[논문]체험학습기반의 기초 창의공학설계 교육 및 운영

이종수; 민병권; 윤웅섭; 한재원; 정효일

doi:10.18108/jeer.2008.11.2.32

체험학습기반의 기초 창의공학설계 교육 및 운영
A Basic Course of Creative Mechanical Engineering Design Emphasizing Experience Based Learning 원문보기

공학교육연구 = Journal of engineering education research, v.11 no.2, 2008년, pp.32 - 41

이종수 (연세대학교 기계공학부) , 민병권 (연세대학교 기계공학부) , 윤웅섭 (연세대학교 기계공학부) , 한재원 (연세대학교 기계공학부) , 정효일 (연세대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 연세대학교 기계공학부에서 개설하는 창의공학설계 교과내용에 대한 소개를 다룬다. 교과목 명은 창의설계프로젝트(1)이며, 본 과목은 기계공학전공으로 새로이 진입하는 학부 2학년 학생들을 대상으로 창의적 사고와 체험적 학습을 기반으로 공학설계능력을 습득하고 문제중심학습 및 설계프로젝트 수행을 통해 아이디어를 구현하며 실제 설계된 제품의 결과에 대한 중요성을 인식하도록 교육한다. 본 논문에서는 교과목의 자세한 구성과 수업내용에 대해 설명하고 수업내용, 문제중심학습 및 설계프로젝트를 통해 평가된 학생들의 반응에 대해 서술한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The paper deals with the introduction of creative engineering design education in School of Mechanical Engineering, Yonsei University. The course is referred to as Creative Mechanical Engineering Design (1) for 2nd-year undergraduates who newly enter a major in mechanical engineering. This course emphasizes creative thinking and practical experiences to students by learning engineering design skills, realizing their idea through problem based learning (PBL) and design project and recognizing actual results of a product. The paper describes course contents, and discusses students’ responses to lecture, PBL and design projects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공과대학 2학년 학생들에게 수학이나 과학은 고등학교 때까지 배운 과목 때문에 그 용어가 익숙하지만 공학이라는 용어는 대학에 들어와 듣는 약간 생소한 단어일 수 있으며, 공학은 마치 대학에서의 교육 또는 현대사회에서 나타난 학문 또는 응용분야라는 생각을 가질 수 있다. 본 과목에서는 인류역사에서 나타난 공학적 제품의 소개 특히, 청동기 및 철기시대에 사용한 도구들에 대한 과학적, 공학적 원리를 강의한다. 원시도구에 내포된 에너지변환의 원리 등을 소개하고 원시시대의 인류가 공학적 마인드를 가지고 어떻게 사고하고 진화해왔는가를 간략히 소개함으로써 공학의 오래된 역사와 인류와의 친숙함에 대해 그 중요성을 전달한다.
PBL에서는 기존 제품의 특징 및 장단점을 분석하고 이를 바탕으로 주어진 성능을 공학적 방법을 통해 개선하는 과정 및 그 결과를 도면으로 정리하는 내용을 다루었다. 본 과목에서는 학생들의 창의적 사고를 훈련하는 과정이외에 보고서를 작성하는 능력을 함께 강조하고 있으므로 과제물의 제출은 팀별 보고서와 함께 개인의 차별화된 생각을 담을 수 있도록 개인 보고서도 함께 제출하도록 하였다. 언급한 네 가지의 실습과제 중 대표적인 사례로서 두 번째 DP인 ‘Jumping Vehicle’의 내용을 <표 2>에 정리하였다.
앞서 언급한 문헌조사 내용과 관련하여 본 교과목에서는 개인적 성향에 따라 적절히 팀원을 구성하며 BPL 및 DP를 수행하는 동안 담당교수는 토론시간에 팀 구성원간의 브레인스토밍 및 의사소통과정을 모니터링 함으로써 기계공학적 마인드를 바탕으로 과제를 수행할 수 있도록 조언자의 역할을 한다. 본 논문에서는 연세대학교 기계공학부에서 개설, 운영하고 있는 창의설계프로젝트(1) 교과목에 대한 수업 내용, 지난 5년간의 운영방식을 토대로 최근의 교과목운영 및 강의내용, PBL 및 DP에 대한 수강생의 반응에 대해 서술하고자 한다.
개인 성향에 따라 인간의 뇌의 구조를 분류하여 이에 맞는 팀워크의 효율을 극대화할 수 있는 방안을 연구하였으며 (Lumsdaine, Lumsdaine, 1995), 개인 및 팀 구성원에 대한 교육자로서의 멘토링 역할 및 그 학습능력증진에 대한 중요성에 대해서도 연구가 진행되었다 (Ekwaro-Osire, Orono, 2005). 이러한 연구의 궁극적 목적은 경쟁력 있는 제품을 기획, 설계하고 개발할 수 있는 능력을 배양하기 위함이며 그 바탕에는 개인의 고유한 특성을 파악하여 창의성 있는 인재를 육성하는데 있다고 할 수 있다.

