게이미피케이션 메카니즘을 적용한 양자역학 원리를 배우는 STEAM 프로그램 개발 Development of a STEAM Program to Learn the Principles of Quantum Mechanics by applying the Gamification Mechanism원문보기
본 논문에서는 STEAM 교육과 미래 유망직종인 컴퓨터 전문가 중 하나인 양자컴퓨터 전문가 대한 간접 체험의 기회를 제공하고자 국가수준 교육과정과의 연관성을 분석하여 초등학교 3-4학년을 위한 양자컴퓨터 전문가에 대하여 알아보고 자신의 진로와 연관지어 생각해볼 수 있는 STEAM 교육프로그램을 개발하였다. 하지만 초등학생들이 물리학 중 가장 어렵다는 양자역학을 근본으로 하는 양자컴퓨터의 기본이론을 이해하는 것이란 거의 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 게이미피케이션 메카니즘을 적용하여 양자역학 원리를 배울 수 있는 STEAM 프로그램을 제안하였다. 학생들이 흥미를 유발하고 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리 중 하나인 양자스핀과 양자컴퓨터와 연관된 양자암호, 그리고 아직 양자컴퓨터의 미완성 등을 간접적으로 체험할 수 있도록 교재를 개발하였으며, 이를 현장에 직접 적용하였다. 본 연구에서 제공하는 진로 STEAM 교육프로그램은 IT관련 진로 탐색과 관련 소양 함양에 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 STEAM 교육과 미래 유망직종인 컴퓨터 전문가 중 하나인 양자컴퓨터 전문가 대한 간접 체험의 기회를 제공하고자 국가수준 교육과정과의 연관성을 분석하여 초등학교 3-4학년을 위한 양자컴퓨터 전문가에 대하여 알아보고 자신의 진로와 연관지어 생각해볼 수 있는 STEAM 교육프로그램을 개발하였다. 하지만 초등학생들이 물리학 중 가장 어렵다는 양자역학을 근본으로 하는 양자컴퓨터의 기본이론을 이해하는 것이란 거의 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 게이미피케이션 메카니즘을 적용하여 양자역학 원리를 배울 수 있는 STEAM 프로그램을 제안하였다. 학생들이 흥미를 유발하고 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리 중 하나인 양자스핀과 양자컴퓨터와 연관된 양자암호, 그리고 아직 양자컴퓨터의 미완성 등을 간접적으로 체험할 수 있도록 교재를 개발하였으며, 이를 현장에 직접 적용하였다. 본 연구에서 제공하는 진로 STEAM 교육프로그램은 IT관련 진로 탐색과 관련 소양 함양에 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
In this paper, in order to offer the opportunity to indirectly experience STEAM education and the profession of a quantum computer professional, one of computer experts as a promising occupation of the future, its correlation to the national curriculum was analyzed. STEAM educational program in this...
In this paper, in order to offer the opportunity to indirectly experience STEAM education and the profession of a quantum computer professional, one of computer experts as a promising occupation of the future, its correlation to the national curriculum was analyzed. STEAM educational program in this paper was developed through which the third or fourth graders in elementary schools can learn about a quantum computer expert and think about it in relevance to their future careers. Yet, it's almost impossible for the students to understand the basic theories of quantum computer based on quantum mechanics, one of most difficult areas of physics. Accordingly, in this proposed textbook, gamification mechanism was applied to arouse students' interest. Moreover, the textbook was developed and applied to the field directly in the way that students would be able to indirectly experience quantum spin, one of most basic principles of quantum computer, quantum cryptography related to quantum computer, incomplete quantum computer and etc. The STEAM educational program for future careers offered in this research is expected to create positive effects for students to explore careers relevant to IT, and to develop related qualities.
In this paper, in order to offer the opportunity to indirectly experience STEAM education and the profession of a quantum computer professional, one of computer experts as a promising occupation of the future, its correlation to the national curriculum was analyzed. STEAM educational program in this paper was developed through which the third or fourth graders in elementary schools can learn about a quantum computer expert and think about it in relevance to their future careers. Yet, it's almost impossible for the students to understand the basic theories of quantum computer based on quantum mechanics, one of most difficult areas of physics. Accordingly, in this proposed textbook, gamification mechanism was applied to arouse students' interest. Moreover, the textbook was developed and applied to the field directly in the way that students would be able to indirectly experience quantum spin, one of most basic principles of quantum computer, quantum cryptography related to quantum computer, incomplete quantum computer and etc. The STEAM educational program for future careers offered in this research is expected to create positive effects for students to explore careers relevant to IT, and to develop related qualities.
