융합인재 (STEAM) 교육의 총아, 루브 골드버그 장치 (Rube Goldberg Machine) 서울특별시남부교육지원청 발명교실 전담교사 박 상 민

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1 융합인재 (STEAM) 교육의 총아, 루브 골드버그 장치 (Rube Goldberg Machine) 서울특별시남부교육지원청 발명교실 전담교사 박 상 민 supermin@sen.go.kr

2 골드버그 장치란... Rube Goldberg 1950 년대 미국의 만화가 풍자 만화 루시퍼 교수 퓰리처상 수상자

3 가장 단순한 일을 가장 복잡하게 하는 장치 - 웹스터 사전

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5 루브 골드버그 장치와 안철수의 공통점 ? - KAIST, 정재승

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10 골드버그 장치의 역사

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13 퍼듀대학 개최 1987 년 대학부 고등부

14 World Lagest Goldberg machine Perdue Univ Team - 2012 World Lagest Goldberg machine Perdue Univ Team - 2012

15  우주인 선발대회 - 2006, 과학기술부 국내에 널리 알려진 계기

16 대한민국학생창의력올림피아드

17 골드버그 장치의 현재 제 1 회 국립과천과학관 골드버그 대회 2012.8.14

18 골드버그 장치의 미래 ?

19 골드버그 장치의 다양한 활용

20 제품 광고

21 혼다 'The Cog'

22 뮤직비디오

23 OK GO 'This shall too pass'

24 영화

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26 교육

27 일본 NHK 교육프로그램 ' 피타고라스위치 '

28 학교 소개

29 ' 미래산업과학고등학교 ' 홍보 동영상

30 취미 활동

31 'Doodle Chaos'

32 장영실의 골드버그 장치 ?

33 Rube Goldberg 1883~1970 년 장영실 자격루 1443 년 카툰에서 출발, 과학적인 해학 핵심 : 단순함을 복잡하게 만드는 역학적 과정 창의적인 과학으로 출발 정확한 시각을 이루는 연속적인 동작 핵심 : 과학적인 정확성과 디자인적 요소 WHO FIRST?

34 골드버그적 문제 해결의 실제 성인팀의 경우

35 프로젝트 - 해가 뜨면 울리는 알람

36 1 단계 - 태양전지로 최초 전원 공급하여 모터가 작동하고, 모터가 돌아감으로써 도르래가 레일위로 굴러간다. 2 단계 – 도르래가 A 위치의 곡선레일 위에 있는 쇠구슬을 밀어내어 쇠구슬이 B 위치까지 굴러간다. ① ② ② ② B A

37 3 단계 – B 위치의 구슬이 다음 레일을 따라 출발한다. 4 단계 – 구슬이 컵 안으로 들어가 컵이 무게에 의해 아래로 내려가면서 레일을 들어올려 새로운 구슬이 굴러간다. ③ ③ ④ ⑤ ⑤ ⑤ ④ 5 단계 – 깔때기 안에서 구슬이 돌면서 내려오고, 사선 장애물 레일을 따라 구슬이 내려온다.

38 6 단계 – 구슬이 도미노를 쳐서 순차적으로 도미노가 쓰러진다. 7 단계 – 시소 밑을 받치고 있던 도미노가 쓰러지면서 경사가 생겨 모노레일을 따라 바퀴가 굴러 내려온다. 8 단계 – 바퀴가 구슬을 밀어 구슬이 레일을 타고 스위치에 접지 된다. 9 단계 – 모터가 작동되어 스크류 기어를 따라 두 개의 구슬이 올라간다. 10 단계 – 구슬이 Ⓐ, Ⓑ 레일을 따라 내려오면서 Ⓐ 레일의 구슬이 판을 앞으로 쓰러뜨린다. Ⓑ레일의 구슬은 계속 굴러간다. Ⓐ Ⓑ ⑥ ⑦ ⑧ ⑧ ⑨ ⑨ ⑩

39 11 단계 – Ⓐ 레일의 구슬로 인해 쓰러진 판의 뒷면에 있는 레일을 따라 Ⓑ레일에서 굴러온 쇠구슬이 굴러 내려온다. 12 단계 – 구슬이 스위치에 접지되어 자명종이 울리게 된다. 알람 Ⓑ

