Engineering Approach

-런모어 공학 프로젝트 흐름: 공학적 접근의 과정 교육-

🍀 공학적 접근(Engineering Approach)에 대한 온라인 수업 영상입니다.

공학적 접근(Engineering Approach)의 의미와 그 사고의 방식에 대한 이야기입니다.

🍀 런모어 공학적 접근(Engineering Approach) 수업 기본 과정

중고등학생이 공학적 접근에 대한 수업을 하며, 실제 간단한 피지컬 컴퓨팅(MCU: 마이크로 비트)를 활용하여 간단한 개발까지 진행하는 수업입니다.
아이디어 발산, 아이디어 수렴, 아이디어 평가 등에 대한 부분에 너무 치중하지 않는 수업입니다. 아이디어와 관련된 팀 회의를 진행하며 지쳐가는 학생들의 모습을 현장에서 접하였습니다. 따라서 최대한 심플한 과정으로 공학적 접근을 할수 있도록 설계하였습니다.
선생님들께서 중요하게 생각하는 '공학적 접근'의 과정을 재구조화하여 사용하시는 것을 추천해 드립니다.
프로젝트의 흐름은 숫자(01~)로 정리되어있습니다. 🔆

🍀 01.문제상황 이해 및 정리

기술적인 해결이 필요한 현실 세계의 문제를 의미한다. 이러한 문제 상황은 공학 분야에서 연구와 설계의 시작점이 되며, 해당 문제를 해결하기 위한 새로운 기술과 기술 개선의 필요성을 제시한다. 공학 분야에서 문제 상황은 다양한 분야에서 발생할 수 있으며, 이에 대한 연구와 개발을 통해 현실 세계의 문제를 해결하고 발전하는데 기여한다.
위와 같은 '문제 상황' 자체는 공학 뿐 아니라 다양한 영역에서 사고되어 활용 될 수 있다. 예를 들어 '학교에서 불편한 부분이 무엇인가?'라는 비구조적 질문에 자신이 해결하고 싶은 문제상황을 떠올릴 수 있을 것이다. 또한, '내가 학업 성정을 올릴 수 있는 방안은 무엇인가?'라는 비구조적인 상황에 자신에게 맞는 문제 상황을 생각해 볼 수 있을 것이다.
이러한 문제 상황을 떠올렸다면 이를 정의하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 5Whys, 파레토 도표, 원인 결과 도표, 기능 분석 등이 있다. 본 교사가 가장 중요 하게 생각하는 '공학적 사고의 습관'은 왜(Why)라는 질문을 던지는 것이기 때문에, '5Whys'기법으로 주로 문제를 정의한다.

🍃 문제정의: 5 Whys + 1 How 기법

문제 정의 시에는 5Whys + 1How 기법을 사용합니다. 이밖에도 SWOT, 피쉬본, 루트 원인 분석(RCA), 시스템 동적 모델링(SDM) 등이 있습니다. 하지만 학생들에게는 너무 복잡한 문제 정의는 프로젝트의 엔드 포인트까지 도달하지 어려운 경우를 보았습니다. 가장 간단하며, 여러 관점으로 생각해 볼 수 있는 5Whys1H를 추천합니다.

[출처]https://mnsgroup.com/stop-fixing-symptoms-employ-the-5-whys-to-get-to-the-root-of-business-problems/

5Whys기법은 해결하고 싶은 문제 상황을 인식 및 정의하고, 이를 5번의 왜(Why)라는 질문을 던져 생각을 이끌어 가는 과정입니다.

왼쪽은 비지니스 문제 상황에서 해결해야하는 것을 5가지 질문을 통해 생각하고 문제를 정의하는 과정입니다. 예를 들어 '빨간 불이 떴다.'에서 '왜?'라는 질문을 던졌을 때 일에 늦게 왔기 때문에, 그다음 왜를 던져보니 정시에 잠을 못잤다는 이야기를 하고 있습니다. 그 다음 왜 잠을 못잤는가?라고 다시 질문을 던지니 프레젠테이션 준비를 하느라 못잤다고 말하고 있으며, 또 왜 늦게까지 프레젠 테이션 준비를 했는가?라고 질문을 던지니 미리 준비 하지 못했다는 이유로 도달하게 됩니다. 마지막으로 5번째 왜라는 질문을 던지니 '시간 관리 기술의 부족'이라는 결론에 도달하게 되었으며 최종적인 문제가 정의되면 이를 해결하기 위한 생각을 방법적으로 나아가는 것이 '공학적 문제 해결 과정'이라 생각하면 됩니다.

