[논문]기계공학의 융합교육을 위한 재료역학 교재 및 휴대용 재료시험기 개발

조승현; 이순아

doi:10.18108/jeer.2018.21.4.20

문제 정의

대학입시를 위해 가장 많은 시간을 할애하고도 이러한 현상이 매년 반복되는 것은 수학교육의 문제점을 함축하고 있다. 따라서 본 논문에서는 수(number)가 가지고 있는 의미(조승현 외, 2018)와 산업분야에서 수의 의미를 활용한 사례를 보여주고, 대표적 몇가지 수학(Mathematics)의 발견과정을 제시함으로써 학생들이 수학이 평범한 일상으로부터 어떤 필요에 의해 발견되는 과정을 이해하여 수학과 공학 공부에 흥미를 갖고 학습할 수 있도록 하였다.
5는 아라비아 숫자가 가지고 있는 디자인, 공학의 의미를 연구한 결과를 요약한 그림으로써 학생들이 수학의 근원인 수에 대한 관심을 갖고 수학을 접하도록 하였다. 또한 자연과학사를 바탕으로 수학의 발견과정을 소개함으로써 학생들이 우리의 삶과 수학이 떨어진 것이 아니라는 것을 학습하여 수학의 필요성을 스스로 깨우치도록 하였다.
피사의 사탑의 보수 사례에서 힘과 모멘트의 관계를, 판테온 신전으로부터 아치의 역학을 설명하였다. 또한 적절한 역학 계산 문제를 건축물의 구조로부터 도출하여 학생들에게 예술유산에 대한 역학적 이해를 돕고 역학계산의 흥미를 유발하도록 하였다.
본 논문에서는 기계공학, 특히 재료역학의 관점에서 융합교육을 위해 예술과 자연과학이 접목된 공학교재를 개발하고, 실습교육의 확대를 위해 일반 강의실에서 실습을 가능하게 하는 휴대용 재료시험기의 개발에 관해 연구하고자 한다(슈나이더, 2002). 교재의 구성은 예술과 건축 등 인문학적 내용으로부터 재료역학의 이론적 배경을 이해할 수 있도록 하였고, 휴대용 재료시험기는 건축물의 주요 구성요소이며 재료역학의 핵심내용인 보(beam), 아치(arch) 및 돔(dome)구조의 역학을 실습할 수 있도록 설계 및 제작하였다.
본 연구에서는 기계공학의 융합교육을 위해 예술과 공학이 접목된 재료역학 교재를 개발하고 융합교재의 내용을 일반강의실에서 실습할 수 있는 휴대용 재료시험기를 개발을 수행하였다. 교재는 공학문제 중심에서 탈피하고 다양한 예술을 소개하고 공학적 사고와 연결되도록 하여 학생들의 예술적 감수성을 높이고 공학에 흥미를 가지도록 하여 융합교육 효과를 제고하였다.
즉, 피카소는 뜨개질하는 여인의 움직임만을 스케치하고, 물소를 단순한 선으로 표현함으로써 움직이는 사물의 본질만을 추출하였다. 본 연구에서는 기구학과 피카소의 추상화를 연계하여 설명함으로써 학생들이 기계요소의 움직임을 고려하는 기구학과 피카소의 추상화를 동시에 이해할 수 있도록 하였다.
기계장치 또는 기계부품으로 작품을 만들고, 복고풍 기계와 최신 기계를 조합하여 새로운 작품을 창조하는 형태이다. 본 연구에서는 상상력과 창의력이 발현되도록 스팀펑크 사례를 통해 학생들이 기계가 작품이 될 수 있다는 것을 인식하도록 하였다.
본 연구에서는 예술-공학 융합교육을 위한 휴대용 재료시험기를 개발하였다. Fig.
실습교육을 위해 예술과 공학 측면에서 예술적인 요소와 공학적 요소를 모두 실습할 수 있는 대상으로 건축물의 주요 구조물이자 재료역학의 핵심 교육대상인 보, 아치 및 돔을 선정하고 관련된 역학을 실습으로 학습하도록 하였다. 이와 같은 실습목표를 달성하기 위해 본 논문에서는 굽힘, 인장과 압축 등을 평가할 수 있고, 학생들이 일반 강의실에서 자유롭게 실습목적에 따라 재료시험기를 조립하여 실습한 후 다시 분해하여 보관할 수 있는 휴대용 재료시험기를 개발하였다.

