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문제 정의
- 또한 프로그래밍에 대해서는 막연한 어려움을 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 학습자가 흥미를 가지고 집중과 몰입을 할 수 있도록 커리큘럼을 구성하여 논리적인 사고를 통해 문제를 해결하는 능력을 신장시킬 수 있도록 하였다.
- 하지만 STEAM 역시 학교 현장의 여러 가지 제약으로 인해 실제적으로 이루어지지 않고 있으며 STEAM에 대한 실천적인 연구도 부족하다. 따라서 본 연구에서는 학습자가 직접 체험하면서 프로그래밍에 대한 동기를 유발하는 STEAM 커리큘럼을 제시하려고 한다.
- 본 연구는 아두이노를 도구로 활용한 STEAM(융합인재교육) 커리큘럼을 설계한 후 정보 영재 학생들을 대상으로 이를 적용하고 결과를 평가하였다. ‘파동’이라는 하나의 주제를 바탕으로 과학 교과, 음악 교과, 정보 교과의 관련 지식을 이해할 수 있도록 하였고, 프로그래밍을 통하여 실생활과 연관된 문제를 해결할 수 있도록 하였다.
- 본 연구는 현대사회에서 요구하는 정보 논리적 사고력을 효과적으로 신장시킬 수 있으며, 흥미롭고 집중도와 몰입도가 높은 정보 교과 STEAM 커리큘럼을 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 학교 현장에서 STEAM을 적용하여 융합적 소양을 갖춘 인재를 체계적으로 육성할 수 있도록 향후 정보 논리적 사고에 대한 정량적인 증명 방법에 관한 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다.
제안 방법
- STEAM을 통해 학습자는 실생활에서 찾아볼 수 있는 제품과 도구들을 실제로 만들어 보고 교과 지식과 아이디어를 통하여 변경하고 응용하였다. 학습자 스스로 지식을 재구조화하고 주어진 답이 아닌 다양한 해법을 발견해 나가는 과정은 논리적 사고력 신장에 크게 도움이 된 것으로 판단된다.
- 각각의 예제를 실습하는 동안 학습자가 학습하는 내용을 실생활과 연계하여 이해할 수 있도록 와 같이 수업 자료를 구성하였다.
- 학습자가 아두이노의 기능 및 도구 구성에 대한 이해가 이루어지면 교수자는 학습자를 3인씩 총 4개 조가 될 수 있도록 편성하여 각각의 학습자에게 아두이노를 제공하였다. 그리고 교수자는 난이도에 따라 주어진 예제를 구성하여 학습자에게 실습하도록 하였다.
- 아두이노의 도구 및 기능의 설명은 학습자의 수준을 고려하여 시각 자료 등으로 표현하여 이해가 쉽도록 하였다. 문제 제시 단계의 결과로 학습자들이 완성한 그림인 그래프를 이용하여 파동을 0과 1로 이루어진 디지털 신호를 연상할 수 있도록 지도하였다.
- 본 연구에서 제안하는 STEAM 커리큘럼은 ‘파동’이라는 주제를 과학 교과 내용과 음악 교과 내용, 그리고 정보 교과 내용을 융합하여 제시하고 있다.
- 학습 도구로는 아두이노를 사용하여 프로그래밍 학습에 대한 학업 성취도와 동기유발 효과를 증명한다. 본 연구에서 제안하는 조별 학습 커리큘럼은 PBL(문제중심학습) 기반으로 문제 상황을 제시한 후 이에 대한 해결 방법을 찾고 해결책과 대안을 발표하고 상호 피드백하는 과정으로 이루어진다.
- 학습자가 가지고 있는 사전 지식과 교수・학습 과정에서 습득한 지식을 기반으로 주어진 문제 해결 방법을 다양한 과정을 통하여 학습자 스스로 구성할 수 있도록 하였다. 본 연구의 커리큘럼은 PBL(문제중심학습)을 기반으로 하여 학습자가 자기 주도적으로 학습하고 조별 학습을 통하여 학습자 간의 지식이 상호 작용할 수 있도록 구성하였다. 마지막으로 아두이노의 다양한 부품과 센서를 활용하여 프로그래밍에 대한 흥미를 유발하고 교수・학습 시 집중하고 몰입할 수 있도록 유도하여, 문제 해결 이후의 학습 과정에 대한 동기부여가 될 수 있도록 하였다.
