[국내논문]소프트웨어 활용 탐구 활동을 통한 고등학생의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식 변화와 과학 학습에 대한 태도 조사 -스크래치와 피지컬 컴퓨팅 교구의 활용을 중심으로- Study of Perception on Programming and Computational Thinking and Attitude toward Science Learning of High School Students through Software Inquiry Activity: Focus on using Scratch and physical computing materials원문보기
최근 소프트웨어 중심사회 실현 전략을 목적으로 하는 소프트웨어 교육이 국내에서도 많이 강조되고 있는데, 이것은 정보과목 뿐 아니라 다양한 교과 활동과 연계하여 수행하도록 하고 있다. 2015 개정 교육과정에 소프트웨어 교육이 강화되면서, 소프트웨어 교육 운영지침(MOE, 2015)이 발표되었다. 이것은 교육부가 소프트웨어 교육을 얼마나 중요시하는 지를 보여준다. 소프트웨어 교육은 과학교육과도 관련이 있는데, 소프트웨어를 활용한 알고리즘 교육과 피지컬 컴퓨팅을 활용한 센서 측정 및 출력 제어 활동은 과학교육에서 최근 강조되고 있는 과학적 탐구 전략으로서 효과적일 수 있다. 또한 최근 강조되고 있는 컴퓨팅 사고력 개발을 위해서도 적절한 교육방법이 될 수 있다. 이에 본 연구에서는 일상에서의 과학적 문제를 교육용 프로그래밍 언어(EPL)를 사용하는 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구를 사용해 해결하는 탐구활동 프로그램을 설계하고 고등학생들에게 적용해 보았다. 적용 전후 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식의 변화를 보기 위해 컴퓨터 활용 능력 설문지를 소프트웨어 교육의 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소와 관련지어 수정하여 사용하였다. 연구 결과, 언플러그드 활동과 EPL 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용하여 구성된 소프트웨어 활용 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 향상되었으며, 컴퓨팅을 통한 문제해결에 대한 자신감도 향상되었다. 또한 소프트웨어 활용 탐구활동을 경험한 학생들은 과학에 대한 흥미와 적극성, 과제집착력도 높은 것으로 나타났다.
최근 소프트웨어 중심사회 실현 전략을 목적으로 하는 소프트웨어 교육이 국내에서도 많이 강조되고 있는데, 이것은 정보과목 뿐 아니라 다양한 교과 활동과 연계하여 수행하도록 하고 있다. 2015 개정 교육과정에 소프트웨어 교육이 강화되면서, 소프트웨어 교육 운영지침(MOE, 2015)이 발표되었다. 이것은 교육부가 소프트웨어 교육을 얼마나 중요시하는 지를 보여준다. 소프트웨어 교육은 과학교육과도 관련이 있는데, 소프트웨어를 활용한 알고리즘 교육과 피지컬 컴퓨팅을 활용한 센서 측정 및 출력 제어 활동은 과학교육에서 최근 강조되고 있는 과학적 탐구 전략으로서 효과적일 수 있다. 또한 최근 강조되고 있는 컴퓨팅 사고력 개발을 위해서도 적절한 교육방법이 될 수 있다. 이에 본 연구에서는 일상에서의 과학적 문제를 교육용 프로그래밍 언어(EPL)를 사용하는 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구를 사용해 해결하는 탐구활동 프로그램을 설계하고 고등학생들에게 적용해 보았다. 적용 전후 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식의 변화를 보기 위해 컴퓨터 활용 능력 설문지를 소프트웨어 교육의 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소와 관련지어 수정하여 사용하였다. 연구 결과, 언플러그드 활동과 EPL 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용하여 구성된 소프트웨어 활용 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 향상되었으며, 컴퓨팅을 통한 문제해결에 대한 자신감도 향상되었다. 또한 소프트웨어 활용 탐구활동을 경험한 학생들은 과학에 대한 흥미와 적극성, 과제집착력도 높은 것으로 나타났다.
Software (SW) education is guided by the government to operate not only computer subject matter but also related subject matter. SW education is highlighted in the 2015 Revised Curriculum and Guide for Operating SW Education. SW education is related with science education. For example, education on ...
Software (SW) education is guided by the government to operate not only computer subject matter but also related subject matter. SW education is highlighted in the 2015 Revised Curriculum and Guide for Operating SW Education. SW education is related with science education. For example, education on algorithms employing SW and activities using sensors/output control can be an effective strategy for scientific inquiry. The method can also be applied in developing Computational Thinking (CT) in students. In this study, we designed lessons to solve everyday scientific problems using Educational Programming Language (EPL) SW and physical computing materials and applied them to high school students. We conducted surveys that were modified from questionnaires of Internet application capability and based on the standard of accomplishment of SW education as well as elements of CT to find out the change in perceptions on programming and CT of students. We also conducted a survey on students' attitude toward science learning after an SW inquiry activity. In the results, perceptions on programming and CT of students were improved through lessons using unplugged activity, EPL SW, and physical computing. In addition, scores for interest, self-directed learning ability, and task commitment were high.
