<응용기술논문> ISSN 2288-3991(Online)
CAD 활용 기계제도 교육에서 PBL 수업의 효과
이 희 원*†
* 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과
Effectiveness of Project Based Learning in Mechanical Drawing Education Using CAD
Hee Won Lee*†
* Dept. of Mechanical System Design Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology
(Received May 14, 2014; Revised July 28, 2014; Accepted August 5, 2014)
1. 서 론
실무능력이 부족한 엔지니어에게 흔히 “도면도 볼 줄 모른다”라는 표현을 쓴다. 도면은 기술적인 정보 를 주고받는데 필수적인 의사소통의 수단이기 때문에 기계제도 교과목은 기계공학 교육에서 매우 중요 한 위치를 차지하고 있다.(1) 그럼에도 불구하고, 이론과 실습교육을 병행해야 하고 CAD 소프트웨어 기 능 교육도 포함해야 하는 교과목이기 때문에 전임교수가 담당을 기피하고 외래강사에게 위탁하거나 조 교의 CAD 실습교육 위주로 교과목을 운영하는 경우가 많다. 따라서 일선 교육 현장에서는 기계제도 교육의 본래 목표인 ‘도면을 읽고 생각하며 설계 의도를 도면으로 표현하는’능력을 배양하지 못하는 경 우가 많은 실정이다. 본 연구에서는 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과에서 기계제도 교육에 PBL 수업 방식을 도입하여 교육 효과를 높인 사례를 소개하고자 한다. 학생들은 강의식 수업에서 학습 한 기계도면 작성의 규칙, 도면 독해와 작성법 등과 CAD 실습교육을 통해 습득한 기능을 팀별 PBL 과 Key Words: Teaching Method(강의방법), Mechanical Drawing(기계제도), CAD Education(캐드교육), PBL(과
제중심학습)
초록: 기계제도 교과목은 기계공학 교육에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있음에도 불구하고, 이론교육 과 실습을 병행해야 하고 CAD 소프트웨어 기능 교육도 포함하고 있어서, 내실 있게 운영되기 힘든 교 과목이다. 서울과학기술대 기계시스템디자인공학과에서는 기계제도 교육에 PBL 수업 방식을 도입하여 적용하고 있다. 학생들은 이론 수업에서 학습한 기계도면 작성의 규칙, 도면 독해와 작성법 등을 팀별 PBL 과제 수행을 통해 실제로 적용해 봄으로써, 도면 판독과 작성능력을 체득하게 되고 CAD 소프트웨 어 활용 기능도 충실히 연습하게 된다. 본 논문에서는 그 동안 시도되었던 다양한 PBL 과제와 교육방법 을 소개하고 그 효과를 분석해 보았다.
Abstract: Although the subject of Mechanical Drawing is very important in mechanical engineering education, it is hard to teach the subject effectively, because it needs to carry out lectures and labs in parallel and needs substantially large portion of CAD lab time. In the department of Mechanical Systems and Design Engineering of SNUST, Project Based Learning is adopted to teach the subject of Mechanical Drawing. In this course, students experience to read and to draw drawings through the PBL project after the lectures on mechanical drawings. In this way, they can learn by heart the drawing skills and the operation of CAD software tools. In this paper, various PBL projects and teaching methods carried out in recent years are presented and the effects of the projects are discussed.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers
lecture
Multi-View Projection, Selection of Front View)
2) Rules in Mechanical Drawing (Dimensioning, Sectioning, Aux. View)
3) Expression of Manufacturing (Tolerance, Geometric Tolerance, Surface Roughness)
lecture, solving exercise problems, written exam.
2 hr. x 10 wk.,
CAD lab.
2D-CAD Training (Drawing Basic, Editing, Dimensioning, Plotting & printing)
CAD lab. practical assignment, performance test
2 hr. x 10 wk.,
PBL PBL Project (Comparing real objects with their drawings, Modifying design and drawings)
Group works, Presentations and Reporting
4 hr. x 4 wk.,
Fig. 1Curriculum for engineering design education
제 수행과정에 실제 적용해 봄으로써, 도면 판독과 작성능력을 체험을 통해 터득하게 되고, 더불어 CAD 소프트웨어 활용 능력을 높은 수준으로 달성하게 된다. 이미 많은 연구자들이 PBL 교육을 공학교육에 도입하여 학습효과를 향상시킨 사례를 소개한 바 있다.(2,3) 그러나 기계제도 교과목의 특성상, 기본지식과 경험, CAD 기능 등을 함께 교육해야 하기 때문에 한 학기 전체를 PBL 수업으로 진행하여 모든 것을 학 생들 스스로 학습하도록 할 수는 없고 이론 강의와 실습, 프로젝트 수행을 적절히 혼합하여 실라버스를 구성해야 교육효과를 높일 수 있다. 본 논문에서는 그 동안 시도되었던 다양한 교과운영 방식과 PBL 과 제를 소개하고 그 효과를 분석해 보았다.
