[논문]피지컬 컴퓨팅을 통한 CT역량 계발 연구 : 코드블록® 활용 3D 프린팅 수업의 시사점

최형신

doi:10.14352/jkaie.2019.23.3.219

문제 정의

더욱이 컴퓨팅 사고력을 증진할 수 있는 코딩 수업과의 연계는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 3D 모델링 및 프린팅 수업에 코드블록을 통한 블록형 프로그래밍을 도입하여 학생들이 3D 모델링 소프트웨어의 사용을 통한 모델링 뿐만 아니라 블록 코딩을 통한 모델링을 경험하게 한 후 컴퓨팅 사고력 관련한 학습자의 반응 및 인식을 살펴보았다.
이러한 모델링 과정에서 프로그래밍을 연계하여 소프트웨어를 통해 구체적인 사물을 표현해내는 것은 학생들이 소프트웨어의 유용함을 깨닫는 중요한 경험이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 틴커캐드 모델링 소프트웨어에 추가된 코딩 환경인 코드블록(https://www.tinkercad.com/learn/codeblocks)을 분석하고 이를 3D 모델링 수업에 도입하고 학습자의 반응을 살펴보고자 하였다[6].
본 연구는 피지컬 컴퓨팅 교육에 3D 프린팅 교육을 접목하는 과정에서 모델링 과정을 프로그래밍으로 구현할 수 있는 수업 방안에 관심을 가지고 코드블록이 제공하는 컴퓨팅 사고력 세부요소를 분석하였다. 또한 코드블록을 활용한 모델링수업에서 초등예비교사들을 위한 소프트웨어교육 시사점을 도출하고자 하였다.
더 나아가 생성적 아트(generative art)[18]와 같이 프로그래밍을 통해 표현할 수 있는 다양한 방법과 프로그래밍을 통해서 더 잘 표현할 수 있는 컴퓨테이셔널 디자인 교육은 기존 CAD프로그램으로 할 수 없었던 새로운 형태의 디자인 가능성을 열어줄 것으로 사료된다. 본 연구는 예비교사교육 현장에서 코드블록을 3D 프린팅 수업에 도입하여 컴퓨팅 사고력과 연계하는 수업 사례로서 시사점을 제공한다.
Seymour Papert가 주창한 Learning by Making, Thinking with Programming[11]을 효과적으로 담고 있는 교육 방법이 피지컬 컴퓨팅 교육이라고 할 수 있다. 본 연구는 피지컬 컴퓨팅 교육에 3D 프린팅 교육을 접목하는 과정에서 모델링 과정을 프로그래밍으로 구현할 수 있는 수업 방안에 관심을 가지고 코드블록이 제공하는 컴퓨팅 사고력 세부요소를 분석하였다. 또한 코드블록을 활용한 모델링수업에서 초등예비교사들을 위한 소프트웨어교육 시사점을 도출하고자 하였다.
이 프레임워크는 3개의 차원 즉, 컴퓨팅 개념(순차, 반복, 병행, 이벤트, 조건, 연산자, 변수), 컴퓨팅 수행(단계적 수행, 테스팅/디버깅, 재사용/리믹싱, 추상화/모듈화), 컴퓨팅 관점(표현하기, 연계하기, 질문하기)으로 구성된다. 본 연구에서는 틴커캐드 코드블록을 3D 모델링 수업에 도입하고자 할 때 코드블록이 컴퓨팅 사고력 프레임워크의 세부요소들 중 어떤 요소들을 포함하고 있는지 분석하였다.
또한 코드블록을 3D 프린팅 및 모델링 소프트웨어교육에 도입한 수업을 초등예비교사들에게 적용하여 학습자들의 인식과 반응을 조사하였다. 이를 바탕으로 초등예비교사를 대상으로한 수업에서 3D 프린팅에 코딩을 접목하는 방법에 대한 교육적 시사점을 도출하고자 하였다.