Software (SW) education is guided by the government to operate not only computer subject matter but also related subject matter. SW education is highlighted in the 2015 Revised Curriculum and Guide for Operating SW Education. SW education is related with science education. For example, education on algorithms employing SW and activities using sensors/output control can be an effective strategy for scientific inquiry. The method can also be applied in developing Computational Thinking (CT) in students. In this study, we designed lessons to solve everyday scientific problems using Educational Programming Language (EPL) SW and physical computing materials and applied them to high school students. We conducted surveys that were modified from questionnaires of Internet application capability and based on the standard of accomplishment of SW education as well as elements of CT to find out the change in perceptions on programming and CT of students. We also conducted a survey on students' attitude toward science learning after an SW inquiry activity. In the results, perceptions on programming and CT of students were improved through lessons using unplugged activity, EPL SW, and physical computing. In addition, scores for interest, self-directed learning ability, and task commitment were high.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러나 소프트웨어 교육에서 강조하는 컴퓨팅 사고력 강화에 대한 교수방법에 대한 연구가 아직 과학교육계에서 많이 진행되지 않았으며, 특히 고등학생을 위한 프로그램 개발 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 소프트웨어를 활용하여 과학적 문제해결과정을 경험할 수 있는 탐구활동을 개발하여 적용하였다. 즉 본 연구에서는 일상생활의 문제를 과학적으로 해결하기 위해 소프트웨어를 활용한 설계를 수행하며, 이 소프트웨어를 통해 제어할 수 있는 피지컬 컴퓨팅(physical computing)2)교구를 활용한 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식을 보고자 하였다.
본 연구에서 적용한 소프트웨어 활용 교육이 과학학습에 대한 태도 중 학생들의 흥미, 자기주도적 참여, 및 과제집착력에 도움을 줄 수 있을 것이라 가정하였으며, 이를 측정하기 위해 이 설문은 리커트 5점 척도로 3개의 문항을 구성하였다. 또한 소프트웨어를 활용한 탐구수업을 경험한 학생들의 학습에 대한 소감에 대한 인터뷰를 실시하여 과학 교육에서의 소프트웨어 활용에 대한 시사점을 구하고자 하였다.
최근 컴퓨팅 사고력과 함께 정보화 소양, 과학 및 수학적 소양과 같은 핵심역량을 기를 수 있는 교수학습에 대한 요구가 높아지고 있 다(Noh & Paik, 2015). 본 연구는 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용한 탐구수업이 컴퓨팅 사고력 및 정보화 소양, 과학적 소양 등의 역량 향상에 적절한지를 확인하고자 수행되었다. 본 연구 결과 학생들은 첫째, 프로그램 활용에 대한 자신감 상승으로 프로그래밍이 어렵지 않다는 인식을 가지게 되었으며, 정보화 소양 교육의 가능성을 보였고, 학습에 적극적으로 참여하게 되었다.
본 연구에서는 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역의 성취기준을 달성하기 위해 공학 기술 분야의 문제해결 소재를 실생활 문제와 연관지어 구성한 탐구활동을 통해 학생들이 어떻게 논리적으로 설계하고 프로그램을 제작하여 발표하는지를 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 적용한 프로그램을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 어떻게 변화하였는지 보기 위한 검사를 실시하였다. 본 연구에서는 프로그램에 대한 인식을 조사하기 위해 Jang(2013)이 개발한 학습자의 컴퓨터 활용 능력 검사 도구를 수정하여 사용하였다.
위와 같은 맥락에서, 본 연구는 소프트웨어 교육이 어떤 방식으로 과학교육에 접목되어 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식에 긍 정적인 영향을 줄 수 있는지 연구하고, 소프트웨어 교육을 통해 학생들이 긍정적인 과학학습에 대한 긍정적인 태도를 가질 수 있는지를 조사하였다. 이에 연구문제를 다음과 같이 설정하였다.
탐구활동의 주제 선정을 위해 4명의 과학교사와 3명의 예비과학교사가 함께 브레인스토밍을 진행하였고, 제시된 주제에 대한 학습 지도안을 작성한 다음, 과학교 육전문가 2인과 소프트웨어 교육 전문가 3인의 자문을 통해 주제를 선정하였다. 이 과정에서 소프트웨어 교육전문가와 과학교사 및 과학 교육전문가들의 상호 검토를 통해 주제의 적절성을 검토하였다. 그 결과 지속적으로 학생들이 다양한 아이디어를 끌어내도록 ‘날개가 부러진 선풍기는 버려야 할까?’라는 주제를 선정하였고, 이에 대한 학생들의 생각을 스스로의 방식으로 검증하도록 탐구활동을 계획하였다.
Figure 6에 제시된 문제들은 1, 2차시 수업에서 날개가 부러진 선풍기에 관한 탐구 주제에 관하여 학생들이 작성한 질문들이다. 이 질문 중 각 조별로 원하는 질문을 해결하는 탐구과정을 수행하도록 하였다. Figure 7은 3, 4차시의 활동지 중 일부이며 언플러그드 활동으로 소프트웨어나 피지컬컴퓨팅 교구를 사용하지 않고 선풍기 날개의 상태를 조건화하여 안전성과 바람의 유무, 방향 등에 대한 탐구를 실시한 결과를 작성하였다.
