지능정보화시대를 위한 융합과학 파일럿 클레스 김 용 기

BD20010007 분야 및 학교급 학문분야 주제별 융합형 - 중고

2019년 융합인재교육(STEAM) 프로그램 개발 최종 보고서

과 제 명 연구책임자

지능정보화시대를 위한 융합과학 파일럿 클레스 김 용 기

2019. 12.

기 관 명 : 충 북 대 학 교

“이 보고서는 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

* 본 연구의 내용은 연구팀의 의견이며, 교육부와

한국과학창의재단의 공식적인 견해와는 다를 수 있습니다 .

제 출 문

한국과학창의재단 이사장 귀 하

본 보고서를 “2019년 융합인재교육(STEAM) 프로그램 개발”의 최종보고서로 제출합니다 .

2019년 12월 일

○ 주관연구기관명 : 충 북 대 학 교

○ 연 구 기 간 : 2019년 6월 - 2019년 12월 31일

○ 주관연구책임자 : 김 용 기

○ 공동연구원

․연 구 원 : 김 형 범(충북대학교)

○ 참여연구원

․연 구 원 : 김 흥 태(서원대학교)

․연 구 원 : 김 인 국(대전 노은고)

․연 구 원 : 김 상 훈(전남 고흥고)

․연 구 원 : 류 현 아(대전 두리중)

․연 구 원 : 이 은 봉(대전 자은중)

․연 구 원 : 김 수 현(세종 양지중)

․연 구 원 : 정 은 배(세종 두루중)

․연 구 원 : 한 신(경기 서해초)

․연 구 원 : 허 윤 정(충북대학교)

보고서 초록

과제번호 연구기간 2019.06.13 ~ 2019.12.31 연구사업명 2019년 융합인재교육프로그램(STEAM) 프로그램 개발

연구과제명 (한글) 지능정보화시대를 위한 융합과학 파일럿클레스

(영문) STEAM Pilot class for the intelligence information age 연구책임자

(연구기관명)

김용기 (충북대학교)

참 여

연구원수 총 11 명 연 구

용역비 50,000 천원

요 약 문 보고서 면수

교사와 학생들이 지능정보화 기술을 이해하고 활용해보면서 함께 지능정보화 사회가 요구하는 핵심역량을 키워나갈 수 있도록 학습자 주도의 지능정보화시대를 위한 융합형 인재양성을 위한 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하고자 하였다.

중학교 차시대체형 프로그램 2종, 자유학기제 프로그램 2종 그리고 고등학교 차시대 체형 프로그램 2종을 최종 개발하여 시범적용학교 적용을 해보았다. 중학교 4개교와 고등학교 2개교에서 수업을 진행하였으며, 중학생 259명과 고등학생 243명의 총 502 명이 이 프로그램에 참여하여 설문에 응답하였다. 또한 프로그램의 효과성을 알아보 기 위해 수업직전과 직후에 STEAM 태도와 수업직후 STEAM 만족도 설문조사를 실 시하였다. 이 설문의 분석결과 중학생과 고등학생 모두 만족도가 높아 다른 친구들 과의 협력함으로써 여러 가지 문제를 해결하는데 있어 긍정적인 영향을 보였을 것 으로 판단된다. 태도분석결과도 중학생의 경우 흥미, 배려, 소통, 자아개념, 자아 효능감, 이공계 진로 선택 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 통계적 검정 결과를 나타내었고, 고등학생의 경우 흥미, 배려, 소 통, 유용성, 자아 개념, 자아 효능감, 이공계 진로 선택에 대한 사전·사후 의 평균값의 차이는 각각 .377, .307, .317, .331, .405, .322, .367점 향상된 것으로 나타났다. 특히 ‘이공계 진로 선택’의 통계적 검정 결과는 STEAM 프로그램에 참여했던 연구 참여자들이 과학과 수학에 흥미를 가지고 앞으로 의 진로 결정에 있어 이 분야에 대한 긍정적인 관심을 가졌던 것으로 해석 된다. 전반적으로 이 연구에서 개발한 STEAM 수업에 대한 효과가 통계적으로 의 미가 있었다는 결과를 나타내었다.

색인어 (각5개 이상)

한글 지능정보화 , 빅데이터, 3D프린터, 드론, STEAM교육, 융합적 사고 , 창의적 사고

영어

Intelegence information technique, Big data, 3D printer, Drone, STEAM education, Convergence thinking, Creative

thinking

요 약 문

Ⅰ. 제 목

지능정보화시대를 위한 융합과학 파일럿클레스

Ⅱ. 연구의 목적 및 필요성

¡ 최근 과학기술이 급속히 발전함에 따라 학문간 융합화, 지식의 세계화, 기 술의 복잡화, 미래의 불예측성이 증가되고 있으며, 우리 사회의 다양한 분야에서 활용되고 있는 지능정보화 기술은 최근 급속한 발전을 이루며 학교 현장 전반에 걸친 대변혁을 예고하고 있음.

- ‘제4차 산업혁명에 대응한 지능정보사회 중장기 종합대책’(미래창조과 학부, 2016)에서는 ‘지능정보사회 미래교육혁신’에 관한 세부 정책을 제안하고 있음.

- 제4차 산업혁명의 변화 동인은 지능정보기술로서 인공지능기술과 데이터 활용기술을 융합하여 기계에 인간의 고차원적 정보처리 능력 (인지, 학 습, 추론)을 구현하는 기술로 정의하고 있음.

- 이런 기술을 익히고 활용하는 능력을 키우는 것이 필요함.

- 지능정보사회의 학교교육에서 이에 걸맞은 핵심인력 양성의 필요성이 제 기되고 있음.

- 청소년들이 살아가야 할 미래는 창의적 아이디어와 과학기술 경쟁력이 곧 국가경쟁력이므로 지금의 창의교육 패러다임에 맞는 프로그램 개발 이 필요함.

¡ 지능정보사회로 인한 학교 환경은 교사 및 학생에게 새로운 역할을 요구할 것으로 전망되며, 나아가 지능정보화 기술이 다양한 교수학습 방법과 융 합되면서 발생하는 교수학습 과정의 변화에 능동적으로 대처할 프로그 램 개발이 중요하다고 판단됨.

- 지능정보사회 대비하기 위해, 교사와 학생이 미래 사회에 대한 이해, 다 양한 학습 테크놀로지에 대한 이해와 개발 및 활용, 학습자원 및 학습 활동의 탐색 연계 생성 등의 역량이 요구될 것으로 전망됨.

¡ 지능정보사회에서 지능정보화 기술은 그 자체로 의미가 있는 것이 아니라,

- 교사와 학생들이 지능정보화 기술을 이해하고 활용해보면서 함께 지능정 보화사회가 요구하는 핵심역량을 키워나가는 프로그램 개발이 절실히 요구 되고 있음.

¡ 지능정보사회에서 지능정보화 기술은 구조적인 대 변혁을 촉발할 것으로 전망되기에 지능정보기술의 선제적인 도입 및 확산을 통해 국가경쟁력 확보가 필요.

- Fast Follower전략보다는 First Mover전략 채택이 바람직하다고 판단되는 바, 지능정보기술을 접하게 해주는 교육프로그램이 절실히 필요한 실정.

- 지능정보기술이 다량의 데이터 분석에 기반하므로 데이터를 다루고 접하 는 기회를 제공하는 맞춤형 프로그램이 필요.

- 지능정보기술은 다양한 분야에 기계가 진입하여 생산성을 높이고 산업구 조의 대대적인 변화를 촉발하여 경제사회전반의 혁명적 변화를 초래할 전 망이기에 3D프린팅이나 지능형 로봇같은 기기 들을 접해보며 기능을 익히 는 프로그램이 필요.

¡ 지능정보사회에 필요한 지능정보화 기술 경험하는 융합인재교육프로그램 을 개발하는 것이 본 연구의 목적임.

- 학습자 주도의 융합형 인재양성을 위한 미래의 지구관측시스템 구축의 융 합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발 함.

- 일선학교에서 활성화될 수 있도록 상황 제시, 창의적 설계, 성공의 경험을 통한 새로운 문제에 도전하는 융합인재교육(STEAM)의 학습 준거에 따라 융 합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발 함.

Ⅲ. 연구의 내용 및 방법

¡ 지능정보사회에 필요한 지능정보화 기술을 중심으로 STEAM 프로그램을 개발하는 것으로 연구의 내용은 다음과 같다.

- 지능정보화 기술에 대한 실생활의 문제와 수업을 연결, 과학기술 분야의 최신 이슈를 교실로 가져와 학생들이 수업시간에 바로 배울 수 있도록 함.

- 융합인재교육(STEAM)의 개념에 맞게 현장 적용 프로그램 즉 체험·탐 구·실험 등을 통해 학생의 흥미와 이해를 높이고, 과학기술기반의 융합적 사고력과 문제해결력을 배양하는 프로그램을 개발 함.

