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한국지구과학회> 한국지구과학회지> 중학생을 위한 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램의 개발 및 효과 분석

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중학생을 위한 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램의 개발 및 효과 분석

Developing Systems Thinking-based STEAM Programs and Analyzing its Effects on Middle School Students

김유란 ( Yuran Kim ) , 전재돈 ( Jaedon Jeon ) , 엄주영 ( Jooyoung Eom ) , 이효녕 ( Hyonyong Lee )
  • : 한국지구과학회
  • : 한국지구과학회지 41권1호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 02월
  • : 75-91(17pages)
한국지구과학회지

DOI


목차

서 론
연구 방법
연구 결과
결론 및 제언
References
시스템 사고 능력 검사지

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초록 보기

이 연구의 목적은 중학생을 위한 시스템 사고 향상에 적합한 사전 교육 및 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 중학생에게 적용하여 프로그램의 효과를 분석하는 것이다. 이 연구는 중학생을 대상으로 시스템 사고에 대한 사전 교육 프로그램과 시스템 사고를 향상시키기 위한 STEAM 교육 프로그램을 개발하는 것이다. 개발된 프로그램은 경상북도에 위치한 소규모 중학교 1학년 4명, 3학년 4명을 대상으로 투입하여 효과를 분석하였다. 시스템 사고의 분석은 Hung(2008)에 의해 개발된 루브릭이 활용되었다. 학생들의 시스템 사고에 대한 신뢰도와 루브릭의 타당도를 확인하기 위해 전문가들이 연구 결과를 검토하였다. 시스템 사고의 효과를 확인하기 위해 루브릭, 시스템 사고에 대한 학생들의 인지, 단어 간 관계 분석, 인과 지도의 검사를 체계적으로 적용하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 시스템 사고사전 교육 프로그램과 교사용 지도서를 개발하였다. 이는 학생의 시스템 사고에 대한 개념과 인과 지도 작성법에 대한 기초 지식을 학습시키기 위한 것이다. 개발된 사전 교육 프로그램은 ‘지구 온난화’를 주제로 한 무한도전이라는 친숙한 예능 프로그램을 이용하여 인과 지도 작성 방법을 학습하도록 구성되었다. 사전 교육프로그램은 대상 학생들이 친숙하게 접근할 수 있도록 지구 온난화를 주제로 한 예능 프로그램을 기반으로 하였으며, 이를 통해 인과 지도 작성 방법을 학습할 수 있도록 구성하였다. 효과성 검사를 적용한 결과, 학생들의 시스템 사고 향상을 위한 사전 교육 프로그램은 효과적인 것으로 분석되었다. 둘째, ‘분석-설계-제작-평가-시스템 사고’의 5단계로 구성된 ADBAS 모형을 적용하여 ‘공기 소화기’ 주제의 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 시스템의 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력에 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 개발된 사전 교육 프로그램 및 STEAM 교육 프로그램은 학생의 시스템 사고 향상을 돕는데 적합하며, 시스템 사고와 STEAM 교육의 접목이라는 점에서 중요한 의미를 가진다. 또한 시스템 사고 향상을 위해 이 프로그램을 투입하기에 적절한 것으로 판단되어 ‘창의융합인재’를 양성하는데 기여할 것이다. 또한 시스템 사고 향상을 위한 위 프로그램의 적절한 투입은 창의융합형 인재를 양성하는 교육 목표를 달성하는 데 있어 기여를 할 것으로 판단된다.
The purposes of this study are 1) to develop a pre-education program for teaching the basic concepts of systems thinking and STEAM program based on systems thinking and 2) to investigate the effects of the program on middle school students’ systems thinking. The subjects were 4 seventh-graders and 4 ninth-graders in a middle school located in the province of Gyeongsangbuk-do. Data related to students’ systems thinking was analyzed using the rubrics developed by Hung(2008). The results were reviewed by experts to verify the validity of the rubrics and the reliability of students’ system thinking. In addition, the data analyzed with the rubrics, students’ awareness of systems thinking, word associations, causal maps and interviews were systematically analyzed to investigate the effects of the program on students’ systems thinking. The findings of this study were as follows: First, a pre-education program and teachers’ guidebook for teaching and learning the concept of systems thinking and causal maps were developed. The pre-education program consisted of familiar TV entertainment program-Infinite Challenge (Muhandojeon)-with a theme of Global Warming. Second, a STEAM education program based on systems thinking which was composed of 5 steps: Analysis- Design-Build-Assessment-Systems thinking. The major theme of the program was an air extinguisher. The developed STEAM education program had positive effects on improving middle school students’ systems thinking abilities such as understanding systems, relations within a system and system generalization. Therefore, it was concluded that the STEAM program could be instrumental for cultivating students’ STEAM literacy with improved systems thinking.

