ODV를 이용한 한반도 주변 해역의 수온 염분 분포도 작성에 관한 실험 프로그램의 개발과 적용
장 유 순*
공주대학교 지구과학교육과, 314-701, 충청남도 공주시 공주대학로 56
Development and Application of an Experimental Program for Mapping Temperature and Salinity Distribution around the
Korean Marginal Seas Using Ocean Data View
You-Soon Chang*
Department of Earth Science Education, Kongju National University, Chungnam 314-701, Korea
Abstract: This study developed an experimental program for mapping temperature and salinity distribution around the Korean marginal seas using Ocean Data View (ODV) software. Serial ocean observational data have been analyzed after being converted to the ODV compatible format using a separated program newly developed for this study. When this new experimental program was applied to 65 pre-service teachers, it was found that the quality of assignment completion with a new program improved compared with that of the same group who used the existing program. A questionnaires was employed to delve into participants’ satisfaction of the new program. Findings depicted that accurate and quick drawing of isoline drew the highest responses of satisfaction, and confirmed positive responses to the understanding and application of this new experimental program.
Keywords: experimental program, mapping temperature and salinity distribution, Ocean Data View, questionnaires 요 약: 본 연구에서는 Ocean Data View (ODV)를 이용하여 한반도 주변 해역의 수온·염분 분포도를 작성하는 실험 프로그램을 개발하였다. 정선 해양 관측 자료는 본 연구를 위해 새롭게 개발된 별도의 프로그램을 이용하여 ODV 호환 형식으로 변환된 후 분석되었다. 새로운 실험 프로그램을 65명의 예비 교사들에게 적용하였을 때, 기존 프로그램을 사 용한 같은 집단에 비해 과제 수행 완성도가 매우 향상되었다. 새로운 프로그램에 대한 실험 참가자들의 만족도를 살펴 보기 위해 설문지 분석을 실시하였다. 분석 결과 정확하고 빠른 등치선 작성 분야에서 가장 높은 만족도를 나타내었으 며, 새로운 실험 프로그램의 이해 및 적용에 관한 긍정적인 반응을 확인하였다.
주요어: 실험 프로그램, 수온·염분 분포도 작성, Ocean Data View, 설문지
서 론
해양학은 바다에서 일어나는 모든 현상을 과학적으
로 기술하고 연구하는 학문이며, 지질학, 지리학, 생 물학, 화학, 물리학 및 천문학의 일부 분야까지도 포 함한 내용을 탐구 대상으로 하는 학제간 과학 (interdisciplinary science)의 특성을 지니고 있다 (Trujillo and Thurman, 2012). 전통적으로 해양학은 물리 해양학, 화학 해양학, 생물 해양학, 지질 해양학 으로 세분화되어 연구되고 있다. 그 중 물리 해양학 은 해양의 온도, 염분, 밀도 등 해수의 특성과 파랑, 조석, 해류와 같은 해양의 움직임, 해양과 대기 간의 에너지와 운동량의 변화, 해수 중 소리 및 빛 에너지 전파 등 해양의 모든 물리적 특성을 기술하는 학문이
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이용한 실험 과정이 전무하여 학생들의 흥미를 끌지 못하고 있으며, 관련 연구 사례도 거의 없는 실정이 다. 따라서 대학에서 해양학을 전공으로 선택하는 학 생 수가 줄어들고 있으며, 관련 연구 인력 수급도 점 점 어려워지고 있다(KMI, 2009; Jeong and Lee, 2013). 이에 중등 교육 개선을 위해 특히 예비 교사 를 양성하는 대학 교육의 개선과 관련하여 보다 현장 감 있는 관련 교재의 개발이 매우 필요한 시점이다.
우리나라에서는 1967년부터 지구과학 탐구학습의 일환으로 미국에서 개발한 Earth Science Curriculum Project (ESCP) 내용을 도입하여 사용하고 있지만 (An, 2006), 미국 등 지구과학 교육 분야의 선진국들 은 새로운 실험 교재 개발 및 관련 연구를 꾸준히 진행시켜오고 있다. 해양학 분야에서 가장 대표적으 로 사용되어온 Laboratory Exercises in Oceanography 실험서는 현재 총 23개의 실험 주제로 구성된 3판이 발간되어 사용되고 있다(Pipkin et al., 2001). 최근 미국에서는 NSF (National Science Foundation) 지원 으로 해양 교육 선도 부서(Centers for Ocean Science Education Excellence, COSEE)를 중심으로 새로운 교재 개발에 체계적인 투자를 하고 있다 (COSEE, 2015). 일례로 COSEE에서 개발된 프로그 램인 Karp-Boss et al. (2009)에서는 해양의 밀도, 수 압, 부력, 열 및 온도, 중력파 등 해양 물리 개념을 효과적으로 이해하기 위한 새로운 실험 과제를 다양 하게 제안하고 있다.
이에 본 연구에서는 기존에 사용되어 온 해양 분 야 실험 주제 중 한반도 주변 해역의 수온·염분 분 포도 작성에 관한 내용을 개선하고자 하였다. 한반도 주변 해역의 수온·염분 분포도를 작성하고 그 특성 을 분석하는 실험은 현행 2009 개정 교육 과정에 중 학교 과학 1, 과학 3, 고등학교 지구과학 I, 지구과학
평 또는 수직 단면도를 직접 작성한 후 모든 분석을 수행하게 된다. 이 과정에서 학생들은 방대한 양의 해양 관측 자료를 그래프 용지 또는 지도에 직접 옮 겨 적고 내삽·외삽하는 과정을 통하여 등치선 자체 를 완성하는 활동에만 집중하는 문제점이 발생하고 있다. 즉, 일차적으로 등치선 과제를 수행하지 못하 면 탐구 목적인 한반도 주변 해역의 해황 분석 활동 이 불가능해지며, 관련 내용에 흥미를 잃을 수 있는 구조로 편성되어 있다.
