센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램 개발 및 적용 Development and Application of the STEAM Education Program Focused on the Sensor-Based Scratch Programming원문보기
과학기술에 대한 국가의 경쟁력을 위한 STEAM 교육과 정보교육의 중요성이 높아지고 있다. 본 연구의 목적은 정보교육, 특히 프로그래밍 교육 중심의 STEAM 교육을 개발하는 것이다. 프로그래밍과 다른 교과요소를 연결하면서 학생들의 흥미를 유발할 수 있는 장치로 센서를 활용한 프로그래밍 활동을 진행하였다. 개발한 교육 프로그램을 초등학교 4~5학년 대상으로 적용하였고, 창의력, 논리적 사고력, 과학의 정의적 영역에 대한 검사를 사전 사후에 실시하여 교육 프로그램의 효과를 비교, 분석하였다. 분석 결과 개발한 STEAM 교육 프로그램이 학생들의 창의력의 유창성, 독창성, 창의력 지수와 논리적 사고력, 과학적 태도의 향상에 긍정적인 영향을 준 것으로 나타났다.
과학기술에 대한 국가의 경쟁력을 위한 STEAM 교육과 정보교육의 중요성이 높아지고 있다. 본 연구의 목적은 정보교육, 특히 프로그래밍 교육 중심의 STEAM 교육을 개발하는 것이다. 프로그래밍과 다른 교과요소를 연결하면서 학생들의 흥미를 유발할 수 있는 장치로 센서를 활용한 프로그래밍 활동을 진행하였다. 개발한 교육 프로그램을 초등학교 4~5학년 대상으로 적용하였고, 창의력, 논리적 사고력, 과학의 정의적 영역에 대한 검사를 사전 사후에 실시하여 교육 프로그램의 효과를 비교, 분석하였다. 분석 결과 개발한 STEAM 교육 프로그램이 학생들의 창의력의 유창성, 독창성, 창의력 지수와 논리적 사고력, 과학적 태도의 향상에 긍정적인 영향을 준 것으로 나타났다.
The STEAM education and the computer science education have become increasingly important with the advert of science technology that enhances the national competitiveness. The purpose of the research is to develop the STEAM education program focused on programming education. I introduced a programmi...
The STEAM education and the computer science education have become increasingly important with the advert of science technology that enhances the national competitiveness. The purpose of the research is to develop the STEAM education program focused on programming education. I introduced a programming activity utilizing a sensor that can trigger students' interest with relation to other school subject factors. I applied the education program to grade 4-5 students, then compared and analyzed effects of the education program by conducting pretest and posttest regarding the creativity, reasoning skills, and the affective domain in science learning. Overall, the analysis reveals that the STEAM education program developed in this study improved fluency, originality and creativity index of the students' creativity, reasoning skills and scientific attitudes.
The STEAM education and the computer science education have become increasingly important with the advert of science technology that enhances the national competitiveness. The purpose of the research is to develop the STEAM education program focused on programming education. I introduced a programming activity utilizing a sensor that can trigger students' interest with relation to other school subject factors. I applied the education program to grade 4-5 students, then compared and analyzed effects of the education program by conducting pretest and posttest regarding the creativity, reasoning skills, and the affective domain in science learning. Overall, the analysis reveals that the STEAM education program developed in this study improved fluency, originality and creativity index of the students' creativity, reasoning skills and scientific attitudes.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 프로그래밍을 학습하면서 과학 기술 분야에 대한 흥미와 자신감을 높일 수 있도록 초등학생을 대상으로 하는 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발한 교육 프로그램은 초등학생들을 대상으로 투입 하였고 프로그램 투입 후 학생들의 창의력, 논리적 사고력, 과학에 대한 정의적 영역에서 어떠한 변화를 보였는지를 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 센서 기반의 스크래치 프로그래밍 활동을 통해 과학 주제를 학습하고 융합적인 사고를 경험함으로서 프로그래밍과 과학 학습에 흥미를 느낄 수 있도록 STEAM 교육 프로그램을 구성하였다. 교육 프로그램의 STEAM 각 교과 요소는 [Table 1] 과 같다.
