특강 4

융합인재 양성을 위한 과학교육의 변화

전   영   석

서울교육대학교 교수

융합인재양성을 위한 과학교육의 변화

서울교육대학교 전영석

1. 융합인재교육

우리나라에서의 STEAM 교육은 2011년 교육과학기술부 16대 주요 과제 중의 하나로 실시되고 있다. 우리나라에서는 교육과학기술부의 새해 업무 보고에서 초중등교육에서 STEAM 교육을 강화하기로 하였으며(2010년 12월 17일) 지금 현재 교육과학기술부 및 한국과학창의재단 16개시도 교육청에서 이의 확산을 위해 노력하고 있는 실정이다. STEAM교육의 뜻은 과학의 science, 기술의 technology, 공학의 engineering, 예술의 arts 그리고 수학의 mathematics의 각 첫 글자를 의미하는 것이다. 즉, 창의적인 과학교육을 위해서는 과학, 기술, 공학 및 예술이 연계된 형태 및 융합을 기반으로 하는 교육이 이루어져야 한다는 것을 의미한다.

Georgette Yakman

지식 기반 사회에 접어들면서 흔히 21세기는 창의적 융합 시대라고 일컫고 있다. 미국 과학재단(NSF)의 보고에 의하면 인간의 수행 능력을 향상시킬 수 있는 미래 융합 과학 기술로 나노 기술(nanotechnology), 생명공학기술(biotechnology), 인지과학(cognitive science), 정보 과학(information science)을 꼽고 있다(Roco & Bainbridge, 2002). 이에 대한 인식은 미국뿐만 아니라 유럽 연합의 경우에도 마찬가지이다. 유럽연합의 경우 지식 사회를 위한 융합 과학 기술로 미국의 4가지 융합과학기술에 인문사회(social sciences/humanities)를 첨가시키기도 하였다(Nordmann, 2004). 융합 과학 기술 시대에 과학 교육의 방향도 변해야 한다는 목소리도 높다. 현재 우리나라의 초․중․고등학교에서는 과학, 기술(실과), 공학, 수학 교과가 분리되어 있어 실제 세계에서 분리되어 있지 않은 여러 가지 자연 현상 및 생활 과학 기술 및 공학적 상황과 연결된 교육을 실시하기 어려운 것이 사실이다. 점점 과학 교과의 흥미도나 가치 인식의 부족은 결과적으로 교과의 인지적 영역의 하락으로 이어질 것이며(이미경과 정은영, 2004), 이러한 흥미와 가치 하락은 일정 정도 현실 세계와 동떨어진 교과 구성에도 책임이 있다는 지적을 벗어나기 어렵다.

미국을 비롯한 서구 선진국에서의 STEM 교육의 도입에는 여러 가지 이유가 있겠지만 성장 동력의 고갈과 새로운 성장 동력에 대한 갈망이 어우러진 것이 STEM 등장의 배경이라고 할 수 있다. STEM이라는 용어는 1990년 대에 미국 NSF에서 사용되기 시작했으며(Bybee, 2010), 2001～2004년까지 NSF에서 연구하던 Judith Ramaley가 정책 용어로 만든 것으로 알려지고 있다(Maes, 2010). 스티브 잡스는 “지구 상에 새로운 물질은 없고 오직 새로운 융합(convergence)만이 있을 뿐이다”라고 갈파하였다. 어떻게 보면 STEM의 도달점 목표는 새로운 융합이라고 할 수 있으며, 이에 대한 갈망이 STEM을 탄생시킨 것이라고 할 수 있다.

처음에는 SMET(science, mathematics, engineering, and technology)라고 조어했으나SMET가 SMUT(외설물, 검댕이)로 들려 이것의 조어가 SMET로 바뀌었다고 한다(Sanders, 2009)

