스토리텔링기반 3D 모델링 수업을 통한 컴퓨팅 사고력 신장 연구

Ⅰ. 서 론

2016년 1월 다보스 세계경제포럼에서 처음 언급된 4차산업혁명은 제조업과 ICT기술의 융합을 통한 생산성 혁명의 시대로 글로벌 산업구조에 상당한 변화를 가져올 것으로 보인다[1]. 대표적인 예로 제조업 혁신을 들 수 있는데, 3D 프린터의 대중화는 제2차 산업혁명부터 보편화 된 ‘소품종 대량생산’의 틀을 깨고 누구나 상상하는 바를 기업, 가정, 학교에서 생산할 수 있는 시스템을 제공하게 된다.

한편, 일자리 측면에서 5년 내 세계적으로 500만 개의 일자리가 사라질 전망이며[2], AI와 로봇의 결합은 육체노동 뿐 아니라 지식 노동의 많은 부분까지 일자리에 위협을 줄 것으로 예상된다. 하지만 미국과 영국은 미래 고용 시장에서 컴퓨터과학, IT 관련 직업군에서 일자리 수요가 증가할 것으로 전망하고[3]-[4], 차세대 미래를 이끌고 나가게 될 어린 학생들의 IT 교육 기회를 늘이는 노력을 하고 있다[5]-[6]

제4차 산업혁명시대의 제조업의 혁신을 이룰 3D프린팅 기술은 산업 현장에서 가장 주목을 받고 있는 기술로 해마다 3D 프린터의 사용자가 늘어나고 있다. 교육 현장에도 3D 프린터의 보급은 지속적으로 증가하여 관련 수업사례들이 발표되고 있다[7].

영국은 2013년 Design & Technology 과목을 신설하여 만 5~16세 학생들에게 3D 프린팅 교육을 실시하고 있으며[8], 미국은 2013년부터 NSTA(National Science Teacher Association)에서 초등학교 교육을 위한 3D 프린터를 개발하고, 3D 프린터를 활용한 교육 프로그램을 보급하고 있다. Gartner(2016)는 미래교육에서 활용될 첨단과학기술을 소개하였는데, 이 중 3D프린터의 교육적 활용에 대한 관심은 현재 관심 상승기에 있는데 곧 관심 절정기를 지나 본격적이고 실용적인 개발 단계를 거칠 것으로 예측하였다[9].

선행연구 분석을 통해 3D 프린터를 활용한 교육에 대한 연구가 아직 시작 단계이지만, 최형신(2014)은 교수학습도구로서 3D 프린터의 가능성은 다음과 제시하였다[10].

첫째, 아이디어를 모델링하고 실체화해 봄으로써 추상적 개념의 실제적 활용 가능성을 높일 수 있다.

둘째, 3D 모델링 과정에서 알고리즘기반의 디자인 씽킹 경험을 갖게 된다.

셋째, 소프트웨어와 하드웨어를 통합하는 피지컬 컴퓨팅 교육에서 이미 있는 재료를 사용하는데 제한되지 않고 3D 프린팅으로 학습자가 직접 제작한 하드웨어를 활용할 수 있다.

이외에도 수학의 공간지각력 향상에 기여하고 공학교육 측면에서의 성과를 얻을 수 있으며 학생들의 흥미를 유발한다는 측면에서도 긍정적인 효과가 있다[11].

한편 3D 프린터에 대한 국내외 연구를 살펴보면 교육보다는 3D 프린터 자체의 기술과 활성화 에 대한 연구가 주를 이루고 있으며[12], 일부 3D 발명품 제작, 초등교과에 도입 목적의 3D 교육 프로그램 개발 연구가 수행되었다[13].

3D 프린팅 과정은 일반적으로 ‘모델링-프린팅-후처리’ 단계로 나눌 수 있는데, 기존의 연구나 수업사례는 주로 ‘프린팅’을 활용한 교육에 초점을 맞추어 진행되었다.

교육적 활용의 예로, 최형신·유미리(2015)는 초등학교 5학년대상으로 상상, 창작, 놀이, 공유, 반추의 창의 디자인 모델(creative design spiral) 절차에 따라 틴커캐드를 활용한 ‘집 설계’ 프로젝트를 시범 실시한 후 긍정적인 학습자 반응을 얻었다[13]. 그리고 변문경 외(2015)는 3D 프린터를 학습에 활용하기에 적절한 연령과 연령별 특성을 알아보고자 학생과 성인 대상으로 2차시 분량의 수업을 실시 한 결과 학생 그룹이 성인 그룹보다 더 높은 과제가치, 자기효능감, 그리고 수업에 대한 만족도를 보이면서, 성인 그룹보다는 학생 그룹에서 3D 프린터 교육의 효율성이 더 높다는 것을 확인하였다[14].