본 연구에서는 해양학 연구 분야에서 활발히 이용 되고 있는 Ocean Data View (ODV) 응용 프로그램 을 이용하여 새롭게 구성한 실험 내용을 소개하고, 대학교에서 일반 해양학을 수강하는 총 65명의 예비 교사에게 적용해 본 결과를 분석하고자 한다. KODC 실측 자료를 이용하여 등치선을 완성하는 실험 내용 은 지구과학 개론을 배우는 대학교 학부 학생들을 그 주요 대상으로 한다(KESS, 1998). 그러나 관련 내용을 현행 2009 개정 중등 교육 과정에서도 충실 히 다루고 있기 때문에 중등 교육 과정에도 동일하 게 적용될 수 있을 것이다(지구과학 II-(3) 대기와 해 양의 운동과 상호작용-(나) 해수의 운동과 순환-① 해 수의 물리적, 화학적 성질을 이해하고, 실측 자료를 근거로 해수의 온도, 염분, 밀도, 용존산소량 등의 분 포를 설명할 수 있다.). 그러므로 본 연구에서 개발된 프로그램은 예비 교사를 대상으로 하는 대학교 학부 과정뿐만 아니라, 향후 중등학교 교육 현장에서도 다 양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구 방법
ODV 프로그램
본 연구에서 개발된 새로운 프로그램(부록 2, ODV
프로그램 실습 및 분석)에서는 학생들이 보다 수월하 게 등치선을 완성할 수 있도록 컴퓨터 소프트웨어를 이용하도록 구성하였다. 일반적으로 해양 분석 자료 표출을 위해 사용되어온 응용 프로그램은 Surfer, Grapher, Matlab, GMT, Ferret, IDL, GRADS, NCAR graphic, R, Python 등 매우 다양하다. 그러나 대부분의 프로그램은 별도의 비용을 지불해야 하는 상용 프로그램이기 때문에 학생들이 자유롭게 사용할 수 없다. 또한 주로 연구용으로 사용하는 공개 프로 그램들은 대부분 유닉스 또는 리눅스 운영 체계에서 관련 프로그램 언어를 습득한 후 스크립트 구조로 구현해야만 하도록 구성되어 있다. 즉, 새로운 운영 체제와 프로그램 언어를 학습하는 별도의 훈련 과정 이 필요하기 때문에, 학부 수준의 지구과학 예비 교 사들에게는 그 교수 자체가 매우 어려운 실정이다.
그러므로 본 연구에서는 별도의 구입 비용과 프로 그램 언어에 대한 교수, 학습 과정 없이 학생들이 윈 도우 환경에서 손쉽게 해양 자료를 표출할 수 있게 사용할 수 있는 프로그램으로 ODV를 선택하였다 (AWI, 2015). ODV 는 독일의 알프레트 베게너 극지 연구소(Alfred-Wegener Institute)에서 개발하여 배포 된 해양 자료 표출 프로그램으로 교육 및 연구용으 로는 무상으로 사용할 수 있으며, 윈도우, 매킨토시, 리눅스, 유닉스 등 다양한 운영 체계에서 사용 가능 하다. 이 프로그램의 또 다른 장점은 GUI(Graphic User Interface) 환경으로 구성되어 있어 윈도우 프로 그램에 익숙한 학생들에게 비교적 쉽게 교수할 수 있으며 기본적인 해양의 프로파일(profile), 산포도 (scatter plot), T-S 다이어그램(T-S diagram), 수평 분 포도, 연직 단면도, 유속 벡터 등을 모두 표현할 수 있도록 구현되어 있다. 각 변수 간 조합을 통해 온위, 밀도, 열용량, 안정도 등 해양의 2차 변수들도 쉽게 계산할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 수온·염분 자료를 이용하여 표층 해수의 밀도(σt)를 쉽게 계산 할 수 있어 T-S 다이어그램 작성 시에 등밀도선을 같이 표현할 수 있다. 또한 등치선의 간격 및 벡터의 크기도 자유롭게 조절할 수 있어 시·공간적인 해황 변동을 효율적이고 정확하게 도시할 수 있다. ODV 프로그램에서 사용되는 자료로는 Argo, GTSPP (Global Temperature Salinity Profile Program), SeaDataNet, Sea-Bird, WOCE (World Ocean Climate Experiment), WOA (World Ocean Atlas), WOD (World Ocean Data) 등으로 대표적인 해양 관
측 프로젝트에서 제공하는 표준 자료 형식이 모두 호환되도록 설계되어 있다. ODV 소프트웨어의 보다 자세한 기능 및 관련 장점은 Schlitzer (2015)를 참고 할 수 있다.
부록 2에 수록된 새롭게 개발된 실험 프로그램 내 용을 살펴보면 먼저 기본적인 ODV 프로그램을 다운 로드 하고 인스톨 하는 과정을 소개한다. 그 후 그 기능을 손쉽게 익힐 수 있도록 해양 기후 평균 자료 를 이용하여 표층 수온 분포도를 그리는 방법에 대 해 매뉴얼 형식으로 설명하고 있다(방법 및 과정 1.
전 지구 해양 기후평균 분포 그리기). 미국 해양자료 센터(National Ocean Data Center, NODC)에서 1982 년에 최초로 작성된 해양 기후 평균 자료는 WOA로 명명되어 1994년, 1998년, 2001년, 2005년, 2009년, 2013년에 걸쳐 주기적으로 갱신되고 있다. WOA는 기본적으로 표준 수심에 위경도 1o의 등 간격의 수평 해상도를 유지하고 있으며, 연평균, 계절평균, 월평균 의 평균장을 제공하고 있으며, 최근에는 다양한 해양 관측 자료 확보가 가능해 짐에 따라 해상도를 높인 자료가 꾸준히 개발되어 연구되고 있다(Chang, 2012).
ODV 프로그램에서는 기본적으로 WOA 호환 자료가 제공되어 있어, 사용자들이 손 쉽게 전지구 해양 기 후 평균 상태를 표출하고 확인할 수 있다.