제안 방법

체계적인 연구를 위해 연구목표 설정과 연구팀을 구성하고 이론교육과 실습교육컨텐츠를 도출하였다. 개발된 교육 컨텐츠와 휴대용 재료시험기는 교육현장에 적용하여 교육효과를 분석하였고 개선안이 다시 이론과 실습교육의 컨텐츠 개발에 반영되도록 하였다. 한편, 개발된 휴대용 재료시험기는 특허로 출원하여 향후 다양한 형태로 제작 개발될 수 있도록 지식재산권을 확보하였다.
본 논문에서는 기계공학, 특히 재료역학의 관점에서 융합교육을 위해 예술과 자연과학이 접목된 공학교재를 개발하고, 실습교육의 확대를 위해 일반 강의실에서 실습을 가능하게 하는 휴대용 재료시험기의 개발에 관해 연구하고자 한다(슈나이더, 2002). 교재의 구성은 예술과 건축 등 인문학적 내용으로부터 재료역학의 이론적 배경을 이해할 수 있도록 하였고, 휴대용 재료시험기는 건축물의 주요 구성요소이며 재료역학의 핵심내용인 보(beam), 아치(arch) 및 돔(dome)구조의 역학을 실습할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 이를 통해 예술 경험과 기초수학능력이 부족한 학생들이 학습동기를 갖고 창의적 사고를 할 수 있게 함으로써 인문·예술적 소양을 갖추고 공학(기술)을 일상에서 활용할 수 있는 문제해결능력을 갖춘 인재의 육성을 기대한다.
현대의 관점에서 보면 예술, 의학, 공학 등 다방면에서 천재성을 보인 만능인의 전형인 레오나르도 다빈치는 별도의 장으로 구성할 만큼 충분한 교육가치가 있다고 판단하였다. 그가 남긴 기록 분석을 통해 그의 데생능력과 사물의 분석능력이 예술에 미친 영향과 공학적 설계로 이어지는 관련성을 분석하였다. 또한 현대의 계측기와 역학이론이 없던 시대에 그의 힘에 대한 분석, 유체역학에 대한 이해, 태양에너지를 활용하기 위한 기구, 구조물을 움직이도록 고안된 나무베어링 등을 고찰함으로써 예술과 공학이 근원적으로 하나였음을 확인하도록 하였다.
9에서 보여주는 바와 같이 피사의 사탑을 보수하는 과정에 사탑 고정용으로 사용된 와이어에 발생하는 회전모멘트 등을 계산하도록 함으로써 예술작품에 대한 이해뿐만 아니라 자연스럽게 예술작품의 구조적, 역학적 특성을 고찰할 수 있도록 하였다. 그외에도 판테온과 아치구조, 브루넬리스키 돔, 고딕건축 등의 역학 문제 등을 소개하였다.
11은 공공시설에 종종 볼 수 있는 움직이는 분수에 관한 것이다. 대표적 작품인 장 팅겔리의 움직이는 분수를 소개하며 역동적인 분수의 움직임을 위해서 기구설계, 재료선정, 형상설계, 방수설계, 유체역학 등 기계공학 영역과 모터와 같은 전력 및 동력이 융합된 기술임을 학습하도록 하였다.
학생들이 시험장치의 구조를 이해하고, 실험의 결과가 실습자의 숙련도에 따라 상당한 편차를 가진다는 것을 체득할 수 있도록 자동화 장치는 제외하고 수동장치로만 구성하였다. 또한 안전한 실습을 위해 부품조립에 볼트, 너트 등의 체결요소를 사용하지 않았고 플라스틱, 종이, 필름 등을 대상으로 최대하중 200N이하로 시험하도록 하였다. 재료시험기 1세트의 무게는 성인이 휴대할 수 최대 5Kg이하로 억제하기 위해 주요부품은 알루미늄으로 제작하였다.
또한 융합교재에는 Fig. 7과 같이 레오나르도 다 빈치를 별도의 독립 장으로 편성하였다. 이것은 다빈치만으로도 충분한 융합교육의 컨텐츠가 구성될 수 있다고 판단했기 때문이다.
그가 남긴 기록 분석을 통해 그의 데생능력과 사물의 분석능력이 예술에 미친 영향과 공학적 설계로 이어지는 관련성을 분석하였다. 또한 현대의 계측기와 역학이론이 없던 시대에 그의 힘에 대한 분석, 유체역학에 대한 이해, 태양에너지를 활용하기 위한 기구, 구조물을 움직이도록 고안된 나무베어링 등을 고찰함으로써 예술과 공학이 근원적으로 하나였음을 확인하도록 하였다.
