융합인재교육

(1)

융합인재교육 (STEAM) 수업 모델 연구

2011. 12. 20

한양대학교 청소년과학기술진흥센터

최정훈

(2)

Soft robotics

Filip Ilievski, Aaron D. Mazzeo, Robert F. Shepherd, Xin Chen, and George M. Whitesides*, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1890 –1895

무척추 생물체을 모방한 이 로봇은 어느 분야에서 개발했을까요 ?

(3)

창의적 융합인물의 새로운 아이콘

George McClelland Whitesides 하바드 대학교 화학과 교수

연구분야 : NMR 분광화학 , 유기금속화학 , 자기조립화학 , 나노기술 등

최근 화이트사이드 교수는 스티브 잡스

이상의 창의적인 융합형 인물로 평가

되고 있음

(4)

[2] F. Gharagozloo, F. Najam, Robotic Surgery, McGraw-Hill, New York, 2009. (

의공학 )

[3] J. A. Angelo, Robotics: A Reference Guide to the New Technology, Greenwood Press, Westport, 2007. (

기계공학 )

[6] M. Raibert, K. Blankespoor, G. Nelson, R. Playter, BigDog Team, BigDog, the Rough-Terrain Quadruped Robot, Boston Dynamics, (

기계공학 )

[7] A. Crespi, A. Badertscher, A. Guignard, A. J. Ijspeert, Robot. Auton. Syst. 2005 (

기계공학 )

[8] S. Vogel, Life in Moving Fluids: The Physical Biology of Flow, Grant, Boston, 1981. (

생물공학 )

[9] S. Vogel, Prime Mover: A Natural History of Muscle, Norton, New York, 2001. (

생물학 , 의학 )

[10] D. Trivedi, Appl. Bionics Biomech. 2008, 5, 99 – 117. (

기계공학 , 생체공학 )

[12] J. Wilson, D. Li, Z. Chen, R. George, Jr., Proc. Rob. Bio. Syst. 1993 (

기계공학 , 생체공학 )

[13] M. Otake, Y. Kagami, in Proc. IEEE Int. Conf. Rob. Autom. 1999, 2003, (

전기 , 전자공학 )

[19] H. F. Schulte in The Application Of External Power In Prosthetics And Orthotics, National Academy

Of Sciences. (

의학 )

[20] K. Suzumori, A. Koga, H. Riyoko in Proc. 1994 IEEE Int. Conf. MEMS 1994. (

전기전자공학 )

[24] K. Mølhave, T.Wich, A. Kortschack, P. Bøggild, Nanotechnology 2006, 17, 2434. (

나노공학 )

[25] I. Roch, P. Bidaud, D. Collard, L. Buchaillot, J. Micromech. Microeng. 2003. (

기계공학 )

[26] V. Seidemann, S. Btefisch, S. Bttgenbach, Sens. Actuators A 2002. (

기계공학 , 전기전자공학 )

[27] M. Goldfarb, N. Celanovic, Robotica 1999, 17, 181 – 187. (

기계공학 )

[29] A. S. Brown, Mech. Eng. 2009, 131, 22 – 22. (

기계공학 )

[36] J. Lewis, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 2193 – 2204. (

화학공학 , 신소재공학 )

[40] A. V. Pocius, Adhesion Science and Engineering, Elsevier, Dordrecht, 2002.

( 화학공학 , 신소재공 학 )

Whitesides 교수가 이 연구를 위해 참고한 주요 논문을 통해 살펴본

STEAM 교육에서의 융합형 인재 양성 교육의 필요성

(5)

3D printer 로 제작한 Soft robot

아마추어가 만든 광중합 반응을 이용한 Home-made 3D printer

전문가용 3D printer 3D printer 로 만든

물건들

(6)

STEAM 모델 연구단 목표

창의적 융합 인재 양성을 위한 STEAM 수업 모델 개발 및 그 적용 을 목표로 함

S( 과학 기본 원리 및 개념 ) 을 토대로 , 관련 T( 기술 ) 을 응용하여 ,

실용성에 기반한 창의적 E( 공학 ) 디자인을 하도록 한다 .

