작품번호

453

제32회 전국학생과학발명품경진대회

빛 감지센서를 활용한

태양의 고도 측정기 제작지도

출품분야 지도논문 출품부문 학습용품

2010. 6. 9.

출품교사 최 동 우

지도학생 최 훈 규

- i -

차 례

1. 서 론 ·······················································································································1

가. 발명교육의 필요성 ······························································································1

나. 본 발명품의 지도 동기 ······················································································2

다. 지도활동의 목적 ··································································································2

2. 본 발명품의 아이디어 산출 도움 활동 ···························································2

가. 수업 전 3분 발명 훈화 ······················································································2

나. 발명가의 길 사업 ································································································3

다. 발명동아리 지도 ··································································································3

3. 선행 기술 조사 지도 및 문제점 탐구 ·····························································6

가. 태양의 고도와 관련된 초등학교, 중학교 교육과정 분석 지도 ·················6

나. 기존의 발명품 검색 ····························································································6

4. 탐구 활동 지도 설계 ····························································································9

가. 연구 대상 ··············································································································9

나. 아이디어 구체화 절차 ························································································9

5. 발명품 제작 지도의 실제 ·················································································10

가. 빨대 태양의 고도 측정기 지도(1차 작품) ···················································10

나. 빛 감지센서 태양의 고도 측정기(2차 작품) ···············································11

다. 빛 감지센서 태양의 고도 측정기(3차 작품) ···············································15

라. 실내․외 겸용 빛 감지센서 태양의 고도 측정기(최종작품) ···················17

6. 발명품 활용 전․후 비교 검증 지도 ·····························································20

가. 발명품의 활용도 검증 설계 ············································································20

나. 태양의 고도 의미 이해도 ················································································20

다. 위도별 태양의 고도 이해도 ············································································21

라. 과학 교사의 활용 결과 반응도 ······································································21

7. 지도 결론 ···············································································································21

가. 창의적인 발명품이 제작되었다 ······································································21

나. 실용적인 발명품이 제작되었다 ······································································21

다. 경제적인 발명품이 제작되었다 ······································································22

라. 지도 소감 ············································································································22

※ 참고문헌 ·················································································································22

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1. 서 론

가. 발명 교육의 필요성

1) 국가 사회적인 측면

오늘날에는 지식과 정보가 사회 발전의 원동력이 되고 있으며, 새로운 지식과 정

보의 창출은 시간이 지날수록 점점 가속화되어 우리 생활 전반에 엄청난 변화를 가

져오고 있다. 그래서 자원이 부족한 우리나라에서는 세계화 ․ 개방화 ․ 정보화에 따

른 신기술 개발과 기술의 질적 수준, 국가 경쟁력을 높이기 위해 부단히 노력하고 있다.

특허청이나 국가 기관에서는 발명 영재의 선도적인 역할을 할 수 있는 미래 영재

기업인 육성을 위한 다양한 방안들이 강구되고 있다. 발명 사이버 강좌 개설, 전국

학생과학발명품경진대회, IP 영재 기업인 육성, 과학 꿈나무 육성, 각종 과학 잔치

등 다양한 행사가 진행되고 있다.

각 기업에서도 창의적인 인재를 발굴하기 위해 다양한 프로젝트형 선발 방법들이

강구되어 시행되고 있는 등 국가 사회적으로 미래 사회를 능동적으로 리드할 수 있

는 창의적인 글로벌 인재 육성을 위해 총력을 다하고 있다. 과학기술 위성 2호

(STSAT-2)를 실고 6월 9일 발사를 앞두고 있는 한국 최초 우주 발사체인 나로호

(KSLV-Ⅰ)를 계발한 한국항공우주연구원 중 많은 사람이 과학 및 발명대회에 참

여하여 자신의 꿈을 키우고 도약의 기회를 마련한 경험이 있다는 통계도 있다. 이

렇듯 국가와 사회적인 차원에서 발명의 활성화에 대한 관심과 지원을 아끼지 않고

있는 실정이다.

이러한 맥락에서 학교 현장에서의 창의 과학 발명 교육의 중요성은 시대적인 요

청이라 할 수 있다.

2) 학교 교육 측면

발명교육은 생활 전반에 걸쳐 통합적인 고도의 지적 사고와 창의, 창작 기술을 필요로

하므로 단순한 지식과 사실의 습득보다는 학생들의 타고난 소질과 잠재력을 계발하여

새로운 아이디어를 창출할 수 있는 방향으로 지도되어야 한다. 이러한 활동은 모든 교

과 시간과 특활 재량 활동 시간 등 학교 및 가정생활의 전반에 걸쳐 관심을 가지고

자기 주도적으로 탐구하며 문제점들을 해결해 가는 과정에서 살아있는 발명 교육이

진행되는 것이다.

요즘 시대적인 요청에 따라 각 학교에서는 다양한 발명 동아리가 조직되어 운영되

고 있으며, 동아리를 조직하지 않더라도 많은 교사들이 발명교육의 중요성을 인식

하고 참여하여 활동하는 실정이다.

본 연구자도 과학을 가르치면서 교과 시간마다 관련된 발명품들을 소개함으로써

학생들에게 발명에 대한 관심을 가질 수 있는 기회들을 제공해 왔다. 또한 각종 봉

사활동이나 체험학습 등에서도 불편한 점이나 개선해야 할 내용들이 있으면 그것을

해결할 수 있는 아이디어를 학생들과 함께 연구하고 있다.

- 2 -

나. 본 발명품의 지도 동기

신입생들을 대상으로 다음과 같은 [발명가의 길] 사업들을 안내를 하였다.

교과 시간에 선생님께서 주의사항을 많이 하시거나, 친구들이 이해하기 어려운

학습 과제들을 찾아라.

봉사활동을 하면서 사람들이 불편해하는 것이나 개선해야 할 것들을 찾아라. 집에서 가족들이 짜증을 내거나 불편한 것들이 있으면 개선할 점들을 찾아라. 찾으려 관심을 가지고 노력하면 여러분은 바로 발명가의 길에 입문한 것이다. 찾았으면 선생님과 함께 고민을 해보자. 그리고 발명품으로 완성해 보고 대회도나가고 특허 출원하여 부강 대한민국 건설에 선두 주자가 되자.

