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문제 정의
- 더 나아가, 이 연구에서는 생체모방 기반 융합 수업에서 지식을 사용하거나 융합했는지 여부에 대한 개방형 질문을 통해 학습 중에 창의적 사고를 자극하였는지 알아보았다.
- 이 연구에서는 고등학교 ‘생명과학 I'의 ‘골격근의 구조와 근 수죽’ 내용에 대하여 생체모방 기반 융합학습 모델을 적용한 디지털 교재를 개발하였다.
- 특히, 설계와 구현 단계의 디지털 교재에서 3D 모델링과 3D 프린팅을 디지털 콘텐츠와 결합하여 적용함으로서, 학습 과정을 효과적으로 수행하도록 하였고 학습자의 학습 만족도를 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- 각 장은 생체모방 기반 융합 학습 모델에 따라서 각각 생물학적 지식 탐색 및 이를 적용한 창의적 산출물의 설계와 제작으로 교재를 구성하였다.
- 각 주제별 과학적·공학적 지식과 더불어 그 지식이 적용된 사례를 제공하거나 탐색하는 위젯을 포함하였으며, 노트 위젯과 스케치 위젯은 학생들의 아이디어를 자유롭게 표현할 수 있는 기회를 제공하였다.
- 각자의 아이디어는 클라우드 공유 및 발표를 통해 상호 피드백을 주고받았으며, 최종 보완된 아이디어로 창작물을 제작할 수 있었다.
- 개발된 디지털 교재는 ‘골격근의 구조와 근 수축’ 주제에 대해서 ‘생체모방 기반 융합학습 모델’의 학습 단계에 따라 구성하였다(Table 1).
- 특히, 설계와 구현 단계의 디지털 교재에서 3D 모델링과 3D 프린팅을 디지털 콘텐츠와 결합하여 적용함으로서, 학습 과정을 효과적으로 수행하도록 하였고 학습자의 학습 만족도를 향상시키고자 하였다. 개발된 디지털 교재는 전문가의 검토 및 조언을 얻어 수정, 보완한 후 고등학생을 대상으로 적용하였다. 학습에 참여한 학생들은 디지털 콘텐츠와 3D 모델링과 프린팅 및 생체모방 기반 융합 수업 등의 효과성, 수업 만족성, 그리고 학습 용이성에 전반적으로 긍정적인 평을 하였다.
- 개발된 디지털 교재는 총 2개의 장으로 개발되었으며, 1장에서는 ‘골격근의 구조’를 4차시 수업으로, 2장에서는 ‘근 수축 기작’으로 4차시 수업으로 구성하였다.
- 골격근 주변의 조직의 세부 위치를 표현한 키노트 위젯, 근육의 움직임을 시공간적 역동성이 포함된 동영상, 근육원 섬유마디의 3D 구조 등의 자료는 학습자들의 흥미를 일으켜 자기주도적인 학습 기회를 제공하였다.
- 교수 학습 모델에 맞춘 지도안 작성 후 세부 스토리보드를 작성하였으며, 필요한 자료를 수집하여 디지털 교재를 제작 하였다.
- 교육과 정의 성취기준 분석을 통해 융합학습 모델의 각 단계인 ‘탐색-설계-구현’에 적합한 학습 목표 및 내 용을 구성한 뒤 교수·학습 지도안과 스토리보드를 작성하였다.
- 그러므로, 이 연구에서는 고등학교 생명과학 I의 ‘골격근 구조와 근 수축’에 대하여 창의융합적 역량을 기를 수 있는 ‘생체모방 기반 융합학습 모델’을 적용하여 역동적 특성이 풍부하게 포함된 ‘디지털 교재’로 개발하였다.
- 그리고, 차시별로 개발된 지도안을 토대로 모델의 각 단계에 해당하는 학습 내용을 구성한 뒤, 교재의 목적을 효과적으로 달성할 수 있도록 이 내용에 적절한 디지털 콘텐츠로 스토리보드를 작성하였다.
