• Title/Summary/Keyword: 모델링 기반 과학 학습

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지질구조에 대한 모델링기반 학습에서 나타나는 논증패턴과 정신모형 수준에 대한 분석 (Analysis on the Argumentation Pattern and Level of Students' Mental Models in Modeling-based Learning about Geologic Structures)

  • 박수경
    • 한국과학교육학회지
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    • 제35권5호
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    • pp.919-929
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    • 2015
  • 본 연구에서는 지질구조에 대한 모델링기반 학습 프로그램을 개발하고 모델링기반 학습에서 나타나는 논증패턴과 학생들의 정신모형 수준과의 관계를 밝히고자 하였다. 고등학교 2학년 126명을 대상으로 대륙이동설, 해령, 변환단층, 단층의 특징에 대하여 4회의 모델링기반 학습을 실시하였다. 연구대상 중에서 2개 학급은 실험집단으로 모델링기반 학습을 실시하였고 나머지 2개 학급은 비교집단으로 교사중심 설명식 수업을 실시하였다. 모델링기반 학습 후 실험집단과 비교집단의 사후 성취도와 학생들의 정신모형 분포를 정량적으로 비교하였다. 실험집단 중 5개 조의 논증활동을 녹음 전사한 자료에 대하여 본 연구에서 설정한 분석틀을 근거로 정성적으로 분석하였다. 본 연구의 분석틀은 TAP의 5가지 요소와 학생들의 대안개념이 포함되는 요소 5가지 등 총 10가지의 코딩 요소로 구성하였다. 정신모형 유형을 조사한 결과, 실험집단에서 단면 인과모형과 입체형 모형의 비율이 높게 나타난 반면, 비교집단에서는 2차원 모형과 단면 단순모형의 비중이 높게 나타났다. 논증유형을 분석한 결과, 주장의 빈도가 높을수록 논증활동이 성공적으로 이루어졌고 정신모형의 수준이 높게 나타났다. 반박이 제기된 경우, 만든 모형을 다시 관찰하여 자료를 수정하고, 이에 따라 주장을 다시 전개하였다. 이로써 모델링기반 학습에서 모형이 학생들의 논증 과정에 긍정적으로 작용함을 확인할 수 있었다.

야외지질답사 및 모델링 기반 순환 학습에서 학생들이 그린 그림의 목적과 기능에 대한 이해 (Understanding Purposes and Functions of Students' Drawing while on Geological Field Trips and during Modeling-Based Learning Cycle)

  • 최윤성
    • 한국지구과학회지
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    • 제42권1호
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    • pp.88-101
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    • 2021
  • 이 연구의 목적은 학생들이 그린 그림이 야외지질답사와 모델링 기반 순환 학습에서 어떤 의미를 갖는지 질적으로 탐색하는 것이다. 서울의 한 대학 부설 영재교육원에 재학 중인 10명의 학생이 참여하였다. 한탄강 형성과정이라는 것을 주제로 야외지질답사와 3차시 모델링 3차시 수업을 진행하였다. 각 차시별 학생들이 작성했던 모든 기록장(글, 그림), 연구자 필드노트, 학생들이 참여한 모든 영상 자료 및 음성 녹음, 전사한 인터뷰 자료 등을 연구진과 공유하였다. Hatisaru (2020) 그림 표상화를 야외지질학습의 맥락에 맞게 수정하여 그림의 유형을 분류하였다. 학생들의 글(text, memo)을 포함한 그림의 특징을 분석하기 위해 연연적 내용 분석(deductive content analysis)을 사용하였다. 또한, 그림이 모델링 기반 순환 과정(자료 수집 관찰, 모델 생성, 모델 발달, 자연현상의 구체화) 속에서 어떤 역할을 하는지 분석하였다. 그 결과 학생들의 그림 유형은 지질학적인 개념을 포함한 상징적 이미지, 지형학적으로 외형을 묘사한 외형적 이미지, 학생들의 심리적인 영역을 표현한 정의적 이미지가 있었다. 특징은 설명, 생산화, 정교화, 증거, 일치, 심상(心狀)으로 분류하였다. 그림의 유형과 특징은 모델링 기반 순환 학습 과정에서 연속적으로 나타나며 학생들의 모델 발달 과정 속에서 학생들의 인지적인 영역에 관한 특성과 학업에 대한 긍정적인 태도와 감정을 반영하였다. 학생들이 그린 그림은 야외지질답사와 모델링 과정 모두에 있어서 학생들의 사고와 의사표현을 반영할 수 있는 도구로써 의미를 있음을 밝힘으로써 과학교육 관계자들에게 학생들의 그림 그리기 활동의 중요성을 역설하였다.

