2020 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
2020. 11.
회룡초등학교
“이 보고서는 2020년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문··· 1
2. 서론··· 1
3. 연구 수행 내용 및 결과··· 1
가. 연구 수행 내용 ··· 5
나. 연구 수행 결과 ··· 7
4. 결론 및 제언 ··· 7
[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물 부록2. 학생 사진
부록3. 회의록
1. 요약문
최근 코로나로 감염에 대한 두려움과 심리적 피로도가 높아졌다. 신체 건강상태를 알려주는 산소포화 도와 체온을 이용하여 미리 건강상태를 알 수 있다면 어떨까? 인공지능기술이 일상 생활의 많은 곳에서 활용되고 있는 첨단사회에서 학생들이 데이터를 수집하고, 분석하는 과정을 통해 인공지능에 대한 기초 적인 지식을 습득하고, 수집한 데이터를 기반으로 “AI로 알아보는 건강지킴이”를 만들어 보도록 하였 다.
2. 서론
최근 전 세계는 인공지능(intelligence: AI)의 급속한 발전으로 인해 산업과 사회, 인간의 삶 전반에 걸친 거대한 패러다임의 변화를 맞이하고 있으며, 세계 주요 국가들은 AI 핵심 기술의 주도권을 선점하 고, AI를 통한 자국의 현안 및 문제들을 해결하기 위한 국가적 노력을 앞다투어 추진하고 있다. 한국의 경우, 2019년 12월 17일 대통령 주재로 열린 제53회 국무회의를 통해 과학기술정보통신부를 비롯한 전 부처가 참여하여 마련한 「인공지능 국가전략」을 발표하였으며, ‘AI 인재양성 및 전 국민 교육’을 목표로 ‘초·중등 소프트웨어(SW) 및 AI 필수 교육’,‘전 국민의 AI 평생 교육’ 전략을 제시하고, 이와 관련하여 초·중등학교 교원 양성 및 임용과정에서부터 SW와 AI 관련 과목을 이수할 수 있도록 지 원하는 방안 등을 제시하였다.
초·중등학교에서의 AI 교육 활용뿐 아니라, AI 문해력 교육의 중요성에 관한 인식 및 정책적 지원에 도 불구하고, 관련 교육과정 구성 및 환경 조성은 아직 미흡한 실정이다. 이 STEAM교육 프로그램은 데 이터를 수집, 분석하는 과정을 통해 인공지능에 대한 이해를 높이고, 실제 일상에 적용 가능한 “AI로 알아보는 건강지킴이”를 만들어 봄으로써 첨단기술 속 인공지능에 대해 학습하도록 하였다.
▷ 수학, 과학, 정보 진흥법의 취지에 부합하는 융합인재교육 프로그램을 개발 및 적용한다.
▷ AI교육과 수학 및 과학 교육활동을 융합하는 STEAM 프로그램을 개발 및 확산한다.
▷ STEAM 워크숍을 개최하여 개발된 콘텐츠를 확산시킨다.
3. 연구 수행 내용
[과제 1 : STEAM 프로그램 개발‧적용]
STEAM 프로그램
구분
프로그램명 AI로 알아보는 건강지킴이
학교급 초등학교 대상 학년(군) 5~6학년
중심과목 과학 중심과목
성취기준 영역
[6과01-01] 일상생활에서 온도를 어림하거나 측정하 는 사례를 조사하고 정확한 온도 측정이 필요한 이 유를 설명할 수 있다.
연계과목 수학
실과
연계과목 성취기준 영역
[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하여 목적에 맞 는 그래프로 나타내고, 그래프를 해석할 수 있다.
[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)+수학(1)+창체(1)
개발적용
현황 3차시 개발 완료
[과제 2 : STEAM 프로그램 적용 성과 연구 및 조사]
가. 프로그램 만족도 조사
학생의 교육 만족도를 평가하기 위해 본 연구개발에서는 CIPP모형(Context, Input, Process, Product Model)을 적용하고자 한다. CIPP모형은 교육의 과정을 포함하는 교육 전 과정에 대한 체제론 적 평가가 가능하며, 순차적인 교육의 성과를 측정하는데 유용한 방법이다. [표1]은 CIPP 모형에 의해 개발 수업 후 학생들이 교육 프로그램 평가 설문이다.
세부
항목 설문내용 아주
그렇다 그렇다 보통 이다
그렇지 않다
전혀 그렇지
않다 소계
(%)
투입 영역
1. 수업내용의 구성내용은 흥미로웠는가?
2. 교육 내용의 난이도(수준)는 적절했는가?
3. 활동 방법을 충분히 안내받았는가?
과정 영역
4. 교과활동은 흥미롭고 유익하였는가?
5. 교육 활동을 통해 창의적이고 스스로 문제를 해결하 는 능력이 향상되었는가?
6. 교육활동이 다른 활동과 차별화 되어 유익하였는가?
7. 내가 과학, 수학 시간에 배운 내용이 학습에 도움이 되었는가?
8. 수업 분위기가 자유롭고 허용적 이며, 활발한 토론, 다양한 활동이 보장되었는가?
9. 과제, 연구수행활동, 학습의 양이 적절하였는가?
10. 다양한 조별 활동을 통해 친구들과 활발하게 의견 을 교환하였는가?
11. 수업을 받고 난 후 미래에 과학자가 될 것 같은 생 각이 드는가?
12. 수업 활동을 잘하기 위해 다양한 과학, 수학 등 여 러 과목에 배운 내용이 필요한가?
산출 영역
13. 내가 만든 수업결과물과 활동지를 잘 정리하고 있는가?
13. 수업이 끝난 후에 수업결과에 대해 평가 및 반성을 위한 시간이 있는가?
15. 산출물제작(연구수행) 활동은 나의 탐구능력 신장 에 도움을 주고 있는가?
16. 산출물제작(연구수행) 및 발표활동을 통하여 스스 로 공부하는 능력이 길러졌는가?