- 흥미, 동기, 성공의 기쁨 등을 통해 새로운 문제에 도전하고자 하는 열정 이 생기게 하는 감성적 프로그램으로 구성함.

- 교사와 학생이 추가적인 수업 부담 또는 학습 부담을 느끼지 않도록 2015 개정 교육과정에 구현된 교과서의 차시를 대체할 수 있고, 중학교 군 및 자 유학기제 그리고 고등학교 군에 맞는 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개 발함.

¡ 융합인재교육 연구를 위한 환경 조성: 본 연구를 수행하는 연구 책임자 (교 수 김용기) 및 연구원은 이 STEAM 연구회를 운영하기 위해 STEAM교육 에 대한 이해와 관심도가 높으며 주기적인 연구원간의 회의를 통해 의 사소통 하고, 물리적인 도움을 많이 주었음.

- 과학교육학 박사들을 이 연구회의 자문위원으로 활용하여 프로그램을 적 용하기 전에 전반적인 내용을 자문함으로써 보완함.

- 연구회원들 중 중학교와 고등학교 과학 교사들을 활용하여 프로그램을 적용 하였으며 연구원들은 프로그램을 적용하는데 필요한 관련 자료와 수업을 진행하는데 필요한 자문을 담당하면서 이 연구의 STEAM 프로그램을 수정 ㆍ보완함.

¡ 개발한 수업 프로그램 가) 중학교 군

- 해 그림자와 놀기

- 드론 인명구조사를 소개합니다.

- 3D 프린터와 AR을 활용하여 망원경과 친해지기

- 빅데이터 만져보기

나) 고등학교군

- 인공지능(AI)! 어디까지 알고 있니?

- 사실 우리는 돌고 있어요.

¡ 수업 프로그램 적용 가) 연구 참여자:

- 중학교

: 대전시 D중학교 3학년 179명, J중학교 1학년 20명, 세종시 Y중학교 3학년 40명,

전라남도 S중학교 1학년 9명, 2학년 11명 총 259명

- 고등학교

: 경기도 G고등학교 2학년 167명,

다) 적용 방법: 교육과정 운영 시간 내에서 교과를 통합하여 수업 적용 (3차시)

¡ 수업프로그램의 효과 검증 가) 검증 방법

- 한국창의재단에서 제공한 STEAM 태도 검사지와 만족도 검사지를 활용한다.

- STEAM 태도 검사지와 만족도 검사지를 활용하여 사전․사후 검사 를 실시한다.

나) 검증 내용

- 이 연구의 효과 검증은 중학교 259명과 고등학교 243명을 대상으 로 실시하고자 함

- 이 연구의 효과 검증을 위한 설계는 아래 표와 같다. 먼저 수업 시 작 전(8월)에 STEAM 태도 검사지와 STEAM 만족도 검사지를 활용하여 사전 검사를 실시한 후, 9월~10월에 이 연구회에서 개발한 STEAM 교육 프로그램을 적용한 과학 수업을 실시하 였다. 수업 적용이 모두 끝난 이후인 11월에 STEAM 태도 검 사지와 STEAM 만족도 검사지를 이용하여 사후 검사를 실시 하고 단일집단 사전사후 검사(t-검정)을 실시하였다. 실험설계 는 표 1과 같은 순서로 진행하였다

G O_A X O_AO_B

G: 실험집단

O_A : STEAM 태도 검사 OB : STEAM 만족도 검사

X : STEAM 프로그램을 활용한 수업

표1. 실험 설계 (왼쪽에서 오른쪽으로 전개됨)

다. 자료 분석

- 이 연구에서는 STEAM 프로그램에 참여한 연구 참여자들의 STEAM에 대한 태도를 알아보기 위해 한국과학창의재단(2019) 가 개발한 검사도구를 사용하였음.

- 이 검사지는 STEAM 교육의 정의적 영역 중심의 문항으로 구성되

하위 구인 문항 흥미 수학 3, 14, 16, 21, 34

과학 1, 5, 7, 8, 10

배려 수학 15, 18, 39

과학 11, 20, 26

소통 수학 22, 25, 32

과학 12, 23, 37 유용성 /

가치 인식

수학 17, 33, 40 과학 13, 29, 31

자아 개념 수학 28, 38

과학 24, 30

자아 효능감

수학 2, 27

과학 6, 35

이공계 진로선택

수학 9, 19

과학 4, 36

표2. STEAM 태도 검사지의 하위 구인

- STEAM 교육의 정의적 영역 그리고 STEAM 교육프로그램의 만족 도를 알아보기 위한 한국과학창의재단(2018)의 만족도 조사 설 문지를 사용하였음.

- 이 도구는 5단계의 리커트 척도 9개의 문항(소문항 18개)으로 구성 되어 있다. STEAM 만족도의 하위 구인은 만족도(3문항), 흥미 (2문항), 수업전반(4문항)으로 구성되어 이며, 검사 도구의 구 성을 표3에 정리하였음.

하위 구인 내용 문항 문항

수 만족도

STEAM 수업에 만족하는가? 1

3 앞으로도 STEAM 수업을 지속적으로 받고 싶은가? 8

STEAM 수업의 ‘만족도’에 대한 소문항 (18개) 9

흥미 STEAM 수업은 재미있었는가? 2

STEAM 수업 활동에 적극적으로 참여하였는가? 3 2

수업 전반

STEAM 수업의 내용 수준 4

4 전에 받았던 수업과 오늘 참여한 STEAM 수업의 가장 큰 차

이점 5

STEAM 수업에서 좋았던 점 6

STEAM 수업 중 가장 어려웠던 점 7

합계 9

표3. STEAM 만족도 검사지의 하위 구인

Ⅳ. 연구 결과

¡ 중학생들의 STEAM에 대한 태도 결과

- 중학생들의 STEAM 교육에 대한 태도를 t 분석한 결과, 유용성 요인에서는 유의미한 차이가 없었으나, 흥미, 배려, 소통, 자아개념, 자아 효능감, 이공 계 진로 선택 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 통계적 검정 결과를 나타내었다(p<.05).

- 이 결과를 볼 때 연구 참여자들은 문제 해결에 필요한 여러 가지 창의적 산출과정에서 융합적 사고를 기르고, 서로에 대한 배려심을 배울 수 있다는 연구 결과들(강창익 등, 2013; 김영홍과 김진수, 2017; 김용기 등, 2018)의 연구와 일치한다. 또한 학생들의 자아 개념과 자아 효능감도 통계적으로 효 과가 있었는데, 이는 ‘흥미’와 연관지어 생각할 수 있다.

- 흥미를 느끼고 두려움이 없어지면서 학생들은 문제 상황을 해결하는데 자 신감이 생겨 자아 효능감에도 영향을 준 것으로 판단된다. 이는 정현도와 이효녕(2017)의 연구 결과와도 맥락을 같이하고 있다.

- 이 연구회의 STEAM 교육프로그램이 학생들의 이공계 진로 선택에도 통계 적으로 효과가 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 학생들에게 진로 선택에 긍정적인 관심을 갖게 해 주었다고 해석할 수 있으며, 이러한 결과는 다른 연구 결과들(김용기 등, 2018; 정현도와 이효녕, 2017)과 일치한다.

¡ 고등학생들의 STEAM에 대한 태도 분석

- STEAM 태도 검사의 사전·사후 점수 차에 의한 대응 표본 t 검정에서 모 두 유의미한 통계적 검정 결과를 나타내었다(p<.05).

- 흥미, 배려, 소통, 유용성, 자아 개념, 자아 효능감, 이공계 진로 선택에 대 한 사전·사후의 평균값의 차이는 각각 .377, .307, .317, .331, .405, .322, .367점 향상된 것으로 나타났다.

- 연구 참여자들은 스스로가 STEAM 수업을 받는 과정 동안 동기유발과 흥미 를 가지고 주어진 문제를 파악한 것으로 해석된다.

- 최신 과학기술을 활용해 자동화 장치를 구상하고 제작하는 과정에서 모둠 원들의 계속적인 상호과정을 통해 문제해결에 필요한 여러 가지 아이디어 를 산출한 것으로 파악된다.

- STEAM 교육에 참여한 연구 참여자들이 문제해결에 필요한 여러 가지 창의 적 산출과정에서 융합적 사고를 기르고, 모둠에 의한 상호 작용 속에서 소 통과 배려에 대한 융합인재소양을 배울 수 있다는 연구결과들 (강창익 외,

- STEAM 태도 검사의 하위 구인에 해당하는 ‘이공계 진로 선택’의 통계적 검정 결과는 STEAM 프로그램에 참여했던 연구 참여자들이 과학과 수학에 흥미를 가지고 앞으로의 진로 결정에 있어 이 분야에 대한 긍정적인 관심 을 가졌던 것으로 해석된다.

