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2016 공학교육학술대회

메이커를 위한 피지컬 컴퓨팅기반의 STEAM교육프로그램

이철현

경인교육대학교 생활과학교육과

STEAM교육은 과학(Science), 기술(Technology), 공학(Engineering), 예술(Arts), 수학(Mathematics)의 학문적 요소를 긴밀하게 연결하여 특정 상황에서 문제를 창의적으로 해결하는방법을 추구한다. 이러한 STEAM교육은 미래사회에 필요한 융합형 인재 육성에 적합한 교육방법으로 통한다. 공학을 주요 대상으로 하는 공학교육 또한 창의융합형 인재를 양성하는 사회적 요구로부터 자유로울 수 없고, STEAM의 요소인 기술과 공학이 큰 축을 차지하므로, 공학교육이 STEAM교육을 하나의 방법으로 설정하는 것은 바람직한 일이다.2015개정 교육과정과 함께 교육 전면에 부상한 소프트웨어 교육은 컴퓨팅 사고력 증진을 목적으로 컴퓨팅 문제해결력을 강조하고 있다. 소프트웨어 교육 영역 중 프로그래밍 교육과 피지컬컴퓨팅은 교육과정의 많은 부분을 차지하고 있다. 특히 피지컬 컴퓨팅은 전기전자, 기계설계, 프로그래밍 등의 공학적 요소로 구성되기 때문에 공학교육에서 관심을 가지고 접근해야 할 테마이다. 피지컬 컴퓨팅은 아시모 반지가 공개한 아두이노를 기점으로 하고 있으며, 아두이노를 발전시킨 피지컬 컴퓨팅 교육도구들이 다양하게 개발되고 있다. 피지컬 컴퓨팅은 자신의 아이디어를 사업화하여 창업하는 메이커운동에서 주요 방법으로 활용된다.이 연구에서는 아두이노를 활용한 메이커 제품을 개발하는 STEAM교육 프로그램 개발 사례를소개하고자 한다. 이 STEAM교육 프로그램은 중학생을 대상으로 학생용 프로그램과 교사용 교재로 개발되었으며, 프롤로그, 생각열기, 생각펼치기, 생각다지기, 커리어패스, 생각 되돌아보기로 순서로 구성되어 있다. 이 STEAM교육 프로그램에서 메이커 제품의 교육 소재로써 ‘자동으로 열고 닫히는 쓰레기통’이 제시되며 학습자는 창의적 설계 과정을 통해 자신의 아이디어를 적용한 메이커 제품을 설계하는 경험을 하게 된다. 이러한 STEAM교육 프로그램은 공학교육을위한 주요 방법으로 활용될 수 있을 것이다.

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메이커를 위한 피지컬 컴퓨팅기반의 STEAM교육 프로그램

이철현

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STEAM

과학

기술

공학 예술

수학

Science

Technology

Engineering Arts

Mathematics

STEAM

융합인재교육

과학기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이고, 과학기술 기반

융합적 소양(STEAM LITERACY)과 문제해결력을 배양하는 교육

과학(S), 수학(M) 이론∙개념

공학(E), 기술(T) 실생활 연계 활용 적용

예술(A) 감성

공학을 주요 대상으로 하는 공학교육 또한 창의융합형 인재를 양성하는 사회적 요구로부터 자유로울 수 없고, 기술과 공학이 큰 축을 차지하므로, STEAM교육이 공학교육의 한 방법으로 설정되는 것은 바람직한 일

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STEAM

공학 (실용)

인문 정책

사회

예술

경영

경제

기술(응용) 기초과학

(물리, 화학, 생물, 지구과학,

수학)

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Software Is Everywhere

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[이미지 출처: 구글 검색]

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과거 이만큼 세계적인 열풍을 가져 온 교육 트렌드가 있었나?

미국

영국 핀란드

중국

프랑스

• ‘컴퓨팅’과목 모든 학년 기본과목으로 이수 • 2014년 코드의 해 선포

• 대통령을 비롯한 유명인사들의 참여 • Code.org 민간 중심 교육 확산 • 정보, SW대기업의 대대적 지원

• 2014년 9월부터 SW 과목을 초등 방과 후 시간에 선택적 수업

• 2015년 9월부터 중학교 정규 과목으로 채택

• 2016년 가을부터 모든 초등학교 학생들 프로그래밍 필수교육 결정

• 2008 ~ 중학교 정보에 55시간, • 2010 ~ 고등학교 70시간 의무

교육

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, , 2015 SW

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SW

활용교육

ICT 소양

OS운영(복사 등), 응용SW 사용법 등

ICT 활용

정보 수집-검색, 분류, 저장

정보 생성-제작, 편집

정보 공유-출판, 송수신

SW

창의교육

SW

문화교육

SW 제작

문제 분석

추상화

알고리즘(순서)

