2021 STEAM 교사연구회 결과보고서

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2021 STEAM 교사연구회 결과보고서

2021. 11. 17

마포중학교

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“이 보고서는 2021년도 정부의 재원으로

한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

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목 차

1. 요약문··· 01

2. 서론··· 01

3. 연구 수행 내용 및 결과··· 02

가. STEAM 프로그램 개발‧적용 ··· 03

(1) 프로그램 개발 내용 ··· 03

(2) 프로그램 개발‧적용 결과 ··· 03

나. 성과 확산 및 실천 ··· 04

(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최 ··· 04

(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과 ··· 04

다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사 ··· 05

(1) 수혜학생 태도 조사 ··· 05

(2) 교원 만족도 조사 ··· 07

4. 결론 및 제언··· 08

[부록] 부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물(교수학습지도안, 교사용 참고자료, 학생용 활동지) ··· 11

부록2. 학생 산출물, 사진, 수업 영상, 성찰일지, 교사의견, 자체평가 결과 등 ··· 57

부록3. 회의록 ··· 61

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1. 요약문

본 프로그램은 AI, 재활용 프로젝트로 자원순환과 인공지능을 융합한 프로그램입니다. 쓰레 기의 무단투기와 함께 환경문제가 점점 가속화되지만 분리수거율도 낮고 재활용 선별기준 또 한 혼란스러운 상황을 만들기도 합니다. 이에 재활용 구분하는 기준에 대해 알아보고 인지한 기준에 따라 재활용품을 구분할 수 있는 인공지능을 만들어보고자 하였습니다. 학교에서 발생 될 수 있는 쓰레기의 종류를 예측해서 이미지로써 데이터화하고 수집한 데이터를 학습시켜 재 활용품을 구분하였습니다. 학생들은 전교생의 설문을 모아 학교에서 발생하는 쓰레기의 데이터 를 모았으며, 그 결과 캔, 종이, 페트병(라벨 없음), 페트병(라벨 있음), 비닐, 그 외 쓰레기 총 6 가지로 분류를 나누었습니다. 데이터의 오류를 줄이고자 모든 사진을 검토하고 재활용 데이터 를 모았으며, 높은 확률로 재활용품을 구분할 수 있는 정교한 인공지능을 만들어보고 지속적으 로 업데이트하였습니다.

인공지능 학습에 사용한 소스는 깃허브에서 데이터를 분류하는 오픈소스를 이용하였습니다.

해당 소스를 코랩(웹상의 주피터 노트북)에 넣어 학습시키고 모델로 저장하였으며, 저장한 모 델은 저전력 컴퓨터인 라즈베리파이에 옮겨 웹캠을 통해 재활용품을 인식하고 모니터를 통해 출력하였습니다. 학생들의 개선점 및 보완점에 따라 라즈베리파이 보관함(틀)도 만들어보면서 완성도를 높였습니다.

프로젝트를 진행하며 학생들이 분리수거의 중요성에 대해 인지하고 환경보호에 대해 다시 한 번 생각해보는 계기가 되었습니다. 활동을 마무리하며 학생들이 AI 이미지 분석을 이용하여 인공지능과 데이터 학습에 대한 관심과 이해가 높아지길 기대합니다.

2. 서론

◦ 다양한 교과 교원 간 융합을 바탕으로 현장 적합성 높은 STEAM 프로그램의 연구·개발 및 적 용을 통한 교원 협력 연구 역량 제고

- 서로 다른 교과 간 융합을 바탕으로 현장 적합성 높은 프로그램 개발

- 과목별 수업에 적용할 수 있는 ‘성취기준영역’에 따른 STEAM 프로그램 개발 - 자유학년제 또는 창의적 체험활동을 위한 STEAM 프로그램 개발

◦ STEAM 전문가의 협력연구를 통해 융합형 과학기술 협력 연구 환경 조성

◦ 해외 선진 융합형 교육 프로그램 발굴, 벤치마킹 및 국내 STEAM 교사연구회 우수 STEAM 프로그램 공유·확산

◦ STEAM 교사연구회에서 연구‧개발한 프로그램을 통해 학생의 실생활 문제해결력 체득‧함양

◦ STEAM 프로그램 평가 모델을 활용한 평가의 사전 및 사후 검사를 통한 효과성 검증

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3. 연구 수행 내용 및 결과

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 AI, 재활용 프로젝트!

(AI, Recycling Project) 선행

프로그램명 해당없음

학교급 중학교 대상 학년(군) 3학년

목표 수혜학생 수 3학년 전교생 156명

중심과목 기술 중심과목

성취기준 영역

[중학교 1~3학년] (4) 기술시스템 [중학교 1~3학년] (5) 기술활용

연계과목 과학 연계과목

성취기준 영역

[중학교 1~3학년] (7) 과학과 나의 미래 [중학교 1~3학년] (24) 과학기술과 인류 문명

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 1 사회(0.5) + 국어(0.3) + 과학(0.2) 2 3 정보(1.5) + 기술(1) + 국어(0.5) 3 3 기술(1.5) + 정보(1) + 과학(0.5) 4 3 기술(1.5) + 정보(1) + 국어(0.5) 5 1 과학(0.5) + 국어(0.5)

구분 수행 결과

교수학습지도안 개발 차시 총 11차시

수업 적용 기간 2021. 08. 23. ~ 2021. 11. 30.

(STEAM 수업) 수혜학생 수 마포중학교 156명(중학교 3학년 전체학생)

학생 태도검사

1차(사전) 검사 8월 17일, 3학년 전체 학생(156명) 실시완료 2차(사후) 검사 11월 30일(StarT 과제)

학생 및 교사 만족도조사 11월 30일(StarT 과제)

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가. STEAM 프로그램 개발‧적용

(1) 프로그램 개발 내용

- 본 프로그램은 자원순환과 인공지능을 융합한 프로그램임. 코로나 19 상황으로 배달음식 주문이나 온라인 쇼핑이 늘면서 쓰레기와 재활용품 발생량이 급격히 증가함. 쓰레기의 무 단투기와 함께 환경문제가 점점 가속화되지만 분리수거율도 낮고 재활용 선별기준 또한 혼 란스러운 상황을 만들기도 함.

- 이에 재활용 구분하는 기준에 대해 알아보고 인지한 기준에 따라 재활용품을 구분할 수 있 는 인공지능을 만들어보고자 함. 학교에서 발생될 수 있는 쓰레기의 종류를 예측해서 이미 지로써 데이터화하고 수집한 데이터를 학습시켜 재활용품을 구분하고자 함. 그리고 학습하 는 방법의 다양화를 통해 높은 확률로 재활용품을 구분할 수 있는 정교한 인공지능을 만들 어보고 지속적으로 업데이트하고자 함.

- 깃허브에서 데이터를 분류하는 오픈소스를 코랩(웹상의 주피터 노트북)에 넣어 학습시키고 모델로 저장하려함. 저장한 모델은 저전력 컴퓨터인 라즈베리파이에 옮겨 웹캠을 통해 재 활용품을 인식하고 모니터를 통해 출력하려고함. 필요에 따라 라즈베리파이 보관함(틀)을 구성할 수 있도록 활동을 구성함.

- 프로그램을 학습하며 학생들은 분리수거의 중요성에 대해 인지하고 환경보호에 대해 다시 한 번 생각해보고 AI 이미지 분석을 이용하여 인공지능과 데이터 학습에 대한 관심과 이해 가 높아지길 기대함.

(2) 프로그램 개발‧적용 결과

교수학습 지도안 개발

차시(시수)

프로그램명 프로그램 주제 운영

대상(학년)

완료 여부

개발 수업적용 학생수

1

우리 재활용 제대로 하고

있는거야?

정확한 재활용 분리수거 기준 알아보기

3학년 및 동아리

완료 완료 156

2~4 재활용 데이터 어떻게 수집할까?

분리수거 데이터 수집 및 분류

동아리 및 희망자

예정 완료 12

5~7

환경을 지키는 인공지능, 재활용품을

구분한다!

인공지능 학습 및 피지컬 컴퓨팅을 통한

출력!

