[논문]소프트웨어 교육 융합형 초·중등용 화학실험교구 개발

김진하; 손민우; 김응곤

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.4.769

[국내논문] 소프트웨어 교육 융합형 초·중등용 화학실험교구 개발
Development of Chemistry Experimental Teaching Aid for Software Education Convergence Type Elementary And Middle School 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.4, 2019년, pp.769 - 774

김진하 (순천대학교 컴퓨터공학과) , 손민우 (순천대학교 컴퓨터공학과) , 김응곤 (순천대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

오늘날과 같은 소프트웨어 중심사회에서 정보 기술의 발달은 매우 중요한 위치를 차지하고 있으며 최근 로봇을 활용한 소프트웨어 교육이 대세가 되어가고 있다. 본 연구는 명령블록 코딩 프로그램과 연계하여 과학 + SW 융합 교육에 대한 커리큘럼 및 콘텐츠를 제공하여 효율적인 SW 융합 교육 가능을 제안하였으며 기존 정형화 되지 않은 화학실험장치의 한계점을 보완하였으며 단순 구동 형태의 로봇에서 벗어나 타 수업과 연계가 가능한 소프트웨어 교육 융합형 '화학실험교구'를 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of information technology in a software-centered society as of today is a very important, and the training of software utilizing robots has become popular in recent years. This study proposes efficient SW convergence education by providing curriculum and contents for science + SW convergence education in conjunction with instruction block coding program. It also complements the limitations of existing unstructured chemistry experiment teaching aid, We have developed a 'chemical experiment paradigm' that integrates software education that can be linked with other classes.

Keyword

표/그림 (6)

그림 그림 1. 프레임과 기구물 Fig. 1 Frame and equipments
그림 그림 2. 스텝 모터 제어를 위한 Arduino Mega Fig. 2 Arduino Mega for step motor control
그림 그림 3. 스크래치 스크립트 예시 Fig. 3 Example of scratch script
그림 그림 4. 코코넛 스크래치 스크립트 예시 Fig. 4 Example of coconut scratch script
그림 그림 5. Scratch 및 APP inventer 블록도 Fig. 5 Scratch and APP inventer block diagram
표 표 1. 수업 모델 10종 Table 1. Class model of 10 species

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 과학 분야 2015 개정 교육과정 중에서 SW 융합 화학실험교구를 적용 할 수 있는 내용을 분석하고, 교육과정 내 각 주제별 성취기준을 분석하여 SW 융합 화학실험교구를 활용한 수업이 가능하도록 주제별 프로젝트 모델 도출하였다.
본 논문에서는 기존 화학 실험에 코딩을 통한 제어 기술을 도입함으로써 실험의 정확성 및 소프트웨어 교육의 창의성을 적용한 융합 교육의 새로운 방안을 제시하였다.
본 연구는 명령블록 코딩 프로그램과 연계하여 과학 + SW 융합 교육에 대한 커리큘럼 및 콘텐츠를 제공하여 효율적인 SW 융합 교육 가능을 제안하였으며 기본 베이스 구동부 및 스텝모터는 지속적으로 활용 가능하다. 확장형 장치 부착을 통하여 다양한 화학실험이 가능하도록 구현하였으며 소프트웨어 교육을 위한 블록형 프로그램인 스크래치를 활용한 실험기구 조작 및 프로그램 구동 가능하도록 개발하였다.

