[논문]효과적인 실험 교육을 위한 수업 모형

유동상

doi:10.14702/jpee.2019.143

효과적인 실험 교육을 위한 수업 모형
An Instructional Model for Effective Experimental Education 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.11 no.2, 2019년, pp.143 - 150

초록
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회로 이론은 전기 및 전자 공학 분야에서 가장 기본이 되는 다양한 회로의 해석과 설계를 체계화한 학문으로 회로 이론 교과목은 전기 및 전자 공학도라면 반드시 습득하도록 4년제 대학을 기준으로 학부 2학년에 한 학기 내지는 2 학기에 걸쳐 전공 교과목으로 편성되어 있다. 또한 학생들이 회로 이론에 대한 이해도를 높이고, 실제 회로를 구성한 실험을 통하여 회로 설계에 대한 기술 및 응용력을 습득할 수 있도록 하는 실험 교과목이 이론 교과목을 뒷받침하기 위해 동반 편성되고 있다. 본 논문에서는 회로 이론을 뒷받침하는 실험 교육에 대한 학습 효과를 높이기 위해 전기회로 설계 및 실험 교과목에서 시행하고 있는 수업 방법에 대한 사례 연구에 대해 기술한다. 이를 위해 이론 학습, 시뮬레이션, 실험 및 설계 프로젝트 등이 복합적으로 구성된 15주 수업 모형을 제안한다. 제시된 수업 모형에서는 이론을 보완하기 위한 시뮬레이션과 사전 실험 준비 과정이 강화되고, 공학 엔지니어로서의 실질적인 회로 설계 능력을 배양하기 위한 설계 프로젝트가 도입되어 운영된다. 5년 동안의 운영 결과는 제안된 모형이 효용성이 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Circuit theory is a systematic study that analyzes and designs the most basic circuits in the field of electrical and electronic engineering. Circuit theory courses are organized as major courses for one or two semesters in the second year of university, so that electrical and electronic engineering students must learn. Experimental courses are being together organized for students to enhance understanding of circuit theory and cultivate the skills and the abilities of circuit design through experiments with actual circuits. This paper is a case study on the teaching method applied in electric circuit design and experiment courses to enhance the learning effect on the experimental education that supports circuit theory. To do this, we propose a 15-week instructional model consisting of theory study, simulation, experiments, and design projects. In the proposed model, the simulation and preliminary experiment preparation process are reinforced to complement the theoretical concept and the design project is introduced to acquire practical circuit design skills as engineers. The results of five-year operation demonstrate the effectiveness of the proposed model.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 기존의 실험 교육을 위한 수업 모형 Fig. 1. Typical instructional model for experimental education.
그림 그림 2. 실험 교육을 위한 수업 모형 Fig. 2. Instructional model for experimental education.
그림 그림 3. 에뮬레이션된 실험기기를 이용한 회로 시뮬레이션 Fig. 3. Circuit simulation using emulated experimental equipment.
그림 그림 4. 발표 Fig. 4. Presentation.
그림 그림 5. 실험 Fig. 5. Experiment.
그림 그림 6. 전기회로설계 및 실험 교과목 포트폴리오 Fig. 6. Portfolio for electric circuit design and experiment.
그림 그림 7. 실기시험 결과 Fig. 7. Midterm results.
그림 그림 8. 설문 결과 Fig. 8. Survey results.
표 표 1. 설문 문항 Table 1. Questionnaires

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이런 현실적인 배경을 바탕으로 2015년부터 2019년 1학기까지 실험과 설계를 한 교과목에 융합하여 운영한 전기회로설계 및 실험 교과목에 대한 수업 모형과 운영 결과를 기술하고자 한다.
본 논문에서는 전기 및 전자공학 분야에서 가장 기본적인 학문인 회로 이론 관련 전기회로설계 및 실험 교과목에 대하여 5개년 동안 적용한 수업 모형에 대한 구성과 운영 결과를 제시하였다. 실험 수업에 대한 기존 구성과는 달리 제시된 수업 모형에서는 이론 개념을 보완하기 위한 시뮬레이션 수업과 이를 활용한 예비보고서 작성을 통해 사전 실험 준비 과정을 강화하였으며, 해석적 측면에서의 실험 뿐만 아니라 공학 엔지니어로서의 실질적인 능력을 배양하기 위한 설계 과정을 도입하여 운영하였다.
실험은 2인 1조로 실시하여 예비보고서 작성 시 산출한 이론값과 시뮬레이션 결과값과 비교하며 실험기기를 이용하여 실험을 진행한다. 실험조구성은 일정주기마다 교체해 편성하고 있는데, 다양한 성격과 능력을 가진 동료들과의 협업을 통해 팀워크 형성 및 교우관계를 넓힐 수 있도록 함으로써 조금이나마 대인관계 및 소통능력을 향상시키는데 일조하기 위함이다.