결론적으로, 5번의 Why를 던져 깊이있게 문제의 원인이 무엇인지 깊이 바라보는 방법입니다.

🍃 5Whys 연습 문제 상황: 학생의 실제적 상황 고려

학교 환경 안에서 불편한 상황은 많이 존재한다. 관찰하고 생각하여 문제를 찾아 볼 수 있다.
학생으로서 해결해야 할 상황이 많다. 이를 해결해야 개인적인 발전을 이룰 수 있다.
학습을 잘하여 성적을 올릴 수 있는 방법이 있을 것이다.
하드웨어와 소프트웨어(코딩)을 활용하여 인간에게 필요한 무엇인가를 만들어 볼 수 있다.
탄소 중립을 실현하기 위해서는 개인의 인식 변화와 노력이 필요하지만 그렇지 못한 상황이 있다.
등! --> 학생의 실제적 문제를 해결할 수 있는 문제상황을 '교수자'가 발견하는 것이 좋다. 👍

🍃 5Whys 기법 예시: 공학적 문제로!

수업 시간에 학생들이 잠을 자는 경우가 많다. 선생님 안정적인 수업 진행과 친구의 미래를 위해 깨워야 한다.

🍀 02.아이디어 창출

'정의된 문제'를 해결하기 위해 확산적 사고 기법들을 활용하여 다양한 아이디어를 생성하는 단계이다. 먼저 기존 해결법의 문제를 발견해 내고, 이를 개선할 수 있는 방법에 초점을 둔다. 즉 새로운 아이디어, 도구, 방법들을 결합하여 독창적이면서 새로운 해결법을 구상해 내는 것이다.
수업에서는 '아이디어 창출'기법을 활용하여 다양한 아이디어 도출을 시도할 것이다. 아이디어 창출 기법에는 브레인 스토밍, 브레인 라이팅, 스캠퍼, 강제 연결법, 형태학적 분석법 등이 있다. 여기서 스캠퍼와 강제 연결법은 더 공학적인 활동(제품 개발)에 어울린다. 우리가 해결해야 할 문제는 공학적 문제 뿐 아니라 개인 삷의 문제 등 까지 다양한 영역에 어우르는 문제까지 해결하려는 목적이 있다.
따라서 우리는 브레인라이팅+형태학적 분석법을 결합한 방법을 활용하여 10개의 아이디어를 도출할 것이다. 아이디어 도출은 좋고, 나쁘고를 생각하지 않고 일단 많이 도출해 내는 것을 목적으로 한다.

🍃 브레인 스토밍

자유분방한 분위기 속에서 아이디어를 가능한 한 많이 만들거나 다른 사람의 아이디어로부터 새로운 아이디어를 만들어 내는 기법이다.
학생들과 브레인스토밍을 하면 너무 분위기가 고조되어, 해당 아이디어가 정리가 되지 않는 경우가 많다. 또한, 이미 답을 정해 놓고 아이디어만 창출하는 경우도 있다. 따라서 일반 브레인 스토밍을 활용하는 것은 중고 학생들에게는 적합하지 않다고 판단되어, 형태학적 분석법을 결합한 브레인 스토밍으로 진행할 예정이다.

🍃 형태학적 분석법이란?