본 연구에서는 초등학교 4～5학년의 학습자를 대상으로 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 적용하였다. 실험 결과를 통해 개발된 교육프로그램이 학생들의 창의력, 논리적 사고력, 과학에 대한 정의적 영역에 대한 긍정적인 효과를 보여주었다.
이에 본 연구에서는 프로그래밍을 학습하면서 과학 기술 분야에 대한 흥미와 자신감을 높일 수 있도록 초등학생을 대상으로 하는 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발한 교육 프로그램은 초등학생들을 대상으로 투입 하였고 프로그램 투입 후 학생들의 창의력, 논리적 사고력, 과학에 대한 정의적 영역에서 어떠한 변화를 보였는지를 살펴보고자 한다.
제안 방법
STEAM 주제 학습 단계는 일리노이주 주립대의 CeMaST(Center for Mathematics, Science, and Technology)의 IMaST(Integrated Mathematics, Science, and Technology) 프로젝트에서 사용되었던 순환학습 모형을 본 연구에 맞게 수정하여 진행하였다. 학생들은 발표, 조사, 토의하는 활동을 통해 주어진 문제를 학습한다.
교육 프로그램의 투입은 사전·사후 검사를 포함하여 6일간 총 30차시로 진행하였고 프로그램 일정은 [Table 6]과 같다.
교육과정을 분석하여 15개의 예비 주제를 선정하였는데, 센서 기반의 프로그래밍 교육의 적합 여부, STEAM 교육 주제로서의 효과성 여부, 학생의 흥미를 유발 여부를 기준으로 정보교육, 초등교육 전문가 집단과 협의하여 5개의 주제를 선정하였다. 선정된 주제는 [Table 2]와 같다.
1주제 야행성 동물(빛센서)와 5주제 과일을 이용한 입력 장치(전기저항)처럼 특정 센서가 필요한 경우를 제외하고는 센서의 활용에 제한을 두지 않았기 때문에 처음 활용하는 시점에서는 주로 그 차시에 배운 내용을 활용하는 경향이 강했으나 시간이 지날수록 자기만의 창의적인 스토리를 만들어 내기 위해 여러 개의 센서를 활용하는 등 각자의 아이디어로 센서를 활용하는 모습을 관찰할 수 있었다. 교재를 자체 제작하여 활용하였는데 학생들의 아이디어를 만들어 내고 프로그램을 설계할 수 있도록 스케치를 통한 구상활동을 하도록 하였다. 구상활동이 끝나면 구상한 프로그램을 완성하고 이것을 이야기로 풀어 내어 자신만의 이야기를 발표하는 활동을 가졌다.
학생들은 발표, 조사, 토의하는 활동을 통해 주어진 문제를 학습한다. 그 과정에서 생성된 아이디어를 반영하여 이야기나 게임 등의 형태로 프로그래밍을 작성하고 이것을 다른 사람에게 디지털 스토리텔링하는 활동을 진행하였다. 본 연구에서 사용한 학습 모형을 [Table 4]에 제시하였다.
본 연구에서 개발한 교육 프로그램이 실험집단에 미치는 영향을 분석하기 위해 프로그램의 투입 사전·사후에 논리적 사고력, 창의력, 과학에 대한 태도 및 흥미에 대한 검사를 각각 실시하였다.
본 연구에서 개발한 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램의 교육적 효과를 살펴보기 위해 창의력, 논리적 사고력, 과학의 정의적 영에 대한 검사 결과를 다음과 같이 분석하였다.
본 연구에서 개발한 프로그램의 교육적 효과를 분석하기 위해 창의력, 논리적 사고력, 과학과 관련된 정의적 특성 검사를 진행하였다.
