[논문]산업체 연계 프로젝트 기반 학습(PBL)을 활용한 성형해석 실습 교과목 운영 사례 연구

민동균; 이민호

doi:10.18108/jeer.2020.23.4.76

산업체 연계 프로젝트 기반 학습(PBL)을 활용한 성형해석 실습 교과목 운영 사례 연구
Case Study on Education of Metal Forming Simulation Practice Subject through Industry-linked Project Based Learning 원문보기

공학교육연구 = Journal of engineering education research, v.23 no.4, 2020년, pp.76 - 83

민동균 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 이민호 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to conduct Project Based Learning (PBL) in collaboration with industry experts to operate practical subjects in an industry-university-linked teaching method. PBL is a teaching method in which students can learn through actively engaging in real-world and personally meaningful projects. For a long period of time, PBL methodologies have been found to be especially effective in engineering education. This case study deals with the operational results of a practice subject which has been conducted over three years from 2017 to 2019 in Korea University of Technology and Education. The course is for the 4th grade students in the school of mechatronics engineering. The results of the surveyed learning outcomes (for example, Program Outcomes and Course Learning Outcomes) have been analyzed and reflected in the next years for the Continuous Quality Improvement. By working on practical projects linked to industry, students have been able to develop so-called 4C's capabilities which are Critical Thinking, Creativity, Communication and Collaboration.

주제어

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문제 정의

본 교과목에서 IPBL을 적용하여 다루어진 내용은 결합용 기계요소들 중 하나인 너트 제조 공정에서 발생할 수 있는 성형결함에 대한 예측과 해결 방안의 모색에 관한 것이다. 산업현장에서 너트 제조를 위한 실제 냉간단조 공정은 Fig 1과 같이 순차적으로 총 6단계로 진행된다.
이에 따라 전체 공정수를 초과하지 않는 범위에서의 공정설계 변경이 필요하게 된다. 본 교과목에서 수행하는 산업체 연계 프로젝트에서는 실제 산업현장에서 발생하는 이러한기술적 문제에 대하여 금속성형 해석 전용 소프트웨어인DEFORM-2D와 DEFORM-3D를 활용하여 시뮬레이션을 통해구현하고, 문제점을 분석하여 개선점을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 2017학년도부터 2019학년도까지 성형해석및실습 교과목에서 수행한 산업체 연계 PBL(Industry-linked ProjectBased Learning, 이하 IPBL) 기법을 활용한 학습결과를 바탕으로, 학습자의 현장실무능력 향상을 위한 수업 방법에 대해 고찰한다.
성형해석및실습 교과목에서는 금속성형 가공에 대한 관련 해석이론을 학습한 후, 성형해석 전용 소프트웨어를 활용하여 시뮬레이션을 해 봄으로써 학습자들의 실무해석능력과 설계능력을 배양시키는데 그 목적이 있다.