프로그래밍

디버깅

피지컬 컴퓨팅

피지컬 컴퓨팅 구성

피지컬 컴퓨팅 제어

SW와 생활 SW 윤리

SW가 미친 영향 저작권 보호

SW의 활용 분야 개인 정보 보호

SW의 미래 전망

“컴퓨팅 사고력” “프로그래밍 소양”

“SW 활용 소양”

“SW 문화 소양”

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언플러그드 컴퓨팅 교육 도구

프로그래밍 교육 도구

피지컬 컴퓨팅 교육 도구

• 놀이로 배우는 컴퓨터 과학 (Tim Bell)

• 엔트리봇 보드게임 (엔트리교육연구소)

• CS언플러그드 3.1 한국형 콘텐츠 (이철현, 소프트웨어야 놀자)

• 언플러그드 놀이 (홍지연, 신갑천)

• 스크래치(Scratch) • 엔트리(Entry) • 파이썬(Phyton) • 스냅(snap) • 코두(Kodu) • 러플(RUR-PLE) • 이토이즈(Etoys) • 스퀵(Squeak) • 로고(Logo) • 두리틀(Dolittel) • Code.org • Code Academy • CodeHS • Code Combat • 생활 코딩 • C, C++, • JAVA • 파이썬 • 델파이

• 아두이노 • 엔트리보드 • 지니어스키트 스타터팩 • 아두이노 자석확장보드 • 리틀비츠(Little Bits) • 라이트업(Light Up) • 비트브릭(Bit Brick) • 샘(SAM) • Molecule Synth • 메이크블럭(MakeBlock) • 프리모(Primo) • 서킷 스크라이브(Circuit Scribe) • 카노(Kano) • 코디(Codie) • 메이키메이키(makeymakey) • 엠쿠키(mCookie) • 레고위두 • 레고마인드스톰 EV3 • 햄스터 • 컵드론 • 라즈베리 파이

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피지컬 컴퓨팅은 전기전자, 기계설계, 프로그래밍 등의 공학적 요소로 구성되기 때문에 공학교육에서 관심을 가지고 접근해야 할 테마

피지컬 컴퓨팅은 아시모 반지가 공개한 아두이노를 기점으로 하고 있으며, 아두이노를 발전시킨 피지컬 컴퓨팅 교육도구들이 다양하게 개발

피지컬 컴퓨팅은 자신의 아이디어를 사업화하여 창업하는 메이커운동에서 주요 방법으로 활용

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리틀비츠(Little Bits)

비트브릭(Bit Brick)

Molecule Synth

메이크블럭(MakeBlock)

프리모(Primo)

메이키메이키

레고위두

레고마인드스톰 EV3

햄스터

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• 개념

– 개인의 아이디어 + 디지털 기기와 제작도구 = 새로운 제품

– 특징: 공유와 협업

– 개인들은 누구나 ‘메이커 스페이스’에서 자신의 아이디어를 시제품으로 제작하는 메이커가 될 수 있음

메이커 스페이스: 다양한 디지털 제작 시설, 하드웨어 및 소프트웨어가 구비된 공간

실비아(미국) / 워터칼러 봇 사례1 제임스 박(미국) / 스마트 밴드 핏빗 사례2

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2016 STEAM

“혁신기술 관련 미래직업 연계형 융합인재교육(STEAM)프로그램 개발”

“융합인재교육(STEAM) 프로그램 시범 적용”

“프로그램 효과성 및 만족도 조사 분석”

○ 중학교: 자유학기제형 1모듈(10차시), 차시대체형 2모듈(6차시) ○ 고등학교: 차시대체형 2종(3차시 4모듈, 12차시) ○ 총 4종, 7모듈(28차시) 개발

○ 중학교 : 3개 학교(25여 학급, 약 500여명) ○ 고등학교 : 2개 학교(18여 학급, 약 540여명) ○ 총 1,040여명에게 적용

○ 학생들의 혁신 기술에 대한 사고 성향과 진로 성숙도 변화 분석 ○ 프로그램 적용 전, 후 인식, 적용 후 만족도, 현장 적용의 적절성 등 분석

• 과제의 목표

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:

중학교(10차시) (자유학기제형)

중학교(6차시) (차시대체형)

고등학교(6차시) 고등학교(6차시)

