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문제 정의
- 본 연구에서는 교육용 프로그래밍 언어 교육과 피지컬 컴퓨팅 교육의 효과성을 분석하기 위한 도구로 블록형 교육용 프로그래밍 언어인 엔트리와 연결하여 제어할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 도구인 센서보드를 선정하였다.
- 본 연구에서는 교육용 프로그래밍 언어 교육과정과 함께 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 개발하고, 해당 교육과정을 초등학교 6학년 두 학급에 차등하여 적용한 후 그 효과성을 검증하고자 한다. 한 학급은 교육용 프로그래밍 언어 교육과정만을 적용하고, 다른 학급은 같은 교육 이후 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 후 컴퓨팅 사고력과 관계된 문제해결력 검사를 실시하고 그 결과를 비교·분석한다.
- 본 연구에서는 엔트리와 센서보드를 활용한 문제 중심의 EPL 교육과정과 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 개발하고 적용하였다.
- 소프트웨어 교육의 목표인 컴퓨팅 사고력 향상을 위해 정형화된 수업모형은 아직 합의된 것이 없으므로, 본 연구에서는 교육부의 소프트웨어 교육 운영 지침(2015.2)의 초등학교의 운영 지침의 ‘알고리즘과 프로그래밍’ 영역의 내용 요소와 성취기준에 근거하여 교수·학습 모형을 설계하고자 하였다.
제안 방법
- 12차시의 문제 중심 EPL 교육과정을 통해 소프트웨어의 기본 원리를 익힌 학생을 대상으로 추가로 실시할 피지컬 컴퓨팅 교육과정 8차시를 개발하였다. 교육과정의 구성에 있어 센서보드 교육을 받는 학생들은 이미 12차시 교육을 통해 기본적인 프로그래밍 원리를 이해하고 있다고 가정하고, 센서보드를 통해 피지컬 컴퓨팅을 활용하는 방법을 아는 것 외에 추가적인 프로그래밍 개념의 학습을 하지는 않도록 하는 데 유의하였다.
- EPL 교육과정만 적용한 학생과 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 학생이 스스로 느끼는 효과성을 비교·분석하기 위해 문제 해결, 학습 만족도, 진로·직업 관련의 세 영역으로 나누어 두 가지씩 설문 문항을 구성하였다.
- 개발된 교육과정 적용의 효과를 알아보기 위해 기존에 문제해결력 측정을 위해 사용되어오던 OECD/PISA 국제학업성취도 평가의 문제해결력 영역 문항을 컴퓨팅 사고력의 요소와 관련된 문항 중심으로 재구성하고 영역을 나눔으로써 컴퓨팅 사고을 측정할 수 있는 검사로 활용하였다. 이를 통해 EPL 교육과정만 적용한 집단과 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단의 결과를 비교 분석하였다.
- 교육부 지침의 ‘알고리즘과 프로그래밍’ 영역의 중영역과 내용요소에서 초등학생이 소프트웨어교육을 통해 경험해야 하는 내용 요소를 재구성하여 문제 중심 소프트웨어교육 교수·학습모형을 과 같이 제시하였다.
- 서울 소재 B 초등학교 6학년 전체 학생에게 개발된 교육과정을 적용하기로 하였다. 단, 학생들의 부담을 줄이고 실험집단과 비교집단의 사례수를 맞추기 위해 전체 학급 중 두 학급만을 대상으로 효과성 검증을 하기로 하였다. 먼저, B 학교 6학년 학급 담임을 대상으로 개발한 12차시 교육과정 적용을 위한 연수를 실시하면서 교육 방법에 있어 동일하도록 주의를 요하고 구체적인 교육자료 및 교재를 함께 전달하였다.
- 이를 통해 EPL 교육과정만 적용한 집단과 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단의 결과를 비교 분석하였다. 또한 일반 설문을 통해 각 교육과정을 적용한 집단의 교육 만족도도 함께 분석하였다.