UCI(KEPA)

I410-ECN-0102-2021-400-000441823

간행물정보

  • : 자연과학분야  > 지질
  • : KCI등재
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  • : 격월
  • : 1225-6692
  • : 2287-4518
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1979-2021
  • : 2176


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42권5호(2021년 10월) 수록논문
최근 권호 논문
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12020년 3월 18일-20일 영동지역 강풍 사례 연구

저자 : 안보영 ( Bo-yeong Ahn ) , 김유준 ( Yoo-jun Kim ) , 김백조 ( Baek-jo Kim ) , 이용희 ( Yong-hee Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 479-495 (17 pages)

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본 연구는 2020년 3월 18일부터 20일까지 영동지역에 강풍이 발생했던 사례(남고북저형, 대류권계면 접힘에 의해 급격하게 발달하는 저기압)의 종관 및 열역학적/운동학적특성을 조사하기 위해 AWS 관측 자료, 종관 일기도, ECMWF 재분석 자료, 레윈존데, 윈드프로파일러 자료를 이용하였다. 분석결과, 사례 기간 영동지역 5개소에서 관측된 최대 순간 풍속은 20 m s-1 이상으로 나타났으며 대관령(27.7 m s-1)에서 가장 강하게 나타났다. 종관분석에서는 남고북저형의 기압배치와 함께 영동지역으로 등압선의 모양이 사인(sin)파 형태를 보이며 강한 기압경도력에 의해 강풍이 발달하다가 3월 19일부터는 한반도 북부지역에서 하루 내에 19 hPa 이상의 기압 하강과 함께 발달하는 저기압에 의해 지속적인 강풍이 발달했다. 북강릉 단열선도에서 역전층의 고도는 하층 강풍대와 함께 산 정상의 약 1-3 km 고도에 위치하였고, 레윈존데 및 수직 측풍 장비(윈드프로파일러)의 연직 바람장 분석 결과와 일치함을 확인할 수 있었다. 특히 열역학적 및 운동학적 연직 분석에서, 하층에서 온위의 연직 경도에 의한 강한 바람과 대류권계면 접힘에 의한 위치 소용돌이도의 발달이 영동지역 강풍 발생에 큰 역할을 한 것으로 사료된다.


This study investigates the synoptic (patterns of southern highs, northern lows, and lows rapidly developed by tropopause folding), thermodynamic, and kinematic characteristics of a strong wind that occurred in the Yeongdong region of South Korea on March 18-20, 2020. To do so, we analyzed data from an automatic weather station (AWS), weather charts, the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis, rawinsonde, and windprofiler radars. The daily maximum instantaneous wind speed, exceeding 20 m s-1, was observed at five weather stations during the analysis period. The strongest instantaneous wind speed (27.7 m s-1) appeared in the Daegwallyeong area. According to the analysis of weather charts, along with the arrangement of the north-south low-pressure line, the isobars were moved to the Yeongdong area. It showed a sine wave shape, and a strong wind developed owing to the strong pressure gradient. On March 19, in the northern part of the Korean Peninsula, with a drop in atmospheric pressure of 19 hPa or more within one day, a continuous strong wind was developed by the synoptic structure of the developing polar low. In the adiabatic chart observed in Bukgangneung, the altitude of the inversion layer was located at an altitude of approximately 1-3 km above the mountaintop, along with the maximum wind speed. We confirmed that this is consistent with the results of the vertical wind field analysis of the rawinsonde and windprofiler data. In particular, based on the thermodynamic and kinematic vertical analyses, we suggest that strong winds due to the vertical gradient of potential temperature in the lower layer and the development of potential vorticity due to tropopause folding play a significant role in the occurrence of strong winds in the Yeongdong region.

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2라디오존데 고층관측자료를 활용한 한반도 남해안 지역의 2019년도 여름철 대기 안정도 특성 분석

저자 : 신승숙 ( Seungsook Shin ) , 황성은 ( Sung-eun Hwang ) , 이영태 ( Young-tae Lee ) , 김병택 ( Byung-taek Kim ) , 김기훈 ( Ki-hoon Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 496-503 (8 pages)

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한반도 남해안 지역의 여름철 대기 안정도 특성을 분석함으로써, 한반도 특성에 맞는 강수 예측을 위한 대기 안정도 지수의 정량적인 임계값을 도출하고자 하였다. 보성 표준기상관측소에서 관측한 2019년도 여름철 라디오존데 집중관측자료를 분석에 사용하였으며, 총 관측자료는 243개 이다. 강수 유무 및 중규모 대기 현상에 대한 대기 안정도를 분석하기 위해서, 대류가용잠재에너지(Convective Available Potential Energy, CAPE)와 폭풍지수(Storm Relative Helicity, SRH)를 비교하였으며 특히 SRH 분석은 고도 별로 총 4개의 층으로(0-1, 0-3, 0-6, 0-10 km) 세분화하였다. 강수 유무에 따른 분석은 강수가 없는 경우, 강수발생 전 12시간, 강수 발생 시로 구분하여 수행하였다. 그 결과, 2019년도 보성에서 발생한 여름철 강수 예측에는 CAPE 보다 SRH가 더 적합하며 0-6 km SRH가 약한 토네이도가 발생 가능한 기준과 같은 150 ㎡ s-2 이상일 경우 강수가 발생한 것으로 분석 된다. 또한, 장마와 태풍 기간의 대기 안정도를 분석한 결과를 보면, 일반적으로 SRH는 대기 깊이가 두꺼워 질수록 값이 커지는 데 반해서 0-10 km SRH 평균값보다 0-6 km 의 SRH 값이 더 크게 나타났다. 따라서, 2019년도 보성에서 발생한 태풍에 의한 강수를 판별하는 데는 0-6 km 의 SRH 값이 더 효과적이라고 할 수 있다.


