2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
2018.10.29.
마포중학교
【 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】
과 제 개 요
과제명 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 중학교 과학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램
학교급 중학교 대상 학년(군) 1학년
중심과목 과학 중심과목
성취기준 영역[중학교] (2) 여러 가지 힘
연계과목 기술 미술 수학
연계과목 성취기준 영역
[중학교 1~3학년] (4) 기술시스템/ (건설기술) 교량 (정보통신기술) 3D 프린팅
[중학교 1~3학년] (2) 표현 / (발상) 표현과정 계획 [중학교 1~3학년] (4) 기하 / (입체도헝) 입체도형의 성질
연구기간 2018.4. ~ 2018.11.23.
연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000)
참여연구원 4명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 3명) 연구 수행자에 관한 사항
구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명
연구책임자 마포중학교 과학 교사 박승빈
공동연구원 마포중학교 과학 교사 장양배
공동연구원 마포중학교 수학 교사 강성준
공동연구원 마포중학교 기술 교사 권석영
2018년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 중간 결과로써 본 보고서를 제출합니다.
2018년 10월 29일
연구책임자 : 박 승 빈 (인)
한국과학창의재단 이사장 귀하
“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문
··· 12. 서론
··· 1가. 연구의 필요성 ··· 1
나. 연구의 목적 ··· 1
3. 연구 수행 내용
··· 2가. 연구개발 추진 일정 ··· 2
나. STEAM 프로그램 연구 및 적용 ··· 3
다. STEAM 수업 평가 방법 개발 ··· 3
4. 연구 수행 결과
··· 5가. STEAM 수업 및 적용 성과 조사 ··· 5
나. STEAM 수업 전문가 검증 ··· 8
다. STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천 ··· 9
라. STEAM 수업 개발의 기대 효과 및 시사점 ··· 11
5. 결론 및 제언
··· 116. 참고문헌
··· 11[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물(교수학습지도안, 교사용 참고자료, 학생용 활동지) 부록2. (학생 산출물 및 수업 사진, 수업연구 참관록, 연구수업 교사의견)
1. 요약문
본 연구는 서울 00중학교 1학년 대상으로 자유학기제 및 차시대체용 수업으로 ‘중학교 과 학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램’을 개발하였다. 개발된 프로그램은 1학년 120 명 학생들에게 적용하였으며 창의재단에서 제공한 STEAM 교육 태도조사를 활용하여 사전 및 사후검사, 만족도 조사를 실시하였다. 또한 코티칭 연구수업을 통한 동료교원들의 피드백 을 받고 전문가의 자문을 받아 프로그램을 개선을 하여 완성도를 높였다. 해당 프로그램은 학생들의 수학과 기술, 과학의 이해도 흥미를 높여주었고, 특히 친구들과 협력해서 수행하는 모둠별 활동 부분에서 학생들의 만족도가 높게 나타났다. 그리고 지속적인 교류와 피드백을 통해 교사연구회 참여 교사들의 STEAM 수업 역량이 증가하였다.
2. 서론
가. 연구의 필요성
21세기 글로벌 환경에서 미래사회를 이끌어갈 리더는 교과목 하나의 지식에 능통하는 것에 그치지 않고 감성과 인성, 학문의 경계를 넘나들 수 있는 창의적인 사고를 지닌 융합형 인재여야 한다.
기존의 STEAM 프로그램은 동아리나 창의적 체험활동으로 활용하기 용이하나 정규교과 시간에 교과 수업을 대체하기에는 STEAM 프로그램의 주제와 연계단원의 성취기준 영역이 모호한 경우가 있어 교과 시간 적용이 어려운 부분이 있었다. 그리고 학생 평가 시 결과물보다는 창의적 아이디어 구현 및 구체화 를 위한 과정평가의 개발이 필요하다고 생각된다.
본 STEAM 프로그램에서는 교과 수업 중에 학생들에게 새로운 문제 상황을 제시하여 스스로 창의적 인 방법으로 문제를 해결해 갈 수 있도록 하였으며, 이 과정에서 과목별 수업시간에 효과적으로 적용할 수 있도록 2015 개정 교육과정을 분석하고 ‘성취기준영역’을 고려하여 개발하였다.
프로그램은 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하나의 프로젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함시키고, 과학적 탐구능력과 문제해결력을 신장시키기 위해 스스 로 주제탐구를 설계하는 과정을 넣었다. 학생들이 스스로 문제를 파악하고 해결할 수 있도록 적용방법으 로는 ‘팀티칭을 통한 융합교육수업 및 협동학습 기반 프로젝트 학습’ 모형을 사용하였다.
나. 연구의 목적
1) 과목별 수업에 적용할 수 있도록 ‘성취기준영역’ 에 따른 STEAM 프로그램을 개발 2) 자유학기제 또는 창의적 체험활동을 위한 STEAM 프로그램 개발
3) 미래 첨단기술을 현장 교사가 쉽고 즉각적으로 활용할 수 있는 프로그램 개발
4) 학생들의 결과물 보다는 창의적 아이디어 구현 및 구체화를 위한 과정평가(서술형 평가)방법 개발
3. 연구 수행 내용
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 중학교 과학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램
학교급 중학교 대상 학년(군) 1학년
중심과목 과학 중심과목
성취기준 영역 [중학교] (2) 여러 가지 힘
연계과목 기술 미술 수학
연계과목 성취기준 영역
[중학교 1~3학년] (4) 기술시스템/ (건설기술) 교량 (정보통신기술) 3D 프린팅 [중학교 1~3학년] (2) 표현 / (발상) 표현과정 계획 [중학교 1~3학년] (4) 기하 / (입체도헝) 입체도형의 성질
개발계획
주제 연번 차시
(시수) 과목 연계(안)
1 3 과학(1) + 기술(2) + 미술(3) + 수학(1) 2 2 과학(1) + 기술(2) + 미술(1) + 수학 3 3 과학(1) + 기술(1) + 수학(0.5) 4 2 과학(1) + 기술(2) + 미술(2) + 수학(0.5)
가. 연구개발 추진 일정 일 정
수행내용
추 진 일 정
비고
4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월
프로그램 기획 ▣ ▣
검사도구 선정 ▣
프로그램 초안 ▣ ▣
전문가 검토 ▣ ▣
프로그램 수정 ▣ ▣
연구수업 실시 ▣
사전검사 ▣ ▣
시범적용 ▣ ▣
사후검사 ▣
프로그램 완성 ▣
성과전시회 ▣
보고서 작성 ▣
나. STEAM 프로그램 연구 및 적용
1) 적용 대상 및 수혜학생 수 : 마포중학교 1학년 학생(총 120명 중 수혜학생 120명) 2) 적용 시기 : 2학기 자유학기제 및 정규교과 내 수업(9월 3주 ~ 10월 5주) 3) 적용 횟수 : 주 2회씩 2개월 (프로그램 총 8시간)
4) 적용 방법 : 팀티칭을 통한 융합교육수업 및 협동학습 기반 프로젝트 학습 5) 프로그램 개발 구성
가) 학생들은 문제상황으로 주어진 장마철마다 고립되는 ‘점말마을’을 보고, 경제적이면서도 간단하 게 다리를 설계할 수 있는 방법을 고민하며 수업을 시작할 것이다. 이후 스마트 기기를 통해 다 양한 교량의 수학적, 과학적 요소를 찾아 교량을 설계하고 나무젓가락으로 하중을 버티는 다리를 구현하고, 다빈치 다리를 응용하여 조립식 다리를 구현해볼 것임.
나) 개발한 STEAM 프로그램이 학생들에게 다양한 교과 지식과 기술, 경험 등을 융합적으로 활용할 수 있는 능력 함양하고 실생활의 문제를 해결할 수 있는 능력과 감성적 체험을 통해 자신감을 갖고 미래 사회를 준비할 수 있는 계기를 마련하여 융합형 인재로 성장하길 기대함.