- 먼저 문헌 연구를 통하여 컴퓨팅 사고력의 개념과 요소, 교육부의 소프트웨어교육 운영 지침을 바탕으로 문제 중심의 소프트웨어교육을 위한 교육 모형을 제시하였다. 이후 소프트웨어 교육 성취 기준에 근거하여 문제 중심 소프트웨어 교육에 활용할 수 있는 주제들을 선정하고 제시한 모형을 적용한 12차시의 EPL 교육과정을 개발하고 구체적인 수업 지도안의 예를 제시하였다.
- 문제 해결을 위해 학생들이 사용하는 프로그래밍 개념 요소는 교육부의 성취기준에 따라 ‘순차, 선택, 반복구조’로 제한하였으며 필요한 경우 기본적인 수준에서 이벤트, 변수, 연산의 개념을 추가하기로 하였다. 먼저, 선정된 8가지 문제를 해결하며 배울 수 있는 프로그래밍 개념을 분석하고, 분석 결과에 따라 8가지 주제를 개념의 위계와 난이도에 따라 순서를 재구성하였다. 소프트웨어 교육이 효과적으로 이루어지기 위해서는 학생들이 교육의 필요성과 소프트웨어와 우리 생활의 관련성을 인식하는 것이 중요하다.
- 문제 해결을 위해 학생들이 사용하는 프로그래밍 개념 요소는 교육부의 성취기준에 따라 ‘순차, 선택, 반복구조’로 제한하였으며 필요한 경우 기본적인 수준에서 이벤트, 변수, 연산의 개념을 추가하기로 하였다.
- 본 연구에서는 실험집단과 비교집단을 임의로 선정하여 실시하는 이질 비교집단 전후검사 설계를 사용하였다. 연구대상으로 실험집단과 비교집단을 선정하여 사전검사를 통해 실험집단과 비교집단이 동질집단임을 보이고, 실험처지 후 사후검사로 일반설문과 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력 검사를 실시하여 실험의 효과성 여부를 분석했다.
- 실험 집단과 비교집단을 대상으로 개발한 두 가지 교육과정을 차등 적용 후 문제해결, 학습 만족도, 진로ㆍ직업 관련의 세 영역에 관한 일반 설문을 실시하였다. 각 영역의 최저점은 2점, 최고점은 10점이었다.
- 본 연구에서는 실험집단과 비교집단을 임의로 선정하여 실시하는 이질 비교집단 전후검사 설계를 사용하였다. 연구대상으로 실험집단과 비교집단을 선정하여 사전검사를 통해 실험집단과 비교집단이 동질집단임을 보이고, 실험처지 후 사후검사로 일반설문과 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력 검사를 실시하여 실험의 효과성 여부를 분석했다. 이러한 연구의 실험설계를 도식화 하면 <표 10>와 같다.
- 개발된 교육과정 적용의 효과를 알아보기 위해 기존에 문제해결력 측정을 위해 사용되어오던 OECD/PISA 국제학업성취도 평가의 문제해결력 영역 문항을 컴퓨팅 사고력의 요소와 관련된 문항 중심으로 재구성하고 영역을 나눔으로써 컴퓨팅 사고을 측정할 수 있는 검사로 활용하였다. 이를 통해 EPL 교육과정만 적용한 집단과 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단의 결과를 비교 분석하였다. 또한 일반 설문을 통해 각 교육과정을 적용한 집단의 교육 만족도도 함께 분석하였다.
- 김수환과 한선관(2012)은 초등학교 4학년 20명을 대상으로 5일간 스크래치 수업을 실시 후, 컴퓨팅 사고력의 컴퓨터적 관점 영역의 인식이 제대로 형성되었는지 알아보기 위해 문항지를 기반으로 하는 자기 설문 평가를 실시하였다. 이은경은 스크래치를 활용한 창의적 프로그래밍 학습을 설계하여 중학교 1학년 학생들 34명의 창의성 잠재력 및 컴퓨팅 사고력 능력 발달에 미치는 영향을 창의성 학습평가 연구소(http://www.clec.co.kr)에서 개발한 검사 도구를 사용하여 평가하였다. 최형신(2012)은 교육대학교 학생들의 스크래치 수업 학기프로젝트 산출물에서 다양한 측면의 컴퓨팅 사고력 능력의 세부요소를 보이는 증거들을 기초, 발달, 능숙의 3단계의 수준으로 평가할 수 있는 루브릭을 고안 제안하였다.
