2021 STEAM 교사연구회 결과보고서
2021. 11.
서울난향초등학교
과제명 2021년 STEAM 교사연구회 운영
구분
연구회 구성 유형 (택 1) 프로그램 개발유형 (택 1)
① 융합학습공동체형( ○ )
1. 자유학기제형
( )
6. 학생 주도 참여형( )
2. 첨단기술 및 ICT 교구 활용형( )
7. 고교학점제 기반 학습형( )
3. 온라인 기반 학습형○ ( )
8. 예·체능 중심 활동수업형( )
4. 지역사회 연계형( )
9. 유·초등 연계형( )
5. 교육소외계층 포용형( )
10. 자율선택형 (학교 자체 개발 프로그램)○ ( )
② 글로벌형 ( ) StarT 프로그램 참여를 통한 프로그램 개발
프로그램 정보
프로그램명
시스템 사고를 활용한 나만의 물시계 만들기
신규 개발 기 개발 ○
학교급
초등
대상 학년(군)5~6학년군
중심과목
과학
중심과목 성취기준 영역연계과목
수학, 국어, 미술 연계과목 성취기준 영역
연구기간2021.4.29. ~ 2021.11.30.
신청금액
일금사백만원(￦4,000,000)
참여연구원 총 3명 (연구책임자: 1명, 참여연구원: 2명) 연구 수행자에 관한 사항
구분 소속(학교명) 직위 성명 담당과목
연구책임자 서울난향초등학교 교사 정소진
참여연구원 서울방현초등학교 교사 김형욱
참여연구원 서울이수초등학교 교사 정소리
2021년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 STEAM 교사연구회를 운영한 중간 결과로써 본 보고서를 제출합니다.
2021년 11월 18일
주관연구기관장 : 서울난향 초등학교장
연구책임자 : 정소진
한국과학창의재단 이사장 귀하
“이 보고서는 2021년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
목 차
1. 요약문
··· 012. 서론
··· 023. 연구 수행 내용 및 결과
··· 04가. STEAM 프로그램 개발‧적용 ··· 05
(1) 프로그램 개발 내용 ··· 05
(2) 프로그램 개발‧적용 결과 ··· 05
나. 성과 확산 및 실천 ··· 06
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최 ··· 06
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과 ··· 06
다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사 ··· 07
(1) 수혜학생 태도 조사 ··· 07
(2) 교원 만족도 조사 ··· 09
4. 결론 및 제언
··· 095. 참고문헌
··· 11[부록]
부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물 부록2. 학생 물시계 산출물
부록3. 교사 연구회 회의록 부록4. STEAM 행사 관련 자료
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1. 요약문
최근 들어 융합인재교육 프로그램의 개발이나 연구는 많이 이루어져 왔으나 선형적 관계가 아닌 전체를 인지하여 그 전체 속에 포함된 부분들 사이의 순환적 인과관계나 역동적인 관계 를 지속적으로 이해할 수 있는 시스템 사고 기반 융합 인재 교육 프로그램 개발의 구체적인 노력 및 연구는 부족한 실정이었다. 하지만 예전 융합인재교육 프로그램에서 몇 번 다룬적이 있는 바 이 연구에서는 시스템 사고를 기반으로 한 융합인재교육프로그램을 수정하여 초등학 생들에게 재적용하여 보고 학생들의 보다 고차원적인 사고력인 시스템 사고의 향상과 학생들 의 STEAM 대한 태도 및 기타 교육적 효과를 분석하는데 목적을 두고 있다.
프로그램의 수정 개발을 위해 융합인재교육과 시스템 사고에 대한 문헌조사와 선행연구를 분석하였으며, 학생들에게 친숙한 ‘물시계’를 주제로 한 시스템 사고 기반 융합인재교육 프로 그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 교수, 대학원생, 고경력의 현직교사로 이루어진 전문가 집단의 1차 수정·보완 작업을 거쳤으며, 중소 도시인 A시에 재학 중인 학생 10명에게 예비투 입 후 최종적으로 6차시로 이루어진 프로그램으로 완성하였다. 연구 대상은 소재 초등학교 5,6학년 학생 100명을 대상으로 프로그램 적용 전·후에 나타나는 학생들의 시스템 사고, STEAM에 대한 태도 검사로 단일 집단 사전·사후 대응표본 t-검증을 실시하였다. 이에 따른 연구의 결과를 살펴보면 다음과 같다.
초등학교 5,6 학년 학생을 대상으로 개발된 시스템 사고 기반 융합인재프로그램을 통해 시 스템 사고 향상 및 STEAM에 대한 태도를 검증한 결과, 시스템 사고의 단어 관계분석 및 인 과지도 그리기, 그림 그리기에서 좀 더 구체적이고 발전된 사고의 모습을 발견할 수 있었다.
STEAM에 대한 태도와 관련된 정의적 영역에서는 모두 통계적으로 유의미한 결과를 이끌어 내었다.
결론적으로, 이 연구에서 개발된 ‘물시계’ 주제의 시스템 사고 기반 융합인재교육 프로그램
은 고등사고능력인 시스템 사고를 기르기에 적합하며, 초등학생의 시스템 사고 능력 측정이라
는 점에서 중요한 의미를 가진다. 앞으로 초등학생들을 대상으로 한 융합인재교육프로그램 개
발에 있어서 시스템 사고를 적극 활용하여 새로운 과학적 사고 능력 함양에 활력을 불어 넣어
야 할 것이다. 또한 현장 보급에도 적극적으로 나서 손쉽게 활용 할 수 있도록 일반화에도 힘
써야 할 것이다.
2. 서론
현재 우리 사회는 농경·산업 사회를 지나 지식정보화사회에 접어들면서 과학기술이 융합되 고 첨단기술로 점차 발전하고 있다(교육과학기술부, 2012). 20세기의 산업화 사회가 지식형 인재의 시대였던 것에 반해, 21세기 지식기반 사회는 창의형 인재의 시대라고 할 수 있다(김 성열 외, 2010). 이에 세계적으로 우수한 과학 두뇌 양성의 필요성을 느끼고 창의적이고 시스 템적으로 사고 할 수 있는 인재 양성을 목표로 이공계에 더 많은 투자를 하고 있지만 현실에 서는 이공계에 대한 선호도가 낮아지고 있으며 가까운 미래에 과학 기술 인력의 부족 현상이 심각해질 것으로 예상된다(교육과학기술부, 2010, 2011).
OECD가 만 15세 이상의 학생들 대상으로 각국의 학업성취도를 비교하고 평가하는 시험인 PISA의 결과를 보면 2000년 평가에서 한국은 읽기 6위, 수학 3위, 과학 1위를 기록하였고, 2004년 12월에 발표된 2003년 조사 결과에서 종합성적 1위는 핀란드, 2위는 한국이 차지하 였고, 일본은 9위를 차지하였다. 부문별 순위도 한국은 고르게 높은 평가를 받았다(OECD, 2001, 2004). 2006년 평가는 OECD 30개 회원국을 포함된 57개국의 학생 약 40 만 명을 대상으로 이루어졌다. 한국은 읽기 1위, 수학도 최상위권인 1~4위를 유지하였으나, 과학은 7~13위에 올라 이전 주기에 비하여 낮은 성취도를 기록하였다. 특히 과학적 소양은 OECD회 원국 가운데 5~9위권, 조사 대상 57개국 가운데 11위로 나타났으나, 과학에 대한 흥미도는 전체 57개국 가운데 55위로 나타났다(OECD, 2007). 2009년 평가에서도 과학에 대한 흥미와 태도의 정의적 영역이 OECD 회원국 가운데 평균 이하로 최하위 수준에 머물렀다(OECD, 2010). 또한 TIMSS 2011에서도 과학에 대한 흥미와 자신감이 최하위인 것으로 나타났다 (IEA, 2012a, 2012b).
