융복합 과학교육 방법

머리말 ⅰ
목 차 ⅱ
표 차례 ⅷ
그림 차례 ⅷ

I. STEAM 교육의 정의

1. 왜 STEAM 교육인가? 3
2. STEAM 교육의 배경 5
3. STEAM 교육의 가치 6

II. 융복합과 통합

1. 융복합과 통합의 정의 17
가. 융복합 학습의 배경 17
나. 융복합의 개념 18
다. 통합의 개념 19
라. 융복합과 통합의 차이 19
2. 융복합과 통합의 방법 20
가. 내용의 융복합과 통합 20
나. 기능의 융복합과 통합 21
다. 방략의 통합 21
라. 과정의 통합 22

III. STEAM 교육의 이론

1. STEAM 교육의 수행 방법 25
가. 통합 STEM 교육의 특성 25
나. 설계기반 실험의 5가지 측면 30
다. STEM 교육의 주요 주제와 교수학습 방법 30
라. STEAM 교육의 학습모형 31
마. STEAM 교육의 제한점 40
2. 유의미 이론과 통합 STEAM 교육 41
가. 포섭의 종류와 의미 42
나. 통합 STEAM 교육과 유의미 학습 이론 44
3. 통합 STEAM 교육에서 활용될 수 있는 협동학습 46
가. 협동학습의 특성 46
나. 협동학습 모형 46
다. 협동학습을 위한 준비 51
라. 협동학습 과정에서의 교사의 역할 52
마. 협동학습에 대한 평가 53
바. STEAM 교육에 협동학습 활용하기 53
4. 과학과 교수학습이론과 STEAM 교육 56

IV. STEAM 교육 사례

1. 우리나라의 STEAM 교육 방향 63
2. 미국의 STEAM 교육 방향 66
가. 미국 정부의 정책 66
나. 기술공학 교육자 학회의 설계 기반 학습(Engineering by design) 67
다. MESA(Mathematics, Engineering, Science, Achievement) 68
라. National Science Foundation(NSF)의 STEM교육 68
마. Project Lead The Way(PLTW) 69
바. NASA 교육 프로그램 70
사. STEM 교육연합회(STEM Education Coalition) 70
3. 영국의 사례 71
가. 영국의 STEM 교육 관련 정책 72
나. 영국 STEMNET 72
다. 영국 STEM Club Network 73
4. 핀란드의 사례 73
5. 이스라엘 사례 75

V. 새로운 교육과정과 STEAM 교육 방향

1. 과학과 교육과정 개정의 배경 79
2. 2015 과학과 교육과정의 성격 82
3. 2015 과학과 교육과정의 목표 83
4. 2015 과학과 교육과정의 내용체계 84
5. 2015 과학과 교육과정의 교수학습 방향 92
6. 2015 과학과 교육과정의 평가 방향 94
가. 과학적 소양 강화 95
나. 과학의 통합교과적 성격 강조 96
다. 탐구 수업의 내실화 96
라. 교육과정 내용의 적정화와 구체화 97
7. 교육과정의 방향 및 방침 98
8. 외국의 과학교육 과정 동향 100
가. 미국의 과학 교육 동향 101
나. 일본의 과학 교육 동향 101
다. 핀란드의 창의적 인재 양성 정책 103

VI. 설계구현에 적합한 3D프린터

1. 3D 프린터의 역사 109
가. 3D 프린터의 등장 배경 109
나. 3D 프린터의 역사 109
2. 3D 프린터의 원리와 기초 기술 111
3. 3D 프린터의 발전 추세 112
4. 3D 프린터를 활용한 과학교육 113
5. 3D 프린팅과 오픈소스 114

VII. 스마트스쿨

1. 스마트스쿨의 정의 117
2. 스마트스쿨에서의 온라인 수업과 온라인 평가 119
3. 스마트스쿨의 구축 현황 120
가. 한국교육학술정보원의 미래학교 120
나. 세종시의 스마트스쿨 추진 현황 125
4. 향후 스마트스쿨 관련 정부의 방향 128
가. 예산의 부족으로 인한 당초 계획의 수정 128
나. 지역교육청과 민간 분야에서의 성과 128
5. 해외의 스마트스쿨 동향 129
가. 인텔의 스마트스쿨 전략 129
나. 구글의 스마트스쿨 전략 131
다. 해외의 스마트스쿨 제품 133
라. 해외의 스마트스쿨 경향 134
마. 스마트 분야에 대한 Gartner의 시장 예측 137
바. 사물 인터넷 137
6. 우리나라 스마트 교육의 흐름 139

VIII. 스마트스쿨을 위한 콘텐츠

1. 전통적인 교육용 콘텐츠의 현황 147
2. 사이버 가정학습 148
가. 사이버가정학습의 서비스 개념 148
나. 시․도별 사이버가정학습 사이트 운영 특징 149
3. 콘텐츠 적용된 표준화 내용 151
가. SCORM 콘텐츠 규격 152
나. IMS CC 표준화 규격 158
4. 디지털교과서 160
가. 디지털교과서 추진 현황 160
나. 디지털교과서 개발 현황 161
5. MOOC 173
가. MOOC의 역사와 등장 배경 173
나. MOOC 서비스 기관 174
다. 일본의 MOOC Schoo 180
라. 호주의 MOOC Open2Study 181
마. 영국의 MOOC Future Learn 183
바. 우리나라의 MOOC 184