- 먼저, B 학교 6학년 학급 담임을 대상으로 개발한 12차시 교육과정 적용을 위한 연수를 실시하면서 교육 방법에 있어 동일하도록 주의를 요하고 구체적인 교육자료 및 교재를 함께 전달하였다. 이후 각 학급담임들의 주도 하에 6학년 전체 학급을 대상으로 개발된 EPL 12차시의 교육과정을 통해 주 1차시씩 12차시의 교육을 실시하였다. 전체 학급을 대상으로 한 공통교육과정 적용 이후, 미리 선정했던 한 학급을 대상으로 방과 후 4일간 8차시의 피지컬 컴퓨팅 교육을 추가로 실시하였다.
- 먼저 문헌 연구를 통하여 컴퓨팅 사고력의 개념과 요소, 교육부의 소프트웨어교육 운영 지침을 바탕으로 문제 중심의 소프트웨어교육을 위한 교육 모형을 제시하였다. 이후 소프트웨어 교육 성취 기준에 근거하여 문제 중심 소프트웨어 교육에 활용할 수 있는 주제들을 선정하고 제시한 모형을 적용한 12차시의 EPL 교육과정을 개발하고 구체적인 수업 지도안의 예를 제시하였다. 또한 배운 개념을 적용할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 교육과정 8차시를 개발하고 마찬가지로 수업 지도안의 예를 제시하였다.
- 이후 각 학급담임들의 주도 하에 6학년 전체 학급을 대상으로 개발된 EPL 12차시의 교육과정을 통해 주 1차시씩 12차시의 교육을 실시하였다. 전체 학급을 대상으로 한 공통교육과정 적용 이후, 미리 선정했던 한 학급을 대상으로 방과 후 4일간 8차시의 피지컬 컴퓨팅 교육을 추가로 실시하였다. 그 구체적인 내용은 <표 6>과 같다.
- 컴퓨팅 사고력 평가 설문지는 Brennan, K., & Resnick, M. (2012)이 제시한 컴퓨팅 사고 프레임워크의 세 가지 차원에 기반을 두고 14문항을 개발하였다.
- 컴퓨팅 사고력 향상을 위한 교육용 프로그래밍 언어교육과정을 문제 중심으로 구성하기로 하고 ‘EBS 소프트웨어야 놀자’의 교육과정을 바탕으로 8가지 문제를 선정하였다.
- 컴퓨팅 사고력의 개념은 교육부의 운영지침에 따라 제시된 컴퓨팅 사고력의 요소에 따라 6가지 요소로 구분하고 편의성을 위해 <표 8>과 같이 각 요소를 약식으로 표현하였다.
- 피지컬 컴퓨팅 교육과정도 문제 중심으로 이루어질 수 있도록 센서와 관련된 실생활 문제를 뽑아냈다. 1차시에서는 우리 주변에서 센서를 활용하는 예들을 통해 센서를 이해할 수 있도록 하고, 2∼6차시에서는 센서보드의 각 센서들을 활용하여 다양한 예시작품을 만들어봄으로써 센서의 활용 방법을 익힐 수 있도록 구성하였다.
- 학생들의 컴퓨팅 사고력을 측정하기 위하여 OECD/PISA 국제학업성취도평가의 문제해결력 영역문항 2003년도 19문항과 2012년도 6문항의 총 25문항을 바탕으로 컴퓨팅 사고력과 밀접한 관련을 가진 문항들을 추출하였다. 컴퓨팅 사고력의 개념은 교육부의 운영지침에 따라 제시된 컴퓨팅 사고력의 요소에 따라 6가지 요소로 구분하고 편의성을 위해 <표 8>과 같이 각 요소를 약식으로 표현하였다.
