라인트레이서 로봇을 활용한 초등 저학년의 steam 프로그램 개발 및 … ·...

라인트 이서 로 을 활용한 등 학년의 STEAM 로그램 개발 지도방법 637

라인트 이서 로 을 활용한 등 학년의

STEAM 로그램 개발 지도방법(STEAM Program Development and Teaching Guidance

Methods to Elementary School of Low-grade Students

using Line Tracer Robot)

박 남 제†

(Namje Park)

요 약 제7차 교육과정에서는 자제품 련 내용(실과), 미래의 로 의 역할(사회)이 도입되었지만,

이를 이용해서 학생들이 로 의 특성과 기능 등 로 에 한 것을 배우기에는 부족하다. 이에 한 안

으로 로 의 움직임을 로그래 함으로써 논리 사고력을 증진시킬 수 있는 로 교육 로그램이 제안,

개발되고 있다. 본 논문은 교육용 로그래 형 라인트 이서를 학습하여 등학생들이 로 을 제작하고

제어하는 경험을 제공하고, 정규 교과과정과 연계한 융합형 로 교육 로그램을 개발하고 교수학습지도안

을 작성하여 지도방법을 분석하 다.

키워드: 융합인재교육, 로 , 라인트 이서, 지도방법

Abstract The 7th National Curriculum includes the courses on electronic goods (Practical Course)

and roles of robot in the future (Social Studies), which are not sufficient for students to learn about

characteristics and functions of robots. As a complementary measure, in order to enhance logical

thinking of students through programming of movement of robots, robot education programs have

been suggested and are under development. This study suggests the programmable line tracer robot

course which provides the elementary school students with the experience of producing and controlling

robots. This study also suggests the convergence robot education program to be developed link with

the regular curriculum, and analyzes the method of teaching based on the teaching plans.

Keywords: STEAM, robot, line tracer, teaching method

․본 논문은 2013년도 정부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 연구

되었음(NRF-2013S1A5A8026151)

․이 논문은 2012 제주 컴퓨터 정보과학 학술 회에서 ‘라인트 이서

로 을 활용한 융합형 교육 로그램 개발 지도방법에 한 연구’의

제목으로 발표된 논문을 확장한 것임

† 종신회원

논문 수

심사완료

:

:

:

제주 학교 컴퓨터교육학과 교수(Jeju National Univ.)

[email protected]

2013년 8월 27일

2013년 10월 15일

CopyrightⒸ2013 한국정보과학회ː개인 목 이나 교육 목 인 경우, 이 작

물의 체 는 일부에 한 복사본 혹은 디지털 사본의 제작을 허가합니다.

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정보과학회논문지: 컴퓨 의 실제 터 제19권 제12호(2013.12)

1. 서 론

21세기는 지식기반시 이다. 그에 따라 정부에서는

2040년의 한국의 모습을 ‘자연과 함께하는 세상’, ‘풍요

로운 세상, 건강한 세상, 편리한 세상’으로 구체화하

고, 이 ‘편리한 세상’이 이룩되기 해서는 2040년에

로 산업이 주요산업이 될 것이라고 측하고 있다[1].

재, 제 7차 교육과정에서는 자제품 련 내용(실

과), 미래의 로 의 역할(사회)이 도입되었지만, 이를 이

용해서 학생들이 로 의 특성과 기능 등 로 에 한

것을 배우기에는 부족하다[2]. 왜냐하면, 이것들은 학생

들의 발달수 과 교과의 성격에 맞는 로 련 내용이

깊이 연구되어있지 않기 때문이다. 이에 한 안으로

로 의 움직임을 로그래 함으로써 논리 사고력을

증진시킬 수 있는 로 교육 로그램이 제안, 개발되고

있다.

로 을 제작하는 과정에는 크게 모형제작과 움직임

제어의 두 부분으로 나 수 있고, 이런 과정을 등학

교 과정에 용하기 당한 것이 바로 로그래 형 라

638 정보과학회논문지 : 컴퓨 의 실제 터 제 19 권 제 12 호(2013.12)

인트 이서이다. 본 논문은 교육용 로그래 형 라인트

이서를 학습하여 학생들이 로 을 제작하고 제어하는

경험을 제공하고, 융합형 로 교육 로그램을 개발하고

교수학습지도안을 작성하여 지도방법을 분석하 다.

