지구의 탄생부터 기후 변화, 신재생 에너지 개발까지
우리를 둘러싼 자연 현상과 현실에서 만나는 다양한 문제들을
통합적 관점으로 살펴보고 미래의 대안을 모색하는 살아 있는 교과서!
2018년 9월부터 다섯 달째 이어지며 생태계를 무너뜨리고 약 4억 8,000만 마리 야생동물의 목숨을 앗아간 호주 산불. 산불을 재앙으로 만든 가장 큰 원인은 기후 변화에 따른 폭염과 가뭄, 돌풍이었다. 이처럼 전 지구적인 위기가 된 기후 변화 문제를 비롯해 생태계 보전, 미래의 에너지 자원 문제 등에 어떻게 대처할 수 있을까? 오늘날 복잡다단하게 얽혀 있는 환경 현상과 사회문제를 다양한 관점에서 파악하고, 여러 학문을 융합해 창의성과 전문성을 발휘할 때 우리는 비로소 문제 해결의 실마리를 찾을 수 있다. 미래 사회에 과학기술 창조력과 인문학적 상상력을 가지고 바른 인성을 겸비한 ‘창의융합형’ 인재가 필요한 이유다.
청소년들을 창의융합형 인재로 성장시키기 위해 신설된 ‘통합과학’ 교과는 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학으로 구분되어 있던 과학 과목을 서로 유기적으로 연결하며, 미래 사회를 살아가는 데 필수적인 통합적 시각을 길러주는 중요한 역할을 한다.
이에 경인교육대학교 과학교육과 신영준 교수와 학교 현장에서 학생들을 가르치는 김호성(화학), 박창용(지구과학), 오현선(생명과학), 이세연(물리학) 교사가 통합과학을 친절하게 안내하고 과학 개념을 완벽하게 이해하는 『통합과학 교과서 뛰어넘기 1?2』를 펴냈다. 무엇보다 이 책은 교육 과정을 개발하는 교육 전문가이자 현장 교사들이 실제로 학생들이 어려워하는 점이 무엇인지 파악하고, 통합과학에 좀 더 쉽게 다가갈 수 있도록 했다.
토론과 토의, 탐구활동 등 학생들의 참여가 중요한 통합과학 교과는 많은 배경지식을 요구한다. 이에 교과서에는 실리지 않았던, 학생들의 눈높이에 맞는 다양한 실생활 이야기를 담아 수업 참여와 논술에 유용한 폭넓은 과학 교양을 쌓을 수 있도록 했다.
이 책은 〈해냄 통합교과 시리즈〉의 두 번째 책으로, 변화된 교육 과정에 따른 교과 지식을 쉽고 재미있게 설명하는 것은 물론, 청소년들이 지식과 활동을 융합해 세상을 바라보는 안목을 높일 수 있도록 도와준다.
과학 개념 완벽하게 이해하고 자신의 언어로 설명할 수 있다!
해가 갈수록 수능 국어 ·영어 영역의 지문 길이가 길고 어려워지는 추세인데, 특히 비문학 영역에서 과학적 지식을 요구하는 지문이 등장하고 있다. 2018년에 치러진 수능에서 가장 어려웠던 문항으로 꼽히는 국어 영역 31번 문제는 ‘만유인력’을 다루었으며, 정답률이 약 18퍼센트였다.
2023년까지 정시 비중이 단계적으로 확대될 예정인 가운데, 수능 과목이 아닌 통합과학을 어떻게 공부해야 할지, 무엇을 준비해야 할지 학생들의 고민은 점점 커지고 있다. 통합과학은 기본적인 과학 개념을 명확히 알고 스스로 그려볼 수 있게끔 전체 흐름을 체계적으로 정립하는 것이 중요하다.
이 책은 교과 내용의 흐름을 충실히 따라가며 ‘물질의 규칙성’, ‘시스템과 상호 작용’, ‘변화와 다양성’, ‘환경과 에너지’ 등 4개의 영역을 2권에 걸쳐 담고 있다.
