공업계 특성화고 학생을 위한
피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선 개발 및 적용
김원웅*, 최준섭**
<국문초록>
본 연구의 목적은 피지컬 컴퓨팅 플랫폼인 아두이노와 앱 인벤터를 대한민국의 자랑 스런 전통 과학기술의 유산이자 세계 최초의 돌격용 철갑전선(鐵甲戰船)으로 평가되는 거북선의 모형과 융합하여, 공업계열 특성화고 학생들이 실제적인 경험을 통해 과학기술 적인 지식뿐만 아니라, 그와 더불어 역사․문화유산에 대한 인식과 가치 또한 제고해 볼 수 있는 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선을 개발하는데 있다.
이 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
첫째, 아두이노 기반의 메인 컨트롤러 설계 및 제작은 전기․전자․제어와 관련된 하 드웨어 및 소프트웨어 지식을 익히고, 아두이노와 전기전자 부품간의 기본적인 상호특성 과 성능을 확인하는데 도움이 된다.
둘째, 회로도 및 패턴도 설계, 기술적 프로그래밍, 모바일 앱 개발 등의 과정을 통해 회로 설계 능력, 논리적 사고력과 문제해결력을 향상시키는데 효율적이다.
셋째, 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선 개발을 통해 과학기술과 인문학적 소양을 통합적으로 함양할 수 있는 기초적인 토대를 마련하였다.
주제어 : 거북선, 공업계 특성화고, 피지컬 컴퓨팅
* 교신저자 : 김원웅([email protected]), 한국교원대학교 대학원, 010-7913-0087
** 교신저자 : 최준섭([email protected]), 한국교원대학교, 043-230-3746
Ⅰ. 서 론
1. 연구의 필요성
오늘날 교육은 변화의 한가운데에 있다. 지식 정보 사회로 불리는 급변하는 사회 속에서 새 로운 문제 상황들은 폭발적으로 늘어나는 것에 비하여 이를 해결하기 위해 정보와 지식을 단순 히 습득하는 것만으로는 교육의 한계가 있다. 지금의 시대는 인문학적 상상력과 과학기술 창조 력을 갖추고, 다양한 지식을 융합하여 새로운 가치를 창출할 수 있는 창의융합형 인재의 배출이 요구되고 있다(교육부, 2015). 특히, 이러한 융합적인 접근을 통해 새로운 가치를 창출해 낼 수 있는 역량은 고교 졸업 후 주로 산업체 현장에서 직무를 수행해 나가야하는 특성화고 학생에게 는 현장 적응력을 키우고 미래 사회를 살아가는데 있어 매우 중요 시 되고 있다.
그러나, 특성화 고등학교 교육과정의 수업의 실태를 분석해 보면(강영혜, 2008; 옥준필 2012; 윤지아, 이창훈, 김기수, 2013), 그동안 실효성 있는 직업 교육을 위해 교육과정 혁신과 수업 개선을 위한 많은 시도를 해 왔으나 아직까지도 보통교과와 전문교과 간의 연계가 부족한 실정이며, 교육과정에서 많은 시수를 차지하고 있는 전문교과 수업에서도 학생의 창의성과 자생 적 학습능력 신장 보다는 단순히 전공의 기능·기술 습득만을 위한 혹은 전공 자격증 취득 위 주로 전개되는 사례를 주변에서 심심치 않게 접할 수 있는 상황이다(옥준필, 2012). 따라서 현 재 현장 실무 중심의 교육과정으로 운영되고 있는 공업계 특성화고 전문교과 수업에서, 단순히 전공의 지식·기능의 습득에만 국한된 수업보다는 이 시대에 부응하는 융합교육의 통합적인 접 근을 통해 기술적 지식과 더불어 인문학적인 소양도 함양할 수 있는 요소도 함께 다뤄진다면 학생들이 새로운 가치를 창출할 수 있는 가능성을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 실무 지향적인 학습이 가능하도록 계획 단계에서부터 완성까지의 과정을 통해 실제적인 학습이 이루 어 질 수 있는 프로젝트 중심의 수업이나 학생 스스로 문제 해결 방법을 찾아가고 해결함으로 써 성공의 경험을 할 수 있는 PBL(Problem Based Learning)중심의 교수-학습 방법 등을 통 해 교육의 효율성 및 효과적 측면에서 더욱 시너지를 기대해 볼 수 있을 것이다(이경화, 최유 현, 황선욱, 2011; 이영준, 임웅, 이은경 2010).
학생들은 스스로 무언가를 만들면서 자긍심과 다양한 기회를 가지게 되고, 이를 통해 창조성 을 키울 수 있으며, 문제에 직접적으로 대면하게 되고, 문제를 이해하려고 노력하면서 스스로 풀어나갈 수 있다(박영숙, 2015; 신종호 외, 2016). 이에 최근 학생들이 프로그래밍과 전자과학 의 기초 개념을 실제적 경험을 통해 쉽고 재미있게 학습할 수 있는 환경을 제공해 줄 수 있는 유용한 도구인 피지컬 컴퓨팅 플랫폼(Physical computing platform)에 관한 연구가 다양한 학 문 분야에서 활발히 진행되고 있다(김원웅, 최준섭, 2015; 김진수, 2015a; 심주은, 고주영, 심 재창, 2014; 심세용, 2016; Banzi, 2010). 프로그래밍의 결과를 물리적인 기계장치로 보여줄 수 있는 피지컬 컴퓨팅 플랫폼은 학생들 스스로 자신이 만들고 싶은 것을 만들 수 있는 여건 을 충분히 제공해 주기 때문에, 다른 학문의 교육적인 접목이 이루어진다면 학교의 정규교육과
정에서 융합인재교육인 STEAM교육과 창의적 체험활동에서도 환영받을 수 있는 유용한 도구로 서의 가치가 있다고 할 수 있다(김진수, 2015b; 이동윤, 2011; 최정훈, 2012; Hughes, 2011).
이처럼 창의적이고 융합적인 교육활동 분야에서 유의미하게 활용될 수 있는 피지컬 컴퓨팅 플랫폼과 우리의 자랑스런 문화유산 컨텐트(Content)를 접목시킨다면, 학생들에게 과학기술 능 력뿐만 아니라 더불어 인문학적 소양까지 함양할 수 있는 가능성을 높여주는 좋은 주제가 될 것이다. 우리나라에는 다양한 형태의 많은 문화재가 존재한다. 그 중에서도 특히 거북선은 우리 에게 가장 많이 알려진 대표적인 문화재 중의 하나이자 지금도 활발하게 복원 및 개발되고 있 으며(제장명, 2006), 사회적으로도 많은 관심과 흥미의 대상이 되고 있다(강연훈, 2007).
따라서 본 연구에서는 공업계 특성화고 학생들이 전공교과 수업에서 실제적인 경험을 통해 과학기술에 대한 기초적인 역량과 더불어 역사·문화유산에 대한 인식과 가치 또한 제고해 볼 수 있는 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선을 개발하고자 한다.
2. 연구 목적
이 연구의 목적은 공업계열 특성화 고등학교 전기·전자·통신 관련 학과 학생에게 적용할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 기반의 모형 거북선을 개발하는 데에 있다. 이를 통해 학생들이 과학기 술적 지식뿐만 아니라, 더불어 역사·문화에 대한 관심과 인식을 제고하여 인문학적 소양 또한 함양할 수 있는 기회와 기초적인 토대를 마련하고자 한다.
