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문제 정의
- 따라서 본 논문은 초등학교 교육과정 분석 후 교과별 목표달성에 적합하도록 맞춤형 로봇 및 PC연동 어플리케이션을 개발 후 현장에 적용함으로써 로봇활용교육에 대한 교육적 가능성에 대해 살펴보았다.
- 본 논문에서는 초등학교 교육과정 분석 후 교과별 목표 달성에 적합하도록 맞춤형 로봇 및 PC연동 어플리케이션을 개발 및 적용하고 교육적 효과를 살펴보았다. 구체적 조작활동을 수반하는 로봇활용이 초등학생의 인지적 발단단계에도 부합하고 교과내용과 결합될 때 긍정적 경험을 제공할 것으로 기대되었기 때문이다.
- 본 논문은 초등학교 로봇활용수업 적용 및 사례에 관한 것으로 로봇 및 PC연동 어플리케이션을 개발 및 적용 후 다음과 같은 개선 사항을 발견할 수 있었다.
제안 방법
- ③에 위치한 지상 관측자의 관점에서 바라 본 태양의 궤적을 관측자의 위도 및 계절 입력에 따라 그대로 모사할 수 있 도록, 전구로 대체된 인공태양(①)을 이동시키는 역할을 한다. 관측자의 위도 및 계절 입력에 따라 관측자를 기준으로한 시간대 별 태양의 위치를 계산하고, 이를 로봇 기준 좌표로 변환한 후 역기구학(inverse kinematics)를 풀어 모터 Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ를 제어, 인공태양을 해당 위치로 이동시킨다. 웹캠 (②)은 그림자 궤적을 녹화한다.
- 국어, 수학, 과학교과 수업적용을 위해 총 4종의 로봇 및 PC연동 어플리케이션을 개발하였다. 국어는 스토리텔링을 통한 역할극 , 수학은 대포로봇을 활용한 자료의 표현 , 과학은 로봇태양 세트를 이용한 태양의 고도 의 단원으로 다음<표 1>과 같다.
- 국어의 역할극 , 수학의 자료변환 , 과학의 태양고도에 대한 내용으로 로봇활용수업을 실시한 후 학생들 중 상이한 반응을 보인 6(남 3, 여 3)명의 학생을 대상으로 반구조화 면담을 실시하였으며 면담 전 과정은 녹음 후 의미 있는 학습자 반응을 추출 및 종합하여 로봇활용수업에 대한 인식 분석에 활용하였다.
- 기존 조사지는 ‘지루함-재미’, ‘딱딱함-부드러움’, ‘싫어함-좋아함’ 등 총 20개의 대비되는 항목들로 구성되어 있었으나 본 논문의 저자 2인과 로봇수업을 실시한 현장교사 1인이 각 문항별로 ‘로봇활용수업의 이미지 변화’ 측정에 타당한지를 평가한 후 협의를 거쳐 위험성, 생산성과 같이 로봇과 관련성이 낮은 항목을 삭제하고 최종 14개의 문항으로 재구성하였다.
- Roberto(2010)는 LEGO를 활용하여 스토리텔링 활동을 실시하였는데. 도입부분에 자유롭게 만들고 싶은 로봇을 물리적 제한 없이 상상해볼 수 있도록 하였으며 이후 로봇 선택, 로봇 조립 및 프로그래밍, 스토리 및 창작 및 환경 구성, 발표의 단계로 진행하였다. 학습자는 프로그래밍 활동 후 최종적으로 스토리텔링에 사용할 로봇을 선택하였다.
- 첫째, 초등학교 5학년 국어, 수학, 과학 교과에 교수․학습 매체로서 활용하기 위해 PC 어플리케이션 연동 교구형 로봇을 개발하였다. 둘째, 각 교과별 로봇활용수업 설계안을 개발하고 현장에 적용하였다.
- 둘째, 실제학습 환경을 제공하기 위해 로봇과 연동할 수있는 PC 어플리케이션을 개발하였다.
- 769로 나타났다. 또한 로봇에 대한 이미지 변화를 확인하기 위해서 수업 전과 후에 각각 로봇에 대해 떠오르는 이미지를 그림으로 그려보도록 한 후 비교 분석하였다.
- 실험 전·후 학습자들을 대상으로 로봇에 대한 사전․사후 이미지 비교 및 카이제곱검증(χ²)을 실시하였으며 로봇활용교육에 대한 인식조사를 위해 심층면접을 수행하였다. 또한 캠코더를 이용하여 수업과정 관찰 및 학습자 면담에 활용하였다.
