과학, 기술, 공학, 예술, 그리고 수학을 통합한 STEAM 프로그램은 중등 교육에서 필수적인 요소로 자리 잡았고 소프트웨어 교육은 앞으로 중등학교에서 필수 이수과목으로 선정될 예정이다. 본 연구에서는 STEAM 교육과 함께 소프트웨어 교육 자료로 레고 마인드스톰 로봇 활용방안을 제안하고자 한다. 5차시로 개발된 STEAM 교육 프로그램은 차시별로 STEAM 교육에서의 핵심적인 요소를 포함하여 문제해결중심으로 구성되었고, 이를 수업에 적용하여 사례를 분석하였다. 분석 결과 레고 로봇을 활용한 STEAM 프로그램은 학생들에게 창의적인 사고와 문제해결 방법에 대해 구상 할 수 있는 기회를 제공하고 소프트웨어 교육과 과학 수업에의 활용 가능성에 대해 긍정적인 결과를 보였다. 또한 본 연구에서 개발한 프로그램은 방과 후 수업, 영재수업 등 현장에 적용 가능함을 알 수 있었다.
과학, 기술, 공학, 예술, 그리고 수학을 통합한 STEAM 프로그램은 중등 교육에서 필수적인 요소로 자리 잡았고 소프트웨어 교육은 앞으로 중등학교에서 필수 이수과목으로 선정될 예정이다. 본 연구에서는 STEAM 교육과 함께 소프트웨어 교육 자료로 레고 마인드스톰 로봇 활용방안을 제안하고자 한다. 5차시로 개발된 STEAM 교육 프로그램은 차시별로 STEAM 교육에서의 핵심적인 요소를 포함하여 문제해결중심으로 구성되었고, 이를 수업에 적용하여 사례를 분석하였다. 분석 결과 레고 로봇을 활용한 STEAM 프로그램은 학생들에게 창의적인 사고와 문제해결 방법에 대해 구상 할 수 있는 기회를 제공하고 소프트웨어 교육과 과학 수업에의 활용 가능성에 대해 긍정적인 결과를 보였다. 또한 본 연구에서 개발한 프로그램은 방과 후 수업, 영재수업 등 현장에 적용 가능함을 알 수 있었다.
STEAM program as integrating Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics became essential part of secondary education and software education will be a required subject in secondary schools. In this study, we propose the application of the Lego mindstorms robotics programs for the develop...
STEAM program as integrating Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics became essential part of secondary education and software education will be a required subject in secondary schools. In this study, we propose the application of the Lego mindstorms robotics programs for the developments of both STEAM and software educational materials. Our program consisting of five hours of classes is made based on the problem solving strategies. According to students' impression obtained after our program had been applied, our program appears to provide students opportunities for conceiving creative thinking and problem solving strategies. It also shows positive results for the application to the software and science educations as well as other extracurricular such as after school programs or programs for gifted students.
STEAM program as integrating Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics became essential part of secondary education and software education will be a required subject in secondary schools. In this study, we propose the application of the Lego mindstorms robotics programs for the developments of both STEAM and software educational materials. Our program consisting of five hours of classes is made based on the problem solving strategies. According to students' impression obtained after our program had been applied, our program appears to provide students opportunities for conceiving creative thinking and problem solving strategies. It also shows positive results for the application to the software and science educations as well as other extracurricular such as after school programs or programs for gifted students.
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문제 정의
(2) 진자의 주기에 대해 설명하고 주기를 어떻게 정확히 측정할 수 있을지 생각해 보도록 한다.
)을 적용한 후 결과를 분석하였다. 기존의 영재학생들을 대상으로 하지 않고 일반 학생들을 대상으로 변경한 것은 영재집단이라는 특수성에서 벗어나 일반 학생들에게도 적용이 가능한지와 중학교 전 학년의 학생들에게 적용가능 여부를 분석하기 위해서이다. 또한 1차시의 수업을 4시간, 총 5차시로 구성한 이유는 대부분의 학교 및 교육청에서 토요 특기적성 수업이나 영재교육 수업이 1차시에 4시간인 5차시의 수업으로 편성되어 시행되기 때문이다.
