국제학업성취도 비교 연구에 따르면 우리나라 학생들은 과학 수학교과에서 높은 수준의 학업성취결과를 나타낸 반면 학습 동기는 상대적으로 낮게 나타났다. 이에 본 연구는 엔지니어링 수업 모델을 적용한 로봇활용 STEM융합교육 프로그램을 개발하였다. 프로그램의 주제는 4학년 과학교육과정의 한 단원이면서 학생들에게 친숙하고 로봇의 활용이 효과적인 '동물'로 정하였다. 로봇활용 STEM 프로그램은 로봇소양교육, 주제관련 교과학습, 엔지니어링 교육활동의 세 영역으로 구성되었다. 개발된 STEM 프로그램은 현장교사 14명으로부터 검토를 받았으며 연구결과 로봇 소양 유무에 상관없이 대부분의 교사가 프로그램의 목표, 내용 구성, 로봇의 활용에 대해 긍정적 반응을 나타내었다.
국제학업성취도 비교 연구에 따르면 우리나라 학생들은 과학 수학교과에서 높은 수준의 학업성취결과를 나타낸 반면 학습 동기는 상대적으로 낮게 나타났다. 이에 본 연구는 엔지니어링 수업 모델을 적용한 로봇활용 STEM 융합교육 프로그램을 개발하였다. 프로그램의 주제는 4학년 과학교육과정의 한 단원이면서 학생들에게 친숙하고 로봇의 활용이 효과적인 '동물'로 정하였다. 로봇활용 STEM 프로그램은 로봇소양교육, 주제관련 교과학습, 엔지니어링 교육활동의 세 영역으로 구성되었다. 개발된 STEM 프로그램은 현장교사 14명으로부터 검토를 받았으며 연구결과 로봇 소양 유무에 상관없이 대부분의 교사가 프로그램의 목표, 내용 구성, 로봇의 활용에 대해 긍정적 반응을 나타내었다.
According to a comparison study of international academic achievements, Korean students showed high academic achievements in science and mathematics, whereas their learning motivation appeared relatively low. Therefore, this work developed the robot-based STEM integrated education program reflecting...
According to a comparison study of international academic achievements, Korean students showed high academic achievements in science and mathematics, whereas their learning motivation appeared relatively low. Therefore, this work developed the robot-based STEM integrated education program reflecting an engineering class model. The title of the program is determined as 'animals' which are included in one section of the fourth grade science curriculum, are friendly to students, and are effective for robot application. Robot-based STEM program is consisted of three areas: robot education, subject-related course learning, and engineering education. The STEM program was reviewed by 14 teachers. The study result presented that regardless of knowledge of robot, most teachers gave positive response to program goal, composition of contents, application of robot.
According to a comparison study of international academic achievements, Korean students showed high academic achievements in science and mathematics, whereas their learning motivation appeared relatively low. Therefore, this work developed the robot-based STEM integrated education program reflecting an engineering class model. The title of the program is determined as 'animals' which are included in one section of the fourth grade science curriculum, are friendly to students, and are effective for robot application. Robot-based STEM program is consisted of three areas: robot education, subject-related course learning, and engineering education. The STEM program was reviewed by 14 teachers. The study result presented that regardless of knowledge of robot, most teachers gave positive response to program goal, composition of contents, application of robot.
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문제 정의
본 연구는 과학, 수학에 대한 낮은 흥미를 문제점으로 지적하고 교수학습 개선을 위한 방안으로 로봇 활용 STEM 교육프로그램을 개발하였다. 하지만 이러한 프로그램이 현장에서 적용되기 위해서 교육과정 목표 달성 가능성, 프로그램의 운영 가능성에 대한 사전 검토가 필요하다.
본 연구는 엔지니어링 수업 모델을 적용한 로봇활용 STEM 융합 교육 프로그램을 개발하였다.
본 연구는 초등학교 로봇을 활용한 STEM 수업 프로그램을 개발하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.
제안 방법
검토 기간은 2013년 4월 29일부터 5월 9일까지 10일간 진행되었으며 검토방법은 이메일을 통하여 STEM의 취지와 목적을 설명하고 관련 교육과정, 프로그램 구성 그리고 교수학습 자료(로봇 동작 동영상, 워크시트, 수업과정안)를 보고 질문지에 응답하는 방식으로 진행되었다. 참여 교사는 각 질문지문항의 리커르트(likert) 척도에 표기하였으며 ‘전혀 아니다’ 1점, ‘아니다’ 2점, ‘보통이다’ 3점, ‘그렇다’ 4점, ‘아주 그렇다’ 5점 순으로 점수를 표기하였다.
둘째, STEM 수업설계의 배경이 되는 엔지니어링 수업 모델을 고찰하고 ‘동물’을 주제로 초등학교 교육과정을 분석하였다.