예비 지구과학교사들의 기후변화 모델 평가 기준 탐색 (Exploring Criteria of Evaluation of Climate Change Models by Preservice Earth Science Teachers)

  • 하윤희;차현정;신현정;김찬종
    • 한국지구과학회지
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    • 제43권1호
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    • pp.210-223
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    • 2022
  • 본 연구의 목적은 예비 지구과학교사들이 학생에 의해 구성된 기후변화 모델을 평가하는 기준을 탐색하는 것이다. 대도시 소재 대학 지구과학교육과 전공 수업에서 3주간 모델링 기반 과학 학습에 대한 강의를 수강한 예비 지구과학교사 25명이 연구에 참여하였다. 예비 지구과학교사들이 작성한 고등학생들이 구성한 7개의 기후변화 모델을 평가하는 보고서와 사후 인터뷰 자료를 수집하여 기후변화 모델 평가 기준을 귀납적으로 범주화하였다. 연구 결과 예비 지구과학교사들이 기후변화 모델을 평가할 때 다양한 인식론적 기준과 의사소통 기준을 동원하였음을 확인하였다. 연구 결과를 바탕으로 모델링 기반 기후변화 학습에 대한 시사점을 도출하였다.

교사학습공동체에 참여한 한 고등학교 교사의 과학적 모델링에 대한 이해 및 수업 실행 변화 탐색 -프레임 분석을 중심으로- (Exploring How a High School Science Teacher's Understanding and Facilitation of Scientific Modeling Shifted through Participation in a Professional Learning Community)

  • 심수연
    • 한국과학교육학회지
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    • 제40권1호
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    • pp.29-40
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    • 2020
  • 본 연구의 목적은 한 고등학교 과학 교사(E 교사)가 약 1년 3개월간 교사공동체 탐구에 참여하며 어떻게 과학적 모델링에 관한 이해와 실행을 변화시켜나갔는지를 탐색하는 것이었다. 상황 학습 관점을 기반으로 본 연구에서는 E 교사의 사회적 상호작용들로부터 모델링에 관한 그녀의 프레임들을 탐색하였다. E 교사는 1년 3개월간 총 6회의 "스튜디오"라는 교사 연수에 참여해 같은 학교의 과학 교사들과 연구자들, 코치들과 협력하였다. 매 스튜디오에서 참여자들은 함께 모델링 기반 수업을 계획하고, 실행하고, 그에 관해 반성하였다. 본 연구에서는 먼저 E 교사가 수업을 진행한 2회차, 6회차 스튜디오에 초점을 맞추어, E 교사의 교사공동체 및 교실 상호작용으로부터 드러난 모델링에 관한 그녀의 프레임들을 질적으로 탐색하고, 그로부터 E 교사의 이해와 실행에 변화가 있었는지 탐색하였다. 다음으로, 교사공동체 탐구가 E 교사의 이해와 실행 변화에 어떻게 영향을 미쳤는지 탐색하기 위하여, 1-6회차 스튜디오에서 진행된 교사공동체 탐구가 질적으로 분석되었다. 연구 결과, 2회차 스튜디오에서 E 교사는 과학적 모델링을 학생들이 활동지에 정답을 채워 넣는 활동으로 보고 있었다. 반면 6회차 스튜디오에서 E 교사가 드러낸 과학적 모델링에 관한 프레임들은 그녀가 모델링을 학생들이 협력을 통해 증거를 사용하여 자연현상에 관한 설명을 구성하는 과정으로 보고 있었음을 보여주었다. E 교사가 속한 교사공동체는 모델링 기반 교수를 발전시키고자 하는 목표를 바탕으로, 매 스튜디오에서 학생들의 모델링을 돕고, 학생들의 설명과 추론을 분석하였다. 또한 그들은 여러 스튜디오들에 걸쳐 탐구 초점들과 교수 실행들을 구체화시키고 발전시켜나갔다. 이러한 공동체 탐구의 초점들은 E 교사의 과학적 모델링에 관한 이해와 실행 변화에 반영되었다. 본 연구의 결과는 교사공동체 탐구나 교사 전문성 발달을 지원하고자 하는 연구자, 실행가들에게 유용한 정보를 제공할 수 있다.