이 과정에서 A( 예술 , 감성 ) 과 A( 인문사회 , 사회적 가치 ) 를 더하고 ,

이 모든 과정을 M( 수학 ) 적 도구를 통해 ,

체계적으로 창의적이고 융합적인 산물을 창출할 수 안목과 능력을 가지는 인재를 육성할 수 있도록 STEAM 안내자 역할을 담당할 교사와 학생들을 위한 STEAM 모델 개발

[ 한양대학교 ]

(7)

기존 산업은 소비자의 필요와 요구에 의한 제품 개발이다

융합시대는 창조자에 의해 만들어진 융합제품이 대중의 공감대를 바탕으로 , 기존에 없던 창조물로 새로운 시장 을 창출하는 것이다

따라서 융합시대의 과학교육은 질문 및 문제제기에 의한 학 습에서 완전히 새로운 것을 창조해낼 수 있는 능력을 위한 플러스 알파 교육이 더 필요하다

융합교육은 기존 교육에 + α ^{가 더 필요하다}

(8)

과학 = why(knowledge) +

기술 = how +

공학 = doing

융합 = creation

탐구기반 학습의 과학 , 설계기반 학습의 기술 및

공학과 융합 기반 학습의 융합 학문

(9)

과학실험 ( 탐구기반 ):

Why 기술 , 공학실험 ( 설계기 반 ):How, Doing

질문 제기 문제제기

가설 설정

^{계획 및 설계}

실험

^{설계 분석}

실험결과 분석 제작 혹은 합성

결론 도출 평가

탐구 기반 학습 (Inquiry Based

Learning)

설계 기반 학습 (Design Based

Learning)

과학 (Science) 실험 , 기술 및공학 (Engineering) 실 험과 융합 실험의 차이점

융합실험 ( 융합기반 ):

Creation

아이디어 도출

계획 및 설계 설계 분석 제작 혹은 합성

융합기반 학습 (Convergence Based Learning)

평가

(10)

과학 기술 및 공학 융합

탐구기반 (Why) 설계기반 (How, Doing) 융합기반 (Creation)

관찰 학습 중심과 질문에

대한 정해진 결과 및 해답 문제 해결 방법에 따라 다양

한 결과 도출 여러 학문의 융합을 통한

완전히 새로운 방법 및 결 과물 창조

장미 꽃은 왜 붉게 보일까 ? 어떻게 (how) 더 빠르고 안전한 비

행기를 만들 (doing) 수 있을까 ? 기초과학 , 기술 , 공학간 융합 예 )기초과학 +IT+BT+NT+ 인 지과학기술 등

염기성 용액에 페놀프탈레인 지시

약을 넣으면 어떤 색으로 변할까 ? 어떻게 (how) 하면 중력이 없는 우 주에서 우주선 안에 중력을 만들 (doing) 수 있을까 ?

학문 영역간의 융합

예 ) 물리학 + 철학 , 컴퓨터공학 +경영학 , 전자공학 + 예술 등

왜 못에 전선을 감고 전기를 통하

면 못이 달라 붙을까 ? 어떻게 (how) 에너지 효율이 높은

주택을 만들 (doing) 수 있을까 ? 제품간 융합

예 ) 전자지도 +GPS: 네비게이 션

신발 + 전자칩 : 첨단운동화 , 자동차 + 전자부품 : 지능형 자 동차 등

기후변화는 우리 생활에 어떤 영

향을 미칠까 ? 어떻게 (how) 지진에 안전한 건축물

을 만들 (doing) 수 있을까 ? 산업간 융합

예 ) 서비스 + 제조 : 복사기 렌 탈 , 자동차 금융 등

서비스 + 서비스 : 방송업 + 통 신업 , 교통 + 통신업 등

(11)

STEAM 교육에 대한 총론적 컨셉

통합적 사고

다학문적 또는 간학문적 통합 창의적 설계

문제정의 창의성 가치타협 해법제시 감성적 터치 재미

감성 열성 자긍심

감정순화 - 능동적 실천

배려

다양성 인정

(12)

융합인재교육 (STEAM) 모델 개발을 위해 고려하고 있는 주요 14 factor

F1. 융합인재양성을 위한 다양한 분야의 지식을 아우를 수 있는 능력의 인재 육성

F2. 적시교육 (Just In Time Education & Learning) 추구

F3. 과학기술을 통합적이며 전체적인 시각에서 볼 수 있는 능력 ( 통합적인 사고 )