제안 방법

이를 개선하기 위하여 2002년도까지 개설하였던 ‘기계공학실험’ 교과목의 학습효과를 향상시키기 위하여 역학중심의 이론과목과 연계하여 2003년도 1학기부터 교과목을 개편하였다 즉, 기존의 기계공학실험은 이론과목과 별도로 독립적으로 개설됨으로써 역학과목에서 배운 내용과 무관하거나 중복되어 진행된 면이 있었다. 기계공학실험에 다루었던 실험실습내용을 해당 이론 과목으로 옮김으로써 역학이론과 실험실습이 함께 진행되도록 하였다. 예를 들어, ‘고체역학(1)’을 ‘고체역학및실험(1)’로 변경하였다.
기계공학전공으로 처음 진입하는 학생들을 대상으로 창의적 사고와 체험적 학습을 기반으로 공학설계 방법을 배우고 문제 중심학습 및 설계프로젝트 수행을 통해 아이디어를 구현하도록 교육하며 궁극적으로는 기계공학에 대한 자발적이고 적극적인 관심과 흥미를 유발하도록 하는데 있다. 본 과목에서 운영하는 과목의 내용인 브레인스토밍 및 아이디어선정방법, 문제중심학습법 및 공리설계와 트리즈, 이들을 실습하고 적용하는 PBL 및 DP과제의 수행을 통해 본 과목에 대한 관심 및 체험적 학습효과 등에 대한 학생들의 반응을 설문조사의 형식으로 분석하였다. 학생들 스스로의 사고능력을 기반으로 아이디어를 직접 표현하고 이를 제작하여 실제 결과를 체험하는 내용 등에 대해서는 좋은 반응을 얻었다.
언급한 네 가지의 실습과제 중 대표적인 사례로서 두 번째 DP인 ‘Jumping Vehicle’의 내용을 에 정리하였다.
오른쪽 대뇌는 시각적이고 직관적이며 혁신적인 사과와 관련이 있고, 오른쪽 대뇌 변연계는 감정적, 감각적이고 사람들 간의 사고와 관련이 있다. 이러한 Hermann 모델을 통한 설문 결과를 PBL 및 프로젝트 수행을 위한 팀을 구성할 때 다양한 성향을 가진 학생들이 골고루 팀에 배치될 수 있도록 도움을 주는 자료로 활용하였다.
첫 번째 PBL과 DP에서는 브레인스토밍과 공리설계를 기반으로 아이디어를 선정하는 과정을 통해 실습과제를 수행한다. 이후 두 번째 PBL과 DP에서는 브레인스토밍과 트리즈의 방법을 적용하여 실습과제의 결과를 도출하도록 한다. PBL 및 DP의 경우 약 3주의 시간을 학생들에게 공지하며 과제실습을 수행하는 기간에는 이와 관련된 기계공학적 기반지식에 대해 강의하지 않는다.
학생들의 성적은 2가지의 PBL 30%, 2가지의 DP 45%, 시험 15%, 출석 및 참여도 10%로 평가하였다. 중간고사 기간 이전에 PBL 및 DP를 각각 1회, 중간고사 기간 이후에 PBL 및 DP를 각각 1회 진행, 평가하였으며 시험의 경우 통합시간에 강의한 이론적인 부분에 대해 퀴즈의 형식으로 한 학기 동안 5회 실시하였다.
언급한 네 가지의 실습과제 중 대표적인 사례로서 두 번째 DP인 ‘Jumping Vehicle’의 내용을 <표 2>에 정리하였다. 첫 번째 DP의 내용과는 달리 중간고사 이후에 수행하는 DP에 있어서 전원장치/건전지 등을 사용하여 모터를 구동하는 과제를 다룬다. 특히, 규격 및 작동 방식에 대한 최소한의 제한조건만을 제시함으로써 학생들의 창의성이 최대한 반영된 작품이 제작되도록 유도하고 있다.
앞서 강의한 문제중심학습방법, 브레인스토밍 및 공리설계/트리즈 기법을 기반으로 두 가지의 PBL 및 두 가지의 DP를 수행하게 된다. 첫 번째 PBL과 DP에서는 브레인스토밍과 공리설계를 기반으로 아이디어를 선정하는 과정을 통해 실습과제를 수행한다. 이후 두 번째 PBL과 DP에서는 브레인스토밍과 트리즈의 방법을 적용하여 실습과제의 결과를 도출하도록 한다.
반면에 분반강의에서는 통합 강의시간에 강의한 여러 가지 설계기법과 PBL/DP 관련 기계공학적 지식에 대하여 실습 및 적용과정을 연습하고 PBL 및 DP 수행결과에 관한 발표와 토론수업이 진행된다. 학생들의 성적은 2가지의 PBL 30%, 2가지의 DP 45%, 시험 15%, 출석 및 참여도 10%로 평가하였다. 중간고사 기간 이전에 PBL 및 DP를 각각 1회, 중간고사 기간 이후에 PBL 및 DP를 각각 1회 진행, 평가하였으며 시험의 경우 통합시간에 강의한 이론적인 부분에 대해 퀴즈의 형식으로 한 학기 동안 5회 실시하였다.

