Stevens 나노세계로 보는 과학의 빅 아이디어

서문
역자 서문
서론 - 7~12학년 교육에서 나노과학의 중요성

Section 01 아홉 가지 빅 아이디어
서론 - 나노 규모 과학과 기술의 아홉 가지 빅 아이디어에 대한 기초적 과학 내용
Chapter 01 기초적 과학 내용
Chapter 02 기본적인 과학 내용의 응용
Chapter 03 나노과학기술을 한 발 앞으로
Chapter 04 나노과학기술과 사회


Section 02 나노과학기술을 7~12학년 교육과정에 융합하기
서론 - 교실에서의 나노과학기술
Chapter 05 크기와 규모
Chapter 06 물질의 구조
Chapter 07 힘과 상호작용
Chapter 08 양자 효과
Chapter 09 크기 의존 성질
Chapter 10 자기 조립
Chapter 11 도구와 장치
Chapter 12 모델과 시뮬레이션
Chapter 13 과학, 기술, 그리고 사회

Section 03 다음 단계
Chapter 14 도전과 전략

참고문헌
부록 A 빅 아이디어의 선정 과정
부록 B 2006년 6월 14~16일 개최된 나노과학 학습 목표 워크숍 참가자들
부록 C 대체 가능한 생산 전략
저자에 관해서
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역자 서문

이 책의 원제는 『The Big Ideas of Nanoscale Science & Engineering』으로 직역하면 ‘나노 규모 과학과 공학의 빅 아이디어’이며, “A Guidebook of Secondary Teachers”라는 부 제목이 붙어 있다. 중등 (과학) 교사를 위해 집필된 이 책의 취지는 첨단과학기술의 한 영역인 나노과학기술을 과학 교사가 이해하고 기존 과학 과목에 융합하여 학생들의 이해를 돕게 하는 것이다. 하지만 역자들은 이 책이 더 넓은 독자층, 즉 고등학생, 과학 교사, 예비교사뿐만 아니라 이공계에서 과학을 전공할 대학생에까지 적용될 수 있다고 판단하였다. 또한 원서에서 추구하는 나노과학기술에 대한 이해뿐 아니라 기존 과학(생물, 물리, 화학)에 나노 과학을 접목하면서 과학 전반을 관통, 이해할 수 있기에 책의 제목을 ‘나노세계로 보는 과학의 빅 아이디어’로 결정하였다.
나노 규모의 과학과 공학은 다양한 영역을 포함하는 방대한 학문이다. 과학자와 공학자들은 중고등학교 학생들이 나노과학기술이 미래의 삶을 이끌 중요한 과학의 한 분야임을 실감하길 바란다. 하지만 나노과학 연구를 하고 있는 역자가 학교에서 실제로 강의를 해본 바에 따르면 학생의 수준과 가르치고자 하는 내용 사이에는 큰 간극이 있었다. 이 책은 이 간극을 극복할 수 있는 방향성과 해결점을 제공한다. 본문은 매우 넓은 영역의 나노과학기술을 관통하는 9개의 핵심 아이디어를 선정하고, 선정 배경, 관련 지식, 다른 과학 분야와의 연계성, 교육과정과의 관련성 등을 통합적인 관점에서 서술하고 있다.
제시된 9개의 빅 아이디어를 읽다 보면 저자들의 통찰력에 놀라지 않을 수 없다. 다루는 내용은 분명 나노과학기술에 대한 소재와 현상인데, 읽는 중간중간 “아! 과학이 이런 것이구나!”라는 감탄이 절로 나온다.

1. 크기와 규모
2. 물질의 구조
3. 힘과 상호작용
4. 양자 효과
5. 크기 의존 성질
6. 자기 조립
7. 도구와 장치
8. 모델과 시뮬레이션
9. 과학, 기술, 사회

고등학교 교사에게 이 책은 현재 가르치고 있는 과학이 현실의 과학기술 연구 및 산업 현장과 어떻게 연결되는지 알려주는 체계적인 지침서가 될 수 있을 것이다. 특히 과학 영재학교, 과학고등학교, 과학중점고등학교 등 과학을 조금 ‘날것으로’ 가르쳐야 하는 교사들에게 큰 도움이 될 수 있다. 역자는 나노과학을 하는 과학자로서 과학 영재학교 및 과학고등학교 R&E 지도 및 심사를 수없이 경험해왔다. 재능과 흥미로 무장한 학생들이 어려운 연구 주제를 다루면서도 정작 실제 핵심에는 다가가지 못하는 모습에 볼 때마다 안타까웠는데, 이 책은 이를 해결해줄 매우 우아하고 직접적인 방법을 제안하고 있다.
이공계 진학을 희망하는 고등학생에게도 이 책을 권하고 싶다. 이 책을 읽은 고등학생은 교실에서 배운 과학이 현실에서 어떻게 활용되는지 구체적인 예시를 통해 알게 됨으로써 깊은 이해력을 기를 수 있을 것이다. 또한 교과서에 충분히 설명되지 않은 탓에 단순 암기로 지나갔던 많은 과학 내용을 몇 가지 관통 개념으로 연결할 수 있으며 어떠한 맥락을 가진다는 사실을 배울 수 있다. 이는 자연계열, 의학계열, 공학계열 등 이공계를 전공하는 학부생들에게도 동일하게 적용된다. 대부분의 학부 교육에서 나노과학기술을 본격적으로 다루기보다는 개론적으로 다룬다는 현실을 고려할 때 이 책이 제시하는 9가지 빅 아이디어를 잘 이해한다면 전공 학문을 수학하는 데에 큰 도움이 될 것이다.

