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문제 정의
- 또한 기존의 프로그래밍 활동과는 달리 물리적인 도구와 환경을 고려해야 한다는 점에서 남학생과 여학생의 차이에 대한 기초적인 연구가 필요하다. 본 연구는 성별에 따라 피지컬 컴퓨팅 교육을 통해 인식하는 프로그래밍에 대한 태도와 알고리즘 설계능력의 향상의 정도를 분석하고자 하는 목적으로 2015 개정 정보교육과정에 따라 적용되는 중학생과 고등학생을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 교육을 한 학기 동안 제공한 이후 남학생과 여학생에 따라 결과를 분석하였다.
- 본 연구는 피지컬 컴퓨팅 교육에 대한 기초적인 연구로 학교급, 성별에 따른 학생의 특성에 따라 교육의 가능성을 확인하고자 하는 목적으로 진행되었다. 실험은 전국의 중학교와 고등학교 학생을 대상으로 스크래치와 센서보드를 활용하는 교육과 아두이노를 활용하는 교육을 제공한 이후 프로그래밍에 대한 자신감과 가치, 알고리즘 설계 능력을 측정하였다.
- 국내에서도 2년간의 추적연구를 통해 피지컬 컴퓨팅 기반의 STEAM 프로그램의 효과를 확인하려는 연구가 진행되었다[15]. 연구는 초등학교 4학년을 대상으로 센서보드를 사용하는 STEAM 프로그램을 20차시 분량으로 약 10개월 정도를 제공하고, 2년 후 실험집단이 초등학교 6학년이 된 이후의 교육적인 효과를 확인하고자 하였다. 연구 첫해에 초등학교 4학년을 대상으로 한 연구 결과에서는 과학적 문제해결력, 과학적 태도, 창의적 과학문제 해결검사, 교육과정 만족도 검사, 아동 인성검사에서 피지컬 컴퓨팅 기반의 STEAM 교육 프로그램을 제공여부에 따라 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 분석되었다[16].
제안 방법
- 유전을 주제로 하는 활동은 얼굴의 표정을 구성하는 형질의 DNA 탐구하고, DNA를 조절할 수 있는 입력장치를 제작하여 모니터화면에 입력에 따라 얼굴 표정이 변화하는 프로그램을 제작하는 활동을 하였다. 마지막으로 시뮬레이션과 관련된 활동은 과학에서는 플래시(Flash) 프로그램을 사용하여 나무로 만든 지층의 움직임에 따라 단층을 만드는 모습을 시뮬레이션하거나 수학에서는 공의 움직임에 따라 좌표의 값의 변화를 시뮬레이션을 하는 등의 다양한 내용으로 피지컬 컴퓨팅을 체험할 수 있도록 하였다.
- 분석결과, 여학생이 남학생에 비해 성취도가 더높은 것으로 분석되었다. 본 연구에서 사용한 알고리즘 성계능력을 평가하는 방법은 블록형태의 슈도코드로 순차, 반복, 함수, 데이터구조의 개념을 표현한 문항을 온라인 선다형으로 측정하였다. 실기평가 형태가 아닌 프로그래밍 개념이나 이론에 대한 선다형 형태의 평가에서 여학생이 남학생 보다 높은 성취도를 보인다는 기존의 특성화고등학교 학생을 대상으로 프로그래밍 성취도를 분석한 연구결과와 동일한 결과라 할 수 있다[27].
- 본 연구는 피지컬 컴퓨팅 교육에 대한 기초적인 연구로 학교급, 성별에 따른 학생의 특성에 따라 교육의 가능성을 확인하고자 하는 목적으로 진행되었다. 실험은 전국의 중학교와 고등학교 학생을 대상으로 스크래치와 센서보드를 활용하는 교육과 아두이노를 활용하는 교육을 제공한 이후 프로그래밍에 대한 자신감과 가치, 알고리즘 설계 능력을 측정하였다.
- 실험은 중등학생을 대상으로 프로그래밍에 대한 태도에 대한 설문과 알고리즘 설계 능력에 대한 성취도를 한 학기(15주)동안 피지컬 컴퓨팅 교육을 제공하기 이전과 이후에 측정하였다.