완료 완료 12

8~10

재활용품 얼마나 높은 확률로 구분할 수 있어?

개선점 및 보완점, 더 정확하게 그리고

안전하게!

완료 완료 12

11 환경을 위한

우리의 다짐! 자원순환과 리사이클링

완료 완료 12

합계

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나. 성과 확산 및 실천

(1) 교사연구회 STEAM 행사 개최

회차 일시 장소 참석대상 주요내용

1차

‘21.10.20.

~ 21.10.22.

3층 과학실 앞 및 온라인 교내축제

소속학교 전교생 및 교원

- 더펄논 큰잔치 온라인 축제 활동으로 STEAM교육 확산을 위한 재활용의 중요성과 정확한 분리배출방법 캠페인 실시 - 제목 : 환경을 보호하는 움직임, 함께하는

분리수거 캠페인

2차 ‘21.11.15. 마포중 메이커스페이스

소속학교 학생 및 교원

- STEAM 성과발표회 실시

- 재활용품을 구분하는 인공지능 구현 및 StarT 프로젝트 진행과정 및 성과발표

(2) STEAM 교사연구회 간 상호 네트워크 컨설팅 결과

회차 일시 장소 참석자 상호 컨설팅 결과

1차 ’21.5.31.(월)

16:30~18:00 온라인 박승빈 교사(연구책임자) - 연구회 간 상호 컨설팅 내용 참고 2차 ’21.7.15.(목)

16:30~18:00 온라인 박승빈 교사(연구책임자) - 연구회 간 상호 컨설팅 내용 참고

3차 ’21.9.14.(화)

16:30~18:00 온라인 박승빈 교사(연구책임자)

- 개발중인 프로그램 소개 및 연구내용 공유 - Luma 대회 일정 안내

- StarT 오픈채팅방 개설요청

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다. STEAM 프로그램 적용 성과 분석 및 조사

해당 프로그램은 총 11차시로 구성되어있으며, 사전 태도 검사는 2학기 시작일인 8월 17일 에 실시하였다. 3학년 전체학생들을 대상으로 실시하였다. 1차시의 경우 3학년 학생들에게 수 업을 진행했으나 3학년 고입 관련 타이트한 교과수업시간 운영으로 현실적인 프로젝트 수행은 11월 기말고사 이후 전환기교육 시간이 여유가 있는 것으로 파악되었다. 이에 사업기간에 맞춰 활동을 수행하고자 동아리 학생들과 희망학생 총 12명으로 범위를 좁혀 StarT 프로젝트를 진 행하였다. 현재 동아리 학생들과 희망학생들의 STEAM 프로젝트 종료일은 11월 30일로 설정하 여 진행하고 있다. 11월 중순 기말고사가 마무리되고 3학년 전환기교육이 시작되면 사업수행 기간과는 별도로 3학년 학생들과 해당 수업을 진행할 계획을 가지고 있다.

(1) 수혜학생 학생 인터뷰 및 학습일지

가) 송00학생

동아리에서 “슬기로운 분리배출 생활 수업” 이란 교육을 참여하고 학습한 후, 이에 내용을 정리하는 과제를 진행했다. 수업의 내용 , OECD 국가 중 재활용을 잘하는 국가 2위인 대한민 국 우리나라의 재활용 수치는 86%로 알려졌는데 이는 분리수거 참여 비율이지 실질적인 재활 용률은 약40%도 안된다. 분리수거를 제대로 하는 방법을 알아봐야겠다. 평소의 환경문제에는 시큰둥하게 반응했던 나이다. 환경에 대한 걱정이 조금이라도 생긴 것 같다. 사실 걱정이 아니 라 인간의 무한한 호기심인 것 같기도 하다. 환경보호라는 명분 아래에 재활용에 대해 더 파헤 치고 알아보고 생각해보고 논의해보고 싶다.

나) 강00학생

프로젝트를 들어가며 가장 먼저 어떻게 해야 사람들이 쓰레기 분리수거를 하게 할 수 있을 지 논의했고, 재활용의 인식이 어떤지를 친구들에게 들어본 결과 재활용이 너무 귀찮다는 의견 이 많았다. 대부분은 분류하기 귀찮다는 쪽이였는데 그래서 재활용을 도와주는 로봇에 관련된 이야기가 나오기 시작한 의미있는 프로젝트의 스타트였다

우리는 학교에서 가장 잘 발견되는 쓰레기는 매점에서 가장 잘 팔리는 식품의 포장지나 캔, 플라스틱일 확률이 매우 높다고 판단하고 전교생의 반이 약간 안되는 학생들을 대상으로 실시 한 설문조사 결과 대략 6~7가지의 식품들이 선정되어 자료 수집에 활용되었다. 실제로 배치할 인공지능에 착오가 생기면 여러 가지로 귀찮기 때문에(예:종이를 찍었는데 캔이라 나온다는 등) 여러 가지 오류들을 사전에 방지하면서 여러 가지 상황들을 만들어 사진 찍어 자료로 인공 지능이 학습하게 했다. 이 정도 데이터량이면 웬만한 쓰레기도 구분할 수 있을 것이다. 설마 이것도 구분못하진 않겠지?라는 생각을 하며 이제 수집도 했으니 이제 본 게임인 인공지능만 남았다.

오늘은 학교에 등교하여 선생님과 함께 라즈베리파이에 인공지능 모델을 넣는 방법을 배웠 다. 너무나도 어려웠고 이게 한국어인지 외계어인지 모르겠는 말의 연속이였다. “이 명령어는 우리가 저장한 ~에 대한 값을 저장한 것입니다.” 등등 코딩에 대한 기초적인 지식과 바탕을 알 고 가는 날이었다.

그리고 라즈베리파이의 틀도 설계했다. 라즈베리파이가 설치될 위치를 한 번 보고 온 다음,

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그 곳의 상황에 맞춰 수없이 고민하며 많은 이의도 제기하며(용훈이가 중간에 질릴 정도로) 장 양배 선생님의 도움도 받으며 실제로 이 설계도를 바탕으로 틀이 짜여진다고 하고 실제로 보 니 와..이게 되네? 진짜 신기하다...라는 생각이 들었다.

다) 권00학생

처음으로 만난 우리 팀은 가장 먼저 어떻게 해야 사람들이 쓰레기 분리수거를 더 잘 시킬 수 있을지 고민의 고민을 거듭했다. 결국 우리는 “쓰레기 분리수거를 도와주는 기계를 만들면 도움이 될 것이다.” 라는 결론에 도달하고 그렇게 어떠한 기계를 만들 것인지, 무엇을 어떻게 만들것인지 등 여러 가지 우리같은 학생이 가장 기본적인 현실적인 어려움을 딛고도 만들 수 있는 것들을 세밀하게 정리하는 시간을 가졌다. 우리는 학교에서 가장 잘 만들어질 쓰레기는 매점에서 가장 잘 팔리는 음식의 쓰레기일 확률이 매우 높다고 판단하고 전교생의 과반수를 대상으로 실시한 설문조사 결과 대략 7가지의 식품들이 선정되어 빅데이터 수집에 활용되었다.

실제로 배치할 인공지능에 착오가 생기면 안되기 때문에 여러 가지 오류들을 사전에 방지하는 겸 여러 가지 상황들을 만들어 사진 찍어 빅데이터로 인공지능이 학습하게 했다. 이 정도 데이 터량이면 웬만한 쓰레기도 구분할 수 있을 것이다. 많은 데이터들을 수집하다 보니 용량이 부 족할까 염려도 했지만 그럴 일은 없다고 하니 안심이 되기도 했다. 이제 수집도 했으니 이것들 을 구분시키고 판단할 인공지능만 있으면 된다!