- 본 연구의 커리큘럼은 교수자의 지시에 따라 주어진 문제를 정해진 순서대로 해결하는 기존의 교수・학습 방식과는 다르게 구성하였다. 학습자가 가지고 있는 사전 지식과 교수・학습 과정에서 습득한 지식을 기반으로 주어진 문제 해결 방법을 다양한 과정을 통하여 학습자 스스로 구성할 수 있도록 하였다.
- 설문 조사는 커리큘럼 적용을 기준으로 사전과 사후로 나누어 2회 실시하였으며 사전과 사후에 동일하게 질문한 설문 항목은 컴퓨터 과목에 대한 관심도를 묻는 질문과 프로그래밍에 대한 흥미도를 묻는 질문이었다.
- 응답 항목 중 미응답 항목은 없으며 흥미도 항목만 복수응답을 허용하고 나머지는 단일 응답으로 조사하였다. 설문지의 문항은 t-test를 위해 범주형 자료에 따른 연속형 데이터가 나타나도록 구성하였다. 범주형으로 구성된 설문지는 각각의 범주에 따라 만족도, 몰입도 등은 연속형 데이터로 평균으로 나타내어 결과를 분석하였다.
- 소스코드의 모듈은 학습자가 소스코드에 대한 완전한 이해 없이도 소스코드의 일부를 변형하여 LED의 On/Off 시간을 조절하거나 모터의 회전수 혹은 각도를 변경할 수 있도록 와 같은 형태로 제공하였다.
- 실습은 난이도에 따라 만들어진 예제로 LED를 켜고 끄는 간단한 예제부터 실습을 하였다. 예제를 해결하면 LED를 On/Off할 수 있도록 스위치를 연결하거나 스위치 대신 각종 센서를 이용하여 LED를 제어할 수 있도록 심화 단계의 문제를 제시하였다.
- 각각의 예제를 실습하는 동안 학습자가 학습하는 내용을 실생활과 연계하여 이해할 수 있도록 <그림 4>와 같이 수업 자료를 구성하였다. 실습이 이루어지는 동안 학습자에게 소스코드를 모듈 형식으로 제공하여 학습자의 이해와 응용을 도왔고 학습자가 회로 구성에 어려움을 느끼는 경우에는 조언을 제공하였다. 아두이노 소스코드는 <그림 5>와 같이 구성된다.
- 연구 대상자들은 초등학교 4학년부터 6학년에 재학 중이며 남녀의 비율은 남자 7명, 여자 5명으로 구성되었다. 연구 대상자들의 특성을 파악하기 위해 사전 설문 조사를 실시하였다.
- 실습은 난이도에 따라 만들어진 예제로 LED를 켜고 끄는 간단한 예제부터 실습을 하였다. 예제를 해결하면 LED를 On/Off할 수 있도록 스위치를 연결하거나 스위치 대신 각종 센서를 이용하여 LED를 제어할 수 있도록 심화 단계의 문제를 제시하였다. 각각의 예제를 실습하는 동안 학습자가 학습하는 내용을 실생활과 연계하여 이해할 수 있도록 <그림 4>와 같이 수업 자료를 구성하였다.
- 본 연구에서 실시한 설문 조사의 표본 수는 12이며 수집한 설문 데이터는 SPSS 프로그램을 이용하여 처리하였다. 응답 항목 중 미응답 항목은 없으며 흥미도 항목만 복수응답을 허용하고 나머지는 단일 응답으로 조사하였다. 설문지의 문항은 t-test를 위해 범주형 자료에 따른 연속형 데이터가 나타나도록 구성하였다.