6) 프로그램 개발 중점사항
가) 2015 개정 교육과정 분석을 통해 핵심역량을 신장할 수 있는 프로그램 개발.
나) 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하나의 프로 젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함하도록 개발.
다) 과학적 탐구능력과 문제해결력을 신장시키기 위해 스스로 주제 탐구를 설계할 수 있도록 프로그램 개발.
다. STEAM 수업 평가 방법 개발
1) 학생들의 결과물 보다는 창의적 아이디어 구현 및 구체화를 위한 과정평가를 위한 서술형 평가방법 개발 2) 과정 중심 수행평가로 학생의 진로 적성 계발·지도 자료 제공
3) 창의력·협동적 문제해결력 신장을 위한 평가 실시 4) 수행 및 관찰 평가 기준표 작성 및 자기/동료 평가 작성
가) 평가 기준 및 방법
단계 평가기준(성취수준) 평가방법 평가도구
탐색 상
- 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력)을 설명할 수 있다.
- 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 찾을 수 있다.
포트폴리오 평가
활동지 1,2
자기/동료평가지 (학생용) 중
- 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력 중 2 가지)을 설명할 수 있다.
- 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 2 가지 이상 찾을 수 있다.
하
- 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력 중 1 가지)을 설명할 수 있다.
- 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 1 가지 이상 찾을 수 있다.
제작 상 - 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 관찰 및 산출물 활동지 3
나) 자기평가 및 동료평가
5) 평과 결과를 학생생활기록부와 연계될 수 있도록 개발 평가
방법 평가
영역 평가 내용 평가 기준
상 중 하
자기 평가
상황 제시
• 주어진 문제 상황에서 제시된 교량 설계의 필요성을 파악할 수 있다.
창의적 설계
• 교량의 종류와 특징을 조사하고 과학적, 수학적 요소를 찾을 수 있다.
• 하중을 버티기 위한 힘의 분산 방법을 탐색하고 적용할 수 있다.
감성적 체험
• 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소가 적용된 교량을 설계하고 제작할 수 있다.
• 우리 모둠이 제작한 교량의 특징을 발표하고 공유할 수 있다.
• 교량을 제작하는 과정에서, 그리고 다른 모둠의 작품을 보고 우리 모둠의 보완점을 파악하고 개선하는 방법을 모색할 수 있다.
진로 설계
• 토목공학 기술자가 되기 위해 필요한 능력과 자질을 파악할 수 있다.
동료 평가
감성적 체험
• 모둠 친구들이 교량을 만들 때 서로 협동하고 배려하는 태도를 가지고 있다.
• 모둠 친구들이 설계하고 제작한 교량의 특징에 대해 적절히 발표하였다.
적용된 교량 설계하고 입체 투상법을 활용하여 자신의 아이디어를 스케치할 수 있다.
평가 자기/동료평가지
(학생용) 중
- 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 적용된 교량 설계하고 구상하여 자신의 아이디어를 스케치 할 수 있다.
하 - 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 적용된 교량을 간단히 구상할 수 있다.
발표 상
- 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 구체적으로 인지하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 발표할 수 있다.
모둠별 토론평가
활동지 4
자기/동료평가지 (학생용) 중 - 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을
탐색하여 실현하며 발표할 수 있다.
하 - 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을 탐색할 수 있다.
성취
수준 학생부 기재 예시
상
점말마을의 문제 상황에서 제시된 교량 설계의 필요성을 파악하고 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력)을 설명할 수 있다. 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 찾을 수 있다. 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 적용된 교량 설계하고 입체 투상법을 활용하여 자신의 아이디어를 스케치할 수 있다. 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 구체적으로 인지하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 발표할 수 있다.
중 점말마을의 문제 상황에서 제시된 교량 설계의 필요성을 파악하고 교량에 작용하는 여러 가지
4. 연구 수행 결과
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 8차시
수업 적용 일정 2018.09.20. ~ 2018.10.30.
(STEAM 수업)수혜학생 수 마포중학교 120명(중학교 1학년 전교생) 학생 태도검사 사전검사 9월 4주 ~ 10월 1주, 2개 학급(34명) 실시 완료
사후검사 10월 4주 ~ 10월 5주, 2개 학급(34명) 실시 완료 학생 및 교사 만족도조사 10월 30일 실시 완료
교사연구회 STEAM 행사 개최 2018.9.27.(목) 5-6교시(13:15~14:55) 수업공개 2018.10.19. 더펄논큰잔치 ‘STEAM 성과전시회’ 개최
가. STEAM 수업 및 적용 성과 조사
1) 학생 태도검사 대상의 선정 이유가) 1학년 2개 학급 (34명) 태도검사
나) 본 프로그램은 자유학기제 또는 창의적 체험활동에서의 활용을 목적으로 하기에 대상을 1학년 설정.
다) 과학적 사전지식, 관심, 흥미도와 연계시켜 검사를 진행하고자 1학년 지필고사 평균성적을 기준 으로 하위반 2개 반을 대상으로 설정.
2) 당초 계획대비 변경된 사항
가) 1학년 2개 학급 (34명) 사전태도검사를 9월로 변경 : 1학년은 1년에 1번 지필고사를 실시함.(1학기 기말고 사) 학급별 평균성적을 기준으로 태도검사를 진행하고자 성적이 산출되는 기말고사 이후인 9월로 변경함.
3) 학생 만족도 조사 결과
힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력 중 2 가지 이상)을 설명할 수 있다. 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 2 가지 이상 찾을 수 있다. 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 적용된 교량 설계하고 구상하여 자신의 아이디어를 스케치 할 수 있다. 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을 탐색하여 실현하며 발표할 수 있다.
하
점말마을의 문제 상황에서 제시된 교량 설계의 필요성을 파악하고 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징(중력, 탄성력, 마찰력 중 1 가지 이상)을 설명할 수 있다. 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 1 가지 이상 찾을 수 있다. 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소(힘의 분산)가 적용된 교량을 간단히 구상할 수 있다. 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을 탐색할 수 있다.
가) STEAM 수업에 만족한다는 응답이 84.6%이고, 83.6%가 재미있었다고 응답함.
나) STEAM 수업 활동에 84.7%가 적극적으로 참여함.
다) STEAM 수업에서 39.4%의 학생들이 ‘친구들과 협력해서 수행하는 모둠별 활동이 많은 부분’을 다 른 수업과의 큰 차이점로 응답함.
라) 조사,실습, 만들기 등 수업 시간에 할 것이 많아 시간이 부족했다는데 어려움을 느꼈다고 52.9%의 학생이 응답함.
라) 앞으로 STEAM 수업을 지속적으로 받고 싶다는 학생들이 80%로 응답함.
마) STEAM 수업에서 좋았던 부분으로 1순위는 ‘수학,과학,기술 등 여러 과목을 관련지어 배울 수 있 어 좋았다는 부분’ 였고, 2순위는 ‘친구들과 협력해서 수행하는 모둠별 활동이 많다.’ 로 응답함.
마) 과학수업이 재미있어지고 (78.9%) 과학과 수학의 이해도가 높아지고 (79.9%) 흥미도가 생겼다고(76%) 응답함.
4) 학생 인터뷰 (STEAM 프로젝트 진행 중 어려웠던 부분과 좋았던 부분)
A 학생 : 친구들과 호흡하며 다리(교량)을 만들 때 가장 재미있어서 친구들과 힘에 대한 여러 가지 지식 을 쌓은 것 같다. 다른 STEAM 프로젝트를 또 진행하고 싶다.
B 학생 : 한정된 재료로 다리를 만드려다보니 머리가 복잡했지만 고민했던만큼 생각을 많이 해서 기억 에 많이 남을 것 같다. 친구들과 함께해서 즐거웠다.
C 학생 : 다리 설계 및 제작 시간이 많이 부족하여서 따로 과제로 제작하는 것이 불편하고 힘들었지만 힘 의 분산과 여러 가지 힘을 활용하는 방법에 대해서 친구들과 많이 고민해서 이해하는데 도움이 되었다.