- 다음으로, ‘근 수축의 기작’ 내용의 디지털 교재 에서는 일상생활에서 발견한 문제에 대해서 근 수축 기작을 생체모방하여 고안한 융합적 해결 방안을 설계하고, 3D 프린팅으로 구현하는 과정으로 구성하였다.
- 더 나아가, 이 연구에서는 3D 모델링과 프린팅 과정을 창의적 설계와 제작 과정에 포함하여 생체 모방 기반 융합학습 디지털 교재를 구성하였다.
- 둘째, 근 수축 기작을 이용한 창의적 산출물 제작에 필요한 공학적 지식을 자발적으로 학습할 수 있는 탐색 위젯, 멀티미디어 자료 제공 위젯, 스케치 위젯 등을 활용한 디지털 교재를 개발하였다.
- 디지털 교재의 효과성 평가는 Jeong(2008)이 개발한 도구를 전문가의 검토를 거쳐 이 연구 목적에 적합하게 수정하여 사용하였다.
- 또한, 디지털 교재의 내용은 ‘골격근의 구조’와 ‘근 수축 기작’의 두 주제로 분리한 뒤, ‘생체모방 기반 융합학습 모델’에 따라서 각 주제를 세 단계로 각각 적용하였다(Table 1).
- 또한, 이 연구에서 개발한 디지털 교재로 수행한 학습에 대하여 학생들의 생체모방 지식과 융합 지식, 그리고 디지털 교과서 이용에 의견 등에 대한 설문도 함께 실시하였다.
- 그런 다음, 골격근의 상세한 구조에 대해서 강조 위젯을 이용한 애니메이션과 갤러리 위젯을 이용한 다양한 이미지로 제시하여 학습자의 흥미와 이해도를 높였다. 또한, 탐색 위젯을 사용하여 학습자가 골격근의 구조 및 이와 관련된 생체모방 아이디어에 대해서 자기주도적인 학습을 경험하도록 교재를 구성하였다. 이어서, 학습자는 골격근의 구조와 관련된 생체모방 아이디어를 스케치 위젯 등으로 구체화 한 후, 전체 동료들과 스케치를 공유하면서 의사소통 과정을 경험하도록 교재를 구성하였다.
- 먼저, ‘골격근의 구조’에 대한 디지털 교재에서는 일상생활에서 발견한 문제와 이에 대한 생체모방 대상으로 선정한 골격근의 구조에 대해서 사진과 텍스트로 소개하였다.
- 문제 해결을 위한 생체모방 대상으로 선정한 근 수축 기작에 대해서 3D 이미지 위젯, 동영상 위제, 동료들과 의사소통을 할 수 있는 위젯 등으로 학습 내용을 제시하였다.
- 선행 연구 분석과 교육과정 분석을 통해 창의적 사고 역량을 키울 수 있는 교수 학습 모델 및 학습 단원을 선정하였으며, 개발 도구를 선정한 뒤 자료 개발 계획을 수립하였다.
- 셋째, 이 디지털 교재는 수업과정의 설계와 구현 단계에서 학생들의 아이디어를 손쉽고 체계적으로 설계하고 또 창작물로 구현할 수 있는 3D 모델링과 프린팅의 활용 방안을 디지털 콘텐츠로 제작하여 교재에 포함하였다.
- 스토리보드를 기반으로 2D 및 3D 이미지와 동영상, 키노트 등의 멀티미디어 자료를 개발하였으며, 저작도구인 iBooks Author를 사용하여 학습자의 흥미와 학습 효과를 높일 수 있는 다양한 위젯을 포함하는 디지털 교재를 개발하였다.
