료의 고갈이 다가오면서 대체에너지에 대해 세계의 관심이 집중되고 있다. 지난해 영국은 세계 최초 부유식 해상풍력 발전을 가동했다는 소식을 전했다. 바다위의 유전이라고 불리는 해상 풍력, 미국 스탠포드 대학 카네기 연구소의 연구 결과에 따르면 해상풍력은 빠른 속도와 바닷바람의 지속성으로 육상풍력 대비 3~5배 더 많은 에너지를 생산할 수 있다고 밝혔다. 해상풍력의 경우 풍속이 육지에서보다 평균 70% 가량 더 빠르기 때문에 위에서 언급한 것과 같이 더 많은 에너지를 생산할 수 있고 이를 통해 7만 평방킬로미터의 소형 해상풍력발전소로 도 미국 전체 전력 수요를 10년 동안 충족할 수 있을 것으로 예상하였다. 물론 계절에 따라 생산 가능한 전력 규모가 조금 달라지기는 한다. 일단 겨울철은 북대서양의 풍력발전을 통해 필요로 하는 에너지의 양을 맞출 수 있을 정도로 생산이 가능한 반면 여름에는 전체 에너지 생산량의 1/5로 떨어지게 된다. 하지만 그렇게 떨어진다고 해도 유럽 또는 미국의 전력 수요는 충분히 감당할 수 있을 정도라고 한다. 특히 북대서양에서 해상풍력을 발전할 경우 일부 지역에서는 터빈에 의한 장애물이 육지에서 만큼 바람의 속도를 늦추지 않기 때문에 풍력발전이 더 강력하기 때문에 전 세계에 필요한 전력을 감당할 가능성이 있다고 밝히기도 하였다. 물론 현재의 기술 수준에서 이러한 연구결과는 아직 먼 미래의 추측에 가깝다고 볼 수 있다. 해상터빈의 고정과 전체적인 기술력이 아직 초기 단계에 머무르고 있기 때문이다. 이러한 가운데 희망적인 부분은 앞서 말한 영국 스코틀랜드에서 발전을 시작한 하이윈드 프로젝트와 도거뱅크 해상풍력 발전소이다. 이 두 해상풍력 발전은 기존의 해상풍력과 다른 방식으로 개발이 되어 실제로 인근 지역들에 전력을 공급할 예정이라고 한다. 그동안 값비싼 가격으로 성장이 더뎠던 해상풍력은 지난 5년 간 발전비용이 32% 가량하락 하면서 성장확대의 가능성이 점쳐지고 있는 상황으로 최근에는 유럽과 미국 이외에도 중국이 적극적인 참여와 투자를 통해 해상풍력 산업은 더욱 성장할 것으로 예상된다.
2. 원리 풍력은 바람에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 원리로 풍력발전기의 날개가 회전되면서 생기는 회전력으로 전기를 생산한다. 날개, 변속장치, 발전기로 구성되어 있으며 바람이 날개를 회전시키면 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 여기서 발생하는 회전력이 중심 회전축을 통해 변속 기어에 전달되며 발전기에서 회전수를 높여 발전기를 회전시킨다. 즉 발전기는 날개에서 생성된 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 한다.
3. 프로젝트 4D프레임으로 물, 불, 바람 등 자연에너지를 활용한 인간의 위대한 노력의 산물인 풍차, 오르골, 난타, 방아 찣기 등을 활용한 구조물이나 물레방아등과 같은 구조물을 통해 위치에너지가 운동에너지로 변화되는 과정을 이해한다. 또는 ‘21세기의 레오나르도 다빈치’라고 불리는 키네틱 아티스트 테오얀센과 같이 거대한 해변동물들을 구현해 인류의 환경문제에 친환경적 대안을 제시해본다. 그는 플라스틱 관과 재활용 플라스틱 병을 연결하여 바람의 힘과 공기의 압력을 에너지로 사용한 피스톤 운동으로 근육의 움직임을 잘 표현하였다. 그와 같은 해변동물의 다리 시스템을 만들어서, 바퀴보다 모래 위를 더 잘 이용할 수 있고 에너지를 아낄 수 있게 만든 축과 뼈대의 연결 구조를 이해한다.

[참고문헌]

교육부 고시 제2015-74호 [별책 8] 수학과 교육과정
교육부 고시 제2015-74호 [별책 9] 과학과 교육과정
박호걸 (2015). 창의적 사고 과정의 콘텐츠 개발과 적용 방안 –4D 프레임을 중심으로. 서울과학기술대학교 NID융합대학원 석사학위 논문.
The Partnership for 21st Century Skills (www.p21.org)
와카 워터 (Warka Water) 프로젝트 https://www.flickr.com/photos/125357782@N02/sets