2021년 STEAM 교사연구회 결과보고서

2021년 STEAM 교사연구회 결과보고서

2021. 11.

의정부광동고등학교

※ 결과보고서 작성 시파란색 글자는 수정, 빨간색 글자는 안내이므로 삭제 및 수정 후 제출

※ 주관연구기관장의 ‘직인’과 연구 책임자 서명 또는 날인 필수(현재쪽만 스캔후 이미지로 삽입 하거나 직인, 서명을 이미지로 삽입하여 한글파일로 제출)

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 아두이노 로드셀 활용 자동개폐기 키트제작 프로젝트

신규 개발 ○ 기 개발

학교급 고등학교 대상 학년(군) 1학년

중심과목 정보 중심과목 성취기준 영역 [고등학교 1~3학년] (4) 컴퓨팅시스템-피지컬 컴퓨팅

연계과목 공통과학,기술,수학 연계과목 성취기준 영역 삼각함수,기술활용,발전과신재생에너지

연구기간 2021.4.29. ~ 2021.11.30.

신청금액 일금사백만원(￦4,000,000)

참여연구원 총 7명 (연구책임자: 1명, 참여연구원: 6명) 연구 수행자에 관한 사항

구분 소속(학교명) 직위 성명 담당과목

연구책임자 의정부광동고등학교 교사 변병찬 과학

참여연구원 광동고등학교 교사 조승조 정보

참여연구원 호원중학교 수석교사 김호범 수학

참여연구원 의정부광동고등학교 교사 이준형 윤리

참여연구원 조양중학교 교사 이홍재 기술

참여연구원 광동고등학교 교사 이창준 수학

참여연구원 광동고등학교 교사 허웅 한문

2021년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 STEAM 교사연구회를 운영한 최종 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2021년 11월 16일

주관연구기관장 : 김석희 (직인)

연구책임자 : 변병찬 (서명 또는 인)

한국과학창의재단 이사장 귀하

“이 보고서는 2021년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

목 차

1. 요약문

2. 서론

3. 연구 수행 내용 및 결과

가. STEAM 프로그램 개발‧적용 ··· 05

(1) 프로그램 개발 내용 ··· 06

(2) 프로그램 개발‧적용 결과 ··· 07

나. 성과 확산 및 실천 ··· 08

(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최 ··· 08

(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과 ··· 08

다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사 ··· 09

(1) 수혜학생 태도 조사 ··· 09

(2) 교원 만족도 조사 ··· 09

4. 결론 및 제언

5. 참고문헌

[부록] 별도 첨부

1. 요약문

- 현실 생활속에서 문제점을 반견하고 우리가 이를 해결하기 위한 다양한 방법을 생각해보 면서 융합적 컴퓨팅 사고력을 기르고 팀별 활동을 통해 문제를 해결해보는 프로그램 개 발에 중점을 둠.

- 우리가 생활하고 있는 가운데 이동을 하면서 무게에 의해 문이 자동으로 개폐되면 여러가 지 문제를 해결하고자 함.

- 축사의 동물들의 무게에 따라 사료통을 열어주거나 닫혀야하는 경우도 있고 여러마리 애 완견을 키울 경우 자동개폐기가 필요함.

- 아두이노 센서 로드셀 프로그래밍 및 제작(정보, 과학) 무게에 따른 서보모터 위치 제작(수학)

키트의 모델 설계 및 제작(기술)

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 아두이노 로드셀 활용 자동개폐기 키트제작 프로젝트 선행

프로그램명 “해당 없음”

학교급 고등학교 대상 학년(군) 1학년

목표 수혜학생 수 200명

중심과목 정보 중심과목

성취기준 영역 [고등학교 1~3학년] (4) 컴퓨팅시스템-피지컬 컴퓨팅

연계과목

공통과학 수학1

기술

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 1~3학년] 발전과 신생 에너지 [고등학교 1학년] (4) 삼각함수

[고등학교 1~3학년] (5) 기술활용

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 3 정보(1) + 기술(2)

2 2 정보(1) + 공통과학(1)

3 3 정보(1) + 수학1(2)

4 2 기술(1) + 수학(1)

창의적 설계

◈ 로드셀을 이용한 우리 생활속 문제해결

◈ 센서를 활용한 아두이노 센서 활용 및 제작(정보 및 수학) ◈ 키트의 모델 설계 및 제작(기술)

감성적 체험

◈ 키트를 제작해봄으로써 과학적 원리 및 환경의 중요성에 대한 경각심을 고취할 수 있는 계기 마련

◈ 아두이노 등을 활용한 코딩등 SW교육 체험 제공 ◈ 현실문제를 해결하기 다양한 문제 인식 및 고민

문제인식 (상황제시)

태양에서 오는 빛과 에너지로 지구의 모든 생물들이 살아가고 있는데, 환경적인 문제로 인 하여 태양의 복사에너지에 대해 관심을 가져야 한다. 복사에너지에 대해 연구해보고 변화를 측정해보고자 한다.