- 예제의 실습에서는 LED뿐만 아니라 디지털 신호의 제어에 스위치, 빛 센서, 열 센서, 초음파 센서 등 다양한 입력장치를 활용하게 된다. 최종적으로 예제의 학습이 완료되면 교수자는 자동차 후방감지기의 동작 원리와 같은 실생활의 사례에 대해 질문한 후 아두이노로 구현하는 과제를 부여하였다. 학습자는 주어진 문제의 해답을 조별 활동을 통하여 제시하였고 <그림 6>과 같은 산출물을 제작 및 발표하였다.
- 마지막으로 아두이노의 다양한 부품과 센서를 활용하여 프로그래밍에 대한 흥미를 유발하고 교수・학습 시 집중하고 몰입할 수 있도록 유도하여, 문제 해결 이후의 학습 과정에 대한 동기부여가 될 수 있도록 하였다. 커리큘럼은 60분씩 총 6차시로 구성하였다. <표 4>는 커리큘럼의 구성을 요약한 것이다.
- 본 연구의 커리큘럼은 교수자의 지시에 따라 주어진 문제를 정해진 순서대로 해결하는 기존의 교수・학습 방식과는 다르게 구성하였다. 학습자가 가지고 있는 사전 지식과 교수・학습 과정에서 습득한 지식을 기반으로 주어진 문제 해결 방법을 다양한 과정을 통하여 학습자 스스로 구성할 수 있도록 하였다. 본 연구의 커리큘럼은 PBL(문제중심학습)을 기반으로 하여 학습자가 자기 주도적으로 학습하고 조별 학습을 통하여 학습자 간의 지식이 상호 작용할 수 있도록 구성하였다.
- 학습자가 아두이노의 기능 및 도구 구성에 대한 이해가 이루어지면 교수자는 학습자를 3인씩 총 4개 조가 될 수 있도록 편성하여 각각의 학습자에게 아두이노를 제공하였다. 그리고 교수자는 난이도에 따라 주어진 예제를 구성하여 학습자에게 실습하도록 하였다.
- 학습자는 주어진 문제의 해답을 조별 활동을 통하여 제시하였고 과 같은 산출물을 제작 및 발표하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 2013년에 대학에서 선발하여 교육 중인 12명(정보 11명, 수학1명)의 정보 영재 학생들을 대상으로 진행하였다. 연구 대상자들은 초등학교 4학년부터 6학년에 재학 중이며 남녀의 비율은 남자 7명, 여자 5명으로 구성되었다.
- 본 연구는 2013년에 대학에서 선발하여 교육 중인 12명(정보 11명, 수학1명)의 정보 영재 학생들을 대상으로 진행하였다. 연구 대상자들은 초등학교 4학년부터 6학년에 재학 중이며 남녀의 비율은 남자 7명, 여자 5명으로 구성되었다. 연구 대상자들의 특성을 파악하기 위해 사전 설문 조사를 실시하였다.
- 예제의 실습에서는 LED뿐만 아니라 디지털 신호의 제어에 스위치, 빛 센서, 열 센서, 초음파 센서 등 다양한 입력장치를 활용하게 된다. 최종적으로 예제의 학습이 완료되면 교수자는 자동차 후방감지기의 동작 원리와 같은 실생활의 사례에 대해 질문한 후 아두이노로 구현하는 과제를 부여하였다.
- 비교적 가격이 저렴하며 윈도를 비롯해 맥 OS, 리눅스, 안드로이드 등과 같은 다양한 운영체제를 지원하는 것도 장점이다. <그림 1>은 본 연구에 사용한 아두이노 우노(Arduino UNO)이다. <그림 2>는 아두이노와 결합이 가능한 다양한 부품들을 보여준다.
데이터처리
- 범주형으로 구성된 설문지는 각각의 범주에 따라 만족도, 몰입도 등은 연속형 데이터로 평균으로 나타내어 결과를 분석하였다. 또한 각각의 설문 항목에 따라 가설을 성립하여 가설의 성립 유무를 확인하는 방법으로 진행하였고 수집된 데이터는 t-test(쌍체비교) 실시하였는데 이는 변수가 적은 집단 비교에 가장 적합하기 때문이다. t-test를 위하여 설문 항목에 따른 응답이 수치로 제시되어야 하므로 항목 별 차등으로 점수를 부여(아주 많다 5점, 비교적 많다 4점, 보통이다 3점, 없는 편이다 2점, 전혀없다 1점)하였다.
