[논문]창의적 문제해결능력 신장을 위한 알고리즘 기반 학습 콘텐츠 개발

김은길; 현동림; 김종훈

창의적 문제해결능력 신장을 위한 알고리즘 기반 학습 콘텐츠 개발
Development of an Algorithm-Based Learning Content for Improve in Creative Problem-Solving Abilities 원문보기

水産海洋敎育硏究 = Journal of fisheries and marine sciences education, v.23 no.1 = no.51, 2011년, pp.105 - 115

Abstract ▼ AI-Helper

Education is focused on how to nurture creative problem-solving skills talent in rapidly changing information society. The algorithm education of computer science is effective in improvement of students' logical thinking and problem solving capability. However, the algorithm education is very difficult to teach in elementary students level. Because it is difficult to understand abstract characteristic of algorithm. Therefore we developed educational contents based on the principle of the algorithm for improve students' logical thinking and problem-solving capability in this study. And educational contents contain interesting elements of the game. So, students will be interested in algorithm learning and participate actively through developed educational contents. Furthermore, students' creative problem-solving capability may improve through algorithm learning.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내･외 컴퓨터 관련 교육과정과 일반적인 컴퓨터 과학 분야를 종합 분석하여 교육 내용을 선정하고, 이를 바탕으로 초․ 중등학생의 인지 수준에 맞게 게임형 웹 기반 학습 콘텐츠를 개발하였다.
본 논문에서는 초·중등학생의 문제해결능력 신장을 위하여 컴퓨터과학 분야 중 알고리즘을 중심으로 학습 콘텐츠를 개발하는데 목적이 있다.
특히 운영체제 및 소프트웨어 활용이 많은 부분을 차지하는데 단순한 사용 방법 학습이 아닌, 컴퓨터 동작 원리 및 컴퓨터과학 기본 개념을 학습한다. 이를 바탕으로 소프트웨어 활용을 통해 문제를 해결할 수 있는 능력을 신장 시키는 데 목적을 두고 있다(QCA, 2000, 2003).
n×n으로 이루어지는 체스 판에 n개의 퀸을 서로 잡히지 않는 위치에 놓는 콘텐츠로 학습자는 퀸을 놓을 때 이전의 퀸들과의 위치를 탐색하고 불가능하면 이전에 놓았던 퀸의 위치를 변경해가면서 해답을 찾는다. 학습자는 보다 빠른 해답을 찾기 위해 불필요한 탐색을 제외시킬 수 있는 방법을 모색한다.

가설 설정

넷째, 알고리즘은 신속하다. 좋은 알고리즘은 일련의 과정이 간소하고 직접적으로 처리되어서 수행 시간을 단축시켜 준다.

