회룡초등학교

(1)

2019 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2019. 11.20

회룡초등학교

(2)

【 2019년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】

※ 결과보고서 작성 시 파란색 글자는 수정, 빨간색 글자는 삭제 부탁드립니다.

과 제 개 요

과제명 2019년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

유형 (유형2)다양한 교과 간 협동 연구를 통한 STEAM 프로그램 신규 개발 ( √ ) 프로그램명 센서 네트워크로 알아보는 열의 이동

학교급 초 대상 학년(군) 5~6학년

중심과목 과학 중심과목 성취기준 영역

[6과 01-04] 온도가 다른 두 물체를 접촉하면 온다가 같아지는 현상을 관찰하고 물체의 온도 변화를 열의 이동으로 설명할 수 있다.

연계과목 실과 연계과목 성취기준 영역

[6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램을 만드는 과정 에서 순차, 선택, 반복등의 구조를 이해한다.

연구기간 2019.5.16. ~ 2019.11.30.

연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000) 참여연구원 4명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 3명)

연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자 회룡초등학교 과학전담 교사 김석희

공동연구원 회룡초등학교 과학전담 교사 최종연

공동연구원 회룡초등학교 6학년 교사 송연정

공동연구원 회룡초등학교 6학년 교사 송혜선

2019년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아

융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 최종 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2019년 월 일

연구책임자 : 김석희 (인)

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“이 보고서는 2019년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

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목 차

1. 요약문··· 1

2. 서론···

※ 서론에는 연구(회)의 필요성 및 연구(회) 목표 등의 내용을 작성합니다.

(교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발·적용 취지와 목적 등)

3. 연구 수행 내용 및 결과···

※ 연구 추진 내용 및 결과에는 ① STEAM 프로그램 개발 및 적용, ② STEAM 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사, ③ STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천 등의 내용 을 작성합니다.

➀ STEAM 프로그램 개발 및 적용 : 프로그램 개발 중점 사항(어떤 프로그램을 어떻게 개발하였는지 작성), 교사연구회 운영 및 수업 편성 사례(프로그램 적용시기, 시간표, 대상학년 전체 학생 수, 수혜학생 수 명시)

➁ STEAM 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사 : STEAM 수업 적용 학생 성취도 평가 방법 개발, 학교생활기록부 기재 방법(예시) 제시, 적용 성과 (수혜 학생 수, 학 생 사전·사후 태도 검사 시기 및 대상 선정 이유 명시, 학생 인터뷰 내용 등), STEAM 수업 적용 후 학생 및 교사 만족도 조사 관련 내용

➂ STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천 : STEAM 교사연구회(또는 소속 학교) 주최 행사 자료 등 제출

※ 당초 계획 대비 변경된 사항이 있는 경우 사유와 함께 기입

가. 연구 수행 내용 ···

나. 연구 수행 결과 ···

1) ···

2) ···

4. 결론 및 제언 ···

※ 결론 및 제언에는 기타 사항 및 시사점을 작성합니다.

-교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발·적용 관련 좋았던 점과 어려웠던 점 - 교사연구회의 전체 회원 사이의 협력적 활동 내용, 교사연구회를 통해 참여 교사들

의 STEAM 수업 역량이 증가 내용 및 설명 제시

-STEAM 교사연구회와 해당 STEAM 수업 프로그램 발전을 위한 개선 방안 -기타 사항 및 시사점

5. 참고문헌···

[부록]

부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물(교수학습지도안, 교사용 참고자료, 학생용 활동지)

부록2. (학생 산출물, 사진, 수업 영상, 성찰일지, 교사의견, 자체평가 결과 등)

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부록3. 회의록 부록4.

(해당 시) 논문 게재, 특허 또는 실용신안 출원 증빙자료 제출

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1. 요약문

2. 서론

가. 배경

나. 연구의 목표

▷ 수학, 과학, 정보 진흥법의 취지에 부합하는 융합인재교육 프로그램을 개발하여 한다.

▷ 네트워크 프로그래밍과 과학 교육활동을 융합하는 교육 프로그램을 개발 확산한다.

▷ 개발된 STEAM 콘텐츠 확산을 위한 워크샵을 개최한다.