- 즉, 교과에서 로봇활용을 활용한 Mauch(2001), Resnick(1990), Resnick & Eisenb erg(2000), Bers 외(2002), JeongBeom 외(2010) 등의 기존 연구가 일반화된 로봇을 설계, 조립, 조작, 프로그래밍하고 교과목표에 도달한 것과는 달리 초등학교 정규교육과정의 목표에 접합한 로봇을 개발하고 적용한 것에 차이가 있다. 또한 학습지원을 위해 로봇과 연동되어 학습 환경을 제공하는 ICT 콘텐츠를 개발 후 수업에 활용하였다. 이것은 로봇과 학습과의 연결고리로서 실제적 학습경험을 제공하기 위함이다.
- 로봇활용교육에 대한 학습자의 반응을 살펴보기 위하여 이미지 프로파일 분석 및 이미지 검증을 실시하였으며 학습자 인식을 알아보기 위해 학습자 면담을 병행하였다.
- 로봇활용수업이 학습자가 지니고 있는 로봇에 대한 이미지에 어떤 영향을 주었는지를 알아보기 위해 각 항목의 평균값을 기초로 다음 와 같이 프로파일로 작성하였다.
- 모터 Ⓐ, Ⓑ는 실제 로봇을 전후 이동하게 한다. 리모콘으로 모터 Ⓒ를 움직이면 실제 로봇의 포신이 들어 올려지거나 내려가게 프로그램 하였으며, 이 정보를 PC로 전달하여 사이버 공간 상에 있는 대포의 포신도 함께 조종한다. 모터 Ⓓ를 회전시키면 ‘L'자 모양의 꺽쇠형 경첩이 좌우로 움직이는 구조를 설계하고 리모콘으로 조종하도록 프로그램하였다.
- 모터 Ⓓ를 회전시키면 ‘L'자 모양의 꺽쇠형 경첩이 좌우로 움직이는 구조를 설계하고 리모콘으로 조종하도록 프로그램하였다.
- 셋째, 로봇활용 교육 사례분석을 위해 로봇에 대한 이미지 조사 및 카이제곱-검증(χ²)을 실시하고 정규교과에서 로봇활용교육에 대한 학습자 인식을 알아보기 위해 학습자 면담을 병행하였다.
- 실험 전·후 학습자들을 대상으로 로봇에 대한 사전․사후 이미지 비교 및 카이제곱검증(χ²)을 실시하였으며 로봇활용교육에 대한 인식조사를 위해 심층면접을 수행하였다.
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2. 연구절차
연구기간은 2010년 12월 9부터 12월 22일까지로 스토리텔링 , 자료의 변환 , 태양의 고도 세 단원에서 로봇을 이용한 16차시의 수업을 실시하였다. 실험 전·후 학습자들을 대상으로 로봇에 대한 사전․사후 이미지 비교 및 카이제곱검증(χ²)을 실시하였으며 로봇활용교육에 대한 인식조사를 위해 심층면접을 수행하였다.
- 학생들이 인형로봇의 팔을 잡고 움직일 때, 모터 Ⓐ 및 Ⓑ의 각도를 읽어 어느 날개가 위쪽에 있는지 결정한다. 이 정보를 PC로 전송하여 화면 상 캐릭터의 위치가 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동하도록 프로그램하였다. 또한 모터 Ⓒ의 각도를 읽어 화면 상 캐릭터의 상하 위치를 조종할 수 있게 하였다.
- 조종되는 사이버 캐릭터가 화면 안에서 특정 아이템을 만나면 실제 로봇이 움직여서 반응할 수 있도록 감정표현을 프로그램 하였다. 이 모드에서는 모든 모터가 제어기에 의해 제어되며, 모터 Ⓐ, Ⓑ 및 Ⓒ를 움직여 날개짓하는 모습, 모터Ⓓ를 움직여 고개를 갸우뚱하는 모습 등을 표현할 수 있고 소리로도 반응하게 하였다.
- 첫째, 초등학교 5학년 국어, 수학, 과학 교과에 교수․학습 매체로서 활용하기 위해 PC 어플리케이션 연동 교구형 로봇을 개발하였다. 둘째, 각 교과별 로봇활용수업 설계안을 개발하고 현장에 적용하였다.