위와 같이 안내를 한 결과 3월에 4명의 학생들이 찾아와 자신들의 아이디어들을 함

께 고민해 보자고 의뢰를 하였다.

이 중 훈규는 KINTEX에서 봉사 활동을 하면서 체험하는 학생들이 개념 오류를

범하는 내용을 가지고 찾아왔다. 태양의 고도는 “태양과 지평면이 이루는 각”인데

“그림자와 지평면이 이루는 각”이라고 해석하는 친구들이 많다는 것이었다. 그리고

지구본은 곡면인데 지평면이라는 개념에 오류가 있다는 것도 함께 지적을 하였다.

봉사 활동을 하면서 친구들이 범하는 오류를 찾아내는 탐구심과 문제 해결력이

우수하다는 생각을 하며 같이 고민을 하게 되었다.

다. 지도 활동의 목적

첫째, 빛 감지센서를 활용한 태양의 고도 측정기에 대한 발명 아이디어 산출을 위

한 다양한 도움 활동을 지도하고,

둘째, 아이디어의 첨삭 지도를 통하여 창의적이고 실용적이며 경제적인 발명품을

구안하여,

셋째, 아이디어 구체화 전략을 토대로 발명품 제작대회에 참가하여 과학적인 탐구

심과 발명의욕을 고취하는 데 목적이 있다.

2. 본 발명품 아이디어 산출 도움 활동

가. 수업 전 3분 발명 훈화

수업 전 발명 의욕 고취를 위해 3분간 발명 훈화를 하고 있다. 인공조미료, 워크

맨, 공기타이어, 안전유리, 포스트잇, 에어브레이크, 연필, 철조망, 스테인레스강, 청진기,

비디오 게임, 지하철, 야구공, 십자 드라이버, 뜀틀, 훌라후프, 요요, 볼펜, 미키마우스, 거

중기, 미니스커트, 안전면도기, 고무장갑, 치즈 등 다양한 발명 사례와 발명을 위한 생활

자세, 특허, 생각하는 사람이 되자, 일흔셋 할머니 발명가, 장애인 발명가 이동기, 현대

사회의 혁명, 나로호의 우주 발사체 등 과학 발명과 관련된 내용들을 간단하게 훈화 형

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식으로 지도하였다.

3분 발명 훈화자료

[주제 : 베네딕투스의 안전유리 발명]

인류의 역사상 20세기처럼 많은 변화와 발전을 가져온 시대는 없었다. 그중에서도 발

명은 인류의 의식주에 엄청난 발전을 가져다 주었다. 일상생활에 없어서는 안 될 유리

역시 20세기에 들어가면서 빠른 발전을 거듭하였는데, 그 발전의 이면에는 실로 믿기 어

려운 일들이 많았다. 안전유리를 발명한 프랑스의 과학자 에두아르 베네딕투스의 이야기

가 그 대표적인 것. 베네딕투스는 틈만 나면 거리를 거닐며 사색에 잠기는 버릇이 있었

다. 그러던 어느 날, 베네딕투스는 우연히 자동차 충돌사고를 목격했다.

‘꽝!’하는 순간 두 자동차의 창유리는 박살이 나고, 날카로운 유리조각에 차에 타고 있

던 사람들은 온통 상처투성이가 되어버렸다. ‘저럴 수가!’ 순간 베네딕투스는 몇 년 전

에 자신이 연구했던 셀룰로이드에 관한 실험을 생각했다.

‘그래. 셀룰로이드를 이용하면 유리의 위험성을 크게 줄일 수 있을 거야!’ 베네딕투스

는 큰 기대를 가지고 어떤 충격에도 박살나지 않는 연구를 시작했다. 그러나 온갖 노력

을 기울였음에도 베네딕투스는 결국 실패하고 말았다.

그로부터 15년의 세월이 흐른 어느 날, 고양이가 베네딕투스의 실험실을 돌아다니다

선반 위의 플라스크를 땅에 떨어뜨렸다. 고양이를 내쫓은 베네딕투스는 깨진 플라스크를

치우려다 말고 놀라운 광경을 목격하게 되었다.

산산조각이 났어야 할 플라스크가 풀로 붙여놓은 것처럼 금만 간 채 모양이 그대로 있

는 것이 아닌가. ‘세상에 이럴 수가!’

베네딕투스는 놀란 가슴을 달래며 조심스럽게 플라스크를 집어들었다. 그리고 15년 전

에 붙여 두었던 라벨을 보고서야, 그 플라스크 속에 셀룰로이드 용액을 담아두었던 기억

을 떠올렸다. ‘그러니까, 셀룰로이드 용액이 이 속에서 말라 얇은 막을 만든 것이고, 그

래서 유리조각이 막에 달라 붙여 박살이 나지 않은 것이고...’

생각이 여기에 이르자, 베네딕투스는 안전유리에 대한 연구를 다시 시작했다. 연구는

일사천리로 진행되었다. 베네딕투스가 발명한 안전유리는 두 장의 유리판 사이에 투명

셀룰로이드 막 한 개를 넣어 만든 것이고, ‘트리플렉스’라고 이름 지어졌다.

이 때가 1909년. 베네딕투스는 이 트리플렉스 제조법으로 특허를 받았고 부와 명예를

거머쥐게 되었다. 그리고 트리플렉스는 자동차 창유리는 물론 여러 용도로 쓰이며, 유리

의 위험성으로부터 인류를 보호하는데 크게 기여하게 되었다.

* 참고자료 : 한국발명진흥회 홈페이지 자료 왕연중의 글에서 편집 활용

나. 발명가의 길 사업

학생들의 입장에서 발명 활동에 관심을 가지고 참여할 수 있도록 [발명가의 길]

사업을 2쪽에서 서술한 것처럼 교과, 봉사활동, 가정생활 등 학생들이 활동하는 여

러 곳에서 관심을 가지고 탐구하는 습관을 가질 수 있도록 지도하였다.

다. 발명동아리 지도

발명동아리를 모집하여 발명인의 자세와 발명 아이디어에 대한 브레인스토밍을

시행하였다.

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1) 발명인의 자세

다음과 같은 주제를 중심으로 지도함으로써 발명에 대한 관심도를 높여 본 발명

품과 같은 아이디어를 산출하게 되었다.

주 제 주 요 지 도 내 용

기록하라둔필승총

(鈍筆勝聰)

-희미한 잉크가 뛰어난 기억력을 이긴다.

