나뭇잎 교과서

탐구 산출물 발표와 공유

교실 공기가 답답하다는 느낌을 숫자로 보여 주면 무엇이 달라질까요? 실시간 이산화 탄소 센서로 교실을 재고, 그 결과를 함께 보는 방법을 생각해 봅니다.

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탐구 산출물 발표와 공유

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점심시간이 지난 5교시, 창문을 닫은 교실에서는 졸음이 쏟아진다. 학생 30명이 숨을 쉬면서 내뱉은 이산화 탄소가 쌓였기 때문일 수 있다. 그런데 '답답하다'는 느낌만으로는 창문을 언제, 얼마나 열어야 하는지 정하기 어렵다. 이산화 탄소 센서로 교실을 재어 그 숫자를 모두가 볼 수 있게 하면 무엇이 달라질까? 그리고 탐구 결과는 어떻게 발표하고 나누어야 할까?

그림 1. 부피 180 m³인 교실에 학생 30명이 있을 때 이산화 탄소 농도의 변화(모형, 바깥 공기 420 ppm). 환기가 적으면 수업 한 시간 안에 권장 기준 1000 ppm을 훌쩍 넘는다.
먼저 알아야 할 것사물인터넷, 센서와 디지털 신호(첨단 과학기술 속 과학 원리), 호흡과 이산화 탄소(통합과학), 비율과 ppm.

2.2.1쌓이는 이산화 탄소

사람 한 명은 가만히 앉아 있을 때 1분에 약 0.3 L의 이산화 탄소를 내쉰다. 30명이면 한 시간에 약 540 L이다. 교실 공기 180 m³, 곧 18만 L에 이만큼 섞이면 농도가 한 시간에 3000 ppm(백만분의 3000)씩 오른다. 환기를 하면 바깥 공기(약 420 ppm)가 들어와 섞이므로, 쌓이는 양과 빠져나가는 양이 같아지는 농도에서 멈춘다.

정리 2.2.1 평형 농도

한 시간에 교실 공기를 \(n\)번 바꾸는 환기(환기 횟수 \(n\))에서 오래 지나면 이산화 탄소 농도는 \[C = C_{\text{바깥}} + \frac{\text{시간당 늘어나는 농도}}{n}\] 에 가까워진다. 환기 횟수가 두 배이면 바깥보다 높은 몫이 절반이 된다.

그림 1에서 환기 횟수를 바꾸어 보자. 문과 창을 닫으면(0.5회 안팎) 50분 만에 2000 ppm을 넘는다. 1회이면 약 2100 ppm, 창문을 넓게 열어 6회로 하면 약 900 ppm에 머문다. 이산화 탄소가 1000 ppm을 넘으면 졸음과 집중력 저하를 느끼는 사람이 늘어난다.1

2.2.2결과를 나누는 방법

탐구 결과를 발표할 때는 무엇을 왜 궁금해했는지, 어떻게 쟀는지, 무엇을 알아냈는지, 무엇이 아직 불확실한지를 차례로 보여 준다. 그래프에는 축의 이름과 단위, 기준선을 표시하고, 측정기의 오차와 측정 조건도 밝힌다. 센서 값을 실시간으로 교실 화면에 띄워 모두가 볼 수 있게 하면, 숫자가 높아질 때 스스로 창문을 여는 행동의 변화로 이어질 수 있다. 그래서 결과를 공유하는 방식이 탐구의 쓸모를 결정하기도 한다.

발표 순서담을 내용 질문왜 궁금했나, 가설 방법측정기, 위치, 시각, 반복 횟수 결과·해석그래프(축, 단위, 기준선), 불확실한 점 제안근거에 기댄 행동 (환기 시각)
그림 2. 다른 사람이 따라 하고 판단할 수 있도록 방법과 한계까지 함께 나눈다.

2.2.3예제 풀이

예제 2.2.2

학생 30명이 있는 180 m³ 교실에서 이산화 탄소 농도가 한 시간에 3000 ppm씩 오른다. 바깥이 420 ppm일 때, 오래 지난 뒤 농도를 1000 ppm 이하로 유지하려면 환기 횟수가 얼마 이상이어야 하는가? 쉬는 시간마다 창문을 활짝 열어 10분 동안 환기 횟수 6회로 하면 이 조건을 맞출 수 있는가?