제안 방법

메이커 스페이스 실습실에 구비된 세 대의 3D 프린터를 활용하여 개별적으로 출력할 수 있도록 하고, 그룹 활동에서는 3명이 한 팀으로 팀당 한 대의 3D 프린터를 가지고 실습할 수 있도록 하였다. 3D 모델링과 프린팅에 익숙해진 상태에서 코드블록을 소개하고 프로그래밍을 통해 3D 모델링을 하고 이전 경험과 프로그래밍을 통한 모델링 경험의 차이를 느낄 수 있도록 하였다.
또한 연구문제 2(코드블록을 도입한 3D 프린팅 수업에서 학습자들은 컴퓨팅 사고력에 대해 무엇을 지각하는가?)를 위해서 초등예비교사들이 3D 프린팅 및 모델링을 하면서 블록코드를 사용하여 프로그래밍으로 모델링하는 과정을 수업에 포함시켰다. 본 수업은 파일럿 대상으로 진행하였기 때문에 양적 접근보다는 질적 접근을 취하였고, 반구조화된 설문(semi-structured survey)을 사용하여 예비교사들이 수업 경험을 통해 지각한 내용을 분석 자료로 활용하였다.
또한 코드블록에는 객체(Object)를 생성하는 블록을 제공함으로써 추상화 및 모듈화를 구현할 수 있도록 한다. (Fig.
학생들이 코드블록을 가지고 코딩을 하면서 3D 모델링을 하는 과정에서 컴퓨팅 사고력 프레임워크의 세부요소에 노출될 수 있는지 분석하였다. 또한 코드블록을 3D 프린팅 및 모델링 소프트웨어교육에 도입한 수업을 초등예비교사들에게 적용하여 학습자들의 인식과 반응을 조사하였다. 이를 바탕으로 초등예비교사를 대상으로한 수업에서 3D 프린팅에 코딩을 접목하는 방법에 대한 교육적 시사점을 도출하고자 하였다.
메이커 스페이스 실습실에 구비된 세 대의 3D 프린터를 활용하여 개별적으로 출력할 수 있도록 하고, 그룹 활동에서는 3명이 한 팀으로 팀당 한 대의 3D 프린터를 가지고 실습할 수 있도록 하였다. 3D 모델링과 프린팅에 익숙해진 상태에서 코드블록을 소개하고 프로그래밍을 통해 3D 모델링을 하고 이전 경험과 프로그래밍을 통한 모델링 경험의 차이를 느낄 수 있도록 하였다.
반구조화된 설문을 통해 본 수업에 참여한 초등예비교사들의 프로그래밍을 통한 3D 모델링 경험에 대한 반응을 조사하였다. 초등예비교사들은 틴커캐드 코드블록을 활용한 모델링이 일반 CAD 모델링에 비해 3D 프린팅에 대한 접근성을 제고하며, 모델 변형의 자유로움, 분석적 및 논리적 사고의 요구를 중요하게 생각했다.
또한 연구문제 2(코드블록을 도입한 3D 프린팅 수업에서 학습자들은 컴퓨팅 사고력에 대해 무엇을 지각하는가?)를 위해서 초등예비교사들이 3D 프린팅 및 모델링을 하면서 블록코드를 사용하여 프로그래밍으로 모델링하는 과정을 수업에 포함시켰다. 본 수업은 파일럿 대상으로 진행하였기 때문에 양적 접근보다는 질적 접근을 취하였고, 반구조화된 설문(semi-structured survey)을 사용하여 예비교사들이 수업 경험을 통해 지각한 내용을 분석 자료로 활용하였다. 설문에는 ‘TinkerCAD 코드블록을 수업에 활용할 경우 TinkerCAD로 3D 모델링하는 것에 비해 어떤 교육적 잠재력을 가지고 있다고 생각하나요?’, ‘TinkerCAD의 코드블록을 활용하여 컴퓨팅 사고력을 증진하기 위한 수업을 할 수 있다고 생각하나요? 그렇게 생각하는 이유는 무엇인가요?’ 등이 포함되었다.
본 연구에서 활용한 교육 프로그램은 [Table 2]에 간략히 제시되었다. 본 수업을 통해 3D 모델링을 하고 슬라이싱 소프트웨어를 활용하여 변환한 3D 모델을 직접 프린팅 해 보는 체험을 할 수 있도록 하였다. 이때 3D 프린팅에 앞서 3D 펜을 활용하여 수동으로 필라멘트를 녹여 적층하는 프린팅의 원리를 먼저 경험하도록 설계하였다.
본 연구의 연구문제 1(틴커캐드 코드블록은 컴퓨팅 사고력 프레임워크의 세부요소에서 어떤 요소들을 포함하고 있는가?)을 위해서 3D 모델링과 프로그래밍을 결합할 수 있는 교육 방법인 코드블록 환경을 Brennan과 Resnick이 제안한 컴퓨팅 사고력 프레임워크(Computational Thinking Framework)의 3차원의 세부요소들에 기반하여 분석하였다[11].
본 수업을 통해 3D 모델링을 하고 슬라이싱 소프트웨어를 활용하여 변환한 3D 모델을 직접 프린팅 해 보는 체험을 할 수 있도록 하였다. 이때 3D 프린팅에 앞서 3D 펜을 활용하여 수동으로 필라멘트를 녹여 적층하는 프린팅의 원리를 먼저 경험하도록 설계하였다. 또한 TinkerCAD 프로그램을 모델링 도구로 활용하였으며, 3D 프린터는 MakerBot Replicator Plus를 실습에 사용하였고 슬라이싱 소프트웨어는 MakerBot Print 소프트웨어를 활용하였다[10].
학생들이 코드블록을 가지고 코딩을 하면서 3D 모델링을 하는 과정에서 컴퓨팅 사고력 프레임워크의 세부요소에 노출될 수 있는지 분석하였다. 또한 코드블록을 3D 프린팅 및 모델링 소프트웨어교육에 도입한 수업을 초등예비교사들에게 적용하여 학습자들의 인식과 반응을 조사하였다.

