STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 대탈출 (너의 소리가 보여) 인천대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 인천대학교 과학영재교육원 프로그램 대탈출(너의 소리가 보여) 이름 주요 과목 정보, 수학 관련 단원 관련 과목 과학, 기술 관련 단원 STEM 요소 S, T, E, M 지역 • 정보: 문제해결 / 컴퓨팅 시스템 • 수학: 수와 연산 / 소인수분해 • 과학: 빛과 파동 / 파동 / 다양한 소리 • 기술: 기술과 발명 차시 4 개발자 ∙ 파동과 소리의 개념을 거문고 제작과 파형분석 프로그램 앱을 활 용하여 다양하게 체험하도록 한다 주요 수업 개요 ∙ “대탈출” 범인을 찾는 과정에서 소리의 3요소를 이해하고 스키테 일 암호를 수학적으로 해독한다 ∙ 소리센서를 이용한 피지컬 컴퓨팅 활동에서 목소리를 파동으로 직접 코딩한다 1차시 (소리 아트): 파동 및 소리에 대한 전반적 이해를 바탕으로 다양한 놀이식 체험 활동 진행 2차시 (거문고 연주): 거문고를 직접 제작하고 줄을 켜며 음계를 차시별 주요내용 ‘Carltune’ 앱을 활용하여 조율 및 악보 연주 3차시 (대탈출(미션 해결)): PBL(문제 중심 학습 모형)을 적용하여 (키워드 살인 사건을 해결하는 미션 과정에서 소리의 특 위주) 징을 흥미롭게 학습, 소리 관련 직업 소개를 통 한 진로 연계 교육 4차시 (피지컬 컴퓨팅): 엔트리 프로그램과 코드이노(소리센서)를 활 용하여 소리의 크기에 따른 파형을 나타냄 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. Ⅲ . 본 시 교 수 학 습 전 략 (전 개 과 정 ) 1. 1차 시 전 개 과 정 1) 본 시 수 업 의 흐 름 활동 학습 단계 형태 도입 상황 제시 교수-학습 활동 내용 및 주안점 • 동기유발 - 일상생활에서 활용되고 있는 파동의 예시에 대 해 질문하며 동기유발 ⇩ 창의 · 인성 유추적 사고 확산적 사고 ⇩ • 오늘 할 활동 소개하기 - ‘스피커 아트’와 ‘종이컵 전화기’ ‘고음킹, 저음킹, 성량킹, ASMR’ 등 다양한 활동 진행함을 소개하 흥미, 약속 여 흥미 유발 개념 도입 ⇩ • 파동과 소리 개념 도입 - 용수철을 활용하여 파동과 소리의 개념 설명 전개 및 • 재밌는 체험식 활동을 통한 과학 개념 학습 - ‘스피커 아트’를 통해 소리란 종파 형태임을 창의 적 설계 체득하고 심미적 감수성 역량도 함양시킴 - ‘종이컵 전화기’를 통해 소리의 전달 과정 이해 시키기 - 다양한 앱(소리분석, 소음측정기)으로 학급의 수렴적 사고 유추적 사고 확산적 사고 상상력, 몰입, 협동, 배려 고음킹, 저음킹, 성량킹, ASMR을 뽑아보며 학 생들의 적극적 참여를 유도함 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 확산적 사고 - 활동내용 정리하기 - 다음 차시 예고하기 (거문고 제작 및 연주) - 5 - 유추적 사고 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. 2. 