ODV 호환 자료 개발
앞 절에서 소개한 위경도 1o의 WOA 자료로는 지 역 규모의 해황 특성을 정확히 표현할 수 없다. 한반 도 주변 해역의 해황 변동성을 가장 효율적으로 분 석할 수 있는 대표적인 관측 자료로는 우리나라 국 립수산과학원에서 정기적으로 관측하고 관리하는 정 선 관측 자료가 있다. 1961년부터 현재까지 주로 짝 수 달을 중심으로 연 6회 우리나라 연근해의 25개 정선 207개 정점에 대해 수온, 염분, 용존산소, 영양 염류, 동·식물 플랑크톤 등 17개 항목에 대해 조사 한 자료를 KODC 홈페이지를 통해 공개하고 있다 (Fig. 1; KODC, 2015). 이 정선 관측 자료는 그 동 안 한반도 주변 해역의 물리적 특성에 관한 연구의 기본 자료로 매우 중요하게 사용되어 왔다(Shin, 1994; Youn et al., 1998; Kim et al., 2008; Chang and Shin, 2012; Lee and Kim, 2013).
본 연구에서는 기존 실험 방식(KESS, 1998)과 유 사하게 KODC 자료를 이용하여 수온과 염분의 연직 단면도 및 수평 분포도를 학생들로 하여금 직접 그
려보도록 하는 실험을 우선적으로 적용하였다(부록 1, 한반도 주변 해황 분석). 실험 내용으로는 KODC 자료를 직접 다운로드 할 수 있는 정보를 제공하였 으며, 2004년의 2월과 8월의 동해 104, 남해 205, 서 해 308 정선 라인의 자료를 추출하여 연직 단면도를 작성하고 그 특징을 서술하도록 하였다. 또한 표층 수평 분포도를 함께 작성할 수 있도록 KODC 정선 관측 위치도가 그려진 지도를 같이 제공하였다. 평가 요소를 위해 등온·등염분선 간격, 스케일 통일 및 육 지 부분의 해안선 처리(masking) 등의 간단한 통제 변인도 제공하였으며, 전체적으로 기존 실험서의 내 용을 모두 포함하며 그 틀을 벗어 나지 않도록 구성 하였다.
그러나 이렇게 한반도 해황 분석을 위해 오랜 기 간 동안 연구 및 실험 자료로 활발히 사용되고 있는 KODC 정선 관측 자료는 그 특성 상 아스키(ascii) 형식으로만 공유되고 있으며, 이러한 자료 구조는 ODV 소프트웨어에서 직접 읽을 수 없다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 일차적으로 정선 관측 자 료를 ODV 포맷과 호환시킬 수 있는 특별한 변환 프 로그램을 동시에 개발하였다. 본 연구에서 언급하고
있는 ODV 호환 자료란 ODV 프로그램에서 읽을 수 있도록 기존의 아스키 자료 구조를 변경한 자료를 의미한다. 본 연구에서 개발된 ODV 호환용 자료는 기본적으로 NetCDF (Network Common Data Format) 형태로 구현되었으며 Fig. 2와 같은 다양한 변수를 포함하는 구조로 이루어졌다.
일반적으로 해양 수치 모델 또는 객관 분석 자료 는 모든 지점(grid point)에서 동일한 시간 간격의 정 보를 포함하기 때문에 NetCDF 형태로 손쉽게 변환 하여 사용한다. 그러나 서로 다른 관측 지점에서 각 각 다른 구조를 가지는 실측 자료는 NetCDF 자료로 변환하여 사용하는데 구조적인 어려움이 있다. 본 연 구에서는 1년 단위의 모든 KODC 관측 자료를 ODV 프로그램에서 한꺼번에 읽을 수 있도록 동일한 2차원 구조의 독특한 헤더 구조로 재구성한 NetCDF 파일을 새롭게 개발하였다. Fig. 2에서 확인할 수 있 듯이 2004년 자료(자료이름: kodc_2004.nc)의 경우 최대 50개 수층(depth_index)에서 총 1168개(station index)의 수온(temp), 염분(salt) 프로파일 자료가 위 도(latitude), 경도(longitude), 정선(id_line), 정점 (id_station), 시간(time, yyyymmdd), 수심(depth) 정보 Fig. 1. Location of the serial oceanographic observation station of NFRDI (National Fisheries Research and Development Institute) with detailed topography.
와 함께 변환되어 저장되었다. 링크(link) 변수는 한 프로파일에서 50개 이상의 수심에서 관측 자료가 있 는지 없는 지의 여부을 판단하기 위한 메타 변수이 다. 본 연구에서 사용한 정선 관측 자료는 최대 14개 표준 수층에서만 자료가 존재하기 때문에 모두 동일 한 “0” 값으로 적용하였다. 프로파일 자료 중 50개 이상 수층에서 자료가 있는 연직 고해상도 자료의 경우에는 “1”의 값을 적용하여 이전의 프로파일과 연속된 자료임을 알 수 있도록 구현하였다. 관측 시 간을 나타내는 정보는 사용자 편의를 위해 1900년 1 월 1일을 기준으로 하는 율리우스 적일(julian day, time 변수)과 연월일(yyyymmdd 변수)의 두 가지 정 보를 재 계산하여 제공하였다.
새롭게 개발된 실험서(부록 2)에서는 이렇게 개발 된 kodc_2004.nc 자료를 이용하여 학생들로 하여금 기존의 실험(부록 1)과 동일한 지점의 수평, 연직 분 포도를 도시하고 분석하도록 실험 내용을 구성하였다 (방법 및 과정 2. 한반도 주변해역 분포도 그리기).
적용 대상 및 검증 방법
본 연구에서는 충청남도 소재 국립대학에 재학하는 사범계 학생들 중 해양학을 수강하는 총 65명의 학 부생을 대상으로 기존의 실험 방식(부록 1)과 새로운 실험 방식(부록 2) 두 가지를 모두 적용한 결과를 비 교 분석하였다. 학부생 65명 중 25명은 물리해양학 및 실험을 수강하는 3학년 학생이며, 나머지 40명은 일반 해양학 및 실험을 수강하는 지구과학 주전공 및 복수전공 2학년 학생들로 구성되어 있다. 현 3학 년 학생들은 2학년 과정에서 지질 해양학 내용을 중 심으로만 수강하였기 때문에, 현 2학년 학생과 동일 하게 한반도 주변해역의 수온·염분 자료를 이용한 등치선 작성 실험을 처음 경험하는 집단이다. 그러므 로 본 실험에 참가한 모든 학생은 학년에 관계없이 동일한 경험군으로 간주할 수 있다. 또한 설문 조사 (부록 3) 결과 실험 전 ODV 프로그램에 대해 들어 본 적이 있는 학생은 총 65명 중 2명에 불과하였으 며, 2명에 대한 과제 제출 내용과 설문지 분석 결과 타 집단에 비해 특이한 사항이 발견되지 않았다. 그 러므로 본 연구에서는 대상 학생들의 관련 실험 경 험에 대한 유의미한 오차 요인은 존재하지 않는다고 판단된다.
