[논문]순서도를 활용한 프로그래밍 제어 구조 학습에 나타난 오류 유형 분석

최현종

[국내논문] 순서도를 활용한 프로그래밍 제어 구조 학습에 나타난 오류 유형 분석
Analysis on Types of Errors in Learning about Control Structures of Programming using Flowchart 원문보기

컴퓨터교육학회논문지 = The Journal of Korean Association of Computer Education, v.19 no.1, 2016년, pp.101 - 109

초록
AI-Helper

컴퓨팅 사고 교육에서 알고리즘의 설계는 학습자의 논리적 사고력과 절차적 사고력이 요구되는 중요한 학습 과정이다. 하지만 알고리즘 학습에 관한 연구와 학습자가 실제 학습에서 겪는 오류에 관한 연구가 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 알고리즘 설계 학습에서 순서도를 활용한 프로그래밍 제어 구조 설계에서 발견된 학습자의 오류를 분석하여, 오류 유형을 제시하였다. 대학생을 대상으로 한 강의에서 세 가지 제어 구조에 관한 평가 문항을 제시한 결과, 순차 구조에서는 오류 유형이 발견되지 않았다. 하지만 조건 구조에서는 2개의 조건문이 중첩된 경우 조건 설정에서 오류가 발생하였다. 반복 구조에서는 반복의 횟수를 조절하는 조건, 반복되는 명령문의 위치, 중첩된 반복문에서 조건과 명령문의 위치 오류가 발견되었다. 본 연구에서 나타난 오류 유형은 초 중등학교와 대학에서 실시하고 있는 컴퓨팅 사고 교육의 알고리즘 설계 학습에 참고할 수 있는 사례가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Designing algorithms is a very important learning process in computational thinking education because it requires learner's logical and procedural thinking. But the case studies that have topics of algorithms learning and students' types of errors in learning algorithms are not enough. So the purpose of this study is to analyze students' errors that discovered in the process of learning three control structures of programming using flowchart and provide types of errors in designing algorithms. Results about tests of three types of control structures in university student's algorithms learning class showed different cases of types of errors; types of sequential control error are not presented in the class, types of conditional control error are presented in the case of setting the conditions of nested conditional control, and types of iterative control are showed in the many cases of iterative conditions, statements of single and nested iterative control structure. The results of study will be a good case study about teaching designing algorithms of computational thinking education in elementary, secondary school and university.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 대학생을 대상으로 알고리즘 설계 수업을 진행하였고, 수업의 평가 문제를제시하였던 문제에서 발생하는 오류 유형과 내용을 분석하여 보았다. 평가 문제는 프로그래밍 구조의 핵심이라고 할 수 있는 세 가지 제어 구조에 관한 내용을 평가할 수 있는 문항으로 구성하였고, 이를 통해 학습자가 어떤 제어 구조를 어려워하고, 어떤 오류 유형이 많이 발생되는지를 확인할 수 있었다.
