『잎세플러스』

비행기 발명의 BLACK box를 활용한 발명교육 실천 방안
-인문학 중심의 비행기 발명 프로그램을 중심으로-

이지민 (서울재동초등학교 교사)
naruchun@sen.go.kr

들어가며
발명이 가지는 용어의 어려움 때문인지 학교 현장에서는 발명교육이 소수만을 위한 교육으로 인식되는 경향이 있다. 교사에게는 다가가기 어려우며 학생들은 적절히 배울 기회가 많지 않아 발명 활동이 대게 그들만의 리그라는 평가가 강하다. 특히 초등학교 교육과정에서는 발명이 실과 교과의 한 단원이나 과학 교과의 마무리쯤에서 배울 수 있는 있으며 발명교실과 같은 특별한 장소에서 경험할 수 있어 실질적인 교육이 이뤄지는데 한계를 가진다.
그러나 우리가 누리는 모든 사물은 발명의 결과물이며 그 중 일부는 우연에 의해, 필요에 의해, 평범한 누군가의 의해 발명되었다. 따라서 실제 우리가 활용하는 물건이 발명된 과정을 따라가며 다양한 방향에서 접근해 본다면 초등학교 학생들의 발명에 대한 역량이 더욱 신장될 것으로 기대한다.
연구의 필요성
미래 사회를 대표하는 단어인 ‘4차 산업혁명’은 2016년 다보스에서 열린 경제 포럼에서 본격적으로 널리 알려지게 되었다. 인공지능이 현실화되어 의료와 자율주행 영역에서 인공지능이 차지하는 비중이 점차 확대되고 있으며, 언어 번역에서도 로봇이 서비스를 제공하기 시작하였다. 인간의 고유 영역이라 여겨지던 감정과 문학 영역에서도 활용되는 등 미래 사회에서는 사이버 물리 기술이 인간을 대체할 가능성이 점점 더 커지고 있다.
이런 변화에서 인간에게 더욱 요구되는 역량은 무엇일까? 류태호(2017)의 [4차 산업혁명 교육이 희망이다]에서 분석한 제3차, 4차 산업혁명의 인재 역량 비교표를 보면 복합 문제 해결 능력과 비판적 사고능력이 1, 2위를 차지한다. 또, 창의력과 감성 능력이 4차 산업혁명 인재 역량에 새롭게 등장하였다.
2020(제4차 산업혁명) 2015(제3차 산업혁명)
1 복합 문제 해결 능력 복합 문제 해결 능력
2 비판적 사고 능력 협업 능력
3 창의력 인적 자원 관리 능력
4 인적 자원 과리 능력 비판적 사고능력
5 협업 능력 협상 능력
6 감성 능력 품질 관리 능력
7 판단 및 의사 결정력 서비스 지향성
8 서비스 지향성 판단 및 의사 결정 능력
9 협상 능력 적극적 경청 능력
10 인지적 유연력 인지적 유연력
출처: 류태호,(2017).「4차 산업혁명 교육이 희망이다」
복합 문제 해결 능력은 복잡한 상황에서 발생하며 새롭고 불분명한 문제를 해결하는 능력이다. 과정이 불분명한 상황 속에서 표준화, 규격화되지 않은 답을 찾고 문제를 해결하기 위해서는 비판적 사고와 창의력이 꼭 필요한 역량이라고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 전혀 다른 영역에서 연결고리를 발견하여 해결의 실마리를 찾기 위해 감성적 영역이 절대적으로 필요한데 이는 문제를 해결하는 에너지와 같은 역할을 한다고 할 수 있다. 즉, 제4차 산업혁명 시대에 필요한 역량 중 1, 2, 3, 6위의 능력은 서로 밀접한 관련이 있다.
발명이란, 관찰과 연결을 통해 실생활의 문제를 발견하고 비판적이고 창의적인 사고 활동으로 문제를 해결해 나가는 복합적인 활동이다. 미래 사회의 주인으로 살아가야 할 현재의 학생에게 밀접하게 연결되어 있는 4가지 역량을 신장시키기 위한 가장 적절한 방안이 바로 발명교육이다.
