구성주의 학습이론에 기반한 체험 학습 개발과 3D 프린팅 활용 연구

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(1)투고일_2018.08.10. 심사기간_2018.09.01-16. 게재확정일_2018.09.21. 구성주의 학습이론에 기반한 체험 학습 개발과 3D 프린팅 활용 연구 A Study on the Development of Learning by Doing based on Constructivism Learning Theory and Application of 3D Printing 김진성, 세종대학교 디자인 이노베이션 전공 Kim, Jinsung_Design Innovation, Sejong University. 차례. 1. 서론 1.1. 연구배경 및 목적 1.2. 연구방법 및 범위 2. 체험 학습 프로그램 개발 2.1. 만들기 체험 학습과 구성주의 학습 이론 2.2. 피아제 인지발단 단계 이론 2.3. 단계별 체험 학습 시나리오 3. 체험 학습 교구 개발 및 프로그램 실행 3.1. 3D 프린팅 기술 분석 3.2. 3D 프린팅을 활용한 교구 개발 3.3. 프로그램 실행 및 개선 4. 결론 및 제언 참고문헌.

(2) 구성주의 학습이론에 기반한 체험 학습 개발과 3D 프린팅 활용 연구 A Study on the Development of Learning by Doing based on Constructivism Learning Theory and Application of 3D Printing 김진성, 세종대학교 디자인 이노베이션 전공 Kim, Jinsung_Design Innovation, Sejong University. 요약 중심어 체험 학습 구성주의 인지발달 3D 프린팅 메이킹. 본 연구의 목적은 구성주의 학습 이론을 바탕으로 구체적 조작기에 해당되는 7~11세 아동의 인지 발달을 돕는 만들기 체험 학습의 기획과 그 운영을 위한 3D 프린팅의 활용이다. 이를 위해 피아제의 구성주의 학습, 인지발 달 단계에 대해 고찰하여 프로그램 기획에 반영했고, 실제 체험 학습에 운영될 교육용 완구를 유연하게 소량 생 산할 수 있는 효과적인 3D 프린팅 방법을 도출했다. 해당 프로그램은 디지털 체험, 만들기 체험, 융합체험을 핵 심 요소로 구성되었고, 3D 프린팅으로 제작된 만들기 교구는 모바일 어플리케이션과 AR과 더불어 세 영역을 견인할 수 있는 교육 매체로서 기획되었다. 개발 중인 프로그램을 검증하기 위해 실제 아동을 대상으로 모의 체 험 학습을 실시하여 실제적 준거를 도출하고 프로그램을 보완하였으며, 2017년 광주디자인비엔날레 전시기간 동안 정규 체험 프로그램으로 진행되었고, 교원 체험스쿨 프로그램으로 도입되었으며, 여러 지역에서 정규 체험 학습으로 진행되고 있다. 이를 통해 새로운 형태의 체험학습과 이의 운영을 위한 3D 프린팅 활용의 가능성을 검증하였으며, 해당 프로그램이 체험 학습 현장에서 3D 프린터로 제작된 교구를 통한 새로운 학습자 중심의 학 습법으로 활용될 수 있는 이론적 근거와 교육적 가치가 있음을 확인했다.. The purpose of this research is developing a program of a learning by doing to enhance cognitive development of 7 to 11 years old children, who are belong to concrete operational Keyword stage based on constructivism learning theory and applying 3D printing for running the program. The study of constructivism learning theory and cognitive development of Piaget was applied to Learning by Doing development of the program and the effective method of small quantity production of educational toy by 3D printing. There were three key factors, which were digital experience, making Constructivism experience, blended experience and it was planned 3D printed teaching material for making, Cognitive Development mobile application and augmented reality as driving educational methods in those three area. 3D Printing The program was conducted with test group of children to verify and modify in the middle of Making development and then it was executed at the 2017 Gwangju Design Biennale and Kyo-won school in 2018 for the formal experience program, and now there are regular programs in various area. It was confirmed that the new possibility of the program and application of 3D printing on teaching material for making and that it has theoretical basis and educational value as a new learner-centered teaching method in the domain of learning by doing programs.. ABSTRACT. 140.

