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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 필요성에 맞추어 초등학교 현장에서 쉽게 적용할 수 있는 차시대체형의 수학 기반 CT 교수⋅학습 자료를 개발하여 학교현장 정착과 일반화를 위한 기반을 마련하고 SW교육의 활성화에 도움을 주고자 한다.
- 이러한 선행연구 분석 결과, 초등교육을 위한 CT관련 연구는 부족하며, SW교육의 활성화라는 관점에서 타교과와의 연계 전략 및 프로그램 개발에 관한 연구를 찾아보기 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 현장 적용의 효율성을 높이기 위하여 수학교육과정과 연계한 CT 프로그램을 개발하고자 한다.
- 본 연구는 초등 SW교육을 활성화하기 위한 전략의 하나로 수학기반 CT교육 자료를 개발하여 학교현장에 적용하고 다른 교과에 SW교육을 일반화하기 위한 기반을 마련하고자 실시하였다.
- 본 연구의 방법은 문헌연구와 프로그램 개발 연구를 중심으로 진행하며 전문가집단을 대상으로 개발된 CT 프로그램에 대한 효과성과 적용성의 검증을 하였다. 전문가집단은 컴퓨터교육학 박사와 초등교사 중 컴퓨터교육 석사학위 이상의 전공자를 대상으로 하였다.
- 본 프로그램에서는 학습자의 학습동기에 대한 호기심과 흥미를 불러일으키기 위하여 동기유발 단계에 스토리를 제시하였다. 스토리는 학습자가 일상생활에서 겪어 보았을 만한 공감이 형성되는 이야기로 구성하였으며, 이러한 내용으로 스토리를 구성하여 제시한 이유는 자신의 비슷한 생활 문제로 인식하게 되면 자연스럽게 수업시간에 공부하고자 하는 학습목표와 연계가 이루어져 학습의 효율성을 이끌어낼 수 있기 때문이다.
제안 방법
- 10개의 주제 중 3개는 언플러그드를 활용한 발견학습으로, 7개의 주제는 EPL을 활용한 디자인 기반 학습으로 선정하였다. 수학교과의 영역별로 살펴보면 수와 연산 1개, 도형 2개, 측정 1개, 규칙성 5개, 확률과 통계 1개로 규칙성에서 CT를 적용할 수 있는 요소를 많이 찾을 수 있었다.
- CSTA와 ISTE(International Society for Technology in Education)에서는 David Barr, John Harrison, & Leslie Conery[3]의 연구결과를 바탕으로 정보과학적 사고의 핵심 개념과 능력으로 자료수집(Data Collection), 자료분석(Data Analysis), 자료표현(Data Representation), 문제 분해(Problem Decomposition), 추상화(Abstraction), 알고리즘과 절차(Algorithms & Procedures), 자동화(Automation), 시뮬레이션(Simulation), 병렬화(Parallelization)의 9가지 개념으로 구분하고 CT를 K-12의 컴퓨터과학 표준 교육과정으로 제시하였다.
- CT요소는 CSTA와 ISTE에서 제시한 자료수집, 자료분석, 자료표현, 문제 분해, 추상화, 알고리즘과 절차, 자동화, 시뮬레이션, 병렬화의 9가지 개념을 CT, 학습요소로 적용하였다. 이를 바탕으로 구현한 CT교수학습모형은 <표 1>과 같다.
- 개발된 자료는 전문가 집단을 통해 1차 수정⋅보완을 하였고, 수정된 자료로 현장 수업을 실시하였다.
- 이것은 수학학습에서의 정보통신기술을 적극적으로 활용한다는 것이다. 교육용 프로그램으로 수학 시뮬레이션 프로그램 활용하고, ICT를 활용하여 자료수집, 자료분석, 가공, 평가를 할 수 있으며 이를 바탕으로 빅데이터, 구글검색엔진, 통계청 사이트자료, 날씨 정보 등을 구글 분석기를 통해 자료와 정보를 수집하고, 분석, 가공, 평가를 할 수 있다. 또한 연산 도구의 활용인데 울프럼알파와 매쓰메디카와 같은 계산용 툴도 ICT의 활용이라 할 수 있다.
- 문제해결을 돕기 위해 컴퓨터와 다른 도구를 이용할 수 있도록 문제를 성립하고 문제해결을 위한 자료를 논리적으로 구성하고 분석한다. 그리고 모델과 시뮬레이션과 같은 추상화를 통해 자료를 재표현하며 절차적 단계와 알고리즘적 사고를 바탕으로 해결책을 자동화한다. 또한 가장 효율적이고 효과적인 단계와 자원의 조합을 얻기 위해 가능한 해결 방법들을 찾아 분석하고, 구현하며 다양한 문제들의 해결과정을 일반화 및 전환시킨다[2].
