Earticle

제4차 산업혁명시대는 테크놀로지에 대한 기초소양을 바탕으로 창의적으로 문제를 해결할 수 있는 역량을 요 구하고 있다. 이러한 역량은 SW교육 STEM융합교육과 연계된 메이커교육을 통해 신장시킬 수 있다. 한편 메이 커교육에 앞서 선결되어져야 할 과제로는 테크놀로지 중심 접근보다는 교육방법적 접근이 필요하고 참여자의 흥 미와 동기를 유발할 수 방안을 고려해야 한다는 것이다. 이러한 취지에서 본 연구는 예비교사를 대상으로 단순 히 메이커 활동을 안내하기보다 흥미와 공감을 갖고 스스로 능동적인 메이커 활동에 참여할 수 있도록 공학중심 Reading & Maker 교육프로그램을 개발 및 적용하였다. 연구결과 프로그램 적용 후 메이커 인식조사 결과는 사 전검사보다 통계상 유의미한 향상이 나타났다(p<.000).

The fourth industrial revolution era calls for the ability to solve problems creatively based on basic literacy for technology. These capabilities can be enhanced through the maker education linked to SW education STEM convergence education. Meanwhile, one of the tasks that must be set prior to the maker education is to take an educational approach rather than a tech-centric approach and consider ways to stimulate interest and motivation of the participants. For this purpose, this study developed and applied an engineering-oriented Reading & Maker education program to prospective teachers so that they could participate in active making activities on their own with interest and sympathy rather than simply guiding maker activities. As a result of the study, the results of the maker education recognition survey after the application of the program showed a statistically significant improvement(p<.000)

Recently, we have witnessed the definitely negative impacts of large-scale accidents happened in such areas as atomic power plants and high-speed train systems, which result in increased fear for the potential danger. The problems appear to arise due to the deficiency in the design of large-scale complex systems. One of the causes can be attributed to the design process that does not fully reflect the safety requirements in the early stage of the system development because of the substantially increased complexity. In this paper, to enhance the systems safety an integrated process is studied, which considers simultaneously both the system design process and system safety process from the beginning of the system development. In the conceptual system design phase an integrated process model is constructed by analyzing the activities of both the system design and safety processes. As a case study example, an inner city train system is described with the application of the developed process. The computer simulation of the example case is followed by the result discussed. The results obtained in the paper are expected to be the basis for the future study where a detailed process and its associated activities can be developed.

산업기술의 비약적인 발전으로 인해 오늘날 우리가 개발하거나 사용하는 시스템은 보다 기술의 고도화 양상을 보이고 있다. 따라서, 기존의 시스템이 지니고 있어 제공 하는 단일 특성에서 벗어나 다양한 학제간 결합된 기술로 기존 시스템이 지니고 있는 관념적인 기능에서 벗어나 다기능을 제공하고 있다. 이로 인해, 기존의 개발단계에서 는 보다 높은 설계 신뢰성이 요구되고 있다. 특히, 오늘날 우리사회는 시스템의 개발 성공이라는 안도에서 벗어나 시스템 운용·유지단계에서도 안전성 측면에서 매우 중요 성을 인식하고 대비하고 있다. 따라서, 국내에서는 미흡한 상위 단계에서의 설계활동 과 또한, 같은 시스템 수명주기 상에서의 시스템 안전활동을 동시에 고려한 동시공학 적인 접근에 관한 연구를 본 연구팀은 지속적으로 수행해왔다. 따라서, 기존의 연구결 과인 설계와 안전을 동시에 고려한 통합 설계 프로세스 모델에 대해, 시스템개발에 관 련한 모든 이해당사자가 공통된 이해를 바탕으로 시스템설계와 안전 활동에 대해 상 호 호완성과 공통된 인식을 갖고 접근할 수 있는 방안을 본 연구를 통해 수행하였다. 따라서, 본 연구는 모델기반 시스템공학 기법중 보편적인 언어인 공통 언어를 통해 기 존 연구를 통해 제시한 통합설계 프로세스 모델을 구현에 관한 연구 수행을 통한 접 근 방안에 관하여 논의하고 있다. 본 연구를 기반으로 향후 추가 연구를 수행한다면, 국내 대형복합시스템의 설계단계에서의 안전성을 동시 고려한 시스템 설계 신뢰성 확 보를 위해 도움이 될 것으로 기대 된다.