"탁월한 머리보다 무딘 연필이 앞선다"라는 독일의 격언과

같은 이 말의 뜻은 '아무리 머리가 총명한 사람이라도 비록

서투른 솜씨나마 기록하는 사람만은 못하다'는 뜻이다. 아이

디어는 항상 우리 주변 장소의 구별 없이 어디에나 굴러다

니며, 일하는 시간과 쉬는 시간을 가리지 않고 떠올랐다가

사라지는 것이므로 즉시 메모하는 습관을 가져야 한다.

여러

가지로

생각하라

.

왜 그럴까?

똑똑한 바보가 창의적인 생각을 한다.

모든 상품이나 자연을 관찰할 때 한 가지 이상 의문점을 품고

그것을 해결함으로써 더 발달된 사고가 나오기 때문이다.

정답은 있다.

단지 여러

개일 뿐이다.

발명 능력을 높이기 위해서는 또 다른 정답을 구하는 것이 좋

다. 즉 사물을 보고 생각하는 데는 부드럽고 함축성 있게 생

각의 중심을 수평으로 이동시켜 여러 가지 각도로 생각하는

것도 좋은 방법이다. 이처럼 답을 구하는 방법은 얼마든지 있

지만 중요한 것은 실제로 구하고, 찾는 일이다.

사실 발명적인 아이디어는 이따금 아주 가까운 곳에 그대로

방치되어 있다. 하나의 정답으로 만족하기 때문에 그 아이디

어가 보이지 않을 경우가 많다. 그러나 그 보이지 않는 또 다

른 정답을 찾을 수 있을 때 진정한 발명인이 되는 것이다.

고치지

말고

개선하라

.

중고품과

발명품의

차이

못 쓰는 물건(버리는 물건)을 이용하여 효과적으로 사용할

수 있는 방법을 연구할 때 가장 중요하게 구별해야 할 것은

폐품을 그대로 사용하면 중고품이고, 개선하면 발명품이

라는 사실이다. 폐품의 활용에는 기발하고 섬세한 두뇌의

회전이 필요하다. 그 폐품의 성질, 또는 기능을 파악하고, 아

무리 하찮은 부분도 그냥 지나쳐 버리는 우를 범해서는 안

된다. "이 폐품을 다른 곳에 사용할 수는 없을까?" 또 더할

것은 없는가?, 뺄 것은 없는가?, 모양을 바꿔 볼 필요는 없

는가?, 용도를 바꿔 볼 필요는 없는가?, 좀 더 크게 해 보거

나 작게 해 볼 필요성은 없는가? 등등 가능한 여러 각도에

서 생각해야 한다.

폐품발명이

환경을살리는

운동이다.

환경오염은 현대사회가 안고 있는 심각한 문제점 중의 하

나이다. 이런 문제점을 짚어보고 일상생활 속에서 환경의

중요성을 조금이나마 인식하여 그린환경을 만드는데 초석

을 다져야 한다.

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주제 주요 지도 내용

불 편 한

점을 찾

아라.

필요는 발명

의 시작

필요성이 발명을 낳는 원동력이 되기도 하며, 그 편리를

추구하는 노력의 결과가 바로 발명인 것이다. 세상에는 무

수한 발명품이 있지만 그 물건들을 발명한 사람들 중에는

전문가가 아닌 주부도 있고, 학생도 있고, 농부도 있다. 이

처럼 발명이나 아이디어라는 것은 누구에게나 가능한 것

이다. 그러나 사람마다 차이가 있는 것은 ‘필요의 욕구’의

차이가 있기 때문이다.

주변을 살펴

보라!

자기 생활에 대한 마음가짐에서 아이디어가 출발한다.. 더

좋은 인생을 바라고, 더 좋은 생활을 찾는 곳에 아이디어

는 태어나며 그런 현실성에 하나의 희망을 결합시키지 않

으면 발명은 결코 태어나지 않는다. 아무래도 좋다는 무기

력한 마음가짐에 빠진 사람은 몸은 살아있지만, 정신은 죽

어가고 있다는 사실을 명심해야한다. 그러나 다행히 우리

들의 주변에는 아침에 눈을 떠서 밤에 잠자리에 들 때까

지 이런저런 크고 작은 일들로 가득 차 있다. 따라서 우리

주변은 아이디어를 얻을 수 있는 소재의 홍수 속이라는

것을 알게 될 것이다. 그러므로 그때그때 '어떻게 하면 편

리할까?'라는 생각으로 연구하고 개발하는 습관을 몸에 익

혀야 한다.

2) 발명동아리 브레인스토밍

본 발명품을 포함한 학생들의 다양한 아이디어들을 발명동아리 학생들이 함께

참여하는 브레인스토밍을 통하여 많은 아이디어들을 구체화할 수 있도록 하였다.

본 연구자가 학생들과 함께 진행한 브레인스토밍 과정은 다음과 같다.

구분 브레인스토밍 과정

발명 아이디어가

있을 경우

① 발명 학생의 본인 발명품 소개 (동기, 문제점, 해결 방안,

장단점, 아이디어를 더 얻고 싶은 내용 중심)

② 발명품에 대한 모둠별 첨가 아이디어 토론

③ 집중 토의한 내용을 정리하여 발명 친구에게 선물

④ 본 차시 수업에서 얻은 아이디어를 구체화하여 다음 시

간에 구체화하여 발표

⑤ 전체 브레인스토밍을 통해 아이디어 추가 및 구체화하는

데 도움을 줌

발명 아이디어가

없을 경우

① 주변에서 쉽게 접할 수 있는 물건 하나를 선정

② 장단점과 자유스럽게 토론 협의

③ 아이디어 구체화를 위한 가장 이상적인 아이디어를 수렴

④ 발명 아이디어 구체화 전략 추진

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본 발명품에서 발명동아리 학생들과 함께 브레인스토밍을 하면서 얻은 아이디어

들은 다음과 같다.

♣ 기존의 발명품 문제점에서 그림자를 이용하면서 발생된 과학적 오류를 없애기

위해서 1차 작품과 같이 그림자만을 이용하는 발명품에는 한계가 있다.

♣ 하나의 세트화 보다는 여러 개로 분리해서 조립하면서 세트화 하는 것이 좋겠다.

