[논문 리뷰] A pandemic-resilient open-inquiry physical science lab course which leverages the Maker movement

F. R. Bradbury, Freek Pols|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 11.

Innovative Teaching Methods참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 코로나19 팬데믹 기간 동안에도 유지 가능한, 개방형 탐구 중심의 물리 실험 과정을 제안한다. 이 과정은 저비용 마이크로컨트롤러(아두이노)와 뒤집힌 수업 모델을 활용하여 학생들이 원격으로 독립적인 실험을 설계하고 수행할 수 있도록 한다. 코로나19 기간 동안의 급작스러운 온라인 전환에도 불구하고, 모든 학생이 원격으로 독자적인 연구 프로젝트를 성공적으로 완수하였으며, 이는 개방형 탐구, 접근 가능한 기술, 학생 중심의 학습에 중점을 두어 과정의 회복력과 효과성을 입증한다.

ABSTRACT

Without any major changes, a pilot version of a physical science lab course was able to continue when the COVID-19 crisis necessitated the abrupt suspension of on-campus education. The 'Maker Lab' course, in which students conceive and set up their own experiments using affordable microcontrollers, required students to follow the entire arc of an empirical research cycle twice. The decision for and facilitation of such open-inquiry projects was based on and warranted by the literature on teaching the process of experimental research and methods of scientific research. The flipped classroom approach was used, where contact time is devoted to discussions and the students' actual experiments were carried out independently at home or elsewhere without the in-person supervision of an instructor. Despite the COVID-19 measures, all students were able to produce interesting and successful research projects. While there were of course difficulties encountered due to the abrupt transition to online teaching, we found several counterbalancing advantages that bear consideration for inclusion even when all teaching activities can return to campus. We believe that three components in the design of the course were vital to the resilience of the course: the choice for fully open-inquiry projects, the decision to use Arduinos as measurement tools, and the flipped aspect of the instruction methods. We also include considerations for adapting these pandemic-resilient methods in other courses and programs.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 팬데믹과 같은 기관의 혼란 상황에서도 유지 가능한 신체적 거리두기와 개방형 탐구 중심의 물리 과학 실험 과정을 개발하는 것.
• 메이커 운동과 접근 가능한 마이크로컨트롤러 기술(예: 아두이노)이 원격 학습 환경에서 진정성 있는 과학적 탐구를 어떻게 지원할 수 있는지 조사하는 것.
• 대면 감독이 불가능한 상황에서 뒤집힌 수업 모델이 학생의 참여도와 연구 품질을 유지하는 데 어떻게 기여하는지 평가하는 것.
• 미래의 위기 상황이나 하이브리드 학습 모델에 대비해 과학 실험 과정의 회복력을 높이는 설계 원칙을 도출하는 것.

제안 방법

• 학생들은 저비용, 오픈소스 마이크로컨트롤러(아두이노)를 측정 도구로 사용하여 두 개의 독립 실험을 설계하고 수행하도록 할당되었다.
• 수업 구조는 뒤집힌 수업 모델을 따르며, 비동기적 콘텐츠 제공과 함께, 프로젝트 개발 및 문제 해결을 위한 대면 또는 온라인 토론 시간이 할애되었다.
• 개방형 탐구 프로젝트가 핵심이었으며, 학생들이 스스로 연구 질문을 정의하고 실험 설계를 하고, 데이터를 수집하며 결과를 분석하는 방식으로 진행되었다. 사전에 정해진 실험 지침서 없이 진행되었다.
• 수업은 진정성 있는 과학적 실천을 반영하기 위해 전체 경험적 연구 과정—가설 수립, 실험 설계, 데이터 수집, 분석, 결론 도출—을 중시하였다.
• 모든 실험은 학생들이 원격으로 수행하였으며, 최소한의 인structor 감독 하에 디지털 커뮤니케이션과 문서화를 기반으로 진행되었다.
• 아두이노의 사용은 정밀하고 반복 가능한 측정을 가능하게 하였으며, 다양한 물리 현상(운동, 온도, 빛 등)을 위한 맞춤형 센서 시스템을 구축할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 급작스럽게 대면 수업에서 원격 수업으로 전환되는 상황에서 물리 과학 실험 과정이 과학적 엄밀성과 학생의 참여를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ2 저비용 마이크로컨트롤러(예: 아두이노)를 활용한 개방형 탐구 프로젝트가 원격 학습 환경에서 얼마나 진정성 있는 과학 연구를 지원할 수 있는가?
• RQ3 팬데믹으로 인한 혼란 상황에서 뒤집힌 수업 모델이 학생의 자율성과 프로젝트 품질을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기관의 정지 상황에 대비해 실험 과정의 회복력을 높이는 데 기여하는 설계 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 학생이 아두이노를 사용하여 두 개의 독자적이고 자체 설계한 실험을 성공적으로 완수하였으며, 경험적 연구 과정 전반에 깊이 관여한 것을 확인할 수 있었다.
• 아두이노의 사용은 홈 환경에서도 운동, 온도, 빛과 같은 다양한 물리 현상에 대해 신뢰할 수 있고 반복 가능한 데이터 수집을 가능하게 하였다.
• 급작스러운 전환으로 인한 물리적 도전에도 불구하고, 학생들은 과학적으로 의미 있고 기술적으로 타당한 프로젝트를 제작하였으며, 이는 높은 수준의 학습 결과를 시사한다.
• 뒤집힌 수업 모델은 제한된 접촉 시간 동안 집중적이고 고품질의 상호작용을 가능하게 하여 프로젝트의 깊이와 학생 지원을 향상시켰다.
• 세 가지 핵심 설계 요소—개방형 탐구 구조, 아두이노 기반 측정 도구, 뒤집힌 지도 방식—이 과정의 회복력에 필수적인 요소로 확인되었다.
• 저자들은 원격 운영 과정에서 뜻밖의 이점, 즉 학생의 소유감과 창의성 향상이 드러났으며, 이는 팬데믹 이후 환경에서도 유지될 수 있음을 관찰하였다.