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문제 정의
- 이것은 교과중심, 문제풀이 위주의 교육, 수동적 교육 방식도 그 원인이라 볼 수 있으며 학생들에게 맥락적, 융합적이고 실천적인 교육에 대한 시도가 필요한 시점이라 할 수 있다. 따라서 본 연구는 초등학교에서 로봇을 활용한 STEAM 프로그램을 개발하고 현장에 적용하여 학습태도 및 학습동기에 어떤 영향을 미치는가를 알아보았으며 학습 교구로서 로봇의 교육적 효과에 대한 설문조사 및 학습자 면담을 병행 실시하였다.
제안 방법
- STEAM 수업에 대한 학생들의 인식을 알아보기 위해 학습자면담을 진행하였다. 면담은 모든 수업을 마친 다음 로봇활용 STEAM 수업의 흥미도, 학습내용 이해, 장단점, 그리고 수업에 대한 개선의 4개 항목을 기초로 남, 여 학생 각 3명씩 총 6명의 학생을 대상으로 비구조화된 면담을 진행하였다.
- STEAM 수업에서 로봇교구가 초등학생들에게 어떻게 인식되고 있는지를 알아보기 위해 설문조사를 하였고 그 결과는 다음 과 같다.
- 『에너지』 를 주제로 로봇활용 STEAM 프로그램을 개발하기 위해 초등학교 4학년 2학기 과학, 수학, 미술교과의 단원별 교육내용을 분석하였으며 각 교과별 로봇관련 활동을 제시 하였다.
- 실험집단의 로봇활용 STEAM 수업 일정 및 내용은 다음<표 4>와 같다. 과학, 수학, 미술교과를 에너지 관련 내용으로 재구성하였으며 총 21차시로 구성되었다. 첫 차시에서 전반적인 STEAM 수업에 대한 안내를 하였으며 전체적인 흐름은 열에너지 현상에 대한 기본적인 학습 후 로봇을 활용한 에너지 전달 실험 및 실험결과에 대한 수학적 해석이 이루어지 도록 하였다.
- 둘째, 선정된 융합주제 학습 지원을 위해 로봇의 구조, 운동, 센서 등의 기능적 측면을 분석하고 활용 가능한 로봇의 교육적 기능을 결합하였다.
- 둘째, 초등학교 4학년 과학, 수학, 미술 교육과정을 분석하고 로봇활용이 가능한 단원을 중심으로 STEAM 주제를 선정한다.
- 실생활과 밀접히 관계가 있는 에너지 는 과학, 수학, 예술, 로봇교육 활동의 공통 소재로서 소통과 공감을 유도하는 과학기술예술의 융합적 교육에 적합하다고 볼 수 있다. 따라서 에너지 를 주제로 로봇활용 STEAM 수업을 설계하였으며 다음 [그림 2]와 같이 과학, 수학, 예술(미술)교과에서 에너지 관련 내용을 로봇과 연계하여 제시하였다.
- 본 연구는 로봇활용 STEAM 수업을 실시한 후 정의적 영역의 효과성 검증을 위해 과학 학습동기, 수학 학습태도 검사를 실시하였다. 또한 STEAM 교구로서 로봇에 대한 설문조사 및 학습자면담을 통해 교육적 효과를 살펴보았다.
- 또한 로봇의 활용은 기본학습내용에 심화학습의 기회를 제공하였다. 전구 불빛으로 따듯함을 느끼는 과학실험에서, 온도센서는 온도변화를 실시간으로 꺾은선그래프로 제공하여 전구의 이동에 따른 온도변화를 학생들이 예상, 추리, 분석 등의 탐구활동을 할 수 있는 기회를 제공하였다.
- 로봇활용 STEAM교육 수업을 위해 4학년 2학기 수학, 과학, 미술교육과정을 분석하였으며 기능적 측면으로 로봇활용 수업이 가능한 통합주제로 ‘에너지’를 선정하였다.
- STEAM 수업에 대한 학생들의 인식을 알아보기 위해 학습자면담을 진행하였다. 면담은 모든 수업을 마친 다음 로봇활용 STEAM 수업의 흥미도, 학습내용 이해, 장단점, 그리고 수업에 대한 개선의 4개 항목을 기초로 남, 여 학생 각 3명씩 총 6명의 학생을 대상으로 비구조화된 면담을 진행하였다.
