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고등학생도 두뇌와 뇌파 연구를 할 수 있는 공상과학소설 시대

고등학생도 두뇌와 뇌파 연구를 할 수 있는 공상과학소설 시대

By James H. Choi
http://Korean.SabioAcademy.com
원문출처

과학경시대회 연구 주제로도 유망

우주의 신비는 많지만 그 중 가장 신비한 것 중에 하나가 우리 모두 다 가지고 있고 하루 24시간 사용하고 있는 두뇌이다.  이집트 시대에는 두뇌의 기능이 무엇인지 몰라 미이라를 만들 때 두뇌는 빼서 버렸고 Aristotle은 두뇌가 피를 식혀주는 냉각장치로 생각했지만 이제는 두뇌가 생각을 하는 기관이라는 것을 누가나 다 알고 있다.

전에는 전쟁, 사고 등으로 두뇌의 일부분이 파괴가 되면 따라 오는 변화를 관찰하여 그 부분이 어떤 기능을 가지고 있었다는 것을 짐작했지만 이제는 측정 기기의 발달로 살아있는 두뇌의 내부를 안전하게 관찰하여 두뇌가 언제 무엇을 어떻게 하고 있는지 밝혀지기 시작 했다.

심지어는 두뇌의 어떤 부분이 종교에 관련되는지도 알게 되어 가고 있어서 현대에는 예뻐지기 위해 성형 수술을 받듯 장래에는 독실한 종교인이 되기 위해 두뇌 수술을 받는 시대가 도래할지도 모른다.

이렇듯 최근에 들어서야 신비가 밝혀지기 시작한 두뇌는 앞으로 무궁무진한 연구의 가능성을 가지고 있다.

살아있는 사람의 뇌 내부를 들여다 보고 활동을 측정할 수 있는 방법은 크게 나누어 MRI, CT, SPECT, PET, EEG 가 있다.  이중 SPECT와 PET는 방사능 물질을 주사해야 하는 필요가 있어 다급한 환자가 아니면 건강한 사람에게는 해서는 안되는 방법이다.  CT 역시 X-ray라서 반드시 필요하지 않으면 사용해서는 안되는 방법이다.

MRI는 자기장을 사용하기 때문에 인체에 안전한데 기계가 크고 수백만불을 호가 하여 고등학생들이 연구하기 위해 사용하기 적절치 않다.  EEG는 수 만 불을 호가 했지만 웬만한 신경학자의 진료실에 비치가 되어 있는 뇌파를 측정하는 기구이다.  EEG는 인간이 자연적으로 만들어 내는 뇌파를 측정하는 것이기 때문에 인체에 아무런 영향을 주지 않는 두뇌 기능 측정 방법이다.

한데 최근 이 몇 만 불의 EEG 측정 기계의 가격이 붕괴되면서 몇 백불의 기계가 등장하기 시작했다.  현재로는 장난감 같은 수준이고 이것으로 과학연구를 했다고 주장을 할 수는 없는데 그래도 뇌파를 제대로 측정할 수 있고 그 자료를 분석할 수 있기 때문에 그 측정 자료를 가지고 hypothesis를 생각하기에는 충분하고 첫 단계의 실험도 가능하다.  이 기계를 점검해 본 신경학자의 말씀으로는 이 몇 백 불의 뇌파 측정 기계로 무엇인가를 발견/발명 했으면 그 실험을 다시 의학계에서 인정하는 몇 만불 가격의 정식 뇌파 측정 기계에서 반복해서 입증을 하면 되니 염려말고 실험을 해 보라는 것이다.  아래 비디오는 그 몇 백불 대 가격의 기계 중의 하나의 작동 시범이다.  여기에서 구입할 수 있다.