2. 서론

가. 연구의 필요성

제 4차 산업혁명의 미래가 도래하고 21세기는 융합적 지식과 사고를 기반으로 해결해야 하는 문제가 증가하고 있고, 지식기반 사회에서 개념기반 사회로 전환되며, 창조와 문화가 중요한 시 대적 특징을 가진다. 따라서 학문 분야의 영역을 넘나드는 융합적이고 창의적인 사고를 하는 인 재가 더욱 절실하게 필요하다. 이에 학생들에게는 다양한 활동과 체험을 통해 내공을 쌓고 이것 을 바탕으로 삶을 영위하며 문제를 해결해나가는 융합적 인재로 성장하는 길을 만들어 줄 필요 가 있다. 현실 사회 문제를 우리가 생각해보고 이러한 문제점을 해결하기 위한 과정은 매우 중요 하다. 우리의 연구를 중학교 고등학교 학생들이 현실문제에서 문제점을 발견하고 이를 해결하기 위한 디자인 씽킨 과정을 통해 제 4차 산업의 다양한 기술을 접맥하여 해결할 수 있는 기초 기 술을 지도해주고 스스로 이 문제점을 해결하고 시대가 추구하는 융합적 인재를 양성하기 위한 새로운 방식의 프로그램 개발이 필요하다.

2015년부터 초, 중등학교에는 소프트웨어 교육이 강조되고 있으며 코딩과 컴퓨팅적 사고 (Computational Thinking)의 중요성이 급증하여 초등학생을 위한 다양한 소프트웨어 교육 도구의 필요성이 제시되었다. 그 중 아두이노는 교육적 활용 도구로써 다른 모듈에 비해 가격이 저렴하 며, 각종 센서를 손쉽게 통제할 수 있고 프로그래밍 절차 또한 어렵지 않기 때문에 중고등학교에 서 그 활용가치가 더욱 더 커지고 있다.

따라서 본 연구회에서는 앞서 제시한 학생들의 수준과 흥미를 고려하고 현실 문제 해결을 위 한 디자인 씽킹 과정을 통해 문제점을 해결하기 위하여 아두이노와 각종 아두이노 센서를 활용 한 실제 제작 키트를 만들어 보는 것을 매우 중요하다고 생각하며 아두이노를 활용해 해결해나 가는 과정을 통하여 현대 사회에 필요한 컴퓨팅 사고와 융합적 문제해결력이 신장될 수 있을 것 이다.

본 연구회에서는 아두이노와 아두이노의 각종 센서를 활용하여 문제를 해결해 나가는 과정 을 통하여 학생들의 융합인재 소양 및 컴퓨팅 사고를 신장시키고자 한다. 학생들이 쉽게 접할 수 있는 사회적 문제가 되었던 문제 상황을 제시하였으며 최근에 소프트웨어 교육으로 강조되 고 있는 아두이노와 아두이노 센서를 활용하여 안전한 키트를 제작해보고 융합적 문제해결력 을 바탕으로 산출물을 생성할 수 있는 STEAM 프로그램을 개발하고자 한다.

나. 연구의 목적

본 연구의 목적은 아두이노, 아두이노 로드셀 센서와 이용하여 무게에 다른 다양한 키트를 직 접 제작할 수 있는 프로그램을 개발․적용하여 중고등학생들에게 융합적 문제해결력에 어떠한 영향을 미치는지 알아 보는데 있다. 이러한 목적 달성을 위한 세부적인 연구 목표는 다음과 같 다.

첫째, 실생활에서 문제점을 발견하고 아두이노 활용한 문제 해결의 목적, 내용, 방법을 탐색하 고 실제 제품을 제작해 봄으로서 융합적 문제해결력을 기른다.

둘째, 실제 제작 키트를 통하여 융합적 문제해결력에 미치는 영향을 분석한다.

셋째, 실제 제작된 키트를 일반화하기 위하여 교육 및 홍보를 통하여 일반화한다.

다. 용어의 정의

1) 아두이노(Arduino)란?

아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장 치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 임베디드 시스템 중의 하나로 쉽게 개발할 수 있는 환경을 이용하여, 장치를 제어할 수 있다. 아두이노 통합 개발 환경(IDE)을 제공하며, 소프트웨어 개발과 실행코드 업로드도 제공한다. 또한 어도비 플 래시, 프로세싱, Max/MSP와 같은 소프트웨어와 연동할 수 있다. 아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍이 AVRStudio(Atmel Studio[3]로 변경, ARM 도구 추가됨)와 WinAVR(avr-gcc)의 결합으로 컴파 일하거나 IAR E.W.나 코드비전(CodeVision)등으로 개발하여, 별도의 ISP 장치를 통해 업로드 를 해야하는 번거로운 과정을 거쳐야 한다. 이에 비해 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 쉽게 업로드 할 수 있다. 또한, 아두이노는 다른 모듈에 비해 비교적 저렴하고, 윈도를 비롯해 맥 OS X, 리눅스와 같은 여러 OS를 모두 지원한다. 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있으므로, 누구나 직접 보드를 만들고 수정할 수 있다. 아두이노가 인기를 끌 면서 이를 비즈니스에 활용하는 기업들도 늘어나고 있다. 장난감 회사 레고는 자사의 로봇 장난감과 아두이노를 활용한 로봇 교육 프로그램을 학생과 성인을 대상으로 북미 지역에서 운영하고 있다. 자동차회사 포드는 아두이노를 이용해 차량용 하드웨어와 소프트웨어를 만들 어 차량과 상호작용을 할 수 있는 오픈XC라는 프로그램을 선보이기도 했다.

