중학교 기술·가정교과에서 내진 설계 수업을 위한 쉐이크 테이블(shake table) 및 '지진에 강한 구조물 만들기' 체험활동과제 개발 : - = Development of a Shake Table and Hands-on Activity Tasks on "Building Earthquake-Resistance Structures" for a Seismic Design Lesson in Middle School Technology and Home Economics.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 2022 개정 중학교 기술·가정과 교육과정의 ‘구조물과 건설’ 핵심개념에서 학생들이 내진 구조물 설계의 원리와 중요성을 체험 중심으로 이해할 수 있도록, 교사가 직접 저비용으로 제작할 수 있는 쉐이크테이블(shake table)을 개발하고, 이를 활용한 ‘지진에 강한 구조물 만들기’ 체험활동과제를 설계하는 것을 목적으로 하였다. 이 연구는 체험활동 과제개발 연구로, 준비, 개발, 개선의 단계로 연구를 진행하였다. 준비 단계에서는 2015 및 2022 개정 중학교 기술·가정 교과서의 내진설계 관련 내용을 분석하고, 내진설계 수업 및 쉐이크테이블 제작과 관련된 선행연구와 국내·외 제작 사례를 분석하였다. 개발 단계에서는 이를 바탕으로 체험활동을 위한 쉐이크테이블을 설계·제작하고, 내진 구조물 만들기 체험활동 과제의 재료 및 제작 방식, 학습 목표, 내용 조직을 설정하였으며, 교수·학습 과정안, 학생용 포트폴리오, 교사용 수업자료를 개발하였다. 개선 단계에서는 교육학 석사학위 이상을 소지하였거나 중학교 기술 교과 교육 경력 5년 이상의 현직 교사로 구성된 6인의 전문가를 대상으로 타당도 검사를 실시하고, 이를 반영하여 수업자료를 수정·보완한 후 중학교 3학년 학생 12명을 대상으로 현장시험을 실시하였다. 본 연구의 결과 및 결론은 다음과 같다.
첫째, 내진설계 실험을 위한 쉐이크테이블의 설계 조건으로는 주기 조절 가능성, 진폭 조절 가능성, 반복 실험에서의 평가의 일관성 확보, 재료의 접근성, 경제성이 도출되었다. 학교 현장의 여건을 고려할 때 내진설계 수업을 위한 쉐이크테이블은 정밀성보다 교육적 활용성과 실험에서의 평가의 일관성 확보가 우선되어야 하며, 교사가 직접 제작 가능한 수준의 설계가 요구된다.
둘째, 교사가 학교 현장에서 직접 제작할 수 있는 저비용·저난이도의 쉐이크테이블은 리니어 웜기어 모터를 적용하여 진동의 주기와 진폭을 단계적으로 조절할 수 있도록 구성함으로써 다양한 규모의 지진 진동을 안정적으로 구현할 수 있었다. 또한 상판, 레일, 고정판 구조를 적용하여 반복 실험에서도 동일한 조건의 진동을 제공할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 개발한 쉐이크테이블은 저비용으로 다양한 진동 조건을 구현할 수 있고, 학생들이 제작한 구조물을 동일한 조건에서 비교·평가할 수 있어 중학교 기술·가정 교과의 내진설계 수업에 효과적으로 활용될 수 있다.
셋째, 내진 구조물 실험에서 요구되는 내진 구조물 규격은 높이 40cm 이하, 총 4층 구조, 층별 높이 8cm, 바닥 면적 12×12cm, 구조물 간 간격 40cm, 각 층의 무게 조건은 35g 자석으로 설정되었다. 구조물 제작 재료는 제작 난이도와 안전성, 수업 시간 내 완성 가능성을 고려하여 수수깡이 기본 재료로 선정되었다.
넷째, 개발된 쉐이크테이블을 활용한 지진에 강한 구조물 만들기 수업은 이론 이해, 구조물 설계 및 제작, 실험과 평가로 이어지는 총 6차시의 체험 중심 교수·학습 구조로 설계되었다. 이론 학습에서 실제 제작과 실험으로 이어지는 수업 흐름을 통해 학생들은 지진과 구조물의 관계를 직접 체험하며 이해할 수 있었고, 모둠 활동을 통해 협력하며 문제를 해결하는 경험도 할 수 있었다. 실제 수업 적용 결과에서 학생들의 흥미와 참여도가 높았으며, 진동 실험을 통해 구조물이 무너지는 이유를 직접 관찰하면서 내진 설계의 필요성을 쉽게 이해할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 필요성 1
• 2. 연구 목적2
• 3. 연구 문제3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. ‘내진 구조물’관련 교과서 분석4
• 2. 내진설계 수업 관련 선행연구 문헌 분석 12
• 3. 국내·외 교육 분야 쉐이크테이블 제작 사례 분석15
• 4. 수업자료 개발을 위한 교수설계 모형18
• Ⅲ. 연구 방법 22
• 1. 연구 절차22
• 2. 연구 일정26
• Ⅳ. 연구 결과 27
• 1. 체험활동을 위한 쉐이크테이블 제작27
• 2. 체험활동 과제의 재료 및 제작 방식 선정42
• 3. 체험활동 주제 및 학습 목표 설정 52
• 4. 체험활동 과제의 내용 조직53
• 5. 교수·학습 과정안, 학생용 포트폴리오, 교사용 수업자료 개발 56
• 6. 전문가 타당도 검사 및 수정·보완 60
• 7. 현장시험 적용 및 만족도 평가64
• Ⅴ. 결론 및 제언71
• 1. 결론71
• 2. 제언73
• 참 고 문 헌74
• 부록76