초·중등 과학교육은 미국, 일본, 한국이던 간에 실제 수십 년 동안 그 과학교과서 내용이나 구성에서 거의 변화가 없었다. 그러나 그 사이에 과학·기술·공학에 대한 발전은 그야말로 엄청난 변화가 있었다. 그런데 과학교육에서 이런 변화를 따라가지 못하고 수십 년 간 같은 내용과 개념으로 일관되어 왔으니, 최근 다양한 첨단과학기술 제품들에 익숙한 청소년들이 이런 과학교육에 흥미를 잃는다는 것은 당연한 것이라 할 수 있고, 또한 초·중등 과학교육에 의한 창의성 함양에도 많은 문제점을 노출하고 말았던 것이다. 특히 기업은 최근에 글로벌 융합기술 사회로 바뀜에 따라 이 급변하는 사회 환경에 대응할 수 있는 인재에 대한 요구가 거세지고 있는데 초중등 및 대학 교육은 현실성이 없는 과학교육만을 하고 있다는 불만을 터트리고 있다.
과학교육은 현재를 대비하는 교육이 아니라, 이들이 졸업 후 사회에 나가서 활동할 미래를 예측하게 하고 이것을 대비하게 해주는 교육이 되어야 하는 것이다. 따라서 여러 석학과 미래 학자들의 말들을 귀담아 들을 필요가 있다. 그들이 종종 그리고 공통적으로 언급하는 용어들은 바로 융합, 창의성, 세계화, 스피드, 소통, 공감, 의미, 디자인, 인성, 감성, 기후 변화, 녹색기술, 스토리텔링 등이다. 그리고 2002년 미국과학재단이 제시한 미래의 인간수행능력을 위한 융합기술로 나노과학기술, 생명과학기술, 정보과학기술 및 인지과학기술의 네 가지를 들었다. 그런데 2004년 유럽연합에서 제시한 유럽의 지식사회를 위한 융합기술에서의 정의에서는 여기에 인문사회과학을 포함시켰다.

여기서 우리의 융합을 기반으로 하는 창의적인 과학교육 모델로서 미국의 STEM과는 달리 STEAM으로 한 것에 대한 그 기초를 찾아볼 수 있다. 즉 우리의 과학교육은 이런 과학·기술·공학적인 지식과 인문사회학적인 지식 및 예술적 감각으로 대중으로부터 공감대를 이끌어낼 수 있도록 하는 창의적인 교육이 되어야 한다는 것이다. 따라서 우리의 과학교육은 미국 등 선진국이 추구하는 STEM 교육에서 더 나아가 예술과 인문·사회 분야를 아우를 줄 아는, 특히 사회시스템과도 연계할 능력을 가진 과학기술공학인재 양성을 위한 STEAM 교육 개념으로 확장하게 된 것이다.  또한 이 STEAM교육에 대한 용어 자체는 이미 미국의 한 교사가 언급하였지만 이에 대한 개념과 내용 등은 우리의 STEAM교육과는 상당히 많은 차이점을 보이고 있다.

사회가 원하는 인재는 타학문에 대한 긍정적인 수용 태도, 다양한 분야의 지식을 통합할 수 있는 능력, 다양한 타전공자들과 소통하고 협력하여 과제를 수행할 수 있는 능력, 과학·기술·공학이 미래 사회시스템에 미치는 영향을 예측할 줄 알고, 또한 현 시대에 논의되고 있는 과학·기술·공학 지식을 빠르게 습득할 줄 아는 능력이 요구되고 있다. 우리 미래 과학·기술·공학 인재들은 이제 세계를 무대로 활동하여야 한다. 이를 위해 윤리적, 창조적, 전략적, 도전적이고 아울러 리더십과 판단력이 뛰어난 글로벌 인재로 육성하여야 한다는 것이다. 따라서 작년 교육과학기술부로부터 과학창의·인성교육에 대한 모델 개발을 의뢰 받아 진행하였던 것이 바로 이것들이 구현되도록 제시한 ‘융합을 기반으로 하는 창의적인 STEAM교육’인 것이다.

2. 융합인재교육(STEAM)의 교과 중심 현장 적용 방안

융합인재교육(STEAM)이 뿌리내리려면 그 출발점은 학교이어야 하는 것은 당연한 것이다. 융합인재교육의 당위성과 필요성에 대한 공감대가 아무리 형성되어 있다고 하더라도 교육의 최일선에서 움직이지 않는다면 그 효과는 결코 긍정적이지 않다. 그런 맥락에서 학교 현장에서 실효성을 거두기 위한 융합인재교육(STEAM)의 적용 방안에 대해 깊이 있게 논의하는 것은 매우 의미 있는 것이라고 할 수 있다. 따라서 본고에서는 융합인재교육에 사용할 교수 학습 자료의 개발 방향과 융합인재교육을 위한 수업 실시 방안에 대해서 논의해보고자 한다.