By analyzing the characteristics of atmospheric stability in the southern coastal region of the Korean Peninsula in the summer of 2019, a quantitative threshold of atmospheric instability indices was derived for predicting rainfall events in the Korean Peninsula. For this analysis, we used data from all of the 243 radiosonde intensive observations recorded at the Boseong Standard Weather Observatory (BSWO) in the summer of 2019. To analyze the atmospheric stability of rain events and mesoscale atmospheric phenomena, convective available potential energy (CAPE) and storm relative helicity (SRH) were calculated and compared. In particular, SRH analysis was divided into four levels based on the depth of the atmosphere (0-1, 0-3, 0-6, and 0-10 km). The rain events were categorized into three cases: that of no rain, that of 12 h before the rain, and that of rain. The results showed that SRH was more suitable than CAPE for the prediction of the rainfall events in Boseong during the summer of 2019, and that the rainfall events occurred when the 0-6 km SRH was 150 ㎡ s-2 or more, which is the same standard as that for a possible weak tornado. In addition, the results of the atmospheric stability analysis during the Changma, which is the rainy period in the Korean Peninsula during the summer and typhoon seasons, showed that the 0-6 km SRH was larger than the mean value of the 0-10 km SRH, whereas SRH generally increased as the depth of the atmosphere increased. Therefore, it can be said that the 0-6 km SRH was more effective in determining the rainfall events caused by typhoons in Boseong in the summer of 2019.

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3보성 표준기상관측소자료를 활용한 국지예보모델 대기경계층 유형 비교 연구

저자 : 황성은 ( Sung Eun Hwang ) , 김병택 ( Byeong-taek Kim ) , 이영태 ( Young Tae Lee ) , 신승숙 ( Seung Sook Shin ) , 김기훈 ( Ki Hoon Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 504-513 (10 pages)

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대한민국 기상청에서 사용하고 있는 UM (Unified Model, UM) 모델의 국지예측시스템(Local Data Assimilation and Prediction System, LDAPS)은 수치모델 모의 시 대기경계층 유형에 따라 물리과정을 다르게 계산하기 때문에 이 과정을 검증하는 것은 모델의 정확도 향상에 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 수치모델의 대기경계층 유형을 관측자료를 기반으로 검증하였다. 관측자료를 기반으로 대기경계층 유형을 분류하기 위해서 보성 표준기상관측소에서 수행한 여름철 집중관측자료(라디오존데, 플럭스관측장비, 도플러 라이다, 운고계)를 활용하였으며, 2019년 6월 18일 부터 8월 17일 까지 61일 동안에 총 201회의 관측자료를 분석하였다. 또한 관측자료와 수치모델 결과가 다른 경우를 보면, 관측자료를 기반으로 한 대기경계층 유형 분류 결과에서 2유형으로 분류되는 사례가 수치모델에서는 1유형으로 분류된 사례가 53회로 가장 많이 나타났다. 그 다음으로는 관측자료를 기반으로 한 대기경계층 유형 분류 결과에서 5유형과 6유형으로 분류되는 사례가 수치모델에서는 3유형으로 분류된 사례가 많이 나타났다(각각 24회, 15회). 관측결과와 수치모델 모의 결과가 일치하지 않은 사례는 모두 층적운 접합 여부 및 적운 모의 등 수치모델의 구름물리 부분의 모의 성능에 기인하여 발생한 것이라고 분석된다. 따라서, 대기경계층 유형 분류의 구름물리과정의 모의 정확도를 개선하면 수치모델 성능이 향상 될 것으로 판단된다.


Different physical processes, according to the atmospheric boundary layer types, were used in the Local Data Assimilation and Prediction System (LDAPS) of the Unified Model (UM) used by the Korea Meteorological Administration (KMA). Therefore, it is important to verify the atmospheric boundary layer types in the numerical model to improve the accuracy of the models performance. In this study, the atmospheric boundary layer types were verified using observational data. To classify the atmospheric boundary layer types, summer intensive observation data from radiosonde, flux observation instruments, Doppler wind Light Detection and Ranging(LIDAR) and ceilometer were used. A total number of 201 observation data points were analyzed over the course 61 days from June 18 to August 17, 2019. The most frequent types of differences between LDAPS and observed data were type 1 in LDAPS and type 2 in observed(each 53 times). And type 3 difference was observed in LDAPS and type 5 and 6 were observed 24 and 15 times, respectively. It was because of the simulation performance of the Cloud Physics such as that associated with the simulation of decoupled stratocumulus and cumulus cloud. Therefore, to improve the numerical model, cloud physics aspects should be considered in the atmospheric boundary layer type classification.

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4고창 지점의 강수량계 설치 환경에 따른 겨울철 강수량 관측 특성 분석

저자 : 김병택 ( Byeong Taek Kim ) , 황성은 ( Sung Eun Hwang ) , 이영태 ( Young Tae Lee ) , 신승숙 ( Seung Sook Shin ) , 김기훈 ( Ki Hoon Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 514-523 (10 pages)

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고창 표준기상관측소(Gochang Standard Weather Observatory, GSWO)에서 3년간(2014-2016년) 관측한 겨울철 강수량 자료를 사용하여 겨울철 관측환경에 따른 강수량 관측 특성을 분석하였다. 이를 위해, 설치환경이 다른 강수량계 4종인 NS(No Shield), SA(Single Alter), DFIR(Double Fence Intercomparison Reference), PG(Pit Gauge)를 사용하여, DFIR을 기준으로 누적 강수량 차이, 강수 유형별 특성, 풍속 변화에 따른 수집효율을 분석하였다. 강수 유형은 고창 종관기상관측장비(Automated Synoptic Observing System, ASOS)의 기온 관측 자료를 사용하여 강우, 혼합 강수, 강설로 분류하여 분석하였다. 겨울철 누적 강수량은 SA, NS, PG 순으로 DFIR과 유사하게 나타났으며, 통계 분석 결과에서는 SA가 DFIR과 가장 유사한 결과를 보였다. 결과적으로, 겨울철 강수량 관측에서는 SA가 기준 강수량계와 가장 유사하게 관측되었으며, PG는 겨울철 관측에 적합하지 않은 것으로 분석된다.