2. 교육용 라인트 이서 로 의 개요

라인트 이서란 정해진 주행선을 따라 움직이는 자율

이동 로 으로서 보통 검정 바탕의 흰색 선을 따라 이

동하는 로 이고, 산업 장에 이용되는 AGV(Automatic

Guided Vehicle, 부품이송의 목 )도 라인트 이서에

속한다. 라인트 이서의 기본 인 원리는 바닥에 그려진

주행선을 센서로 검출하여 목 치까지 선을 따라 이

동하는 것이다. 라인트 이서의 구조는 주로 8비트의

렴한 CPU와 DC모터나 스테핑 모터, 외선센서 등으

로 이루어지며 여기서 외선센서는 보통 2조(1조는

외선센서-발 부와 수 부)이상 사용되는데 그 이유는

바닥에 그려진 선을 원활히 따라가기 함이다. 주요 구

성은 제어부, 센서부, 모터구동부 원부로 나 수

있고(그림 1 참고), 사용자에 따라 같은 하드웨어와 소

트웨어를 사용하더라도 네 부분의 완벽한 조화가 있

어야만 최 의 성능이 발휘되므로 네 부분의 조화가 가

장 요하다.

제어부는 라인트 이서의 모든 부분을 통제하는 부분

으로 센서에서 받은 데이터를 CPU에서 연산을 하고 연

산한 데이터를 메모리에 장하면서 모터를 제어하는

명령을 내리는 곳이다. 센서는 인간의 감각기 ( , 귀,

각)의 역할을 하는 것으로, 물리 인 상이나 화학

상을 검출하여 기신호로 변환하여 이용할 수 있는 소

자의 총칭이다[3,4]. 라인트 이서는 빛을 발산하는 발

부 센서와 발 부 센서에 발하는 빛을 받아들이는 수

부 센서로 이루어진 외선 센서를 사용한다. 모터구동

부는 CPU에서 신호를 받아 모터를 구동시키는 부분이

며, 원부는 라인트 이서의 각 부분에 원을 공 하

는 역할을 한다. 이 연구에서는 1.5V(AA) 건 지 5개

를 사용하 다.

그림 1 교육용 라인트 이서 로 의 기능구성도

Fig. 1 Line Tracer Robot’s Function Block Diagram

그림 2 제안된 기능이 동작되는 교육용 라인트 이서 모습

Fig. 2 Line tracer Robot include Suggested function

본 논문은 아래의 그림 2와 같이 교육용 로그래

형 라인트 이서를 창작 으로 구성하여 학생들이 로

을 제작하고 제어하는 경험을 제공하고, 융합형 로 교

육 로그램을 개발하고 교수학습지도안을 작성하여 지

도방법을 분석한다.

3. STEAM: 융합인재교육 로그램 개발

3.1 요구사항 분석

1) 융합인재양성(STEAM교육목표)

분야별 지식을 융합하여 창의 문제해결이 가능하도

록 하고 다양한 역에 한 개별 사고를 하게 한다.

2) 실생활연계, 과학기술에 한 흥미(STEAM 교육개념)

교육주제와 연 되어 있는 실생활 이야기를 통해 학

생들에게 흥미를 주며 보다 세부 인 문제발견을 할 수

있게 한다.

3) 융합 사고력(STEAM 교육개념)

STEAM의 항목 과학, 기술, 공학 같은 경우는 그

경계가 모호해 보일 수도 있으나 어느 곳에서나 주요하

게 다루어지는 요소들이고 특히 술 요소는 작품 감

상에 그치지 않고 작품에 한 가치나 소양을 포함하는

포 인 의미이다[5,6].

4) 실생활 상황제시(STEAM 교육내용)

실제 상황을 제시함으로써 실감을 불어넣고 문제에

한 명확성을 높이며 학습 동기를 지속시킬 수 있다.

한 히 각색 는 편집된 자료를 활용하면 효과를

높일 수 있다.

5) 창의 설계(STEAM 교육내용)

교육 로그램을 설계하면서 창의 인 생각을 할 수

있게 설계함으로써 하나의 주제를 여러 각도에서 볼 수

있도록 하며 이를 통해 얻은 지식과 경험을 최종 창의

결과물을 생성할 수 있게 한다.