현재 과학교육의 비판은 일정 정도 실생활과의 연계를 지니고 있지만 아직도 많은 부분에서 실생활과의 연계가 부족함을 지적하고 있다. 또한, 수업이 이론 위주의 설명식으로 진행되고 있어 학생들이 과학을 왜 배워야 하는지에 대한 의심을 갖게 하는 원인을 제공하고 있다는 비판을 받기도 한다. 현실 세계에서 과학교육에 의미와 가치를 부여할 수 있는 교육 환경의 변화와 아울러 사회 시스템과 체계적이고 전략적으로 연계된 과학교육의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 과학교육의 새로운 패러다임의 전환은 궁극적으로 융합을 통한 창의적인 가치를 창조할 수 있는 인재 양성을 도달점 목표로 하고 있다.

학교 현장에서 이의 목표를 달성하기 위한 융합인재교육(STEAM)을 위한 교수 학습 자료의 개발은 크게 두 가지 방향에서 설정해 볼 수 있다. 즉, 국가교육과정의 정상적인 틀 속에서 이루어지는 교육과정 중심 수업 모델 개발이 그 한 축일 것이며, 다른 한 축은 창의적 체험 활동이나 방과 후 활동에까지 확장된 접근 방식인 주제 중심 수업 모델 개발의 한 축이 가능할 것이다.

그 모델은 가칭 “PRIDE of STEAM"이라는 것으로 요약해보고자 한다. 여기서 PRIDE라 함은, Principle, Relation, Imagination, Design, Exploration을 의미한다.

P(Principle)는 과학 원리를 의미한다. 미래 핵심 기술과 관련된 수학․과학 및 공학적 원리를 실제 상황과 연관 지어 맥락적으로 학습한다. 이는 현행 과학교과서 자체가 과학 원리에 따르고 있으므로 그대로 준용하면 된다(By denying scientific principles, one may maintain any paradox.-Galileo Galilei). R(Relation)은 다른 분야와의 연계를 의미하며, 여러 가지 전문 분야가 서로 밀접하게 관계를 맺고 유기적으로 상호작용하고 있음을 이해한다. 다시 말해 과학 원리에 기초하여 기술(Technology)와 공학(Engineering), 예술(Arts), 수학(Mathematics) 등, 더 나아가 관련 직업, 관련 창의적 체험 활동 자료에 이르기까지 과학과 밀접한 관계가 있는 분야와의 연계를 통한 통합적, 융합적 접근을 의미하는 개념이라고 할 수 있다(Men build too many walls and not enough bridges.- Isaac Newton). I(Imagination)는 상상력을 발휘하여 창의적인 사고 능력과 창의적으로 사고하는 성향을 가진다(Imagination is more important than knowledge. - Albert Einstein). D(Design)은 실험 과정과 장치를 고안하고, 자원을 비롯한 주어진 조건을 감안하여 문제의 해결 방안을 계획하고 조직하여 운영함을 목표로 한다. 공학적 설계나 예술적 설계 등 실생활에서의 실용적인 측면을 탐색해보는 과정이라고 할 수 있다. 향후 창의적 인재를 도달점 목표로 상정했을 때 장기적으로 실용적 제품 생산을 위한 교육적 성격이 가미된 것이라고 할 수 있다(Design is not just what it looks like and feels like. Design is how it works. - Steve Jobs-). E(Exploration)는 탐구와 조사를 통해 문제를 해결하는 능력을 가짐을 의미하며, 과학, 기술 분야로의 진로를 탐색하고 전문가의 업무를 경험하고 이해하며 전공 분야로의 진출 방안을 알아보도록 한다. 아주 작은 범주 과학 분야로 한정하여 생각해보면 과학적 탐구를 의미할 수도 있다. 과학에서의 탐구 과정에 대해 깊이 생각할 수 있는 기회를 제공하고, 실제 좁은 의미로는 기초 탐구와 통합 탐구와 같은 과학적 탐구 활동을 의미하고, 넓은 의미로는 실제 산출물을 제작하는 과정에서의 기술 기능(skill)까지도 포함될 수 있는 과학 탐구를 수행할 수 있도록 구성해보는 전략이라고 할 수 있다(Research is what I'm doing when I don't know what I'm doing. - Werner von Braun).