제안 방법

본 연구는 과학 과목 중, 우선 화학 수업과 융합을 통해 기존의 정형화 되지 않은 화학실험장치의 한계점을 보완하였으며 단순 구동 형태의 코딩 로봇에서 벗어나 타 수업과 연계가 가능하며 화학실험에 적용할 수 있는 소프트웨어 교육 융합형 “화학실험교구”를 개발하였다.
기존 3D 프린터는 X축, Y축, Z축으로 구성되어 있으며 이를 구동하기 위하여 다수의 스텝모터를 장착하여 사용하고 있다. 하지만 상기 실험용 기구의 3차원 공간상의 위치에 제어를 위한 X축, Y축, Z축 이외에 추가적인 제어 구성물이 요구되어 실험용 기구물의 이동(각도 변화, 용액 주입 등)을 위하여 W축과 Base 보드판에 장착되며 대용양의 용액 공급 또는 전원제어, 물건 이송을 위한 S축을 추가로 구성하였다.
I/O 확장포트와 연계하여 외부에 센서 및 제어장치를 장착 가능하도록 레고식 블록 형상으로 되어 있으며, 저학년의 학생들도 손쉽게 장착 및 결착이 가능하도록 내부에 자석이 내장된 제품으로 블록과 자석의 힘에 의하여 가벼운 기구물은 쉽게 장착 가능하도록 개발하였다.
프레임에 많은 기구물을 장착 할 때 경첩형 결합을 통하여 무게에 의한 탈거를 방지하여 추가 확장이 가능하도록 제작하였다. 또한 온도, pH, 조도, 컬러, 전기전도 센서들의 장착을 통해 실험데이터 수집이 가능하도록 제작하였다.
프레임에 많은 기구물을 장착 할 때 경첩형 결합을 통하여 무게에 의한 탈거를 방지하여 추가 확장이 가능하도록 제작하였다. 또한 온도, pH, 조도, 컬러, 전기전도 센서들의 장착을 통해 실험데이터 수집이 가능하도록 제작하였다. 그림 1은 프레임과 프레임에 장착 가능한 기구물이다.
Arduino Sketch, Scratch, Entry 프로그램 등 기존 코딩용 프로그램과의 호환성을 고려한 제품을 개발하였다. 5개 이상의 스텝 모터 제어를 위하여 I/O 포트가 많은 Arduino Mega 제품으로 설계하였으며 다수의 외부 I/O 확장포트 제공을 통한 Digital 입출력, Analog값 입력, PWM 출력, I2C 통신이 가능하도록 입출력 포트를 제작하였다.
Arduino Sketch, Scratch, Entry 프로그램 등 기존 코딩용 프로그램과의 호환성을 고려한 제품을 개발하였다. 5개 이상의 스텝 모터 제어를 위하여 I/O 포트가 많은 Arduino Mega 제품으로 설계하였으며 다수의 외부 I/O 확장포트 제공을 통한 Digital 입출력, Analog값 입력, PWM 출력, I2C 통신이 가능하도록 입출력 포트를 제작하였다.
과학 실험장치의 메인 Micom은 기본 프로그램인 Arduino에 최적화 되고, 관련 프로그램과 연동이 가능하도록 개발하였다. 자체 구동을 위한 프로그램을 개발하였으며 Arduino Board를 Base로 한 제품의 특징에 맞게 Arduino Sketch 소스 프로그램 개발을 진행하였다.
다수의 스텝모터 및 전원관리 부분, 아날로그 데이터 수집, 디지털 포트 상태 값 등을 처리할 수 있는 프로그램 개발하였다.
주요 센서 및 I/O 포트에서 수집된 데이터를 전송할 수 있는 무선 데이터 전송 시스템을 설계 및 제작하였으며 Wi-Fi(또는 블루투스) 통신을 통하여 데이터를 전송할 수 있도록 전송 방식에 따른 하드웨어 설계하였다. 스마트패드에서도 데이터 수신이 가능하도록 무선통신 방식을 채택하며, 구체적으로 2.
화학실험에 사용 할 수 있도록 Science 스크립트를 제작하였으며, 스크립트에 화학실험용 기구물을 제어할 수 있는 다양한 블록을 프로그램으로 개발하였다. 기본적으로 X축, Y축, Z축, W축, S축에 대한 제어 기능을 포함하며, 센서 데이터 수집을 위한 기능, 데이터 전송을 위한 기능, 전기적 장치 제어를 위한 기능 등을 포함하였으며 코코넛에 제작한 스크래치 스크립트를 예로 그림3, 4와 같은 프로그램 컴포넌트를 제작하였다.
화학실험에 사용 할 수 있도록 Science 스크립트를 제작하였으며, 스크립트에 화학실험용 기구물을 제어할 수 있는 다양한 블록을 프로그램으로 개발하였다. 기본적으로 X축, Y축, Z축, W축, S축에 대한 제어 기능을 포함하며, 센서 데이터 수집을 위한 기능, 데이터 전송을 위한 기능, 전기적 장치 제어를 위한 기능 등을 포함하였으며 코코넛에 제작한 스크래치 스크립트를 예로 그림3, 4와 같은 프로그램 컴포넌트를 제작하였다. 그림 3, 4는 스크래치 프로그램 내 제어를 위한 추가 블록이다.
SW 융합 프로그램을 영역별로 구성하여 SW 융합화학실험교구가 교육과정 속에서 실제 적용 될 수 있는 주제중심 프로젝트 수업 과정 안을 개발하였으며 교과과정 중 적용이 가능한 주제 “용해와 용액”, “산과 염기”, “중화 반응” 등에 적용이 가능한 수업 모델 10종을 개발하였다.
본 연구는 3D 프린터 제어기술을 기반으로 한 제품으로 화학실험을 자동화 할 수 있고 3D 프린팅에 적용된 스텝모터 제어 기술, 3차원 구동 기술 등을 적용한 제품으로 3D 프린터의 원리와 SW교육을 병행해서 교육 가능하다. 또한 3D 프린터의 플라스틱 배출 노즐 부분을 변경하여 화학 실험에 사용할 수 있도록 구성된 제품이고, 블록형 프로그램(스크래치, 엔트리 등)과 연동을 통해 작동할 수 있도록 개발하였다.
본 연구는 3D 프린터 제어기술을 기반으로 한 제품으로 화학실험을 자동화 할 수 있고 3D 프린팅에 적용된 스텝모터 제어 기술, 3차원 구동 기술 등을 적용한 제품으로 3D 프린터의 원리와 SW교육을 병행해서 교육 가능하다. 또한 3D 프린터의 플라스틱 배출 노즐 부분을 변경하여 화학 실험에 사용할 수 있도록 구성된 제품이고, 블록형 프로그램(스크래치, 엔트리 등)과 연동을 통해 작동할 수 있도록 개발하였다.
본 연구는 명령블록 코딩 프로그램과 연계하여 과학 + SW 융합 교육에 대한 커리큘럼 및 콘텐츠를 제공하여 효율적인 SW 융합 교육 가능을 제안하였으며 기본 베이스 구동부 및 스텝모터는 지속적으로 활용 가능하다. 확장형 장치 부착을 통하여 다양한 화학실험이 가능하도록 구현하였으며 소프트웨어 교육을 위한 블록형 프로그램인 스크래치를 활용한 실험기구 조작 및 프로그램 구동 가능하도록 개발하였다.