본 연구에서는 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역의 성취기준을 달성하기 위해 공학 기술 분야의 문제해결 소재를 실생활 문제와 연관지어 구성한 탐구활동을 통해 학생들이 어떻게 논리적으로 설계하고 프로그램을 제작하여 발표하는지를 관찰하고자 하였다. 이를 위하여, 일상생활에서 접할 수 있는 소재이면서 적절한 수준의 해결 방법을 생각해낼 수 있는 주제를 탐색하고자 하였다. 탐구활동의 주제 선정을 위해 4명의 과학교사와 3명의 예비과학교사가 함께 브레인스토밍을 진행하였고, 제시된 주제에 대한 학습 지도안을 작성한 다음, 과학교 육전문가 2인과 소프트웨어 교육 전문가 3인의 자문을 통해 주제를 선정하였다.
개방형 접근은 학생들이 과정에서 새로운 어떤 것을 찾게 해주는 창의적 사고 등의 사고능력 향상에 도움이 된다(Gangoli & Gurumurthy, 1995; Inprasitha, 2006; Murni, 2013). 이에 본 연구에서는 개방적 문제의 제공을 통해 학생들이 다양한 사고를 이끌어 낼 수 있도록 탐구활동을 설계하였다. 이러한 개방형 문제의 해결은 공학설계의 요소이기도 한 ‘개방적 접근’에 대한 연구(Franklin, 1990)에 기반을 두고 있다.
따라서 본 연구에서는 소프트웨어를 활용하여 과학적 문제해결과정을 경험할 수 있는 탐구활동을 개발하여 적용하였다. 즉 본 연구에서는 일상생활의 문제를 과학적으로 해결하기 위해 소프트웨어를 활용한 설계를 수행하며, 이 소프트웨어를 통해 제어할 수 있는 피지컬 컴퓨팅(physical computing)2)교구를 활용한 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식을 보고자 하였다. 피지컬 컴퓨팅이란 센서나 출력부를 이용해 컴퓨터가 인간의 감각이나 반응에 대한 정보를 수용할 수 있게 하는 것이며(Kim & Yu, 2014), 소프트웨어를 통해 센서가 측정한 값을 표현하거나, 출력 단자를 통해 데이터를 출력할 수 있게 구성된다.
가설 설정
Figure 9은 Bitbrick의 적외선 센서를 활용하여, 모터의 흔들림을 측정하는 알고리즘과 그 결과를 보여주는 그래프이다. Bitbrick의 센서에서 측정하는 값을 그래프로 나타나도록 프로그래밍을 하였고, 이것을 응용하여 적외선 센서가 모터의 흔들림을 측정할 수 있을 것이라는 가설을 검증하여 원하는 결과를 얻어내었다. 또한 학생들은 교사가 생각하지 못한 방법으로 알고리즘을 작성하고 실험을 자기주도적으로 수행하였다.
본 연구에서 적용한 소프트웨어 활용 교육이 과학학습에 대한 태도 중 학생들의 흥미, 자기주도적 참여, 및 과제집착력에 도움을 줄 수 있을 것이라 가정하였으며, 이를 측정하기 위해 이 설문은 리커트 5점 척도로 3개의 문항을 구성하였다. 또한 소프트웨어를 활용한 탐구수업을 경험한 학생들의 학습에 대한 소감에 대한 인터뷰를 실시하여 과학 교육에서의 소프트웨어 활용에 대한 시사점을 구하고자 하였다.
제안 방법
컴퓨팅 사고력 강화와 논리적 사고력의 향상, 프로그래밍에 대한 이해, 알고리즘 설계 등과 같은 소프트웨어 교육의 목표가 과학 탐구 수업에 잘 적용되어 수행될 수 있도록 5회 차의 회의를 진행하였다. 과학교육 및 컴퓨터 소프트웨어 교육 전문가의 검토를 통해 알고리즘을 수정 보완하는 과정을 활동으로 추가하였고, 언플러그드 활동(unplugged activity)3)을 수업에서 강조하여 제시하였다. 언플러그드 활동은 컴퓨터를 사용하지 않으면서 데이터의 표현이나 정렬 등을 이해하는 활동 형태의 학습으로, 알고리즘과 컴퓨팅의 원리를 이해하는데 도움이 되는 활동이다(Seo & Lee, 2012).
프로그램이란 문제해결 과정을 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 표현한 것을 말하며, 컴퓨터 과학에서 알고리즘은 프로그램 작성에 가장 기초가 되는 작업이다. 또한 프로그램은 컴퓨터에 정보를 입력하는 방법, 입력된 정보를 처리하는 방식, 처리 된 결과의 출력 방식의 결정 등에 대한 모든 문제를 총괄한다. 이러한 프로그램 교육은 오로지 프로그램이나 이를 활용한 프로그래밍 자체를 위한 교육, 소프트웨어 개발자를 육성하기 위한 교육이 아니라 학생들이 실생활에서 만나는 문제를 프로그래밍을 통해 해결하도록 이끌어낼 수 있는 교육이 되어야 한다.
Bitbrick의 센서에서 측정하는 값을 그래프로 나타나도록 프로그래밍을 하였고, 이것을 응용하여 적외선 센서가 모터의 흔들림을 측정할 수 있을 것이라는 가설을 검증하여 원하는 결과를 얻어내었다. 또한 학생들은 교사가 생각하지 못한 방법으로 알고리즘을 작성하고 실험을 자기주도적으로 수행하였다. Figure 10는 학생들이 돛으로 이동하는 수레를 만들어 바람의 영향으로 수레가 달리는 속도를 Bitbrick 적외선 센서와 MBL 운동기록센서로 거리변화를 측정하는 활동 모습이다.