¡ 중학생들의 STEAM 수업에 대한 만족도 결과

- STEAM 수업에 대한 만족도의 하위 구인 중 수업에 대한 ‘흥미’ 평균은 리커트 척도 5점 중 3.89로 나타났다. 이는 STEAM 프로그램이 다른 친구들 과의 협력함으로써 여러 가지 문제를 해결하는데 있어 긍정적인 영향을 보 였을 것으로 판단된다.

- STEAM 수업 전반에 대한 만족도는 3.70으로 나타났는데, 이는 산출물을 만 드는 과정을 통해 학생들은 교사 주도의 수업이 아니라 학생 중심의 수업 이 이루어져 수업 전반에 대한 만족도가 높게 나타난 것으로 해석된다.

- STEAM 수업에 대한 만족도는 3.69로 나타나 3가지 구인 중에서는 가장 점 수가 낮게 나타났다. 이는 STEAM 프로그램을 단지 3시간만 구성하였기 때 문에 더 많은 수업에 대한 요구 및 결과물을 산출하는데 많은 시간이 필요 하기 때문에 어려움을 겪었기 때문으로 판단된다.

- 이러한 결과로 볼 때 STEAM 프로그램을 편성할 경우 학생들이 충분한 사 고를 하고, 결과물을 만드는데 많은 시간을 편성하여 운영할 필요가 있다.

¡ 고등학생들의 STEAM 수업에 대한 만족도 결과

- 이 연구에서 개발한 STEAM 프로그램을 고등학생들에게도 적용하였으며, 그 들의 STEAM 프로그램에 대한 만족도를 조사하였다.

- STEAM 프로그램의 흥미 요인 평균은 리커트 척도 5점 중 3.64점으로 나타 났다. 학생들은 새로운 학습 방법에 적극 참여하였고, ‘만족도’ 요인의 질문 중 지속적으로 계속 교육 받고 싶다는 응답을 많이 하였다.

- 이러한 결과는 STEAM 프로그램이 학생들의 흥미를 유발하였고, 이 수업에 학생들이 많은 관심을 갖고 있음을 알 수 있다.

- 만족도 설문지의 하위 구인 중 내용 수준과 다른 수업과의 차이점을 포함 하는 수업 전반 요인과 STEAM 프로그램 수업에 대한 전반적인 만족도 요 인의 리커트 척도 평균은 3.76점과 3.69점이었다. 이러한 이유는 학생들이 새로운 개념을 알게 되고, 친구들과의 상호작용을 통해 새로운 개념을 알게 되어 지식을 확장시키는 것에 만족감을 느낀 것으로 판단된다. 이러한 결과 는 이 연구에 참여했던 연구 참여자들이 본 수업에 긍정적 반응을 보였을

Ⅴ. 기대효과

○ ‘지능정보화시대를 위한 융합과학 파일럿클래스“차시대체형‘ STEAM

- 학교 교육과정 중 차시를 대체 가능한 교과 시간을 통해 활용 - 시간표 조정을 통해 블록수업으로 진행

- 자유학기제를 활용한 STEAM 프로그램 진행

○ 교사용 프로그램 개발 자료 활용 방안 - STEAM 수업 주제 개요 및 제작 의도 숙지

- 교수·학습 지도안을 통한 수업 준비 및 수업 적용

- 읽기 자료, 참고 자료 등을 통한 STEAM 수업 관련 정보 습득

○ 학생용 프로그램 개발 자료 활용 방안 - 전체적인 수업 내용 및 단계 파악

- 교과서를 대체하는 활동지를 통해 STEAM 활동과 연관하여 차시 내용 학습 - 보조 활동지를 통한 STEAM 활동 결과 및 자신의 생각 정리

○ 이 연구결과의 기대성과는 다음과 같다.

- 지능정보화 사회에 필요한 지능정보기술에 대한 시스템적 사고를 통한 창 의적 인재 양성

- 지능정보 기술 관련 새로운 아이디어를 통해 창의적으로 문제를 해결하는 능 력 신장

- 자유학기제 및 차시대체형 STEAM 프로그램 개발을 통한 현장 적용성을 높 임

- 상황제시, 창의적 설계, 성공의 경험 등의 새로운 문제에 도전하는 창의적 아이디어 개발

- 성공의 기쁨 등의 감성적 체험을 통한 새로운 문제에의 도전을 유도

- 프로젝트 학습 및 자기주도적 문제 해결을 통한 협력적 의사소통 능력 신 장

- 지능정보화 기술에 의한 과학, 인문, 공학 등의 조화를 통한 융합적 사고력 신장

- STEAM 프로그램에 내재된 과학적 원리, 공학, 기술 등의 Know-how 공유 - ‘지능정보화시대에 필요한 지능정보 기술’에 대한 융합인재교육의 학습

목 차

제 1 장. 연구 개요

제 2 장 연구 필요성

나. 국내외 연구현황 ··· 15

제 3장 연구의 목표

나. 정량적 목표 ··· 17

제 4 장 연구 내용 및 방법

나. 연구방법 ··· 18

다. 연구 추진일정 ··· 19

제 5 장 STEAM 프로그램 개발 결과

나. 프로그램 구성 틀 ··· 25

다. 프로그램 총괄표 ··· 26

라. 프로그램 개요 ··· 27

제 6 장 시범 적용 학교 운영 결과

나. 시범 적용 만족도 조사 결과 ··· 49

다. 시범 적용 태도 검사 결과 ··· 53

라. STEAM 프로그램 운영이 학교 현장에 미친 영향 ··· 57

제 7 장 연구의 의의 및 기대성과

나. 기대성과 ··· 60

제 8 장 참고문헌

[붙임] 최종 결과물 시범학교 운영 결과

* 시범적용 학교 운영 결과는 간지로 구분하여 최종보고서에 첨부하여 제출 [별첨] 최종 결과물 (프로그램별 교사용 지도서, 학생용 활동지 등)

* 최종 결과물은 별도 제출

1. 연구 개요

최근 인공지능이나 드론 등에 관한 STEAM 프로그램이 개발되기는 하나 지능정보화사회를 겨냥한 구체적이고 직접적인 체험 프로그램은 아직 개발되지 않았다. 이에 전문가 관점에서 지능정보화기술을 바탕으로 4차 산업 혁명시대의 핵심역량 함양을 위한 STEAM 프로그램을 개발하여 학교현장에 적용해 본다. 이는 지능정보기술을 습득하고 활용하는 교육으로서 뿐 만 아니라 세계화속에서 미래를 선도하는 창의 융합 인재로 커나갈 기회제공의 의의가 있다.

2. 연구의 필요성

가 . 연구의 중요성 및 필요성

¡ 최근 과학기술이 급속히 발전함에 따라 학문간 융합화, 지식의 세계화, 기술의 복잡 화, 미래의 불예측성이 증가되고 있으며, 우리 사회의 다양한 분야에서 활용되고 있 는 지능정보화 기술은 최근 급속한 발전을 이루며 학교 현장에 대변혁을 예고.

- ‘제4차 산업혁명에 대응한 지능정보사회 중장기 종합대책’(미래창조과학부, 2016)에서는 ‘지능정보사회 미래교육혁신’에 관한 세부 정책을 제안.

- 제4차 산업혁명의 변화 동인은 지능정보기술로서 인공지능기술과 데이터 활용기 술을 융합하여 기계에 인간의 고차원적 정보처리 능력 (인지, 학습, 추론)을 구 현하는 기술로 정의하고 있음.

- 이런 기술을 익히고 활용하는 능력을 키우는 것이 필요함.

- 지능정보사회의 학교교육에서 걸맞은 핵심인력 양성의 필요성이 제기되고 있음.

- 청소년들이 살아가야 할 미래는 창의적 아이디어와 과학기술 경쟁력이 곧 국가 경쟁력이므로 지금의 창의교육 패러다임에 맞는 프로그램 개발이 필요함.

¡ 지능정보사회로 인한 학교 환경은 교사 및 학생에게 새로운 역할을 요구할 것으로 전망되며, 나아가 지능정보화 기술이 다양한 교수학습 방법과 융합되면서 발생하는 교수학습 과정의 변화에 능동적으로 대처할 프로그램 개발이 중요하다고 판단됨.

- 지능정보사회 대비하기 위해, 교사와 학생이 미래 사회에 대한 이해, 다양한 학습 테크놀로지에 대한 이해와 개발 및 활용, 학습자원 및 학습활동의 탐색 연계 생 성 등의 역량이 요구될 것으로 전망됨.

¡ 지능정보사회에서 지능정보화 기술은 그 자체로 의미가 있는 것이 아니라, 교육에 대한 방향성과 기술에 대한 이해를 바탕으로 학습자 요구와 수업 맥락 등 학습 환 경에 맞게 재구성하여 활용할 때 의미가 있음.