2) 아두이노 통합개발환경(Arduino IDE)란?

아두이노 통합개발환경(Arduino IDE)은 편집기, 컴파일러, 업로더 등이 합쳐진 소프트웨어 환경이다. '아두이노 소프트웨어'라고도 불린다. 이와 더불어 기타 개발에 필요한 각종 옵션 및 라이브러리 관리를 할 수 있다. 아두이노 프로그램 실행 시, 개인용 컴퓨터와 시리얼 통신 을 할 수 있는 가상 시리얼모니터를 제공한다. 보통 USB을 통해 업로드를 하므로 아두이노 보드는 USB를 UART 통신으로 바꾸는 방법이 제공되고, MCU가 실행할 때는 이 UART 통신 을 이용하여 필요한 통신을 할 수 있다. 이렇게 되려면 아두이노의 MCU는 부트로더가 올라 가 있어야 한다. 특히 아두이노 프로그램을 '스케치(Sketch)'라고 부른다.

3) 융합적 문제해결력이란?

융합학문 탄생의 이유로 중요한 것 중 하나가 문제의 해결이다. STEAM 융합 교육에서 강조 되는 ‘융합적 소양(STEAM Literacy)’도 다양한 지식을 활용해 복합적인 문제까지도 해결 할 수 있는 능력을 의미한다. 따라서 본 연구에서 융합적 문제해결력은 융합적 소양을 바탕으로 학습

자가 실생활의 문제를 해결하기 위하여 과학, 기술, 공학, 수학, 예술의 영역을 통합한 지식을 재구성하여 문제 해결 방법을 찾는 능력을 의미한다.

라. 이론적 고찰

1) 융합인재교육(STEAM)의 개념

미국의 STEM교육에 영향을 받은 우리나라는 교육과학기술부와 한국과학창의재단을 중심으 로 2011년부터 융합인재교육(STEAM)을 추진하고 있다. 융합인재교육(STEAM)은 단순한 콘텐츠 의 융합을 지향하는 것이 아니고 융합인재를 육성하고자 하는 것에 목적을 두고 있다. 즉, 융 합적 사고를 통한 문제 해결력을 배양하는 교육을 의미한다.

학교에서 학생들이 어렵다고 생각하는 과학이나 수학 과목을 공학, 기술, 예술 등과 같이 다양 한 지식을 융합하여 교육하는 방법이 현재 융합교육의 모습이다. 즉, 지금까지의 교육이 각 교 과목별로 나누어 지식과 개념을 전달하는 것이 목적이었다면 융합인재교육(STEAM)은 세분화된 학문간의 지식과 개념을 상호 연관지어 다양하게 활용할 수 있도록 하는 것이 목적이다.

우리나라의 융합인재교육인 ‘STEAM교육’의 특징은 미국의 STEM교육에 'A'가 추가된 것이라 할 수 있다. STEM교육에서 'Arts'가 추가된 이유는 예술의 상상력과 감성을 통해 창의적 사고 와 혁신적인 아이디어를 증폭시키기 위함이다. 그리고 이러한 창의적인 사고와 아이디어는 정 형화된 틀을 벗어나 자유로운 문제 해결능력에 기여하게 된다. 즉, STEM의 융합교육이 융합적 인 사고를 불러일으키기 위해서는 예술영역이 필수불가결한 요소이다. 이러한 이유로 미국 버 지니아 공과대학 대학원생인 조젯 야크맨(Georgette Yakman)은 STEAM 교육을 위한 피라미드 모형을 제시하였으며 그 모형은 오른쪽과 같다.

2) 아두이노의 교육적 효과

아두이노는 전세계적으로 교육과 예술에 많이 활용되고 있다. 실제로 해외에서는 사교육 뿐 만 아니라 공교육에서도 소프트웨어와 하드웨어 교육을 위해 아두이노를 많이 사용한다. 특히 영국에서는 아두이노 기반의 놀이용구 기업 ‘프리모’가 출범하여 아두이노 교육이 유아용까지 개발될 정도로 다양화 되고 있으며 많은 사립학교들이 새로운 교육 콘텐츠로 아두이노를 활용 한 공학교육을 실시하고 있다. 또한 미국에서는 공학교육의 중요성을 인식하고 스크래치와 함께 교육의 일환으로 많이 활용되어지고 있다.

우리나라는 전자 공학계열에서 아두이노에 대해 점차 관심을 가지는 추세이지만, 정작 아두이 노의 쓰임에 적합한 교육과 예술분야에서는 아두이노에 대한 관심이 매우 미비한 실정이다. 그 러나 앞으로 맞이하게 될 2015개정 교육과정에서는 프로그래밍 교육의 비중이 매우 높아질 것 이기 때문에 아두이노의 교육적 효과에 주목할 필요가 있다.