D 학생 : 과학과 다른 과목을 같이 배울 수 있다는 것이 새로웠고 우리조가 설계한 다리가 하중테스트 에서 20kg을 버틴 것이 너무 신기했고 조원 모두 기분 좋았던 순간이었다. 다빈치 다리로 조립식 다 리를 만드는 과정도 재미있었다.
E 학생 : 팀원끼리 의견 충돌이 있을 때와 역할분담이 잘 되지 않을 때 어려움이 있었지만 과학을 더 쉽게 접할 수 있고 재미있게 수업을 할 수 있어서 기분이 좋았다. 특히 하중테스트를 하며 1kg씩 무 게를 올릴 때 두근두근했다.
나. STEAM 수업 전문가 검증
1) 전문가 검증가) 개발한 STEAM 프로그램에 대해 전문가 3인에게 검증 받음.
나) STEAM 교육 관련 박사과정 2명, 석사 1명
다) 리커트 5척도로 검증하여 4.76점 이상으로 프로그램 타당도와 신뢰성 검증.
라) 전문가 검증 결과
- STEAM 교육 목적은 4.80점으로 융합형 인재 양성 목적에 부합함.
- STEAM 교육 개념은 4.73점으로 학생 흥미 증진과 실생활 연계가 잘 되어 있음을 확인하였으며, 융합적 사고력 배양에 도움이 됨.
- STEAM 교육 활동준거는 4.74점으로 상황제시, 창의적설계, 감성적체험이 잘 이루어져 학생 참여 도와 활동중심의 교육이 이루어짐.
2) 점검 사항
다. STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천
1) 교사들이 현장에 쉽게 적용할 수 있도록 많은 노하우(know-how)를 공유 2) 매월 정기적으로 융합인재교육 프로그램 개발을 위한 연구모임 개최 3) 프로그램개발의 집중도 향상 및 효율을 높일 수 있도록 1박 2일 워크샵 참가
4) 프로그램 개선 및 적용을 위해 개발된 프로그램을 적용한 후 개선 후 재적용을 통한 효과성 검증
구 분 요 소 점검 사항 검증 결과
STEAM 교육
목적 융합인재양성 융합형 인재 양성 목적에 부합하는가? 4.80
STEAM 교육 개념
학생흥미증진 학생의 과학기술에 대한 흥미를 높이도록
설계되었는가? 4.60
실생활 연계 실생활 속의 과학기술과 연관된 주제인가? 4.90 융합적
사고력배양
학생의 융합적 사고력을 배양하도록 프로그
램이 설계되었는가? 4.70
STEAM 교육 활동준거
상황 제시
상황 제시 전체 프로그램을 아우르는 상황을 제시 하
였는가? 4.40
자연스러운 융합 과학과, 수학, 기술, 공학, 예술 교과가 자연
스럽게 융합되도록 설계되었는가? 4.60
창의 적 설계
학생 중심
교사 중심에서 벗어나 학생이 주도적으로 참여하는 학생 중심으로 프로그램이 설계되 었는가?
4.80
아이디어 발현 프로그램에 학생이 자신의 아이디어와 발상
을 반영할 수 있도록 설계 되었는가? 4.80 자기 문제화 학습자가 학습 주제를 자기 문제로 인식 하
도록 수업이 구성되었는가? 4.50
학습 방법 개념을 교사가 직접 설명하지 않고 활동을
통해 학생이 깨우치도록 설계되었는가? 4.70 과정, 활동 중심 결과보다 과정이, 지식보다는 활동이 강조되
었는가? 4.80
다양한 산출물 프로그램의 결과물이 모둠별 또는 개인별로
다르게 산출되도록 설계되었는가? 5.00
협력 학습 동료, 교사, 다양한 도구와의 협력 학습이
이루어 질 수 있도록 설계되었는가? 5.00
감성 적 체험
Hands-on 학생들이 직접적인 체험(hands-on)을 통하여
열정을 가지고 참여할 수 있도록 하는가? 4.90 성공의 경험 학습자가 성공을 경험하도록 설계되었는가? 4.80 새로운 도전 요소 연계된 활동에 새로운 도전을 하도록 설계
되었는가? 4.50
자기 평가 학습자가 스스로 활동을 평가할 수 있는 기
회를 제공하였는가? 4.80
5) 서울시교육청 및 한국과학창의재단 주최 STEAM협의회 및 워크숍 등에 적극 참여 가) 행사명 : 2018년 서울 STEAM 선도교사단 연수
나) 일정 : 2018.09.07.(금)~09.08(토) 1박 2일 다) 장소 : 블룸비스타(양평)
라) 내용 : 서울시교육청 STEAM교육 정책 소개 및 하반기 STEAM 입문연수 교육과정 연수 6) 개발한 프로그램의 검증을 위한 STEAM 교사연구회 협력연구수업 실시
가) 코티칭 STEAM 연구수업 실시
나) 단원 : 중학교 과학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램 다) 지도교사 : 장양배, 박승빈
라) 일시 및 장소 : 2018.09.27.(목) 5~6교시 생물실 마) 대상 : 5교시 – 1학년 7반, 6교시 - 1학년 4반
바) 강평회 일정 : 2019.09.27.(목) 16:10 / 참여교사 : 교장, 교감, 학력지원부장, 수업참관교사 전 원, 수업연구교사
7) 더펄논큰잔치 축제에서 STEAM 교육 성과전시회(작품전시 및 체험) 부스 운영 가) 행사명 : 2018년 더펄논큰잔치 STEAM 교육 성과전시회
나) 일정 : 2018.10.19.(금) 다) 장소 : 마포중학교 강당앞
다) 내용 : STEAM 교육 성과전시회로 학생들이 만든 교육작품 전시 및 조립식 다리(다빈치 다리) 만들기 체험
라. STEAM 수업 개발의 기대 효과 및 시사점
1) 교사연구회 운영을 통한 STEAM 교육의 인식제고
2) STEAM교육 프로그램 적용을 통한 학생들의 창의성 및 문제해결능력 신장
3) 다양한 교과 지식과 기술, 경험 등을 융합적으로 활용할 수 있는 능력 함양 및 실생활의 문제를 해 결하고 감성적 체험을 통해 자신감을 갖고 미래 사회를 준비할 수 있는 계기 마련
5. 결론 및 제언
마포중학교 STEAM 교사연구회는 ‘중학교 과학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램’’이라는 제 목으로 프로그램을 개발하기 위한 연구를 하였다.
본 프로그램은 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하 나의 프로젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함하도록 개발하여 만족도 조사 결과, 학생들이 ‘힘’ 이라는 단원을 유기적으로 연계하여 쉽게 이해했다는 것을 확인할 수 있었다. 수업 적용방법으로 ‘팀티칭을 통 한 융합교육 수업 및 협동학습 기반 프로젝트 학습’ 모형을 사용하여 STEAM 수업에서 친구들과 협력해 서 수행하는 학생중심 수업(모둠별 활동)이 많아 학생들이 긍정적인 반응이 나타났다. 다만 프로젝트 과 제를 진행 중 제작 시간이 부족하여 나머지 부분을 과제로 진행하는 과정에서 친구들 간 의견 조율과 역 할분담이 잘 안됨을 확인하였다. 이에 학생들이 수업시간에 과제를 충분히 진행할 수 있도록 수업시간과 수업내용을 조율하였다. 서로가 다른 특징의 교량을 설계하며 점말마을의 문제상황을 해결하는 과정에서 창의성과 문제해결력이 신장되었음을 인지하였고 자신이 설계한 다리가 하중테스트를 통과할 때 학생들 의 감성적 체험이 충족되었음을 확인하였다.
교사연구회 전체 회원 사이에도 교과 간 내용을 교류하고 함께 피드백하는 과정에서 교사연구회 참여 교사들의 STEAM 수업 역량이 증가했다고 생각한다. 추후 STEAM 교사 연구회 프로그램 발전을 위해 해당 주제를 개선하고 보완하여 내년 학생들에게도 적용할 계획이다.