17. 나의 학습활동에 대하여 선생님들의 평가가 다른 학습활동에 대한 평가와 차별이 되었는가?
[표 1] 학생 프로그램 만족도 평가 문항
나. STEAM 수업 효과성 평가 계획
구분 내용
적용학년 방과후 STEAM 동아리 적용방법 사전, 사후 검사
적용학교 방과 후 STEAM 동아리 20명 교육프로그램 적용 10월 1일 ~ 11월 30일
사전검사 9월 4주
사후검사 11월 2주
평가문항 STEAM 교육 지원연구단’태도검사와 만족도 조사양식으로 실시
[과제 3 : STEAM 협력연구 강화 및 확산 실천]
가. STEAM 선도학교 연계 워크샵 운영 계획
3. 연구 수행 결과
구분 수행 계획
교수학습지도안 개발 차시 총 3 차시 개발
수업 적용 일정 2020. 10. 1. ~ 2020. 11. 30.
(STEAM 수업)수혜학생 수 회룡초등학교 20명 예정
학생 태도검사 사전검사 9월 4주
사후검사 11월 2주
학생 및 교사 만족도조사 10월 19일 예정
교사연구회 STEAM 행사 개최 11월 11일 워크샵 개최
논문 또는 학술대회 해당 없음
특허출원(국외, 국내) 해당 없음
4. 결론 및 제언
o 코로나로 인해 학생 등교에 제약이 있어 충분한 프로그램 적용에 대한 어려움이 큼
o 교사연구회 교사 모임도 거리두기로 어려움이 있었으나 각 해당교에서 프로그램 적용을 하여 개 발 프로그램의 다수 학교 적용을 통한 현장 적합성 검증 능력 제고
o 교내 STEAM교사연구회 및 STEAM선도학교 운영 담당자와 관내 관심있는 교사를 대상으로 STEAM 워크숍을 개최하여 STEAM교육에 대한 교원 역량 함양
구분 대상 연수내용 방법 시
기 장소
1차 워크 샵
경 기 도 교 육 청 관내 교 원
• STEAM 형 교실을 활용한 교과 내 STEAM 수업
• STEAM 수업 나눔 사례
• 공문 발송하여 선착순으로 참가
11
월 회룡초
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
초등학교 과학 5-6학년 AI로 알아보는 건강지킴이
1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정
연번 차시 (중심과목)
2015 개정 교육과정 성취기준
(연계과목) 성취기준 영역
1 1/3 [6과01-01] 일상생활에서 온도를 어림하거나 측정하는 사례를 조사하
고 정확한 온도 측정이 필요한 이유를 설명할 수 있다. 과학
2 2/3 [6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하여 목적에 맞는 그래프로 나타내
고, 그래프를 해석할 수 있다. 수학
3 3/3 [6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램을 만드는 과정에서 순차, 선택,
반복 등의 구조를 이해한다. 실과
1-1. 교육과정 재구성표
차시 과학 수학 실과(SW)
1/3
[STEAM 1/3]
몸 상태를 알아보기 위해 측정 할 수 있는 요소를 생각해보고, 산소포화도 센서와 온도 감지 센서의 원리를 알고 실험해 보 기
2/3
[STEAM 2/3]
산소포화도 센서와 온도 센서를 이용하여 여러 사람의 산소포화 도 및 맥박, 체온 값을 모아 자 료 분석하기
3/3
[STEAM 3/3]
수집한 산소포화도 센서 측정값 과 온도 센서 값을 분석하여 네 트워크 프로그래밍을 활용한 건 강지킴이 만들기
2. STEAM 프로그램 총괄표(총 3차시)
차시 주요내용
1/3
주제(단원)명 몸 상태를 알아보기 위해 측정할 수 있는 요소를 생각해보고, 산소포화도 센서와 온도 감지 센서의 원리를 알고 실험해 보기
문제 상황 제시하기
Co 몸이 아팠을 때의 증상에 대해 자유롭게 이야기를 나눈다.
건강할 때와 아플 때 신체에 나타나는 이상 반응 알아보기
CD 건강 상태에 따른 맥박과 체온의 변화를 자신의 경험에 근거하여 발표하게 한다.
몸의 상태를 척도로 나타내기
CD 자신이 느끼는 몸의 건강 상태 정도를 5단계 척도로 나타낸다.
센서를 이용하여 신체 상태를 측정하는 실험하기
CD 산소포화도 센서를 아두이노에 연결하는 방법을 알아본다.
CD 비접촉식 장거리 센서를 아두이노에 연결하는 방법을 알아본다.
CD 산소포화도 센서와 장거리 온도센서를 연결하고 예제를 이용하여 산소포화도와 맥박 및 체온을 측정한다.
AI를 활용한 스마트 헬스케어 기술 알아보기
ET 맥박과 체온 외에 건강 상태를 알려주는 요소를 더 찾아보자.
2/3
주제(단원) 명
산소포화도 센서와 온도 센서를 이용하여 여러 사람의 산소포화도 및 맥박, 체온 값을 모아 자료 분석하기
산소포화도 센서와 온도 감지 센서를 이용하여 학생들의 산호포화도 및 맥박, 체온 측정값을 모으기
Co 센서를 활용하여 맥박과 체온을 측정하기 위한 장치와 프로그램을 설계하여 가급적 많 은 측정값을 모은다.
수집한 데이터 값을 분석하기
CD 수집한 데이터를 적절한 표와 그래프로 나타낸다.
CD 산소포화도 센서와 온도 감지 센서 데이터를 분석하여 어떤 경우가 건강 상태 이상에 해당이 되는지 알아본다.
센서를 활용하여 건강상태를 알려주는 예를 찾아보기
ET 건강상태를 바로 알려주는 물건을 생활 속에서 찾아보자.