2차 시 수 업 1) 본 시 수 업 의 흐 름 활동 학습 단계 형태 교수-학습 활동내용 창의 · 인성 • 전시학습 도입 상황 제시 - ‘띵커벨’을 활용해 소리의 특징에 대해 확인하기 흥미, 몰입 • 동기유발 - 우리나라 전통 악기인 거문고 연주 영상을 보며 본 차시의 동기를 유발함 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 - 소리의 3요소를 설명할 수 있도록 하기 흥미, 몰입 • 거문고 제작 - 거문고 diy 세트를 1인당 1개씩 배부하여 제작 하는 방법 알려주기 ⇩ • 거문고 음계 조율 전개 창의 적 설계 - 모바일 앱 ‘Carltune’을 활용하여 거문고 음계 논리 · 분석적 사고 조율 지도하기 - 거문고 줄 고정 장치를 움직일 때 계이름의 변 화를 확인하도록 하기 - 조작 변인(줄의 길이)에 따른 종속 변인(음 변화) 유추적 사고 상상력, 몰입, 책임, 약속 를 확인하며 과학적 사고력 향상 시키기 ⇩ • 악보 연주하기 - 악보를 보며 거문고 연주하기 - 반에서 가장 훌륭한 연주를 하는 학생에게 보상 제공하며 학생들의 적극적 참여 독려 ⇩ 정리 몰입, 흥미, 상상력, 논리 분석적 사고 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 활동 내용 정리하기 - 다음 차시 예고하기 (대탈출 미션) - 8 - 확산적 사고 유추적 사고 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. 3. 3차 시 수 업 1) 수 업 흐 름 활동 학습 단계 형태 교수-학습 활동내용 • 전시학습 도입 문제 제시 - ‘띵커벨’을 활용해 소리의 특징에 대해 확인하기 • 동기유발 - 동영상을 보며 오늘 배울 내용에 대해 흥미를 갖도록 유도하기 ⇩ 창의 · 인성 논리 · 분석적 사고 수렴적 사고 유추적 사고 ⇩ • 본시 학습 목표 확인하기 - ‘살인사건의 범인 찾기’ 영상을 보고 문제 파악 하기 유추적 사고 흥미, 약속, - 모둠별로 해결해야 할 미션 알려주기 협동 ⇩ 논리 · • 모둠별 토론하기 전개 협력 프로 젝트 학습 - 범인에 대한 증거를 개별적으로 분석하기 분석적 사고 - 모둠별 역할을 충실히 수행하도록 지도하기 수렴적 사고 (모둠장, 서기, 발표 2명, 활발 참여) - 자신의 생각을 발표하며 모둠원들과 토론하며 의견 조정하기 유추적 사고 확산적 사고 상상력, 몰입, - 서기는 모둠의 결론을 활동지에 정리하여 패들 릿에 게시하기 협동, 배려, 책임, 약속 ⇩ • 모둠별 추리 결과 공유하기 - 전체 학생이 패들릿에 게시된 모둠별 추리 결과 분석적 사고, 의사소통 읽어 보기 - 모둠 내 발표하는 학생이 범인과 그렇게 생각한 이유에 대해 논리적으로 발표하기 - 관련 과학적 개념 설명 ⇩ 정리 논리 · 능력, 협동, 책임, 배려, 경청 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 활동 내용 정리하기 - 소리 관련 직업에 대해 알고 진로와 연계시키기 - 9 - 확산적 사고 유추적 사고 ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판하거나 유 포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2020년도 정부(과학기술정보통신부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 작성된 성과물입니다. 4. 4차 시 수 업 활동 학습 단계 형태 교수-학습 활동내용 창의 · 인성 • 전시학습 - ‘띵커벨’을 활용해 소리의 특징에 대해 확인하기 도입 상황 제시 홍미, 몰입, • 동기유발 확산적 사고 - 피지컬 컴퓨팅 관련 동영상을 보며 오늘 배울 내용에 대해 흥미를 갖도록 유도하기 ⇩ ⇩ • 본시 학습 목표 파악하기 - 소리의 세기에 따른 진폭변화를 피지컬 컴퓨팅 조작을 통해 파형 가시화하기 • 정보 교과에서 배운 코딩 내용 되살리기 - 간단한 엔트리 조작을 통해 코딩 워밍업 하기 논리 · 분석적 사고, 유추적 사고 흥미, 약속 ⇩ • 엔트리와 코드이노를 활용하여 설계하기 - 교사가 사전에 설계한 코딩 블록을 활동지로 제 전개 