눈으로 보는 소리 실험실 (Vlabon 가상실험)

   
한국과학창의재단과 한국과학기술정보연구원 에서 만든 눈으로 보는 소리실험실이다. 

본 사업은 과학기술 진흥기금 및 복권기금의 재원으로 운영되며 우리나라 과학기술 발전과 사회적 가치 증진에 기여하기 위해 만들어 졌다고 한다. 

실험 전체과정을 필자가 제안해서 만들어진 가상 실험실이다. 비록 원했던 것이 모두 들어가지는 않았지만 중학교 소리관련 실험에서 소리를 녹음해 가며 파형을 비교하는 실험이 있는데, 별다른 앱 설치 없이 눈으로 보는 소리실험실 안에서 바로 교과서에 나오는 실험을 직접 해 볼 수 있다는 것에 의미가 있다.

눈으로 보는 소리실험실은 소리를 스피커를 통해 직접 들어 보면서 과학적 원리를 학습할 수 있다. 파동의 성질을 가상실험을 통해 학습한 후, 음파에서 진폭과 진동수를 변화시켜 보며 소리가 어떻게 달라지는지 탐구할 수 있고, 소리 분석에서는 소리를 직접 녹음해 가며 큰소리와 작은 소리, 높은음과 낮은음의 변화를 실험을 통해 확인할 수 있다. 

실험이 끝나면 자신의 목소리를 녹음해서 피아노 연주를 해 보거나, 목소리를 이용한 게임을 통해 배운 지식을 실생활에 응용해 볼 수 있다. 

 

1. 눈으로 보는 소리실험실 실행

Vlabon 사이트에 가서 소리실험실로 들어가거나
아니면 아래 링크에 접속해서 실행하면 된다. 
https://vlabon.re.kr/contents/6b99849af3acdc35d8d18cd19cc79c4a

눈으로 보는 소리 실험실

실행을 하려면 회원가입을 해야 하는데, 학생들 개개인 회원가입이 어려운 경우에는 교사가 학생들 아이디와 패스워드를 일괄 생성해 줄 수 있다. 한반 30면 아이디 생성해 놓고, 모든 반이 번호별로 같은 아이디와 패스워드 사용하게 해도 된다. 

단체학습자 만드는 방법은 아래 매뉴얼에 있다.

단체학습자기능활용매뉴얼_231010.pdf

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2. 눈으로 보는 소리실험실 구성

눈으로 보는 소리학습실에 들어가 보면 크게 2개의 방으로 구성되어 있다.

가. 첫 번째 방은 이론 학습실

이론 학습실은 아래 그림처럼 꾸며져 있다. 

하나하나의 방이 다 의미가 있다.

1) 소리굽쇠 실험

소리굽쇠 에서는 소리를 진동시켜 발생하는 음파가 전달되는 모습을 볼 수 있다.

소리는 공기의 진동에 의해 귀로 들어와야 들린다는 것을 시각적으로 확인하면 된다.

(이 가상실험에는은 오개념이 있다. 소리의 속력은 일정해야 하기 때문에  진동수가 높아지면 파장의 길이가 짧아져야 한다. 그래서 소리의 이동속도가 일정해야 하는데 이 가상실험에서는 파장의 거리가 진동수와 상관없이 변하지 않는다. 그래서 자세히 살펴보면 소리의 이동속력이 진동수가 높을수록 빨라지게 표현되어 있다. 학생들과 함께 오개념을 찾아봐도 좋을 듯...)

2) 가청주파수 실험

가청주파수에서는 사람들이 들을 수 있는 진동수를 확인해 본다.
사람이 들을 수 있는 가청주파수는 20-20000Hz 인데 사람마다 들을 수 있는 진동수가 다르다. 특히 나이가 들수록 고음을 잘 듣지 못한다. 
학생들과 누가 더 높은 진동수를 들을 수 있는지 확인해 보는 것도 재미있다. 필자는 12000Hz가 넘어가면 잘 들리지 않는다.
학생들은 똑같은 소리인데 누구는 듣고, 누구는 못 듣는 다는 것 하나만으로도 신기해 한다. 눈을 감고 소리가 들리는 사람만 손을 들어 보게 해도 좋다.

3) 파동의 성질
파동의 성질에서는 파장, 진폭, 진동수를 변화시켜 가며 파동을 관찰할 수 있다.