(3) 1. 서론 1.1. 연구 배경 및 목적 최근 만들기와 결합한 워크샵 형태의 다양한 체험 학습들이 개발되고 있으나, 프로그램에 활용 되는 교구 및 장난감들이 교육의 취지를 잘 반영하지 못하는 경우가 많다. 이는 아동의 인지발 달의 특성이 적절히 반영된 놀이 교구 연구가 많지 않다는 점과 교육 관련 업체나 교육 기관에 서 해당 프로그램만을 위해 교구를 별도로 개발하고 생산하기 어렵기 때문에 기성 장난감 등을 활용하는 데서 문제가 발생된다고 판단된다. 또한 체험 프로그램은 교육 대상자의 반응을 꾸준 히 반영하여 보완하고 발전시키는 것이 필수적인데, 이미 대량 생산된 교구를 프로그램의 변화 에 맞춰 수정하여 생산하기는 쉽지 않은 일이다. 따라서 3D 프린팅을 통한 교구 제작이 이러한 문제점의 대안이 될 수 있으리라 판단되며, 피아제의 구성주의 학습 이론에 근거한 체험 프로그램을 기획하면서 해당 프로그램을 위한 만들기 교구를 3D 프린팅을 활용해 제작하여 활용했다. 이러한, 3D 프린터의 활용은 새로운 비즈니스의 발굴이라는 측면에서도 의미를 갖는다고 볼 수 있다. 2000년 이후 3D프린터의 빠른 보급으로 3D 프린팅을 활용이 제조업계는 물론 의료 및 건축 등 다양한 산업분야로 확산되고 있다. 특히, 교육 및 공공 분야에서는 초,중,고등학교를 비롯한 많은 교육 기관 및 공공 기관들이 3D 프린터를 도입했거나 도입을 검토하고 있으며, 3D 프린 팅을 활용한 다양한 교육 관련 비즈니스가 도출되고 있다. 하지만 해당 비즈니스들이 3D 프린 터 구매 및 운영 대행, 소모성 부품 및 소재 판매, 단발성 3D 프린팅 교육 등에 머물러 있어 좀 더 다양한 비즈니스 모델 발굴이 필요다고 판단된다. 2013년 세계경제포럼이 3D프린팅을 10대 유망기술 중 하나로 선정했고, 많은 이들이 3D프린 팅에 주목하여 기존의 대량 생산 방식으로 고착화된 과잉 생산과 과잉 소비를 대체할 새로운 산업 환경과 소비 문화를 만들 수 있으리라 기대했지만, 3D프린터의 여러 제약 사항으로 인해 맞춤형 생산시스템 구축과 비즈니스 활성화는 아직 요원하다고 할 수 있다. 이러한 환경 속에서 본 연구는 교구를 활용한 새로운 체험 학습의 교육적 가치의 발견뿐만 아니라 교구 개발에 있어 3D 프린팅 활용 가능성을 확인했다는 측면에서 의의가 있다. 1.1. 연구 방법 및 범위 해당 연구는 2012년 창업한 소규모 벤처 기업과 세종대학교 디자인 이노베이션 전공의 산학 연 과제를 바탕으로 진행되었다. 세종대학교는 업체(셈스게임즈)1)와 공동으로 체험 프로그램 을 개발하였고, 프로그램에 활용될 2D/3D 컨텐츠를 제작했으며, 업체는 이를 소량 생산하여 키즈 카페에서 모의 체험 학습 수행과 광주디자인비엔날레에서 프로그램 운영 등을 거쳐 프로 그램을 확정하고 정기적으로 체험 학습을 수행하고 있다. 이를 위해 구조주의 학습 이론을 고찰하고 이에 기반한 체험학습을 기획하였으며, 3D 프린팅 기술을 분석하고 해당 체험 학습에 적합한 소자본/소규모로 운영할 수 있는 제품을 조사, 선정 하였다. 그리고, 선정된 프린터의 제약 사항을 반영하여 3D 컨텐츠를 제작하였으며 이를 소규 모로 적시 생산하여 정기적으로 진행되는 체험학습에 활용했다. 해당 놀이 체험 학습에는 모바일 어플리케이션과 Augmented Reality(증강현실, 이하 AR)또 한 적용되고 있으나 본 논문에서는 체험학습 프로그램 개발 과정과 3D 프린팅을 통한 컨텐츠 개발 및 적용에 대해 중점적으로 기술하고 앱개발과 AR적용은 후속 논문에서 밀도 있게 다룰 계획이다.. 2. 체험 학습 프로그램 개발 2.1. 놀이 체험과 구성주의 학습 이론 해당 체험 학습의 목표는 어린이가 스스로 창의적인 상황을 통해 자연스럽게 목표를 설정하고, 1) 셈스게임즈는 판교에 소재한 스타트업 기업으로 어린이 대상 모바일 어플리케이션과 만들기 체험학습을 접목시킨 비즈니스 모델을 개발하고 있다. http://www.semsgames.com 기초조형학연구 19권 5호 (통권89호). 141.