하지만 제시된 4가지 역량의 신장이 간단하지 않은 이유는 능력의 기초가 ‘반성적 성찰 능력’에 있다는 것에 기인한다. 이 능력은 인간만이 가진 고유한 능력으로 인식되는데, 인간의 깊은 사유에서 출발하며 성찰력을 획득하기 위해서는 인간을 위한 학문인 인문학의 학습이 강조된다.
따라서 인문학적 요소가 투입된 발명 프로그램이 필요하다. 프로그램의 주제를 선정하기에 앞서 인문학적 요소를 가장 많이 가지고 있는 발명품은 무엇일까? 바로 비행기이다. 비행기의 발명 과정을 배움으로써 학습자는 발명을 위한 인간의 노력, 수많은 지식의 결합, 사회의 변동, 철학과 사유의 변화를 자연스럽게 익힐 수 있게 된다. 나아가 실제 생활에서 발명 활동을 하며 결과물을 서로 공유하고 성찰함으로써 역량을 강화시켜 나갈 수 있을 것이다.
[그림] 비행기 주제 프로그램의 필요성
BLACK box 프로그램 정의
블랙박스는 항공기에 탑재하는 비행기록장치(Flight Data Recorder, FDR)와 조종실 녹음 장치(Cockpit Voice Recorder, CVR)를 넣어둔 금속박스를 통칭한다. 최근에는 주로 비행기나 차량 따위에 비치하는데 사고가 났을 때 그 원인을 밝히는 데 중요한 구실을 한다. 이처럼 블랙박스는 어떤 결과(사고)가 생겼을 때 사고의 과정이나 원인을 알려주는 장치로 문제 해결에 큰 도움이 되며 비행기 발명의 과정을 알아본다는 의미에서 위의 용어를 도입한다.
구분 의미
B box 비행기의 발명은 새처럼 날고자 한 인간의 욕망과 도전에서 시작한다. ‘B’는 <Like a Bird> 에서 새의 영어 알파벳 첫 번째 글자를 뜻한다. 새 유물을 통해 인간의 욕망을 엿보고 풍동실험과 인력비행의 실패 이유에 대해 학습한다.
L box 역사적으로 비행기의 발명에서 가장 먼저 등장하는 인물은 <Leonardo da vinci>이다. 비록 실제 비행 물체를 만들지는 못하였지만 창의력과 끊임없는 노력으로 하늘을 나는 기계를 구안하고 낙하산, 헬리콥터, 글라이더 같은 비행체를 상상하였다.
A box 세 번째 주제는 하늘로의 첫발을 뜻하는 <A forward step>이다. 과학기술의 발달, 산업혁명 등의 굵직한 사회의 변화와 새롭게 등장한 비행체의 등장에 대해 알아본다. 간단한 도구를 이용하여 비행하는 물체를 개발하고 실제 비행에 성공하는 과정을 밟아본다.
C box <Coming airplane>은 비행기 시대가 도래한 시기에 대해 살펴본다. 수많은 시행 착오와 희생, 과학적 원리의 적용을 통한 발달의 역사를 알아본다. 비행 기술이 폭발적으로 확장된 세계전쟁을 살펴보고, 다양한 관점에서 삶을 살펴보고자 한다.
K box 마지막 주제는 <the Key of the cosmos>이다. 20세기 중반, 비행기의 영역이 지구를 넘어 우주를 향한 역사와 발달사를 알아본다. 국가 중심의 경쟁구도에서 벗어나 민간에서 벌어지고 있는 다양한 우주 개발과 관심에 대해 학습한다.
[BLACK box 프로그램 내용]
BLACK box 프로그램의 실제
B box의 주제는 Like a Bird로 새처럼 날고자 한 인간의 욕망에 관해 학습한다. 이집트에서 발견된 유물을 통해 당시 사람들의 하늘에 대한 동경을 알아본다. 새 모형을 실제 만들고 풍동 실험을 해보며 사고력을 확장시킬 수 있고 신화 속 이카루스의 이야기를 읽고 우리 삶에서 ‘비행’이 가지는 의미에 대해 의견을 교류하여 개방적인 자세를 키운다. 태양열을 이용할 방법을 조사하여 이카루스를 구할 수 있는 발명품도 만들어 보고자 한다.