어떤 제품 또는 서비스의 속성이나 요소를 파악하고, 그 속성이나 요소에 대한 대안들을 모두 나열하여 가능한 모든 조합을 찾아내어 새로운 형태를 만드는 방법입니다. 짧은 시간에 많은 아이디어를 도출할 수 있다. 제품을 개발하는 아이디어를 도출할 때는 2차원 매트릭스를 작성한다. 개인의 문제를 해결할 때에는 '문제 정의'에 들어간 속성을 분석하여 매트릭스를 작성합니다. '문제 정의'에서 정리한 내용을 바탕으로 '구성요소'를 추가하는 방향으로 정리하면 됩니다.
위와 같은 방법은 공학분야에서 주로 활용하는 분야입니다. 다만, 위 방법으로 진행하면 아이들이 공학적 사고에 대해 익숙하지 않기 때문에 지치는 경우가 있습니다. 결국 창출된 아이디어를 적절하게 조합하는 것이 형태학적 분석법의 주 목표입니다. 따라서 브레인스토밍 + 형태학적 분석법(언어학적 방법 참고)을 융합한 방법을 활용하여, 학생들이 브레인 스토밍을 하며 자신의 아이디어를 머리 안에서 융합하여 대안을 작성하는 방안으로 접근하려합니다. 이렇게 해야 산만한 사고를 조금은 정숙하게 만들며 원하는 수업을 이끌어 갈 수 있습니다.
결론적으로, 본 교수자가 활용한 방법은 '문장'으로 브레인 스토밍을 하는 것입니다. '문장'은 아이디어 창출 시 자연스럽게 요소를 결합한 형태로 도출될 수 있으니, 학생들에게 '문장'으로 작성하라고 하되, 창의적인 아이디어로 브레인 스토밍을 하라고 하면 조금은 정제된 아이디어가 도출됩니다. 이 방법이 중고 수업안에서 유의미하게 공학적 접근을 수업할 수 있는 방법이 아닐 듯 싶습니다.
위 방법은 1차적으로 공학적 접근 프로젝트 수업을 진행할 때 유용합니다. 위 방법에 익숙한 학생, 그리고 이미 교육이 되어진 학생이라면 '공학적 방법으로서 형태학적 분석법'을 고려하여 접근하는 것을 추천합니다.

🍃 형태학적 분석법에 대한 구체적 예시 및 설명

🟩 형태학적이란?

형태학적(morphological)이라는 말은 형태학(Morphology)에서 유래된 용어로, 보통 생물학적 맥락에서 사용되어 생물의 형태와 구조를 연구하는 학문을 의미합니다. 그러나 이 용어는 다른 학문적 분야에서도 널리 활용되며, 각 분야에 따라 조금씩 다른 의미를 가질 수 있습니다.

생물학에서의 형태학: 생물의 외형적, 내부적 구조와 형태를 연구하는 분야입니다. 이는 생물의 진화적 변화, 분류학적 특성, 기능적 적응 등을 이해하는 데 중요합니다.
언어학에서의 형태학: 단어를 형성하는 구조와 그 구성 요소들, 즉 접두사, 접미사, 어간 등을 연구하는 학문입니다. 이는 어휘의 의미와 형태적 변화를 분석함으로써 언어의 구조적 특성을 파악하는 데 도움을 줍니다.
공학과 기술에서의 형태학적 분석: 제품 설계나 시스템 분석에서 가능한 모든 해결책을 시스템적으로 탐색하고 구조화하는 방법을 말합니다. 이는 '형태학적 행렬(Morphological Matrix)'을 사용하여 다양한 설계 요소들을 조합하고 최적의 해결책을 찾는 데 적용됩니다.
지형학에서의 형태학: 지형의 형태와 이들이 생성, 변화하는 과정을 연구합니다. 이는 지형의 진화, 변형, 그리고 그에 따른 환경적 영향을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.

형태학적 접근은 그 자체로 문제를 구조화하고, 가능한 모든 변수와 구성 요소를 체계적으로 분석함으로써 복잡한 문제들을 해결하는 데 유용합니다.

🟩 형태학적 행렬 매트릭스(Morphological Matrix )란?

형태학적 헹렬 매트릭스(Morphological Matrix)이라는 말은 복잡한 문제를 해결하는 데 사용되는 도구로, 문제의 다양한 구성 요소(변수)와 각 구성 요소의 가능한 옵션을 체계적으로 배열하여 새로운 아이디어나 솔루션을 생성하는 데 도움을 줍니다. 이는 특히 제품 설계, 혁신적인 아이디어 개발, 복잡한 시스템의 해결책을 모색할 때 유용하게 사용됩니다. 공학적 접근 두번 째 프로젝트에서 활용하는 것을 추천합니다.