♣ 실내에서도 하루 동안의 태양의 고도 변화 등 태양의 고도와 관련된 종합적인

실험이 가능하였으면 좋겠다.

3. 선행 기술 조사 지도 및 문제점 탐구

가. 태양의 고도와 관련된 초등학교, 중학교 교육과정 분석 지도

태양의 고도와 관련된 교육과정 내용들을 비교 분석함으로써 문제점들과 과학적

인 오류 내용들을 찾아 볼 수 있도록 지도하였다.

1) 분석 방법 : 교과서, 교사용지도서, 인터넷 학습 사이트

2) 분석 방향 : 과학적인 오류, 실험상의 어려움 등

첫째, 막대의 그림자 끝에 각도기 중심으로 실을 맞추어 태양의 고도를

측정하도록 하는데, 실질적으로 각도기 밑부분의 여백과 실이 움직여서 측

정하기가 어렵다.

둘째, 태양의 고도는 태양과 지평면이 이루는 각도인데 여기서 그림자를

이용하기 때문에 그림자와 지평면이 이루는 각도라는 과학적 오류를 범할

수 있다.

셋째, 고도의 개념을 이해하기 보다는 측정하는 활동 자체에 관심이 집중

되는 문제가 있다.

다른 한편으로 중학교에서는 계절 변화에 따라 태양의 고도가 달라지는 이

유를 투명 반구에서 태양이 움직이는 이동경로로 학습하기 때문에 이해하지

못하는 학생이 많고, 태양의 고도가 달라지는 이유를 직관적으로 탐구할 수

없는 문제점이 있다.

또한, 지구본에 지평면을 의미하는 지평면 부재를 부착하여 학습하도록

하는 방안이 있는데 이때에는 실제와 다르게 기울어져 있고, 부착되는 부분

이 쉽게 마모되는 문제점이 있다.

나. 기존의 발명품 검색

기존의 태양의 고도 측정과 관련된 발명품들의 문제점들을 정확하게 파악하고, 이

러한 많은 발명품들이 학교 현장에 일반화되지 않는 이유를 파악해 보도록 하였다.

1) 기존의 발명품 검색 사이트 안내

태양의 고도 측정과 관련된 발명품들을 검색하기 위하여 다음과 같은 사이트들을

검색하도록 하였다.

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년도 발명자 발명품명 발명내용 대표도

2009년

(은상)허재원

균형추를이용한 태양의 남중고도 학습기

지구본 안쪽에 붙인 자석과 균형추를이용하여 계절과 위도에 따라 태양의남중고도를 측정할 수 있으며, 지구의 내부구조, 위도와 경도에 대한 이해를 쉽게 할 수 있도록 되어 있다.

2007년

(동상)황민태

계 절 별태양고도측정 천구의

‘천구의’ 중심부에 태양이 위치하고그 주위를 지구가 공전하는 모형으로 태양의 남중고도를 계절별, 위도별로 측정할 수 있는 레이저광원을부착하였으며 지구모형에 LED광원을 부착하여 황도 12궁의 위치와 주변 별자리의 위치를 쉽게 찾을 있다.

사이트 이름 사이트 주소 검색 내용

국립중앙과학관http://www.science.go.kr/

[과학교육/행사]-[발명품경진대회]

전국학생과학발명품경진

대회 수상작품

경기도과학교육원http://www.gise.kr/

[경진대회]-[학생과학발명품]

경기도학생과학발명품경

진대회 수상작품

국제지식재산연수원

발명교육센터

http://iecteen.ipacademy.net/

[발명대회]-[대한민국학생발명전시회]

대한민국학생발명전시회

수상작품

특허 정보 검색 http://www.kipris.or.kr/ 특허, 실용신안

2) 기존의 태양의 고도와 관련된 발명품 검색 결과 정리 지도

2009학년도까지의 특허검색, 전국학생과학발명품경진대회와 대한민국학생발명전시

회 작품들을 검색한 결과는 다음과 같다.

가) 특허 검색(KIPRIS 검색)

발명품명 특 징 대표도면

천구의 및 지

구본 자동 구

동장치

공전축에 의해 회전되는 공전판 상면에 지구본 고정 설치되며 별자리가 표시된 투명천구의와 자전축에 의해 회전되며 세계지도가 표시되는 투명지구본이 각각 설치

다기능 학습

용 천구의

지평 좌표, 적도 좌표, 황도 좌표를 쉽게알 수 있으며, 관측자 자신은 천구의 안에 서 있다고 상상하면서 천구의 밖에서천체의 운동을 시뮬레이션 할 수 있는 다기능 학습용 천구의

지구의 겸용

천구의

본 고안은 지도가 인쇄된 인쇄지 내측 이면에 별자리를 네가티브 인쇄로 인쇄하여지구본 내의 조명전구 빛에 의한 별자리를 표현시키도록 한 지구의 겸용 천구의

나) 전국학생과학발명품경진대회 수상작검색 (http://www.science.go.kr/활용)

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2006년

(동상)최성규

직관적인

태 양 의

고도 종

합 관측

기

태양 광선을 직접 시각적으로 확인하며 태양의 고도 관측하고, 자바라식 태양 전구로 실내외 관측 가능,지구본에서 위도별 태양의 고도 변화 시각적으로 관측, 주변의 장난감케이스 폐품 재활용으로 가격 저렴하며, 조립식으로 세트화된 태양의고도 관측 발명품.

2001년

(은상)안경연

편 리 한

태 양 의

고도측정

각도기

간이고도 측정기의 원리를 응용하여, 각도기를 한곳에 고정시켜 놓고, 각도기의 각을 그림자의 길이를재는 곳까지 연장시켜 눈금을 표시하여, 그림자의 길이로 태양의 고도를 쉽게 측정할 수 있는 장치.

년도 발명자 발명품명 발명내용 대표도

2002년 최성규

이해하기쉬운 다기능 태양의 고도 측정기

태양의 고도 관측 활동을 쉽게 할수 있는 발명품. 각도기를 세워놓고실에 의해 발생하는 그림자를 이용하여 이때의 각도를 측정하여 태양의 고도를 편리하게 관측하면서 학습할 수 있는 발명품임.

2000년 박종성

태양의 고도측정 및계절의 관계실험기구 세트

지구본(투명반구)위로 자석과 태양의평행광선을 나타낼 수 있는 전구, 그리고 각도기를 달아 춘분과 추분, 하지, 동지, 때의 태양의 고도를 실내에서는 간접적으로 실외에서는 직접적으로 측정할 수 있도록 만듬.

