특성화고 전문제도 과목을 위한 BIM 기반 3D 주택설계 수업자료 개발 및 적용
권세정*, 유현석**
<국문초록>
최근 건설 분야에서 BIM 설계 기술이 의무 적용됨에 따라 실무 현장이나 대학의 건축설계 교육은 3D 모델링 중심으로 크게 변화하고 있다. 그러나 건설 분야 특성화 고등학교에서의 건축설계 교육은 수제도와 2D CAD 중심으로 구성되어 그 변화에 적절하게 대응하지 못하고 있다. 학생들에게는 새로운 건축 설계 흐름에 부합하는 3D 모델링 설계능력을 필수적으로 갖추어야 함에도 불구하고 이를 충족할 수 있는 3D 주택설계 수업자료가 매우 부족한 실정이다.
이 연구는 특성화 고등학교 전문제도 과목을 위한 BIM 기반의 3D 주택설계 수업 자료를 개발하고, 특성화고 학생들에게 적용하여 학생들의 흥미도와 주택설계 과제수 행능력이 얼마나 향상되는지를 분석하기 위한 연구이다. 이 연구에 사용되는 3D 주 택설계 수업자료는 PDIE 모형 절차에 따라 준비, 개발, 실행, 평가의 4단계를 거쳐 개 발하였으며, 가설 검증을 위한 실험설계 모형은 이질통제집단 전후검사설계를 사용하 였다. 실험설계 모형에 따라 실험 집단에는 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료를 적 용하여 수업을 실시하였으며, 통제 집단에는 2D CAD 기반의 일반적인 주택설계 수 업자료로 수업을 실시하였다. 실험 처치는 건설 분야 특성화 고등학교 학생들을 대상 으로 실시하였고, 총 12차시의 전문제도 교과 수업에 적용하였다. 실험 처치의 전과 후에는 각각 흥미도와 주택설계 과제수행능력에 대한 검사를 실시하였으며, 검사결과 를 바탕으로 독립표본 t-검정을 통해 3D 주택설계 수업자료에 대한 효과를 분석하였 다. 이 연구에서 개발된 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료는 학생들의 수업 흥미도 를 향상시키는데 효과적이었으며, 기존 2D 기반의 주택설계 수업보다 과제수행능력 을 향상시키는 것으로 나타났다.
주제어 : 3D 주택설계, 3D 모델링, 흥미도, 주택설계 과제수행능력
* 복대중학교 교사
** 교신저자: 유현석([email protected]), 한국교원대학교 조교수, 043-230-3613
Ⅰ. 서 론
1. 연구의 필요성
2000년 이후 건축설계 표현방식은 디자인의 발전과 기술의 발전, 그리고 에너지와 주변 환 경의 변화 등으로 점차 복잡하게 변화하고 있다. 이와 같은 변화는 건축설계, 건축설비, 건축 시공, 유지관리 등 건축물의 생애주기에 걸쳐 발행하는 다양한 건축 데이터를 정보의 개념으 로 구축하고, 지속적으로 공유 및 활용하는 BIM(Building Information Modeling, 이하 BIM) 환경으로 발전하였다. 건축설계에 있어서 BIM 모델은 건물의 속성 정보가 들어있는 객체 단 위의 집합을 시각적으로 3차원으로 표현하며, 컴퓨터를 이용한 단순한 그래픽적인 표현을 넘 어서 각 구조체에 대한 시간, 원가, 물량 등 다양한 정보를 포함하는 모델을 말한다. 이러한 BIM 기술의 특성은 점차 현장에서 실제 건축물을 시공하기 전에 컴퓨터 내 가상의 공간에 실 제와 동일한 건축물을 시뮬레이션 시공하는 기술로 발전되었고, 설계 오류를 최소화하고 공사 에 관한 다양한 예측이 가능해짐에 따라 시공 과정의 낭비를 크게 줄이고 우수한 품질의 건축 물을 시공할 수 있게 되었다.
우리나라에서는 2012년 조달청이 500억원 이상 공공건축에 BIM 설계 적용을 의무화하면서 BIM 설계 기술이 본격적으로 도입되기 시작하였고, 2016년부터는 모든 공공건축 발주 프로젝 트에서 BIM 적용이 의무화되었다. BIM으로 인해 국내 설계 업체들은 비용 및 작업인력을 절 감하고 설계품질을 고도화할 수 있었으며 각 공종간의 간섭을 실시간으로 체크하는 것이 가 능해졌다. 뿐만 아니라 BIM의 도입은 설계변경 및 그에 따른 시간 소요를 기존 방식에 비해 획기적으로 절감할 수 있는 효과를 불러오게 되었다. 이와 같은 장점 및 효과로 인해 건설현 장에서는 점점 BIM을 활용한 프로젝트가 늘어나게 되었으며, 교육 현장에서는 BIM 역량을 보유한 인력 양성의 중요성이 대두되었다. 현재 대부분의 국내 대학 건축 관련 학과에서는 기 존의 도면 수작업, 2D CAD 수업을 벗어나 BIM 인력의 양성을 위해 BIM을 포함한 디지털 소 프트웨어 교육 시간을 크게 늘리고 있다(조현식, 2015).