고고보드를 이용한 능동적 참여 모의실험을 위한 NetLogo 확장 모듈 (NetLogo Extension Module for the Active Participatory Simulations with GoGo Board)

  • 웅홍우;소원호
    • 한국통신학회논문지
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    • 제36권11B호
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    • pp.1363-1372
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    • 2011
  • 본 논문에서는 기존 HubNet 기반의 참여 모의실험의 한계를 극복하기 위한 능동형 참여 모의실험 (Active Participatory Simulation; APS) 학습 구조를 제시하고, 이를 위한 고고보도용 NetLogo 확장 모듈을 자바로 개발한다. NetLogo는 복잡하게 보이는 과학현상의 이면에 존재하는 복잡계를 모델링할 수 있는 에이전트 기반 모델링 (Agent Based Modeling) 언어다. 이것과 HubNet을 이용하면 모의실험이 수행되는 동안 학생은 하나의 에이전트로서 이 실험에 참여할 수 있다. 하지만 HubNet에서는 서버만이 외부장치와 연결된다. 따라서 고고보드를 이용한 환경 데이터 및 사용자 입력을 다수의 클라이언트를 통하여 수신할 수 없어 이중초점 모델링 기반 학습이 불가능하다. 이에 클라이언트에 연결된 고고보드의 입력 정보를 TCP/IP 소켓을 이용하여 수신하고 보드를 제어하는 자바 확장 모듈을 개발한다. 또한 HubNet과 이 확장 모듈을 사용한 APS 학습 구조 모델링 방법과 이를 위한 NetLogo 프로그래밍을 소개한다. 마지막으로 다양한 APS 학습 구조에 따른 예시를 제시하고 응답처리지연 시간 관점에서 평가하여 과학분야에 활용될 수 있는 방안을 모색한다.

협상에 기반한 동료평가 및 자기평가 활동이 과학 영재 고등학생들의 모델링에 미치는 영향 (The Impact of Negotiation-Based Peer and Self-Assessment Activities on Science-Gifted Students' Modeling)

  • 조은비;정도준;남정희
    • 대한화학회지
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    • 제65권6호
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    • pp.455-467
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    • 2021
  • 이 연구는 협상에 기반한 동료평가 및 자기평가 활동이 과학 영재 학생들의 모델링에 미치는 영향 및 이에 대한 학생들의 인식을 알아보는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 광역시의 과학 계열 특수 목적 고등학교 2학년 학생 92명을 대상으로 과학 계열 전문 교과인 고급 화학 학습 내용 중 4가지 주제에 대해 과학 글쓰기 및 협상에 기반한 동료평가 및 자기평가 활동을 실시하였다. 학생들이 구성한 모델링은 과학 개념 구조화, 논리성, 다중표상, 의사소통 측면에서 분석되었으며, 협상에 기반한 평가 활동이 진행됨에 따라 과학 글쓰기에 나타나는 모델링 수준이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한 학생 설문조사와 인터뷰를 분석한 결과 학생들은 평가 활동의 결과를 타당하다고 인식하고 있으며, 평가 활동의 결과를 다음 글쓰기에 참고함으로써 자신의 학습을 개선할 수 있다고 응답하였다.