3) 선행연구 분석

우리나라에서 이루어진 아두이노 교육의 연구 사례들을 살펴보면 공통적으로 프로그래밍에 대한 교육적 효과 뿐만 아니라 프로그래밍 교육에 대한 흥미도와, 학습 몰입도가 높아진 것을 알 수 있었다. 특히 대부분 모둠별 활동으로 진행되어 학습자 간의 상호작용이 이루어졌으며 학습자들이 하나의 주제로 과학, 정보뿐만 아니라 다양한 교과의 관련 지식을 동시에 이해할 수 있었다.

3. 연구 수행 내용 및 결과

가. STEAM 프로그램 개발 및 적용

- 2015 개정 교육과정과 융합교육이 학교 현장에 안착할 수 있는 융합 프로그램 개발 - 학생들이 현실문제에 대해 고민하고 이를 해결하기 위한 프로젝트 과제 선정

- 융합인재교육(STEAM) 교수학습 준거

문제인식 (상황제시)

태양에서 오는 빛과 에너지로 지구의 모든 생물들이 살아가고 있는데, 환경적인 문제 로 인하여 태양의 복사에너지에 대해 관심을 가져야 한다. 복사에너지에 대해 연구해보 고 변화를 측정해보고자 한다.

창의적 설계

◈ 로드셀을 이용한 우리 생활속 문제해결

◈ 센서를 활용한 아두이노 센서 활용 및 제작(정보 및 수학) ◈ 키트의 모델 설계 및 제작(기술)

감성적 체험

◈ 키트를 제작해봄으로써 과학적 원리 및 환경의 중요성에 대한 경각심을 고취할 수 있는 계기 마련

◈ 아두이노 등을 활용한 코딩등 SW교육 체험 제공 ◈ 현실문제를 해결하기 다양한 문제 인식 및 고민

(1) 프로그램 개발 내용

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 아두이노 로드셀 활용 자동개폐기 키트제작 프로젝트

선행

프로그램명 “해당 없음”

학교급 고등학교

대상 학년(군) 1학년

목표 수혜학생 수 200명

중심과목 정보 중심과목

성취기준 영역 [고등학교 1~3학년] (4) 컴퓨팅시스템-피지컬 컴퓨팅

연계과목

공통과학 수학1

기술

연계과목 성취기준 영역

[고등학교 1~3학년] 발전과 신생 에너지 [고등학교 1학년] (4) 삼각함수

[고등학교 1~3학년] (5) 기술활용

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 3 정보(1) + 기술(2)

2 2 정보(1) + 공통과학(1)

3 3 정보(1) + 수학1(2)

4 2 기술(1) + 수학(1)

(2) 프로그램 개발·적용 결과

- 현실 생활속에서 문제점을 반견하고 우리가 이를 해결하기 위한 다양한 방법을 생각해보

면서 융합적 컴퓨팅 사고력을 기르고 팀별 활동을 통해 문제를 해결해보는 프로그램 개 발에 중점을 둠.

- 우리가 생활하고 있는 가운데 이동을 하면서 무게에 의해 문이 자동으로 개폐되면 여러가 지 문제를 해결하고자 함.

- 축사의 동물들의 무게에 따라 사료통을 열어주거나 닫혀야하는 경우도 있고 여러마리 애 완견을 키울 경우 자동개폐기가 필요함.

- 아두이노 센서 로드셀 프로그래밍 및 제작(정보, 과학) 무게에 따른 서보모터 위치 제작(수학)

키트의 모델 설계 및 제작(기술)

◦ 프로그램 개발‧적용 현황

교수학습 지도안 개발

차시(시수)

프로그램명 프로그램 주제 운영

대상(학년)

완료 여부

개발 수업적용 학생수

1~3

로드셀 원리 아드이노 코딩

로드셀 원리

아드이노 코딩

4~6

키트의 모델 설 계 및 제작

키트의 모델 설계 및

제작

7~10 키트제작 키트제작 프로젝트 1학년 완료 완료 40

합계 240

- 코로나로 인한 대면 활동의 어려움으로 수업적용이 미비하였으나 소수의 팀단위 활동 위주로 실시하면서 진행함

- 온라인을 이용한 아두이노 기본적인 교육을 활용하였으며 학생들도 이러한 온라인 아두이노 교육에 만족도가 높았음.

