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공학 실무 현장에서 문제해결 역량이 중요해짐에 따라 공학 설계 교과목의 중요성이 점차 커지고 있다. 또한, 공학교육 인증제의 확산으로 공학교육에서 종합적인 공학 실무 역량을 확보할 수 있는 설계교육이 차지하는 비중이 커지고 있는 실정이다. 공학설계교과목의 특징은 다음과 같다.

첫째, 한국공학교육인증원 KEC 인증기준의 프로그램 학습 성과 및 평가의 설계 교과목 기본 요건에 따르면 공학 분야에서 제한된 요구 조건하에서 구성요소와 시스템, 공정을 설계하고, 구현할 수 있는 능력은 학생들이 사회 진출 전에 갖추어야 할 핵심 사항이므로 설계 목표 설정에서부터 합성, 분석, 제작, 시험 및 평가에 이르기까지 체계적인 설계 교육이 이루어져야 한다고 제시하고 있다[10].

둘째, 공학 기초설계는 학습자들이 전공 지식을 접하기 이전에 공학 설계 일반에 관한 교과목이므로 설계에 대한 기초적이고, 전반적인 내용을 다루어야 하며, 실제 학생이 스스로 문제를 해결해 나가는 과정으로 구성되어야 한다. 이러한 공학 기초설계 교과목의 특성과 요건에 따라 팀 활동을 강조하는 교수-학습 방법으로 프로젝트 중심 수업(Project-Based Learning)과 문제 중심 수업(Problem-Based Learning)을 적용하는 사례가 증가하고 있다. 펜실베이니아 주립대학교에서는 공학 기초 설계 교과목 수업에서 프로젝트 중심 수업을 적용하여 소규모 팀이 함께 과제를 수행함으로써 설계 개선 능력을 습득할 수 있도록 하고 있다[11]. 또한, 오하이오 공과대학의 전공 수업에서는 문제 중심 수업을 적용하여 팀 학습을 통한 설계 경험을 기반으로 문제해결 역량을 습득할 수 있도록 교과목이 운영되고 있다[12].

이렇게 공학 설계 교과목에 팀 활동 중심 교수·학습 방법인 프로젝트 중심 수업과 문제 중심 수업을 활발하게 도입하면서 실제 수업을 설계하는 교수자나 수업에 참여하는 학습자의 어려움이 보고되고 있다[5, 13-15]. 예컨대, 교수자의 어려움은 팀 활동 중심의 수업 운영 전략 즉, 팀 학습 활동 시 학습자 지원 전략과 학습 환경 설계 전략 등을 수업에 적용하는 부분에서 발생할 수 있다. 또한, 학습자의 어려움은 개별적인 학습 유형이나 스타일에 따라 차이가 있으나 공통적으로 교수·학습 방법 자체에 대한 경험 부족으로 인한 어려움, 학습 활동 과정에서의 단계별 과제 수행의 어려움과 팀원들과 협력하여 결과물을 만들어내는 과정에서의 시간 부족 등을 토로하고 있다. 이에 따라 학습자들은 각 단계별 산출물에 대한 교수자의 즉각적인 피드백과 팀원들과 협업할 수 있도록 충분한 활동 시간을 요구하는 것으로 나타났다[14].

이러한 문제점을 해소하기 위해서는 교수자는 공학 설계 수업의 특성이 반영된 수업 설계와 운영을 통해 팀 중심 학습 활동을 지원함으로써 학습자의 학습 만족도와 학업 성취도 및 설계 역량은 높이고, 팀 학습 활동에서 발생할 수 있는 학생들의 어려움은 사전에 방지할 수 있는 구체적인 교수·학습 전략을 적용할 필요가 있다.