- 초등학생의 정보과학에 대한 능력을 향상시키기 위한 목적으로 실과교과의 전기-전자 단원에서 활용할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 교육 프로그램을 개발하고, 초등학교 6학년에게 적용하여 성취도와 흥미를 분석하고자 하는 연구가 진행되었다[17]. 실험집단에 적용한 피지컬 컴퓨팅과 전기전자단원의 연계된 교육내용은 빛 센서를 활용하여 센서의 값이 특정한 값 이하가 되면, 전구의 불을 켜고, 특정한 값 이상이 되면 전구의 불을 끄는 내용으로 아두이노와 S4A(Scratch for Arduino) 프로그래밍 도구를 사용하여 활동을 진행하였다. 통제집단은 기존의 교육과정의 내용에 따라 회로를 구성하여 전구의 불을 켜고 끄는 활동을 수행하는 활동을 진행하였다.
- 연구대상에게 방과후 교실의 형태로 한 학기(15주)동안 교육이 가능하도록 피지컬 컴퓨팅 교육내용을 제공하였다. 제공하는 교육내용은 스크래치 (Scratch)와 센서보드를 연동하여 프로그래밍 하거나 아두이노(Arduino)를 활용하여 피지컬 컴퓨팅 교육을 할 수 있도록 교육대학과 사범대학의 컴퓨터교육관련 연구진들과 교사들을 통해 교육 내용을 구성하고, 교재를 개발 및 검토하였다.
- 음악을 주제로 한 활동은 다양한 센서를 활용하여 입력을 받아 음을 출력하는 악기를 제작하는 활동으로 예를 들어 거리센서를 이용하여 거리가 멀면 높은 음을 내고, 거리가 가까우면 낮은 음을 내는 악기를 제작하는 활동을 하였다. 유전을 주제로 하는 활동은 얼굴의 표정을 구성하는 형질의 DNA 탐구하고, DNA를 조절할 수 있는 입력장치를 제작하여 모니터화면에 입력에 따라 얼굴 표정이 변화하는 프로그램을 제작하는 활동을 하였다. 마지막으로 시뮬레이션과 관련된 활동은 과학에서는 플래시(Flash) 프로그램을 사용하여 나무로 만든 지층의 움직임에 따라 단층을 만드는 모습을 시뮬레이션하거나 수학에서는 공의 움직임에 따라 좌표의 값의 변화를 시뮬레이션을 하는 등의 다양한 내용으로 피지컬 컴퓨팅을 체험할 수 있도록 하였다.
- 연구대상에게 방과후 교실의 형태로 한 학기(15주)동안 교육이 가능하도록 피지컬 컴퓨팅 교육내용을 제공하였다. 제공하는 교육내용은 스크래치 (Scratch)와 센서보드를 연동하여 프로그래밍 하거나 아두이노(Arduino)를 활용하여 피지컬 컴퓨팅 교육을 할 수 있도록 교육대학과 사범대학의 컴퓨터교육관련 연구진들과 교사들을 통해 교육 내용을 구성하고, 교재를 개발 및 검토하였다.
- 초등학생을 대상으로 제공된 스크래치와 센서보드를 활용한 교육에서는 조건문, 반복문, 변수 등의 프로그래밍 개념을 학습하고 프로그래밍하여 빛, 소리, 버튼, 슬라이더 등의 센서보드를 통해 입력되는 다양한 정보를 스크래치에서 처리할 수 있는 형태로 교육내용이 구성되었다. 중학생과 고등학생을 대상으로 제공된 스크래치와 센서보드를 활용한 교육에서는 초등학생을 대상으로 하는 스크래치와 센서보드를 활용한 교육의 내용요소에 리스트, 중첩반복 등의 요소를 추가하였고, 센서보드를 활용하여 실세계의 아날로그 정보를 스크래치에서 처리하고 출력하는 프로젝트를 수행하는 형태로 교육과정을 구성하였다.
