더티칭랩 최종 결과보고서

■ 개요

주제	교육 프로그램 및 교재 개발 - 디지털/인공지능 역량 함양을 위한 지구과학탐구실험 내용 개선
참여자 성명(소속)	김종희(지구과학교육과), 오수연(지구과학교육과), 박태원(지구과학교육과), 김성실(지구과학교육과), 전창표(지구과학교육과)
정산금액	일금 사십오만원정 (\ 450,000 )
연구기간	2024년 3월 14일 ~ 2024년 6월 28일

2024년  6월  28일

작성자 : 김종희 (인)

전남대학교 교육혁신본부장 귀하

◆ 연구 필요성

1. 연구의 필요성

2022 개정 과학교육과정이 추구하는 디지털/인공지능 리터러시 함양을 위해 지구과학탐구실험 교과의 내용 및 운영 방법에 디지털/인공지능 관련 사항을 포함 시켜 교과목 내용과 운영 방법을 개선할 필요성이 있음

2. 연구의 내용

○ 디지털/인공지능 역량 함양을 위한 지구과학탐구실험 내용 및 운영방안 개선 방향 탐색

◆ 연구 방법(논의사항)

[활동 단계]

1. 기존 지구과학탐구실험 내용 분석

지구과학탐구실험 교과목 담당 교수들이 해당 분야의 탐구활동 주제를 분석하여 디지털 및 인공지능 관련 내용이 포함될 수 있는 주제를 선별함

2. 탐구활동 프로그램 개선 방안 탐색

기존의 지구과학탐구실험 탐구활동 내용에 디지털/인공지능을 추가할 수 방안 논의

3. 탐구수업의 운영 방안 논의

개선한 지구과학탐구실험을 우영할 경우의 문제점과 해결 방안 논의

4. 디지털/인공지능 소양 함양을 강조한 지구과학탐구실험 내용 및 운영 방안 개선안 도출

◆ 연구 결과

1. 기존 지구과학탐구실험 내용 분석

과목명: 지구과학탐구실험1

교과요목: 교육현장에서 요청되는 지구과학 분야의 실험과 실습들을 지구과학교육의 학습내용과 연계지어 탐구하고 비교 분석하여 교육현장에서의 실험과 실험지도의 기반을 마련하는 데 주안점을 둔다.

대학핵심역량: 창의(문제발견, 컴퓨팅사고), 감성(인문)

전공능력: 지구과학 탐구 능력, 지구과학 탐구수업 실행 능력

[수업목표]

컴퓨팅사고: 지구과학탐구실험과 관련한 문제의 해결과정에서 컴퓨터를 활용하기 위한 방안을 계획할 수 있다.

문제발견: 중학교 및 고등학교 통합과학의 지구과학실험 내용의 실험수업의 문제점을 발견하여 개선할 수 있다.

인문: 지구과학탐구실험에 대한 필요성을 인식하여 수업 방법개선을 위한 노력을 한다.

지구과학 탐구 능력: 지구과학 탐구활동과 관련한 탐구기능을 수행할 수 있다.

지구과학 탐구수업 실행 능력: 지구과학 탐구활동과 관련한 탐구를 계획하여 수행할 수 있다.

[수업 내용(탐구활동 주제)]

1) 지구과학 탐구실험 1 개관, 실험실습 관련 자체 안전교육

2) 광물과 결정(광물의 6정계와 결정축)

3) 화성암의 관찰과 분류 실험

4) 퇴적암과 변성암의 관찰과 분류 실험

5) 편광현미경 관찰(광물/암석 조직 관찰)

6) 화석의 관찰 실험

7) 암석과 광물(주변의 암석과 광물)

8) 지층의 상대 연령 실험

9) 진앙의 위치 결정 실험: 빅데이터 관련 내용

10) 중력 측정 실험: 디지털 관련 내용

11) 해수온도의 연직 분포 실험: 디지털 관련 내용

12) 해수의 심층 순환 실험: 디지털 관련 내용

13) 해수의 성질에 대한 인공위성 자료 조사하기: 빅데이터 관련 내용

14) 지구과학 탐구방법

과목명: 지구과학탐구실험2

교과요목: 교육현장에서 요청되는 지구과학 분야의 실험과 실습들을 지구과학교육의 학습내용과 연계지어 탐구하고 비교 분석하여 교육현장에서의 실험과 실험지도의 기반을 마련하는 데 주안점을 둔다.