수업의 개발 방향에서 제시한 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역에서 제시한 고등학생 수준의 4가지 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소 6가지를 기반으로 6개 문항을 제작하였다. 먼저 컴퓨팅 사고력에 대한 자신감 영역에서 문제의 구조화, 논리적 조작, 알고리즘적 사고를 통한 자동화에 대한 자신감을 질문하였으며, 컴퓨팅을 통한 문제해결 영역에서는 복잡한 구조를 설계하고 프로그램으로 작성, 프로젝트 설계 능력, 프로젝트 수정 능력(발표, 평가)에 대한 내용을 질문하였다. 측정 문항 및 영역을 Table 1에 표시하였다.
본 연구에서는 적용한 프로그램을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 어떻게 변화하였는지 보기 위한 검사를 실시하였다. 본 연구에서는 프로그램에 대한 인식을 조사하기 위해 Jang(2013)이 개발한 학습자의 컴퓨터 활용 능력 검사 도구를 수정하여 사용하였다. 컴퓨터 활용 능력 검사 도구는 프로그램 활용에 대한 자신감, 프로그래밍 언어 학습 수준, 학습과의 관련성의 3영역으로 구성되며, 각 영역 별 3문항씩 9개 문항을 사용하였다.
본 연구에서는 학생들에게 다양한 선택의 기회를 제공하기 위해 Sciencecube에서 제공하는 ‘Science#’ 프로그램을 통하여, 기후풍속센서와 힘센서를 활용할 수 있도록 하였으며, Science# 프로그램으로 조작할 수 있도록 하였다(Figure 4).
수업 적용 후 학생들에게 소프트웨어를 활용한 탐구수업을 통해 과학학습에 대한 흥미, 자기주도성, 과제집착력에 어떤 변화가 있었는지 학생들에게 직접 질문을 통해 조사하였다. 그 결과 전체 문항에 대한 답변의 평균이 1∼5점의 Likert 척도 중 4.
수업의 개발 방향에서 제시한 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역에서 제시한 고등학생 수준의 4가지 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소 6가지를 기반으로 6개 문항을 제작하였다.
Figure 11은 학생들이 MBL 센서를 활용하여 탐구를 수행하여 만들어낸 결과이다. 이 경우는 학생들이 선풍기의 날개가 정상적일 때와 하나가 부러졌을 때의 샘플을 모터와 장난감 선풍기 날개를 활용하여 만들고, 같은 위치와 각도로 기후풍속센서와 선풍기를 위치시키고 바람이 불 때의 차이를 보도록 실험을 설계하였다. 선풍기와 센서가 이루는 각을 다르게 하여, 바람의 방향이 날개의 유무에 따라 어떻게 달라지는지 측정하기도 하였다.
학생들은 실제 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용하여 자신이 해결하고자 하는 문제를 풀어보기 전에, 언플러그드 활동으로 문제를 이해하는 과정을 거쳤다. 이 과정에서 소프트웨어를 활용한 문제해 결을 위해 프로그래밍 언어식 알고리즘을 기반으로 활동하도록 하면서 컴퓨터의 문제해결에 과정과 순서에 대한 이해를 높이도록 하였다.
이 운영지침에서 ‘컴퓨팅 사고력을 가진 창의⋅융합 인재’를 인재상으로 설정하고, 소프트웨어 교육의 영역을 ‘생활과 과학-소프트웨어의 이해’, ‘알고리즘과 프로그래밍’, ‘컴퓨팅과 문제해결-컴퓨팅 사고력 향상’으로 나누어 학교급별 목표를 제시하였다.
학생들은 자신이 활용할 수 있는 센서와 출력부를 활용하여, 자신이 확인하고자 했던 각 문제들을 컴퓨팅 사고력 요소를 활용하여 측정하도록 안내받았다. 이러한 과정을 통해 자신의 생각을 정리하여 설계할 수 있는 과정을 경험하고 측정방법을 고안하는 과정에서 컴퓨팅 사고력과 컴퓨팅을 통한 문제해결력이 향상되도록 하였다.
또한 과학교육전문가와 과학교사 2명 및 과학교육 전공 대학원생 3명이 프로그램의 적합성을 상호 검토하였다. 컴퓨팅 사고력 강화와 논리적 사고력의 향상, 프로그래밍에 대한 이해, 알고리즘 설계 등과 같은 소프트웨어 교육의 목표가 과학 탐구 수업에 잘 적용되어 수행될 수 있도록 5회 차의 회의를 진행하였다. 과학교육 및 컴퓨터 소프트웨어 교육 전문가의 검토를 통해 알고리즘을 수정 보완하는 과정을 활동으로 추가하였고, 언플러그드 활동(unplugged activity)3)을 수업에서 강조하여 제시하였다.
탐구활동의 적용을 위해 지도안 작성 및 전문가 검토 후에도 소프트웨어 교육 전문가 3인의 수업 설계의 적합성을 검토하고 자문을 제공하였다. 또한 과학교육전문가와 과학교사 2명 및 과학교육 전공 대학원생 3명이 프로그램의 적합성을 상호 검토하였다.