4차 산업혁명의 도래와 함께 LLM(대규모 언어 모델)은 다 양한 분야에서 효율성을 증진시키며, 특히 OpenAI의 ChatG PT, X의 Grok과 같은 언어 생성형 AI인 LLM은 디자이너의 작업 속도를 높이고 창의적 문제 해결을 지원하는 도구로 활 용되고 있다. 이에 따라 최적화된 답변을 이끌어내는 프롬프 트 엔지니어링 기술이 주목받고 있다. 본 연구는 디자인씽킹 기반의 프롬프트 기법을 제안함으로써 LLM을 디자인 프로 세스에서 효과적으로 활용하는 방안을 모색하고, 이를 통해 디자이너의 기술적 경쟁력 강화를 도모하고자 한다. 연구는 이론적 연구와 실증적 연구를 병행하여 진행되었다. 먼저, 생 성형 AI와 LLM, 프롬프트 엔지니어링의 개념을 정리하였다. 둘째, 주요 기관 및 선행연구에서 제시한 프롬프트 기법을 종 합적으로 분석하였다. 셋째, 각 기법을 디자인씽킹 핵심 요소 를 기준으로 재구성하여, 디자이너가 실무에서 활용할 수 있 는 디자인씽킹 기반 프롬프트 기법을 도출하였다. 마지막으 로 제안된 기법의 실효성을 평가하기 위해 워크숍을 설계하 고, 참가자 인터뷰를 통해 검증 및 보완 방향을 도출하였다. 연구 결과, LLM을 활용한 디자인 프로세스 수행에 있어 프 롬프트 엔지니어링 기술이 창의적 문제 해결을 도모하고 작 업 효율성을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 기법은 디자이너가 AI와 협력하며 변화 하는 산업 환경에서 디자이너의 경쟁력을 강화하는 데 기여 할 것으로 기대된다. 다만, 다양한 디자인 환경에서의 추가 검증과 확장 가능성에 대한 연구가 지속적으로 이루어질 필 요가 있다.

This study explores optimizing LLMs like ChatGPT for design thinking by proposing a prompt-writing guide that enhances designers' efficiency and competitiveness. To achieve this, key concepts were organized, major prompt engineering techniques were analyzed, and their applicability was evaluated based on design thinking principles. A prompt-writing guide tailored for designers was developed and validated through workshops and interviews, revealing its potential to enhance the design process. The findings highlight the convergence between prompt engineering and design thinking, demonstrating the guide's effectiveness in reinforcing key design thinking elements and improving workflow efficiency. Additionally, insights from workshop participants provided a complementary direction for refining the guide. This research establishes a foundation for designers to collaborate with AI, strengthening their adaptability and competitiveness in an evolving industry. However, further verification and expansion in diverse design contexts remain necessary.

Powder Injection Molding (PIM) has recently been recognized as an advanced manufacturing technology for low-cost mass production of metal or ceramic parts of complicated geometry. With this regards, design technology of dental scaler tip PIM mold, which has complex shape, with the help of computer-aided analysis for powder injection molding process was developed. Compter aided analysis results, such as filling pattern, weldline formation, and air vent position prediction were investigated and eventually showed good agreements with experimental results.

Because of new requirements related to the employment of SMT(Surface Mounting Technology) manufacturing and the diversity of components on high density PCB(printed circuit boards), Thermal control of the reflow process is required in oder to achieve acceptable yields and reliability of SMT assemblies. Accurate control of the temperature distribution during the reflow process is one of the major requirements, especially in lead-free assembly. This study has been performed for reflow process using the commercial CFD tool(Fluent) for predicting flow and temperature distributions. There was flow recirculation region that had a weak point in the temperature uniformity. Porous plate was installed to prevent and minimize flow recirculation region for acquiring uniform temperature in oven. This paper provided design concept from CFD results of the steady state temperature distribution and flow field inside a reflow oven.