(4) 하나의 완성품에 집착하기 보다는 다양한 시도를 통해 여러 결과물을 도출할 수 있는 제작환경 을 제공하는 것이다. 여러 결과물의 가능성이 열려있는 플랫폼을 통한 자연스러운 놀이 활동으 로 아동이 지각 능력, 창의력 등을 향상시킬 수 있도록 유도하며 체험 학습 진행자의 자연스러 운 동기 부여를 통해 스스로 방법을 찾아나가고 자신만의 독창적인 결과물을 만들도록 장려하 는 것이 전체 체험 학습의 목표점이다. 이는 좋은 교수법 개발보다는 학습자 스스로 습득된 지식을 재구성할 수 있는 기회를 제공하는 것이 더 중요하다는2) Jean Piaget의 교육이론에 근거한 구성주의 학습 이론과 일맥 상통한다. 구성주의 학습은 폐쇄적인 교육 환경을 탈피하고 개방적인 횐경을 만들어 줌으로써 아이가 주어진 답을 찾는 것이 아니라 교사와 계속되는 상호작용을 통해서 학습 내용의 원리를 스스 로 파악하고 습득하도록 유도하는 것을 목표로 한다. 이 과정에서 ‘만들기’가 학습의 핵심 축을 이루는데 구성주의 교육에서의 ‘만들기’는 학습 과정에서 행위의 중요성을 강조하며 교사의 주도적 훈육 방법에서 벗어나 아동이 직접 물건을 조작해 보고 스스로 질문하며 결과를 예측하 고 동료의 결과물과 자신의 것을 비교해 봄으로써 아동이 학습 과정을 적극적으로 주도하는 것을 강조한다. 예로부터 아이들은 무엇인가를 만들길 좋아하며, 이들이 만들기에 사용하는 도구 및 재료등의 소재는 굉장히 다양하다. 이처럼 아이들에게는 자신이 흥미 있어 하는 여러 가지 재료나 도구 들로 어떤 대상을 만들고, 이를 통해 자신의 생각을 표현하고자하는 본능에 가까운 욕구가 있다고 할 수 있다. 이런 아동의 욕구를 충족시키기 위해 만들어지기 시작한 장난감들은 고도 화, 상업화 과정을 거치면서 아동의 자율성이 배제된 채 주어진 명확한 가이드 라인에 따라 어느 한 재료도 빠짐없이 만들어야 하는 또 다른 교사 지배적인 학습 도구로 변질되고 있다. 재료나 도구를 변형시키고 재조합 하는 등 다양한 변용이 가능할 때, 만드는 과정을 통해 다양 하고 융통성 있는 사고를 가능하게 하는 발산적 사고(divergent thinking)를 경험할 수 있다. 이러한 만드는 활동은 자기표현과 의사소통의 수단이 되기도 하며 창의적 사고, 다양한 문제해 결력과 의사결정 경험을 촉진시킬 수 있다.3) 따라서, 만들기 활동에서 유연한 도구와 재료 등을 통해 무엇을 만들지 구상하고 끊임없이 수정보완하며 ․ 지식을 구성해 나갈 교구가 필요하다 할 수 있다. 혹여 실수로 인해 완벽한 것을 만들지 못했다 하더라도 자신이 다른 이의 것과는 다른 새로운 무언가를 만들었다는 자부심을 갖게 하며, 자신이 만든 것에 대해 가치를 부여하고, 학습에 더욱 몰입할 수 있다. 이렇게 구성주의 학습의 본질적인 관점에서 유연한 만들기 교구를 개발하였으며 그 결과가 ‘플레이하우스’4) 라는 플랫폼이다. 2.2. Piaget 인지발달단계 이론 적용 해당 체험 학습 프로그램은 피아제 인지발달단계 중 구체적 조작기에 해당하는 7~12세 아동 을 대상으로 개발되었다. 이 시기의 아동은 사고 체계가 탈중심화 되는 과정 속에서 언어 사용 에 있어서 자기중심적인 경향이 줄어들고 의사소통에서 사회 지향적인 특징을 보이게 된다. 이런 사고의 변이가 놀이를 통해서 더욱 구체화 될 수 있도록 체험 프로그램을 기획했으며, 프로그램에서 활용되는 교구는 자신을 대입하거나 타인이나 가상의 인물을 대상화할 수 있는 캐릭터와 그 캐릭터의 환경을 가장 잘 대변할 수 있는 집이라는 공간을 플랫폼으로 한 플레이 하우스를 개발했다. 구체적 조작기는 초등학교 시기인 7세부터 11세까지 해당되는 시기이다. 이 시기에는 구체적 사물에 대한 인지적 조작이 가능하게 된다. 여기서 '구체적'이란 경험할 수 있는 물리적 현실의 요소들을 인지하고 조작할 수 있는 아동의 능력을 의미한다. 구체적 조작기에 있는 아동은 자기중심적 사고로부터 탈중심화가 일어나고 사물은 2차원 이상의 특성이 상호관계하고 있다 는 사실을 이해하게 된다.5) 2) Hebert P.Ginsburg & Sylvia Opper 「피어제의 인지발달이론」, 학지사, 2009, p.30. 3) 이연승, 「유아과학교육에서 메이커 교육의 의미고찰」 어린이미디어연구, 15(4), 2016, p.222 4) 해당 체험학습에서 만들기 소재로 활용되는 하우스와 캐릭터를 포함한 교구 세트를 지칭한다. 142.