제안 방법

11주차∼12주차에 소프트웨어 전문가로부터 금형 도면에따른 해석용 기하학적 데이터를 받고, 1∼3공정에 대한 기본교육을 이수함에 따라 보다 심도 있은 팀 활동을 통해 현장문제와 동일한 시뮬레이션 결과가 도출되도록 항목 1을 수정하였다.
마지막으로 현장실무문제 해결을 위하여 실제 산업현장에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 프로젝트에 대하여 IPBL(13주∼16주)을 수행하였다.
발표평가와 보고서 평가는 2017년과 동일하게 진행하였으며, 평가항목은 2017학년도 평가결과를 반영하기 위해 산업체현장 전문가의 의견을 포함하여 주제의 이해 및 공정의 적합성등의 내용을 포함하였으며, 효과적인 팀웍 발휘 및 효과적인 결과를 얻기 위해 일정계획과 회의록 등의 내용들도 평가항목으로 포함시켜서 아래의 Table 8과 같이 운영하였다. 2018학년도에서도 동료평가 결과는 포함시키지 않았다.
산업현장의 실제적인 문제들을 학생들에게 제시하고 이를 해결하기 위한 프로젝트를 수행하기 위해서는 유기적이고 적극적인 산학연계교육을 통한 교과목 운영이 필수적으로 요구된다. 본 교과목에서는 IPBL 운용을 위하여 대학 인근에 소재한체결용 기계부품 제조전문 중견기업과의 긴밀한 협의를 통해 아래와 같이 교과목 내용을 개편하였다.
본 연구에서는 기존의 PBL 방식이 주제선정부터 학습활동의 전개 과정까지 학생들의 관심과 흥미를 중심으로 진행된 것에 반하여, 산업체와의 긴밀한 협조체제를 바탕으로 전공실습 교과목을 운영하면서 실제 산업체에서 발생하는 생산 공정상의 다양한 문제점들을 학생들에게 미리 제공하고 이들 중 하나 이상의 문제점에 대한 프로젝트를 학생들이 스스로 선택하고 해결하도록 함으로써 학생들의 실무능력과 학습성과를 배양하는 사례를 다루고있다. 해당 교과목은 한국기술교육대학교(이하 KoreaTech 혹은코리아텍) 메카트로닉스공학부 4학년 학생들을 대상으로 2017년도부터 2019년도까지 3개년에 걸쳐 운영된 전공실습 교과목으로서, 매 학년도마다 교과목 학습성과(Course Learning Outcomes,이하 CLO)와 프로그램 학습성과(Programs Outcomes, 이하PO) 및 학생들의 강의만족도 등을 평가한 후, 평가결과를 바탕으로 차년도 교육과정을 개선하도록 하였다.
2018학년도까지는 8주차부터 12주차까지 성형해석 프로그램으로 해석 가능한 다수 과정의 프로그램 교육을 진행하였음에 비해, 2019학년도에는 11주차와 12주차에 IPBL 수행을 위한 단조 해석 프로그램교육을 실시하여 학습자들의 이해를 돕도록 하였다. 아울러 산업체 전문가로 하여금 실제 산업현장에서의 금형 가공 공정에 대한 추가적인 교육내용을 학생들에게전달할 수 있도록 교과 내용을 추가하여 수정 개편하였으며, 주요 개선 내용은 다음과 같다.
평가방법은 Table 4와 같으며, 평가도구로 발표평가와 보고서 평가를 도입하였고 60%이상의 달성을 학습성과 달성 여부의 판단 기준으로 설정하였다. 아울러 평가에 대한 객관성을 기하기 위하여 산업체 전문가를 초청하여 공동 평가를 진행하였다.
이와 더불어 성형해석 소프트웨어 전문가와의 질의/응답 및조언을 통하여 시뮬레이션 수행과정 중 발생할 수 있는 시행착오를 줄일 수 있도록 설계하였다.
이후 본 교과목의 전반적인 이론 교육과 함께 성형해석 전용 소프트웨어의 활용에 필요한 본격적인 실습 과정(7주∼12주)을 수행하였다.
본 연구에서는 기존의 PBL 방식이 주제선정부터 학습활동의 전개 과정까지 학생들의 관심과 흥미를 중심으로 진행된 것에 반하여, 산업체와의 긴밀한 협조체제를 바탕으로 전공실습 교과목을 운영하면서 실제 산업체에서 발생하는 생산 공정상의 다양한 문제점들을 학생들에게 미리 제공하고 이들 중 하나 이상의 문제점에 대한 프로젝트를 학생들이 스스로 선택하고 해결하도록 함으로써 학생들의 실무능력과 학습성과를 배양하는 사례를 다루고있다. 해당 교과목은 한국기술교육대학교(이하 KoreaTech 혹은코리아텍) 메카트로닉스공학부 4학년 학생들을 대상으로 2017년도부터 2019년도까지 3개년에 걸쳐 운영된 전공실습 교과목으로서, 매 학년도마다 교과목 학습성과(Course Learning Outcomes,이하 CLO)와 프로그램 학습성과(Programs Outcomes, 이하PO) 및 학생들의 강의만족도 등을 평가한 후, 평가결과를 바탕으로 차년도 교육과정을 개선하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 2017학년도부터 2019학년도까지 3년에 걸쳐서 성형해석및실습 교과목에 IPBL 수업 방식을 적용하면서학습자의 현장실무능력을 향상시키는 지속적인 품질개선(Continuous Quality Improvement, CQI) 사례를 제시하였다.
총 6개의 팀 중, 현장에서 발생하는 2가지 문제에 대하여 시뮬레이션을 통해 구현한 팀은 5팀이었으며, 개선안을 도출한팀은 4팀이었다. 그러나 산업체 전문가와 공동으로 결과 보고서를 재검토한 결과, 현장실무에서는 가능하지 않은 업세팅량, 금형간 거리, 금형 각도 등을 무리하게 적용하였음을 확인하게되었고, 발표 평가 이후 팀별 최종면담에서 대다수의 학습자들이 금형 공정을 이해하는데 많은 시간이 소요되었으며, 특히시뮬레이션 시간이 부족하였다는 어려움을 토로하였다.
총 인원 13명이며, 한 조당 2∼3인, 총 6개조로 구성하였다.
총 인원 24명이며, 3∼4인 1조, 총 7개 조로 구성하였다.
총 인원 25명이며, 4∼5인 1조, 총 6개 조로 구성하였다.