3. 연구 수행 내용

[과제 1 : STEAM 프로그램 개발‧적용]

가. 개발 교육 프로그램의 개요

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 센서 네트워크로 알아보는 열의 전도 현상

학교급 초등학교 대상 학년(군) 3~4학년

중심과목 수학 중심과목

성취기준 영역

[6과 01-04] 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 두 물 질의 온도가 같아지는 현상을 관찰할 수 있다.

연계과목

수학 창체 미술

연계과목 성취기준 영역

[6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램을 만드는 과 정에서 순차, 선택, 반복 등의 구조를 이해한다.

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 3 과학(1)+창체(1)+실과(SW)(1)

나. 연구 개발 프로그램 계획

□ 프로그램명 : 센서 네트워크로 알아보는 기체의 대류 현상

□ 핵심 역량 2015 교육과정 성취기준

과학 [6과 01-04] 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 두 물질의 온도가 같아지는 현상을 관찰할 수 있다.

실과 [6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램을 만드는 과정에서 순차, 선택, 반복등의 구 조를 이해한다.

핵심 역량

차시 1차시 2차시 3차시

주제

통신하는 원리를 이해하고 프로그래밍으로 멀리 떨어진 곳에 데이터 보내기

온도가 다른 두 물질이 접촉 하면 두 물질의 온도가 같아 지는 실험장치 및 실험데이 터 수입을 위한 네트워크 설

센서 네트워크를 구성하여 실내의 여러 곳의 온도 데 이터를 수집하여 대류현상 설명하기

(7)

□ 학습목표

○ 내용 목표

Ÿ 네트워크를 구성하는 요소를 이해한다.

Ÿ 스크래치 블록을 통해 멀리 떨어진 곳에 숫자, 문자를 보낼 수 있다.

Ÿ 문제 해결을 위한 네트워크를 설계할 수 있다.

Ÿ 블록 프로그래밍을 활용하여 문제를 해결하는 네트워크 프로그래밍을 할 수 있다.

○ 과정 목표

Ÿ 블록프로그래밍을 통한 네트워크 프로그래밍을 통해 소프트웨어의 유용성을 이해할 수 있다.

Ÿ 일상생활의 문제 해결의 네트워크의 개념을 적용할 수 있다.

Ÿ 네트워크를 활용하여 문제 해결에 적용하려는 태도를 기른다.

□ 차시대체 계획

차시 과학 실과(SW)

1

[STEAM 1/3]

통신 원리를 이해하고 프로그래밍으로 멀리 떨어 진 곳에 데이터 보내기

2

[STEAM 2/3]

대류 현상을 설명하는 실험장치 및 실험데이터 수입을 위한 네트워크 설계하기

3

[STEAM 3/3]

센서 네트워크를 구성하여 실내의 여러 곳의 온 도 데이터를 수집하여 대류현상 설명하기

○ STEAM 준거틀 계획

계하기 일반

역량 지식정보처리 지식정보처리/창의적 사고 창의적 사고

교과

역량 추론 창의･융합 시각적 소통 능력

구분 주요 내용

상황제시 • 봅슬레이 경기에서 순위는 어떻게 가릴까?

창의적 설계

• 네트워크가 활용되는 예를 살펴보고 네트워크가 이용되는 경우를 찾을 수 있다.

• 네트워크의 구성요소를 알아 보고 네트워크를 소프트웨어적으로 구성할 수 있다.

• 네트워크에 연결된 기기를 통해 데이터를 주고 받을 수 있다.

• 열의 이동을 실험하기 위해 필요한 네트워크를 구성할 수 있다.

• 열의 이동 실험을 위한 네트워크 프로그래밍을 통해 온도가 다른 물체의 온도를 수집해 보 자.

(8)

• 수집한 데이터를 이용하여 열의 이동을 설명해 보자.

감성적

체험 • 모둠별로 설명한 대류 현상이 실제 우리 생활에서 겪는 것과 일치하는 지 확인한다.

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○ 차시 구성 계획

프로그램명 센서 네트워크로 알아보는 열의 전도 현상 학교급 초등 5~6 차시 총 3차시

교육목표 • 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 두 물질의 온도가 같아지는 현상을 관찰할 수 있다.

• 물질의 온도가 변하는 것을 열의 이동으로 설명할 수 있다.

핵 심 역 량

일반

역량 지식정보처리 창의적 사고 창의적 사고

교과

역량 추론 창의･융합 창의･융합

4. 연구 수행 결과

구분 수행 계획

교수학습과정안 개발 차시 총 3차시

수업 적용 일정 2019. 9. 1. ~ 2018. 11. 30.