대학핵심역량: 창의(문제발견, 컴퓨팅사고), 감성(인문)

전공능력: 지구과학 탐구 능력, 지구과학 탐구수업 실행 능력

[수업목표]

컴퓨팅사고: 지구과학탐구와 관련하여 컴퓨팅 사고를적용할 수 있다.

문제발견: 지구과학 관련 자연현상에서 탐구 가능한 문제를 인식할 수 있다.

인문: 지구과학 탐구 과정에서 지구와 관련한 인문학적 사고를 적용할 수 있다.

지구과학 탐구 능력: 지구과학 탐구 과정에서 탐구 기능을 적용할 수 있다.

지구과학 탐구수업 실행 능력: 지구과학 탐구수업 지도에 필요한 탐구능력을 습득하여 탐구지도에 활용할 수 있다.

[수업 내용(탐구활동 주제)]

1) 연구실 안전교육, 실험실습 관련된 자체 안전교육

2) 천구와 좌표계 실습

3) 달의 위상 실습

4) 천체의 관측과 천체망원경(별과 별자리 실습)

5) 태양의 흑점 실습: 빅데이터 관련 내용

6) 지구의 공전 속도 실습: 빅데이터 관련 내용

7) 케플러 법칙 실습

8) 별의 2차원적 분류와 H-R도 실습: 빅데이터 관련 내용

9) 기상 관측 실습

10) 구름 발생 실험 및 구름 관측 실습: 디지털 관련 내용

11) 일기도 작성 및 분석 실습

12) 기상 자료 분석 및 일기예보 실습

13) 기후 변화와 기후 자료 분석 실습: 빅데이터 관련 내용

14) 태풍의 특징과 태풍 자료 분석: 빅데이터 관련 내용

[분석 결과]

○ 기존의 26개의 탐구활동 주제 중에는

디지털 관련 내용을 포함하고 있는 것이 4개,

빅데이터 관련 내용을 포함하고 있는 것이 7개 있다.

○ 기존 디지털 및 인공지능 관련 탐구활동은 내용을 더 보완하고

새로운 탐구활동 주제를 개발할 필요가 있다.