성능/효과

전년도에 비해 해석상 가장 많이 달라진 점은 전년도에는 주로 2차원 해석 프로그램인 DEFORM-2D 프로그램을 활용하여 해석을 수행한 반면, 2018년도에는 대부분의 학습자들이 3차원해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 해석하였다는 점이었다. 3차원 해석 프로그램인 DEFORM -3D 프로그램은 모델링이 비교적 용이하고 시각적 효과는 좋은 반면, 적절한 해석결과를 얻기 위한 소요시간이 지나치게 급증하게 되며, 특히컴퓨터의 성능에 따라 많은 시간적 영향을 받기 때문에 학부 4학년 학생들의 수준에서는 능숙하게 다루기에는 다소 무리라는 결론을 얻게 되었다. 결과보고서 역시 당초 기대에 비하여 저조한 결과를 보였다.
7개의 팀 중 6개의 팀이 현장에서 발생한 문제와 동일한 시뮬레이션 결과를 얻었으며, 이 중 1개의 팀은 산업체 전문가 평가에서도 현장 실무적 접근이라고 호평을 받았다. Fig 3과 Fig4는 IPBL을 수행하면서 실제로 발생하는 결함의 문제점을 확인하기 위하여 학습자들이 수행한 시뮬레이션 결과 중 하나이다.
총 6개의 팀 중, 현장에서 발생하는 2가지 문제에 대하여 시뮬레이션을 통해 구현한 팀은 5팀이었으며, 개선안을 도출한팀은 4팀이었다. 그러나 산업체 전문가와 공동으로 결과 보고서를 재검토한 결과, 현장실무에서는 가능하지 않은 업세팅량, 금형간 거리, 금형 각도 등을 무리하게 적용하였음을 확인하게되었고, 발표 평가 이후 팀별 최종면담에서 대다수의 학습자들이 금형 공정을 이해하는데 많은 시간이 소요되었으며, 특히시뮬레이션 시간이 부족하였다는 어려움을 토로하였다. 또한일부학습자는 IPBL 프로젝트 주제를 미리 안내해 주기를 요청하였다.
둘째로 학생들에게 IPBL의 방향과 주제에 대한 안내는 빠를수록 학생들의 실습 이해도가 우수한 결과를 나타내었다.
학습자들은 수업을 통하여 실제 너트 제조 공정에서 발생하였던 결함 문제를 시뮬레이션을 통해 명확히 확인할 수 있었다.또한 수업반응도조사 및 팀별 최종 면담에서 학습자들은 관련논문을 찾아보고, 전문가에게 직접 질의하고 응답을 받음으로써 IPBL을 수행하는데 많은 도움이 되었다는 반응을 보였다.
마지막으로 컴퓨터 시뮬레이션 시에는 성형해석 소프트웨어 전문가와의 질의ㆍ응답 및 조언을 통하여 성형해석의 시행착오를 줄이고, 결과의 완성도를 높일 수 있도록 하였다.
결과보고서 역시 당초 기대에 비하여 저조한 결과를 보였다. 발표 평가 이후 최종 팀별 종합 면담에서 학습자들은 주차별 학습 내용에는 대부분 만족을 하였지만, 산업 현장에서 실제로 사용되는 금형에 대한 이해가 여전히 쉽지 않다는 반응을 보였다. 뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션 작업을 본격적으로 수행해야 하는 기간과 동일기간에 다른 교과목들에 대해서도 텀프로젝트 및 시험 등을 준비해야 하는 등의수강 부담으로 인하여 시간이 부족했다는 의견을 제시하였다.
본 연구를 통하여 산업체 전문가와 공동으로 프로젝트 기반학습을 진행하여 실습 교과목을 산학연계 수업방식으로 운영한 후, 조사된 학습성과(예를 들어 프로그램 학습성과 및 교과목 학습성과 등) 결과를 차년도 교육과정에 반영하는 지속적품질 개선 활동을 수행함으로써 대학에서의 교육이 현장 실무와 유기적 관계를 유지하면서도 적절하게 운영될 수 있다는 것을 확인할 수 있는 계기가 되었다.
발표 평가 이후 최종 팀별 종합 면담에서 학습자들은 주차별 학습 내용에는 대부분 만족을 하였지만, 산업 현장에서 실제로 사용되는 금형에 대한 이해가 여전히 쉽지 않다는 반응을 보였다. 뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션 작업을 본격적으로 수행해야 하는 기간과 동일기간에 다른 교과목들에 대해서도 텀프로젝트 및 시험 등을 준비해야 하는 등의수강 부담으로 인하여 시간이 부족했다는 의견을 제시하였다.
셋째로 수업 과정 중에 현장 견학 또는 생산 공정에 대한 현장 전문가의 적절한 질의/응답 과정 등이 포함되었을 경우에학생들의 문제 이해도가 증가하였다.
학습성과 평가 결과는 Table 12와 같으며, 총 7개 팀의 학습성과 평가인 PO1, PO3, PO4, PO5의 평균값은 4.3으로 학습성과를 우수하게 달성하였으며, 특히 PO4에 대해서도 4.4의결과를 보였다. 또한 수업반응도조사의 문항 9는 4.
학습성과 평가 결과는 Table 6과 같으며, 총 6개팀의 학습성과 평가의 PO1, PO3, PO4, PO5의 평균값은 4.25로 전체적으로는 평가결과값을 보인 반면, PO5는 3.5로 상대적으로 낮은 평균값을 나타내었으며, 수업반응도조사의 문항 9은 4.69,문항 12는 4.77로 조사되었다. 이는 실무능력에 대한 학생들의 성과가 다소 부족한 것으로 보이며, 2018학년도 개선 방향에 반영하였다.
Fig 3과 Fig4는 IPBL을 수행하면서 실제로 발생하는 결함의 문제점을 확인하기 위하여 학습자들이 수행한 시뮬레이션 결과 중 하나이다. 학습자들은 수업을 통하여 실제 너트 제조 공정에서 발생하였던 결함 문제를 시뮬레이션을 통해 명확히 확인할 수 있었다.또한 수업반응도조사 및 팀별 최종 면담에서 학습자들은 관련논문을 찾아보고, 전문가에게 직접 질의하고 응답을 받음으로써 IPBL을 수행하는데 많은 도움이 되었다는 반응을 보였다.