- 실험집단에 적용한 피지컬 컴퓨팅과 전기전자단원의 연계된 교육내용은 빛 센서를 활용하여 센서의 값이 특정한 값 이하가 되면, 전구의 불을 켜고, 특정한 값 이상이 되면 전구의 불을 끄는 내용으로 아두이노와 S4A(Scratch for Arduino) 프로그래밍 도구를 사용하여 활동을 진행하였다. 통제집단은 기존의 교육과정의 내용에 따라 회로를 구성하여 전구의 불을 켜고 끄는 활동을 수행하는 활동을 진행하였다. 두 집단은 GALT 논리적 사고력 검사를 통해 동질집단임을 확인하였고, 인지발달 수준이 구체적 조작기임을 고려하여 실험집단은 피지컬 컴퓨팅 도구인 아두이노를 스크래치 기반의 제어방식을 사용하였다.
- 피지컬 컴퓨팅 교육을 경험하기 이전과 이후의 알고리즘 설계능력의 차이를 분석하였다. 중학교의 경우, 사전에 남학생은 29.
- 초등학생을 대상으로 디자인 기반 학습 방법을 활용한 피지컬 컴퓨팅 교육 프로그램이 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking)에 미치는 영향을 분석하였다[18]. 피지컬 컴퓨팅 활동에서 교사와 학생, 학생과 학생 간의 대화 프로토콜 (protocol)을 CT 요소로 구분하여 분석하였다. 분석결과 CT 요소에서는 분해와 패턴인식이 가장 높은 빈도를 나타내는 것으로 분석되고, CT 문제해결전략 요소에서는 테스팅과 디버깅 전략이 대부분인 것으로 나타났다.
- 학생이 인식하는 프로그래밍에 대한 태도를 측정하기 위한 목적으로 프로그래밍에 대한 학생이 인식하는 자신감과 프로그래밍에 대해 학생이 인식하는 가치에 대해서 15주 교육이 종료된 이후, 5점 척도로 설문하였다[21]. 설문은 자기효능감이 3문항, 가치가 3문항으로 구성되었고, 신뢰도 (Cronbach α)는 자신감이 .
대상 데이터
- 전국의 초등학교와 중학교, 고등학교를 대상으로 방과후교실 형태로 진행하는 피지컬 컴퓨팅 교육에 대한 안내를 통해 중학교 1학년에서 고등학교 2학년까지 중학교 30개교, 고등학교 37개교를 모집하여 교육하였다. 교육에 참여한 학생 중 검사에 모두 설문한 1156명(서울 321명, 경기 421명, 서울과 경기지역 이외 414명)을 선정하여 연구가 진행되었고, 학교급과 성별로 구분한 연구대상은 다음과 같다.
- 전국의 초등학교와 중학교, 고등학교를 대상으로 방과후교실 형태로 진행하는 피지컬 컴퓨팅 교육에 대한 안내를 통해 중학교 1학년에서 고등학교 2학년까지 중학교 30개교, 고등학교 37개교를 모집하여 교육하였다. 교육에 참여한 학생 중 검사에 모두 설문한 1156명(서울 321명, 경기 421명, 서울과 경기지역 이외 414명)을 선정하여 연구가 진행되었고, 학교급과 성별로 구분한 연구대상은 다음과 같다.
이론/모형
- 통제집단은 기존의 교육과정의 내용에 따라 회로를 구성하여 전구의 불을 켜고 끄는 활동을 수행하는 활동을 진행하였다. 두 집단은 GALT 논리적 사고력 검사를 통해 동질집단임을 확인하였고, 인지발달 수준이 구체적 조작기임을 고려하여 실험집단은 피지컬 컴퓨팅 도구인 아두이노를 스크래치 기반의 제어방식을 사용하였다. 실험결과 전기-전자단원의 성취도에는 실험집단과 통제집단이 통계적으로 유의미한 차이가 나타났지만, 흥미에서는 통제집단도 전자도구 키트를 사용하여 충분히 흥미로운 수업이 진행되어 통계적으로 유의미한 차이는 나타나지 않는 것으로 연구되었다.