반복 구조는 특정 조건에 따라 명령어(들)가 일정한 횟수 동안, 혹은 특정 조건이 참일 때 명령어(들)가 반복되는 구조이다. 본 연구에서는 특정조건에 따라 일정한 횟수 동안 명령어(들)가 반복되는 경우에 한정된 문제를 제시하였다.
하지만 컴퓨팅 사고에서 요구하는 학생들의 절차적인 논리에 관한 사고력은 프로그래밍 전 단계인 알고리즘 설계 단계에서 많이 개발된다. 이에 본 연구는 알고리즘 설계 학습을 위주로 강의를 진행하였고, 그 학습 과정에서 학생들이 어려워하는 개념인 프로그래밍의 세 가지 제어 구조에 관한 문제에서 발생되는 학생들의 오류를 파악하였다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 대학생을 대상으로 알고리즘 설계 수업을 진행하였고, 수업의 평가 문제를제시하였던 문제에서 발생하는 오류 유형과 내용을 분석하여 보았다. 평가 문제는 프로그래밍 구조의 핵심이라고 할 수 있는 세 가지 제어 구조에 관한 내용을 평가할 수 있는 문항으로 구성하였고, 이를 통해 학습자가 어떤 제어 구조를 어려워하고, 어떤 오류 유형이 많이 발생되는지를 확인할 수 있었다.
남재원과 유인환(2011)은 초등학생의 로봇프로그래밍 교육을 위해 오류 분석에 기반한 NXC 로봇 프로그래밍 지원시스템을 개발하는 연구를 진행하였다[8]. 이 연구에서 프로그래밍 오류의 유형을 문법 오류, 논리 오류, 코딩 오류, 로봇제어오류로 분류하고, 실제 오류 발생 횟수를 조사하였다. 여기에서도 초등학생이기 때문에 로봇제어 명령어의 부정확한 사용이 가장 많은 오류를 보였다.
org)의 퍼즐 문제를 제시하여, 어려워하는 부분에 대해 조사하였다[10]. 일반적인 프로그래밍 개념인 순차와 반복, 조건과 이벤트별로 어려워하는 부분들을 조사하였다.
Piteira와 Costa(2013)도 프로그래밍의 교육적 가치에 비해 초보자들이 프로그래밍 학습에서 겪는 어려움이 의외로 많다는 것을 주장하였다[15]. 초보자들이 겪는 어려움을 학습의 개념, 학습 환경, 교육 방법, 학습 주제와 교육 자료로 구분하였다. 대표적으로 학습의 개념에서는 포인터와 참조, 매개변수와 구조화된 자료 유형, 에러 처리 등이 있었고, 교육 방법으로 혼자 학습하는 것을 어려워하였고, 교육 자료로는 인터넷의 다양한 정보와 동영상 교육 자료 등이 쉽게 활용할 수 있는 것으로 조사되었다.
그 이유는 강좌의 목표가 프로그래밍 언어의 습득이 아니라, 알고리즘을 설계하는 능력을 향상시키는 것이기 때문이다. 그래서 의사 코드와 순서도로 문제 해결을 위한 알고리즘을 작성하는 활동을 강좌의 중심 활동으로 구성하였고, 스크래치 언어는 학생들이 설계한 알고리즘이 문제를해결할 수 있는지를 확인할 수 있는 도구로 활용하였다. 주차별 강의 내용은 <표 1>과 같다.
본 연구에서 사용한 검사 도구는 와 같이 5주차부터 10주차까지 학습한 프로그램의 제어 구조인 순차, 선택, 반복을 평가할 수 있는 문항으로 구성하였다.
본 연구에서 사용한 검사 도구는 <표 2>와 같이 5주차부터 10주차까지 학습한 프로그램의 제어 구조인 순차, 선택, 반복을 평가할 수 있는 문항으로 구성하였다. 문항은 서술형 형태로 구성하였고, 학생들은 순서도로 답안을 작성하였다. 검사 도구의 문항은 문제 제시 단계에서 제시하였던 실생활의 문제보다 수와 관련된 문항을 구성하여 알고리즘과 프로그래밍이 쉽게 연관될 수 있도록 구성하였다.
본 연구의 평가 도구는 프로그래밍 학습에서가장 중요한 요소인 제어 구조(controlstructure)를 중심으로 실시하였다. 여기에 나타난 제어 구조 학습의 오류 유형을 분석하기 이전에, 문항별 정·오답 분석을 살펴보면 <표 3>과 같다.
여기에 나타난 제어 구조 학습의 오류 유형을 분석하기 이전에, 문항별 정·오답 분석을 살펴보면 <표 3>과 같다. 평가에 사용된 문항에서 완벽하게 문제를 해결한 경우(정답)와 문제를 해결하는 과정에서 오류를 범한 경우(오답)의 빈도와 백분율을 각각 표시하였다. 학생들의 답안에서 전혀 문제를 해결하지 않은 무응답은 나타나지 않았다.
<그림 3>에 제시된 순서도는 학생의 답안으로 2개의 조건문이 사용되어야 하는데 3개의 조건문이 사용되었고 두 번째 조건문의 조건에 2개의 조건이 사용되었다. 이 알고리즘에 따라 프로그램을 작성하면 실행은 되지만, 조건문의 조건에 대한 이해가 부족하다고 판단되어 오답으로 처리하였다.
15주의 수업에서 4주까지는 강의법으로 진행되었고, 5주부터 12주까지는 문제중심학습(PBL:Problem Based Learning)을 적용하여 과 같은 절차로 수업을 진행되었다.