Ⅱ. 이론적 배경
1. 피지컬 컴퓨팅 플랫폼(Physical computing platform)
피지컬 컴퓨팅이란 인간이 표현하고자 하는 것들을 컴퓨터로 손쉽게 구현하고자 하는 것을 말한다(Monk, 2014). O’Sullivan & Igoe(2010)는 “피지컬 컴퓨팅은 물리적인 실제 세계와 컴 퓨터의 가상 세계가 서로 대화할 수 있도록 하는 것이다”라고 하였다. 프로그램이나 센서 등을 이용해 컴퓨터가 인간이 감각 역할을 하거나 그에 반응하도록 하는 것이며, 키보드나 마우스와 같은 입력 방법 대신 소리, 동작, 빛, 열 등 물리적인 방법으로 정보를 입력하고 표현하는 개념 이다. 즉, 실제 사물을 통해 프로그래밍의 결과를 확인할 수 있는 것이다. 인턱랙티브(Interactive) 물체도 피지컬 컴퓨팅의 범주에 들어가며, 이런 물체는 마이크로컴퓨터 안의 소프트웨어로 동작 을 구현한 센서와 구동장치를 통해 사람과 소통할 수 있다(Banzi, 2010).
점점 더 저비용, 고성장의 기술발전으로 말미암아 학생들을 가르치는 방식과 학교의 교수-학 습 방식이 급변하고 있다(D’Ausilio, 2012). 이처럼 급변하는 사회에서 기술교육의 가치는 어떻
게 사용되느냐와 중요한 관계가 있으며, 교수·학습 자료가 적절히 사용될 때 교수자와 학생 모 두에게 자산이 될 수 있다(Zarotsky & Jaresko, 2000).
가. 아두이노의 특징
아두이노는 피지컬 컴퓨팅의 경험이 전혀 없는 사람들에게 피지컬 컴퓨팅의 세계에 한걸음 더 가깝게 다가서게 해주었다. 아두이노는 디자이너나 아티스트도 전자와 센서에 대한 기초지식 을 얻을 수 있을 만큼 비교적 쉽고 간단하여 H/W 및 S/W 학습을 자연스럽게 시작할 수 있다.
오픈소스 하드웨어 및 소프트웨어를 제공하여 거대한 커뮤니티를 형성해 전문지식과 경험을 인 터넷에서 공유하고 있다(Monk, 2014a). 이러한 장점들은 학습자들이 호기심을 갖고 접근할 수 있는 교육적 환경을 만들어주며(김원웅, 최준섭, 2016), 학생들이 자기주도 학습을 해 나가는데 있어 지속적인 동기부여가 될 것으로 판단된다. [그림 1]은 현재 아두이노 보드의 종류 중 가장 기본적이며 보편적으로 사용하고 있는 모델인 ‘Uno(우노)’의 하드웨어 구성과 프로그램을 작성 하여 아두이노 보드에 전송할 수 있는 IDE(통합개발환경)의 스케치 창이다.
[그림 1] 아두이노 우노(Uno)와 통합개발환경(IDE)
아두이노에서 사용하는 프로그램 언어는 세계에서 가장 폭넓게 사용되고 있는 C/C++ 언어 를 기반으로 하고 있어, 프로그래밍 기초실무능력을 함양하는데 효과적이며, 이러한 기술을 다 양한 시나리오에 응용할 수 있어 프로토타입을 만들기에도 적합하다.
점점 더 저비용, 고성장의 기술발전으로 말미암아 학생들을 가르치는 방식과 학교의 교수-학 습 방식이 급변하고 있다. 이처럼 급변하는 사회에서 과학기술교육의 가치는 어떻게 사용되느냐 와 중요한 관계가 있으며, 교수-학습 자료가 적절히 사용될 때 교수자와 학생 모두에게 자산이 될 수 있다(Zarotsky & Jaresko, 2000).
나. 선행 연구 고찰
아두이노를 교육적으로 활용한 국내 논문에 대한 분석 결과를 <표 1>에 나타내었다.
연구자
(년도) 논문 제목 주요 내용(특징) 출처
김혜진 (2016)
아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 교육이 중학생의 창의적 문제해결력에 미치는 영향
아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로 그래밍 교육이 중학생의 창의적 문제해결력 향 상에 효과적임을 확인함
한국교원대학교 석사논문
심세용 (2016)
중학교 기술교육에서 문제해결능력 향상을 위한 아두이노 STEAM 프로그램 개발
아두이노를 활용한 STEAM 프로그램을 개발하 여 문제해결능력 향상에 효과가 있음을 확인함
한국교원대학교 석사논문
김진수 (2015)
기술교육에서 아두이노를 활용한 SW교육 및 STEAM교육 방안
기술 교육에서 SW교육 및 STEAM교육 실태 분석 및 적용 방안을 분석하였고, 아두이노 기 반의 수업 자료를 개발하여 SW교육을 적극 수 용하도록 시사점을 제시함
한국기술교육학 회지15(1)
노상철 (2015)
아두이노를 활용한 음악 중심의 융합인재교육 프로그램 개발 및 적용
융합인재교육에 대한 인식도가 향상되었고, 학 습에 대한 몰입도가 높아졌음
건국대학교 석사논문
최정원 (2015)
아두이노 기반의 소형 멀티콥터의 비행제어 알고리즘에 관한 연구
아두이노 기반 멀티콥터 S/W의 구조와 알고리즘을 분석하고 비행제어를 위하여 소형 멀티콥터를 위한 알고리즘을 새롭게 구현
경남대학교 석사논문
김재석 (2014)
ARDUINO 기반의 서보모터를 이용한 자동먹이 급여장치 구현
서보모터와 아두이노의 내부타이머를 이용하여 일정시간동안 정긱적으로 먹이를 급여하는 장 치 구현
한국IT마케팅학 회학술발표 1(1)
김찬웅 (2014)
초등학교 정보과학 연관 교과에 아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅의 적용방안 연구
정규 교과 수업 시간을 통해 피지컬 컴퓨팅 수 업을 받은 실험 학급 학생들의 학업 흥미도와 성취도가 향상 되었음
경인교육대학교 석사논문
심규헌 외 (2014)
아두이노를 활용한 STEAM 학습커리큘럼 및 효과 분석
아두이노를 활용한 수업 후에 컴퓨터 과목에 대한 관심도와 프로그래밍에 대한 흥미도가 증 가하였음
한국컴퓨터교육 학회지17(4) 심주은
외 (2014)
청소년들의 창의성 향상을 위한 아두이노 활용 교육과정 개발과 분석
청소년들 단기 ICT 교육을 위한 HW, SW, 통 신 통합 교육 과정을 개발하고 분석하여 효과 가 있음을 검증
한국멀티미디어 학회지17(4)
안호승 (2014)
Arduino를 활용한 Radio-Controlled Car제작
초음파 센서를 사용하여 주변 정보를 받을 수 있는 모형 자동차를 제작
인하대학교 석사논문
이상진 외 (2014)
피지컬컴퓨팅에서 아두이노 실험교육을 통한 MBL 인터페이스 대체효과
아두이노를 통해서 결과값을 쉽게 측정하고 가 공할 수 있게 만들었으며 MBL을 이용한 실험 과 비교했을 때 훨씬 저렴한 구축비용을 가지 고도 MBL 인터페이스를 이용했을 때와 유사 한 효과를 얻을 수 있었음
한국컴퓨터학회 학술발표18(1)
최종재 (2014)
아두이노를 이용한 휴대용 미니드럼 구현
아두이노를 통해 소형의 크기로 드럼과 유사한 사운드를 낼 수 잇었으며 드럼 스틱을 통해 실 제로 연주
한국IT마케팅학 회학술대회 1(1)
손경호 손원성 (2014)
아두이노를 활용한 프로그래밍 교육방안 탐구 및 적용
교과 교육과정을 활용한 STEAM교육을 통하여 아두이노 활용 S/W 교육이 가능하였으며, 아 두이노 활용 프로그래밍 교육을 통해 학습태 도, 문제해결력, 학습흥미, 학습몰입 요소를 함 양할 수 있는 가능성을 확인함
교육논총34(3)
심규헌, 서태원 (2013)
안드로이드와 아두이노를 활용한 정보 논리적 사고 신장을 위한 커리큘럼
아두이노를 활용하여 다양한 상황에서 문제해 결능력을 발휘하였고, 수업에 집중력 향상과 이를 통한 정보 논리적 사고력 신장의 효과성 을 확인함
한국컴퓨터학회 학술발표17(1)
<표 1> 아두이노를 교육적으로 활용한 논문 분석 결과
아두이노를 활용한 연구에서 교육적 효과측면 중심으로 선행 연구들을 고찰해 보았다. 또한 아두이노를 이용하여 장치를 구현 및 개발한 연구들에 대해서도 살펴보았다.