그리고 두 번째로 프로그래밍 전 학생들은 논리적인 순서도 개념이 부족한 경우가 많아 알고리즘을 작성해보는 연습이 필요하다. 따라서 학생들로 하여금 기본적인 순서도에서 도형이 가지는 의미에 따라 순서적으로 연결하여 발표해 보도록 한다. 이 과정에서는 과학, 수학요소가 사용된다.
중학교 영재수업에서는 중등 과학과목의 영재 수업을 처음 접하는 학생들로 구성되어 사전 조사나 비교 집단과의 분석 보다는 교육 후의 인식을 알아보는 것에 초점을 맞추었다. 본 연구에서는 교육청 영재교육 자체평가위원회의 설문지를 참조하여 레고 로봇 수업을 통한 학생들의 인식을 5점 척도로 측정하여 각 문항별 평균값을 통해 효과성을 분석하고자 하였다. 문항 내용은 수업의 구성을 반영하여 레고 로봇에 대한 흥미도, 로봇의 조립, 프로그래밍 과정, 미션해결과정, 과학실험과정, 협동학습과정에서 학생들의 교육 후 인식을 알아보는 것으로 구성하였고 교육청 영재 설문지와 마찬가지로 사전 조사를 바탕으로 학생들을 선별하기보다 자발적으로 교육을 희망한 학생들을 모두 참여시켜 교육 후의 인식을 알아보았다.
본 연구에서는 레고 로봇을 활용하여 5차시 STEAM 프로그램을 개발하였고, 이를 중학생들에게 적용하여 창의력과 과학적 탐구능력의 향상, 프로그래밍 수업을 통한 소프트웨어 교육과의 융합, 과학실험에의 활용에 미치는 영향을 분석하였다. 프로그램 설명에 그치던 기존의 연구와는 달리 실제 학생들의 흥미와 수업결과 분석을 통해 본 연구에서 개발한 프로그램은 방과 후 수업, 영재수업 등 현장 수업에 그대로 적용 가능함을 알 수 있었다.
학생들의 흥미나 수업의 진행방향에 따라 독창적인 레고 로봇을 제작하는 과제를 줄 수도 있고 과학반이나 과학실험에 중점을 둔다면 과학실험 장치 개발을 할 수도 있다. 본 연구에서는 진자의 주기 측정 장치를 만드는 프로그램을 개발하였고 진자의 주기를 측정하는 장치를 만들어보면서 과학적인 의미와 STEAM 교육을 할 수 있도록 하였다. 이 과정 또한 STEAM의 모든 요소가 활용된다.
이에 본 연구에서는 레고 로봇 수업에서 문제제기의 필요성을 인식하고 실생활과 관련된 문제를 제공할 수 있는 수업모형인 PBL(Problem-Based Learning) 수업 중심의 STEAM 교육 자료를 개발하고 연구의 목적을 다음과 같이 제시하고자 한다.
제안 방법
(1) 3층 계단 형태로 된 상자를 준비하여 바닥에 고정시킨 뒤 계단을 오르는 로봇 (또는 물건을 나르는 로봇)을 제작하도록 소개한다.
(2) 깊숙한 상자를 준비하여 학생들에게 상자의 길이를 자를 사용하지 않고 로봇을 활용하여 측정할 수 있도록 소개한다.
(3) 주기를 구하는 로봇을 설계해본다.
(8) 주기에 영향을 주는 요소를 정리하고 조별 발표를 하고 동영상 촬영을 하여 편집한다.
K교육청 영재교육원의 설문지는 경상북도교육청 영재교육 자체평가위원회에서 개발된 설문지로 총 53개의 문항으로 구성되어 있다. 각 문항은 수업과 교사에 대한 평가, 수업 후에 자신의 인지적, 정의적 향상정도에 대한 내용으로 구성되어 있으며 결과 분석은 리커트 5점 척도를 활용하였다. 중학교 영재수업에서는 중등 과학과목의 영재 수업을 처음 접하는 학생들로 구성되어 사전 조사나 비교 집단과의 분석 보다는 교육 후의 인식을 알아보는 것에 초점을 맞추었다.