메이커 전문가 대체에너지 전문가 자율주행자동차 전문가 적정기술 전문가

차시 아두이와 함께 하는

Maker 전문가 되기! 차시

마그네슘-공기전지로

움직이는 초경량자동차

제작하기

차시 자율주행자동차의 영웅들 차시 생명의 물을 공급하는 사람들

1 Maker에 대한 이해 1 대체에너지 이해 1 상황 제시 및 직업 탐색 1 물에 관한 적정기술 탐구

2 스크래치와 아두이노 2 작품 제작 2 자율주행자동차 설계 및 제작 2 슬링 펌프 만들기

3 브레드보드 이해하기 3 미션 수행 및 공유 3 주행 및 공유 3 상황 적용 및 진로 탐색

4 서보모터 이해하기 차시 겨울왕국의 이동 수단 차시 스마트한 산업의 미래

자율주행자동차 차시

말라리아를 잡는

1000원 현미경

5 초음파 센서 이해하기 1 상황 제시 및 해결방안 탐색 1 상황 제시 및 직업 탐색 1 질병 예방에 관한 적정기술 탐구

6 자동으로 열고 닫히는 쓰레기통 2 드라이아이스 자동차 제작 2 자율주행자동차 설계 및 제작 2 폴드 스코프 만들기

7 문제 상황 소개와 문제

구체화하기 3

대체에너지 관련 미래 직업 탐구

및 공유 3 미래 사회 전망 3 상황 적용 및 진로 탐색

8-9 선정된 아이디어로 회로

설계하기

10 아이디어 공유 및 진로 탐색

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교재구성

목차 구성 내용 STEAM 준거 틀

프롤로그

▶ 주제에 대한 소개

- 학생들이 주제 학습 이전에 가볍게 배경지식으로 쌓을 수 있는 읽을거리 제공

▶ 구성방식

- 일상생활과 관련된 과학, 진로(주제와 연관된 직업), 첨단과학의 최근 동향 등의

이야깃거리를 다양한 형식으로 구성, 관련 인터넷 자료 있을 경우 QR코드로 제시

생각 열기

▶ 도입

- 학습 주제 제목과 주제를 드러낼 수 있는 (사진, 그림) 자료로 구성

- 학습 전체 상황을 아우를 수 있는 일상생활과 연계된 상황을 이야기 형식으로 제시

- 이야기를 듣고 떠오르는 생각, 궁금한 점, 도전해보고 싶은 내용, 공부해보고 싶은

내용을 정리해 볼 수 있는 학습지 제시(필요한 경우) : 생각 쑥쑥

상황제시

생각 펼치기

▶ 전개

- 학습과 관련된 내용을 단계별로 학습지 형태로 제시

- 학습자가 직접 해볼 수 있도록 체험형으로 구성하고 샘플 제시

창의적 설계

생각 다지기

(생각 나누기)

▶ 정리

- 학습을 정리 및 평가하는 단계로 활동 과정 및 결과를 평가하고, 창의적인 생각 나누기 감성적 체험

생각

되돌아보기

(생각 나아가기)

▶ 마무리 → 상황제시

- 학습한 내용을 되돌아보고, 되돌아본 내용이 다시 도전해보고 싶은 상황 제시로 연결되도록

마무리

- 학습주제와 관련한 커리어패스 제공, 나만의 커리어 패스 만들기

감성적 체험

커리어 패스

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:

교재구성 목차 구성 내용

주제 개요 ▶ 주제에 대한 소개 ▶ 차시별 학습 주제 및 내용 - ‘상황제시-창의적 설계-감성적 체험’의 큰 흐름에 맞춰 차시 설계

학습 목표

▶ 내용 목표 - 주제에 대한 내용적 도달 목표를 정리 ▶ 과정 목표 - 학습을 진행하는 과정에서 이룰 수 있는 정의적 목표를 정리

STEAM 과목 요소 ▶ 주제에 포함된 STEAM 요소를 추출하여 정리

STEAM 단계 요소

▶ 상황제시 - 제시한 주제가 처해있는 상황을 인지하고 문제를 제시 ▶ 창의적 설계 - 제시한 문제를 해결하기 위해 창의적 방법을 설계 ▶ 감성적 체험 - 서로의 아이디어를 공유하고 나아가 미래 직업과 커리어패스를 이해

지도안 총괄표

▶ STEAM 과목 요소 제시 ▶ 교육과정과의 연계 제시(2009개정, 2015개정 모두 제시) - 과목별 연계 내용을 구체적으로 제시 ▶ 학습목표 제시 ▶ 학생용 교재의 흐름에 맞춰 지도안 제시 - 프롤로그, 생각 열기, 생각 펼치기, 생각 다지기, 생각 되돌아보기

평가 계획 ▶ 다양한 평가 계획 제시

학습 내용 ▶ 차시별 지도자료 제시

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중학교 자유학기제형: 아두이노와 함께 하는 Maker 전문가 되기!

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학교급 적용프로그램 차시 대상

학교

대상

학년 대상

학생수

적용

기간 학급

중학교 메이커 전문가

아두이노와 함께 하는

Maker 전문가 되기! 10

신길중학교 1학년

60 2016.9∼ 2016.10

선택수업학급(2학급)

신길중학교 1학년

10 방과후교실

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Q & A

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