2019학년도 중등 사사과정 연구 성과발표회

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<프로젝트 4> 소리 파동의 도플러 효과 측정 및 응용
참여자	산곡남중학교 권민재 신송중학교 김정규 신현남중학교 이예환
활동조교 지도교수	물리학과 전영재 물리학과 박승룡

목적	직접 과학실험을 실행하여 보고 직접 데이터를 수집, 분석함으로써 과학실험에 대한 거부감을 없애고 조원들과 협동하는 법을 배운다. 또한 실험 설계와 조원들과의 이론 토의를 통해 문제해결력, 창의성과 탐구심을 증진시키고 문제를 해결함에서 성취를 느끼게 한다.
목표	파동에 대한 이해를 쌓아 도플러 효과 이론을 공부하고 실험을 설계한다. 그 후 도플러 효과를 응용하여 속도 측정기를 만들어본다.
내용 요약	소리의 성질을 확인하고자 소리에 관한 맥놀이 현상, 공명, 스피커의 원리 등 기초 실험을 진행하였다. 사전 실험을 통해 소리라는 현상에 대한 기초지식과 이론을 쌓았다. 그 후 도르래와 실, 추를 통해 1차원에서 음원이 움직일 때에, 도플러 효과 관측 실험을 설계, 진행하였다. 관측자의 위치를 음원의 진행 방향에서 벗어나게 하여 2차원까지 확장시켰다. 첫 번째 실험 설계에서는 실의 상하진동으로 인한 오차가 커 역학수레와 역학 트랙으로 실험을 설계하였다. 손으로 수레를 밀었을 때, 실험 결과가 등속에 가깝지 못하여 DC모터를 이용하여 등속을 만들고 역학수레에 음원을 달았다. 소리의 주파수를 분석하기 위해 Python을 공부하고 코드를 공부하여 FFT 프로그램을 사용하였다. FFT 프로그램과 도플러효과를 이용하여 속도를 측정하고 이론값과 비교했다.
기대 효과	이론을 공부하여 일상생활에서 쓰이는 마이크와 스피커에 대한 더 깊은 이해와 일상 기기가 왜 그렇게 만들어진 지에 대한 합리적이고 논리적인 이해를 한다. 실험을 설계하여 이론값과 실험값의 오차를 관측한다. 그 오차원인을 생각하는 능력을 길러 과학자로서 필요한 실험적 사고 능력을 기른다. 실험 데이터 분석을 통해 Python 등의 코딩에 대한 중요성을 안다.

<프로젝트 2> 수학적 모델링을 통한 자연/사회 현상 관찰 (일본불매운동)
참여자	청라중학교 안소민
활동조교 지도교수	성공회대학교 윤명호 인천대학교 황인호

목적	자연/사회 현상을 바라보는 관점에 있어 단순하게 관찰을 통한 결과만 얘기하거나 종종 경험적 예측 및 분석을 한다. 하지만 여기서는 수학적 모델링을 통해 좀 더 명확한 예측과 분석을 하고자 한다.
목표	여러 자연/사회 현상 중 일본에 대한 불매 운동인 사회현상을 살펴본다. 여러 수학적 모델을 통해 수식으로 나타내고, 그 수식을 풀어 해석함으로 미래를 예측하고 분석한다.
내용 요약	다양한 현상을 고민한 끝에 최근 7월 전후로 발생한 일본에 대한 불매운동이 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 롯데칠성의 주식을 통해 주식 가격에 미치는 영향을 알려진 함수들(1차 함수, 유리 함수 등)을 기초로 시도해 보았다. 이 모델 중 알맞은 모델은 에러 분석(평균 제곱근 편차)을 통해 확인하였고, 그 모델에 따른 미래 예측 및 분석을 하였다.
기대 효과	자연/사회 현상을 바라보며, 단순히 관찰하는 것이 아닌 수학을 통해 현상을 표현한다. 그리고 그 수식을 분석하여 현상이 어떻게 변하여 가는지 예측해보고 비교해 보는 분별력 및 판단력을 키울 수 있는 계기가 된다.

