안녕하세요! 두부쌤
입니다~
입니다~ 오늘은 공학 계열 진학을 희망하는 학생을 위해 다양한 교과와 융합하여 진행할 수 있는 프로그래밍 탐구 주제들을 소개해 보려고 합니다.
입시 상담이나 교과에서 탐구 활동을 기획할 때 활용할 수 있도록 실제 합격생들의 자료들을 보며 괜찮은 주제들을 정리해 보았습니다.
이 주제들은 다양한 교과 지식과 연계하여 깊이 있는 탐구로 발전시킬 수 있는 내용을 포함하고 있습니다. 학생들에게 생기부 활동에 관한 조언을 하실 때, 주제 탐구 활동을 계획하실 때 등 여러 상황에서 참고하시면 좋을 것 같습니다~~^^
탐구 주제 목록
1.
확률 통계 및 시뮬레이션 응용
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‘확률 기반 시뮬레이션을 활용한 의사 결정 분석’
몬테카를로 시뮬레이션: 난수를 이용하여 복잡한 문제의 해를 근사적으로 찾는 기법. 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용해 불확실한 상황에서의 의사결정 과정을 수학적으로 분석하고 파이썬으로 시뮬레이션을 구현해 보는 활동입니다.
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‘감염병 확산 모델링을 통한 시뮬레이션 기법 이해’
MCMC(Markov Chain Carlo): 확률 분포를 생성하기 위해 마르코프 체인과 몬테카를로 기법을 결합한 방식.
마르코프 체인: 미래의 상태가 현재 상태에만 의존하고, 그 이전의 상태들과는 무관한 확률적 모델.
마르코프 체인과 몬테카를로 기법을 결합한 MCMC 방식을 통해 전염병 확산 양상을 시뮬레이션하고 예측 결과를 분석해 보는 활동입니다.
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‘조건부 확률을 활용한 분류 모델 이해와 구현’
나이브 베이즈 분류기: 조건부 확률 기반의 간단한 기계학습 모델.
나이브 베이즈 분류기의 작동 원리를 조건부 확률의 개념과 연결 지어 이해하고, 실제로 파이썬으로 구현해 보는 활동입니다.
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‘확률 실험을 통한 의사결정 오류 분석’
몬티홀 문제: 직관과 다른 확률 결과가 나오는 고전적인 확률 퍼즐.
직관과 다른 확률 결과를 보이는 몬티홀 문제를 직접 시뮬레이션하여 선택에 따른 확률 변화와 의사결정의 오류를 탐구하는 활동입니다.
2.
수학 기반 공학 탐구
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‘로봇 제어 알고리즘에 적용되는 미적분 원리 탐구’
로봇의 동작을 제어하는 데 사용되는 속도와 가속도 개념을 미분과 적분을 통해 분석하는 활동입니다.
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‘푸리에 변환과 음성신호 처리의 원리 분석’
푸리에 변환: 복잡한 파형을 여러 개의 단순한 주파수 성분으로 분해하는 수학적 기법. 복잡한 신호를 단순한 주파수로 분해하는 푸리에 변환 원리를 학습하고 음성 인식이나 소리 분석에 응용해 보는 활동입니다.
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‘정보 이론과 최적경로 문제를 통한 공학 수학 탐구’
샤논 엔트로피 : 정보량을 수치로 측정하는 방법.
변분법 : 어떤 조건에서 최적의 경로를 찾는 수학 기법.
샤논 엔트로피를 통한 정보량 분석과 변분법을 활용한 최적 경로 문제를 수학적으로 탐구하는 활동입니다.
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‘기계학습 모델의 최적화 과정을 수학적으로 해석하기’
경사하강법 : 오류를 최소화하기 위해 반복적으로 가중치를 조정하는 기법.
인공지능 학습에서 핵심이 되는 경사하강법을 수학적으로 해석하고 손실 함수를 최소화하는 과정을 탐구하는 활동입니다.
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‘활성화 함수의 수학적 구조와 인공지능 학습과정 이해’
활성화 함수 : 인공신경망에서 출력 여부를 결정하는 함수.