구성 주제 활동내용
지리 역사 사카라의새 • 사카라새를 통한 고대인의 생각 알기
• 사카라새 관찰 및 미스테리 알기
탐구 발명 새의 풍동실험 • 클레이로사카라 새 만들기
• 사카라새의 풍동실험과 비행 관찰하기
예술 철학 비행 상상과도자기 • 고대도자기 그림으로 생각 파악하기
• 민도기에비행 상상을 그림으로 표현하기
탐구 발명 태양열과이카로스의 날개 • 신화속 비행 관련 이야기 보기
• 이카로스가추락하지 않을 방법 찾기
실험 과학 좌절된 인력비행 • 인력비행이실패한 이유 탐구하기
• 실패로끝난 조인들의 인력비행 근거 찾기
[B box 프로그램 내용]
사카라의새 풍동실험 비행 상상도자기 이카로스의날개 인력비행탐구
[B box 프로그램 활동 모습]
L box의 주제는 Leonardo da vinci 이다. 르네상스 시대 비행기에서 로봇까지 모든 것을 상상한 인물인 레오나르도 다빈치는 상상을 실현하기 위해 수많은 스케치를 하였다. 그의 스케치 노트를 통해 다빈치의 비행에 대한 생각을 읽을 수 있다. ‘새’로부터 영감을 받은 다빈치는 하늘을 나는 기계를 스케치하였으며 낙하산, 헬리콥터, 글라이더와 같은 비행체에 대해 끊임없이 탐구하였다. 레오나르도 다빈치처럼 사고하며 비행기의 발명 역사를 따라가 보고자 한다.
구성 주제 활동내용
지리 역사 레오나르도다빈치 • 레오나르도 다빈치 인물 탐구하기
• 다빈치처럼 생각하는 세가지 방법
-호기심, 감각, 연결관계
사회 문화 르네상스와3가지 발명품 • 르네상스의 의미와 대표적 발명품 알기
• 인쇄술 체험하고 변화 토의하기
탐구 발명 다빈치의발명품 • 다빈치의 발명품 만들고 원리 알아보기
• 다빈치 전시회 열어 발명품 살펴보기
• 다빈치따라 발명하기
실험 과학 단풍나무씨앗의 여행 • 멀리 날아가는 단풍씨앗 만들기
• 내가 만든 단풍씨앗 실험하기
[L box 프로그램 내용]
다빈치처럼 생각하기 다빈치처럼 생각하기 다빈치 따라하기 만들기 결과물 단풍나무씨앗 탐구
[L box 프로그램 활동 모습]
A box의 주제는 A forward step 로 하늘로 첫발을 내딛은 인류의 비행 수단 발명의 역사를 알아보고자 한다. 부력의 원리를 이해하고 기구를 탄생시킨 몽골피에 형제의 열기구를 조사하여 탐구해 보고, 열기구를 이용한 당시 사회 모습을 찾아 사회 문화에 대해 이해를 높이고자 한다. 또, 1차 산업혁명이 일어나며 인류가 종래보다 과학적인 사고를 하게 되며 탄생한 다양한 발명품을 탐색해 보며 사회 문화적인 발달이 사람들의 삶의 모습에 어떤 영향을 끼치는지 알아보고자 한다.
구성 주제 활동내용
실험 과학 부력과 몽골피에의열기구 • 실험을 통해 부력의 원리 알기
• 열기구 실험 및 몽골피에의 열기구 알기
지리 역사 동서양의하늘로 가는 첫걸음 • 열기구의 다양한 이용 탐구하기
• 연의 다양한 이용과 연날리기
사회 문화 기술혁신과1차 산업혁명 • 18C 후반에 일어난 두가지 기술혁신
• 산업혁명과 사회·문화의 변화 탐구하기
탐구 발명 글라이더비행
(고정날개의 출현)
• 고정날개의 출현 과정 이해하기
• 고정 날개 장난감 만들고 날려보기
탐구 발명 빨대 글라이더탐구 • 빨대, 종이, 클립으로 글라이더만들기
• 글라이더를 더 잘 날리는 방법 탐구하기
[A box 프로그램 내용]
부력탐구 열기구의이용 비행선 만들기 고정날개장난감 빨대글라이더
[A box 프로그램 활동 모습]
C box의 주제는 Comming airplane으로 동력 비행기 시대에 대해 알아본다. 비행기가 동력으로 날 수 있는 까닭을 탐구하고 베르누이 원리, 자이로스코프 원리를 학습하여 비행기에 담긴 주요 원리에 대해 알아본다. 콘덴서 비행기를 만들고 날려보며 비행원리를 이해하고 비행기 조종방법도 생각해 보게 한다. 비행기가 발명된 후 1, 2차 세계대전에서 비행기의 역할을 조사하여 사회·역사적으로 어떤 변화를 겪는지 확인한다.