김혜진(2016)은 아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 교육이 중학생의 창의 적 문제해결력 향상에 효과적임을 확인하였고, 심세용(2016)은 아두이노 활용한 STEAM 프로 그램을 개발하여 학생들의 문제해결능력 향상에 효과가 있음을 확인하였다. 김진수(2015)는 기 술교과에서의 SW교육 및 STEAM교육 실태 분석 및 적용 방안을 분석하여, 아두이노 기반 의 수업 자료 개발을 통한 기술교과에서 SW교육 수용의 필요성에 대한 시사점을 제시하였 다. 노상철(2015)은 아두이노 활용 교육을 통해 융합인재교육에 대한 인식도와 학생의 수 업에 대한 몰입도가 높아졌음을 밝혔으며, 김찬웅(2014)은 아두이노를 이용한 피지컬 컴퓨팅 을 적용한 수업을 통해 학생들의 학업 흥미도와 성취도가 향상될 수 있음을 확인하였다. 심주 은, 고주영, 심재창(2014)은 아두이노를 활용한 교육과정을 개발 및 분석하여 학생들의 창의성 이 향상되는 효과가 있음을 확인하였다. 김재석(2014)은 아두이노를 활용하여 동물에게 먹이를 급여하는 장치를 구현하였으며, 안호승(2014), 이상진 외(2014), 이종석 외(2011), 최종원(2015), 최종재(2014)도 아두이노를 활용하여 장치를 개발 및 구현하는 등 이와 유사한 연구를 진행하 였다.
심규헌, 서태원(2013)은 아두이노를 활용하여 다양한 상황에서 학생들이 문제해결능력을 발휘 하고 수업에서 집중력 향상과 이를 통한 정보 논리적 사고력이 신장됨을 확인하였으며, 손경호 (2013)는 아두이노 활용 교육을 통해 학습태도, 문제해결력, 흥미, 몰입요소 등을 함양할 수 있 는 가능성을 확인하였다. 서정현, 김영식(2012)은 프로그래밍을 처음 시작하는 학생들이 사용하 기 쉽고 꾸준히 흥미를 유지할 수 있으며, 다양한 분야에서 적용 및 응용이 가능한 교육적 활 용 방안을 연구하였다. 언급한 선행연구자들은 아두이노 활용 교육을 통해 하드웨어와 소프트웨 어 교육의 효율성 및 학습용이성, 창의력, 사고력, 문제해결력 등이 증진됨을 실험과 연구결과 로 확인한 사례다. 또한 아두이노를 활용한 교육은 학습에 대한 흥미를 유발하고, 집중도를 높 이는데도 효과적임을 알 수 있었으며, 플랫폼의 특성상 다양한 형태로 응용 및 적용이 가능하기 에 융합교육 및 통합교육에도 효율성을 가져올 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 목적과 비
연구자
(년도) 논문 제목 주요 내용(특징) 출처
서정현, 김영식 (2012)
아두이노(Arduino)를 이용한 피지컬컴퓨팅의 교육적 활용 방안 연구
프로그래밍을 처음 시작하는 학생들이 사용하 기 쉽고 꾸준히 흥미를 유지할 수 있으며 다양 한 분야에 적용 및 응용이 가능한 교육적 활용 방안을 연구함
한국컴퓨터교육 학회학술발표 16(2)
강수련 외 (2011)
릴리패드 아두이노(Lilypad Arduino)를 이용한 무용의상 디자인 연구
아두이노(Arduino)라는 마이크로 컨트롤러 보 드를 이용하여 실제 공연에 바로 적용이 가능 한 디지털 의상을 디자인, 제작하고 춤추는 무 용수에게 착장시켜봄으로써 그 효과를 측정함
한국패션디자인 학회지11(3)
이종석 외 (2011)
아두이노를 이용한 Interactive Tapestry
디지털 테크놀로지와 타피스트리를 결합시킨 작품 제작으로 타피스트리에 시간적 차이와 관객의 동작에 따라 변화하는 패턴을 표현
한국기초조형학 회지12(5)
교해 볼 때 교육적 효과 면에서 일치성을 기대해 볼 수 있으며, 선행 연구의 결과에 뒷받침이 될 수 있다고 판단된다.
다. 앱 인벤터(App Inventor)
앱 인벤터는 안드로이드(Android) 스마트폰 앱을 쉽게 개발할 수 있는 비주얼(Visual) 프로 그래밍 도구로써 기본 플랫폼은 MIT 미디어랩에서 개발한 스크래치(Scratch)에 기반하고 있으 며, 스마트폰을 연동해서 앱을 개발하는데 유용한 개발 도구이다.
앱 인벤터는 교육용 프로그래밍 언어의 하나인 스크래치와 유사하게 블록 쌓기를 통하여 프 로그래밍이 가능한 시각적인 언어로써, 실제적인 경험을 주고 학습자가 소프트웨어 교육에 흥미 를 갖고 쉽게 접근할 수 있게 해주는 장점이 있다(Wolber, 2011). 즉, 스마트폰의 다양한 물리 적 장비들인 카메라, 블루투스, 멀티미디어, GPS, 자이로센서 등을 스마트폰과 연동하여 이용 할 수 있기에 결과물을 실생활에서 활용하는 기기에서 확인할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이로써 앱 인벤터는 프로그래밍 교육에서 다양하게 활용할 수 있는 가능성을 가지고 있다(안상 진, 이영준, 2014). 학습자가 실제적인 경험을 통해 지식을 습득하게 되면 교실 밖에서도 학습 을 지속할 것이며, 학습의 동기가 높아지고, 지식의 구조를 더욱 잘 파악할 수 있게 된다 (Edelson & Reiser, 2006). 더불어 개발한 앱을 통하여 일상생활의 문제 상황을 보다 근접한 상황에서 해결할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 학습자의 창의적인 문제해결력 향상과 지속 적인 흥미와 학습에 대한 몰입이 가능하다(황성진, 2015).
2. 거북선
가. 거북선의 역사 및 사회적 영향
거북선과 판옥선은 임진왜란(壬辰倭亂, 1592~1598) 해전에서 조선 수군의 승리를 뒷받침한 가장 강력한 물적 토대 중 하나였다. 지붕 혹은 덮개 역할을 하는 개판(蓋版)이 갑판의 윗부분 을 덮고 있는 특수한 구조를 가진 군함이다. 거북선은 판옥산과 달리 갑판 윗부분까지 완전히 덮개를 씌우고 있었으므로 방호력 측면에서 훨씬 강력했다. 거북선은 세계 최초의 돌격용 철갑 선으로 조선 수군의 명장 충무공 이순신 장군의 지휘로 임진왜란 중 최초 사천해전에서 첫 출 전한 이래 일본 수군에게 공포의 대명사가 되었다. Underwood(1933)는 영국왕립아시아학회 조 선분과지에 발표한 그의 논문(Korea Boats and ships)에서 “거북선의 성공, 그 당시와 지금의 명성, 적에게 불어넣은 공포심, 이전의 어떤 배 이상의 참신함과 우월성을 보았다.”고 설명했 다. 이원식(2003)은 임진왜란 당시 돌격용 철갑전선(鐵甲戰船)으로써 일본 수군의 수백 척 선단 의 중앙을 뚫고 들어가 해전을 승리로 이끌었던 거북선은 우리나라의 국방과학문화유산 중에서 도 가장 귀중하게 여기고 민족의 자긍심을 고취 시킬 수 있는 소중한 유산이라 하였다(p. 38).