창의 적 설계 정보처리 능력, 시하여 학생들이 직접 코딩할 수 있도록 지도 수렴적 사고 하기 유추적 사고 - 기본적으로 학생들이 직접 코딩하도록 하되, 순 회지도를 하면서 비계 제공하기 확산적 사고 몰입, 책임 ⇩ • 자신의 파형 공유하기 - ‘가장 아름다운 파형을 만들기’를 미션으로 제시 하여 학생들이 소리 세기를 조절하여 파형 작 품을 만들도록 지도하기 - 발표 및 공유를 통해 가장 아름다운 파형을 만 논리 · 분석적 사고 흥미, 몰입 유추적 사고 든 학생을 투표로 뽑아 보상 제공 ⇩ 정리 ⇩ 발표 및 정리 • 정리하기 - 활동내용 정리하기 - 소리 관련 직업에 대해 알고 진로와 연계시키기 - 13 - 확산적 사고 유추적 사고 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 인천대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 프로그램 이름 인천대학교 과학영재교육원 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 ❍ 소리를 파악하는 인공지능의 과학적 요소 에 대한 원리 학습 과학/기술가 주요 과목 정, 정보 ❍ 머신러닝 및 딥러닝을 통해 컴퓨터가 스스 관련 단원 수학 로 학습하는 공학적 작동 원리 학습 ❍ 마르코프 모델 및 인공신경망의 원리에 적 용된 수학적 원리(통계 및 조건부확률) 학 관련 과목 음악 관련 단원 STEM 요소 S, T, M, A 지역 습 ❍ 인공지능에 의한 만들어진 창의적 산출물 에 대한 예술적 요소 학습 개발자 주요 수업 개요 ❍ ‘인공지능과 음악’을 소재로 실생활의 문제를 탐구해 보고, 실제로 자료 를 조사하고 분석해 봄으로써 인공지능(AI)과 창의성에 대한 융합적 사 고와 문제해결의 기회를 가질 수 있도록 구성 1차시: 머신러닝 기반의 알고리즘을 이해하고 이를 활용할 수 있다. 2차시: 딥러닝을 이해하는데 필수적인 개념들과 딥러닝을 활용한 작곡알고 차시별 주요내용 (키워드 위주) 리즘 이해하기 3차시: 딥러닝 알고리즘을 반영한 작곡 프로그램 AIVA를 활용하여 작곡을 할 수 있다. 4차시: AIVA실습 (실시간 학습) / 인공지능 기술에 대한 인간들의 수용태 도에 대하여 논할 수 있다. ※ 이 교재의 내용에 대한 무단 복제 및 전재를 금하며, 인천대학교 과학영재교육원의 허락 없이는 어떠한 방식으로든 2차적 저작물을 출판 하거나 유포할 수 없습니다. ※ 이 교재는 2016년도 정부(미래창조과학부/과학기술진흥기금/복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다. 인천대학교 과학영재교육원 Incheon Science Elite Program Tel: 032-835-4270~2, Fax: 032-835-4273 [STEM생각교실] { 과학과 기술(인공지능의 기계적 창의성)을 활용한 예술분야 탐구 } 교재개발자: 교육 대상 : 수업 시간 : 한기용 개발년도: 2021학년도 ( 중등 / 고등 ) 교육과정 (예술과 인공지능) 분야 ( 총 4 시간 ) [지도교사용] * 프로그램 요약 AI의 급속한 발전으로 학생의 삶 전반에 인공지능에 대한 교육의 필요함에 따라 체계적인 인공지능 교육과정 및 프로그램 개발이 필요하며 인공지능 기반 도구를 활용하여 학생들 간의 협력 및 탐구학습을 유발하여 다양한 교과목에서 인공지능을 접목한 프로그램을 통하여 학생들의 창의력 및 문제해결력 향상이 매우 중요하다. 이 교재는 예술과 과학에 대한 통합적 사고력을 기르는 것을 목표로 하고 있으며 인공지능이 예술을 창작한다는 것은, 과학적인 관점으로 예술에 관한 문제를 풀겠 다는 것을 의미하며 지금은 역사상 그 어느 때보다 예술과 과학에 대한 통합적 사고가 요구되는 시기인 것을 강조하였다. ‘원리’ 라는 말은 ‘객관성’이라는 말로 바꿔 쓸 수 있다. 