<프로젝트 3> 인공지능 기술을 이용한 침대에 누워 있는 사람의 몸무게 예측
참여자	진산중학교 김대환 부원중학교 박시원
활동조교 지도교수	컴퓨터공학과 김태환 컴퓨터공학과 홍윤식

목적	- 거동이 불편한 노인 및 환자의 체중을 측정하는 것은 쉽지 않다. 그러하여 그들의 체중을 다른 신체지수를 feature로 사용하여 체중을 예측해내는 것이 목적이다.
목표	- Python 및 머신러닝에 대한 이해도 확립 - Python과 Tensorflow, Scikit-Learn을 사용하여, 최소한의 feature로 실험대상의 체중을 최대한 근접하게 예측해내는 것
내용 요약	- SizeKorea(한국인 인체치수 조사 사이트)에서 매 5년마다 제작하는 인체치수조사보고서의 데이터를 바탕으로, 선형회귀분석을 통해 체중을 종속 변수, 다른 신체치수를 독립 변수로 하여 피실험자의 체중을 예측하였다. - Python을 활용한 체중 예측 실험을 위한 코딩 학습 및 머신러닝에 대한 기본적인 이해도 확립 - linear regression(선형 회귀)을 사용하여 작성한 코드에서 도출한 데이터들의 관계성을 예측하는 작업에 대한 이해 및 시행 - 3개, 4개, 5개 등의 feature를 활용하여 실험 대상의 체중을 최소한의 오차와 최소한의 feature로 예측해내는 것을 시도하였고 약 2kg의 평균 예측 오차로 3개의 feature(허벅지 둘레, 팔둘레, 키)로 몸무게를 예측해낼 수 있었음
기대 효과	- 카메라를 활용한 체중 예측 시스템에 적용되어 피실험자의 체중을 예측할 수 있을 것이다. - 환자, 노인의 체중을 재는데 필요한 인력과 시간이 절약되어 요양원과 병원에서의 환자 혹은 노인의 관리에 대한 효율이 높아질 것을 기대할 수 있을 것이다.

<프로젝트 1> 수도권 학생의 고등학교 선택과 진로 예측 데이터 분석과 통계원리로 풀어보는 생활 속 의사결정과 미래에 대한 예측
참여자	강화중학교 김지훈 관교중학교 박정혁
지도교수	수학과 최원/박기섭