F4. 타 분야와의 소통 능력 배양

F5. 융합시대에서 과학기술공학인에게 사회가 요구하는 추가적으로 필요한 시대정신 반영

F6. 과학기술공학과 사회시스템과 체계적이고 전략적으로 연계한 과학교육

F7. 미래를 예측하고 이에 대비한 과학기술공학인재 양성과 미래직업탐색을 교육

F8. 글로벌에서 활동하고 기여하는 과학기술 글로벌 리더를 위한 교육

F9. STEAM 교육의 핵심인 과학기술공학의 체계적 연계 , 통합 및 융합 개념 반영

F10. 창의적인 공학설계교육 개념 및 융합기반 학습 개념 도입

F11. Story-telling 에 기반한 체계적인 개념이해와 연계를 위한 STEAM 교육 및 교재 개

발

F12. 발산적 사고를 위한 과학기술공학에 대한 다양성 교육 및 교재개발

F13. 다양한 창의기법 도입과 창의적인 학습도구 활용

F14. 과학기술공학 인성 및 윤리교육

[ 한양대학교 ]

(13)

교과별 융합인재교육 (STEAM) 수업 모델 개발 주제

[ 한양대학교 ]

▶ ^{과학과 교육과정 분}

석을 통해 교육과정과 충

분히 소통할 수 있고 , 미

래 사회를 선도하기에 적

합한 여러 영역 중에서 6

개 주제를 선택 : 24 개 소

주제 ( 각 5 차시 이상 ),

교과과정과 연계하여 18

개 수업 모델 ( 각 2 차

시 ) 개발

(14)

융합인재교육 (STEAM) 수업 모델 표준 개발 주안 점

[ 한양대학교 ]

▶ 감성적 터치를 고려하고 창의

적 설계 기반 학습의 도입으로 교

사가 학교 현장에서 융합인재교육

(STEAM) 수업 모델을 보다 쉽게

활용할 수 있도록 함

(15)

융합인재교육 (STEAM) 수업 모 델 개발 예시

교육과정 분석

< 예시 : 3 학년 우리 생활과 물질 >

(16)

수업 흐름도

(17)

14 Factor

(18)

수업 지도안 : 1 차시

(19)

내용 : 1 차시

(20)

(21)

2 차시

(22)

(23)

(24)

(25)

수업 흐름도

< 예시 : 10 학년 탄소 순환과 기후 변화 (1 차 수정 및 보완 자

료 )>

(26)

F1. 탄소 순환과 기후변화와 관련 분야에 대한 전반적인 지식을 아우름

F2. 최근의 이산화탄소 감축에 대한 첨단 과학기술 소개

F3. 이산화탄소 감축을 탄소순환 전 과정의 전체적인 면을 고려

F4. 이산화탄소 감축기술 관련 분야와 건축 기술 분야와의 소통

F5. 이산화 탄소 배출에 대한 사회가 요구하는 환경문제에 대해 융합학문으로 해결하기 위한 노력

F6. 이산화탄소 감축 기술에 대한 사회적 요구

F7. 이산화탄소 제거 방법에 대한 데이터를 통하여 미래의 효율적인 이산화탄소 제거 방법 예측

F8. 전 세계적인 이산화 탄소 배출 문제를 함께 해결하기 위한 주제탐구활동

F9. 산호에서 탄소감축 , 지구온난화 , 미래기술예측 , 탄소제로하우스 설계까지 융합 및 체계적 연계

F10. 공학설계를 참고하여 학생들이 창의적으로 탄소 제로 하우스를 설계

F11. ‘ 산호’라는 주제에서부터 체계적으로 연계하여 ‘탄소 제로 하우스’까지 Story-telling 에 기반

F12. 이산화탄소 제거에서 더 나아가 이를 자원화하려는 발산적인 사고

F13. 산호골격생성을 감성을 자극할 수 있는 마술 실험으로 구현함으로써 주제를 보다 흥미롭게 이해함

F14. 이산화탄소 감축에 따른 경제적 득실에 대한 토론

14 Factor

(27)

STEAM 수업 평 가

총론의 STEAM 개념을

반영한 평가틀 예시

(28)

추후 수정 및 보완될 요소

일부 요소 수정

F1 과 F4 요소 통합 F5 와 F6 요소 통합

F9 와 F11 요소 통합 등

그 외 STEM 에서 강조되고 있는 presenta- tion 능력 개발 등의 일부 요소와 총론에서 제 시한 개념에 따라 일부 보완될 것임

(29)

융합인재교육

융합인재교육 (STEAM) 수업 모델 연구

2011. 12. 20

한양대학교 청소년과학기술진흥센터

최정훈

Soft robotics

무척추 생물체을 모방한 이 로봇은 어느 분야에서 개발했을까요 ?