이를 위하여, 일상생활에서 접할 수 있는 소재이면서 적절한 수준의 해결 방법을 생각해낼 수 있는 주제를 탐색하고자 하였다. 탐구활동의 주제 선정을 위해 4명의 과학교사와 3명의 예비과학교사가 함께 브레인스토밍을 진행하였고, 제시된 주제에 대한 학습 지도안을 작성한 다음, 과학교 육전문가 2인과 소프트웨어 교육 전문가 3인의 자문을 통해 주제를 선정하였다. 이 과정에서 소프트웨어 교육전문가와 과학교사 및 과학 교육전문가들의 상호 검토를 통해 주제의 적절성을 검토하였다.
학생들은 3, 4차시에 수행한 언플러그드 활동과 Scratch 및 Bitbrick, MBL로 측정하여 확인하고자 하는 자신의 가설을 검증하기 위한 설계를 수행하였으며(Figure 7, 8 참조), Scratch를 이용해 측정을 위한 계획을 알고리즘으로 나타내었다. Figure 9은 Bitbrick의 적외선 센서를 활용하여, 모터의 흔들림을 측정하는 알고리즘과 그 결과를 보여주는 그래프이다.
대상 데이터
본 연구에서 활용한 피지컬 컴퓨팅 장비는 국내에서 개발된 Bitbrick 교구로, 메인보드와 LED, DC모터, 서보모터의 출력부 (output)와 적외선 센서, 전위차계(Potentiometer) 센서, 터치(스위치) 센서, 빛 감지 센서 등의 센서부로 구성되어 있다. Bitbrick은 Scratch 와 Python, Entry등 EPL 소프트웨어에 연동하여 센서 값을 받아들이고, 받아들인 값을 가공하여 출력부를 조작할 수 있게 구성되어 있다.
수업은 광역시 남자고등학교 1-2학년 학생 23명에게 적용하였다. 이 학생들은 과학 동아리에 지원한 학생들로 1학년 학생이 18명, 2학 년 학생이 5명으로 구성되었다.
수업은 광역시 남자고등학교 1-2학년 학생 23명에게 적용하였다. 이 학생들은 과학 동아리에 지원한 학생들로 1학년 학생이 18명, 2학 년 학생이 5명으로 구성되었다. 수업은 2인 1조를 기본으로 진행하되 상황에 따라 두 그룹씩 묶어 4인 1조로 진행하였다.
데이터처리
측정 문항 및 영역을 Table 1에 표시하였다. 설문은 리커트 5점 척도로 응답하도록 구성하여, 수업 적용 전후에 각각 검사하였으며, 적용 인원이 23명이었으므로 PASW 22.0K를 사용하여 비모수 통계인 Wilcoxon 부호순위검정으로 분석하였다.
이론/모형
본 연구에서는 고등학생 대상의 탐구활동 개발을 위해, 소프트웨어 교육 지침(MOE, 2015)에서 제시하는 고등학교 급에 해당하는 성취 기준 중 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역의 성취기준을 기반으로 하였다.
성능/효과
소프트웨어를 활용한 탐구 수업 사전, 사후의 학생들의 프로그램밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식 조사 결과를 Table 2에 나타내었다. 그 결과 프로그램 활용에 대한 자신감, 프로그램밍 언어 학습에 대한 인지 수준, 컴퓨터 활용과 과학 학습과의 연계성, 컴퓨팅 사고력에 대한 자신감, 컴퓨팅을 통한 문제해결의 모든 영역에서 학생들의 인식이 사전 검사보다 사후검사에서 유의미하게 향상된 것으로 나타났다. 이는 Jang(2013)의 연구에서 일반 프로그래밍 언어 수업은 어렵고 부담스러우며 관심이 가지 않는다는 응답에 비해, EPL을 활용한 수업 후 일반 프로그래밍 언어 수업을 수강한 학생들보다 주의, 관련성, 자신감, 만족감 부분에서 유의미하게 높게 응답한 것과 유사한 결과이다.
넷째, 논리적 사고⋅문제해결을 위한 구조화⋅알고리즘 등의 컴퓨팅 사고력 강화에 대한 자신감이 향상된 것으로 보아 소프트웨어 활용 과학교육의 주요 목표인 컴퓨팅 사고력의 향상에도 도움이 되었다고 할 수 있다.
넷째, 논리적 사고⋅문제해결을 위한 구조화⋅알고리즘 등의 컴퓨팅 사고력 강화에 대한 자신감이 향상된 것으로 보아 소프트웨어 활용 과학교육의 주요 목표인 컴퓨팅 사고력의 향상에도 도움이 되었다고 할 수 있다. 다섯째, 컴퓨팅을 통한 문제해결에 있어서 구조화나 효율성, 설계 능력에 대한 자신감이 향상되었으므로 일상생활의 문제해결과 역량 향상에 긍정적인 효과를 가져 온다고 할 수 있다. 이 결과들은 이전 연구에서 Scratch 등의 EPL 소프트웨어가 컴퓨팅 사고력과 과학 관련 교육 목적을 수행하는데 적합하다는 주장(Ham, Kim, & Song, 2014; Kim & Kim, 2012b)과 일관된 경향을 나타내고 있다.
