[논문]퍼즐 기반 알고리즘 학습이 학습자의 문제 해결력에 미치는 영향

최정원; 이영준

퍼즐 기반 알고리즘 학습이 학습자의 문제 해결력에 미치는 영향
The impact of puzzle based algorithm learning on problem solving skill of learners 원문보기

컴퓨터교육학회논문지 = The Journal of Korean Association of Computer Education, v.18 no.4, 2015년, pp.1 - 9

초록
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문제해결력은 21세기 학습자라면 누구나 갖추어야 할 핵심 역량이다. 특히 컴퓨팅 시스템이 실생활과 다양한 학문 분야의 문제 해결에 효율성을 보장하기 시작하면서 컴퓨터 과학의 개념과 원리를 바탕으로 문제 해결 과정을 설계하는 알고리즘 학습에 대한 관심이 증가하고 있다. 문제해결력 향상을 위해서는 알고리즘 설계 기법을 이해해야 하는 것 뿐 아니라 직면한 문제 해결에 적합한 알고리즘 설계 기법을 찾아 적용할 수 있어야 한다. 이러한 점에서 퍼즐은 문제해결력 향상에 매우 적합한 학습 도구라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 설계하고 적용함으로써 학습자의 문제해결력 향상에 미치는 영향을 분석하였다. 연구 결과, 퍼즐 기반 알고리즘 학습은 학습자의 문제해결력 향상에 긍정적인 영향을 미친 것을 확인하였다. 이러한 결과는 퍼즐 기반 알고리즘 학습이 학습자로 하여금 알고리즘 설계 기법 이해 뿐 아니라 퍼즐 해결에 적합한 알고리즘 설계 기법을 적용하는 경험을 제공함으로써 학습자의 문제해결력을 향상시킨 것으로 해석할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Problem solving is essential skill for all students in the $21^{st}$ century. In particular, as the computing system ensures the effectiveness of problem solving in the various disciplines and real life, interest in learning algorithms to design a problem solving process is increasing. In order to improve problem solving skill, students should not only understand algorithm design skills but also apply appropriate skills to solve faced problem. In terms of these the puzzle can be considered a preferred learning tools to improve problem solving skill. Therefore, in this study we designed puzzled based algorithm learning and analyzed the impact of puzzle based algorithm learning on problem solving skills of leaners. As the results of research, we confirmed that the puzzled based algorithm learning took positive effect on enhancing problem solving skills of the learners.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

게다가 컴퓨팅 사고력 향상은 효과적이고 효율적인 문제 해결을 위해 필요한 역량이라는 점을 살펴볼 때 문제해결력 향상에 또한 도움이 될 수 있으며 선행 연구에서 진행되어 온 퍼즐을 도입한 알고리즘 학습의 효과에 대한 신뢰를 보다 확고히 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 정보 영재 학습자들의 문제 해결력 향상을 위하여 다양한 알고리즘 설계 기법들을 통합한 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 설계하고, 퍼즐 기반 알고리즘 학습이 학습자의 문제해결력에 미치는 영향을 검증하였다.
따라서 학습자의 문제 해결 과정을 살펴보는 것은 학습자가 문제 해결 과정에서 필요한 기법 들을 활용하고 있는지, 기법들을 인식하고 있는지 스스로 평가해보도록 함으로써 문제 해결 경험에 필요한 기술적인 측면을 갖추고 있는지 확인할 수 있도록 한다. 또한 문제 해결 과정에서 필요한 내적 인지 현상들을 확인할 수 있다는 점에서 문제해결력을 판단할 수 있는 기준이 될 수 있다.
본 검사지는 학습자가 자신을 스스로 평가하는 도구로, 스스로 효과적으로 문제를 해결할 수 있는 사람이라고 인식하는 학습자와 그렇지 않은 학습자 간에는 유의한 차이가 있다는 것을 바탕으로 개발되었다[23][24]. 물론 문제 해결 성향이 문제 해결 능력을 완전히 설명할 수 있는 것은 아니지만 문제 해결 능력을 설명하는 데 필요한 조건이다.
컴퓨터 과학 분야에서의 알고리즘은 두 가지 목적을 갖고 있다. 첫 번째는 다양한 알고리즘 설계 기법을 학습하고 직면한 문제 상황을 해결하는 데 적용할 수 있도록 하기 위한 목적이다. 두 번째는 설계한 알고리즘을 컴퓨팅 시스템이 이해할 수 있는 형태로 프로그래밍 하기 위해 컴퓨팅 시스템에 친화적인 형태로 알고리즘을 설계하도록 한다.