이와 같이 BIM 설계기술의 도입에 따라 실무 현장이나 대학 교육이 크게 변화하고 있음에 도 불구하고 건설 분야 특성화 고등학교에서의 건축설계 교육은 그 변화에 대응하지 못하고 있는 실정이다. 현재 특성화 고등학교에서 활용되고 있는‘전문제도’ 교과서는 수제도를 비롯 하여 2D CAD 명령어 활용법 일부분과 투상도 그리기, 평면도 따라 그리기, 예시도면 등으로 구성되어 있다. 이는 과거에 수록되었던 수작업 제도 중심의 건축설계 내용에 AutoCAD 활용 을 위한 명령어들을 개략적으로 설명하는 내용으로 구성되어 있어 실제 현장에서 교과서의 활용도가 크게 떨어지는 문제점이 있다. 또한 학생들이 졸업 후 건설 현장에 적응하기 위해서 는 기존의 2D 설계 능력뿐만 아니라 새로운 건축 설계 흐름에 부합하는 3D 모델링 설계능력 을 필수적으로 갖추어야 함에도 불구하고 이를 충족할 수 있는 3D 주택설계 수업자료가 매우 부족한 실정이다. 교육 현장에서는 건설 산업현장에 필요한 실무능력을 겸비한 인재 양성이
당면한 목표이며, 이를 위해서는 특성화 고등학교 학생에게 적합한 3D 주택설계 수업자료를 개발하고 기존 2D 건축설계 교육과의 비교를 통해 3D 건축설계 교육의 적용효과를 검증하는 연구가 반드시 필요하다.
2. 연구 목적
이 연구의 목적은 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료를 개발하고 실제 특성화 고등학교 수 업에 적용하여 전문제도 과목에 대한 학생들의 흥미도 및 주택설계 과제수행능력 향상에 미 치는 효과를 알아보는 데 있다.
3. 가설
본 연구의 목적을 수행하기 위한 영가설은 다음과 같이 설정하였다.
가설 가 : 실험 후 실험집단과 통제집단 모두 전문제도 과목에 대한 흥미도에는 유의한 차 이가 없을 것이다.
가설 나 : 실험 후 실험집단과 통제집단 모두 주택설계 과제수행능력 향상에는 유의한 차이 가 없을 것이다.
4. 용어의 정의
가. 3D 모델링
김영민 외(1996)는 기존의 2차원 평면 단위의 정보 구조가 아니라 존재하는 그대로의 3차원 형상 그대로의 건축 구조물 정보 표현이 가능하도록 하는 과정을 ‘건축 구조물 3D 모델링(3D Modeling of Building Structure)’이라 하며 그 구성 결과를 ‘건축 구조물 3차원 모델’ 이라고 하였다. 이를 바탕으로 Revit, Allplan, ArchiCAD, Microstation, Digital Project 등의 소프트웨 어에서 만든 모델 파일을 통해 실제 건축물의 속성 정보를 가지고 있으며 렌더링 과정을 통해 실제와 비슷한 양감과 질감을 가진 데이터로 표현하는 것을 3D 모델링이라고 한다.
나. 주택설계 과제수행능력
최유현 외(1999)는 과제수행능력(task performance ability)이 학습자가 어떤 문제를 해결하 는 능력이라고 할 수 있으며 문제 상황에 직면하여 새로운 반응 양식으로 그 문제 상황을 타 개해 나아가는 행위라고 하였다. 다시 말하면 주어진 과제를 수행하는데 있어서 학습자가 필
요로 하는 모든 능력을 의미하며 그것이 곧 과제 수행 평가의 기준이 된다는 것이다. 이 연구 에서는 3D 주택설계가 수행 과제이며 구체적인 주택설계 과제수행능력이란 ‘요구조건을 분 석’한 건축물의 설계 정보를 컴퓨터를 이용하여 ‘3D 데이터 모델로 모델링’하고, 작성된 건축 모델을 각 분야의 용도에 맞게 활용하기 위해설계도서를 작성’하며 그 ‘결과를 정리’할 수 있는 능력이라고 정의한다.
5. 연구의 제한점
본 연구는 공업계열 특성화 고등학교 건축 관련 학과 학생을 대상으로 고등학교 수준에서 BIM을 이해하기 위한 3D 모델링 및 속성정보의 데이터화를 주로 고려하였고, 본 연구에서 표 집된 연구대상이 한 학교의 학생을 대상으로 하고 있으므로 이 수업 자료를 일반화하는 것에 는 제한이 있다.
Ⅱ. 이론적 배경
1. 건축정보모델 BIM의 개념
건축정보모델의 개념에 대한 BIM이라는 표현은 1992년 Van Nederveen의 논문에서 처음 으로 등장하였고, 이 용어가 국제적으로 통용되게 되는 것은 1994년 IAI(building SMART International)의 결성과 함께 국제적인 데이터 표준에 관한 연구가 시작되고 부터이다(박 정대, 2014). BIM이라는 용어의 일반적인 사용은 2002년에 다국적 기업인 Autodesk사에서
‘Building Information Modeling’이라는 백서를 발표함으로서 시작되었다. 일반적인 의미에서 의 BIM이란 건설의 전 생애주기에 걸쳐 모든 정보를 데이터로 구현하는 것을 말한다. 이것은 건축설계가 수작업 설계에서 시작하여 2차원 CAD를 넘어서 3D 모델링을 통한 표현뿐만 아 니라 건축 정보의 통합 데이터 관리를 위한 시도가 변천되어 온 것이라고 할 수 있다. BIM은 수많은 전문가와 단체의 연구와 논의에 의해 발전되어 온 개념으로서 각 나라와 BIM 유관기 관 및 단체에서는 BIM에 대한 개념을 구체적으로 정의하고 있다. 우리나라는 국토해양부에서 BIM이란 건축, 토목, 플랜트를 포함한 건설 전 분야에서 건축물의 디지털적인 표현을 거친 모 델과 그 모델 작성을 위한 업무 절차를 포함한다고 정의하였다(국토해양부, 2010).