둘째, 프로그램은 로봇소양, 교과학습, STEM 활동의 세 부분으로 구성한다.
또한 STEM 수업의 전반에 걸쳐 로봇이 중요한 학습도구이므로 로봇 소양 경험이 없는 교사에게도 현실적으로 수업운영이 가능한지에 대한 검토가 수반되어야 한다. 따라서 로봇소양을 갖춘 교사와 로봇소양이 없는 일반교사로 구분하여 전문가 검토를 실시하고 비교하였다.
모둠별로 순환하며 여러 가지 센서별로 동물이 나타내는 반응을 관찰 기록한다. 로봇으로 닭을 표현한 예는 다음 <표 5>과 같다.
셋째, 로봇소양교육, 주제관련 교과학습, 엔지니어링 교육으로 구성된 STEM 프로그램을 개발하였다.
아침이 밝아 올 때 닭이 울음소리를 내는 것과 신나는 음악에 맞춰 춤추는 동작을 표현하기 위해 센서와 모터, 사운드를 활용하였다. 빛 센서로 빛의 양이 많음을 감지하면 녹음된 사운드 파일을 실행시키고 소리센서로 음악의 높은 음악소리를 감지하면 모터를 번갈아가며 동작하여 춤을 추는 것처럼 표현하였다.
셋째, STEM 프로젝트 활동은 과학, 수학 교과의 학습내용과 로봇의 기능이 상호 유기적으로 연관되게 구성하였다. 즉, 단순 교과 지식 습득보다는 로봇을 활용하여 수학적 개념을 적용하고 과학적 탐구능력을 기를 수 있도록 하였다. Lindh & Holgersson(2007)은 학습과제는 현실적이고 로봇활용을 자극할 수 있도록 학습 환경이 마련되어져야 한다고 하였다[20].
첫째, 로봇소양교육은 1-4차시로 창·체 시간을 활용하며 로봇 구성요소 이해, 로봇 조립하기, 센서(터치, 소리, 초음파, 빛, 온도)와 모터 이용하기, 알고리즘(순서도) 배우기, NXT-G 프로그램 등으로 구성되었다.
첫째, 로봇활용교육, 로봇활용 STEM 교육의 선행연구를 조사하였다.
프로그램의 주제는 4학년 과학교육과정의 한 단원이면서 학생들에게 친숙하고 로봇의 활용이 효과적인‘동물’로 정하였다.
대상 데이터
로봇/프로그래밍 코드 예는 다음 (그림 4)와 같다. 2개의 무한 반복문과 2개의 스위치(빛, 소리센서) 구문이 활용되었다.
넷째, 개발한 STEM 수업프로그램은 현장교사를 대상으로 전문가 검토를 받았다.
전문가 집단은 4학년 지도경험이 있는 교육학 석사학위 이상의 초등교사로 집단별로 각 5명씩 선정하였다. 로봇소양교사는 평균 교육경력은 9.
데이터처리
이것은 전문가집단에 따른 검토 문항별 인식차이가 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 하지만 이와 같은 결과는 적은 수의 전문가 표본에 영향을 받을 수 있어 문항별 평균점수를 활용하여 추가 논의를 진행하였다.
성능/효과
개발된 STEM 프로그램은 현장교사 14명으로부터 검토를 받았는데 연구결과 로봇소양 유무에 상관없이 대부분의 교사가 STEM 프로그램의 목표, 내용 구성, 수업모델, 도구로서 로봇의 활용에 대해 긍정적 반응을 나타내었다.
그리고 로봇소양교육과 STEM활동과 관련성에 대해 두 집단 모두 로봇 프로그래밍의 구조적·기능적 지식이 STEM 학습과 많이 관련되어 있다는 긍정적인 반응을 나타냈다.
넷째, 로봇은 학생들이 협력할 수 있는 학습 환경을 제공하는데 학습자 중심의 로봇활동경험을 통해 사회성, 협동성, 의사소통능력을 신장시킬 수 있도록 하였다.
둘째, 교과학습 활동은 5-9차시로 동물의 생김새, 동물의 분류, 동물이 사는 곳, 다양한 동물의 세계, 동물의 움직임 등 ‘동물’ 주제와 관련한 과학교과 학습내용을 배우게 된다.
둘째, 학생들이 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 친근한 주제로 실생활과 관련성 높은 주제를 고려하였다.
로봇활용 STEM 프로그램이 교육과정의 목표 및 내용의 타당성, 운영가능성 등을 검토받기 위한 질문지는 로봇소양교육, STEM 융합 프로그램, 로봇 교구에 대한 인식, 엔지니어링 수업모형, 현장 적용성의 5개 영역으로 구성되었으며, 카이검증(χ²) 검증 결과 유의수준 5%에서 모든 문항은 유의하지 않게 나타났다.