우리나라에서도 이런 교육적인 문제점과 시대적 요구에 발맞추어 국가 발전과 사회에 도움 이 되는 인재 양성을 위하여 학교 교육 및 교육과정의 변화를 추구하고 있다. 미국의 ‘STEM’
교육이나 핀란드의 ‘LUMA 프로젝트’ 영국의 ‘STEMnet’ 등의 융합정책과 비슷하게 우리나라 의 경우에도 과학 기술 분야의 인재양성을 위하여 학교교육에서 과학기술-예술융합 강화를 제 시하고 주요 정책을 발표하였다(교육과학기술부, 2010). 이를 융합인재교육(STEAM)이라 명명 하고, “ 과학 기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이고 과학 기술 기반의 융합적 소양과 문 제해결력을 배양하는 교육” 으로 정의하였다(교육부, 2013, p. 13). 융합인재교육을 통해 창의 성, 인성, 감성 교육을 실시하고 미래 과학기술 발전을 주도할 창조적이고 융합적인 인재를 양 성하겠다는 것이다(이효녕 등, 2012; Clelland, 2009).
융합인재교육에 대한 국가 교육 정책에 힘입어 지금까지 다양한 종류의 융합인재교육 관련
연구가 이루어 졌다. 초기 연구 방향은 주로 선진국의 통합 인재 교육을 소개하며 연구 동향
및 쟁점 연구, 및 나아가야할 방향에 대한 연구가 진행되었다. 그 후 연구는 교수학습 모형 개
발에 관한 연구로 이어졌으며, 문대영(2008)은 STEM 분야에 대한 소개와 경험을 줄 수 있는
사전 공학 프로그램을 개발하였다. 더불어 융합인재교육 프로그램에 관한 연구도 활발하게 이
루어 졌는데 김문종 외(2011)는 기술·기정 교과에 적합한 프로그램을 개발하였으며, 문찬원 외
(2012)는 특성화 고등학교에 적합한 프로그램을 개발하였다. 석문주 외(2014)는 음악교과에
적용되는 융합인재교육 프로그램을 개발하였다. 이처럼 다양한 프로그램이 개발되어 있으며,
각각의 프로그램들은 모두 문제해결력과 창의적 설계를 강조하고 있다.
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우리나라의 교육과정에서 꾸준하게 강조되어 온 내용은 학생들의 창의적 문제 해결력을 배 양하는 것이다(교육과학기술부, 2009, 2010, 2011a; 교육부, 2013). 현대 사회에서 우리가 접 하게 되는 문제들은 매우 복잡하며, 구성 요소들 간의 서로 밀접한 연관을 맺고 있는 경우가 많다(김만희, 김범기, 2002). 또한 Baker(1988)의 연구에서도 기술적 소양에 대하여 창의성에 기초한 다양한 영향력과 처리 과정을 이해하는 능력을 강조하였는데, 이는 부분을 전체의 역동 적인 흐름으로 바라보는 시스템적 관점이 포함된 것을 알 수 있다(최유경, 류창열, 2007). 시 스템 사고에 대해서는 아직 합의된 정의가 존재하지 않고 있다. 권용주 등(2011)은 “탐구대상 의 구성요소와 관련된 개념들에 대한 상호작용과 순환적인 피드백 관계를 고려하는 사고” 라 고 정의하였으며, senge(1990)는 선형적 관계가 아닌 전체를 인지하여 포함된 부분들 사이의 순환적 인과관계나 역동적인 관계를 지속적으로 이해할 수 있게 하는 사고의 틀로 시스템 사 고를 논의하고 연구를 진행하였다. 이러한 정의와 연구의 내용을 정리하면 과학 기술 사회에서 어떠한 정보를 종합하고 ‘부분의 합이 전체가 된다’ 라는 기계론적인 사고를 넘어 하나의 전체 를 유지하는 단일 복합체로의 시스템 사고는 매우 중요하다. 하지만 국내 시스템 사고 관련 연 구는 매우 부족한 실정이다. 특히 융합인재 교육프로그램과 연결 지어 시스템 사고를 활용한 프로그램은 박병열(2013)의 연구와 전재돈(2014)의 연구가 거의 전부라고 해도 과언일 실정 이다.
이러한 필요성에 근거하여 이 연구는 시스템 사고를 기반으로 한 융합인재교육프로그램을
개발하여 초등학생들에게 적용하여 보고 학생들의 보다 고차원적인 사고력의 향상과 융합인재
교육프로그램의 정의적인 영역 성취 효과를 기대한다. 또한 ‘창의융합인재양성’ 교육 목표에
도달할 수 있는 교육적 시사점을 얻고자 한다.
3. 연구 수행 내용 및 결과
STEAM 프로그램
구분
프로그램명
시스템 사고를 활용한 나만의 물시계 만들기
선행 프로그램명
<2016년 STEAM 교사 연구회>
시스템 사고 기반 물시계 만들기
학교급
초등학교
대상 학년(군)5~6학년군
목표 수혜학생 수
150명
중심과목
과학
중심과목성취기준 영역
과학 [5~6학년군] 에너지와 생활, 물체의 운동
연계과목
국어 수학 미술
연계과목 성취기준 영역
수학 [5~6학년군] 측정, 자료의 정리 국어 [5~6학년군] 쓰기
미술 [5~6학년군] 표현, 감상
개발계획
주제 연번 차시
(시수) 과목 연계(안)
1 1 과학(0.5) + 미술(0.5) 2 1 과학(1.5) + 수학(1) + 국어 (0.5) 3 1 과학(0.5) + 수학(0.5) 4 1 과학(0.5) + 미술(0.5) 5 1 과학(0.5) + 미술(0.5) 6 1 과학(0.5) + 미술(0.5)
구분 수행 결과
교수학습지도안 개발 차시 총 6차시
수업 적용 기간 2021. 9. 15. ~ 2021. 10. 15.
(STEAM 수업) 수혜학생 수 이수초등학교, 방현초등학교 100명 학생 태도검사 1차(사전) 검사 8월 27일, 6개 학급(100명) 실시완료
2차(사후) 검사 10월 21일, 6개 학급(100명) 실시완료 학생 및 교사 만족도조사 10월 31일 실시 완료
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가. STEAM 프로그램 개발‧적용
(1) 프로그램 개발‧적용
◦ 프로그램 개발 중점 사항 1) 프로그램 내용 목표
- 물시계에 적용되는 원리를 설명할 수 있다.
- 과학적 지식을 적용하여 과학적 탐구가 적용된 물시계를 설계하고 제작할 수 있다.
- 수학적 원리를 적용하여 물시계를 설계, 제작하고 평가할 수 있다.
2) 프로그램 과정 목표
- 물시계에 작용하는 각 요소들의 상호 관계를 설명할 수 있다.
- 인과관계를 바탕으로 문제를 해결하기 위한 방안을 찾아낼 수 있다.
- 문제 해결 과정에서 의사소통능력과 표현 능력을 효과적으로 사용한다.