6) 감성 체험(STEAM 교육내용)

세분화된 수행 과정을 거치면서 작은 성취감을 느끼

고 최종 결과물에 도달하기까지 열정을 가져 지속 으

로 도 , 체험한다[7].


7) 자기평가(성찰일지)(평가)

학습 활동을 해결하는 것으로 끝나는 것이 아니라 그

활동을 응용해보거나 다른 상황에 용해보고 다음 학

습 활동에 연 지어 생각해 으로써 자기 평가 과정

을 명확히 한다.

8) 동료평가(평가)

동료 평가 즉 학생간에 토론식 수업 운 을 하며 학

생들끼리 주제를 정리 할 수 있고 자신의 생각에 해

보충하거나 정리 할 수 있다.

3.2 제안하는 교수-학습과정안

앞의 융합형 교육 로그램 설계 요구사항[8]을 기반

한 본 논문에서 제안하는 등 학년을 한 교육용

라인트 이서 로 교육의 교수-학습과정안 내용을 살펴

보면 다음과 같다.

1) 단계(도입), 학습과정(탐색 문제 악), 총 5시간

가. 동기유발

▪빛의 반사 원리를 이용한 마술 동 상 시청하기

◦동 상에서 어떤 일이 일어났나요?

･우리 몸이 없어졌습니다.

◦어떻게 우리 몸이 없어지게 되었을까요?

･마술이기 때문입니다./ 속임수를 썼습니다.

◦이 마술이 어떤 원리를 이용한 마술인지는 우리

주변에 있는 거울을 보면 알 수 있습니다. 어떤

원리 인지 알고 있나요?

･‘반사’ 입니다.

나. 공부할 문제 확인

빛의 반사를 이해하고 빛의 반사를 이용하여 로

을 작동시킬 수 있다.

다. 학습 활동 안내

-활동1. 빛의 반사에 해서 알아 시다.

-활동2. 빛 감지 로 을 만들어 시다.

-활동3. 반사를 이용하여 빛 감지 로 을 움직여 시다.

▪학습자료 유의

･빛의 반사 원리를 이용한 마술 동 상

2) 단계( 개), 학습과정(자료제시 찰탐색), 총 15시간

가. 활동1. 빛의 반사에 해서 알아 시다.

♣빛의 반사 원리 알아보기

▪거울을 이용하여 반사 원리 이해하기

◦(거울을 보여주며) 거울 속에 구의 모습이

보이나요?

- 내 얼굴이 보입니다. 뒤에 앉은 친구의 모습이

보입니다.

◦거울이 없다면 뒤에 있는 친구들을 볼 수 있을까요?

- 볼 수 없습니다.

◦거울을 통해 우리의 시야가 닿지 않는 곳까지

볼 수 있는 이유가 무엇인가요?

- 빛이 반사하기 때문입니다.

◦그런데 거울을 이용한다고 해서 모든 곳을 볼 수 있

는 것은 아닙니다. 우리 교실 내에서도 여러분들이

앉은 치에 따라 볼 수 있는 친구들과 볼 수 없는

친구들이 있습니다. OO야, □□가 보이니?

- 네, 보입니다.

◦그러면 ◇◇도 보이니?

- 보이지 않습니다.

◦이 게 거울을 이용해도 볼 수 있는 곳과 없는 곳이

있는 이유는 무엇일까요?

- 빛이 한 방향으로만 반사되기 때문입니다. /

거울이 평면이기 때문입니다.

◦잘 말해 주었어요. 빛은 직진하기 때문에 거울을 만

나면 한 방향으로만 반사되어 가기 때문입니다.

◦그럼 이 원리를 이용하여 모둠별로 로 을 만들고

게임을 해보겠습니다.


･교실의 좌석배치도를 참고하여 질문을 한다.

나. 활동2. 빛 감지 로 을 만들어 시다. (모둠 활동)

♣로 만들기

- 설명서를 참고하여 로 을 만들도록 한다.

♣로 작동시켜보기

- 만든 로 이 제 로 작동하는지 시험해보고, 이

상이 있을 경우에는 선생님의 도움을 받는다.

- 빛 감지에 오작동이 발생하는 경우는 빛 센서

주 에 검은색 색지를 감는다.

▪ 학습자료 유의

･모둠활동에서 소외되는 학생이 없도록 지도한다.