- 교사와 학생들이 지능정보화 기술을 이해하고 활용해보면서 함께 지능정보화사 회가 요구하는 핵심역량을 키워나가는 프로그램 개발이 절실히 요구되고 있음.

¡ 지능정보사회에서 지능정보화 기술은 구조적인 대 변혁을 촉발할 것으로 전망되기

보기술을 접하게 해주는 교육프로그램이 절실히 필요한 실정.

- 지능정보기술이 다량의 데이터 분석에 기반하므로 데이터를 다루고 접하는 기회를 제공하는 맞춤형 프로그램이 필요.

- 지능정보기술은 다양한 분야에 기계가 진입하여 생산성을 높이고 산업구조의 대대 적인 변화를 촉발하여 경제사회전반의 혁명적 변화를 초래할 전망이기에 3D프 린팅이나 지능형 로봇같은 기기 들을 접해보며 기능을 익히는 프로그램이 필요.

나 . 국내외 연구현황

교육부는 ‘지능정보사회에 대응한 중장기 교육정책의 방향과 전략’을 통해 초 중등 지능형 학습플랫폼 구축, 민관 합동 교육콘텐츠 오픈 마켓 조성, 세계 수준의 첨 단 미래 학교 육성 프로젝트 추진, 초·중·고 및 대학의 창의교육 활성화 등의 세부 정책을 제안함(교육부, 2016).

- 최적화된 교육을 통해 잠재력을 마음껏 발휘하며 지능정보사회의 새로운 기회를 창출하고 향유할 필요성을 강조함.

- 지식 정보사회에 필요한 핵심인력양성을 통한 글로벌 경쟁력을 확보의 중요성을 강조하고 지원하겠다는 계획을 공포함.

¡ 한국과학창의재단은 2015 개정 교육과정에 따른 [수학ㆍ과학 교육과정 및 교과서 개발]의 지원 사업을 통해 실험 탐구 중심의 과학교재를 연구 개발하여 학습자들이 수학·과학에 대한 흥미, 창의성, 탐구심을 기를 수 있도록 지원함.

- 생활 중심의 과학 교수-학습, 과학적 탐구에 기반을 둔 수업, 구성원 간의 상호작 용 강조, 탐구 주제 및 읽기 자료에 미래의 과학 및 과학기술 내용의 적극적 도 입을 통해 미래사회에 적극적이고 능동적으로 대처할 수 있는 역량을 반영.

¡ 본 연구팀은 2018년 한국과학창의재단 STEAM프로그램 개발에 참여하여 다양한 범위와 수준의 모든 학생들이 융합교육을 받을 수 있고, 이를 통해 올바른 융합과 학에 대한 이해와 문제 해결 중심, 핵심 역량중심의 자유학기제 수업에 활용할 수 있는 HTE(Here, There, Everywhere; HTE) STEAM 프로그램을 개발함

- 재난대비를 위한 미래의 지구관측시스템구축에 관한 초등용 3종, 중등용 1종 그리 고 중등 자유학기제 1종의 HTE-STEAM프로그램을 개발함

- 자유학기제 프로그램의 수업활용을 중심으로 학교현장에서의 효과성을 확인하여 그 결과를 논문으로 발표함 (김용기, 김형범, 조규동, 한신, 2018)

- 다양한 HTE-STEAM프로그램 개발의 가능성 및 필요성 제시함 (2) 국외

창의교육의 혁신 사례임.

- 교사들이 교육과정을 재구성하고, 교실 환경과 같은 물리적 환경을 재구조화하는 등의 창의교육을 통해 다수의 학생들에게 개인별 요구에 부응하는 개별화된 학 습과정을 제공하며, 맞춤형 학습을 실현하고 있음.

- 학교가 프로그램을 도입하여 맞춤형 학습을 정착시키기까지의 교사 연수를 제공하 여 지원하고 있음(Ready, 2014).

¡ 미국 Harvard대학의 Seemless Astronomy 그룹은 점점 방대해지는 우주 관측 자료 들과 그 자료들을 사용하여 지금까지 발표된 엄청난 양의 참고문헌들을 인터넷상에 서 누구나 열람하고 사용할 수 있는 World Wide Telescope라는 플랫홈을 개발하여 교육 및 연구에 사용하고 있음 (Goodman et al., 2011, 2012).

- 연구자들이 자료를 수집하고 직접 생산하는데 시간을 허비하지 않고 과학에 더 많 은 시간을 투자하여 창의성과 상상력을 발휘할 수 있음.

- 빅데이터, 인공지능, 기계학습 등의 기법을 이용하고 python 프로그램 언어를 이용 하여 지능정보사회의 핵심역량에 필요한 연구와 교육을 가능하게 함.

- 자신의 주제로 필요한 영상들을 플랫홈 상에서 찾아 모아서 자신만의 교육프로그램 을 만들어서 활용할 수 있는 기회를 제공함.

¡ 미국 Harvard대학의 찬드라 X-선 위성센터의 Arcand & Watzke (2011, 2014)는 과 학, 수학, 공학 및 기술을 교육하는데 유추(Analogy)와 추론(Reasoning)의 유형을 활 용 과학의 원리 및 과학의 본성을 효과적으로 교육하는 수업 준거틀 개발.

- 과학관내 지구과학 관련 전시물 또는 탐구 활동에 대한 융합교육 프로그램.

- 현상을 이해한 후(Here), 현상과 관련된 과학적 개념과 원리를 학습하고(There), 학 습한 과학적 개념과 원리가 포함된 주변의 현상들을 찾아보는 추론적 방법을 활용한 융합인재교육에 초점.

- 우리 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 현상에 적용하는 원리(Here)가 지구 위와 주 변에서 일어나는 (There) 현상에서 적용될 수 있고 또 우주공간의 먼 곳까지 어 느 곳에서든(Everywhere) 동일하게 적용된다는 것을 은유를 통해 경험하게 하는 프로그램임.

- 유추와 추론은 지능정보사회의 핵심역량중의 하나로 판단 됨.

¡ 핀란드에서는 「2016 국가 교육과정」을 마련하여 미래사회에 필요한 과학지식과 역량 개발을 위해 과학학습에 대한 참여를 향상시킬 수 있는 창의교육을 강조하고 있음(Finnish National Board of Education, 2016).

- LUMA Joint National Action 프로그램은 기업의 투자로 현장 교육 강화와 학생의 융합적 사고력을 신장을 위한 창의융합 교육 프로그램(Vihma & Aksela, 2014).

¡ 싱가포르에서는 21세기 학생들이 신장시켜야 하는 중점 역량 즉 ‘프로젝트 과제

3. 연구의 목표

가 . 정성적 목표

◦ ‘지능정보화 시대를 위한 융복합 파일럿 클래스’ 주제에 맞는 학문분야 주제별 융 합형 STEAM 프로그램 개발.

◦ 중학교, 고등학교, 자유학기제별 ‘지능정보화 시대를 위한 융복합 파일럿 클래스’

STEAM 프로그램 학생용, 교사용 교재 개발.

◦ 학교 급별 학생의 인지·발달 수준에 맞는 쉽고 재미있는 눈높이 프로그램 개발.

◦ 4차 산업혁명의 지능정보화 시대의 기술에 관련된 과학, 기술, 공학적 내용과 이에 대한 사회학적 문제와 관련된 풍부한 자료 제시로 학교현장에서 교사들의 수업 진행 을 도움.

◦ 학생들이 자율적 역량개발 및 미래준비를 통해 지능정보화시대가 요구하는 핵심역량 을 키워 가는데 밑거름이 되는 지능형 학습 프로그램을 개발.

◦ 개발된 STEAM프로그램을 기반으로 컴퓨터과학, 데이터분석, SW개발 및 활용에 능통 한 창의적인 지능정보인력이 배양되는데 기여함.

◦ 인공지능 및 가상현실 등을 활용한 학습을 지원하는 ‘첨단미래학교’모델에 활용 가능한 STEAM프로그램 개발로 지능정보사회 미래교육혁신에 이바지 함.

나 . 정량적 목표

◦ STEAM 프로그램의 현장 활용을 높이는 R&D 성과물 제작.

◦ 자유학기제 STEAM 프로그램을 시뮬레이션에 의한 real-model로 제작.

◦ 중학교 STEAM 프로그램을 real-data에 의한 UCC 프로그램의 제작.

◦ 고등학교 STEAM 프로그램을 real-data에 의한 UCC 프로그램의 제작.

◦ 이 연구에서 개발된 STEAM 프로그램의 효과성 연구논문 게재(KCI, SSCI 저널 등).

◦ 자유학기제 맞춤형 STEAM 프로그램을 학생들이 직접 체험할 수 있는 hands-on 활 동 중심의 시뮬레이션 제작.