2000년 이현종

태양의 고도변화와그림자의길이 변화를 측정할수 있는장치

일주 운동판을 좌우로 회전시킬 수있게 하여 계절의 변화에 따라 태양의 고도가 달라져 그림자의 길이가 변하는 것을 알 수 있게 함. 하루 중 태양의 고도에 따라 그림자의 길이가 변하는 것을 태양의 일주 운동으로 측정.

1999년 장욱지편리한 태양의 고도측정기

태양의 고도 측정기 앞에 볼록렌즈를 부착하여 빛이 고도계와 평행이되게 하므로 태양을 직접 보지 않고 태양의 고도를 정확하게 측정할수 있게 만든 과학 교재.

다) 대한민국학생발명품전시회 수상작 검색 결과(사이트 : 발명교육센터)

3) 기존 발명품들의 공통된 문제점 파악 지도

가) 기존 발명품들의 공통점 분석을 통한 문제점 분석 지도

기존 발명품들의 공통점을 분석해 보도록 한 결과

첫째, 모두 그림자를 이용하였다는 것이다. 태양이 지평면에 직접 비추어 줌으로써

태양과 지평면이 이루는 태양의 고도를 시각적으로 학습할 수 없다는 것이다.

둘째, 가격들이 고가이기 때문에, 학교에서도 3～4개에 불과하여 모둠별 학습에도

활용하기 힘들다는 것이다. 저렴한 가격으로 쉽게 태양의 고도를 학습할 수 있는

발명품이 없다는 것이다.

- 9 -

나) 본 발명품의 차별화 전략 설정 지도

기존 태양의 고도 측정기와 차별 전략을 설정 지도한 결과

첫째, 태양의 빛이 직접 비추는 것을 이용하여 태양의 고도를 관측함으로써 시각

적으로 태양의 고도를 쉽게 이해할 수 있도록 한다.

둘째, 저렴한 가격으로 제작이 가능하고, 직접 조립하여 실험 관측할 수 있는 조

립형 태양의 고도 측정기를 발명하였다.

셋째, 실내 간이 측정 및 실외 실제 측정이 가능하도록 한다.

넷째, 곡면인 지구본 위에서 지평면을 만들어 고도를 측정하기 때문에, 지평면과 태양

이 이루는 각이라는 태양의 고도 의미를 정확하게 이해할 수 있다.

4. 탐구 활동 지도 설계

가. 연구 대상

◑ 연구 대상 : 교하고등학교 1학년 최훈규

◑ 연구기간 : 2010. 3. ~ 2010. 7.

나. 아이디어 구체화 절차

◑ 학생이 발명아이디어를 생각해 낸 시점부터 시작

◑ 제작 기간작품 제작 추진 기간 : 2010. 3. ~ 2010. 7.(약 5개월)

◑ 아이디어 구체화 단계와 내용

제작 단계 제작 내용 세부 제작 기간

아이디어

도입

기존 태양의 고도 관측의 문제점 조사

2010. 3.교육과정 분석 및 브레인스토밍

기존의 태양의 고도 발명품 분석

작품 제작

1차 아이디어 구체화 제작

2010. 3.

-

2010. 7.

문제점 해결 방법 모색

2차 아이디어 구체화 제작

문제점 해결 방법 모색

3차 아이디어 구체화 제작

문제점 해결 방법 모색

4차아이디어 구체화 제작

제작 결과

및 전망 예상

제작 결과 및 전망 예상 2010. 6.

-

2010. 7.

발명품의 일반화 방안 강구

발명품 설명서 제작 및 발표 훈련

- 10 -

5. 발명품 제작 지도의 실제

가. 빨대 태양의 고도 측정기 지도 (1차 작품)

1) 1차 작품 제작 과정

가) 학생 생각

◑ 기존의 발명품보다 좀더 간편하게 제작 활용

◑ 햇빛에 의한 그림자로 인해 생성된 원 모양을 이용하여 측정

나) 주요 지도 내용

◑ 각도기를 빼었다 끼었다 탈착과 부착이 자유스럽게 제작

◑ 각도기의 크기를 크게 하여 보기 편하도록 제작

다) 아이디어 구체화 과정 지도

(1) 각도기 고정틀 제작 : 둥근 플라스틱 반구형에 각도기를 고정할 수 있도록 가

운데 부분을 자른다.

(2) 빨대 지시봉 제작

- 각도기의 각을 읽을 수 있도록 클립을 바르게 편다.

- 바르게 편 클립을 ㄱ자로 꺾어서 빨대 끝에 고정한다.

(3) 각도기 고정틀에 빨대 지시봉 고정하기

- 각도기 고정틀에 빨대 지시봉을 고정한다.

- 이 때 각도기의 중심점과 맞추고, 각도기에서 90° 직각의 위치에 빨대를 고

정한다.

(1) (2), (3)

라) 1차 작품 활용 방법지도

(1) 태양의 고도 측정

① 각도기 고정틀을 태양과 일치할 수 있도록 조정한다. 방법은 각도기의 그림자를

일직선이 되도록 하면 된다.

② 빨대 지시봉을 조절하여 빨대 구멍의 그림자가 원 모양이 될 때 가리키는 각도

를 읽는다.

- 11 -

(1) 각도기 고정틀 제작

- 바닥에 홈이 있는 페트병을 준비한다. 바닥 부분에 (홈이

있어야 지구본에 올려 놓으면 홈이 지구본의 곡선 부분에

밀착되어 지구본의 곡면을 지평면으로 활용할 수 있다.)

- 각도기 고정틀(윗 몸체)과 센서 고정틀(아래 몸체)을 만들

기 위하여 가운데 부분을 칼로 절단한다.

(2) 위도별 태양의 고도 비교 탐구

① 지구본 위에서 측정하고자 하는 위치에 측정기를 올려 놓는다. 바닥이 뚫려 있

어 곡면인 지구본 위에서 지표면과 평면을 유지할 수 있어 태양의 고도를 정확

하게 측정할 수 있다.

② 위도를 이동하면서 태양의 고도를 측정하며 위도별로 태양의 고도가 달라짐을

비교 탐구한다.