2. 기계제도 교과목의 교육내용
Fig. 1 과 같이 기계시스템디자인공학과의 교과과정에서 기계제도는 2 학년 1 학기 전공필수로 개설되어 있다. 2012 년 이전에는 ‘기계제도 및 CAD’라는 명칭의 교과목으로 운영되어 2 차원(AutoCAD)과 3 차원 CAD (ProEngineer) 소프트웨어 활용 기능교육 위주로 운영하였으나 교육과정 개편 시 기계제도의 이론교육을 강화한 2 학년 1 학기의 기계제도와 3D-CAD SW 활용법 중심의 CAD 로 분리되었다.
기계제도는 1 학년 공학입문설계 교과목에서 공학설계의 기본개념을 학습한 학생들이 기계제도의 개념과 규칙을 배우고, 2 차원 CAD 활용법을 실습하는 교과목이다.
Table 1 에서와 같이 기계제도 교과목에서는 제도의 기초개념과 규칙, 가공법의 표현 등에 대한 강의식 수업과 CAD 소프트웨어 활용 실습이 10 주 동안 진행되며, 학기 종료 4 주 전부터는 PBL 과제를 통해 실제적인 설계와 제도 작업을 수행하도록 운영하고 있다. PBL 과제로는 기존의 기계제품에서 사양이나 제한조건을 변경한 수정 설계 과제가 주어지는데, 학생들은 팀 단위로 주어진 사양에 맞추어 수정 설계를 진행한 뒤 설계도면을 작성하게 된다. 이 때 기존의 제품에 대한 실물과 그 설계도면을 자료로 제공하여 실물을 보면서 도면을 읽는 연습을 하게 되고 설계를 변경하여 수정 설계도를 작성하면서 도면 작성법을 실습하게 된다. Fig. 2 는 2010 년에 제시되었던 PBL 문제로, 부품분류기의 실물, 조립도와 부품도 일체를 기초자료로 제공하고 변경된 요구조건과 사양에 따라 수정된 설계도면을 작성하도록 과제를 부여하고 있다. 학생들은 기존 제품 실물과 도면을 비교 분석하는 과정에서 도면에 대한 독해능력이 향상되고, 수정 설계를 진행하면서 도면 작성법과 2 차원 CAD 사용법을 깊이 체득하게 된다.
Fig. 2An example problem in PBL design project
Fig. 3 A Sample of student's work in PBL project
성한 설계도면은 완성도가 매우 높아서 학기 종료 후에 실물 제작까지 완료할 수 있도록 재료비를 지원 하였고, 학기가 끝난 후에 교내 설계경진대회에 출품하여 대상을 수상하였다.
3. 다양한 교과운영 방법과 그 효과
이미 여러 연구 결과(2,3)에서 보고된 바와 같이 PBL 수업의 교육효과는 매우 높다. 기계제도 교과목을 수강하는 학생들은 PBL 과제를 수행한 후 설계 진행과정과 결과를 정리하여 보고하는 팀별보고서, 성찰일기와 동료평가 결과를 수록한 개인별 보고서를 제출하게 되는데, Table 2 에서는 성찰일기에 나타난 학생들의 반응을 발췌하여 수록하였다. 대부분의 학생들이 교과목의 학습목표를 충실히 달성했다는 긍정적 반응을 보였다. 반면에 주요 개선점도 파악되었는데, 학생들이 기계요소에 대한 기초적인 상식도 없는 상태이기 때문에 PBL 과제 진행 시 교수자가 자문역할을 보다 충실히 수행해야 함을 알 수 있었다. Table 3 은 지난 5 년간 시도된 교과 운영상의 주요 변화를 정리한 것이다. 기계제도의 개념과 규칙에 대한 강의와 이에 대한 필기시험은 매년 동일한 방식과 수준으로 진행했으나, CAD 소프트웨어 활용 실습에서 2D 와 3D- CAD 실습의 분량과 시기, PBL 과제의 내용과 문제 제시 시기에서 몇 가지 변화를 시도하였고 그 효과를 분석해 보았다. 이러한 교과운영 상의 변화에 따른 학습효과의 분석 결과를 Table 4 에 정리해 보았는데, 기계제도 교과목의 효율적인 운영방법에 대한 몇 가지를 시사점을 다음과 같이 제시하고 있다.
