인천대학교 과학영재교육원

Incheon Science Elite Program

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중등 사사과정 지도 개요 – 프로젝트 1
제 목	데이터 분석과 통계원리로 풀어보는 생활속 의사결정과 미래에 대한 예측
지도교수	성 명	최 원/박 기 섭	직 위	교수/객원교수
	소 속	수 학 과	전 공	통계학 및 응용수학
탐구분야	확률과 통계, 데이터분석		학년도	2019학년도
1. 탐구 필요성 현대사회에서 경쟁력을 갖추기 위해서는 실시간으로 쏟아지는 방대한 양의 자료를 효과적으로 분석하고 이를 활용하여 의미 있는 정보를 창출해낼 수 있는 능력이 무엇보다도 중요하다. 더불어 정치, 경제, 경영, 사회, 문화, 과학, 의료, 스포츠까지 통계가 적용되지 않는 분야가 없다고 해도 과언이 아닐 정도로 실생활과 관련된 무수한 통계를 접하고 있다. 통계는 우리의 실생활에 적지 않은 영향을 주고 있으며 실제로 많은 사람들이 통계에 근거해 불확실한 상황에서 의사결정을 내리기도 하고 미래의 변화를 예측하기도 한다. 이러한 능력을 배양하는데 본 사사과정이 매우 필요하다고 할 수 있다. 2. 탐구 목적 본 사사과정에서 실생활과 관련된 현실성 있는 문제를 통하여 기본적인 통계이론을 쉽게 이해하고, 이를 더욱 심화하여 불확실한 상황에 체계적으로 대처하고 논리적으로 처리할 수 있는 능력을 배양하고자 한다. 또한 복잡한 수리적 계산은 누구나 쉽게 접근할 수 있고 탁월한 통계처리기능을 가지고 있는 엑셀을 활용하여 학생 스스로가 능동적으로 결과를 도출할 수 있게 하고자 한다. 무엇보다도 사사과정에 참여하는 학생들이 통계 처리된 결과(숫자)의 내용을 완전히 이해하고 그것을 합리적인 의사결정에 활용할 수 있도록 한다. 3. 탐구 내용 ① 실생활과 통계학, 실생활과 관련된 자료의 분류, 정리와 그래프로 표현하기(with excel) ② 실생활과 관련된 자료의 특성을 대표적인 수치로 표현하기(with excel) ③ 실생활과 관련된 자료사이의 관계 찾기(산점도, 상관계수, 상관분석)(with excel) ④ 어떤 사건이 일어날 가능성, 확률 이해하기, 분포함수이해하기(이산, 연속, 표본)(with excel) ⑤ 실생활과 관련된 표본의 결과 이용하여 모집단의 특성 추론하기(추정과 가설검증)(with excel) ⑥ 주제를 설정한 후에 설문지를 통해 수집한 자료를 엑셀을 이용해 요약, 정리하고 통계분석하기 4. 탐구 방법 본 사사과정은 기본적으로 이론수업과 컴퓨터 실습을 병행하면서 진행하게 되며, 전 시간에 배운 사실을 확인하기 위하여 학생들과의 문답식 대화를 통하여 학생들의 수업에 대한 인지도를 파악하고 직접 설문 조사한 실생활과 관련된 문제를 통하여 본 과정에서 배운 내용들을 접목하여 활용할 수 있게 하고자 한다. 5. 기대 효과 통계학은 이미 그 자체로 굉장히 융합적인 분야일 뿐 아니라 다른 분야들과 어울려서 더 큰 새로운 융합 분야를 만드는 데도 더 적극적인 분야이다. 본 사사과정을 통하여 실생활과 관련된 문제를 통계로 풀어봄으로써 모든 것이 데이터화되는 무한 지식정보화사회에서 충분한 경쟁력을 갖출 수 있고, 어떤 문제를 통계적으로 바라보고 분석하는 능력을 함양함으로써 융합의 시대에 중요한 역할을 기대해 볼 수 있다.