Brackets in ships and offshore structures are added structures that can endure stress concentrations. In this study, a concurrent engineering solution was proposed, and a high strength low carbon cast steel alloy applicable to offshore structures was designed and developed. The yield strength and ultimate tensile strength of the designed steel were 480 and 600 MPa, respectively. The carbon equivalent of the steel was 0.446 with a weld crack susceptibility index of 0.219. The optimal structural design of the brackets for offshore structures was evaluated using ANSYS commercial software. The possibility of replacing an assembly of conventional built-up brackets with a single casting bulb bracket was verified. The casting process was simulated using MAGMAsoft commercial software, and a casting fabrication process was designed. For the proposed bulb bracket, it was possible to reduce the size and weight by approximately 30% and 50%, respectively, compared to the conventional type of bracket.

While systems engineering has been widely applied to complex system development, some evidences are reported about major budget and schedule overruns in systems engineering applied. On the other hand, many organizations have been deploying Design for Six Sigma (DFSS) to build Six Sigma momentums in the area of design and development for their products and processes. To explore the possibility of having a DFSS complement systems engineering process, this process reviews the systems engineering with their categories of effort and DFSS with its methodologies. A comparison of the systems engineering process and DFSS indicates that DFSS can be a complement to systems engineering for delivering higher quality products to customers faster at a lower cost. We suggest a simplified framework of systems engineering process, that is, PADOV which was derived from the generic systems engineering process which has been applied to the development of T-50 advanced supersonic trainer aircraft by Korea Aerospace Industries (KAI) with technical assistance of Lockheed Martin. We demonstrated that each phase of PADOV framework is comprehensively matched to the pertinent categories of systems engineering effort from various standards.

기존의 CSCW (Computer Supported Collaborative Work) 시스템은 단순히 문서나 메시지를 구성하고 전달하는 기능만을 지원할 뿐 협동 작업자들간의 조직구성, 업무분할 및 통합, 작업흐름 제어와 같은 인지학적 기능등은 효과적으로 반영하지 못하고 있다. 본 연구는 협동작업환경에서의 CAD(Computer Aided Design)/CASE(Computer Aided Software Engineering)와 같은 공학 디자인 프로세스를 인지학적으로 지원하기 위한 CSCW 시스템을 개발하는 데 그 목적이 있다. 제안된 DCWA (Distributed Collaborative Writing Aid) 시스템은 CAD/CASE 및 시뮬레이션 기능을 하나의 시스템으로 통합함으로써 조직구성, 업무분할, 작업흐름제어가 이들 기능에 통일적으로 적용될 수 잇도록 하였다. 특히 CAD 도구에서는 다중 사용자들 소유의 그림객체 간의 바인딩, 어태치먼트, 스케일링 기능들은 제공하여 결합 형태 및 정도를 나타내는 관계성 표현이 가능하도록 함으로써 업무분할 및 병합이 CAD 도구에서도 명확히 드러나도록 하였고, CASE 도구에서는 소프트웨어 시뮬레이션 기능과 연계하여 작업흐름 제어가 용이하도록 하였다. 이는 또한 제품을 생산하기 전에 미리 모형을 시뮬레이션 해봄으로써 제품 개발의 시간과 비용을 단축할 수 있는 효과를 가져다 준다.

Most work done in CSCW (Computer Supported Collaborative Work) system has been targeted toward supporting the exchange of documents or messages among group members, and yet support for cognitive aspects such as group organization, division and merge of work, and work flow control. The objective of the study is to provide CSCW environment for the engineering design process such as CAD (Computer Aided Design) and CASE (Computer Aided Software Engineering). The proposed DCWA (Distributed Collaborative Writing Aid) system suggests a mechanism that unifies the group organization, work division, and work flow control in the CAO, CASE, and software simulation tool. In particular, CAD relates the group and work partition by providing expressing the relation of drawing object (e.g., binding, attachment, and proportional scaling) which is owned by different members of group, and CASE combining with the simulation tool supports the flexibility of the work flow control. Simulating the prototype before manu-facturing a product can reduce time and cost in development.