파동위에 위치한 빨간색 공이 이동하지 않는 것을 보여주면서 매질은 파동을 따라 진행하지 않는 다는 설명도 가능하다.
좌측상단에 초시계를 이용해서 직접 진동수를 측정해 볼 수도 있다.
실험이 끝나면 친구들이 요구하는 파동을 직접 만들어 보게 하면 좋다.
예)    영화감독이 되어 영화 한 장면으로 파도가 치는 장면을 만들어야 한다. 특수효과 담당에게 감독이 원하는 파도 모양을 정확하게 전달하려면 어떻게 해야 할까? 감독 입장에서 자신이 원하는 파도를 파장, 진폭, 진동수를 이용하여 정확하게 표현해 보자. 

4)  소리의 3요소

소리의 3요소 에서는 소리의 세기, 소리의 높낮이, 소리의 맵시등을 바꿔 가며 실험해 볼 수 있다. 
소리의 세기

세기를 바꾸면 들리는 소리가 커진다. 소리의 세기를 바꿔가며 관찰해 보면 진폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.
소리의 높낮이도 같은 방법으로 고음 저음일 때 진동수가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 

소리의 맵시

각 악기를 눌러보면 같은 음이 나는데 소리가 다르게 들리는 것은 소리의 파형이 다르기 때문이다. 

이론학습실에서 음파와 파동의 성질, 그리고 소리의 3요소까지 학습이 가능하다.

나. 두 번째 방은 소리 실험실. 

소리 실험실은 아래 그림처럼 꾸며져 있다. 

소리실험실에서는 컴퓨터나 스마트기기를 이용해서 직접 녹음을 해가며 실험해 볼 수 있다. 단순히 듣는게 아니라, 실제 실험을 하는 것이다.

1) 소리분석
중학교 교과서에 나오는 소리관련 실험을 모두 해 볼 수 있다.

마이크를 선택하고 실험에 참여하면 된다. 만약 마이크가 설치되어 있지 않은 컴퓨터기기라면 샘플을 누르고 들어가서 이미 녹음된 샘플 데이터를 활용해서 실험을 진행해도 된다.

마이크를 누르고 실험해 참여 하면, 
좌측 하단 메뉴에서 큰소리와 작은 소리를 선택하고 큰소리를 내면서 1번 소리 기록하기를 누르면 1번째 파형이 화면에 기록이 된다. 작은 소리를 내면서 2번 소리 기록하기를 누르면 2번째 파형도 화면에 기록이 된다. 그럼 바로 2개의 소리를 비교해 보면서 큰소리와 작은소리의 파형을 비교해 보면 된다.

소리의 높낮이나, 소리의 음색 실험도 같은 방법으로 진행하면 된다.

지우개 표시를 누르면 화면에 기록된 파형이 다 지워져서 새로 실험을 할 수 있다.
파형폭을 바꾸면 화면에 나타나는 파형을 좀더 자세하게 비교해 볼 수 있다.

<수업 팁> 온라인 피아노 활용

학생들에게 직접 악기를 준비해 오게 할 수도 있지만, 스마트기기만 있으면 웨 설치 없이 온라인에서 바로 악기 소리를 나게 할 수 있다. 온라인 가상 피아노를 아래 링크에 접속해서 실행시키면 된다.
https://onlinepiano.app/ko/

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 피아노 건반을 눌러 높은음과 낮은음을 낼 수 있다.
 우측 상단에 수단이 되는 아이콘을 누르면 악기를 바꿔 연주할 수 있으므로 음색을 실험할 때 파형이 바뀌는 것도 관찰할 수 있다. 
 소리의 크기는 스마트기기 볼륨을 조절하거나 마이크로부터 거리를 조절하면 된다. 

2) 목소리 연주

 자신의 목소리를 녹음해서 피아노 연주를 해 볼 수 있다. 

녹음 버튼을 누르면 카운트 다운이 되고 카운트 다운이 끝나는 순간부터  2초동안 녹음이 된다. 플레이 버튼을 눌러 소리를 들어보고 마음에 들지 않으면 마음에 들때까지 다시 녹음한다. 녹음이 잘 되야 피아노 연주가 가능해 진다.

(녹음 팁 : 카운트가 될때 0이 시작되기 전 부터 녹음을 한다. 녹음은 앞부분 1초 정도만 녹음하는 것이 좋다. 그래야 건반을 누를때 소리가 제대로 난다.) 