시그모이드, ReLU 등 다양한 활성화 함수의 특성과 역할을 수학적으로 이해하고, 인공신경망에서의 역할을 분석하는 활동입니다.
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‘퍼셉트론 모델 구현을 통한 인공신경망 원리 학습’
퍼셉트론 : 인공신경망의 기본 단위. 입력에 가중치를 곱하고 임계값을 넘는 경우에만 활성화되는 구조.
신경망의 기본 단위인 퍼셉트론을 파이썬으로 직접 구현하여 입력-가중치-출력의 흐름을 실습해 보는 활동입니다.
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‘그래프 이론을 활용한 도시 교통 최적 경로 탐색’
다익스트라 알고리즘을 사용하여 실제 도시 교통 데이터를 분석하고 최단 경로를 탐색해 보는 활동입니다.
3.
화학/생명과학 기반 탐구
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‘화학 반응 속도 모델링 및 시각화’
온도나 농도 변화에 따른 반응속도를 수치적으로 시뮬레이션하고 그 결과를 그래프로 표현해 보는 활동입니다.
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‘DNA 서열 데이터 분석을 위한 기본 바이오인포매틱스 알고리즘’
바이오인포매틱스 알고리즘 : 생명과학 데이터를 컴퓨터 과학과 수학 알고리즘을 이용해 분석하고 해석하는 방법.
생물학 데이터를 컴퓨터 알고리즘으로 분석하는 기법을 배우고 DNA 서열을 파이썬으로 처리해 보는 활동입니다.
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‘약물 흡수-분포-대사-배설(ADME) 과정 시뮬레이션’
약물 흡수-분포-대사-배설(ADME) 시뮬레이션 : 약물이 인체에 들어와서 어떻게 흡수되고, 어디로 퍼지고, 어떻게 분해되고, 어떻게 몸 밖으로 나가는지를 수치적으로 표현하거나 예측하는 모델.
약물이 체내에 들어와 변화하는 ADME 과정을 모델링 하여 체내 농도 변화 등을 예측하는 간단한 시뮬레이션을 진행하는 활동입니다.
4.
인공지능 및 정보 과학 기술 주제
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‘의료 데이터를 활용한 약물 추천 인공지능 모델 설계’
환자의 생체 데이터를 분석해 약물의 효과를 예측하는 인공지능 모델을 설계하고 성능을 평가해 보는 활동입니다.
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‘신경 모방형 컴퓨팅 구조의 이해와 응용 탐’
뉴로모픽 컴퓨팅 : 뇌의 구조와 작동 방식에서 영감을 얻어 설계된 차세대 컴퓨터 아키텍처.
뉴로모픽 컴퓨팅의 기본 원리를 학습하고 이를 모방한 기초적 모델을 구성해 보는 활동입니다.
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‘농업 자동화를 위한 스마트팜 기술의 구조적 이해’
센서와 자동화 제어 시스템을 활용한 스마트팜 구조를 분석하고 이를 간단한 프로그래밍으로 구현해 보는 활동입니다.
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‘가상현실 기반 정보격차 해소 방안 모색’
메타버스를 이용한 교육·의료·복지 분야의 정보 소외 해소 방안을 설계하고 그 구조를 모형화하는 활동입니다.
5.
영상 처리 및 시뮬레이션 응용
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‘영상 노이즈 제거 알고리즘의 구조와 구’
가우시안 블러 : 이미지에서 잡음을 제거하거나 부드럽게 만들기 위해 사용하는 필터.
OpenCV를 활용하여 이미지 상의 노이즈를 제거하는 가우시안 블러 필터의 구조와 작동 원리를 탐구하는 활동입니다.
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‘분자 구조 시각화 프로그램 제작을 통한 화학정보학 입문’
파이썬을 이용해 3D 분자 구조를 시각화하고 결합 구조나 분자의 성질을 분석해 보는 활동입니다.
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‘최적 경로 탐색 알고리즘을 활용한 재난 대피 시뮬레이션’
미미틱 알고리즘 : 유전 알고리즘과 지역 탐색을 결합한 최적화 방법.
미미틱 알고리즘을 이용해 복잡한 공간에서 재난 대피 시 가장 효율적인 경로를 탐색해 보는 활동입니다.