2. 선행 연구문헌 분석
본 연구에서는 선행연구 고찰을 위하여 BIM 기반 3D 주택설계와 관련된 자료와 논문들을
조사하였으며 특히 그 대상이 교육현장, 구체적으로는 특성화 고등학교 학생들을 대상으로 하 는 연구가 있었는지를 중심으로 분석하였다. <표 1>은 선행 연구문헌을 분석한 결과이다. 먼 저 김영민 외(1996), 고인룡, 동재욱(2001)의 연구는 3D 모델링을 통한 건축 설계 적용방안을 연구하였으나 그 대상이 실무 현장에 초점이 맞추어져 있었다. 또한 최형진(2009)과 김민석 (2014), 윤명철(2009)의 연구에서는 3D 설계도구인 Revit 소프트웨어를 이용하여 건축 모델링 수업을 연구했다는 측면에서 본 연구와 공통점이 있으나 역시 대상이 실무 및 대학교 BIM 교 육의 효과를 연구한다는 측면에서 본 연구와 차이가 있다.
한편, 우승보(2014)의 연구에서는 건축 구조 학습에서 전통적인 강의식 수업 대비 BIM 도 구를 활용한 문제중심학습(PBL)이 직업기초능력 요인과 학업태도에 미치는 효과를 분석하였 다. 이 연구는 특성화고 학생들을 대상으로 BIM을 기반으로 한 건축교육이라는 측면에서는 본 연구와 유사점이 있으나, 3D 건축설계가 아닌 건축구조 학습이라는 점, 주택설계 과제수행 능력이 아닌 직업기초능력의 향상에 중점을 두었다는 점에서 본 연구와 차이가 있다.
저자 발표지 논문제목 목적 대상 개발 자료
김영민외
(1996) 대한건축학회 건축 구조물 3차원 모델링 방안에 관한 연구
컴퓨터 통합 건설을 위한 건축
구조물 3차원 모델링 방안 모색 실무 ⦁ 고인룡,
동재욱 (2001)
한국디지털건축 인테리어학회
설계 및 도면작성단계에서의 디지털 모델링 방법 연구
AutoCAD를 활용한
3차원 설계 방안 모색 실무 ⦁
윤명철 (2009)
대한건축학회지 연합회
BIM 툴을 적용한 AEC CAD 교육의 효율성 비교
연구
대학생을 대상으로 일반 설계 툴과 BIM 설계 툴을 사용한
건축표현 능력 효율성 분석
대학 ⦁
최형진 (2009)
고려대학교 석사학위논문
BIM을 기반으로 Revit 툴을 이용한 건축설계에 관한
연구
BIM 적용사례 분석을 통한 BIM 적용의 문제점 및 가능성 탐색 실무
3D 모델링 과정안
신동철 (2011)
한국디지털건축 인테리어학회
건축교육에서 BIM 프로그램 적용에 관한 연구
5년제 대학 건축학과에서 BIM 관련 인식 조사분석으로 BIM 교육의 효율적 정착을 위한
교과과정 개발 모색
대학
디지털 디자인 강의계획 서 개발 강다영,
신규철 (2012)
한국디지털건축 인테리어학회
BIM 도구 활용을 통한 건축공학설계교육 프로세스
개선
4년제 건축공학설계 교육사례 분석을 통한 건축공학설계 교육
프로세스 개선방안 도출
대학 3D 모델링 과정안
김민석 (2014)
대한건축학회지 연합회
건축설계 초기 단계에서 BIM 도구의 활용성에 관한
연구
BIM 소프트웨어의 활용성을 비교분석하여, 설계 초기단계 작업을 지원할 수 있는 발전
방향 모색
대학 ⦁
우승보 (2014)
인천대학교 석사학위논문
BIM을 활용한 공업계 고등학교 건축교육 효과에
관한 연구
강의식 수업 대비 문제중심학습(PBL)이 건축구조
교육에 미치는 효과 분석
고교 수업
지도안
조현식 (2015)
한양대학교 석사학위논문
통합설계력 배양을 위한 대학 건축교육 과정에서의
BIM 교육방안
대학 건축교육에 있어서 개선된
BIM 교육 도입방안 제시 대학 ⦁
<표 1> 선행 연구문헌 분석
Ⅲ. 연구 방법
1. 연구의 대상
본 연구의 대상은 충청북도에 소재한 J 특성화 고등학교의 건축 분야 학과 3학년 3개 학급 학생 75명이다. 이 중 2개 반 40명을 표집하여 1개 반 20명은 실험집단으로 선정하고 나머지 1개 반 20명은 통제집단으로 구성하였다. <표 2>는 연구 대상을 표로 나타낸 것이다.
집단 학급 수 학생 수(명) 비고
실험 집단 1 20 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료 적용
통제 집단 1 20 2D CAD 기반 주택설계 수업자료 적용
계 2 40
<표 2> 연구 대상
본 연구에서는 선정된 실험집단과 통제집단이 전문제도 과목의 흥미도 및 주택설계 과제수 행능력 측면에서 동질적인 집단인지 알아보기 위해 사전검사를 실시하였다. 사전검사에 사용 된 흥미도 검사지는 사후검사와 동일한 검사지를 사용하여 독립표본 t-검정을 실시하였다. 그 리고 주택설계 과제수행능력 사전검사에는 2016년 2학기 기말고사 중 전문제도 과목의 학업 성취도(지필평가 및 도면작도에 관한 수행평가)에 대한 점수를 바탕으로 독립표본 t-검정을 실시하였다. 분석 결과 두 집단은 유의도 .05 수준에서 유의한 차이가 드러나지 않아 동질한 집단인 것으로 나타났다. <표 3>은 사전 검사 t-검정 결과를 정리한 것이다.