녹음이 잘 되었다면 다음을 눌러 음의 진폭과 진동수를 변화시켜 가며 소리를 들어 본다. 

그리고 다음으로 넘어가 자신이 녹음한 목소리로 피아노 연주를 해 보면 된다.

피아노 연주 하는 동안 REC 버튼을 누르면 자신의 연주를 녹음했다 다시 들어 볼 수 있다. 

3) 소리 게임

실험이 끝나면 응용해서 학생들과 재미있게 해 볼 수 있는 소리게임이 준비되어 있다.

 가) 우주선 게임(크기) – 소리의 크기를 조절해서 운석을 피해 끝까지 도달하는 소리게임이다.

 큰소리를 내면 우주선이 위로 올라가고, 작은 소리를 내면 우주선이 아래로 내려 온다. 목소리 크기로 우주선을 조절하면서 목적지 까지 도달해 보자.

 나) 탈출게임(음정)
주인공을 키보드 WASD 로 조절하면서 3층 옥상으로 탈출하는 게임이다.

 이동하다 장애물을 만나면 요구하는 소리의 음정을 내야 한다. 그럼 장애물이 제거되거나 이동하면서 3층까지 올라갈 수 있다. 누가 빨리 올라가는지 시합을 해보자.
 

3. 마치며

아직 미흡한 점이 있다. 피아노 건반 음정이 안 맞거나(이건 수정 되었다.) 조작이 미흡한 점이 있다. 수정을 요구해 놓았으니 곧 수정될 것으로 보인다. 중학교 소리 실험을 이 곳에서 다 해보고, 재미있게 게임도 해 볼 수 있게 만들었다. 수업시간에 잘 활용되면 좋겠다.

4. 추가

아래는 간단하게 만들어 본 수업 활동지다. 

<탐구활동1>  파동 발생

1. 탐구 준비
VlabON 가상실험에서 소리굽쇠 실험을 실행한다.

2. 탐구 방법
  가. 소리굽쇠를 쳐서 소리를 들어 본다.
  나. 가상실험에서 소리굽쇠를 실행시키고 진동수를 변화시키며 소리를 들어 본다.
  다. 물음표와 귀 모양을 눌러 내용을 확인해 본다.

3. 실험 결과 

 가. 공기가 진동하지 않으면 소리가 들리는가?
     소리는 진동이 매질 즉 공기를 통해 퍼져나가 귀에 들어오면 들린다. 따라서 공기가 진동하지 않으면 소리는 들리지 않는다.
 나. 소리굽쇠가 짧아질수록 진동수는 어떻게 변하는가? 
     소리굽쇠가 짧아질수록 진동수가 커지고 고음이 난다. 
 다. 소리가 귀까지 전달되는 과정을 적어 보자.
     소리굽쇠 진동 – 매질(공기)통해 음파 이동 – 귀
     이 중에 하나라도 빠지면 소리를 들을 수 없다. 

<탐구활동2> 파동의 성질 탐구

1. 탐구 준비
VlabON 가상실험에서 파동의 성질 실험을 실행한다.

2. 탐구 방법
  가. 파장을 바꿔가면서 파형을 관찰한다.
  나. 진동수를 바꿔가면서 파형을 관찰한다.
  다. 진폭을 바꿔가면서 파형을 관찰한다. 

3. 실험 결과 
 가. 파장을 크거나 작게 변화시키면 파형이 어떻게 변하는가?
    파장이 커질수록 골과 골 마루와 마루 사이의 거리가 멀어진다.

 나. 진동수를 크거나 작게 변화시키면 파형이 어떻게 변하는가?
    진동수가 커질수록 1초 동안 진동하는 횟수가 증가한다. 즉 더 빨리 진동한다.

 다. 진폭을 크거나 작게 변화시키면 파형이 어떻게 변하는가?
     진폭이 커지면 진동중심으로부터 마루나 골까지의 거리가 증가한다.

 라. 파동이 이동할 때 물 위에 떠 있는 공은 어떻게 움직이는가?
    공은 제자리에서 위아래로 진동한다. 파동이 전파될 때 매질은 이동하지 않기 때문이다. 

4. 응용하기- 용수철을 이용하여 파동 만들기
  모둠원들이 각자 생각하는 파동을 하나씩 적어 본다.