1권에서는 물질의 규칙성, 시스템과 상호 작용을 다뤘다. 물질의 규칙성 영역에서는 세상의 모든 것이 빅뱅으로부터 시작되었고 물리 ·화학적 결합에 의해 다양한 물질의 세계를 이루었음을 밝힌다. 시스템과 상호 작용 영역에서는 우리가 살고 있는 세상을 구성하는 시스템을 이해하며, 작게는 세포 수준에서 크게는 우주 수준까지 시스템의 작동 방식을 담았다.
2권은 변화와 다양성, 환경과 에너지를 설명했다. 변화와 다양성 영역에서는 인간이 자연의 변화를 어떻게 이용하고 있는지 살폈다. 환경과 에너지 영역에서는 인류가 생존을 위해 환경과 에너지 문제에 어떻게 대처하고 있는지 살펴보고 미래를 위한 대안을 모색한다.
교과 지식을 뛰어넘어 세상을 바라보는 안목을 키우다!
특히 각 꼭지마다 마련한 ‘더 배워봅시다’와 ‘프로젝트 하기’는 핵심 개념에 분절적으로 접근하기보다 각 개념들이 어떻게 연결되어 자연 현상을 이루고 있는지 종합적인 관점에서 바라볼 수 있도록 도와준다. 또한 ‘함께 읽으면 좋은 책’을 통해 교과 공부를 넘어 새로운 지식을 쌓을 수 있는 방법을 제안한다.
내용 이해를 돕는 풍부한 이미지와 실생활의 원리에 밀접하게 연결된 과학 텍스트들을 읽어나가다 보면 자연 환경과 맥락, 문명 속 과학기술이라는 큰 흐름을 하나의 스토리로 이해할 수 있게 될 것이다.
저자들은 ‘과학 공부’란 우리 주변에 일어나는 현상이나 원리를 ‘왜’ ‘어떻게’라는 키워드를 중심으로 탐구해 나가는 과정이라고 말한다. 이를 통해 세상의 다양한 현상에 끊임없이 질문을 던지고 새롭게 인식하는 능력을 기르기를 권한다.
이 책은 창의융합 인재로 나아가는 첫걸음으로서 통합과학 교과 공부에 도움을 얻고 싶은 청소년들은 물론, 아이들에게 과학의 재미를 알려주고 통찰력을 길러주고 싶은 교사와 부모들에게도 친절한 안내서가 될 것이다.
『통합과학 교과서 뛰어넘기』로 새로운 과학 개념 마스터하기
· 쉽고 명쾌한 개념 설명, 다양한 예시로 교과 지식을 빠르게 이해할 수 있습니다.
· 스스로 질문해 보고 다방면에서 식견을 넓힐 수 있는 풍부한 읽을거리를 담았습니다.
· 논리적인 과학 텍스트 읽기를 통해 토론과 논술에 자신감이 생깁니다.
· 각 장마다 수록된 다양한 프로젝트 활동을 통해 직접 체험하고 경험합니다.
들어가며 미래 사회에는 어떤 사람이 필요할까?
통합과학`을 만나기에 앞서 자연 현상을 새로운 관점에서 바라보기
1장 물질은 어떻게 생겨나고 모였을까?
2장 자연은 어떤 물질로 이루어져 있을까?
3장 역학적 시스템, 힘과 운동은 어떻게 작용할까?
4장 지구 시스템 속에서 살아가는 우리
5장 유기적이고 정교한 체제, 생명 시스템
통합과학 교과서 뛰어넘기
2권
1장 화확 변화, 지구의 역사를 쓰다
2장 생물 다양성,풍요로운 지구의 바탕
3장 생태계, 생물과 환경이 이루는 경이로운 관계
4장 신재생 에너지, 인류가 쏘아 올린 희망
미래 사회에는 어떤 사람이 필요할까?
인공지능과 구분되는 인간의 강점은 무엇일까요? 인공지능의 시작과 끝에는 인간이 있으며, 결국 인공지능은 가질 수 없는 지성과 감성이 우리에게는 있습니다. 이를 바탕으로 어떤 덕목을 길러야 할까요? 그것은 인간에 대한 이해와 사회에 대한 통찰, 자연과학적 원리 이해, 공학적 능력, 예술적이고 직관적인 능력, 세상에 없는 것을 상상하는 능력 등일 것입니다. 이미 알고 있는 지식을 기반으로 세상의 다양한 현상에 끊임없이 질문을 던지고 새롭게 인식하는 노력이 필요합니다.