변인 실험집단 (n=20) 통제집단 (n=20)
t p
M SD M SD
흥미도 3.30 .661 3.39 .337 -.555 .582
주택설계 과제수행능력 89.80 4.238 86.75 7.166 1.638 .112
<표 3> 두 집단의 흥미도 및 주택설계 과제수행능력에 대한 사전검사 t-검정 결과
2. 실험 설계
본 연구의 실험 설계는 Campbell & Stanley(1963)의 이질통제집단 전후검사 설계를 적용하 였다. [그림 1]은 이 연구의 실험 설계 모형을 나타낸 것으로서 실험집단에는 3D 주택설계 수 업자료를 적용하고 통제집단에는 2D CAD 기반의 전통적인 수업자료를 적용하여 그 효과를 검증하였다.
실험집단 : 사전 검사
: 사후 검사
: 실험 처치 통제집단
[그림 1] 실험설계 모형
3. 연구의 절차
본 연구의 절차는 다음 [그림 2]와 같이 김진수(2011)의 PDIE 수업자료 개발 모형을 활용하 여 준비, 개발, 실행, 평가의 4단계로 구성하였다.
단계 단계에 따른 절차
준비 (Preparation)
3D 주택설계 수업자료 관련 선행 연구문헌 분석
주택설계 과제수행능력 수행 요소 추출
3D 주택설계 수업자료 적용방안 구상
개발 (Development)
3D 주택설계 수업자료 개발
흥미도 및 과제수행능력 검사도구 선정
전문가 검증
실행 (Implementation)
3D 주택설계 수업자료 수업 적용
이질통제집단 전후검사 설계
평가 (Evaluation)
결과 분석
결론
[그림 2] 연구의 절차
준비 단계에서는 3D 주택설계 수업자료 적용에 관한 선행 연구문헌을 고찰하고 NCS 수행 기준과 국가기술자격증의 출제기준을 분석하여 주택설계 과제수행능력을 가장 잘 나타낼 수 있는 수행 요소를 추출하였다. 또한 건설 분야 전문교과의 교과별 목표 및 단원 목표를 분석 하여 적용 교과 및 단원을 선정하였으며 이를 토대로 3D 주택설계 수업자료 적용 방안을 구 상하였다.
개발 단계에서는 BIM 기반의 3D 주택설계 수업에 실질적으로 활용 가능한 BIM 설계 소프 트웨어를 선정하여 ‘단층 주택의 3D 주택설계 모델링’ 수업자료를 개발하였다. 또한 개발된 수업자료의 효과를 검증하기 위한 흥미도 및 주택설계 과제수행능력 검사 도구를 선정하였으 며 전문가 검증을 통해 타당성을 확보하였다.
실행 단계에서는 총 3주간 12차시의 과정으로 실험 집단과 통제 집단에 각각 수업을 진행 하였다. <표 4>는 실험집단과 통제집단의 수업 일정을 나타낸 것이다.
평가 단계에서는 실험처치 후 두 집단이 전문제도 과목에 대한 흥미도 및 주택설계 과제수 행능력 향상에 유의한 차이가 있는지 여부를 독립표본 t-검정으로 분석하였다. 분석 도구로는 SPSS WIN 12.0 버전을 사용하였으며 통계적 유의수준은 5%로 설정하였다.
실험집단 통제집단
실험기간 3주 (2017. 6. 19 ~ 2017. 7. 7)
수업방법 Revit 2017을 활용한 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료 적용
Autocad 2012를 활용한 2D CAD 기반의 일반적인 주택설계 수업자료 적용 학습목표 교육과정상의 학습목표를 수업내용에 맞게 재구성하여 제시
수업시간 12차시 (주당 4차시 × 3주)
6.19~ 6.23
1차시 사전 검사 (흥미도 및 학업성취도) 및 1차시 수업 적용 2~3차시 Revit을 활용한 단층 주택의 지하구조 작도
AutoCAD를 활용하여 기존의 방식대로 2D 주택설계 수업 진행 6.26~
6.30
4~5차시 Revit을 활용한 지상층 외벽 및 내벽 작도 6~7차시 Revit을 활용한 계단 및 지붕 작도 8~9차시 Revit을 활용한 창호 및 가구 배치 7.3~
7.7
10~11차시 Revit을 활용한 설계도서 추출 및 치수 작업
12차시 결과 정리 및 사후 검사 실시
(흥미도 및 주택설계 과제수행능력 향상 여부)
수업 장소 건축 CAD 실습실
지도 교사 연구자가 실험집단과 통제집단 모두 수업 실시
<표 4> 실험집단과 통제집단의 수업일정
Ⅳ. 연구 결과
1. 주택설계 과제수행능력의 수행요소
본 연구에서는 주택설계 과제수행능력의 수행요소를 선정하기 위하여 국가직무능력표준 (NCS)의 건축설계 세분류에서 BIM 기반 주택설계 능력단위요소의 수행준거와 주택설계 관련 국가기술자격증의 출제기준 요소를 분석하였다. 본 연구에서는 다음 <표 5>와 같이 NCS 수 행준거와 출제기준 요소 중에서 공통된 개념을 계열화하여 수행요소를 추출하였으며 최종적 으로 요구조건 분석, 3D 모델링, 설계도서 작성, 결과정리 및 시트 작성 등 4개의 수행요소를 선정하였다.