- 첫째, 절차적 사고를 비주얼하게 표현할 수 있도록 비주얼 언어를 활용하여 도형그리기, 무늬 만들기와 같은 수업안을 구성하였다. 둘째, ICT 활용으로 스크래치로 짠 시뮬레이션을 제공하여 확률과 배수 학습에 연계시켜 보았다. 셋째, 컴퓨터 과학적인 개념과 원리 활용으로 언플러그드로 실시하였다.
- CSTA(Computer Science Teachers Association)는 CT를 문제를 해결하는 과정으로 정의하고, 다음과 같은 특성을 지닌다고 하였다. 문제해결을 돕기 위해 컴퓨터와 다른 도구를 이용할 수 있도록 문제를 성립하고 문제해결을 위한 자료를 논리적으로 구성하고 분석한다. 그리고 모델과 시뮬레이션과 같은 추상화를 통해 자료를 재표현하며 절차적 단계와 알고리즘적 사고를 바탕으로 해결책을 자동화한다.
- 문헌 연구와 교육프로그램 개발 연구를 통하여 10개 주제의 CT기반 수학교육프로그램을 개발하여 학생들에게 20차시의 수업에 적용하였고, 그 효과성을 검증하기 위하여 학생들의 만족도와 함께 전문가와 일반교사를 대상으로 프로그램 내용의 검토와 설문을 실시하여 그 결과를 검증하였다.
- 개발된 프로그램을 44명의 학생들을 대상으로 수학 수업에 적용시킨 후 학습자 만족도에 대한 결과를 분석하였다. 분석내용은 흥미, 동기유발, 효율성, 추상화, 자동화에 관한 다섯 가지 항목이었다. 추상화와 자동화 항목은 관찰평가로 실시하였으며 효율성, 흥미, 동기유발은 설문지를 활용해 실시하였다.
- 둘째, ICT 활용으로 스크래치로 짠 시뮬레이션을 제공하여 확률과 배수 학습에 연계시켜 보았다. 셋째, 컴퓨터 과학적인 개념과 원리 활용으로 언플러그드로 실시하였다. 여기에서는 발견학습모형을 적용하여 학생들이 놀이 활동을 통해 컴퓨터과학의 개념을 자연스럽게 발견할 수 있도록 구성하였다.
- 수업 실시 후 설문지를 토대로 2차 수정⋅보완하였고 전문가 집단을 대상으로 타당도 검사를 실시하여 3차 수정 후 최종 프로그램이 완성되었다.
- 셋째, 컴퓨터 과학적인 개념과 원리 활용으로 언플러그드로 실시하였다. 여기에서는 발견학습모형을 적용하여 학생들이 놀이 활동을 통해 컴퓨터과학의 개념을 자연스럽게 발견할 수 있도록 구성하였다. 특히 초등수준에서 쉽고 재미있게 컴퓨터과학을 이해시키기 위하여 이진수와 함수의 기본 개념을 교육과정과 연계시켜 개발하였다.
- 우선 CT프로그램에 대한 내용 적합성을 분석해 보았다. CT기반 수학교육 프로그램에 대한 프로그램 내용 적합성에 있어서 전문가 집단과 일반교사 집단 간에 유의미한 차이가 있는지를 분석한 결과 평균이 각각 4.
- 우선 문헌 연구를 통해 개발된 프로그램 모형에 따라, 수학 기반 CT교수학습자료를 개발하였다. 개발된 자료는 전문가 집단을 통해 1차 수정⋅보완을 하였고, 수정된 자료로 현장 수업을 실시하였다.
- 첫째, CT는 문제해결방법을 절차적으로 사고하게 한다. 절차적 사고는 인간의 사고 과정을 순서대로 제시한 것으로 수학문제 해결에서는 시각적으로 보이도록 순서대로 제시하는 방법을 사용하고자 한다. 즉, 추상화와 자동화가 여기에 해당된다.
- 수업의 내용은 앞서 정의한 CT의 세 가지 정의를 바탕으로 구성하였다. 첫째, 절차적 사고를 비주얼하게 표현할 수 있도록 비주얼 언어를 활용하여 도형그리기, 무늬 만들기와 같은 수업안을 구성하였다. 둘째, ICT 활용으로 스크래치로 짠 시뮬레이션을 제공하여 확률과 배수 학습에 연계시켜 보았다.