후속연구

우선 첫째로 산업현장의 실제적인 문제를 학습자에게 제시하고잘 이해 할 수 있도록 지원하기 위해서는 적극적이고 유기적인 산학연계수업이 가능한 산업체의 발굴이 필수적으로 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PBL기법의 공학 설계 교육에서 장점은?	최근에 들어서면서 전 세계적으로 PBL은 공학 분야뿐만 아니라 의학, 교육학, 경제학, 경영학 등 매우 다양한 분야의 교육 현장에서 운영되고 있으며, 특히 공학 설계 교육에 있어서는 학생들이 의미 있는 실제 현장의 문제를 발견하고 해결하는 과정을 통해 과학, 기술, 수학의 기본 지식을 적용할 수 있는 토대를 마련해 준다는 점에서 긍정적인 평가를 받고 있다(변문경·조문흠, 2016; Caprano et al., 2013).
	프로젝트 기반 학습이란 무엇인가?	프로젝트 기반 학습(Project Based Learning, 이하 PBL)은 학생들이 실제적이고 개인적으로 의미 있는 프로젝트에 적극적으로 참여함으로써 학습하는 교수법으로서, 1830년대 유럽을 중심으로 무역과 산업학교에서 엔지니어와 장인 양성 교육을 위해 도입된 이래, 매우 다양한 분야의 교육에 적용되면서 확장되어 오고 있다. 특히 21세기의 복잡하고 불확실한 미래 사회를 살아가는데 가장 필수적인, 혹은 반드시 함양해야 할 역량들인 소위 “4C’s”, 즉 비판적 사고(Critical Thinking), 창의성(Creativity), 소통(Communication) 및 협업 능력(Collaboration)등의 4가지 역량들을 공학도들이 적절하게 활용하고 기를 수 있도록 하기 위해서 오늘날 공학 교육에서는 특히 중요한 의미를 갖는다 (Howell, 2003; 박경선, 2014).
	프로젝트 기반 학습의 목적은 무엇인가?	프로젝트 기반 학습(Project Based Learning, 이하 PBL)은 학생들이 실제적이고 개인적으로 의미 있는 프로젝트에 적극적으로 참여함으로써 학습하는 교수법으로서, 1830년대 유럽을 중심으로 무역과 산업학교에서 엔지니어와 장인 양성 교육을 위해 도입된 이래, 매우 다양한 분야의 교육에 적용되면서 확장되어 오고 있다. 특히 21세기의 복잡하고 불확실한 미래 사회를 살아가는데 가장 필수적인, 혹은 반드시 함양해야 할 역량들인 소위 “4C’s”, 즉 비판적 사고(Critical Thinking), 창의성(Creativity), 소통(Communication) 및 협업 능력(Collaboration)등의 4가지 역량들을 공학도들이 적절하게 활용하고 기를 수 있도록 하기 위해서 오늘날 공학 교육에서는 특히 중요한 의미를 갖는다 (Howell, 2003; 박경선, 2014).

참고문헌 (15)

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박기수(2019). IC-PBL과 대학교육 혁신. 제15회 공학설계교육워크숍, 한국공학교육인증원.
한국공학교육인증원(2014). KEC 2015 인증기준.
한국공학교육인증원(2020). KEC 2015 판정가이드.

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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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