칼럼 - 第4次 産業革命과 工學敎育 改善

[손명숙]

第4次 産業革命과 工學敎育 改善

서울공대지 2017 Summer No.105

한송엽 명예교수 전기공학 前공대학장 학술원 회원

I. 서론

第1次 産業革命은 18세기에 일어난 증기기관 기반의 기계화 혁명이다. 수작업으로 이루어지 던 직조기의 자동화로 방직산업이 급격히 성장하고 증기기관 기차와 선박의 출현으로 교통 수단이 발전하여 신속한 대량 물류의 이동이 가능해 졌다. 영국의 섬유공업이 거대산업화가 되면서 산업의 중심이 동양에서 서양으로 이동하게 되었다.

第2次 産業革命은 19세기에 일어난 전기화 혁명이다. 발전기의 발명에 의한 전기에너지의 보급과 전기모터에 의한 모든 산업의 자동화 혁신이 이루어 졌고 각종 전기제품의 출현으 로 인류의 생활이 극적으로 향상되었다. 그리고 산업의 중심이 유럽에서 미국으로 이동하 게 되었다.

第3次 産業革命은 20세기 중반에 일어난 정보화 혁명이다. 즉 컴퓨터와 인터넷 기반의 지식 정보혁명을 말한다. 각종 기기가 Analog 시스템에서 Digital 시스템으로 변화되면서 디지 털통신이 실현되었다. 그리고 광통신의 실현으로 고속 정보통신도 가능하게 되었다. 반도체 기술의 발전으로 고기능의 Mobile phone도 출현하였다. 우리나라는 인터넷 보급률이 높고 통신기술의 발전으로 ICT(Internet and Communication Technology)의 강국으로 자리매 김하였다. 그러나 우리나라가 새로운 기술의 발전 없이 안주하고 있는 동안 미국 독일 등에 서는 2010년경부터 새로운 산업혁명이 태동하기 시작하였다.

미국에서는 2012년에 GE가 ‘Industrial Internet’을 제창하였다. 이 산업인터넷은 네트워크 를 이용하여 항공기 엔진, 기관차 엔진, 발전기 엔진 등에 설치한 센서의 정보와 부품업체의 재고 현황 등을 수집하고 사이버 공간에서 AI를 통하여 엔진의 장애를 예측하고 최적 운용 또는 보수 계획을 도출하여 활용한다는 혁신안이다. 비행기의 경우 새로운 OS인 Predix를 기반으로 착륙할 공항의 기후와 과거의 착륙 데이터를 분석하여 항공기의 착륙을 용이하게 하는 서비스도 하고 있다.

독일에서는 2011년 독일정부에 의하여 정보통신분야의 통합을 이루는 ‘Industries 4.0’계획이 발표되었다. 이 계획은 산업생산 시스템을 유연하게 하여 효율적으로 다품종 대량생산을 가능하게 하는 것이다. 즉 제조공정을 모듈화하고 가변 유연하게 분산 제어를 할 수 있도록 네트워크화 하였다. 또한 수요자와 중소 부품업체까지 네트워크화가 이루어져 수요자의 요구사항을 실시간으로 반영할 수 있는 시스템이다. 즉 설계, 생산, 유통, 서비스까지 사이버 공간에서 최적화되는 혁명이다.

第4次 産業革命은 상기한 미국 독일 등에서 시도한 혁신안에서 시작되었으며 지난 해 스위스의 Davos Forum에서 제4차 산업혁명이라고 부르기 시작하였다. 제4차 산업혁명을 보다 구체적으로 설명하면 사물과 사람과 공간을 네트워크로 연결하여 사이버공간에서 정보를 수집하고 빅 데이터 기술 또는 인공지능 기술을 이용하여 자료를 분석하여 최적 해법을 도출한 다음 실사회 또는 물리 시스템에 피드백하는 혁명이다. 다시 말하면 제 3차 산업혁명에 빅 데이터 기술과 人工知能 기술을 적용한 超知能 혁명이다. 우리는 2016년 3월에 이루어진 이세돌 9단과 알파고의 바둑대결에서 예상을 뒤엎고 알파고가 이세돌 9단에 4대 1로 승리한 사건을 접하고 인공지능의 위력을 실감하였다. 최근 일본에서는 인공지능 프로그램으로 작성한 소설이 일본 문학상 1차 심사에 통과하기도 하였다. 이상과 같이 제4차 산업혁명은 물리 시스템에서는 물론 인간만의 영역이라고 여기던 창조적인 분야도 인간의 지능을 초월하는 경지에 이르렀다.