6. 참고문헌
백윤수, 박현주, 김영민, 노석구, 박종윤, 이주연, 정진수, 최유현, 한혜숙 (2011). 우리나라 STEAM 교 육의 방향. 학습자중심교과교육연구, 11(4), 149-171.
백윤수, 박현주, 김영민, 노석구, 이주연, 정진수, 최유현, 한혜숙, 최종현 (2012). 융합인재교육 (STEAM) 실행 방향 정립을 위한 기초연구. 한국과학창의재단 연구보고 2012-12.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
중학교 과학(2) 여러 가지 힘 수업용 STEAM 프로그램 1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정
연번 차시 (중심과목)
2015 개정 교육과정 성취기준 (연계과목) 성취기준 영역
1 1~4/8 (과학)[9과02-01~04] 일상생활에서 물체에 작용하는 여러 가 지 힘의 특징을 설명할 수 있다.
(수학)(9수04-05]] 라. 기하 (기술)[중학교 1~3학년](4)기 술시스템
[9기가05-06] (5) 기술 활용
2 5~8/8 (기술)[9기가04-07] 건설 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해 결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.
(과학)[9 과 02] 나. 여러 가지 힘 (미술)[09미02-01] 표현
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 8차시)
차시 주요내용
1~4 /8
주제(단원)명 간단하면서 경제적인 다리를 만들어보자.(다리(교량)에서 과학의 원리 찾기)
Co 상황제시 :
하천에 다리를 만들려면 돈과 시간 등이 많이 필요하다는 문제점이 있다.
간단하게 만들 수 있으면서 경제적인 다리를 만들 수는 없을까?
CD 창의적 설계 :
* 현수교, 사장교, 단순교, 아치교 등의 다리(기술영역)에서 과학적 요소 찾기
* 교량에 들어가는 과학적 요소와 수학적 찾기 - 교량의 특징 조사(용어 정리)
- 교량의 기술적, 공학적 측면 특징 조사
- 교량에 적용되는 수학적 요소 찾기(수직 관계, 등변, 삼각형 구조, 무게 중심 등-사장교 등) - 교량의 장단점 조사(과학적 문제점 발견 – 하중 분산 방법, 탄성력이 적용된 부분,
마찰력과의 관계 찾기) - 문제점 발견 및 정리
- 개선 가능성 찾기(토의) - 과학요소를 적용한 문제해결 방안 찾기
ET 감성적 체험
* 나무젓가락 다리 만들기(사장교, 현수교, 거더교 등 선택)-(나무젓가락, 굵은 실, 글루건)
* 제작한 나무젓가락 다리 하중 실험하기(하중 실험 장치 준비) - 제작한 다리의 특징 발표하기
- 문제점 및 개선 가능성 찾기(안정성, 경제성 등) - 평가하기
5~8 /8
주제(단원)명 다빈치 다리를 뛰어넘는 조립식 다리를 만들어보자.
Co 상황제시 :
다빈치는 목재만을 이용하여 설치와 해체가 간편한 조립식 다리를 만들었다. 다빈치를 벤치 마킹해서 다른 유형의 조립식 다리를 만들어 다빈치를 뛰어넘어 보자.
CD 창의적 설계 :
* 다빈치 다리 만들기(아치형, 사장교 형태) - 제작과정에서 불편하거나 힘들었던 점 토의하기 - 다빈치 다리에서 개선 가능한 문제점 찾기 - 문제점 개선 방안에 대해 토의하기
* 다빈치 다리의 구조에 새로운 아이디어 적용하기 - 하중 분산을 통한 안정성 확보 방안
- 탄성력 적용을 통한 안정성 확보 방안 등 - 재료의 구성과 배치를 통한 경제성 확보 방안 등
* 새로운 형태의 조립식 다리 설계하기 - 다리의 외형 디자인하기(스케치) - 구상도 그리기
- 제작 순서 정하기 - 재료표 및 부품표 작성하기
ET 감성적 체험
* 새로운 형태의 조립식 다리 모형 만들기 - 제작한 작품 하중실험 하기
- 평가하기
- 문제점 및 개선방안 토의하기 - 개선방안 발표하기
[진로탐색] 토목공학 기술자
- 토목공학 기술자의 하는 일과 관련 대학교 학과, 흥미와 적성에 대해 알아보기 [평가하기] 자기평가/동료평가
- 활동지를 통해 학생들이 자기평가와 동료평가를 할 수 있도록 실시함.
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
중심과목 과학 학교급/학년(군) 중학교/1 학년
중심과목 성취기준 영역
[9 과 02] 나. 여러 가지 힘 중심과목 성취기준
[9 과 02-01~04] 일상생활에서 물체에 작용하는 여러 가지 힘의 특징을 설명할 수 있다.
주제(단원)명다리(교량)에서 과학의 원리 찾기 차시 1~4/8
학습목표
- 교량에 작용하는 여러 가지 힘의 특징을 설명할 수 있다.
- 교량의 종류와 특징을 조사하고 수학적 요소를 찾을 수 있다.
- 하중을 버티기 위한 힘의 분산 방법을 탐색하고 적용할 수 있다.
- 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소가 적용된 교량 설계하고 제작할 수 있다.
- 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 발표할 수 있다.
연계과목 수학, 기술 연계과목
성취기준 영역
[9수04-05]] 라. 기하
[9기가04-05] (4)기술시스템/건설기술 [9기가05-06] (5) 기술 활용
STEAM 요소
S 일상생활에서 물체에 작용하는 힘 찾기 T 토목구조물(교량) 종류와 특징
E 나무젓가락 다리 만들기(하중 실험) - 공학적 분석 A 구상한 아이디어 표현하기
M 삼각형의 성질, 선의 수직, 선의 등분
개발 의도
본 프로그램은 2015 개정 교육과정 분석을 통해 핵심역량을 신장하는 것을 목적으로 하며, 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하나의 프로젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함하도록 구성하였다. 또한 과학적 탐구능력과 문제해결력을 신장시키기 위해 스 스로 주제 탐구를 설계하는 과정을 넣었다. 개발한 프로그램이 학생들을 융합형 인재로 성장하는데 도 움을 줄 것이라 기대한다.
프로그램은 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하나의 프로젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함시키고, 과학적 탐구능력과 문제해결력을 신장시키기 위해 스스로 주제탐구를 설계하는 과정을 넣었다. 학생들이 스스로 문제를 파악하고 해결할 수 있도록 적용방법으로는 ‘팀티칭을 통한 융합교육수업 및 협동학습 기반 프로젝트 학습’ 모형을 사용하였다.
학생들은 문제상황으로 주어진 장마철마다 고립되는 ‘점말마을’을 보고, 경제적이면서도 간단하게 다리를 설계할 수 있는 방법을 고민하며 수업을 시작할 것이다. 이후 스마트 기기를 통해 다양한 교량의 수학적, 과학적 요소를 찾 아 교량을 설계하고 나무젓가락으로 하중을 버티는 다리를 구현해볼 것이다.
개발한 STEAM 프로그램이 학생들에게 다양한 교과 지식과 기술, 경험 등을 융합적으로 활용할 수 있는 능력 함 양하고 실생활의 문제를 해결할 수 있는 능력과 감성적 체험을 통해 자신감을 갖고 미래 사회를 준비할 수 있는 계 기를 마련하여 융합형 인재로 성장하길 기대해 본다.
STEAM 학습준거
상황 제시
상 황 제 시
* ‘점말마을’ 은 장마철이 되면 섬과 육지를 이어주는 교량이 없어 고립됨.
* 하천에 다리를 만들기 위해서는 돈과 시간 등이 많이 필요하다는 문제점이 있음.