성능/효과
- 분석결과 CT 요소에서는 분해와 패턴인식이 가장 높은 빈도를 나타내는 것으로 분석되고, CT 문제해결전략 요소에서는 테스팅과 디버깅 전략이 대부분인 것으로 나타났다. 마지막으로 상호작용 양식에서는 확인하기와 질문하기가 절반 이상인 것으로 분석되었다.
- 피지컬 컴퓨팅 활동에서 교사와 학생, 학생과 학생 간의 대화 프로토콜 (protocol)을 CT 요소로 구분하여 분석하였다. 분석결과 CT 요소에서는 분해와 패턴인식이 가장 높은 빈도를 나타내는 것으로 분석되고, CT 문제해결전략 요소에서는 테스팅과 디버깅 전략이 대부분인 것으로 나타났다. 마지막으로 상호작용 양식에서는 확인하기와 질문하기가 절반 이상인 것으로 분석되었다.
- 분석결과, 여학생이 남학생에 비해 성취도가 더높은 것으로 분석되었다. 본 연구에서 사용한 알고리즘 성계능력을 평가하는 방법은 블록형태의 슈도코드로 순차, 반복, 함수, 데이터구조의 개념을 표현한 문항을 온라인 선다형으로 측정하였다.
- 설문은 자기효능감이 3문항, 가치가 3문항으로 구성되었고, 신뢰도 (Cronbach α)는 자신감이 .951, 가치가 .921로 나타나 신뢰로운 것으로 분석되었다.
- 두 집단은 GALT 논리적 사고력 검사를 통해 동질집단임을 확인하였고, 인지발달 수준이 구체적 조작기임을 고려하여 실험집단은 피지컬 컴퓨팅 도구인 아두이노를 스크래치 기반의 제어방식을 사용하였다. 실험결과 전기-전자단원의 성취도에는 실험집단과 통제집단이 통계적으로 유의미한 차이가 나타났지만, 흥미에서는 통제집단도 전자도구 키트를 사용하여 충분히 흥미로운 수업이 진행되어 통계적으로 유의미한 차이는 나타나지 않는 것으로 연구되었다.
- 23점으로 여학생이 높은 것으로 나타났다. 알고리즘 설계능력의 사전과 사후에 대한 통계검증 결과 남학생과 여학생 간에 차이는 유의미한 결과가 나타나지 않았다
- 05점으로 여학생이 높은 것으로 나타났다. 알고리즘 설계능력의 사전과 사후점수에 대한 통계검증 결과, 사전에는 남학생과 여학생 간에 차이가 없는 것으로 분석된 반면 사후에는 유의수준 .01에서 통계적으로 유의미하게 남학생과 여학생 간에 차이가 있는 것으로 분석되었다.
- 연구결과를 종합하면 프로그래밍에 대한 자신감과 가치는 남학생이 여학생에 비해 높은 것으로 나타났고, 중학생이 고등학생에 비해 높은 것으로 나타났다. 알고리즘 설계능력에서는 중학교와 고등학교 모두 여학생이 남학생에 비해 높은 것은 것으로 분석되었다.
- 29점으로 커지고, 고등학교의 경우에는 통계적으로 유의미하게 성별에 따라 차이가 있는 것으로 분석되었다. 중학교에서 고등학교로 갈수록 성별에 따른 가치의 차이가 증가하지만, 평균은 감소하는 것으로 나타났다.
- 프로그래밍에 대한 태도의 결과를 종합적으로 분석하면, 남학생이 여학생 보다 높게 인식하고 중학생이 고등학생에 비해 높게 인식하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 물리적인 객체를 사용한다는 점에서 피지컬 컴퓨팅 교육과 유사한 로봇을 활용한 교육의 연구결과와 남학생이 여학생보다 교육에 대한 자신감, 흥미, 학습동기가 높다는 기존의 연구와 유사한 것으로 분석되었다[26].
- 피지컬 컴퓨팅 교육을 경험한 이후 성별에 따라 인식하는 프로그래밍에 대한 가치를 분석한결과, 중학교와 고등학교 모두 남학생이 여학생에 비해 높게 인식하는 것으로 분석되었다.
