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AI 기술로 중력의 세계에 발들이다
과학토론, 정답보다 ‘질문’이 먼저

이 수업은 ‘AI·디지털 연계 실험탐구 기반 2022 개정 교육과정 질문하는 과학수업 워크북(고등학교)’ 집필에 사용한 내용이다. AI 기술을 수업에 융합시키려는 목표로 통합과학1에서 4차시 분량을 개발했고, VPython을 활용한 학생들의 과학적 사고력을 향상하는 것이 목표이다. 수업은 오개념을 다루는 흥미로운 역할극으로 시작하여 학생들이 스스로 문제를 발견하고 해결하도록 설계했다. 제한된 수업 시간을 고려해 간결한 토의 후 학생들이 직접 가상 실험을 제작하는 방식으로 진행된다. 교육 현장에서는 진도에 쫓겨 교사 주도의 수업이 이루어지기 쉽지만, 그냥 학생들을 믿고 맡겨보자! 코딩을 몰라도 생성형 AI를 이용하면 아주 쉽게 가상 실험을 제작할 수 있다.

활동 1 ┃ 모둠 토의

1. 아리스토텔레스, 제자 역할을 나누고, 짝을 이루어 다음 이야기를 같이 읽고 질문과 답변을 작성하시오.

가. 다음은 먼 옛날 아리스토텔레스와 제자들의 대화 내용이다.

제자들아, 앞으로 쏜 화살이 멀리 날아가는 이유에 대해 생각해 본 적이 있느냐?

화살이 활에서 빠르게 날아가는 것은 활시위가 강한 힘으로 밀어 주기 때문이 아닌가요?

맞다, 활시위는 화살이 움직이기 시작하는 원인이다. 하지만 활에서 벗어난 후, 화살은 여전히 날아가고 있지 않느냐?

그러네요. 하지만 활에서 벗어난 뒤에도 계속 날아가는 이유는 무엇인가요? 활시위의 힘은 이미 사라졌을 텐데요.

나. 활에서 벗어난 화살이 계속 앞으로 날아가는 이유를 설명하시오.

오개념이 있는 학생

“스승님, 저는 화살이 계속 날아가는 이유가 활시위의 힘이 화살에 저장되었다가 점차 소모되기 때문입니다.”

과학적 개념이 정립된 학생

“관성의 법칙 때문입니다. 발사된 화살은 공기 저항, 알짜힘이 작용하지 않으면 계속 처음 속도를 유지하며 날아갑니다. 화살을 밀어주는 힘은 없습니다.

아리스토텔레스는 다음과 같이 설명했다.

화살이 활에서 날아갈 때, 활시위는 공기를 밀어내며 화살이 운동을 시작하게 한다. 그리고 화살이 공기를 밀어내고, 화살 뒤에는 순간 진공이 생기지. 어제 공부한 ‘진공 부재론’ 기억하니? 자연은 진공을 싫어한단다.(Natura abhorret a vacuo.) 공기는 화살을 따라가며 화살을 계속 밀어주게 되느니라.

한 제자가 질문했다.

그럼, 왜 계속 멀리 날아가지 않고 땅에 떨어지나요?

다. 내가 아리스토텔레스의 제자라면 어떤 질문을 했을까? 질문 내용을 작성하고 짝이 이 질문에 관해 답변하시오.

(예시) “스승님, 만약 공기가 화살을 계속 밀어준다면, 어떤 화살이 더 멀리 날아가나요?”

(예시) “가벼운 화살은 진공이 금방 채워져서 처음에 빠르게 날아간단다. 하지만 공기의 저항에도 쉽게 영향을 받아 금방 날아가는 힘(운동 원인, causa movens)이 약해져 떨어진다. 반면 무거운 화살은 시작은 느리지만, 화살 뒤의 공기가 진공을 메우며 미는 힘이 더 오래 지속되어 더 멀리 날아간단다.”