제안 방법

각각 다른 개수의 동전이 들어있는 원통을 양팔 저울을 이용하여 무게 순으로 정렬하는 콘텐츠로 학습자는 최소한의 저울 사용 횟수를 기록하기 위해 효과적인 문제해결방법을 탐색하도록 개발하였다.
각각의 콘텐츠는 [그림 4]와 같은 개발 모형을 통해 총 6개월에 걸쳐 연구 및 개발하였다.
계획 단계에서 다양한 자료를 분석하여 알고리즘 교육내용에 적합한 학습 콘텐츠 주제를 선정하고 개발에 필요한 게임적 요소를 분석한다. 개발 단계에서는 분석한 내용을 바탕으로 스토리보드를 작성하여 학습목표 및 게임 상황을 선정한다.
넷째, 선정한 교육 내용을 학생들의 인지 수준에 맞게 적용 가능한 학습 콘텐츠를 학습자의 능동적인 참여를 위하여 게임 형태로 개발하였다.
둘째, 외국(미국, 영국 등)의 초·중등학교 컴퓨터 교육과정을 각종 보고서 및 사이트, 교육 자료를 통해 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 국내·외 컴퓨터 관련 교육과정 운영 사례 분석 결과와 학습자의 인지 구조 및 수준을 고려하여 알고리즘 교육 내용을 선정하였다.
개발 단계에서는 분석한 내용을 바탕으로 스토리보드를 작성하여 학습목표 및 게임 상황을 선정한다. 또한 학습에 필요한 요구사항과 학습자 수준에 적합한 사용자 인터페이스를 고려하여 프로토 타입 형태로 콘텐츠를 개발한다.
따라서 본 연구에서는 국내·외 컴퓨터 관련 교육과정 운영 사례 분석 결과와 학습자의 인지 구조 및 수준을 고려하여 알고리즘 교육 내용을 선정하였다. 선정된 알고리즘의 원리를 이론 학습이 아닌 콘텐츠에서 직접 제어하는 활동을 통해 쉽게 이해할 수 있도록 개발하였고, 게임 요소를 가미하여 학습자의 흥미를 고취시킬 수 있도록 구성하였다. 이와 같이 개발된 학습 콘텐츠를 통해 기대되는 학습 효과는 다음과 같다.
셋째, 외국과 우리나라의 초·중등학교 컴퓨터 교육과정 비교 분석을 통해 현행 컴퓨터 교육과정의 문제점을 고찰하고 새로운 교육 내용을 선정하였다.
앞서 에서 선정한 알고리즘 교육내용을 게임형 학습 콘텐츠 특성에 맞게 게임 주제를 선정하였다.
이상의 게임형 학습 콘텐츠의 특성과 학습자의 문제해결능력 신장을 위해 폴리아의 문제해결 단계를 바탕으로 학습 콘텐츠 설계 전략을 [그림 3] 과 같이 제시하였다.
주어진 몇 가지 수와 크기 비교 및 배수 기능을 이용하여 많은 봉투 중에서 암호가 들어있는 특정 봉투를 주어진 시간 내로 조건에 맞게 탐색하여 폭탄을 해체하는 콘텐츠이다. 이진, 선형 및 해시 탐색에 대한 원리를 학습자의 수준에 맞게 크기 비교 및 배수 기능으로 특정 봉투를 찾음으로써 학습자는 최소한의 탐색 횟수로 컴퓨터에서 특정 정보를 찾기 위한 원리를 이해할 수 있도록 개발하였다.
첫째, 초·중등학생의 인지 수준에 맞는 문제 상황을 구체적 조작 활동을 통해 제시한다.
첫째, 컴퓨터 과학 분야 중 알고리즘의 내용을 각종 전문서적 및 보고서 등을 통하여 분석하였다.
몸무게와 체력이 제한된 각각의 거북이들을 체력이 초과되지 않게 최대한 높은 층으로 쌓아가는 학습 콘텐츠로, 학습자는 쌓을 수 있는 모든 상황을 추리하게 된다. 최적해는 다양하게 존재하며 학습자는 거북이를 쌓아가면서 이전에 쌓았던 거북이의 한계까지 고려하여 계산한 후 상향식 방법으로 최적해를 찾아가는 과정을 통해 수리적, 논리적 사고 능력을 신장시킬 수 있도록 개발하였다.
트리 구조로 이루어진 미로의 전체 모습과 출구를 처음 몇 초간 학습자에게 보여주고 출입문을 선택하며 출구를 찾아가는 콘텐츠로 트리의 루트에서 시작하고 이진트리 형식으로 출입문의 번호가 결정된다. 콘텐츠 사용을 통해 학습자는 트리의 구조를 이해하고 규칙을 탐색하여 난이도 높은 미로를 보다 빠르게 탈출할 수 있도록 개발 하였다.
스택 원리로 동작하는 대포에 임의의 색상을 가진 대포알이 장전된다. 학습자는 주어지는 시간 내에 장전된 대포알이 발사될 순서를 생각하여 큐의 원리로 동작하는 대포에 직접 동일한 색상의 대포알을 장전하여 동시에 발사되는 스택과큐 기반 대포알간의 격추 상황으로 게임을 개발 하였다. 난이도는 장전되는 대포알의 개수와 시간차를 통해 조절되고 격추시 대포알의 색상이 일치하는 경우 점수를 획득하게 된다.