- 피지컬 컴퓨팅 교육을 경험한 이후 성별에 따라 프로그래밍에 대한 자신감을 분석한 결과, 중학교과 고등학교 모두 남학생이 여학생에 비해 자신감이 높은 것으로 분석되었다.
- 피지컬 컴퓨팅 교육을 경험한 이후 학생이 인식하는 가치에 대한 결과를 정리하면, 남학생이 여학생에 비해 높고 중학생이 고등학생에 비해 높은 것으로 분석되었다.
- 피지컬 컴퓨팅 교육을 경험한 이후 학생이 인식하는 자신감에 대한 결과를 정리하면, 남학생이 여학생에 비해 높고 중학생이 고등학생에 비해 높은 것으로 분석되었다.
- 연구 첫해에 초등학교 4학년을 대상으로 한 연구 결과에서는 과학적 문제해결력, 과학적 태도, 창의적 과학문제 해결검사, 교육과정 만족도 검사, 아동 인성검사에서 피지컬 컴퓨팅 기반의 STEAM 교육 프로그램을 제공여부에 따라 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 분석되었다[16]. 피지컬 컴퓨팅 기반의 STEAM 교육을 제공 받았던 실험집단이 초등학교 6학년이 된 이후에 교육을 제공받지 못한 통제집단과 과학적 문제해결력, 과학적 태도, 창의적 과학문제 해결검사, 교육과정 만족도 검사, 아동 인성검사에서의 차이를 분석한 결과 통계적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 분석되어 STEAM 프로그램의 교육처치를 지속적으로 받지 못하여 교육적인 효과가 사라진 것으로 분석되었다. 즉 피지컬 컴퓨팅 기반의 STEAM 교육을 제공하면 과학적 문제해결력, 과학적 태도, 창의적 과학문제 해결검사, 교육과정 만족도 검사, 아동 인성검사에서 교육적인 효과가 유의미하게 나타나지만 이를 지속적으로 유지시키기 위해서는 꾸준한 노력이 필요함을 시사하는 것으로 연구되었다.
후속연구
- 따라서 본 연구의 결과와 기존연구를 토대로 2015 개정 정보교육과정의 컴퓨팅 시스템 영역에서 달성하고자 하는 성취기준인 “마이크로컨트롤러와 다양한 입 출력 장치로 피지컬 컴퓨팅 시스템을 구성하고 프로그래밍을 통해 제어한다”에 도달하기 위해서는 기존의 로봇을 활용한 교육의 연구결과를 차용할 필요가 있다.
- 2015 개정 정보 교육과정에 새롭게 등장한 피지컬 컴퓨팅 교육을 효과적으로 진행하기 위해서는 중학생과 고등학생을 대상으로 하는 피지컬 컴퓨팅 교육을 통한 교육적인 효과에 대한 연구가 요구된다. 또한 기존의 프로그래밍 활동과는 달리 물리적인 도구와 환경을 고려해야 한다는 점에서 남학생과 여학생의 차이에 대한 기초적인 연구가 필요하다. 본 연구는 성별에 따라 피지컬 컴퓨팅 교육을 통해 인식하는 프로그래밍에 대한 태도와 알고리즘 설계능력의 향상의 정도를 분석하고자 하는 목적으로 2015 개정 정보교육과정에 따라 적용되는 중학생과 고등학생을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 교육을 한 학기 동안 제공한 이후 남학생과 여학생에 따라 결과를 분석하였다.
- 본 연구의 한계점으로는 피지컬 컴퓨팅 교육을 위해 학생을 방과 후 교육 형태로 모집하여 실험 집단을 구성하는 과정에서 프로그래밍 교육에 대한 태도가 긍정적인 학생들이 모집될 수 있어 모집단을 대표하지 못할 수 있다. 또한 설문조사의 효율성과 전국단위의 설문인 점을 고려하여 온라인으로 설문과 평가를 진행하게 된 점을 고려할 필요가 있다.
- 향후 연구로는 정보교과의 특성을 고려하여 피지컬 컴퓨팅 교육에 적합한 교육내용, 교육방법에 대한 연구가 필요하다.
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