본 연구는 유아들의 쌓기 활동 상황에서 나타나는 행동의 관찰을 통해 유아의 공학적 사고와 공학설계과정의 출현을 밝히고자 하였다. 연구 참여자는 Y와 W어린이집의 만 5세아 2개 반, 각 18명씩 총36명(남아 19명, 여아 17명)이었으며, 각 주 2회 8주 동안 총 32회 쌓기 활동 행동을 관찰하고 동영상 촬영을 하였다. 자료 분석은 공학적 사고와 공학설계 과정을 범주화하고 사례를 추출하였다. 연구 결과는 첫째, 쌓기 활동에서 나타나는 공학적 사고는 목적 지향적 사고, 문제해결 사고, 대안 통합, 패턴의 반복, 설계 검증으로 모든 하위요소가 유아의 쌓기 활동과정에서 나타났다. 둘째, 쌓기 활동에서 나타나는 공학설계 과정은 설계도 그리기를 활용하는 반에서는 목표설정, 설계하기, 시도하기, 재조정/검증하기, 공유/평가하기의 모든 과정이 포함되고 있는 것으로 나타났다. 반면 자유로운 쌓기 활동만을 제공하는 반에서는 시도하기, 재조정/검증하기, 공유/평가하기의 과정만이 나타났으며, 목표설정과 설계하기에 관련된 행동이 가시적으로 표출되지 않았다. 그러나 구성물에 대한 의도를 반영하는 행동을 통해 암묵적으로 목표설정과 계획을 가지고 활동하고 있음을 볼 수 있었다. 본 연구결과에 나타난 유아의 공학 출현에 대한 구체적 사례는 유아에게 공학교육의 적용이 발달적으로 적합하다는 타당한 근거를 제시하는 기초자료가 될 수 있을 것이다.

The purpose of this study was to identify engineering thinking and engineering design process in building with blocks. Thirty-six children aged five-years-old were observed and videotaped for two months in construction area during free play sessions. Qualitative analysis of data showed the young children demonstrated engineering thinking skills, such as goal-oriented thinking, problem-solving thinking, synthesis based on multiple designer’s interaction, pattern repetition, and design testing and applied engineering design process, such as set up goal, plan it, try it, test it, and share it. These findings lend supports to the ‘emergent engineering’ and the relevance for early childhood engineering education.

There are many changed while a design is completed. Therefore, if the impact of the design changes is estimated, it may result in the improvement of design efficiency. But, the design changes have various types and affect other parts of the design system. Hence, it is difficult to deal with design changes directly. The purpose of this research is to develop a systematic change propagation tracing algorithm and a method of change impact analysis and then, to implement a change impact analysis system. Process based design is set up for the field of this research. Also the design, composed of design parameters and constraints, is set up for the subject of the research. Change propagation tracing algorithm traces change propagation based on the following concept : If the design parameters are changed, other parameters within the constrains including them may be changed. Using the result of change propagation tracing algorithm, changeable parameters, constraints and tasks can be found. The method of change impact analysis, to calculate change impact value from this changeable tasks, is developed. Change propagation tracing algorithm and the method of change impact analysis are implemented into change impact analysis system and it is applied to the redesign of 2 stage gear drives. It can support different kinds of design activities systematically. especially, at the redesign step, where many design change alternatives exist, change impact value of each alternative exist, change impact value of each alternative is calculated and design change is performed toward direction to minimize the impact of design change. Consequently, it is expected to improve the efficiency of the whole design.

본 연구에서는 공학적 설계 과정을 강조한 STEAM 프로그램을 개발·적용하여 초등학생들의 창의적 공학문제해결 성향 및 자기주도적 학습 능력에 미치는 영향을 조사하고 성별에 따른 차이를 비교·분석하였다. 경인지역 초등학교 4학년 학생 141명을 대상으로, 개발된 프로그램을 5차시에 걸쳐 진행하고 창의적 공학문제해결 성향과 자기주도적 학습 능력에 대한 사전·사후 검사를 실시하였으며 프로그램에 대한 만족도 및 인식 검사도 진행하였다. 연구 결과, 공학적 설계 과정을 강조한 STEAM 프로그램은 초등학생들의 창의적 공학문제해결 성향 및 자기주도적 학습 능력 향상에 효과적이었으며, 특히 여학생에게 효과적인 것으로 나타났다. 성별에 따른 변화의 차이 분석 결과, 창의적 공학문제해결 성향의 하위요인인 '소통 및 협업능력'을 제외한 모든 요인에서 여학생들의 유의미한 향상이 나타났다. 남학생의 경우, '공학설계', '소통 및 협업능력' 요인에 대해 유의미한 효과가 있었다. 프로그램에 대한 학생 만족도와 인식을 분석하고 이에 대한 교육적 함의를 논의하였다.