･로 제작에 어려움이 있는 모둠은 순회지도를 통

해 교사가 도움을 다.

다. 활동3. 반사를 이용하여 빛 감지 로 을 움직여

시다.

♣게임 방법 설명하기

- 그림을 통해 설명한다. (그림 3,4)

♣모둠 별로 빛 감지 로 결하기 (총 세 번의 기

회를 부여한다.)

- 세 번의 기회 가장 빠른 시간 내에 빛을 조작하

여 도착지 에 로 을 보내는 모둠이 승리한다.


･모둠활동에서 소외되는 학생이 없도록 지도한다.

･거울의 개수를 달리하여 과제 수행의 난이도를 조

할 수도 있다.

3) 단계(정리), 학습과정( 용 응용), 총 5시간

가. 활동1.

♣마술 해설동 상 시청하기

◦오늘 배운 내용을 토 로 처음에 본 마술이 어떤 원


리인지 함께 찾아 시다.

♣실생활에서 빛의 반사 상 찾아보기

◦우리 주변에 빛의 반사를 이용한 것들에는 무엇이

있나요?

- 거울이 있습니다./ 반사경이 있습니다./ 카메라

가 있습니다./ 섬유가 있습니다.

♣학습내용 정리

◦빛이 거울에 부딪치면 어떻게 나아가나요?

- 들어온 각도와 같은 각도로 반사되어 튕겨나

갑니다.

3.3 수업에서의 활용방법 유의

학습 흥미를 유발할 수 있는 활동을 해보고 활동을

통해 학습자의 성취도를 평가한다. 로 활용 활동은 출

발 과 도착 을 설정하고 여러 구간으로 나 다. 빛 감

지로 이 도착 에 가는 시간을 측정한다.

그림 3 로 활용한 활동을 시작할 때의 모습

Fig. 3 Start of robot utilizing activity

그림 3은 로 을 활용한 활동을 시작 할 때의 모습이

다. 빛의 반사 원리, 즉, 입사각과 반사각을 이용하여 로

의 센서에 이 포인트에서 발사된 빛이 도달되도

록 한다. 단, 이 과정에서 반사법칙(입사각=반사각)이라

는 정량 인 근은 하지 않는다.

그림 4 간 치에서의 입사각 조 화면

Fig. 4 Adjusting incidence angle at a point

그림 4는 빛을 감지하여 앞으로 움직인 로 은 간1

치에 멈추게 된다. 이 로 을 다시 나아가게 하려면

빛을 다시 도달하도록 해야 하는데 로 의 치가 바

었으므로 학생들은 다시 거울의 각도나 빛의 입사각을

조작하여야 한다.

4. 로그램 용결과 효과성 분석

4.1 장 용 주요 활동내용

본 교재를 장 용한 주요 학생 활동내용을 살펴보

면 다음 그림 5와 같다.

그림 5 장 용의 주요 활동 사진 결과

Fig. 5 Photo and Result of Real Tesetbed

본 수업에서 라인트 이서 교육용 로 은 학습자가

즈를 조작하여 빛이 목표에 도달하도록 하는 활동에

서 ‘목표’의 역할을 수행한다. 덧붙여 거울에 의한 ‘빛의

반사’라는 학습내용을 용하여 빛을 간단히 조작하는

활동을 통해서 라인트 이서 교육용 로 을 작동시키게

된다. 학습자는 조작 활동을 통해 거울에 반사된 빛이

어떤 방향으로 반사가 되는지 알게 되었으며 이는 본

교육의 학습목표와 직 으로 연 이 되는 결과를 나

타낸다[9,10].

4.2 학생 설문조사 분석

설문지는 5 만 의 리커트(Likert) 척도로 구성한

문항 5개와 서술형 문항 5개로 이루어져 있으며, 용

결과는 표 1과 같다.