본 연구의 목적은 새로운 ODV 프로그램과 새롭게 개발된 KODC 호환 자료를 소개하고 기존 실험서 내용과 비교하였을 때 실험 대상자들의 만족도를 설 문 조사 결과를 근거로 서술하는 데 있다. 즉, 새롭 게 개발된 실험 프로그램을 적용한 집단과 그렇지 않은 집단(대조군) 사이에 인지적 또는 정의적 부분 에서 어떠한 정량적 차이가 있는지를 검증하고자 하 는 목적으로 실시되지 않았으며, 관련 평가 요소를 포함하고 있지 않다. 새롭게 개발된 실험(부록 2)과 설문 내용(부록 3)은 복잡한 해양 실측 자료를 학생 들이 실제로 체험해 보고, 그 특성을 최대한 효율적 이며 객관적으로 기술하는 과정을 경험하는 활동에 초점이 맞춰져 있다. 그러므로 향후 정량적 효과 검 증을 위한 평가 도구의 개발 및 별도의 “대조군” 집 단 적용을 통한 세밀한 추적 연구의 가능성에 관해 Fig. 2. Header information of kodc_2004.nc data showing
variables and dimensions developed by this study.
서는 추가적인 검토가 필요하다고 사료된다.
연구 결과
Fig. 3은 2004년 2월 동해 104 정선 라인을 따라 표층부터 500 m 층까지의 수온과 염분의 연직 단면 도를 한 실험 참가 학생이 기존 방식(실험 1)을 이용 하여 도시한 결과이다. 모든 자료는 기존 실험 방식 대로 KODC 홈페이지에서 제공하는 아스키 형식으 로 제공되었으며, 학생들이 직접 워크시트(모눈종이 또는 지도)에 정리한 후 등온·등염분선을 작성하도록 하였다. 동해 남서해역 37oN 에 위치한 104 정선 라 인의 연안(00, 04 정점)을 따라 북상하는 동한난류 및 극전선을 기준으로 북상한 동한난류가 다시 남하 하는 부분(11~14 정점)에서의 고온, 고염분 구간을 비교적 정확히 모사한 것을 알 수 있다(Park et al., 2011, 2013a). 또한 수온약층과 염분약층의 유사한 분포 양상도 잘 도시한 것을 알 수 있다. 그러나 등 온선과 등염선의 등치선 간격이 일정하지 않으며, 연
직 단면도의 수평 및 수직 스케일도 일치하지 않는 다. 또한 연안역에서 실제 존재하지 않는 70 m 이심 에서도 수온·염분 값을 외삽해서 그렸으며(masking error), 칼라 척도 지시자(color scale bar)를 별도로 표시하지 않는 등의 문제점이 존재함을 알 수 있었 다. 본 연구에서 제시한 Fig. 3은 실험에 참여한 65 명 중에서 비교적 완성도가 높은 결과를 선택한 것 이다. 등온(염)선 작성은 불규칙적으로 관측된 수온(염 분) 자료를 등 간격으로 내삽하는 객관 분석 과정을 거쳐 공간적으로 고온(고염)과 저온(저염) 지역을 구 분하여 알기 쉽게 도시하는 것이 가장 중요하다. 그 러므로 본 실험에서는 등치선이 정확하고 알기 쉽게 표현되었는가를 완성도에 대한 우선적인 평가 기준으 로 삼았다. 그러나 대부분의 학생들이 원시 자료를 워크시트에 옮겨 적는 과정(이후 코딩 오차(coding error))과 등치선을 작성하는 과정에서(이후 그리딩 오차(gridding error)) 가장 많은 실수를 하였으며, 결 과적으로 해석하기 힘든 결과를 그대로 제출하거나 과제를 완성하지 못하였다.
Fig. 3. Vertical (top) temperature and (bottom) salinity section along the KODC 104 line in February 2004.
Fig. 4는 전형적인 코딩 오차의 예를 보여준다.
104 라인 07 정점의 275 m에서의 염분 값을 잘못 기 록함으로써, 주변에 비해 0.4 psu 이상 낮은 저염 구 간을 도시한 부분이 관찰된다. 이는 실제 이 곳에 저 염의 수괴가 존재하는 것이 아니라 자료를 워크시트 에 옮기는 과정에서 생긴 전형적인 실수임을 알 수 있다. Fig. 5는 몇 가지 그리딩 오차의 예를 나타낸 것이다. 기본적인 등치선 작성에 관한 이해가 부족한 학생들은 308 라인의 8월 수온 연직 단면도처럼 등 온선을 서로 교차하게 도시하였다. 또한 2004년 2월 104 라인을 작성한 학생은 등온선을 작성하는 과정 에서 동일한 비율로 내삽하지 못하고, 워크시트에 표 시된 그리드 라인을 따라 매우 주관적으로 등온선을 작성하였다. 이와 관련하여 수괴의 공간적 분포가 계
단형으로 존재한다는 잘못된 개념이 형성될 수 있는 문제점이 존재하는 것을 알 수 있다.