◦ 중·고등 및 자유학기제 STEAM 프로그램 참여를 통한 흥미도 및 만족도 검사지의 80%이상의 긍정적인 효과 기대.

◦ 학생의 인지발달 단계에 맞는 일련의 STEAM 프로그램을 구성하여 중학교 차시대체 용 2종, 고등학교 차시대체용 2종, 자유학기제 2종의 총 6종의 학생용, 교사용 자료 총 12종의 자료 개발.

◦ 개발된 STEAM 프로그램을 중학교 프로그램 1종당 각 100명, 고등학교 프로그램 1종 당 100명, 자유학기제 프로그램 1종당 100명의 총 600명의 학생들에게 프로그램 투입.

4. 연구내용과 연구방법

가 . 연구내용

지능정보화시대의 지능정보화 기술은 인공지능기술과 데이터 활용기술을 융합하여 기계에 인간의 고차원적 정보처리 능력 (인지, 학습, 추론)을 구현하는 기술로서 인공 지능기술과 데이터 활용기술을 포함하고 있다. 각종 데이터를 수집하고 실시간으로 전 달하며 수집된 데이터를 효율적으로 저장하고 그 의미를 분석하는 기술을 체험하면서 4차 산업 혁명사회에 필요한 역량을 키워나갈 수 있는 주제들을 그림 1과 같이 선정하 였다.

그림 1. 제안하는 주제들

중학교 차시 대체형 프로그램과 고등학교 차시대체형 프로그램의 주제들은 인공지능기 술에 필요한 기계학습에 필요한 경험들 및 빅데이터를 경험하고 분석된 자료들을 이해해 보는 주제를 정하였고, 중학교 자유학기제 주제는 기기들을 활용한 지능정보화 기술을 직접 익혀보는 주제를 정해보았다.

나 . 연구방법

○ 4차산업혁명시대의 핵심역량을 함양하기 위한 지능정보화기술 체험에 관한 STEAM 프로그램을 개발하기 위한 탐색적 연구방법을 적용

- 문헌연구, 선행연구, 전문가 집단에 의한 자문연구, 사례연구 및 FGI(focus group interview) 연구 등에 의한 관련 STEAM 요소와 개념을 규명

○ 지능정보화 기술을 활용한 STEAM 프로그램에 맞는 수업전략 또는 수업준거틀을 개발

- HTE는 과학, 수학, 공학, 기술 등을 가르치는 데 유추(Analogy)라는 추론 (Reasoning)의 유형을 활용하는 실제적인 융합적 교육활동의 STE(A)M의 교육 활 동임(Arcand, 2011).

○ 공동 연구자들과의 정기적 연구 진행 보고, 협의 및 외부 전문가의 의견수렴 결 과 반영

- 워크숍, 세미나 등 연구성과 중간공개 과정에서의 의견 수렴 결과를 최종 연구결과 물에 반영

- 공동 연구진으로 참여하는 교사가 학교현장에 시범 적용하고 그 결과를 연구 개발 과정에 환류·반영

- 연구 범위와 내용에 맞게 참여 연구자들의 역할과 기능을 명확히 구분하여 이들의 전문성과 역량을 최적으로 발휘

○ 시범 적용 학교의 운영을 통하여 평가를 실시하고, 그 내용을 프로그램에 반영하 여 최종 STEAM 프로그램 개발에 활용

- 시범학교 적용시 수업모델은 프로젝트형 등 다양한 학습방법 적용

다 . 연구 추진일정

순번 연구개발 내용 추진일정

5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 비고

1 연구계획 수립

2 교과과정 및 교과서 분석 3 유사사례 조사 및 분석 4 집필 세목 검토 및 작성

5 프로그램 개발

6 1차 자체 평가

7 시범학교 적용 프로그램 및 교재 개발 8 중간 보고서 제출 9 프로그램 수정 및 보완 10 2차 자체 평가 11 학교 현장 시범 적용

12 결과 평가

13 연구 개발에 결과 평가 반영 14 편집 및 디자인, 저작권 확보 15 최종보고서, 평가보고서 제출 16 연구 성과물 제출 17 STEAM 프로그램의 효과성

연구의 논문 투고 및 게재

최종 연구성 과물 제출 후 1년 이내

5. STEAM 프로그램 개발 결과

가 . 프로그램 개발 방향

¡ 중학교 STEAM 프로그램 1종 “해 그림자와 놀기”: 옛날부터 해는 인간의 숭배대상 이 되어왔을 뿐만 아니라 해와 달의 꾸준한 관측을 바탕으로 모든 과학의 시작인 천 문학의 발달에 도움을 주어온 천체이다. 해가 동에서 떴다가 서로 진 이후에 다시 뜰 때까지의 시간이 하루의 기준이 되었듯이 해는 우리 일상생활과 아주 밀접한 관계를 맺어오고 있다. 시간만큼이나 사람들이 움직일 때 어디로 향하고 있는 가를 나타내는 방향을 파악하는 것도 아주 중요하다. 해의 그림자를 이용하여 동서남북 방위를 알아 볼 수 있는데 조선시대 우리 선조들은 정방안이란 천문의기를 만들어서 남과 북의 방 향을 찾아냈었다. 지능정보화 사회의 핵심기술인 자동차나 드론의 자율주행기술에도 바로 방향에 대한 정보가 필요하다. 우리에게 가장 친숙한 해와 해가 만드는 그림자 를 가지고 남과 북을 알아냈던 조상들의 방위 관측 장치를 직접 만들어보면서 지능정 보사회에서 필요한 데이터 추출의 의미를 되새겨보고, 전통과학에 대한 이해도 4차 산업 혁명사회에서 필요하다는 것을 인식해보자는 의도로 주제를 선정하였다.

이러한 요구를 반영하여 우리는 그림 2와 같이 프로그램을 구성하였다.

그림 2. 해그림자와 놀기 프로그램의 구성

이 프로그램은 중학교에 적용할 수 있는 차시대체형 프로그램으로 총 3차시로 구성 되어있다. 2015 개정 과학과 교육과정 중학교 1-3학년의 빛과 파동, 태양계, 인류문 명과 과학기술 단원을 주축으로 기술가정, 수학, 기술가정, 미술과 교육과정의 내용 및 활동이 본 프로그램 안에 융합되어 있을 뿐 아니라 진로와 직업교과의 미래직업 탐색내용을 함양할 수 있는 활동을 포함하고 있다. 학습자는 그림자 관측 및 관측한 정보를 방향과 방위라는 유의미한 정보로 변환하는 과정을 통해 과학적 문제해결능 력을 기를 수 있으며 자연 환경을 활용하여 자신만의 도구를 발명하는 창의성을 기 를 수 있다.

¡ 중학교 STEAM 프로그램 1종 “빅데이터 만져보기”: 디지털 경제의 확산으로 우리 주변에는 규모를 가늠할 수 없을 정도로 많은 정보와 데이터가 생산되는 이른바‘빅 데이터(Big Data)’환경이 도래하고 있다. 다양한 분야에서 범람하고 있는 수많은 데 이터 중 나에게 필요한 정보를 선별하여 올바르게 활용하는 것은 결코 쉽지 않다. 특 히 위성자료를 비롯하여 전 세계 천문대에서 만들어지는 천체관측데이터들은 하루에 약 200GB씩 축적되고 있다. 이러한 관측데이터의 활용은 과거로부터 현재까지 새로 운 발견을 이끌어내는 하나의 주요 원동력이었으며, 현대에는 우주탐사비용의 경제적 효과와 급격히 증가하는 데이터 저장 및 처리기술의 발전으로 더 넓은 범위의 연구로 확장되고 있다. WWT라는 천문 플랫폼을 이용하여 인터넷상에서 공개되고 있는 위성 자료 및 전문자료를 습득하고 재구성하여 가치 있게 활용하는 능력을 기를 수 있도록

‘빅데이터 만져보기’라는 주제를 선정하였다. 이러한 요구를 반영하여 그림 3과 같 이 프로그램을 구성하였다.

그림 3. 빅데이터 만져보기 프로그램의 구성

이 프로그램은 중학교에 적용할 수 있는 차시대체형 프로그램으로 총 3차시로 구 성되어 있다. 2015 교육과정에서 과학의 (10)태양계 (23) 별과 우주 (24) 과학기술과 인류문명 단원, 기술·가정의 (4) 기술 시스템, (5) 기술 활용, 미술의 (2) 표현 단원 의 내용을 포함하고 있다.

학습자는 이 주제를 학습함으로써 천체 운동의 과학적 원리를 탐구하고, 세계의 우 주 망원경 및 천문대에서 제공하는 다양한 관측 자료를 재구성하여 천문교육 프로 그램을 만드는 과정을 통해 과학적 사고력과 탐구능력을 기를 수 있으며, 모둠원들 과 함께 토의하고 발표하는 과정을 통해 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평 생 학습 능력, 문제해결력을 함양할 수 있다.