본고에서는 제4차 산업혁명의 특징을 좀 더 자세히 분석하고 우리나라에서 제4차 산업혁명을 주도할 인재양성에 관한 개선방안을 제안한다.

II. 第4次 産業革命의 특징

우선 제4차 산업혁명의 핵심기술을 열거해 보면 사물인터넷(IoT), 빅 데이터(Big Data), 인공지능(AI), 사이버물리시스템(CPS) 등이며 이들 기술 내용을 요약하면 아래와 같다.

사물인터넷은 통상 IoT라 부르는데 Internet of Things의 약자이다. 종래의 사물인터넷의 개념은 각종사물에 여러 종류의 센서와 통신장비를 부착해 인터넷으로 서로 연결함으로서 사물끼리 실시간으로 데이터를 주고받을 수 있는 기술 또는 환경을 의미한다. 그러나 오늘날의 사물인터넷은 사물과 사람의 연결까지도 포함된다. 예를 들면 가정에 거주하는 환자에게 혈압센서를 부착하고 혈압 정보가 실시간으로 인터넷을 통하여 병원에 전달되도록 한다. 혈압 값이 정상 범위를 초과하면 무선인터넷으로 담당 의사의 모바일 폰으로 연락이 가게 되고 담당 의사는 데이터를 검토한 후 무선 인터넷으로 환자의 모바일 폰에 약 처방을 전송하는 원격의료시스템은 사물인터넷의 좋은 사례가 된다.

빅 데이터란 말 그대로 기존에 다루어 왔던 데이터에 비해 그 크기가 너무 커서 기존의 방법으로는 수집하거나 분석하기 어려운 디지털 데이터를 의미한다. 휴대폰 통화 기록, SNS의 대화 기록, 지하철 또는 버스의 탑승기록, 전자상거래 기록, 전력 소비 기록 등이 빅 데이터라 할 수 있다. IT 분야 시장조사 기관인 IDC의 2012년 자료에 따르면 2011년 기준 월 300억 개의 새로운 콘텐츠가 페이스북에서 공유되고 있으며, 전 세계에서 공유되고 있는 정보량은 연 1.8ZB(제타 바이트, 1조 기가바이트)에 달하고 있다고 한다. 삼성경제연구소의 발표에 의하면 빅 데이터를 활용하면 미래예측, 숨은 니즈발견, 리스크 경감, 맞춤형 서비스, 실시간 대응과 같은 기존의 데이터로서는 하기 어려운 일들을 할 수 있다고 한다.인공지능은 통상 AI라 부르는데 Artificial Intelligence의 약자이다. 인공지능이란 말이 처음으로 등장한 것은 1956년이며 인간과 같이 생각하고 행동하는 기계를 인공지능이라고 부르게 되었다. 인간에게 뇌가 있듯이 인공지능에는 대용량 메모리와 초고속 연산 능력이 있는 컴퓨터가 있다. 인간의 지능이 뇌의 학습을 통하여 진화해 가는 것처럼 인공지능도 컴퓨터의 학습을 통하여 진화해 간다. 인공지능은 학습방법에 따라 크게 범용(약한)인공지능과 초(강한)인공지능으로 나눈다. 전자는 기계학습(Machine Learning)을 사용하는데 인간의 지능에 못지않은 수준이고 후자는 심층학습(Deep Learning)을 사용하는데 인간의 지능을 초과하는 수준이다. 예를들어 영상자료를 분별하는 인공지능을 생각하자. 전자의 경우는 컴퓨터에 많은 실제 영상 데이터를 입력시킨 다음 데이터를 분석하는 방법까지 입력하여 영상자료의 특징을 찾아내게 하는 것이다. 그러나 후자의 경우는 데이터를 분석하는 방법을 입력하지 않아도 자체적으로 학습하여 영상자료의 특징을 찾아내는 것이다. 후자의 경우는 전자의 경우 보다 더 많은 계산능력을 필요로 하기 때문에 현재로서는 실용화하기가 어려운 상황이다.사이버물리시스템은 통상 CPS라 부르는데 Cyber Physical System의 약자다. 사이버물리시스템은 사이버시스템과 물리 시스템이 결합된 시스템이다. 즉 사이버물리시스템은 물리 시스템에서 사물인터넷에 의하여 얻은 빅 데이터를 사이버 시스템으로 보내어 발전된 인공지능으로 해석하여 그 결과를 물리 시스템으로 피드백하여 물리(현실)세계를 제어하는 시스템이다. 사이버물리시스템을 사용하면 인간의 의사결정을 한층 고도화 할 수 있다.