? 신영준?경인교육대학교 과학교육과 교수
1권 본문
중에서
세상의 작동 원리를 이해하고 우주와 지구의 비밀을 풀다
멘델레예프가 자신만의 주기율표를 완성하게 된 계기와 관련된 일화가 있습니다. 멘델레예프는 상트페테르부르크 대학의 화학과 교수였습니다. 그런데 기숙사 생활을 하는 학생들이 밤새 카드 게임을 하고 다음 날 아침에 졸린 상태로 강의실에 들어오는 모습을 보고는, 학생들에게 자신이 연구하고 있는 원소의 규칙성을 알려주기 위해서 카드 게임을 도입했다고 합니다.
그는 종이로 만든 카드에 원소의 성질과 원자량을 적은 다음, 학생들에게 규칙성을 찾아서 배열해 보라고 하고, 배열이 끝난 학생은 기숙사로 돌아가도 좋다고 제안했습니다. 카드 게임에 자신이 있는 학생들은 몇 번이고 주어진 원소 카드 배열을 시도했습니다. 멘델레예프 역시 답을 모르고 제안한 것이라 학생들과 함께 수많은 시도를 했는데도 정확한 배열 방법을 찾지 못해 애만 태우며 시간을 보낼 수밖에 없었습니다.
그러던 어느 날, 멘델레예프는 꿈속에서 자신이 고민했던 원소의 규칙성이 반영된 주기율표의 모습을 보게 되었습니다. 잠에서 깬 그는 꿈속에서 본 장면을 그대로 옮겨 적었는데, 이것이 오늘날 우리가 사용하는 주기율표의 기본 틀이 탄생하는 순간이었습니다.
? 〈1장 물질은 어떻게 생겨나고 모였을까?〉 중에서
도시화와 기후 변화 등으로 인해 미래에는 농작물 생산량이 감소할 전망이라고 합니다. 그래서 2003년부터 식용 곤충에 대한 전문가 회의 및 연구가 이루어졌고, 2013년 유엔식량농업기구(FAO)는 곤충을 유망한 미래 식량으로 선정했습니다. 많은 사람들이 징그럽다고 여기는 곤충이 미래 식량으로 선정된 까닭은 무엇일까요? 무엇보다 곤충은 좁은 공간에서 사육하기 쉽고 단백질이 풍부하기 때문입니다.
단백질은 영어로 프로틴(protein)이라고 하는데, 그리스어 ‘proreios’에서 유래된 단어입니다. ‘첫 번째로 중요하다(primary)’라는 뜻이지요. 프로틴이라는 말의 유래만 봐도 알 수 있듯이 단백질은 사람을 비롯한 모든 생명체 내에서 생명 현상을 조절하는 필수 성분이며 생명체를 구성하는 주요 물질입니다. 생명체 내에서 화학 반응이 빠르게 일어나도록 도와주는 효소,
생명 활동을 조절하는 호르몬, 병원체를 물리치는 항체도 모두 단백질로 이루어져 있습니다.
단백질은 성장기의 청소년뿐만 아니라 노화가 진행되고 있는 성인에게도 꼭 필요한 물질이고, 머리카락과 손톱, 근육 등도 모두 단백질로 이루어져 있습니다. 우리 몸의 머리카락은 케라틴 단백질로, 피부는 콜라젠 단백질로, 근육은 마이오신과 액틴 단백질로 이루어져 있으며, 적혈구에 들어 있는 산소 운반을 담당하는 단백질은 헤모글로빈입니다. 인간의 몸뿐 아니라 공작의 깃털, 양의 뿔, 거미줄 등과 같이 여러 생물의 몸을 구성하기도 합니다.
- 〈2장 자연은 어떤 물질로 이루어져 있을까?〉 중에서
작은 자동차에 탄 사람이 더 큰 충격을 받는다?
뉴턴의 제3법칙에 의하면 ...큰 트럭과 작은 승용차가 충돌하면 두 자동차는 같은 크기의 충격량을 받는다. 두 자동차가 충돌하는 시간도 같으므로 작용하는 평균 힘의 크기 역시 같다. 그렇다면 탑승자가 받는 충격량도 같을까?