이 검사지는 Roadrangka 등에 의해 개발되었는데 논리적 사고력을 보존, 비례, 변인통제, 확률, 상관, 조합논리 등의 하위요소로 나누어 각 하위요소, 합계 점수를 통해 대상자의 논리적 사고력을 측정할 수 있는 도구이다. 본 연구에서는 노정원의 연구에서 사용한 12문항의 축소본 검사지를 원본의 의미를 손상시키지 않는 범위 내에서 학생들에게 친숙한 이름과 보충 설명을 추가해서 사용하였다[16].
학생들의 과학에 대한 흥미 및 태도에 대한 변화를 측정하기 위해 김효남 등이 개발한 검사지를 사용하였다. 이 검사지는 과학의 정의적 특성을 과학에 대한 인식, 흥미, 태도의 3가지 분야로 구분하여 제시하였고 각 분야에 대한 하위 영역을 나누어 세분화하였다. 각 하위 영역별로 3개의 문항 총 48개의 문항으로 이루어져있으며 각 문항은 5단계의 리커트 척도로 구성되었다[6].
우리나라의 STEAM 교육은 미국에서 시작된 STEM에 비해 창의성을 강조하고 있다. 이러한 STEAM 교육의 특징에 맞게 학생들의 창의력을 측정하였다. 창의력을 측정하기 위한 도구로 Torrance가 개발한 TTCT(Torrance Tests of Creative Thinking) 검사지 중 도형 A형 검사지를 사용하였다.
이에 성급한 종결에 대한 저항 영역을 제외한 나머지 영역에 대하여 사전·사후검사를 비교하였고 그 결과를 [Table 8]에 제시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 개발한 프로그램의 교육적 효과를 살펴보기 위해 컴퓨터교실에 지원한 14명의 학생을 실험집단으로 선정하였다. 컴퓨터교실은 지역 내 4, 5학년 초등학생 중 프로그래밍 강좌 수강을 희망하는 학생들을 모집하여 교육기부 형태로 운영되었다.
센서 기반의 스크래치 프로그래밍과 과학 주제를 융합하기 위하여 2007 개정 과학과 교육과정 중 초등학교 4～6학년의 내용을 분석하였다. 과학 교과를 중심으로 내용을 선정한 이유는 STEAM 교육이 과학에 대한 흥미와 태도를 향상시키기 위한 것이고 궁극적으로 인류가 직면한 문제의 해결과 과학에 대한 경쟁력을 기르기 위한 목적을 갖고 있기 때문이다.
데이터처리
논리적 사고력 검사지로 사용한 GALT의 경우 각하위요소별 문항이 2개 밖에 없기 때문에 이에 대한 정규성 검정이 어려워 논리적 사고력 합계에 대하여 Shapiro-Wilks 정규성 검정을 실시하였고 그 결과를 [Table 9]에 제시하였다.
먼저 실험집단의 사전 창의력 검사에 대하여 Shapiro-Wilks 정규성 검정을 실시하였고 [Table 7] 은 그 결과를 나타낸 것이다.
본 연구에서 개발한 프로그램이 과학과 관련된 정의적 특성에 미친 영향을 알아보기 위해 사전·사후검사 결과를 분석하였다.
실험집단의 과학과 관련된 정의적 영역에 사전검사에 대하여 Shapiro-Wilks 정규성 검정을 실시하였고 그 결과를 [Table 11]에 제시하였다.
이론/모형
교육 프로그램에서 중요한 요소인 센서를 활용하기 위한 도구로 헬로보드를 사용하였다. 헬로보드는 소리 센서, 빛 센서, 전기저항 센서, 슬라이드와 버튼이 있어 소리, 빛, 전기저항, 슬라이드와 버튼의 입력을 받을 수 있기 때문에 학생들의 흥미를 유발할 수 있다는 장점이 있다.
논리적 사고력을 측정하기 위한 도구로 GALT (Group Assessment of Logical Thinking)를 사용하였다. 이 검사지는 Roadrangka 등에 의해 개발되었는데 논리적 사고력을 보존, 비례, 변인통제, 확률, 상관, 조합논리 등의 하위요소로 나누어 각 하위요소, 합계 점수를 통해 대상자의 논리적 사고력을 측정할 수 있는 도구이다.