2) 1차 작품 활용 결과 문제점 탐구 지도

가) 정확한 그림자의 원이 만들어지지 않을 경우 고도 측정에 많은 시간이

든다.

나) 빨대 지시봉이 태양과 일치하는 지의 판단을 객관적으로 알려줄 수 있

는 방법이 없다.

다) 기존의 발명품처럼 그림자의 원리를 이용하였기 때문에 [태양의 고도가

그림자와 지평면이 이루는 각]이라는 과학적 오류를 범하기 쉽다.

나. 빛 감지센서 태양의 고도 측정기 (2차 작품)

1) 2차 작품 제작 과정

가) 학생 생각

◑ 재활용품을 활용하여 태양의 고도 측정하며 자원 보호에 앞장선다.

◑ 태양과의 일직선을 만들기 위해 빛에 반응하는 빛 감지 센서를 활용한다.

◑ 건전지를 쉽게 교체할 수 있도록 한다.

나) 주요지도 내용

◑ 외부에서 제어가 쉽게 되기 위한 스위치 부착한다.

◑ 지구본 위에서 관측 활동을 하기 위해 바닥이 안으로 살짝 들어가 있는 페트

병을 활용한다.

다) 아이디어 구체화 지도 과정

- 12 -

- 윗 몸체와 아래 몸체를 만들기 위해 절단한

페트병을 가위로 윗 몸체는 5㎝정도, 아래 몸

체는 8㎝정도 크기로 가위를 이용하여 자른다.

(페트병 입구 한 쪽을 2㎝ 가량 자른다. 각도

기를 끼웠을 때 각도가 잘 보이도록 하기 위

해서다.)

- 윗 몸체에 각도기를 끼우기 위해 홈을 판다.

- 각도기를 끼워서 각도기 고정틀을 완성한다.

(2) 빛 감지 센서 제작

- 빛 감지 새소리 회로에 소요되는 전자제품을 구입한다. (황화카드뮴 (CdS), 트랜

지스터 C1815, 전해콘덴서 47㎌, 마일러콘덴서 473, 마일러콘덴서 104, 저항

100㏀, 3.3㏀, 녹색트랜스(IPT), 빨간색트랜스(OPT), 스위치, 스피커, 전지, 전선,

회로기판)

- 회로도를 이용하여 기판에 전기인두로 납땜을 한다. 황

화카드뮴의 빛 반응 원리를 이용한다. 햇빛을 받으면

새 소리가 나고, 햇빛이 차단되면 새 소리가 나지 않는

성질을 이용하기 위해 스피커를 연결한다.

- 13 -

- 주변에서 쉽게 구할 수 있는 일회용 빨대에 검정 전기테이프

를 감는다. 그래서 빛이 빨대의 구멍으로만 출입하고 빨대 옆

에서 들어오는 빛이 실험 활동에 영향을 주지 않도록 한다.

- 클립을 펴서 ㄱ자로 만들어 빨대의 끝에 고정한다.

- 황화카드뮴 센서를 발대에 끼운 후 빛 감지 센서 회로와 연결

한다.

(3) 아래 몸통 제작

① 아래 몸통의 바닥은 홈이 있는 페트병을 활용한다. 홈이 있어야 지구본에서

위도별 태양의 고도 비교 실험할 때 지구본의 곡면을 지평면으로 만들어 주는

역할을 한다.

② 빨대를 지지할 수 있도록 빨대 크기에 맞는 아크릴 판을 이용하여 빨대를 고

정하고, 아크릴 윗부분에 클립을 펴서 끼워 고정한다. 클립은 각도기의 각도를

읽을 때 사용한다.

③ 아래 몸체 안에 빛 감지센서와 건전지를 부착하고, 스위치는 밖에 설치한 후,

황화카드뮴은 선을 연결하여 빨대 밑으로 넣어 아래 몸체를 완성한다.

① ② ③ (4)

(4) 각도기 고정틀과 아래 몸통을 조립하여 발명품을 완성한다.

2) 2차 작품 활용 방법 지도

가) 태양의 고도 측정

(1) 태양의 고도 측정기를 태양과 방향을 일치시킨다. 방법은 각도기의 그림

자가 하나의 선으로 될 수 있도록 맞춘다. 만약 각도기의 그림자가 선이

아니라, 뭉퉁하게 나오면 측정기를 돌려서 하나의 선으로 나올 수 있도록

태양과 방향을 맞춘다.

(태양과 일직선 - ○) (태양과 일직선 아님 - ×)

- 14 -

(2) 빨대의 각도를 조절하여 태양과 일직

선이 되었을 때 센서가 작동하여 새소

리가 들린다.

(3) 새소리가 들릴 때 클립이 가리키는 각

도기의 각도를 측정하면 바로 태양의

고도가 된다. 하루 동안 태양의 고도 변

화는 시간대별로 위와 같이 측정하면

정확한 관측이 이루어진다.

나) 지구본 위에서 위도별 태양의 고도 비교 탐구

(1) 적도 부분의 저위도 위에

태양의 고도 측정기를 놓

고 빨대를 이동하여 새소

리가 나오는 각도를 읽는

다. (저위도의 태양의 고

도 측정)

(2) 중위도 위에 태양의 고도

측정기를 놓고 빨대를 이

동하여 새소리가 나오는

각도를 읽는다. (중위도의

태양의 고도 측정)

(3) 북극 쪽으로 이동하면서

고위도 위에 태양의 고도

측정기를 놓고 빨대를 이

동하여 새소리가 나오는

각도를 읽는다. (고위도의

태양의 고도 측정)

2) 2차 작품 활용 결과 문제점 탐구 지도

가) 각도기 고정틀과 아래 몸통이 고정되지 않아 불편하다.

나) 건전지를 교체할 때 어려움이 있다.

다) 햇빛을 조금만 받아도 센서가 작동되기 때문에 야외에서 정확도가 떨어

지는 경향이 있다.

- 15 -

다. 빛 감지센서 태양의 고도 측정기 (3차 작품)

1) 3차 작품 제작 과정

가) 학생 생각

◑ 몸체를 좀 더 견고한 것으로 제작하여 안전성을 확보한다.

◑ 몸체를 분리할 수 있도록 하여 건전지나 다른 부속품들을 쉽게 교체 활용

할 수 있도록 한다.

◑ 빨대 구멍보다 작은 것을 지시봉으로 활용하여 태양의 고도를 측정하기 위

한 센서 작동 과정에서의 정확도를 높인다.