In this study, a STEAM program emphasizing the engineering design process was developed and applied to investigate its effects on the creative engineering problem-solving proficiency and self-directed learning ability of elementary school students. In addition, the study compared and analyzed differences according to gender. The program was conducted across five sessions targeting 141 students in the fourth grade in an elementary school in the Gyeongin area. The study measured the creative engineering problem-solving disposition and self-directed learning ability of the students before and after the STEAM program. It also administered satisfaction and perception tests. The result confirmed that the STEAM program that emphasizes the engineering design process is effective in improving the creative engineering problem-solving propensity and self-directed learning ability of elementary school students, particularly female ones. Analyzing differences in changes based on gender, the study pinpointed significant improvements among female students in all factors except for the subfactor communication and collaboration within tendencies toward creative engineering problem-solving. For male students, the study observed significant effects in the factors engineering design and communication and collaboration. Lastly, the study discussed the educational implications of the findings.

본 연구는 고등학생을 위한 공학 설계 기반 과학 교육 프로그램 ‘생활 속 식물농장 만들기’를 개발하고, 이를 적용하여 프로그램이 학생들에게 미치는 효과를 분석하고자 하였다. ‘생활 속 식물농장 만들기’ 프로그램은 문제 정의, 정보 수집, 창안, 구현, 평가 및 반성 순서로 한 차례의 공학 설계 과정을 수행한 뒤, 다시 구현, 평가 및 반성으로 한 차례의 재설계를 하도록 구성하였다. ‘생활 속 식물농장 만들기’ 프로그램의 효과를 알아보기 위해 학생의 과학 관련 태도와 공학 설계 능력 변화를 살펴보고, 본 프로그램에 대한 인식 조사를 실시하였다. 그 결과 학생들의 과학 관련 태도와 공학 설계 능력의 모든 영역에서 유의미한 향상이 나타나지는 않았으나, 과학 관련 태도와 공학 설계 능력 향상에 긍정적인 영향을 주는 사례들이 확인되었다. 또한 학생들은 프로그램에 대해 전반적으로 긍정적으로 평가하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 ‘생활 속 식물농장 만들기’는 과학 관련 태도와 공학 설계 능력 향상에 긍정적인 가능성을 보여주었으며, 실패 경험의 긍정적 활용, 시간 관리 전략, 협업 능력 강화 등의 보완이 필요함을 시사한다. 향후 다양한 학교 환경과 학생 특성을 고려한 추가 연구가 요구된다.

This study aimed to develop an engineering design process-based science education program for high school students, titled "Creating a Plant Farm," and analyze its effects on students. The program was structured to include one cycle of the engineering design process, consisting of "defining the problem," "ingathering information related to the problem," "generating the solution," "implementing the best solution," and "evaluating the solution and reflecting," followed by a redesign phase involving "implementing the best solution," and "evaluating the solution and reflecting." To assess the effectiveness of the program, changes in students' science-related attitudes and engineering design abilities were examined, along with a survey of their perceptions of the program. While significant improvements were not observed across all aspects of students' science-related attitudes and engineering design abilities, instances of positive effects in these areas were identified. Additionally, students generally evaluated the program positively. Therefore, the "Creating a Plant Farm" program developed in this study demonstrated potential for improving students' science-related attitudes and engineering design abilities. The findings suggest the need for further refinement, such as the constructive use of failure experiences, time management strategies, and enhanced collaboration skills. It is recommended that future research consider diverse school environments, and student characteristics to expand upon these findings.