학교에 등교하여 선생님과 함께 라즈베리파이를 작동법법을 배웠다. 간단하지만 명료한 설명 에 코딩에 대해 쉽게 이해할 수 있었다. 또한 우리의 분류 기계에 사용될 라즈베리파이의 작동 방식과 “이 명령어는 이러한 수행 과정을 거쳐 이렇게 작동됩니다!” 등등 코딩과 컴퓨터 언어 에 대한 기초적인 지식을 알게 되었다. 또한 라즈베리파이의 틀도 설계했다. 라즈베리파이가 설치될 위치를 한 번 보고 온 다음, 그 곳의 실정에 맞춰 ‘어떤 구도가 더 편리한가?’, ‘어디에 설치해야 사람들이 더 많이 이용할까?’ 등을 수없이 고민하면서 설계도를 작성했다. 실제로 이 설계도를 바탕으로 틀이 짜여지고 분류 기계가 만들어진 것을 보니 굉장히 뿌듯하고 짜릿했다.

라) 김00 학생

재활용물품 사진 데이터 수집에 관한 의견을 적극적으로 이야기했으며 학생들을 대상으로 매점물품 수요조사하는 설문지 및 QR코드를 만들어 나갔다. AI에 공부하고 알아가면서도 생각 보다 AI는 단순하면서도 많이 복잡한 형태를 뒤고 있다는 것을 알게 되었다. 라즈베리파이를 활용하는 것부터 코드를 불러와 하나하나 분석해 보는 거까지 되게 재밌는 수업이었다. 앞에 친구들이 촬영한 데이터들로 이 정밀하고 교묘한 코드로 이루어진 AI에 데이터들이 저장되서 작동하며 사람들을 놀래킬 생각을 하니 정말 기대된다. AI를 활용한 정보통신 기술을 활용한다 는 것이 나의 진로인 정보통신분야에도 도움이 되고 좋은 경험이 될 것 같다.

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(2) 교원 만족도 조사

가) STEAM 프로그램 수업의 만족도

연번 내용 평균점수

1 교육과정과의 연계성 4.25

2 주제 및 소재의 참신성 4.5

3 첨단 과학과의 연계성 4.75

4 사례 중심의 실생활 활용 4.75

5 교재 구성 내용 4.25

6 학생활동 중심의 학생 흥미 유발 4.5

7 관련 과학기술에 대한 학생 흥미 유발 4.75

8 관련 과학기술 직업에 대한 학생 관심 유발 4.5

총평균 4.53

전체적인 STAEM 프로그램 수업의 만족도는 총 평균 4.53점으로 첨단 과학과의 연계성, 사례 중심의 실생활 활용, 관련 과학기술에 대한 학생 흥미유발 부분에서 4.75점으로 높은 점수가 나타났다. 난이도에 대한 분석 결과 전체 프로그램(수업)의 난이도는 익숙하지 않은 인공지능에 대한 전문 컴퓨팅언어가 포함되어 난이도가 높다고 판단하였으며, 시간부족에 대한 어려움이 큰 부분을 차지했다고 의견이 모아졌다. STEAM 수업 준비과정에서는 실제 수업에서의 창의적 설계 과정과 학생활동에 대한 평가 부분이 프로젝트 준비 중 어려웠던 부분으로 확인되었다.

나) STEAM 교육의 효과

연번 내용 평균점수

1 STEAM 교과목에 대한 흥미도가 증가하였다 4

2 해당 중심 교과목 내용에 대한 이해도가 증가하였다 4.25

3 창의적인 사고력 및 설계 능력이 증진되었다 4.50

4 융합적 문제해결능력이 향상되었다 4.75

5 실생활에서 수업시간에 배운 내용을 활용하는 능력이 향상되었다 4.50

6 수업시간에 학생들의 능동적인 참여가 활발해졌다 3.5

7 이공계 분야의 진로에 관심이 향상되었다 4

8 타인을 배려하고 협력하며 소통하는 능력이 증진되었다 4.75

총평균 4.28

전체적인 STEAM 교육의 효과는 총 평균 4.28점으로 융합적 문제해결능력 향상과 타인을 배려하고 협력하며 소통하는 능력 향상이 4.75점으로 높은 점수가 나타났다. 반면 수업시간에 학생들의 능동적인 참여 부분에서는 3.5 점으로 낮은 점수를 나온 것으로 보아 학생들의 능동적인 참여면에서 부족한 부분이 있었다고 판단된다.

학교 현장에서 ‘STEAM 수업’을 성공적으로 실행하기 위한 아래의 요건 중에서 가장 중요하게 생각하는 요인으로는 ‘STEAM 교육을 장려하는 교육 풍토 조성’ ‘STEAM 교육을 성공적으로 실시하기 위한 체계적인 지원체계’ 가 주된 의견으로 모아졌다.

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다) 시범적용 피드백

1) 가장 흥미있었던 수업주제 및 활동으로는 ‘수집한 데이터를 활용하여 인공지능을 학습시 키는 활동’, ‘재활용품을 데이터를 수집하는 과정’, ‘AI를 학습시키는 과정(데이터 분류 및 정리)’ 이었다.

2) 프로그램에서 추가되었으면 하는 활동으로는 ‘수업 이후 지속가능성에 의한 학생들의 감 성적 체험’, ‘AI 활용과 관련된 다양한 접근 방법에 대한 탐구활동’, ‘프로젝트를 마친 후, 학 생들이 프로그램에 관심을 가지고 동기 부여할 수 있는 감성적 체험’ 의 의견들이 있었다.

3) 시범 적용하신 프로그램에 대한 문제점, 개선점, 수정보완 사항은 아래와 같다.

- 의견1) 학생들과 함께할 수 있는 절대적인 시간이 필요. 단순히 수업시간만으로 구현하기 어려운 점들이 있으나, 코로나 상황이나 학원, 개인 사정으로 인한 참여가 아쉬운 부분이 있었습니다. 이를 극복하기 위해서는 학생들에게도 무언가 학원수강보다 더 중요한 메리 트가 필요합니다. 멀리 본다면, 결국 STEAM교육은 수능에 반영이 되지 않죠... 이를 극복 할 수 있는 것은 결국 입시제도의 변화가 아닐까 생각해봅니다.

- 의견2) 학생들이 STEAM 융합 교육과정에 대한 이해의 폭을 더 넓히고 창의적인 사고력이 좀 더 많이 발현될 수 있도록 주제를 선정하고 계획하는 노력을 통해 스스로 학습하고 자 기주도적인 활동이 가능하도록 하면 더 좋을 듯합니다.

- 의견3) 프로그램이 진행된 시기에 학생들이 가장 신경 쓰고 중요하게 생각한 것이 시험 준비 및 고등학교 진학이었습니다. 프로그램이 수업 시간에 구현하기에는 시간이 부족할 수밖에 없는데, 자율동아리 학생들은 학원 및 개인적인 일정으로 함께 모여서 프로그램을 진행하는데 현실적인 어려움을 가졌습니다. 학생들의 능동적인 참여를 이끌어 낼 수 있는 방안을 생각해봐야할 것 같습니다.

4. 결론 및 제언

가. 교사연구회의 전체 회원 사이의 협력적 활동 내용

1) 본 교사연구회는 총 4명으로 과학, 기술, 국어 교사로 구성되어 있음.

2) AI 재활용 프로젝트는 자율동아리 학생들을 중심으로 활동이 이루어져 학생들이 주도적으 로 프로젝트를 이끌어가되 각 교과에 맞춰 개별적인 피드백활동을 진행함.

3) 환경문제가 프로젝트의 시작을 이뤘던만큼 프로젝트를 준비하며 환경에 대한 인식과 재활 용 분리수거의 중요성에 대해서 교사연구회 안에서도 다시금 생각할 수 있는 계기를 가짐.

4) 프로젝트를 운영하면서 이미 알고 있는 인공지능에 대한 지식 외에도 심화적인 인공지능 학습이 요구되는 상황이 발생함. 교사연구회 선생님들도 인공지능 학습에 대해 많은 회의 를 진행하고 연구함. 관련 분야 전문가를 초빙하여 학생 특강을 운영하면서 학생들과 함께 심화적인 지식을 기르며 STEAM 수업 역량을 증진시킴.

나. 교사연구회 참여를 통한 STEAM 프로그램 개발·적용 관련 좋았던 점과 어려웠던 점

1) 학생 등교주간이 짧아지고 3학년 고입에 따른 교과수업시수 부족으로 인한 연결된 프로젝 트 활동을 진행하는데 어려움이 있었음.