(5) 다른 사람의 감정과 생각이 자신과 동일할 것 이라 생각하여 타인의 관점을 이해하지 못하 는 자기중심적인 성향에서 점차 벗어나 의사 소통에서 사회 지향적인 모습을 보이게 되는 데, 이를 프로그램에서는 캐릭터 피규어를 대 상화하여 성별과 성격, 취향 등을 부여하고 캐 릭터가 사는 집의 분위기, 좋아하는 옷, 현재의 감정 상태 등을 스티커, 그림 등으로 표현하도 록 유도했다. 이는 기존의 캐릭터 인형과 차별화되는 점으 로 대부분의 인형 기성품들이 명확한 감정이 드러나지 않은 무표정한 모습이거나 웃는 얼 <그림 1> 아동이 직접 제작한 플레이하우스와 캐릭터. 굴을 하고 있어 아동이 자신의 감정이나 가상 의 대상이 현재 갖고 있는 감정을 적극적으로. 표현하는데 부족한 측면이 있기 때문이다. 이 과정에서 아이들이 자기 성찰과 같이 사고 자체를 대상화하여 다시 사고할 수 있도록 유도 할 수 있다. 나는 누구인지, 자신이 좋아하는 것이 무엇인지에 대한 정체감을 획득할 수 있으며 타인의 심리를 조망할 수 있도록 돕는다. 역할 놀이 등을 통해 타 아이들과 어울리는 경험을 제공하며, 사람들과 자신이 다른 생각을 할 수 있다는 것을 배울 수 있는 기회를 제공하는 것이다. 또한, 이 시기의 아동은 구체적 문제에 대한 논리적 사고가 가능해지는데 이는 분류 조작을 가능하게 한다. 분류 조작이란 여러 가지 기준과 관련하여 사물을 분류할 수 있는 능력을 말한 다. 전조작기에는 중심화로 인해 사물의 한가지에만 초점을 두고 다른 특성을 간과하는 경향을 보이는데 구체적 조작기로 오면서 분류 조작이 가능해지면 다양한 기준으로 사물을 분류할 수 있는 것이다.6) 이를 적용하여 플레이하우스 프로그램에서는 여러 색상과 다양한 패턴의 스티커를 제공하여 아이들이 직접 선택하며, 교육 프로그램을 지도하는 선생님이 아이들에게 질문을 통해 사물의 특성을 여러 기준으로 말할 수 있도록(분류 조작하여 말하도록) 유도한다. 예를 들어 “. 이는 무슨 벽지 스티커가 마음에 들어요? 저는 파란색 벽지가 좋아요. 어떤. 모양이 그려진 파란색 벽지 스티커요? 별모양이 그려진 파란색 벽지 스티커가 좋아요.” 이런 식으로 아이가 분류 조작하여 말하는 방식을 배우도록 했다. 교재, 매뉴얼에 따른 획일적 교육 을 지양하고, 최소한의 가이드 속에서 어린이들이 스스로 창의적으로 문제를 해결하고 결과물 을 도출하도록 유도했으며 이러한 놀이 경험은 아동의 인지 발달 단계를 차근차근 밟아 가는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 2.2. 단계별 체험학습 시나리오 체험 학습은 Digital Experience, Physical Experience, Blended Experience 세 가지 축을 중심으로 기획되었다. 이를 중심으로 한 체험 학습 과정은 <표 1>과 같이 진행된다. 첫째, Digital Experience(이하 디지털 체험)를 통해서는 먼저 아동이 모바일 어플리케이션으 로 미리 하우스와 캐릭터를 꾸며 봄으로써 전체 학습에 대한 동기를 부여하고 최종 결과물을 가상으로 미리 예측해 볼 수 있도록 했다. 둘째, Physical(Making) Experience(이하 만들기 체험)에서는 플레이하우스 프레임과 캐릭 터, 소품 및 스티커 카드 등을 선택하여 실제로 하우스와 캐릭터를 꾸미는 과정을 통해 만들기 를 체험하도록 설계했다. 5) 하소운, 「피아제의 인지발달단계에 기초한 유아 음악수업지도법 연구」 경희대학교 석사학위논문, 2014, p.14. 6) 강경원, 「아동의 그림을 통해 본 공간인지와 조작능력」 한국지역지리학회지, 6(3), 2000, p.87 기초조형학연구 19권 5호 (통권89호). 143.

(6) 셋째, Blended Experience(융합 체험)에서는 다시 모바일 앱으로 돌아가 자신이 만든 하우스 에 디지털 캐릭터와 소품 등을 AR로 입혀보는 융합 체험 과정을 수행하도록 했다. <표 1> 플레이 하우스 체험 학습 순서. 1. 앱으로 미리 꾸며보기 (디지털 체험). 4. 라벨(스티커) 선택하기 (만들기 체험). 2. 테이블 및 키트 배정받기. 5. 캐릭터와 집 꾸미기. 3. 만드는 과정 배우기 (디지털 체험 + 만들기 체험). 6. 앱을 연동하여 AR구현해보기 (융합 체험). 아동의 인지 발달 단계에 따른 관심사와 성취 과업이 다르다는 Piaget의 인지 단계이론에 기반 을 둔 구성주의 이론에 따르면 능동적인 학습을 통한 자발적 탐구 활동이 중요하고, 모든 새로 운 발견과 이론 등은 학습자에 의해 체득되어야 하고, 재발견되어야 하며, 재해석되어야 한다 고 하였다. 또한, Papert는 ‘learning by doing’을 강조하며, 만들기 등의 체험 학습이 필수적이 며, 구체적인 조작을 통한 학습을 통해 다른 학습에 대한 호기심과 열정에 대한 전이가 발생할 수 있다고 주장하였다.7) 따라서, 구체적 조작기에 해당하는 아동이 만들기를 통해 기존에 갖 고 있는 생각을 적절히 조절하고 동화할 수 있는 교구를 제공하는 것이 중요하다 판단된다. 위의 세 단계는 아동이 각 단계에서 동기 부여를 통해 스스로 생각을 조절하고 동화하며 자신 만의 의미 있는 결과물을 도출하여 학습 효과가 배가되도록 했다. 각 단계가 체험 학습의 과정 일 뿐만 아니라 호기심이 지속적으로 전이될 수 있는 매체로서 작용하도록 했는데, 디지털 체험에서 관심을 유도하고 여기서 형성된 학습에 대한 호기심이 만들기 체험으로 전이되며, 만들기에서 본격적으로 대상화, 분류 조작 등을 더욱 구체화도록 했다. 그리고 여타의 다른 교구나 완구와 같이 만들기로 끝나는 것이 아니라 AR을 매개로한 융합 체험을 통해 디지털 체험과 만들기 체험사이의 연결고리를 부여하여 디지털 체험, 만들기 체험, 융합 체험이 선순 환 되도록 했다. 이 과정에서 교육용 매체로 활용되는 모바일 어플리케이션과 교구의 핵심 요소는 능동적 학습 과 아동의 호기심을 지속시키기 위한 변용성과 다양성이다. 앞서 언급한 바와 같이 교구의 다양성을 위해 교구 생산에 3D 프린팅을 활용했으며 모바일 어플리케이션과 AR은 교구에서 구현하기 어려운 변용성과 더 많은 다양성을 부여하도록 했다. 본 논문에서는 위 세 가지 매체 들 중 3D 프린팅으로 제작된 교구 중 해당 체험 학습에서 가장 핵심을 이루는 플레이하우스 플랫폼인 프레임의 개발을 중심으로 기술했다.8). 7) 송기봉, 김상균. 「메이커 혁명, 교육을 통합하다」, 홍릉과학출판사, 2015, p.67 8) 모바일 어플리케이션과 AR은 후속 논문에서 다루고자 한다. 144.