- 초등수학교육과정 분석을 바탕으로 CT관련 활동을 추출하여 10개의 CT프로그램 주제를 과 같이 선정하여 프로그램을 개발하였다.
- 초등수학교육과정과 연계한 CT 교수학습 모형을 구안하기 위하여 CT에 대한 정의를 바탕으로 크게 세 가지로 적용할 수 있는 교수학습 모형을 구안하였다.
- 초등수학교육과정은 3∼4학년군, 5∼6학년군으로 나누어 교육과정을 분석하여 재구성하였으며, 수학 교육 과정에서의 성취목표에 적합한 CT관련 활동을 추출하였다.
- 이 세 가지 기준으로 구성한 수업내용은 모두 수학교과의 목표를 달성하면서 그 수업 과정안에 CT요소를 충분히 연계할 수 있는 내용으로 재구성할 수 있도록 하였다. 초등학교 3학년에서부터 6학년까지 CT를 적용하여 재구성할 수 있는 내용 분석을 실시하였고, 수업 차시는 각 프로그램별 2차시씩 블록 수업형태로 구성하여 4학년 10차시와 6학년 10차시의 수업을 하였다.
- 구체적인 연구 절차는 (그림 2)와 같다. 초등학교 수학교과와 연계한 CT프로그램의 개발은 준비, 개발, 적용 및 일반화, 평가의 네 단계로 나누어 실행하였다.
- 분석내용은 흥미, 동기유발, 효율성, 추상화, 자동화에 관한 다섯 가지 항목이었다. 추상화와 자동화 항목은 관찰평가로 실시하였으며 효율성, 흥미, 동기유발은 설문지를 활용해 실시하였다.
- 여기에서는 발견학습모형을 적용하여 학생들이 놀이 활동을 통해 컴퓨터과학의 개념을 자연스럽게 발견할 수 있도록 구성하였다. 특히 초등수준에서 쉽고 재미있게 컴퓨터과학을 이해시키기 위하여 이진수와 함수의 기본 개념을 교육과정과 연계시켜 개발하였다.
- 초등수학교육과정은 3∼4학년군, 5∼6학년군으로 나누어 교육과정을 분석하여 재구성하였으며, 수학 교육 과정에서의 성취목표에 적합한 CT관련 활동을 추출하였다. 프로그램의 수준, 영역, 특징, 지도내용, CT요소, 교육과정 적용, 활용 단계에 따라 세분화하여 분석하여 CT관련 활동을 추출하였다.
- 하지만 본 연구에서는 학교현장에서의 활용을 쉽게 하기 위하여 컴퓨터 활용의 필요성을 느낄 수 있는 상황을 제시하여 시뮬레이션 또는 이미 작성된 프로그램 코드에 간단히 값만 바꾸어 학습에 활용할 수 있도록 하였다. 그 이유는 학교 현장에서 코딩교육까지 포함하여 수업을 진행하기에는 다소 무리가 있을 것이라는 판단 하에 이미 개발된 프로그램을 제공한다.
대상 데이터
- 개발된 CT프로그램의 내용 적합성을 알아보기 위해 전문가 30명과와 일반교사 60명을 대상으로 설문조사를 실시하였다.
- 개발된 프로그램을 44명의 학생들을 대상으로 수학 수업에 적용시킨 후 학습자 만족도에 대한 결과를 분석하였다. 분석내용은 흥미, 동기유발, 효율성, 추상화, 자동화에 관한 다섯 가지 항목이었다.
- 본 연구에서 개발된 CT교육 개발 프로그램의 현장 적용 적합성과 타당성을 살펴보기 위해 4학년 23명과 6학년 21명의 초등학생들을 대상으로 각각 10차시로 총 20차시의 수업에 적용하였다.
- 본 연구의 방법은 문헌연구와 프로그램 개발 연구를 중심으로 진행하며 전문가집단을 대상으로 개발된 CT 프로그램에 대한 효과성과 적용성의 검증을 하였다. 전문가집단은 컴퓨터교육학 박사와 초등교사 중 컴퓨터교육 석사학위 이상의 전공자를 대상으로 하였다.
성능/효과
- CT기반 수학교육 프로그램에 대한 CT교육 본질의 목표 달성에 있어서 유의차를 분석한 결과 평균이 각각 4.50, 4.06으로 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .006으로 통계적으로는 유의미한 차이가 나타나 개발된 CT기반 교육자료가 현장에 적용되었을 때 CT교육 본질의 목표 달성에 효과적이라는 인식을 가지고 있다. 차이가 난 배경에는 전문가 집단이 CT의 개념을 더 잘 이해하고 있기 때문이라고 볼 수 있다.