- 이 설문지는 디지털 교재 및 융합학습 전문가 3인의 수정 및 보완을 거쳐서 ‘수업에 사용한 생체모방 지식’, ‘수업에 사용한 융합 지식’, ‘디지털 교재에 대한 평가’ 등의 3가지 항목을 제시한 후, 학습자가 기술한 설문 내용을 분석하였다.
- 이 연구는 생체모방 기반 융합학습 모델을 적용 하여 고등학교 생명과학 I의 ‘골격근 구조와 근 수축 기작’에 대한 디지털 교재를 개발하였다.
- 이 연구에 적용된 생체모방 기반 융합학습 모델은 ‘탐색 ( Exploration ) - 설계 ( Design ) - 구현 (Implementation)’의 세 단계로 구성되었으며 (Kwon et al., 2015), 설계와 구현 단계에서 각각 3D 모델링과 3D 프린팅을 포함하여 적용하였다 (Eom & Kwon, 2016).
- 3333px;"> 구성하였다. 이어서, 근 수축 기작을 생체모방한 문제해결 아이디어를 학습자가 고안하여 스케치 위젯 등으로 구체화 한 후, 전체 동료들과 스케치한 아이디어를 공유하면서 의사소통 과정을 경험하도록 교재를 구성하였다. 그런 다음, 학습자는 스케치한 문제해결 아이디어를 3D 모델링 소프트웨어인 Tinkercad를 통해서 3D 이미지로 작성하도록 교재를 구성하였다.
- 또한, 탐색 위젯을 사용하여 학습자가 골격근의 구조 및 이와 관련된 생체모방 아이디어에 대해서 자기주도적인 학습을 경험하도록 교재를 구성하였다. 이어서, 학습자는 골격근의 구조와 관련된 생체모방 아이디어를 스케치 위젯 등으로 구체화 한 후, 전체 동료들과 스케치를 공유하면서 의사소통 과정을 경험하도록 교재를 구성하였다. 그런 다음, 학습자는 생체모방 기반 문제해결 아이디어를 3D 모델링 소프트웨어를 통해서 설계도로 작성하도록 교재를 구성하였다.
- 첫째, 골격근의 구조와 근 수축 기작의 이해를 돕고 학습자의 흥미를 유발하며, 자기주도적으로 학습할 수 있는 이미지와 동영상 등 다양한 멀티미디어 콘텐츠를 활용한 디지털 교재를 제작하였다.
- 평가는 총 8차시의 수업 후, 네이버 폼을 이용하여 디지털 교과서 사용자 영역의 평가 요소인 ‘효과성’, ‘수업 만족성 및 학습 용이성’ 분야에 대하여 리커트 5점 척도로 응답하게 한 후 분석하였다.
- 학습자의 이해를 돕고 디지털 교재의 디자인 요소를 고려하여 2D 및 3D 이미지, 동영상을 적절하게 구성하였으며, 위젯을 적용하여 학습자의 이해 및 학습을 돕고자 하였다.
대상 데이터
- 생체모방 융합학습 모델에 바탕으로 총 8차시의 ‘골격근의 구조와 근 수축’의 디지털 교재의 적용과 평가는 경기도 N시의 한 고등학교 수업에 모두 참여한 18명의 학생을 대상으로 이루어졌다.
- 문제 해결을 위한 생체모방 대상으로 선정한 근 수축 기작에 대해서 3D 이미지 위젯, 동영상 위제, 동료들과 의사소통을 할 수 있는 위젯 등으로 학습 내용을 제시하였다. 이를 통하여 발견한 문제의 해결과 관련된 생체모방 대상으로 근 수축 기작을 효과적으로 탐색할 수 있는 자기주도적 학습과 학습자의 흥미를 고려한 교재를 구성하였다. 이어서, 근 수축 기작을 생체모방한 문제해결 아이디어를 학습자가 고안하여 스케치 위젯 등으로 구체화 한 후, 전체 동료들과 스케치한 아이디어를 공유하면서 의사소통 과정을 경험하도록 교재를 구성하였다.