자율 주행 자동채 개발 관련 형태학적 행렬 매트릭스 예시

매트릭스 요소를 조합한 솔루션 아이디어 제시: 완전 자동 주행 제어, 라이다 센서 기술, 5G 통신 시스템, 전기 에너지원, SUV 차체 형태를 조합하여 고급 자율 주행 전기 SUV를 개발할 수 있습니다. 반면에, 반자동 주행 제어, 카메라 기반 센서 기술, Wi-Fi 통신 시스템, 하이브리드 에너지원, 세단 차체 형태를 조합하면 도심형 반자동 하이브리드 자동차를 설계할 수 있습니다.

마이크로 비트 활용 개발 형태학적 행렬 매트릭스 예시

매트릭스 요소를 조합한 솔루션 아이디어 제시: 위 매트릭스 요소를 고려하여 마이크로 비트 프로젝트 아이디어를 정리할 수 있습니다. 첫번째 솔루션으로 환경 모니터링 및 데이터 수집 프로젝트를 진행할 수 있습니다. 이는 중학생을 대상으로 온도 센서를 입력 장치로 사용하여 환경의 온도 변화를 모니터링하고, 수집된 데이터를 LED 디스플레이를 통해 시각화하는 프로젝트 입니다. 이를 통해 학생들은 데이터 수집 및 분석 기술을 개발할 수 있습니다.

두번째 솔루션으로 로봇 제어 및 기본 프로그래밍 프로젝트를 진행할 수 있습니다. 고등학생을 대상으로 버튼을 입력 장치로 사용하고, 서보 모터를 출력 장치로 사용하여 버튼 조작에 따라 로봇의 움직임을 제어하는 방법을 배우게 됩니다. 이 프로젝트는 물리적 작동의 이해 및 제어 기술을 증진시키는 데 중점을 둡니다.

마지막으로, 대화형 게임 개발 프로젝트를 진행할 수 있습니다. 초등학생을 대상으로 가속도미터를 입력 장치로 사용하여 사용자의 움직임을 감지하고, 이를 사운드 출력으로 반응하여 이벤트 기반 프로그래밍 능력을 향상시키는 게임을 개발할 수 있습니다.

매트릭스를 활용하면 브레인 스토밍을 하여 나열한 요소를 더 가시적으로 정리할 수 있습니다. 다만 처음하는 학생들에게는 익숙하지 않아 합니다. 다시 말씀 드리지만, 저는 첫 공학적 접근 수업에서는 매트릭스를 활용하지 않습니다. 첫 수업에서는 '브레인스토밍을 하되, 아이디어를 문장으로 정리'합니다.

🍀 03.아이디어 평가

🍃 PMI기법

PMI(Plus Minus Interesting) 기법은 아이디어 생성 및 평가를 위한 창의적 사고 기법 중 하나이다. 이 방법은 아이디어를 긍정적(Plus)인 점, 부정적(Minus)인 점, 흥미로운(Interesting) 점의 세 가지 관점으로 평가한다.

🟩PMI 기법 활용 방법

아이디어 제시: 주제와 관련된 아이디어를 제시합니다. 위 프린트에서는 아이디어 창출된 내용을 바탕으로 8가지 항목에 대한 PMI를 고려하여 생각한다.
Plus(긍정적인 점) 평가: 제시된 아이디어의 장점이나 긍정적인 측면을 생각하고 토론한다. 이 과정에서 팀원들은 아이디어가 가져올 수 있는 이점과 잠재력에 대해 고려하게 됩니다. 개별 활동이면 표의 ○(Plus), ×(Minus), v(Interesting)에 체크한다.
Minus(부정적인 점) 평가: 이어서 아이디어의 단점이나 부정적인 측면을 생각하고 토론한다. 이 과정에서 팀원들은 아이디어가 만들어낼 수 있는 문제나 악영향에 대해 고려하게 됩니다. 개별 활동이면 표의 ○, ×, v에 체크한다.
Interesting(흥미로운 점) 평가: 마지막으로 아이디어에서 흥미로운 측면이나 잠재적인 가능성을 생각하고 토론한다. 이 과정에서 팀원들은 아이디어가 가져올 수 있는 예상치 못한 결과나 향후 연구의 가능성 등을 탐색합니다. 개별 활동이면 표의 ○, ×, v에 체크한다.
아이디어 개선 및 결정: Plus, Minus, Interesting의 세 가지 관점에서 평가한 결과를 바탕으로 아이디어를 개선하거나 새로운 아이디어를 도출한다. 저는 평가행렬법으로 한번 더 체크한다. 아이디어 창출 내용에 근거하여 Plus와 Interesting요소에 체크가 된 아이디어 중심으로 3개를 선별하여 평가준거 옆 번호에 기록한다. 3개의 아이디어를 바탕으로 평가 행렬법을 진행한다.