또한, 최근 USNI(United States Naval Institute) 뉴스(2016)에서 세계 7대 명품 군함 중 하
나로 거북선을 선정하여 보도할 만큼 거북선은 대내외적으로도 훌륭한 군함으로 평가되고 있다.
이러한 가치를 널리 알리고자 드라마, 영화, 지자체 문화행사 및 시민을 대상으로 한 거북선 만들기 체험행사 등을 통해 사회적으로 많은 관심과 흥미의 대상이 되고 있는 문화재이다.
[그림 2]는 1795년에 편찬된 이충무공전서(李忠武公全書)에 등장하는 통제영 거북선(A)과 전 라좌수영 거북선(B), 그리고 1979년에 건조를 시작해 1980년에 제작 완료한 해군사관학교의 1대1 크기로 복원된 거북선(C)의 모습이다.
A B C
[그림 2] 사료(史料)에 제시된 거북선과 복원된 거북선의 모습
나. 학습용 모형 거북선 선행 연구 고찰
선행 연구자가 개발한 모형거북선들과 본 연구에서 개발한 모형 거북선이 수업 자료로서 갖 추고 있는 유용한 요소들의 종류와 이러한 요소들의 수준에 대한 평가를 <표 2>와 같이 비교 분석해 보았다.
<표 2> 수업 자료로서 갖추고 있는 유용한 요소들의 종류와 수준 평가 (○: 높음, △보통, ×:낮음) 연구자
(연도) 연구 제목 수업 자료로서 갖추고 있는 유용한 요소들
개방성 경제성 응용성 지속성 적용성 호환성 재사용 최준섭 외
(2004)
태양전지를 이용한 학습용
모형 거북선의 성능 특성 △ ○ △ △ △ × △
최준섭, 박상진 (2008)
초․ 중등학교 교수-학습용
모형 거북선 개발 △ ○ △ × × × △
최준섭, 이준희 (2012)
학습용 무선 조종
모형 거북선 개발 △ ○ △ △ × × △
김원웅, 최준섭 (2016)
피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의
모형 거북선 개발 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
각 주요 요소에 대한 의미는 다음과 같다.
․ 개방성: 자료가 공유화 및 개방되어 재료 및 자료를 쉽게 구할 수 있는가?
․ 경제성: 도입 비용이 저렴한가?
․ 응용성: 다양한 수업목표를 달성할 수 있는 주제로 응용이 가능한가?
․ 지속성: 하드웨어 및 소프트웨어를 지속적으로 업그레이드(upgrade)를 할 수 있는가?, 수시로 실험 결과를 스스로 확인하여 동기와 흥미를 지속적으로 유발시키는가?
․ 적용성: 수준별, 단계별, 학급별 등에 맞는 맞춤형 교육이 가능한가?
․ 호환성: 하드웨어 및 소프트웨어가 타사 제품과의 연동이 되는가?
․ 재사용: 일회성이 아닌 여러 번 재사용이 가능한가?
<표 2>의 분석결과를 살펴볼 때 선행 연구된 모형 거북선에 비해 본 연구에서 개발한 피지 컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선이 수업 자료로서 갖추고 있는 유용한 요소들의 수준이 전반적으로 높음을 확인할 수 있었다.
Ⅲ. 연구 방법 및 절차
1. 연구의 방법
이 연구의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 연구 방법에 따라 진행하였다.
첫째, 문헌 정보를 통하여 선행 연구 문헌들을 분석 및 고찰하였다. 둘째, 모형 거북선의 구 동시스템인 아두이노 기반의 메인 컨트롤러(통합보드)를 설계하고, 설계한 회로도를 바탕으로 브레드보드(Breadboard)상에서 회로를 구성하여 아두이노와 구동장치 및 센서 간의 전체적인 동작 실험을 진행하였다. 셋째, 만능 기판에 회로 부품들을 집적(集積)화한 메인 컨트롤러를 제 작하고, 이를 스마트폰으로 제어하기 위한 모바일 앱을 개발하였다. 넷째, 메인 컨트롤러와 모 형 거북선의 선체를 조합(組合)하여, 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선을 개발하였다.
끝으로, 현장 적용 단계에서는 개발한 모형 거북선의 교육적 유용성 및 효과성을 확인하기 위해 경기도 소재한 S특성화고의 교사와 학생을 대상으로 현장에서 설문 조사 및 수업 적용을 실시하였다. 먼저, 교육경력이 10년 이상 된 전기·전자·통신 계열 교사 8명을 선정하여 연구 의 내용을 파악할 수 있는 자료(연구내용 요약서, 동영상 및 사진 등)를 제시하고, 질문지를 통 해 본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선의 현장 적용 가능성 및 교육 적 유용성에 대한 평가를 받았다. 그리고 교육적 효과성을 검증하기 위해 하계 방학 중에 진행 되는 전공심화과정의 수업 시간을 통해 전자통신과 3학년 남학생 8명을 대상으로 1주(총 30시 간, 1일 6시간) 동안 개발한 수업 자료를 적용하였고, 현장에서 사전·사후 질문지를 통해 학생 들의 의견을 수집하였다.
질문지는 본 연구의 교육적 유용성 및 효과성을 확인하기에 적절하다고 판단되는 문항을 선 행연구 자료를 참고하여 직접 제작하였으며, 기술교육 관련 박사 학위 소지자(1인)와 석사 과정 (2인) 및 박사 과정(2인) 교사, 지도 교수 등으로부터 검토를 받아 수정․보완하여 완성하였다.
설문 문항은 보편적으로 많이 사용하고 있는 리커트(Likert) 5단계 척도를 사용하여 제작하였으 며, 수집된 자료는 통계프로그램인 SPSSWIN 18.0을 사용하여 빈도분석 및 기술통계 방법으로 분석하였다. 더불어 검사 내용을 보완하기 위한 서술형 문항을 포함시켜 보충설명이나 의견, 느 낀 점에 대해서도 작성할 수 있도록 하였다.
2. 연구 절차
이 연구의 목적을 달성하기 위한 연구 절차는 [그림 3]과 같다.
[그림 3] 연구 절차도
Ⅳ. 연구 결과
1. 메인 컨트롤러 설계 및 개발
모형 거북선의 전진과 후진, 방향전환, 속도제어, 장애물 감지, LED 점멸 등 거북선의 구동 과 관련된 총체적인 제어가 아두이노를 기반으로 한 메인 컨트롤러에서 이루어진다. 아두이노 보드를 선정함에 있어 모형 거북선의 부력과 추진력 향상을 위해, 기능은 아두이노 우노(Uno) 와 동일하고, 무게와 크기는 작은 아두이노 나노(Nano)를 적용하였다.
가. 회로도 설계
모형 거북선 구동시스템의 핵심인 아두이노 기반의 메인 컨트롤러 제작을 위해 [그림 4]와 같이 회로도를 설계하였다. 회로도는 아두이노와 호환성이 매우 높고, 온라인에서 무상으로 제 공하여 사용자들이 쉽게 활용할 수 있는 eCAD(전자회로설계용) 프로그램인 ‘Fritzing’을 이용하 여 제작하였으며, 회로에 사용된 부품기호는 Fritzing 툴의 라이브러리에 들어있는 기호를 적용 하였다.