나. 성과 확산 및 실천

◦ 교사연구회 STEAM 행사 개최

회차 일시 장소 참석대상 주요내용

1차 ‘21.7.23. 광동고 스팀회원

- 연구회 진행상황 및 융합프로젝트 운영 문제

- 개발 프로젝트 교사체험 및 문제점보완

2차 ‘21.9. 17. 광동고 스팀회원 및 신청자 - 개발 프로젝트 진행

3차 ‘21.10. 21. 광동고 스팀회원 및 프로젝트 참가학생

- 개발프로젝트 진행 및 스팀교사 연구회 프로젝트 참가 및 협의회 진행

◦ STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 참여

회차 일시 장소 참석자 상호 컨설팅 결과

1차 ’21.6.25.(금)

17:00~20:00 온라인 변병찬 교사(연구책임자) 조승조 교사(참여연구원)

- 과제 수행의 타당성 - 과제 수행의 범위

2차 ’21.7.23.(금)

17:00~20:00 온라인

변병찬 교사(연구책임자) 조승조 교사(참여연구원) 이홍재 교사(참여연구원)

- 과제 진행의 문제점

- 과제 개발 및 학생참여 문제

3차 ’21.10.15.(금)

17:00~20:00 오프라인

변병찬 교사(연구책임자) 조승조 교사(참여연구원) 이홍재 교사(참여연구원) 이준형 교사(참여연구원) 김호범 교사(참여연구원) 이창준 교사(참여연구원) 허웅 교사(참여연구원)

- 과제 진행의 문제점

- 과제 개발 및 학생참여 문제 - 개발 프로젝트 진행 방안 협의 - STEAM 행사 개최 방안 협의

다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사

◦ 수혜학생 태도 조사

구분 조사 시기 내용

1차(사전)검사 ’21.07.20. ~ ’21.07.23. 7월, 6개 학급(200명) 실시완료

2차(사후)검사 ’21.10 .15. ~ ’21.10.20. 10월, 6개 학급(200명) 실시

◦ 교원 만족도 조사

구분 조사 시기 내용

1차(사전)검사 ’21.07.20. ~ ’21.07.23. STEAM 교사 연구회 회원

2차(사후)검사 ’21.10 .15. ~ ’21.10.20. STEAM 교사 연구회 회원

STEAM 프로그램 적용 성과 및 조사 결과

<STEAM 프로그램개발 자료 연구회 등을 통한 제안수업 실시>

- 개발된 융합 프로그램을 연구회를 통해 프로젝트 수업을 학교 현장에서 실시하고 학교현장의 다양한 의견을 수렴한 후 제안 수업을 실시.

- 개발된 프로젝트 수업안 및 키트는 학교 현장에 활용 가능하도록 간결하고 표준화하여 공유 한다. 특히, 개발된 수업 키트에 대해서는 학생들이 언제든지 활용 가능하도록 제공

<개발된 수업 키트 및 자료에 대해 현장 활용가능하도록 공유>

- 수업키트의 설계도나 조립 방법 등을 학생들이 언제든 활용 가능하도록 제공

4. 결론 및 제언

가. 결론

첫째, 융합 교육프로그램을 적용한 집단이 교육프로그램을 적용하지 않은 집단에 비해 융합인재 소양이 높은 것으로 나타난다. 이는 융합 교육프로그램이 학생들의 융합인재 소양을 향상시키는 데 효과적임을 확인할 수 있는 결과이다. 따라서 융합인재 소양을 향상시키기 위해서 보다 다양 한 아두이노 관련 교육프로그램을 개발하고 이를 적용한 수업이 이루어질 필요가 있다.

둘째, 현실 문제에 대한 해결 방안으로 피지컬 컴퓨팅등을 이용한 융합 교육프로그램을 적용한 집단이 교육프로그램을 적용하지 않은 집단에 비해 Convergence(융합 마인드), Creativity(창의적 마인드), Communication(소통 마인드)가 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 다양한 아두이 노등 IOT를 이용한 교육 프로그램이 개발될 필요가 있다.

셋째, 미래 사회에 대비한 컴퓨팅 사고력 향상을 위한 교육프로그램이 학생들의 컴퓨팅을 향상 시키는데 효과적임을 확인할 수 있는 결과이다. 앞으로 미래 사회에 요구도가 더욱 증가하게될 컴퓨팅 사고 역량을 함양시키기 위해 보다 다양한 아두이노 관련 교육프로그램을 개발하고 이를 적용한 수업이 이루어질 필요가 있다.

나. 제언

첫째, 융합인재 소양 및 컴퓨팅 사고를 긍정적으로 변화시키기 위해 아두이노를 활용한 수업이 이루어질 필요가 있다. 이를 위해 보다 많은 아두이노 교육프로그램들과 교수 학습 자료의 개발 이 필요하며 아두이노 교육프로그램을 적용한 수업을 진행할 수 있는 능력이 신장되도록 교사의 연수가 제공될 필요가 있다.

둘째, 이 연구의 결과를 통해 융합교육프로그램의 적용이 학생들의 융합인재 소양 및 컴퓨팅 사고력 향상에 효과가 있었음을 알 수 있었으나 지식·이해, 창의성 등이 신장되었는지는 확인할 수 없었다. 좀더 다양한 교육프로그램의 적용을 통해 지식·이해, 창의성 등 다양한 영역에 미치는 효과를 검증할 필요가 있다.

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: 아두이노 로드셀 활용 자동개폐기 키트제작 프로젝트

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

차시 주요내용

1~3 /10

주제(단원)명 [고등학교정보] (4) 프로그래밍

아두이노 원리 및 기본기능과 센서 알아보기 [12정보04-10]

다양한 학문 분야의 문제 해결을 위해 설계한 알고리즘을 프로그램으로 구현하고 효율성을 비교･분석한다.