평형 농도가 1000 ppm 이하이려면 \(\dfrac{3000}{n} \le 1000 - 420 = 580\), 곧 \(n \ge 5.2\)회이다. 한 시간에 교실 공기를 다섯 번 넘게 바꾸어야 한다.

쉬는 시간 10분만 6회로 환기하고 수업 50분에는 창문을 닫는다면(약 0.5회), 한 시간 평균 환기 횟수는 약 \(\dfrac{6 \times 10 + 0.5 \times 50}{60} \approx 1.4\)회에 불과하다. 쉬는 시간마다 농도가 내려가긴 하지만 수업 중에 다시 2000 ppm 가까이 오른다. 그래서 수업 중에도 창문을 조금씩 열어 두거나 환기 장치를 켜야 한다. 즉 센서의 숫자가 있으면 막연한 '자주 환기하자'가 '수업 중에도 창문을 열어야 한다'는 근거 있는 제안이 된다.

아래 탐구 카드에서 사물인터넷이 무엇을 연결하는지, 교실 공기를 숫자로 보면 무엇이 달라지는지 직접 살펴보자.

  1. 이산화 탄소 자체는 이 농도에서 해롭지 않다. 다만 사람이 내뱉은 다른 물질과 함께 쌓이므로, 이산화 탄소 농도는 환기가 잘 되는지 보여 주는 지표로 쓰인다.
마무리

교실의 이산화 탄소 농도는 사람이 내쉬는 양과 환기로 빠져나가는 양이 같아지는 값에 가까워지며, 환기가 부족하면 수업 한 시간 안에 기준을 크게 넘는다. 탐구 결과는 질문, 방법, 결과와 한계, 근거 있는 제안의 순서로 나누어야 한다. 그래서 처음 질문의 답은 '행동이 달라진다'이다. 답답한 느낌이 숫자로 보이면 언제 얼마나 환기할지 함께 판단하고 실천할 수 있다.

읽기 1

사물인터넷은 무엇을 연결하고, 어디까지 믿을 수 있을까?

읽기 · 사물인터넷의 활용과 한계

스마트폰으로 집 밖에서 보일러를 켜고, 비닐하우스의 창문이 온도에 맞춰 저절로 열린다. 이렇게 사람이 조작하지 않아도 사물끼리 정보를 주고받으며 움직이는 기술을 사물인터넷(IoT)이라고 한다. 어떻게 작동하고, 무엇을 조심해야 할까?

1재고, 보내고, 판단하고, 움직인다

센서온도·습도·빛 측정 네트워크무선 통신으로 전송 분석·판단서버, 인공지능 구동기창문·밸브·조명 작동 환경이 바뀌면 센서가 다시 잰다 (되먹임)
사물인터넷 기기는 측정, 전송, 판단, 작동의 고리를 사람 없이 되풀이한다. 통합과학1에서 배운 센서와 디지털 신호가 이 고리의 출발점이다.

2삶과 환경을 바꾸는 사례

분야무엇을 재고 어떻게 움직이나얻는 것
스마트 팜온실의 온도, 습도, 이산화 탄소, 흙의 수분을 재어 환기창, 물, 양분 공급을 자동으로 조절노동 시간 절약, 물과 비료 절약, 수확량 안정
에너지원격 검침과 스마트 그리드로 시간대별 전력 사용을 파악하고 수요를 분산전력 낭비 감소, 신재생 에너지의 들쭉날쭉한 발전량 흡수
안전다리와 터널에 붙인 센서로 흔들림과 균열을 늘 감시, 산사태 지역의 기울기 측정사고 징후를 미리 발견
건강손목시계형 기기가 심박과 수면을 재고 이상을 알림질병의 조기 발견, 혼자 사는 노인 돌봄

3한계와 위험

먼저 보안이 문제이다. 연결된 기기는 모두 해킹의 입구가 될 수 있다. 2016년에는 초기 비밀번호를 바꾸지 않은 인터넷 카메라와 공유기 수십만 대가 악성 코드에 감염되어, 한꺼번에 공격 신호를 보내 여러 유명 웹사이트를 마비시켰다(미라이 봇넷). 또 집 안의 생활 패턴, 위치, 건강 정보가 기업의 서버에 쌓이므로, 누가 그 정보를 어디까지 쓸 수 있는지 정해야 한다.