화학교실

인천과학영재교육센터

중등 사사과정 지도 개요 - 프로젝트2
제 목	숨겨진 보물을 찾기
지도교수	성 명	황 인 호 / 강 정 민	직 위	교수 / 강사
	소 속	인천대학교 수학과 / 연세대학교 수학과	전 공	미분기하 / 위상기하
탐구분야	그래프이론, 위상수학, 네트워크 이론, 수학적 증명		학년도	2019학년도
탐구의 개요 : SNS 및 인터넷 검색을 통한 자료 찾기는 그래프 이론에 그 바탕을 두고 있다. 수학자 오일러는 쾨니히스베르크에 있는 프레게르강에 걸쳐 있는 일곱 개의 다리를 모두 한 번씩만 건너갈 수 있느냐 하는 것으로부터 유래된 한붓그리기 문제를 홀수 점, 짝수 점이라는 개념을 이용하여 한붓그리기가 가능한 경우와 불가능한 경우를 연구하였다. 이를 기초로 그래프 이론의 다양한 응용들을 알아보고 적용한다. 1. 탐구 필요성 : 그래프 이론은 물리학, 경제학, 생물학 및 응용수학 그리고 여러 다양한 분야에 적용된다. 이러한 분야들에서는 복잡하고 다양한 구조들과 문제들을 해결하기 위하여 알고리즘을 이용한다. 쉬운 문제 해결을 위하여 적은 시간을 이용하고, 보다 간단한 경로들을 찾아내는 것은 중요하다.ㅗ제그 2. 탐구 목적 : 다양한 분야에 대한 그래프 이론의 적용 및 응용을 알아보고 주변의 상황에 적용 가능한 여러 모델들을 탐구한다. 또한, 이들의 최적화를 연구한다. 3. 탐구 내용 : 선형대수학을 기본으로 하며 그래프의 대수학적 불변량을 정의한 대수적 그래프 이론, 그래프의 불변량을 분류하는 위상적 그래프 이론 및 유한 그래프의 여러 구조를 계산하는 방법을 연구하는 알고리즘 그래프 이론을 탐구한다. 이러한 여러 그래프 이론을 바탕으로 네트워크를 그래프로 간주하여 네트워크의 최적화의 방법 및 성질을 탐구한다. 4. 탐구 방법 : 기본 이론 학습 및 개별 문제 해결, 그룹 토의 및 조사 5. 기대 효과 : 인터넷 검색으로 자료 찾기, 전 세계 다양한 분야의 친구들 사귀기, 네비게이션으로 가장 효율적인 길 찾기 그리고 컴퓨터 게임 전략짜기 등은 모두 그래프를 이용한 최적화를 통하여 이루어진다. 수학적 최적화, 그래프 및 알고리즘을 응용하여 다양하고 원하는 목적에 알맞은 활동을 할 수 있다.