[그림 4] 아두이노 기반의 메인 컨트롤러 회로도
다양한 기능을 구현하는 메인 컨트롤러(통합 보드)를 설계하기 위해 여러 부품이 상호간에 조화롭게 연동될 수 있도록 각 부품별로 기본적인 특성을 확인하였다. 우선 회로망에서 간섭(干 涉)현상이 발생하지 않도록 하기 위해 부품들을 상호 특성에 맞게 매칭(Matching)시켰으며, 신 호의 정상적인 흐름을 위해 IC(Integrated Circuit)와 주변소자간의 입․출력 핀(Pin) 관계를 확
인하였다. 실제 수업에서 이 같은 설계 과정을 통해 학생들은 전기·전자·통신에 관한 기초적 인 지식과 원리를 이해할 수 있을 것이며, 더불어 회로를 설계할 수 있는 능력의 기초적인 기 반을 마련할 수 있을 것이다. 또한, 부품의 위치 및 방향 설정, 부품 상호간의 특성에 맞게 연 결시켜 나가는 과정 등을 통해 논리적 사고력 및 문제해결능력을 향상시켜 나갈 수 있을 것으 로 판단된다.
나. 하드웨어(Hardware)의 구성과 실험
구동시스템 동작 실험에 필요한 각 부품을 [그림 5]와 같이 브레드보드(Breadboard)상에 배 치하고 회로도에 맞게 점퍼선으로 연결하였다.
[그림 5] 구동시스템 동작 실험
빵판이라고도 부르는 브레드보드는 구멍이 뚫려 있는 플라스틱 블록으로서, 구멍 속에는 탄 성을 지닌 금속이 있어 구멍이 서로 연결되어 있다. 이 구멍을 통해 여러 개의 전자부품을 꽂 았다 뺄 수 있고 납땜 없이 회로 제작이 가능하므로, 디버깅(Debugging)하면서 회로를 수정하 기가 용이하였다.
아두이노 나노보드 1개, 전원용 1.5[V] AAA 배터리 4개, 서보모터 1개, DC모터 및 콘덴서 (0.1uF) 각 1개, 모터 구동드라이버 IC 1개, 초음파 센서 1개, LED(5Φ) 및 저항(220Ω) 각 2 개씩, 블루투스-슬레이브 모듈(HC-06) 1개, 가변저항(10kΩ) 1개, 점퍼선(Jumper Wire) 등으 로 구성하였다. 부품간의 결선은 회로의 연결 상태를 쉽게 파악하기 위해 여러 색의 점퍼선을 사용하였는데 전원 단자에 연결하는 전선은 빨간색과 검은색을 사용하였고, 신호선은 부품별로 달리 사용하였다. 이처럼 회로를 구성하고 회로망의 전체적인 흐름을 파악해 나가는 과정을 통 해 학습자는 전기·전자의 기초적인 하드웨어 지식과 부품의 종류 및 극성을 판별할 수 있는 능력을 함양해 나갈 수 있을 것이다. 또한, 이러한 과정 속에서 과제에 대한 흥미도와 몰입도도 높아지는 효과도 기대해볼 수 있을 것이다.
다. 스케치(Sketch) 작성
아두이노 보드에 스케치(프로그래밍)한 내용을 전송하기 위해 필요한 통합개발환경(IDE 1.6.x)과 USB드라이버를 아두이도 홈페이지(www.arduino.cc)에서 다운로드하여 컴퓨터에 설 치하였다. USB드라이버는 컴퓨터에서 아두이노 보드의 인식에 필요하다. 시리얼 포트를 선택하 기 전에는 반드시 USB케이블로 아두이노를 컴퓨터에 연결해야 한다. 컴퓨터에서 작성한 스케 치를 아두이노 보드에 업로드하여 하드웨어 구동에 필요한 프로그램을 전송하였다. 스케치 내용 의 서두(序頭)를 보면 [그림 6]과 같다.
[그림 6] IDE에서의 스케치(프로그래밍) 내용
스케치한 내용의 코드를 차례대로 살펴보면, 먼저 서보모터를 구동하기 위해 서보모터 라이 브러리 <Servo.h>와 가상으로 시리얼포트를 생성하기 위해 라이브러리 <SoftwareSerial.h>를 참조하였다. 라이브러리는 복잡한 프로그래밍 작업을 크게 단순화시키기 위해 만들어진 것이다.
mySerial(4,5) 객체(Object)를 생성하여 수신단자인 Rx(4), 송신단자인 Tx(5) 핀을 설정하고 Servo 클래스의 객체인 servo0를 생성하였다. 그리고 아두이노 스케치에서는 생략해도 무방하 지만 C/C++ 프로그래밍의 기본적인 프로세스의 형식을 갖추고자 함수의 원형을 선언해 주었 다. 시리얼 통신을 하여 컴퓨터에서 아두이노로 데이터 업로드 시 기본적으로 설정된 송·수신
포트(Rx, Tx)와 충돌을 예방하고자, 가상적으로 시리얼 통신을 할 수 있도록 해주는 <SoftwareSerial.h>
라이브러리를 참조하여 별도의 객체를 생성하였다.
다음으로 데이터의 수신 및 제어에 필요한 변수들과 리턴 값이 없는 setup()함수를 선언하였 는데, setup() 함수는 프로그램이 시작될 때 한 번만 실행되는 사용자 정의 함수이다. setup() 함수는 아두이노의 전원이 켜질 때 또는 프로그램이 실행될 때 즉시 자동으로 호출된다. 먼저 블루투스 시리얼 통신을 위한 속도는 mySerial 객체의 begin 메소드(Method)를 사용하여 통 신속도를 9600[baud]로 설정하였다.
servo0 객체를 서보모터의 데이터 선이 물려있는 핀과 같은 핀(아두이노 8번 핀)에 연결하기 위해서 servo0.attach(8) 구문을 작성하였고, servo0.write(90) 메소드는 서보모터가 90도 회 전하도록 명령하는 구문이다. 즉, 서보모터를 제어하는 포트는 아두이노 보드의 디지털포트 8번 핀에 할당하였고, 전원이 켜지면 서보모터의 각도는 90°로 초기화 되도록 설정하였다. 그리고 초음파 센서 및 그 외 입․출력 단자의 초기 설정은 프로그래밍의 효율화 및 시스템적인 구조를 형성하고자 별도의 함수를 생성하여 호출하는 방식으로 스케치하였다. 아두이노의 스케치에서 사용자 정의 함수인 void Setup()과 void Loop()만을 사용하여 프로그래밍 한다면 학습자에게
‘피드백(제어)’개념을 전달하기에는 제한적일 것이다. 단순히 동작만을 위한 코딩이 아닌 효율성 을 생각하고 프로그래밍의 구조를 보다 시스템(모듈화)적으로 만들어 감으로써 기술적인 문제해 결력 및 논리적사고를 함양할 수 있는 토대가 될 것이다.
무한 반복 실행되는 loop()함수 내에는 byte 타입의 ‘incomingByte’ 변수를 선언한 후, 스 마트폰에서 데이터 신호를 보내면 incomingByte변수에 블루투스로부터 수신된 값(데이터)이 저장 되도록 하였다. 그리고 수신된 버퍼에 데이터가 들어와 있다는 조건하에서, 블루투스 슬 레이브 모듈을 통해 수신된 값이 ‘g’이면 서보모터 회전각은 180°, ‘b’를 수신하면 정지하는 모 드로서 회전각은 90°가 됨과 동시에 DC모터가 정지되도록 하였으며, ‘h’을 수신하면 0°로 서보 모터가 움직이게 하였다. 이러한 동작을 위한 코딩문은 각 동작 형태별로 함수를 별도 생성하 고, if문 내에서는 해당 함수만을 호출하여 동작되도록 하는 시스템적인 프로그래밍의 구조를 갖추었다.