* 간단하게 설계하고 경제적으로 다리를 만들 수는 없을까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
* 나무젓가락 다리 만들기-(나무젓가락, 굵은 실, 글루건)
* 제작한 나무젓가락 다리 하중 실험하기
감 성 적 체 험
* 현수교, 사장교, 단순교, 아치교 등의 다리(기술영역)에서 과학적 요소 찾기
* 교량에 들어가는 과학적 요소와 수학적 찾기
감성적 체험
[1차시]
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (8 분)
ⓈⓉ 현재 일상에서 발견할 수 있는 교량(다리)의 특징을 조사하고 교량이 만들어지 는 과정에서 적용되는 과학적 요소 찾기
Co 상황제시 :
하천에 다리를 만들려면 돈과 시간 등이 많이 필요하다는 문제점이 있다.
간단하게 만들 수 있으면서 경제적인 다리를 만들 수는 없을까?
＃ 월드컵대교 관련 기사와 뉴스 동영상 시청
Tip! 현재 공사가 진행 중인 월드컵대교의 예를 들면서 공사기간과 공사비용에 대해 짐작으로나마 다리를 만드는 과정에서 경제적인 면의 중요성에 대해 생각해볼 기회 를 제공한다.
월드컵대교 공사 사진
및 공사 관련 자료 https://w ww.youtub e.com/wat ch?v=g9Jjj OQ40So
전개 (25 분)
※ 교량(다리)의 종류와 특징을 조사하고 과학적 요소와 수학적 요소 찾기
ⓈⓉⓂ
CD 창의적 설계 : 교량의 유형과 특징에 대해 조사하고, 교량에 적용되는 힘과 관 련된 요소를 찾아 각 교량의 장단점에 대해 토의하도록 지도한다.
[활동지1] 조사하기
* 현수교, 사장교, 단순교, 아치교 등의 다리(기술영역)의 특징 조사하기 - 교량의 특징 조사(용어 정리)
- 교량의 기술적, 공학적 측면 특징 조사 [활동지 2] 토의하기
* 교량에 들어가는 과학적 요소와 수학적 요소 찾기
- 교량에 적용되는 수학적 요소 찾기(수직 관계, 등변, 삼각형 구조, 무게 중심 등-사장교 등)
- 교량의 장단점 조사(과학적 요소 발견 – 하중 분산 방법, 탄성력이 적용된 부분, 마찰력과의 관계 찾기)
- 장단점 발견 및 정리
[활동지3] 적용하기
- 나무젓가락을 이용하여 과학적 요소가 적용된 교량 설계 및 제작 준비 - 제작하고자하는 교량의 유형을 결정하고 간단한 스케치와 구상도 작성하기 - 나무젓가락 길이(20cm)를 감안하여 교량의 전체 모양 결정
(길이 40cm, 폭 8cm, 높이 제한 없음)
- 나무젓가락의 개수는 20 개로 제한하고, 교량의 상판은 제작하지 않음 - 나무젓가락 끼리 결합하기 위한 재료(글루건, 테이프, 실 등)와 기타
부자재(사장교나 현수교에 쓰일 줄 등) 선택은 자유롭게 결정
테블릿 PC 활동지 1
활동지 2
활동지 3
정리 (7 분)
＃ 교량에서 찾을 수 있는 과학적 요소와 수학적 요소를 발표시키고 정리한다.
＃ 나무젓가락 교량 제작을 위한 설계과정은 다음 차시까지 완성해 올 수 있도록 과제로 제시한다.
[2-3차시]
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (5 분)
ⓈⓉ 과학적 요소를 적용한 안전하고 튼튼한 나무젓가락 교량 제작하기
Co 상황제시 :
나무젓가락을 이용하여 안전하고 튼튼한 나무젓가락 교량을 만들려면 과학적 요소 를 어떻게 적용해야할까?
＃ 나무젓가락 교량이 큰 하중을 버틸 수 있도록 하기 위한 방법과 나무젓가락을 단단히 결합하기 위한 방법이 중요하다는 점을 강조
Tip! 1차시에 조사하고 토의한 내용을 바탕으로 교량 제작에 들어갈 수 있도록 안내 하고, 하중을 잘 이겨내기 위해서는 힘의 분산을 어떻게 시킬 것인가가 중요하다는 점을 강조한다.
준비물 점검 나무젓가락
글루건 굵은실 하중측정장
치 기타 팀별
준비물
전개 (50 분)
ⓈⓉ
CD 창의적 설계 :
* 하중을 이겨내기 위해 적용할 힘의 분산 방법이 적절한지 검토하도록 안내 - 교량 제작 중에 문제점이 발견되면 즉시 토의를 통해 문제점을 개선해 나가도록
지도(최초의 설계에 문제가 있을 시에 즉시 수정 가능)
- 하중이 가장 많이 작용하는 부분을 중점적으로 보강하여 힘의 분산이 잘 이루어 지도록 안내
* 나무젓가락을 연결하기 위한 재료의 선택이 적절한지 검토
- 나무젓가락 연결부분이 하중에 가장 취약하다는 점을 인식할 수 있도록 안내 - 교량의 형태가 전체적으로 균형이 잘 맞는 것이 안정감이 증가해 하중의 쏠림에
의한 교량붕괴 현상이 나타날 가능성이 줄어든다는 점을 안내
ET 감성적 체험
* 나무젓가락 교량 제작하기
- 팀별로 역할 분담을 통해 제작과정이 효율적으로 이루어지고 있는지 점검하도록 지도
도구 사용시 안전에 유의하도록
지도
정리 (15 분)
＃ 교량 제작과정에서 발견된 문제점과 문제를 어떤 방식으로 해결하였는지 발표한다.
- 교사는 필요 시 보충설명을 통해 문제해결방법을 찾는 데 도움을 주도록 한다.
＃ 다음 차시에는 하중테스트가 있음을 안내하고 테스트 방법에 대해 설명한다.
- 책상 2개를 30cm의 간격이 되도록 띄어놓고 그 위에 교량을 올려놓은 후 교량의 중심부에 추를 담는 바구니를 걸쳐놓고 추를 증가시키며 최대로 버티는 하중의 크기를 측정
[4차시]
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (5 분)
ⓈⓉⒺ 나무젓가락 교량(다리) 하중 측정하기
Co 상황제시 :
어떤 유형의 교량(다리)이 하중을 더 많이 버틸까?
＃ 팀별로 제작한 나무젓가락 교량의 특징을 정리하고 발표하도록 지도한다.
Tip! 지난 차시에서 조사한 교량의 유형별 장단점을 비교하면서 각 팀에서 제작한 교량의 장점과 단점을 다시 한 번 검토할 수 있는 시간을 제공한다.
활동지 4
전개 (35 분)
ⓈⓉⒺ
CD 창의적 설계 : [활동지4] 분석하기(동료평가)
* 각 팀별로 발표하는 내용을 신중하게 듣고 동료평가를 실시하도록 안내 - 각 팀별 발표를 들으면서 그 교량이 가지는 특성을 간단히 기록하고 발생될 수
있는 문제점을 팀별로 토의하여 활동지에 기록하도록 지도
- 각 팀별로 제작한 교량의 외관을 보고 힘의 분산 정도와 심미적 요소 등을 평가 하여 활동지에 평점 부여
ET 감성적 체험
* 나무젓가락 교량 하중 테스트
- 책상 2 개의 간격이 30cm 가 되도록 마주보게 배치한 후 교량을 중간에 걸치도록 설치한다.
- 하중 테스트 바구니를 교량의 중앙에 끼워 넣고 100g 추를 차례로 올려놓으면서 교량이 하중을 얼마나 버티는지 확인한다.
- 교량이 완전히 부러져 바닥에 떨어질 때 직전에 올려놓은 추의 질량을 최종값으로 인정한다.
- 파손된 교량을 회수하여 파손된 부분의 위치와 파손된 모양 등을 확인하고 파손된 이유에 대해 토의를 통해 분석한다.
- 팀별로 제작한 교량에 대해 개선할 점이나 보강할 방법에 대해 토의하고 활동지에 기록한다.