그리고 학생들로 하여금 설명서에 있는 로봇의 기본 형태를 조립해 보도록 한다. 이 과정은 설명서의 부품의 크기를 정확히 측정하여 사용하고 또한 도면을 보고 조립하는 과정으로 STEAM의 요소 중 기술, 수학에 해당한다.
학생들은 처음부터 센서에 대한 과학적인 원리를 배우기보다 깡통을 인식하는 간단한 미션으로 센서를 익혔다. 다음으로 라인 트레이서 미션을 수행하면서 컴퓨팅 사고의 원리를 배웠다. 학생들은 라인 트레이서 로봇을 직접 제작할 수 있다는 것에 흥미를 많이 나타냈고 시중에 판매되는 규격화된 상태의 키트를 쓰는 것보다 Figure 2와 같이 직접 순서도를 제작하면서 작동되는 기계의 과학적 원리에 대해 생각하며 프로그램에서 명령의 순서를 생각해보는 기회를 가졌다.
3차시 수업부터는 학생들이 로봇을 제작하는 계획, 부품선정, 제작, 적용, 피드백까지 자기 주도적으로 실험을 수행한다. 동굴의 길이 측정하기는 kang et al. (2015)의 프로그램을 참고하여 제작되었으나 기존의 프로그램이 초음파센서를 사용하는 방법으로 한정된 반면 본 수업에서는 모든 센서를 사용할 수 있도록 하였다. 센서를 사용하고 적절한 로봇을 설계하고 제작하며 미션을 해결하기 위해서는 바퀴 수에 따른 거리등의 수학적인 능력이 필요하다.
레고 로봇을 활용한 STEAM교육 프로그램은 총 5차시(20시간) 수업으로 구성하였고, 이를 경상북도 소재 Y중학교에서 토요 방과 후 레고 로봇 반 11명의 학생들을 대상으로 5차시(20시간)의 수업(2016.3.2.∼2016.11.30.)을 적용한 후 결과를 분석하였다.
레고 마인드스톰 ev3를 이용한 STEAM 수업은 레고 로봇을 처음 접해 본 학생들의 수준에서 중등 영재수업이나 토요 방과 후 수업에서 보편적으로 행해지는 20시간의 수업을 4시간씩 1차시로 편성하여, 총 5차시로 구성하였다. 수업은 본 연구에서 개발된 프로그램을 기본으로 진행하되 학생들의 이해와 수준에 따른 수업 진행속도나 수업시수, 학생들의 관심 분야에 따라 유동적으로 선택이 가능하도록 세부적인 시간 제약 없이 구성하였다.
본 연구에서는 교육청 영재교육 자체평가위원회의 설문지를 참조하여 레고 로봇 수업을 통한 학생들의 인식을 5점 척도로 측정하여 각 문항별 평균값을 통해 효과성을 분석하고자 하였다. 문항 내용은 수업의 구성을 반영하여 레고 로봇에 대한 흥미도, 로봇의 조립, 프로그래밍 과정, 미션해결과정, 과학실험과정, 협동학습과정에서 학생들의 교육 후 인식을 알아보는 것으로 구성하였고 교육청 영재 설문지와 마찬가지로 사전 조사를 바탕으로 학생들을 선별하기보다 자발적으로 교육을 희망한 학생들을 모두 참여시켜 교육 후의 인식을 알아보았다. 수업 참여 인원은 12명이었으며 설문에 참여하지 않은 1명은 연구대상에서 제외시켰다.
학생들 대부분이 일반 레고 블록에 대한 조립 경험이 있었기 때문에 부품을 살펴보고 기본 모델을 조립하는 것은 1시간 내에 완성하였다. 부품을 정리하는 과정을 통해 학생들은 레고 로봇에 어떤 부품들이 있는지 알 수 있었고, 기본 모델을 조립하면서 로봇을 제작하는데 필요한 제작 기술을 연습하였다.
셋째, 개발된 프로그램에 대한 학생들의 수업 후 반응과 교육의 효과성이 긍정적으로 도출되는지 분석한다.