Fig. 6은 본 연구에서 개발된 ODV 호환 자료와 프로그램을 사용하여 작성된 예를 나타낸 것이다. 동 일한 시기의 같은 정선 단면도 도시 결과인 Fig. 3 과 비교해 보았을 때, 전체적인 수온·염분의 분포 양 상이 잘 일치하였다. 추가적으로 Fig. 3에서 언급되 었던 등치선 간격, 수평 및 연직 스케일이 통일되게 도시되었으며, 관측 자료가 없는 연안역에서 masking 문제가 자동으로 없어진 것을 알 수 있다. 본 실험 프로그램의 가장 중요한 목표인 등치선 표현에 있어 ODV 프로그램은 적용 자료의 최소, 최대 값을 기준 으로 등치선의 간격이 자동으로 표출되지만, 사용자가 원하는 간격으로 등치선 간격을 쉽게 조절할 수 있 Fig. 4. Example of coding error for the vertical salinity section along the KODC 104 line in February 2004.
는 기능이 탑재되어 있다. 또한 연직 단면도를 정의 한 정선 라인 구간을 지도 위에 추가로 표시할 수 있어 보다 효율적으로 해역의 특성을 판단할 수 있 는 장점을 확인할 수 있다. 본 연구에서 개발된 프로 그램으로 교수하였을 때 대부분의 학생들이 만족스러 운 단면도를 제시하였다. 이는 위에서 언급했듯이 ODV 소프트웨어 및 호환 자료를 사용하였을 때, Fig. 4와 Fig. 5에서 보여졌던 것처럼 등치선 작성 과 정에서 발생하는 코딩 및 그리딩 오차를 모두 제거 할 수 있다는 가장 주요한 장점과 연관된 것으로 판 단된다.
같은 시기의 한반도 주변 전 해역의 표층 수평 분
포도를 도시한 과제 제출 결과는 Fig. 7과 같다. 손 으로 수평 분포도를 그리기 위해서는 모든 정점에서 의 자료 값을 직접 입력해야 한다. 별도의 지도 위에 관측 자료 값을 표시하여 제공하더라도 등온선을 작 성하고 의미있는 해석을 도출하는 과정에서 많은 시 간이 필요하다. 이러한 이유에서 본 과제를 완수한 학생 수는 매우 적었으나, ODV 자료를 제공하고 프 로그램을 이용하여 등치선 그리는 방법을 교수를 하 였을 때는 대부분의 학생들이 과제 제출을 완성한 것으로 파악되었다(65명 중 2명 미 제출). 본 연구에 서 개발된 ODV 호환 실측 자료를 이용한 수평 분포 도 작성을 통해 학생들로 하여금 동일 위도대의 동 Fig. 5. Example of gridding error for the vertical temperature section along the KODC (upper panel) 308 line in August, and (lower panel) 104 line in February 2004, respectively.
해안과 서해안의 수온·염분 차이, 계절에 따른 대마 난류수의 확장 해역 및 제주 서쪽 연안을 중심으로 하는 제주 난류의 공간 분포 변동 등 해양 물리학적 으로 중요한 현상들을 쉽고 흥미롭게 확인시킬 수 있었다.
본 연구에서 개발된 실험 프로그램의 정량적 만족 도를 살펴보기 위해 설문지 조사를 추가로 실시하였 다(부록 3). ODV 프로그램의 난이도를 묻는 질문에 는 전체적으로 ODV 프로그램 사용방법이 조금 복잡 하거나 매우 복잡하다고 느낀 경우는 총 65명 중 25 명으로 전체 38%를 차지하였으며(Fig. 8), 그 이유로 는 영문 프로그램으로 모든 내용이 영어로 구성되어 있다는 응답이 다수를 차지하여 있어, 향후 한글 버 전의 매뉴얼 개발의 필요성을 시사하고 있다. 장기적 으로 ODV 소프트웨어를 개발한 독일 극지연구소와 의 협력을 통해 한글 버전으로의 변환이 가능할 수 있을 것이라 사료된다. Fig. 9는 ODV 프로그램을 사 용하였을 때의 장점을 묻는 질문에 관한 응답 결과 이다. 총 28명이 등온·등염분선이 정확하고 빠르게 그려진다는 점을 가장 큰 장점으로 선택하였으며, 기 타 정선 관측 자료가 ODV 호환 포맷에 맞춰 제공되 어 자료 처리 시간이 단축된 점을 최대 장점으로 서
술하였다. 즉, 기존의 실험에 비해 과제 완료 시간이 단축된 점과 정확한 등치선 구현 기능에 가장 큰 만 족도를 보인 것으로 확인되었다. 교과서에 나오는 수 온·염분 분포도 그림을 스스로 그릴 수 있다는 자신 감이 생기고 해양학에 대한 흥미가 생겼다는 부분을 최우선으로 응답한 학생도 10명이 되었다. 두 번째 장점으로는 원하는 지점의 분석이 용이해 손쉽게 연 구 영역을 바꿔가며 다양한 해역의 분포도를 확인할 수 있다는 점도 많은 학생이 언급하였으며, 전공과 관련된 최신 컴퓨터 응용 프로그램 학습 과정에도 7 명의 학생들이 높은 관심을 보였다.
향후 중·고등학교 현장에서 본 실험 프로그램을 시연(51명) 또는 교수(9명)하겠다는 반응이 매우 많 았으며, 특별 활동 또는 영재 학급 등 심화 교육 프 로그램에서는 시연과 동시에 교수해 보겠다는 비율이 9명에서 40명으로 크게 높아진 것을 확인할 수 있었 다(Fig. 10). 이는 서론에서 언급한 것처럼 본 프로그 램이 대학교 과정 뿐만 아니라 중등학교의 영재 교 육 교재 등으로 적절히 사용될 수 있음을 시사하고 있다. 또한 대학원 과정에서 해양학을 전공하여 실험 조교로서 관련 내용을 지도할 수 있다는 자신감을 나타낸 경우가 전체 65명 중 59명으로 학생들의 흥 Fig. 6. Vertical (top) temperature and (bottom right) salinity section along the KODC 104 line in February 2004. Bottom left shows the serial oceanographic observation stations from kodc_2004.nc together with KODC 104 line shown in red line.
미 유발 부분에서 매우 긍정적으로 실험 내용에 반 응하고 있다는 결과를 얻었다(Fig. 11).