이러한 STEAM 교육의 특징에 맞게 학생들의 창의력을 측정하였다. 창의력을 측정하기 위한 도구로 Torrance가 개발한 TTCT(Torrance Tests of Creative Thinking) 검사지 중 도형 A형 검사지를 사용하였다. 도형 검사지는 유창성, 독창성, 제목의 추상성, 정교성, 성급한 종결에 대한 저항의 영역과 각 영역의 평균점수인 창의력 평균, 창의력 평균에 창의력 강점 점수화하여 합산한 창의력 지수로 구성되어 있다[21].
STEAM 교육은 학생들이 갖고 있는 과학에 대한 흥미와 태도가 긍정적으로 변화하기를 기대한다. 학생들의 과학에 대한 흥미 및 태도에 대한 변화를 측정하기 위해 김효남 등이 개발한 검사지를 사용하였다. 이 검사지는 과학의 정의적 특성을 과학에 대한 인식, 흥미, 태도의 3가지 분야로 구분하여 제시하였고 각 분야에 대한 하위 영역을 나누어 세분화하였다.
성능/효과
검사 결과 성급한 종결에 대한 저항 영역의 유의도가 .000으로 나타나 귀무가설을 기각하여 정규성이 만족되지 않았다. 나머지 영역에서는 유의도가 유의수준인 .
제목의 추상성에서 점수가 다소 낮아지긴 했지만 통계적으로 유의미하지는 않았다. 결과적으로 TTCT 검사의 창의력 지수가 통계적으로 유의미하게 상승된 것으로 보아 개발한 교육 프로그램이 학생들의 창의력이 향상에 기여한 것으로 나타났다.
정규성 검정을 하지 않은 모든 하위요소에서도 통계적으로 유의미하지 않았지만 점수가 상승한 것으로 나타났다. 본 프로그램에서 실시한 교육 프로그램이 실험집단의 논리적 사고력의 향상에 긍정적인 영향을 준 것으로 나타났다. 이는 프로그래밍을 통한 문제해결과정이 학생들의 논리적 사고력 신장에 도움을 준 것으로 판단된다.
본 연구에서는 초등학교 4～5학년의 학습자를 대상으로 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 적용하였다. 실험 결과를 통해 개발된 교육프로그램이 학생들의 창의력, 논리적 사고력, 과학에 대한 정의적 영역에 대한 긍정적인 효과를 보여주었다. 이는 프로그래밍, 넓게는 정보과학 기반의 STEAM 교육 프로그램의 교육적인 활용 가능성이 높다는 것을 시사한다.
실험집단의 사전·사후 논리적 사고력 점수를 분석한 결과 논리적 사고력 평균점수가 상승하였으며 통계적으로도 매우 유의미한 것으로 나타났다.
실험집단의 사전·사후 창의력 점수를 분석한 결과 유창성, 독창성, 정교성, 창의력 평균, 창의력 지수의 점수가 상승하였으며 그 중에서도 유창성, 독창성, 창의력 지수 점수의 향상은 통계적으로 유의한 것으로 나타났다.
창의력 검사에서는 유창성과 독창성의 영역, 창의력 지수가 통계적으로 유의미한 상승한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 교육 프로그램이 STEAM 교육에서 강조하는 창의력 향상에 기여 하고 있음을 보여준다.
정규성 검정 결과 과학과 관련된 인식, 흥미, 태도와 평균 점수가 모두 유의수준인 05보다 크기 때문에 귀무가설이 채택되어 정규분포임을 확인하였다.
실험집단의 사전·사후 논리적 사고력 점수를 분석한 결과 논리적 사고력 평균점수가 상승하였으며 통계적으로도 매우 유의미한 것으로 나타났다. 정규성 검정을 하지 않은 모든 하위요소에서도 통계적으로 유의미하지 않았지만 점수가 상승한 것으로 나타났다. 본 프로그램에서 실시한 교육 프로그램이 실험집단의 논리적 사고력의 향상에 긍정적인 영향을 준 것으로 나타났다.