본 연구의 목적은 2015 개정 과학과 교육과정의 과학탐구실험 교과서에 수록된 탐구활동 중 공학 설계 과정을 활용한 탐구활동을 대상으로 각 탐구활동에서 반영하고 있는 공학 설계 과정 요소와 공학 설계 과정이 어떤 방식으로 전개되고 있는지를 살펴보는 것이다. 이를 위해 7개의 과학탐구실험 교과서의 탐구활동을 대상으로 문제정의, 정보수집, 창안, 구현, 평가, 재설계 등과 같은 공학 설계 과정 요소를 활용하고 있는 탐구활동을 추출하였으며, 추출한 탐구활동의 공학 설계 과정 요소 반영 비율과 공학 설계 과정 요소가 어떤 순서로 전개되고 있는지 분석하였다. 그 결과 총 43개의 공학 설계 과정을 활용한 탐구활동이 과학탐구실험 교과서에 제시되었으며, ‘생활 속의 과학 탐구’와‘첨단 과학 탐구’영역에서 대부분의 공학 설계 과정을 활용한 탐구 활동을 다루고 있었다. 공학 설계 과정을 활용한 탐구활동은 문제정의, 정보수집, 창안, 평가를 비슷한 비중으로 활용하고 있지만, 구현과 재설계는 활용은 상대적으로 미흡한편이었다. 공학 설계 과정을 활용한 탐구활동의 공학 설계 전개 방식 유형은 총 15개의 유형이 확인되었으며, 정보수집, 문제정의, 창안, 평가 순서로 전개되는 방식의 유형이 가장 많이 나타났다. 또한 43개의 탐구활동 중 공학 설계 과정 요소를 모두 활용한 탐구활동은 10개였다. 아울러 공학 설계 전개 방식 유형은 정보수집의 순서와 목적에 따라 4가지 영역으로 범주화하였는데, 문제정의 전에 정보수집을 먼저 실시하여 문제를 구체적으로 명료화하는데 필요한 과학 지식, 기술 지식 등과 같은 문제와 관련된 배경 지식 등을 수집하도록 공학 설계 과정이 전개되고 있는 경우가 가장 높은 빈도로 나타났다. 이러한 연구 결과는 학생들에게 구현과 재설계를 충분히 경험할 수 있는 기회를 제공하고, 다양한 공학 설계 과정 요소들을 빠짐없이 다양하게 활용하도록 도울 수 있는 안내와 지도 방안의 마련의 필요성을 시사해준다.

The purpose of this study is to analyze elements of the engineering design process presented in each inquiry activity and the ways that such a process develops in inquiry activities based on an engineering design process in the scientific inquiry-experiment textbooks under the revised science national curriculum of 2015. For this purpose, the investigator extracted inquiry activities based on elements of an engineering design process such as defining the problem, collecting information, generating the solution, implementing the best solution, evaluating the solution, and redesign from the inquiry activities of seven different scientific inquiry-experiment textbooks. These inquiry activities were analyzed in the percentage of elements of an engineering design process reflected and the order of engineering design process elements. The findings show that total 43 inquiry activities based on an engineering design process were found in the scientific inquiry-experiment textbooks. Most of such activities were covered in the areas of “Scientific Inquiries in Everyday Life” and “Advanced Scientific Inquiries.” The inquiry activities based on an engineering design process utilized defining the problem, collecting information, generating the solution, and evaluating the solution in similar relative importance, but the utilization of implementing the best solution and redesign was relatively poor. There were total 15 types of developing an engineering design in these inquiry activities based on an engineering design process. The biggest proportion of them followed the order of collecting information, defining the problem, generating the solution, and evaluating the solution. Of the 43 inquiry activities, ten made use of all the elements of an engineering design process. In addition, the types of developing an engineering design were categorized into four according to order and purpose of information collecting. An engineering design process would develop in the highest frequency in a way that background knowledge was collected related to the issues of scientific and technological knowledge needed to clarify a problem specifically with information collection before problem definition. These findings imply a need to provide students with opportunities to have full experiences with implementing the best solution and redesign and prepare guidance and instruction plans to promote their diverse utilization of all the various elements in an engineering design process.

본 논문에서는 초등학생에게 공학적 설계를 기반으로 컴퓨터 프로그램을 처치한 초등 발명교육 프로그램을 설계 제안하고자 한다. 지오지브라 프로그램을 처음 접하는 5~6학년 학생들도 쉽게 결과물을 도출할 수 있고, 4D프레임으로 움직이는 조형물(키네틱 아트) 결과물을 도출할 수 있도록 총 12차시로 구성하였다. 추후에 공학적 설계를 강조한 컴퓨터프로그램 기반 발명수업을 통해 초등학생의 과학 태도와 창의성 함양에 어떤 영향을 주는지에 대한 후속연구를 진행하고자 한다.