이처럼, 프로그래밍한 결과를 물리적 장치로 확인하는 경험을 통해 학생들은 전기․전자․통신 기술과 관련된 하드웨어 및 소프트웨어 지식을 익히고, 구동장치의 동작원리를 시스템적 사고로 이해할 수 있을 것이다. 또한 스케치 작성 과정에서 단순히 하드웨어 동작만을 위한 프로그래밍 이 아닌, 피드백을 통한 제어의 개념을 줄 수 있도록 코드를 함수화(모듈화)함으로써 시스템적 인 사고를 통한 기술적 문제해결능력이 증진될 것으로 판단된다.
라. 프로토타입(Prototype) 제작 및 실험
아두이노 나노 보드와 구동장치 제어에 필요한 부품들을 스티로폼 보드에 일원화(一元化)하여 거북선 선체와 결합한 모형 거북선의 프로토타입을 제작하였다. 선체 내부에 있는 구동장치와 선체 밖에 있는 회로와의 연결은 점퍼선을 납땜하여 연결하였다. 스마트폰과 블루투스 통신을
하여 구동장치 및 센서, LED 등을 제어하는 실험을 진행하였다. 모바일 앱은 프로토타입의 하 드웨어 동작을 확이하기 위해 테스트용으로 구글 앱스토어에서 ‘Bluetooth controller’ 앱을 다 운로드하여 임시로 사용하였다.
2. 메인 컨트롤러 제작 및 실험
가. 패턴도 설계(Pattern drawing) 및 메인 컨트롤러 보드 제작
만능기판에 부품을 배치하고 배선하기 위해서 우선 [그림 7-A]과 같이 패턴도(Patterns drawing)를 설계하였다. 패턴도는 기판에 회로를 구성하기 위해 기판의 납땜면(동판면) 기준으 로 부품간의 결선 상태를 나타낸 도면이다. 패턴도에 따라 [그림 7-B, C]와 같이 만능기판에 소켓과 부품들을 배치하였고, 납땜면에서는 부품의 리드(lead)를 전선(電線)으로 연결하였다.
B C A
[그림 7] 패턴도(A)와 부품면(B) 및 납땜면(C)
그리고 패턴도의 설계상 불가피하게 전선이 교차되는 부분은 점퍼선을 사용하여 결선하였으 며, 패턴도 및 회로 기판 설계 과정에서 부품들 상호간에 간섭이 발생하지 않도록 부품의 간격 을 1칸 이상 띄워 배치하였다. 또한, 가능한 점퍼선의 수를 줄여서 회로를 더욱 간결하게 구 성해 나가고자 하였다. 학생들은 이 같은 과정을 통해 자연스럽게 실험․실습에 몰입하여 회로 의 구성과 동작원리를 이해하게 되고, 논리적사고력 및 문제해결력을 증진시켜 나갈 수 있을 것이다.
나. 메인 컨트롤러 완성 및 동작 확인
[그림 8-A]는 만능기판에 여러 부품들을 집적(集積)화하여 소형으로 제작한 아두이노 기반 메인 컨트롤러의 완성된 모습이다. 메인 컨트롤러 보드의 헤더(Header)단자에 구동장치, 센서, 전원 등의 핀을 [그림 8-B]와 같이 연결하여 성능을 확인하였다. 이처럼, 직접 제작하고 프로 그래밍 하여 그에 따른 결과를 실물을 통해 확인할 수 있기에, 학생들은 과학기술의 기초 개념 을 재미있게 학습해 나갈 수 있을 것이며, 지적호기심 또한 자연스럽게 높아질 수 있을 것으로 판단된다.
A B [그림 8] 메인 컨트롤러의 완성 및 실험
3. 모형 거북선 제작
가. 모형 거북선 선체의 구동에 필요한 요소들 장착
거북선의 선체는 별도의 공작도구 없이 조립할 수 있는 아카데미과학의 태양광거북선의 외형 프레임을 사용하였다. 다음 [그림 9-A]와 같이 선체의 앞부분에는 전원용으로 정격전류대비 무 게가 가벼운 리포배터리를 배치하였고, 가운데에는 코어리스 DC모터를 장착한 기억박스를 안착 시켰으며, 뒷부분에는 조향장치를 구동하는 역할을 하는 서보모터를 장착하였다. 거북선 선체의 부력과 무게중심을 고려하여 각 요소들을 중량에 따라 균형감 있게 배치하였고, 배터리와 서보 모터는 실리콘을 사용하여 선체에 고정시켰다. 서보모터에 연결된 조향장치를 일부 개조하였는 데, 서보모터의 혼에 탄성력과 복원력이 좋은 고무줄을 사용하여 실제적으로 선체가 움직일 때 조향 기능을 할 수 있도록 하였다.
A B
[그림 9] 거북선의 선체(A)와 완성된 모형 거북선의 모습(B)
나. 아두이노 기반의 모형 거북선 완성
조립이 완성된 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선의 모습은 [그림 9-B]와 같다. 초음 파 센서와 광원 장치가 부착된 거북선의 개판(거북선 상부 덮개)과 노를 장착한 선체를 결합하 였다. 기어박스 상부의 폴(pole)대에 ‘T’자형 받침대를 장착하고, T자형 받침대 상부에 부착된 폼보드 위에 메인 컨트롤러를 고정시켰다. 그런 다음 구동장치 및 센서, 광원 등을 컨트롤러 보
드의 소켓에 점퍼선으로 연결하였다. 학생들은 거북선의 본체를 조립해나가는 과정 속에서 역 사․문화유산에 대한 관심도과 이해도가 증진되고, 더 나아가 인식과 가치를 제고해 볼 수 있는 계기가 될 수 있을 것으로 판단된다.
4. 앱 인벤터(App Inventor)를 이용한 모바일 앱 개발
안드로이드용 비주얼 프로그래밍 도구인 ‘앱 인벤터 2’를 이용하여 스마트폰의 블루투스 통신 으로 모형 거북선을 조종할 수 있는 모바일 앱을 설계 및 개발하였다. 모바일 앱으로 모형 거 북선의 전진 및 후진, 방향 전환, 속도 제어, 장애물 감지, 대포 발사 등의 기능을 전체적으로 제어할 수 있도록 구현하였다.
가. 디자인 설계
[그림 10]은 사용자 인터페이스를 설계한 컴포넌트 디자이너 화면이다.
[그림 10] 사용자 인터페이스를 설계한 컴포넌트 디자이너 화면
‘Designer’ 창 [Pallette]의 [Connectivity]에서 ‘BluetoothClient’를 [Viewer]에 추가하였다.
[BluetoothClient] 컴포넌트는 보이지 않는 속의 컴포넌트라 [Viewer]에서 화면의 아래쪽에 배 치된다. 앱 구성요소들은 기본적으로 수직으로 배열된다. [Designer]화면 좌측 [Palette]의 [Layout]에서 필요한 컴포넌트를 만들어 라벨, 버튼 컴포넌트 등을 틀 안에 집어넣어 중앙으로 정렬하였다. [HorizontalArrangement]를 [Viewer]에 삽입하면 초록색 상자가 만들어진다. 초 록색 상자에 글상자 컴포넌트를 넣어 버튼의 이름을 설정하였다. 초록색 상자를 옆으로 늘려줘 야 화면 전체에서 중앙 정렬을 할 수 있는데, [Properties]에서 [Width] 속성을 [Fill parent...]