Using the precipitation data observed at the Gochang Standard Weather Observatory (GSWO) during the winter seasons from 2014 to 2016, we analyzed the precipitation characteristics of the winter observation environment. For this study, we used four different types of precipitation gauges, i.e., No Shield (NS), Single Alter (SA), Double Fence Intercomparison Reference (DFIR), and Pit Gauge (PG). We analyzed the data from each to find differences in the accumulated precipitation, characteristics of the precipitation type, and the catch efficiency according to the wind speed based on the DFIR. We then classified these into three precipitation types, i.e., rain, mixed precipitation, and snow, according to temperature data from Gochang's Automated Synoptic Observing System (ASOS). We considered the DFIR to be the standard precipitation gauge for our analysis and the cumulative winter precipitation recorded by each other gauge compared to the DFIR data in the following order (from the most to least similar): SA, NS, and PG. As such, we find that the SA gauge is the most accurate when compared to the standard precipitation gauge used (DFIR), and the PG system is inappropriate for winter observations.

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5인공위성 고도계와 이어도 해양과학기지 관측 자료를 활용한 유의파고 극값 추정 기법 비교

저자 : 우혜진 ( Hye-jin Woo ) , 박경애 ( Kyung-ae Park ) , 변도성 ( Do-seung Byun ) , 정광영 ( Kwang-yeong Jeong ) , 이은일 ( Eun-il Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 524-535 (12 pages)

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급격한 기후 변화와 해양 온난화에 의해 지난 수십 년 동안 파고의 변동성이 증가하였다. 상위 1% (또는 5%) 파고와 같은 극한 파고는 국지적인 해역 뿐만 아니라 전 지구 대양에서도 평균 파고에 비해 현저하게 증가하였다. 1991년부터 인공위성 고도계를 활용하여 유의파고를 지속적으로 관측하고 있으며 통계적 기법을 기반으로 100년 빈도 유의파고를 추정하기에 비교적 충분한 자료가 축적되었다. 이어도 해양과학기지에서 유의파고 극값을 추정하기 위하여 2005년부터 2016년까지 위성 고도계 자료를 활용하였다. 대표적인 극값 분석 방법인 Initial distribution Method (IDM)와 Peak over Threshold (PoT)를 위성 도고계 유의파고 관측 자료에 적용하고 이어도 해양과학기지에서 관측된 실측 자료와 비교하였다. 이어도 해양과학기 관측 자료에 IDM과 PoT 기법을 적용하여 추정된 100년 빈도 유의파고는 각각 8.17 m와 14.11 m이며, 인공위성 고도계 관측 자료를 활용하였을 때는 각각 9.21 m와 16.49 m이었다. 관측 최대값과의 비교 분석에서 IDM을 활용한 분석은 유의파고 극값을 과소추정 하는 경향을 보였다. 이는 IDM 보다 PoT 기법이 유의파고의 극값을 적절하게 추정하고 있음을 의미한다. PoT 기법의 우수성은 높은 유의파고가 발생하는 태풍의 영향을 받는 이어도 해양과학기지 실측 자료를 활용한 결과에서도 증명되었다. 또한 PoT 기법으로 추정된 유의파고 극값의 안정성은 고도계 자료의 감소에 따라 저하될 수 있음을 확인하였다. 인공위성 고도계 자료를 활용하여 유의파고 극값 추정시 발생할 수 있는 한계점과 인공위성 자료를 검증할 수 있는 자료로써 이어도 해양과학기지 관측 자료의 중요성에 대하여 논의하였다.


Rapid climate change and oceanic warming have increased the variability of oceanic wave heights over the past several decades. In addition, the extreme wave heights, such as the upper 1% (or 5%) wave heights, have increased more than the heights of the normal waves. This is true for waves both in global oceans as well as in local seas. Satellite altimeters have consistently observed significant wave heights (SWHs) since 1991, and sufficient SWH data have been accumulated to investigate 100-year return period SWH values based on statistical approaches. Satellite altimeter data were used to estimate the extreme SWHs at the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the period from 2005 to 2016. Two representative extreme value analysis (EVA) methods, the Initial Distribution Method (IDM) and Peak over Threshold (PoT) analysis, were applied for SWH measurements from satellite altimeter data and compared with the in situ measurements observed at the IORS. The 100-year return period SWH values estimated by IDM and PoT analysis using IORS measurements were 8.17 and 14.11 m, respectively, and those using satellite altimeter data were 9.21 and 16.49 m, respectively. When compared with the maximum value, the IDM method tended to underestimate the extreme SWH. This result suggests that the extreme SWHs could be reasonably estimated by the PoT method better than by the IDM method. The superiority of the PoT method was supported by the results of the in situ measurements at the IORS, which is affected by typhoons with extreme SWH events. It was also confirmed that the stability of the extreme SWH estimated using the PoT method may decline with a decrease in the quantity of the altimeter data used. Furthermore, this study discusses potential limitations in estimating extreme SWHs using satellite altimeter data, and emphasizes the importance of SWH measurements from the IORS as reference data in the East China Sea to verify satellite altimeter data.