- 한 학급은 교육용 프로그래밍 언어 교육과정만을 적용하고, 다른 학급은 같은 교육 이후 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 후 컴퓨팅 사고력과 관계된 문제해결력 검사를 실시하고 그 결과를 비교·분석한다.
대상 데이터
- 피지컬 컴퓨팅 도구로는 엔트리와 연결하여 사용할 수 있는 다양한 피지컬 컴퓨팅 도구 중에서 센서보드를 선정하였다. 센서보드는 저렴하면서 별도의 회로 지식이 필요 없고 조작이 간편하여 초등학교 수준에서 적용하기에 적합하다고 판단하였기 때문이다.
데이터처리
- 실험집단과 비교집단을 대상으로 각각의 처치 적용 후, 실험 처치 효과성을 분석하기 위해 사전-사후검사 데이터로 종속표본 t검정을 실시하였다. 그 결과는 <표 12>, <표 13>과 같다.
- 실험처지 후 실험집단과 비교집단의 논리 사고력 각각의 하위요소들의 변화가 두 집단 간 통계적으로 유의한 차이를 보이는지 알아보기 위해 독립표본 t검정을 실시하였다. 그 결과는 <표 14>와 같다.
성능/효과
- ◾실험 집단과 비교 집단 모두 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상에 유의미한 긍정적인 효과가 있었다.
- ◾실험집단은 비교집단에 비해 자료표현, 수행 및 검증, 일반화 영역에서 P<.05로 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다.
- ◾이를 종합적으로 정리해보면 문제 중심 EPL 교육과정과 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정이 학습자의 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력을 신장시키는데 기여한다고 볼 수 있으며, 프로그래밍 교육만 받을 때보다 피지컬 컴퓨팅 교육이 함께 이루어질 때 만족도와 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력의 향상 측면에서 더 효과적이라고 할 수 있다.
- ◾일반 설문을 통한 교육의 만족도 조사에서는 학습만족도는 유사했으나 실험 집단이 문제해결과 진로 직업의 영역에서 더 큰 효과를 느끼는 것으로 나타났다.
- 연구 결과에 따르면 문제 중심 EPL 교육과정을 적용한 집단과 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단 모두 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상에 유의미한 효과가 있었다. 단, 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단에서 컴퓨팅 사고력 요소의 자료표현, 수행 및 검증, 일반화에서 유의하게 더 큰 향상을 보였다. 또한 일반 설문을 통해 교육의 만족도를 조사하여 비교 분석한 결과, 학습 만족도는 유사했으나 문제해결과 진로 직업의 영역에서 더 큰 효과를 느끼는 것으로 나타났다.
- 단, 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단에서 컴퓨팅 사고력 요소의 자료표현, 수행 및 검증, 일반화에서 유의하게 더 큰 향상을 보였다. 또한 일반 설문을 통해 교육의 만족도를 조사하여 비교 분석한 결과, 학습 만족도는 유사했으나 문제해결과 진로 직업의 영역에서 더 큰 효과를 느끼는 것으로 나타났다.
- 단, 학생들의 부담을 줄이고 실험집단과 비교집단의 사례수를 맞추기 위해 전체 학급 중 두 학급만을 대상으로 효과성 검증을 하기로 하였다. 먼저, B 학교 6학년 학급 담임을 대상으로 개발한 12차시 교육과정 적용을 위한 연수를 실시하면서 교육 방법에 있어 동일하도록 주의를 요하고 구체적인 교육자료 및 교재를 함께 전달하였다. 이후 각 학급담임들의 주도 하에 6학년 전체 학급을 대상으로 개발된 EPL 12차시의 교육과정을 통해 주 1차시씩 12차시의 교육을 실시하였다.
- 비교 집단의 컴퓨팅 사고력 사전・사후 검사를 분석한 결과 모든 컴퓨팅 사고력의 모든 요소에서 평균이 상승하였으며, t 검증의 결과, 자료 표현을 제외한 모든 요소에서 p<.05로 통계적으로 유의한 것으로 확인되었다.