중등 사사과정 지도 개요 – 프로젝트 3
제 목	인공지능 기술을 이용한 침대에 누워 있는 사람의 몸무게 예측
지도교수	성 명	홍윤식	직 위	교수
	소 속	인천대학교	전 공	컴퓨터 공학
탐구분야	정보		학년도	2019학년도
탐구의 개요 1. 탐구 필요성 몸무게를 어떻게 잴까? 물론 체중계에 올라서면 몸무게를 쉽게 측정할 수 있다. 그러나 혼자서는 스스로 움직이지 못하는 할아버지, 할머니의 몸무게는 어떻게 잴 수 있을까? 침대에 누워 계신 상태에서 몸무게를 측정할 수는 없을까? 사람이 체중계에 올라서면 체중계 모서리 4곳에 배치된 하중(load cell) 센서를 사용해 몸무게를 정확히 측정할 수 있다. 그러나 누운 상태에서는 몸무게가 여기 저기 분산되어 정확히 측정할 수 없다. 어떻게 해결하면 좋을까? 먼저 하중 센서, 압력(FSR) 센서, 또는 Kinect 센서 등을 통해 누워있는 사람의 몸무게와 비례하는 값을 얻는 것이 필요하다. 그리고 비례 값을 통해 예측한 몸무게의 오차를 줄이는 것이 필요하다. 그렇다면 오차를 어떻게, 얼마나 줄일 수 있을까? 오차 범위 1Kg 이하에 도전해 보자! 2. 탐구 목적 인공지능 기법 중 기계 학습(machine learning) 방식을 이해하고 실제 이를 탐구 과제에 적용해 보고자 한다. 이 외에도 압력 센서, 하중 센서, Kinect 센서 등을 이해하고, 이들 센서가 계측한 값을 근거리 통신기술을 사용해 컴퓨터로 가져와 저장하고 분석하는 과정도 포함된다. 3. 탐구 내용 python과 기계학습 라이브러리인 scikit-learn 활용, 분류 방식인 SVM 등에 관해 탐구한다. 또 기계학습을 위한 train set, test set 생성 방식도 알아본다. 압력 센서, 하중 센서, Kinect 센서와 Arduino 보드와 Zigbee, Wi-Fi 통신 등에 대해서도 탐구한다. 4. 탐구 방법 scikit-learn 라이브러리를 활용한 기계 학습 방식을 이해하고, 압력센서, 하중센서, Kinect 센서 중 어떤 종류 센서를 사용할 것인지 결정한다. 적용할 센서가 결정되면 센서와 Arduino 보드를 이용하여 smart bed를 만든다. 측정된 센서 값을 기반으로 각 신체 부위에서 발생하는 압력 값들의 상관관계를 분석한다. 이를 통해 스마트 베드에 누워있는 사람의 몸무게를 예측한다. 5. 기대 효과 요양병원에서는 매일 매일 노인 환자들의 몸무게를 측정하도록 의무화되어 있다. 건강 상태가 좋고 나쁨을 판별하는 데 몸무게 변화만큼 직접적인 영향을 주는 것은 없기 때문이다. 고령 사회에 진입한 우리나라는 곧 초고령 사회에 진입한다. 여러분이 만든 탐구 결과는 노인 환자들의 건강 지킴이 역할을 할 수 있지 않을까? 몸무게에 관심 많은 여러분도 사용할 수 있지 않을까? 어제 밤늦게 배달시킨 치킨을 먹고 잤는데, 내 몸무게가 얼마나 늘었는지 아침에 일어났을 때 인공지능 침대가 알려주면 좋지 않을까?

중등 사사과정 지도 개요 – 프로젝트 6
제 목	비타민 C 수용액의 안정성과 비타민 C 농도 분석법
지도교수	성 명	김강우	직 위	교수
	소 속	인천대학교 화학과	전 공	화학
탐구분야	화학		학년도	2019학년도
탐구의 개요 1. 탐구 필요성 심화과정에서 ‘비타민 C의 정량’이라는 제목의 실험을 수행했었다. 적정법에 의해 레몬주스 속의 비타민 C 함량을 측정했는데, 비타민 C 수용액은 공기 중에 방치해둘 경우 불안정하여 비타민 C 농도가 감소한다고 하였다. 그런데 적정법으로는 미세한 농도 변화를 구분해낼 수 없어 보다 정확한 농도 분석법이 필요하다고 하였다. 비타민 C의 정확한 농도는 전문 분석기기인 HPLC를 이용해야 가능하지만 고가의 분석료와 복잡한 분석법으로 인해 이용하기 어렵다. 비색법에 의한 비타민 C 농도 측정으로 비타민 C 수용액의 안정성에 대해서 조사해보고 비색법으로 어떻게 비타민 C 농도를 간단하게 측정할 수 있는지에 대해서 탐구해보기로 한다. 2. 탐구 목적 여러 조건에서 비타민 C 수용액의 안정성을 조사하고 이를 위해 비타민 C 농도를 비색법으로 간단히 분석하는 방법에 대해 알아본다. 3. 탐구 내용 비타민 C 수용액이 온도, 비타민 C의 농도, 다른 불순물의 농도, 방치 시간 등에 따라 얼마나 불안정한지 즉, 비타민 C의 농도가 얼마나 빨리 감소하는지 알아볼 것이다. 다음 단계로는 주스 등 여러 비타민 C를 포함하는 음료를 사용해서 이들을 공기 중에 방치했을 때 음료에 따라, 방치 시간에 따라 비타민 C의 농도가 얼마나 감소하는지 알아볼 것이다. 미량의 비타민 C가 녹아 있는 비타민 C 수용액의 경우 적정법으로는 검출한계를 벗어나 측정하기 어려운데 이를 위해 비색법으로 비타민 C 농도를 알아내는 방법을 고안해보고 이를 적용하여 최적의 비타민 C 농도 분석 방법을 찾아내어 볼 것이다. 4. 탐구 방법 여러 비타민 C 수용액이나 음료 그리고 비타민 C 샤워필터를 거친 수돗물 등에 대해 비타민 C 농도를 잔류염소 측정기를 이용한 DPD 비색법으로 간접적으로 측정해 볼 것이다. 5. 기대 효과 특정 조건에서 비타민 C 수용액이나 음료의 안정성을 알아내는 것과 비색법에 근거한 비타민 C 농도 분석법은 의미 있는 연구 결과로서 활용도가 매우 높을 것이다.