(2) 프로그램 개발‧적용 결과
교수학습 지도안 개발 차시
프로그램명 프로그램 주제 운영
대상
완료 여부 개발 수업적용 학생수
1 물시계 프로젝트
준비하기
‣ 물시계 프로젝트 준비하기 - ‘시계가 없다면?’ 시계가 없 었던 때를 상상해보기
- 조상들의 시계에 대해 알아보 기
- ‘장영실’과 ‘자격루’에 대해 알아보기
- 모집안내문을 보고 ‘나의 장 영실팀’ 만들어보기
5~6
학년 완료 완료 100
2 물시계의 과학적 원리와 시스템 사고
‣ 물시계의 과학적 원리와 시스 템 사고
- 물시계에 사용되는 과학적 탐 구 알기
- 자격루에 숨은 과학적 탐구 찾기
- 사이펀의 원리를 이용한 간단 한 물시계 만들기
- 인과지도와 시스템 사고 해보 기
5~6
학년 완료 완료 100
3 물시계 제작하기
‣ 물시계 제작하기
- 30초에 가까운 물시계 계획하 기
5~6
학년 완료 완료 100
나. 성과 확산 및 실천
(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최
회차 일시 장소 참석대상 주요내용
1차 ‘21. 11. 6 서울대학교 교사 및 대학원생 - 프로그램 소개 및 발전 방향 토론
2차 ‘21. 11. 13 서울대학교 교사 및 대학원생 - 프로그램 성과 발표
(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과
회차 일시 장소 참석자 상호 컨설팅 결과
1차 ’21.5.31.(월)
16:30~18:00 온라인 정소진 교사(연구 책임자) - 기존 프로그램 주제 발표 2차 ’21.7.15.(목)
16:30~18:00 온라인 정소진 교사(연구 책임자) - 예전 자료의 보완 가능성 탐색 3차 ’21.9.14.(화)
16:30~18:00 온라인 정소진 교사(연구 책임자) - 개발 자료의 효용성 탐색 - 30초에 가까운 물시계 만들기
- 평가하기
- 효율적인 물시계를 만들기 위 해 반성하기
4
효율적인 물시계를 만들기 위한 시스템
사고하기
‣ 효율적인 물시계를 만들기 위 한 시스템 사고하기
- 시간을 정확하게 측정하는데 영향을 미치는 요인 찾기
- 외부·내부 요인 파악하기 - 인과 지도 그리기
- 시스템 사고를 통해 제작할 물시계 수정보완하기
5~6
학년 완료 완료 100
5 물시계 개선하여 다시 제작하기
‣ 물시계 개선하여 다시 제작하 기
- 개선 방법에 대해 토의하기 - 30초에 가까운 물시계 다시 만들기
- 평가하기
5~6
학년 완료 완료 100
6 물시계 박물관
‣ 물시계 박물관
- 각 모둠에서 만든 물시계를 설명문과 함께 전시하기
5~6
학년 완료 완료 100
합계 500
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다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사
(1) 연구 대상
개발된 프로그램인 시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램을 적용하기 위하여 연구 참 여자가 근무하고 있는 초등학교 학생들을 대상으로 연구의 목적을 충분히 설명하고, 학생들의 자발적인 지원과 참여를 바탕으로 연구를 실시하였다. 학생들을 두 그룹으로 나누어 STEAM 프로그램 적용학급과 일반학급으로 나누었으며, STEAM 적용 프로그램 대상 학생들에게는 개 발된 6차시(8시간) 분량의 융합인재교육 프로그램을 투입하였다. 일반학급은 교육과정에 적합 한 일반 수업을 하였고, 각각 투입 전 사전검사와 투입 후 사후검사를 실시하여 연구하려는 주 제에 맞는 통계처리를 실시하였다. 연구 대상의 구성은 다음과 같다.
(2) 연구 설계
연구 대상을 STEAM학급과 일반학급으로 나눈 것을 고려하여 통제집단 사전·사후 검사 (pretest-posttest control group)로 진행하였다. 수업 활동 시 수업 상황의 모든 변인을 통제 하는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이여서 ‘시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램 적 용’ 이외의 변인의 작용을 최소화하기 위하여 수업 방식을 모두 동일하고 주제도 동일하게 적 용하였다.
아울러, 수업 시작시간 및 과제 제시 방식 등 환경적인 요소도 동일하게 유지하려 노력하였 다. 사전 검사는 8월 27일에, 사후 검사는 10월 21일에 실시하였다.
(3) 설문 조사지
구분 합계
STEAM학급 일반학급
남 48 50 98
여 52 52 104
합계 100 102 202
사전 처치 사후
실험집단 O1 X O2
통제집단 O3 - O4
평가구인 하위영역 내용
흥미도
수학
나는 수학을 좋아한다.
나는 수학 수업에서 배우는 내용이 흥미롭다.
나는 수학 체험 활동, 수학 퀴즈 풀이, 수학 관련 글 읽기 등을 즐긴 다.
과학 나는 과학을 좋아한다.
나는 과학 수업에서 배우는 내용이 흥미롭다.
설문조사에 앞서 설문지의 구인을 나누어 보았다. 설문지의 구성을 알아본 바에 의하면 크게 흥미도, 배려와 소통, 자기 주도 학습, 이공계 진로로 나누어 지는 것을 알게 되었다. 따라서 STEAM 학급과 일반 학급의 결과 비교를 위해 4가지 영역에서 각각 사전, 사후 검사를 실시하 였다.
평가구인 하위영역 내용
나는 과학 축전, 과학관 견학, 과학 관련 글 읽기 등을 즐긴다.
배려와 소통
배려
나는 수학 시간에 친구의 발표를 주의 깊게 듣는다.
나는 수학 시간에 친구의 문제 풀이가 나와 다르더라도 끝까지 듣는 다.
나는 과학 시간에 친구의 발표를 주의 깊게 듣는다.
나는 과학 실험 기자재를 다른 친구와 사이좋게 나누어사용한다.
나는 다른 친구의 입장을 생각하면서 나의 의견을 주장한다.
소통
수학 시간에, 내 생각을 적극적으로 표현한다.
과학 시간에, 내 생각을 적극적으로 표현한다.
과학 시간에, 친구들과 적극적으로 의견을 교환한다.
수학 시간에, 친구들과 적극적으로 의견을 교환한다.
자기주도학 습
유용성/가치 인식
수학 지식은 일상생활에 도움이 된다.
수학은 다른 교과를 공부하는 데 도움이 된다.
수학 공부를 하는 것은 상급학교 진학에 필요하다.
과학 지식은 일상생활에 도움이 된다.
과학은 다른 교과를 공부하는데 도움이 된다.
과학 공부를 하는 것은 상급학교 진학에 필요하다.
자아효능감
수학 내용을 이해할 자신이 있다.
수학 문제를 잘 풀 수 있다는 자신이 있다.
수학 시험을 잘 볼 수 있다는 자신이 있다.
과학 내용을 이해할 자신이 있다.
과학 문제를 잘 풀 수 있다는 자신이 있다.
과학 시험을 잘 볼 수 있다는 자신이 있다.
자아개념
나는 수학을 잘한다.
나는 수학 내용을 빨리 배운다.
나는 수학 성적이 좋다.
나는 과학을 잘한다.
나는 과학 내용을 빨리 배운다.
나는 과학 성적이 좋다.
이공계진로
수학과 관련된 직업에 관심이 있다.
수학 관련 직업을 갖는 것은 멋진 일이다.
과학 관련 직업을 갖는 것은 멋진 일이다.
과학과 관련된 직업에 관심이 있다.
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교과 N 구분 평균 표준편차 t p
흥미도 100
사전 2.68 .50
-7.12 .000
사후 3.12 .47
배려와 소통 100
사전 2.69 .46
-7.28 .000
사후 3.16 .38
자기 주도 학습 100
사전 2.61 .51
-7.93 .000
사후 3.11 .42
이공계진로 100
사전 2.54 .56
-7.65 .000
사후 3.06 .54
STEAM 학급 태도 사전•사후 검사 대응표본 t-검정 결과
STEAM에 대한 태도 구인별 분석 결과, 흥미도는 사전 평균 2.68에서 사후 평균 3.12로 0.44가 올랐으며 p<.01로 나타났다. 배려와 소통은 사전 평균 2.69에서 사후 평균 3.16으로 0.47 올랐다. 또한 p<.01로 통계적으로 유의한 결과가 나온 것으로 분석되었다. 자기 주도학 습은 사전 평균 2.61에서 사후 평균 3.11로 0.5 상승하였으며 p<.01로 유의한 결과가 도출되 었다. 이공계 진로는 사전 평균 2.54에서 사후 평균 3.06으로 0.52 올랐으며 p<.01로 유의한 결과가 나왔다.
