물리학과 첨단기술 JANUARY/FEBRUARY 201642

서 론

최근 들어서는 융합적 사고가 창의성에서 중요하게 부각되면

서 초·중·고등학교에서도 융합적 사고력을 증진시키기 위한 노

력이 활발하게 이루어지고 있다. 과학과 수학에 공학과 기술적

아이디어를 접목해 보려고 하는 STEM 교육은 이미 융합적 사

고력 증진에 효과가 있음을 보이고 있다. STEM에 Art(예술)을

더 접목시키려고 하는 노력인 STEAM 교육은 미국에서 처음

그 아이디어가 나왔지만 실제적인 프로그램 개발과 적용은 한

국과학창의재단을 중심으로 우리나라에서 더 본격적으로 이루

어지고 있다.

본 내용은 과학고등학교 학생들에게 적용해 본 융합형 STEAM

프로젝트 학습에 관한 것이다. 프로젝트 학습에 관해서는 본

필자들이 이미 몇 차례 수행한 경험이 있으며 여기서는 이러

한 연구 경험을 STEAM 프로젝트 학습에 연계시켜 보고자 하

는 것이다. 이 과제에 참여한 학생들은 과학전람회 출품작을

탐구하기 위해 구성된 과학고등학교에 재학중인 2학년 학생들

3명이다. 이들은 처음에는 각각의 개별 탐구 주제로부터 시작

하여 점차 하나의 융합된 프로젝트 형태로 발전해가는 과정을

보임으로써 융합형 STEAM 과제의 수행이라고 보았기에 과학

고등학교 학생들에게 적용 가능한 사례로 제시하고자 한다.

연구 대상 학생들의 현황

과학고등학교나 과학영재학교 입학을 목표로 하는 학생들은

초등학생 때부터 수학과 과학에 대해 심화학습을 수행하는 동

시에 자기주도적인 학습능력을 입증할 수 있는 포트폴리오를

준비한다. 본 연구의 대상인 울산과학고등학교 2학년 학생들도

초등학생 시절부터 꾸준히 수학과 과학 심화학습을 수행하였고

대학교나 교육청 부설 영재교육원 또는 학교에서 제시하는 다

양한 수학 및 과학 탐구활동을 수행한 경험을 가지고 있다. 일

반적으로 중학교 3학년 때에 수학과 과학에 소질이 있어 과학

고등학교 입학시험을 통과한 학생들은 입학 전 3개월 동안 과

학고등학교 1학년 과정에서 공부하게 될 고급물리나 일반물리

학 내용을 집중적으로 공부하게 되며 그 이유는 중학교 내신

을 위해 수행하였던 과학 공부만으로는 과학고등학교에 입학한

뒤 이들 과목을 감당하기가 쉽지 않기 때문이다.

본 연구의 대상이 되어 프로젝트를 수행한 울산과학고 2학

년 학생들(오예빈, 안세미, 정희윤)은 대부분의 과학고 학생들

처럼 수학과 과학 공부를 열심히 하고 있었으며 프로젝트를

위해 만났을 때 이미 일반물리학의 역학, 전자기학을 이수한

후 광학을 배우고 있는 중이었다. 프로젝트 수행을 위해 규칙

적인 모임을 진행하면서 점차 학생들의 성향이 파악되었으며,

그 성향은 프로젝트 학습의 분담을 통해 나타났다. 한 학생은

주로 프로젝트를 위한 물품구매, 실험계획 및 설계, 보고서 작

성 등의 전반적인 부분을 컨트롤하는 일을 담당했고, 한 학생

은 실험 설계나 실험과정 및 결과에 과학적 원리를 적용해 보

거나 이해가 되지 않는 원리를 묻거나 논문 검색 등을 통해

원리를 탐구해 보는 성향과 능력을 보였고, 나머지 한 학생은

수학에 재능을 가지고 있고 특히 전산적 사고(computational

thinking)에 능력이 있음을 보였다. 이는 프로젝트를 위해 의

도된 조합은 아니었지만 서로 다른 성향을 보이는 학생들의

조합이 결과적으로 프로젝트를 효율적으로 수행하게 한 것으로

나타났다.