(STEAM 수업)수혜학생 수 회룡초 6학년 140명, 호암초 40명

학생 태도검사 사전검사 6.30 일까지 8개 학급 240 명 실시 완료 사후검사 11.30 일까지 8개 학급 240 명 실시 완료 학생 및 교사 만족도조사 11월 19일 예정

교사연구회 STEAM 행사 개최 2019. 10. 20. ‘STEAM 수업나눔’ 개최 완료

해외 학회 참석 연구 결과 해외 학술대회에 발표 2020년 해외 학회 참석 (http://www.icemi.org/)

-2018년 steam 교사연구회 2019년 해외학술대회 발표

대상 학년 6학년 영재학급

적용프로그램 센서 네트워크로 알아보는 기체의 대류 현상

센서 네트워크로 알아보는 기체의 대류 현상

대상 학교 회룡초 호암초

대상 학급 6학년 5학급 영재학급 2학급

대상 학생수 약 140명 약 40명

합계 180명

적용 기간 2019. 6 ~ 2019. 10(4개월)

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[해외 학술대회 우수 발표자상 수상 기념] [ 해외 학술대회 참가 본교 교사]

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5. 결론 및 제언

▶ 다수 학교 참여로 인한 일정 조율과 전체적인 의사소통 활성화 어려움이 다소 있었음.

▶ 다수 학교 참여로 설문을 통한 양적 결과 분석 및 검증 효과와 더불어 학생과 심층 인터뷰를 통 한 질적인 결과 데이터를 다양하게 수집할 수 있었음.

▶ 개발 프로그램의 다수 학교 적용을 통한 현장 적합성 검증 능력 제고

▶ 교사 연구회 활동 및 2회의 STEAM 워크샵 개최를 통해 연구회 회원 및 워크샵 참여 교원의 소프 트웨어(SW) 교육/융합인재교육(STEAM) 역량 제고

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[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

프로그램명 센서 네트워크로 알아보는 열의 전도 현상 학교급 초등 5~6 차시 총 3차시

교육목표 • 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 두 물질의 온도가 같아지는 현상을 관찰할 수 있다.

• 물질의 온도가 변하는 것을 열의 이동으로 설명할 수 있다.

핵 심 역 량

일반

역량 지식정보처리 창의적 사고 창의적 사고

교과

역량 추론 창의･융합 창의･융합

활동지 1

CD 센서 네트워크 프로그래밍하고 데이터 수집이 되는지 확인 하기

- 스마트폰으로 명령을 내려 센서 네트워크를 이용하여 데이터 를 수집한다.

 수집된 데이터 분석하기

CD 각 지점의 데이터를 표계산 소프트웨어를 활용하여 그래프 그리기

- 표계산 소프트웨어로 측정한 데이터를 불러와 그래프를 그린 다.

CD 비커와 알루미늄 캔의 온도 변화 분석하기

- 온도 변화를 분석하여 결국 물의 온도가 어떻게 같아지는지 설명해 본다.

 열의 이동 현상 설명 발표 자료 만들기

ET 열의 이동 현상 설명 발표 자료를 만들고 발표 해 본다.

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학생 활동지 1

스크래치로 통신 프로그래밍 해보기

( )학교 ( )학년 ( )반 이름( )

1.

스크래치 블록으로 멀리 떨어진 컴퓨터와 통신을 하기 위한 순서를 정리 해보자.

번호 내용

① 통신하고 싶은 컴퓨터에 연결된 통신기기 주소 정하기

② 통신기기를 컴퓨터에 연결한다. 컴퓨터에 연결하고 작동되는지 확인한다.

③ 통신하고 싶은 컴퓨터에 연결된 통신기기 주소 교환하기

④ 서로 주고 받을 데이터 정하기

⑤ 데이터를 주고 받을 역할 정하기

⑥ 약속한 데이터 주고 받기

위의 내용을 참고하여 순서를 정해 보자.

순서 첫번째 두번째 세번째 네번째 다섯째 여섯째

번호

2.

멀리 떨어진 컴퓨터와 통신을 위한 블록의 의미를 설명해 보자.

스크립트 블록 의미

컴퓨터에 연결된 통신디바이스의 주소 를 정한다.

통신 노드 ‘01’로부터 데이터를 읽 어 온다.