제안 방법

첫 번째는 다양한 알고리즘 설계 기법을 학습하고 직면한 문제 상황을 해결하는 데 적용할 수 있도록 하기 위한 목적이다. 두 번째는 설계한 알고리즘을 컴퓨팅 시스템이 이해할 수 있는 형태로 프로그래밍 하기 위해 컴퓨팅 시스템에 친화적인 형태로 알고리즘을 설계하도록 한다.
둘째, 퍼즐 해결 단계를 명시적으로 제시하였다. 학습자들이 문제를 해결하는 과정은 주로 과거의 경험을 바탕으로 한다.
그러나 현재 알고리즘 학습은 단순히 설계 기법의 개념과 원리를 익히는 데에 집중되어 있는 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 정보 영재의 문제해결력 향상을 위한 방법으로 퍼즐을 도입하고, 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 설계 및 적용하여 퍼즐 기반 알고리즘 학습이 정보 영재의 문제해결력에 미치는 영향을 분석하였다.
문제 해결 과정 검사지는 Lee(1978)이 개발한 Process Behaviors on problem solving performance을 번안하여 5점 평정 척도로 구성하였다. 본 검사지는 학습자가 문제 해결 과정에서 경험하게 되는 문제 인식, 문제 정의, 해결책, 고안, 문제 해결의 실천, 문제 해결 과정 검토라는 일반적인 문제 해결 단계에 대해 학습자들이 어떤 기법들을 활용하여 문제 해결에 접근하는지를 확인할 수 있다. 본 검사지의 신뢰도 계수는 Cronbach α = .
셋째, 학습자가 어려워하는 단계에 직면했을 때 즉각적인 스캐폴딩을 제공하도록 하였다. 학습자 들은 문제가 어렵다고 생각하고 해결하지 못하는 상황에 직면하게 되면 포기하는 사례들이 발생한다.
실험 집단과 통제 집단을 대상으로 알고리즘 학습을 실시하기 전 학습자들에게 각 검사지별로 10분씩 실시하였다. 알고리즘 학습 적용은 1주일에 걸쳐 하루 4시간씩 5일 동안 총 20시간 진행하였다.
알고리즘 학습 적용은 1주일에 걸쳐 하루 4시간씩 5일 동안 총 20시간 진행하였다. 실험 집단은 퍼즐 기반 알고리즘 학습을, 통제 집단은 전통적인 알고리즘 학습을 진행하였다.
실험 집단과 통제 집단을 대상으로 알고리즘 학습을 실시하기 전 학습자들에게 각 검사지별로 10분씩 실시하였다. 알고리즘 학습 적용은 1주일에 걸쳐 하루 4시간씩 5일 동안 총 20시간 진행하였다. 실험 집단은 퍼즐 기반 알고리즘 학습을, 통제 집단은 전통적인 알고리즘 학습을 진행하였다.
이러한 점에서 본 연구에서는 학습자가 학습해야 할 알고리즘 설계 기법의 범위에 특별한 제한을 두지 않고 가장 기초가 되는 순차, 반복, 조건 분기에서부터 백트래킹, B트리, 이진트리, 동적 프로그래밍, 다양한 정렬 기법, 재귀법, 욕심쟁이 알고리즘, 분할 정복 알고리즘 등 다양한 알고리즘 등을 도입하였다[6][9]. 본 연구를 위한 퍼즐 기반 알고리즘 학습에 적용되는 퍼즐과 알고리즘은<표 1>과 같다.
이러한 점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 도입하였다. 퍼즐은 퍼즐이 갖는 문제 상황이 흥미를 유발할 수 있기 때문에 학습자의 학습 동기와 참여를 지속시키기에 적합하다[4][5][6].
첫째, 퍼즐의 문제 상황은 퍼즐을 해결하려는 사람들에게 흥미로운 상황을 제공하기 때문에 문제 해결에 지속적으로 참여하도록 한다.
첫째, 학습자가 문제의 해를 찾는 데 집중하기 보다 문제 해결 과정을 설계하는 데에 집중하도록 함으로써 논리적이고 구체적인 알고리즘을 설계하도록 하였다. 문제해결의 효율성과 효과성은 문제 해결 과정 설계가 바탕이 된다.

대상 데이터

본 연구의 연구 대상은 초중등 정보 영재 학생 들로, 초등 2학급 중등 2학급 총 4학급으로 구성 되어 있다. 각 학교급별로 1학급씩 실험 집단과 통제 집단을 구성하였으며 실험 집단의 학생들은 초등학생 10명, 중학생 17명 고등학생 3명 전체 30명이며 통제 집단의 학생들은 초등학생 15명, 중학생 15명, 고등학생 6명 총 36명으로 이루어져 있다.
본 연구의 연구 대상은 초중등 정보 영재 학생 들로, 초등 2학급 중등 2학급 총 4학급으로 구성 되어 있다. 각 학교급별로 1학급씩 실험 집단과 통제 집단을 구성하였으며 실험 집단의 학생들은 초등학생 10명, 중학생 17명 고등학생 3명 전체 30명이며 통제 집단의 학생들은 초등학생 15명, 중학생 15명, 고등학생 6명 총 36명으로 이루어져 있다.

