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문제 정의
- 현시점에서 로봇을 활용한 연구 주제, 연구방법, 연구효과 등 로봇활용교육에 대한 점검을 통해 발전적 방향을 모색하는 것은 중요한 연구의미를 갖는다고 볼 수 있다. 따라서 이와 같은 선행 연구를 기초로 본 연구는 로봇활용의 교육적 효과에 대한 체계적이고 종합적인 연구를 수행하였다.
- 본 연구는 도구로서 로봇교육의 교육적 효과를 분석하기 위해 체계적 문헌고찰의 연구방법을 수행하였다.
- 이러한 연구결과를 기초로 향후 로봇교육 연구를 위한 발전적 논의를 진행하였다. 향후 연구를 위한 제언은 다음과 같다.
제안 방법
- 2001년부터 2013년까지 국내학술지 대상으로 검색한 결과 총 481편이었으며 논문의 질, 연구대상, 교육용 로봇활용 유무, 양적·질적 연구의 4가지 조건에 따라 문헌을 추출하고 모니터링을 실시하였다.
- 검색조건은 ‘로봇 & 교육’, ‘로봇활용교육’의 두 키워드로 입력한 후 검색결과로 나타난 문헌을 다음과 같은 조건으로 단계적으로 추출하였다.
- 둘째, 연구현황, 연구목표(주제), 연구대상(유, 초, 중, 고), 연구내용(수업모델, 수업내용, 수업일정, 로봇교구), 연구방법(표본, 실험설계, 실험절차), 연구효과에 문헌연구 분석을 수행하였다.
- 최초 검색 결과는 학술교육원 83편, 학술정보원 118편, 누리미디어 280편으로 총 481편이었다. 연구자는 먼저 문헌별 제목과 초록을 다운받아 읽은 후 다섯 단계의 조건에 따른 문헌 분석 및 추출을 실시하였다. 초록에 연구목적, 연구내용, 연구방법이 명시되지 않아 추출이 불가능할 경우 전체 문헌(full text)을 참고하였다.
- 제 2분석자는 교육경력이 13년 이상인 초등학교 교직경력을 지니고 있었다. 연구진은 로봇교육관련 논문 20편을 우선적으로 분석한 후 문헌 검색 키워드, 프로토콜 우선순위, 분석 기준, 범위 및 분석방법을 충분히 논의하였다.
- 초록에 연구목적, 연구내용, 연구방법이 명시되지 않아 추출이 불가능할 경우 전체 문헌(full text)을 참고하였다. 이후 선정된 논문을 대상으로 엑셀 프로그램에 연구자, 연구대상, 실험설계, 로봇유형, 주제어, 연구효과 등의 리스트를 작성하였다. 단계별로 문헌 제외 결과는 다음 <표 1>과 같다.
- 그리고 문성환 외(2011), 권대용 외(2010), 현은자 외(2012)의 연구처럼 연구자가 직접 개발한 로봇이 활용되기도 하였다. 재량 및 특기적성의 로봇은 프로그래밍 학습의 도구로 활용되었으며 정규교과에서 로봇은 센서를 활용한 과학실험, 모터와 LED를 이용한 창작표현활동, 노작활동, 모터 회전 비율을 이용한 수학교과 활동에 활용되었다. 교육유형별로는 정규교과(중등 정보 포함)가 22편으로 가장 많았고, 재량 및 특별활동 16편, 방과후 활동 12편순으로 나타났다.
대상 데이터
- 1 단계 : 연구의 질(quality)관리 차원으로 등재·등재후보지에 속한 논문을 대상으로 하였으며 학술대회논문의 경우는 제외하였다.
- 1단계 188편(39%), 2단계 105편(22%), 3단계 95편(20%), 4단계 22편(5%)이였으며 최종적으로 75편(16%)이 추출되었다. 하지만 최종 분류된 문헌 중 40편은 타 데이터베이스와 중복된 문헌으로 나타나 이를 제거한 결과 최종 문헌고찰에는 50편(10%)이 활용되었다.
- 2 단계 : 로봇활용의 교육적 효과를 분석하는 것으로 연구대상은 K-12 학생을 대상으로 하였다.
- 3 단계 : 로봇은 학습자 스스로 조작할 수 있는 교구로 국내외에 알려진 교육용 로봇(ex. 레고 마인드스톰)을 활용한 논문을 대상으로 하였다.
- 이것은 실과교과가 5, 6학년에 편성되어 있는 외적요인과 인지적 발달단계 측면에서 로봇의 조립과 프로그래밍에 대한 이해가 고학년에 적합하다는 것을 반증한다고 볼 수 있다. 그리고 초등학교 중학년과 고학년을 함께 연구한 논문도 8편이 되었다. 선행연구에 의하면 유치원 대상의 로봇교육 논문은 전체의 15.
