공도 개발팀의 이상호 개발자는 테크 교육을 위한 콘텐츠와 교구를 개발하고, 학교 현장에서 인공지능 관련 수업도 진행하고 있는데요. 정규 수업으로 해성여고에서 인공지능 기초 수업을, 그 외 여러 학교에서 ChatGPT를 활용한 인공지능 수업을 진행하고 있어요. 흥미로운 콘텐츠로 인공지능 기술에 낯선 학생들을 친숙하게 이끌고 있는 이상호 개발자의 특별한 수업을 소개해드릴게요.🌟

해성여고 스마트팜 수업에서 라즈베리파이 피코를 기반으로 식물의 온⋅습도를 측정하는 모습 ⓒ공학도서관

해성여고는 지난 2023년 ‘인공지능 기초’ 선택 과목을 도입했어요. 일반적으로는 기존에 출판된 교과서를 채택해 수업을 하지만, 담당 과목 선생님께서 학생들의 관심사를 반영한 흥미있는 수업 진행을 원하셨어요. 그래서 여학생들이 생명공학이나 생물 관련 분야 진로 선택이 많은 점을 고려해 공도에서 개발한 콘텐츠 중 ‘데이터파이 for 스마트팜’을 추천했어요. 스마트팜은 인공지능, 데이터, 생명공학, 생물학 등 여러 분야가 융합돼 학생들의 관심사와 학습 목표를 효과적으로 연결할 수 있는 주제라고 판단했기 때문이에요.

공도는 이렇게 학생들의 특성이나 관심사를 반영한 적절한 수업 콘텐츠를 학교 현장에 추천하고 있는데요. 해성여고 3학년의 경우 데이터 분석 수업 경험이 없는 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 ChatGPT를 활용해 데이터를 분석하는 입문 과정을 진행하기도 했어요.

 

1학기는 온라인 이론 수업, 2학기는 오프라인 실습으로 진행됐어요. 이론 수업은 파이썬 입문, 라즈베리파이 GPIO 제어와 파이썬 코딩 등을 주제로 스마트팜 구성에 필요한 기본 센서를 제어하는 내용으로 구성했어요. 이후 오프라인 수업에서 식물을 직접 키우고 데이터 수집, 관리 및 보고서 작성까지 수행해요. 

스마트팜 수업이라고 하면, 식물을 자동으로 기르는 법을 배울 거라고 생각하실 텐데요. 학생들이 식물의 생육 환경을 직접 찾아보고, 그 과정에서 데이터를 수집하고 분석하는 장기 프로젝트로 설계돼 있어요. 피지컬 컴퓨팅을 통해 컴퓨터의 핵심 개념을 이해하고, 라즈베리파이 피코를 사용해 직접 하드웨어를 제어하고 프로그래밍을 경험할 수 있는 수업이에요. 

이 수업에서는 상추를 수경재배로 기르는데요. 구체적인 커리큘럼은 ‘데이터 수집 및 관리’, ‘실험 보고서 작성’으로 이뤄져요. 데이터파이에 센서를 연결해 식물의 온⋅습도와 이산화탄소를 측정하고 데이터를 2주간 수집한 후 분석해요. 그 다음엔 조명 색상이나 환풍기를 제어해서 생육 환경을 변경하고 이 결과를 바탕으로 보고서를 작성해요. 이 과정에서 경험한 데이터 수집 및 분석 과정을 다른 분야에도 적용하는 능력을 기르는 것이 수업의 궁극적인 목표예요.

식물 재배는 일상적으로 친숙한 활동이라 낯설지 않고, 이를 기술과 접목해 색다른 경험을 제공하면서도 현실적으로 활용할 수 있어 학생들의 흥미를 높일 수 있어요. 고도화된 기술을 접하는데 낯설고 어려운 내용으로 시작하면 거리감을 느끼거든요. 또, 스마트팜으로 실제 먹을 수 있는 농작물을 길러 활용도도 높죠.