또한, 휴대용 재료시험기 개발은 대학 실습 교육의 한계를 반영하여 일반강의실에서 수행할 수 있도록 ‘휴대용’이라는 목표를 설정하고, 선정된 예술 및 건축분야와 기존 재료역학의 이론을 가장 잘 평가할 수 있는 보, 아치 및 돔 구조의 역학을 평가하도록 설계·제작하였다.
본 논문의 교육 컨텐츠 개발은 미학과 르네상스 분야 전문가와 공동으로 기존 재료역학의 교과내용을 분석하고, 기계공학 신입생들을 대상으로 재료역학 수강의 어려움 등 교육수요를 조사한 내용을 반영하여 재료역학 교육을 위한 예술 및 건축분야를 선정하였다. 또한, 휴대용 재료시험기 개발은 대학 실습 교육의 한계를 반영하여 일반강의실에서 수행할 수 있도록 ‘휴대용’이라는 목표를 설정하고, 선정된 예술 및 건축분야와 기존 재료역학의 이론을 가장 잘 평가할 수 있는 보, 아치 및 돔 구조의 역학을 평가하도록 설계·제작하였다.
실습교육을 위해 예술과 공학 측면에서 예술적인 요소와 공학적 요소를 모두 실습할 수 있는 대상으로 건축물의 주요 구조물이자 재료역학의 핵심 교육대상인 보, 아치 및 돔을 선정하고 관련된 역학을 실습으로 학습하도록 하였다. 이와 같은 실습목표를 달성하기 위해 본 논문에서는 굽힘, 인장과 압축 등을 평가할 수 있고, 학생들이 일반 강의실에서 자유롭게 실습목적에 따라 재료시험기를 조립하여 실습한 후 다시 분해하여 보관할 수 있는 휴대용 재료시험기를 개발하였다.
역학적구조와 미적구조 연구를 위해 Fig. 8과 같이 파르테논 신전의 기둥을 대상으로 응력계산 등을 하고, Fig. 9에서 보여주는 바와 같이 피사의 사탑을 보수하는 과정에 사탑 고정용으로 사용된 와이어에 발생하는 회전모멘트 등을 계산하도록 함으로써 예술작품에 대한 이해뿐만 아니라 자연스럽게 예술작품의 구조적, 역학적 특성을 고찰할 수 있도록 하였다. 그외에도 판테온과 아치구조, 브루넬리스키 돔, 고딕건축 등의 역학 문제 등을 소개하였다.
12에서 보여주는 바와 같이 피카소의 추상화 작품과 유사하다. 즉, 피카소는 뜨개질하는 여인의 움직임만을 스케치하고, 물소를 단순한 선으로 표현함으로써 움직이는 사물의 본질만을 추출하였다. 본 연구에서는 기구학과 피카소의 추상화를 연계하여 설명함으로써 학생들이 기계요소의 움직임을 고려하는 기구학과 피카소의 추상화를 동시에 이해할 수 있도록 하였다.
3은 본 논문의 연구체계와 절차를 보여주는 그림이다. 체계적인 연구를 위해 연구목표 설정과 연구팀을 구성하고 이론교육과 실습교육컨텐츠를 도출하였다. 개발된 교육 컨텐츠와 휴대용 재료시험기는 교육현장에 적용하여 교육효과를 분석하였고 개선안이 다시 이론과 실습교육의 컨텐츠 개발에 반영되도록 하였다.
컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 파르테논 신전, 고딕성당, 피렌체 대성당의 돔구조 등의 응력과 변위 등을 해석하여 건축당시 그것들의 역학적 안전성이 매우 우수하였음을 확인하였다. 피사의 사탑의 보수 사례에서 힘과 모멘트의 관계를, 판테온 신전으로부터 아치의 역학을 설명하였다. 또한 적절한 역학 계산 문제를 건축물의 구조로부터 도출하여 학생들에게 예술유산에 대한 역학적 이해를 돕고 역학계산의 흥미를 유발하도록 하였다.
16은 개발된 재료시험기의 적용사례로써 학생들이 인장, 굽힘, 압축시험을 하는 모습을 보여주고 있다. 학생들은 재료역학의 보, 아치, 돔의 형상을 갖는 시편을 사용하여 이론수업에서 학습한 역학을 실습을 통해 확인함으로써 예술과 공학의 상관관계를 이해하고, 재미있는 실습을 수행하였다. 이와 같은 실습교육은 일반강의실에서 2인/조로 수행하였는데 매우 재미있고 역학을 이해하는데 많은 도움이 되었다는 사후 평가를 확인하였다.