2. 탐구활동 프로그램 및 운영 개선 방안

1) 대기과학 분야 개선 방안

실험 주제	개선 방안
기상 관측	기상 관측 실습에서는 스마트폰을 이용해서 기압을 관측하는 실습을 진행하고 있다. 현재 실습에서는 스마트폰에 앱을 설치하고 특정 장소에서 위로 올라가면서 기압과 높이를 측정하고 있다. 측정된 기압과 높이를 손으로 직접 그래프를 그리고 있는데, 엑셀 프로그램을 이용하여 그래프를 그려보게 할 수 있다. 또한 기존 연구를 통해 알려진 기압과 높이 사이의 관계식을 엑셀에 적용하여 그래프를 그려서 그 결과를 직접 관측한 결과와 비교해보게 할 수 있다. 높이 [eqn: z]에서의 압력 [eqn: p(z)]는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다. 다음 식에서는 [eqn: p(0)]는 지면에서의 압력, [eqn: H]는 규모고도로 각각 1000hPa, 8000m의 값으로 대입해서 사용하면 된다. [eqn: p(z)=p(0)e ^{- {z} over {H}}] 다음은 스마트폰으로 직접 관측한 결과와 수식으로 나온 결과를 엑셀로 그린 예시를 나타낸 것이다.
구름 발생 및 구름의 종류	구름의 종류에 대한 실습에서는 구름을 직접 관찰하고 촬영하여 구름의 특징에 따라 주관적으로 구름을 분류하고 있다. 구글 티쳐블머신(Google teachable machine)은 AI 기반으로 이미지를 분류해주는 분석 도구이다. 이미지 분류에 들어갈 사진을 수집하고 이 사진을 이용하여 모델이 학습하도록 하고, 학습된 모델로부터 새로운 이미지를 분류하게 할 수 있다. 실습을 통해 구름 사진을 수집하고 수집된 구름 사진을 구를 티쳐블머신 넣어 모델을 학습하면 인공지능을 활용한 구름 분류 모델을 만들 수 있게 된다. 구글 티쳐블머신 사이트 https://teachablemachine.withgoogle.com/ 구글 티쳐블머신을 활용한 구름 분류 인공지능 만들기 예시
기후 변화와 기후 자료 분석	기후 변화와 기후 자료 분석 실습에서는 기상청 자료와 엑셀 프로그램을 이용하여 기후 변화에 대해서 직접 분석하고 있다. 이를 통해 온실 기체로 발생하는 온실 효과와 함께 지구온난화에 대해서 학습하고 있다. 웹 상에서 제공하는 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 온실 효과의 다양한 원리에 대해서 학습하게 할 수 있다. 온실 기체의 농도, 구름의 유무, 다양한 시대별 온실 효과, 여러 대기 층의 모델 등을 고려하여 다양한 상황에서 일어나는 온실 효과와 그로 인한 지구의 온도 변화를 직접 학습할 수 있다. PhET/온실 효과 https://phet.colorado.edu/sims/html/greenhouse-effect/latest/greenhouse-effect_all.html?locale=ko
태풍의 특징과 태풍 자료 분석	태풍의 특징과 태풍 자료 분석 실습에서는 기상청에서 제공하는 태풍 정보(이름, 발생일자, 위치, 강도 등)를 활용하여 태풍의 정보를 알고, 엑셀프로그램을 이용하여 태풍의 경로를 직접 그려보게 한다. 태풍 사례에 대해 위성 자료를 검색하여 실제로 태풍이 어떻게 생겼는지 확인하게 한다. 위성에서 촬영한 태풍 영상을 보고 태풍의 특징을 알아보게 할 수 있다. 기상청 태풍 사례 영상에서 제공하지 않는 나머지 태풍에 대한 영상은 국가기상위성센터에서 태풍이 발생한 날짜를 검색하여 직접 찾아볼 수 있다. 과거 태풍 정보를 알려주는 기상청 사이트 https://www.weather.go.kr/w/typhoon/typ-history.do 태풍 사례에 대한 위성 영상를 찾아 볼 수 있는 기상청 사이트 https://www.weather.go.kr/w/image/sat/sat-case.do 국가기상위성센터 위성 영상 사이트 https://nmsc.kma.go.kr/homepage/html/satellite/viewer/selectNewSatViewer.do?dataType=operSat

2) 천문학 분야 개선 방안

실험 주제	개선 방안
천구와 좌표계	본 실험 주제는 천구와 좌표계에 대한 기본 개념을 학습하고, 웹기반 성도 프로그램(스텔라리움)을 활용하여 천체의 일주운동과 천체의 위치 정보를 습득하는 내용을 포함하고 있다. 기본 개념 학습을 위해 웹 상에서 제공하는 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 천구와 좌표계를 체험하여 천체의 위치를 천구 상에서 결정할 수 있도록 하게 한다. 활용 가능 예시 웹 프로그램 : The Nebraska Astronomy Applet Project/Rotating Sky Explorer (https://astro.unl.edu/naap/motion2/motion2.html)
천체망원경	본 실험 주제는 망원경의 기본원리와 구조에 대해 학습하고, 망원경을 조립하여 사용하는 내용을 포함하고 있다. 기본 개념 학습을 위해 웹 상에서 제공하는 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 빛의 진행과 상의 형성을 활용하여 망원경의 구조와 원리를 이해할 수 있게 한다. 활용 가능 예시 웹 프로그램 : PhET/기초 광학 (https://phet.colorado.edu/ko/simulations/geometric-optics-basics https://phet.colorado.edu/ko/simulations/geometric-optics)
케플러 법칙	본 실험 주제는 케플러 법칙에 대한 기본 개념을 학습하고, 컴퓨터 프로그램(엑셀)을 이용하여 케플러 3법칙을 구현하는 내용을 포함하고 있다. 기본 개념 학습을 위해 웹 상에서 제공하는 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 궤도 모양에 따른 행성의 운동과 케플러 법칙을 이해할 수 있게 한다. 활용 가능 예시 웹 프로그램 : The Nebraska Astronomy Applet Project/Planetary Orbits (https://astro.unl.edu/naap/pos/pos.html)
H-R도	본 실험 주제는 H-R도를 이해하기 위해서 흑체 복사와 분광형에 대한 기본 개념을 학습하고 컴퓨터 프로그램을 통해서 H-R도를 작성하는 내용을 포함하고 있다. 기본 개념 학습을 위해 H-R도를 작성과 함께, H-R도상에서 별의 물리량을 비교할 수 있는 웹 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 H-R도상에서 별의 위치가 갖는 물리량의 차이를 이해하게 한다. 활용 가능 예시 웹 프로그램 : The Nebraska Astronomy Applet Project/Hertzsprung-Russell Diagram Explorer https://astro.unl.edu/naap/hr/animations/hr.html