대부분의 인공지능 수업에서는 이미 만들어진 데이터나 모델을 사용하지만, 이 수업에서는 학생들이 직접 데이터를 수집한다는 점에서 의미가 커요. 식물을 재배하며 주도적으로 데이터 수집, 분석, 시각화, 결론 도출까지 수행할 수 있고, 시행착오를 겪으며 어떤 오류가 발생하는지 직접 확인하면서 공학에 대한 적성과 흥미도 찾을 수 있어요.

피지컬 컴퓨팅을 통해 컴퓨터의 기본 원리를 익히고, ChatGPT 등 생성형 AI를 수업 도구로 활용하면서 인공지능 기초를 학습하기에도 좋아요.

하드웨어로는 라즈베리파이 피코 W, 가상 컴퓨터 환경으로는 구글 코랩(Colab)을 활용해요. 특히 센서 연결을 원활하게 하기 위해 공도에서 개발한 ‘데이터파이(DataPi)’를 사용하는데요. 작년에는 빵판(브레드보드)을 사용해 센서를 연결했었는데, 수업 참여 인원이 많다보니 센서 연결이 잘 되지 않으면 빠른 해결이 어렵더라고요. 

또, 처음 하드웨어를 다루는 학생이 많은데 첫 단계인 센서 연결에서부터 어려움을 겪으면 금방 흥미를 잃을 수 있어, 이런 문제를 해결하고자 데이터파이를 개발했어요. 데이터파이는 센서나 입⋅출력 기능이 미리 연결돼 있어 학생들이 바로 코딩을 시작할 수 있어요. 데이터파이를 통해 하드웨어 제어의 기본 원리를 학습하고 센서로 데이터를 저장하는 방법을 연습하는 거죠.

공도의 스마트팜 수업은 학생 수준에 맞춰 직접 개발한 콘텐츠와 키트를 사용해 더 수월하게 수업을 진행할 수 있어요. 수업자료는 공도 홈페이지에 전부 공개해 학생들이 언제든 복습하기도 용이해요.  

학생들이 흥미를 갖고 수업에 참여할 수 있는 요소가 있는 것도 공도 스마트팜 수업의 장점이에요. 식물 키우기는 변수가 많은 활동이라 관심도가 쉽게 떨어질 수 있는데요. 공도 스마트팜 수업은 학생들의 흥미를 끌어 올리는 데 집중했어요. 같은 식물을 다양한 환경에서 기르며 수집한 데이터를 비교하면서 단순히 잘 키우는 방법이 아닌 개선할 점을 함께 고민하게 유도해요. 이를 위해 학급 내에서 환경을 다르게 조성해 식물이 성장하는 데 어떤 영향을 미치는지 분석해요. 

예를 들어 자연광과 인공 조명으로 광합성을 유도했을 때 식물이 어떻게 자라는지 살펴봐요. 조명 색을 달리해보기도 하고요. 그 다음엔 식물의 성장 과정을 타임랩스로 촬영해 미세한 변화도 포착할 수 있어요. 타임랩스로 촬영한 사진은 컴퓨터 비전 기술로 분석돼 식물의 생육 상태를 알아볼 수 있는 식생지수를 파악하는 데 활용돼요.

이 과정을 통해 학생들은 여러 환경 조건에 따라 각기 다른 데이터가 생산되는 것을 알 수 있는데요. 이렇게 데이터를 수집하고 분석하는 전 과정을 경험한다는 점에서 큰 의미가 있어요. 