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6한반도 연안해역에서 인공위성 산란계(MetOp-A/B ASCAT) 해상풍 검증

저자 : 곽병대 ( Byeong-dae Kwak ) , 박경애 ( Kyung-ae Park ) , 우혜진 ( Hye-jin Woo ) , 김희영 ( Hee-young Kim ) , 홍성은 ( Sung-eun Hong ) , 손은하 ( Eun-ha Sohn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 536-555 (20 pages)

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해상풍은 해양의 표층 해류 및 순환, 혼합층, 열속의 변화를 주도하며 해양-대기 상호작용을 이해할 수 있는 중요한 변수이다. 인공위성의 발달에 따라 산란계 관측 자료를 기반으로 산출한 해상풍은 여러 목적으로 광범위하게 사용되어 왔다. 한반도 연안과 같은 복잡한 해양 환경에서 산란계 관측 해상풍은 해양 및 대기 현상 이해에 중요한 요소이다. 따라서 위성 해상풍의 정확도 검증 결과가 다양한 활용을 위하여 중요하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 산란계인 MetOp-A/B (METeorological OPerational satellite-A/B)에 탑재된 ASCAT (Advanced SCATterometer) 해상풍 자료를 한반도 주변의 16개 지점에서 2020년 1월부터 12월까지 실측된 해양기상부이 해상풍 자료와 비교하여 해상풍의 정확도를 검증하였다. 해수면으로부터 4-5 m 고도에서 관측된 부이 바람은 LKB (Liu-Katsaros-Businger) 모델을 활용하여 10 m의 중립 바람으로 변환하였다. 일치점 생산 과정 결과 MetOp-A와 MetOp-B에 대하여 5,544개와 10,051개의 일치점을 만들었다. 각 위성 해상풍 풍속의 평균제곱근오차는 1.36 m s-1와 1.28 m s-1, 편차는 0.44 m s-1와 0.65 m s-1로 나타났다. 산란계의 풍향은 MetOp-A와 MetOp-B에서 각각 -8.03°와 -6.97°의 음의 편차와 32.46°와 36.06°의 평균제곱근오차를 보였다. 이러한 오차들은 해양-대기 경계층 내의 성층과 역학과 관련된 것으로 추정된다. 한반도 주변 해역에서 산란계 해상풍은 특히 풍속이 약한 구간에서 실측 풍속보다 과대추정되었다. 또한 연안으로부터의 거리가 가까워질수록 오차가 증폭되는 특성이 나타났다. 본 연구 결과는 산란계 해상풍 자료를 이용하는 해양-대기 상호작용 및 태풍 연구와 같은 한반도 연안 해역의 예측 모델 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


Sea-surface wind is an important variable in ocean-atmosphere interactions, leading to the changes in ocean surface currents and circulation, mixed layers, and heat flux. With the development of satellite technology, sea-surface winds data retrieved from scatterometer observation data have been used for various purposes. In a complex marine environment such as the Korean Peninsula coast, scatterometer-observed sea-surface wind is an important factor for analyzing ocean and atmospheric phenomena. Therefore, the validation results of wind accuracy can be used for diverse applications. In this study, the sea-surface winds derived from ASCAT (Advanced SCATterometer) mounted on MetOp-A/B (METeorological Operational Satellite-A/B) were validated compared to in-situ wind measurements at 16 marine buoy stations around the Korean Peninsula from January to December 2020. The buoy winds measured at a height of 4-5 m from the sea surface were converted to 10-m neutral winds using the LKB (Liu-Katsaros-Businger) model. The matchup procedure produced 5,544 and 10,051 collocation points for MetOp-A and MetOp-B, respectively. The root mean square errors (RMSE) were 1.36 and 1.28 m s-1 , and bias errors amounted to 0.44 and 0.65 m s-1 for MetOp-A and MetOp-B, respectively. The wind directions of both scatterometers exhibited negative biases of -8.03° and -6.97° and RMSE values of 32.46° and 36.06° for MetOp-A and MetOp-B, respectively. These errors were likely associated with the stratification and dynamics of the marine-atmospheric boundary layer. In the seas around the Korean Peninsula, the sea-surface winds of the ASCAT tended to be more overestimated than the in-situ wind speeds, particularly at weak wind speeds. In addition, the closer the distance from the coast, the more the amplification of error. The present results could contribute to the development of a prediction model as improved input data and the understanding of air-sea interaction and impact of typhoons in the coastal regions around the Korean Peninsula.

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7Characterization of Groundwater Chemistry and Fluoride in Groundwater Quality Monitoring Network of Korea

저자 : Jiwon Han

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 556-570 (15 pages)

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This study presents the data analysis results of groundwater chemistry and the occurrence of fluoride in groundwater obtained from the groundwater quality monitoring network of Korea. The groundwater data were collected from the National Groundwater Information Center and censored for erratic values and charge balance (±10%). From the geochemical graphs and various ionic ratios, it was observed that the Ca-HCO3 type was predominant in Korean groundwater. In addition, water-rock interaction was identified as a key chemical process controlling groundwater chemistry, while precipitation and evaporation were found to be less important. According to a non-parametric trend test, at p=0.05, the concentration of fluoride in groundwater did not increase significantly and only 4.3% of the total groundwater exceeded the Korean drinking water standard of 1.5 mg/L. However, student t-tests revealed that the fluoride concentrations were closely associated with the lithologies of tuff, granite porphyry, and metamorphic rocks showing distinctively high levels. This study enhances our understanding of groundwater chemical composition and major controlling factors of fluoride occurrence and distribution in Korean groundwater.