로 변경시켜주어 화면을 좌우로 꽉 차게끔 정렬 컴포넌트를 만들었다. [Viewer] 는 안드로이드
폰에서 실제로 보여지는 사용자 인터페이스 화면이다. ‘블루투스 연결’ 버튼을 누르면 아두이노 와 스마트 폰 간에 블루투스 통신이 연결된 상태가 되고, ‘해제’ 버튼을 누르면 연결이 끊어지도 록 하였다. 화면에 중간 부분에 모형 거북선의 방향을 조종할 수 있는 버튼을 배치하였다. 그리 고 아래쪽에는 DC모터의 속도를 제어하여 모형 거북선의 주행 속도를 조절할 수 있는 속도 조 절 버튼을 배치하였고, 거북선 측면에 있는 2개의 LED를 점멸시킴으로서 거북선의 대포를 발 사하는 모습을 구현할 수 있는 버튼을 만들었다. 이처럼 영역별로 버튼의 명칭 및 위치, 크기를 설정하고, 버튼의 기능 설정 및 색상 선택 등 거북선의 특성과 동작에 걸맞게 인터페이스를 디 자인(Design)해 나감으로서 학생들은 자연스럽게 논리적 사고와 창의력을 향상시켜 나갈 수 있 을 것이다.
나. 블럭 에디터
앱 인벤터 화면의 ‘Blocks’를 선택하여 블록에디터로 이동한 다음, 각 버튼에 맞는 기능을 순 서․논리적으로 추가하였다. 이 같은 작업 방법들이 앱의 기능을 설정하는 앱 인벤터만의 프로그 래밍 방식이다. 가로로 연결되는 블록들은 한 명령을 실행하기 위해 있고, 각각의 명령들을 수 행하는 큰 블록을 만들 때는 세로로 연결하게 되어있다. 이렇게 여러 개의 블록들이 모여 있는 것을 블록 스택(Stack) 이라고 하며 위에서 아래로 진행되는 규칙에 따라 순차적으로 실행된다.
[그림 11] 는 주행과 방향을 설정하는 블록스택(프로그래밍)의 모습을 나타내고 있다.
[그림 11] 주행과 방향을 설정하는 블럭 스택
Forword.Click 이벤트가 발생했을 때, 즉, 앱 화면에서 ‘전진’ 버튼을 눌렀을 때 ‘x’의 문자 값을 아두이노에 전송하라는 의미이다. 아두이노는 ‘x’ 를 수신하면 모터를 구동시켜 전진할 수 있도록 스케치 하였다. Left.Click 이벤트 및 그 외 여러 기능의 이벤트 발생 시 처리 과정도 [그림 11]에 제시된 바와 같은 블록 스택 방식으로 프로그래밍하였다. 블록 스택을 설계해가는 과정을 통해 학습자는 직렬통신에 관한 기초적인 원리를 이해할 수 있고, 절차적 사고와 논리적 사고를 발전시켜 나갈 수 있을 것이다.
다. 스마트 폰에 앱 다운로드
앱 제작을 완료한 후, 앱 인벤터 화면 메뉴의 [Build]에서 App(provide QR code for.apk) 를 선택하여 완성한 앱 파일(확장자명은 .apk)을 스마트폰에 다운로드하고 파일을 실행하였다.
개발된 모바일 앱을 스마트폰에 실제로 설치한 후, 아래의 [그림 12]에 나타난 모습으로 화면에 표시된 각각의 기능 버튼을 눌러 모형 거북선의 동작 상태를 전반적으로 확인하였다.
5. 모형 거북선 수조 실험
완성된 모형 거북선의 성능을 수조에서 실험하고 그 결과에 따라 모형 거북선을 수정 및 보 완하였다.
가. 수조실험 및 동작확인
수조에서 모형 거북선을 물위에 띄어 부력 중심과 추진력을 확인하였다. 먼저 스마트폰과 모 형거북선의 블루투스 통신을 동기화(페어링)하고 스마트폰에서 모바일 앱을 실행 및 조작하여 수면에서의 모형 거북선의 움직임 상태를 확인하였다. 모형 거북선의 양쪽 노를 정방향과 역방 향으로 회전시켜 수면에서의 전진과 후진 상태를 확인하였고, 조향장치를 움직여 선체의 좌회전 과 우회전의 방향 전환 상태를 확인하였다. 또한 모형 거북선의 주행 중 전방에 장애물(손바닥) 을 위치시켜 초음파 센서의 감지 상태를 확인하고, 대포 발사 기능을 구현하는 LED를 점멸시 켜 봄으로써 모형 거북선의 전반적인 성능을 확인하였다.
[그림 12] 모바일 앱으로 동작 제어 [그림 13] 수조에서의 실험 장면
[그림 13]은 모형 거북선의 부력 중심과 추진력을 확인하는 실험 장면이다. 선체가 앞뒤·좌 우 방향으로 기우는 정도와 수중에 잠기는 정도가 얼마인지를 파악하고, 선체 내부로의 침수 여 부도 확인하였다.
나. 실험 결과 및 개선
완성된 모형 거북선을 개선하기 위하여 실시한 수조 실험 결과 및 개선한 사항을 요약하면 다음과 같다.
∙ 모형 거북선을 물위에 띄우고 실험을 반복 할수록 선체의 무게 중심 불균형으로 인해 선체 내부에 물이 조금씩 들어오는 문제가 발생하였다.
∙ 거북선 선체의 무게 중심이 불안정하여 롤링(Rolling)현상이 발생 발생하였다.
∙ 메인 컨트롤러의 기울기를 조정하고 점퍼선의 배열을 정형화함으로써 거북선의 무게 중심 을 안정화시켰으며, 이를 통해 주행 중 선체 내부로 물이 들어오는 문제를 해결하였다.
6. 현장 적용 및 평가
경기도 수원시에 소재한 S특성화고의 교사를 대상으로 수업 자료의 교육적 유용성에 대한 설 문 조사(평가)를 실시하고, 학생을 대상으로 개발한 모형 거북선을 수업에 적용하여 그 효과를 분석하였다.
가. 수업 자료
수업 적용에 사용할 수업 지도안은 15차시(30시간)로 작성하였으며, 학습자의 흥미를 유발할 수 있도록 문제 상황을 제시하였다. 학생 활동지는 피지컬 컴퓨팅 플랫폼인 아두이노와 앱 입벤 터를 활용한 모형 거북선의 제작과 관련하여 학습될 수 있는 내용요소를 탐색해 볼 수 있는 모 형도을 제시하였고, 과학기술과 역사·문화·사회와의 관계를 확인해가며 학생들의 흥미를 유발 하고 실험·실습에 유리하도록 하였다. [그림 14]과 [그림 15]에 실제 수업에 사용된 PPT, 학생 활동지 및 수업과정안 등의 교수-학습 자료 일부를 제시하였다.
[그림 14] 수업 자료 PPT 예시
[그림 15] 학생 활동지와 수업 과정안
나. 특성화고 교사의 평가
본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선에 대한 실제 수업에서의 교육 적 유용성을 확인코자 특성화고 전기·전자·통신 계열 전문교과 교사로부터 질문지를 통해 평 가를 받았다. 설문 조사에 참여한 교사는 전기전자제어과 교사 5명, 전자통신과 교사 2명, 정보 네트워크과 교사 1명으로 총 8명의 전문교과 교사가 평가자로 참여하였다. 설문 문항은 개발한 모형 거북선이 전공 교과의 교육 목적 및 내용과의 타당성, 학습자 수준의 적합성, 인문학적 요 소의 내포성 등을 평가할 수 있는 문항으로 구성하였다. 그리고 평가 문항에 대한 보충 설명이 나 다른 의견을 자유롭게 서술할 수 있는 자유응답형 서술형 문항을 별도로 추가하였다.