기기에 기대는 만큼 고장의 영향도 커진다. 네트워크가 끊기거나 서버가 멈추면 기기가 작동하지 않을 수 있고, 센서가 잘못 재면 잘못된 판단이 자동으로 실행된다. 그리고 수십억 개의 기기는 전기를 쓰다가 결국 전자 폐기물이 되며, 기술을 쓸 수 있는 사람과 없는 사람 사이에 격차도 생긴다.

판단사물인터넷의 장점과 한계는 같은 뿌리에서 나온다. 모든 것이 연결되어 있기 때문에 편리하고, 같은 이유로 한 곳의 문제가 넓게 퍼진다. 그래서 중요한 기기일수록 인터넷이 끊겨도 안전하게 멈추거나 사람이 직접 조작할 수 있도록 설계한다.

확인조건이 달라지면

스마트 팜의 온도 센서가 고장 나서 실제보다 10 °C 낮은 값을 계속 보내고 있다. 한여름 낮에 이 온실에서 일어날 수 있는 일은?

탐구 2

교실 공기, 숫자로 보면 무엇이 달라질까?

실험 · 사물인터넷 센서 · 이산화 탄소 농도

수업 중
지금 농도
—
1000 ppm 넘은 시간
—
하루 최고
—

교실 부피 180 m³, 바깥 공기 420 ppm, 앉아 있는 학생 한 명이 1시간에 내쉬는 이산화 탄소 약 18 L로 계산했다. 센서(비분산 적외선 방식)는 1분마다 재고 ±(30 ppm + 3%) 오차가 있다. 점심시간(12:00~13:00)에는 교실이 빈다.

  1. 탐구 문제오후 수업에 유난히 졸리고 머리가 무거운 날이 있다. 교실 공기가 정말 나빠지는 걸까? 느낌이 아니라 자료로 확인하고, 그 자료를 반 친구들과 함께 보며 행동을 바꿀 수 있을까?
  2. 복원사람은 숨을 쉴 때마다 이산화 탄소를 내보낸다. 그래서 닫힌 방에서는 들어오는 양(사람 수)과 빠져나가는 양(환기)이 맞을 때까지 농도가 오른다. 학교보건법 시행규칙은 교실 이산화 탄소 농도를 1000 ppm 이하로 유지하도록 정하고 있다.
  3. 설계이산화 탄소 센서를 마이크로컨트롤러에 연결하고 와이파이로 1분마다 값을 보내면, 누구나 휴대 전화로 실시간 그래프를 볼 수 있다(사물인터넷). 여기에 교실 문 앞에 초록, 노랑, 빨강 표시등을 달면 그래프를 보지 않아도 상태를 알 수 있다.
  4. 분석문을 모두 닫으면 수업 50분 동안 농도가 계속 오르고 쉬는 시간 환기로 내려가, 그래프가 톱니 모양이 된다. 학생이 많을수록 오르는 기울기가 커지고, 수업 중 환기량이 늘면 농도는 더 낮은 곳에서 평형을 이룬다.
  5. 측정먼저 “모두 닫음”으로 쉬는 시간 환기 없이 하루를 기록해 보자. 그다음 쉬는 시간 환기만 켜고, 다시 표시등을 보고 창문 열기를 켜서 비교하면 1000 ppm을 넘은 시간이 가장 크게 줄어드는 방법을 찾을 수 있다.
  6. 오차·안전값싼 센서는 시간이 지나면 기준점이 어긋나므로 주기적으로 바깥 공기(약 420 ppm)에서 보정한다. 또 이산화 탄소 농도는 환기가 잘되는지 보여 주는 지표이고, 1000~2000 ppm 자체가 독성을 띠지는 않는다. 실시간 자료를 공유할 때는 교실이나 개인을 알아볼 수 있는 정보가 함께 퍼지지 않도록 한다.

확인조건이 달라지면

학생 수를 14명으로 절반 줄이고 환기는 그대로 두었다. 수업이 아주 길어져 농도가 더 오르지 않게 되었을 때(평형), 바깥 공기보다 높은 만큼은 어떻게 될까?

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