3/3
주제(단원) 명
수집한 산소포화도 센서 측정값과 온도 센서 값을 분석하여 네트워크 프로그래밍 을 활용한 건강지킴이 만들기
건강지킴이 장치 설계하기
Co 수집된 데이터값을 활용하여 건강지킴이를 프로그램을 설계한다.
분석된 데이터를 이용하여 프로그래밍하기
Co 프로그래밍으로 특정 센서값이 입력되었을 때 즉시 디스플레이에 건강 상태 메시지를 표시하고 이상이 있을 경우 보건실로 알림 메시지 보낸다.
[과정중심평가] 건강지킴이 장치 테스트하기
ET 장치를 등굣길과 하굣길 복도에 설치하고, 건강 상태가 좋지 않은 학생을 잘 감지하는 지 확인해 본다.
3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
중심과목 과학 학교급/학년(군) 초등 5~6 학년군
중심과목 성취기준
영역
온도와 열 중심과목
성취기준
[6과07-01] 일상생활에서 물체의 운동 을 관찰하여 속력을 정성적으로 비교 할 수 있다.
주제(단원)명 AI로 알아보는 건강지킴이 차시 1/3
학습목표 건강 상태를 미리 예측할 수 있는 요소를 알아보고, 산소포화도 센서와 온도 감지 센서를 활용 하여 실험을 할 수 있다.
연계과목 수학, 실과 연계과목
성취기준 영역
[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하 여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그 래프를 해석할 수 있다.
6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램 을 만드는 과정에서 순차, 선택, 반복 등의 구조를 이해한다.
STEAM 요소
S 몸의 상태에 따른 맥박과 체온의 변화 사례를 조사한다.
T 맥박센서와 온도센서를 이용하기 위한 프로그래밍을 할 수 있다.
E A
M 맥박과 체온을 측정한 결과를 바탕으로 데이터 규칙성을 분석할 수 있다.
개발 의도
코로나 시대에 개인의 위생과 건강에 대한 관심이 커지고 있다. 맥박과 체온의 변화에 따라 사람의 건강상태가 어떻게 달라지는지 데이터 분석을 통해 알아보고, 맥박센서와 온도센서를 소프트웨어와 연계하여 건강상태를 예측하는 교육프로그램을 개발한다.
Ÿ 건강상태 관리 및 확인의 필요성을 이해한다.
Ÿ 데이터 수집 및 분석에 대해 이해한다.
Ÿ 산소포화도 및 심장 박동과 체온의 변화에 따른 몸 상태의 차이를 이해하고 이를 통해 산소포화도 및 심장 박동과 온도 센서의 원리를 파악한다.
Ÿ 산소포화도 센서와 온도센서를 통해 얻은 다양한 자료를 분류하고 분석하여 패턴을 발견해낼 수 있다.
Ÿ 블록 코딩 프로그래밍을 활용하여 건강지킴이 프로그램을 만들 수 있다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
•코로나19가 전세계적 으로 유행하여 일상생 활이 많이 불편해지면 서 지훈이는 무엇보다 도 건강이 최고라는 사 실을 깨닫게 되었다. 그 리고 동시에 친구들의 건강도 걱정이 되기 시 작하였다. 사람들의 몸
창 의 적 설 계
창의적 설계
• 친구와 함께 건강지킴 이를 제작하여 다양한 사람들의 체온과 맥박을 측정해보고, 사람들의 건강상태를 알려줄 수 있다.
• 건강지킴이 프로그램 으로 건강상태가 좋지
감 성 적 체 험
• 우리의 맥박과 체온의 변화에 따 라 바뀌는 몸 상태를 알아보자.
• 산소포화도 센서와 온도 감지 센 서를 제작해 보고 산소포화도와 체온을 측정할 수 있다.
• 친구들의 산소포화도와 체온을 측정하여 자료(데이터)를 수집해
상태를 알 수 있는 자 료를 수집하여 건강상 태를 미리 알려줄 수 있는 방법은 없을까?
보자.
• 측정 결과 몸에 이상이 있는 친 구가 있는 것을 멀리 계신 선생님 에게 네트워크 프로그래밍으로 알 려보자.
않은 친구를 찾아낸 경 험을 공유할 수 있다.
감성적 체험 학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점 도입
( 5 분)
문제 상황 제시하기
Co 몸이 아팠을 때의 증상에 대해 이야기 나눈다.
전개 ( 30
분)
맥박이나 체온이 건강했을 때와 아플 때 달랐던 경험 나누기
CD 자신의 현재 몸상태를 5단계 척도에 따라 구분한다.
건강상태를 알려주는 척도 알아보기
CD 산소포화도와 건강 상관관계에 대한 기사를 찾아 본다.
( [기사] https://www.hidoc.co.kr/healthstory/news/C0000396453 산소포화도 정 상범위, 95%보다 낮아지면? | 뉴스/칼럼 | 건강이야기 | 하이닥)
CD 건강할 때와 몸이 아플 때 체온의 변화를 알아본다.
산소포화도 센서와 비접촉식 온도 센서에 대해 알아보고, 센서 사용법 알기
CD 산소포화도 센서와 온도 감지 센서와 메가보드 연결방법을 알아보고 산소포 화도와 체온을 측정한다.
CD 측정한 산소포화도와 체온값을 활동지에 기록한다.
산소포화도 센서로 맥박 측정하기
CD 산소포화도 센서로 맥박을 측정해 보고 친구들과 그 결과를 비교해 봅시다.
Tip! 스마트
기기를 사 용하여 자 료를 찾아 본다.
메 가 보 드 , 산소포화도 센서, 비접 촉식 온도 센서, 학생 활동지
Tip! 센서에
시동이 제 대로 걸리 기 전까지 약간의 준 비 시 간 이 필요하다.
정리 (5 분)
산소포화도, 맥박, 체온과 신체 건강과의 관계를 알아보고 발표하기
ET 산소포화도와 체온으로 건강 상태를 미리 알 수 있다면 어떤 좋이 좋은지 의 견을 나누어 보자.