활동지 4
정리 (5 분)
＃ 팀별로 제작한 교량에 대해 개선할 점이나 보강할 부분에 대해 발표하도록 안내 - 교사는 필요 시 보충설명을 통해 문제해결방법을 찾는 데 도움을 주도록 한다.
＃ 다음 차시에는 조립식 다리로 잘 알려진 다빈치 다리에 대해 수업이 진행된다는 점을 안내하고, 다빈치 다리에 대해 간단히 설명한다.
중심과목 기술 학교급/학년(군) 중학교/1 학년
중심과목 성취기준 영역
[9 기가 04] (4)기술시스템/건설 기술 중심과목 성취기준
[9기가04-07] 건설 기술과 관련된 문제 를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색 하고 실현하며 평가한다.
주제(단원)명다빈치 다리를 뛰어넘는 조립식 다리를
만들어보자. 차시 5~8/8
학습목표
- 조립식 다리와 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.
- 하중을 버티기 위한 힘의 분산 방법을 탐색하고 적용할 수 있다.
- 조립식 다리에 작용하는 여러 가지 힘의 특징을 설명할 수 있다.
- 주어진 재료를 황요하여 조립식 다리를 설계하고 제작할 수 있다.
- 교량 제작과정에서 발견된 문제점을 인지하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 발표할 수 있다.
연계과목 과학, 공학, 미술 연계과목
성취기준 영역
[9 과 02] 나. 여러 가지 힘 [09 미 02-01] 표현
STEAM 요소
S 힘의 작용
T 건설 기술과 관련된 문제 분석과 창의적 탐색과 해결 방안 E 교량을 구성하는 부재의 모듈화(다빈치 다리 분석) - 공학적 분석 A 구상한 아이디어 표현하기
M
개발 의도
본 프로그램은 2015 개정 교육과정 분석을 통해 핵심역량을 신장하는 것을 목적으로 하며, 중학교 과학(2) ‘여러 가지 힘’ 단원의 전체를 해당 프로그램으로 대체할 수 있도록 하나의 프로젝트에 4가지 힘의 성질을 모두 포함하도록 구성하였다. 또한 과학적 탐구능력과 문제해결력을 신장시키기 위해 스 스로 주제 탐구를 설계하는 과정을 넣었다. 개발한 프로그램이 학생들을 융합형 인재로 성장하는데 도 움을 줄 것이라 기대한다.
이전 차시 학생들은 문제상황으로 주어진 장마철마다 고립되는 ‘점말마을’을 보고, 경제적이면서도 간단하게 다리 를 설계할 수 있는 방법을 고민하고 교량을 설계하고 제작하였다. 이번 차시는 간단하게 조립하고 해체할 수 있는 조립형 다리를 설계하고 제작할 것이다. 학생들은 주어진 재료를 활용하여 접착제 없이 조립식 다리를 설계해보며, 교량의 과학적 요소를 이용하여 하중을 버티는 다리를 구현해볼 것이다.
개발한 STEAM 프로그램이 학생들에게 다양한 교과 지식과 기술, 경험 등을 융합적으로 활용할 수 있는 능력 함 양하고 실생활의 문제를 해결할 수 있는 능력과 감성적 체험을 통해 자신감을 갖고 미래 사회를 준비할 수 있는 계 기를 마련하여 융합형 인재로 성장하길 기대해 본다.
STEAM 학습준거
상황 제시
상 황 제 시
* ‘점말마을’ 은 장마철이 되면 섬과 육지를 이어주는 교량이 없어 고립됨.
* 간단하게 조립하고 해체할 수 있는 다리를 만들 수는 없을까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
* 제작한 조립식다리 하중 실험하기
* 제작한 조립식 다리 개선점 파악하기
* [진로탐색] 토목공학 기술자 알아보기
* [평가하기] 자기평가 동료평가 하기
감 성 적 체 험
* 다빈치 다리 모형 체험하기
* 조립식 다리 구현을 위한 브레인스토밍
* 새로운 형태의 조립식 다리용 모듈 설계 및 제작하기
감성적 체험
[5-7차시]
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (15 분)
ⓈⓉ◯E 교량을 구성하는 보(세로 거더와 가로 거더)와 상판을 연결하거나 사장교의 주탑에 해당하는 기둥을 연결하기 위한 조립식 블록을 구상하여 조립식 다리의 길 이와 폭을 간단하게 확장하고 축소할 수 있는 조립식 모듈 제작하기
Co 상황제시 :
다빈치는 목재만을 이용하여 설치와 해체가 간편한 조립식 다리를 만들었다. 다빈 치를 벤치마킹해서 다른 유형의 조립식 다리를 만들어 다빈치를 뛰어넘어 보자.
[활동지5] 체험하기
＃ 볼트와 너트 같은 고정형 결합용 부속품을 쓰지 않고 다리를 조립해보자!
Tip! 교량을 구성하는 요소 중에 가장 중점으로 생각해야할 부분이 보를 구성하는 방식(교량의 유형)에 있다는 점을 강조하고, 보가 하중을 잘 분산시켜 균형감 있고, 안정성이 있는 교량을 만들기 위한 방법에 대해 충분히 토의하도록 지도한다.
다빈치가 제안한 조립식 다리처럼 접착제나 끈, 테이프 등을 사용하지 않고 교량에 쓰일 부재를 연결할 수 있는 다양한 방법에 대해 생각해 볼 수 있도록 안내한다.(레 고 블럭, 조립형 장난감, 목조 건물의 맞춤식 조립 방법 등을 제시)
활동지 5 읽기자료 5
전개 (105 분)
※ 조립식 교량(다리)을 제작에 필요한 부재와 연결 장치를 블록으로 모듈화 하기
ⓈⓉ◯E
CD 창의적 설계 :
[활동지6] 토의하기
* 다빈치 다리 모형 체험하기(아치형)
- 아이스바 모양의 스틱으로 다빈치 다리 만들기 : 다빈치 다리의 원리파악하기 - 학습교재용으로 제작된 모형을 이용하여 다빈치 다리 설치하기 : 다빈치 다리
원리이해하기
- 다빈치 다리에서 발견되는 하중분산 방법에 대해 토의하기 - 다빈치 다리에서 개선 가능한 문제점 찾기 및 개선 방안 토의하기
[활동지7] 협력하기
* 다빈치 다리의 구조를 참고로 새로운 아이디어가 적용된 조립식 다리 구상하기 - 하중 분산을 통한 안정성 확보 방안
- 교량에 사용되는 부재들의 연결 방법(조립식) 구상하기
(교량의 보를 구성하는 세로거더와 가로거더 연결 방법, 사장교의 주탑과 보와의 연결 방법) - 부재들의 크기를 규격화하고 결합을 위한 연결용 부품을 블록화 하여 모듈의
연속적인 연결을 통한 교량의 길이와 폭을 확장할 수 있는 방안 등 (레고 블록이나 조립식 로봇의 부품과 같은 연결 방법 참고)
* 새로운 형태의 조립식 다리용 모듈 설계하기 - 다리의 외형 디자인하기(스케치)
- 구상도 그리기
- 모듈에 들어갈 각 부품의 실제 모양과 크기를 결정하고 부품도 그리기 - 각 부재와 연결용 블록과의 조립 방법 설명을 위한 조립도 그리기 - 재료표 및 부품표 작성하기
* 제작할 조립식 다리 모형 제작하기
활동지 6 읽기자료 7
아이스 바 모양의
스틱 학습교재용
다빈치 다리 set
활동지 7 읽기자료 6
준비물 점검 우드락 (나무젓가락)
기타 팀별 준비물 줄, 집게 등
- 재료 가공이 쉬운 우드락이나 나무젓가락 등을 이용하여 조립식 다리 모형 제작하기
정리 (15 분)
ET 감성적 체험
- 모형 제작과정에서 발생하는 문제점 파악하고 개선점 토의하기 - 목재를 이용한 조립식 다리 축소 모형 제작하기(추가 활동)
＃ 교량 제작과정에서 발견된 문제점과 문제를 어떤 방식으로 해결하였는지 발표한다.