통신 노트 ‘01’에 데이터 ‘1’을 보낸다.

(18)

3. 친구와 데이터를 주고받아 보자. 친구와 어떤 데이터를 주고받을지 정해 보자.

구분 내용

데이터를 주고받을 친구

친구 컴퓨터의 주소

친구에게 보낼 데이터

친구에게서 받을 데이터

3. 친구와 데이터를 주고받으며 약속을 만들어 보자. 어떤 숫자를 받았을 때 해야 될 동작을 약속해 보자.

구분 내용

친구에게 ‘1’ 받았을 때 동작

친구에게 ‘2’를 받았을 때 동작

친구에게 1’ 받았을 때 동작

친구에게‘2’를 받았을 때 동작

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학생 활동지 2

무선 네트워크 프로그래밍 연습하기

( )학교 ( )학년 ( )반 이름( )

1.

멀리 떨어진 모둠원에게 5부터 14까지 1씩 커지는 숫자를 보내고 받는 프로그래밍을 보기의 블럭을 참고하여 프로그래밍 해 보자.

구분 모둠원의 프로그래밍 내 컴퓨터

보기

프로그래밍 (정답)

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2. 다음 빈 칸에 무선 네트워크를 통하여 한쪽의 대기온도를 전달하는 프로그래밍을 하고 아래에 간단히 설명해 보자.

대기 온도를 보내는 컴퓨터의 프로그래밍 대기 온도를 받는 컴퓨터의 프로그래밍

채널을 100으로 하고 주소는 01로 한다.

대기 온도를 변수 a로 정하고 주소 00인 컴퓨터에서 무선으로 정보를 보내고 5초 를 기다린다. 반복하여 대기 온도를 주 소 00인 컴퓨터에 발송한다.

채널을 100으로 정하고 주소를 00으로 정한다. 외부로부터 들어온 데이터를 l항 목에 반복하여 읽으며 정렬한다.

(21)

학생 활동지 3

열의 이동 현상 실험을 위한 센서 네트워크 설치하기

( )학교 ( )학년 ( )반 이름( )

1. 다음은 차가운 물이 담긴 음료수 캔을 따뜻한 물이 담긴 비커에 넣은 뒤, 1분마다 온 도를 측정한 결과입니다. 물음에 답해 봅시다.

(1) 시간이 지나면 음료수 캔과 비커에 담긴 물의 온도는 어떻게 변하는지 써 봅시다.

(2) (1)과 같은 결과가 나타난 까닭은 무엇인지 열의 이동과 관련해서 써 봅시다.

차가운 물

따뜻한 물

시간(분)

온도(°C) 0 1 2 3 4 5 6

음료수 캔에

담긴 물 ^14.5 ^16.0 ^17.0 ^18.0 ^19.0 ^20.0 ^21.0 비커에

담긴 물 ^67.0 ^55.0 ^48.0 ^42.0 ^37.0 ^33.0 ^30.0

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2.

열의 이동 현상을 실험할 수 있는 센서 네트워크 실험 장치를 아래 보기와 같이 설치하고 이를 위한 프로그래밍을 하여 보자.

<보기>

알루미늄 캔(뜨거 운 물) 안의 물 온 도 측정 프로그래 밍

비커(찬물) 안의 물 온도 측정 프로그 래밍

두 종류의 물 온도 변화 측정 프로그 래밍

(23)

(24)

5. 교사자료

차시 1~3/16

교사참고자료

1. 용어 정리

1) 센서 노드

과학백과 사전¹⁾에 의하면 센서노드는 “센서를 통해 물리적인 정보들을 수집하고 감지 및 관측 하고 통신 기능까지 수행할 수 있는 일종의 작은 장치를 말하며, 무선 센서 네트워크를 구성 하는 기본 요소가 된다.” 라고 정의하고 있다. 본 프로그램에서 센서노드를 다음과 같이 정의 한다. 마이크로 컨트롤로, 통신 모듈, 센서, 소프트웨어 으로 구성되어 물리적 정보를 감지하 여 다른 노드 또는 장치로 송수신할 수 있는 장치로 정의한다.