나) 주요 지도 내용

◑ 세트화가 가능한 기존 제품들을 찾아본다.

◑ 다 쓰고 버려지는 볼펜대를 활용한다.

다) 아이디어 구체화 지도 과정

(1) 아래 몸체 제작

- 빛 감지 센서 회로 구성한다

- 다 사용하고 버려진 볼펜대 속에 황화카드뮴 센서를 삽입한다. 볼펜대 끝

부분에 클립을 일자로 편 후 ㄱ자로 고정하여 각도기를 읽을 수 있도록 한

다.

- 아래 몸체에 회로, 건전지를 삽입하여 고정한다.

- 각도기 고정틀과 전원을 연결하고 끊을 수 있도록 연결구를 아래 몸체 윗

부분에 고정시킨다.

⇒ ⇒

(2) 각도기 고정틀 제작

- 각도기를 연결할 수 있도록 각도기 홈을 판다.

- 전원을 제어할 수 있도록 스위치를 부착한다.

- 각도기 고정틀과 아래 몸체의 전원 장치와 연결할 수 있는 연결 고리를 만

든다.

- 각도기를 끼워 각도기 고정틀을 완성한다.

- 각도기 고정틀을 아래 몸체와 연결하여 완성한다.

- 16 -

⇒ ⇒

2) 3차 작품 활용 방법 지도

가) 태양의 고도 측정

(1) 태양의 고도 측정기를 태양과 방향을 일치시킨다. 방법은 각도기의 그림자가

하나의 선으로 될 수 있도록 맞춘다. 만약 각도기의 그림자가 선이 아니라, 뭉

퉁하게 나오면 측정기를 돌려서 하나의 선으로 나올 수 있도록 태양과 방향을

맞춘다.

(2) 각도기 지시봉(볼펜대) 각도를 조절하여 태양과 일직선이 되었을 때 센서가

작동하여 새소리가 들린다. 이때 각도기 지시봉인 클립이 가리키는 각도를 읽

는다.

나) 지구본 위에서 위도별 태양의 고도 비교 탐구

(1) 위도별로 태양의 고도를 이동하면서 각도를 측정한다.

[저위도 - 높음] [중위도 - 중간] [고위도 - 낮음]

(2) 위도별로 센서가 작동할 때의 각도가 시각적으로 달라지기 때문에 적도 부분

에서는 고도가 높고, 극 지방으로 갈수록 고도가 낮아진다는 사실을 시각적이

고 직관적으로 위도별로 태양의 고도가 달라짐을 학습할 수 있다.

- 17 -

3) 3차 작품 결과 문제점 탐구 지도

가) 하루 동안의 태양의 고도를 비교 관측할 때 야외에서 하루 동안 매 시

간마다 관측 활동을 해야 한다.

나) 지구본 위에서 활용할 때 위로 높기 때문에 불안정하고, 조작하기가 불

편하다.

다) 지구본 위에서 손으로 잡고 있어야 하는 불편함이 있다.

라) 실내에서 하루 동안의 태양의 고도 변화를 측정하기 어렵고, 현재까지

발명된 발명품이 검색되지 않는다.

마) 지구본 위에서 작동하는데 높이가 높아 학습하는 데 불편함이 있다.

라. 실내․외 겸용 빛 감지센서 태양의 고도 측정기(최종 작품)

1) 4차 최종작품 지도 과정

가) 학생 생각

◑ 지구본 위에서 손으로 잡지 않아도 측정기가 지구본에 부착이 되어 쉽게 활

용하도록 한다.

◑ 실내에서 하루 동안의 태양의 고도 변화를 측정할 수 있도록 태양, 지구본,

태양의 고도 측정기를 종합 세트화 한다.

◑ 지구본 위에서 작동하기 쉽도록 몸체의 높이를 최대한 낮춰 제작한다.

◑ 실내 모의 실험과 실외 실제 관측 활동을 동시에 할 수 있도록 제작한다.

나) 주요 지도 내용

◑ 지구본을 자석 지구본으로 제작하여 탈부착이 가능하도록 한다.

◑ 지구본 위에서의 태양의 고도 측정기는 낮고 넓게 제작한다.

2) 최종 작품 제작 지도 과정

가) 자석 붙는 지구본 제작

- 자석이 붙는 아이론시트지(철지)를 구입한다.

- 기존의 지구본을 반으로 나눈다.

- 지구본의 남반구와 북반구 안쪽에 아이론시트지(철지)를 촘촘히 붙인다.

- 남반구와 북반구를 부착하여 자석이 붙는 지구본을 완성한다.

⇒

- 18 -

나) 받침대 제작

- 태양의 역할을 할 수 있는 전등을 준비한다.

- 중심에서 회전될 수 있는 받침대를 제작한다.

- 전등을 받침대 한 쪽에 고정한다. (간이 태양 역할)

- 중심부에 받침대가 회전할 때 봄, 여름, 가을, 겨울을 알 수 있도록 춘분-

하지-추분-동지 라벨을 만들어서 중심에 각각 붙인다.

- 자석 붙는 지구본을 받침대의 다른 한쪽에 고정한다.

⇒

⇒

다) 각도기 지시봉 제작

- 각도기의 중심에 작은 구멍을 뚫는다.

- 각도기의 반지름 크기로 볼펜대를 자른다. 이 곳에 클립을 잘라서 지시봉

역할을 할 수 있도록 안에 삽입한다.

- 황화카드뮴 센서를 볼펜 대 안에 넣은 후 각도기에 부착한다.

- 각도기 지시봉 고정은 열림방지 안전 뚜껑을 이용한다. 열림 방지 안전뚜껑은

회전은 되면서도 열림을 방지할 수 있기 때문이다. 회전하면 겉돌지만, 눌려서

열면 열리기 때문에 몸체에서 탈부착이 쉽게 이루어질 수 있기 때문이다.

⇒ ⇒

라) 자성을 가진 빛 감지 센서 활용 태양의 고도 측정기 조립

- 낮고 넓은 플라스틱 상자 모서리에 네이디윰 자석을 부착한다.

- 빛 감지센서 새소리 회로를 꾸민 후 넓고 낮은 상자에 삽입을 한다.

- 각도기 지시봉 바닥에 구멍을 뚫어 아래 몸체와 연결하여 완성한다.