제안 방법

1주차에 실시하는 교육으로 한학기 동안 이루어지는 수업 과정을 안내하고, 실습에 사용되는 실험기기에 대한 사용법을 교육하고 실습한다. 수업 내용 편성상 1학기에는 직류 회로를 실험하고 그에 따른 전기량을 측정할 수 있는 전원 장치와 멀티미터 장비에 대한 사용법을 익힌다.
2018년 1학기 수업에 진행하면서 수업에 참여하는 2반 48명의 학생들에게 표 1과 같이 8가지 항목에 대한 설문을 실시하였으며, 각 문항에 대한 만족도나 성취도 등에 따라 1점 (전혀 아니다)에서 5점(매우 그렇다)로 응답하게 하였는데 그 결과는 그림 8과 같다.
본 교과목에서는 이론 교과목의 수업 진도와 맞추기 위해 1학기에는 선행적으로 3주 동안 멀티심에 대한 기본 사용법 및 예제 문제를 위주로 실습을 진행하고, 2학기에는 다양한 해석 방법을 활용하기 위한 심화 과정 실습을 진행한다.
셋째 주에 는 확정된 회로에 대해 그림 5와 같이 직접 실험을 통해 제안한 회로의 동작 결과를 확인하고, 넷째 주에는 최종 결과를 발표한다. 설계 프로젝트 진행 중 총 3번의 발표를 진행하며, 이런 발표 준비를 위해 팀원들은 온-오프라인에서 수시로 모임을 가지고 토론을 하며 자료를 만들게 된다. 모든 팀원들이 한번은 반드시 직접 발표하게 함으로써 발표력을 향상시키도록 하고 있다.
설계 프로젝트는 총 4주에 걸쳐 실시되며, 첫째 주에는 설계 주제에 관련된 사전조사 및 구상안을 발표하고, 둘째 주에는 회로도를 확정하고 이에 대한 이론적 해석 및 멀티심을 이용하여 수치적 해석을 통해 검증한 결과를 발표한다.
설계 프로젝트에 대한 평가는 목표설정, 설계, 분석, 작품 동작 및 종합평가 항목으로 구성하여 팀별 평가를 실시하고, 발표력에 대한 평가는 개인별 평가를 실시한다.
본 논문에서는 전기 및 전자공학 분야에서 가장 기본적인 학문인 회로 이론 관련 전기회로설계 및 실험 교과목에 대하여 5개년 동안 적용한 수업 모형에 대한 구성과 운영 결과를 제시하였다. 실험 수업에 대한 기존 구성과는 달리 제시된 수업 모형에서는 이론 개념을 보완하기 위한 시뮬레이션 수업과 이를 활용한 예비보고서 작성을 통해 사전 실험 준비 과정을 강화하였으며, 해석적 측면에서의 실험 뿐만 아니라 공학 엔지니어로서의 실질적인 능력을 배양하기 위한 설계 과정을 도입하여 운영하였다. 교과목 운영과 이에 따른 설문 조사를 통한 운영 결과를 분석해 보면 시뮬레이션 수업과 설계 프로젝트가 학생들의 회로 해석 및 설계 능력 배양에 상당한 도움을 주고 있음을 알 수 있었으나, 팀 활동 및 토론 문화에 익숙하지 않은 학생들을 위해서는 수업 모형에 문제중심학습방법 (Problem-Based Learning)[4]이나 역순학습 (Flipped Learning)[5] 등의 다양한 학습 방법을 가미하여 체계화 할 필요가 있음을 알 수 있다.
실험은 2인 1조로 실시하여 예비보고서 작성 시 산출한 이론값과 시뮬레이션 결과값과 비교하며 실험기기를 이용하여 실험을 진행한다. 실험조구성은 일정주기마다 교체해 편성하고 있는데, 다양한 성격과 능력을 가진 동료들과의 협업을 통해 팀워크 형성 및 교우관계를 넓힐 수 있도록 함으로써 조금이나마 대인관계 및 소통능력을 향상시키는데 일조하기 위함이다.
주제별 실험을 진행하기 위해서는 먼저 예비보고서를 작성하게 하고, 이를 성실하게 수행했는지 검사하기 위해 수업 초반에 퀴즈를 실시한다. 이후 조별로 해당 주제에 대해 실험을 실시하고, 획득한 실험 결과값에 대해 이론과 시뮬레이션 결과와 대비하며 조별로 분석 토론을 진행한다.
주제별 실험이 끝나면 실기시험을 통해 그동안 성실하게 이론 공부와 실험을 수행했는지 평가를 실시한다.