- 설문지의 문항은 t-test를 위해 범주형 자료에 따른 연속형 데이터가 나타나도록 구성하였다. 범주형으로 구성된 설문지는 각각의 범주에 따라 만족도, 몰입도 등은 연속형 데이터로 평균으로 나타내어 결과를 분석하였다. 또한 각각의 설문 항목에 따라 가설을 성립하여 가설의 성립 유무를 확인하는 방법으로 진행하였고 수집된 데이터는 t-test(쌍체비교) 실시하였는데 이는 변수가 적은 집단 비교에 가장 적합하기 때문이다.
- 본 연구에서 실시한 설문 조사의 표본 수는 12이며 수집한 설문 데이터는 SPSS 프로그램을 이용하여 처리하였다. 응답 항목 중 미응답 항목은 없으며 흥미도 항목만 복수응답을 허용하고 나머지는 단일 응답으로 조사하였다.
이론/모형
- White[19]는 정보 영재 교육에 사용되는 프로그래밍 학습에서 프로그래밍 언어 자체가 학습자의 지식보다 위에 있기 때문에 학습자에게 과도한 인지 능력을 요구하면 어려운 문법으로 인해 본질적 목적인 논리적인 사고 능력을 신장시키기 어렵다고 주장하였다. 학습자를 상대로 실시한 사전 설문 조사 결과와도 부합하는 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 아두이노를 활용한다.
성능/효과
- 더불어 교수・학습 과정이 이루어지는 동안 학습자의 흥미도, 집중도, 몰입도 등이 증가함을 확인할 수 있었다. 다양한 부품을 조합하여 스스로 무언가를 만들고 구성할 수 있는 아두이노를 활용한 커리큘럼을 통하여 학습자는 학습에서의 흥미도와 성취도는 물론 학습 욕구와 관심이 증가한 것으로 나타났다.
- 사전 조사에서 어려울 것 같다고 나타난 프로그래밍에 대한 선입견은 아두이노를 활용한 커리큘럼의 적용 후 의미 있는 변화가 있었다. 더불어 교수・학습 과정이 이루어지는 동안 학습자의 흥미도, 집중도, 몰입도 등이 증가함을 확인할 수 있었다. 다양한 부품을 조합하여 스스로 무언가를 만들고 구성할 수 있는 아두이노를 활용한 커리큘럼을 통하여 학습자는 학습에서의 흥미도와 성취도는 물론 학습 욕구와 관심이 증가한 것으로 나타났다.
- 학습자 스스로 지식을 재구조화하고 주어진 답이 아닌 다양한 해법을 발견해 나가는 과정은 논리적 사고력 신장에 크게 도움이 된 것으로 판단된다. 또한 조별 학습을 통하여 학습자 간의 지식 교환이 활발하게 일어나면서 혼자서 문제를 해결하는 경우보다 효율적으로 문제를 해결하는 모습도 관찰할 수 있었다.
- 본 연구의 커리큘럼은 PBL(문제중심학습)을 기반으로 하여 학습자가 자기 주도적으로 학습하고 조별 학습을 통하여 학습자 간의 지식이 상호 작용할 수 있도록 구성하였다. 마지막으로 아두이노의 다양한 부품과 센서를 활용하여 프로그래밍에 대한 흥미를 유발하고 교수・학습 시 집중하고 몰입할 수 있도록 유도하여, 문제 해결 이후의 학습 과정에 대한 동기부여가 될 수 있도록 하였다. 커리큘럼은 60분씩 총 6차시로 구성하였다.
후속연구
- 본 연구는 현대사회에서 요구하는 정보 논리적 사고력을 효과적으로 신장시킬 수 있으며, 흥미롭고 집중도와 몰입도가 높은 정보 교과 STEAM 커리큘럼을 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 학교 현장에서 STEAM을 적용하여 융합적 소양을 갖춘 인재를 체계적으로 육성할 수 있도록 향후 정보 논리적 사고에 대한 정량적인 증명 방법에 관한 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다.
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