- 문헌고찰은 2001년부터 2013년 3월까지 발표된 국내학술지로 한국학술정보원, 누리미디어, 학술교육원의 세 개의 검색엔진을 활용하였다. 검색조건은 ‘로봇 & 교육’, ‘로봇활용교육’의 두 키워드로 입력한 후 검색결과로 나타난 문헌을 다음과 같은 조건으로 단계적으로 추출하였다.
- 본 연구도 연구의 목적에 검색 조건을 정한 후 검색된 논문을 대상으로 단계적으로 필터링을 수행하였으며 최종 선정된 논문을 대상으로 분석을 실시하였다.
- 분석에 활용한 로봇 유형은 레고 마인드스톰이 16편에서 활용되었으며, 피크크리켓 12편, RoboRobo 5편, 전자키트 5편 순으로 많이 활용되었다. 그리고 문성환 외(2011), 권대용 외(2010), 현은자 외(2012)의 연구처럼 연구자가 직접 개발한 로봇이 활용되기도 하였다.
- 셋째, 연구표본 추출에 있어 실험 및 비교집단 모두 주위에서 이용하기 쉬운 가용표본을 이용하였다. 이러한 표본추출은 주위에서 쉽게 구하고 학습관리에 용이한 측면도 있지만 단점은 표집오차가 높고 일반화를 위한 대표성이 결여된다는 단점이 있다.
- 총 37편의 양적연구 방법 중 연구자들이 가장 많이 사용한 실험설계는 이질집단 사전 사후 실험설계로 총 30편에서 활용되었으며 단일 사전·사후검사설계는 7편이 적용되었다. 양적연구의 검증방법으로 33편에서 t검증을 활용하였으며 공변량분석 1편, 분산분석 2편, 카이검증 1편이 사용되었다. 질적연구의 방법으로는 조사 및 분석 11편, 인터뷰 8편, 관찰연구 9편이 활용되었다.
- 체계적 문헌고찰에 소요된 연구는 2013년 2월 10일부터 2013년 5월 15일까지 세 달이 소요되었다. 이 과정에서 연구자 이외의 컴퓨터교육전공 박사 1인을 제 2분석자로 두었다. 제 2분석자는 교육경력이 13년 이상인 초등학교 교직경력을 지니고 있었다.
- 양적연구의 검증방법으로 33편에서 t검증을 활용하였으며 공변량분석 1편, 분산분석 2편, 카이검증 1편이 사용되었다. 질적연구의 방법으로는 조사 및 분석 11편, 인터뷰 8편, 관찰연구 9편이 활용되었다.
- 총 37편의 양적연구 방법 중 연구자들이 가장 많이 사용한 실험설계는 이질집단 사전 사후 실험설계로 총 30편에서 활용되었으며 단일 사전·사후검사설계는 7편이 적용되었다.
- 2001년부터 2013년까지 국내학술지 대상으로 검색한 결과 총 481편이었으며 논문의 질, 연구대상, 교육용 로봇활용 유무, 양적·질적 연구의 4가지 조건에 따라 문헌을 추출하고 모니터링을 실시하였다. 최종적으로 선정된 논문은 50편이었으며 연구현황, 연구주제, 교육방법, 연구방법, 교육효과의 5가지 측면에서 분석을 실시하였다.
- 최초 검색 결과는 학술교육원 83편, 학술정보원 118편, 누리미디어 280편으로 총 481편이었다. 연구자는 먼저 문헌별 제목과 초록을 다운받아 읽은 후 다섯 단계의 조건에 따른 문헌 분석 및 추출을 실시하였다.
데이터처리
- 셋째, 빈도분석을 위해 Excel 2010에 코딩하여 각 항목별로 빈도와 비율을 산출하였으며 내용분석도 병행 실시하였다.
이론/모형
- 연구의 주제어는 각 주제어의 빈도수를 분석한 다음 태그 구름(Tag Cloud) 기술을 활용하여 분석하였다. 태그 구름은 주제어의 빈도수에 따라 태그의 가중치를 색상의 명도 조절, 글자의 크기 증가, 두껍게 처리, 텍스트 색상 등의 효과를 시각적으로 표시하는 방식이다[7].
- 첫째, 도구적 목적으로서 로봇의 교육적 효과를 분석하기 위해 Benitti(2012)가 실시한 체계적 문헌고찰을 재활용하였다[12]. 다음 (그림 1)과 같이 계획하기, 실행하기, 보고하기의 3단계의 과정으로 구성되어있다.