설문 조사를 실시한 결과를 정리하여 제시하면 다음 <표 3>과 같다. 결과 내용을 간단히 살 펴보면 전반적으로 매우 긍정적인 반응이 나타났음을 확인할 수 있다. 특히 설문 1번, 설문 5 번, 설문 6번은 이 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형거북선이 특성화고 및 전공교과 수업의 수업 자료로서의 적합성과 활용성에 대한 질문이었고, 설문 10번은 통합적 접 근에 의한 교육에 관한 질문이었는데 네 문항에서 모두 100%(매우그렇다 + 그렇다)로 나타났 다. 평가 교사들의 설문에 대한 의견 및 보충설명 내용을 살펴보면, “첨단 일변도로 치닫는 기 술교육에서 인문학과 역사를 바탕으로 한다는 참신한 아이디어가 좋은 것 같다.”, “거북선을 직 접 구동시킬 수 있도록 소프트웨어와 하드웨어를 직접 작성·제작하고 직접 구동시킬 수 있어 성취감과 흥미, 호기심을 학생들이 더욱더 가질 수 있는 내용이라 현 시대에 부흥하는 훌륭한
것이라 여겨짐”, “전기·전자 기초를 학습할 수 있는 기회뿐만 아니라 하드웨어적인 면과 소프 트웨어적인 면을 동시에 충족할 수 있어 좋은 기회가 될 것 같다.”, “학생들이 실습 중에 스스 로(능동적으로) 문제해결력을 키워 나갈 수 있는 유용한 수업자료라 판단된다.” 등의 의견이 있 었다. 이와 같이 내용을 분석해 보았을 때, 본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선이 특성화고 학생을 대상으로 한 수업 자료로서 교육적으로 유용할 가치가 있음을 확인할 수 있었다.
문항
평가 척도
⑤ 매우 그렇다
④ 그렇다
③ 보통 이다
② 그렇지
않다
①전혀 그렇지 않다 1. 특성화고 대상학생에게 수업 자료로 적용하
기에 용이한가? 50 50 0 0 0
2. 창의융합형 인재 양성을 위한 목적을 고려한
수업자료인가? 62.5 25 12.5 0 0
3. 수업 자료의 내용이 체계적으로 구성되었는
가? 75 12.5 12.5 0 0
4. 실험·실습을 통해 논리적사고와 문제해결력
을 향상 시킬 수 있겠는가? 62.5 25 12.5 0 0
5. 전공교과의 학습목표와 밀접한 관련성이 있
는 주제와 내용인가? 37.5 62.5 0 0 0
6. 하드웨어와 소프트웨어의 기본적인 개념을
익힐 수 있도록 설계되었는가? 50 50 0 0 0
7. 전기·전자·제어 관련 기초적인 역량을 함
양할 수 있는 내용으로 구성되었는가? 75 12.5 12.5 0 0
8. 기초적인 회로 설계 능력을 함양할 수 있도
록 구성되었는가? 37.5 50 12.5 0 0
9. 학습자가 모형 거북선 제작을 통해 역사·문 화에 대한 인식과 가치를 제고해 볼 수 있 겠는가?
25 62.5 12.5 0 0
10. 과학-기술-사회에 대한 흥미를 높일 수 있
도록 통합적 접근 방식으로 구성되었는가? 37.5 62.5 0 0 0
설문에 대한 보충 설명이나 다른 의견 (자유응답형 서술 문항 내용) :
∙ 첨단 일변도로 치닫는 기술교육에서 인문학과 역사를 바탕으로 한다는 참신한 아이디어가 좋은 것 같다. 인본주의 사상이 바탕이 되는 산업사회의 발전을 요구해 본다.
∙ 거북선을 직접 구동시킬 수 있도록 소프트웨어와 하드웨어를 직접 작성·제작하고 직접 구동시킬 수 있어 성취감과 흥미, 호기심을 학생들이 더욱더 가질 수 있는 내용이라 현 시대에 부흥하는 훌륭한 것이라 여겨짐.
∙ 전기·전자 기초를 학습할 수 있는 기회뿐만 아니라 하드웨어적인 면과 소프트웨어적인 면을 동시에 충족할 수 있 어 좋은 기회가 될 것 같다.
∙ 학생들이 실습 중에 스스로(능동적으로) 문제해결력을 키워 나갈 수 있는 유용한 수업자료라 판단된다.
<표 3> 특성화고 교사의 평가 결과 (N=8)
다. 수업 적용
개발한 모형 거북선을 S특성화고 전자통신과 3학년 취업맞춤반 남학생 8명을 대상으로 적용 하였다. 교육적 효과성을 검증하기 위해 이 학생들을 대상으로 방학 중에 진행되는 전공심화과 정의 수업 시간을 통해 1주(30시간, 1일 6시간) 동안 2인 1팀으로 구성하여 진행하였고, 수업 적용 사전·사후 질문지를 통해 학생들의 의견을 수집하였다. 사전 질문지 문항은 총 11문항·
사후 질문지 문항은 총 16문항으로 구성하였으며, 문항은 수업에 대한 흥미도 및 이해도, 논리 적 사고 및 문제해결력, 인문학적 소양(역사·문화에 대한 인식) 등의 세 영역으로 구분하였다.
또한 각 문항별로 선택의 이유(문항에 대한 의견)를 기술할 수 있도록 하였고, 수업에 관한 의 견이나 느낀 점을 자유롭게 기술할 수 있도록 자유응답형 서술형 문항을 설문지 하단에 별도로 추가하였다. 사전·사후 설문 결과의 주요 내용을 정리하여 제시하면 다음 <표 4>와 같다.
<표 4>에 나타난 결과를 요약하고 그 의미를 논의해 본다. 표에 제시된 바와 같이 사전·사 후 반응을 비교해 보면, 본 연구에서 개발한 수업 자료를 적용 후 수업에 대한 흥미도 및 이해 도, 논리적 사고 및 문제해결력, 인문학적 소양 등의 세 영역 모두에서 비율이 전반적으로 높아 짐으로써 학생들의 반응이 긍정적으로 변화됨을 확인할 수 있다. 특히, 논리적 사고 및 문제해 결력 영역의 평균 비율(89.29%)이 나머지 영역에 비해 높게 나타났다. 그러한 반면에 설문 14 번의 피지컬 컴퓨팅 플랫폼과 모형 거북선의 통합을 통해 과학-기술-사회 간에 유기적으로 밀 접한 관계가 있음에 대한 질문에 대한 반응은 타 문항에 비해 다소 낮은 경향(62.5%)이 나타났 다. 이는 거북선의 역사 및 사회적 영향 등에 대한 배경 설명 없이 실험·실습을 진행한 결과 로 판단되며 향후 이에 대한 교육적 효과를 증진시킬 수 있는 방안 모색이 필요함을 시사한다.
[그림 16]은 수업에 참여하고 있는 학생들의 모습이다.
[그림 16] 아두이노 기반의 구동 회로 구성 및 완성된 모형 거북선 동작 실험
![[그림 15] 학생 활동지와 수업 과정안 나. 특성화고 교사의 평가 본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 플랫폼 기반의 모형 거북선에 대한 실제 수업에서의 교육 적 유용성을 확인코자 특성화고 전기·전자·통신 계열 전문교과 교사로부터 질문지를 통해 평 가를 받았다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5177190.348709/21.808.141.671.138.491/활동지와-특성화고-연구에서-거북선에-수업에서의-유용성을-확인코자-교사로부터.webp)