2) 융합인재교육 프로그램 적용방법으로 ‘팀티칭을 통한 융합교육수업 및 협동학습 기반 프

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로젝트 학습’을 생각하며 구성하였는데 학생들 간의 온라인 모둠활동이 어려운 부분이 있 음. 온라인에서도 모둠활동이 잘 이루어질 수 있도록 방법을 모색하고 있음.

3) 현재 코로나 상황에 맞추어 전면 융합교육 프로그램을 전면 원격화하여 구성하는 부분에 있어 새로운 도전이 될 것이라 생각됨.

다. 기타 사항 및 시사점

1) STEAM 전문가의 협력연구를 통해 융합형 과학기술 협력연구가 가능한 연구 환경을 조성 하는데 이바지함.

2) 교사연구회 운영을 통한 STEAM 교육의 인식 및 연구역량이 제고됨.

3) STEAM교육 프로그램 적용을 통한 학생들의 창의성 및 문제해결능력 신장됨.

4) 다양한 교과 지식과 기술, 경험 등을 융합적으로 활용할 수 있는 능력 함양 및 실생활의 문제 를 해결하고 감성적 체험을 통해 자신감을 갖고 미래 사회를 준비할 수 있는 계기를 마련함.

5) 프로그램 적용 후 학생들이 자원순환과 리사이클의 중요성에 대해서 인지하고 환경보호를 생각하는 방향에 있어서도 스스로 경각심을 가지고 생활하는 계기가 되었으면함.

6) 실생활과 연관된 문제를 AI 이미지 분석을 활용하여 해결하면서 인공지능과 데이터 학습 에 대한 관심과 이해가 높아졌으면함.

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주 의 문

1. 본 연구의 주장이나 제언은 연구진의 견해이며, 한국과학창의재단의 공식 입장이 아닙니다.

2. 이 보고서 내용을 대외적으로 공개하거나 발표할 때에는 반드시 한국

과학창의재단과 사전에 상의하여야 합니다.

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[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

프로그램 명: AI, 재활용 프로젝트!

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

연번 차시 (중심과목)

2015 개정 교육과정 성취기준

(연계과목) 성취기준 영역

1 1/11

(사회)

[9사(지리)10-03] 생활 속의 환경 이슈를 둘러싼 다양한 의견을 비교하고, 환 경 이슈에 대한 자신의 의견을 제시한다.

(국어) [중학교 1~3학년]

(1) 듣기·말하기

2 2~4/11 [9정02-02] 인터넷, 응용 소프트웨어 등을 활용하여 문제 해결을 위한 자료를 수집하고 관리한다.

(기술) (4) 기술시스템

3 5~7/11 [9기가04-15] 정보 기술 시스템의 각 단계별 세부 요소를 이해하고 정보의 통 신 과정을 구체적으로 설명한다.

(정보) [중학교 1~3학년]

(4) 프로그래밍

4 8~10/11 (기술)

[9기가04-04] 제조 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐 색하고 실현하며 평가한다.

5 11/11

(과학)

[9과24-02] 과학을 활용하여 우리 생활을 보다 편리하게 만드는 방안을 고안 하고 그 유용성에 대해 토론할 수 있다.

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2. STEAM 프로그램 총괄표(총 11차시)

차시 주요내용

1 /11

주제(단원)명 우리 재활용 제대로 하고 있는거야?

-정확한 재활용 분리수거 기준 알아보기-

◎ 전체 프로젝트 안내하기

Co ◎ <문제상황> 분리수거 기준 도대체 어떤 것이 맞는 거지?

CD ◎ 재활용(분리수거)의 문제점 생각해보기

◎ 나만의 기준으로 쓰레기 분리수거 하기 ◎ 환경부에서 알려주는 분리수거 기준 알아보기

ET ◎ 올바른 분리수거 기준 활동 정리

2~4 /11

주제(단원)명 재할용 데이터 어떻게 수집할까?

-분리수거 데이터 수집 및 분류-

Co ◎ 전체 프로젝트 안내하기

CD ◎ (StarT 과제) 시놉시스 작성하기

◎ (StarT 과제) 콘티 작성하기

◎ 데이터에 넣을 분리수거 물품 선정하기

◎ AI, 높은 확률로 분리수거 물품을 구분하게 하려면?

◎ 재활용품 이미지 데이터 수집하기

ET ◎ 학습데이터(분류별 사진) 정리하기

5~7 /11

주제(단원)명 환경을 지키는 인공지능, 재활용품을 구분한다!

-인공지능 학습 및 피지컬 컴퓨팅을 통한 출력!-

CD ◎ 이미지를 구분하는 AI 플랫폼, Colab

◎ 인공지능을 담을 소형 컴퓨터, 라즈베리파이!

CD ◎ 인공지능 데이터 학습시키기

ET ◎ 학습시킨 인공지능 정확도 테스트 샘플링!

8~10 /11

주제(단원)명 재활용품 얼마나 높은 확률로 구분할 수 있어?

-개선점 및 보완점, 더 정확하게 그리고 안전하게!-

ET ◎ 개선점 및 보완점 생각해보기

CD ◎ [확장] 라즈베리파이 하드웨어 틀(집) 만들기!

◎ [확장] 데이터 수집의 양을 늘려보자!

◎ [확장] 추가한 데이터를 포함하여 인공지능 재학습!

◎ 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션 준비

◎ 프리젠테이션 시 유의사항 안내

11/11

주제(단원)명 환경을 위한 우리의 다짐!

- 자원순환과 리사이클링 -

ET ◎ 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션

◎ 우리 사회를 변화시키는 자원순환과 리사이클링

ET ◎ 환경을 위한 우리의 다짐!

◎ 환경과 함께하는 직업 - 폐기물 재활용 전문가

(17)

학습

과정 교수-학습 활동 학습자료

및 유의점

도입 (5 분)

· 정보, 과학, 기술, 국어, 사회, 수학의 성취기준을 활용한 스팀프로그램으로, 활동 을 통해 학생들이 인공지능 교육을 이해하고 실생활에서 활용할 수 있는 능력을 기르고자 한다.

· AI를 이용하여 이미지를 학습시키고 내가 분류하고자 하는 것을 AI가 분석하여 분류할 수 있도록 하는 프로젝트가 진행될 것임. 원하는 결과를 얻기 위해선 AI를 이용하여 이미지를 학습시키기 위해 설계하는 방법을 고심해야 함을 사전안내한다.

[활동지 1p]

Tip! 모 든 활동을 함 께 수행하 지만 각 역 할에 있어

중심과목 사회 학교급/학년(군) 중학교/3 학년 및 동아리

중심과목 성취기준

영역

[중학교] (10) 환경 문제와 지속가능한 황경

[9사(지리)10-03] 생활 속의 환경 이슈를 둘러싼 다양한 의견을 비교하고, 환경 이슈 에 대한 자신의 의견을 제시한다.

주제(단원)명

우리 재활용 제대로 하고 있는거야?

-정확한 재활용 분리수거 기준 알아보기-

차시 1/11

학습목표

· 문제 상황을 분석하여 재활용이 잘 안되는 이유에 대해 생각해볼 수 있다.

· 분리수거와 생활 속의 환경 이슈를 둘러싼 다양한 의견을 이해할 수 있다.

· 분리수거의 방법과 그 의미를 이해할 수 있다.

· 모둠원과 의미 공유 과정을 통해 지역별, 업체별로 다른 분리수거 공통 기준을 표현할 수 있다.

· 인터넷을 활용하여 문제 해결을 위한 자료를 수집할 수 있다.

연계과목 국어 연계과목

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] (1) 듣기·말하기 STEAM

요소 S T

E 환경부에서 알려주는 분리수거 기준 알아보기 A 올바른 분리수거 기준 알아보기

M

개발 의도

분리수거율이 떨어지며 환경 문제가 가속화되고 있음. 여러 가지 재질이 혼합되어 있어 분리수거가 쉽지 않은 경우도 있고 분리수거 기준을 잘 알지 못해 발생하는 문제들도 있 음. 이에 재활용품 구분기준에 대해 구체적으로 알려주고자 본 차시를 개발함.