본 연구는 공학적 설계 과정에서 학생들이 경험하는 실패의 교육적 활용에 대한 시사점을 얻기 위하여, 학생들이 공학적 설계 과정을 수행하는 과정에서 어떤 실패를 경험하였으며, 이에 대해 어떻게 대처하는지를 살펴보았다. 이를 위하여 초등학교 4학년 '물의 여행' 단원에서 '물 부족 현상을 해결하는 장치 설계하기' 차시를 공학적 설계 과정에 맞추어 재구성하였으며, 4개의 학급에 재구성한 수업을 실시하였다. 7개의 초점 집단을 정하고, 초점 집단의 학생들을 관찰하고 면담하였다. 그 결과, 학생들이 경험한 실패는 크게 인지적 요인으로 인한 실패와 환경적 요인으로 인한 실패로 나눌 수 있었다. 인지적 요인들은 대체로 학생들이 통제 가능한 요인들이었던 반면, 환경적 요인은 통제할 수 없는 요인들이었다. 실패를 경험한 학생들은 대체로 실패의 원인에 대한 논의를 하지 않고, 이를 해결하고자 하는 노력이 즉흥적으로 이루어졌다. 또한 학생들은 실패를 회피하고자 테스트의 성공 기준을 완화하는 등의 모습을 보였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 학생들이 경험하는 실패를 건설적으로 활용하기 위해 어떠한 노력을 기울일 것인가에 대한 교육적 시사점을 논하였다.

This study explored types of failure encountered by elementary school students during the engineering design process and how they coped with them. To achieve this goal, we developed and taught engineering design lessons on water shortages to four fourth-grade classes, observing and interviewing seven focus groups. Our analysis revealed that student failures can be categorized into two main types: those caused by cognitive factors and those influenced by environmental factors. While cognitive failures are typically within students' control, environmental factors are beyond their reach. Our findings also showed that students tended to avoid discussing the root causes of failure and instead relied on ad hoc solutions. Additionally, some students lowered their expectations for success to avoid failure. Based on our findings, we offer practical recommendations for educators to help students learn from their failures in a constructive manner.

본 연구는 고등학교 학생을 위한 공학 설계 기반 과학 교육 프로그램을 개발하고, 이를 적용하여 고등학생의 과학 관련 태도와 공학 설계 능력에 미치는 효과를 알아보고자 하였다. 본 연구에서 개발한 공학 설계 기반 과학 교육 프로그램은 '바른 자세를 유지할 수 있는 건강 신발 만들기'이며 공학 설계 과정인 문제 정의, 정보 수집, 창안, 구현, 평가 및 반성 등의 과정을 거쳐 학생이 일상생활의 문제를 해결하기 위해 공학 설계 과정을 방법론적으로 사용하여 창의적인 해결방안을 창안할 수 있는 활동으로 구성하였다. 공학 설계 기반 과학 교육프로그램을 적용한 결과, 고등학생의 과학 관련 태도와 공학 설계 능력이 향상되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 공학 설계 기반 과학 교육 프로그램은 고등학생의 과학 관련 태도와 공학 설계 능력 향상에 긍정적인 영향을 주고 있으며, 앞으로의 미래 과학 인재 양성을 위한 교수 학습 전략으로서 과학 교육에서 공학 설계 과정을 접목한 활동의 지속적인 운영과 확대가 필요함을 시사한다.

This study aimed to develop an engineering design-based science education program for high school students and to investigate its effects on students' science-related attitudes and engineering design abilities. "Creating healthy shoes for maintaining proper posture program" was developed as an activity to come up with creative solutions using the methodology of an engineering design process to solve problems in daily life. The creating healthy shoes for maintaining proper posture program consisted of the following five stages: "defining the problem," "ingathering information related to the problem," "generating the solution," "implementing the best solution," and "evaluating the solution & reflecting." As a result of applying this engineering design-based science education program, it improved the high school students' science-related attitudes and engineering design abilities. Therefore, the program developed in this study has a positive effect on enhancing high school students' science-related attitudes and engineering design abilities. These findings imply that the continuous operation and expansion of activities incorporating an engineering design process in science education are necessary as a teaching and learning strategy for cultivating future science talents.