면대면 교육 환경에서도 공학 설계 수업에서의 팀 활동 운영에 많은 어려움이 보고되고 있으나 COVID-19로 인해 온라인 교육 환경에서의 팀 활동 운영은 더 많은 제약 사항이 나타날 수 있다. 온라인 교육 환경에서 팀 프로젝트 운영 사례를 분석한 선행연구들을 살펴보면 효과적인 설계 및 운영 전략에 대한 시사점을 찾을 수 있을 것이다. 실제 온라인 팀 프로젝트 수업을 운영한 사이버대학교 교수 대상으로 인터뷰를 진행한 선행 연구에서는[4] 교수자들이 공통적으로 생각하는 온라인 팀 프로젝트 운영의 성공 요인으로 팀 활동에 대한 교수자의 지도 및 독려, 팀원들 간 온·오프라인 상의 끊임없는 상호작용, 지속적인 팀 모니터링, 팀 프로젝트 진행에 대한 구체적이고 자세한 공지 제공, 결과물에 대한 상세한 피드백 제공 등의 교수학습 전략이 필요한 것으로 나타났다. 하지만 이러한 요인이 충족되어 온라인 팀 프로젝트의 수업의 긍정적인 효과가 나타난다고 하더라도 수강생이 상대적으로 많은 온라인 교육 환경에서는 교수자의 시간 투여가 크므로 수업 준비와 운영에 많은 부담을 느끼는 것으로 나타났다. 또한, 온라인 교육 환경에서의 효과적인 팀 프로젝트 학습 운영 프로세스로 팀 프로젝트 준비 단계, 팀 프로젝트 운영 단계, 결과물 보고 단계, 결과물에 대한 피드백 단계의 4단계로 운영하는 것을 제안하였다. 2021년 1학기 공대과목의 온라인 수업 운영 사례와 교수 성찰 내용을 분석한 선행 연구[16]에서는 팀별 화상 피드백 시간을 통해 학생들의 개별 실습 과정에 대해 보다 상세하고 즉각적인 피드백을 제공하는 것이 학생들의 프로젝트의 진행속도와 수준을 높아지게 한다는 결과를 보고하였다.

비대면 원격 팀 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 학습 경험을 분석한 선행 연구[17]의 결과를 살펴보면 학생들은 수업에 대한 개선사항으로 원격수업 상황에서 상호작용을 지원하는 도구, 체계적인 수업계획과 운영 등이 필요하다고 제안하였다. 따라서 비대면 원격 팀 프로젝트 수업의 성공적인 운영을 위해서는 온라인 환경을 고려한 프로젝트 설계와 온라인 협력학습을 위한 구체적인 실행 전략과 지원, 실시간 온라인 프로젝트 학습 과정에서 교수자의 즉각적인 모니터링이 필요하다는 것을 알 수 있었다.

또한 데이터베이스 설계 교과목에서 비대면 팀 프로젝트 수업의 운영 사례를 분석한 선행 연구[18]에서는 팀 프로젝트가 큰 비중을 차지하는 공학 설계 교과목이 효과적으로 운영될 수 있을지 우려감을 가지고 있었지만, 실제 운영 결과 실시간 화상 매체를 이용한 상호작용과 학습관리시스템(LMS)를 활용한 토론, 퀴즈, 질의응답 등의 기능을 활용하여 팀 프로젝트를 원활히 진행할 수 있었다는 사례를 보고 하였다. 그러나 오프라인 강의보다 많이 부과되는 과제와 온라인 강의 콘텐츠에 대한 이해 부족, 실시간 피드백 부족 등이 수업에 대한 학생들의 만족도를 떨어뜨리는 요인이 되므로 이러한 불만족 요소를 해소하는 방향으로 수업을 운영해야 한다고 제안하였다.

본 설문 및 인터뷰에 참여한 교수는 설계교과목의 필수과목으로 기초설계교과목인 창의적공학설계 교과목을 담당하는 3명과 종합설계교과목을 담당하는 2명으로 총 5명이 참여하였다. 설문 및 인터뷰에 참여한 교수자의 정보는 <표1>과 같다.

본 연구의 설문 조사는 창의적공학설계교과목을 수강생 80명(2분반) 중 61명의 학생이 참여하였다. 설문에 참여한 학생들의 기초 정보는 표2와 같다. 전체 참자 중 성별로는 남학생이 44명(72.1%), 여학생이 17명(27.9%)이였고, 학년별로는 2학년의 참여율이 47명(77%)으로 가장 높았다.