저자 서문

나노 규모 과학과 공학(nanoscale science & engineering, 나노과학기술)은 새로 생긴 학문영역이다. 나노 규모 세계의 정의에 이견이 없지는 않지만, 일반적으로 나노 규모(nanoscale)는 높이-너비-길이 중 적어도 한 개의 치수(dimension)가 1~100 나노미터인 물질을 포함하는 것으로 정의된다. 새롭고 정교한 도구로 과학자들은 얼마 전까지만 해도 예측할 수 없던 방식으로 이 나노 규모 세계를 탐색하고 이해하고 있다. 이 규모에서 물질은 다른 규모에서 볼 수 없던 신기하고 때론 예상하지 못한 성질을 나타낸다. 나노과학기술 연구는 이 규모에서 나타나는 물질의 성질과 거동의 발견에 기초하여 건강과 환경, 농업, 식품, 물, 에너지의 지속가능성 등과 같은 다양한 영역에서 광범위한 사회적 함의를 갖는 새로운 생산물과 기술, 정보를 창조하기 위한 전략으로까지 빠르게 발전하고 있다.

나노과학기술 연구 결과의 발견, 기술, 정보를 이해하기 위해서는 높은 수준의 과학 소양이 요구된다. 학생일 때는 물론이고 성인이 되어 고도의 기술 사회에서 소임을 수행하기 위해서도 이와 같은 역량을 갖출 필요가 있다. 이러한 사회에서 우리는 급격한 과학적 진보에 대해 이해하고 의사결정을 내려야 한다. 교육에서의 국가 및 지역사회의 지도자는 과학과 공학 지식을 갖춘 시민을 폭넓게 양성해서 이 같은 사회적 수요를 충족하고, 경제적 번영을 지속하게 할 새로운 발견과 혁신에서 우세를 확보해야 한다.

이 책은 과학적 지식을 갖춘 시민을 위한 더 큰 사회적 요구의 맥락에서 나노과학기술을 다루는 동시에 과학을 교육하는 전통적인 방법이자 신뢰받는 시스템인 학교라는 작은 영역에 초점을 맞추었다. 새롭게 생성되는 나노과학기술 영역의 빅 아이디어(big idea)는 과학교육에 대한 새로운 접근법을 요구하는데, 이 책에서 그린 밑그림으로 여기에 다가가기 위한 논의와 논쟁을 지속할 수 있을 것이다. 이 책은 먼저 교사와 중·고등학년 과학교육에 관심이 있는 사람들을 위한 교재이다. 그러나 교실에서 나노과학기술을 학생들에게 소개할 때 가장 중요한 역할을 하는 것은 교사이므로, 교사는 나노과학기술의 내용을 이해하고 그것을 가르치는 교과에 융합해 넣을 줄 알아야 한다. 나노과학기술을 별도의 교과로 여겨서는 안 되며 나노 규모에서 일어나는 모든 교과의 과학으로 보아야 한다. 이러한 나노과학기술의 간학문적 속성 때문에 교사는 나노과학기술의 핵심적인 개념이 어떻게 교과를 넘어 연결되는지 배울 필요가 있다. 더불어 나노과학기술 내용은 새로운 교수학습 전략이 필요할 수 있다. 이 일은 단순히 나노과학기술 사례를 현재 수업에 추가하거나 나노과학기술 모듈을 현 교육과정에 끼워 넣는 것보다 훨씬 복잡하다.
이 책은 나노 규모 과학과 공학을 어떻게 가르쳐야 하는지에 대한 교수학습 방법, 수업계획, 활동, 특정한 전략을 제공하지 않으며, 나노과학기술을 위한 교육과정 순서를 기술하지도 않는다. 대신 나노과학의 개념과 현재 교육과정 사이의 연결점을 논의하고 나노과학기술에 관련된 전통적인 과학 내용을 다루는 새 방법을 논의한다. 교사의 기초적인 나노과학 내용, 지식, 기술을 발달시키는 데 도움을 주고 교사가 교실에서 나노과학기술을 효율적으로 융합할 수 있도록 설계되었으므로 중등교사에게 하나의 참고자료가 되어 나노과학기술 연구 개발을 통해 얻은 흥미롭고 새로운 발견과 응용을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다. 이는 곧 학생들을 21세기 과학교육에 진정으로 끌어들이는 일로 발전할 것이다.