중등 사사과정 지도 개요 – 프로젝트 7
제 목	나노입자를 이용한 유해물질의 검출 및 제거 연구
지도교수	성 명	김규원	직 위	교수
	소 속	화학과	전 공	전기분석화학
탐구분야	NT/ET		학년도	2019학년도
탐구의 개요 1. 탐구 필요성 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. 2. 탐구 목적 본 탐구과정이 목적은 유해물질 제거에 적합한 나노 입자의 합성과 그것을 이용한 유해 물질의 검출 및 제거에 있다. 낮은 검출한계와 높은 민감도를 갖는 나노입자의 설계 및 합성 그리고 고효율의 유해물질 제거를 탐구 목표로 한다. 3. 탐구 내용 다양한 금속 및 반도체 나노입자를 습식 방식으로 제조하고 이를 이용하여 유해 물질 후보군에 대한 검출 및 제거 가능성을 시험하며, 선택된 나노입자와 유해물질에 대하여 검출 및 제거 반응을 시험하고 최적화 한다. 4. 탐구 방법 담당 교수의 탐구 내용 소개 후 조교의 시범 실험 및 지도 하에 학생들의 나노입자 합성 및 유해물질 검출/제거 시험이 이루어질 것이다. 유해 물질의 검출은 분광학적인 방법과 전기화학적인 방법이 병행될 것이다. 5. 기대 효과 나노입자 합성과정을 통한 나노기술에 대한 이해 및 이것의 발전 동향 파악 유해물질 조사/검출/제거 과정에서 자연 환경 및 먹거리 환경의 중요성 인식 효율적인 나노입자의 합성을 통한 나노기술/환경기술 진보에 기여 양질의 탐구 결과를 활용한 특허 및 우수 논문 출간

중등 사사과정 지도 개요 – 프로젝트 9
제 목	내 방에 먼지에는 무엇이 있을까?
지도교수	성 명	최재혁	직 위	조교수
	소 속	생명과학부	전 공	미생물유전체학
탐구분야	환경미생물학		학년도	2019학년도
탐구의 개요 1. 탐구 필요성 미세먼지에 대한 관심이 높아지는 계절이다. 내 방의 먼지는 어떻게 만들어질까? 무엇이 먼지일까? 그곳에 미생물들도 있을까? 이번 사사 과정에서는 실내 공기를 측정하는 원리에 대해서 배워보고 먼지에 있는 물질들과 미생물을 확인하는 방법을 알아보고자 한다. 2. 탐구 목적 먼지를 골라내고 구성을 확인하는 방법을 알아본다. 먼지에 미생물이 함께 있을 가능성에 대해서 알아본다. 3. 탐구 내용 1) 실내 공기질을 측정하는 방법을 확인한다 - 대기 성분을 조사하고 측정 원리를 탐구한다 - 실내 공기질을 조사해보고 그 구성을 확인하는 방법을 탐구한다. 2) 미생물 분리 - 실내 공기의 먼지로부터 미생물을 분리한다 - 어떤 종류의 미생물이 있는지 확인한다. 4. 탐구 방법 1) 배지에 대해 이해하고 배양 방법에 대하여 배운다. 2) 현미경의 사용법을 익히고 다양한 조건에서 관찰해본다. 3) 실내공기 측정의 원리를 알아본다. 5. 기대 효과 1) 실내 공기에 대한 이해도 증진 2) 미생물은 분포에 대한 이해 증진