요약 및 토의
본 연구에서는 해양 관측 자료를 객관적으로 도시 할 수 있는 ODV 프로그램을 이용하여 한반도 주변 해역의 수온·염분 분포도를 작성하고 해석하는 실험 내용을 개발하여 지구과학을 전공하는 예비교사 65 명에게 적용해 보았다. 실험에 사용된 실측 자료로는 KODC 에서 제공하는 정선 해양 관측 자료를 ODV 프로그램에 호환되도록 변환하는 프로그램을 개발하 여 적용하였다. 방대한 양의 실측 자료를 학생들이 직접 도시하여 수온·염분 분포도를 해석하는 기존의
실험 과정에 비해, 자료 처리 과정의 효율성 및 정확 성을 높일 수 있는 컴퓨터 응용 프로그램과 호환 자 료가 제공된 새로운 실험을 적용함으로써 과제의 완 성도 및 제출 비율이 높아졌으며, 설문 분석 결과 학 생들의 긍정적인 반응을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 프로그램은 학생들이 직접 실 측 자료를 정리하고 객관 분석(objective analysis) 기 법의 기초라 할 수 있는 등치선을 작성하는 일련의 실습 과정들이 생략되어 있다. 해양학를 포함하여 지 구과학 모든 영역에서 관측 자료를 수집하고 객관적 으로 처리하는 방법을 학생들이 직접 경험하고 연습 하는 과정은 매우 중요하다. 본 연구에서도 등치선 작성을 컴퓨터 프로그램이 아닌 수작업으로 직접 함 으로써 그 개념과 원리를 이해하고 사고를 통해 문 제를 해결하는 능력을 신장시킬 수 있다는 부수적인 효과를 간과하지는 않는다. 그러나 이와 관련한 연습 은 한반도 주변 해역의 해황 분석 실험이 아닌 단순 한 지형도 작성, 일기도 작성 등 별도의 실험 과정을 통해 충분히 교수될 수 있다고 사료된다. 또한 해양 의 등온·등염분선을 직접 손으로 작성하는 과정에서 학생들이 스스로 복잡한 해양 현상을 창의적으로 이 해할 수 있다는 가능성에 관한 부분에 대한 논의가 제기될 수 있다. 향후 세밀한 추적 연구 등을 통해 이를 객관적으로 평가할 수 있는 방법의 개발 및 적 용에 관한 꾸준한 검토가 필요할 것이다.
한반도 주변 해역은 다양한 수괴 및 해류 분포, 연 안 용승, 중규모 소용돌이, 극전선, 조석전선 등 주요 Fig. 8. Response contents and numbers of student participants to the questionnaires on the complexity of ODV software.
Fig. 7. Sea surface temperature distribution in February 2004 displayed by (top) hand and (bottom) ODV program.
한 해양 물리 현상들이 복합적으로 상호작용 하는 곳이다. 특히 동해, 서해, 남해의 수온 및 염분 변동 범위의 차이가 매우 커서 학생들로 하여금 실측 자 료를 이용하여 다양한 해양 현상을 비교하고 확인시 킬 수 있는 매우 좋은 해역이다. 그러므로 학생들이 지루해 할 수 있는 자료 처리 및 도시 과정을 최소 화 하고, 본 연구를 통해 개발된 소프트웨어를 이용 함으로써 보다 내용학적인 해석에 초점이 맞춰진 효
율적인 실험 프로그램으로 교수 활동이 이루어져야 한다고 생각한다. 최근 해양캠프 ‘여름바다학교’ 운영 등 다양한 해양 관련 교육 프로그램이 효율적으로 진행되어 해양학에 대한 학생들의 인지적, 정의적 능 력 향상에 긍정적인 반응을 얻고 있다(Park et al., 2013b). 향후 관련 교재 개발 분야에서도 다양한 최 신 컴퓨터 응용 프로그램 등을 학생들이 보다 손쉽 게 활용할 수 있게 유도함으로써 지구과학 및 해양 Fig. 9. Response contents and numbers of student participants to the questionnaires on the (top) 1st and (bottom) 2nd benefits of ODV software.
Fig. 10. Response contents and numbers of student participants to the questionnaires on the application plan of this experiment to the (left) ordinary class or (right) science-gifted class in a middle/high school.
학 분야에 있어서 학생들의 관심을 유도하고, 내용학 적 해석과 관계된 충실한 교수 활동에 기여할 수 있 기를 기대한다.
사 사
실험 및 설문에 협조해 준 공주대학교 사범대학 학생들과 결과 정리를 도와준 이성화, 임병준 연구원 에게 감사 드립니다. 본 연구는 “충청 씨그랜트 사업”
의 지원에 의해 수행되었습니다. 논문을 세밀히 검토 해주시고 좋은 의견을 주신 과학 교육학 분야의 익 명의 두 분 심사위원님들과 내용학적 부분을 검토해 주신 신홍렬, 양우헌 교수님께 감사 드립니다.
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Manuscript received: February 25, 2015 Revised manuscript received: May 14, 2015 Manuscript accepted: July 29, 2015
미리 알아두기
[정선 해양 관측 자료]
우리나라는 1961년부터 현재까지 한반도 주변해역의 총 25개선 270개 정점, 14개 표준 수층에 대해 매년 6 회 (2, 4, 6, 8, 10, 12월) 수온, 염분, 용존산소, 영양염류, 동식물 플랑크톤 등 17개 항목에 대해 관측하고 있다 . 이렇게 관측된 결과는 DB화 되어 현재 국립수산과학원의 해양조사연보, 한국해양자료센터의 홈페이지 등을 통해 제공되고 있으며, 한반도 주변해역의 시기별, 해역별 수괴 및 해황 특성 비교 분석에 매우 중요한 자료로 사용되고 있다 (해양자료센터).
[한반도 주변 해역의 표층 수온 염분 분포 특성]
우리나라 주변 해역의 표층 온도는 서해에서는 연교차가 매우 크며, 남해에서는 연중 난류의 영향을 받아 연 [그림 1] 정선관측지점 위치도 (출처: 한국해양자료센터)
교차가 가장 작게 나타난다. 동해의 경우 동일한 위도에서 우리나라 쪽 보다는 일본 쪽에서 온도가 높게 나타나 는데, 이는 대마난류가 일본 서쪽해안을 따라 북상하기 때문이다. 우리나라 동해는 북한한류와 리만한류가 흐르 고 남쪽에서는 동한난류가 흐르기 때문에 동해의 북부 해역과 남부 해역에서는 수온 차이가 크게 나타나는 극 전선을 형성한다 [그림 2]. 서해는 평균 수심이 45 m 정도로 매우 낮기 때문에 조류에 의한 혼합작용이 활발하 여 연안역의 수온이 낮다.