위의 비디오의 6분 53초 부분을 보면 뇌파를 실시간으로 읽는 장면이 나오는데 보는 것도 신기하지만 더 신비한 것은 나도 내 사무실에 앉아 바로 같은 기구로 내 두뇌의 활동을 측정 하고 있는 것이다.  충격적인 것은 고등학생도 게임 머신의 가격으로 이 기계를 구입하여 자유자재로 사용할 수 있다는 것이다.  이 비디오에 나오는 두뇌의 각 부분의 활동 상태를 색상으로 보여주는 장면도 내가 사무실에 앉아 내 자신의 두뇌를 대상으로 수시로 해 보는 실험이다.  (내 두뇌의 활동이 별로 없다고 나와 더 활동이 나타날 때까지 한 없이 시도하고 있다.  측정을 반복할 때마다 “오기지수”만 올라가고 있다.)
https://i0.wp.com/c.sabio.tv/Column/Info/Korean/SpecialEvents/SpecialEvents.gif물론 뇌파를 읽는 다고 그 뜻을 이해할 수 있고 연구를 할 수 있는 것은 아니다.  나 자신도 자료는 자유 자재로 다루고 온 갓 그래프를 그려보지만 정작 의미는 몰라 신경학에 대해 배우고 있고 신경학자에게 자문을 받고 있다.  하지만 이런 기구가 나와 있고 소유도 할 수 있게 되었으니 앞으로 Brain Doctor 가 되겠다고 희망하는 학생이나 인간의 감정을 이해하는 소프트웨어를 만들겠다고 기염을 토하는 학생 모두 미래를 오늘부터 손에 넣어 만들어 가기 시작할 수 있는 것이다.

그리고 아직 시중에 나오지 않은 (사이트도 공개되지 않았다) 비슷한 가격의 실험 단계의 EEG 측정 기계도 있으니 앞으로 10년 후면 EEG를 측정하는 것은 체온을 측정하는 것 만큼 보편화가 되지 않을까도 생각된다.  (참고로 내가 기 기계의 Beta tester 가 되어 여러대를 기증 받아 내 연구 단계의 학생 마다 하나씩 이 기계를 가지고 있다.  조만간 두뇌의 기능을 측정하고 콘트롤까지 하는 실험을 시작하여 그 결과를 제작 회사에 알리고 연구 발표, 과학경시대호 진출도 시도 할 것이다.)

EEG 측정 기계의 가격은 싸졌지만 보편화는 되지 않은 이 과도기 10년 사이에 기회를 포착하여 이 신비한 두뇌의 연구를 하면 과학 경시대회 수상 가능성도 높지만 무엇 보다도 집에 앉아 첨단의 의학 연구를 할 기회가 생긴다는 꿈같은 동기부여의 기회를 포착하는 것이다.  아직 새로운 분야라 “수학을 잘 하는 학생의 뇌파의 특성”으로 시작하여 “이중 언어를 구사하는 학생의 두뇌의 차이”등 연구 주제의 가능성은 무궁무진하다.

혼자 이리 저리 연구를 해 보는 것은 물론 혼자 할 수 있지만 과학 경시대회에서 인정을 받는 두뇌 연구를 하고 싶은 학생은 주제 선택, 실험 방법 결정에 신경학자의 멘토링을 받아야 한다.  전혀 알지 못하는 신경학자에게 가서 멘토링을 부탁하면 성사될 가능성이 희박한데 연줄을 통해 하는 신경학자를 소개 받고 학생이 EEG machine을 소유하고 있고 직접 측정할 수 있다는 것을 강조하고 방문하여 자신의 기계로 측정하는 모습도 보여주고 (아직 이 기계에 대하 모르는 신경학자가 대부분이라 신기해 할 것이다) 멘토가 되어주십사 하고 간곡한 부탁하면 1. 이런 기계를 사용할 줄 아는 신통한 학생이고 2. 고등학생이 신경학에 도전한다는 것이 기특하고 3. 학생이 실험실 와서 기계 고장내지 않을 것이라는 안도감에 멘토링을 승락할 가능성이 5% 정도로는 올라 가리라 짐작된다.  5%라고 실망할 필요 없는 것이 스무명 찾아가 부탁하면 한군데가 나타난다는 뜻이니 7전8기가 아닌 19전20기의 투혼의 정신이 필요하다.

관심이 있는 학생을 위해 어떤 모델과 어떤 소프트 웨어를 구입해야 자신의 연구를 할 수 있는지는 8월 내로 뉴스레터로 보내드릴 것이다.  섣불리 구입하면 필요없는 기능을 비싸게 구입하거나 연구에 사용할 수 없는 싼 장난감을 구입하게 되니 제가 직접 실수를 해 보고 권하는 것으로 구입하시는 것이 가장 확실하겠다.   뉴스레터가 올 때까지 학생들은 사돈의 팔촌의 선후배까지 망을 넓혀 멘토링을 해 줄 신경학자를 물색해야 하겠다.

https://i0.wp.com/c.sabio.tv/Column/Info/Korean/Copyright.gif

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중고등학생이 할 수 있는 과학경시대회 주제

중고등학생이 할 수 있는 과학경시대회 주제

By James H. Choi
http://Korean.SabioAcademy.com
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이 사이트를 보시면

http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas.shtml?From=Tab

중고등학생이 할 수 있는 과학경시대회 주제가 분야별로 다양하고 상세하게 나와 있다.