국가기술자격증 출제기준 요소 NCS 주택설계 수행준거 수행요소 대지 및 구조 요구조건 분석 요구조건 분석
요구조건 분석
실내 공간 계획 설계방식 선택
3D 투시도 작성 3D 모델 작성
3D 모델링 속성정보 입력
부분 상세도 작성 배치도 작도
설계도서 작성 입면도 작도
실시 설계도면 작성
단면도 작도 물량 산출 및 일람표 작성 기본사항 반영 여부
결과정리 및 시트 작성
내역서 작성 물량 산출
시방서 작성 결과 분석
출처 : 국가직무능력표준(NCS), 한국산업인력공단(2017) 재구성
<표 5> 주택설계 과제수행능력의 수행요소
2. 적용교과 및 단원 분석
현재 우리나라 중등 교육과정에서 건설교과 교육과정을 적용할 수 있는 곳은 특성화 고등 학교와 마이스터 고등학교(산업수요 맞춤형 고등학교)이나, 본 연구에서는 연구의 대상을 특 성화 고등학교 건설교과로 범위를 제한한다. 특성화 고등학교의 건설교과는 건축분야와 토목 분야 교과를 의미하는데, 교육과정에서는 ‘전문제도’, ‘건축구조’, ‘건축계획’, ‘건축목공’, ‘건축 구조체 시공’, ‘건축 마감시공’의 6과목을 건축분야 주요 과목으로 제시하고 있다. 주택설계 과 제수행능력을 적용할 목적으로 건설교과의 주요 과목을 살펴보면 ‘건축구조’와 ‘건축계획’은 건축 관련 현장 실무에 활용할 수 있는 지식과 기술을 습득하기 위한 기초 이론 과목이므로 적용하기에 부적합하며, ‘건축목공’, ‘건축 구조체 시공’ 및 ‘건축 마감시공’은 이론․실습 통합 과목으로는 그 성격이 적합하나 수행 요소에 있어서는 각 건설 시공 분야의 세부 기능 습득 및 숙달에 관한 내용이기 때문에 적용하기에 부적합하다. 한편,‘전문제도’과목은 학습 내용이 주택설계 과제수행능력의 수행 요소를 모두 적용할 수 있는 과목으로서 가장 적합하다. <표 6>은 건축교과의 주요 과목들과 주택설계 과제수행능력의 수행 요소가 관련되어 있는 정도를 나타낸 것이다.
또한 전문제도 과목의 단원분석을 통해 수업적용을 위한 단원으로는 단층 주택의 설계를 수행하기에 알맞은 ‘주택의 설계제도’ 단원을 선정하였다. <표 7>는 전문제도 과목 각 단원의 목표와 실습내용을 나타낸 것이다.
과목 학습 목표
주택설계 과제수행능력 수행요소 요구조
건분석 3D
모델링설계도서
작성 결과정리 및 시트작성 건축
구조
1. 구조물의 역학적 특성 2. 목구조의 접합과 각 부의 구조 3. 조적구조의 구조적 특징과 시공방법
◎
건축 계획
1. 국내 및 서양 건축의 변천
2. 수요자 요구에 따른 건축계획과정 이해 3. 주택 및 학교, 상업시설의 건축 계획도 작성
◎ ◎
전문 제도
1. 도면 요소 분석
2. CAD와 3D 프로그램 활용하여 설계도면 작성 3. 단층 주택의 기본 설계 도면을 작성
4. 건축물 주요부의 구조 및 부분 상세도 작성 5. 1층 및 2층 주택의 설계도서 작성
◎ ◎ ◎ ◎
건축 목공
1. 목재의 특징 및 종류를 파악하여 현장에 적용 2. 목공용 수공구 및 전동공구 조작
3. 각종 맞춤과 이음, 접합과 접착 적용
◎ ◎
건축 구조체
시공
1. 조적 공사용 전동공구 사용하여 부재 가공 2. 기초, 기둥, 벽체, 보 슬래브의 시공방법 습득 3. 철골 부재의 가공 및 접합의 시공방법 습득
◎ ◎
건축 마감 시공
1. 미장, 타일, 방수공사의 도면 해독
2. 마감공사용 수공구 및 전동공구 사용법 습득 3. 몰탈, 플라스터 등을 사용하여 내외부면 미장
◎ ◎
출처 : 교육부(2012). 재구성
<표 6> 건축분야 주요 교과와 주택설계 과제수행능력 수행요소간의 관련성
단원 단원의 목표 실습 내용
1. 건축설계의 이해
건축계획과 설계과정을 이 해하고 건축물 설계에 사용 되는 각종 도면의 종류와 특 징을 인지한다.
․ 평면 공간 스케치
․ 프리핸드 디자인
․ 설계도면의 분류
2. 건축제도의 기본사항
제도용구의 사용법, 선의 종 류별 작도, 문자 쓰기 및 3 차원 표현기법에 대한 기능 을 익힌다.
․ 제도용구의 사용 및 선 그리기
․ 프리핸드 레터링(글자쓰기)
․ 수목 및 대지질감표현 하기
․ 척도 및 치수의 표현 및 변형 실습
․ 투상도 및 1소점 투시도 그리기
3. 주택의 설 계제도
주택설계와 공간 구성방법 에 대해 인지하며, 주요 구 조부의 이해와 작도를 통해 단층 및 2층 주택의 작도에 대한 기능을 익힌다.
․ 조닝(zoning) 및 동선계획하기
․ 복합 기초 및 바닥 슬래브 작도
․ 공간 벽체, 창호 및 계단, 지붕 작도
․ 평면도 및 입면도, 단면도 및 단면상세도
․ 설비도면 표시기호 작도 4. 건축 CAD 2차원 CAD를 통한 도면 작
도 기능을 익힌다.