대상 데이터

또한 안전한 실습을 위해 부품조립에 볼트, 너트 등의 체결요소를 사용하지 않았고 플라스틱, 종이, 필름 등을 대상으로 최대하중 200N이하로 시험하도록 하였다. 재료시험기 1세트의 무게는 성인이 휴대할 수 최대 5Kg이하로 억제하기 위해 주요부품은 알루미늄으로 제작하였다.

이론/모형

재료역학의 주요내용인 응력, 보, 기둥, 아치 등의 내용을 인류의 예술유산인 파르테논 신전(Nathan et.al., 1996), 고딕성당(Lim, 2003: Rsebero, 2000: Robert, 1999), 피렌체 대성당(Lim, 2003: Joo, 1987: Johnson, 2003: Wittkower, 1988: Saitoh, 2005), 피사의 사탑(Lim, 2011), 판테온 신전(Lim, 2003: Lim, 2011: Robert, 1999: Yoon, 1977: Macdonald, 1976: Stamper, 2005) 등을 통해 학습할 수 있도록 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 파르테논 신전, 고딕성당, 피렌체 대성당의 돔구조 등의 응력과 변위 등을 해석하여 건축당시 그것들의 역학적 안전성이 매우 우수하였음을 확인하였다.

성능/효과

, 1996), 고딕성당(Lim, 2003: Rsebero, 2000: Robert, 1999), 피렌체 대성당(Lim, 2003: Joo, 1987: Johnson, 2003: Wittkower, 1988: Saitoh, 2005), 피사의 사탑(Lim, 2011), 판테온 신전(Lim, 2003: Lim, 2011: Robert, 1999: Yoon, 1977: Macdonald, 1976: Stamper, 2005) 등을 통해 학습할 수 있도록 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 파르테논 신전, 고딕성당, 피렌체 대성당의 돔구조 등의 응력과 변위 등을 해석하여 건축당시 그것들의 역학적 안전성이 매우 우수하였음을 확인하였다. 피사의 사탑의 보수 사례에서 힘과 모멘트의 관계를, 판테온 신전으로부터 아치의 역학을 설명하였다.