무게를 측정하기 위한 아두이노의 기초적인 지식 – 아두이노 사용방법 아두이노의 각종 센서 사용방법 익히기

아두이노 통합개발환경(Arduino IDE)은 편집기 사용 및 코딩 모둠별 프로젝트를 통한 기본적인 피지컬 컴퓨팅 이해하기 피지컬 컴퓨팅 장치의 동작을 제어하기 위한 프로그램을 작성 아두이노의 필요성 ^Co 로드셀 측정기 제작을 위한 학습 필요성

해결하기 위한 계획 수립 ^CD 무게 측정을 위한 아두이노 필요 기능 및 기술 익히기 진행과정을 통한 체험 ^ET 다양한 문제 발견등 일련의 상황 속 체험

4~6 /10

주제(단원)명 [고등학교 1~3학년] (5) 기술 활용

[12기가05-04]

기술 혁신을 위한 창의 공학 설계를 이해하고, 제품을 구상하고 설계한다.

무게 측정기 제작 필요성 ^Co 작품 제작을 위한 학습 필요성

무게 측정기 제작 ^CD 무게 측정기를 제작하여 물건이나 동물의 무게 측정 실시 진행과정을 통한 체험 ^ET 다양한 문제 발견등 일련의 상황 속 체험

7~8 /10

주제(단원)명 (2) 과학탐구 실험보고

[10 과탐 02-07] 생활 속에서 발견한 문제 상황 해결을 위한 과학 탐구 활동 계획을 수립하고 탐구 활동을 수행할 수 있다.

로드셀 장치 제작 필요성 ^Co 생활속 문제 해결을 위한 필요성 인식 로드셀 기계 제작 ^CD 과학탐구를 위한 로드셀 원리 적용 제작

측정키트 제작을 통한 체험 ^ET 다양한 문제 해결을 통한 일련의 상황 속 체험

2. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안

중심과목 정보 학교급/학년(군) 고등학교 /1,2 학년

중심과목 성취기준

영역

[고등학교정보] (4) 프로그래밍 중심과목

성취기준

[12정보04-10]

다양한 학문 분야의 문제 해결을 위해 설계한 알고리즘을 프로그램으로 구현하고 효율성을 비교･분석한다.

주제(단원)명 (4) 프로그래밍 차시 1~3/10

학습목표

인터넷, 응용 소프트웨어 등 컴퓨팅 도구를 활용하여 문제 해결을 위한 자료를 수집하고 분석 할수 있다.

디자인 씽킹을 통해 문제점 발견 문제 해결 방안 모색 할 수 있다. 현실문제를 해결하기 위해 피지컬 컴퓨팅 방법을 통해 해결해 볼 수 있다. 아두이노에 대해 학습 방안을 수립할 수 있다.

무게 측정을 위한 아두이노와 센서를 이용하고 코딩을 통해 데이터 측정할수 있다.

연계과목 과학, 기술 연계과목

성취기준 영역

(과학탐구실험) [고등학교 1~3학년]

생활속의 과학탐구

STEAM 요소

S 무게 측정을 위한 로드셀의 원리 T 아두이노의 각 센서의 기능

E 디지털의 신호와 값을 아나로그의 기계 작동 A

M 아두이노 무게 센서값을 이용한 변환

개발 의도

우리가 생활하면서 생기는 문제점을 해결하기 위해 문제점을 분석해보고 이를 해결하기 위해 다양한 미래 기술을 미리 경험해보고 직접 창의적으로 제품을 개발해봄으로써 경험을 통해 학생 스스로 깨달을 수 있는 계기를 마련하기 위함.

문제를 학생들이 해결하기 위해 융합교육 및 교과수업을 진행하는데 수업 형태는 프로젝트 수업 형 태로 실시하며 학생들이 그 문제를 해결하기 위해 디자인 씽킹 활동을 통해 프로토 타입까지 제작하 여 미리 발표해 보면서 융합수업의 다양한 수업을 직접 경험하며 진행해본다. 실제 수업은 정규교과 시간의 경우 각 교과에서 다루게 되며 통합융합수업은 방과후 에 실시할 예정이다.

학생들의 적극적인 참여가 융합수업에서는 매우 중요하기 때문에 방과후에 가능하면 실시할 예정이다.

STEAM 학습 준거

상황 제시

상 황 제 시

로드셀 측정기 키트 제 작의 필요성을 인식하 고 다양한 기계의 원리 에 대해 알고 싶어짐

창 의 적 설 계

창의적 설계

문제해결을 위한 다양한 기기와 센서를 통하여 작동 원리와 문제해결방법을 알 수 있다.

감 성 적 체 험 로드셀 측정을 통한 값을

변환을 통해 기계를 작동할수 있도록 설계하며 이를 이용하여 문제를 해결

감성적 체험

학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 ( 7 분)

아두이노 로드셀 활용 자동개폐기 키트제작 프로젝트를 위한 기초적인 과정의 키 트 제작을 위한 아두이노 기본적인 기능 동영상을 통해 알아보기

아두이노를 이용한 로드셀 이용 무게측정기 동영상 시청

Co 무게측정기 제작의 필요성 ^ET 필요에 의한 다양한 무게측정기 활용

동영상

https://www.yo utube.com/wat ch?v=uEs_0Kd SP9c

Tip!