생체모방 기반 융합 학습 모델을 적용한 '골격근의 구조와 수축'에 대한 디지털 교재 개발 (Development of a Digital Textbook on 'Structure and Contraction Mechanism of Skeletal Muscle' with the Learning Model for Biomimicry-Based Convergence)

  • 김수연;권용주
    • 과학교육연구지
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    • 제42권2호
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    • pp.95-105
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    • 2018
  • 이 연구의 목적은 생체 모방 기반 융합 학습 모델을 이용하여 골격근의 구조 및 수축 메커니즘에 대한 디지털 교과서를 개발하는 것이다. 골격근의 구조 및 수축 메커니즘 단원은 고등학교 생명과학I에 포함된 내용이다. 융합 학습 모델은 3D 모델링 및 프린팅을 포함하는 3단계의 생체 모방 기반 융합 학습(Exploration-Design-Implementation)으로 설계되었다. 개발된 디지털 교재는 8차시로 구성되어 있는데, 골격근 탐색, 스케치 앱과 3D 모델링을 이용한 골격근 모방 창의적 설계 2개 차시, 3D 프린팅을 이용하여 설계안의 융합적 구현, 근수축의 탐색, 스케치 앱과 3D 모델링을 이용한 근수축 모방 창의적 설계 2개 차시, 3D 프린팅을 이용하여 설계안의 융합적 구현 등으로 구성되었다. 각 차시는 대화 형 및 모바일 학습을 위해 갤러리 위젯, 미디어 위젯, 프레젠테이션 위젯, 스케치 위젯, 클라우드, 설문 위젯 및 평가 위젯의 컨텐츠를 포함하고 있다. 개발 된 디지털 교과서를 고등학생 20 명에게 투입한 결과 학생들의 생명과학 학습에 효과가 긍정적인 것으로 나타났다. 또한 이 연구에서 개발된 생체 모방 기반 융합 학습 디지털 교재는 학생들의 창의적 설계 및 구현 능력의 향상에서 효과적인 학습자료로 평가되었다. 이러한 결과를 볼 때 디지털 교재는 학생들의 흥미와 생명과학에 대한 자기주도적 학습에 유용한 자료임을 보여주었다.

신경망 기반 텍스트 모델링에 있어 순차적 결합 방법의 한계점과 이를 극복하기 위한 담화 기반의 결합 방법 (A Discourse-based Compositional Approach to Overcome Drawbacks of Sequence-based Composition in Text Modeling via Neural Networks)

  • 이강욱;한상규;맹성현
    • 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지
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    • 제23권12호
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    • pp.698-702
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    • 2017
  • 자연 언어 처리(Natural Language Processing) 분야에 심층 신경망(Deep Neural Network)이 소개된 이후, 단어, 문장 등의 의미를 나타내기 위한 분산 표상인 임베딩(Embedding)을 학습하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 임베딩 학습을 위한 방법으로는 크게 문맥 기반의 텍스트 모델링 방법과, 기학습된 임베딩을 결합하여 더 긴 텍스트의 분산 표상을 계산하고자 하는 결합 기반의 텍스트 모델링 방법이 있다. 하지만, 기존 결합 기반의 텍스트 모델링 방법은 최적 결합 단위에 대한 고찰 없이 단어를 이용하여 연구되어 왔다. 본 연구에서는 비교 실험을 통해 문서 임베딩 생성에 적합한 결합 기법과 최적 결합 단위에 대해 알아본다. 또한, 새로운 결합 방법인 담화 분석 기반의 결합 방식을 제안하고 실험을 통해 기존의 순차적 결합 기반 신경망 모델 대비 우수성을 보인다.

과학적 모델과 모델링에 대한 중등 과학 교사의 인식 탐색 (An Investigation into the Secondary Science Teachers' Perception on Scientific Models and Modeling)