IX. 스마트스쿨을 위한 소프트웨어

1. 우리나라의 소프트웨어 교육 187
가. 소프트웨어 교육 방향 187
나. 초중등의 SW 교육 187
다. 스크래치의 교육적 활용 방안 188

X. 오픈소스하드웨어

1. 오픈소스 하드웨어(OSHW)의 정의 203
가. 오픈소스 하드웨어(OSHW) 원칙 1.0 203
나. 오픈소스 하드웨어(OSHW) 정의 1.0 203
다. 오픈소스 하드웨어에 대한 소개(Introduction) 204
라. 오픈소스 하드웨어(OSHW)의 배포 조건 204
2. 오픈소스 하드웨어(OSHW)를 활용하는 경향 207
3. 오픈소스 하드웨어(OSHW) 주요 제품들 208
가. Arduino(아두이노) 208
나. SPL-Duino 210
다. BeagleBone Black(비글본 블랙) 211
라. Raspberry Pi(라즈베리파이) 211
4. 오픈소스하드웨어(OSHW)의 활용 212
가. 오픈소스하드웨어(OSHW)를 소개하는 곳 212
나. 오픈소스하드웨어(OSHW)를 교육에 활용한 사례 213

참 고 문 헌 215

표 차 례

<표 Ⅰ-1> PISA 영역별 순위와 평균 변화 추이 8
<표 Ⅲ-1> STEM 교육의 내용 설정과 교수학습 방법 31
<표 Ⅲ-2> STEM, STEM-A, STEAM, 4C-STEAM 유형 비교 41
<표 Ⅲ-3> STAD 모형의 수업 단계 47
<표 Ⅲ-4> Jigsaw 모형 적용 수업에서의 활동 내용 48
<표 Ⅲ-5> Jigsaw 모형들의 단계별 특징 50
<표 Ⅳ-1> 일반 고등학교 이수단위 64
<표 Ⅳ-2> 일반고등학교 과학교과 이수 현황 65
<표 Ⅴ-1> STEAM 교과 교육과정 개편 방향(안) 79
<표 Ⅷ-1> 16개 시․도 사이버가정학습을 포함한 이러닝 서비스 현황 150
<표 Ⅷ-2> 콘텐츠 개발 조직 체계 및 업무 분담 내용 151