본 연구에서는 중학교 과학영재들의 성별과 재능영역에 따른 공학 설계 과정에 대한 인식을 조사하였다. 공학 설계 과정에 대한 인식 조사 도구는 문제 정의 능력, 정보 수집 및 활용 능력, 아이디어 도출 능력, 탐구 수행 능력, 협업능력(의사소통, 협동, 리더십) 등의 총 5개 영역으로 구성되어 있으며, 리커르트 5점 척도로 설문에 응답하도록 하였다. 연구 대상으로는 총 102명(남자 69명, 여자 33명)의 중학교 과학영재들이 설문 조사에 참여하였으며, 성별과 재능영역(물리학, 생명과학, 소프트웨어, 수학, 천문지질, 화학)에 따라 비교 분석하였다. 과학영재들은 자신의 공학 설계 과정에 대해 높은 수준의 인식을 갖고 있었다. 따라서 과학 영재들의 성별과 재능영역에 따라 관심분야의 영재성이 충분히 발휘될 수 있도록 공학 설계 과정을 반영한 맞춤형 영재 교육 프로그램의 개발이 필요하다. 또한 과학영재들의 실제적인 요구를 충분히 반영하여 과학 영재를 위한 공학 설계 프로그램의 교수 학습 방법 및 전략이 수립되어야 할 것이다.

The purpose of this study is to investigate the perceptions of scientifically gifted middle school students about their engineering design process according to gender and talent division. The instrument in surveying their perceptions about the engineering design process consists of 24 items (Likert 5 point type) five domains: problem definition, information collection and utilization, idea generation, inquiry performance, and teamwork (communication, cooperation, leadership). A total of 102 scientifically gifted students participated in the survey, according to gender (69 males and 33 females) and talent divisions (physics, biological sciences, software, mathematics, space-geological sciences, and chemistry). They had a high level of awareness of their engineering design ability. It is necessary to develop a customized gifted-education program so that their talent in their field of interest can be fully displayed according to the gender and talent division. In addition, the teaching and learning methods and strategies of the engineering design program for the scientifically gifted middle school students should be established to fully reflect the practical needs of the talented.

이공 분야의 교육에서는 융합과 실천 및 과정 학습 이 중요시되고 있다. 이에 따라 최근 과학관의 전시 주제도 산업기술 영역까지 확대되었지만, 방법론에 대 한 학습 과정을 전시영역으로 도입하려는 시도는 아 직까지 행해진 바가 없다. 본 연구는 이러한 현황에서 이공학적 연구개발 방법론을 접목한 새로운 전시 모 델을 탐색하고자 시작되었다. 본 연구의 목적은 공학 적 설계 프로세스를 스토리라인으로 하는 전시 모델 을 도출하는 것이다. 본 논문은 융합적 연구 활동으로 진행되었다. 첫째, 산업기술 전시의 스토리 구성과 공학 설계 프로세스 에 대한 이론을 종합하여 분석틀을 정리하였다. 둘째, 분석 틀을 기준으로 최신의 산업기술 전시 콘텐츠 사 례에 대한 내용 분석을 진행하여, 공학적 설계 프로세 스의 전시 스토리라인 도입의 가능성을 확인하였다. 이러한 다학제적 연구 결과로서 구현 가능한 공학 적 설계 프로세스 기반 전시 모델의 존(Zone), 동선, 스토리라인, 콘텐츠 구성을 제시하였으며, 보완되어야 할 콘텐츠의 개발 방향성을 제안하였다. 연구 결과를 바탕으로 과학관 전시가 보다 실효성 있는 교육효과 를 거두기를 기대하며, 제시한 전시 모델이 다양한 이 공학적 주제 영역을 전시함에 확대 도입되기 위해서 는 후속적 연구가 필요하다.

There is a growing need for convergence, practice and learning about process in science education. Science centers have been introduced exhibitions about industrial technology. However, they have not imported methodology of industrial and technology in their theme. This research attempted to combine exhibition with methodology of science and engineering. The purpose of this integrated study is to draw a new exhibition model that its story line expresses the engineering design process. This thesis was conducted as a multidisciplinary research activity. Firstly I synthesized the story structure of industrial technology exhibition and theories of engineering design process to make framework for analysis. Secondly I analyzed contents in latest industrial technology exhibitions as representative case and confirmed the possibility of introducing engineering design process into the exhibition story line. As a result, I proposed the story-line with zones and visitor’s flow for the exhibition based on engineering design process. In addition, I suggested the contents compositions as examples and the direction of contents development. Based on this result, I hope that the exhibition of science center will have more effective educational effect. Also, subsequent research is needed to extend the presented exhibition model into themes from various fields of science and engineering.