전개 (38 분)

아두이노 정의 및 아두이노 역사 알아보기

아두이노 프로젝트를 통해 완성할 수 프로젝트 알아보기 아두이노 기본

- 아두이노 설치하기

- 아두이노를 사용하기 위한 환경 구성하기 - 브레드보드 사용하기

- 점퍼케이블 사용하기 - 저항 사용하기

CD 아두이노의 각 기능에 대해 활용방안에 대해 자세히 알 수 있도록 한다

Tip!

PC로부터 USB 케이블 및 아 두이노 보드 안전하게 분리 되었는지 확인 하기

실습시전기 제 품 안전 관리 확인

정리 ( 5 분)

아두이노의 기본 기능에 대하여 실습후 각 기능 및 설치에 대해 발표하기

ET 프로젝트를 수행하기 위한 아두이노의 기능에 대해 알수 있다.

3. 학생활동지

차시 1/10

아두이노 프로젝트 활용예

아두이노를 이용한 프로젝트 계획을 작성해보세요

프로젝트 제목 :

프로젝트 진행 목적 및 내용:

프로젝트 구상도(비주얼씽킹)-간단하게 작성

학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 ( 7 분)

아두이노 로드셀의 필요성 및 사용 사례에 대한 탐구활동

Co 로드셀 활용 방안 ^ET 로드셀을 이용한 문제해결

활동지 1

전개 (38 분)

무게 감지 센서의 원리 이해하기

무게 감지센서에 무게를 측정하려는 물체를 올려 놓고 그때 발생하는 물리적 힘을 센서 내부에 있는 스트레인 게이지를 통하여 전기적인 신호로 바꿔 무게를 측정 하는 센서

모둠별 활동을 실시하여 로드셀의 원리 및 종류에 대해 활동지 작성후 발표

무게 감지 센서의 종류 및 로드셀의 문제점 탐구하기 - 모둠활동을 통한 로드셀의 사용문제점 탐구하기 및 발표

로드셀 프로젝트 실습을 위한 준비물 탐구하기 아두이노 우노 보드(DIP) , 미니 브레드보드

무게 측정 센서(로드셀), 로드셀 엠프_HX711, 점퍼 케이블

CD 로드셀의 각 기능에 대해 활용방안에 대해 자세히 알 수 있도록 한다

학 생 자 료 참고

활동지 2

Tip!

실습시전기 제 품 안전 관리 확인

정리 ( 5 분)

아두이노의 기본 기능에 대하여 실습후 각 기능 및 설치에 대해 발표하기

ET 프로젝트를 수행하기 위한 아두이노의 기능에 대해 알수 있다.

3. 학생활동지

활동지 1

로드셀이 사용되는 분야 탐구하기

로드셀이 사용되는 분야 탐구하기

우리의 생활 주변에 활용 예 :

로드셀로 해결할 수 있는 문제들 :

활동지 2

로드셀을 이용한 기계장치의 문제점

Design thinking! 활동지 학년 반 모둠명 :

기존의 자동문이나 로드셀을 이용한 기계장치의 문제점?

1. 모둠원을 대상으로 느낀 점 물어보기

2. 찾은 문제점(원인)에 대해 서로 더 깊게 물어보기

학생자료 무게 감지 센서 원리

무게 감지센서란?

물체의 무게를 측정하는 센서. 무게 감지센서에 무게를 측정하려는 물체를 올려 놓고 그때 발생하 는 물리적 힘을 센서 내부에 있는 스트레인 게이지를 통하여 전기적인 신호로 바꿔 무게를 측정 하는 센서

로드셀은 물체의 무게가 가지는 물리적인 힘을 전기적 신호로 변환시켜 주는 장치 로드셀 표면에는 스트레인 게이지라고 하는 가변 저항이 붙어 있다.

무게를 측정하기 위해서 로드셀에 물체를 올리면 스트레인 게이지의 형태가 변하게 되고 변한 정도만큼 저항도 변하게 된다. 즉, 스트레인 게이지를 변화 시킨 만큼 저항이 변하게 되면 로드셀이 출력하는 전기신호에 변화가 생기고 이를 통해 무게를 측정할 수 있게 된다. 이때 사용되는 전압이 아주 미세하기 때문에 신호를 증폭시켜 주는 장치(엠프)를 사용하여 측정하게 됨.

로드셀과 로드셀 엠프 조립

4. 교사자료

교사자료 로드셀(LoadCell)이란?

로드셀(LoadCell)이란?

로드셀은 힘(Force)이나 하중(Load)과 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서(감지기)이다. 로드셀에 힘이 가해지면 그 힘만큼 전기 신호가 발생하게 되며, 표시기, 마이크로컨트롤러, 컴퓨터 장치 등으로 전기신호를 재해석하면 kg, g 등의 단위로 무게를 표시할 수 있다.