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문제 정의
물리학분야 중 가장 어려운 분야 중 하나로 손꼽히는 양자역학을 기본으로 하는 양자컴퓨터에 대하여 아직 컴퓨터과학에 대하여 자세히 알지 못하는 학생들이 어떤 컴퓨터인지 관심을 가지거나 이해하는 것은 매우 어려운 일이다. 그래서 본 프로그램에서는 학생들이 흥미를 이끌고 이해를 돕기 위해 게이미피케이션(Gamification) 메커니즘을 이용하여 기존에 개발되어 어린 학생들도 누구나 즐길 수 있는 단순한 게임을 변형해 양자컴퓨터에 대한 이해를 돕고 양자컴퓨터가 사용되는 미래 세상에 대하여 생각해볼 수 있는 기회를 제공하자고 하였다.
본 연구는 사이버 네트워크 주제의 STEAM 진로교육 프로그램이 초등학생들에게 어떠한 효과가 있는지를 규명하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 3-4학년을 대상으로 한 교육프로그램을 제안하고 있으며 제주특별자치도 소재 3-4학년 학생을 대상으로 본 STEAM 진로 교육프로그램을 적용하여 효과성을 검증하였다[13][15][16][17][19][21].
본 연구에서는 양자컴퓨터 전문가 진로 STEAM 교육프로그램을 개발하기 위하여 다음과 같은 연구 단계에 따라 연구를 진행하였다.
본 프로그램에서는 학생들이 다가올 미래사회의 변화된 바람직한 컴퓨터의 모습을 상상해보게 하는 것을 목적으로 하여 기존 컴퓨터가 정보를 처리하는 방법과 인공 지능, 양자컴퓨터의 가장 기초적인 정보처리 방법(기술)을 비교할 수 있도록 체험하여 본 후 미래의 컴퓨터를 상상해보는 활동을 전개할 것이다. 이는 미래에 다가올 사회를 예측하고, 학생들이 관련된 분야의 직업을 탐색하는데도 도움을 줄 수 있을 것이다.
그래서 암호에도 양자암호라는 새로운 암호체계가 등장하고 있다. 이처럼 양자컴퓨터를 어떻게 사용하는지에 대한 윤리교육도 병행하며 현재 다루기 힘든 양자비트의 현실에 대해서도 알아본다.
제안 방법
본 논문에서 제안하는 교육프로그램은 1차시에서 기본적으로 언플러그드 활동을 통하여 일반컴퓨터가 정보를 전달하는 가장 기본적인 방식인 2진수와 비트의 개념에 대하여 이해하고, 2차시에서 다빈치코드게임을 응용한 숫자 맞추기 게임을 통해 양자비트에 대하여 이해할 수 있도록 하였다. 3차시에서는 양자컴퓨터가 가지고 있는 한계와 양자컴퓨터가 가져올 수 있는 암호체계의 문제점 등을 게임을 통해 알아보고 이러한 최첨단 컴퓨터가 가져올 우리 미래의 밝은 모습과 어두운 모습에 대하여 생각해보고 자신들이 살아갈 미래에 어떻게 컴퓨터를 활용해야하는지 이야기를 나누고 자신의 장래희망과 연관지어 생각해볼 수 있도록 하였다. 제안하는 교육프로그램의 차시별 교육활동은 다음과 같다.
학생들의 흥미를 유발하기 위해 많은 학생들이 영화로 접한 캐릭터를 프롤로그에 활용해 흥미와 관심을 이끌고 1차시에서는 언플러그드 게임을 통한 2진수의 이해, 2차시에서는 숫자맞추기 게임과 양자카드를 통한 양자비트의 이해, 3차시에서는 추가카드와 함께하는 숫자맞추기 게임을 통한 양자컴퓨터의 한계와 미래에 대하여 알 수 있도록 하였다. 모든 활동이 보드 게임을 기반으로 하여 3, 4학년 학생들이 이해하기 힘든 내용이지만 양자컴퓨터의 개념에 대하여 재미있고, 핵심만 알 수 있도록 교재를 개발, 제작하였다.
본 논문에서 제안하는 교육 프로그램에서의 기본 게임알고리즘은 학생들의 흥미를 불러일으키고 이후 양자컴퓨터의 기본적인 원리를 이해하는 게임의 기본규칙에도 해당하기 때문에 사전에 충분히 익힐 수 있도록 해야 한다. 아주 간단한 게임 알고리즘이므로 3, 4학년의 학생들이 학습하는 것에는 무리가 없다고 사료된다.
본 논문에서 제안하는 교육 프로그램은 학생들의 성장했을 때 사용될 양자컴퓨터에 대한 소개와 원리, 그리고 양자컴퓨터가 활용되어 변화될 사회의 모습에 대하여 함께 이야기하고 생각해보고, 어떻게 올바르게 사용할지에 대한 미래 정보통신 윤리에 대하여도 알아보는다양한 학생중심의 활동으로 진로 스팀 교육 프로그램을 구성하였다.