주제의 수준도 아주 다양해서 5학년이 쉽게 할만한 연구도 있고 ISEF를 노릴만한 연구 주제도 있다.
https://i0.wp.com/c.sabio.tv/Column/Info/Korean/SpecialEvents/SpecialEvents.gif2003년도부터 지금까지 ISEF에 출전한 연구의 이름과 Abstract를 여기에서 볼 수 있다.

https://apps.societyforscience.org/abstracts/

그 중 어느 연구가 수상을 했는지는 여기에서 보실 수 있다.  Special Award와 Grand Award가 있는데 Grand Award가 더 인정을 받는 상 이다.

http://www.societyforscience.org/isef/results

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과학경시대회를 위한 수학연구 주제 소개

과학경시대회를 위한 수학연구 주제 소개

By James H. Choi
http://Korean.SabioAcademy.com
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(이 글의 영어 버젼)

질문: 과학경시대회에 수학분야도 있나요?

예.  모든 과학 경시대회를 보면 category중에 하나가 수학입니다.  과학경시대회에 출전하는 수학과 수학경시대회에 출전하는 수학은 다를까요?  예, 아주 다릅니다. 하지만 공통된 점도 많습니다.  수학경시대회 준비 훈련을 받은 학생들이 과학경시대회의 수학을 잘 할 가능성이 가장 높음으로 저는 수학경시대회 학생에게 과학 경시대회에 도전하는 것을 권합니다.

수학이란, 컴퓨터 사이언스나 유전자학에 비하면, 오래된 학문이고 역대로 천재들이 꼼꼼히 구석구석까지 다 연구해온 학문이라 쉬운 문제란 다 해결이 된 상태의 학문입니다. 따라서 하루 오후의 한가한 몽상으로 떠올릴 수 있는 기발난 아이디어는 이미 다 떠올랐고 교과서에 나와 있습니다.

하지만 이제는 새로운 도구가 생겼습니다. 수학에 컴퓨터를 사용하기 시작하는 것은 걸어 다니던 탐험가에게 헬리콥터를 제공하는 것과 마찬가지입니다. 전에는 엄두를 낼 수 없었던 멀고 높은 곳에 가 볼 수 있게 되지요.

질문: 실험수학이란 무엇입니까?

이런 컴퓨터의 힘으로 수의 세계를 탐험하는 수학의 새로운 분야를 실험수학이라고 부릅니다. 이 분야가 exciting한 이유는 비교적 새로운 분야이기 때문에 중고등학생도 기발난 아이디어를 생각해 내거나 프로들이 발견 못한 현상을 찾아낼 기회가 있기 때문입니다.

고등학생의 지식과 두뇌로 수학의 연구에 공헌을 한다는 것은 거의 불가능합니다. 하지만 컴퓨터를 사용하면 기존 문제를 해결하지는 못해도 새로운 문제를 창조해낼 수 있습니다. 즉, 몇 십년 몇 백년동안 답을 찾지 못한 수 많은 문제 들이 신 세대의 천재가 나타나 증명을 하여 해결해 줄 것을 기다리고 있지만 해결같은 것은 어려워서 못하고 대신 미래의 천재가 풀어야 할 문제만 더 쌓아놓는데 공헌할 수 있는 것입니다. (“내가 이런 어려운 문제를 만들어 놓지 않았다면 천재가 무슨수로 천재임을 증명했겠나… 다 내덕분에 천재도 있는거다….” 라고 주제에 큰소리 할 수 있습니다.)
https://i0.wp.com/c.sabio.tv/Column/Info/Korean/SpecialEvents/SpecialEvents.gif상당히 수학적으로 무책임한 행동이 되는데 실은 이런 수의 성질, 수의 세계에서 일어나는 현상을 발견하는 것이 수학입니다. (식당에 팁 계산하는 것은 산수입니다.)  그래서 이런 증명 못하는 문제를 발견하는 것으로 과학경시대회에서 입상까지 하게 됩니다.  과학에서 설명을 못 하더라도 현상을 발견하고 발견한 것이 무엇인지 연구하는 것 만으로도 과학자로 추앙 받는 것과 마찬가지입니다. (마담 큐리는 방사능을 발견 했지만 왜 발생하는지 몰랐습니다.)