- 19 -

⇒ ⇒

[4차 작품 완성작]

3) 4차 작품 활용 방법 지도

가) 지구본 위에서 위도별 태양의 고도 비교 탐구 (실내 관측)

(1) 위도별로 태양의 고도를 이동하면서 각도를 측정한다.

[적도부분(저위도) : 태양의 고도가매우 높음]

[적도부분(중위도) : 태양의 고도가중간 정도임]

[적도부분(고위도) : 태양의 고도가매우 낮음]

(2) 하루 동안의 태양의 고도 변화를 실내에서 비교 측정할 수 있다. 측정하고자 하는

국가나 위치에 측정기를 고정하여 놓고, 지구본을 시계 반대 방향으로 회전시키면서

시간대별로 고도를 측정하면 된다. 아래 몸통은 지구본 위에 고정하고, 위 각도기 지

시봉만 회전하여 빛에 맞추고 센서가 작동되도록 각도를 맞춘 후 읽는다. 하루 동안

- 20 -

의 태양의 고도를 센서가 작동되는 각도를 읽으면 그 변화를 실내에서도 쉽게

비교 측정할 수 있다.

[ 새벽 동이 틀 때의 태양의 고도 ] [ 12시 정오의 태양의 고도 ]

[ 오후의 태양의 고도 ]

6. 발명품 활용 전․후 비교 검증 지도

가. 발명품의 활용도 검증 설계

1) 대상

～ 인근 초․중․고등학교 각 1학급 학생 총 101명 및 교사 12명

(초등학생 6학년 35명, 중학생 3학년 32명, 고등학생 1학년 34명)

2) 방법

～ 일반 태양의 고도 학습과 본 발명품 활용 학습 후 관찰 및 설문

나. 태양의 고도 의미 이해도

구 분

기존의 방법 본 발명품 활용

정확하게

이해

그림자와

관련지어

이해

이해

못함

정확하게

이해

그림자와

관련지어 해석

이해

못함

인원수 56 24 21 98 0 3비 율 55.4 23.8 20.8 97.0 0.0 3.0

기존의 태양의 고도 측정에서는 그림자를 사용하기 때문에 과학적인 오류를 범하

는 일이 많았으나, 본 발명품을 활용한 후에는 지표면과 태양이 이루는 각이라는

태양의 고도 개념을 정확하게 이해하는 것을 볼 수 있었다.

- 21 -

다. 위도별 태양의 고도 이해도

구 분

기존의 방법 본 발명품 활용

쉽게 비교 탐구관측 어렵고

이해 못함쉽게 비교 탐구

관측 어렵고

이해 못함

인원수 2 99 101 0

비 율 2.0 98.0 98.0 0.0

기존의 방법에서는 위도별 태양의 고도 변화를 구체적으로 설명을 해 주어야 이

해하는데, 본 발명품은 많은 설명이 필요 없이 직관적으로 위도별로 태양의 고도가

다름을 알고 이해하며 설명하는 것을 볼 수 있었다.

라. 과학 교사의 활용 결과 반응도

과학 선생님들의 교수 자료로 활용한 결과

첫째, 태양의 고도에 대한 개념 이해가 쉽다.

둘째, 실내에서 단 시간 내에 하루 동안의 태양의 고도 변화, 위도별 태양의 고도

변화 등을 쉽고 직관적으로 탐구 비교 관측할 수 있다.

셋째, 실외에서도 쉽게 태양의 고도를 측정할 수 있고, 활용이 매우 편리하다는

의견이었다.

넷째, 자성이 있는 지구본이나 본 발명품 세트를 다른 용도로 다양하게 활용할 수

있을 것이라는 의견들이 있었다.

7. 지도 결론

가. 창의적인 발명품이 제작되었다.

1) 태양 빛에 직접 반응하는 센서 활용 => 기존의 그림자를 활용하는 방법의 모

순에서 탈피하여 태양의 고도를 측정

2) 직접 조립하며 태양의 고도 원리 이해

3) 곡면인 지구본 위에서 지평면을 만들어 고도를 측정하기 때문에, 지평면과 태

양이 이루는 각이라는 태양의 고도 의미를 정확하게 이해

4) 위도별 태양의 고도 차이, 하룻 동안의 시간대별 태양의 고도 변화, 태양의 고

도 측정 등 태양의 고도와 관련된 학습을 종합적으로 학습

나. 실용적인 발명품이 제작되었다.

1) 실내와 실외에서 모두 관측할 수 있고, 태양의 고도 개념을 쉽게 이해할 수 있

기 때문에 초 중 고등학교 전학교에서의 활용성 높음

2) 고가인 기존의 발명품들보다 활용성이 높아 실용적

3) 누구나 제작이 쉽고, 휴대하기가 간편하여 활용도 높음

- 22 -

다. 경제적인 발명품이 제작되었다.

1) 제작 비용이 저렴하여 고가의 태양의 고도 측정기 구입 비용 절약

라. 지도 소감

【빛 감지센서를 활용한 태양의 고도 측정기】

교과활동, 방과후활동, 교내외 봉사활동 및 체험활동 과정에서 불편한 점들을 찾

아 발명의 생활화로 연계하고 싶은 마음에서 시작된 발명 교육이 결실을 맺게 되어

보람을 느낀다. 더 나은 발명품을 만들기 위해 노력하는 학생의 모습을 보면서 뿌

듯한 마음이 들었고, 이 발명품을 이용해 학생들이 태양의 고도 개념을 정확히 이

해하고 쉽게 측정할 수 있게 한 점은 큰 성과이다. 이 작품을 완성하기까지 모든

활동이 학생의 창의적 사고력과 문제해결력 신장에 큰 도움이 되었다. 이 작품을

제작하는 과정에서 여러 면으로 도움을 주셨던 분들에게 감사의 말씀을 올린다.

<참고문헌>

1. 초등학교 6학년 과학, 교육과학기술부, 2010.

2. 증학교 3학년 과학, 금성출판사, 2010.

3. 고등학교 지구과학Ⅰ, 금성출판사, 2010.

4. 고등학교 지구과학Ⅱ, 금성출판사, 2010.

5. 한국학교발명협회, 발명교육 교원연수교재, 2000.

6. 경기도교육정보연구원, 발명교육지도교사 직무연수교재, 2002.