쓰레기 처리 문제는 과거에서부터 지금까지 꾸준히 제기되는 문제임. 점점 분리수거율이 떨어져 환 경 파괴 문제도 함께 발생하고 있음. 여러 가지 재질이 혼합되어 있어 분리수거가 쉽지 않거나, 분리 수거 기준을 잘 알지 못해 발생하는 문제도 발생함. 또한 분리수거가 잘 이루어지지 않아 분리수거 업 체에서 쓰레기 수거를 거부하는 일도 종종 일어남. 일반주택가에서 나오는 분리배출은 각 지방자치단 체에서 처리하지만 재활용 선별기준이 조금씩 바뀌고 있어서 혼란을 주기도 함.

이에 본 차시에서는 학생들에게 재활용품 구분기준에 대해 구체적으로 안내해주려고 함. 그리고 학생들 이 알고있는 재활용품 구분기준을 활용하여 다음차시 인공지능에게 학습시킬 데이터를 수집해보고자 함.

STEAM 학습 준거

상황 제시 상

황 제 시

◎ 전체 프로젝트 안내하기

◎ 분리수거 기준 도대 체 어떤 것이 맞는 거지?

창 의 적 설 계

창의적 설계

◎ 올바른 분리수거 기준 활동 정리

감 성 적 체 험

◎ 나만의 기준으로 쓰레기 분리 수거 하기

감성적 체험

(18)

◎ 환경을 지키는 인공지능, 재활용품을 구분한다!

· 영상자료를 통해 분리수거와 관련한 생활 속 환경 이슈를 파악한다.

· 영상자료 제시 후 프롤로그 글을 함께 읽어보고 쓰레기 처리의 문제, 분리수거 기준의 문제를 파악하고 이번 시간에 다룰 활동들을 예고한다.

◎ 팀명과 역할분담하기

- 역할은 총감독, 하드웨어 엔지니어링팀, 소프트웨어 엔지니어링팀, 영상제작팀, 작가팀으로 나누어지도록 구성한다.

팀장이 주 도 적 으 로 이끌어간다 는 부분을 명시함.

[활동지 p2]

전개 (37 분)

Co ◎ 분리수거 기준 도대체 어떤 것이 맞는 거지?

· <문제 상황>을 통해 학생들이 알고 있던 분리수거 기준이 맞지 않는 상황이 종 종 발생하여 당황했던 경험을 이끌어낸다.

· <문제 상황>을 통해 최근 발달하고 있는 AI 기술을 도입하여 분리수거 기준을 재정비할 수 있음을 지도한다.

· 생각 쑥쑥 활동 ①을 통해 분리수거의 의미를 진지하게 생각해 볼 수 있도록 한다.

· 생각 쑥쑥 활동 ②를 통해 학생들이 분리수거를 하면서 자신의 기준에 맞지 않 아 당황했던 경험을 서로 간에 공유하여 실생활과 밀접한 문제 상황을 자연스럽게 습득할 수 있도록 한다.

· 생각 쑥쑥 활동 ③을 통해 분리수거가 잘 이루어 지고 있는지 되돌아 보고 환경 문제의 심각성을 깨달을 수 있도록 지도한다.

◎ 재활용(분리수거)의 문제점 생각해보기

- 재활용이 잘 안되는 부분에 있어 문제점을 3개의 키워드로 작성해보도록 지도한다.

CD ◎ 나만의 기준으로 쓰레기 분리수거 하기

· 제시된 12가지 사진은 학생들이 분리수거 가능 여부를 판단하기에 혼란스러워서 할 수 있는 생활 쓰레기 사진이다. 사진을 해석하는 학생들 마다 분리수거가 가능 한지 여부를 다르게 판단할 수 있다.

· 학생들이 생활 속에서 습득하여 알고 있는 분리수거 기준을 도입하여 자신만의 기준으로 12가지 생활 쓰레기를 분류해보도록 한다.

· 분리수거가 가능하지 않은 생활 쓰레기의 이유를 학생들 나름대로 적어봄으로써 자신의 생각을 정교화할 수 있도록 한다.

◎ 환경부에서 알려주는 분리수거 기준 알아보기

· 분리수거를 하지 않고 쓰레기를 매립할 경우 심각한 환경 파괴 문제가 발생됨을 인지시켜 분리수거의 중요성과 의미를 알 수 있도록 지도한다.

· 환경부의 분리수거 기준을 보고 ‘나만의 기준으로 스레기 분리수거 하기’ 활동에 서 다룬 12가지 사진을 정확한 분류 기준을 바탕으로 다시 분류하도록 한다. 제시 된 자료에 있지 않은 더 구체적인 자료는 인터넷을 이용하여 학생들이 스스로 찾 아보고 구체적인 분류 기준을 파악할 수 있도록 한다.

[활동지 p3]

[활동지 p4]

[활동지 p5~p6]

[활동지 p7]

정리 ( 3 분)

ET ◎ 올바른 분리수거 기준 활동 정리

· 분리수거가 가능한 쓰레기와 그렇지 않은 쓰레기를 분류하여 효율적인 재활용을 통해 환경을 보호할 수 있음을 알게 한다.

· 여러 가지 주변의 환경 이슈에 대해 자신의 의견을 표현할 수 있는 자세를 가질 수 있도록 한다.

(19)

중심과목 정보 학교급/학년(군) 중학교/3 학년 및 동아리

영역

[중학교 1~3학년] (2) 자료와 정보 중심과목 성취기준

[9정02-02] 인터넷, 응용 소프트웨어 등을 활용하여 문제 해결을 위한 자료를 수집하 고 관리한다.

주제(단원)명 재할용 데이터 어떻게 수집할까?

-분리수거 데이터 수집 및 분류- 차시 2~4/11

학습목표

· 과학기술과 환경 문제를 연관 지어 이해할 수 있다.

· 학교 구성원의 수요조사를 통해 분리수거가 잘 안되는 물품을 파악할 수 있다.

· 토의에서 의견을 교환하여 인공지능 학습데이터에 넣을 분리수거 물품을 선정할 수 있다.

· 학습데이터(분리수거 물품 사진) 수집 계획을 세울 수 있다.

· 인공지능 학습에 필요한 자료를 수집할 수 있다.

· 높은 확률로 분리수거 물품을 구분하기 위한 전략을 세울 수 있다.

· 문제 해결을 위한 다양한 방법과 절차를 탐색하고 표현할 수 있다.

연계과목 기술 연계과목

성취기준 영역 [중학교 1~3 학년] (4) 기술시스템

STEAM 요소

S 학습데이터(분류별 사진) 정리하기

T 데이터에 넣을 분리수거 물품 선정하기

AI, 높은 확률로 분리수거 물품을 구분하기 위한 전략 세우기 E 시놉시스, 콘티 작성하기

A 재활용품 이미지 데이터 수집하기 M

개발 의도

본 차시는 환경문제의 심각성을 인지하고 정확한 재활용품 분리 기준에 대해 정리한 내용 을 생각하며 시작됨. 재활용의 문제점을 해결하기 위해 인공지능을 활용할 것인데, 인공지 능을 활용하기 위해서는 학습할 데이터가 필요함. 기본 데이터를 설정하기 위한 데이터 물품 선정, 데이터 수집 시 주의사항 체득, 데이터 수집, 데이터 정리가 순차적으로 이루 어질 수 있도록 해당 차시를 개발함.

상황 제시

상 황 제 시

◎ 전체 프로젝트 안내 하기

창 의 적 설 계

◎ 학습데이터(분류별 사진) 정리하기

감 성 적 체 험

◎ (StarT 과제) 시놉시스, 콘티 작 성하기

감성적 체험

(20)

학습

및 유의점

도입 ( 5 분)

· 환경문제의 심각성을 인지하고 정확한 재활용품 분리 기준에 대해 정리한 내용 을 생각하며 이번 차시가 이루어질 수 있도록 한다. 재활용의 문제점을 해결하기 위한 프로젝트가 시작됨을 안내한다.