․ CAD 명령어 실습 및 기본도형 작도
․ 건축 평면 요소 그리기 출처 : 고등학교 건축설계제도(구본덕 외, 2016). 재구성
<표 7> 전문제도 교과서의 단원분석
3. BIM 기반 3D 주택설계 수업자료 개발
가. BIM 기반 3D 주택설계 과제 개발
1) 요구조건 분석
BIM 기반 3D 주택설계 과제는 3D 모델링 과정을 통해 단층 주택의 단면도와 입면도를 작 도하기 위한 것으로 앞서 추출된 주택설계 과제수행능력의 수행요소에 근거하여 개발하였다. 건축물의 요구조건 분석 과정은 미리 제시되는 평면도를 통해 설계하고자 하는 건축물의 구 조 및 공간 구성, 가구 배치 및 건물의 높이, 지붕의 경사도, 지하실의 유무, 창호의 종류 및 규격 등에 대한 설계조건을 확인하는 과정을 말한다. 다음 [그림 3]은 요구조건 분석을 위해 제시되는 평면도의 예시이다.
[그림 3] 요구조건 분석을 위해 제시되는 평면도 예시
2) 3D 모델링
3D 모델링 단계에서는 Revit 소프트웨어를 사용하여 속성정보를 가진 객체를 바탕으로 실 제 건축물을 시공하는 순서대로 작도할 수 있는 3D 주택설계 모델링 자료를 개발하였다. 다 음 [그림 4]는 3D 주택설계 모델링 수업자료 개발의 예시이다.
3) 설계도서 작성
건축물을 BIM 기반으로 3D 모델링한 후에 단면도, 입면도 등의 기본 설계도서 작성하는 방식은 3D 모델을 통해 일괄적으로 도면이 생성되므로 설계 도서를 빠르고 정확하게 표현할 수 있는 장점이 있다. 또한 도면에 수정사항이 발생하면 관련된 모든 도면을 수정해야 하는 2D 기반의 설계도서 작성 방식과는 달리 3D 데이터 모델만 수정해 주면 전체 설계 도서에 일 괄적으로 수정사항이 적용되는 장점이 있다. 다음 [그림 5]는 3D 주택설계 모델링을 통한 설 계도서 작성의 예시이다.
[그림 4] 3D 주택설계 모델링 수업자료 개발 예시
3D 모델링을 통해 추출한 주단면도 3D 모델링을 통해 추출한 남측면도 [그림 5] 3D 주택설계 모델링을 통한 설계도서 작성 예시
4) 결과정리 및 시트작성
결과정리 및 시트 작성 수행요소에서는 완성된 3D 주택설계 모델을 통해 모든 기본 설계도 서를 추출하고 각 설계도서에 대해 치수 검토, 실 일람표 작성, 설비 일람표 등을 작성하는 수 업자료를 개발하였다. 시트 작성은 검토 및 결과정리가 끝난 설계도서에 대해 시공자가 모든 도면을 일목요연하게 확인할 수 있도록 주요 설계 도서를 하나의 시트에 옮기는 작업을 의미 한다. 다음 [그림 6]은 결과정리 및 시트작성 수업자료 개발의 예시이다.
[그림 6] 결과정리 및 시트작성 수업자료 개발의 예시
나. 수업과정안 및 작업지시서
본 연구의 수업자료는 BIM 기반의 3D 주택설계 모델링 과제를 포함하여 수업과정안 및 작 업지시서로 구성되어 있다. 수업과정안은 전문제도 과목의 주택의 설계제도 단원에 적용할 수 있는 ‘단층주택의 3D 모델링 설계도서 작성’을 수업과제로 하여 총 12차시 7개의 수업 과정안 으로 개발되었다. 작업 지시서는 학생들이 작업 지시를 따라 쉽게 수행할 수 있도록 간결하게 작성되었으며 각각의 실습 순서에 맞추어 개발되었다. 다음 [그림 7]은 수업 과정안 및 작업 지시서를 예시로 나타낸 것이다.
[그림 7] 수업 과정안 및 작업지시서 예시
4. 흥미도 및 과제수행능력 검사문항 개발
본 연구에서는 전문제도 과목에 대한 흥미도 변화를 측정하기 위한 검사도구로 윤정교, 김 방희, 김진수(2013)가 개발한 흥미도 검사 문항을 재구성하여 활용하였다. 이 검사도구는 T-STEAM 프로그램에 대한 흥미도를 측정하기 위해 개발된 검사 문항으로써,‘교과 흥미’,‘교 과 내용’,‘교과 가치 및 노력’,‘교과 유능감’,‘교사에 대한 선호도’등 5개 영역 31개 문항으로 구 성되어 있다. 이 중에서 ‘교사에 대한 선호도’영역의 5문항은 3D 주택설계 수업자료와 기존의 2D 주택설계 수업자료를 비교하는 데 불필요한 내용으로 판단되어 제외하고, 나머지 네 영역 의 26개 문항 중 흥미도와 관련성이 부족하다고 판단된 2개 문항을 제외한 나머지 24개 문항 을 전문제도 과목에 대한 내용으로 재구성하여 리커트 5단계 평정척도로 개발하였다.
주택설계 과제수행능력에 대한 검사문항은 전국기능경기대회 건축설계/CAD 직종의 채점 기준과 국가기술자격증(전산응용건축제도기능사)의 채점기준을 참고하여 객관적이고 정량적 인 평가가 될 수 있도록 재구성하였다. 검사문항은 각 채점 기준에서 본 연구와 관련성이 부 족한 항목과 중복되는 항목을 제거한 후, 주택설계 과제수행능력의 수행요소에 따라 4개 영역 의 22개 문항으로 계열화하여 개발하였다. [그림 8]은 흥미도 및 주택설계 과제수행능력 검사 도구를 나타낸 것이다.