본 논문에서 제안하는 교육프로그램은 1차시에서 기본적으로 언플러그드 활동을 통하여 일반컴퓨터가 정보를 전달하는 가장 기본적인 방식인 2진수와 비트의 개념에 대하여 이해하고, 2차시에서 다빈치코드게임을 응용한 숫자 맞추기 게임을 통해 양자비트에 대하여 이해할 수 있도록 하였다. 3차시에서는 양자컴퓨터가 가지고 있는 한계와 양자컴퓨터가 가져올 수 있는 암호체계의 문제점 등을 게임을 통해 알아보고 이러한 최첨단 컴퓨터가 가져올 우리 미래의 밝은 모습과 어두운 모습에 대하여 생각해보고 자신들이 살아갈 미래에 어떻게 컴퓨터를 활용해야하는지 이야기를 나누고 자신의 장래희망과 연관지어 생각해볼 수 있도록 하였다.
설문지는 사후에 이루어졌으며, 5점 만점의 척도로 구성한 문항으로 이루어졌다. 그 결과는 다음과 같다.
연구대상의 초등학생에게 양자컴퓨터 전문가 STEAM 진로 교육프로그램 적용을 위하여 학생용 교재뿐만 아니라 교사에게도 생소한 분야라 교사의 지도를 돕기 위해 교사용 지도서 및 학습교구를 (Fig. 4)와 같이 개발하였다. 학생들의 흥미를 유발하기 위해 많은 학생들이 영화로 접한 캐릭터를 프롤로그에 활용해 흥미와 관심을 이끌고 1차시에서는 언플러그드 게임을 통한 2진수의 이해, 2차시에서는 숫자맞추기 게임과 양자카드를 통한 양자비트의 이해, 3차시에서는 추가카드와 함께하는 숫자맞추기 게임을 통한 양자컴퓨터의 한계와 미래에 대하여 알 수 있도록 하였다.
본 연구는 사이버 네트워크 주제의 STEAM 진로교육 프로그램이 초등학생들에게 어떠한 효과가 있는지를 규명하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 3-4학년을 대상으로 한 교육프로그램을 제안하고 있으며 제주특별자치도 소재 3-4학년 학생을 대상으로 본 STEAM 진로 교육프로그램을 적용하여 효과성을 검증하였다[13][15][16][17][19][21].
차시별 교육 내용은 1차시 상황제시 창의적 설계, 2차시 창의적 설계 및 감성적 체험, 3차시 감성적 체험 및 진로탐색으로 주제 중심 학습이 이루어지도록 하였다. 주제별 STEAM 학습준거틀은 다음과 같다[23][25][27][29][31].
3차시 “양자컴퓨터와 우리의 미래”에서는 양자컴퓨터의 기술적 어려움과 기존 암호 체계가 무너지는 것을 추가 카드를 통해 학생들이 느낄 수 있도록 하여 양자컴퓨터가 활용될 미래에 대하여 진지하게 생각해볼 시간을 가졌다. 학생들은 자신의 장래희망과 연관지어 미래의 자신이 직업에 양자컴퓨터가 어떤 영향을 끼칠지 이야기하였고, 양자컴퓨터를 어떻게 이용해야할지 자신들의 생각을 적고 서로 이야기 나누었다.
4)와 같이 개발하였다. 학생들의 흥미를 유발하기 위해 많은 학생들이 영화로 접한 캐릭터를 프롤로그에 활용해 흥미와 관심을 이끌고 1차시에서는 언플러그드 게임을 통한 2진수의 이해, 2차시에서는 숫자맞추기 게임과 양자카드를 통한 양자비트의 이해, 3차시에서는 추가카드와 함께하는 숫자맞추기 게임을 통한 양자컴퓨터의 한계와 미래에 대하여 알 수 있도록 하였다. 모든 활동이 보드 게임을 기반으로 하여 3, 4학년 학생들이 이해하기 힘든 내용이지만 양자컴퓨터의 개념에 대하여 재미있고, 핵심만 알 수 있도록 교재를 개발, 제작하였다.
성능/효과
31의 점수로 앞으로도 이러한 STEAM 프로그램을 받고 싶다고 하였다. 그리고 STEAM 프로그램에 대하여 중요성과 양자컴퓨터 전문가에 대한 이해도 평균은 4.25점으로 학생들이 진로와 관계해서도 많은 것을 느낀 수업이었다는 것을 알 수 있다.