전개 (115 분)

CD ◎ (StarT 과제) 시놉시스 작성하기

· StarT 과제는 최대 3분의 영상을 제작해야 한다. 영상의 시나리오를 작성하면서 재활용의 문제점을 어떻게 해결할지 생각해볼 수 있도록 지도한다.

· 학생들의 시놉시스 작성 목표는 1) 사람들이 재활용을 편리하게 할 수 있도록 인공지능을 활용한다. 2) 재활용이 잘 될 수 있도록 독려한다.

· 시놉시스를 작성하며 기획 및 의도, 등장인물, 전체 줄거리를 작성하며 구체화할 수 있게 지도한다.

◎ (StarT 과제) 콘티 작성하기

· 시놉시스를 바탕으로 영상의 콘티를 작성하도록 지도한다. 콘티가 구체적일수록 영상촬영시간이 짧아짐을 강조한다.

· 처음부터 모든 데이터를 수합할 수 없기 때문에 학습할 데이터를 좁혀주는 과정 이 필요하다.

· 우리 학교에서 보이는 재활용이 가능한 쓰레기의 종류를 파악할 수 있도록 지도한다.

· 각 물품과 종류, 특징, 재활용 시 고려할 사항을 적어보며 분석할 수 있도록 지 도한다.

· 데이터로 수합할 분리수거 물품을 선정하면 사진 데이터를 어떻게 수집할 것인 지 계획을 세울 수 있도록 안내한다.

◎ AI, 높은 확률로 분리수거 물품을 구분하게 하려면?

· 인공지능에 학습시켜주는 방법에 따라 인공지능이 물품을 구별할 수 있는 확률 이 달라진다. 재활용품을 높은 확률로 구분해내기 위한 아이디어를 수집할 수 있 도록 브레인스토밍 활동을 안내한다.

◎ 재활용품 이미지 데이터 수집하기

[활동지 p8~p9]

[활동지 p10]

[활동지 p11~p13]

Tip!

데이터 수합 시에

온라인 설문지를 활용하면 단시간

안에 효과적인 데이터를 얻을 수

있다.

[활동지 p14]

정리 (15 분)

ET ◎ 학습데이터(분류별 사진) 정리하기

· 수집한 데이터를 모으고 분류하는 과정은 학습데이터 정리에 있어 필수적이다.

· 학습할 데이터의 범주를 분류하고(클래스 분류) 범주에 맞춰 폴더를 만든다.

· 대용량의 사진들을 저장하기 위해 구글드라이브의 폴더를 이용할 수 있도록 독 려한다.

[활동지 p15]

Tip!

이후 인공지능

플랫폼 코랩 활용시에도 구글드라이

브 자료를 연동하여 활용할 수

있음.

(21)

중심과목 기술 학교급/학년(군) 중학교/3 학년 및 동아리 중심과목

성취기준 영역

[중학교 1~3 학년] (4) 기술시스템 중심과목 성취기준

[9기가04-15] 정보 기술 시스템의 각 단계 별 세부 요소를 이해하고 정보의 통신 과 정을 구체적으로 설명한다.

환경을 지키는 인공지능, 재활용품을 구분한다!

-인공지능 학습 및 피지컬 컴퓨팅을 통한 출력!-

차시 5~7/11

학습목표

· 정보 기술 시스템의 각 단계별 세부 요소를 이해할 수 있다.

· 정보통신기술과 관련된 문제와 해결방안을 알 수 있다.

· 인공지능 플랫폼 활용 방법과 절차를 탐색하고 실행할 수 있다.

· 라즈베리파이를 활용하여 인공지능학습 모델을 실행시킬 수 있다.

· 학습시킨 인공지능 정확도 테스트 샘플링을 진행하며 정확도를 수치로 자체평가할 수 있다.

· 문제 해결을 위한 다양한 방법과 절차를 탐색하고 표현할 수 있다.

연계과목 정보 연계과목

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] (4) 프로그래밍

STEAM 요소

S

T/

E

◎ 이미지를 구분하는 AI 플랫폼, Colab

◎ 인공지능 데이터 학습시키기

◎ 학습시킨 인공지능 정확도 테스트 샘플링!

A M

개발 의도

인공지능에 학습할 데이터가 수집되면 인공지능 모델에 학습을 시켜야함. 본 차시에서는 인공 지능 학습을 시킬 수 있는 코랩이라는 플랫폼을 이용하여 데이터를 분류하는 오픈소스를 가 져올 것임. 데이터를 분류하는 인공지능 모델에 수집한 재활용 사진데이터를 넣어서 모델을 학습시키고 학습시킨 인공지능 모델을 구현하기 위해 소형 컴퓨터인 라즈베리파이를 활용하 고자 함. 마지막으로 학습시킨 인공지능을 정확도 샘플링하며 학생들이 성취감을 느낄 수 있 도록 구성함.

상황 제시

상 황 제 시

창 의 적 설 계

◎ 학습시킨 인공지능 정확도 테스트 샘플링!

감 성 적 체 험

◎ 이미지를 구분하는 AI 플랫폼, Colab

◎ 인공지능 데이터 학습시키기

감성적 체험 학습

및 유의점

도입 ( 5 분)

· 이번 차시에서는 분류한 학습데이터를 이용하여 인공지능을 학습시키는 활동이 진행된다. 익숙하지 않은 인공지능 플랫폼을 접하는만큼 활동지를 잘 숙지하며 수 업이 이루어지도록 지도한다.

전개

(115 분) ^CD ◎ 이미지를 구분하는 AI 플랫폼, Colab [활동지

(22)

· 코랩은 설치가 필요없는 클라우드에서 실행되는 무료 주피터 노트북이다. 최대 12시간 동안 한번에 학습이 가능하며 구글드라이브와 깃허브 연동을 통해 코드 테스트가 가능하다는 것을 안내한다.

· 코랩으로 이미지학습하는 방법에 대해 활동지를 보며 설명한다.

· 코랩에서 연동시킨 깃허브의 오픈소스는 전이학습을 이용한 데이터 분류 프로젝 트이다. 해당 프로젝트는 다음과 같은 과정이 포함되어 있다.

- 사전에 학습된 ResNet50 모델 사용!

- 나만의 데이터셋 적용해보기 - 완전 연결계층 수정

- 코랩을 이용하여 적용 - 라즈베리파이로 이용해보기

· 모든 과정이 마쳐지면 개인 구글드라이브에 model.zip 이란 파일이 만들어지면 성공한다는 것을 안내한다.

· 라즈베리파이는 저전력 싱글보드 컴퓨터이다. 신용카드 크기의 소형 컴퓨터여서 외부에 설치하기에 용이하다.

· 라즈베리파이에 코랩에서 학습시킨 모델을 넣어서 구동시킨다는 것을 안내한다.

· 프로젝트에 필요한 준비물은 라즈베리파이, HDMI 선, 모니터, 웹캠(or 카메라 모 듈), 마이크로SD카드, SD 카드리더기, 전원 어뎁터, 키보드, 마우스이다.

· 라즈베리파이 소형컴퓨터를 세팅하기 위해서는 아래와 같은 설치과정이 필요하다.

- 라즈베리파이 운영체제(라즈비안) 설치

[라즈베리파이] 설치와 초기 설정 가이드(09:52) https://www.youtube.com/watch?v=5Lu4Pnl1w8E 라즈베리파이ㅣ 아주베리이지(입문편) PDF 참고 가능(무료다운 가능)

참고자료 출처 : 캠스톤몰-CNDI - 라즈베리파이 한글설정

라즈베리파이#3 || 한글 설정하기(13:33) https://www.youtube.com/watch?v=sUr9ivMK80A 참고자료 출처 : 공대선배 - 라즈베리파이 카메라설정

라즈베리파이4 #7 || 웹캠 스트리밍(19:47) https://www.youtube.com/watch?v=HEEullyoVW8 참고자료 출처: 공대선배 - 코랩모델 파일 업로드

라즈베리 파이(Raspberry Pi) 스왑 기능과 실습. IoT 를 배우자!!!(06:36) https://www.youtube.com/watch?v=inq2iRiuMEo 출처 : 보안프로젝트

CD ◎ 인공지능 데이터 학습시키기

· 인공지능의 데이터를 학습시키고 웹캠 앞에서 물건을 돌려보면서 재활용품을 잘 인지하는지 확인한다.

p16~17]

Tip!