평소 코딩과 관련해 다양한 학습과 실습을 하기가 쉽지 않은데 흥미로운 주제로 코딩을 경험할 수 있어 유익하다는 반응이 많아요. 다른 학교에서는 경험하기 어려운 스마트팜을 직접 구축해보고 식물의 생장을 관찰할 수 있다는 점을 학생들이 좋아해요. 어렵게 느껴지는 인공지능 기술을 일방적인 강의가 아니라 스마트팜 구축을 목표로 직접 실습한다는 점도 학생들이 긍정적으로 평가하는 점이에요. 코딩으로 여러 센서를 제어하고 코드가 달라지면 결과가 어떻게 달라지는지 즉시 확인할 수 있어 신기해 하기도 해요. 각자의 방법으로 여러 환경 요소를 제어하면서 ‘나만의 식물 기르기’를 할 수 있다는 점을 재밌어하고, 적극적으로 다양한 시도를 해보는 편이에요.

식물을 장기적으로 관찰해야 하는 실습이고, 눈에 띄는 변화를 빠르게 포착하기 어려워 학생들이 흥미를 잃는 경우가 있는데요. 미세한 시각적 변화까지 발견할 수 있도록 타임랩스를 활용하면 이런 문제를 해결할 수 있어요. 

학생들은 식물에 대한 전문적 지식이 없어 어떻게 하면 식물을 잘 키울 수 있을지 고민이 많아요. 이때 ChatGPT로 정보를 검색해 문제를 해결하도록 유도해요. 매 수업 시간마다 제공되는 학습지를 통해 수업 시간에 배운 내용이 실제로 어떻게 활용되는지 사례를 조사하기도 하고요. 학습지 질문에는 어떻게 검색해야 원하는 정보를 얻을 수 있는지 알 수 있도록 최대한 구체적인 맥락을 제시해요. 과제 완료 후에는 수업시간에 질문 의도와 학생이 작성한 내용을 비교하며 학습 내용을 잘 이해했는지에 대한 피드백을 제공해요. 

게임을 많이 해본 학생들은 데스크탑 환경에 익숙한데, 그렇지 않은 학생들은 하드웨어 제어에 어려움을 느끼는 것 같아요. 그래서 최대한 기본 도구부터 차근차근 설명해요. 컴퓨터 공학 도구에 익숙하지 않은 만큼 학생들이 흥미를 잃지 않도록 하는 것이 중요하다고 생각해서 학생들이 좋아할 만한 요소들을 수업 내용에 배치하고 있어요. 예를 들면, 스마트팜 수업에서는 LED로 다채로운 색상을 구현할 수 있는 네오픽셀을 활용했는데요. 녹색, 파란색 등 조명색을 달리해 식물이 자라는 데 어떤 영향을 주는지 알아보는 실험이 반응이 좋았어요.

수경재배한 상추에 색소를 첨가해 비교⋅분석하는 모습 ⓒ공학도서관

학습 목표를 달성하기 위한 고민도 학생들과 함께 하고 있어요. 어떻게 하면 식물을 잘 키울 수 있을지 같이 고민하고, 학생이 제시한 방법에 공감하거나 다른 방법을 제안하기도 해요. 일반 농장이나 다른 스마트팜에서는 동일한 식물을 어떻게 기르는지 비교하고 개선할 점을 의논해요. 일례로, 조명과 식물의 간격이 넓어서 빛을 잘 받지 못하는 것을 확인하고 식물을 조명에 가깝게 배치해 더 나은 결과를 얻은 적도 있어요. 이렇게 문제를 발견하고 개선하는 과정에서 흥미를 느끼는 학생이 많아요.

이번 뉴스레터에서는 프로그래밍에 대한 학생들의 거리감을 좁히고 흥미있게 참여할 수 있는 스마트팜 수업을 진행하는 이상호 개발자의 이야기를 들어봤어요. 학교 현장의 생생한 수업 노하우를 전하는 공도피플, 다음에도 선생님들의 핵심 수업 비법을 들고 올테니 많은 관심 부탁드려요!

※ 공도 뉴스레터는 방학과 연말을 맞아 2주간 쉬었다가 내년에 더 유익한 소식으로 다시 찾아올게요. 2025년에 만나요!✋