목적	중학교 학생들의 고등학교 진학 고민을 덜어주고 최선의 선택을 할 수 있도록 도움을 위해 고등학교의 취업률, 진학률, 고등학교 선호도, 학교와 졸업 후 삶의 만족도에 대한 조사 결과를 바탕으로 수도권 학생의 고등학교 선택과 진로 예측을 하고자 합니다.
목표	온라인 설문지를 통한 고등학교 선호도와 학교 만족도를 조사하고, 통계청 자료인 고등학교 진학 후 취업률, 진학률에 대해 조사하고 결과 도출한 후, 결과를 바탕으로 고등학교 선택과 진로를 예측하여 중학교 3학년 학생들의 고등학교 선택의 고민을 덜어준다.
내용 요약	고등학교 진학 문제는 거의 중학교 2학년 또는 3학년 때부터 시작되는 고민 중 하나입니다. 대학을 위한 고등학교를 갈 것인지, 취업을 위한 고등학교를 갈 것인지 많은 고민을 하여 진학선택을 합니다. 그러나 자신과 맞지 않거나 취업이 뜻대로 되지 않는 경우가 있습니다. 그래서 중학생들이 고등학교를 진학 한 후의 학교 만족도를 조사한 후 향후 대학 진학률, 취업률은 어떻게 변할 것인지의 데이터를 분석하고 졸업 후, 현재의 삶의 만족도를 알려주어 수도권 중학교 학생들의 고등학교 진학 선택을 더 쉽고 적성에 맞게 할 수 있도록 도움을 주기 위해 이러한 주제를 정하게 되었습니다. 단지 중학교 학생들의 고등학교 선택 문제뿐만 아니라 현재 수도권 고등학생들의 진학률 및 취업률을 염두에 두어 청년 실업, 대학 진학 등의 현실 문제와 같이 고려하면 고등학생의 취업률 및 진학률의 변화를 잘 이해하고 새로운 시각을 가질 수 있을 것입니다. 1. 조사 방법 (1) 네이버 오피스의 네이버 폼 기능 활용 – 온라인 네이버 설문지 작성 사이트를 이용하여 온라인 조사를 실시하였습니다. 주로 조사하는 대상이 10대와 20대인만큼 온라인 설문조사를 이용하면 쉽고 빠르게 자료를 모을 수 있어 사용하였습니다. (2) 통계청의 자료 활용 – 인천과 경기 그리고 서울의 고등학생의 졸업 후 상황과 취업한 인원 등을 알아야 했고 광범위한 범위로 인해 조사가 어려웠습니다. 보다 정확한 자료를 알기 위해 ‘교육통계 서비스’ 라는 교육통계자료를 모아 정리해 둔 사이트에 들어가 취업률과 진학률을 고등학교별로 확보하였습니다. 2. 핵심내용 정리 및 결과 예측 (1) 핵심내용 정리 - 중학생, 고등학생, 졸업생을 대상으로 조사하였다. - 교육통계 서비스를 이용하여 수도권 고등학생의 졸업 후 동향을 조사하였다. (2) 결과 예측 - 중학생들이 가고 싶은 고등학교는 일반 고등학교가 가장 많을 것이다. - 고등학교 만족도를 조사하였을 때 보통 이상일 것이다. - 졸업생들의 생활 만족도는 보통 이상일 것이다. - 취업률은 학교 모두 점점 감소 할 것이다. 가장 높은 학교는 특성화 고등학교 일 것이다. - 진학률은 일반고가 가장 높을 것이다. 3. 결론 결론은 여기서 설명 드리지 않겠습니다. 결론을 이곳에서 먼저 보기보다 저희가 한 결과 예측을 보시고 여러분도 어떤 결과가 나올지 예상해 보시면 어떨까요? 저희가 이 발표에서 말하고자 하는 바는 데이터 분석으로 생활 속 의사결정과 미래에 대한 예측을 할 수 있고 여러 곳에서 사용된다는 것입니다. 예를 들어 저희가 발표할 이 내용처럼 데이터 분석과 통계를 통해 중학교 3학년 학생들의 고등학교 결정을 조금이나마 도울 수 있다는 것처럼 말입니다. 이 발표를 보고 중학생, 고등학생의 상황에 관심을 가지고 통계학에 관심이 생기는 계기가 되었으면 좋겠다고 희망합니다. 4. 유의사항 (1) 저희가 조사한 결과는 수도권 학생들에 한정된 결과이므로 대한민국 전체의 결과가 될 수 없습니다. (2) 온-오프 조사는 저희의 지인과 친구들로 거의 한정이 되어있고 많이 받을 수 없다는 제한 때문에 보편적인 수도권 학생들의 생각이 아닙니다.
기대 효과	본 사사과정을 통해 급속도로 변화하는 4차 산업혁명 시대에서 경쟁력을 갖추기 위하여 복잡한 세상의 현실성 있는 문제들을 통하여 통계적 원리를 쉽게 이해하고 데이터를 읽는 힘을 기를 수 있으며 복잡한 수리적 계산은 통계 패키지인 엑셀을 이용하여 결과를 도출해봄으로써 데이터를 해석하고 분석하는 능력을 함양함으로써 논리적인 사고를 배양할 수 있을 것이다.

<프로젝트 7> 나노입자를 이용한 유해물질의 검출 및 제거 연구
참여자	부원중학교 송예준 고잔중학교 이현윤 박문중학교 이창우
활동조교 지도교수	화학과 김하은 화학과 김규원

목적	오늘날 과학기술의 발전과 더불어 인간의 건강한 생활에 대한 사회적 요구가 커지고 있다. 따라서 대기 환경과 먹거리 안전에 대한 관심이 높아지고 있으며 이들 유해 요인에 대하여 적극적으로 대처하는 기술 개발이 필요하다. 나노 기술은 나노 크기의 물질이 가지는 장점을 활용하여 과학 기술의 난제를 해결하는데 큰 기여를 하고 있다. 특히 금속이나 반도체 나노 입자들은 화학 반응의 촉매로 널리 연구되고 있으며 이러한 촉매 특성을 이용하여 유해 물질의 검출 및 제거에 활용한다면 보다 효율적이며 효과적인 결과가 예상된다. 본 탐구과정이 목적은 유해물질 제거에 적합한 나노 입자의 합성과 그것을 이용한 유해 물질의 검출 및 제거를 통해 유해 물질 제거 방법에 대한 이해를 증진 시키는데 있다.
목표	본 탐구의 목표는 적철광과 금속으로 구성된 나노입자를 제조하고 이 나노입자를 이용하여 환경 유해 물질인 나이트로페놀을 환원시켜 유용한 물질로 변환하는 과정을 탐구하는데 있다. 동시에 분광학적인 방법으로 촉매의 성능을 평가하고 보다 고효율의 촉매를 제조함을 목표로 한다.
내용 요약	염료로 사용되는 프러시안 블루와 금속의 나노물질을 제조하고 제조된 물질을 열처리하여 적철광-금속 나노복합물질을 제조한다. 이 물질을 촉매로 활용하여 환원제의 존재 하에 환경 유해물질인 나이트로페놀을 아미노페놀로 변환시키는 화학 반응을 일으키고 이 반응을 통해 유해물질이 활용도 높은 물질로 변화 시킨다. 다양한 나노물질의 촉매를 제조하여 분광학적인 방법을 통해 촉매 반응의 반응 속도를 비교하고 가장 효율이 높은 촉매를 선정하고 그 이유에 대한 토론을 통해 촉매 성능에 대한 이해도를 높인다.
기대 효과	나노입자 제조과정을 통한 나노물질 제조기술에 대한 이해 유해물질 조사/검출/제거 과정에서 환경 및 자원 활용에 대한 이해도 증진 효율적인 나노입자의 합성을 통한 나노기술/환경기술 진보에 기여 양질의 탐구 결과를 활용한 출판을 통해 관련 기술의 전파