라. 아리스토텔레스의 4원소설을 적용하여 화살이 날아가다가 땅에 떨어지는 이유를 설명하시오.

(예시) 화살은 주로 흙 원소로 구성되어 있어 자연적으로 아래를 향하려는 성질이 있기 때문에, 운동 원인(causa movens)이 약해지면 결국 본연의 자리인 땅으로 떨어집니다.

2. 같은 위치에서 화살을 가만히 떨어뜨리는 상황과 화살을 수평으로 쏜 상황에 관해 아리스토텔레스에게 물어보는 질문을 작성하시오.

(예시) 궁금한 게 있어요. 만약 제가 같은 높이에서 화살을 그냥 손에서 떨어뜨리는 경우와 수평하게 쏘는 경우, 두 화살은 어떻게 다르게 움직일까요? 그리고 두 화살 중 어떤 것이 먼저 땅에 닿을까요?

3. 모둠 토의에서 화살의 운동에 관한 대표 질문과 대표 답변을 결정하시오.

활동 2 ┃가상 실험

1. 물체에 중력만 작용할 때, 자유 낙하하는 운동과 수평으로 던진 운동의 차이점과 공통점에 대해 모둠별로 토의하시오.

지능형 과학실 on 가상 실험 확인하기

https://science-on.kosac.re.kr/body/archive/787/contents.do

2. 가상 실험에서 관찰한 물체의 운동을 설명하시오. 자기 생각을 작성해 보고, 모둠에서 달랐던 생각(다른 의견)이 있으면 구체적으로 비교하여 설명하시오.
(예시) 두 물체가 같은 높이에서 떨어지면 동시에 바닥에 닿는다.

(예시) 수평으로 던지면 옆으로 이동하니까 떨어지는 데 더 오래 걸릴 것 같다. 수평으로 던진 공은 처음 힘의 효과가 계속 작용하는 것 같다.

3. 모둠별로 자유 낙하 운동과 수평 방향으로 던진 물체의 운동에 관한 공통점과 차이점을 토의하고 정리해 보자.

공통점 차이점

(예시) 두 물체는 중력만 작용하여 아래로 가속된다.
수평으로 던졌는데도 자유 낙하랑 동시에 떨어진다.
수평 속도와 관계없이 낙하 시간은 같다. (예시) 자유 낙하는 그냥 아래로만 떨어지는데, 수평으로 던지면 멀리 날아간다.
자유 낙하는 직선으로 떨어지고, 수평으로 던진 물체는 곡선을 그리면서 떨어진다.
가상 실험의 내용으로 다음 토의 활동을 진행하시오.

질문하기
갈릴레이, 뉴턴이 아리스토텔레스의 제자였다면 어떤 질문을 했을까? 제자들의 질문에 어떤 답변을 했을지 질문 내용을 작성하고 짝이 이 질문에 관한 답변을 설명하시오.

갈릴레이 1 스승님, 만약 공기가 화살을 계속 밀어주는 것이라면, 공기가 없는 곳에서도 화살이 계속 움직일 수 있을까요?

답변 1  자연은 진공을 싫어하니, 공기가 없는 곳은 존재할 수 없느니라. 공기가 없으면 화살을 계속 밀어줄 수 없어 화살은 멈출 것이야.

갈릴레이 2 저는 높은 곳에서 물체를 수직으로 떨어뜨린 것과, 수평으로 던진 것을 실험해 봤습니다. 두 물체는 동시에 바닥에 닿았는데, 그 이유는 무엇인가요?

답변 2 그건 공기가 화살 뒤를 잘 메우고 오래 밀어주었기 때문이란다. 단순히 떨어진 화살보다 더 오래 유지된 것이지.

뉴턴1 스승님, 어떤 힘이 작용하지 않는다면, 화살은 원래 속도를 유지하며 계속 움직이지 않나요?