클라우스 슈밥 세계경제포럼(WEF) 회장은 “4차 산업혁명이 가져올 혁신은 이전의 산업혁명과는 전혀 차원이 다르다”며 “4차 산업혁명은 우리가 ‘하는 일’을 바꾸는 것이 아니라 ‘우리 인류 자체’를 바꿀 것이다”라고 예견 하였다. 또한 4차 산업혁명은 그 ‘진화속도’가 과거의 어떤 산업혁명 때 보다 빠르기 때문에 그는 “기업 차원에서 4차 산업혁명을 성공시키기 위해서는 규모가 작더라도 빠르 게 움직이는 것이 유리하다”고 조언한 후 “플랫폼기업이 되어야 한 다”고 강조했다.

III. 工學敎育의 改善

우리나라는 지금까지 기술 개발의 전략으로 미국 독일 일본 등 선진 국의 첨단기술을 가장 빠르게 뒤 쫓아가는 추격자(Fast follower) 전략에 주력하여 왔다. 그러나 근래에 중국 등 신진 개발도상국의 추격으로 세계 제2인자의 자리를 지키기 어렵게 되었다. 따라서 이 제는 추격자에서 선도자(First mover) 전략으로 옮겨 가야만 한다. 즉 1에서 2를 만드는 기술에서 벗어나 0(무)에서 1(유)을 창조하는 기술을 개발하여야 한다. 거기에 더하여 쓰나미같이 몰려오는 4차 산업혁명을 맞이하여 사이버물리시스템을 이용한 문제해결 능력을 갖춘 인재가 필요하다. 이와 같이 변화된 사회적 요구에 부응할 수 있는 인재를 양성하기 위하여 공학교육의 개선이 요망된다.

첫째는 소프트웨어 중심(Software-centered) 問題解決 교육이 다. 지금까지는 혁신적이고 창의적인 문제해결을 주로 하드웨어 (Hardware)적으로 접근하여 왔는데 4차 산업혁명 시대에는 문제 해결을 주로 소프트웨어(Software)적으로 접근하여야 한다. 앞에 서 언급한 바와 같이 4차 산업혁명 시대에는 빅 데이터를 분석하 여 해답을 구하여야 하는데 빅 데이터로 대표되는 물리시스템은 수학적으로 정확하게 모델링하기가 어려워 하드웨어적으로 해답 을 찾기가 거의 불가능하다. 소프트웨어 중심 문제해결의 특징은 ‘Software’의 ‘Soft’가 ‘유연’하다는 뜻을 가지고 있듯이 유연한 해 답을 준다는 것이다. 즉 소프트웨어 중심 문제해결의 특징은 정답 을 찾는 것이 아니라 최선의 답을 찾는 것이다.

현재 대부분의 공과대학에서는 3학점의 ‘컴퓨터 프로그래밍 기초’ 교과목을 필수로 부과하고 있는데 주로 컴퓨터 언어 교육에 그치고 있다. 앞으로는 3학점의 ‘(가칭) 소프트웨어 중심 문제해결’교과목 을 전 공과대학생이 수강하도록 하는 것을 제안한다. 전반부에서는 빅 데이터의 처리법과 인공지능의 핵심인 신경망을 이용한 기계학 습법을 다루고 후반부에서는 많은 응용문제를 다루어 소프트웨어 중심 문제해결 방식을 교육하도록 한다.

둘째는 批判的 思考(Critical Thinking) 교육이다. 즉 생각하는 법 을 가르치는 교육이다. 공대생들에게 비판적 사고능력을 증진시킬 필요성을 강조한 것은 2000년대 초 한국공학교육인증원이 설립되 면서였다. 인증기준에 엔지니어가 급변하는 산업사회에 적응하려 면 비판적 사고능력이 필요하다고 강조하였기 때문이다. 서울대의 경우는 공대생들에게 비판적 사고 교육을 효과적으로 진행하기 위 하여 “공대생을 위한 <논리와 비판적 사고>교육 모형 개발 연구”를 수행하였다. 그러나 후술하는 바와 같이 공과대학에서의 비판적 사고 교육은 실효를 거두지 못하였다.