대상 데이터

Arduino Uno를 기본으로 Leonardo, Due, Zero, Mega ADK, Genuino, RFDuino 등 다양한 보드가 존재하고 있는데 상기와 같은 내역 충족을 위하여 Arduino Mega 보드를 활용하였다. 그림 2는 스텝 모터 제어를 위한 Arduino Mega의 기능이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴퓨팅 사고는 무엇인가?	컴퓨팅 사고란 단순히 학습자들이 응용프로그램(한글, 오피스 등)의 사용법을 배우는 것이 아니라, 컴퓨터과학의 기본 개념과 원리를 활용하여 문제를 창의적으로 해결하는 논리적 사고 과정이다. 학습자들은 교육용 프로그래밍 언어를 활용한 문제해결학습, 체험탐구 중심의 다양한 교육 활동을 통해 컴퓨팅 사고력을 신장한다[5-7].
	소프트웨어 교육이란?	소프트웨어 교육이란 컴퓨터과학의 기본적인 개념과 원리를 기반으로 다양한 문제를 창의적이고 효율적으로 해결하는 컴퓨팅 사고(Computional Thinking, CT)를 기르는 교육이다[4].
	창의융합인재교육은 무엇인가?	최근 교육의 추세는 창의융합인재교육(STEAM)으로 서로 다른 교과를 융합하여 교육을 한다. 이것은 이전의 방식처럼 과학이면 과학의 내용만을 학습하는 것이 아니라 수학시간에 과학, 기술, 공학, 예술 등 서로 다른 교과의 지식을 자연스럽게 더불어 학습 할 수 있도록 하는 것이다[8].

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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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