흥미도 검사도구 주택설계 과제수행능력 검사도구
[그림 8] 흥미도 및 주택설계 과제수행능력 검사도구
본 연구에서는 교직 경력 10년 이상의 현직 교사 10명을 대상으로 설문 조사를 통해 개발 된 검사문항에 대한 내용 타당도 검증을 실시하였다. 설문지는 각 검사문항별로 5단계 리커트 평정척도를 적용하였으며, 검증 방법으로는 검사문항별 평균값, 표준편차, Lawshe(1975)의 내 용타당도 비율(CVR)을 사용하였다. 흥미도 및 주택설계 과제수행능력 검사문항의 타당도 검 증 결과는 모든 문항에서 CVR 값이 0.65 이상으로 나타나 타당한 것으로 분석되었다. 다음
<표 8>은 검사도구 문항에 대한 내용타당도 분석결과를 나타낸 것이다.
검사영역 문항번호 문항 수 CVR 값
흥미도
교과 흥미 1, 2, 3, 4, 5 5 0.92
교과 내용 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 7 0.86 교과 가치 및 노력 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 7 0.89 교과 유능감 20, 21, 22, 23, 24 5 1.00
계 24 0.92
주택설계 과제수행 능력
요구조건 분석 1, 2, 3, 4 4 0.85
3D 모델링 5, 6, 7, 8, 9 5 0.84
설계도서 작성 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 8 0.80 결과정리 및 시트작성 18, 19, 20, 21, 22 5 0.92
계 22 0.85
<표 8> 검사도구 문항에 대한 내용타당도 분석 결과
5. BIM 기반 3D 주택설계 수업자료 적용 결과
가. 전문제도 과목에 대한 흥미도 분석
본 연구에서는 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료가 학생들의 전문제도 과목에 대한 흥미 도에 미치는 효과를 분석하기 위해 실험집단과 통제집단의 사후검사 결과에 대해 t-검정을 실 시하였다. 그 결과는 <표 9>와 같다.
구분 실험집단 (n=20) 통제집단 (n=20)
t p
M SD M SD
흥미도 전체 영역 3.74 .62 3.35 .32 2.464 .020
하위 영역
교과 흥미 3.96 .80 3.44 .57 2.362 .024
교과 내용 3.56 .69 3.12 .32 2.612 .015
교과가치 및 노력 4.07 .56 3.50 .42 3.592 .001
교과 유능감 3.31 .91 3.39 .61 -.325 .747
<표 9> 전문제도 과목에 대한 흥미도 사후 검사 t-검정 결과
분석결과 실험집단과 통제집단의 전문제도 과목에 대한 흥미도에 미치는 효과는 t 값이 2.464 유의 확률은 .020으로서 유의한 차이가 있는 것으로 나타나 가설. 가는 기각되었다(p <
.05). 즉, 개발된 3D 주택설계 수업자료는 기존의 수업자료보다 학생들의 흥미도 향상 측면에
서 효과적이라고 할 수 있다. 또한 흥미도의 하위영역에서 살펴보면 교과흥미, 교과내용, 교과 가치 및 노력 영역에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 직관적이고 재미 있는 3D 모델링 도구를 사용하여 실습을 진행함으로서, 본 실습의 내용이 졸업 후 관련 직업 세계와 연관성을 가진다는 점에서 학생들의 흥미도를 자극한 것으로 생각된다. 반면 교과 유 능감 영역에서는 유의한 차이가 나타나지 않았는데, 이는 쉽고 새로운 설계 도구를 사용했음 에도 불구하고 전문제도 과목에 대한 인식과 설계 및 모델링에 대한 내적 동기를 강화시키는 데에는 큰 영향이 없었던 것으로 판단된다.
나. 주택설계 과제수행능력 분석
본 연구에서는 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료가 학생들의 주택설계 과제수행능력 향 상에 미치는 효과를 분석하기 위해 앞서와 마찬가지로 두 집단의 사후검사 결과에 대해 t-검 정을 실시하였으며, 그 결과는 <표 10>과 같다.
구분 실험집단 (n=20) 통제집단 (n=20)
t p
M SD M SD
주택설계 과제수행능력 전체 영역 68.38 12.726 57.90 14.607 2.418 .021
수행 요소
요구조건 분석 6.78 1.313 7.05 1.806 -.551 .585 3D 모델링 21.40 3.545 17.80 4.938 2.649 .012 설계도서 작성 27.85 6.923 22.05 6.509 2.730 .010 결과정리 및 시트작성 12.35 4.030 11.00 3.387 1.147 .259
<표 10> 주택설계 과제수행능력 사후 검사 t-검정 결과
분석결과 실험집단과 통제집단의 주택설계 과제수행능력 향상에 미치는 효과는 t 값이 2.418 유의 확률은 .021로서 유의한 차이가 있는 것으로 나타나 가설. 나는 기각되었다(p <
.05). 따라서 주택설계 과제수행능력 향상에 있어서 3D 주택설계 수업이 기존의 수업방법보다 효과적인 것을 알 수 있었다. 주택설계 과제수행능력의 수행요소에서는 3D 모델링과 설계도 서 작성 영역에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 3D 모델링 설계 도구를 사용하 여 실습을 진행하는 것이 개별 구조체의 작도, 가구 배치, 재료 표현 등에서 2D 설계도구보다 더 정확하고 쉽게 작도하는 것이 가능해졌기 때문이라고 판단된다. 이는 곧 설계도서간의 연 계성, 일치성, 정확성 측면에서 실험집단이 통제집단보다 더 높은 점수를 받은 것으로 분석된 다. 반면 요구조건 분석과 결과정리 및 시트 작성 영역에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이것은 요구조건 분석이 제시된 평면도를 통해 본 도면 작도에 필요한 내용을 찾는 것으로서 새로운 설계 도구 및 수업자료와는 큰 관계가 없었기 때문이라고 판단된다. 또한 결과정리 및 시트 작성 영역에서는 실습과정에서 실험집단이 한 시트에 설계 도서를 정리하는 과정에서 많은 도면을 한 시트에 불러오다보니 Revit 프로그램이 오류를 일으키며 종료되는 현상이 다 수 발생하였다. 이는 고성능의 컴퓨터 사양을 요구하는 그래픽 작업도구인 Revit 프로그램의
단점인데 이로 인해 실험집단은 통제집단 보다 시트작성단계에서 어려움을 겪은 관계로 유의 한 차이가 나타나지 않은 것으로 분석된다.