- 초등학교 교육과정을 교과별/영역별/주제별로 로봇활용 가능 활동을 탐색한 결과 스토리텔링, 자료의 표현(표와 그래프), 태양의 고도 세 주제를 선정하였다.
대상 데이터
- 연구의 대상은 로봇에 대한 접근성이 낮은 경기도 소재 농어촌지역의 D초등학교 5학년 2학급 53명을 대상으로 실시하였다. 연구에 참여한 학생은 남학생이 27명, 여학생이 26명으로 총 53명이었다. 학생의 대부분은 로봇에 대한 사전 경험이 없었으며 과학상자 4명, 방과 후 로봇교실 1명 총 5명만이 로봇 경험을 갖고 있었다.
- 연구의 대상은 로봇에 대한 접근성이 낮은 경기도 소재 농어촌지역의 D초등학교 5학년 2학급 53명을 대상으로 실시하였다. 연구에 참여한 학생은 남학생이 27명, 여학생이 26명으로 총 53명이었다.
- 도입부분에 자유롭게 만들고 싶은 로봇을 물리적 제한 없이 상상해볼 수 있도록 하였으며 이후 로봇 선택, 로봇 조립 및 프로그래밍, 스토리 및 창작 및 환경 구성, 발표의 단계로 진행하였다. 학습자는 프로그래밍 활동 후 최종적으로 스토리텔링에 사용할 로봇을 선택하였다. 이후 여러 로봇을 이용한 스토리를 창작하도록 요청 받았으며 서로간의 상호작용이 발견되었다[16].
데이터처리
- 로봇활용수업 후 사전·사후 이미지 변화 검증은 측정문항이 서열척도로 구성되어 있어 카이제곱-검증(χ²)을 실시하였으며 결과는 다음 와 같다.
이론/모형
- 로봇에 대한 학습자의 이미지 변화를 조사하기 위하여 김용익(2003)의 전기․전자에 대한 이미지 조사지 를 활용하였다[21]. 기존 조사지는 ‘지루함-재미’, ‘딱딱함-부드러움’, ‘싫어함-좋아함’ 등 총 20개의 대비되는 항목들로 구성되어 있었으나 본 논문의 저자 2인과 로봇수업을 실시한 현장교사 1인이 각 문항별로 ‘로봇활용수업의 이미지 변화’ 측정에 타당한지를 평가한 후 협의를 거쳐 위험성, 생산성과 같이 로봇과 관련성이 낮은 항목을 삭제하고 최종 14개의 문항으로 재구성하였다.
성능/효과
- 14개 항목 중 ‘친근하지 않다-친근하다’의 한 가지 항목에서 사전 검사에 비해 사후 검사 결과가 부정적으로 나타났다.
- 둘째, 화가로봇은 색깔, 모양에 따른 동일한 크기의 무늬를 발사하는데, 겹치거나 모양, 색상이 유사하여 구분하기에 어려움이 있었다. 따라서 학습자가 크기, 종류를 클릭하면 뚜렷이 구별될 수 있는 색상, 모양으로의 수정이 요구된다.
- 로봇활용수업 에 대한 학습자 인식을 살펴보기 위한 추가 면담결과 로봇의 직․간접 체험 모두 긍정적인 학습참여를 이끌어 낸 것으로 나타났다. 학습과정 중 자연스럽게 모둠 구성원과의 협력이 관찰되었고 동료와의 긍정적인 상호작용이 나타났다.
- 셋째, 실제적 로봇교육활동의 설계 및 조작을 통해 학습자의 적극적 참여를 유도한다.
- 연구 결과 이미지 프로파일의 대부분 항목에서 긍정적인 이미지가 형성되었으며 카이제곱-검증(χ²)결과 ‘이론적-실천적’, ‘비협동적-협동적’ 두 항목에서 유의미한 차이가 나타났는데(p<.05), 로봇활용수업이 실천적 및 협동적 활동을 제공한 것으로 나타났다.
- 이미지 프로파일의 대부분의 항목에서 사후 이미지의 평균이 향상된 것으로 나타났는데, 검증결과 ‘이론적-실천적’, ‘비협동적-협동적’ 두 항목에서 유의미한 차이가 나타났다(p<.05).
- 첫째, 로봇은 학습도구로서 교과의 학습목표 및 내용을 우선적으로 달성할 수 있도록 고려하였다.