’ 등의 부정적인 정성 평가를 제시하였다. 이를 개선하기 위해 문제해결 중심의 수업 개발을 시작하게 되었으며 2013학년도와 2014학년도에 K교육청 영재교육원 수업에 적용을 하면서 부족한 점을 보완하여 레고 로봇을 활용한 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다.
(4) 레고 로봇의 기본적인 모형의 조립도를 보고 기본 모형 중 하나를 선택해 만들어 본다. 제품의 규격을 정확히 측정하여 조립도를 보고 제작한다.
이 과정 또한 STEAM의 모든 요소가 활용된다. 참고로 현재 레고 소프트웨어에서는 과학 실험으로 마찰력 측정 실험과 관련 매뉴얼을 제공하고 있으나, 본 연구에서는 진자의 주기 측정을 새롭게 시도해 보았다.
첫째, 레고 로봇을 처음 접하는 중등학교 학생들에게 적절한 동기부여가 될 수 있는 학습과제를 제시하고 이를 수행하면서 과학적 원리를 배우고 소프트웨어 사고능력, 과학적 탐구능력을 키울 수 있는 PBL 방식의 STEAM 교육 프로그램을 개발한다.
학생들에게 레고 로봇 프로그램이 과학적 사고에 도움이 되는지와 소프트웨어 프로그래밍의 개념을 이해하는데 도움이 되는지 알아보기 위해 K교육청 영재교육원 설문을 참고하여 개발한 설문지를 본 연구에서 적용하였다. K교육청 영재교육원의 설문지는 경상북도교육청 영재교육 자체평가위원회에서 개발된 설문지로 총 53개의 문항으로 구성되어 있다.
대상 데이터
학생들은 자기 주도적으로 문제를 해결하는 실험을 하면서 토의하고 협동하는 과제를 수행하였다. 미션을 해결하기 위해서 인터넷으로 자료를 검색하였고 연습을 많이 하였다. 학생들은 미션을 해결한 뒤 로봇이 실제 생활에 어떻게 적용되는지 발표하였다.
문항 내용은 수업의 구성을 반영하여 레고 로봇에 대한 흥미도, 로봇의 조립, 프로그래밍 과정, 미션해결과정, 과학실험과정, 협동학습과정에서 학생들의 교육 후 인식을 알아보는 것으로 구성하였고 교육청 영재 설문지와 마찬가지로 사전 조사를 바탕으로 학생들을 선별하기보다 자발적으로 교육을 희망한 학생들을 모두 참여시켜 교육 후의 인식을 알아보았다. 수업 참여 인원은 12명이었으며 설문에 참여하지 않은 1명은 연구대상에서 제외시켰다.
이론/모형
, 2009). 프로그래밍은 레고 마인드스톰에서 제공하는 그래픽 기반의 프로그램 언어인 NXG를 사용하였다.
성능/효과
(3) 다른 사람의 분류 방법과 분류 기준을 비교해 보면서 부품 정리를 마무리 하고 레고 로봇 수업을 위한 준비를 마친다.
설문 4∼5번으로부터 대부분의 학생들은 컴퓨터 언어 자체를 배우지는 않지만 명령을 알고리즘에 따라 설계하는 방법을 익혀 프로그래밍의 개념을 배우는 데 긍정적인 결과가 나타났다. 레고 로봇 수업에서 창의성이 필요하다는 항목(설문 6)은 4.91점으로 매우 높았고, 정보검색 중요하다는 항목(설문 7)은 4.36점, 사전설계가 중요하다는 항목(설문 8)은 4.55점으로 본 연구에서 개발된 프로그램이 STEAM 교육에서 과학적 창의성 개발과 탐구능력 신장에 부합하는 결과라 할 수 있다. 설문 9번에서 학생들은 과제집착력에 대해서도 4.
27점으로 긍정적인 반응을 나타내었다. 설문 10, 11번 문항의 답변에서 보듯 대부분의 학생들은 레고 로봇이 과학실험에 사용될 경우 실험에 대한 학생들의 참여도를 높이고 유용하게 사용될 것이라 생각하였다. 또한 설문 12번 문항의 로봇 제작 시 역학적인 요소를 고려하였는가에 대해 대부분의 학생들이 긍정적으로 답변하였으며, 설문 13~15번의 결과에서는 대부분의 학생들이 로봇을 사용한 후에 과학에 대한 관심이 높아졌으며, 문제 해결과정에서 협동 및 토론이 필요하다고 답변하였다.