셋째, STEM 프로젝트 활동은 과학, 수학 교과의 학습내용과 로봇의 기능이 상호 유기적으로 연관되게 구성하였다. 즉, 단순 교과 지식 습득보다는 로봇을 활용하여 수학적 개념을 적용하고 과학적 탐구능력을 기를 수 있도록 하였다.
셋째, 직·간접적인 경험을 통해 흥미가 높고 교육과정에서 관련 내용이 많아 학습자의 능동적인 참여를 기대할 수 있는 요소를 고려하였다.
하지만 높은 성취도에 비해 과학학습에 대한 자신감, 태도 등의 정의적 요인의 결과를 보면, 우리나라 중학생들의 과학에 대한 가치인식 정도가 국제 평균에 비해 매우 낮게 나타나고 있다[7]. 즉 과학의 자아개념인 자신감과 내재적 동기인 즐거움이 매우 낮고, 도구적 동기도 국제 평균에 비해 낮았다.
후속연구
org)프로젝트 사례를 주목할 필요가 있다. 그리고 향후 정규교과교육 및 STEM 교육에서 도구로서 로봇의 활용을 높이기 위해서 무엇보다도 일반교사를 대상으로 로봇에 대한 이해를 높이는 노력이 선행되어져야 하겠다.
로봇의 구성요소 중 센서와 모터의 조합은 자극과 반응을 구현할 수 있어 동물의 움직임을 표현하는 데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
로봇활용 STEM 학습을 위해 적절한 로봇소양교육시간은 얼마인가에 대한 물음은 STEM 활동에서 로봇기능의 활용규모, 교육내용 수준, 학생변인, 교사 변인 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로 이를 고려한 파일럿 실험연구가 후속되어져야 할 것으로 보인다. 그리고 로봇소양교육과 STEM활동과 관련성에 대해 두 집단 모두 로봇 프로그래밍의 구조적·기능적 지식이 STEM 학습과 많이 관련되어 있다는 긍정적인 반응을 나타냈다.
하지만 일선 현장에서 운영 가능성, 로봇소양 교육 시수의 적절성, 도구로서 로봇의 용이성에 대해서는 소양교사와 일반교사 사이에 인식 차가 나타났다. 향후 로봇활용 STEM 프로그램의 현장 적용 전 무엇보다도 교사와 학생의 로봇소양능력이 선행되어져야 함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
STEM 교육이란?
STEM 교육이란 과학, 기술, 공학, 수학을 융합하여 지도하는 교육방식으로 국내에도 최근 STEM에 예술(Art)을 포함하여 종합적인 사고능력과 과학적 탐구정신을 기르고 미래 사회에 필요한 창의성을 갖춘 융합 과학기술 인재를 키워내는 STEAM 교육을 지향하고 있다[1]. 최근 초중등교육에서 로봇은 프로그래밍 학습에 효과적인 도구라는 인식을 넘어 STEM 관련 교과와 언어, 예술, 인문사회 등의 다양한 교과학습에도 활용되고 있다[6].
교육적 관점에서 로봇은 어떻게 구분되는가?
교육적 관점에서 로봇은 학습목표로서 로봇, 학습지원으로서 로봇, 그리고 학습도구로서 로봇으로 구분된다[15][17]. 이중 학습도구로서 로봇은 K-12 교육의 학습도구로 활용하는 관점으로 로봇은 물리, 생물, 지리, 수학, 과학, 전기, 기계공학의 학습기회와 읽기, 쓰기, 협동력, 의사결정력, 문제해결능력, 커뮤니케이션 등의 학업능력을 향상시키는데 효과적이라 알려져 있다[18].
동물을 주제로 한 로봇활용 STEM 프로그램 설계 시 고려한 기준에는 무엇이 있는가?
첫째, STEM 프로그램 개발의 목적은 과학·수학교과의 흥미도 제고에 관한 것으로 도전적인 학습과제, 실생활과 관련된 내용, 유의미한 과제를 고려하였다. 학습몰입을 이끌어 내기 위해 도전감이 있는 과제는 요구된다고 알려져 있다[3].
둘째, 프로그램은 로봇소양, 교과학습, STEM 활동의 세 부분으로 구성한다.
셋째, STEM 프로젝트 활동은 과학, 수학 교과의 학습내용과 로봇의 기능이 상호 유기적으로 연관되게 구성하였다. 즉, 단순 교과 지식 습득보다는 로봇을 활용하여 수학적 개념을 적용하고 과학적 탐구능력을 기를 수 있도록 하였다. Lindh & Holgersson(2007)은 학습과제는 현실적이고 로봇활용을 자극할 수 있도록 학습 환경이 마련되어져야 한다고 하였다[20].
넷째, 로봇은 학생들이 협력할 수 있는 학습 환경을 제공하는데 학습자 중심의 로봇활동경험을 통해 사회성, 협동성, 의사소통능력을 신장시킬 수 있도록 하였다.
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