전국 과학 전람회

전국 과학 전람회는 우리나라에서 시행하는 가장 오래된 역

사를 가진 과학기술 관련 문화행사이다. 물리, 화학, 동물, 식

물, 지구과학, 농림수산, 산업 및 에너지, 환경 총 8개 출품 부

문이 있고 초·중·고 학생과 교원 및 일반인이 응모할 수 있다.

자연현상이나 과학 원리에 대한 장기간의 실험실습을 통한 깊

이 있는 연구 작품들이 출품되어 경쟁하게 되며 과학 고등학교

학생들도 많이 지원하고 있다. 과학전람회에 출품하고자 하는

학생들은 지도교사를 선정하고 각 시·도 및 광역시에서 개최하

는 지역별 전람회를 통해 선발된 주제와 작품을 전국 과학전람

회에 출품하게 된다.

과학고등학교 학생들에게 적용해 본 융합형 STEAM 과제의 효과

이승우 ․김영민

저자약력

이승우 교수는 강원대학교 전자공학박사로서, 창원대학교 물리학과 연구교

수, 부산대학교 과학교육연구소를 거쳐 현재 동서대학교 메카트로닉스융합

공학부 교수로 재직 중이다.(seungwoo@gdsu.dongseo.ac.kr)

김영민 교수는 서울대학교 교육학박사(과학교육)로서, 신림여자중학교 교사,

한국교육개발원 연구원을 거쳐 현재 부산대학교 물리교육과 교수로 재직 중

이다.(minkiyo@pusan.ac.kr)

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본 연구에서의 개별 탐구주제의 융합

과학전람회 출품 주제의 선정은 학생들이 미리 정해 놓은 상

태가 아니어서 학생들과의 모임을 통해 탐구 주제를 선정해야

했다. 1차 모임에서는 학생들의 다양한 관심사와 과거와 현재

학습상태를 면밀히 파악해보았다. 연구 대상 학생들은 (대부분

의 과학고 학생들도 마찬가지이겠지만) 과학 고등학교에 재학

하고 있음에도 불구하고 과학에 대한 다양한 흥미는 있지만 흥

미와 관심이 탐구로 이어지는 경험을 해 본 적은 없었다. 따라

서 연구자는 학생들에게 과학적 원리가 적용된 최신 기술들을

소개하고 먼저 탐구해 볼 대상으로 양자점(quantum dot)의 광

학적 특성 실험을 제안해 보았다. 학생들은 처음 접하게 되는

양자점 원리에 대해 매우 큰 흥미를 보였으며 스스로 논문을

검색해 보면서 탐구를 시작하였다. 탐구를 진행하면서 두 번의

시험기간(중간고사, 기말고사) 동안 프로젝트 진행을 멈추어야

했지만 그러한 환경 속에서도 학생들은 스스로 시간을 안배해

가며 프로젝트를 진행해 나갔다.

학생들은 양자점 분말을 구매하여 용액을 만들고 자외선 조

사에 따른 광학적 특성을 파악해보면서 1차 탐구를 마치고 이

렇게 파악된 양자점 용액의 광학적 특성을 통해 무엇을 더 할

수 있을까하는 부분에 이르자 2차 탐구로의 도약에 어려움을

느꼈다. 이미 양자점을 이용한 다양한 응용이 나와 있고 제한

적인 실험환경으로 인해 양자점 용액을 이용하여 디스플레이장

치를 개발하는 것은 쉽지 않아 보였기 때문이다.

