과학(Science), 기술(Technology), 공학(Engineering) 및 수학(Math)의 약어인 STEM은 이 네 가지 분야를 통합하는 학습을 의미합니다. STEM 교육은 다양한 교구를 통해 호기심과 배우고 싶은 욕구를 불러일으키며, 여러 IOT 기기들의 발전과 더불어 역동적으로 발전하는 분야입니다. 이러한 STEM 교육 중 하나는 클레식하지만 전통적인 페이퍼 오토마타를 활용하는 것입니다. 종이로 만드는 오토마타, 즉 종이 기계 장난감은 예술, 과학 및 공학의 독특한 융합을 경험하게 하며, 다차원적인 경험의 세계로 안내합니다.
오토마타(automata)라는 용어는 그리스어로 "자동 이동" 또는 "자동 작동"을 의미하는 "automatos"에서 유래되었습니다. 오토마타의 개념은 고대로 거슬러 올라가지만 종이 오토마타를 만드는 기술은 최근 특히 19세기와 20세기에 대중화되었습니다
페이퍼 오토마타는 크게 움직임을 만들어내는 엔진부와, 엔진부와 연결된 목적물로 다양한 표현을 할 수 있는 콘텐츠부로 나뉩니다. 손잡이를 돌려 발생되는 원운동과 연결된 다양한 부품들, 기어, 캠, 크랭크, 관절, 밸트 등은 흥미롭고 다양한 움직임을 만들어내며, 이와 연결된 콘텐츠들은 다채롭게 움직이며 사용자들의 관심을 끌어냅니다.
페이퍼 오토마타의 동작 원리는 다양한 기계 공학 원리에 기반을 두고 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 원칙에 대한 간략한 요약입니다.
기어: 기어는 토크를 전달하기 위해 다른 기어의 톱니와 맞물리는 톱니가 있는 회전 부품입니다. 기어는 종류에 따라 힘, 이동 속도, 방향 및 타이밍을 제어 가능한 부품으로 기계 장치로, 기본형은 하나의 기어가 회전시 다른 기어가 반대 방향으로 회전합니다.
캠: 캠은 원 운동을 선형 운동으로 변환하도록 특별히 만들어진 슬라이딩 부품입니다. 페이퍼 오토마타에서 캠은 종종 복잡한 움직임을 만드는 데 사용됩니다. 캠이 회전함에 따라 캠의 독특한 모양으로 인해 팔로워(캠 표면을 따라 움직이는 막대)가 위아래 또는 좌우로 움직입니다.
크랭크: 크랭크는 회전축에 부착된 레버입니다. 크랭크를 돌리면 샤프트가 회전하여 다른 메커니즘을 구동할 수 있습니다. 페이퍼 오토마타에서 크랭크는 종종 기어를 돌리거나 캠을 움직이는 것과 같이 모델의 움직임을 시작하는 데 사용됩니다.
관절: 관절은 두 개 이상의 부품이 움직일 수 있도록 연결된 지점입니다. 관절을 통해 팔을 흔들거나 고개를 끄덕이는 모습과 같이 다양한 움직임을 만들 수 있습니다.
벨트: 벨트는 2개 이상의 회전축을 기계적으로 연결하는 데 사용되는 유연한 재질의 고리입니다. 벨트는 다른 부품으로 동작을 전달할 수 있으며, 기어와 달리 먼 거리에서 동작을 전달하는 데 사용됩니다.
즉 페이퍼 오토마타는 단순한 종이 장난감이 아닙니다. 움직임의 원리 속에 녹아들어 있는 공학적 원리와 역학은 하나의 예술작품으로 취급되기도 합니다. 엔진부를 만들며 공학과 기술의 원리를 익히며, 콘텐츠를 꾸미면서 심미성에 대한 표현과 학습도 가능합니다. 또한 동일한 움직임 원리도 전혀 다른 콘텐츠로 표현할 수 있기 때문에, 창의성 발달에도 도움이 됩니다. 이를 통해 STEM교육이 추구하는 교육적 효과를 매우 효율적으로 전달할 수 있으며, 다음과 같은 많은 이점이 있습니다.
창의성: 페이퍼 오토마타는 학생들이 독창적인 기계 장난감을 디자인하고 구성하면서 창의적으로 생각하는 좋은 도구입니다.
문제 해결: 만드는 과정에는 모든 STEM 분야의 필수 기술인 문제 해결 및 비판적 사고가 필요합니다.
실습 : 페이퍼 오토마타는 학생들이 복잡한 기계 개념을 이해하는 실질적 방법입니다.
범용성: 다양한 사용자 (연령 및 이해도)에 맞춰 소비가 가능하므로, 범용성이 높습니다.
콘텐츠 부분이 제공되지 않는 페이퍼 오토마타를 제작하는 경우, 우리는 무엇을 만들지 다양한 상상을 할 수 있습니다. 각각의 오토마타는 제작자에 따라 창의성, 수완, 기계적 원리에 대한 이해도가 다르기 때문에, 이를 반영한 결과물이 나오게 됩니다. 날개를 퍼덕이는 새, 악기를 연주하는 음악가, 어느 한 이야기의 복잡한 디오라마에 대한 표현 등 각각의 페이퍼 오토마타는 저마다의 스토리를 가지고 있습니다. 이러한 스토리 텔링은 STEM 교육에서 부족할 수 있는 사람에 대한 이야기와 인문학적 감수성을 채워줄 수 있습니다.
다양한 원리로 페이퍼 오토마타는 STEM 교육, 예술, 역학 및 다양한 구성물을 창의적 표현 방법을 제공합니다. 이 혁신적인 도구를 교구로써 사용은 물론, 평생 학습 도구로도 사용할 수 있습니다