창의적 융합인물의 새로운 아이콘

George McClelland Whitesides 하바드 대학교 화학과 교수

연구분야 : NMR 분광화학 , 유기금속화학 , 자기조립화학 , 나노기술 등

최근 화이트사이드 교수는 스티브 잡스

이상의 창의적인 융합형 인물로 평가

되고 있음

의공학 )

기계공학 )

기계공학 )

기계공학 )

생물공학 )

생물학 , 의학 )

기계공학 , 생체공학 )

기계공학 , 생체공학 )

전기 , 전자공학 )

의학 )

전기전자공학 )

나노공학 )

기계공학 )

기계공학 , 전기전자공학 )

기계공학 )

기계공학 )

화학공학 , 신소재공학 )

( 화학공학 , 신소재공 학 )

Whitesides 교수가 이 연구를 위해 참고한 주요 논문을 통해 살펴본

STEAM 교육에서의 융합형 인재 양성 교육의 필요성

3D printer 로 제작한 Soft robot

아마추어가 만든 광중합 반응을 이용한 Home-made 3D printer

전문가용 3D printer 3D printer 로 만든

물건들

STEAM 모델 연구단 목표

창의적 융합 인재 양성을 위한 STEAM 수업 모델 개발 및 그 적용 을 목표로 함

S( 과학 기본 원리 및 개념 ) 을 토대로 , 관련 T( 기술 ) 을 응용하여 ,

실용성에 기반한 창의적 E( 공학 ) 디자인을 하도록 한다 .

이 과정에서 A( 예술 , 감성 ) 과 A( 인문사회 , 사회적 가치 ) 를 더하고 ,

이 모든 과정을 M( 수학 ) 적 도구를 통해 ,

체계적으로 창의적이고 융합적인 산물을 창출할 수 안목과 능력을 가지는 인재를 육성할 수 있도록 STEAM 안내자 역할을 담당할 교사와 학생들을 위한 STEAM 모델 개발

[ 한양대학교 ]

기존 산업은 소비자의 필요와 요구에 의한 제품 개발이다

융합시대는 창조자에 의해 만들어진 융합제품이 대중의 공감대를 바탕으로 , 기존에 없던 창조물로 새로운 시장 을 창출하는 것이다

따라서 융합시대의 과학교육은 질문 및 문제제기에 의한 학 습에서 완전히 새로운 것을 창조해낼 수 있는 능력을 위한 플러스 알파 교육이 더 필요하다

융합교육은 기존 교육에 + α 가 더 필요하다

과학 = why(knowledge) +

기술 = how +

공학 = doing

융합 = creation

탐구기반 학습의 과학 , 설계기반 학습의 기술 및

공학과 융합 기반 학습의 융합 학문

과학실험 ( 탐구기반 ):

Why 기술 , 공학실험 ( 설계기 반 ):How, Doing

질문 제기 문제제기

가설 설정

실험

실험결과 분석 제작 혹은 합성

결론 도출 평가

탐구 기반 학습 (Inquiry Based

Learning)

설계 기반 학습 (Design Based

Learning)

과학 (Science) 실험 , 기술 및공학 (Engineering) 실 험과 융합 실험의 차이점

융합실험 ( 융합기반 ):

Creation

아이디어 도출

계획 및 설계 설계 분석 제작 혹은 합성

융합기반 학습 (Convergence Based Learning)

평가

과학 기술 및 공학 융합

탐구기반 (Why) 설계기반 (How, Doing) 융합기반 (Creation)

관찰 학습 중심과 질문에

대한 정해진 결과 및 해답 문제 해결 방법에 따라 다양

한 결과 도출 여러 학문의 융합을 통한

완전히 새로운 방법 및 결 과물 창조

STEAM 교육에 대한 총론적 컨셉

융합교육은 기존 교육에 + α ^{가 더 필요하다}

▶ ^{과학과 교육과정 분}