<프로젝트 8> 항구도시 인천에는 위해우려 외래곤충이 얼마나 있을까?
참여자	동방중학교 조예령 원당중학교 유준상 부원여자중학교 박영신 마전중학교 최인서 청라중학교 이예성
활동조교 지도교수	생명과학과 차영빈 생명과학과 배양섭

목적	최근 발견되는 붉은불개미를 비롯하여 외래곤충이 항구를 통해 많이 유입되고 있다. 국내에 유입된 외래생물은 2009년 896종에서 2014년 2,167종으로 증가하였으며, 2,167종 중 동물은 1,833종, 곤충을 포함한 절지동물은 260종이다. 그 중에서도 노린재목은 매스컴에 많이 알려지지는 않았으나 해충으로서 많은 피해를 끼치는 외래곤충이 상당수 존재한다. 이에 따라 항구가 많은 인천에서 발견되는 위해우려 외래곤충 중 노린재목에 속하는 소나무허리노린재와 미국선녀벌레의 발생현황을 파악하여 향후 생태, 분류학적 연구에 밑거름을 삼는다.
목표	외래곤충이 침입하기 용이한 지역 두 곳 (항구 근처인 월미공원, 소나무가 많이 분포하는 인천대학교)을 선정하여 지역에 외래곤충 발생 여부를 확인한다.
내용 요약	연안부두에 제일 가까운 공원인 월미공원에서 외래해충인 소나무허리노린재와 미국선녀벌레에 대한 분포조사를 시행하였다. 2019년 7월, 8월에 월미공원 동측 (제 6부두 인근)과 서측 (월미박물관역 인근) 소나무군락이 있는 초지를 쓸어잡기 및 채어잡기 방법으로 조사하였다. 이를 통해 월미공원 동측, 서측에 대한 곤충상의 조사결과를 확보하였다. 또한 인천대학교 남 2문에 위치한 소나무군락에서 큰 개체군의 소나무허리노린재를 관찰, 이들 개체군의 일부를 채집하여 사육을 시도하였다. 사사과정에 참여한 각 학생들의 집과, 학교 배양기에서 사육을 진행한 결과, 가정에서 사육된 개체는 한 집의 개체군만 채란하는데에 성공하였으나, 알의 부화에는 실패하였고, 학교에서 사육한 개체는 성공적으로 부화하여 사육데이터를 확보하였다.
기대 효과	야외에 나가 직접 채집을 해 봄으로서 생물학자로서의 기본 소양을 익히고 인천시의 외래곤충 발생현황 파악, 및 사육된 소나무허리노린재의 데이터를 바탕으로 추후 연구자료의 기초로 사용할 수 있도록 한다.