따라서 시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램은 프로그램 적용 전과 후에 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 조사 되었으며, 학생들의 STEAM에 대한 태도에 긍정적인 영향 을 준다고 해석할 수 있다.
(2) 교원 만족도 조사
교원 만족도 조사는 본 연구 과정에 참여했던 교사 3인을 대상으로 이루어졌다. 만족도 조 사는 수업이 다 끝난 11월 4일에 실시하였으며, STEAM 교육의 필요성과 효용성, 수업 만족 도에서 높은 점수를 획득하였다. 한편, STEAM 수업의 어려움은 다년간의 연구회 활동으로 낮 은 편이었으며, STEAM 교육의 효과는 높다고 생각하고 있었다.
4. 결론 및 제언
이 연구는 시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하고, 이를 초등학생들에게 적
용하여 학생들의 시스템 사고 능력, STEAM에 대한 정의적인 영역의 효과를 분석하는 것에
그 목적이 있다.
사회가 통합적인 인재를 추구하면서 최근 융합인재교육 프로그램에 대한 연구 및 논의는 그 동안 많이 이루어져왔으나, 이를 통합적이고 전체적으로 보는 시각인 시스템 사고와 접목시켜 서 바라보고 연구하는 관점은 부족한 것이 사실이었다. 이러한 이유로 시스템 사고를 융합인재 교육에 접목시켰다는 점에서 이 연구는 의의를 가진다고 할 수 있다. 이 장에서는 연구 결과를 바탕으로 결론과 제언, 그리고 교육적인 시사점을 논의하고자 한다.
1. 결론
첫째, 초등학생을 대상으로 한 시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하였다. 개 발된 프로그램의 주제는 물시계 만들기 이며, 2015 개정 교육과정 및 선행 연구 분석으로 학 습 요소를 추출하였다. 프로그램은 기존 프로그램을 보완하여 개발하였고, 최종적으로 6차시에 이르는 융합인재교육 프로그램을 완성하였다. 교수·학습 방법의 다양성과 학생 활동 중심 수업 을 위하여 토의, 토론을 적극적으로 프로그램에 반영하였으며, 문제 해결력, 의사소통 등 여러 학습 기법을 프로그램에 적용시켜 교과목의 수평적 통합을 통한 융합 수업이 가능하도록 구성 하였다.
시스템 사고는 문제를 부분적으로 바라보는 것이 아니라 통합적, 순환적으로 문제를 파악하 여 전체적 사고를 하는 인과 관계적 사고 방법이다. 이 프로그램을 통해 학생들은 물시계의 역 사적 가치 및 과학적 원리, 기술·공학적 원리를 학습하게 되고, 인과지도 그리기 및 직접 설계 과정에서 융합적 사고, 시스템 사고 능력을 향상 시킬 수 있게 된다.
둘째, 개발된 프로그램을 일반 학급과 적용 학급으로 나누어 적용 학급에는 프로그램을 투입 하고 사전·사후 검사를 실시하였으며, 일반 학급은 단순히 STEAM에 대한 태도 사전·사후 검 사를 진행하였다. 그 결과 적용 학급에서 통계적으로 유의미한 변화가 확인되었고, 모두 p값은 .01보다 작게 나왔다. 하지만 일반 학급은 모두 유의미한 결과가 나오지 않았다. 이것은 프로 그램을 적용하지 않고 일반 과학 수업을 진행하여 이공계열 흥미도가 그리 향상되지 않았고, 일상의 과학수업은 자기 주도적 학습이 되지 못하기에 그런 결과가 나온 것으로 생각된다.
2. 제언
이 연구의 결론에 기초하여 제언 하면 다음과 같다.
첫째, 초등학생을 대상으로 연구를 진행하여 시스템 사고 기반의 융합인재프로그램이 초등학 생의 시스템 사고 발달과 STEAM에 관한 흥미의 발달에 영향을 준 것을 확인하였기에, 좀 더 다양한 분야의 시스템 사고 기반의 융합인재 프로그램을 개발 할 필요가 있다. 이는 학생들이 쉽게 접할 수 있는 분야의 시스템 사고 교육을 기반으로 하여 점점 과학 교과로 전이 시키면 서 시스템 사고를 학생들에게 체계적으로 교육 할 수 있을 것이다. 또한 전 국가적인 시책에 맞게 시스템 사고를 기반으로 한 융합인재교육 프로그램까지 개발 된다면 학생들의 융합적 소 양 신장을 가능하게 할 것이고, 또한 융합인재교육이 추구하는 감성적인 체험을 좀 더 면밀하 게 학습할 수 있는 밑거름이 될 수 있을 것이다.
둘째, 이 프로그램은 초등학생을 대상으로 한 프로그램이다. 그런 점에서 시스템 사고 구현
수준을 초등학생 수준에 맞추어 학습을 진행하였다. 하지만 개발된 프로그램의 명확화와 구체
화를 위해서 좀 더 다양한 수준과 학교 급에 적용 할 프로그램의 개발이 필요하다. 시스템 사
- 11 -
고를 이끌어 내는 방법은 앞 서 연구된 바와 같이 다양한 방법이 존재한다. 하지만 초등학생에 게 이 모든 방법을 적용시키기에는 교육과정 상의 문제와 발달적인 문제에 장벽이 생겨 한계 점이 존재할 수밖에 없었다. 이런 한계점을 극복하고 연구의 연장선을 이어가고자 다양한 학교 급을 반영한 프로그램을 추가 개발하여 다른 학습자들에 관한 연구도 진행한다면 프로그램의 일반화가 진행되리라 생각된다.
셋째, 이 연구에서는 프로그램을 6차시(8시간)에 걸쳐 학생들에게 투입하고 효과를 측정하였 다. 하지만 시스템 사고는 한순간에 효과를 측정하기도 어렵고, 단기간에 변화 할 수 있는 특 성이라 볼 수 없다. 또한 STEAM에 관한 흥미도 역시 정의적 영역에 해당되는 척도라 이 역 시 장기간의 측정이 필요하리라 생각이 된다. 따라서 좀 더 장기간으로 연구 할 수 있는 교육 과정 틀의 개발이나 프로그램을 개발하여 학생들에게 투입하여 시스템 사고의 변화를 측정하 는 노력이 필요할 것이다.
넷째, 시스템 사고를 측정할 수 있는 도구의 다양화가 필요하다. 시스템 사고는 매우 고차원 적인 사고이기에 기존의 연구를 살펴보면 초등학생에게 적합한 시스템사고 측정도구는 존재하 지 않았고, 고등학생이나 중학교 과학 영재에게 사용된 시스템 사고 측정 도구를 그대로 가져 와 사용하였다. 이는 상위 학교 급의 학생들에게서 타당한 신뢰도를 얻어내었다 하더라도 한계 점이 분명 존재하기 마련이다. 이를 극복하기 위하여 초등학생들을 위한 시스템 사고 측정도구 가 필요할 것으로 사료된다.
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주 의 문
1. 본 연구의 주장이나 제언은 연구진의 견해이며, 한국과학창의재단의 공식 입장이 아닙니다.
2. 이 보고서 내용을 대외적으로 공개하거나 발표할 때에는 반드시 한국
과학창의재단과 사전에 상의하여야 합니다.
[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물
프로그램 명: 시스템 사고 기반 물시계 만들기 STEAM 프로그램
1. STEAM 프로그램 총괄표(총 6차시)
차시 학습 내용
1차시
소주제 물시계 프로젝트 준비하기
지금과 같은 정확한 시계가 없었을 때에는 어떻게 시간을 알 수 있었을까?