- CT기반 수학교육 프로그램에 대한 문제해결능력에 있어서 유의차를 분석한 결과 평균이 각각 4.36, 4.15로 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .126으로 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 개발된 CT기반 교육자료를 현장에 적용했을 때 초등학생들에게 문제해결능력을 향상시키는 프로그램으로 적절하다는 것으로 볼 수 있다.
- CT기반 수학교육 프로그램에 대한 자동화 능력 신장 가능성에 있어서 유의차를 분석한 결과 평균이 각각 4.40, 4.08로 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .058로 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 개발된 CT기반 교육자료를 초등수학 수업에 적용하였을 때 학생들에게 자동화 능력을 향상시키는 것으로 볼 수 있다.
- CT기반 수학교육 프로그램에 대한 추상화 능력 신장에 있어서 유의차를 분석한 결과 평균이 각각 4.23, 4.10으로 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .395로 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 개발된 CT기반 교육자료를 초등수학수업에 적용하였을 때 학생들에게 추상화 능력을 향상시킬 것으로 볼 수 있다.
- 우선 CT프로그램에 대한 내용 적합성을 분석해 보았다. CT기반 수학교육 프로그램에 대한 프로그램 내용 적합성에 있어서 전문가 집단과 일반교사 집단 간에 유의미한 차이가 있는지를 분석한 결과 평균이 각각 4.20, 4.07로 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .385로 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 개발된 CT 기반 교육자료를 초등 현장에 적용하는 데 효과적이라는 것으로 볼 수 있다.
- CT기반 수학교육 프로그램의 현장 적용 가능성에 있어서 유의미한 차이가 있는지를 분석한 결과 평균이 각각 3.72, 3,92로 둘 다 높게 나타났으며, t검정 분석 결과 P값이 .217로 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 개발된 CT기반 교육자료를 초등 수학 수업에 적용 가능성이 높다는 것으로 분석되었다. 특히 일반교사들도 전문적인 연수 프로그램 없이 간단한 사전교육을 제공한다면 CT기반 수학교육 프로그램을 현장에서 활용할 수 있다는 것으로 해석할 수 있다.
- 추상화와 자동화 관찰평가 결과, 학생들은 주어진 문제를 해결하기 위해 컴퓨터를 사용하게 될 경우 문제를 분해하여 비주얼 언어로 표현하는 것에 대하여 어렵지 않게 해결하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 명령어의 활용은 몇 가지 예시 활동만 듣고서도 스스로 또 다른 블록 명령어까지 추가하여 확장된 활동까지 하는 것을 볼 수 있었다. 자신의 생각대로 간단한 프로그래밍을 한 뒤 구현해보는 활동은 즉각적이고 직관적으로 그 결과를 확인해 볼 수 있는, 즉 자동화 과정에 아주 큰 흥미를 나타내었다.
- 10개의 주제 중 3개는 언플러그드를 활용한 발견학습으로, 7개의 주제는 EPL을 활용한 디자인 기반 학습으로 선정하였다. 수학교과의 영역별로 살펴보면 수와 연산 1개, 도형 2개, 측정 1개, 규칙성 5개, 확률과 통계 1개로 규칙성에서 CT를 적용할 수 있는 요소를 많이 찾을 수 있었다.
- 연구 결과 학생들의 만족도는 매우 높았으며, 일반교사집단과 전문가집단 모두 CT프로그램의 내용 적합성, 적용 가능성, 문제해결능력 신장, 교육목표달성, 추상화 능력, 자동화능력 신장에 있어 매우 긍정적인 결과를 볼 수 있었다.
- 추상화와 자동화 관찰평가 결과, 학생들은 주어진 문제를 해결하기 위해 컴퓨터를 사용하게 될 경우 문제를 분해하여 비주얼 언어로 표현하는 것에 대하여 어렵지 않게 해결하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 명령어의 활용은 몇 가지 예시 활동만 듣고서도 스스로 또 다른 블록 명령어까지 추가하여 확장된 활동까지 하는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
- 초등학교 교육과정에서 SW교육을 위한 시수와 적용할 수 있는 프로그램이 부족한 현실에서 본 연구에서 개발된 CT교육 프로그램들이 모델이 되어 초등학교 정규 교과시간에 연계하여 활용이 활성화되고 적절한 교사연수가 제공된다면 학생들의 CT능력 향상과 SW교육의 활성화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.
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