대상 데이터

실기시험 평가 후에는 3명을 한 팀으로 구성하여 설계 프로젝트를 실시한다. 설계 프로젝트를 실시하는 주목적은 팀 원간의 협업과 소통을 통해 팀워크 능력을 배양하고, 프로젝트 진행 과정을 그림 4에서 보는 바와 같이 직접 발표하게 함으로써 발표력을 증진하는데 있다.

데이터처리

이에 따라 학생들은 스스로 이론 배경을 요약하여 정리하면서 제시된 회로에 대한 이론값을 산출하고, 그림 3과 같이 멀티심을 이용하여 시뮬레이션 회로를 구성한 후 측정값을 정리한다. 마지막으로 이론값과 시뮬레이션 결과값을 비교하며 분석 결과를 작성하여 제출한다. 또한 시뮬레이션 과정을 수행할 때 실제 실험기기의 에뮬레이션 기능을 이용함으로써 실험실에서 실험기기를 활용하여 실험을 하는 과정을 미리 학습할 수 있도록 한다.

이론/모형

본 교과목에서는 회로 실험을 효과적으로 수행하기 위해 National Instrument사의 교육용 Multisim^TM(멀티심)을 사용하고 있다. 교육용 멀티심은 학생들이 실제 실험 과제를 준비할 수 있도록 도와주는 쌍방향 방식의 구성 요소를 통해 실험 회로의 동작을 쉽게 시각화 하고 이해하도록 도와 주는 아날로그, 디지털 및 전력전자 제품에 맞게 개발된 산업 표준 SPICE 시뮬레이션 및 회로 설계 소프트웨어이다[3].

성능/효과

설계 프로젝트의 경우에는 단순한 강의나 실험실습보다는 스스로 회로를 탐색하고 이론적인 배경을 조사한 후 시뮬레이션을 통해 그 결과를 예측하고, 실험을 통해 검증하는 방식에 대해 1학기의 경우에는 다소 어려움을 호소하였지만 2학기의 경우에는 오히려 흥미를 유발시켜 적극적으로 실험에 임하는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따른 모든 학생들의 설계 프로젝트 결과는 대체적으로 성공적인 프로젝트 수행 결과로 이어졌다.
설문 1, 2항 및 3항은 회로 이론 수업 이해를 위한 실험 수업의 도움 정도, 수업 구성 및 진행의 적절성, 그리고 이를 뒷받침 해주는 강의자료 내용에 대한 설문으로 5점 만점에 각각 평균 4.15, 4.04, 및 4.08점으로 나타났다. 결과를 보면 대부분 학생들은 이론 수업의 보조적 과정으로써 도움이 된다는 만족감을 표시하고 있으며, 수업 구성 및 강의 자료에 대해서도 많은 학생들이 적절하다고 답변하고 있다.
설문 4항과 5항은 수업 구성 중 시뮬레이션 도구의 습득과 이를 활용한 문제 해결에 대한 도움 정도를 파악하는 설문으로 각각 평균 4.21점과 4.17점으로 매우 긍정적으로 생각하고 있으며, 실제 제출한 예비보고서를 평가한 결과에서도 대부분의 학생들이 시뮬레이션 도구인 멀티심을 적절히 이용하여 주어진 회로 문제를 해석하고 분석하고 있음을 볼 수 있었다.
설문 6항은 특정 주제에 대한 설계 프로젝트에 대한 만족도를 물어보는 설문으로 평균 3.98점으로 앞 설문항목보다 낮은 만족도를 보여주고 있는데, 이는 교수자가 제시한 강의 자료 및 실험 방법에 따라 수동적으로 수행하는 실험에서 자기주도적으로 사전조사, 회로 설계 및 실험을 수행해야 하는 설계 프로젝트에 대해 상대적으로 익숙하지 않아 진행상의 어려움을 겪는데 기인한 것으로 파악된다. 하지만 강의 평가 결과 중 주관식 기술을 살펴보면 “프로젝트를 통해 발전하는 자신의 모습을 볼 수 있었다”, “프로젝트를 통해 회로에 대해 좀 더 잘 배울 수 있었다”, “구상한 설계를 직접 구현해 볼 수 있었다” 등의 설계 프로젝트에 대한 긍정적인 답변이 있 었다.
설문 7항과 8항은 토론 능력 배양과 소통능력 배양에 대한 설문으로 다른 설문 항목에 상대적으로 낮은 각각 3.79점과 3.75점을 기록했는데, 이는 학생들이 토론 문화에 익숙하지 않아 다소 어색함을 느낀 것에 기여한 것으로 판단된다. 하지만 대학생이 갖추어야할 주요 역량으로 대인관계 및 소통 능력 등이 요구되고 있는 상황에서 이런 능력을 향상시키기 위한 과정은 반드시 필요하다고 판단된다.
차기 실험에 대한 예비보고서 제출에서는 이론적 개념을 잘 이해한 학생들의 경우 이론값을 정확하게 산출하였으며, 성공적으로 시뮬레이션을 수행하고 있음을 보여 주었고, 이는 실험 수업에 앞서 실시하는 퀴즈를 통해 검증에서 확인할 수 있었다.
하지만 강의 평가 결과 중 주관식 기술을 살펴보면 “프로젝트를 통해 발전하는 자신의 모습을 볼 수 있었다”, “프로젝트를 통해 회로에 대해 좀 더 잘 배울 수 있었다”, “구상한 설계를 직접 구현해 볼 수 있었다” 등의 설계 프로젝트에 대한 긍정적인 답변이 있 었다.