질문: 어떤 주제를 연구할 수 있습니까?

왼 쪽에 보시는 표지는 “도가니로 사용되는 컴퓨터“(The computer as crucible)라는 책입니다.  이 책은 실험수학에 대한 역사와 개요를 잘 알려 줍니다.  이 실험수학에 관심을 가진 학생이 읽어야 하는 첫 책이기도 합니다.  각 챕터 끝마다 “탐험”이라고 하는 섹션 하에 유용한 연습문제들이 출제됩니다.

한데 이 연습문제는 연습문제이지 연구주제가 아닙니다.  연구주제를 찾는다면 Research Experience for All Learners 라는 책을 권합니다.  이 책의 대상은 대학생이지만 과학경시대회에 출전하는 학생은 이미 고등학교 수준의 연구를 하는 학생들이 아니라 이 수준이 적절합니다.  이 책은 제가 생각했던 모든 실험수학의 주제를 이미 다 포함하고 있을 뿐 아니라 제가 상상도 못했던 주제도 수록되어 있는 아이디어의 샘(fountain)입니다.  특히 각 주제마다 끝에 “Further Directions for Undergraduate Research”라고 된 부분에 나온 문제는 깊이 파고 들어가면 과학경시대회 수학분야의 입상감이 되는 정답은 없고 궁금증만 더 깊어지는 심오한 연구주제 입니다.

질문: 어디서 시작해야 할까요?

어떤 식으로 연구를 시작해야 할까요?  Experimental Mathematics 는 반드시 컴퓨터와 컴퓨터 언어를 사용합니다.  예를 들어 원주율 π에 나오는 수 중에 더 많이 나오는 수가 있을까요?  아니면 0부터 9까지의 수가 골고루 나올까요?  같은 의문을 혼자 생각해 내어 연구를 할 수 있습니다.  어떤 컴퓨터에 어떤 언어를 사용해도 이 연구를 할 수 있습니다. 하지만 그 중 Mathematica 언어가 수학적 기능이 가장 뛰어나고 수학 분야의 모든 개념을 다 이미 이해하고 있기 때문에 가장 적절합니다.

질문: 이런 연구를 가르치는 코스도 있나요?

제가 아는 바로는 고등학교 정규과정은 없습니다.  제가 Sabio Academy Research에서 가르치는 SR100, SR110을 수료하면 Research Experience for All Learners 책에 나오는 모든 연구 주제와 각 주제 끝에 나오는 “Further Research”를 직접 시도할 수 있게 됩니다. 제가 가르치는 Mathematica 코스는 컴퓨터 프로그래머를 만드는 것이 아니라 과학연구를 실행하는 능력을 기르는데 중점을 두고 가르칩니다.

질문: 누가 이런 연구를 할 수 있을까요?

이 분야는 수학경시대회의 훈련을 받은 학생들이 과학경시대회까지 침범해 들어가 영예를 차지하는데 적격입니다.  소위 머리는 좋지만 게으른 학생에게도 이상적인 연구 주제가 됩니다.  연구소에 갈 필요도 없고, 실험도구 씻지 않아도 되고, 수퍼바이저도 없고, 장비도 필요 없고…  컴퓨터만 한대 있으면 됩니다.  그리고 학생은 좋은 아이디어를 떠오르기만 하면 되고 실제 일은 컴퓨터가 다 해 줍니다.  이보다 더 편한 활동은 없습니다.

질문: 멘토(지도교사)는 반드시 있어야 합니까?

이 런 연구는 물론 혼자 할 수 있지만 엉뚱한 방향으로 밀고가다 몇 달 시간 낭비를 하는 불상사가 없기 위해서, 그리고 학생 혼자 생각 못할 수준의 경지까지 도달하기 위해서는 멘토의 지도를 받는 것이 현명합니다. 멘토는 학생이 정한 연구 분야의 전문가야 합니다.

저도 과학경시대회 준비하는 학생을 멘토 합니다이 분야가 제가 멘토할 수 있는 전문 분야 입니다.

학생들 모두 재미있는 주제를 선택하여 좋은 결과 얻기를 기원합니다.

https://i0.wp.com/c.sabio.tv/Column/Info/Korean/Copyright.gif

카테고리:연구주제선택
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