3) 지질과학 분야 개선 방안

실험 주제	개선 방안
광물과 결정	해당 실험 주제는 광물의 주요 물리적 특성과 결정의 기본적인 대칭에 적용되는 6정계에 대한 내용을 다루고 있다. 이에 따라 실험/실습 과정 동안 학습자들은 광물의 결정축 및 대칭과 관련된 내용을 학습하게 되고 모형을 통해 기본 결정계를 학습하게 된다. 이에 대한 디지털 자료나 디지털 문해력 제고를 위해 활용할 수 있는 보완적인 내용으로는 3D design tool을 이용하여 직접적으로 6정계의 기본 모델을 작성하는 심화적 학습 방식의 활용이다. 이러한 tool로서 웹상에서 무료로 제공되는 TinkerCad (https://www.tinkercad.com)와 같은 디자인 환경을 이용할 수 있으며, 이에 대한 장점은 학습자가 3D design에 대한 수행 역량을 늘릴 수 있으며, 직접 생성하는 3D 모델 작업을 통해 결정계를 좀 더 깊게 이해할 수 있다는 점이다. 또한, 3D 프린터가 가용한 경우, 직접 디자인한 모델을 출력하여 학습할 수 있다는 장점도 가지고 있다.
화성암	해당 실험 주제는 화성암 시료의 관찰을 통한 다양한 화성암의 이해에 그 목적을 두고 있다. 주요 학습 방식은 시료 관찰로서 암석의 광물 구성 및 조직을 통한 화성암 분류를 수행한다. 이 과정에서 활용할 수 있는 디지털 학습자료는 웹상에서 제공하는 3D 이미지 모델이다. 이들 모델은 고해상도의 이미지와 point cloud 방식을 통해 구현되어 암석 시료를 원하는 방향으로 회전과 확대/축소 등을 통해 직접적인 시료 관찰과 유사한 실습을 할 수 있도록 구현되어 있다. 이러한 웹자료를 활용한 사전 학습 또는 원격 학습 등은 해당 주제를 디지털 방식으로 이용하는 보조적인 학습 도구의 좋은 예가 될 수 있다. 웹에서 제공되는 3D 암석 시료의 예; https://sketchfab.com/MineralogyPetrographyMuseum/collections/igneous-rocks-ce4dd9bfcf5b4f308307371104957438
편광현미경	본 실험 주제는 편광 현미경을 이용하여 광물 동정을 그 목적으로 하고 있다. 이에 대해 일차적으로는 편광 현미경을 특성을 이해하고, 편광 현미경 아래에서 나타나는 각 광물의 광학적 특징을 관찰하고 이를 통해 광물을 구분한다. 이러한 실습 과정에서 웹상에서 구축된 이미지 데이터베이스를 이용하여 실습을 대체할 수 있는 방법을 학습에 이용할 수 있다. 이러한 데이터베이스는 편광 현미경의 기본적인 이미지인 개방 니콜과 직교 니콜의 이미지를 모두 포함하며 확대된 주요 광물의 이미지를 포함하여 학습자가 스스로 학습할 수 있는 환경을 제공한다. 또한, VPM (virtual petrographic microscope) 소프트웨어는 회전된 현미경 이미지를 통해 실제 현미경 관찰에 가까운 환경을 구현해 주며, 학습자가 직접 이미지를 촬영해 이러한 가상 관찰 데이터를 만들어 주는 기능을 포함하고 있다. 이러한 디지털 방식을 학습은 반복 학습을 통한 학습자의 광물 감정 능력 제고할 수 있으며, 원격학습에 또한 활용될 수 있다. 웹에서 제공되는 박편 시료의 예 https://www.virtualmicroscope.org/content/uk-virtual-microscope
화석의 관찰	“화석의 관찰”과 관련하여 학생들은 화석 시료를 직접 관찰하고 그 특징을 기재한다. 표준화석일지라도 현재 생존하지 않는 과거의 생명체이므로 학생들은 화석을 분류함에 있어 생소할 수 있다. “Digital Atlas of Ancient Life App”은 화석을 분류하고 생태학적 특징을 파악하기 위한 보조 학습도구로서 활용될 수 있다. Digital Atlas of Ancient Life App: https://www.digitalatlasofancientlife.org/digital-atlas-app/
지층의 상대연령	“지층의 상대연령”은 지층의 상대연령과 절대연령의 개념을 익히고, 지질연대표의 이해를 통한 긴 지질시대의 시간적 개념을 파악하는 것이다. “TimeScale Creator”는 자바 기반 프로그램으로 다양한 지질 자료(생물, 동위원소, 해수면 등)를 내포하고 있다. 학생들은 해당 프로그램의 지질 빅데이터를 이용하여 특정 지질시대의 다양한 지질 사건들을 플로팅할 수 있고, 이를 종합하여 개인화된 지질 연대표를 작성할 수 있다. 지질연대표 작성 프로그램: https://timescalecreator.org/index/index.php