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8야외 지질 답사에서 중학생들의 암석 관찰 특성

저자 : 강현지 ( Hyeonji Kang ) , 신동희 ( Donghee Shin )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 571-587 (17 pages)

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본 연구는 귀추가 적용된 야외 지질 답사에서 중학생들의 관찰을 통한 문제 인식과 단서 포착 과정을 조사했다. 이를 위해 진단 평가, 야외 지질 답사, 답사 정리 순서로 진행되는 8회에 걸친 프로그램을 개발하여 중학교 1학년 학생 6명에게 적용했다. 야외 지질 답사는 2회로 자료 제공, 관찰, 규칙 생성, 가설 생성, 최종 가설 발표 순서로 진행됐다. 연구 자료로 야외 지질 답사 수업 녹음 및 녹화 자료, 학생 활동지 등이 수집되어 질적으로 분석됐다. 분석 결과, 야외 지질 답사 수행에서 세 가지 관찰 양상이 나타났다. 첫째, 관찰한 후 단서로 활용한 경우, 둘째, 관찰한 후 단서로 활용하지 않은 경우, 셋째, 관찰하지 못해 단서로 활용하지 않은 경우 등이다. 각각은 단서의 지질학적 중요도, 주목도, 단서의 종류, 관찰 특징(주목도 요소), 단서 활용 내용, 단서 버림 이유 등으로 구분할 수 있다. 이러한 결과를 종합해 각 양상에 해당하는 교육적 적용 방안을 모색하여 제시했다.


This study aims to investigate the problem recognition and clue capture processes of the observation stage in a geological field trip using abductive inquiry. To this end, eight outdoor geological programs were developed in the order of diagnostic evaluation, outdoor geological fieldwork, and review. Six middle-school students participated in these programs The geological field trip was conducted twice, followed by data provision, observation, rule generation, hypothesis generation, and final hypothesis presentation. Outdoor geological fieldwork recordings and student activity sheets were collected and analyzed qualitatively. From these data, three aspects of student observations emerged during the geological fieldwork: The characteristics of each pattern were subdivided into the geological importance of the clues, attention, type of clues, observation characteristics (attention factor), clue utilization, and clue deletion. Here, by combining these results, we propose educational applications that correspond to each aspect.

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9Self-Study Journey from a Novice to an Expert for Computational Thinking Practices

저자 : James Green , Young-shin Park

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 588-603 (16 pages)

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This study details a researcher's self-study journey in advancing from a computational thinking (CT) novice to an expert. The researcher went through a four-stage process, with a preliminary literature review preceding the four stages. From the literature review, the computational thinking analysis (CT_AT) tool was developed for use in stage one to analyze science, technology, engineering, art, and mathematic (STEAM) modules. Although no discernable patterns were found in analyzing the five science and five engineering-based modules, the analysis revealed which CT practices were missing or weakly exposed. In stage two activities were suggested to promote these missing or weakly exposed practices. Stage three required the researcher to develop his own STEAM module from the viewpoint of exposing students to CT. The fourth stage was to validate the CT_AT through interviews with pre-service and in-service teachers. These interviews led to changes in the CT_AT tool and, as a result, the researcher produced a guidebook that could be used by teachers in their own CT studies. This guidebook can be used by teachers to develop and become competent in CT skills.

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1눈송이의 크기와 질량 관계가 지표 강수 모의에 미치는 영향

저자 : 임교선 ( Kyo-sun Sunny Lim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 1-18 (18 pages)

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본 논문은 기상 모델의 미세구름물리 모수화 과정 내의 눈송이의 질량-크기 관계가 지표 강수 모의에 미치는 영향에 대해 연구에 관한 것이다. WDM6와 WSM6 미세구름물리 모수화 방안이 연구를 위해 사용되었다. 실제 관측된 자료를 바탕으로 산출된 Thompson의 눈송이의 질량-크기 관계를 도입하여 WDM6와 WSM6 내의 눈송이의 질량-크기 관계식을 대체하였다. 이상적인 스콜선과 한반도 겨울철 강수 사례에 대해 수정된 WDM6와 WSM6를 사용하여 민감도 실험을 실시하였다. 결과적으로, 대기 하층에서는 싸락눈과 빗방울의 혼합비가 증가하였고 눈송이의 혼합비는 감소하였다. 이러한 혼합비와 지표 강수의 변화는 빗방울과 눈송이의 충돌 및 병합 과정과 싸락눈의 융해 과정에 기인한 것으로 분석되었다.

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2태풍 내습 시 자갈 해빈의 지형반응 - 부산 태종대 감지 해빈의 사례

저자 : 이영윤 ( Young Yun Lee ) , 장태수 ( Tae Soo Chang )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 19-30 (12 pages)