그렇지 않다. 두 자동차가 받은 충격량의 크기가 같으므로 두 자동차의 운동량의 변화량도 같지만, 질량이 서로 다르기 때문에 속도 변화, 즉 가속도가 다르다. 큰 트럭은 질량이 크기 때문에 가속도가 작고 작은 승용차는 질량이 작기 때문에 가속도가 더 크다.
두 자동차의 가속도는 각 자동차에 탑승한 탑승자의 가속도이기도 하다. 즉, 작은 자동차에 탄 탑승자가 더 큰 가속도로 움직이는 것이다. 그러나 두 자동차의 탑승자는 비슷한 몸무게(질량)를 가지고 있으므로 질량과 가속도의 곱인 ‘힘’은 작은 자동차에 탑승한 탑승자에게 더 크게 작용한다. (또는 작은 자동차에 탑승한 탑승자의 운동량의 변화량이 더 크다.) 그래서 작은 자동차에 탑승한 탑승자가 더 큰 충격을 받는 것이다.
- 〈3장 역학적 시스템, 힘과 운동은 어떻게 작용할까?〉 중에서
지진이 발생하면 언론에서는 “규모 얼마의 지진이 발생했다”, “진도 얼마의 지진이 발생했다”라고 보도합니다. 여기서 지진 규모와 진도의 차이는 무엇일까요?
지진 규모는 지진에서 방출되는 에너지를 수치화한 것으로 1935년 지진학자 찰스 리히터(Charles Richter)가 제안한 방식입니다. 그의 이름을 따서 리히터 규모라고도 하지요. 리히터 규모가 1.0 증가하면 지진에서 방출된 에너지는 101.5, 약 30배 증가합니다. 이는 지진 규모 1.0의 차이가 나는 지진에서 방출된 에너지는 30배 차이가 난다는 뜻입니다. 따라서 규모 7.0의 지진은 규모 6.0의 지진보다 30배 강하고, 규모 5.0의 지진보다 900배 강하지요.
그러나 큰 지진이 발생한다 하더라도 멀리 떨어진 지역에서는 잘 느끼지 못합니다. 이와 같이 특정 지역의 지반이 흔들리는 정도를 진도라고 합니다. 진도는 지진을 자주 겪는 나라(미국, 일본, 인도, 이스라엘, 필리핀, 타이완, 러시아, 중국 등)에서 각자 사정에 맞게 기준을 정해 사용하고 있습니다.
지진의 진도에 대한 기준이 없었던 우리나라는 2000년까지는 일본 기상청에서 사용하는 진도 계급을 사용하였으나, 2001년부터는 미국 등지에서 사용하고 있는 수정 메르칼리 진도 계급을 사용하고 있습니다.
- 〈4장 지구 시스템 속에서 살아가는 우리〉 중에서
닭가슴살을 먹으면 그 안에 들어 있는 단백질이 곧바로 체내로 흡수되어 근육이 만들어지냐고요? 그런 것은 아니고 위, 소장 같은 소화 기관에서 소화 과정을 거칩니다. 닭가슴살의 단백질이 크기가 작은 아미노산으로 분해되어야 세포 안으로 들어와 근육 형성에 필요한 단백질로 합성되는 것입니다.
이와 같이 우리 몸에서는 단백질이 분해되거나 합성되는 화학 반응이 일어나는데, 이를 물질대사라고 합니다. 사람을 비롯한 모든 생명체는 물질대사를 통해 생명 활동에 필요한 물질과 에너지를 얻습니다. 물질대사는 화학 반응이지만 생명체 밖에서 일어나는 화학 반응과는 다릅니다.
닭가슴살에 들어 있는 단백질이 생명체 밖에서 화학 반응을 통해 분해되려면 염산에 담가 200℃ 이상의 높은 온도에서 하루 동안 두어야 하지만, 생명체 안에서는 물질대사를 통해 35～37℃의 낮은 온도에서 1~2시간 만에 분해됩니다.
- 〈5장 유기적이고 정교한 체제, 생명 시스템〉 중에서
신영준 [저]
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