이론/모형

문제 해결 과정 검사지는 Lee(1978)이 개발한 Process Behaviors on problem solving performance을 번안하여 5점 평정 척도로 구성하였다. 본 검사지는 학습자가 문제 해결 과정에서 경험하게 되는 문제 인식, 문제 정의, 해결책, 고안, 문제 해결의 실천, 문제 해결 과정 검토라는 일반적인 문제 해결 단계에 대해 학습자들이 어떤 기법들을 활용하여 문제 해결에 접근하는지를 확인할 수 있다.
문제 해결 성향 검사는 Hepper와 Petersen(1982)이 개발한 Problem Solving Inventory를 번안하여 5점 평정 척도로 구성하였다[5]. 문제 해결 성향은 ‘자신감’, ‘접근-회피 양식’, ‘자기 통제’ 세 영역으로 구성되며 문제해결에 필요한 정의적 영역을 살펴볼 수 있다.

성능/효과

05). 문제 해결 성향의 하위 영역별로 분석한 결과에서, 실험 집단 학습자들에게서 접근 회피, 자신감에서 유의한 향상이 있는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해 통제 집단의 경우 접근 회피 영역에 대해 오히려 통계적으로 유의하게 저하된 것을 확인하였다.
셋째, 퍼즐은 단순한 문제 상황을 갖고 있어 문제 해결 과정에 집중할 수 있고 문제 해결 전략을 기억하기 쉽도록 한다. 실질적인 문제가 지속적으로 변화하는 다양한 변수들을 갖고 있는 반면, 퍼즐은 조건이 몇 가지로 주어지게 되어 문제 상황이 매우 단순하다.
연구 결과, 학습자의 문제해결력이 통계적으로 유의하게 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 퍼즐 기반 알고리즘 학습이 학습자의 문제해결력 향상에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 결과는 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 통해 학습자가 알고리즘 설계 기법을 문제 해결에 적용하는 경험을 해봄으로써 학습자의 문제해결력을 향상시킨 것이라 해석할 수 있다. 특히 문제해결력의 하위 요소 중 자신감, 접근 회피 요소에 긍정적인 영향을 미친 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

단, 본 연구에서는 학습자가 스스로를 평가하는 방식으로 문제해결력 향상을 확인하였으나 학습자가 실질적으로 문제를 해결하는 과정을 분석함으로써 보다 효과적인 퍼즐 기반 알고리즘 학습을 설계할 필요가 있다. 또한 최근 학습자의 문제 해결력의 요소로 창의성이나 의사소통력 등 다양한 측면을 포함하고 있기 때문에 이를 함께 평가할 수 있는 도구 개발을 통한 검증이 이루어져야 할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알고리즘이란?	알고리즘은 문제 해결 과정을 의미 한다[17]. 알고리즘을 정교하게 설계하고 이를 바탕으로 문제를 해결하는 것은 사람의 인지 능력에만 의존하여 문제를 해결하는 것에 비해 시행착오를 줄이도록 하며, 효과적이고 효율적인 문제 해결이 가능하도록 한다.
	문제해결력이란?	문제해결력은 문제 상황에 직면했을 때 현재 상태를 파악하고 목표 상태에 도달하기 위해서 어떤 전략과 방법을 사용해야 하는지를 설계하고 실천함으로써 해를 찾는 능력으로, 21세기 학습자가 반드시 갖추어야 할 핵심 역량 중 하나로 손꼽히고 있다. 정보 통신 기술의 발달로 원하는 지식을 언제든지 보유할 수 있게 되었기 때문에, 이제는 이 지식들을 활용하여 어떤 문제를 어떻게 해결할 것인가가 핵심이 되었기 때문이다.
	컴퓨터 과학 분야에서의 알고리즘이 갖는 두 가지 목적은 무엇인가?	컴퓨터 과학 분야에서의 알고리즘은 두 가지 목적을 갖고 있다. 첫 번째는 다양한 알고리즘 설계 기법을 학습하고 직면한 문제 상황을 해결하는 데 적용할 수 있도록 하기 위한 목적이다. 두 번째는 설계한 알고리즘을 컴퓨팅 시스템이 이해할 수 있는 형태로 프로그래밍 하기 위해 컴퓨팅 시스템에 친화적인 형태로 알고리즘을 설계하도록 한다.

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최정원？이영준 (2015). 초등 정보 영재의 알고리즘 학습을 위한 퍼즐의 교육적 활용. 한국컴퓨터정보학회논문지, 20(5), 151-159.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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