2차시 “게임으로 알아보는 양자비트”에서는 먼저 다빈치코드 보드게임과 유사한 숫자맞추기 게임을 이용하여 흥미를 유발하고 기본 게임 규칙을 익혔다. 기본 게임 규칙을 익힌 후 큐비트의 성격을 지니고 있는 양자 카드라는 특별 카드를 추가하여 게임을 진행하고 기존게임과 양자카드를 이용했을 때의 게임진행 속도 등이 어떻게 달라지는지 이야기하고 큐비트란 새로운 비트를 이용하여 게임의 진행이 빨라지고 더 많은 것을 알 수 있듯이 컴퓨터도 더 많은 정보를 한 번에 전달하고 엄청난 속도로 발전할 것이라는 것을 학생들이 이해하는 모습을 볼 수 있었다.
이번 STEAM 진로 교재를 통해 아무리 어려운 주제라도 학생들의 수준에 맞게 교재가 마련된다면 학생들은 흥미를 보이고, 이러한 프로그램을 계속 원한다는 것이 결과로 드러났다. 이번 교재와 같은 프로그램은 기존학교에서 이루어지고 있는 현재 중심적인 진로 교육에서 좀 더 나아가 학생들이 미래 직업사회에 대해 이해함을 도와주는 데서 그치지 않고 학생들이 IT관련 직업을 선택하지 않더라도 미래사회에 대한 이해를 도움으로써 자신들의 장래희망이 미래사회에 어떻게 변해있을 것에 대해 생각할 기회를 제공하고 좀 더 구체적으로 자신의 진로와 미래에 대하여 생각할 수 있도록 도울 수 있을 것이다.
오히려 어려운 주제지만 학생들이 너무 어려워하지 않고 이해하고 있었다는 것을 알 수 있다. 프로그램에 대해서는 게임 중심의 활동으로 평균 4.13점의 높은 만족도를 확인할 수 있었다. 학습을 하고 나서 학생들은 평균 4.
후속연구
이는 앞으로도 미래의 세상에 대한 이해와 미래의 직업에 대한 교재의 개발과 적용이 필요하다고 볼 수 있겠다. 본 논문의 중점사항은 초등학생들에게 양자역할이라는 어려운 내용을 쉽게 이해할 수 있는 방법과 제시내용에 있으며, 구체적인 효과성 검증부분에 대한 심층분석 및 검토는 추후 더 연구해야할 필요성이 있겠다.
만약 중첩된 큐비트가 512개라면 2의 512제곱배라는 속도로 연산이 된다는 것이다. 이러한 양자컴퓨터는 미래의 엄청난 양의 빅데이터 분석과 인공지능 등 복잡하고 예측 불가능한 다양한 분야에 활용될 것이다.
이번 STEAM 진로 교재를 통해 아무리 어려운 주제라도 학생들의 수준에 맞게 교재가 마련된다면 학생들은 흥미를 보이고, 이러한 프로그램을 계속 원한다는 것이 결과로 드러났다. 이번 교재와 같은 프로그램은 기존학교에서 이루어지고 있는 현재 중심적인 진로 교육에서 좀 더 나아가 학생들이 미래 직업사회에 대해 이해함을 도와주는 데서 그치지 않고 학생들이 IT관련 직업을 선택하지 않더라도 미래사회에 대한 이해를 도움으로써 자신들의 장래희망이 미래사회에 어떻게 변해있을 것에 대해 생각할 기회를 제공하고 좀 더 구체적으로 자신의 진로와 미래에 대하여 생각할 수 있도록 도울 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
양자컴퓨터는 어떤 기술인가?
이러한 한계를 극복하기 위해 나온 새로운 기술을 활용한 컴퓨터가 바로 양자컴퓨터이다. 양자컴퓨터는 Q비트를 사용하여 0과 1이외의 새로운 정보를 전달할 수 있는 기술이다. 양자컴퓨터의 속도는 기존의 컴퓨터를 뛰어넘음은 물론이고 슈퍼컴퓨터를 능가하는 능력을 가지고 있다.
양자컴퓨터 전문가가 되기 위해서는 어떤 사고능력을 필요로 하는가?
양자컴퓨터 전문가가 되기 위해서는 전기공학, 전자공학, 원자력공학, 통신공학, 양자역학 등을 전공해야한다. 그리고 현재 적용된 일반 컴퓨터와 다른 새로운 방법의 컴퓨터이므로 문제해결을 위한 분석적 사고 능력과 새로운 기술을 제품으로 만들 수 있는 창의력을 필요로 한다.
양자컴퓨터는 어떤 현상을 이용한 컴퓨터인가?
양자컴퓨터는 양자중첩과 양자얽힘의 두가지 현상을 이용한 컴퓨터이다. 양자 중첩이랑 양자가 측정되지 전까지는 전자가 어떤 값을 가지는지 임의성을 가지고 있는 상태이며, 양자 얽힘은 양자들 중 하나가 관측되면서 나머지 양자들도 고정되어 하나의 값을 나타내는 현상이다.
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