  • 조은진;김찬종;최승언
    • 한국과학교육학회지
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    • 제37권5호
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    • pp.859-877
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    • 2017
  • 과학 교육의 궁극적 목표인 학생들의 과학적 소양을 배양하는데 있어 이하 모델과 모델링이 차지하는 핵심적 역할을 고려할 때, 중등 과학 교사의 모델과 모델링에 대한 인식을 조사하는 것은 모델 기반 교수 학습을 실제 과학 수업에 적용하기 위한 토대를 마련하기 위해 필수적이라고 할 수 있다. 모델 기반 교수 학습이란 학생들이 자신의 모델을 생성(generating), 평가(evaluating), 수정(modifying)하는 모델링을 통해 과학적 내용 지식을 학습하고 나아가, 과학의 본성에 대한 바람직한 이해를 구축하도록 모델과 모델링 과정에 대하여 학습하는 것을 의미하며, 그러한 모델링 수업의 안내자로서 과학 교사는 모델과 모델링에 대하여 튼튼한 이해를 소유하여야 한다. 이에 본 연구자는 현재 학교 현장에서 과학 교과를 가르치는 50명의 중등 과학 교사를 대상으로, 10개의 개방형 문항을 사용하여 다음과 같은 두 가지 범주의 모델과 모델링에 대한 여러 측면의 인식, 첫째, 모델과 모델링에 대한 여러 측면의 이해, 즉 정의, 예시, 목적, 다양성, 변화성, 설계와 구성, 평가 기준, 둘째, 교수도구로서의 모델과 모델링 활용의 중요성과 교수 의사를 조사하였다. 수집된 자료에 대한 질적 분석을 통하여 다음과 같은 결론에 도달하였다. 첫째, 대부분의 과학 교사들은 모델이 갖는 교수도구로서의 기능적 측면에 집중하여, '실제의 단순화된 표상'이라는 모델 개념을 소유하지만, 과학 내용 전달 측면의 효용에만 집중하기 때문에, 과학에 있어서 모델과 모델링의 역할을 파악하지 못 하고 있다. 둘째, 대부분의 과학 교사들은 하나의 자연 현상을 표상하기 위해 다양한 모델이 구성될 수 있다는 사실과, 그러한 모델의 변화 가능성에 대하여 비교적 잘 인식하고 있으나, 모델의 설계와 구성이나 평가 기준 측면의 이해는 수정을 필요로 하는 제한적 수준에 머물러 있다. 셋째, 많은 교사들이 모델과 모델링에 대하여 가르치는 것의 중요성을 인식하지만, 여러 교육 과정 상의 현실적 어려움과, 교사의 지식 부족을 토로하여 모델과 모델링의 실제 현장 적용에 대해 부정적 시각을 견지하는 교사들이 상당하였다. 넷째, 물리, 화학, 지구과학 전공 교사들에 비하여, 생물 전공 교사들은 전공 또는 과목 의존적 이해의 양상, 즉 생물교과에 자주 등장하는 기능적, 실물 모델에 국한된 모델 개념을 소유하였고, 그러한 관점은 교수도구로서 모델과 모델링을 활용하는 것에 대한 부정적 견해로 나타나, 모델에 대한 지식과 신념 사이의 상호관련성이 일견 탐지되었다. 본 연구에서 중등 과학 교사들이 모델과 모델링에 대하여 무엇을 알고, 어떻게 가르치는가에 대한 기존의 인식을 탐색하여 분석한 결과는 과학 교사의 모델과 모델링에 대한 이해의 제고를 위한 적극적인 개입에 대하여 큰 시사점을 갖는다.

연속 시시템 모델링을 위한 칼만 필터링 기반 신경회로망 학습에 대한 기술 동향

  • 조현철
    • 제어로봇시스템학회지
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    • 제17권3호
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    • pp.22-26
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    • 2011
  • 신경회로망 기술은 다양한 공학적 및 과학적 문제에 적용되어 왔으며 복잡한 동특성을 갖는 시스템의 모델링에 특히 효율적인 것으로 알려져 있다. 신경회로망 학습은 신경회로망의 가중치 및 바이러스로서 주어지는 파라미터 벡터의 요소를 주어진 목적함수를 최소화하는 최적의 값으로 추정하는 연산과정을 의미한다. 따라서 신경회로망 파라미터 학습은 전체시스템의 성능을 직접적으로 좌우하는 매우 중요한 단계라 할 수 있으며 일반적으로 파라미터의 수정규칙 알고리즘을 도출한다. 이러한 수정규칙은 주로 최적화 기법을 적용하며 경사함수(gradient function)를 포함한다. 최근에는 이러한 경사함수를 포함하지 않는 학습 알고리즘이 많이 개발되고 있으며 특히 칼만 필터링 이론을 접목한 미분 신경회로망의 학습 알고리즘이 최근에 발표되었다.