후속연구

그리고 추가 연구된 융합 컨텐츠를 실습으로 학습할 수 있도록 휴대용 재료시험기의 평가용 지그를 추가 설계·제작해야 하고, 평가용 시편도 재료와 형상 등을 고려하여 제작할 것이다.
따라서 학생들은 위대한 예술작품의 탄생을 가능하게 한 기계공학의 역사와 예술과 공학의 상호관련성을 이해하고 일상에서 활용할 수 있는 창의력을 갖게 될 것이다. 따라서 본 연구와 후속연구를 통해 ‘인문·예술적 소양을 갖추고 공학(기술)을 일상에서 활용할 수 있는 문제해결능력을 갖춘 인재의 육성’이라는 연구목표를 달성하는데 기여할 것이다.
그러나 재료역학의 관점에서는 건축물 중심으로 개발된 융합교재가 예술과 공학의 상호관련성이 다소 부족하다는 판단이다. 따라서 향후에는 건축물을 건축하기 위해 사용된 도르래(pulley)와 기중기(crane)와 같은 장치, 휠(wheel)과 축(axle) 및 베어링(bearing)과 같은 기계부품 등으로 영역을 확대하여 재료역학과 관련된 융합성을 확대할 계획이다. 그리고 추가 연구된 융합 컨텐츠를 실습으로 학습할 수 있도록 휴대용 재료시험기의 평가용 지그를 추가 설계·제작해야 하고, 평가용 시편도 재료와 형상 등을 고려하여 제작할 것이다.
또한, 향후 후속연구를 통해 실습교육을 통해 제안 받은 수요자(학생)들과 사용자(교수)들의 의견을 반영하여 예술과 공학이 접목된 다양한 이론과 실습사례를 발굴하고, 휴대용 재료시험기는 디지털 측정기능을 추가하고, 측정 하중을 증가시켜 정량적 분석과 다양한 재료를 평가할 수 있도록 할 계획이다.
다빈치의 연구노트를 중심으로 그가 관여한 회화, 의학, 역학, 자연과학 등을 소개하면서 그의 사물에 대한 세심한 관찰력, 사물의 움직임을 스케치 등으로 표현하는 능력과 상상력을 구현하고자 하는 집요함 등이 위대한 예술가이자 과학자이며 공학자인 레오나르도 다빈치를 있게 했다는 점을 고찰하였다. 레오나르도 다빈치의 업적은 융합교육용 실습 컨텐츠 개발에 매우 중요한 소재가 될 것으로 판단하며 향후 관련 연구를 진행할 필요가 있다.
향후에는 레오나르도 다빈치가 설계한 볼베어링의 마찰력, 압축강도 및 충격강도를 측정할 수 있도록 마찰시험과 충격시험이 가능한 지그(zig)를 추가할 계획이다. 본 연구를 통해 개발된 휴대용 재료시험기는 향후 추가될 실습내용을 포함하여 특허출원(출원번호 10-2016-0146496)을 함으로써 안정적인 실습용 장치의 연구개발이 되도록 지식재산권을 확보했다는데 의미가 있다.
교재의 구성은 예술과 건축 등 인문학적 내용으로부터 재료역학의 이론적 배경을 이해할 수 있도록 하였고, 휴대용 재료시험기는 건축물의 주요 구성요소이며 재료역학의 핵심내용인 보(beam), 아치(arch) 및 돔(dome)구조의 역학을 실습할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 이를 통해 예술 경험과 기초수학능력이 부족한 학생들이 학습동기를 갖고 창의적 사고를 할 수 있게 함으로써 인문·예술적 소양을 갖추고 공학(기술)을 일상에서 활용할 수 있는 문제해결능력을 갖춘 인재의 육성을 기대한다.
10은 알렉산더 칼더의 모빌을 대상으로 학생들이 힘의 평행방정식을 고려한 작품을 기획하고 모델링한 후 적절한 제조방법을 선정하여 작품을 제작하는 과정을 보여주고 있다. 이와 같은 과정을 통해 학생들은 이상적 비례미와 적합미를 고려한 디자인을 하고 적절한 제조방법을 선정할 수 있는 능력을 습득할 뿐만 아니라 역학적 관점에서 예술작품을 제조하는 창의적 융합과정을 학습할 것으로 기대된다.
고딕건축인 밀라노 대성당의 보, 콜로세움의 아치와 피렌체 대성당의 돔 구조를 평가하기 위해 휴대용 재료시험기는 보의 휨 강도, 보의 단면형상별 굽힘강도, 기둥의 인장과 압축강도, 아치와 돔 구조의 압축강도를 평가할 수 있도록 제작되었다. 향후에는 레오나르도 다빈치가 설계한 볼베어링의 마찰력, 압축강도 및 충격강도를 측정할 수 있도록 마찰시험과 충격시험이 가능한 지그(zig)를 추가할 계획이다. 본 연구를 통해 개발된 휴대용 재료시험기는 향후 추가될 실습내용을 포함하여 특허출원(출원번호 10-2016-0146496)을 함으로써 안정적인 실습용 장치의 연구개발이 되도록 지식재산권을 확보했다는데 의미가 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저자가 기초학습능력 부족의 원인으로 생각한 것은?	2013년 동양미래대학교 재료역학을 수강한 학생 112명을 대상으로 수행된 설문조사에서 학생들은 공학교육이 어려운 이유로 수학기초학력부족, 물리기초학력부족 등을 꼽고 있다. 신입생들을 대상으로 강의한 경험에 비추어보면 기초학습능력 부족의 원인으로 “왜”라는 질문을 하지 않는 학습법이 원인으로 보여진다. 학생들은 “왜 공학을 공부해야 하는가?” 등과 같은 질문을 하지 않는다.
	학생들이 공학교육이 어려운 이유로 든 것은?	2013년 동양미래대학교 재료역학을 수강한 학생 112명을 대상으로 수행된 설문조사에서 학생들은 공학교육이 어려운 이유로 수학기초학력부족, 물리기초학력부족 등을 꼽고 있다. 신입생들을 대상으로 강의한 경험에 비추어보면 기초학습능력 부족의 원인으로 “왜”라는 질문을 하지 않는 학습법이 원인으로 보여진다.
	가구소득과 예술경험은 어떤 관계가 있는가?	7%로 가정소득에 따라 대학선택이 확연히 달라짐을 알 수 있다. 한편 가구소득별 예술관람률과 예술관람 의향을 살펴보면 소득이 감소할수록 예술관람률과 예술관람 의향률이 매우 낮다. 주목할 것은 소득이 낮을수록 예술관람률과 예술관람 의향률의 차이가 크다는 점이다. 즉, 소득이 낮으면 예술을 접하고 싶지만 실제 접하지 못한다는 점이다. 따라서 가정소득이 낮은 전문대학생들은 예술경험이 상대적으로 부족할 것으로 예상되기 때문에 저소득 가정 학생들의 창의성 개발과 전문대학의 융합교육을 위해서는 전문대학생들을 대상으로 인문·예술의 경험을 확대하고 관련 교육과정의 개발이 필요하다고 할 것이다.

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