¡ 중학교 자유학기제 STEAM 프로그램 1종 “3D프린터와 AR을 활용하여 망원경과 친 해지기”: 뉴스와 인터넷에서 접하는 행성과 성운 은하 등 천체 사진들은 모두 천체 망원경을 이용하여 찍은 것이다. 학교 과학실이나 천문대에서 볼 수 있는 천체 망원 경은 언제나 학생들에게 인기가 많은 도구지만 학생들이 망원경의 원리와 구조를 배 우고 실습을 하기에는 많은 어려움이 있기 때문에 3D 프로그램과 3D 프린터를 이용 하여 망원경 모형을 직접 만들어서 보고 AR(증강현실)을 이용하여 빛을 모으는 망원 경의 구조를 실험을 통해서 확인할 수 있다. 이에 그림 3과 같이 프로그램을 구성하였 다.

그림 4. 3D 프린터와 AR을 활용하여 망원경과 친해지기 프로그램의 구성

이 프로그램은 중학교 자유학기제에 적용할 수 있는 프로그램으로 총 4차시로 구성 되어있다. 2015 개정 과학과 교육과정 중학교 1-3학년의 과학기술 단원을 주축으로 프로그램이 제작되었으며 4차 산업혁명 시기에 필요한 3D 프로그램 및 3D 프린터를 활용한 내용을 포함하고 있다. 학습자는 기본적인 3D 프로그램을 익히고 자신만의 망원경을 설계하고 출력할 수 있는 능력을 기를 수 있으며 AR(증강현실) 자료를 활 용하여 망원경의 과학적 원리도 쉽고 효율적으로 학습할 수 있다.

¡ 중학교 자유학기제 STEAM 프로그램 1종 “드론 인명구조사를 소개합니다”: 우리는 과연 자연재해로부터 안전지대일까? 최근 지진에 의한 피해, 태풍에 의한 피해가 늘어가면 서 우리나라도 더 이상 자연재해로부터 안전지대가 아니라는 의식이 늘어나고 있으며 다 양한 방법으로 안전을 지키려고 노력하고 있다. 하지만, 지진이나 홍수, 지진 해일로 인한 재난 상황에서는 인간의 힘으로 구조할 수 없는 상황이 발생하기도 한다. 이를 과학기술 의 발달과 함께 급속도로 개발되고 있는 드론을 활용하여 안전한 인명구조를 할 수 있 는 방법을 구상해 봄으로써 과학기술의 발달이 우리의 삶에 도움을 줄 수 있음을 알 게 하고자 주제를 선정하였다.

이러한 요구를 반영하여 우리는 그림 5와 같이 프로그램을 구성하였다.

그림 5. 드론 인명구조사를 소개합니다 프로그램의 구성

이 프로그램은 중학교에 적용할 수 있는 차시대체형 프로그램으로 총 3차시로 구성 되어있다. 2015 개정 과학과 교육과정 중학교 1학년의 지권의 변화, 과학과 나의 미 래 단원을 주축으로 기술가정, 수학, 기술가정, 미술과 교육과정의 내용 및 활동이 본 프로그램 안에 융합되어 있다. 학습자는 다양한 사례조사를 통해 자연재해가 우 리에게 줄 피해를 인식할 수 있으며, 가상 시나리오와 같은 재해 발생 시 인명을 구 조할 수 있는 드론 기능 아이디어 제시와 코딩 과정을 통해 과학적 문제해결능력을 기르고자 한다.

¡ 고등학교 STEAM 프로그램 1종 “인공지능! 어디까지 알고 있니?”: 2016년 3월 9일, 알파고 VS 이세돌, 어느날 갑자기 듣게 된 이름 ‘알파고’. ‘알파고’와 함께 같 이 따라 다닌 연관 검색어는 ‘인공지능’, ‘딥 마인드’, ‘머신러닝’ 이다. ‘알 파고=인공지능’이라는 것은 쉽게 알 수 있고, 인공지능하면 인간의 역할을 대신할 수 있는 로봇 정도로 막연하게 생각하고 있었는데, 도대체 ‘딥 마인드’, ‘머신러 닝’은 무엇일까?

막연하게만 알고 있었던 ‘인공지능’이 무엇인지, 또 인공지능을 구동시키기 위한 방법은 무엇인지, 인공지능을 가지고 무엇을 할 수 있는지 등을 학습하면서 우리 생 활 깊숙이 자리잡고 있는 인공지능을 다양한 방법으로 활용할 수 있는 능력을 키우 고자 주제를 선정하였다.

이 프로그램은 최근 가장 큰 화두인 인공지능에 대해 알아보고, Python 코딩교육을 통해 실제 인공지능결과물을 구현해보는 것을 목적으로 한다.

이 프로그램을 학습함으로써 인공지능이 무엇인지는 물론, 인공지능을 이용해 무엇 을 할 수 있고 무엇을 할 수 없는지에 대해 이해할 수 있다. 또한 Python 프로그래 밍을 기반으로 실사용 가능한 인공지능결과물을 구현할 것이며 이를 통해 코딩능력, 논리력 및 문제해결력도 함양할 수 있다. 이를 통해 과학적 사고력 및 창의적 사고

그림 6. 인공지능! 어디까지 알고있니? 프로그램의 구성

¡ 고등학교 STEAM 프로그램 1종 “사실 우리는 돌고 있어요”: 회전운동을 이야기 하 지 않고 우주에 대해 이야기 할 수 있을까? 우리 주변에서 너무나도 쉽게 발견되고 당 연시되기에 우주를 이야기 할 때 회전운동의 중요성과 당위성은 경시되기 쉽다. 이러 한 분위기에서 학생들은 주어진 교과수업과 성취기준의 달성에 치중하다보니 우주의 근간이 되는 회전운동에 대해 인지하지 못하는 경우가 많다. 물론 관련한 내용이 어 렵기에 회전운동을 이해하기도 쉽지 않다. 그렇기에 비유를 통해 쉽게 경험할 수 있 고 자연스레 이해할 수 있는 주변의 현상들로부터 우주의 현상들을 연상하여 이해한 다면 보다 쉽게 받아들이고 개념을 구체화하며, 우주를 동떨어진 이야기가 아닌 우리 삶과 밀접한 관련이 있는 현상으로 이해할 수 있게 될 것이다. 다양한 활동을 통해 우 주의 현상들을 계층적으로 이해해 가고 이를 모형으로 제작하여 흥미를 유발하여 우 주, 나아가 과학에 대한 관심과 삶의 인접성을 인식하도록 하는 의도로 주제를 선정 하였다.

이러한 요구를 반영하여 우리는 그림 7과 같이 프로그램을 구성하였다.

그림 7. 사실 우리는 돌고 있어요 프로그램의 구성

이 프로그램은 고등학교에 적용할 수 있는 차시대체형 프로그램으로 총 3차시로 구성 되어있다. 2015 개정 과학과 교육과정 고등학교 지구과학의 별의 진화, 케플러법칙 단 원을 주축으로 기술가정, 수학, 미술과 교육과정의 내용 및 활동이 본 프로그램 안에 융합되어 있을 뿐 아니라 브레인스토밍, 비유법의 활용, 토의를 통한 사고력 진작 및 의사표현, 학생간의 관계능력도 증진할 수 있다.

나 . 프로그램 구성 틀

○ 교사용 교재

주제를 선택하게 된 이유 및 제작 의도로 구성함.

2. 학습 목표

주제에 따른 학습 목표를 내용 목표, 과정 목표로 나누어 구성함.

3. STEAM 과목 요소

ⓈScience 과학, ⓉTechnology 기술, ⒺEngineering 공학, ⒶArt 예술, ⓂMath 수 학 과목 요소들을 정리하여 구성함.

4. STEAM 단계 요소

융합인재교육(STEAM) 구성틀에 따른 상황제시(Co), 창의적 설계(Cd), 감성적 체 험(ET) 요소를 제시하여 구성함.

5. 지도안 총괄표

차시별로 수업 계획 총괄표를 구성함.

6. 지도안

실제 수업에 활용할 수 있도록 수업의 흐름에 알맞은 지도안으로 구성함.

7. 평가 계획

자기 평가, 동료 평가 등 학습 목표 달성을 위한 평가 기준을 제시하여 구성함..

8. 학습 내용

학생에게 제공되는 자료에 대한 제작 의도 및 활용 방법으로 구성함.

9. 수업 자료

실제 수업을 활용할 수 있는 참고 자료, 프리젠테이션 자료의 흐름, STEAM 과목 내용으로 구성함.

10. 학생용 자료 답안 예시

실제 수업 시 활용할 학생용 자료의 예시 답안을 제시하여 구성함.