옛 시계의 종류를 찾아보고 물시계에 대해 찾아보기 ‘나만의 장영실 팀’구성하기
2차시
소주제 물시계의 과학적 원리와 시스템 사고
사이펀의 원리가 적용된 간이 물시계를 만들 상황을 제시
사이펀의 원리가 적용된 간이 물시계 만들기/인과지도를 통해 시스템 사고하기 제작 과정에서의 성취 기쁨 느끼기/간이 물시계의 장점과 단점 분석하기
3차시
소주제 물시계 제작하기
물을 이용한 시계는 어떻게 만들 수 있을까?
해당하는 조건에 맞춰 창의적·효율적인 물시계 만들어보기
제작 과정에서의 협동과 성취 기쁨 느끼기/물시계의 장점과 단점 분석하기
4차시
소주제 효율적인 물시계를 만들기 위한 시스템 사고하기
어떻게 하면 좀 더 정확한 물시계를 만들 수 있을까?
시간을 정확하게 측정하는데 미치는 내적·외적 요인 찾고 이를 극대화·최소화 하는 방법 찾기 & 인과지도 그리기
5차시
소주제 물시계 개선하여 다시 제작하기
시간을 좀더 정확하게 측정하는 물시계 제작하기 제작 과정에서의 협동심 키우기와 성취 기쁨 느끼기
6차시
소주제 물시계 박물관으로 각자 물시계 평가하고 탐구하기 어떻게 하면 제작한 물시계를 효과적으로 광고할 수 있을까?
‘물시계 박물관’에 전시할 우리 모둠의 물시계 설명문 만들기 모둠 평가와 자기 평가하기 & 프로젝트 마무리하기
- 2 -
2. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안
소주
제 물시계 프로젝트 준비하기 차시 1/6
학습
목표 물시계에 대해 알아봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ ‘시계가 없다면?’상상하기
• 지금과 같은 시계가 없었던 때를 상상한다.
지금과 같은 정확한 시계가 없었던 때를 생각해보도록 안내한 다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 물시계에 대해 알아봅시다.
[활동 1] 옛 시계의 종류 찾기 [활동 2] 물시계, 자격루 알기
[활동 3]‘나만의 장영실 팀’구성하기
□1활동지
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 옛 시계의 종류 찾기
• 지금과 같은 시계가 없었을 때에 어떤 시계들이 있었는지 스마트기기 를 사용하여 모둠별로 간단히 조사한다.
해시계, 물시계 등 다양한 종류의 시계를 찾아볼 수 있도록 모 둠별로 과제를 부여해도 좋다.
□2스마트기기
□3‘장영실’
자격루 동영 상
‣ [활동 2] 물시계 자격루 알기
• 우리나라에서 가장 유명한 물시계의 이름은 무엇인지 발표한다.
• 드라마 ‘장영실’에서의 자격루 제작 장면을 함께 본 뒤 자격루에는 어떤 과학적 원리가 숨어있을지 발표한다.
학생들의 배경지식(자격루에 숨어있는 과학적 원리)을 파악할 수 있는 과정이므로 개인별로 발표해보도록 한다.
‣ [활동 3]‘나만의 장영실 팀’ 구성하기
• 이번 프로젝트는 물시계를 만드는 것이므로 ‘나만의 장영실 팀’을 만들어 팀원들과 앞으로의 계획을 세워보도록 한다.
이번 차시 내용이 앞으로의 차시와 연결되어 진행됨을 안내한 다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기
• 이번 프로젝트는 장영실의 정신을 이어 최고의 물시계를 개발하고 연 구하는 것이다. 앞으로의 계획을 세우고 열심히 준비하여 실행하도록 합시다.
학생들에게 앞으로의 프로젝트가 어떻게 진행될 것인지 알려준 다.
지도 상 유의 점
✓ 1차시의 목표는 지금과 같은 시계가 만들어지기 전 시계들을 자세히 알아보는 것이 아니라 프로젝트의 목표가 무엇인지 안내하고 방향을 정하는 것이다.
✓‘장영실’과 ‘물시계, 자격루’에 초점이 맞춰질 수 있도록 안내하도록 한다.
✓ 지금과 같은 정확한 시계가 없었을 때에는 어떻게 시간을 알 수 있었을 까?
→ 옛 시계의 종류를 찾아보고 물시계에 대해 찾아보기 → ‘나만의 장영실 팀’구성하기
소주
제 물시계의 과학적 원리와 시스템 사고 차시 2/6
학습
목표 사이펀의 원리를 적용한 간이 물시계를 만들어 봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ 물시계에 적용된 과학적 법칙 알기
• 물시계에 적용된 과학적 법칙은 부력의 원리, 지렛대의 원리, 사이펀 의 원리이다. 각각 어떤 원리인지 알아본다.
부력·지렛대·사이펀의 원리가 무엇인지 동영상과 함께 설명한 다.
자격루에 숨은 과학적 원리를 찾아 표시하도록 지도한다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 사이펀의 원리를 적용한 간이 물시계를 만들어 봅시다.
[활동 1] 사이펀의 원리를 적용한 간이 물시계 만들기 [활동 2] 인과지도 그리기
[활동 3] 시스템 사고하기
□1활동지
□2부력·지렛 대·사이펀의 원리 동영상
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 사이펀의 원리를 적용한 간이 물시계 만들기
• 사이펀의 원리를 적용한 간이 물시계를 만든다.
- 최대한 20초에 가까운 물시계 만들기
주어진 재료를 모두 사용하여 창의적으로 생각하고 만들 수 있 도록 지도한다. 또한 미션도 함께 부여하도록 한다.
• 만든 간이 물시계의 정확성을 높이기 위해 인과관계를 찾아보고 분석 한다.
물시계의 정확성을 높일 수 있는지 찾아보고 분석할 수 있도록 지 도한다.
□3사 이 펀 의 원리를 적용 한 간이 물시 계 만들기 재 료(종이컵 2 개, 플라스틱 컵 2개, 고무 호스, 고무찰 흙, 빨대, 테
‣ [활동 2] 인과지도 그리기 이프)
• 간단하게 인과지도를 그리는 연습을 해봅시다.
인과지도란, 원인과 결과에 의해 나타나는 사고의 흐름을 시각 적으로 볼 수 있게 만든 지도이다. 먼저 학생들이 인과지도에 대해 이해할 수 있도록 예시 자료를 주도록 한다. 각 빈칸에 원 인과 결과에 맞게 자유롭게 쓰면 된다. 더 나아가 각각의 원인 과 결과가 서로 어떤 영향을 끼치는지 +와 –로 표시할 수 있도 록 한다.
• 내가 만든 간이 물시계의 인과지도를 그려봅시다.
[활동 1]에서 간이 물시계의 정확성과 효율성에 영향을 미치는 원인과 결과를 분석했다. 그 내용을 바탕으로 인과지도를 그리 도록 한다.
‣ [활동 3] 시스템 사고하기
• 인과지도를 참고하여 어떻게 하면 물시계의 정확성과 효율성을 높일 수 있을지 생각해 봅시다.
[활동 2]의 인과지도를 바탕으로 시스템 사고를 할 수 있도록 지도한다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기
• 물시계에 적용된 세 가지 원리에 대해 발표한다.
• 내가 만든 간이 물시계의 인과지도, 시스템 사고에 대해 확인한다.
- 4 - 소주
제 물시계 제작하기 차시 3/6
학습
목표 물시계를 제작해 봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ 물시계에 대해 생각하기
• 물을 이용하여 시계를 어떻게 만들 수 있을지 생각한다.
간이 물시계가 아닌 진짜 물시계를 어떻게 제작할지 모둠별로 토의한 뒤 각 모둠별로 계획을 공유해볼 수 있도록 한다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 물시계를 제작해 봅시다.