Table 2 Student comments on their reflection journals
구분 주요 내용
장점
l PBL과제로 CAD실력이라든지 창의성이 더욱 향상
l 배운 것을 직접 써보고 생각하고 스스로 알아감으로써 매우 유익한 수업 l 시행착오를 겪으면서 실력을 쌓은 것이 유익했다
l 내가 하지 않으면 조원에게 피해가 간다는 마음 l 진짜 공부를 해본 것 같다.
개선점
l 너무 방대한 부분에 걸쳐 있어서 혼란 l CAD 실력의 차이가 너무 두드러진다
l PBL진행을 위해서는 수업시간에 배운 내용만으로는 부족했다 l 어느 부분이 틀렸는지 혹은 더 개선될 부분이 있는지 잘 모르겠다
Table 3 Teaching methods attempted in each year yr. CAD Practice
(2hrs/wk) Examinations and Types of PBL
2008 2D 8hrs 3D 10hrs
2D/3D Performance test (mid. and end term exam.)
setting a free type PBL project in the beginning of the semester 2010 2D 8hrs
3D 10hrs
2D Performance test & written mid-term. exam.
setting a PBL project on design modification in the beginning of the semester 2011
2D 6hrs 3D 10hrs
2D 4hrs
2D/3D Performance test (mid. and end term exam.)
setting a PBL project on design modification in the beginning of the semester 2012 2D 20hrs 2D Performance test & written mid-term. exam.
setting a free type PBL project on drawing at the end of the semester 2013 2D 20hrs
2D Performance test & written mid-term. exam.
setting 1 PBL project on design modification + 1 free type drawing project at the end of the semester
Table 4 Student's achievement in each year (unit: %)
yr. Applying drafting rules 2D-CAD skill 3D-CAD skill
Exam. Survey Exam. Survey Exam. Survey
2008 60.7 78 68.0 82 54.6 72
2010 58.8 82 54.6 86 N.A. 78
2011 60.4 88 54.1 86 64.8 90
2012 58.9 82 61.1 84 N.A. N.A.
2013 64.9 80 53.0 84 N.A. N.A.
첫째, 08 년부터 3 년간 2 차원과 3 차원 CAD 소프트웨어를 각각 2 시간씩 5 주 내외로 실습한 결과, 절반 이상의 학생들이 2 종류의 소프트웨어 활용법을 함께 습득하는데 그다지 무리가 없었으며, 그 중에서 2D 와 3D 를 번갈아 실습하는 2011 년 방식이 가장 높은 성취도를 보였다.(Table 4 참조) 그러나 학생들의 설계 결과물을 심도 있게 검토해 본 결과, 학생들이 3D-CAD 의 Graphic 과 Modeling 기능에만 흥미를 느끼고 설계 결과물에서 가공이나 조립, 비용 등의 기계공학적 측면을 깊이 있게 고려하지 못하는 경향이 있음을 파악할 수 있었다. 또한 일부 학생들은 2D 나 3D 소프트웨어 활용 기능을 한꺼번에 배우기가 벅찼다는 반응을 보이기도 하였다. 이런 현상을 분석해 본 결과, 학과내의 전공동아리에 가입한 학생들은 신입생으로 입학하면서 CAD 활용 기능을 미리 학습할 기회를 가진 반면에 일반 학생들은 교과목 수강을 통해 처음으로 CAD 활용기능을 접하게 되는 차이에서 비롯된 불만사항이었음을 알게 되었다. 본 학과에서는 이런 문제점을 감안하여 기계제도 교과목에서는 2D- CAD 와 기계제도 규칙을 익히는데 집중하고 3D-CAD 활용법은 별도의 교과목에서 다루도록 교과과정을 재편성하여 운영하고 있다.
둘째, PBL 과제 운영 시 학기 초에 문제를 제시하고 팀을 편성할 필요가 있다. 이는 과제 제시 시점에 따라 측정된 성취도의 점검 결과와 성찰일기, 강의진행 과정에서 학생들과의 의견교환을 종합하여 얻어진 결론으로서 학생들은 학기 초부터 문제해결 방안을 팀별로 탐색하면서 강의와 실습에 더욱 집중하게 되고 팀 단위로 숙제도 함께하면서 팀워크를 점차 강화할 수 있게 된다.
셋째, PBL 문제의 유형은 학생들이 자유롭게 주제를 선택하는 자유형 과제보다는 목표와 제한조건이 명확히 정의된 과제가 효과적이다. PBL 수업 후 진행된 설문결과(Table 4)를 보면, 목표와 제한 조건이 명확한 설계 수정 문제를 제시한 2010 년과 11 년에는 자유형 문제를 제시한 08 년과 12 년에 비해, 제도이론과 2D 및 3D-CAD 능력에서의 성취도가 약간 높게 측정되어 이를 뒷받침하고 있다. 또한 Table 2 의 성찰일기의 내용에서도 이러한 특성을 확인할 수 있었다.