Ⅴ. 결론 및 제언
1. 결론
본 연구의 목적은 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료를 개발하여 건축분야 특성화고 학생 들에게 적용함으로써 학생들의 흥미도와 주택설계 과제수행능력 향상 효과를 알아보는 데 있 다. 건축설계 수업에 있어서 3D 주택설계 수업은 기존의 2D CAD 기반의 수업에 비해 학생들 의 흥미도 및 주택설계 과제수행능력에 차이가 없을 것이라는 영가설에 대해 본 연구의 결과 는 다음과 같다.
첫째, BIM 기반의 3D 주택설계 수업은 전체적으로 전문제도 과목에 대한 학생들의 흥미도 를 향상시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 이것은 직관적이며 새로운 방식의 3D 모델링 설 계 도구가 학생들의 흥미를 자극하였으며, 이를 통해 습득한 새로운 기능 및 기술들이 졸업 후 관련 직종에 대한 진로나 직업 선택에 있어서 더 많은 기회를 가져다 줄 것이라는 기대감 이 작용하였기 때문이라고 판단된다.
둘째, BIM 기반의 3D 주택설계 수업은 기존의 2D CAD 기반의 주택설계 수업보다 학생들 의 주택설계 과제수행능력을 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 3D 설계도구인 Revit 소프트 웨어를 사용한 3D 주택설계 수업이 설계도면 작도의 정확성, 작업 속도 및 편의성 면에서 기 존의 2D 설계도구보다 더 유용했기 때문이라고 판단된다.
2. 제언
본 연구를 통해 개발된 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료는 전체적으로 학생들에게 유의 한 영향을 미쳤지만 흥미도의 하위영역인 교과 유능감 영역과 주택설계 과제수행능력의 수행 요소인 요구조건 분석, 결과정리 및 시트작성 요소에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 향후 관련 요소의 적합성에 관한 후속 연구 내용을 보강하고 검증과 논의를 계속할 필요가 있으며 년차별로 지속적인 수업적용과 결과 축적이 필요하다.
또한 본 연구에서 개발된 BIM 기반의 3D 주택설계 수업자료는 기능사 수준의 국가기술자 격증 출제 기준에 준하여 개발되었다. 특히 건축물의 세부적인 설비나 구조 설계에 관한 내용 이 제외되었고 고등학교 수준에서 BIM을 이해하기 위한 3D 모델링과 개체의 속성정보에 주 안점을 두고 개발되었으므로 향후 특성화고 학생들이 졸업 후 관련 실무 현장과의 연계성을 높이기 위해서는 좀 더 실무 수준에 준하는 다양한 수업 과제가 개발될 필요가 있다.
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◎ 논문접수: 2018. 01. 30 / 1차수정본 접수: 2018. 03. 11 / 게재승인: 2018. 03. 20
<Abstract>
Development of BIM-based 3D Modeling Instruction Materials and its Application Analysis for Professional Drafting Subject of Specialized Vocational High School
Se-Jeong Kwon*, Hyun-Seok Yoo**
2)3)
As the BIM designing technology has been applied recently in the construction field, architectural design education in the field of work and university has been changing to 3D modeling. Nevertheless, architectural design & drafting education in the construction specialized vocational high school is not responding appropriately to change. Despite the fact that students need to have 3D modeling design ability, there is a very lack of 3D housing design instructional material that can satisfy the change.
The purpose of this study is to develop BIM-based 3D modeling instruction material and apply to analyze effect on interest and task performance ability on Housing Design. The 3D modeling instruction material used in this study was developed through four stages of preparation, development, implementation and evaluation according to the PDIE model procedure. Also, the experimental design model for hypothesis testing was used nonequivalent control group pretest-posttest design. Based on the experimental design model, BIM-based 3D modeling instruction material was performed in the experimental group and 2D CAD-based standard instruction material was taught in the control group. Experimental treatment was conducted on the students of construction specialized vocatinonal high school, and applied to the subject of Professional Drafting in the 12 hours. Before and after the experimental treatment, the interest and task performance ability on Housing Design were tested. Based on the test results, we analyzed the effects of the 3D modeling instruction material through the independent samples t-test.
The results of the study are as follows. First, BIM-based 3D modeling instruction material was developed of ‘Housing Design & Drafting’ unit on the subject of Professional Drafting in construction specialized vocational high school. Second, the application of 3D modeling instruction material has shown to be effective in improving students' interest. Third, the application of 3D modeling instruction material has shown to be effective in improving students' task performance ability on Housing Design.
Key words : 3D House Design, 3D Modeling, interest, task performance ability
* Teacher, Bokdae Middle School
** Correspondence: Professor, Korea National University of Education, [email protected]