[활동 1] 물시계 계획·설계하기 [활동 2] 물시계 만들기
[활동 3] 물시계 평가하기
□1활동지
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 물시계 계획·설계하기
• 모둠별로 물시계를 어떻게 제작할지 계획하고 설계한다.
1. 30초에 가장 가까운 물시계를 만들기
2. 사이펀, 지렛대, 부력의 원리 중 2가지 이상 사용하기 3. 다양한 재료 사용으로 물시계의 구성도 높이기 4. 가장 가볍고 효율적인 물시계 만들기(무게 비교)
주어진 조건에 맞추고 창의적으로 생각하고 만들 수 있도록 지 도한다.
□2물시계 제 작 재료
‣ [활동 2] 물시계 만들기
• 물시계를 만들어 봅시다.
‣ [활동 3] 물시계 평가하기
• 우리 모둠의 물시계가 어떤 특징을 가지고 있는지 설명하고 작동시킨 다.
• 다른 모둠의 물시계를 평가한다.
평가할 때에는 정확하고 객관적인 평가 기준을 가지고 평가한다.
학습지에 정확한 평가 기준과 점수는 활동지에 기재되어 있다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기
• 효율적인 물시계는 어떤 시계인지, 효율적인 물시계가 가져야 할 특징을 생각 한다.
각 모둠에서 만든 물시계를 모두 살펴본 뒤 어떤 원인이 있어야 좋은 결과가 나타나는지(시스템 사고)에 대해 생각해볼 수 있도 록 지도한다.
지도 상 유의 점
✓ 3차시의 목표는 해당하는 조건에 맞춰 창의적이고 효율적인 물시계를 만들어보는 것이다. 4차시에는 3차시에 만들었던 물시계를 분석해보고 수정·보완점을 찾는 활 동으로 이어진다.
✓ 물을 이용한 시계는 어떻게 만들 수 있을까?
→ 해당하는 조건에 맞춰 창의적·효율적인 물시계 만들어보기
→ 모둠 평가 & 제작 과정에서의 협동과 성취 기쁨 느끼기/물시계의 장 점과 단점 분석하기
소주
제 효율적인 물시계를 만들기 위한 시스템 사고하기 차시 4/6
학습
목표 물시계의 정확성을 높이기 위한 방법을 찾아 봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ 지난 시간에 만들었던 물시계 떠올리기
• 지난 시간에 만들었던 물시계의 제작 과정과 결과를 떠올린다.
이번 시간에는 3차시의 물시계를 분석하는 것이다. 시간을 정확하 게 하는데 미치는 요인, 인과 관계, 시스템 사고로 이어질 수 있 도록 지도한다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 물시계의 정확성을 높이기 위한 방법을 찾아 봅시다.
[활동 1] 시간을 정확하게 측정하는데 영향을 미치는 요인 찾기 [활동 2] 인과지도 그리기
[활동 3] 수정·보완하기
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 시간을 정확하게 측정하는데 영향을 미치는 요인 찾기
• 시간을 정확하게 측정하는데 영향을 미치는 요인을 찾는다.
- 내가 제작한 물시계는 일정한 간격으로 물이 흘러내리는가?
- 내가 제작한 물시계는 정확하게 시간을 측정하였는가?
- 시간의 정확성과 관련된 영향을 미치는 요인에는 어떤 것이 있을 까?
- 내부 요인과 외부 요인으로 구분하기 - 내부 요인과 외부 요인의 원인과 결과 찾기
□2물시계 제 작 재료
‣ [활동 2] 인과지도 그리기
• 물시계의 정확성과 효율성에 영향을 미치는 내부요인과 외부요인을 분석한 결과를 인과지도로 작성한다.
인과지도를 그릴 때 화살표 위에 영향을 주고받는 +와 –도 함께 기입하도록 한다. 또한 균형루프도 찾을 수 있다면 찾도록 지도 한다.
‣ [활동 3] 수정·보완하기
• 내적·외적 요인 중 +는 극대화, -는 최소화하는 방향으로 정확한 물 시계 제작을 위해 탐구한다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기
• 정확한 물시계를 만들기 위해서는 어떤 요인을 극대화·최소화해야하는지 정리한다.
지도 상 유의 점
✓ 4차시의 목표는 3차시에 만들었던 물시계를 분석하여 정확한 물시계를 제작하 기 위해 필요한 내적 요인과 외적 요인을 탐구하여 극대화·최소화할 수 있는 방법을 찾는 것이다. 그리고 인과지도 그리기를 통해 시스템 사고를 할 수 있 도록 하는 것이다.
✓ 4차시 어떻게 하면 좀 더 정확한 물시계를 만들 수 있을까?
→ 시간을 정확하게 측정하는데 미치는 내적·외적 요인 찾고 이를 극대화·최소화하는 방법 찾기 & 인과지도 그리기
✓ 5차시 시간을 좀더 정확하게 측정하는 물시계 제작하기 → 제작 과정에서의 협동심 키우기와 성취 기쁨 느끼기
- 6 - 소주
제 물시계 개선하여 다시 제작하기 차시 5/6
학습
목표 물시계를 개선하여 제작해 봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ 제작할 물시계의 개선점 토의하기
• 어떤 점을 개선시켜 물시계를 제작할지 토의한다.
지난 차시(4차시) 내용을 떠올릴 수 있도록 한다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 물시계를 개선하여 제작해 봅시다.
[활동 1] 물시계 계획·설계하기 [활동 2] 물시계 만들기
[활동 3] 물시계 평가하기
□1활동지
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 물시계 계획·설계하기
• 모둠별로 물시계를 어떻게 개선할지 계획·설계한다.
1. 30초에 가장 가까운 물시계를 만들기
2. 사이펀, 지렛대, 부력의 원리 중 2가지 이상 사용 하기
3. 다양한 재료 사용으로 물시계의 구성도 높이기 4. 가장 가볍고 효율적인 물시계 만들기(무게 비교)
주어진 조건에 맞추고 창의적으로 생각하고 만들 수 있도록 지 도한다.
□2물시계 제 작 재료
‣ [활동 2] 물시계 만들기
• 물시계를 만든다.
‣ [활동 3] 물시계 평가하기
• 물시계를 어떻게 개선하였는지 설명하고 작동시킨다.
• 다른 모둠의 물시계를 평가한다.
평가할 때에는 정확하고 객관적인 평가 기준을 가지고 평가할 수 있도 록 한다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기 & 자기 평가하기
• 평가 문항에 스스로 평가한다.
지도 상 유의 점
✓ 3차시에는 물시계를 만들었고, 4차시에는 정확한 물시계를 위해 수정·보완할 점을 찾았다. 5차시에는 좀 더 개선한 물시계를 만드는 것이 목표이다.
✓ 팀별 평가·자기 평가를 할 수 있도록 하였다.
✓ 4차시 어떻게 하면 좀 더 정확한 물시계를 만들 수 있을까?
→ 시간을 정확하게 측정하는데 미치는 내적·외적 요인 찾고 이를 극대화·최소화하는 방법 찾기 & 인과지도 그리기
✓ 5차시 시간을 좀 더 정확하게 측정하는 물시계 제작하기
→ 모둠·자기평가 & 제작 과정에서 협동심 키우기와 성취 기쁨 느끼기
소주
제 물시계 박물관 차시 6/6
학습
목표 물시계 박물관을 만들어 봅시다.
학습 과정
STEAM
교수학습 활동 준비물(□)
도입 (5분)
‣ 물시계를 광고할 수 있는 방법 떠올리기
• 제작한 물시계를 광고할 수 있는 효과적인 방법을 떠올린다.
‣ 학습 목표 안내하기
♧ 물시계 박물관을 만들어 봅시다.