설문 4∼5번으로부터 대부분의 학생들은 컴퓨터 언어 자체를 배우지는 않지만 명령을 알고리즘에 따라 설계하는 방법을 익혀 프로그래밍의 개념을 배우는 데 긍정적인 결과가 나타났다.
설문 결과는 5점 척도로 평균점수가 5점에 가까울수록 긍정적인 인식으로 판단할 수 있다.
또한 설문 12번 문항의 로봇 제작 시 역학적인 요소를 고려하였는가에 대해 대부분의 학생들이 긍정적으로 답변하였으며, 설문 13~15번의 결과에서는 대부분의 학생들이 로봇을 사용한 후에 과학에 대한 관심이 높아졌으며, 문제 해결과정에서 협동 및 토론이 필요하다고 답변하였다. 이러한 설문 결과로부터 학생들은 본 연구에서 개발한 로봇 활용 STEAM 교육 프로그램을 긍정적으로 생각한다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 레고 로봇을 활용하여 5차시 STEAM 프로그램을 개발하였고, 이를 중학생들에게 적용하여 창의력과 과학적 탐구능력의 향상, 프로그래밍 수업을 통한 소프트웨어 교육과의 융합, 과학실험에의 활용에 미치는 영향을 분석하였다. 프로그램 설명에 그치던 기존의 연구와는 달리 실제 학생들의 흥미와 수업결과 분석을 통해 본 연구에서 개발한 프로그램은 방과 후 수업, 영재수업 등 현장 수업에 그대로 적용 가능함을 알 수 있었다.
이를 통해 학생들은 과학실험에서 계획과 가설이 중요함을 배웠다. 학생들은 3차시에 비해 프로그래밍 과정에 필요한 아이콘을 바로 찾아내어 사용하였고 알고리즘을 좀 더 다양하게 사용하는 모습과 미션에 실패하더라도 보완하는 결과도 보여 주었다. 예를 들어 Figure 3과 같은 반복적인 명령도 이전 수업에서는 아이콘을 길게 반복적으로 나열하였는데 4차시 수업에서는 순환 아이콘을 사용하여 프로그래밍을 구성하였다.
후속연구
(3) 모터의 동작, 센서를 사용하는 아이콘과 무한 반복, 선택적 명령하는 아이콘에 대해 설명하고 활용할 수 있도록 한다.
둘째, 개발된 프로그램을 중등학교 학생들에게 적용하여 실제 융합 수업으로 활용 가능한지를 알아본다.
이에 따라 레고 로봇을 활용하여 수업에 활용한다면 학생들이 흥미를 갖고 수업에 임하게 될 것이고 배우고자 하는 욕구도 늘어날 것이라 기대한다. 또한 레고를 이용한 다양한 형태의 로봇제작을 통해 기술력 증진과 프로그램을 배우며 알고리즘을 이해하는 과정에서 논리력이 향상될 것이라 기대한다. 즉, 로봇 교육은 로봇의 메커니즘을 기초로 한 기계분야, 전기적 회로와 관련된 전기 분야, 컴퓨터 프로그래밍분야에 기초적인 이해와 활동을 경험할 수 있다는 점에서 교육적 가능성과 활용 가치는 매우 높다고 판단된다(Kim & Kang, 2010).
과학 분야에 전문화된 심화과정으로 현재 출시된 에너지 세트, 스페이스 세트, 역학실험 세트 등을 선택하여 집중적으로 배워볼 수도 있을 것이다. 레고 로봇은 기능이 계속 발전하고 있어 사전에 필요한 기기들을 조사하고 준비한다면 충분히 학생들의 사고력을 기르는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
앞으로 보완되고 개발해야 할 것이 많은 레고 로봇 분야이지만 발전 가능성이 높고 활용도가 높기 때문에 STEAM 교육과 소프트웨어 교육의 목표를 달성하는데 좋은 프로그램이 될 수 있을 것이다.