표층 염분은 고염의 해류의 영향으로 동해와 남해에서 염분이 높게 나타나고 담수 유입에 의해 서해에서는 낮게 나타난다. 또한 강수량이 적은 겨울이 여름보다 높게 나타나며, 일반적으로 해안가에서 멀어질수록 염분이 높아지나, 남/서해의 경우 양자강 유역의 다량의 담수 유입 효과에 의해 중국지역 보다 우리나라 쪽의 염분이 비교적 높게 나타난다.
[그림 2] 우리나라 동해의 해류 모식도 (출처: 박 등 (2013))
[그림 3] 우리나라 주변 해역 표층 수온 분포 (출처: 한국 근해해상지)
1) 동해와 서해에서 2월의 표층 수온과 염분 분포 특성을 비교하고, 그 원인을 설명해 보시오.
2) 동해와 서해에서 8월의 표층 수온과 염분 분포 특성을 비교하고, 그 원인을 설명해 보시오.
3) 동해, 남해, 서해의 표층 수온과 염분의 연교차를 비교하고, 그 원인을 설명해 보시오.
준비물
정선 해양 관측 자료, 정선 관측 지도, 모눈 종이(또는 Excel sheet), 자, 연필, 지우개, 색연필
방법 및 과정
1. 한국해양자료센터 (Korea Oceanographic Data Center, KODC) 홈페이지를 방문한 후 정선 해양 관측 자료 에 관해 알아본다.
2. 자료 수집
1) 해양관측자료->정선해양관측자료 페이지에서 해역별, 시기별로의 관측 자료를 수집할 수 있다.
2) 국립수산과학원 포탈시스템
(http://portal.nfrdi.re.kr/envirodata?id=shorelineObserList)을 통하여 1년 단위의 원시자료를 수집할 수 있다(표 1, 표 2 참고).
[그림 4] 우리나라 주변 해역 표층 염분 분포 (출처: 한국 근해해상지)
[표 1] 2004년 정선해양관측 원시자료 예 (출처: 국립수산과학원)
[표 2] 원시자료 분석 방법 (출처: 국립수산과학원)
참고문헌 및 사이트
1. 한국해양자료센터 (KODC), http://kodc.nfrdi.re.k
2. 박경애, 박지은, 최병주, 변도성, 이은일 (2013), 해양관측을 통해 획득된 과학적 지식에 기반한 과학교과서 동해 해류도, 한국해양학회지, 18(4), 234-265.
3. 한국근해해상지 (1992), 이석우 저, 집문당
[그림 5] 정선 관측 지점 (등수심선도 함께 표시)
[부록 2] ODV 프로그램 실습 및 분석
“한반도 주변 해황 분석” 실험 에서는 한국해양자료센터(KODC)에서 제공하는 수온, 염분 정선 관측 자료를 이용하여 수평 분포도와 연직 단면도를 직접 도시해 보았다. 본 실험에서는 ODV (Ocean Data View) 프로그램 의 사용법을 실습하여, 보다 손쉽고 객관적인 방법으로 해양의 수온, 염분 분포를 도시하고 분석해 본다.
탐구 목표
1. 해양 기후평균 자료를 사용하여 대양의 표층 수온, 염분 특징에 대해 알아본다.
2. ODV (Ocean Data View) 프로그램 사용법을 익힌다.
3. 다양한 ODV 호환 자료를 이용하여 해황 분석을 실시한다.
미리 알아두기
[해양 기후 평균 자료]
[그림 1]은 1955년부터 2012년 까지 전세계 해양의 표층 온도를 관측하여 위경도 1도 간격으로 평균한 후 동 일한 수온을 연결하여 등수온선도로 표시한 해양 기후 평균장 (World Ocean Atlas version 2013, 이하 WOA13) 이다. 전지구 해양 기후 평균장은 대표적으로 미국해양자료센터(National Ocean Data Center, NODC) 에서 1982년에 최초로 작성되었다 (Levitus, 1982). 그 후 WOA (World Ocean Atlas)로 명명되어 개발된 해양 기후 평균장은 지속적인 대양 관측 사업들로부터 얻어진 실측 자료가 꾸준히 확보됨에 따라 1994년, 1998년, 2001년, 2005년, 2009년, 2013년에 주기적으로 갱신되고 있다. WOA는 기본적으로 표준 수심에 위경도 1도의 등 간격의 수평 해상도를 유지하고 있으며, 연평균, 계절평균, 월평균의 평균장을 제공하고 있으며, 21세기에 다 양한 해양 관측 자료 확보가 가능해 짐에 따라 해상도를 높인 자료가 꾸준히 개발되어 연구되고 있다(장, 2012).
[그림 1] 연평균 해수면 표층 수온 분포 (그림 출처: 미국 해양자료센터(National Oceanographic Data Center, NODC)에서 제공 하는 전지구 기후평균자료 (WOA13))
개인용 컴퓨터, ODV 프로그램, ODV 호환 자료
방법 및 과정
1. 전지구 해양 기후평균 분포도 그리기
1) ODV 프로그램을 제공하는 웹사이트(http://odv.awi.de) 를 방문한다.
2) 사용자 등록을 완료하여 아이디와 패스워드를 부여 받는다.
3) Software 사이트에서 최신 ODV 버전을 다운 받아 PC에 설치한다.
4) Data 사이트에서 Ocean 영역의 WOA13 의 연평균 자료(Annual mean)[그림 1과 동일 자료]를 다운 받는다.
5) ODV 프로그램을 실행시킨다[그림 2].
6) WOA13 자료를 다운 받아놓은 디렉토리에서 ODV 호환 포맷 자료를 불러온다. 최초 자료를 불러오면 디 폴트로 설정된 그림 예제 및 자료에 대한 다양한 정보가 표시된다[그림 3].