- 본 연구는 로봇활용 STEAM 수업을 실시한 후 정의적 영역의 효과성 검증을 위해 과학 학습동기, 수학 학습태도 검사를 실시하였다. 또한 STEAM 교구로서 로봇에 대한 설문조사 및 학습자면담을 통해 교육적 효과를 살펴보았다.
- 셋째, STEAM 교육 프로그램을 개발하고 현장적용 후 효과성 검증을 실시한다.
- 수업시간에 로봇이 학습교구로서 학생들에게 어떻게 인식 되고 있는지를 알아보기 위해 서희전(2008)이 개발한 교구에 대한 사용성 태도 검사도구를 바탕으로 로봇교구에 대한 설문조사 문항을 개발하였다[22]. 문항은 학습용이성, 효율성, 만족감, 조작용이성, 기능이해도의 5개로 구성되었다.
- 남자는 34명, 여자는 28명으로 로봇경험이 있는 학생은 5명이었다. 연구기간은 2011년 11월 4일부터 12월 1일까지로 실험집단은 에너지 를 주제로 로봇활용 STEAM교육을 실시하였으며, 비교집단은 전통적인 방식의 수업을 실시하였다. 실험집단에서 사용된 로봇은 열에 너지 관련 실험 설계가 가능하고 실험결과를 꺾은선그래프로 표현하는 기능이 있는 LEGO NXT, 빛센서, 온도센서, Data-Logging 소프트웨어를 활용하였다.
- 연구는 로봇활용 STEAM 수업을 실시한 실험집단과 전통적인 방식의 수업을 실시한 비교집단의 두 집단을 대상으로 하였으며 실험집단에는 과학, 수학, 미술교과를 ‘에너지’라는 주제로 로봇활용 융합적인 STEAM 수업을 실시하였고 비교 집단은 세 교과를 분과적인 방식으로 수업하였다.
- 전개에서 로봇을 활용한 두 가지의 기체의 온도 변화 실험을 실시한 후 생성된 꺾은선그래프에 대한 수학적 비교·해석을 내렸으며 학습정리에서는 실험결과를 정리하고 학습내용에 대한 평가를 실시하였다.
- 또한 로봇의 활용은 기본학습내용에 심화학습의 기회를 제공하였다. 전구 불빛으로 따듯함을 느끼는 과학실험에서, 온도센서는 온도변화를 실시간으로 꺾은선그래프로 제공하여 전구의 이동에 따른 온도변화를 학생들이 예상, 추리, 분석 등의 탐구활동을 할 수 있는 기회를 제공하였다.
- 과학, 수학, 미술교과를 에너지 관련 내용으로 재구성하였으며 총 21차시로 구성되었다. 첫 차시에서 전반적인 STEAM 수업에 대한 안내를 하였으며 전체적인 흐름은 열에너지 현상에 대한 기본적인 학습 후 로봇을 활용한 에너지 전달 실험 및 실험결과에 대한 수학적 해석이 이루어지 도록 하였다. 또한 미술수업에서는 표현활동이 이루어졌다.
- 첫째, STEAM 교육 배경과 로봇을 활용 STEAM 사례에 관한 연구를 조사한다.
대상 데이터
- 연구대상은 경기도 D초등학교 4학년 2개 반을 대상으로 하였으며 총 62명이었다. 남자는 34명, 여자는 28명으로 로봇경험이 있는 학생은 5명이었다. 연구기간은 2011년 11월 4일부터 12월 1일까지로 실험집단은 에너지 를 주제로 로봇활용 STEAM교육을 실시하였으며, 비교집단은 전통적인 방식의 수업을 실시하였다.
- 연구기간은 2011년 11월 4일부터 12월 1일까지로 실험집단은 에너지 를 주제로 로봇활용 STEAM교육을 실시하였으며, 비교집단은 전통적인 방식의 수업을 실시하였다. 실험집단에서 사용된 로봇은 열에 너지 관련 실험 설계가 가능하고 실험결과를 꺾은선그래프로 표현하는 기능이 있는 LEGO NXT, 빛센서, 온도센서, Data-Logging 소프트웨어를 활용하였다.