- 교사는 필요 시 보충설명을 통해 문제해결방법을 찾는 데 도움을 주도록 한다.
＃ 다음 차시에는 하중테스트가 있음을 안내하고 테스트 방법에 대해 설명한다.
- 책상 2개를 30cm의 간격이 되도록 띄어놓고 그 위에 교량을 올려놓은 후 교량의 중심부에 추를 담는 바구니를 걸쳐놓고 추를 증가시키며 최대로 버티는 하중의 크기를 측정
활동지 8
[8차시]
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 (5 분)
ⓈⓉⒺ 새로운 형태의 조립식 다리 모형의 외형과 안정성 및 하중 테스트
Co 상황제시 :
어떤 유형의 교량(다리)이 하중을 더 많이 버틸까?
＃ 팀별로 제작한 조립식 다리의 특징을 정리하고 발표하도록 지도한다.
활동지 8
전개 (25 분)
ⓈⓉⒺ
ET 감성적 체험 [활동지8] 토의하기
* 새로운 형태의 조립식 다리 모형의 외형과 안정성 및 하중 테스트
- 책상 2 개의 간격이 40cm 가 되도록 마주보게 배치한 후 조립한 교량을 중간에 걸치도록 설치한다.
- 하중 테스트 바구니를 교량의 중앙에 끼워 넣고 50g 과 100g 추를 차례로 올려놓으면서 교량이 하중을 얼마나 버티는지 확인한다.
- 교량이 완전히 부러져 바닥에 떨어질 때 직전에 올려놓은 추의 질량을 최종값으로 인정한다.
- 파손된 교량을 회수하여 파손된 부분의 위치와 파손된 모양 등을 확인하고 파손된 이유에 대해 토의를 통해 분석한다.
- 팀별로 제작한 교량에 대해 개선할 점이나 보강할 방법에 대해 토의하고 활동지에 기록한다.
- 문제점 및 개선 가능성 찾기 부재의 연결이 안정적인가?
연결 방법을 바꾼다면?
하중의 분산은 적절히 이루어졌는가?
- 제작한 교량 장단점 정리하기
＃ 팀별로 제작한 교량에 대해 개선할 점이나 보강할 부분에 대해 발표하도록 안내 - 교사는 필요 시 보충설명을 통해 문제해결방법을 찾는 데 도움을 주도록 한다.
활동지 8
정리 (15 분)
[진로탐색] 토목공학 기술자
교사는 토목공학 기술자의 하는 일과 관련 대학교 학과, 흥미와 적성에 대해 학생들에게 설명함.
학생들은 토목공학 기술자가 하는 일에 대해 생각해보고, 준비하는 과정에 대해 생각해보고 활동지를 작성함.
[평가하기] 자기평가/동료평가
교사는 [평가하기] 활동지를 통해 학생들이 자기평가와 동료평가를 할 수 있도록 지도함.
학생들은 [평가하기] 활동지를 통해 스스로 평가함.
[활동지4] 분석하기(동료평가)
진로탐색 활동지
평가하기 활동지
4. 학생활동지 및 교사참고자료
간단하게 조립하고 해체가 가능한 다리 만들기
팀명
학년반 1학년 반
번호 이름 번호 이름
팀장 팀원1
번호 이름 번호 이름
팀원2 팀원3
간단하게 조립해서 쓸 수 있는 다리를 만들 수 없을까?
【문제 상황 제시】
한강을 가로지르는 다리를 만드는데 공사비가 얼마나 들까?
우리 학교에서 가까운 곳인 가양대교와 성산대교 사이에서 공사 중에 있는 월드컵대교는 2010년 착공 되어 2021년에 준공될 예정이라고 한다. 전체 길이는 1.98km(왕복6차로)이고 총 사업비는 2590억원이라 고 한다. 자동차는 이용할 수 없는 총 길이가 50m 밖에 안되는 작은 하천의 다리도 제작비가 수 억원 이 들어간다고 한다.
다음 글을 읽어보고 경제적이며 간단하게 조립하고 해체해서 사용할 수 있는 다리를 만들기 위한 방법 에 대해 연구해 보자.
* 볼트와 너트 같이 결합용 부속품을 쓰지 않고 다리를 조립할 수 있는 방법
* 중력, 탄성력, 마찰력, 부력 등의 과학적 요소를 적용하여 조립과 해체가 쉬운 다리를 설계할 것
【읽기자료】
‘점말마을’ 장마철 안전불감증 여전
섬-육지 교량 없이 임시교량뿐 피서객들 매년 고립·구조 반복 시, 형평성 우려 교량 설치 난색
<강원도민일보 박성준 기자 2017년 07월 17일>
육지 속 섬마을로 불리는 원주 지정면 간현리 ‘점말마을’이 매년 장마철만 되면 피서객들이 고립되 는 사태가 발생, 안전 불감증이 되풀이 되고 있다.
16일 오전 9시32분쯤 점말마을에서 펜션 투숙객 150여명이 강물이 불어나 교량이 잠기면서 출동한 119구조대에 의해 구조됐다.
앞서 지난 2일 이 마을에서는 펜션 투숙객 25명이 고립됐다가 1시간 10여분만에 구조됐다.
이 마을에서 이같은 사고가 매년 되풀이되는 이유는 섬과 육지를 잇는 교량이 없기 때문이다.
주민 12가구는 대부분 펜션을 운영하고 있고 임시교량을 설치했지만 장마철만 되면 물에 잠기면서 펜션을 찾은 관광객들이 고립되는 사고가 반복되고 있다.
주민들은 원주시에 지속적으로 민원을 제기해 조립식 교량 설치를 요구하고 있지만 시는 세대수에 비해 투입예산이 많고 타 지역과 형평성에 어긋난다며 난색을 표하고 있다.
특히 시는 장마철만 되면 펜션 투숙객들에게 고립위기를 알리고 있지만 여전히 개선되지 않고 있다.
소방서 관계자는 “장마철만 되면 반복적으로 접수되는 신고를 받고 출동, 소방인력이 부족해 다른 비 상상황에 대처하기 힘들다”고 말했다.
▲ 16일 점말마을에서 펜션 투숙객들이 불어난 강물에 고립되면서 구급대원들에 의해 구조되고 있다.
학생활동지 1 교량(다리)의 종류와 특징 정보수집
학번 이름
종류 그림 특징 장점 단점 예
(교량 이름)
단순교
트러스교
라멘교
아치교
현수교
사장교
학생활동지 2 교량(다리)에서 과학과 수학적 요소 찾기 토의하기
학번 이름
■ 앞에서 수집한 교량의 그림정보를 보고, 수업에서 배운 힘의 종류와 관련하여 교량에 적용 되었다고 생각되는 부분과 내용을 찾아 쓰고 그 이유를 정리해 보세요.
구분 교량의 종류 발견한 부분 내용 이유
중력
탄성력
마찰력
부력
■ 앞에서 수집한 교량의 구조 그림을 참고로 수학적 요소와 관련되어 있다고 생각되는 부분 과 내용을 찾아 쓰고 그 부분이 적용된 이유를 정리해 보세요.
구분 교량의 종류 발견한 부분 수학적 요소 적용된 이유
1
2
3
4
학생활동지 3 튼튼하고 안전한 나무젓가락 다리 설계하기 협력활동
학번 이름
■ 나무젓가락(20cm)을 이용해 길이는 35cm~45cm, 폭 10cm이내이고 높이는 제한이 없으며, 튼튼한 다리를 만들기 위한 부속재료(줄 또는 굵은 실, 기둥용 막대, 결합용 재료 등)는 자 유롭게 선택하여 나무젓가락 다리를 설계해 보세요.
<조건>
1. 두 가닥이 붙어있는 나무젓가락을 분리해서 이용해도 됨.
2. 두 가닥이 붙어 있는 나무젓가락을 2개 이상 묶어서 제작할 수 없음.