성능/효과
- 50편의 연구물에 명시된 주제어는 총 184개로 분석되었으며, ｢로봇｣이 19개로 가장 많이 사용되었으며, ｢로봇교육｣과 ｢창의성｣이 각 10개, ｢문제해결능력｣ 8개, ｢로봇활용교육｣과 ｢교육용로봇｣이 각 6개, ｢학습태도｣ 5개, ｢학습동기｣ 4개, ｢STEM｣ 4개 순으로 사용 빈도가 높게 나타났으며 태그 기술로 표현결과는 다음 (그림 3)과 같다.
- 다섯째, 연구효과 측면에서 로봇은 대부분 긍정적인 연구결과를 제공하였지만 일부 유의미하지 않은 결과도 보고되었다. 이러한 상반된 연구결과는 교실에서 로봇 활용 자체가 교육적 효과를 장담하기 보다는 교육과정, 교육방법, 교수학습에 관련된 교사, 학생 모두가 학습 성공의 중요한 열쇠임을 의미한다.
- 둘째 교과 외 활동으로 재량활동, 캠프, 영재교육 활동에의 로봇은 프로그래밍 교육의 도구로 사용되었으며 입증된 연구결과는 창의성, 논리적사고력, 문제해결력, 주의집중력, 프로그래밍에 대한 긍정적 가치, 자신감, 태도 등이었다. 이와 같은 학업능력에 대해 ｢21세기 능력을 위한 파트너십｣은 학교를 졸업 후 사회에 진출하는 학습자가 현실적으로 직면하게 되는 문제해결상황에 도움이 되므로 강조하고 있는 요인들로 보고 있다[24].
- 둘째, 추출된 논문의 질적 수준은 논문지의 등급에 따라 일괄 평가되어 각 논문의 질적 수준을 동일하게 통제할 수 없었다.
- 연구방법에서 양적연구는 질적 연구의 약 3배를 차지하였으며 t검증과 이질집단 사전사후 실험설계가 대부분을 차지하였다.
- 첫째 로봇을 과학, 수학, 실과, 미술, 정보 그리고 STEAM 활동에 활용한 결과 교과에 대한 학업성취도 뿐만 아니라 교과에 대한 자신감, 흥미, 태도, 몰입 등의 정의적 요인에도 긍정적 영향을 주었다. 그리고 교과학습 과정에서 창의성, 탐구능력, 문제해결력의 학업능력의 신장도 가져왔다.
후속연구
- 넷째, 대부분의 로봇교육 연구가 단 기간의 프로그램 적용 및 검증에 관한 것이었는데 장기적인 플랜을 갖고 연구를 수행할 필요가 있다. 미국의 경우 로봇을 엔지니어링 교육활동에 적용하려는 시도를 하고 있는데, 매사추세추주의 K-12까지 과학, 기술, 엔지니어링 교육과정을 운영하고 있는 점과 조혜경 외(2012)의 초중등 로봇소양교육과정 시범학교 운영과 같은 장기간의 연구 수행이 요구된다[9].
- 넷째, 일선교육현장에 로봇활용수업을 확대하기 위해서는 교육과정 분석, 로봇활용 수업환경, 교사의 역할, 수업실시, 연구효과 등의 기술에 있어 보다 구체적인 기술이 요구된다.
- 둘째, 교과는 로봇 프로그래밍 수업의 학습맥락이 될 수 있는데 중등학교 수준에서 STEM 융합과 관련한 연구가 요구된다.
- 즉 선행연구를 기초로 발전적 후속연구가 수행보다는 연구 상황과 조건을 달리한 유사한 연구가 계속 발표되고 있는 것으로 나타났다. 따라서 향후에는 교육방법 개선과 같은 다양한 각도에서 연구가 수행되어져야 할 것으로 보이며 특히 로봇프로그래밍 활동의 연구는 효과가 있고 없음을 보고하는 수준을 넘어 결과 도출의 전 과정에 대한 심도 있는 분석이 필요할 것으로 사료된다.
- 양적 연구는 결과, 일반화, 예측, 인과적 설명에 초점을 둔 지식을 산출한다면, 질적 연구는 과정, 외연, 이해, 설명을 강조하는 지식을 산출한다고 볼 수 있다. 지난 10여 년간 로봇은 프로그래밍교육 및 교과활동에서 긍정적 교육적 효과를 충분히 입증해 왔다고 볼 수 있으며 향후 연구는 질적인 연구로의 전환이 필요한 시점으로 볼 수 있다.
- 첫째, 양적연구와 더불어 로봇활용수업을 설명하는 질적연구가 수행되어져야 한다.
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