정규성 검정의 결과 논리적 사고력 합계의 유의도가 .801로 유의수준인 .05보다 크므로 귀무가설이 채택되어 정규분포임을 확인하였고 개발한 교육 프로그램이 실험집단의 논리적 사고력에 미친 영향을 알아보기 위해 사전, 사후검사 결과를 비교하였으며 그 결과는 [Table 10]과 같다.
창의력 검사에서는 유창성과 독창성의 영역, 창의력 지수가 통계적으로 유의미한 상승한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 교육 프로그램이 STEAM 교육에서 강조하는 창의력 향상에 기여 하고 있음을 보여준다.
후속연구
본 연구는 센서 기반의 스크래치 프로그래밍을 통한 STEAM 교육 프로그램의 효과를 보여주었지만 센서를 사용하지 않은 스크래치 중심의 STEAM 교육 프로그램 등과의 직접적인 비교를 하지 못한 점과 실험집단의 규모가 작은 점, 동일한 검사지로 인한 학습 효과에 대한 검증이 부족한 점 등에서 한계점이 있다. 향후 더 많은 학습자들을 대상으로 센서를 활용한 프로그래밍과 STEAM 교육에 대한 집단 비교연구를 통해 초등학생들에게 미치는 영향을 세분화하는 연구가 필요하다.
본 연구는 센서 기반의 스크래치 프로그래밍을 통한 STEAM 교육 프로그램의 효과를 보여주었지만 센서를 사용하지 않은 스크래치 중심의 STEAM 교육 프로그램 등과의 직접적인 비교를 하지 못한 점과 실험집단의 규모가 작은 점, 동일한 검사지로 인한 학습 효과에 대한 검증이 부족한 점 등에서 한계점이 있다. 향후 더 많은 학습자들을 대상으로 센서를 활용한 프로그래밍과 STEAM 교육에 대한 집단 비교연구를 통해 초등학생들에게 미치는 영향을 세분화하는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
센서 기술은 어떤 장점이 있는가?
과학기술과 정보 과학을 융합하기 위하여 다양한 방법이 제시되고 있는데 그 중 하나가 센서를 활용한 교육이다. 센서 기술은 로봇이나 스마트폰 등에서 많이 사용되어 최근 일반인들에게도 친숙할 뿐만 아니라 학생들의 흥미를 이끌어낼 수 있고 과학기술과 정보과학을 쉽게 연결 시켜 프로그래밍을 학습할 수 있다는 장점이 있다.
스크래치의 장점은 무엇인가?
스크래치는 프로그래밍을 처음 접하는 학생들을 위한 교육용 프로그래밍 언어이다. 직관적인 블록 쌓기 방식으로 학습자가 적응하기 쉽고 문법에 대한 부담 없이 프로그래밍을 할 수 있다. 또한 이미지, 음악, 소리와 같은 다양한 미디어를 손쉽게 조작할 수 있고, 웹을 통한 공유의 장을 지원하기 때문에 쉽게 예제를 찾아볼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그래서 스크래치는 프로그래밍을 처음 접하는 초등학생을 위해 프로그래밍을 경험하기 위한 도구로 많이 사용되고 있으며 컴퓨터과학 전공의 신입생을 위한 프로그래밍 학습 도구로도 사용되고 있다[9][12].
STEM 교육이란?
미국을 중심으로 시작된 STEM 교육은 과학 (Science), 기술(Technology), 공학(Engineering), 수학 (Mathematics)을 총체적으로 일컫는 말로 현재 STEM 교육은 전 세계의 모든 분야에서 가장 핵심적인 주제로 논의되고 있으며 과학기술교육 개혁의 중심을 이루고 있다[1].