4. 학습효과 측정도구에 대한 논의
본 연구에서는 교과목의 운영방식에 따른 학습효과를 측정하기 위해 시험이나 설문 문항을 통한 측정값을 사용하였는데, 이런 측정도구의 관점에서 보면 설문이 비교적 신뢰성 있는 측정값을 제공해 준다고 판단된다. 중간고사나 기말고사에서 교과목의 학습목표와 관련된 문항을 출제하고 필기 또는 실기 시험의 성적을 산출하여 비교해 본 결과, 출제의 난이도를 매년 동일한 수준으로 유지하기가 어렵기 때문에 측정값에 의미를 부여하기가 어려웠다. 또한, 시험은 PBL 과제를 수행하기 전에 실시해야 했기 때문에 PBL 수업에서 얻어진 학습효과를 시험으로 측정하기가 시기적으로 어려운 측면도 있었다. 반면에 설문은 PBL 보고서에 포함시켜 제출 받을 수 있고 성찰일기와 함께 연계하여 분석하면 정성적/정량적 성취도의 분석이 가능하다.
Table 4 에서 보면, 제도 규칙에 대한 필기시험의 경우, 중간과 기말고사에서 관련 문항이 다수 출제되고 그로부터 성취도가 종합적으로 측정되기 때문에 비교적 신뢰성 있는 측정값을 보이고 있지만, 2D 와 3D CAD 활용 기능의 숙련도는 단일 문항의 실기고사 형태로 진행되었기 때문에 문제의 난이도에 따라서 시험성적에 의한 성취도 측정값은 크게 변화하는 결과를 보였다. 반면에 설문 결과는
기준이상의 성취를 이룬 학생의 비율을 성과지표로 삼는 방안을 고려할 필요가 있다. 또한, PBL 등과 같이 과제의 수행 결과를 적절히 수립된 채점기준에 따라 평가하는 수행평가 방식의 성취도 측정은 문제의 난이도에 따른 영향이 적어서 적절한 성취도 측정의 도구라 할 수 있다.
5. 결 론
기계제도 교과목의 학습목표는 기계도면을 판독하고 작성하는 능력과 이를 위해 CAD 소프트웨어를 도구로 활용하는 기능을 습득하는 것이다. 본 연구에서는 기계제도 교과 운영에 PBL 수업을 도입하여 교과목의 학습목표를 효과적으로 달성할 수 있음을 실제 교과목 운영 사례를 통해 제시하였으며, 지난 5 년간의 교과 운영 경험을 토대로 다음과 같은 교과운영 방안을 제안하였다.
(1) 2D/3D CAD 실습교육을 병행하여 CAD 기능교육을 수행하고자 하는 경우에는, 2D 와 3D-CAD 소프트웨어를 번갈아 실습하도록 강의계획을 수립하는 것이 효과적이다.
(2) 위의 결론 (1)은 일부 학업우수생과 CAD 를 선행 학습한 일부 학생들을 중심으로 얻어진 결과이며, 2D/3D CAD 실습교육을 하나의 교과목으로 교육하기에는 무리가 있었다. 일반적으로는 2D/3D CAD 실습교육을 별도의 교과목으로 분리하여 교육하는 것이 효과적이다.
(3) 3D CAD 실습 교육 시 학생들이 graphic 이나 modeling 기능에만 흥미를 갖고 이에 집중하는 경향이 있으므로 가공이나 조립 등의 기계제작 측면을 고려하며 설계 결과를 도출하고 도면화할 수 있도록 유의하며 교육할 필요가 있다.
(4) PBL 수업 운영 시 학기 초에 문제를 제시하고 팀을 편성하는 것이 학습동기를 부여하는데 더욱 효과적이다.
(5) PBL 문제의 유형은 학생들이 자유롭게 주제를 선택하는 자유형 과제보다 목표와 제한조건이 명확히 정의된 과제가 효과적이며 기계공학 기초가 부족한 저학년에서는 기존의 설계를 일부 수정하는 수정 설계 과제가 적절하다.
(6) PBL 과제 수행 시 팀별 면담 지도를 통한 교수의 자문 역할이 중요하다.
후 기
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구비 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
(1) Sung, W. T., 1976, "About the Education of Mechanical Design and Drawing," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. Vol.
16(2), pp.103~107
(2) Hwang, S. H. and Lee S. E., 2012, "Effect of Problem-Based Learning in Mechanical Engineering Class,"
Proceedings of KSME Spring Conference on Education, pp.160~162
(3) Shin, M., 2009, "A Study on the Differences of Problem-Solving Ability between Students with High Level of Self- efficacy and Students with Low Level of Self-efficacy," Journal of Engineering Education Research Vol. 12(4), pp.84~92