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1. 연구개요
연구대상은 경기도 D초등학교 4학년 2개 반을 대상으로 하였으며 총 62명이었다. 남자는 34명, 여자는 28명으로 로봇경험이 있는 학생은 5명이었다.
데이터처리
- 수학학습태도 검사를 위해 사전, 사후 2회에 걸쳐 두 집단에 독립표본 t 검증을 실시하였으며 검사결과는 다음 과 같다.
이론/모형
- 한국교육개발원(1992)에서 개발한 것으로 최윤석, 배종 수(2004)의 연구에서도 사용된 설문지를 사용하였다. ‘수학에 대한 자신감’, ‘수학에 대한 융통성’, ‘수학에 대한 의지력’‘수학에 대한 호기심’, ‘수학에 대한 반성’, ‘수학에 대한 가치’등 6가지 영역으로 구성되어 있고 각 영역별로 4문항씩 총 24문항으로 긍정적인 문항이 23개 부정적인 문항이 1개로 구성되어 있다.
성능/효과
- 넷째, 로봇은 STEAM 수업의 전 과정에서 학습지원 도구이면서 동시에 과학, 수학, 미술 교과 내용의 핵심 연결고리였다.
- 다섯째, 학습자 중심의 다양한 과학, 수학, 미술 체험활동 제공을 통한 사회성, 협동성, 의사소통능력을 신장시킬 수 있도록 하였다.
- 과학, 수학, 미술 교과 융합수업의 장점으로는 실제적인 실험 중심의 학습경험 제공을 통해 수학과 과학교과에 대한 학생들의 흥미와 만족도가 높아졌으며 과학 실험 결과가 수학 학습의 배경이 되고 수학적 지식이 과학실험 결과 해석 및 추론의 도구로 활용되었다. 또한 수학과 과학 교과간의 관련된 내용을 함께 지도함으로써 학습의 이해 및 전이에 긍정적인 영향이 나타났다. 특히 로봇의 활용은 전통적인 과학실험에서 측정, 기록, 정리 등의 활동으로 소요되었던 시간을 줄여주어 학생들이 관찰, 측정, 분석, 예성, 추리 등의 과학 탐구활동에 집중할 수 있는 기회를 제공하였다.
- 전체의 65%로 대부분의 학생들이 로봇 활용 STEAM 수업을 통해 로봇의 기능과 특징을 이해하고 있으며 58%의 학생이 로봇과 소프트웨어를 쉽게 조작하는 것으로 나타났다. 또한 학생들은 로봇 활용 수업에 대해 84% 학생이 만족하였으며 로봇을 효과적인 도구로 인식하고 있는 것으로 나타났다. 하지만 로봇과 소프트웨어 조작하는 것을 보통이라고 응답한 비율이 32%로 로봇 교구 사용 전 능숙한 로봇소양교육이 선행되어져야 함을 알 수 있다.
- 세 번째, 측정값의 정확함과 실시간의 자료수집이었다. 센서 값에 따라 온도가 자동으로 올라가고 또 변화를 주면 값이 즉시 변경되어 직관적인 이해를 도왔다.
- 셋째, 단순 교과 지식 습득보다는 로봇을 활용한 다양한 실험을 통해 과학적으로 탐구하는 능력을 기르고 실험 데이터를 수집 및 분석하는 과정에서 수학적 문제해결을 경험하게 하였다.
- 실험 전 두 집단의 학습동기는 실험집단(113.80), 비교집단(110.75), t값이 1.02로 유의미한 차이가 발생하지 않았 는데 수업을 마친 후 실험집단은 136.03, 비교집단은 115.25로 21점의 평균차와 함께 통계상 유의미한 차이를 나타냈다. 즉, 로봇활용 STEAM수업이 과학 학습동기에도 유의미한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 실험집단의 학습동기는 하위 영역 중 능동적 학습전략, 수행목표, 학습환경 자극의 세 영역에서 높은 향상을 나타냈다. 이와 같은 결과는 과학수업에서 학생들이 보고, 듣고, 기록하는 활동에서 벗어나 직접 실험을 설계하고 로봇 센서를 조작한 실험을 수행하는 학습환경에서 목표 달성을 위해 적극적 탐구 활동이 이루어지고 동료와 협력하는 과정에서 자연스럽게 과학에 대한 긍정적 인식의 형성이 작용한 것으로 보인다.