[활동 1] 물시계 설명문에 들어가야 할 내용 찾기 [활동 2] 물시계 설명문 만들기
[활동 3] 평가하기 & 되돌아보기
학습 활동 (30분)
‣ [활동 1] 물시계 설명문에 들어가야 할 내용 찾기
• 물시계 박물관에 전시될 설명문에 들어가야 할 내용을 떠올린다.
‘물시계 박물관 만들기’란, 각 모둠별로 만든 물시계를 전시 하고 설명하는 활동이다. 각 모둠에서 만든 물시계를 소개하고 설명할 수 있는 설명문을 작성하는데, 이때 꼭 들어가야 할 내 용들을 찾도록 한다.
□1활동지
‣ [활동 2] 물시계 설명문 만들기
• 모둠별로 물시계 설명문을 작성한다.
‣ [활동 3] 평가하기 & 되돌아보기
• 설명문과 함께 물시계를 전시한다.
• 물시계 박물관을 돌아보며 모둠별 평가를 실시한다.
- 필수 내용의 개수, 창의성, 퀄리티 등
다른 모둠이 전시한 물시계와 설명문을 보고 평가한다. 평가할 때에는 정확하고 객관적인 평가 기준으로 평가하도록 한다.
마무 리 (5분)
‣ 정리하기 & 자기 평가하기
• 이번 프로젝트를 하면서 알게 된 점, 느낀 점, 재미있었던 점 등을 발 표한다.
이번 프로젝트를 잘 마무리할 수 있도록 한다.
지도 상 유의 점
✓ 6차시는 ‘물시계 박물관’ 만들기를 통해 프로젝트를 마무리하는 것이 목표이 다.
✓ 어떻게 하면 제작한 물시계를 효과적으로 광고할 수 있을까?
→ ‘물시계 박물관’에 전시할 우리 모둠의 물시계 설명문 만들기 → 모둠 평가와 자기 평가하기 & 프로젝트 마무리하기
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3. 교사자료
1차시 주제 시계의 역사와 종류
교사용 필수정보 1. 시계 발전의 역사
우리 세상에는 여러 가지 시계가 있다. 자연현상 가운데 일정하게 규칙적인 운동을 하는 것을 기초 로 하여 기계적·전기적으로 시간과 시각을 잴 수 있게 고안한 것에는 물과 모래 같은 것의 유출속도(流 出速度)가 비교적 일정한 것을 이용하여 만든 물시계·모래시계, 진자(振子:추)의 왕복운동을 이용하여 만든 진자시계, 음차(音叉)의 진동을 이용한 소리굽쇠시계, 수정(水晶)의 진동을 이용한 수정시계, 원자 (原子)의 진동을 이용한 원자시계 등 여러 가지가 있다. 시계는 각 시대의 사회·경제생활의 필요에 따 라 여러 가지 기구(機構)를 가진 시계가 만들어졌다. 인간이 사회생활을 시작할 때부터 해시계·물시계 등의 간단한 기구의 시계가 고안되어 사용되었다.
1364년 프랑스에서는 찰스 5세가 독일의 기계기술자인 H.드비크로 하여금 파리에 커다란 대형시계 를 제작하게 하였는데, 이 시계는 높이가 3m나 되며 현존하는 시계 중에서 가장 오래 된 기계시계이 다. 이 시계는 드럼에 노끈이 감겨 있고, 노끈에는 추가 달려 있다. 무거운 추의 무게로 드럼이 회전하 고 그 회전을 기어장치로 1개의 지침에 전하는 구조이다.
그후 이탈리아의 G.갈릴레이가 1583년 흔들이운동의 등시성(等時性)을 발견하였고, 이것을 1656년에 네덜란드의 수학자 C.하위헌스가 처음으로 시계에 응용하였다. 이리하여 시계에 흔들이를 응용하기 시 작한 다음부터는 그 정밀도가 대단히 높아지게 되었다. 1676년 보통 8일 감기의 괘종시계에 사용되고 있는 앵커를 사용한 퇴각식(退却式) 탈진기가 R.후크에 의하여 발명되었다. 그리고 이 탈진기는 싸게 제작되므로 널리 사용되었고 오늘날까지 사용된다. 시계에 분침이 달리게 된 것도 이 퇴각식 앵커 탈 진기가 발명된 후부터이다.
1715년 G.그레함은 앵커 탈진기를 개량하여 직진식 탈진기(直進式)탈진기를 발명하였다. 1500년 독일 의 P.헨라인에 의하여 태엽이 발명된 후로는 각 부품의 개량과 함께 시계는 점점 정교해지고 소형화되 어 운반에 편리한 휴대용 시계가 탄생하였다. 앞에서 말한 탈진기는 진자시계용 퇴각식 탈진기였으나, 휴대용 시계의 탈진기는 레버식 탈진기를 사용하게 되었는데, 이것은 1755년경 영국인 T.머지가 발명 한 것이다.
1896년 C.E.기욤이 온도변화로 생기는 팽창 및 수축이 거의 없는 인바라는 합금(合金)을 발명하였고 이어서 엘린바(elinvar)라는 합금을 발명하였다. 이 합금을 템포바퀴와 유사(游絲:hair spring)에 사용 함으로써 온도변화에 따른 시간의 오차가 거의 없는 시계를 만들 수 있게 되었다. 또 비자성합금(非磁 性合金)으로 니바록스(Nivarox:탄력이 줄지 않고 녹슬지 않는 금속)가 유명하다. 이렇게 하여 지금의 고정밀도 시계가 탄생하였다.
시계의 역사 및 종류
1) 해시계
인류 최초의 시계는 바로 해시계였다. 기원전 3500년쯤에 메소포타미아에서 최초로 해시계를 만들 었다고 알려진다. 막대 하나를 땅에 꽂아 기준을 세우고, 막대 그림자를 따라 몇 개의 돌을 놓아 시간 을 표시하였다. 이후 사람들은 눈금을 새긴 땅이나 판 위에 막대를 세우고, 막대의 그림자가 닿는 눈 금을 읽어서 시간을 알아냈다. 해시계는 해가 떠 있을 때면 언제나 시간을 알려주었고, 특별한 도구도 필요 없었기 때문에 2000년 이상 널리 사용되었다. 하지만 밤이나 비가 오는 날에는 쓸 수가 없었다.
그야말로 ‘낮 동안의 시계’였다.
이집트 해시계
이집트의 카르나크 신전에는 ‘오벨리스크’라는 거대한 돌 기둥이 있다. 이것은 태양신을 숭배하는 상징이기도 하 지만, 해시계로도 사용되었다. 거대한 오벨리스크의 그림 자는 크고 넓게 움직였기 때문에 시간을 알아보기 쉬웠 다.
프랑스 해시계
바닥에 놓던 해시계를 중세에는 벽에 설치했다. 프랑스 샤르트르 대성당에 가면 벽에 달린 해시계를 볼 수 있 다. 수직으로 세워놓은 해시계는 멀리서도 볼 수 있는 장점이 있다. 이 해시계는 낮을 12시간으로 나누었다.
우리나라의 해시계
하늘을 바라보는 솥 모양이고 해의 그림자로 시간을 알 아보기 때문에 ‘앙부일구’라고 불렀다. 가로 선은 절기를 세로 선은 12간지를 이용하여 시간을 표시하였다.
- 10 - 2) 물시계
사람들은 또 다른 시계를 생각해 냈다. 바로 물시계이다. 조그만 구멍이 뚫린 물통에 물을 가득 붓 고, 물이 줄어드는 양을 눈금으로 재서 시간을 알아냈다. 고대 그리스에서는 ‘클렙시드라’라는 물시계 를 사용했는데 한 항아리의 물이 모두 흘려내리는 데는 20분쯤 걸렸다고 한다.