본 연구 결과 학생들은 첫째, 프로그램 활용에 대한 자신감 상승으로 프로그래밍이 어렵지 않다는 인식을 가지게 되었으며, 정보화 소양 교육의 가능성을 보였고, 학습에 적극적으로 참여하게 되었다. 둘째, EPL 활용으로 프로그래밍에 대한 인지수준이 높아졌고, 이를 통해 프로그래밍 언어를 활용한 설계가 활발하게 일어났다. 이로 인해 EPL 활용 등의 정보화 소양이 향상되었다고 볼 수 있다.
마지막으로 소프트웨어 활용 탐구수업 후에 흥미⋅자기주도성⋅과제집착력도 높은 것으로 나타나 소프트웨어를 활용한 탐구수업이 학습 태도의 향상에도 긍정적인 효과가 있을 것으로 예측할 수 있다.
본 연구는 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용한 탐구수업이 컴퓨팅 사고력 및 정보화 소양, 과학적 소양 등의 역량 향상에 적절한지를 확인하고자 수행되었다. 본 연구 결과 학생들은 첫째, 프로그램 활용에 대한 자신감 상승으로 프로그래밍이 어렵지 않다는 인식을 가지게 되었으며, 정보화 소양 교육의 가능성을 보였고, 학습에 적극적으로 참여하게 되었다. 둘째, EPL 활용으로 프로그래밍에 대한 인지수준이 높아졌고, 이를 통해 프로그래밍 언어를 활용한 설계가 활발하게 일어났다.
셋째, 소프트웨어 활용 탐구 활동을 경험한 고등학생들의 과학 학습에 대한 태도는 어떠한가?
이로 인해 EPL 활용 등의 정보화 소양이 향상되었다고 볼 수 있다. 셋째, 학생들은 과학교육을 소프트웨어로 수행하는 것에 대해 긍정적 인식을 가지게 되었으며, 특히 과학교육과 소프트웨어 교육 간의 연관성에 대한 인식이 수업 후에 유의미하게 향상되었다. 이로 인해 소프트웨어 활용 교육이 과학학습의 새로운 전략으로 활용되기에 적합하다고 할 수 있다.
학생들은 소프트웨어를 활용한 탐구수업에 대해 Table 4와 같이 다양한 긍정적인 반응을 나타내었다. 소프트웨어 활용 탐구 수업이 학생들의 흥미를 높여주었고, 학습 효과 및 이공계 진학에 대한 관심도도 높여주었다. 또한 학생들은 프로그래밍 언어가 어려운 것만은 아니라는 인식을 가지게 되었다고 답하였다.
일상생활의 문제를 알고리즘으로 표현하여 해결할 수 있다는 것에 대한 자신감이 과학학습에서의 문제해결단계에 대한 이해를 높인 것으로 볼 수 있다. 컴퓨팅을 통한 문제해결 영역에서는 복잡한 구조를 설계하고, 프로그램을 설계할 수 있다는 응답에서 유의미한 향상을 보였다. 이 부분은 소프트웨어 교육 운영 지침(MOE, 2015)에서 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소에서 강조하는 부분으로서 소프트웨어를 활용한 탐구수업이 컴퓨팅 사고력 향상 및 학습의 성취기준 도달에 도움이 된 것으로 볼 수 있다.
후속연구
하지만 아직까지 과학교육에서 소프트웨어를 활용하는 교육에 대한 연구가 적극적으로 이루어지지 않고 있으므로 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용한 컴퓨팅 사고력 강화를 위한 과학 학습 전략에 대한 연구를 지속적으로 수행할 필요가 있다. 또한 2015 개정 교육과정에서 요구하는 소프트웨어 활용 수업 방안과 각 학교급에 적합한 수준의 학습 내용 및 교수-학습 방법이 과학교과 영역에서도 제시되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프로그램이란?
따라서 이러한 핵심역량의 향상을 위한 교육 방식으로 프로그램 교육이 강조되고 있다. 프로그램이란 문제해결 과정을 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 표현한 것을 말하며, 컴퓨터 과학에서 알고리즘은 프로그램 작성에 가장 기초가 되는 작업이다. 또한 프로그램은 컴퓨터에 정보를 입력하는 방법, 입력된 정보를 처리하는 방식, 처리 된 결과의 출력 방식의 결정 등에 대한 모든 문제를 총괄한다.
EPL은 어떠한 능력을 키우는 것을 목적으로 하고 있는가?
EPL은 교육적인 목적을 가지고 개발 된 프로그래밍 언어로, 객체를 이동하면서 쉽게 코딩 언어를 배울 수 있으며, 코딩의 결과를 시각적으로 확인할 수 있다. 또한 EPL은 알고리즘 사고력과 문제해결력을 키우는 것을 목적으로 하고 있으며, 간단한 구문을 통해 학생들이 풍부한 상상력과 창의성을 발현할 수 있도록 개발되었다(Jang, 2013; Lee, 1993). EPL의 이같은 장점으로 인해 현재 프로그래밍 교육에서는 EPL을 활용한 교육 방법이 강조되고 있다.
교육과학기술부가 내세우고 있는 미래형 교육 정책은 어떠한 학생들에게 필요한 핵심역량으로 제안되고 있는가?