후속연구

전기·전자·정보통신 분야의 대부분 학과에서는 전기, 전자 및 디지털회로가 기본 교과목으로 설정되어 있으므로 회로를 이론적으로 공부하면서 시뮬레이션 도구를 이용하여 그 회로에 대한 해석을 수행한다면 회로에 대한 이해도를 높일수 있을 뿐만 아니라 회로 응용에 있어서 새로운 아이디어를 창출할 수 있을 것이다. 또한 실험을 하지 않더라도 실험과 동일한 결과를 얻을 수 있기에 시뮬레이션 수행 과정을 통해 획득한 결과를 상기하면서 실제 회로를 구성하고 실험기기를 이용하여 필요한 데이터를 측정하는데 있어서도 많은 도움이 될 수 있다.
전기·전자·정보통신 분야의 대부분 학과에서는 전기, 전자 및 디지털회로가 기본 교과목으로 설정되어 있으므로 회로를 이론적으로 공부하면서 시뮬레이션 도구를 이용하여 그 회로에 대한 해석을 수행한다면 회로에 대한 이해도를 높일수 있을 뿐만 아니라 회로 응용에 있어서 새로운 아이디어를 창출할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회로 이론이란?	회로 이론은 전기 및 전자 공학 분야에서 가장 기본이 되는 다양한 회로의 해석과 설계를 체계화한 학문으로 회로 이론 교과목은 전기 및 전자 공학도라면 반드시 습득하도록 4년제 대학을 기준으로 학부 2학년에 한 학기 내지는 2 학기에 걸쳐 전공 교과목으로 편성되어 있다. 또한 학생들이 회로 이론에 대한 이해도를 높이고, 실제 회로를 구성한 실험을 통하여 회로 설계에 대한 기술 및 응용력을 습득할 수 있도록 하는 실험 교과목이 이론 교과목을 뒷받침하기 위해 동반 편성되고 있다.
	본 논문에서 제시된 수업 모형의 특징은?	이를 위해 이론 학습, 시뮬레이션, 실험 및 설계 프로젝트 등이 복합적으로 구성된 15주 수업 모형을 제안한다. 제시된 수업 모형에서는 이론을 보완하기 위한 시뮬레이션과 사전 실험 준비 과정이 강화되고, 공학 엔지니어로서의 실질적인 회로 설계 능력을 배양하기 위한 설계 프로젝트가 도입되어 운영된다. 5년 동안의 운영 결과는 제안된 모형이 효용성이 있음을 보여준다.
	회로 실험 교과목이 회로 이론 교과목과 동반 편성되는 이유는?	회로 이론은 전기 및 전자 공학 분야에서 가장 기본이 되는 다양한 회로의 해석과 설계를 체계화한 학문으로 회로 이론 교과목은 전기 및 전자 공학도라면 반드시 습득하도록 4년제 대학을 기준으로 학부 2학년에 한 학기 내지는 2 학기에 걸쳐 전공 교과목으로 편성되어 있다. 또한 학생들이 회로 이론에 대한 이해도를 높이고, 실제 회로를 구성한 실험을 통하여 회로 설계에 대한 기술 및 응용력을 습득할 수 있도록 하는 실험 교과목이 이론 교과목을 뒷받침하기 위해 동반 편성되고 있다. 본 논문에서는 회로 이론을 뒷받침하는 실험 교육에 대한 학습 효과를 높이기 위해 전기회로 설계 및 실험 교과목에서 시행하고 있는 수업 방법에 대한 사례 연구에 대해 기술한다.

참고문헌 (5)

J. A. Svoboda and R. C. Dorf, Introduction to Electric Circuits, 9th ed., Wiley, 2013.
D. M. Buchla, Experiments in Basic Circuits : Theory and Appplications, 9th ed., Prentice Hall, 2009.
National Instruments, "NI multisim for education," 2012 [Online]. Available: http://www.ni.com/pdf/manuals/374484g.pdf.
Y. Kim, "The development of project-based instructional model for promoting the creative convergent competency," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 20, no. 11, pp. 2172-2180, November 2016.

원문보기 상세보기
J. L. Eishop and M. A. Verlegger, "The flipped classroom: a survey of the research," in ASEE National Annual Conference Proceedings, Atlanta:GA, June 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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