○ 교사용 PPT

1. 주제 개요와 목표에 맞게 학생들의 흥미를 이끌 수 있는 동영상 및 주제 관련 자료들을 풍부하게 이용하여 체계적인 수업을 돕는 내용

2. 학생들이 직접 찾아볼 수 있는 관련자료도 제시

○ 학생용 교재

주제와 관련된 학습 자료를 제시하여 구성함.

2. 생각 열기

생각열기의 활동지로 구성함.

3. 생각 펼치기

생각 펼치기의 활동지로 구성함.

4. 생각 다지기

생각 다지기의 활동지로 구성함.

5. 생각 되돌아보기

생각 되돌아보기의 활동지로 구성함.

6. 학생 자기/동료 평가

자기 평가, 동료 평가를 위한 평가지로 구성함.

7. Epilogue

학생에게 제공되는 학습에 관련된 읽기자료로 구성함.

다 . 프로그램 총괄표

연번 프로그램명 유형 차시 학교급 학년 관련교과

1 해그림자와 놀기 차시대체형 3 중 1-3 과학

2 빅데이터 만져보기 차시대체형 3 중 1-3

3 인공지능! 어디까지

알고있니? 차시대체형 3 고 1

4 사실 우리는 돌고있어요 차시대체형 3 고 1-3 5 드론 인명구조사를

소개합니다 자유학기형 4 중 1-3

6 3D프린터와 AR을 이용하여

망원경과 친해지기 자유학기형 4 중 1-3

라 . 프로그램 개요

1) 중학교 차시대체형 프로그램 “해그림자와 놀기”

○ 주제개요

옛날부터 해는 인간의 숭배대상이 되어왔을 뿐만 아니라 해와 달의 꾸준한 관측을 바 탕으로 모든 과학의 시작인 천문학의 발달에 도움을 주어온 천체이다. 해가 동에서 떴 다가 서로 진 이후에 다시 뜰 때까지의 시간이 하루의 기준이 되었듯이 해는 우리 일 상생활과 아주 밀접한 관계를 맺어오고 있다. 시간만큼이나 사람들이 움직일 때 어디 로 향하고 있는 가를 나타내는 방향을 파악하는 것도 아주 중요하다. 해의 그림자를 이용하여 동서남북 방위를 알아볼 수 있는데 조선시대 우리 선조들은 정방안이란 천문 의기를 만들어서 남과 북의 방향을 찾아냈었다. 지능정보화 사회의 핵심기술인 자동차 나 드론의 자율주행기술에도 바로 방향에 대한 정보가 필요하다. 우리에게 가장 친숙 한 해와 해가 만드는 그림자를 가지고 남과 북을 알아냈던 조상들의 방위 관측 장치를 직접 만들어보면서 지능정보사회에서 필요한 데이터 추출의 의미를 되새겨보고, 전통 과학에 대한 이해도 4차 산업 혁명사회에서 필요하다는 것을 인식해보자는 의도로 주 제를 선정하였다.

○ STEAM 준거틀

구분 주요 내용

상황제시 그림자 및 방향과 방위의 개념 확인, 그림자 관측도구 제작 창의적 설계 그림자 관측 수행 및 그림자의 변화 확인, 나침반의 방향과 비교

감성적 체험 발표 및 평가하기

○ 차시 구성

프로그램명 해 그림자와 놀기

유형 차시대체형

학교급 중학교 차

시 총 3차시

교육목표

- 빛의 특성과 그림자 생성 원리에 대해 설명할 수 있다.

- 해의 위치에 따른 그림자의 변화를 설명할 수 있다.

- 지구의 자전과 공전에 대한 개념을 설명할 수 있다.

- 태양의 일주 운동과 방향과 방위에 대한 개념을 이해하고 설명할 수 있다.

- 방위 관측 방법의 변화 과정을 이해하고 설명할 수 있다.

관련교과 과학, 기술・가정, 미술

2015 개정 교육과정 연계

과학

(내용요소) 태양계 (성취기준)

[9과10-02] 지구 자전에 의한 천체의 겉보기 운동과 지구 공전에 의한 별자리 변화를 설명할 수 있다.

[9과10-05] 태양의 활동이 지구에 미치는 영향에 대해 설명할 수 있다.

[9과24-01] 과학기술과 인류 문명의 관계를 이해하고 과학의 유용성에 대해 설명할 수 있다.

[9과24-02] 과학을 활용하여 우리 생활을 보다 편리하게 만드는 방안을 고안하고 그 유용성에 대해 토론할 수 있다.

기술・가 정

(내용요소) 기술 활용 (성취기준)

[9기가05-04] 발명의 개념, 특징을 이해하고 발명이 사회 변화에 미친 영향을 설명한다.

[9기가05-06] 생활 속 문제를 찾아 아이디어를 구상하고 확산적․수렴적 사고 기법을 활용하여 창의적으로 해결한다.

수학

(내용요소) 기하

[9수04-01] 점, 선, 면, 각을 이해하고, 점, 직선, 평면의 위치 관계를 설명할 수 있다.

[9수04-02] 삼각형을 작도할 수 있다.

[9수04-03] 부채꼴과 중심각과 호의 관계를 이해하고, 이를 이용하여 부채꼴의 넓이와 호의 길 이를 구할 수 있다.

미술

(내용요소) 체험, 표현

(성취기준)

[9미02-05] 표현 매체의 특징을 알고 다양한 표현 효과를 탐색할 수 있다.

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM 요소

1차시

- 일상생활에서 그림자가 생기는 현상을 관찰하고 그림자가 생기 는 이유에 대해 생각해 보도록 한다.(Co)

- 광원에 위치에 따라 달라지는 그림자를 직접 그려 보면서 해의 위치 변화에 따른 그림자의 변화를 이해하도록 한다.(Co)

- 해의 위치가 계속 변화하는 이유가 지구의 자전과 공전 때문임 을 설명하고, 우리나라가 속한 위도에서의 태양의 일주운동을 그 림으로 그려보며 방향과 방위의 개념을 이해하도록 한다.(Co) - 조상들의 해시계와 해시계를 통해 알 수 있었던 정보를 소개한

다.(Co)

- 그림자 관측을 통해 방향과 방위를 파악할 수 있는 도구를 설계 하고 제작하도록 한다.(Cd)

과학 S, T, M

2차시

- 그림자의 길이 변화와 방향의 변화를 확인한다.(Et) - 관찰한 그림자를 통해 방위 관측 도구를 제작한다.(Cd)

- 제작된 방위 관측 도구를 활용하여 관측을 수행하도록 한다.(Et) - 그림자를 통해 방위를 예측하고 나침반과 비교하여 그 차이를

논의 한다.(Et)

- 자신이 제작한 방위 관측 도구의 한계를 고찰해 보고 보완할 수 있는 방법을 논의 한다.(Cd)

과학 S, T, E, M

3차시

- 방위 및 방향 관측 도구의 발달과정 및 변천사를 이해한다.(Co) - 현대 과학기술에서 스스로 방향을 찾는 능력의 중요성과 활용의

예에 대해 이해한다.(Co)

과학 S, T, E, A

○ 미디어 콘텐츠 개발계획 - 미국의 자율주행차 영상 - 장영실과 해시계

- GPS 원리

○ 평가 계획

- 수행․관찰 평가 계획

- 평가기록지

평가 영역

이름

창의적 설계 감성적 체험

총평 막대 제작하기 동서남북 찾기 집중과 끈기 호기심과

자신감 창의성

평가

영역 평가항목 우수(A) 보통(B) 미흡(C)

창의적 설계

막대 제작하기

과학적 원리를 이해하고 해의 위치에 따른 그림자 의 변화를 파악할 수 있 는 막대를 창의적으로 제 작함.

과학적 원리를 이해하여 막대를 제작하였으나 막대 제작에 창의적인 요소가 다소 부족함.

과학적인 원리를 이해하지 못 하고 막대제작에도 어려움이 있음.

동서남북 찾기

해 그림자를 측정하고 표 시하여 정확한 작도를 통 해 동서남북의 방향을 정 확히 찾음

해 그림자를 측정하여 표 시하였으나 작도 및 방향 찾기가 다소 부족함.

해 그림자를 측정하지 못하 고, 동서남북 방향도 찾지 못 함.

감성적 체험

집중과 끈기

과제에 대한 집중력이 좋으며 과제를 끈기 있게 해결함

과제에 대한 집중력은 있 으나 끈기가 부족함

과제에 대한 집중력과 끈기 가 부족함

호기심과 자신감

새로운 내용을 배우고 싶 어 하며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하지 않 고 적극적으로 참여함

새로운 내용에 대해 약간 의 흥미가 있으며 융합적 과제를 해결할 때 어려워 하지만 참여함

새로운 내용에 대해 흥미가 거의 없으며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하고 참여하 지 않음

창의성

문제를 해결하는 과정에 서 유창성, 융통성, 독창 성, 정교성이 두드러지게 나타남

문제를 해결하는 과정에서 유창성, 융통성, 독창성, 정 교성이 가끔씩 나타남

문제를 해결하는 과정에서 유 창성, 융통성, 독창성, 정교성 이 거의 나타나지 않음

- 학생 자기/동료 평가 계획

평가

방법 평가영역 평가기준

평 가

상 중 하

자기 평가

창의적 설계

◆ 해의 위치에 따른 그림자 길이 및 위치 변화를 이해하 였는가?