  친구가 제시한 파장, 진동수, 파형을 용수철을 흔들어 직접 만들어 보자. 
   친구가 제시한 파형을 만들 수 없다면 만들 수 없는 이유를 이야기한다. 

   영화감독이 되어 영화 한 장면으로 파도가 치는 장면을 만들어야 한다. 특수효과 담당에게 감독이 원하는 파도 모양을 정확하게 전달하려면 어떻게 해야 할까? 감독 입장에서 자신이 원하는 파도를 파장, 진폭, 진동수를 이용하여 정확하게 표현해 보자. 

소리의 특징 실험

<준비물> 
  1. 스마트기기(VlabON 실행이 가능하고 녹음이 가능한 스마트기기)
    - 녹음할 때 스마트기기 가까이에서 녹음하도록 지도하고, 필요하다면 외부 마이크를 연결해서 사용하도록 한다.
  2. 악기 또는 스마트기기(가상 피아노 연주 가능한 스마트기기)
    - 리코더나 하모니카와 같은 악기를 준비하도록 안내한다. 악기 준비가 어려운 경우 모둠원들 스마트기기 중 1개를 가상 악기로 사용하면 좋다. 


<실험 시 유의사항>
- 다른 모둠의 실험에 방해가 되지 않게 너무 큰 소리를 내지 않는다. 
- 녹음 시 잡음이 들어가지 않도록 주의한다.

<탐구활동1> - 소리의 3요소 실험

1. 탐구 준비
VlabON 가상실험에서 소리의 3요소 실험을 실행한다.

2. 탐구 방법
 소리의 세기, 소리의 높낮이, 소리의 맵시 실험을 수행하면서 아래 보고서를 작성한다. 

3. 실험 결과

<탐구활동2> - 소리 분석 실험

1. 탐구 준비

VlabON 가상실험실에서 소리 분석 실험을 실행한다.

2. 탐구 방법

 가. 마이크를 선택하고 입장한다.
 나. 준비한 악기 또는 스마트기기 전자피아노를 이용하여 소리를 발생시킨다.
 다. 파형이 나타나면 데이터 기록하기1을 눌러 파형을 기록한다.
 라. 같은 방법으로 다른 소리를 발생시키고 데이터 기록하기2를 눌러 파형을 기록한다.
 마. 2개의 파형을 비교 관찰한다. 
 바. 스마트폰을 이용하여 다음과 같이 연주한 음을 분석해 보자.

3. 탐구 결과

<탐구활동3> - 목소리 연주하기 

1. 탐구 준비

VlabON 가상실험에서 목소리 연주하기 실험을 실행한다.

2. 탐구 방법

 가. 목소리나 관심 있는 소리를 녹음을 눌러 녹음한다.
 나. 녹음 버튼을 누르면 2초간만 자동으로 녹음되기 때문에, 녹음 버튼을 누름과 동시에 바로 녹음해야 한다.
 다. 녹음을 재생시켜 보고, 마음에 들 때까지 다시 녹음한다.

3. 탐구 결과
 가. 녹음된 소리의 진동수만 변화시키면서 소리의 변화를 관찰한다.

☞ 녹음된 소리의 파형 중 (  진동수    )를 바꾸어 주면 연주도 가능하다.

 
<탐구활동4> - 소리 게임 응용하기

1. 탐구 준비

VlabON 가상실험에서 소리 게임을 실행한다.

2. 탐구 방법

 가. 소리의 크기(진폭)를 변화시켜 우주선을 조절할 수 있다.
 나. 소리의 음정(진동수)을 일치시켜야 임무를 해결할 수 있다.

3. 탐구 결과
 가. 누가 더 높은 점수를 받을 수 있는지 경쟁해 본다.
   - 우주선이 높이 올라가려면 큰소리를 내서 (  진폭  )을 크게 해야 한다.

 나. 누가 더 빠르게 도달할 수 있는지 경쟁해 본다.
   - 진동수가 높은음을 내기 위해서는 목소리의 음정을 (   높게     ) 내야 한다.

<과제> 소리 분석 프로그램을 이용해 “아~~~” 라는 소리를 길게 내고 반복되는 한 구간을 선택한 뒤, 자신만의 고유한 파형에 그림을 덧그려 재미있게 꾸며 보자.