창의적 공학설계 교과목은 D대학교 사례로 15주 동안 온라인 환경에서 아두이노를 이용한 프로그래밍 및 간단 회로설계를 녹화영상으로 익히고 팀별로 지능형 인공지능 자동차를 디자인하고 제작하여 최종 결과물에 대한 온라인으로 시연하여 운영하였다.

교수자와 수강 학생을 대상으로 실제 수업 운영 현황에 대한 인식과 요구 조사를 하기 위하여 <표 3>, <표 4>와 같이 설문지를 구성하였다. 교수자 설문 문항은 <표 3>과 같이 담당 교과목과 강의경력을 묻는 기본정보와 온라인 팀프로젝트 수업과 관련하여 팀활동 방식, 사용한 온라인 플랫폼 종류와 요구 사항을 묻는 문항 등 총 6문항으로 구성하였다. 또한, 추가적으로 각 설문 항목에 대해 구체적인 의견을 듣기 위해 각 항목에 대한 인터뷰를 실시하였다.

학생 설문 문항은 <표 4>와 같이 성별, 학년에 대한 기본정보와 온라인에서 팀 프로젝트 수업과 관련하여 팀 활동 과정에서 사용한 플랫폼, 수업에 대한 만족도, 수업의 좋았던 점과 어려웠던 점, 온라인 팀 활동에서 어려웠던 점, 요구 사항 등 총 8문항으로 구성하였다.

본 설문 문항은 온라인 교육 전문가인 교육학박사 2명과 설계교과목 및 온라인 수업의 경험이 있는 공학박사 1명에게 검토를 받아 문항을 수정 및 보완하였다. 설문 결과는 SPSS 25.0을 사용하여 통계 분석을 하였다. 온라인 팀 프로젝트 수업에 대한 요구 분석은 서술형 내용에 대한 범주 분석과 빈도 분석을 병행하였다.

Fig. 1. 
Online Notice and Team Brainstorming Presentation Video

Fig. 2. 
Final result demonstration video

기초설계교과목인 창의적공학설계 교과목은 학습자들이 전공 지식을 접하기 이전에 공학 설계 일반에 관련된 교과목으로, 학생들에게 창의성의 개념과 창의적 사고과정을 교육하고, 창의성 사고를 바탕으로 도출된 기본적인 아이디어를 형상화하고 설계하여 관련된 도구를 가지고 제작한다. 팀활동에 대한 내용으로 <표 5>와 같이 1주차는 오리엔테이션과 5인 1조로 팀을 구성하고 2주차는 팀별 규칙을 설정하였다. 3주차에 브레인스토밍을 통한 팀빌딩을 진행하고 3~5주차에는 앱인벤터 등을 배운 내용과 사례를 팀별로 만들 볼 수 있는 기회를 제공하며 6주차에 팀별 브레인스토밍을 통해 모형 자동차의 기본 설계도 및 부속품 연결 구조도 작성한다. 7~11주차에는 Arduino, 마이크로컨트롤러 등의 IoT 실습을 실시하고, 12~13주차에는 팀별 프로젝트를 수행하고 학생들의 질의를 집중적으로 해결할 수 있도록 하였다. 마지막 15주차에는 최종 개발된 팀별 결과물의 시연을 LMS에 업로드하고 실시간 온라인 수업에서 결과물 시연을 공유하였다.

교수자들은 <표 6>과 같이 온라인 교육 환경에서 공학 설계 수업의 팀 활동을 위하여 학교 LMS(Learning Management System) 상 팀 활동, 실시간 질문을 위해서 ZOOM이나 Google Meet 등의 실시간 화상 시스템 등을 사용하였고 학생들에게 피드백을 제공하기 위해서 LMS 메시지, 카톡 또는 문자, 이메일, 실시간 질문을 위해서 ZOOM이나 Google Meet 등을 활용하여 학생들에게 피드백을 제공하였다.