대상 데이터

2007학년도 1학기에 수강한 학생들을 대상으로 통합강의 마지막 시간에 설문조사를 실시하였으며 통계자료에는 약 155명 내외의 학생이 참여하였다. 질문항목 중에 총 합이 155명이 안 되거나 넘는 이유는 각 설문항목에 대해 무응답자가 있거나, <표 3> 및 <표 4>의 세 가지 질문에 대해 중복 선택에 의한 복수응답 때문인 것으로 짐작된다.
2007학년도 1학기의 경우 5명의 전임교수가 참여하였으며 각 교수는 분반 한 개씩을 담당하였다. 본 과목은 전공필수로 지정된 관계로 180여명의 학생이 수강하였다. 프로젝트 수행 및 실습실 운영을 위하여 총괄 조교를 포함하여 분반 당 세 명의 조교를 할당하였다.
즉, PBL의 내용이나 회수를 축소하고 (PBL 내용 축소: 51명, 회수축소: 32명) 대신 프로젝트에 대한 내용 및 회수를 확대하기를 (프로젝트 내용 확대: 49명, 회수 확대: 41명) 원하는 학생이 많은 수를 차지하였다. 특히, PBL과 연계된 프로젝트의 수행, PBL을 통해 브레인스토밍을 기반으로 충분히 분석되고 정제된 아이디어를 바탕으로 이를 제품으로 구현해 보는 과정을 선호하는 학생이 57명으로 나타났다.

이론/모형

학생들의 개인적 성향을 알아보기 위해 가장 널리 알려진 Herrmann 모델 (Haik, 2003)에 의한 분석을 강의 첫 통합시간에 실시하였다. 이 모델은 두뇌를 네 개의 소뇌들로 나누며 이들 사분면들은 왼쪽과 오른쪽 반구에 위치한다.

성능/효과

3) 미래에 필요한 예측하기 어려운 기술에 도전하고, 신기술을 개발하여 새로운 환경에 유익하게 적용할 수 있는 능력을 계발한다.
5) 글로벌사회에서 공학인의 국제적 역할을 인식하고, 산업체, 교육/연구기관, 공공기관의 리더로서 성장할 수 있는 역량을 계발한다.
PBL과 프로젝트의 진행 회수에 대해서는 실제 아이디어를 제품화하여 테스트를 거쳐 스스로 만든 제품에 대한 성능을 분석하는 프로젝트에 대해 더 많은 애착을 가지고 있음을 알 수 있었다. 즉, PBL의 내용이나 회수를 축소하고 (PBL 내용 축소: 51명, 회수축소: 32명) 대신 프로젝트에 대한 내용 및 회수를 확대하기를 (프로젝트 내용 확대: 49명, 회수 확대: 41명) 원하는 학생이 많은 수를 차지하였다.
우선, 강의내용의 이해도(질문 3)나 강의내용 적용과정상의 난이도(질문 4)에 있어서는 전체적으로 평이한 평가 즉, 대부분의 학생들이 이해하고 적용하는데 큰 어려움이 없었음을 알 수 있었다. 교과목 내용 중에 창의성에 도움이 되었다고 평가하는 항목(질문 5)은 ‘브레인스토밍 및 아이디어선정’과 ‘2차 설계프로젝트’였다.
학생들은 ‘아이디어를 실제에 적용’하는 점, ‘다양한 체험’을 할 수 있는 점, ‘팀워크’를 경험하는 점 및 ‘결과에 대한 중요성 인식’ 등이 비교적 유익했던 항목(질문 1)이라는 평가를 내리고 있으며 이들 또한 중요한 항목(질문 2)이라 생각하고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