이때 교육에서는 스캐폴딩이 필요하다. 마침 학생들이 학교

수업시간에 빛의 간섭과 회절을 공부하고 있음에 착안하여 양

자점 용액에서 방출되는 빛의 광학적 특성을 탐구하기 위해 사

용해 보았던 분광기의 원리를 빛의 간섭과 회절에 접목시킬 수

있지 않을까라는 힌트를 제시했다. 주변에서 쉽게 구할 수 있

는 CD(compact disc)에 새겨진 격자에서의 빛의 회절을 활용

한 분광기를 탐구해 보는 방향으로 2차 탐구가 진행되었다. 학

생들은 교실에서 이론으로 배운 회절현상과 실제 생활에서 흔

히 사용되는 CD와의 조합을 통해 지금까지의 탐구내용에서 한

걸음 더 나아가는 진전을 보일 수 있었다. 이때부터 학생들은

스스로 분광기를 디자인하는 공학적인 아이디어 창안을 보였으

며 3D 프린터를 활용하게 되고 다양한 광원(양자점 용액, 형광

등 등)에 대한 탐구도 진행하였다.

학생들은 CD 분광기를 통해 나온 스펙트럼을 디지털 카메라

와 휴대폰을 이용하여 촬영하던 중 광원의 파장이 촬영되어지

는 스펙트럼 사진에 의해 결정되어질 수 있음을 확인하면서 3

차 탐구로 도약하는 모습도 보였다. 탐구조원 중에서 프로그래

밍을 할 수 있는 학생이 있었으며 그의 프로그래밍 능력을 통

해 휴대폰 카메라로 촬영된 CD분광기의 스펙트럼 사진을 분석

하여 파장을 계산할 수 있는 휴대폰 앱을 제작하기에 이르렀

다.

이로서 학생들은 과학전람회 출품을 위한 프로젝트를 마칠

수 있었으며 3차에 걸친 도약을 통해 원리 탐구에서부터 그 응

용을 통한 산출물이 제작되는 과정을 경험할 수 있었다.

프로젝트 학습의 한계점

프로젝트 학습을 안내하면서 과학 고등학교 학생들의 기본적

인 수학적, 과학적 능력은 매우 뛰어남을 확인할 수 있었다. 그

러나 다른 한편으로는 초·중등과정을 거치면서 경험하게 되는,

그림 1. 울산과학고등학교 학생들의 양자점 용액 제작 및 UV 조사에 따른 발

광특성 실험.

그림 2. 간이 분광기 prototype 제작 및 컴퓨터를 이용한 3D 프린팅 설계도

디자인.

그림 3. 간이 분광기를 통해 촬영한 분광 패턴을 이용하여 파장을 계산하는 휴

대폰 앱 개발.

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지식의 단순한 전달식 수업 형태가 가지는 단점을 다시 한 번

확인할 수 있었다. 강의식 수업은 빠르고 명료한 지식전달 측

면에서는 좋지만, 이 과정에서는 학생들 스스로 문제점을 파악

하고 이를 해결해보게 하는 기회가 사실상 거의 없다고 할 수

있다. 이러한 상황에서 전문 협력자가 없이는 프로젝트를 통한

탐구는 매우 어렵고 그 효과를 기대하기가 쉽지 않다.

융합적 STEAM 프로젝트 탐구

본 프로젝트 학습 지도에서는 1차 탐구인 과학적 원리의 탐

구(Science 영역)에서 시작하여 학생들은 수학적 계산(Math-

ematics 영역)을 통해 스펙트럼을 분석하였고, 2차 탐구에서는

분광기 디자인(Arts 영역)을 위해 3D 프린터를 활용하였으며,

이를 조작하고(Technology 영역) 제품으로의 가능성(Engineer-

ing 영역)을 확보하기 위해 3차 탐구인 휴대폰 앱을 제작하는

데까지 이르도록 하였다. 각각의 개별 탐구에서 시작하여 점차

하나의 제품으로 융합되어지는 프로젝트를 진행하면서 프로젝

트의 안내자로서의 역할을 점차 줄이면서 학생들이 주도적으로

활동을 전개해 나아갈 수 있도록 했으며 원리를 적용하고 제

품을 디자인하는 등의 많은 부분에서 학생들의 역할이 돋보이

기 시작하였다. 프로젝트가 끝나고 학생들은 이러한 경험을 살

려 이제는 각자 새로운 주제를 골라서 탐구를 계속하고 있다.

이들의 탐구가 대학에서의 자율적인 학습으로 이어지고 관심과

흥미가 유지되고 스스로 보람을 찾기를 기대한다.