학생들이 코랩과 라즈베리파

이 활동을 진행할 때 교사의 수업 에

맞춰 활동지를 참고하며 차근차근 따라올 수

있도록 천천히 진행한다.

[활동지 p17~18]

정리 (15 분)

ET ◎ 학습시킨 인공지능 정확도 테스트 샘플링!

· 인공지능의 정확도를 자가테스트한다.

· 인식을 잘 못하는 순간을 찾아보고 개선점에 대해 생각해본다.

· 학생들이 개선방안을 생각할 때 두가지 측면에 초점을 맞추도록 유도한다.

1) 백그라운드 고정방법을 위한 개선방안 2) 많은 데이터를 수집하기 위한 방안

[활동지 p20]

(23)

중심과목 기술 학교급/학년(군) 중학교/3 학년 및 동아리 중심과목

성취기준 영역

[중학교 1~3 학년] (4) 기술시스템 중심과목 성취기준

[9기가04-04] 제조 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.

재활용품 얼마나 높은 확률로 구분할 수 있어?

-개선점 및 보완점, 더 정확하게 그리고 안전하게!-

차시 8~10/11

학습목표

· 라즈베리 하드웨어 틀의 필요성을 인지하고 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현할 수 있다.

· 인공지능을 활용하여 문제 해결을 위한 추가 자료를 수집할 수 있다.

· 듣기와 말하기 과정을 통해 의미를 공유할 수 있다.

· 실생활 문제 해결을 위해 다양한 경우의 수를 활용하여 인공지능을 설계하고 비교할 수 있다.

· 생활 속 문제를 찾아 아이디어를 구상하고 창의적으로 해결할 수 있다.

· 재활용품을 구분하는 인공지능 프로젝트 전 과정을 정리하며 프리젠테이션을 준비할 수 있다.

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] (1) 듣기·말하기

STEAM 요소

S

T/

E

라즈베리파이 하드웨어 틀(집) 만들기!

데이터 수집의 양을 늘리기!

추가한 데이터를 포함하여 인공지능 재학습!

A 인공지능 재학습을 위한 토의과정

재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션 준비 M

개발 의도

재활용품을 정확히 구분하기 위해서는 균일한 배경(백그라운드)가 필요함. 동일한 목적으로 라즈베리파이의 웹캠이 균일한 백그라운드를 촬영하기 위해서는 틀이 필요함. 틀을 만들며 라 즈베리파이 소형컴퓨터와 웹캠을 보호하는 차선의 목적도 함께 구현해보며 산출물을 보완하 는 과정을 위해 해당차시를 개발함. 또한 재활용품의 인식 오류가 되는 부분에 있어 데이터의 양을 늘려서 재학습시키면서 인공지능 모델을 보완해보려함. 하드웨어, 소프트웨어 두 방면에 서 개선된 정교한 인공지능 모델을 만드는 차시가 진행될 것임.

상황 제시

상 황 제 시

창 의 적 설 계

◎ 추가한 데이터를 포함하여 인공지능 재학습!

◎ 재활용품을 구분하 는 인공지능 프리젠테 이션 준비

감 성 적 체 험

◎ 라즈베리파이 하드웨어 틀 (집) 만들기!

감성적 체험

(24)

학습

및 유의점

도입 (5 분)

· 전 차시 학생들이 생각한 두가지 개선방안인 백그라운드 고정방법과 많은 데이 터를 수집하기 위한 방안을 해당차시에서 해결해볼 것임을 안내한다. 학생들의 생 각이 충분히 구현될 수 있도록 유도하며 수업을 진행한다.

전개 (95 분)

ET ◎ 개선점 및 보완점 생각해보기

CD ◎ [확장] 라즈베리파이 하드웨어 틀(집) 만들기!

· 백그라운드를 고정하고 라즈베리파이 컴퓨터와 웹캠(카메라)를 보호하기 위해 라 즈베리파이 하드웨어 틀을 만들고 어떤 구조가 좋을지 생각해보도록 한다.

· 교사는 학생들이 브레인스토밍하며 충분한 토의가 있을 수 있도록 조력한다.

· 학생들이 설계할 때 손쉽게 도면을 제작할 수 있도록 BOXES.PY 사이트와 사용 법을 안내한다.

· BOXES.PY는 레이저 커팅기로 박스를 만들 수 있는 손쉬운 도면 제작프로그램이다.

* BOXES.PY 링크 : https://festi.info/boxes.py/

* 사용법 매뉴얼 링크 : https://2dmake.net/23

· 학생들이 라즈베리파이 집(틀)을 간단히 스케치하고 틀을 정면도와 등각투상도로 그려볼 수 있도록 지도한다.

· 많은 데이터를 수집하기 위해서는 데이터의 수집 방법에 대한 홍보가 필요하다.

재활용품 이미지 데이터를 수집하기 위한 홍보방법을 구상할 수 있도록 지도한다.

ET ◎ [확장] 추가한 데이터를 포함하여 인공지능 재학습!

· 추가로 데이터를 수집하면 구글데이터셋에 넣고 분류한다. 그리고 데이터를 코랩 으로 옮겨 학습모델을 새로 생성한다. 새로 생성된 학습모델은 라즈베리파이에 넣 고 웹캠으로 확인해볼 수 있도록 안내한다.

[활동지 p21]

[활동지 p22~24]

Tip! 데이터 수집 후에는

정교한 데이터를

위해서 데이터의

선별 (오류데이터

제거)할 수 있도록 안내한다.

[활동지 p25]

정리 ( 35

분)

ET ◎ 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션 준비

· 학생들이 설계한 인공지능을 소개할 수 있도록 활동지에 구성된 내용을 중심으 로 프리젠테이션을 준비할 수 있도록 한다.

◎ 프리젠테이션 시 유의사항 안내

· 활동지에 작성된 프리젠테이션TIP을 안내하며 학생들이 발표연습에 집중할 수 있도록 충분히 시간을 줄 수 있도록 한다.

[활동지 p26]

(25)

중심과목 과학 학교급/학년(군) 중학교/3 학년 및 동아리

영역

[중학교] (24) 과학기술과 인류문명 중심과목 성취기준

[9과24-02] 과학을 활용하여 우리 생활을 보다 편리하게 만드는 방안을 고안하고 그 유용성에 대해 토론할 수 있다.

주제(단원)명 환경을 위한 우리의 다짐!

- 자원순환과 리사이클링 - 차시 11/11

학습목표

· 과학기술과 환경 문제의 관계를 이해하고, 과학의 유용성에 대해 알 수 있다.

· 인공지능 기술이 현대인의 삶에 미치는 영향에 대해 이해하고 과학 기술의 바람직한 활 용 방안을 생각할 수 있다.

· 과학을 활용하여 우리 생활을 보다 편리하게 만드는 방안을 고안하고 그 유용성에 관해 생각할 수 있다.

· 생활 속 다양한 환경 이슈에 대한 자신의 의견을 제시하고 작성할 수 있다.

성취기준 영역 [중학교 1~3학년] (1) 듣기·말하기

STEAM 요소

S 우리 사회를 변화시키는 자원순환과 리사이클링 환경과 함께하는 직업 - 폐기물 재활용 전문가 T

E

A 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션 환경을 위한 우리의 다짐!

M

개발 의도

모둠별로 개발한 인공지능을 다른 친구들에게 대해 소개하고 설명하는 프리젠테이션은 학습 한 내용의 정리이자, 학생들에게 성취감을 줄 수 있는 과정이 될 것이라 생각하여 본 차시를 구성함. 이후 환경을 위한 우리의 다짐과 환경과 함께하는 직업을 소개해주면서 진로와 직업 에 대해서도 생각을 열어주며 본 프로젝트를 정리하고 마무리하려함.