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41 정형도구 1 정형도구 2 정형도구 3 정형도구 4 정형도구 5 과학상자 자동차레 일 구슬굴리 기 케이넥스 스카이레 일 프로젝트 도구 ( 정형도구 )

42 교구이름과학상자 개념, 원리창의적 구조물 만들기제작시간 2hr 동작 전동기, 바퀴, 도르래, 기어 난이도상 개요 여러 가지 구조물을 만들어 보며 창의력을 발휘할 수 있는 교구로 동력전달 과정과 다양한 움직임을 표현할 수 있다. 구성목록제작포인트 단순한 기계적 동작원리를 복합적으로 응용하여 복잡한 구조의 모형을 만들 수 있다. 힘과 속도, 회전비 등 구체적인 동력전달의 변화를 줄 수 있다. 전기 모터를 이용하여 물체의 위치 에너지를 증가시키는 동작을 구상할 수 있다. 논리적인 사고력으로 창안하여 설계, 조립 과정을 통해 다음 단계와 연결할 수 있도록 한다. 정형 도구를 이용한 구조물을 만들기에 가장 좋은 재료로 각 단계에 최대한 활용하면 좋다. 프로젝트 도구 ( 정형도구 1)

43 프로젝트 도구 ( 정형도구 1 예시 )

44 교구이름레일자동차 개념, 원리위치 에너지, 운동에너지제작시간 0.5hr 동작자동차, 공, 구슬 등난이도하 개요 물체가 굴러갈 수 있는 회전레일, 점프레일 등 다양한 레일 모양을 만들 수 있고, 레일을 따라 물체가 움직일 수 있다. 구성목록제작포인트 레일의 길이를 고려하여 회전레일, 점프레일 등을 구사할 수 있다. 레일 이음새가 매끄럽게 연결되도록 한다. 회전레일을 구사할 경우, 최초 물체의 출발점의 위치가 높아야 회전이 가능하다.( 마찰 때문에 에너지 감소 ) 레일과 미니카를 이용할 때 높이가 높을 경우, 다음 동작에 큰 힘을 주어 다음 동작이 매끄럽게 연결되지 않을 수 있으므로 주의한다. 레일을 자르거나 길게 이어 레일의 길이를 조절할 수 있다 프로젝트 도구 ( 정형도구 2)

45 프로젝트 도구 ( 정형도구 2 예시 )

46 교구이름구슬 굴리기 개념, 원리위치 에너지, 운동에너지제작시간 0.5hr 동작구슬류난이도하 개요 구슬이 가진 위치 에너지를 최대한 천천히 소모하면서 내려오는 장치를 만드는 교구로, 구슬이 내려오는 시간을 최대한 오래 걸리게 하여 제작하도록 한다. 구성목록제작포인트 기둥을 연결할 때 셀로판 테이프를 이용하여 튼튼하게 고정한다. 받침대의 위치와 균형을 잘 잡아 구슬이 구를 때 발생되는 진동으로 넘어지지 않도록 한다. 중간 중간 구슬의 속력을 줄일 수 있는 장치를 삽입한다. 전체 구조물을 바닥에 견고하게 고정하고, 다음 단계와 연결할 수 있는 연결고리를 구상하도록 한다. 프로젝트 도구 ( 정형도구 3 )

47 프로젝트 도구 ( 정형도구 3 예시 )

48 교구이름케이넥스 개념 + 원리창의적 구조물제작시간 2hr 동작바퀴, 도르레, 기어난이도상 개요 원하는 모양의 구조물을 만들어 창조적 활동을 할 수 있다. 구성목록제작포인트 로드는 커넥터와 커넥터를 연결시켜 준다. 여러 가지 길이와 컬러에 따라 모형과 크기를 조절할 수 있다. 도르래는 가장자리에 홈이 있는 바퀴로 줄이나 벨트 또는 체인 등을 걸어 무거운 물건을 들어 올릴때 힘의 방향을 바꾸어 주어 일을 쉽게 할 수 있도록 하는 장치이다. 기어는 가장자리에 톱니가 있는 바퀴로 2 개 이상의 기어가 맞물려서 2 개 또는 그 이상의 축 사이에 회전이나 동력을 전달한다. 또한, 동력전달, 속도전달, 방향전환의 역할을 수행한다. 바퀴는 바퀴통과 타이어를 조합하여 만든다. 커넥터는 로드와 로드를 연결시켜 각도의 변화를 만든다. 커넥터의 각도에 따른 모형의 변화를 생각할 수 있다. 프로젝트 도구 ( 정형도구 4 )