2) 센서 네트워크

과학백과사전²⁾에 의하면 “센서 네트워크는 수많은 소형의 센서 노드들이 네트워크에 연결되 어 있는 것이다. 컴퓨팅 능력과 초경량, 저전력의 능력을 갖춘 센서 노드를 응용 환경에 배치 하고 자율적으로 네트워크를 형성한 후에 노드로부터 획득한 정보들을 수집하고 감시, 제어하 는 용도로 활용하는 기술이다. 센서 네트워크는 무선과 유선으로 나누어 볼 수 있으며 현재 일반적으로는 무선 센서 네트워크를 의미한다. 이런 면에서 좁은 의미로의 센서 네트워크는 센서로 감지가 가능한 정보를 수집하고, 수집된 정보를 그대로 또는 가공하여 무선 송수신 장 치를 이용하여 외부로 전달하는 일련의 시스템이고, 넓은 의미로는 좁은 의미로의 센서 네트 워크와 더불어 센서 노드 하드웨어에 들어가는 운영체제, 미들웨어, 모니터링 시스템까지를 모 두 포함하는 시스템이다.” 본 프로그램의 센서 네트워크는 센서로 감지가 가능한 정보를 수 집하고, 수집된 정보를 그대로 또는 가공하여 무선 송수신 장치를 이용하여 외부로 전달하는 일련의 시스템으로서 이를 구성하기 위한 장치와 소프트웨어로 정의한다.

3) 무선 통신

무선 통신은 주파수와 통신 규격에 따라 구분할 수 있다. 대부분의 국가에서 주파수는 국가 의 공공재로 관리하기 때문에 경매를 통해 통신회사에 판매를 하고 있다.

일반에게 판매하지 않고 공공영역으로 남겨놓은 주파수가 2.4Ghz 영역이다. 본 연구 개발에 서는 이 주파수대를 사용하는 블루투스. ANT 무선통신 기술을 사용하고자 합니다.

블루투스는 산업, 과학 및 의료(ISM)용 대역에서 작동하며 콤팩트한 무선 센서나 완전 비동 기 통신을 사용할 수 있는 기타 주변 장치로부터 데이터를 송신하는 데 적합하다. 이러한 장 치는 수 바이트의 저용량 데이터를 불규칙적으로 전송한다. Bluetooth 5 사양이 도입되면서 Bluetooth 저에너지의 원시 데이터 전송률이 1Mbit/s에서 2Mbit/s로 증가되어 으나 전송의 범위는 100미터에서 50미터 까지 줄어 들었다.

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ANT는 ANT는 초저전력 무선 프로토콜이고 2.4GHz ISM 대역에서 작동한다는 점에서 Bluetooth 저에너지와 유사합니다. 또한 Bluetooth 저에너지와 마찬가지로 배터리 수명이 몇 개월 또는 몇 년에 달하는 동전형 전지로 구동되는 센서에 맞게 설계되었습니다. Nordic Semiconductor, nRF51422 SoC, Texas Instruments 등의 회사에서는 인증된 트랜시버 ANT 모듈을 공급하고 있다.

4) IOT

사물인터넷(Internet of Things, 약어로 IoT)은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술. 즉, 무선 통신을 통해 각종 사물을 연결하는 기술을 의미한다. 인터 넷으로 연결된 사물들이 데이터를 주고받아 스스로 분석하고 학습한 정보를 사용자에게 제공 하거나 사용자가 이를 원격 조정할 수 있는 인공지능 기술이다. 여기서 사물이란 가전제품, 모 바일 장비, 웨어러블 디바이스 등 다양한 임베디드 시스템이 된다. 본 연구 개발에서는 센서 노드를 일종의 IOT 디바이스로 간주한다.

* 코드설명

자신의 주소를 00번으로 정하고, 01,02번 컴퓨터에서 빛센서 데이터

값을 읽어와서 01번 빛센서 값은 리스트 1에 넣고, 02번 컴퓨터의 빛센서 값은 리스트 m에 넣는다.

01번으로 컴퓨터 주소를 정하고 , 00번 컴퓨터에 자신의

물온도 센서 데이터 값을 보낸다 .

01번으로 컴퓨터 주소를 정하고 , 00번 컴퓨터에 자신의

물온도 센서 데이터 값을

보낸다 .

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1) 사이언스 올:

(https://www.scienceall.com/%EC%84%BC%EC%84%9C-%EB%85%B8%EB%93%9Csensor-node/) 2) 사이언스 올:

:https://www.scienceall.com/%EC%84%BC%EC%84%9C-%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%ACsensor-network/

자료출처