최근 교육과학기술부는 융복합적 사고와 창의적 문제해결을 강조하는 미래형 교육 정책을 내세우고 있으며 (Ministry of Education, Science and Tehcnology, 2010), 이러한 교육 정책의 방향은 학생들의 정보통신기술(information and communication skills), 정보화 소양(information literacy), 수학적 소양(mathematics literacy), 과학적 소양(science literacy)의 발달을 강조하고 있다(Noh & Paik, 2015). 또한 자기주도력, 문제해결력, 수리 활용력, 정보 처리력이 고등학생들에게 필요한 핵심역량으로 제안되고 있다(Schrier, 2006). 따라서 이러한 핵심역량의 향상을 위한 교육 방식으로 프로그램 교육이 강조되고 있다.
참고문헌 (60)
Association for Computing Machinery [ACM] (2005). Computing curricula 2005: The overview report. New York: ACM.
An, J. & Lee, Y. (2010). Scratch programming instruction model considering the characteristics of middle school students. Conference Proceeding of The Korean Association of Computer Education, 14(1), 131-135.
Bae, Y. (2006). Robot programming education model in ubiquitous environment for enhancement of creative problem-solving ability. (Unpublished doctoral dissertation). Korea National University of Education, Cheongwon, Korea.
Choi, E. & Paik, S. (2014). A study of class design for science education by computational thinking. proceeding of The Korea Society of Computer & Information, 22(2), 169-170.
Computer Science Teachers Association [CSTA] (2011). CSTA K-12 Computer science standards. New York: ACM.
Csikszentmihalyi, M. (1975). Beyond boredom and anxiety. San Francisco: Jossey Bass.
Csikszentmihalyi, M. & Schneider, B. (2000). Becoming adult: How teenagers prepare for the world of work. New York: Basic Books.
Denning, P., Comer, D., Gries, D., Mulder, M., Tucker, A., Turner, J., & Young, P. (1989). Computing as a discipline. Communications of the ACM, 32(1), 9-23.
Dominiczak, P. (2013). Michael Gove: New curriculum will allow my children to compete with the very best. UK: The Telegraph. Retrieved from www.telegraph.co.uk/education/educationnews/10166020/Michael- Gove-new-curriculum-will-allow-my-children-to-compete-with-the-very-best.html.
Franklin, G. (1990). An open-ended approach to psychoanalytic theories. Contemporary Psychoanalysis. 26(3), 518-540.
Gangoli, G. & Gurumurthy, A. (1995). Study of the effectiveness of a guided open-ended approach to physics experiments. International Journal of Science Education, 17(2), 233-241.
Ham, S., Kim, S., & Song, K. (2014). Development of CT-STEAM instruction model using Scratch EPL. Journal in Academic Conference of the Korean Association of Computer Education, 18(2), 103-108.
Han, S. (2011). A educational program for elementary information gifted student using unplugged computing and EPL. Journal of the Korean Association of Information Education, 15(1), 31-38.
Handelsman, M., Briggs, L., Sullivan, N., & Towler, A. (2005). A measure of college student course engagement. The Journal of Educational Research, 98(3), 184-191.
Heo, H., Ahn, M., Kim, M., Kim, M., Lee, O., & Cho, M. (2001). Research for methods of computer education. Seoul: Kyoyookbook.
International Society for Technology in Education (ISTE) & Computer Science Teachers Association (CSTA) (2011). Computational thinking in K-12 education teacher resource, 2nd Ed. Retrieved from http://www.iste.org/docs/ct-documents/ct-teacher-resources_2ed-pdf.pd f?sfvrsn2.
IEEE Computer Society & ACM (2001). Computing curricula 2001: Computer science. NSF Grant No. 0003263. Final report. Retrieved from http://www.computer.org/education/cc2001/index.htm.
Inprasitha, M. (2006). Open-ended approach and teacher education. Tsukuba Journal of Educational Study in Mathematics, 25, 169-177.
Jang, H. (2013). Impact analysis on Netlogo programming advantage of learning motivation and learning ability. (Master's thesis). Ajou University, Suwon, Korea.
Korea Foundation for the Advancement of Science & Creativity (2014). Science & Creativity. Vol. 197. Feb. 2014. Seoul: Korea Foundation for the Advancement of Science & Creativity
Kang, I., Jin, S., & Yeo, H. (2014). Exploring the possibility of e-PBL as a pedagogy for enhancing the core competences of learners in the 21st century. The Journal of Learner-Centered Curriculum and Instruction, 14(4), 331-363.
Kim, K. (2006). A Study on determining hierarchy about the domain specific knowledge of the algorithm in middle schools. The Journal of Korean Association of Computer Education, 9(5), 41-51.
Kim, T. (2015). STEAM education program based on programming to improve computational thinking ability. (Unpublished doctoral dissertation). Jeju National University, Jeju, Korea.
Kim, J. & Jeong, W. (2005). A strategy of the programming education for development of creativity. The Journal of Elementary Education Research, 10, 127-147.
Kim, B. & Kim, H. (2012a). The study of animation therapy model based on physical computing concept. Journal of Digital Design, 34, 269-278.
Kim, T. & Kim, J. (2012b). Development of program based on STEAM for programming education of elementary students. Journal in Conference of The Korean Association of Computer Education. 16(2), 73-78.
Kim, S. & Yu, H. (2014). The study of potentiality and constraints of the one board computer to teach computational thinking in school The Journal of Korean Association of Computer Education. 17(6), 9-20.
Kim, S., Han, S., & Kim, H. (2010). A study on learner's characteristics and programming skill in computational literacy education. Journal of The Korean Association of Computer Education, 13(2), 319-326.