중심과목 수학 학교급/학년(군) 초등 5~6 학년군 중심과목
성취기준 영역
자료와 가능성 중심과목
성취기준
[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하 여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그 래프를 해석할 수 있다.
주제(단원)명 AI로 알아보는 건강지킴이 차시 2/3
학습목표 산소포화도 센서와 온도 센서를 이용하여 여러 사람의 산소포화도 및 맥박, 체온 값을 모아 데 이터를 분석할 수 있다.
연계과목 과학, 실과 연계과목
성취기준 영역
[6과01-01] 일상생활에서 온도를 어림 하거나 측정하는 사례를 조사하고 정 확한 온도 측정이 필요한 이유를 설명 할 수 있다.
[6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램 을 만드는 과정에서 순차, 선택, 반복 등의 구조를 이해한다.
STEAM 요소
S 몸의 상태에 따른 체온과 산포포화도의 변화 사례를 조사한다.
T 산소포화도 측정 센서와 온도 측정 센서를 이용하여 건강 자료 수집을 할 수 있다.
E A
M 산소포화도와 체온을 측정한 결과를 바탕으로 데이터 규칙성을 분석하여 그래프로 나타낼 수 있다.
개발 의도
코로나 시대가 지속되며 학교를 포함한 관공서, 상점, 음식점 어디든 입장을 위해 반드시 체온 측정을 하게 되었다. 사람들의 건강 상태를 파악하기 위해 체온 및 산소포화도 데이터를 수집하여 그래프로 나타낸 후 정상적인 건강 상태의 기준 범위를 정할 수 있도록 한다.
Ÿ 데이터 수집 및 분석에 대해 이해한다.
Ÿ 산소포화도 센서와 체온 측정 센서를 통해 얻은 다양한 자료를 분류하고 분석하여 패턴을 발견해 낼 수 있다.
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
Ÿ 신체에 증상이 나타 나기 전에 건강 상 태를 알 수 있을까?
창 의 적 설 계
창의적 설계
Ÿ 산소포화도와 체온 을 측정하여 건강상 태를 알려줄 수 있 다면?
감 성 적 체 험 Ÿ 학생들의 산소포화도와 체온
을 측정하여 자료(데이터)를 수 집해서 그래프로 나타내어 정 상과 비정상 수치를 알아보자.
감성적 체험
학습
과정 교수-학습 활동 학습자료
및 유의점
도입 ( 5 분)
문제 상황 제시하기
Co 등교를 하거나 마트에 갈 때 예전과 달라진 점 이야기하기
몸이 좋지 않았을 때 병원에서 체온 외에 측정한 건강 요소 이야기하기
CD 건강상태에 따른 산소포화도의 변화 알아보기
중심과목 실과 학교급/학년(군) 초등 5~6 학년군 중심과목
성취기준 영역
자료와 가능성 중심과목
성취기준
[6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램 을 만드는 과정에서 순차, 선택, 반복 등의 구조를 이해한다.
주제(단원)명 AI로 알아보는 건강지킴이 차시 3/3
학습목표 수집한 산소포화도 센서 측정값과 온도 센서 값을 분석하여 네트워크 프로그래밍을 활용한 건 강지킴이를 만들 수 있다.
연계과목 수학, 실과 연계과목
성취기준 영역
[6과01-01] 일상생활에서 온도를 어림 하거나 측정하는 사례를 조사하고 정 확한 온도 측정이 필요한 이유를 설명 할 수 있다.
[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하 전개
( 30 분)
학급 친구들의 체온, 맥박, 산소포화도 측정하기
CD 산소포화도 측정 센서와 체온 측정 센서를 통해 친구들의 건강 요소 데이터 수집하기
*체온 측정 센서값 리스트에 모으기
*산소포화도 측정 센서값 리스트에 모으기
● 측정한 건강 요소 데이터들을 그래프로 나타내기
CD 두 센서로 측정한 값들을 활동지에 표시하기
*리스트에 모인 자료를 그래프로 나타내기
메 가 보 드 , 산소포화도 센서, 비접 촉식 온도 센서, 학생 활동지
Tip! 각각의
센서로 측 정을 바로 시 작 하 는 경우, 센서 에 시동이 제대로 걸 리기 전까 지 약 1 분 간은 정상 범위와 먼 숫자가 측 정 되 기 도 한다. 해당 측정 기록 은 학생들 이 제외하 고 측정할 수 있도록 지도한다.
정리 (5 분)
● 그래프를 해석하여 건강한 상태의 체온과 산소포화도 범위를 정의하여 그래프 에 색칠하기
ET 건강 상태 외에 주의 상태, 심각 상태의 범위를 추가로 정의하여 그래프에 해 당 범위를 다른 색으로 칠하기
여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그 래프를 해석할 수 있다.
STEAM 요소
S
T 센서와 네트워크 기능을 프로그래밍하여 자동으로 감염자를 분류하고 알리는 장치를 만든다.
E 센서를 활용하여 문제가 되는 경우를 정의하고 알고리즘을 만든다.
A
M 문제가 되는 경우를 수직선으로 표현하여 나타낸다.
개발 의도
앞선 차시에서 semi-supervised learning 형태로 몇 가지의 input variables 에 대한 label(OK, Bad, uncertain)이 있는 일부 output sample 을 통해 label 이 없는 output training data 를
clustering 하였다. 적합한 trained model 을 통해 new instances 에 대한 classification 를 하는 것이 기계학습의 일반적인 과정이다.