(7) 3. 체험 학습 교구 개발 및 프로그램 실행 3.1. 3D 프린팅 기술 분석 교구 개발과정에서 프로토타입을 제작하는 것과 실제 제품을 생산하는 것을 동일한 3D 프린터 로 진행하여 프로토타입과 실제 제품 간의 격차를 줄이고자 기획했으며, 이를 위한 보급형 프린터를 선정하기 위해 3D 프린팅 기술을 분석했다. 현재 3D프린팅은 아래 표와 같이 SLA, SLS, FDM 등 프린팅 방식에 따라 다양한 프린터가 개발되어 있으며 용도에 따라 산업용, 보급형 등으로 구분된다. 프린팅 방식은 보통 6가지로 분류되며 <표 2>9)와 같다. <표 2> 3D 프린터 종류와 특징. 종 류. 출력 방식. 3D Printer type. 레이저 빔이나 강한 UV로 광경화성 액상 수지(Photo Curing. SLA(Stereo Lithography Apparatus),. resin)를 경화. DLP(Digital Light Processing). 1. 광경화 적층방식. 2. 레이저 소결 적층방식. 레이저빔으로 분말상태의 재료를 고압, 고온으로 소결. SLS(Selective Laser Sinterring). 3. 수지 압출 적층 방식. 와이어 형태의 재료를 사출헤드로 압출. FDM(Fused Deposition Modeling). 4. 잉크젯 적층방식. 프린터 헤드 노즐에서 액체상태의 결합제를 재료에 분사. CJP(Color Jetting Printing). 5. 폴리젯 적층 방식. 6. 박막 적층 방식. 프린터헤드에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 경화 (광경화방식과 잉크젯방식의 혼합) 얇은 판모양의 재료를 정밀커터로 자른 후 열로 가열하여 접착하는 방식. MJP(Multi Jetting Printing),Polyjet. LOM(Laminated object manufacturing). 가장 일반적으로 대중에게 3D 프린터라고 인식되고 있는 것은 위 6가지 중 가장 많이 보급된 수지 압출 적층 방식인 FDM을 기반으로 한 프린터이며, 타 프린팅 방식의 프린터/소재 가격, 유지 보수 비용의 문제 등으로 많은 소규모 기업들이 FDM 프린터를 활용하고 있다. FDM 보급화에 결정적인 요인 중 하나는 2009년 10월 FDM 방식의 특허 만료인데, 이 후 수 많은 기업들이 저가형 프린터를 개발했고, 렙랩(Reprap)과 같이 오픈 소스를 제공하는 비영리 단체 들 또한 프린터 보급화에 큰 기여를 했다고 볼 수 있다. 체험 학습을 위한 플레이 하우스 플랫 폼 또한 FDM 프린터로 제작되었다. 체험 학습을 통해 완성하게 되는 하우스 프레임이 학습 교구의 핵심이라 할 수 있으며, 이 프레임을 3D 프린터로 제작했다. 그 이유는 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 3D프린터를 활용한 소량 맞춤 생산으로 초기 투자비용 최소화 둘째, 실제 체험학습의 아동 피드백을 반영한 프레임의 구조 및 스타일의 지속적 보완 셋째, 지속적 흥미 유도를 위한 색상 및 형상의 다양성 확보 프레임은 정사각형의 프레임 유닛 4EA와 지붕 프레임 유닛 2EA로 집 하나를 구성할 수 있도 록 디자인했으며 각 프레임 유닛에 스티커 카드를 부착하여 체험자가 자신만의 집을 꾸밀 수 있도록 했다. 단 두 가지 유닛만으로 하우스 모양의 프레임을 제작하기 때문에 결합 구조 및 조립성이 가장 큰 선결 과제였으며, 특히 7세~12세 아동이 체험 학습의 대상이었기 때문에 최대한 다양한 연령 및 성별의 아동을 조립 시연에 참여토록 하여 지속적으로 문제점을 보완해 가는 과정이 필수적이었다. 또한, 3D 프린팅 제조에 투입되는 재료와 시간 인력을 최소화하는 것이 원활한 체험 학습을 운영하는데 중요한 요소였다.10). 9) R&D정보센터, 「3D 프린팅산업 시장/기술동향과 주요 산업분야별 활용사례분석」, 지식산업정보원, 2013, p.84 10) 해당 프레임의 설계 상세 데이터는 기업의 대외비에 해당하므로 본 논문에서는 치수 및 공차 등 구체적인 데이터를 제외한 공유 가능한 개념적 범위 내의 개발 과정을 기술했다. 기초조형학연구 19권 5호 (통권89호). 145.