따라서 컴퓨팅사고력을 고려한 3D모델링 프로그램의 개발 및 적용에 관한 본 연구는 가치가 있다고 할 수 있다.

Ⅱ. 본 론

2-1 컴퓨팅 사고력(computational thinking)

Wing(2006)이 21세기를 살아가야 하는 모든 사람이 갖추어야 할 필수 사고로 컴퓨팅 사고력을 발표하였다. 이것은 컴퓨터과학자들이 문제를 해결하는 사고과정을 의미하며 컴퓨터과학의 기본 개념과 원리에 기반하여 문제 해결, 시스템 설계, 인간 행동의 이해를 포함하는 추상적 사고 능력을 의미한다[15].

한편 CSTA(computer science teachers association)는 CT를 ‘컴퓨터를 사용할 수 있도록 문제를 공식화하기, 데이터의 논리적인 조직과 분석, 추상화를 통한 데이터 표현, 알고리즘 활용 자동화된 솔루션 개발, 최적화된 솔루션 구현, 솔루션의 일반화’로 조작적인 정의를 내렸다[16]. 그리고 영국의 CAS(computing at school)는 다음 [그림 1]과 같이 개념과 접근법으로 구분하였다[17].

Fig. 1.

The component of Computational Thinking

여러 학자 및 단체들에 따라 견해는 달리하지만 공통적으로 CT는 SW교육을 넘어 모든 교과에 적용할 수 있는 새로운 형태의 사고체계로서 추상화, 알고리즘, 문제분해, 논리, 알고리즘, 자동화, 일반화 등의 하위 사고능력을 포함하여 문제를 해결하는 능력이라 볼 수 있다.

본 연구에서는 컴퓨팅 사고력을 ‘문제의 구조를 분석 및 분해하여 공통적인 패턴을 찾아서 추상화하고, 논리적인 문제 해결 절차를 알고리즘으로 구안하며, 문제 해결의 과정으로 정의 한다.

2-3 틴커캐드(TinkerCAC)

틴커캐드는 웹기반 3D 모델링 도구 이다. 최형신·유미리(2015)는 Cubify Invent, Autodesk 123D Design, TinkerCAD, 3D Tin, OpenSCAD의 다섯 가지 모델링 소프트웨어를 분석한 결과 기본적인 오브젝트가 제공되고 학습 난이도가 낮은 틴커캐드가 3D 모델링을 처음 접하는 대상에게는 적합하다고 하였다[13]. 또한 교육적 활용 목적으로 틴커캐드는 웹기반 플랫폼 지원, 프리웨어, 한글 지원, 직관적인 UI 그리고 공유지원 등의 다양한 이점을 지니고 있다.

다음 [그림 2]는 틴커캐드의 인터페이스이다.

Fig. 2.

The interface of TinkerCAD

Ⅲ. 연구 방법

연구 수행은 위해 컴퓨팅사고력과 스토리텔링 요소를 반영한 3D 모델링 프로그램을 개발하였다.

3-1 프로그램 개발

3D 모델링 프로그램 개발에는 남녀노소 누구에게나 익숙한 ‘개미와 베짱이’ 이솝이화를 바탕으로 한 스토리텔링과 컴퓨팅 사고력의 2가지를 전략을 반영하였다. 즉, 개미와 베짱이 이야기에 등장하는 개미와 베짱이 두 주인공이 계절이 바뀜에 따라 필요한 물건을 직접 만들어 주는 목표를 제시하였다.

개미와 베짱이는 TinkerWorld라는 외딴 곳에 떨어지게 되었다. 학생들에게 주어진 과제는 개미와 베짱이를 도와 사계절의 변화에 필요한 물건이나 시설들을 만들어 주는 것이다. 이때 사용하는 도구가 바로 3D 모델링 틴커캐드이다.

Fig. 3.

The story of TinkerWorld

이러한 스토리텔링을 통해서 학생들도 친숙하게 3D 모델링 소프트웨어를 학습할 수 있다. 즉, 3D모델링을 위한 생활 속 소품 탐색 및 분석, 패턴발견, 도형 매칭 등의 과정 후 절차적인 모델링을 경험함으로써 여러분이 상상하는 모든 것을 직접 개발할 수 있는 능력을 배양할 수 있도록 하였습니다.

Table 1.