본 차시에서는 초등학교 수준에 맞는 교수학적 변환을 통해 AI 는 아니지만 AI 처럼 new instances 를 classification 하는 장치를 만들어 보도록 한다.(창의적 설계) 센서와 네트워크 프로그래밍을 통해 실생활 문제를 해결하는 경험을 통해 학생들은 자신감을 갖고 새로운 문제를 해결하고자 하는 의지를 갖게 될 것이다.(감성적 체험)
STEAM 학습 준거
상황 제시
상 황 제 시
Ÿ 코로나19에 감염된 사람이 학교로 들어 오지 못하도록 하려 면 고려해야 할 점?
- 체온이 37.5도 초과 인 경우를 감지 - 산소포화도가 92퍼
센트 이하인 경우를 감지
창 의 적 설 계
창의적 설계
Ÿ 장치가 잘 작동하는 지 확인하고, 건강 상태를 파악하여 코 로나19 감염을 알 수 있는 건강 지표 에 대해 더 이야기 나누기
감 성 적 체 험 Ÿ 자동으로 코로나19 감염자를
찾아내고 교내에 알리는 장치 를 만드려면?
- 건강 상태에 따라 단계를 나누 기
- 감염자로 의심되는 경우 단계 를 나누어 보건실로 알리기
감성적 체험
학습 과정
교수-학습 활동
※ STEAM 학습 준거 표시( Co 상황 제시, CD 창의적 설계, ET 감성적 체험)
학습자료 및 유의점
도입 ( 3 분)
건강지킴이 장치 설계하기
Co 코로나19에 감염된 사람이 학교로 들어오지 못하도록 하려면 어떤 점을 고려 해야 할까?
- 체온이 37.5도 초과인 경우를 감지해야 한다.
- 산소포화도가 92퍼센트 이하인 경우를 감지해야 한다.
지난 차시 와 연계하 여 학생들 이 생각해 보도록 한 다.
전개 ( 30
분)
분석된 데이터를 이용하여 프로그래밍하기
CD 프로그래밍으로 특정 센서값이 입력되었을 때 즉시 디스플레이에 건강 상태 메시지를 표시하고 이상이 있을 경우 보건실로 알림 메시지 보내는 장치 만들기 ◆ 아래 그림과 같은 장치를 구성하기 위해 센서와 네트워크 프로그래밍 보드를 아래와 같이 연결해 봅시다.
- 측정 장치 연결하기
◆ 구성한 장치가 작동하도록 프로그램을 구성해보자.
[측정장치] 학생 활동지(왼쪽) 및 답안 예시(오른쪽)
기 본 적 인 네 트 워 크 구성 및 메 시지 전송 은 이전 활 동을 통해 숙지한 상 태에서 시 작 하 도 록 한다.
- 아래와 같은 블록 코드에서 건강 상태를 어떻게 나누어 표현해야 할까?
[보건실 설치 장치] 학생활동지(왼쪽) 및 답안 예시(오른쪽)
- 센서 측정을 통해 건강 상태가 보건 선생님에게 알려져야 하는 경우는 언제일까?
- 상태에 따라 알림음을 달리 구성해보자
◆ 아래 그림과 같이 장치를 구성하기 위해 위 활동을 통해 작성한 블록 코드를 아두이노에 업로드해보자.
정리 (5 분)
[과정중심평가] 건강지킴이 장치 테스트하기
ET 장치를 등굣길과 하굣길 복도에 설치하고, 건강 상태가 좋지 않은 학생을 잘 감지하는지 확인해 본다.
- 만든 장치가 여러분의 생각대로 잘 작동하는지 점검해보자.
- 만약 여러분이 건강 상태를 감지하기 위한 장치를 새로 만든다면 어떠한 건강 상태를 측정하는 장치를 만들고 싶은가?
4. 학생활동지 / 학생참고자료
학생 활동지 1/3
몸 상태를 알아보기 위해 측정할 수 있는 요소를 생각해보고, 산소포화도 센서와 온도 감지 센서의 원리를 알고 실험해 보기
( )초등학교 ( )학년 ( )반 이름( )
1. 평소 몸이 좋지 않을 때의 증상을 친구들과 이야기 나눠 봅시다.
(예) 머리가 아프고 열이 난다.
(예) 식은 땀이 나고 춥다.
(예) 콧물이 나고 기침이 나고 몸이 아프다.
2. 지금 몸의 건강 상태를 5단계로 나타내었을 때 해당하는 칸에 ○표 하시오.
1 2 3 4 5
매우 나쁨 나쁨 보통 좋은 매우 좋음
3. 아래 [보기]의 선을 이용하여 산소포화도 센서와 메가보드 연결방법을 알아보고 산호포화도와 맥박 을 측정해 봅시다.
[보 기]
4. 아래 [보기]의 선을 이용하여 비접촉식 온도 센서와 메가보드 연결방법을 알아보고 체온을 측정해 봅시다.
5. 우리 모둠원의 측정한 산소포화도, 맥박, 체온 결과값을 적어 봅시다. (센서를 이용한 측정값이 계속 바뀌는 경우 대푯값을 어림하여 기록합니다.)
이름 산소포화도 맥박 체온
6. 산소포화도, 맥박, 체온과 신체 건강과의 상관관계를 스마트기기를 사용하여 조사하여 봅시다.
[출처]
[보 기]
학생 활동지 2/3
산소포화도 센서와 온도 센서를 이용하여 여러 사람의 산소포화도 및 맥박, 체온 값을 모아 자료 분석하기
( )초등학교 ( )학년 ( )반 이름( )
1. 요즘 등교하거나 음식점, 마트를 들를 때 예전과 달라진 점이 무엇이 있는지 써 보세요.
(예) 문 앞에 적외선 카메라가 체온을 측정한다.
(예) 선생님이 체온계로 모두의 체온을 측정한다.
(예) 방문자 리스트에 휴대전화 번호를 쓴다, QR코드를 찍는다 등
2. 건강이 좋지 않을 때 체온 외에도 측정하는 건강 요소들이 무엇이 있는지 써 보세요.
(예) 맥박, 심전도, 산소포화도 등
3. 아두이노에 체온 측정 센서와 산소포화도 측정 센서를 연결하여 모둠원들의 체온과 산소포화도를 측정해 보세요.