- 실험집단과 비교집단에 유의미한 차이가 있는지 보기 위해 독립표본 t검증을 실시한 결과는 <표 11>과 같다. 설문의 모든 영역에서 실험집단의 평균이 비교집단보다 높았으나, 통계적으로 유의미한 차이를 보이는 영역은 문제해결과 진로 직업 관련으로 나타났다. 피지컬 컴퓨팅 교육과정이 학생들에게 실생활 문제를 해결하는 아이디어를 내는 데 도움을 주고, 배운 내용을 자신의 진로와 연계시키도록 만드는데 효과적이었음을 보여준다.
- 실험 결과, 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 수업은 EPL만을 활용한 교육에 비해 컴퓨팅 사고력 요소 중 자료표현, 수행 및 검증, 일반화 능력 향상에 더 효과적이었다고 볼 수 있다.
- 실험 집단의 데이터를 분석한 결과 모든 컴퓨팅 사고력의 모든 요소에서 평균이 상승하였으며, t 검증의 결과 컴퓨팅 사고력의 모든 요소에서 p<.05로 통계적으로 유의한 것으로 확인되었고, 특히 구조화, 자료 표현, 수행 및 검증, 일반화 요소에서 p<.01로 큰 상승폭을 보였다.
- 실험집단과 비교집단을 대상으로 컴퓨팅 사고력 관련 문제 해결력 검사지로 사전 검사를 실시한 결과, 실험집단은 비교집단에 비해 컴퓨팅 사고력의 3개의 하위요소 자료 분석, 수행 및 검증, 일반화에서 평균수가 높고, 그 외 3개의 하위 요소에서는 낮게 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 따라서 각 항목에 해서 유의한 차이가 없으므로 두 집단이 동질집단임이 확인되었다.
- 실험집단과 비교집단의 사후 결과를 비교・분석한 결과, 알고리즘과 자동화를 제외한 모든 영역에서 실험집단의 평균값이 더 높게 나타났다. 이 결과가 유의한지 살펴보는 t 검증에서 자료표현, 수행 및 검증, 일반화 영역에서 P<.
- 연구 결과에 따르면 문제 중심 EPL 교육과정을 적용한 집단과 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단 모두 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상에 유의미한 효과가 있었다. 단, 피지컬 컴퓨팅 교육과정을 추가로 적용한 집단에서 컴퓨팅 사고력 요소의 자료표현, 수행 및 검증, 일반화에서 유의하게 더 큰 향상을 보였다.
- 이 결과가 유의한지 살펴보는 t 검증에서 자료표현, 수행 및 검증, 일반화 영역에서 P<.05로 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다.
- 이를 종합으로 고려하면 문제 중심 EPL 교육과정과 센서보드를 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육과정이 학습자의 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력을 신장시키는데 기여한다고 볼 수 있으며, 프로그래밍 교육만 받을 때보다 피지컬 컴퓨팅 교육이 함께 이루어질 때 만족도와 컴퓨팅 사고력 관련 문제해결력의 향상 측면에서 더 효과적이라고 할 수 있다.
- 이상의 선행 연구에서는 컴퓨팅 교육의 도구로서 대부분 교육용 프로그래밍 언어만을 다루고 있으며, 피지컬 컴퓨팅의 효과를 분석한 연구는 부족한 것으로 확인되었다. 또한 컴퓨팅 사고력의 평가에 대한 선행 연구들을 살펴본 결과 컴퓨팅 사고력의 정의와 프레임워크에 기반하여 다양한 시도들이 이루어지고 있으나 관련연구가 충분하지 않아 검증된 평가 방법을 찾기 어려웠다.
후속연구
- 셋째, 다양한 교육 자료를 무료로 제공한다. EBS 소프트웨어야 놀자와 함께 제작한 방송영상과 특별영상을 교육 또는 학습 자료로 활용할 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.