성능/효과

둘째, 알고리즘은 신뢰할 수 있다. 알고리즘의 일련의 과정에서 수행되는 연산을 신뢰할 수 있다면 수행 결과 역시 신뢰할 수 있고 일반화 역시 가능하다.
둘째, 학습한 알고리즘 원리는 학습자의 논리적 사고 능력 및 문제해결능력 신장에 효과적이어야 한다. 다양한 학습 활동을 통해 학습하게 되는 알고리즘 원리는 학습자의 다양한 사고 능력을 신장시키는 데 도움을 주어야 한다.
셋째, 디지털 학습 콘텐츠의 장점으로 오프라인 학습에 비해 시간적·공간적 제약을 극복하여 동시 다발적으로 자기주도적 학습이 가능하다.
셋째, 알고리즘은 정확하다. 일련의 과정과 결과로 도출되는 값은 오류가 존재하지 않는다면 정확하다.
일곱째, 알고리즘은 유익하다.
제공받은 피드백 자료를 바탕으로 학습 콘텐츠를 수정·보완하여 완성한다.
첫째, 알고리즘은 강력하다. 알고리즘은 특정 문제 해결에만 사용되는 것이 아니라, 일반화 시켜 특정 종류의 문제 해결에 적용할 수 있다.

후속연구

셋째, 외국의 ICT 교육과정 분석 내용을 바탕으로 문제해결력 향상에 효과적인 내용을 선정하고 세부 활동 분석을 통해 적합한 활동을 구성할수 있어야 한다.
이와 같은 학습 콘텐츠는 향후 스토리가 탄탄한 시나리오와 학습자간의 동시적 상호 작용이 결합된다면 학습 의욕 고취 뿐만 아니라 알고리즘 원리를 역이용 또는 확대하여 적용해보는 과정을 통해 더욱 높은 교육적 효과가 기대될 것이라 제언한다.
첫째, 개발한 학습 콘텐츠를 통해 알고리즘 원리를 쉽게 이해하는 것은 차후 수준 높은 교육에서 수월하게 응용 및 적용이 가능할 것이다. 예를 들어 복잡한 문제를 트리 또는 그래프와 같이 간단한 구조로 표현한 후 서로간의 관계를 도식화하는 것은 해결방법을 모색하는데 효과적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알고리즘이란?	알고리즘(Algorithm)은 어떤 값이나 값의 집합을 입력으로 받아 또 다른 값이나 값의 집합을 출력하는 잘 정의된 계산 절차를 말한다(Cormen, H. T.
	게임형 학습 콘텐츠란?	게임형 학습 콘텐츠는 오락적 요소를 통해 흥미를 고취시키고 학습 목표를 성취하도록 설계된 프로그램을 말한다(김동식, 1996). 이와 같은 콘텐츠에서 중요한 요소는 난이도 구성과 경쟁 요소이다(이윤주, 2001; 이지선, 2001).
	Usiskin(1999)가 제시한 알고리즘의 교육적 가치는 무엇인가?	첫째, 알고리즘은 강력하다. 알고리즘은 특정 문제 해결에만 사용되는 것이 아니라, 일반화 시켜 특정 종류의 문제 해결에 적용할 수 있다. 둘째, 알고리즘은 신뢰할 수 있다. 알고리즘의 일련의 과정에서 수행되는 연산을 신뢰할 수 있다면 수행 결과 역시 신뢰할 수 있고 일반화 역시 가능하다. 셋째, 알고리즘은 정확하다. 일련의 과정과 결과로 도출되는 값은 오류가 존재하지 않는다면 정확하다. 넷째, 알고리즘은 신속하다. 좋은 알고리즘은 일련의 과정이 간소하고 직접적으로 처리되어서 수행 시간을 단축시켜 준다. 다섯째, 알고리즘은 기록을 제공한다. 주어진 문제를 해결하기 위해서 문자화되거나 도형화된 알고리즘을 기록함으로써 세부적인 단계의 오류를 수정하거나 보다 간소화된 절차를 얻을 수 있다. 여섯째, 알고리즘은 정신적 표상을 제공한다. 기록되어진 알고리즘을 통해 연필과 종이 등의 도구를 사용하지 않고, 머릿속에서 일련의 과정을 연상하여 결과를 도출할 수 있다. 일곱째, 알고리즘은 유익하다. 여덟째, 알고리즘은 다른 알고리즘에 사용될수 있다. 특정한 문제를 해결하기 위해 고안된 알고리즘은 다른 문제 해결의 일부분으로 사용될수 있다. 아홉째, 알고리즘은 학습 대상이 된다. 문제 해결을 위한 과정이 알고리즘일 수 있지만, 알고리즘의 종류, 특징, 효율성 등이 학습의 대상이 될수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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