4차 산업혁명 시대에 들어오면서 해결하여야할 문제의 복잡도가 더욱 증가하면서 어떤 기준에 의하여 그 해결책을 찾아야 할 것인 지가 문제시 되고 있다. 새로운 법, 질서, 윤리도 정립하여야 한다. 노동 시장 뿐만 아니라 의료, 교통, 금융 등 전문직에까지 실업의 문제가 대두 되고 있다. 이와 같은 문제를 슬기롭게 해결하려면 비 판적 사고 능력을 갖춘 인재가 요망된다.

리처드 폴(Richard Paul)에 의하면 비판적 사고란 우리가 생각할 때 우리의 생각을 더 훌륭하게 하기 위하여 우리의 생각에 대하여 생각하는 것이라고 하였다. 모든 생각은 여덟 가지 요소에 의하여 결정된다고 하였다. 즉 모든 생각은 목적을 가지고 전제에 바탕을 둔 관점 안에서 이루어지며 정보를 해석하기 위해서 개념을 사용 하며 이를 통해 질문에 답을 하고 문제와 쟁점을 해결한다고 하였 다. 대학에서는 학생들에게 생각의 기본 요소와 질문에서부터 해 결책을 얻기까지의 과정을 교육하여 학생들의 사고능력을 배양하 여야 한다.

셋째는 問題 發掘能力 교육이다. 지금까지는 주로 문제해결 능력 배양에 주력 하였다. 이것은 앞에서 설명한바와 같이 추적자(Fast follower)의 단계에서는 중요하였지만 선도자(First mover)를 지 향해야 하는 단계에서는 해결해야할 문제를 발굴하는 능력이 필수 적이다. 이와 같은 능력을 배양하려면 대학의 교양교육에서 글로벌 과제(Issues)에 대하여 적극적으로 참여하도록 한다. 예를 들면 과 학기술 발전으로 인한 사회문제(Socio-Scientific Issues)로 인권, 다양성, 정의, 관용, 양극화 등의 문제를 토론 강의를 통해 문제의 핵심을 발견하도록 한다. 또한 과학기술적 문제로 에너지, 환경보 존, 지속가능한 발전, 교통, 식량, 재난 등의 문제를 다루어 구체적 으로 해결할 문제를 발굴하는 실습을 하게 한다.

IV. 批判的 思考 교육 활성화 방안

공대생들에게 비판적 사고능력을 증진시킬 필요성을 강조한 것은 2000년대 초 한국공학교육인증원이 설립되면서 부터였다. 비판적 사고 교육을 효율적으로 시행되기 위한 연구 사례와 비판적 사고 교육의 현황을 알아보면 아래와 같다.

서울대학교에서는 비판적 사고 교과목이 철학과에서 제공되었고 공대 학생은 인문대 및 사회대 학생들과 같이 수강하였기 때문에 공대생으로서는 좋은 학점을 취득하기가 어렵다고 생각되어 수강 을 기피하는 경향이 있었다. 따라서 공대 학생이 이해하기 쉽게 짜 여 진 비판적 사고 교과목을 개발하는 것이 필요하였다. 이와 같은 요구에 부응하기 위하여 2002년 교내연구비 지원에 의하여 “공대 생을 위한 <논리와 비판적 사고>교육 모형 개발 연구”를 수행하였 다. 연구책임자는 인문대학 철학과의 김영정 교수였고 연구원은 철학과의 김효명, 김기현 교수와 공과대학의 한송엽, 박종근, 김승조, 서경덕, 차국헌 교수였다. 즉 철학과 교수와 공과대학 교수가 공동으로 비판적 사고 교과목을 연구 개발하였다. 연구결과는 서울대학교 철학연구소가 발행하는 「철학사상」 2005년도에 3편의 논문으로 발표되었는데 논문 제목은 ‘비판적사고의 본성’, ‘비판적 사고와 공학교육’, ‘공학적 사례를 이용한 비판적 사고의 틀’이다. 이 연구의 특징은 공학적 사례를 많이 소개하여 학생들이 비판적 사고의 본성을 쉽게 이해하고 응용할 수 있게 한 것이다. 이 내용은 국내의 타 공과대학에서도 활용할 수 있도록 한국공학교육학회가 발간하는 “공학교육”제11권(2004년) 제1호, 제2호, 제3호, 제4호에 “비판적 사고와 공학교육”이라는 제목으로 발표되었다. 공대생의 비판적 사고 교육 현황을 알아보기 위하여 경북대, 부산대, 서울대, 서울과기대, 서울시립대, 성균관대, 순천향대, 숭실대, 중앙대, 호서대 등 10개 대학에 ‘비판적사고’관련 교과목이 대학 교양과목으로 제공되는지를 조사한 결과 경북대, 부산대, 서울대, 성균관대, 중앙대 등 5개 대학에서 ‘비판적 사고’ 또는 ‘논리와 비판적 사고’등의 교과목이 교양 선택으로 제공되었다. 즉 50%의 대학에서 비판적 사고 관련 교과목을 제공하고 있었다. 경북대, 부산대, 서울대, 성균관대, 등 4개 대학에서 2015학년도에 비판적 사고 관련 교과목을 수강한 학생 수의 실적을 보면 표 1과 같다.