그리고 ‘객관적이다’라는 말은 다시 ‘누구에게나 동일하게 적용된다’는 말로 바꿔 사용할 수 있다. 예술의 큰 특징 중 하나가 ‘다양성’인데, 이때 말하는 예술의 다양성은 누구에게나 동일 하게 적용되는 ‘객관적(과학적) 원리’를 통해 발현된다. 이러하듯 예술은 과학적 원리에 대한 다양한 ‘사용법’을 연구하는 과정과 결과로 정의할 수 있다. 이것이 과학과 기술을 배제한 예술이 존재할 수 없는 이유이며, 또한 그 과학과 기술영역 중 인공지능에 주목하려는 이유이다. 이러한 이유를 바탕으로 인공지능(AI)과 창의 성을 대주제로 하며, 고등학교 1, 2학년 학생들을 대상으로 ‘인공지능과 음악’을 소재로 실생활의 문제를 탐구해 보고, 실제로 자료를 조사하고 분석해 봄으로써 인공지능(AI)과 창의성에 대한 융합적 사고와 문제해결의 기회를 가질 수 있도록 구성하였다. - 1 - STEAM 생각교실 교재 1차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 은닉 마르코프 모델을 활용한 머신러닝 체험하기 차시 • 머신러닝 기반의 알고리즘을 이해하고 이를 활용할 수 있다. • 은닉 마르코프 모델의 구조 • 머신러닝 기반의 알고리즘으로 만들어진 구글의 두들 활용하기 • 학습 동영상, 노트북, 오선지, 마스터 건반 등 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> 도입 1/4 시간(분) 5‘ 자료 및 유의점 Ÿ 인공지능의 인공지능들은 노래하는 것을 넘어 작곡에까지 도전하고 있습니다. 그 역사는 의외로 반세기 이전부터 시작되었습니다. 작곡하는 인공지능 복잡한 원리를 을 만들려는 첫 시도는 1950년대 ‘일리악’이라는 컴퓨터를 통한 것이 이해하기 었습니다. 일리악은 ‘마르코프 체인’이라고 하는 통계 모델을 사용하여 음악을 만들려고 하였습니다. 마르코프 체인은 소련의 수학자 안드레 보다는 그것을 이 마르코프가 도입한 확률 과정의 일종으로, 각 시행의 결과가 바로 앞의 시행의 결과에만 영향을 받는 일련의 확률적 시행을 말합니다. 그러한 마르코프 체인을 옥타브 안의 12개 음들인 도, 도#, 레, 레#, 미, 파, 파#, 솔, 솔#, 라, 라#, 시에 적용하여 멜로디 라인을 뽑아 내는 것이다. ▣ 교사 활동: 머신러닝의 원리인 은닉 마르코프모델을 활용한 작곡 명확하게 실생활에서 사용하고자 하는 수업의 방향을 제시한다. Ÿ 준비물: 학습 프로그램을 사용하기 전 마르코프 모델에 대하여 설명한다. 은닉 마르 코프 모델(HMM)은 음성 인식, 자연어 처리 등과 같이 대량으로 출력 ppt 자료, 된 데이터를 통계적으로 패턴 분석하여 입력된 정보를 추론하는 데에 마스터건반 노트북, 응용된다. 예로, 음성 인식 분야에서는 주어진 음성의 문자열(은닉 상태) 을 찾기 위해 음성 신호의 변동을 확률 변수로 취급하여 입력 음성의 흔 들림 등이 잘 분석된다. 언어를 생성하는 인공지능의 예시를 동시발생 행렬의 형태로 설명한 후 이를 음악에 적용한 행렬 및 확률표로 나타 내어본다. 전개 - 4 - STEAM 생각교실 교재 2차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 딥러닝은 어떻게 인공지능을 구현하는가 차시 2/4 • 딥러닝을 이해하는데 필수적인 개념들과 딥러닝을 활용한 작곡알고리즘 이해하기 • 기존 기계학습의 문제점을 극복하는 딥러닝 • 딥러닝을 활용하는 작곡알고리즘 • 학습 동영상, 노트북 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> (다층퍼셉트론) 시간( 자료 및 분) 유의점 5‘ Ÿ 인간의 두뇌에는 수백만 개의 뉴런들이 있다. 