그 림 차 례

[그림 I-1] 미국의 STEM공식사이트 4
[그림 I-2] 카메라는 눈의 메카니즘을 응용해 만든 기구이다. 4
[그림 I-3] 페이스북 사용자 수 http://www.facebook.com 6
[그림 I-4] 백남준 공식사이트 6
[그림 I-5] 2010-2020년까지 STEM 관련 직업의 예상 증가율 12
[그림 Ⅲ-1] 야크만의 피라미드 모형 32
[그림 Ⅲ-2] STEAM 교육을 위한 “김진수의 큐빅 모형” 33
[그림 Ⅲ-3] 설계의 산출 융합 과정 36
[그림 Ⅲ-4] 박현주 등이 제시한 창의적 설계 과정 36
[그림 Ⅲ-5] 상위적 포섭 과정 42
[그림 Ⅲ-6] 병위적 포섭 과정 42
[그림 Ⅲ-7] 파생적 포섭 43
[그림 Ⅲ-8] 상관적 포섭 44
[그림 Ⅲ-9] ‘Ewha-STEAM 융합모형’의 세 차원 56
[그림 Ⅲ-10] 융합의 세 요소 57
[그림 Ⅲ-11] 과학적 탐구기반학습과 공학적 설계기반학습의 비교 58
[그림 Ⅲ-12] 융합인재교육(STEAM) 수업 구성의 원리 59
[그림 Ⅳ-1] NASA 교육 프로그램 70
[그림 Ⅳ-2] 영국 STEMNET 73
[그림 Ⅳ-3] 핀란드의 STEM 포털 (ttp://www.luma.fi) 74
[그림 Ⅴ-1] 핀란드 과학교육과정 개정 작업반의 활동 내용 104
[그림 Ⅵ-1] 3D 프린터로 만든 현미경 114
[그림 Ⅶ-1] 스마트교육의 정의(출처: 국가정보화전략위원회) 117
[그림 Ⅶ-2] 디지털교과서의 내용(출처: 국가정보화전략위원회) 118
[그림 Ⅶ-3] 클라우드 교육환경의 목표 개념 119
[그림 Ⅶ-4] 미래교실 1층 모습 121
[그림 Ⅶ-5] 미래교실 2층 모습 122
[그림 Ⅶ-6] 미래교실 3층 모습 122
[그림 Ⅶ-7] 미래교실 4층 모습 123
[그림 Ⅶ-8] 미래학교 외부 공간 124
[그림 Ⅶ-9] 미래학교 옥상 전경 124
[그림 Ⅶ-10] 세종시 스마트교실 전면 설계 예시 126
[그림 Ⅶ-11] 세종시 스마트교실 전면 3D모델링 예시 127
[그림 Ⅶ-12] 세종시교육청에서 추진하는 스마트스쿨 129
[그림 Ⅶ-13] Oppia의 개념도 131
[그림 Ⅶ-14] Oppia 학습 카테고리 131
[그림 Ⅶ-15] Oppia Tutorial 화면 132
[그림 Ⅶ-16] Oppia 다운로드 사이트 132
[그림 Ⅶ-17] 스마트제품의 연동과 교육콘텐츠 흐름도 133
[그림 Ⅶ-18] 디지털콘텐츠 관리도구(CMT) 134
[그림 Ⅷ-1] TLA의 네가지 요소 153
[그림 Ⅷ-2] 2007년 디지털교과서 원형 개발 형태 162
[그림 Ⅷ-3] 2009년 디지털교과서 콘텐츠 형태 163
[그림 Ⅷ-4] 2010년 디지털교과서 콘텐츠 형태(초등4,중1) 163
[그림 Ⅷ-5] 2008년 디지털교과서 콘텐츠 형태 164
[그림 Ⅷ-6] UDL이 콘텐츠에 적용된 화면 165
[그림 Ⅷ-7] 2011년 초등학교 디지털교과서 165
[그림 Ⅷ-8] 콘텐츠 제시 방식에 따른 디지털교과서의 분류 166
[그림 Ⅷ-9] 콘텐츠의 유형에 따른 분류 1 166
[그림 Ⅷ-10] 콘텐츠의 유형에 따른 분류 2 167
[그림 Ⅷ-11] 콘텐츠의 유형에 따른 분류 3 167
[그림 Ⅷ-12] 콘텐츠 제어기능에 따른 분류 168
[그림 Ⅷ-13] 콘텐츠의 상호작용에 따른 분류 168
[그림 Ⅷ-14] 디지털교과서의 통합형 플랫폼 169
[그림 Ⅷ-15] 디지털교과서 플랫폼의 기능 1 170
[그림 Ⅷ-16] 디지털교과서 플랫폼의 기능 2 170
[그림 Ⅷ-17] 디지털교과서 플랫폼의 기능 3 171
[그림 Ⅷ-18] 코세라 사이트 화면 175
[그림 Ⅷ-19] Udacity 화면 176
[그림 Ⅷ-20] 애플스토어에 있는 다양한 교육용 앱 177
[그림 Ⅷ-21] iTunesU 학습리소스 177
[그림 Ⅷ-22] Numbers 177
[그림 Ⅷ-23] Keynote 177
[그림 Ⅷ-24] iPhoto 177
[그림 Ⅷ-25] GarageBand 178
[그림 Ⅷ-26] iMovie 178
[그림 Ⅷ-27] iBook Author 178
[그림 Ⅷ-28] iTunes U 179
[그림 Ⅷ-29] LinkedIn 등록된 후의 화면 179
[그림 Ⅷ-30] Schoo 강좌 화면 180
[그림 Ⅷ-31] Schoo사이트 화면 180
[그림 Ⅷ-32] Open2Study 강좌 화면 182
[그림 Ⅷ-33] Open2Study에 참여한 대학들 182
[그림 Ⅷ-34] FutureLearn 메인화면 183
[그림 Ⅷ-35] FutureLearn 강좌 내용 183
[그림 Ⅸ-1] 스크래치의 수학 영재 교육의 테셀레이션과의 연계 192
[그림 Ⅸ-2] 스크래치의 초등학교 수학 교과서 4-2 8. 규칙 찾기와 문제 해결 단원과의 연계 193
[그림 Ⅸ-3] LEGO WEDO와 스크래치 6학년 과학 3단원 에너지와 일 단원 연계 193
[그림 Ⅸ-4] 피코보드의 센서, 스크래치와 태양의 일주운동과의 연계 194
[그림 Ⅸ-5] 스크래치, 피코보드 센서와 음악교과의 금관악기 수업과의 연계 195
[그림 Ⅸ-6] 스크래치 공식 다운로드 사이트 196
[그림 Ⅸ-7] 프로그램 설치화면 197
[그림 Ⅸ-8] 설치 디렉토리 설정 197
[그림 Ⅸ-9] 설치 완료 197
[그림 Ⅸ-10] 스크래치 프로그램 실행화면 197
[그림 Ⅸ-11] 왼쪽부터 동작블록, 제어블록, 형태블록, 관찰블록 199
[그림 Ⅸ-12] 왼쪽부터 소리블록, 연산블록, 펜 블록, 변수블록 199
[그림 Ⅹ-1] OSHW를 활용하여 3D로보틱스에서 개발한 드론 208
[그림 Ⅹ-2] Arduino Uno Board 208
[그림 Ⅹ-3] Arduino 프로그램 실행화면 209
[그림 Ⅹ-4] Arduino 시리얼포트 설정 209
[그림 Ⅹ-5] 브레드보드 210
[그림 Ⅹ-6] 기본 회로구성의 예 210
[그림 Ⅹ-7] SPLDuino를 활용한 교육 내용 213