- 75)으로 평균차는 있지만 통계상 유의미한 차이를 보이지 않아 동질집단으로 간주하였다. 실험처치 후 수학 학습 태도에서 실험집단(137.06), 비교집단(125.71)으로 모두 학습태도에 향상이 나타났다. 하지만 평균점수의 향상도 차이는 실험집단에서만 유의미한 차이가 나타났으며 평균차가 19점으로 비교집단 내 평균차인 5보다 변화의 폭도 높았다.
- 연구결과 로봇활용 STEAM 수업이 분과적인 전통적 교과 수업보다 수학 학습태도 및 과학 학습동기 향상에 긍정적임을 시사하고 있다. 또한 로봇교구에 대한 설문조사에서 대부분의 학생들이 긍정적인 응답을 하여 로봇이 STEAM 수업의 효과 적인 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이와 같은 설문 조사 결과에 비추어 볼 때 로봇은 에너지단원을 주제로 하는 과학, 수학, 미술의 STEAM 융합 수업의 효과적인 도구임을 알 수 있다. 이러한 연구결과는 로봇을 국어, 수학 수업의 교구로 활용한 후 학생들의 이미지 변화및 인식을 조사한 결과 로봇이 제공하는 실제적인 수업환경이 긍정적 학습참여를 유도한다는 박정호와 조혜경(2011)의 연구와도 일치한다[23].
- 전체의 65%로 대부분의 학생들이 로봇 활용 STEAM 수업을 통해 로봇의 기능과 특징을 이해하고 있으며 58%의 학생이 로봇과 소프트웨어를 쉽게 조작하는 것으로 나타났다. 또한 학생들은 로봇 활용 수업에 대해 84% 학생이 만족하였으며 로봇을 효과적인 도구로 인식하고 있는 것으로 나타났다.
- 25로 21점의 평균차와 함께 통계상 유의미한 차이를 나타냈다. 즉, 로봇활용 STEAM수업이 과학 학습동기에도 유의미한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 첫째, STEAM 융합주제 선정에서 과학, 수학, 미술 교과의 내용이 상호 유기적으로 관련되어 융합으로 인한 학습내용의 이해 및 사고의 확장이 기대할 수 있도록 하였다.
- 71)으로 모두 학습태도에 향상이 나타났다. 하지만 평균점수의 향상도 차이는 실험집단에서만 유의미한 차이가 나타났으며 평균차가 19점으로 비교집단 내 평균차인 5보다 변화의 폭도 높았다. 이것은 로봇활용 STEAM 수업이 수학학습태도 향상에 유의미한 영향을 미친 것을 확인시켜 준다.
후속연구
- 연구결과 로봇활용 STEAM 수업이 분과적인 전통적 교과 수업보다 수학 학습태도 및 과학 학습동기 향상에 긍정적임을 시사하고 있다. 또한 로봇교구에 대한 설문조사에서 대부분의 학생들이 긍정적인 응답을 하여 로봇이 STEAM 수업의 효과 적인 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- <표 2>에서 처럼 과학실험에서 얻은 실험 자료를 활용하여 꺾은선그래프로 그려봄으로써 열에너지의 이동의 개념과 함께 통계적 이해를 함께할 수 있다. 로봇의 역할은 과학실험 결과를 자동으로 꺾은선그래프로 변환하여 줌으로써 학생들에게 실제적이고 경험적인 학습 기초자료를 제공할 것이다.
- 본 연구는 초등학교 정규교과에 로봇을 활용하여 STEAM 통합 수업을 할 수 있는 토대를 마련하였으며 향후 관련 교육과정 분석 및 교사의 훈련을 통해 STEAM 교육의 확산의 계기를 마련할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 이를 위해서는 고가의 로봇 장비 구입, 로봇활용 수업에서 효과적인 모둠 편성 및 조직에 대한 고민도 필요할 것으로 사료되어진다.
- 열전달과 우리생활 단원에서는 열에너지를 비롯한 여러 형태의 에너지와 그 순환을 설명하고 열전달 방향, 전도, 전도율, 대류, 복사, 단열 등의 에너지 순환 개념을 배우게 되는데 다음 과 같이 실험에서 로봇은 온도센서가 연결 되어 정확하고 자동적인 열에너지 측정에 활용될 수 있다.
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