상황 제시

상 황 제 시

창 의 적 설 계

◎ 재활용품을 구분하 는 인공지능 프리젠 테이션

◎ 환경을 위한 우리 의 다짐!

감 성 적 체 험

감성적 체험

(26)

학습

및 유의점

도입

( 5 분) ^Co ◎ 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션 준비

전개 ( 30 분)

ET ◎ 재활용품을 구분하는 인공지능 프리젠테이션

· 우리가 설계한 인공지능을 준비한 내용에 맞춰 자신감 있게 소개하며 발표할 수 있도록 지도한다.

· 친구들의 발표를 들을 때 경청하며, 발표 모둠의 좋은 점과 아쉬운 점을 함께 생 각해볼 수 있도록 안내한다.

· 다른 모둠의 프리젠테이션을 보고 가장 잘 되었다고 생각하는 모둠을 선택해보 고 선택한 모둠과 우리 모둠의 발표자료를 비교하여 개선점을 찾아보도록 지도한 다.

◎ 우리 사회를 변화시키는 자원순환과 리사이클링

· 자원순환의 의미에 대해 설명해주고 자원순환은 폐기물 발생 자체를 어떻게 줄 이느냐에 포인트가 있다는 부분을 우리가 학습한 내용과 연계하여 생각해볼 수 있 도록 한다.

ET ◎ 환경을 위한 우리의 다짐!

· 환경을 위한 나의 다짐을 3가지 적을 수 있도록 지도한다.

· 지도 후 자신의 이름과 서명을 함으로써 책임감을 가질 수 있도록 지도하고 해 당사항을 꼭 지킬 수 있도록 독려한다.

[활동지 p27]

[활동지 p28]

정리 ( 10 분)

◎ 환경과 함께하는 직업 - 폐기물 재활용 전문가

· 폐기물 처리와 관련된 일이 하나의 산업으로 발전하였다는 것은폐기물 처리 공 정이 전문화 기계화되었다는 것을 의미한다.

· 해당 직업을 가지려면 어떤 역량을 길러야할지, 인공지능을 활용한다면 어떤 부 분에 도움이 될지 생각해볼 수 있도록 지도한다.

◎ 동료평가와 자기평가 실시

· 평가기준에 맞춰 동료평가와 자기평가를 실시한다.

[활동지 p29]

[활동지 p30]

(27)

4. 학생활동지 / 학생참고자료

AI, 재활용 프로젝트!

팀명

역할 학번 / 이름

총감독

하드웨어 엔지니어링팀

소프트웨어 엔지니어링팀

영상제작팀

작가팀

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프롤로그

환경을 지키는 인공지능, 재활용품을 구분한다!

쓰레기 처리 문제는 과거에서부터 지금까지 꾸준히 제기되는 문제입니다. 점점 분리수거율이 떨어져 환경 파괴 문제도 함께 발생하고 있습니다. 여러 가지 재질이 혼합되어 있어 분리수거 가 쉽지 않거나, 분리수거 기준을 잘 알지 못해 발생하는 문제도 발생합니다. 그리고 분리수거 가 잘 이루어지지 않아 분리수거 업체에서 쓰레기 수거를 거부하는 일도 종종 일어납니다.

일반주택가에서 나오는 분리배출은 각 지방자치단체에서 처리합니다. 하지만 재활용 선별기준 이 조금씩 바뀌고 있어서 혼란을 주기도 합니다. 재활용품을 구분하는 기준을 명확하게 알고있 다면 분리수거율을 높일 수 있지 않을까요? 본 프로그램에서는 여러분들에게 재활용품 구분기 준과 재활용품을 구분할 수 있는 AI에 대해 알려주고자 합니다. 자 그럼, 인공지능의 세계로 함께 들어가볼까요?

영상자료 : https://youtu.be/w4KMk5mA9jE

▶ 여기서 우리는 다음과 같은 활동을 할 수 있습니다.

· 모둠원과 의미 공유 과정을 통해 분리수거의 물품분류기준을 알 수 있다.

· 생활 속 문제를 찾아 아이디어를 구상하고 창의적으로 해결할 수 있다.

(29)

생각열기

· 문제 상황을 분석하여 분리수거의 기준이 다름을 이해할 수 있다.

· 분리수거의 방법과 그 의미를 이해할 수 있다.

· 모둠원과 의미 공유 과정을 통해 분리수거의 물품분류기준을 알 수 있다.

활동지, 컴퓨터(스마트폰 or 스마트패드 가능)

<문제 상황> 분리수거 기준 도대체 어떤 것이 맞는 거지?

‘철민아 재활용 하고 오자~’ 엄마의 이야기 를 듣고 게임을 하다가 나온 철민이는 엄마 와 함께 쓰레기를 분리하기 시작했다. 비닐 은 비닐대로, 종이는 종이대로, 플라스틱은 플라스틱대로 나누던 중 엄마가 ‘햇반 플라 스틱은 재활용이 되지 않아.’ 라고 하셨다.

철민이는 혼란스럽기 시작했다. ‘같은 플라 스틱인데 왜 분리수거가 왜 안될까?’ 그리고 동시에 누가 재활용 좀 대신해줬으면 하는 마음이 들기 시작했다. 요즘 인공지능이 발 달한다는데, 이런거 분리해주는 인공지능은 없을까?

생각 쑥쑥!

① 분리수거는 왜 해야 하는 것일까요?

② 재활용품을 분리수거할 때, 분리수거가 안 된다고 해서 당황했던 경험이 있으면 적어봅시다.

③ 우리 집은 분리수거를 언제하나요? 우리 집의 분리수거는 잘 이루어지고 있나요?

(30)

재활용(분리수거)의 문제점 생각해보기

J 재활용이 잘 안되는 원인에 대해 생각해봅시다. 재활용이 잘 안되는 부분에 있어 문제점을 3개의 키워드로 작성해보고 해당 키워드를 작성한 이유에 대해 한 문장으로 작성해봅시다.

번호 키워드 작성한 이유를 한 문장으로!

1

2

3

MEMO

(31)

나만의 기준으로 쓰레기 분리수거 하기

생각 쑥쑥!

① 위 사진에서 제시된 물건을 내가 생각하는 재활용 기준에 맞춰 분리해보세요.

② 위에 제시된 물건 중 재활용이 안 되는 물건은 무엇이 있을까요? 왜 그렇게 생각했나요?

① ② ③ ④

⑤ ⑥ ⑦ ⑧

⑨ ⑩ ⑪ ⑫

(32)

환경부에서 기준에 맞춰 분리수거 물품 구분하기

생각 쑥쑥!

① 환경부의 기준에 맞추어 분리수거가 안되는 물품을 적어보고 분리수거가 안되는지 이유를 모둠원과 토의하여 작성해봅시다.

물품

번호 물품명 분리수거가 안되는 이유

② 내가 새롭게 알게된 재활용품인 척 하는 쓰레기는 무엇인가요? (2가지 이상 작성해주세요)

(33)

[읽기자료] 환경부에서 알려주는 분리수거 기준 알아보기

최근 코로나 19상황으로 배달음식 주문이나 온라인 쇼핑이 늘어나면서 일회용품 사용이 증 가하여 쓰레기와 재활용품도 급격히 증가하고 있습니다. 쓰레기를 분리수거 하지 않고 무작정 매립할 경우 다양한 환경 파괴 문제가 일어납니다. 매립할 경우 일반적으로 종이는 2~5개월, 플라스틱은 50년 이상, 병과 캔 등은 100년 이상 되어야 썩어서 없어진다고 합니다.

분리수거의 기준이 계속적으로 바뀌기도 하고 물건에 따라서 모호한 부분이 있어 분리수거 가 가능여부를 우리가 쉽게 판단하지 못하는 경우가 생깁니다. 이로 인해 분리수거가 올바르게 되지 않아 환경 문제가 발생하고 있습니다.

그렇다면 우리가 복잡한 분리수거 기준을 정확히 인지한다면, 환경보호에 조금 더 가가갈 수 있을 것입니다. 아래의 그림은 환경부에서 제시하는 분리수거의 기준입니다.