표1. 2015학년도의 ‘비판적 사고’교과목 수강 실적

대학명	과목명	필수/선택	대학 전체 수강생수	공대생 수강생수	공대 총학생수
경북대	논리와 비판적 사고	선택	2814	982	1255
부산대	논리와 비판적 사고	선택	90	5	1244
서울대	논리와 비판적 사고	선택	109	11	800
성균관대	비판적 사고	선택	54	100	993

대학 전체 수강생수는 경북대, 성균관대, 서울대, 부산대 순으로 많았고 전체 수강생 중 공대생 수강생수도 같은 순서였다. 경북대의 경우 공대 총 학생수의 78%가 수강하였으며 성균관대의 경우는 10%가 수강 하였으며 서울대와 부산대의 경우는 거의 없는 상태이다. 즉 조사한 10개 대학 중 1개 대학만 비판적 사고 관련 교육이 정상적으로 이루어지고 있음을 알 수 있다.

현재로서는 비판적 사고 교과목 수강 실적이 미미한 상태이다. 앞에서 언급한 바와 같이 4차 산업혁명 시대에는 공대학생의 비판적 사고 교육은 매우 중요시 되어야 한다. 따라서 공대생의 비판적 사고 교육을 활성화하기 위하여 몇 가지 방안을 제안 한다.

첫째는 비판적 사고 교육을 위한 다양한 책자와 시청각 교재를 개발하여 공급하는 것이다. 미국의 경우는 비판적 사고 재단(www.criticalthinking.org)이 있어 비판적 사고 교육에 필요한 교재를 출판하여 공급하고 있으며 교사 양성 프로그램을 운영하며, 학술대회를 개최하고 있다.

둘째는 비판적 사고에 관한 Open Online Course를 개발하여 국내의 공과대학생들이 자유롭게 수강하고 학점을 취득할 수 있게 한다. 한국공학교육학회가 MOOC를 개발하여 운영하는 것도 한 방법이다.

셋째로는 공과대학 교수들이 비판적 사고 교육의 필요성을 확신하게 하는 것이다. 그리하여 비판적 사고 교과목을 선택필수로 격상 시키고 수강 지도 시 적극 추천하도록 한다.

V. 요약

4차 산업혁명 시대에는 사물 인터넷을 통하여 수집된 빅 테이터와 똑똑한 인공지능으로 이루어진 사이버시스템에서 문제의 해답을 구한다. 즉 문제해결 방식이 과거의 하드웨어식 문제해결에서 소프트웨어식 문제해결로 큰 변화가 이루어지고 있다. 따라서 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 우리나라의 산업을 이끌어갈 공학도에 대한 교육 개혁이 시급하다.

본고에서는 공학교육의 개선책으로 소프트웨어 중심 問題解決 교육, 批判的 思考 교육, 問題 發掘能力 교육을 제안 하였다. 이상과 같은 교육 개선이 이루어지려면 교수들의 교육 개선 의지가 절대적으로 필요하고 정부와 산업체의 지원이 뒤 따라야 한다.

끝으로 본고 작성에 자료를 제공해 주신 경북대의 김동훈 교수, 부산대의 박관수 교수, 서울대의 김용권 교수, 성균관대의 나완수 교수에 감사의 마음을 전합니다.

본 원고는 대한민국학술원통신 281호(2016년 12월 발행)에 게재된 원고임을 밝힙니다