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자갈해빈에 대한 태풍의 영향력을 조사하기 위하여 태종대 감지 자갈해빈에서 2018년 10월에 내습한 태풍 '콩레이'와 2019년 7월의 태풍 '다나스'에 대하여 VRS-GPS, 드론 측량을 수행하였다. 감지해빈의 전반적인 퇴적물 분포를 파악하기 위해서 입도분석을 하였으며, 자갈해빈의 회복력을 확인하기 위해 주기적으로 감지해빈의 지형측량을 수행하였다. 감지해빈의 자갈퇴적물은 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 평균 -6.2Φ에서 -5.4Φ로 세립해지며, 해안선의 수직방향으로는 포말대(swash zone)에서 상대적으로 세립한 구형의 퇴적물(-4.5Φ)이, 범(berm)에서는 상대적으로 조립하고 편평한 퇴적물(-5Φ - -6Φ)이 나타난다. 감지 자갈해빈은 특징적으로 2열의 범을 갖는데, 해빈의 전방에 정상조건에서 형성되는 하부 범(lower berm)과 약 10 m 후방에 상부 범(upper berm)이 존재한다. 태풍 콩레이 내습 후 감지해빈은 육지 쪽에 위치한 상부 범에서 약 1.4 m의 침식이 발생하여 상부 범이 사라졌고, 상부 범의 배후지에서는 평균 약 50 cm 침식되어 그 고도가 낮아졌으나, 하부 범에서의 침식은 관찰되지 않았다. 한편 상대적으로 위력이 약한 태풍 다나스의 경우, 내습 직후 감지해빈은 하부 범과 상부 범에서 침식이 발생하여 평균 80 cm 높이의 퇴적물이 침식되었으나, 반면 배후지에서는 50 cm 높이의 퇴적이 확인되었다. 하지만 내습 후 하부 범에서 빠른 속도로 퇴적이 발생하여 내습 약 3일 내에 소실되었던 하부 범이 생성되었다. 이러한 결과는 감지 자갈해빈이 태풍에 의한 지형변화가 일시적으로 발생하지만, 이후 정상조건에서 태풍 이전의 지형으로 매우 빠르게 회복됨을 시사한다. 따라서 자갈해빈의 경우 태풍침식에 대한 복원력이 매우 뛰어나다고 평가된다.

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3Sentinel-1 위성의 영상 분류 기법을 이용한 백두산 천지의 얼음 면적 변화 탐지

저자 : 박성재 ( Sungjae Park ) , 엄진아 ( Jinah Eom ) , 고보균 ( Bokyun Ko ) , 박정원 ( Jeong-won Park ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 31-39 (9 pages)

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아시아에서 가장 큰 칼데라 호수인 천지는 해발 약 2250 m의 백두산 정상에 위치한다. 천지는 높은 해발고도 및 바다와 인접한 환경으로 인해 1년 중 6개월 정도가 눈과 얼음으로 뒤덮여 있다. 천지의 수원은 대부분 지하수로부터 유입되기 때문에 수온과 백두산의 화산활동이 밀접한 관련이 있다. 하지만 2000년대에 들어서며 백두산에 많은 화산활동이 관측되고 있다. 본 연구에서는 유럽우주국(European Space Agency: ESA)에서 제공하는 Sentinel-1 위성 영상자료를 활용하여 백두산의 겨울철 생성되는 얼음의 면적을 분석하였다. Sentinel-1 위성의 후방산란 영상에서 얼음의 면적을 산출하기 위해 질감 분석 기법을 활용하여 2개의 편파영상에서 20개의 Gray-Level Co-occurrence Matrix(GLCM) 레이어를 생성했다. 면적 산출에 사용된 방법은 GLCM 레이어를 Support Vector Machine (SVM) 알고리즘으로 분류하여 영상에서 얼음의 면적을 산출했다. 또한 산출된 면적은 삼지연 기상관측소에서 획득된 기온자료와 상관관계를 분석하였다. 본 연구는 본격적인 장기간의 시계열 분석에 앞서 얼음의 면적을 산출하는 새로운 방법에 대한 대안을 제시하는 근거로서 활용될 수 있을 것이다.

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4전북 서해안권 국가지질공원 지질명소 안내 표지판에 사용된 용어 분석

저자 : 신영준 ( Young-jun Shin ) , 조규성 ( Kyu-seong Cho )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 40-47 (8 pages)

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본 연구는 전북 서해안권 국가지질공원 지질명소의 안내 표지판에 기술된 용어를 분석하였다. 안내 표지판에 기술된 용어들 중 명사만을 추출하여 표준국어대사전, 지구과학 학술용어집, 2015개정 교육과정에 따른 교과용 도서 개발을 위한 편수 자료를 기준으로 등재 여부를 확인하여 8가지 유형으로 분류하였다. 추출된 용어 중 71개(10.8%)의 용어는 어느 용어집에도 등재되지 않은 [유형 8]에 해당하는 용어들이었다. 이 유형의 용어들은 대부분이 [명사]+[명사] 또는 [명사]+[접사]가 결합하여 파생된 합성어로 그 의미를 명확하게 해석하여 이해하기란 쉽지 않은 것으로 판단되었다. 또한 256개(46%)의 용어가 전문 분야에서 사용되는 전문 용어로 확인되었다. 따라서 국가지질공원 안내 표지판의 제작에 있어 일반인들과 학생들이 더 쉽게 읽고 이해할 수 있도록 전문 용어를 가급적 쉽게 풀어서 기술하고 전문 용어를 사용할 경우에는 용어에 대한 주석을 달아 부연 설명을 통해 충분한 교육적 효과를 얻을 수 있도록 해야 할 것이다.