이론/모형
- 창의적 산출물의 설계 도구는 3D 이미지 제작 프로그램인 ‘Tinkercad’를 이용하였다.
성능/효과
- 넷째, 학습 모델의 단계 중 ‘설계’와 ‘구현’ 단계 에서 적용한 3D 모델링 및 3D 프린팅은 현재 융합 교육의 교실적용에서 당면한 어려움의 하나인 창작물 설계 및 제작의 시공간적 제한을 해결해 줄 수 있는 유용한 대안의 하나가 될 수 있다.
- 둘째, 이 연구에서 개발된 디지털 교재는 학습 공간 및 학습 도구의 일치와 클라우드 공유를 통한 즉각적인 아이디어 피드백이 가능하며, 학습 활동의 온라인 제출이 용이하다.
- 또한, 이 디지털 교재에는 3D 모델링 및 프린팅 기반 설계 및 구현을 포함하여 학습자의 창의적 문제 해결력과 학습 태도 및 동기 향상을 추구하였다.
- 셋째, 개발된 디지털 교재에 활용된 생체모방 융합 전략은 생명과학 영역 및 융합교육 영역에서 활용 가능한 하나의 유용한 학습전략이 될 수 있다.
- 수업 도중 디지털 교재로 학습하는 자체에 흥미를 보인 학생들이 다수 관찰됐으며, 일부 학생의 경우 교사가 안내한 학습 방법 이외의 디지털 교재에 숨겨진 기능을 찾아내며(하이라이트 기능, 그림 회전 기능 등) 평소보다 적극적인 태도로 수업에 임하는 모습을 보였다.
- C학생 역시 같은 방식으로 창의적 사고를 발현하여 골격근의 구조를 이용해 자동 도장 장치를 개발하였다. 이상으로 볼 때 이 연구의 디지털 교재 개발에 적용한 생체모방 기반 융합학습 모델은 학습자의 창의성 발현에도 적합한 수업 모델임을 알 수 있다.
- 디지털 교재의 만족성 및 용이성에 대한 조사 결과는 Table 3과 같다. 조사 결과에 따르면 학습자들은 디지털 교재를 이용한 학습 활동에 9/10 항목에서 4.6/5점 이상을 나타낼 정도로 만족도가 매우 높으며, 쉽고 편리한 학습이 이루어졌음으로 나타났다. 수업 도중 디지털 교재로 학습하는 자체에 흥미를 보인 학생들이 다수 관찰됐으며, 일부 학생의 경우 교사가 안내한 학습 방법 이외의 디지털 교재에 숨겨진 기능을 찾아내며(하이라이트 기능, 그림 회전 기능 등) 평소보다 적극적인 태도로 수업에 임하는 모습을 보였다.
- 학습에 참여한 학생들은 디지털 콘텐츠와 3D 모델링과 프린팅 및 생체모방 기반 융합 수업 등의 효과성, 수업 만족성, 그리고 학습 용이성에 전반적으로 긍정적인 평을 하였다.
후속연구
- 실제로 수업에서 창출해내는 학습자의 다양한 아이디어는 창작물로 구현되기에는 시공간적으로 여러 가지 제한이 따른다, 그러나, 3D 모델링 및 3D 프린팅은 이러한 제한을 컴퓨터와 3D 프린터가 갖추어진 교실 환경에서 손쉽게 극복할 수 있다. 따라서, 이 연구에서 제시한 3D 모델링과 3D 프린팅의 적용은 4차 산업 혁명 시대가 요구하는 학교 교육 목표를 효과적으로 달성하게 해주는 유용한 도구로 제시될 수 있다.
- 따라서, 이러한 생체모방 기반 융합학습 전략을 생명과학 수업 또는 융합교육 수업에 적용한다면 학습자의 창의융합적 문제해결 역량 증진에 효과적인 수업 전략으로 활용될 수 있을 것이다.
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