중국 물시계
커다란 청동 항아리 4개를 돌계단에 늘어놓고, 맨 위의 항아 리에서 물을 흘려보내면 2개의 중간 항아리를 거쳐 내려간 다. 이렇게 하면 물이 좀더 규칙적으로 흘려내려 시간의 오 차를 줄일 수 있다.
그리스 자명종 물시계
플라톤이 고안한 물시계이다. 꼭대기에 있는 물탱크에서 원 통으로 물이 떨어진다. 원통 꼭대기에는 납 구슬이 담긴 그 릇을 한쪽만 고정시켜 매달아 놓았다. 물이 원통에 가득차면 그릇이 뒤집어 지면서 납 구슬이 구리접시로 쏟아져 시간을 알려주었다.
우리나라 물시계
스스로 종이 울린다는 뜻을 가진 물시계 ‘자격루’이다. 물이 차면 쇠 구슬이 굴러가 징과 북을 울리기도 하고, 나무로 만 든 인형이 나타나 시각을 알려주는 팻말을 들기도 한다.
로마 물시계
로마 사람들이 만든 물시계로 시곗바늘이 달려있는 것이 특 징이다. 원통에 물이 차오르면 시곗바늘이 달린 둥근 톱니바 퀴가 돌아가 시간을 표시한다.
3) 기계 시계
13세기 말이 되자, 드디어 기계로 만든 시계가 등장했다. 최초의 기계 시계는 추를 이용해 톱니 바퀴를 움직이는 추시계였다. 추시계는 1시간 마다 종을 쳐서 시간을 알려주었다. 14세기에는 유럽 도시의 광장이나 교회 탑에 추시계가 설치되어 많은 사람들이 시간을 알 수 있었다.
추시계는 톱니바퀴가 일정하게 돌아가면서 시간을 일정한 간격으로 나누었다. 하지만 시침만 달 려 있고, 분이나 초까지 나눌 수는 없어서 시간이 정확하지 않았다. 또 고장이 잦아서 사람들이 여 전히 해시계를 보고 추시계의 시간을 다시 맞춰야 했다.
17세기에 네덜란드의 물리학자이자 천문학자인 호이겐스는 갈릴레이가 발견한 진자의 법칙을 응 용해 진자시계를 만들었다. 이때부터 시계는 놀랍도록 정확해졌다. 진자를 이용하면 톱니바퀴를 움 직이는 속도를 일정하게 유지할 수 있었기 때문이다. 또 진자를 1초에 한 번씩 왔다 갔다 하도록 맞출 수 있게 되면서 분침과 초침도 생겼다.
※ 줄에 추나 물체를 매달아 좌우로 흔들리게 마든 것을 ‘진자’라고 한다. 무게가 서로 다른 진자라 도 줄의 길이만 같으면 흔들리는 시간은 똑같다는 것이 진자의 법칙이다. 정확히 1초 간격으로 흔 들리는 진자를 만들려면 줄의 길이를 25cm로 하면 된다.
추시계
줄에 매달린 무거운 추가 아래로 내려가면 그 무게 때문 에 쇠로 만든 톱니바퀴가 돌아가서 망치로 종을 울려 시 간을 알려준다.
진자시계
진자가 좌우로 흔들리면 톱니바퀴가 차례차례 앞으로 가면서 시곗바늘이 움직인다.
- 12 - 4) 현대의 시계
시계는 놀라울 정도로 발달하여 보다 정교해지고 정확해졌다. 그러자 사람들은 작고 가벼운 시계 를 원했다. 16세기 초에 이미 가지고 다닐 수 있는 회중시계가 발명되었지만 너무 비싸서 아무나 살 수는 없었다. 그런데 전자시계가 발명되었을 즈음, 세상은 급격한 변화를 맞이했다. 방적기, 베 짜는 기계, 증기 기관 등이 발명 되면서 수공업에서 기계 공업으로 바뀐 것이다. 시계에 들어가는 부속품 도 일일이 사람 손으로 만들지 않고 기계로 만들었다. 기계를 이용하면 빠른 시간 안에 시계를 많이 만들 수 있어서 값도 싸졌다. 이제 사람들은 옛날보다 쉽게 시계를 살 수 있게 되었다. 그만큼 시계 도 더 다양하게 발달했다. 전기로 움직이는 전기 시계가 발명되었고, 수정이나 원자의 규칙적인 진 동을 이용해서 정확성을 높인 수정 시계나 원자시계도 발명되었다.
회중시계
1500년대에 독일의 헨라인 은 태엽을 이용해 작은 시 계를 만드는데 성공했다.
처음에는 지름이 10cm정 도로 컷지만 나중에는 작아 졌다.
전기시계
1840년대 영국에서 처음 만들어졌다. 초소형 전지가 들어있어서 전기의 힘으로 톱니바퀴를 돌려 시곗바늘 이 움직였다.
수정시계
1929년 미국의 워런 모리 슨은 규칙적으로 진동하는 수정을 이용해 수정 시계를 발명했어요. 오차가 한 달 에 1000분의 1초 정도이 다.
디지털 시계
시곗바늘 대신 숫자로 시, 분, 초를 나타낸다. 내부는 주로 전지나 수정 진동자와 전기 회로로 구성되어 있 다.
원자시계
원자의 진동을 이용한 시계 이다. 처음에는 암모니아 원자를, 지금은 세슘 원자 를 사용한다. 주로 과학연 구에 쓰인다.
오래 전에 사용된 다양한 시계들
1. 아라비안나이트의 시계
하룬 알 라시드가 멀고 먼 바그다드에서 프랑스의 샤를마뉴 대제에게 보낸 시계는, 당시 유럽에서 가장 뛰어난 것으로 꼽힌다. 샤를마뉴 왕의 친구이자 고문이었던 아인하르트는 이 물시계를 다음과 같이 기록했다.
'페르시아 왕의 사절인 압둘라가 수도승 두 사람을 데리고 왕 앞으로 나왔다. 두 사람의 수도승은 샤를마뉴 왕에게 페르시아 왕이 보낸 몇 가지 선물을 바쳤다. 이 선물들 가운데에는 아주 훌륭한 솜 씨로 만든 황금 시계가 들어 있었다. 물로 움직이는 특별한 장치를 붙여서 시간을 알 수 있게 만든 물건이었다. 그 시계는 시간을 치게 되어 있었다. 시간마다 필요한 숫자만큼 작은 구리 구슬이 시계 아래에 있는 구리 쟁반으로 떨어졌다. 그리고 시간마다 시계 안쪽으로 나 있는 12개의 문 가운데 하 나가 열렸다. 정오에는 12개의 문 전체에서 말을 탄 조그만 기사들이 나온다. 이 시계에는 이밖에도 여태껏 프랑스 사람들이 한 번도 본 일이 없는 근사한 것들이 많았다.'
이상의 기록에서 알 수 있듯이 당시 사람들은 자동으로 시간을 계산해 주는 이 물시계를 보고 매 우 놀랐음을 알 수 있다. 이후 시계를 만드는 방법이 전파되자 처음에는 물통에 구멍을 뚫어서 시간 을 재기 시작했던 물시계는 예술 작품의 모습을 띄면서 점차 발전해 갔다.
2. 중국의 불 눈금 시계
중국에서는 불과 100여 년 전까지만 해도 불 눈금 시 계를 사용하는 사람들이 많았다. 톱밥과 송진으로 만든 가느다란 향 막대기가 작은 배 모양의 접시 안에 들어 있 는 모양이다.
접시 위에는 구리로 만든 작은 구슬 두 개를 실로 묶어 서 가로질러 놓았다. 그러고 나서 향 끝에 불을 붙인다.
불이 실에 닿으면 실은 끊어지고, 조그만 구리 구슬은 접시 밑에 놓여 있는 금속판 위에 '짤랑' 소리 를 내며 떨어졌다.