참고문헌 (21)
Baek, Y. S., Park, H. J., Kim, Y. M., Noh, S. G., , Park, J. Y., Lee, J. Y., Jeong, J. S., Choi, Y. H. & Han, H. S. (2011), STEAM Education in Korea, Journal of Learner-Centered Curriculum and Instruction, 11-4, 149-171.
Baek, Y. S., Park, H. J., Kim. Y. M., Noh, S. G., Lee, J. Y.m Jeong. J. S. Choi, Y. H., Han, H. S. & Choi, J. H. (2012), A Study on the Action Plans for STEAM Education, Korea Foundation for the Advancement of Science and Creativity.
Han, J. H., Park, J. H., Jo, M., Park, I. W. & Kim, J. O. (2011), Learning with a Robot for STEAM in Elementary School Curriculum, Journal of Korean Information Education, 15-3, 483-492.
Hur, K. (2011), Development of PBL based Elementary Robot Programming Curriculum, Journal of Korean Information Education, 15-4. 543-550.
Hyun, D. L., Yang, Y. H., Kim, E. G. & Kim, J. H. (2011), Research on Development and Application of Learning Program about Algorithm by Using Scratch Programming, Journal of Korean Information Education, 15-3, 387-397.
Kim, H, N., Chung, W. H. & Jeong, J. W. (1998), National Assessment System Development of Science-Related Affective Domain, Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 18-3, 157-369.
Kim, J. A., Kim, B. S., Lee, J. H. & Kim, J. H. (2011), A Study of Teaching-Learning Methods for the IT-Based STEAM Education Model With Regards to Developing People of Interdisciplinary Abilities, Jour. Fish. Mar. Sci. Edu., 23-3, 445-460.
Kim, S. H. & Yu, H. C. (2013), Effect of STEAM Education Program Based on Hands on Sensor, The Journal of Korean Association of Computer Education, 16-4, 13-21.
Kim, T. H., Kim, B. S. & Kim, J. H (2012), The Effects on Pre-service Elementary School Teachers by Algorithm Learning based on Computational Thinking Using Logo, Journal of Korean Information Education, 16-4, 463-474.
Kim, T. H., Yang. Y. H. & Kim, J. H. (2013), Development and implementation of STEAM Program based on Programming using Kodu, Jour. Fish. Mar. Sci. Edu., 25-5, 1020-1030.
Kwon, D.Y. (2013), Development and Application of Robot Task using Tangible Programming Tool for Elementary Students, The Journal of Korean Association of Computer Education, 16-4, 13-21.
Maloney, J., Resnick, M., Rusk, N., Silverman, B., and Eastmond, E. (2010), The scratch programming language and environment, ACM Transactions on Computing Education, 10-4, 16:1-16:15.
Ministry of Education & Human Resources Development (2005), Revised Plan and Guide of Information and Communication Technology Education in Elementary and Middle Schools, Seoul: Ministry of Education & Human Resources Development.
Ministry of Education, Science and Technology (2010), The upcoming future, South Korea, being improved by creative human resources and advanced scientific technology. http://www.mest.go.kr.
Ministry of Education, Science and Technology (2011), Middle School Optional Subject Curriculum, Seoul: Ministry of Education, Science and Technology .
Noh, J. W.(1998), A survey Study of GALT Full Version and Short Version in Science Education, Ewha Womans University master thesis.
Oh, J. C., Lee, J. H., Kim, J. A. & Kim, J. H.(2012), Development and Application of TEAM based Education Program Using Scratch -Focus on 6th Graders' Science in Elementary School, The Journal of Korean Association of Computer Education, 15-3, 11-23.
Park, J. H., Kim, C.(2012), An Effect of Storytelling-based Robot Programming Class, Journal of Korean Information Education, 16-2, 211-222.
Resnick, M.,Maloney, J., Hernandez, A. M., Rusk, N., Eastmond, E,, Brennan, K., Millner, A., Rosenbaum, E., Silver, J., Silverman, B. & Kafai, Y.(2009), Scratch: Programming for All, Communications of the ACM, 52-11, 60-67.
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