학생들 스스로의 사고능력을 기반으로 아이디어를 직접 표현하고 이를 제작하여 실제 결과를 체험하는 내용 등에 대해서는 좋은 반응을 얻었다. 본 과목의 교과과정을 통해 학생 스스로 체험학습의 중요성을 터득할 수 있는 기회를 제공하였으며 향후 이러한 이론과 실습이 병행하는 공학설계교육 프로그램의 지속적인 개발이 필요함을 알 수 있었다. 앞으로는 학생들의 창의성 향상에 대한 정량적 평가 및 이를 교과과정에 반영할 수 있는 교육평가모델의 도입이 요구된다.
본 과목의 교과과정을 통해 학생 스스로 체험학습의 중요성을 터득할 수 있는 기회를 제공하였으며 향후 이러한 이론과 실습이 병행하는 공학설계교육 프로그램의 지속적인 개발이 필요함을 알 수 있었다. 앞으로는 학생들의 창의성 향상에 대한 정량적 평가 및 이를 교과과정에 반영할 수 있는 교육평가모델의 도입이 요구된다.
이해 비해 기계공학에 대한 지식은 최하위의 평가로 나타났는데 비록 PBL 및 DP과제가 끝난 이후에 과제관련 기계공학적 이론에 대해 강의를 하였어도 전공진입 학생들에게는 이해도가 낮음으로 말미암은 결과로 분석된다. 향후 기계공학적 이론부분을 강의하는 경우에 어려운 내용이나 지나치게 미래지향적 융합기술을 강의하기보다는 생활주변에서 발견할 수 있는 제품에 대한 기계공학적 해석 및 접근을 통한 질의/응답 방식의 강의가 요구된다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연세대학교 공과대학은 어떤 교육적 비전을 가지고 있는가?	연세대학교 공과대학은 ‘과학적이고 창의적인 사고력을 바탕으로 21세기의 지식기반 사회발전에 진취적으로 기여할 수 있는 전인적 공학지도자의 양성’이라는 교육적 비전을 가지고 있다. 연세대학교 공과대학은 교육에 있어서 ‘창의성’, ‘진취성’ 및 ‘전인성’을 강조하고 있으며 이러한 취지에 맞추어 연세대학교 기계공학부는 2002년 1월 새로운 교육목적을 제정하였다.
	21세기 공학교육의 화두는 무엇이며 어떤 교육을 강조하는가?	21세기 공학교육의 화두는 창의성이며 특히, 기계공학분야에 있어서는 창의성을 중시한 설계교육을 강조하고 있다 (Doepker, Dym, 2007). 기계공학적 설계를 서술적, 논리적 설계프로세스의 구현과 이론적 해석 및 생애주기기반의 설계입장에서 연구하였으며(Finger, Dixon, 1989a; Finger, Dixon, 1989b), 그동안 수년간 수행된 종합설계기법을 바탕으로 설계 교육모델에 대한 다각적인 검토가 이루어져 왔다(Dutson, et al, 1997).
	연세대학교 기계공학부의 교육목적은 ‘창의적 사고와 도전정신을 바탕으로 종합설계 능력을 갖추고 글로벌사회에 유익한 가치를 창출할수 있는 인재를 양성’함이며 이를 위해 어떤 세부교육목표를 정하였는가?	1) 창의적 사고방법과 설계기술을 익히고, 기계공학을 기반으로 여러 전문 분야에 걸친 종합적인 공학설계에 적용할 수 있는 능력을 계발한다. 2) 자신의 생각을 효율적으로 전달하고, 동료들과 팀워크를 할 수 있으며, 조직을 관리하고 경영할 줄 아는 리더십을 배양한다. 3) 미래에 필요한 예측하기 어려운 기술에 도전하고, 신기술을 개발하여 새로운 환경에 유익하게 적용할 수 있는 능력을 계발한다. 4) 평생을 통해 자기계발을 할 줄 알며, 개방적인 마음과 비판적 의문을 가지고, 자신의 연구 결과 및 개발품에 대해 사회적, 윤리적 책임을 인식할 줄 아는 소양을 익힌다. 5) 글로벌사회에서 공학인의 국제적 역할을 인식하고, 산업체, 교육/연구기관, 공공기관의 리더로서 성장할 수 있는 역량을 계발한다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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