◆ 방향과 방위의 개념을 이해하였는가?

◆ 해 그림자를 이용하여 동서남북을 찾을 수 있는가?

감성적 체험

◆ 장영실의 태도(과학자적 태도)를 갖고 관측도구를 제작 하였는가?

◆ 모둠활동을 하는 과정에서 집중력을 발휘하여 과제를 끈기 있게 해결하였는가?

◆ 자율주행자동차에 필요한 능력에 대해 구체적으로 생각 해 보았는가?

◆ 즐거운 마음으로 활동에 참여하였는가?

동료 평가

창의적 설계

◆ 그림자와 방향을 측정할 수 있는 설계와 제작이 이루어 졌는가?

◆ 구현 가능한 창의적인 아이디어를 제시하였는가?

감성적 체험

◆ 모둠원으로서 역할 분담이 잘 되었으며 협동적이며 적 극적으로 활동에 참여하였는가?

2) 중학교 차시대체형 프로그램 “빅데이터 만져보기”

○ 주제개요

디지털 경제의 확산으로 우리 주변에는 규모를 가늠할 수 없을 정도로 많은 정보와 데이터가 생산되는 이른바‘빅데이터(Big Data)’환경이 도래하고 있다. 다양한 분야에 서 범람하고 있는 수많은 데이터 중 나에게 필요한 정보를 선별하여 올바르게 활용하 는 것은 결코 쉽지 않다. 특히 위성자료를 비롯하여 전 세계 천문대에서 만들어지는 천체관측데이터들은 하루에 약 200GB씩 축적되고 있다. 이러한 관측데이터의 활용은 과거로부터 현재까지 새로운 발견을 이끌어내는 하나의 주요 원동력이었으며, 현대에 는 우주탐사비용의 경제적 효과와 급격히 증가하는 데이터 저장 및 처리기술의 발전으 로 더 넓은 범위의 연구로 확장되고 있다.

따라서 WWT라는 천문 플랫폼에서 제공하는 다양한 천체관련자료를 재구성하여 가치 있게 활용하는 능력을 기를 수 있도록 ‘빅데이터 만져보기’라는 주제를 선정하였다.

○ STEAM 준거틀

구분 주요 내용

상황제시 WWT 알아보기

창의적 설계 WWT를 활용한 나만의 천문 프로그램 제작하기

감성적 체험 천문프로그램 공유하기

○ 차시 구성

프로그램명 빅데이터 만져보기 유형 차시대체형

학교급 중학교 차시 총 3차시 교육목표 천체 운동의 과학적 원리를 탐구하고, 세계의 우주 망원경 및 천문대에서 제공하는 다양한 관측 자료를

재구성하여 천문교육 프로그램을 만드는 과정을 통해 과학적 사고력과 탐구능력을 기를 수 있다.

관련교과 과학, 기술・가정, 미술

2015 개정 교육과정 연계

과학

(내용요소) 태양계, 별과 우주 (성취기준)

[9과10-02] 지구 자전에 의한 천체의 겉보기 운동과 지구 공전에 의한 별자리 변화를 설명할 수 있 다.

[9과10-04] 태양계를 구성하는 행성의 특징을 알고, 목성형 행성과 지구형 행성으로 구분할 수 있다. [9과10-05] 태양 표면과 대기의 특징을 알고, 태양의 활동이 지구에 미치는 영향에 대해 설명할

수 있다.

[9과23-01] 별의 거리를 구하는 방법을 알고, 별의 표면 온도를 색으로 비교할 수 있다. [9과23-02] 우리은하의 모양, 크기, 구성 천체를 설명할 수 있다.

[9과24-01] 과학기술과 인류 문명의 관계를 이해하고 과학의 유용성에 대해 설명할 수 있다.

기술・가 정

(내용요소) 기술시스템, 기술 활용 (성취기준)

[9기가04-18] 정보통신기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.

[9기가05-01] 기술의 발달에 따른 사회, 가정, 직업의 변화를 이해하고 미래 기술 활용 및 사회의 변화에 대하여 예측한다.

(내용요소) 체험, 표현

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM 요소

1차시

- 일상생활에서 별이나 달과 같은 천체 및 천문현상을 관측한 기억을 떠올려보고 별과 관련된 노래나 영화, 드라마, 광고의 장면을 보며 다 양한 분야에서 천체관련 현상을 이용할 수 있음을 인지한다.

- 천체를 관측하는 다양한 망원경을 확인하고 여기에서 얻어지는 자료 가 방대하며 이 자료를 이용하는 분야를 알아본다.

- 관측자료를 활용하여 나만의 천문프로그램 영상을 만들 수 있음을 샘 플 영상을 통해 인지한다.

- WWT 플랫폼에 접속하여 사용법을 익힌다.

- 영상을 제작하는 방법을 익힌다.

- 모둠별로 제작할 프로그램의 주제를 정한다.

- 프로그램 제작에 필요한 역할을 분담하고 계획을 세운다.

과학 S, T, A

2차시

- 모둠별로 제작할 내용에 대한 자료조사 및 장면구성을 위한 스토 리텔링을 하고 스토리보드를 작성한다.

- 스토리보드내용을 참고하여 영상에 필요한 자료를 수집하고 정 리 및 편집하여 맞게 영상자료를 제작한다.

(필요한 경우, 자막, 음악, 나레이션 등을 추가한다.)

과학 S, T, E, A

3차시 - 모둠별 영상자료를 발표한다.

- 다른 모둠에서 발표한 자료를 평가한다. 과학 S, A

○ 미디어 콘텐츠 개발

- 동기유발을 위해 은하수를 주제로한 타임랩스 영상을 편집하여 사용 - WWT 프로그램 사용법에 대한 PPT를 제작하여 보여줌

- WWT로 간단한 영상을 제작하여 예시로 보여줌

○ 평가 계획 - 수행․관찰 평가

평가

영역 평가항목 우수(A) 보통(B) 미흡(C)

창의적 설계

천체 이해하기

주제를 표현하기 위한 자료 조사 및 정리가 잘 이루어 졌으며 체계적으로 잘 구조 화됨.

주제를 표현하기 위한 자료 조사는 잘 이루어졌으나 정 리 및 구조화가 다소 미흡 함.

주제에 대한 이해가 부족하 며 자료조사가 미흡함

영상 제작하기

미적 감각을 고려하여 구상 한 내용이 잘 드러나고 다 른 사람이 이해하기 쉽게 화면을 제작함

구상한 내용이 드러나지만 미적 감각이나 영상제작기 술이 다소 부족함

구상한 내용이 잘 드러나지 않으며, 표현력 및 영상제 작 기술이 부족함

감성적 체험

집중과 끈기

과제에 대한 집중력이 좋 으며 과제를 끈기 있게 해 결함

과제에 대한 집중력은 있 으나 끈기가 부족함

과제에 대한 집중력과 끈 기가 부족함

호기심과 자신감

새로운 내용을 배우고 싶어 하며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하지 않고 적극적 으로 참여함

새로운 내용에 대해 약간의 흥미가 있으며 융합적 과제 를 해결할 때 어려워하지만 참여함

새로운 내용에 대해 흥미가 거의 없으며 융합적 과제를 해결할 때 어려워하고 참여 하지 않음

창의성

문제를 해결하는 과정에서 유창성, 융통성, 독창성, 정 교성이 두드러지게 나타남

문제를 해결하는 과정에서 유창성, 융통성, 독창성, 정 교성이 가끔씩 나타남

문제를 해결하는 과정에서 유창성, 융통성, 독창성, 정 교성이 거의 나타나지 않음 총평

- 평가기록지

평가 영역 이름

창의적 설계 감성적 체험

총평 천체이해하기 영상제작하기 집중과

끈기

호기심과

자신감 창의성

- 학생 자기/동료 평가

영역 한 일 평가

자기평가 매우

잘함 보통 미흡

이름 역할 평가 이유

동료평가

매우

잘함 보통 미흡 매우

잘함 보통 미흡 매우

잘함 보통 미흡 매우

잘함 보통 미흡 평가내용

1. 사전, 사후 활동에 성실히 참여하였는가?

2. 영상제작을 위한 유용한 아이디어를 제시하였는가?

3. 천체의 특징을 이해하였는가?

4. 자신의 역할을 성실히 수행하고, 모둠활동에 협력적이었는가?