답변 1 아니란다. 운동은 원인이 있어야 계속될 수 있지. 운동 원인이 사라지면 물체는 본래의 자리로 돌아가려 하지.

뉴턴 2 물체에 작용하는 힘이 일정하다면, 속도는 계속 증가하지 않습니까?

답변 2 아니란다. 힘은 물체를 움직이게 하는 원인이며, 물체는 본래 자리로 돌아가려 하므로 계속 가속되는 것은 아니야.

활동 3 ┃AI를 활용한 VPython 시뮬레이션 만들기

1. VPython을 사용하여 자유 낙하와 수평으로 던진 물체의 운동을 시각적으로 표현하시오.

가. VPython 기본 환경 소개

① https://www.glowscript.org (위 QR 코드 참고)
② Sign in : 구글 계정으로 로그인 가능
③ 웹 버전을 이용하면 복잡한 프로그램 설치 없이 간단하게 3D 프로그램과 물리 시뮬레이션을 제작할 수 있다. (코드 첫 줄에 Web VPython 3.2 이 없으면 오류가 발생합니다. 코드를 전체 붙여 넣을 때 유의하세요!)

나. 생성형 AI에게 질문하여 시뮬레이션을 만든다.

(계속 질문해서 수정할 필요가 있다.)

프롬프트 예

GlowScript Web VPython 3.2 환경에서 실행 가능한 시뮬레이션 코드를 작성해 주세요. 두 개의 공이 같은 높이에서 출발하며:
- 하나는 자유낙하 (수직 운동)
- 하나는 수평 방향 속도를 가진 수평투사 운동

다. 만들어진 코딩에 실행 버튼을 추가, 잔상을 남기거나, 경로를 추적할 수 있다. 위치와 속도, 가속도를 표로 나타낼 수 있는 코딩도 도전해 보자.

2. 자신이 만든 코드를 실행(Run this program)하고 결과를 모둠원들과 공유한다.

답변하기 1  왜 두 물체가 동시에 땅에 도달하나요?
(예시) 수직 방향 운동은 중력만 영향을 주므로 두 물체는 같은 높이에서 동시에 떨어진다.

답변하기 2 수평으로 날아가는 물체에 작용하는 힘은 어떻게 코드를 작성했나요?
(예시) 수평 속도는 일정하고, 수직 방향에는 중력 가속도에 의한 속도 변화가 적용되도록 코드를 작성했다.

3 . 결과 분석 토의

가. 지구 주위에서 물체의 운동
① 높은 산에서 수평으로 발사한 공의 속력을 빠르게 바꿀 때, 어떤 운동을 하는지 자신이 만든 시뮬레이션 프로그램으로 설명하시오.
(예시) 속력이 빠르면 포물선을 넘어 곡선 궤도로 지구를 도는 인공위성 궤적처럼 운동한다.
② 지구 주위를 공전하는 달에 작용하는 힘을 설명하고, 달의 위치에 따라 힘의 방향이 변하는지 아니면 일정한지를 설명하시오.
(예시) 달에는 항상 지구 중심 방향의 중력이 작용하며, 달의 위치에 따라 중력의 방향은 달의 운동 방향에 대해 수직한 방향으로 계속 바뀐다.
③ 모둠별로 토론한 내용을 정리하여 중력의 작용으로 지구 주위에서 운동하는 인공위성의 운동을 설명하시오.
(예시) 인공위성은 수직으로는 낙하하고 수평으로는 등속 운동을 하는데 중력의 방향이 계속 속도의 방향과 서로 직각을 이루면서 지구 주위를 원 궤도로 운동한다.

변재윤 교사는 현재 동북고등학교에서 과학정보교육부장으로 근무하고 있다. 2024년부터 지능형 과학실 및 실험실 안전 지원단으로 활동하고 있으며, AI디지털 기반 물리학 수업을 위해 인공지능 기술, 자동화 기술 등을 공부하고 있다.