대상 데이터

본 연구의 대상이 되는 강좌는 2015년 1학기에 실시되었고, 충청북도 청주에 소재한 대학교의 IT 학부 2학년 24명을 대상으로 하였다. 참고로 이 학생들은 모두 1학년 때에 C 프로그래밍 기초과목을 1학기 동안 이수한 학생들이다.
연구 대상 강좌는 전공 선택 과목으로 알고리즘 사고 활동과 프로그래밍으로 구성하였는데, 프로그래밍의 경우 C와 Java와 같이 학습하기 어려운 프로그래밍 언어를 사용하지 않고 교육용 프로그래밍 언어인 스크래치(Scratch)를 사용하였다. 그 이유는 강좌의 목표가 프로그래밍 언어의 습득이 아니라, 알고리즘을 설계하는 능력을 향상시키는 것이기 때문이다.

이론/모형

마지막 단계인 결과 발표 및 평가 단계에서는 자신이 작성한 순서도와 스크래치 결과물을 발표한다. 참고로 순서도의 작성은 무료 프로그램인 yEd 그래픽 프로그램을 사용하였다[16].

성능/효과

문외식(2006)은 정보영재 교육원에 재학 중인 초등학생들을 대상으로 비주얼베이식 프로그램으로 오류의 유형을 조사하였다[6]. 오류의 유형을 논리 오류, 데이터 정의 및 취급 오류, 화면 인터페이스오류, 기타 오류로 분류하여 조사하였는데, 초등학생들의 특성과 문제의 난이도 때문에 기타 오류(명령어 타이핑 오류 등)가 가장 많이 발견되었고, 그 다음이 데이터 정의 및 취급 오류로 조사되었음을 발표하였다.
김지선과 김영식(2014)은 중·고등학생들을 대상으로 온라인 프로그래밍 학습을 통해 프로그래밍 개념 성취와 오류 유형의 관계를 분석하였다[9]. 이 연구에서는 과제 수행 결과를 문법 오류, 논리 오류, 코딩 오류로 분류하여 분석하였는데, 논리 오류의 유형이 가장 높게 관찰되었다.
하지만, 중·고등 및 대학의 경우에는 조금 다른 경향을 보였는데, 구문 오류보다 논리 오류의 측면이 더 두드러지게 나타났다. 이를 통해 텍스트 입력 방식의 프로그래밍 방법보다 프로그램의 논리적 구조를 설계하는 데에 더 많은 어려움을 겪는다는 것을 확인할 수 있었다.
Milne과 Rowe(2002)은 학습자들이 프로그래밍학습에서 겪는 어려움을 확인하기 위해 대학생을 대상으로 C와 C++ 프로그래밍을 교육하고 설문을 실시하였다[13]. 이 설문을 통해 C 프로그래밍 교육에서 포인터와 메모리 할당이 가장 어려운 개념으로 파악되었다. 또한 Jenkins(2002)는 학습자들이 프로그래밍 학습을 할 때 겪게 되는 어려움을 조사하였다[14].
학생들의 답안에서 전혀 문제를 해결하지 않은 무응답은 나타나지 않았다. 주차별 학습을 한 후에 바로 평가하였는데, 제어 구조의 난이도가 높을수록 오답율이 높게 나타났다.
반복 구조의 오류 유형은 크게 반복 횟수를 조절하는 조건과 반복되는 명령문, 그리고 중첩 구조인 경우에는 중첩 구조 안에서 반복 조건과 명령문 설정 오류가 발견되었다. 반복문이 중첩 구조일 때 특히 많은 학생들이 오답을 작성하였는데, 두 개의 반복문에서 반복 조건을 변수로 제어하고, 그 반복문에서 명령문이 반복되는 경우를 논리적으로 생각하는 학습이 부족했다는 것을 확인할 수 있었다. C 프로그래밍 학습을 선수하였다고 할지라도, 순서도를 활용하여 알고리즘을 설계하는 학습에서 이런 다양한 오류 유형을 발견할 수 있다는 것은 학생들이 기존의 C 프로그래밍 실습 학습에서 알고리즘 설계보다 C 언어의 문법 학습에 치중하였다는 것을 확인할 수 있었다.
반복문이 중첩 구조일 때 특히 많은 학생들이 오답을 작성하였는데, 두 개의 반복문에서 반복 조건을 변수로 제어하고, 그 반복문에서 명령문이 반복되는 경우를 논리적으로 생각하는 학습이 부족했다는 것을 확인할 수 있었다. C 프로그래밍 학습을 선수하였다고 할지라도, 순서도를 활용하여 알고리즘을 설계하는 학습에서 이런 다양한 오류 유형을 발견할 수 있다는 것은 학생들이 기존의 C 프로그래밍 실습 학습에서 알고리즘 설계보다 C 언어의 문법 학습에 치중하였다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통해 파악된 프로그래밍 제어 구조학습에서의 오류 유형은 실제 초·중등학교와 대학에서 알고리즘을 설계하는 학습에서 유용한 자료로 사용될 것이다.
왜냐하면 오류 유형을 미리 파악하고 있다는 것은 교사의 입장에서 학습자가 오답을 할 가능성을 줄일 수 있는 효과적인 학습전략이기 때문이다. 추후 본 연구를 기반으로 제어 구조에 관한 다양한 오답 사례를 중학교와 고등학교 학생들을 대상으로 수집하고, 복잡한 문제에서 제어 구조 선택 관련 오류에 대해 좀 더 조사하여 일반화된 오류 유형을 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트웨어 교육은 무엇인가?	소프트웨어 교육은 최근 컴퓨터 교육학계의 새로운 교육 패러다임으로 자리 잡고 있는데, 단순한 소프트웨어의 개발이 아니라 실생활의 문제를 컴퓨팅 사고(computatinal thinking)로 해결할 수 있는 역량을 기르는 교육으로 정의하고 있다[2].이는 소프트웨어 교육을 단순한 프로그램 개발능력으로 한정하지 말고, 문제 해결을 위한 논리적이고 절차적인 사고 능력을 키우는 데에 집중해야 한다는 것을 의미하고 있다. 그래서 소프트웨어 교육 운영 지침과 2015 개정 교육과정의 정보 교과에서 제시하고 있는 학습 내용 영역 중 가장 중요한 영역이 바로 문제 해결을 위한 알고리즘, 프로그래밍이라 할 수 있다[5].
	반복 구조에서 발견된 오류 유형은 어떤 것들이 있는가?	반복 구조의 문제에서 발견된 오유 유형은 크게 네 가지이다. 첫 번째는 반복 횟수를 잘못 설정하는 오류이었고, 두 번째는 반복되는 횟수를 설정하는 특정 조건에 대한 오류이다. 이 두 가지 유형은 서로 비슷해 보이지만, 서로 다른 오류 유형으로 첫 번째는 반복 조건을 바르게 설정했지만 단순히 반복되는 횟수를 잘못 설정하는 경우이고, 두 번째는 반복 조건 자체를 제대로 설정하지 못하는 경우이다. 세 번째 오류 유형은 반복해야 할 명령어(들)를 제대로 설정하지 못하는 경우이고, 네 번째 오류 유형은 두 개의 반복문이 서로 중첩되는 문제에서 중첩 구조를 제대로 만들지 못하는 경우이다. 순서도를 이용하여 두 개의 반복문이 서로 중첩될 경우에 한 개의 반복문 출구를 다른 반복문의 입구로 연결하는 스택킹(stacking) 기법이 필요하다[17].
	C 프로그래밍 교육에서 가장 어려운 개념은 무엇인가?	Milne과 Rowe(2002)은 학습자들이 프로그래밍학습에서 겪는 어려움을 확인하기 위해 대학생을 대상으로 C와 C++ 프로그래밍을 교육하고 설문을 실시하였다[13]. 이 설문을 통해 C 프로그래밍 교육에서 포인터와 메모리 할당이 가장 어려운 개념으로 파악되었다. 또한 Jenkins(2002)는 학습자들이 프로그래밍 학습을 할 때 겪게 되는 어려움을 조사하였다[14].