로봇은 현재보다 지금의 아이들이 성장하여 생활할 미래에 더욱 중요하므로 로봇을 이해하기 위한 기초 지식과 그것을 다루기 위한 기본 능력의 배양이 필요하다. 이에 따라 레고 로봇을 활용하여 수업에 활용한다면 학생들이 흥미를 갖고 수업에 임하게 될 것이고 배우고자 하는 욕구도 늘어날 것이라 기대한다. 또한 레고를 이용한 다양한 형태의 로봇제작을 통해 기술력 증진과 프로그램을 배우며 알고리즘을 이해하는 과정에서 논리력이 향상될 것이라 기대한다.
일반적인 과학실험에서는 실험 방법과 도구가 정해져 있지만 레고 로봇을 활용한 과학실험에서는 실험 방법을 직접 계획하고 이에 맞게 실험 도구도 제작해야 해서 4시간의 수업시간동안 실험을 완성하지는 못하였다. 하지만 초음파 센서와 데이터 로깅을 활용하여 추의 거리를 측정하여 주기를 측정하려는 시도를 통해 학생들은 스스로 문제를 해결하는 과정을 겪었으며 레고 로봇을 활용한다면 과학 실험을 좀 더 유용하게 할 수 있고 참여도가 높아질 것이라고 생각했다.
시수가 더 확보 되거나 이후에 연계하여 수업을 진행할 수 있는 융통성이 있었으면 좋겠고 20시간 정도의 수업에는 주제를 좀 더 작게 설정하는 것이 적절할 것이다. 한편 과학 수업시간에 레고 로봇을 이용한 시범 실험을 수행하거나 동아리 활동, 방과 후 활동, 특기 적성 프로그램 등을 활용한다면 훨씬 효과적일 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고등학교에 처음 소프트웨어교육 과목이 도입된 때는?
이와 더불어 교육부에서 발표한 ‘2015 개정 교육과정’의 주요 개정 내용으로 정보화 사회의 기초 소양으로 소프 트웨어 교육을 강화하는 내용이 포함되어 있다. 이 에 따르면 2017년부터 초등학교와 중학교에서는 소프트웨어교육이 필수과정으로 편성되며 2018년부터는 고등학교에서도 일반선택과목으로 도입된다(Lee, 2015).
로봇 교육의 교육적 가치가 높을 것으로 생각되는 이유는?
로봇은 현재보다 지금의 아이들이 성장하여 생활할 미래에 더욱 중요하므로 로봇을 이해하기 위한 기초 지식과 그것을 다루기 위한 기본 능력의 배양이 필요하다. 이에 따라 레고 로봇을 활용하여 수업에 활용한다면 학생들이 흥미를 갖고 수업에 임하게 될 것이고 배우고자 하는 욕구도 늘어날 것이라 기대한다. 또한 레고를 이용한 다양한 형태의 로봇제작을 통해 기술력 증진과 프로그램을 배우며 알고리즘을 이해하는 과정에서 논리력이 향상될 것이라 기대한다. 즉, 로봇 교육은 로봇의 메커니즘을 기초로 한 기계분야, 전기적 회로와 관련된 전기 분야, 컴퓨터 프로그래밍분야에 기초적인 이해와 활동을 경험할 수 있다는 점에서 교육적 가능성과 활용 가치는 매우 높다고 판단된다(Kim & Kang, 2010).
STEAM 교육에 꼭 필요한 것은?
STEAM 교육에서는 ‘상황제시’, ‘창의적 설계’, ‘감성적 체험’ 이라는 핵심 요소가 포함되어야 하고 학생들이 정해진 방법이 아닌 실제 생활과 연관된 개방적인 사고를 자극할 수 있는 문제제기가 꼭 필요하다(Shin, 2013; Park & Park, 2013). 하지만 현재까지의 레고 로봇 STEAM 교육을 위해 개발된 자료들은 STEAM 교육에서 강조하는 창의적이고 융합적인 사고력 신장에 적합하도록 만들어 지지 않았다.
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