(8) <그림 2> 알파벳 Y, H, M FDM 3D 프린팅시 서포트 생성 사진. 프레임 설계에서 주요 고려사항은 최소 재료 활용, 프린팅 시간 단축, 제조 용이성, 결합성이 다. 이 중 제조 용이성은 3D 프린터에서 항상 문제가 되는 Support(이하, 서포트)11)를 해결하 는 것이다. <그림 2>12)와 같이 FDM 프린터는 허공에 띄워진 부분을 메꾸기 위해 서포트가 생성된다. <표 3> FDM 3D 프린터의 서포트 생성 조건. 프린트 오버행 각도가 45도 이상. 프린트 오버행 각도가 45도 이하. 서포트가 필요치 않음. 서포트가 생성되어야 함. 그리고, 생성된 서포트를 제거하는 것은 시간과 인력이 소요되는 일이기에 프린팅 결과물을 디자인 시안이나 샘플 제작이 아닌 최종 제품으로 활용하기 위해 다량으로 생산하는 것이라면 서포트는 생산성을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다. 하지만 <표 3>과 같이 오버행 각도가 45도 를 넘지 않으면 서포트 없이도 성형이 가능하기에 이를 잘 활용하면 효과적으로 결과물을 프린 팅할 수 있다. 따라서, 모든 컨텐츠는 서포트 없이 출력되도록 오 버행의 각도가 45도 이하가 되지 않게 설계했으며, 이 때문에 <그림 2>와 같이 라운드가 배제된 90도 각도의 엣지를 갖거나 45도 이상의 Chamber 값을 갖도록 디자인했다. 프레임 사이즈는 해당 연령대의 아동이 조작하는데 부담이 없는 크기로 설정되었으며 결합 방식은 체 결 후 결합 구조를 유지하되 필요시 분해가 용이하 도록 후크 구조가 배제된 Transition fit을 적용했 다. Shaft(축)과 hole(구멍)사이의 간섭 정도에 따 라 분류되는 끼워 맞춤의 세 가지 방식인 Clearance Fit(이하, 헐거운 끼워 맞춤) / Transition Fit(이 <그림 3> 플레이 하우스와 3D 프린팅 된 다양한 교구. 하, 중간 끼워 맞춤) / Interference Fit(이하, 억지 끼워 맞춤)의 하나로 축, 구멍의 치수에 따라. Clearance(이하, 틈새) 또는 Interference(이하, 죔새)가 생기는 끼워맞춤이다. 억지 끼워맞춤 은 구멍의 최대 허용 치수가 축의 최소 허용 치수보다 작은 경우를 말하며, 헐거운 끼워맞춤은 11) FDM 프린터에서 서포트는 파트를 제작할 때 필라멘트가 아래로 쳐지는 것을 예방하기 위한 지지대를 지칭한다. 12) https://www.3dhubs.com/knowledge-base/supports-3d-printing-technology-overview 146.

(9) 구멍의 최대 허용 치수가 축의 최소 허용 치수보다 큰 경우를 말한다. 예를 들어 레고 블록과 같은 결합 구조는 일반적으로 정밀급 헐거운 끼워맞춤으로 분류되는데, 정밀베어링 내륜과 회전축 사이, 정밀베어링 외륜과 스핀들 본체 구멍 사이, 키와 키홈 사이의 끼워맞춤 등이 이에 해당한다. 두 부품사이의 간격을 매우 정밀하게 유지시키되 공구로 강제로 결합시키는 것이 아니라 손의 힘만으로도 조립이 되는 타이트한 결합을 말한다.13) 레고는 일정 두께 이상의 원형의 Shaft와 hole이 한 조 이상씩 조립 되도록 구성되어 있으며 일정두께 이 상이 필요하고 한쪽 면에는 Shaft 한쪽 면에는 Hole 만 구성되어있어 상하 쌓기만 가능하며 이를 스터드 와 튜브 구조라 칭한다.14) 하지만, 플레이 하우스 프 레임은 4개의 유닛이 결합되었을 때 육면체가 구성 <그림 4> 레고 블록의 스터드와 튜브구조. 되어야하기 때문에 프레임에 적용된 결합구조는 레 고와 달리 유닛 하나의 각 면에 Shaft와 Hole이 혼재. 하되 Shaft에 Draft Angle15)을 단계적으로 상이하게 부여하여 조립이 미숙하더라도 Shaft와 Hole이 자연스럽게 맞춰지도록 유도했다. 이러한 프레임의 특성은 기존 플라스틱 사출 성형으 로는 금형 구조가 복잡해져 구현하기 어려운 부분이었으나 3D 프린터로 생산되기에 가능하였 다. 사용자의 연령 성별, 신체조건 등에 따라 조립과 분해에 가해지는 악력이 상이할 것이므로 상황에 따라 동일한 결합 구조 내에서 틈새와 죔새가 발생하도록 유도했다. 체험 학습에서 활용되는 피규어는 앞서 언급했듯이 아동의 탈중심화 및 대상화 과정에서 감정,. <그림 5> 하우스 프레임과 Shaft, Hole 구성. 