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5집단중심 추세모형을 적용한 과학고등학교 학생들의 통합 탐구 기능 변화 분석

저자 : 이기영 ( Kiyoung Lee ) , 하민수 ( Minsu Ha ) , 박재용 ( Jaeyong Park )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 48-60 (13 pages)

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이 연구의 목적은 집단중심 추세모형을 적용하여 과학고 학생들이 탐구를 수행하는 과정에서 나타난 통합 탐구 기능 변화의 양상과 특징을 분석하는 것이다. 이를 위해 3개의 가설-연역적 탐구 과제를 이용하였으며, 이를 59명의 과학고 학생들에게 순차적으로 수행하게 하고 그 과정을 보고서로 작성하게 하였다. 작성된 보고서는 Lee and Park (2017)에 의해 개발된 평가 준거틀에 따라 통합 탐구 기능 4개 요소별로 평가하였으며, 이를 집단중심 추세모형에 적용하여 탐구 과제를 수행한 3개 시점에 따른 탐구 기능 수준의 변화 양상을 요소별로 분석하였다. 또한, 탐구 기능 변화에서 나타난 특징을 몇 가지 관점에서 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다: 첫째, 집단중심 추세모형을 적용하여 학생들의 통합 탐구 기능 변화 양상을 분석한 결과, 4개 요소 모두에서 2개 집단으로 분류되었으나 그 변화 양상은 요소별로 많은 차이가 있었다. 둘째, 학생들의 통합 탐구 기능 변화에서 나타난 특징을 분석한 결과, 탐구 기능의 맥락의존성, 탐구 기능 발달 경로의 변이성, 탐구 기능 요소별 수준의 들쭉날쭉성을 발견할 수 있었다. 연구 결과를 토대로 과학고 학생들의 통합 탐구 기능 발달을 위한 제언을 하였다.

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6과제 맥락에 따른 초등학생들의 암석 기술어(記述語)에 관한 연구

저자 : 오필석 ( Phil Seok Oh )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 61-74 (14 pages)

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본 연구의 목적은 두 가지 서로 다른 과제 맥락에서 학생들이 사용하는 암석 기술어를 비교하고 암석 학습에 적합한 과제의 특징을 밝히는 것이었다. 이를 위하여 24명의 초등학교 3학년 학생들에게 3가지 퇴적암에 관한 기술 과제와 추론 과제를 제시하고, 각 과제의 맥락에서 학생들이 사용한 암석 기술어를 학생의 개념에 관한 자원 기반 관점에 따라 분석하였다. 그 결과, 기술 과제에 비하여 추론 과제에서 일상적인 기술어를 사용하여 암석의 특징을 기술한 학생 수와 일상적인 기술어의 사용 빈도가 감소하였다. 또, 학문적으로 보다 적절한 기술어를 사용한 학생이 암석의 생성 과정에 대해서도 과학적으로 타당한 추론을 하는 것을 알 수 있었다. 반면, 과학적인 타당성이 부족한 추론들은 대개 일상적인 기술어를 사용하여 암석의 특징을 기술한 경우에 발견되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 지구과학의 본질적 특징에 적합한 암석 학습을 위해서는 추론적인 과제가 제시되어야 함을 논의하였다.

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7중학생을 위한 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램의 개발 및 효과 분석

저자 : 김유란 ( Yuran Kim ) , 전재돈 ( Jaedon Jeon ) , 엄주영 ( Jooyoung Eom ) , 이효녕 ( Hyonyong Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 75-91 (17 pages)

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이 연구의 목적은 중학생을 위한 시스템 사고 향상에 적합한 사전 교육 및 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 중학생에게 적용하여 프로그램의 효과를 분석하는 것이다. 이 연구는 중학생을 대상으로 시스템 사고에 대한 사전 교육 프로그램과 시스템 사고를 향상시키기 위한 STEAM 교육 프로그램을 개발하는 것이다. 개발된 프로그램은 경상북도에 위치한 소규모 중학교 1학년 4명, 3학년 4명을 대상으로 투입하여 효과를 분석하였다. 시스템 사고의 분석은 Hung(2008)에 의해 개발된 루브릭이 활용되었다. 학생들의 시스템 사고에 대한 신뢰도와 루브릭의 타당도를 확인하기 위해 전문가들이 연구 결과를 검토하였다. 시스템 사고의 효과를 확인하기 위해 루브릭, 시스템 사고에 대한 학생들의 인지, 단어 간 관계 분석, 인과 지도의 검사를 체계적으로 적용하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 시스템 사고사전 교육 프로그램과 교사용 지도서를 개발하였다. 이는 학생의 시스템 사고에 대한 개념과 인과 지도 작성법에 대한 기초 지식을 학습시키기 위한 것이다. 개발된 사전 교육 프로그램은 '지구 온난화'를 주제로 한 무한도전이라는 친숙한 예능 프로그램을 이용하여 인과 지도 작성 방법을 학습하도록 구성되었다. 사전 교육프로그램은 대상 학생들이 친숙하게 접근할 수 있도록 지구 온난화를 주제로 한 예능 프로그램을 기반으로 하였으며, 이를 통해 인과 지도 작성 방법을 학습할 수 있도록 구성하였다. 효과성 검사를 적용한 결과, 학생들의 시스템 사고 향상을 위한 사전 교육 프로그램은 효과적인 것으로 분석되었다. 둘째, '분석-설계-제작-평가-시스템 사고'의 5단계로 구성된 ADBAS 모형을 적용하여 '공기 소화기' 주제의 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 시스템의 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력에 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 개발된 사전 교육 프로그램 및 STEAM 교육 프로그램은 학생의 시스템 사고 향상을 돕는데 적합하며, 시스템 사고와 STEAM 교육의 접목이라는 점에서 중요한 의미를 가진다. 또한 시스템 사고 향상을 위해 이 프로그램을 투입하기에 적절한 것으로 판단되어 '창의융합인재'를 양성하는데 기여할 것이다. 또한 시스템 사고 향상을 위한 위 프로그램의 적절한 투입은 창의융합형 인재를 양성하는 교육 목표를 달성하는 데 있어 기여를 할 것으로 판단된다.

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