대상 데이터

본 연구는 2019년 A교육대학교에서 ‘3D 프린팅 활용 소프트웨어교육’ 과목을 수강한 9명의 예비교사(남자 2명, 여자 7명)를 대상으로 파일럿 연구로 수행되었다.

이론/모형

이때 3D 프린팅에 앞서 3D 펜을 활용하여 수동으로 필라멘트를 녹여 적층하는 프린팅의 원리를 먼저 경험하도록 설계하였다. 또한 TinkerCAD 프로그램을 모델링 도구로 활용하였으며, 3D 프린터는 MakerBot Replicator Plus를 실습에 사용하였고 슬라이싱 소프트웨어는 MakerBot Print 소프트웨어를 활용하였다[10].

성능/효과

2. 코드블록을 도입한 3D 모델링 수업에서 초등예비교사들은 컴퓨팅 사고력에 대해 무엇을 지각하는가?
1) 참고). 결과 화면 상단에는 코드 블록 전체를 3단계 중 원하는 속도로 수행할 수 있고, 각각의 코드 블록을 한 단계씩 수행시켜 결과를 확인해 볼 수도 있다.
둘째, 코드블록이 제공하는 기능들이 컴퓨팅 사고력에 기본이 되는 순차, 반복, 변수, 연산자 등에 학습자를 노출시키고 디버깅, 문제 분해, 추상화 및 모듈화 역량을 다루는 것과 관련이 깊다고 생각하는 것으로 나타났다. 끝으로 수업 참여자들은 세밀한 부분의 표현에서는 학생들의 코딩 실력이 다소 부족할 것으로 인식하였고, 스크래치나 엔트리를 대체하는 언어라기보다는 3D 모델링 목적을 위한 언어로서 기능을 할 것으로 인식하였다.
또한 코드블록을 사용한 수업에서 수집한 예비교사들의 인식 및 반응을 종합하면 첫째, 코드블록이 3D 모델을 제작하는데 접근성을 제고하고, 모델 변형의 자유로움을 주며, 논리적 및 분석적 사고가 요구된다고 인식하였다. 둘째, 코드블록이 제공하는 기능들이 컴퓨팅 사고력에 기본이 되는 순차, 반복, 변수, 연산자 등에 학습자를 노출시키고 디버깅, 문제 분해, 추상화 및 모듈화 역량을 다루는 것과 관련이 깊다고 생각하는 것으로 나타났다. 끝으로 수업 참여자들은 세밀한 부분의 표현에서는 학생들의 코딩 실력이 다소 부족할 것으로 인식하였고, 스크래치나 엔트리를 대체하는 언어라기보다는 3D 모델링 목적을 위한 언어로서 기능을 할 것으로 인식하였다.
코드블록을 분석한 결과를 종합하면 코드블록은 스크래치나 엔트리와 같은 블록 기반의 개발 환경을 제공하여 블록기반 프로그래밍에 익숙한 학습자들에게는 보다 쉽게 3D 모델링에 접근할 수 있는 가능성을 열어준다. 컴퓨팅 사고력 프레임워크에 기반하여 분석해 보았을 때 순차 프로세싱, 반복 프로세싱, 연산자의 활용, 변수정의 및 활용과 같은 주요 개념을 습득할 수 있으며, 수행 측면에서 단계적 수행, 테스팅·디버깅, 재사용·리믹싱, 추상화·모듈화를 실행할 수 있다.