취향 표현을 적극적으로 유도하기 위해 눈/코/입의 다양 한 표정과 옷, 소품 등의 스티커를 부착할 수 있도록 더미 인형으로 제작되었다. 스티커를 용이하게 부착하기 위해 서는 금형 사출물 수준의 인형 표면 품질이 요구되는데 현재의 FDM 방식의 3D 프린팅으로는 이를 구현하기 불 가하므로 불가피하게 금형을 개발하여 사출 가공을 진행 했다. 이로 인해 다양한 캐릭터 개발이 제한되었고, 향후 <그림 6> 플레이하우스 캐릭터 피규어. 보급형 DLP 프린터 등의 활용 가능성을 검토 중이다.. 3.3. 프로그램 실행 및 개선 프로그램 개발 후 검증을 위해 판교에 소재한 키즈 카페에서 주말 프로그램을 시범적으로 운영했 으며, 실제 다양한 연령대의 아동들이 프레임을 조립하고, 하우스에 개인의 취향이나 대상화된 가상 인물의 취향을 반영하며, 캐릭터에 성격을 부여하는 과정을 살펴보고, 프로그램을 보완했다. 우선, 프레임의 부피를 줄여 소요되는 재료를 최소화하여 프린팅에 소요되는 시간을 줄이려 했으나 이 때문에 프레임 두께 및 요소들의 작은 크기로 인해 조립성이 떨어지는 측면이 있었 다. 특히, 7~8세의 아동이 조립을 어려워하는 경향이 있어, 부피를 키우되 3D프린터가 제품 13) Thomas P, 「Basic Blueprint Reading and Sketching」, Cengage Learning, 2004, p.111 14) 강영희, 「초등학생을 위한 레고 활용 오토마타 만들기」, 실과교육연구, 22(3), 2016, p.124 15) 입체에 부여된 기울기 각도를 뜻하며 사출성형에서는 일명 빼기구배라 지칭된다. 기초조형학연구 19권 5호 (통권89호). 147.

(10) 두께 내부를 채우는 정도인 density를 조절하여 출력 시간을 이전 수준으로 유지하는 적정선 을 도출했으며 3D 프린팅을 활용해 지속적으로 프레임을 보완중이다. 집과 캐릭터를 꾸미기 위해 스티커 카드를 제작하고 부착하는 과정에서 아이들이 자신 의 취향이나 타인 또는 가상 인물의 성향을 대상화하는 것을 유도하기 위해 어떤 질문을 하고 행동을 유도해야하는지 구체적인 방안 을 도출할 수 있었다. 예를 들어 단순히 맘에 드는 스티커를 붙여보라고 지시하는 것 보다 현재 만드는 집에 누가 사는지, 그 사람의 직 업은 무엇이고 어떤 스타일을 좋아하는지 등 을 질문했을 때 아이들은 생각을 더욱 구체 화하고 무작위로 스티커를 부착하는데서 더 나아가 의도를 갖고 스티커를 선택하며 하우 스 스타일과 가구, 의상에 일관성을 갖춰나 가는 것을 발견할 수 있었다. <그림 7> 2017 광주 디자인 비엔날레 체험학습 현장 사진 1. 이러한 프로그램 보완 후 2017년 광주디자. 인비엔날레 전시기간 동안 정규 체험 프로그램으로 진행되었고, 2018년 4월 교원 체험스쿨 프로그램으로 도입되었으며, 현재 전북 삼례 문화예술 상설체험관과 전북 전주, 서울 한남동의 팝업 스토어에서 체험학습을 정기적으로 진행하고 있다.. <그림 8> 2017 광주 디자인 비엔날레 체험학습 현장 사진 2. 특히, 시범 체험 학습 이후 진행된 광주 디자인 비엔날레에서의 전시 및 체험 행사는 약 40일 간, 오후 2시부터 5시까지 매일 3시간 워크숍 프로그램을 운영하여, 하루 약 300~600여 명 정도 부스 관람객 약 350명의 아동이 워크샵 프로그램에 참여했다. 전시에서 프로그램과 3D 프린팅의 활용에 대해 설명했고 실제로 3D 프린터로 교구를 생산하는 것을 시연했으며, 전시 현장에서 체험 행사가 이루어졌다. 광주 디자인 비엔날레에서 전시 관람객들의 새로운 형태의 체험학습에 대한 높은 관심을 확인 할 수 있었고, 유료 행사였음에도 총 350여명의 아동이 체험 학습에 참여하여 학습 효과를 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 교원 체험 스쿨의 프로그램 도입이 원활히 이루어졌고, 여러 지역에서 정규 프로그램으로 자리 잡을 수 있었다.. 4. 결론 및 제언 본 연구는 구성주의 학습 이론을 바탕으로 구체적 조작기에 해당되는 7~11세 아동의 인지 발달을 돕는 체험 학습을 개발을 목표로 했으며, 효과적인 교구 개발을 위해 3D 프린팅을 활용 했다. 이를 위해 Piaget와 Papert의 구성주의 학습과 인지발달 단계에 대해 고찰하여 148.