참고문헌 (17)

교육부 (2015). 초등학교에서 대학까지, 소프트웨어(SW) 교육 청사진 나왔다!-교육부. 미래부, SW중심사회를 위한 인재양성 추진계획 발표. 교육부.미래창조과학부 보도자료.
교육부 (2015). 소프트웨어(SW) 교육 운영지침. 교육부
교육부 (2015). 2015 개정 교육과정 총론 및 각론 확정 발표. 교육부 보도자료.
미래창조과학부 (2015). 소프트웨어 중심 대학 추진 계획. 미래창조과학부 주요정책정보.
이태욱. 최현종 (2015). 정보교과교육론. 한빛아카데미.
문외식 (2006). 초등학생들이 프로그래밍 학습시 발생하는 오류유형 분석. 한국컴퓨터정보학회 논문지, 11(2), 319-327.
장혜선 (2007). 초보자의 프로그래밍 학습을 위한 에러 피드백 시스템 설계. 박사학위 논문, 고려대학교.
남재원. 유인환 (2011). 오류분석에 기반한 NXC 로봇프로그래밍 지원시스템의 개발. 정보교육학회 논문지, 15(3), 375-385.

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김지선. 김영식 (2014). 온라인 프로그래밍 개념학습 성취수준과 오류유형과의 관계 분석. 한국컴퓨터교육학회 논문지, 17(5), 43-51.
최정원. 이영준 (2014). 프로그래밍 학습에서 학습자의 어려움 분석. 한국컴퓨터교육학회논문지, 17(5), 89-98.
김수환 (2015). Computational Thinking 교육에서 나타난 컴퓨터 비전공 학습자들의 어려움 분석. 한국컴퓨터교육학회 논문지, 18(3), 49-57.
Murray, W. R.(1987). Automatic program debugging for intelligent tutoring systems. Computational Intelligence, 3, 1-16.

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Milne, I., & Rowe, G. (2002). Difficulties in learning and teaching programming-views of students and tutors. Educationa and Information Technologies, 7(1), 55-66.

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Jenkins, T. (2002). On The Difficulty of Learning to Program. 3rd Annual LTSN-ICS Conference, Loughborough University. 53-58.X
Piteira, M., & Costa, C. (2013). Learning computer programming: study of difficulties in learning programming. In Proceedings of the 2013 International Conference on Information Systems and Design of Communication, Lisboa. ACM.
yEd Graphic Editor. http://www.yworks.com/en/products/yfiles/yed/
Joyce Farrell (2012). An Object-Oriented Approach to Programming Logic and Design, 4th edition. Course Technology.

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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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