4. 측정한 값을 그래프에 모둠원별로 다른 색깔의 펜을 이용하여 기록해 보세요.
5. 건강한 사람의 체온과 산소포화도의 측정 범위를 그래프에 색칠해 보세요.
학생 활동지 3/3
AI처럼 건강 상태를 감지하는 건강지킴이 만들기
( )초등학교 ( )학년 ( )반 이름( )
1.
이전 시간 활동을 떠올려 봅시다. 코로나19에 감염된 사람이 학교 내부로 들어오지 못하게 하려면 출입가능한 체온과 산소포화도 기준이 각각 어떠해야 하나요?(체온은 □□.□° 보다 □□야 하고, 산소포화도는 □□퍼센트 보다 □□야 합니다.)
2.
위와 같은 장치를 구성하기 위해 아래와 같이 아두이노와 센서를 연결해 봅시다.3. 위의 장치가 작동하도록 아두이노 블록 프로그램을 구성해 봅시다.
[측정장치] 체온과 산소포화도를 측정하여 건강 상태를 판단하여 보건실로 알림을 보내는 장치가 작동하도록 프로그램을 만들어 봅시다.
(1) (1)번에 해당하는 학생의 건강 상태는 어떠할까요?
( ) (2) (2)번에 해당하는 학생의 건강 상태는 어떠할까요?
( ) (3) (3)번에 해당하는 학생의 건강 상태는 어떠할까요?
( )
(4) 각각의 빈 칸에((1), (2), (3)) 아래의 블록 묶음 중 필요한 블록을 이용하여 아래와 같은 동작을 수행하도록 프로그램을 완성해 보세요.
[보건실 설치 장치]
(5) 센서 측정 결과 건강 상태가 나쁘거나, 의심스러운 학생이 있을 때 보건실로 알림을 수행 하도록 프로그램을 완성해 보세요.
4. 만든 장치가 잘 작동하는지 측정 장치를 등하굣길에, 알림을 받는 장치를 보건실에 설치해 봅시다.
(1) 만든 장치가 잘 작동하나요?
( )
(2) 만약 여러분이 새로운 건강 측정 감지 장치를 만든다면 어떠한 건강 상태를 측정하고 싶나요?
( )
학생읽기자료 3/3
AI처럼 건강 상태를 감지하는 건강지킴이 만들기
( )초등학교 ( )학년 ( )반 이름( ) 혈중 산소포화도
혈액내 산소의 포화량을 퍼센트로 측정하는 기능입니다.
일반적으로 혈액 산소포화도는 95~100%이며 혈액이 최대한의 산소를 운반한다는 것을 의미합니다.
혈액의 산소포화도에 영향을 주는 요인에는 고도, 심장 및 폐 건강 그리고 수면 중 호흡 방해 등이 있습니다.
* 측정방식: 스마트워치를 착용하고 있는 것만으로 산소 포화도 데이터를 확인할 수 있으며 일반적으로 피부 및 혈관에 빨간색 적외선 빛을 비추는 센서로 측정합니다.
센서는 보통 스마트워치 기기 후면에 위치하며 적외선의 반사되는 빛을 이용하여 혈 액에 얼마나 많은 산소가 있는지 확인합니다.
※ 최근 코로나19 진단 요소 중 하나로 혈중 산소 포화도가 뽑히고 있으며 코로나19에 감염된 환자들의 혈중 산소 포화도가 약 93% 이하로 나타나기 때문에 특별한 이유 없이 혈중 산소 포화도 수치가 비정상적으로 낮게 측정된다면 감염을 의심해볼 수 있습니다.
[네이버 지식백과] 혈중 산소포화도 (쇼핑용어사전)
출처: https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=6023995&cid=51399&categoryId=51399
지도 학습과 비지도 학습
왼쪽 그림을 보면 X라는 데이터와, O라는 데이터가 있음을 확인할 수 있습니다.
그리고 그 둘을 분류하는 경계를 확인할 수 있습니다. 새로운 데이터 ?가 있을 때 우리는 이것을 O로 보아야 할까요? 아니면 X로 보아야 할까요?
여러분의 예상처럼 ?는 X로 분류가 됩니다. 이와 같이 미리 데이터를 O와 X로 상태 를 정해놓고 훈련한 뒤, 훈련된 모델이 새로운 데이터를 O, X 중 어디에 속하는지 분류하도록 하는 경우를 인공지능의 분류 중 ‘지도 학습’이라고 합니다.
오른쪽 그림과 같이 분류가 되지 않은 데이터들만 주어진 경우도 있을 수 있습니 다. 이러할 경우 각각의 데이터가 이루는 거리 등을 기준으로 하여 데이터 무리를 지을 수 있습니다. 예를 들어 여기에서는 왼쪽 아래 네 개의 데이터와 오른쪽 위 네 개의 데이터를 각각 무리로 생각할 수 있겠습니다. 이와 같이 미리 O나 X로 정해 지지 않은 여러 데이터를 몇 개의 무리로 나누는 것을 인공지능의 분류 중 ‘비지도 학습’이라고 합니다.
경우에 따라 소수의 분류가 된 데이터를 활용하여 사전 분류가 되지 않는 데이터 를 분류하는 반(半)지도학습과 같은 형태를 활용하기도 한답니다.
5. 교사자료
차시 1/3
주제 몸 상태를 알아보기 위해 측정할 수 있는 요소를 생각해보고, 산소포화도 센서와 온도 감지 센서의 원리를 알고 실험해 보기
• 준비물
[아두이노 MEGA보드] 산소포화도센서 비접촉식 온도감지센서
• 어떻게 연결하나요?
산소포화도 센서를 아두이노 MEGA보드에 연결하기
• 아두이노 MEGA보드에 산소포화도센서 연결하고 블록 프로그래밍하기
① 아두이노 온 스크래치-Examples-Sensors-sen_산소포화도_심장박동센서.sb2를 선택하여 예제를 불 러옵니다.