구성 주제 활동내용
실험 과학 베르누이원리 • 베르누이 정리와 실제 사례 알기
• 비행기에 작용하는 힘의 작용 탐구하기
• 양력의 발생 원리 탐구하기
실험 과학 자이로스코프원리 • 자이로스코프 팽이 놀며 원리 알기
• 자이로스코프 비행기 만들기
탐구 발명 동력 비행기의출현 • 동력비행기의 탄생 과정 알기
• 콘덴서 비행기 만들고 조정하기
지리 역사 전쟁과 비행기 • 세계 대전이 발생한 배경와 결과 알기
• 전쟁에서 사용된 비행기 특징 파악하기
예술 철학 영화
「바람이분다」
• 전쟁에서 사용된 전투기에 대해 토의하기
• 애니메이션 관람 및 소감 공유하기
[C box 프로그램 활동 모습]
베르누이원리 자이로스코프 동력비행기 전쟁과 비행기 문자코딩메세지
[C box 프로그램 활동 모습]
K box의 주제는 the Key of the cosmos로 비행기의 발명과 발달을 넘어 새롭게 등장하는 비행기체에 대해 탐구한다. 앞선 4가지의 실천과제가 인류가 하늘에 대해 품었던 두 가지 궁금증(하늘을 나는 방법, 하늘 밖에는 무엇이 있을까) 중 전자에 대한 것이라면 <실천과제 5>에서는 후자에 대한 내용을 학습하고자 한다. 따라서 새로운 기체(機體)에 대해 알아보고 우주에 대해 품었던 인류의 호기심을 경험하여 우주에 도전하는 인류의 발명 역사를 알아보고자 한다.
구성 주제 활동내용
실험 과학 항공기 그후, 곤충과 비행 • 특이한 비행기 발명품 알기
• 곤충의 원리를 이용한 엔터몹터 알기
• 드론과 윙콥터의 활용성에 대해 탐구하기
예술 철학 달과 비행기 • 오로라와 사탕 속에 담긴 우주 체험하기
• 동화 속에 그려진 우주 감상 나누기
탐구 발명 과학기술로우주 탐구하기 • VR과 홀로그램으로 우주 체험하기
• 코딩으로 우주게임 만들기
지리 역사 NextBig Thing • 우주를 둘러싼 미·소전쟁 역사 알기
• 다양한 우주 탐구 결과 조사하기
사회 문화 나로호에서누리호까지 • 누리호의 발달 과정 알고 모형 만들기
• 로봇 만들고 우주개발의 이유 파악하기
• 우주탐사선 로봇 창작하고 실행하기
[K box 프로그램 활동 모습]
항공기 그후 우주 감상 우주 코딩게임 키워드로 우주탐사 로봇 발명하기
[K box 프로그램 활동 모습]
프로그램의 적용 결과
첫째, 프로그램의 전·후 양적 비교를 통해 4가지 미래 핵심 역량(복합문제해결역량, 비판적사고력, 창의력, 감성능력)에 모두 향상도가 보여 위의 프로그램의 투입이 학생들의 역량 함양에 도움이 되는 것으로 판단된다.
둘째, 한 가지 주제를 선정하여 발명이 이뤄진 전 과정을 다양한 각도에서 바라보게 되어, 고등 사고능력이 발달하는 시기인 초등학교 5~6학년 학생들의 사고력 발달에 도움이 되었다.
셋째, 특히 인문학적 접근으로 발명이 새로운 아이디어의 탄생이나 물건이 만들어지는 것에서 그치는 것이 아니라, 인류의 삶에 긍정적 · 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 이해하는 계기가 되었다.