이들은 서로 정보를 주고받 으면서 복잡하거나 어려운 문제들을 해결한다. 하지만 퍼셉트론은 그 구조 딥러닝의 가 너무 간단하여 단츤 퍼셉트론만으로는 비선형적으로 분리되는 데이터를 이해하고 학습하는 것이 불가능하다. 예를 들면 단층 퍼셉트론만으로는 AND 연산이 나 OR연산에 대해서는 학습이 가능하지만, XOR연산에 대해서는 학습이 불 활용분야 가능하다. 개념을 에 대하여 탐색하도 도입 록 안내한다 . ▣ 교사 활동 1. (딥러닝) 딥러닝은 은닉층이 여러 개인 심층 신경망(DNN, Deep Ÿ Neural Networks)에서 사용하는 학습 알고리즘이다. 여기서 ‘딥(deep)’이라는 용어는 은닉층의 깊이가 깊다는 것을 의미한다. 퍼셉트론 과 다층 퍼셉트론 에 전개 대해서 간단하게 이해할 수 있도록 안내한다 - 13 - STEAM 생각교실 교재 3차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • AIVA를 활용하여 작곡하기 차시 3/4 • 딥러닝 알고리즘을 반영한 작곡 프로그램 AIVA를 활용하여 작곡을 할 수 있다. • AIVA 설정하기 등 AI를 활용하여 작곡하기 • 자동생성 기능을 활용하여 작곡하기 • 학습 동영상, 노트북, 이어폰 학습 교수·학습 활동 단계 <상황 제시> 시간(분) 5‘ 자료 및 유의점 Ÿ 실제 AI로 음악을 만들 수 있다. 나를 위한 인공지능, 음악이 있는 AI에 대하여 알아봅시다. 인공지능 AI 포즈 인식 오케스트라 지휘, 두 가지 음색 조합 새로운 음악 생성, 두 활용하여 개의 멜로디 사이를 이어주는 AI 등, 그 중에서 AIVA라는 인공지능 작곡프 로그램을 활용하는 방법에 대하여 설명한다. 예술 을 분야에 도입 적용된 프로그램 을 흥미롭게 체험한다. ▣ 교사 활동: AI이 작곡한 피아노 솔로곡을 들려준다. 5‘ Ÿ 준비물: 인터넷이 가능한 노트북 전개 이 곡은 에이바(AIVA)라는 음악을 만드는 작곡프로그램으로 만든 음악이 라는 것과 AIVA를 다루는 방법에 대하여 설명한다. 우선 구글에 로그인하여 AIVA를 검색한 후 사이트에 들어간다. AI로 자신이 원하는 트랙을 구성한다. - 20 - STEAM 생각교실 교재 4차시 학습 활동 학습 주제 학습 목표 주요 내용 교수 학습 자료 • 인공지능 기술 및 생성된 작품에 대한 수용 태도 차시 4/4 • 인공지능 기술에 대한 인간들의 수용태도에 대하여 논할 수 있다. • 자동생성 기능이 아닌 음원 및 미디파일을 실시간으로 학습시킨 후 작곡하기 실습 • 인공지능이라는 기술에 대한 수용태도 및 인공지능이 생성한 작품에 대한 수용태 도에 대하여 학습하기 • 학습 동영상, 노트북, 학생용 활동지 자료 학습 교수·학습 활동 단계 시간(분) 및 유의점 <상황 제시> 5‘ Ÿ 실제 3차시에서 학습한 AIVA를 이제는 자동생성기능이 아닌 업로드 기능을 활용하 인공지 여 실시간으로 학습시킨 후 작품을 만들어 보겠다. 이어서 인공지능이라는 혁 신기술을 수용하였을 때의 장단점 및 혁신기술의 수용이 예술가의 입지에 미 능을 치는 영향에 대하여 논의하고자 한다. 여 활용하 예술 분야에 도입 적용된 프로그 램을 흥미롭 게 체험한 다. ▣ 교사 활동: 구글에 로그인 하여 AIVA사이트에 들어간다. 5‘ Ÿ 준비물 : 인터넷 이가능 한 전개 노트북, 마스터 건반 Create Track를 클릭한 후 이번에는 자동생성이 아닌 실제 음원 및 미디파일 을 업로드하여 실시간 학습으로 노래를 만들어보려 한다.. - 25 - STEAM 생각교실 교재