◆ 향후 계획

1. 개발한 탐구활동 프로그램 개선 방안을 적용하여 프로그램 내용을 개발하여야 함.

2. 개발한 탐구활동 프로그램을 수업에 예비 적용하여 수정 보완하고 지구과학탐구활동 교재를 출간할 계획임.

3. 이를 통해 예비과학교사의 디지털/인공지능 리터러시 및 과학탐구지도 역량이 향상될 것으로 기대함.

4. 개발한 디지털/인공지능 소양 함양을 강화한 탐구활동 프로그램은 실험 연수를 통해 현장 교사의 탐구지도능력을 향상 시킬 것으로 기대함.

◆ 참여 소감(구성원 개인별로 모두 작성)

※ 프로그램 성과 분석으로 활용할 예정이니 구체적으로 작성해 주시기 바랍니다.

번호	이름 (소속)	참여 소감 내용
1	김종희 (지구과학교육과)	최근 개정된 2022 개정 과학과 교육과정의 과학과 교육목표와 철학을 바탕으로 예비과학교사의 탐구수업에 대한 수업전문성을 제고해 볼 수 있는 좋은 기회였다. 논의한 내용을 바탕으로 지구과학탐구 교과목의 탐구 프로그램을 개발하는 과정도 반드시 필요할 것 같다. 예비교사의 수업전문성 향상을 위해 학과 교수들이 의견을 공유할 수 있는 좋은 기회였다.
2	오수연 (지구과학교육과))	과학을 가르칠 예비교사들의 디지털/인공지능 역량 함양을 위해 기존 교육과정을 분석하고 개선 방안을 논의하는 과정이 교사교육자인 나에게는 매우 소중한 경험이었다. 특히 학과의 다른 영역 교수님들과 의견을 공유하면서 학과의 다른 교과목 교육과정 및 운영 방법 개선도 추가하여 지속적으로 진행하는 것이 필요하다고 느꼈다.
3	박태원 (지구과학교육과)	기존의 지구과학 탐구활동 주제들도 디지털 및 빅데이터 역량을 함양할 수 있는 부분을 포함하고 있었지만 크게 강조하여 운영하진 않았다. 대기과학 분야의 연구방법에서는 빅데이터 관련 능력이 기본적으로 중요한데 이런 과정을 통해서 관련 역량을 함양할 수 있는 방안을 탐구활동 프로그램에 체계화하는 것을 고려해야겠다.
4	김성실 (지구과학교육과)	탐구활동을 디지털화 하여 운영하는 것에 관심이 많았는데 이번 더티칭랩이 이런 주제를 다루어서 흥미를 가지고 참여하였다. 이 과목의 수업을 진행하면서 계속적으로 디지털,인공지능 소양 함양을 고려할 수 있는 방안을 고민해야겠다. 혼자의 생각보다는 여러 분야의 전문가가 의노하면 훨씬 좋은 결과를 도출할 수 있다는 경험을 하였다.
5	전창표 (지구과학교육과	이 활동을 통해 제시한 지구과학 탐구활동 개선 방안들을 운영하는 과정에는 기존에 개설되어 운영하고 있는 소프트웨어/인공지능 관련 교과목들 및 지구과학 전공 실험 과목과 연계 운영 방안을 추가하여 논의하는 것이 필요하다고 생각한다. 동료 교수님들과 학과 교육과정을 심도 있게 고민하고 논의할 수 있는 의미 있는 시간이었다.