The content of 3D Modeling class

3-2 프로그램 적용

본 프로그램은 C 교육대학교 초등컴퓨터 과목을 수강하고 있는 2학년 57명에게 투입하였다. 모든 학생들은 스토리텔링과 컴퓨팅사고력을 기반으로 한 10차시의 3D모델링 수업을 받았다.

수업절차는 TMI의 3단계 모델에 따라서 수업을 실시하였다. 먼저 생각하기(think) 단계는 주변에 있는 사물의 관찰, 추상화, 문제분해를 통한 구상하기 활동과 3D 모델링 작업을 위한 틴커캐드의 도형을 연결하는 활동으로 구성된다.

다음 [그림 4 ]는 개미가 여름에 뜨거운 햇살을 피하기 쉼터를 만드는 프로젝트의 일부이다. 쉼터를 만들기 위해 실생활의 원두막을 관찰하고 추상화 하여 3D 모델링에 필요한 핵심 부분을 간추렸다. 이후 틴커캐드에서 구현을 위해 각 도형들을 분해한 후 연결하는 활동을 하였다.

Fig. 4.

The activity of thinking step

둘째, 만들기(make) 단계는 다음 [그림 5]와 같이 틴커캐드를 활용하여 실제 3D모델링 하는 활동이다. 틴커캐드에서 제공된 도형을 삽입, 수정, 결합 하는 과정을 통해 자신만의 원두막을 모델링하였다.

Fig. 5.

The activity of 3D modeling

끝으로, 개선하기(improve) 단계는 발표 및 공유를 통해 문제점을 찾고 발전하는 활동으로 구성된다. 각자의 작품을 커뮤니티에 업로드 한 후 발표한 후 동료의 피드백을 받고 수정하는 작업을 진행하였다.

Fig. 6.

The community of TinkerWorld

Ⅳ. 연구 결과

4-1 학생 작품

다음 [그림 7]은 베짱이의 쉼터를 모델링한 학생들의 작품의 일부이다. 모든 학생은 TMI 절차에 따라 동일한 모델링 작업을 수행했지만 각자의 창의성이 투영되어 다른 결과물을 도출해 내었다.

Fig. 7.

Student work for shelter

4-2 컴퓨팅 사고력 변화

사전·사후 컴퓨팅 사고력에 대한 인식 조사 결과는 다음 <표 2>와 같다.

Table 2.

Pre-Post computational thinking test

사전검사는 평균 3.37, 표준편차 0.63, 사후검사는 평균 4.34, 표준편차 0.79로 나타났으며, 대응표본 t검증 결과 검사 시기에 따라 통계상 유의미한 차이가 발견되었다(p<.05). 이것은 본 연구에서 활용한 3D 모델링 수업 프로그램이 컴퓨팅 사고력 인식 형성에 긍정적인 영향을 끼친 것을 의미한다.

이와 같은 결과는 아래와 같이 학생들의 반응에서도 확인되었다.

놀랍고 신기하다. 신기하고 3D 모델링이 매우 유용하다고 느꼈다.
세상이 정말 편리해진 것을 느꼈다. 필요한 것을 쉽게 만들 수 있었다.
생각했던 물건을 직접 분석하고 도형을 찾아 입체감 있게 만들었던 것이 인상적이었다.
입체로 상상하거나 만들 수 있어서 아주 재밌었다

Ⅴ. 결 론

본 연구는 예비교사를 대상으로 스토리텔링기반의 3D 모델링 활용을 통한 컴퓨팅 사고력 향상에 관한 연구를 수행하였다.

연구 결과는 다음과 같다.

첫째 사전-사후 컴퓨팅 사고력에 대한 인식을 조사한 결과 사후검사에서 통계상 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 3D 모델링에서 스토리텔링을 학습맥락을 제공하였고 본 프로그램은 컴퓨팅 사고력을 자연스럽게 습득하는 기회를 제공하였다.

둘째, 3D 모델링 활동은 학생들에게 능동적이고 다양한 교수․학습 경험을 제공하였다. 일방적으로 교수가 학생에게 전달하는 것이 아니라 학생 스스로 다양한 모델링 및 변형 등 자신만의 프로젝트를 수행하였다.

셋째, 학생들은 각자의 창의성을 바탕으로 다양한 3D 모델링 결과물을 산출해내었다. 이것은 하나의 과제를 다양한 관점으로 생각해보고 해결하는 과정에서 자신만의 새로운 관점을 추가할 수 있었다.

무엇보다도 본 연구는 3D프린팅에 대한 적절한 수업모델이 부족했던 학교 현장의 교사들에게 3D프린터 및 모델링에 대한 지식과 교수방법에 대한 이해를 넓힐 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대된다.

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