수업과 교재 련 난이도는 평균 4.20으로 하다는

응답을 보 고, 제시된 단어와 문장의 수 도 4.20으로

하다는 응답을 보 다. 교재 수업에 한 흥미도

는 평균 4.70으로 교재 수업에 한 흥미와 만족도가

매우 높게 나타났다. 향후 학습에 한 태도는 4.60으로

표 1 교육 로그램 용 결과

Table 1 Application Result of Education Program

SubjectFrequency

(Person)Average

Standard

Deviation

Level of difficulty of the

class and learning materials100 4.20 .75

Level of words and

sentences used100 4.20 .75

Interest in and satisfaction

with learning materials and

the class

100 4.70 .48

Preference to learning

through the program in the

future

100 4.60 .66

Degree of program's effect

in connection with other

school subjects

100 4.40 .66


그림 6 교육 로그램 용 결과 그래

Fig. 6 Result of applied Education Program

향후 융합 교육과정에 한 학습의지가 높은 것으로 확

인되었고, 타 교과학습 연계효과 정도도 4.40으로 효과

가 높다는 응답을 보 다(그림 6 참고).

서술형 문항에서도 실생활과 IT 신기술, 융합형 교육

이 통합 으로 용된 교육 로그램에 해서 정 인

응답이 많았고, 차시 에서는 개 부분의 로 조립

활용내용이 가장 만족도가 높았다. 서술형 문항의 결

과는 다음과 같다.

- 모든 활동이 좋았다. 완 재미있다.

- 다음에 기회가 있으면 꼭 하겠다.

- 재미있고 다음에 하고 싶다(3).

- 아주 좋았다. - 로 에 해서 더 알고 싶다.

- 게임이나 재미있는 만들기가 더 추가되면 좋겠다.

4.3 교사 설문조사 분석

본 연구에서는 개발한 교재와 교육 로그램을 직

등학교 교사에게 분석을 의뢰하고 설문조사지를 통해

교재와 교육과정의 성에 해 분석하 다[11,12]. 교

재와 교육 로그램에 한 교사의 설문조사 결과는 다

음과 같다.

- 로 과 빛의 개념으로 쉽게 이해할 수 있게 교재가

구성되었고 학습활동이 이루어졌다.

- 시간이 더 주어진다면 로 의 다양한 기능 교육과

원리의 형태를 추가해도 좋을 것 같다.

- 새로운 로 교육의 흐름을 알 수 있는 기회를 마련

해 다.

- 학생들이 로 을 활용해 빛의 원리를 스스로 측정함

으로써 실험을 실천하는 자세를 더욱 형성시켜 수

있다.

- 로 과 빛의 원리를 스스로 측정하는 직 만드는 활동

을 통하여 학생들이 즐겁고, 창의 인 활동을 할 수 있다.

- 과학 계산이 조 많은 편이어서 양을 일 필요가

있다.

많은 교사들이 교재의 성에 해 정 인 답변

을 하 다. 학생이 이해하기 쉽게 구성되었다는 응답이

많았으며, 스스로 학습이 가능하도록 구성된 부분에

한 정 답변도 많았다. 학습활동이 학생들이 좋아하

는 활동으로 구성되어 학습이 효과 으로 이루어졌다는

참 교사도 있었다. 다만 공학 계산이 많아서 흥미도를

떨어뜨릴 수 있다는 지 과 더욱 다양한 로 의 기능을

추가하면 더 좋을 것 같다는 지 도 있었다.

5. 결론 향후 연구

본 연구에서는 로 교육의 기 가 될 수 있는 융합형

로그램 기반의 라인트 이서 로 을 이용하여 학생들

에게 창의력과 문제 해결력을 향상 시킬 수 있도록

로그램을 설계하고 이를 실행하는 교수 학습지도안을

개발하 다. 일반 인 학생들은 로그래 언어와 로

교육에 심이 많지만, 이러한 로 교육들은 재 거의

재 학생들을 상으로 이루어지고 있는 실정이다. 본

연구를 통해 추후 확 된 다수의 학생들을 상으로 실

제 검증하고, 그 효과성을 분석할 수 있도록 추가 인

연구가 필요하다.

References

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박 남 제

2008년 성균 학교 컴퓨터공학과(박사)

2003년～2008년 한국 자통신연구원 선임

연구원 2009년 University of California

at LA(UCLA) Post-doc 2010년 Arizona

State University (ASU) Research

Scientist 2010년～ 재 제주 학교 교육

학 등컴퓨터교육 공 조교수. 심분야는 컴퓨터교육,

STEAM,정보보호, 암호이론 등

라인트레이서 로봇을 활용한 초등 저학년의 steam 프로그램 개발 및 … ·...

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