교수학습 자료 개발시 S, T, E, A, M을 어떻게 반영할 것인가도 생각해보아야 할 점이다. 미국의 STEM 교육에서는 Science, Technology, Engineering, Mathematics 중 두 개 이상이 결합되어 접근하는 수업이면 STEM 수업에 적정한 것으로 볼 수 있다. 따라서 우리도 교수 학습 자료 개발시 그러한 관점을 가질 수 있다. STEM 요소의 반영은 다음의 두 가지가 가능하리라고 생각된다.

구성 요소 반영 정도

예를 들어 한 단원을 재구성할 때 STEAM 요소를 모두 반영할 수도 있고 과학에 기반을 두고 T, E, A, M의 요소를 가능한 범위에서 접근하여도 될 것으로 생각된다.

또한 교수 학습 자료 개발시 교재 구성의 접근 방식을 어떻게 할 것인지에 대한 생각도 지녀야 할 것이다. 전체적으로 주제 중심 융합적 접근이냐, 문제 중심 융합적 접근이냐, 프로젝트형 수업이냐에 따라 다양한 방법이 있겠으나 크게 보면 귀납적 접근과 연역적 접근이 가능할 것으로 보인다.

교재 구성의 접근 방식

예를 들어 스마트폰의 디자인, 정보통신기술 등을 먼저 다루고 과학의 원리를 접근하는 방법과 빛의 직진, 반사, 굴절 등을 다루고 그의 응용을 접근해 가는 방식을 생각해 볼 수 있다.

융합인재교육(STEAM)의 학교 현장에의 원활한 적용은 교육과정 중심이 가장 수월하고 가장 현실성이 높다고 할 수 있다. 교육과정 중심은 결국 교과활동 중심의 접근을 의미한다고 할 수 있다. 대체로 2011년 교육과학기술부 융합인재교육(STEAM) 연구 시범학교에서도 교육과정 내에서 어떻게 접근할 것인가에 대해 피력하고 있다(경기 용인 독정초의 예).

교과 중심 수업 모델을 개발하려면 몇 가지 선행 조건이 완료되어야 한다.

첫째, 동학년 교육과정 분석이 이루어져야 한다. 교육과정을 따라 수업이 진행된다는 관점에서 초등학교의 경우 동일 교사가 전 교과를 지도하는 형태로 되어 있기에 그의 가능성은 높다고 할 수 있다. 그러나 중학교, 특히 고등학교의 경우에는 분과적 속성이 강하기 때문에 어려운 점이 있다.

학년별 특색 있는 통합 교육과정 운영 방안(경기 용인 독정초등학교의 예)

구분	중점 운영	운영의 배경
저학년	예술교과중심 통합 운영	* 예술 문화 교육에 대한 기대 수준이 높으며, 특기 신장에 대한 요구 많음 * 교과에 대한 지식 교육에 앞서 우리 의식을 기르기 위한 인성교육에 주력
중학년	과학․수학 교과 중심 통합 운영	* 학생 발달 단계의 특성상 가장 탐구심이 왕성한 시기라는 점을 고려함 * 영재교육의 활성화에 따라 프로젝트 학습에 대한 분위기가 고조되고 있음
고학년	실과, 예술, 수학, 과학 통합	* STEAM 관련 전 교과 통합 운영 가능 * 창의적 체험 활동과 연계하여 프로젝트 중심의 교육과정 운영

둘째, 1시간 형태의 수업을 극복해야 한다. 교육과정 분석에 기초하여 융합을 이끌어 낼 수 있는 과목간 조정을 완료하고 블록 타임 수업과 같은 수업을 이끌어내는 것도 좋은 방안이며, 현실적으로도 이것은 활용 가능성이 높다고 할 수 있다.