(11) 프로그램 기획에 반영했고, 실제 체험 학습에 운영될 피지컬 컨텐츠를 유연하게 소량 생산할 수 있는 효과적인 3D 프린팅 방법을 도출했다. 시범 체험 학습 수행을 통해 프로그램을 보완했 으며 광주디자인 비엔날레에서 프로그램 운영과 교원 체험 스쿨 프로그램 성공적 운영으로 그 가능성과 교육적 효과를 확인할 수 있었다. 하지만, 이러한 아동의 인지 과정 발달과 관련된 학습 결과는 가시적인 성과가 바로 드러나는 것이 아니기에 교육 효과를 정령화하기 어려운 측면이 있었으며, 체험 학습의 목적이 성취되었는지를 확인할 수 있는 평가 척도에 대한 연구 등이 프로그램의 지속적인 발전을 위해 필요하다. 이러한 측면에서 다음과 같은 후속 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 첫째, 연구의 이론적 배경으로 활용되었던 피아제의 인지발달 이론이 프로그램의 준거가 된 측면이 있으나 피아제의 이론은 놀이를 단순히 감각 운동기부터 전조작기, 구체적 조작기에 이르는 발달의 자연적인 부산물로 판단하여 놀이의 수준을 어떻게 효과적으로 증진시킬 수 있는지, 증가된 놀이 수준이 인지적 기능에 어떤 긍정적인 효과를 미치는지에 대해 연구하기에 부족한 측면이 있다. 피아제는 아동이 학령기에 접어드는 구체적 조작기 때부터는 상징 놀이, 역할 놀이가 자연스럽게 도태되고 규칙 있는 게임으로 대체된다고 보았는데, 10세 전후의 아 동 또한 다양한 역할 놀이를 하는 경우를 볼 수 있으며, 역할 놀이가 초등학교 고학년 상담 프로그램에서 효과적으로 활용되는 것을 볼 때16) 아동의 사회극 놀이를 강조한 Smilansky의 이론 등을 심도 있게 고찰하여 프로그램 개발에 적용할 필요가 있다.17) 이에 따라 체험 학습 과정에서 참여 아동의 대상화, 탈중심화 및 사회 지향성이 어떻게 만들기와 역할 놀이 과정에 서 발현되는지 측정하고 평가할 수 있는 정성적, 정량적 척도 연구가 필요하다. 둘째, 체험 학습 교육의 지속성을 위해 아동과 학부모의 흥미를 유지시킬 수 있는 새로운 요소 들의 도입이 요구되었으며, 이를 위해 3D 프린팅 체험과 어플리케이션과 AR의 연동을 시도했 다. 3D 프린팅을 교보재 제작에 활용하는 것에서 더 나아가 체험 학습에서 아동이 직접 3D 디지털 컨텐츠를 제작해보고 이것을 직접 출력하여 만들어보는 등 메이커 교육과 연계한 체험 학습 설계가 요구된다.18) 셋째, 융합 체험을 유도하기 위해 적용한 AR이 단순히 새로운 기술에 대한 흥미 요소에서 더 나아가 인지 발달 측면에서 교육 효과를 도출할 수 있는 연구가 필요하다. 최근 AR이 아동 교육에 도입되기 시작하였기에 AR의 아동의 인지발달 효과 측면에서 구성주의 학습 이론과 연계한 3D 프린팅 체험과 AR연동 연구는 분명 의의가 있다고 판단된다.. 참고문헌 송기봉, 김상균. 「메이커 혁명, 교육을 통합하다」, 홍릉과학출판사, 2015. Hebert P.Ginsburg & Sylvia Opper 「피어제의 인지발달이론」, 학지사, 2009. R&D정보센터, 「3D 프린팅산업 시장/기술동향과 주요 산업분야별 활용사례분석」, 지식산업정보원, 2013. Thomas P, 「Basic Blueprint Reading and Sketching」, Cengage Learning, 2004. 강경원, 「아동의 그림을 통해 본 공간인지와 조작능력」 한국지역지리학회지, 6(3), 2000. 강민정, 「초등학교 고학년의 정서조절능력 향상을 위한 역할놀이 활용」, 유아교육, 25(4), 2016. 강영희, 「초등학생을 위한 레고 활용 오토마타 만들기」, 실과교육연구, 22(3), 2016. 김용익, 「메이커교육 이론의 초등실과 적용 가능성 탐색」, 24(2), 2018. 이연승, 「유아과학교육에서 메이커 교육의 의미고찰」, 어린이미디어연구, 15(4), 2016. 조은진, 「상징놀이의 기능에 관한 이론적 고찰과 분석」, 열린유아교육연구, 3(4), 2004. 하소운, 「피아제의 인지발달단계에 기초한 유아 음악수업지도법 연구」 경희대학교 석사학위논문, 2014. https://www.3dhubs.com/knowledge-base/supports-3d-printing-technology-overview http://www.semsgames.com 16) 강민정, 「초등학교 고학년의 정서조절능력 향상을 위한 역할놀이 활용」, 유아교육, 25(4), 2016, p.61 17) 조은진, 「상징놀이의 기능에 관한 이론적 고찰과 분석」, 열린유아교육연구, 3(4), 2004, p.91 18) 김용익, 「메이커교육 이론의 초등실과 적용 가능성 탐색」, 24(2), 2018, p.50 기초조형학연구 19권 5호 (통권89호). 149.

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