3. 나무젓가락이 가지고 있는 탄성력과 수직으로 작용하는 압력에 버티는 정도, 마찰력 등을 생각하 여 설계할 것
4. 사용하는 나무젓가락의 개수는 20개를 넘지 말 것
5. 나무젓가락과 결합용 도구인 글루건은 기본적으로 수업시간에 제공됨.
6. 기타 필요한 부속재료는 팀별로 준비해오는 것을 원칙으로 함.
■ 어떤 유형의 교량을 참고로 나무젓가락 다리를 만들 것인지 토의하고, 선정된 아이디어를 정리해 보세요.
구분 내용 구분 내용
교량 유형 필요한 공구
크기
길이필요한 재료
폭높이
결합 방법 및
재료
가장 중요하게 생각하는 부분
기타 기타
■ 선정된 아이디어에 맞도록 나무젓가락 다리의 전체적인 형태를 간단히 스케치 보세요.
■ 선정된 아이디어를 토대로 나무젓가락 다리 제작을 위한 구상도를 그려 보세요.
(등각투상법으로 그릴 것, 구상도에 실제 치수를 정확히 기록할 것, 축척으로 그릴 것)
■ 나무젓가락 다리 제작에 필요한 재료의 양과 공구를 정확히 기록하세요.
재료 및 공구 규격(크기) 수량 비고(준비할 사람)
■ 나무젓가락 다리 제작과정이 잘 드러나도록 공정표를 작성하세요.
순서 작업명 세부 공정 사용 공구 소요시간
1 제작 준비
2 마름질
3 가공하기
4 조립하기
5 평가하기
학생활동지 4 어떤 다리가 하중을 더 많이 버텨낼까? 협업활동
학번 이름
■ 자신의 팀이 제작한 교량의 하중 분산 방법과 장단점을 정리해 보세요.
팀명 교량 유형 하중 분산 방법 장점 예상 단점 평점
■ 다른 팀이 제작한 교량에 대한 발표를 듣고 하중 분산 방법과 장단점을 정리해 보세요.
팀명 교량 유형 하중 분산 방법 장점 예상 단점 평점
1 ( )
2 ( )
3 ( )
4 ( )
■ 교량 하중 테스트 후 개선할 점이나 보강하면 좋겠다고 생각되는 점에 대해 정리해 보세요.
파손된 부분 최종 측정된
하중값 발견된 문제점 개선 또는 보강할 점
학생활동지 5 다빈치 다리 벤치마킹 하기 협력활동
■ 볼트와 너트 같은 고정형 결합용 부속품을 쓰지 않고 다리를 조립해보자!
아래의 예시는 다빈치 다리 만드는 과정을 설명한 것이다. 다빈치 다리는 볼트와 너트와 같이 고정형 결합용 부속품을 사용하지 않고 조립할 수 있는 다리이다. 우리는 다빈치 다리를 제작해보고 다빈치 다 리의 문제점을 파악해 보자.
다빈치 다리 만들기
레오나르도 다빈치가 전쟁 중에 이동을 용이하게 하기 위해 고안했다는 조립 해체 가능한 다리구조입니 다. 나무 막대를 이용해 아치형 다리를 만들어내 보고 구조를 알고, 지탱하는 힘을 알아볼 수 있습니다.
1. 규칙을 정하자!
① 접착제, 테이프, 노끈은 전혀 사용하지 않는다.
② 아래 그림처럼 윤곽만 주고 구조물 엮는 방법을 알려주지 않는다.
③ 완성한 구조물 위에 일정한 무거운 물체를 올려서 버티거나, 흔들어 무너지지 않는 구조를 완성 해 내면 튼튼한 구조물 설계로 평가 한다.
2. 나무막대를 어떻게 쌓고 연결하면 오른쪽 그림과 같은 모양의 튼 튼한 구조를 만들 수 있을지 설계해 본다.
3. 그림을 보고도 구조물을 만들어내지 못한 조는 다른 조가 설계 하는 구조물을 통해서나 선생님에게서 힌트를 얻는다.
4. 완성된 구조물이 제대로 엮어졌는지 외부를 살펴보고, 구조물 위에 추(책 등 부서지지 않을 물품 사용)를 올려 지탱한 무게를 측정하며, 무너졌을 때 떨어지는 추 또는 물품에 다치지 않도록 안전에 주의하여 실행한다.
<참고 : 2016 제3회 세종수학축제 MATH TOUR>
학생활동지 6 다빈치 다리 모형 체험하기 협력활동
학번 이름
■ 조립해 놓은 다빈치 다리의 모형을 관찰하고 아이스 바 모양의 스틱을 이용하여 다빈치 다 리를 만들어 보세요. 완성되면 다리의 모양을 간단히 그려보고 특징을 정리해 보세요.
<다리의 모양> <특징>
■ 제공된 학습교재용 다빈치 다리를 조립해 보고 다리 위에 2kg짜리 무게 추를 천천히 올리 면서 하중을 측정해 보세요. 최대로 버틸 수 있는 하중은 대략 얼마나 될까요?
( )kg
■ 다빈치 다리 모형으로 다빈치 다리를 체험을 해보고, 다리가 무너지지 않고 모양을 유지하 는 원리(보를 이루는 부재들의 연결 방법)와 하중을 분산시키는 원리에 대해 정리해 보세요.
<모양 유지 원리> <하중 분산 원리>
학생활동지 7 튼튼하고 안전한 조립식 다리 설계하기 협력활동
우드락(또는 나무젓가락)을 이용하여 교량의 길이는 35cm~45cm, 폭은 10cm이내이고 높이 는 제한이 없는, 안정적이고 튼튼한 다리를 만들기 위한 조립식 다리를 설계해 보세요. 부속재 료(줄 또는 굵은 실, 기둥용 막대의 재질 등)는 자유롭게 선택할 수 있습니다.
<조건>
1. 보를 제작하는 데 쓰이는 부재의 길이는 최대 30cm를 넘지 않아야 하며, 두께는 3cm를 넘지 않 도록 할 것.
2. 반드시 고정형 결합부품(접착체, 볼트와 너트, 테이프, 줄로 단단히 묶기)을 쓰지 않아야 하며, 모 든 부품은 조립식으로 조립과 해체가 쉬워야 함.
(핀, 집게, 홈을 이용한 끼워 맞춤, 줄을 이용한 매듭 등은 허용)
3. 제작하고자 하는 교량의 유형이 사장교 형태일 경우 줄(철사)를 사용할 수 있으나 줄의 끝부분은 반드시 고리 형태로 만들어 교량의 각 부재에 걸어서 고정할 수 있도록 할 것.
4. 연결 부품은 블록형태로 디자인하여 연속적으로 연결할 수 있어 보의 길이와 폭의 길이를 조절 이 가능하도록 할 것.
5. 기타 필요한 부속재료는 팀별로 준비해오는 것을 원칙으로 함.
■ 어떤 유형의 교량을 참고로 조립식 다리를 만들 것인지 토의하고, 선정된 아이디어를 간단 히 스케치해 보세요.
■ 조립식 다리의 견고함과 안정감을 높이기 위해 각 부재의 연결을 어떤 방식으로 할 것인지 토의 하고, 연결 방식을 결정한 이유를 간단히 정리해 보세요.
■ 조립식 다리 제작에 필요한 각 부재의 재원을 결정하고 간단히 그림으로 그려 보세요.
구분 내용 구분 내용
교량 유형 필요한 부품의
총 개수
막대형 블록1
길이 막대형블록1
모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
막대형 블록2
길이 막대형블록2
모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
막대형 블록3
길이 막대형블록3
모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
연결형 블록1
길이 연결형블록1
모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
연결형 블록2
길이 연결형블록2
모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
길이 ( ) 모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
길이 ( ) 모양
( ) 개 폭
두께 (개수)
■ 결정한 각 블록의 부품도를 등각투상법이나 정투상법으로 그려 보세요.
(모양과 크기를 정확하게 그리고 각 부품의 실제 치수를 기록할 것, 축척으로 그릴 것)