<프로젝트 6> 비타민 C 수용액의 안정성과 비타민 C 농도 분석법
참여자	청라중학교 김정윤 인하사대부속중학교 김정호
활동조교 지도교수	화학과 고진영 화학과 김강우

목적	비타민 C 농도를 손쉽게 측정하는 방법의 개발
목표	신규 개발 비타민 C 농도 측정법(잔류염소 비색법)을 이용하여 비타민 C 수용액과 비타민 C 음료 속의 비타민 C 농도 및 안정도 조사
내용 요약	1. 기존의 측정법과 신규 개발 측정법의 비교 1) Iodine 적정법으로 여러 농도의 비타민 C 수용액 적정 2) 신규 개발 측정법인 잔류염소 비색법으로 비타민 C 농도 측정 및 표준곡선 작성 2. 잔류염소 비색법으로 비타민 C의 안정성 조사 및 음료 내 비타민 C 농도 측정 1) 여러 조건에 따른 비타민 C 농도 감소 2) 음료 내 존재하는 비타민 C 농도 측정
기대 효과	고가의 장비나 복잡한 측정법을 사용하지 않아도 잔류염소 측정기를 이용해서 비타민 C 농도를 측정하면 비타민 C 농도 측정을 따로 맡기지 않고 즉석에서 측정할 수 있기 때문에 활용도가 높다고 판단된다.

<프로젝트 9> 내 방에 먼지에는 무엇이 있을까?
참여자	신송중학교 성소민
활동조교 지도교수	생명과학과 이지원 생명과학부 최재혁

목적	최근 미세먼지가 우리 생활에 어떤 영향을 끼칠 수 있는지 관심이 고조되고 있다. 미세먼지 입자 크기 자체가 생물에 영향을 끼칠 수 있으며 미세먼지에 함께 구성된 미생물들이 사람과 다른 생물에 영향을 끼칠 수 있다. 미세먼지 속에서 어떻게 미생물을 조사할 수 있는지 알아보고자 한다.
목표	미세먼지를 측정 및 포집하는 방법을 알아본다. 미세먼지에 존재하는 생물을 확인하는 방법을 알아본다.
내용 요약	1. 주변환경에서 미세먼지농도를 측정 내가 생활하는 공간에 따라서 미세먼지가 얼마나 달라지는지 측정해보았다. 학생들이 북적대는 교실은 생각보다 깨끗했지만 버스 내부는 외부보다 미세먼지가 훨씬 많았다. 2. 미세먼지의 포집 미세먼지 마스크는 정말 미세먼지를 많이 막아줄까? 일반 마스크는 미세먼지를 막는데 효과가 없을까? 이러한 궁금증에서 실험을 설계하여 보았다. 3. 미세먼지의 배양 미세먼지를 포집한 필름을 씻어 배지에 배양해보니 여러 종류의 미생물이 자라는 것을 볼 수 있었다. 배지의 종류를 다르게 하여 세균과 곰팡이의 포자를 구분하고자 했다. 미생물의 개수와 종류를 바탕으로 미세먼지에 붙어있는 미생물에 대해 이해해 보았다.
기대 효과	미세먼지 속에 미생물이 살아 있을 수 있음을 확인하였다. 그 미생물의 종류가 병원균이라면 문제가 심각할 수도 있을 것으로 보인다. 미세먼지나 미생물은 보이지 않는 작은 크기이기 때문에 간과하기 쉬운데 이들에 대한 적절한 실험 방법의 개발이 필요해 보인다.

<프로젝트 5> 질량 중심에 따른 강체의 역학적 운동 변화
참여자	구월중학교 장우현 고잔중학교 최찬우 연성중학교 신정하
활동조교 지도교수	물리학과 남기인, 김주경 물리학과 박영미

목적	질량 중심의 변화가 강체의 역학적 운동에 미치는 영향을 분석한다.
목표	질량 중심이 한쪽으로 치우쳐있는 구체의 빗면에서의 운동을 조사하고 속도 등을 기술하여 균일한 질량 분포로 이루어진 구체의 운동과 비교한다.
내용 요약	질량 중심이 한쪽으로 치우쳐있는 구체의 운동과 균일한 질량 분포로 이루어진 구체의 운동을 ‘질량 중심’의 위치, 속도, 가속도를 통해서 분석한다. - 질량 중심이 한쪽으로 치우쳐있는 구체의 운동과 균일한 질량 분포로 이루어진 구체의 운동의 차이점을 분석한다. - 질량 중심이 한쪽으로 치우쳐있는 구체의 불규칙적인 주기 운동의 원인을 분석한다.
기대 효과	본 탐구에서는 질량 중심이 다른 다양한 강체를 제작하고, 다양한 조건에서 역학적 운동을 측정하였다. 이러한 질량 중심의 계산 및 질량 중심에 따른 물체의 운동 분석은, 항공기 및 선박과 같은 안정성이 필요한 분야 또는 복잡한 시스템의 분석이 필요한 분야 등에서 응용될 수 있을 것으로 기대된다.