🍃 평가행렬법

평가행렬법(Evaluation Matrix)은 여러 개의 아이디어 중 최적의 아이디어를 선택하기 위한 기법이다. 이 방법은 주요 평가 기준에 따라 아이디어를 비교 및 평가하며, 객관적인 판단을 도울 수 있다.

🟩평가행렬법 활용 방법

목표 및 아이디어 설정: 먼저, 목표를 설정하고 이를 해결하기 위한 다양한 아이디어를 도출한다.(위 프린트 기준으로는 이미 문제 정의, 아이디어 창출, PMI기법으로 1차 선별이 되어 있는 상태이다.)
평가 기준 설정: 아이디어를 평가할 주요 기준을 설정한다. 예를 들어, 비용, 효과, 실행 가능성, 시간 소요 등이 기준이 될 수 있다.(위 프린트에서는 교사가 기준을 설정하였습니다.)
평가행렬 생성: 행에 아이디어를, 열에 평가 기준을 배치하여 평가행렬을 생성한다.(저는 평가 행렬을 작성하여 아이들에게 주었습니다.)
아이디어 평가: 각 아이디어를 평가 기준에 따라 점수를 부여한다. 점수는 일반적으로 1~5 사이의 범위를 사용하며, 높은 점수일수록 해당 기준에서 더 우수하다는 것을 의미한다.(이 부분에서 학생이 PMI기법으로 뽑은 3개의 아이디어를 평가행렬법으로 정리하고 점수를 주었다.)
총점 계산: 각 아이디어의 총점을 계산한다. 총점은 각 기준에 따른 점수를 모두 합한 값이다.
결과 분석 및 결정: 총점이 가장 높은 아이디어를 선택하거나, 여러 가지 결과를 분석하여 최적의 아이디어를 결정한다. 경우에 따라, 높은 점수를 받은 아이디어를 결합하여 새로운 아이디어를 생성할 수도 있다. 이번 활동에서는 최고점을 받은 아이디어를 최적의 아이디어로 선택한다.

🍀 04.아이디어 선정(선택)

아이디어 선택에서는 최고점 아이디어를 선택하여 한번 더 기록하고, 구체적 해결 방안을 작성해 보도록 진행한다. 구체적 해결 방안을 작성 할 때 위 평가행렬법에서 최고점을 받은 내용을 그대로 입력하지 않고, 선정된 아이디어 솔루션을 재작성 후 구체적 해결 및 개발 방향까지 고려하여 작성합니다.

🍀 05.아이디어 실행

아래 공학적 접근 활동지에서 오른쪽 1열 4칸이 있는 부분에 위 사진과 같이 작성하도록 기록합니다.
피지컬 컴퓨팅으로 문제를 해결하는 관점으로 진행하기에 제품 작동 알고리즘 설계가 필요합니다. 다만, 순서도로 작성하면 컴퓨터 공학 관련 지식을 가르쳐야 하는데 공학수업을 진행하는데 있어 시간이 매우 부족하게 됩니다. 따라서 최종 아이디어를 실행하기 위한 기기의 작동 방식을 '문장'으로 작성하도록 지도합니다.
그 아래에는 피지컬 컴퓨팅을 활용한 제품의 3D모델 구상도를 작성, 그 아래에는 제품의 특징이 두드러지게 나타난 2D 스케치를 하도록 합니다. 아이디어 스케치이며 실제 제품 개발시 팅커캐드를 활용하여 모델링을 하게 됩니다.
마지막으로 제작에 필요한 재료를 작성하도록 지도합니다.