② 예제의 무대에 제시된 센서 연결방법을 참고하여 산소포화도 센서의 검정색 선은 GND, 빨강색 선은 5V, 초록색 선은 SCL, 노랑색 선은 SDA에 연결합니다.
③ 메가보드와 컴퓨터를 연결하고, 을 더블클릭하여 센서를 초기화하
고 5초 정도 기다립니다.
④ 산소포화도 센서에 손가락을 대고 블록을 클릭하고 ‘b’리스트
에 데이터를 모읍니다.
⑤ 센서에 시동이 제대로 걸리기 전까지 약 1분 간은 정상범위와 먼 숫자가 측정되기도 합니다. 이 기록은 자료를 내보내기 한 후 제외하도록 합니다.
⑥ 한 학생의 산소포화도를 측정한 후 “SPO2”를 “HEARTBEAT”로 변환한 후
블록을 클릭하여 맥박을 측정합니다.
⑦ 블록을 클릭하여 자료를 초기화하고 다른 학생들이 교대로 돌아가면 서 산소포화도와 맥박을 측정하도록 하고, 측정한 결과는
기능을 통해 텍스트 파일로 저장하고, 엑셀 프로그램에서 모든 파일로 보기를 한 후 자료를 불러와 자료를 수집합니다.
• 어떻게 연결하나요?
비접촉식 장거리 온도센서를 아두이노 MEGA보드에 연결하기
• 아두이노 MEGA보드에 비접촉식 장거리 온도 센서 연결하고 블록 프로그래밍하기
① 온도 센서의 검정색 선은 GND, 빨강색 선은 5V, 초록색 선은 SCL, 노랑색 선은 SDA에 연 결합니다.
② [Arduino]-[이벤트]에서 블록을 드래그해서 가지고 옵니다.
③ [Arduino]-[제어]에서 블록을 드래그해서 가지고 옵니다.
④ [데이터&블록]-“리스트 만들기”를 선택하여 “a”리스트를 만듭니다.
⑤ 블록과 블록을
결합하여 블록을 만듭니다.
⑥ 블록을 블록
과 결합합니다.
⑦ 블록을 클릭하여 체온 측정을 시작하고 측정한 결과는 기능을 통해 텍스트 파일로 저장합니다.
⑧ 블록을 클릭하여 자료를 초기화하고 다른 학생들이 교대로 돌아
가면서 체온을 측정하도록 하고, 측정한 결과는 텍스트 파일로 저장하고, 엑셀 프로그램에서 자료를 수집합니다.
⑨ 수집한 자료는 엑셀 프로그램에서 차트를 사용해 그래프를 그리거나 활동지에 그래프를 직접 그려봅 니다.
자료출처
[기사] https://www.hidoc.co.kr/healthstory/news/C0000396453 산소포화도 정상범위, 95%보다 낮아지면? | 뉴스/칼럼 | 건강이야기 | 하이닥
차시 2/3
주제 산소포화도 센서와 온도 센서를 이용하여 여러 사람의 산소포화도 및 맥박, 체온 값을 모아 자료 분석하기
• 준비물
[아두이노 MEGA보드] 산소포화도센서 비접촉식 온도감지센서
• 아두이노 MEGA보드에 비접촉식 장거리 온도 센서를 연결하고 블록 프로그래밍한 후 측정값 리스트에 모으기
① 에 들어가서 임의의 이름을 지닌 리스트를 만든다.(예시로 a 리스트 작성)
② 블록을 의 빈칸에 넣는다.
③ ②의 블록을 안에 씌워 지속적인 체온의 변화를 측정할 수 있게 한다.
④ ③의 블록 위에 블록을 연결하여 쉽게 측정을 시작할 수 있도록 한다.
완성 형태:
• 아두이노 MEGA보드에 산소포화도 측정 센서를 연결하고 블록 프로그래밍한 후 측정값 리스트 에 모으기
① 에 들어가서 임의의 이름을 지닌 리스트를 만든다.(예시로 b 리스트 작성)
② 블록을 의 빈칸에 넣는다.
③ ②의 블록을 안에 씌워 지속적인 체온의 변화를 측정할 수 있게 한다.
④ ③의 블록 위에 블록을 연결하여 쉽게 측정을 시작할 수 있도록 한다.
완성 형태:
• 측정 시 주의사항
각각의 센서로 측정을 바로 시작하는 경우, 센서에 시동이 제대로 걸리기 전까지 약 1분간은 정상범위와 먼 숫자가 측정되기도 한다. 해당 측정 기록은 학생들이 제외하고 측정할 수 있도 록 지도한다.
• 측정 결과 분석 시 주의사항
학생들의 체온 및 산소포화도 측정 결과를 그래프에 각각 다른 색의 점으로 표시를 하게 되면 점들이 다수 분포하는 구역이 발생한다.
체온의 경우 이미 학생들이 상식으로도 알고 있겠지만, 37.5 °C를 넘지 않아야 정상이며, 이론적으로는 35°C 이하보다 체온이 낮은 경우 저체온증이라고 한다. 해당 범위를 학생들이
그래프를 분석하여 스스로 파악할 수 있도록 지도한다.
혈중 산소포화도의 경우, 95 이상 100 미만이 정상 범위에 해당한다. 학생들이 직접 측정을 통 해 그래프에서 이 범위를 파악할 수 있도록 지도한다.
종합하자면, 정상 건강 범위는 체온은 35°C ~ 37.5°C, 혈중 산소포화도는 95~100 SpO2 라고 할 수 있다. 해당 범위를 학생들이 그래프에 색연필로 표시할 수 있도록 지도한다.
주의, 심각 상태 표현의 경우 정상 건강 범위보다 높거나 낮은 수치를 학생들이 임의로 표시하 여 다른 색으로 나타낼 수 있도록 한다.