후속연구

본 연구가 초등예비교사를 대상으로 진행되었던 만큼 초등학생 대상의 연구도 수행하여 초등현장에 의 도입 적절성도 확인되어야 할 것이다. 더 나아가 생성적 아트(generative art)[18]와 같이 프로그래밍을 통해 표현할 수 있는 다양한 방법과 프로그래밍을 통해서 더 잘 표현할 수 있는 컴퓨테이셔널 디자인 교육은 기존 CAD프로그램으로 할 수 없었던 새로운 형태의 디자인 가능성을 열어줄 것으로 사료된다. 본 연구는 예비교사교육 현장에서 코드블록을 3D 프린팅 수업에 도입하여 컴퓨팅 사고력과 연계하는 수업 사례로서 시사점을 제공한다.
본 연구에서 설계하고 적용한 수업 결과를 기반으로 향후 3D 모델링의 난이도에 따라 코드블록의 활용 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구가 초등예비교사를 대상으로 진행되었던 만큼 초등학생 대상의 연구도 수행하여 초등현장에 의 도입 적절성도 확인되어야 할 것이다. 더 나아가 생성적 아트(generative art)[18]와 같이 프로그래밍을 통해 표현할 수 있는 다양한 방법과 프로그래밍을 통해서 더 잘 표현할 수 있는 컴퓨테이셔널 디자인 교육은 기존 CAD프로그램으로 할 수 없었던 새로운 형태의 디자인 가능성을 열어줄 것으로 사료된다.
본 연구에서 설계하고 적용한 수업 결과를 기반으로 향후 3D 모델링의 난이도에 따라 코드블록의 활용 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구가 초등예비교사를 대상으로 진행되었던 만큼 초등학생 대상의 연구도 수행하여 초등현장에 의 도입 적절성도 확인되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	코드블록은 무엇인가?	코드블록(CodeBlocks)은 클라우드 기반 3D 모델링 소프트웨어인 틴커캐드(TinkerCAD)(https://www.tinkercad.com)에 시각적 코딩을 통해 모델링을 할 수 있도록 새롭게 추가된 개발 환경이다[17]. 개발 환경은 세 영역으로 나눠져 있는데 왼쪽 부분은 사용할 수 있는 코드 블록 영역, 중앙은 필요한 코드를 조립하는 프로그래밍 영역, 오른쪽은 프로그래밍 결과로 확인할 수 있는 모델링 결과 영역이다((Fig.
	Wing은 컴퓨팅 사고력을 무엇이라 하였는가?	컴퓨터 과학자인 Wing은 컴퓨팅 사고력을 컴퓨터 과학자와 같이 사고하는 것 또는 컴퓨팅 솔루션을 수용하기 위해 문제를 구성하는 과정에서의 정신적 활동이라고 하였다[19]. 다소 추상적인 개념인 컴퓨팅 사고력을 잘 교육하고 평가하기 위해서 Brennan과 Resnick이 고안하여 널리 활용되고 있는 도구는 컴퓨팅 사고력 프레임워크이다[2].
	컴퓨팅 사고력 프레임워크의 구성은?	다소 추상적인 개념인 컴퓨팅 사고력을 잘 교육하고 평가하기 위해서 Brennan과 Resnick이 고안하여 널리 활용되고 있는 도구는 컴퓨팅 사고력 프레임워크이다[2]. 이 프레임워크는 3개의 차원 즉, 컴퓨팅 개념(순차, 반복, 병행, 이벤트, 조건, 연산자, 변수), 컴퓨팅 수행(단계적 수행, 테스팅/디버깅, 재사용/리믹싱, 추상화/모듈화), 컴퓨팅 관점(표현하기, 연계하기, 질문하기)으로 구성된다. 본 연구에서는 틴커캐드 코드블록을 3D 모델링 수업에 도입하고자 할 때 코드블록이 컴퓨팅 사고력 프레임워크의 세부요소들 중 어떤 요소들을 포함하고 있는지 분석하였다.

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