로드셀은 전자저울, 체중계, 산업용 저울 등 무게를 측정하기 위한 여러장치에 사용되고 있으며 50g 부터 3 천톤까지의 하중치, 형태, 특성 등에 따라 여러 종류로 나뉘어진다.

로드셀을 선정하기 위해서는 로드셀을 사용할 장치의 구조와 하중의 측정범위를 고려하여 적당한 로드셀을 선정해야한다.

로드셀은 형태에 따라 다음과 같이 구분 1. 빔형 로드셀 - 누르거나 당기는 힘을 측정 2. 원주형 로드셀 - 누르는 힘을 측정

3. S 자형 로드셀 - 당기는 힘을 측정 로드셀의 원리

로드셀의 선은 최대 7 개까지도 있으나 공통적으로 사용되는 선은 3 개 혹은 4 개이다. 2 개는 전원을 입력하는 선이며 1~2 개는 신호를 출력하는 선이다. 전원을 입력하는 선은 말그대로 전원을

입력하는 선이며, 신호선은 입력된 전압과 측정된 무게에 비례하여 전기신호(전압)를 출력하는 선이다. 로드셀의 표면에는 스트레인게이지라는게 붙어있다. 스트레인게이지는 형태가 변하는 만큼 저항 값이 변하게된다. 즉 형태가 변하는만큼 로드셀이 내보내는 전기신호에 영향을 끼치게되며, 이러한 수치변화로 무게를 측정할 수 있게된다.

자료출처 출처 : http://makeshare.org. All rights reserved.

교사자료 로드셀 코딩

#include "HX711.h" //HX711로드셀 엠프 관련함수 호출

#define calibration_factor -7050.0 // 로드셀 스케일 값 선언

#define DOUT 3 //엠프 데이터 아웃 핀 넘버 선언

#define CLK 2 //엠프 클락 핀 넘버 HX711 scale(DOUT, CLK); //엠프 핀 선언

void setup() {

Serial.begin(9600); // 시리얼 통신 개방 Serial.println("HX711 scale TEST");

scale.set_scale(calibration_factor); //스케일 지정 scale.tare(); //스케일 설정

Serial.println("Readings:");

}

void loop() {

Serial.print("Reading: ");

Serial.print(scale.get_units(), 1); //무제 출력 Serial.print(" lbs"); //단위

Serial.println();

}

자료출처

5. 차시별 학생 평가기준 및 방법

모둠명

평가 영역 평가항목

평가

(매우우수5, 우수4, 보통3, 미흡2, 매우미흡1)

5 4 3 2 1

모둠별 평가

(25)

주제선정

자료수집

자료정리

발표

모둠별 협동

합계

개별 평가

(25)

모둠원(번호)

자기평가점수(5)

동료평가점수(10)

체크리스트(10)

합계

종합 평가

(50)

모둠별평가 점수 +개별평가 점수

상(40이상), 중(25이상), 하(25미만)

상 중 상

4~6차시

주제 기술적 문제해결의 이해

학습 목표

· 기술적 문제해결 과정에 대해서 설명할 수 있다.

· 물체를 입체투상법으로 도면에 표현할 수 있다.

학습과정 교수 ․ 학습 활동 학습자료

도입 (20 분)

Co 지금 내가 쓰는 물건 중에 개선해야 할 문건은 무엇일까?

Co 일상생활에서 사용하는 제품들은 기술적 문제해결 과정을 통해 새롭게 개발되거나 발전된 제품이다.

동영상 및 전개 학습자료

(100 분)

CD 셀카봉의 기술적 문제해결 과정 사례 알아보기

◦ 문제 이해 – 아이디어 탐색 및 선정 – 아이디어 구체화 – 실행 – 평가

CD 사용 하고 있는 필통의 불편한 점을 개선해보자

◦ 문제 이해 – 아이디어 탐색 및 선정 – 아이디어 구체화 – 실행 - 평가

CD 기술적 문제해결 과정 ◦ 문제 이해하기

◦ 아이디어 탐색 및 선정하기 ◦ 아이디어 구체화하기 ◦ 실행하기

◦ 평가하기

CD 아이디어 탐색 방법

◦ 확산적 사고 기법 - 스캠퍼 기법 ◦ 수렴적 사고 기법 – PMI 기법

CD 아이디어 구체화하기 ◦ 프리핸드 스케치

◦ 도면 그리기 – 등각 투상법, 사투상법, 투시도법, 정투상법

정리 (30 분)

ET 학습지를 통해 기술적 문제해결 과정에 대해 알아본다.

모둠별 프로젝트 제작 소감 발표 및 전시 관람

학습지 1 문제 이해하기(상황 제시)

학습지 2 아이디어 탐색하기

스캠퍼 기법 S

C

A

M

P

E

R

PMI 기법

P(장점)

M(단점)

I(흥미로운 점)

학습지 3 아이디어 구체화하기

학습지 4 아이디어 구체화하기

조립도

재료표

품번 품명 재질 규격 수량

학습지 5 실행하기(제작하기)

▶ ▶

▶ ▶

▶ ▶

학습지 6 평가하기

평가

영역 순번 평가 항목 평가척도

상 중 하

과정 평가

결과 평가

총 점( / )