7) 표층의 수온 분포도를 그리기 위해서 View→ Isosurface Variables 메뉴에서 Temperature @ depth=0의 값 을 Add 해 준다[그림 4]. 다른 수심의 염분 분포도를 알고 싶으면 Salinity 변수를 선택한 후 원하는 수심을 입 력하는 방법으로 다양한 Isosurface Variable을 생성할 수 있다.
8) View→Layout Templates→Surface Windows 메뉴를 선택하면 수평 분포도가 표출된다[그림 5].
9) 마우스 오른쪽 버튼을 누르면 나타나는 Properties 메뉴에서 다양한 표출 관련 옵션을 조정하여 사용할 수 있다.
[그림 2] Ocean Data View 프로그램을 최초로 실행시킨 화면
2. 한반도 주변해역 분포도 그리기
1) 제공받은 kodc_2004.nc 자료를 ODV 프로그램을 이용하여 불러온다.
2) 2월과 8월의 동해 104 line (남해 205 line, 서해 308 line)의 연직 단면도를 작성하고(총 12장) 그 특징을 서술한다.
3) 2월과 8월의 표층 수온, 염분 자료를 작성하고 (총 4장) 그 특징을 서술한다.
4) 한국근해해상지 또는 “한반도 주변 해황 분석” 실험에서 제공되었던 한반도 주변해역 분포도와 비교해 보 고 그 특성을 비교해 보자.
참고문헌 및 사이트
1. Ocean Data View, http://odv.awi.de
2. 기후평균자료 (World Ocean Atlas 2013, WOA13), http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA13/pr_woa13.html 3. 장유순 (2012), 전지구 수온 및 염분 자료 품질 관리에 관한 논의, 한국지구과학회지, 33(6), 554-566.
[그림 5] ODV 프로그램으로 직접 도시한 연평균 0m, 500m 수온, 염분 분포도
[그림 3] WOA13 의 Annual Data 적용 시 나타나는 화면 [그림 4] Isosurface variable 에 0 m 수온 값을 적용시키는 과정
3. 이번 학기 수업 수강 전에 ODV 라는 프로그램을 사용해 본 적이 있는가?
① 예 ② 아니오
4. 3번에서 사용해본 적이 있다면 언제, 무슨 용도로 사용하였는가?
_____________________________________________________________________________________________
5. 이번 실험 과제를 통해 사용해 본 ODV 프로그램 조작 방법에 대한 느낌은?
① 매우 간단하다. ② 간단한 편이다. ③ 보통이다. ④ 조금 복잡하다. ⑤ 매우 복잡하다.
6. ODV 프로그램 조작 방법이 복잡하게 느껴졌다면, 어떤 부분이었는지 구체적으로 기입해 주세요.
_____________________________________________________________________________________________
7. 이번 학기 “한반도 주변해역의 해황 분석" 과제(실험 1)를 하였을 때 총 소요된 시간은?
① 3시간 이내 ② 1일 이내 ③ 1일~3일 이내 ④ 3일 이상 ⑤ 1주일 이상 ⑥ 완성치 못함
8. 실험 1 수행 시 가장 힘들었거나 시간이 많이 소요되었던 부분을 자유롭게 기술해 주세요.
_____________________________________________________________________________________________
9. 이번 학기 "ODV 프로그램 실습 및 분석" 과제(실험 2)를 하였을 때 총 소요된 시간은? (WOA13 부분을 제외하고 실험 1과 같은 KODC 정선 해양관측 자료 표출 부분에 관한 내용만을 기준으로 할 것)
① 3시간 이내 ② 1일 이내 ③ 1일~3일 이내 ④ 3일 이상 ⑤ 1주일 이상 ⑥ 완성치 못함
10. ODV 프로그램을 이용한 과제 작성(실험 2) 시 가장 힘들었거나 시간이 많이 소요되었던 부분을 자유롭 게 기술해 주세요.
_____________________________________________________________________________________________
11. 실험 1 (한반도 주변해역 해황 분석) 내용과 비교해 볼 때 실험 2 (ODV 프로그램을 이용한 분석)의 장점 은 무엇이라 생각하는가? (중요 순서대로 나열해 보시오)
① 정선 관측 자료가 포맷에 맞춰 제공됨 (많은 양의 자료를 직접 다운받고 찾아가며 손으로 기입할 필요가 없어 과제 시간이 절약됨).
② 등온선, 등염선이 정확하고 빠르게 그려짐 (직접 손으로 그릴 필요가 없음).
③ 손쉽게 원하는 곳의 분포도를 작성하고 확인할 수 있어 유용하였음.
④ 수평 및 연직 스케일이 정확하게 그려짐.
⑤ 자료가 없는 곳은 자동으로 표시하지 않는 기능(masking)이 유용함.
⑥ 동해, 서해, 남해의 수온/염분 분포 특징에 대해 보다 잘 비교할 수 있었음.
⑦ 교과서에 나오는 수온/염분 분포도 그림을 스스로 그릴 수 있다는 자신감이 생기고, 해양학에 대한 흥미가 생겼음.
⑧ 전공과 관련된 컴퓨터 프로그램을 익힐 수 있는 좋은 계기였음.
⑨ 기타: _____________________________________________________________________________________
12. 여러분이 고등학교 교사가 된다면 일반학급 학생들에게 ODV 프로그램을 교수 또는 시연할 의향이 있는가?
① 교수하겠다. ② 시연만 하겠다. ③ 교수/시연하지 않겠다.
13. 여러분이 고등학교 교사가 된다면 특별활동(지구과학반 또는 영재학급 등) 학생들에게 ODV 프로그램을 교수 또는 시연할 의향이 있는가?
① 교수하겠다. ② 시연만 하겠다. ③ 교수/시연하지 않겠다.
14. 여러분이 대학교 지구과학(해양학) 학과의 실험 조교가 된다면 학생들에게 ODV 프로그램을 교수 또는 시연할 수 있겠는가?
① 당장 할 수 있다. ② 조금 더 연습하고 공부하면 가능하다. ③ 불가능 하다.