자료출처 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=37287 코로나19 중증도, 당뇨·체온·산소 포화도·심장 손상으로 예측한다 (동아사이언스)
차시 3/3
주제 수집한 산소포화도 센서 측정값과 온도 센서 값을 분석하여 네트워크 프로그래밍을 활용한 건강지킴이 만들기 [측정장치] 학생 활동지(왼쪽) 및 답안 예시(오른쪽)
[보건실 설치 장치] 학생활동지(왼쪽) 및 답안 예시(오른쪽)
자료출처 http://arduinoscratch.org
6. 차시별 학생 평가기준 및 방법
차시 평가기준(성취수준) 평가방법 평가도구
1/3 상
일상생활에서 온도를 어림하거나 측정하는 사례를 조사하고 정확한 온도 측정이 필요한 이유를 정확 하게 설명할 수 있다.
모둠별 토론평가 자기/동료평가지 (학생용) 중
일상생활에서 온도를 어림하거나 측정하는 사례를 조사하였으나 정확한 온도 측정이 필요한 이유를 설명하는 것이 부족하다.
하
일상생활에서 온도를 어림하거나 측정하는 사례를 조사하지 못하고 정확한 온도 측정이 필요한 이유 를 설명하지 못한다.
2/2
상 자료를 수집, 분류, 정리하여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그래프를 해석할 수 있다
관찰평가 관찰평가지
중
자료를 수집, 분류, 정리할 수 있으나 그래프로 나 타내지 못하거나 그래프를 해석하는데 어려움을 느 낀다.
하 자료를 수집, 분류, 정리하는데 어려움을 느끼고 목 적에 맞는 그래프로 나타내지 못한다.
3/3 상
건강 상태를 분류할 수 있는 기준을 세워 건강 상 태를 정확하게 분류하고 감지하는 건강지킴이 장치 를 만들 수 있다.
관찰 및 산출물평가
자기/동료평가지 (학생용) 관찰평가지 중
건강 상태를 분류할 수 있는 기준을 일부 세워 건 강 상태를 어느 정도 분류하고 감지하는 건강지킴 이 장치를 만들 수 있다.
하
건강 상태를 분류할 수 있는 기준을 세우는 데에 도, 건강지킴이 장치를 만드는 데에도 어려움이 있 다.
가. 자기/동료평가지(1~3차시)
평가방법 평가기준 평가
상 중 하
자기평가
나는 다양한 센서의 원리를 정확하게 설명할 수 있다.
나는 건강 지킴이를 만드는 활동에 적극 참여하였다.
나는 건강 지킴이로 사람들의 건강 상태를 측정하는 블록 프로 그래밍을 설명할 수 있다.
모둠 내 동료평가
나는 오늘 활동에 적극적으로 참여하였다.
나는 활동을 하면서 친구들의 의견을 존중해주었다.
모둠 간 동료평가
자기 모둠에서 한 활동을 잘 표현하였나요?
문제해결에 창의적인 아이디어를 잘 표현하였나요?
※ 평가 노하우: 센서를 정확하게 메가보드와 연결하고, 측정하는지 평가한다.
나. 관찰평가지(2~3차시)
모둠 모둠원
지식 태도
배움과 성장의 기록 통신에 대한
이해
사람들의 건강 상태 비교
모둠원의 의견을 존중하는 자세
상 중 하 상 중 하 상 중 하
※ 평가 노하우 : 네트워크 프로그래밍에 대한 이해를 바탕으로 속도 실험을 정확히 설계 하여 자동차의 다양한 속도에 대한 비교 정보를 수집하는지 관찰한다.
7. 학교생활기록부 기재 예시
항목 학생부 기재 예시
교과학습발달상황 세부능력 및 특기사항
(과학) 직접 제작한 건강 지킴이 로봇을 통해 사람들의 체온과 심박수를 관찰하여 건강 상태를 유추함. 다양한 사람들의 체온, 심박수, 산소포화도를 측정하여 분류한 후 사람들의 건강 상태를 비교함.
(수학) 사람의 산소포화도, 체온 측정 자료를 수집, 분류, 정리하여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그래프를 해석함.
(실과) 통신의 뜻과 쓰임새를 이해하며 순차, 선택, 반복 구조를 복합적으로 이용하여 문제를 능숙하게 해결함.
행동특성 및 종합의견
풍부한 과학 지식과 문제에 대한 높은 탐구력을 융합하여 실생활의 문제를 다양한 방법으로 해결해나가는 모습을 보여줌. 코딩에 소질을 보여 실생활의 문제를 해결하는 프로그램을 직접 제작하는 데 재미를 느낌.
창의적 체험활동상황 (동아리) 다양한 센서의 원리를 정확히 이해하고 모둠원들과 즐겁게 소통하며 센서를 활용한 건강 지킴이 제작 활동에 참여함.
[부록2]
[부록3]
회의록 일시･장소 2020. 09.09. 17:00~:19:00, 회룡초등학교
회의명 교사연구회 세미나
참석자 이지영, 최종연, 윤형준, 윤덕현
주요내용
੦ 중간 보고서 작성 방안 협의
- 개발 프로그램 검토 및 준비물 점검 - 수업 프로그램 제작 계획 협의
੦ 지역 네트워크 구성방안 협의 - 네트워크 구성 협의회 개최 일자 - 네트워크 활용 방안 협의
관련지출 ੦ 해당없음
회의록 일시･장소 2020. 11. 6. 20:00~:23:00, 강원도 속초시
회의명 교사연구회 워크숍
참석자 이지영, 최종연, 윤형준, 윤덕현
주요내용
੦ 최종 보고서 작성 방안 협의
- 개발 프로그램 적용 결과 점검 및 개선 사항 협의 - 최종 보고서 작성 목차 협의
- 최종 보고서 작성
관련지출