Kim, H., Seong, J., & Kim, M. (2014). Research report for software education reinforcement of primary and secondary school. National IT Industry Promotion Agency & The Korean Association of Computer Education. Retrieved from http://leadingschool.kr/file/NIPA_20140414.pdf.
Kim, Y., Choi, J., Kwon, D., & Lee, W. (2013). Development of algorithm design worksheets using algorithmic thinking-based problem model in programming education for elementary school students. Journal of The Korean Association of Information Education, 17(3), 233-242.
Kye, B. & Kim, Y. (2008). Investigation on the relationships among media characteristics, presence, flow, and learning effects in augmented reality based learning. Journal of Educational Technology, 24(4), 193-224.
Lee, E. & Lee, Y. (2008). The effects of Scratch based programming education on middle school students' flow level and programming achievement. Secondary Education Research, 56(2), 359-382.
Lee, H. & Lee, T. (2015). Development of science subject program based on programming learning to improve computational thinking ability in middle school. Journal of the Korea society of computer and information, 20(12), 181-188.
Lee, J. & Hur, K. (2010). Development of elementary robot programming problems using algorithmic thinking-based problem model. Journal of The Korean Association of Information Education, 14(2), 189-198.
Lee, Y., Paik, S., Sin, J., You, H., Joung, I., Ahn, S., Choi, J., & Jun, S. (2014). Research for introducing computational thinking into primary and secondary education. Korea Foundation for the Advancement of Science and Creativity. BD14060010.
Marks, H. M. (2000). Student engagement in instructional activity: Patterns in the elementary, middle, and high school years. American Educational Research Journal, 37(1), 153-184.
Mayers, P. (1978). Flow in adolescence and its relation to the school experience. (Unpublished doctoral dissertation). University of Chicago, Chicago.
MaCaskill, S. (2013). New national curriculum to teach five year olds computer programming. Retrieved from http://www.techweekeurope.co.uk/workspace/national-curriculum-ict-education-computing-121214.
McNerney, T. S. (2004). From turtles to tangible programming bricks: explorations in physical language design. Personal and Ubiquitous Computing, 8(5), 326-337.
Ministry of Education [MOE] (2015). Guide of operating SW education. Seoul: Ministry of Education.
MOE & Ministry of Science, ICT and Future Planning (2015). Promotion plan of human resource cultivation for SW-centered society. attach 3.
Ministry of Education, Science and Technology (2010). The upcoming future, South Korea, being improved by creative human resources and advanced scientific technology. Retrieved from http://www.mest.go.kr.
Murni (2013). Open-ended approach in learning to improve students thinking skills in Banda Aceh. International Journal of Independent Research and Studies, 2(2), 95-101.
National Research Council (2012). A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.
Noh, H. & Paik, S. (2015). Students' perception of Scratch program using high school science class. Journal of the Korean Association for Science Education, 35(1), 53-64.
Oh, J., Lee, J., Kim, J., & Kim J. (2012). Development and application of STEAM based education program using Scratch - Focus on 6th graders' science in elementary school. Journal of The Korean Association of Computer Education, 15(3), 11-23.
O'Sullivan, D. & Igoe, T. (2004). Physical computing: Sensing and controlling the physical world with computers. Boston: Thomson.
Park, J. (2014). An investigation of the structural relationships among students' characteristics, flow, and learning effects in a Scratch programming course for elementary school students. (Unpublished doctoral dissertation). Ewha Womans University, Seoul, Korea.
Park, S. & Kim, Y. (2006). An inquiry on the relationships among Learning - Flow factors, flow level, achievement under on-line learning environment. The Journal of Yeolin Education, 14(1), 93-115.
Park, K. & Lee, S. (2015). Improving computational thinking abilities through the teaching of mathematics with Sage. Communications of Mthematical Eucation, 29(1), 19-33.
Park, Y., Seo, Y., & Lee, Y. (2012). Domestic research trend on computer science education using unplugged learning method. the Korea Society of Computer and Information Review, 20(2), 167-170.
Resnick, M. (2008). All I really need to know (sbout creative thinking) I learned (by studying how children learn) in kindergarten. Proceedings of the SIGCHI Conference on Creativity and Cognition, Washington, DC.
Schrier, K. (2006). Using augmented reality games to teach 21st century skills. Conference proceedings, ACM Siggraph 2006 Educators Program, Boston, MA.
Seo, B. & Lee, S. (2012). The effects of the unplugged class according to learners' attributes. Journal of The Korean Association of Information Education, 16(3), 291-298.
Seok, I. (2008). Analyzing characters of the learning flow. Journal of Educational Technology, 24(1), 187-212.
Song, S. (2015, January 13). Software education, story of SW education_2. Unplugged activity/computing. [Web log post]. Retrieved from http://blog.naver.com/gi_sik_in/220238605443.
Yoo, I. (2005). The possibility of robot programming to enhance creative problem-solving ability. Journal of Educational Studies, 36(2), 109-128.
Yoo, S. (2008). Application of EPL in informatics curriculum for K-12. (Unpublished doctoral dissertation). Korea University, Seoul, Korea.
Yoo, I. & Kim, T. (2006). The effects of MINDSTORMS programming instruction on the creativity. The Journal of Korean Association of Computer Education, 9(2), 1-11.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.