- 로봇활용수업 에 대한 학습자 인식을 살펴보기 위한 추가 면담결과 로봇의 직․간접 체험 모두 긍정적인 학습참여를 이끌어 낸 것으로 나타났다. 학습과정 중 자연스럽게 모둠 구성원과의 협력이 관찰되었고 동료와의 긍정적인 상호작용이 나타났다. 이는 학습자간의 협력적 의사소통의 증진 및 교과간의 통합의 매개체로서 역할을 할 수 있다는 Bers 외(2002)의 연구결과와도 동일한 것이다.
후속연구
- 이러한 긍정적인 연구결과는 학습교구로서 로봇이 제공하는 본질적 속성에 기인한 것으로 볼 수도 있지만 다른 한편에서는 연구에 참여한 학습자의 대다수가 로봇활용수업에 대한선 경험이 없어 새로운 학습교구에 대한 호기심이 영향을 미쳤을 가능성도 배제해서는 안 된다. 따라서 장기적인 관점에서 로봇을 투입 후 효과성을 검증하는 것도 고려되어야 할 것이다.
- 하지만 교사가 초등학교 교육과정에 로봇과목이 포함되어야 할 필요성은 느끼지만 효율적인 「로봇교육」을 위한 교육과정이나 내용 그리고 교구재가 개발되어 있지 않다는 지적과[7], 「로봇교육」을 수행할 경험과 능력을 겸비한 교사자원이 한정되어 있다는 문제가 제기되었다[5]. 또한 40분단위로 이루어지는 초등학교 정규수업을 고려할 때 로봇의 조립 조작 활동에 많은 시간을 할애하기 보다는 실질적인 교과학습활동을 위한 「로봇교육」 방향설정이 요구된다. 이와 같은 문제는 교육과정 분석 후 교과의 목표를 효과적으로 도달할 수 있도록 실제적 학습환경을 제공하는 맞춤형 로봇 및 소프트웨어의 개발을 통해 해결될 수 있을 것이다.
- 향후 초등학교 정규교과에서 로봇활용수업을 일반화하고그 효과를 검증하려는 노력이 지속되어야 하며 효과적인 교과학습지원을 위한 교과별/학습단원별 로봇 개발에 대한 후속연구가 지속적으로 실시되어야 할 것이다. 또한 개발된 로봇에 로봇활용수업 실시 후 학습동기, 학업성취도와 같은 인지적, 정의적 영역의 객관적 실험연구도 기대된다.
- 셋째, 대포로봇은 전부 발사 후에 표로 점수를 확인할 수 있는데, 각 발사 때마다 점수를 스크린에 표시하면 학습자가스스로 표에 기록 후 PC화면의 결과와 비교하도록 할 수 있을 것이다.
- 하지만 체험위주의 로봇활용수업에 재미를 느끼면서도 로봇 조작에 대해서는 어렵다고 인식하고 있었다. 이러한 부분은 차후 로봇의 하드웨어 개발시 초등학생이 쉽게 조작할 수있도록 개선해야 될 부분이다. 또한 콘텐츠 또한 다양하게 구비되어 학습자의 선택권을 늘려주어야 될 것으로 보인다.
- 또한 40분단위로 이루어지는 초등학교 정규수업을 고려할 때 로봇의 조립 조작 활동에 많은 시간을 할애하기 보다는 실질적인 교과학습활동을 위한 「로봇교육」 방향설정이 요구된다. 이와 같은 문제는 교육과정 분석 후 교과의 목표를 효과적으로 도달할 수 있도록 실제적 학습환경을 제공하는 맞춤형 로봇 및 소프트웨어의 개발을 통해 해결될 수 있을 것이다. 즉 기존의 「로봇교육」이 하드웨어의 설계, 조립, 조작기반의 교육이 이루어졌다면 본 논문에서 추구하고자 하는 「로봇활용교육」은 기존의 「로봇교육」에 교과의 학습내용과 연계된 컴퓨터 기반 학습 환경 제공으로 실제 학습(authentic learning)경험을 제공하는 것이다.
- 향후 초등학교 정규교과에서 로봇활용수업을 일반화하고그 효과를 검증하려는 노력이 지속되어야 하며 효과적인 교과학습지원을 위한 교과별/학습단원별 로봇 개발에 대한 후속연구가 지속적으로 실시되어야 할 것이다. 또한 개발된 로봇에 로봇활용수업 실시 후 학습동기, 학업성취도와 같은 인지적, 정의적 영역의 객관적 실험연구도 기대된다.
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