학생들은 온라인 교육 환경에서 공학 설계 수업의 팀 활동을 위하여 SNS, 구글 클래스룸, SNS, ZOOM 등의 실시간 화상 시스템 등 다양한 플랫폼을 사용하였다. 온라인 팀 활동을 위해 효과적이라고 생각하는 운영 플랫폼으로 인터넷 카페 또는 밴드 등의 SNS(41.7%)가 가장 높은 비율로 나타났지만, 사용 빈도가 높았던 카카오톡 또는 문자(4.8%)는 소통의 효과성은 비교적 낮게 생각하는 것으로 나타났고, 학교 LMS (17.9%)와 실시간 화상 시스템(17.9%), 구글 클래스룸(16.7%)의 효과성을 높게 인식하고 있는 것으로 나타났다.

공학 설계 교과목의 온라인 환경에서 팀 프로젝트 수업에 대한 전반적인 만족도 및 온라인 팀활동과 교수자와 학습자 간의 의사소통에 대한 만족도를 조사한 결과는 <표 8>과 같다. 수업에 대한 전반적인 만족도와 온라인 팀 활동에 대한 만족도는 각각 평균 3.03과 3.02로 나타났고, 동료 학습자 및 교수자와의 온라인 의사소통에 대한 만족도는 각각 평균 3.18과 3.21로 나타났다.

공학 설계 교과목의 온라인 팀 프로젝트 수업과 관련하여 학생들이 좋았다고 생각한 부분이 무엇인지에 대해 서술형으로 응답한 내용을 분석한 결과는 <표 9>와 같다. 온라인 팀 프로젝트 수업에서 가장 좋았던 부분은 ‘강의 영상의 반복적인 시청이 가능하다(39.3%)’라는 점을 들었고, 다음으로는 ‘자유로운 시간과 장소에서 학습이 가능하다(21.3%)’는 점을 들었다. 이러한 현상은 일반적인 온라인 수업의 장점이 해당 온라인 팀 프로젝트 수업에서도 그대로 반영된 것으로 볼 수 있다. 또한 ‘팀 학습과 개별 학습의 조절이 가능하다(16.4%)’라는 점과 ‘핵심적인 강의 영상의 제공(13.1%)’을 좋았던 점이라고 응답하였다. 학생들은 온라인 교육환경에서 시간과 공간의 제약이 없다는 장점을 살려 팀 학습과 개별 학습의 조절이 가능한 점도 온라인 팀 프로젝트 학습의 장점으로 인식하고 있는 것으로 나타났다.

공학 설계 교과목의 온라인 팀 프로젝트 수업과 관련하여 학생들이 어려웠다고 생각한 부분이 무엇인지에 대해 서술형으로 응답한 내용을 분석한 결과는 <표 10>과 같다. 온라인 팀 프로젝트 수업에서 가장 어려웠던 부분은 ‘온라인 환경에서 팀 과제를 수행하는 것(37.7%)’과 ‘온라인상에서 팀원들과 의사소통하는 것(24.6%)’ 순으로 높게 나타났다. 다음으로 ‘강의 영상을 이해하는 것(19.7%)’과 ‘온라인상에서 교수자와 의사소통하는 것(18.0%)’을 어려웠던 점으로 들었다. 학생들은 직접 만나서 협력적 작업을 할 수 없는 온라인 환경에서 팀 과제를 수행하는 것과 수행 과정에서 동료 학생들과의 의사소통에 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다.

학생들이 가장 어려웠다고 이야기한 온라인 팀 활동에서는 특히 어떤 부분을 어려워하는지 세부적으로 살펴보기 위하여 학생들의 선택형 응답을 분석한 결과를 <표 11>과 같이 제시하였다. 프로젝트 수행 단계와 상관없이 학생들은 ‘온라인상에서 팀원들과 의사소통하는 부분이 가장 어려웠다(41.0%)’고 응답하였고, 프로젝트 단계 중에서는 ‘최종 결과물을 만들어내는 단계(23.0%)’와 ‘프로젝트를 계획하는 단계(18.0%)’를 가장 어려워했던 것으로 나타났다. 그다음으로 ‘팀 발표자료를 만드는 단계(8.2%)’와 ‘팀 주제를 정하는 단계(4.92%)’, ‘정보와 자료를 수집하는 단계(4.92%)’는 비교적 어려움을 느끼지 않는 것으로 나타났다.