셋째, 동학년 교사들의 협동적 접근이 매우 필요하다. 몇 사람의 지사적 교사가 선도하기 보다는 끊임없이 역할 분담을 하고 자료 개발을 하여 동학년 교사와 학생이 공유할 수 잇어야 한다. 이를 위해 행, 재정적 지원은 필수 요소라고 할 수 있다. 이에 덧붙여 일부 혁신학교나 대안학교에서 수행하는 접근 방법도 괜찮을 것이다. 발도르프 교육이나 서양 학교 시스템에서 흔히 사용하는 에포크 수업의 조심스런 접근도 타진해볼 필요가 있다. 일종의 주제 중심이자 문제중심이자, 프로젝트일 수도 있는 특정한 주제나 해결책을 매일 수업을 하면서(이러한 수업은 2009 개정 교육과정을 벗어나는 것은 아님-주기집중 수업) 해결해 나가는 방법도 고려해볼만하다.

중심 영역

전체적으로 볼 때 교육과정에 기반한 수업 모델은 과학교육을 기반으로 이루어지는 것으로 방향을 잡아가기도 하지만, 초등학교의 경우 더 폭넓게 생각해볼 수 있는 여지가 있다. 이에 대한 명칭 부여는 아직 확실히 하지믄 못했지만 융합인재교육(STEAM)을 풀어나가는데 있어 일종의 중심 영역을 핵으로 끌고 가는 방안이 어쩌면 큰 틀을 흔들지 않고 융합인재교육을 접근할 수 있는 방법 중의 하나일 수도 있다.

예를 들어 자동차 바퀴라는 소재를 중심으로 실과에서 다룬다고 하면 자동차 바퀴로부터 공학과 과학, 예술, 수학까지 가르치는 것이 가능할 것이다. 초등학교의 경우는 큰 문제가 없지만 중학교이상의 경우 현실적으로 가능한 것이라고 할 수 있다. 또 다른 예로 과학과 기술(실과)에서 정전기의 원리와 이의 활용 기술에 대해 배우고, 미술에서 디자인을 배우고, 수학에서 여러 비율을 배우고 등의 각 교과에서의 접근이 결국에는 복사기로 귀결되게끔 접근하는 방식이 가능하다. 즉, 각 교과에서 동일한 product를 향해 접근하는 방식이다. 물론 초등학교에서의 적용 가능성이 중등학교에서 보다 높다고 할 수 있다.

[예시자료] 초등 5학년 물체의 속력 단원

단원	교육과정 해설서 내용	차시 비교	비고
3. 물체의 속력	이 단원의 중요 내용은 속력의 의미를 알고, 운동하는 물체의 속력을 비교할 수 있도록 하는 것이다. 속력은 ‘일정 거리를 가는 데 걸린 시간’ 또는 ‘일정 시간에 간 거리’로 비교할 수 있음을 알도록 한다. (가) 일정 거리를 가는데 걸리는 시간으로 빠르기를 비교할 수 있다. (나) 일정 시간에 간 거리로 빠르기를 비교할 수 있다. (다) 속력의 의미를 알고, 단위를 사용하여 나타낼 수 있다. (가)와 (나)에서 도입한 빠르기 개념과 연관시켜 ‘속력’ 개념을 도입하고 속려의 단위(m/s, km/h)를 이해할 수 있도록 한다. 또한 실생활에서 볼 수 있는 다양한 운동에서 그 속력을 비교하는 활동을 통하여 우리 주변에서 운동하는 물체의 속력의 크기를 느낄 수 있도록 한다.	1차시 고무동력수레 경주하기	대체 1차시 세상 속 의미찾기, '시간에 따른 변화'의 개념을 본 교재로 대체할 수 있다.
		2차시 운동이란 무엇이며, 어떻게 나타낼까요?
		3차시 일정한 거리를 이동한 물체들의 빠르기는 어떻게 비교할까요?	대체 3, 4차시 '속력'을 측정하는 방법을 본 교재로 대체할 수 있다.
		4차시 일정한 시간에 이동한 물체들의 빠르기는 어떻게 비교할까요?
		5차시 물체들의 빠르기를 속력으로 나타내어 비교해 볼까요?
		6차시 단위가 다른 물체들의 속력은 어떻게 비교할까요?
		7차시 물체의 빠르기를 그래프로 나타내어 비교해볼까요?
		8차시 물체의 속력과 우리 생활과의 관계를 알아볼까요?
		9차시 물체의 속력에 대하여 정리해 볼까요?
		10차시 관찰자에 따라 물체의 속력은 어떻게 달라질까요?

수업 전체 흐름도