49 프로젝트 도구 ( 정형도구 4 예시 )

50 프로젝트 도구 ( 비정형도구 ) 1. 비정형 도구를 만만히 보지 마라 ! - 비정형 도구의 종류가 더 많다. 2. 기초적인 과학적 원리를 이용하라 ! 3. 재료에서 아이디어를 생각하라 ! 4. 두 가지 이상의 재료를 혼합하라 ! 5. 재료의 특징을 이용하라 ! 도체 - 부도체, 탄성, 무게, 전기력, 자기력 등 6. 도미노를 활용하라 ! 7. 장치의 견고하게 고정하라 !

51 고등학생팀의 문제 해결 풍선부풀려 터뜨리기

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68 초등학생의 문제 해결

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70 골드버그 장치의 가치 실패를 두려워하지 않는 도전

71 'SBC Insight' - 삼성그룹 사내방송

72 골드버그 장치와 STEAM?

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74 단위 장치와 롤링볼 에너지의 흐름과 변화를 순차적으로 가지고 있는 여러 장치들의 연합 단위 장치 골드버그 장치를 이루고 있으며 에너지의 흐름, 변환을 구현하는 개별 장치 도미노, 롤링볼, 마블런 등 골드버그 장치를 이루고 있으며 에너지의 흐름, 변환을 구현하는 개별 장치 도미노, 롤링볼, 마블런 등

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77 준비물 재료규격수량비고 1 폼보드 450*600*51 경사판 제작용 2 폼보드 225*300*51 3 폼보드 150*150*52 4 폼보드 450*15*58 레일용 막대 5 고무줄가운데 구멍 있음 1 탄성력 이용 6 침핀작은 통 1 레일용 막대 고정용 7 구슬유리 구슬 4 굴러가는 재료 8 방울지름 15cm 1 타종 9 가위, 칼 1 절단용

78 작업판 ( 폼보드 ½) 600mm 450mm

79 지지대 ( 폼보드 ¼)

80 지지대 보강판 ( 지지대 ½)

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82 제작

83 완성

84 제작 조건  하나의 구슬은 자신이 의도한 위치에서 출발  나머지 3 개의 구슬은 구조물 안쪽에 위치  다른 구슬에 의해 움직일 수 있는 동력을 제공받을 것  구슬과 구슬 간의 동력을 전달 시 구슬끼리 직접적인 접촉하지 말 것  4 개의 구슬은 모둔 한 곳에 모일 것

85 또 다른 조건  과학적인 원리를 이용하여 이동과 동력을 전달할 것  지레 2 회 이상  밀고 빠지기 2 회 이상  점프 1 회 이상  타종 2 회 이상  제작한 장치의 전체 작동 시간은 15 초 이상

86 지레의 원리  작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있다.  받침 점에서 힘 점까지 거리를 길게 할수록 큰 힘을 낼 수 있다.

87 지레의 종류

88 구슬의 이동

89 구슬의 이동과 지레의 작용

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93 구상도 1

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98 제작품 3

99 제작품 4

100 제작품 5

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103 구상도 그리기

104 여러분의 아이디어는 ?

105 아이가 그리고 싶었던 것은...

106 구상도의 중요성 시행착오를 통한 완성도 최소화

107 Rule Transform 1 회 이상 종이 울리면 안된다.( 같은 길 가지 않기 ) 구슬의 집합 장소를 2~4 곳으로 변경 구슬 출발 시간을 각각 따로... 지레의 원리 (3 종 지레 ) 모두 이용 여부 다양한 과학적 원리 이용 여부 소재의 변화 ' 점프 ' 의 높이 설정