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문제 정의
- 현재까지 국내에서 개발된 융합적 문제해결력 검사 도구로는 박현주 외(2016)의 검사 도구가 유일한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 융합적 문제해결력의 변화를 살펴보기 위하여 박현주 외(2016)가 개발한 검사 도구를 활용하였는데 검사 도구의 특성상 한 세트의 문항을 해결하는데 다소 시간이 오래 걸려(30분 이상) 학생들이 문제를 해결하는데 부담을 느끼는 것을 관찰할 수 있었다. 실제로 본 연구에 참여한 학생들 중 일부는 문제 해결을 중도에 포기하거나 완성하지 못하였다.
- 따라서 본 연구에서는 중학교 1학년 학생들을 대상으로 수학교과 중심의 STEAM 수업이 학생들의 STEM 분야에 대한 진로 흥미도 및 융합적 문제해결력에 미치는 영향에 대해서 살펴보고자 한다.
- 본 연구에서는 2016년도에 한국과학창의재단/교육부의 지원을 받아 개발된 수학교과 중심의 STEAM 프로그램 중 중학교 자유학기제 시간에 적용할 수 있는 2종의 프로그램(총 10차시)을 활용하여 STEAM 수업을 진행하였다. 본 연구에서 활용한 프로그램은 현재 주목 받고 있는 첨단 기술인 증강현실과 사물인터넷 기술을 소재로 하여 수학과 기술공학적인 요소의 연계를 강화하여 개발된 프로그램으로 학생들의 수학에 대한 흥미 및 가치 인식과 더불어 기술공학에 대한 이해와 진로 교육에 초점을 둔 프로그램이었다.
- 본 연구에서는 수학교과 중심의 STEAM 수업이 중학생들의 STEM 분야에 대한 진로 흥미도 및 융합적 문제해결력에 미치는 효과에 대해서 살펴보았고, 연구 결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
- 한글로 번역된 검사지는 수학교육전공 석, 박사과정의 교사 2인 및 수학교육전문가 1인의 검토를 받아 번역의 적절성 등에 대해 점검을 하였다. STEM-CIS 검사 도구는 과학, 수학, 기술, 공학의 4개 범주에서 각각 11개 문항씩 총 44 문항으로 구성되어 있으나, 본 연구에서는 연구 대상이 중학생이라는 측면을 고려하여, 기술과 공학 범주를 기술/공학이라는 하나의 범주로 묶어서 과학, 수학, 기술/공학의 총 3개 범주의 33개 문항으로 설문지를 재구성하여 활용하였다.
- 각 프로그램에 대한 수업은 각 차시 특성에 따라 B대학교 일반 강의실 또는 컴퓨터 강의실에서 진행되었으며, 모둠별 협력 학습 체제로 이루어졌는데, 모둠 구성원은 각 모둠별로 4∼5명으로 수업의 원활한 진행을 위해 각 모둠 당 대학생 멘토교사가 2명씩 배정되었다.
- 두 번째 차원인 ‘설계 및 실행’ 범주는 해결 방안의 설계 방법과 실행 방법에 대한 ‘구체성’과 ‘타당성’을 평가하도록 하는 개념으로, 구체성은 실행 방법을 얼마나 구체적이고 정교하게 제시하였는지가 평가 기준이 되며, 타당성은 해결방안이 문제를 해결하기에 타당한 의견인지에 대해 평가하도록 제안하였다.
- 따라서 ‘논리·비판적 사고’는 자신의 주장에 대한 타당한 이유나 근거를 제시하였는지를 평가 기준으로 설정하였고, ‘유창성’은 제시한 아이디어의 개수로, ‘유연성’은 제시한 아이디어의 범주의 개수로, ‘독창성’은 새로운 아이디어를 산출하는 능력을 평가하도록 기준을 제시하였다.
- 각 프로그램에 대한 수업은 각 차시 특성에 따라 B대학교 일반 강의실 또는 컴퓨터 강의실에서 진행되었으며, 모둠별 협력 학습 체제로 이루어졌는데, 모둠 구성원은 각 모둠별로 4∼5명으로 수업의 원활한 진행을 위해 각 모둠 당 대학생 멘토교사가 2명씩 배정되었다. 또한 학생들의 흥미와 동기를 유발시키기 위해 활동 결과물에 따라 상점(스티커)과 상품 등의 정적 강화물을 제공하였다.
- 본 연구는 B사범대학의 ‘취창업전공세미나2’ 수업 시간을 활용하여 12주 동안 진행되었으며, 본 연구에서 활용한 STEAM 프로그램Ⅰ과 프로그램Ⅱ는 각각 6주, 4주 동안 운영되었다.
- 본 연구에서 활용된 문항은 초, 중등학교 학생들에게 공통적으로 적용할 수 있도록 개발된 ‘경사진 언덕길에 보행도로 만들기(문항Ⅰ)’ 문항과 중학생을 대상으로 개발된 ‘바다 위에서 자급자족하며 살 수 있는 주택 설계하기(문항Ⅱ)’ 문항이었다.
- 본 연구에서는 2016년도에 한국과학창의재단/교육부의 지원을 받아 개발된 수학교과 중심의 STEAM 프로그램 중 중학교 자유학기제 시간에 적용할 수 있는 2종의 프로그램(총 10차시)을 활용하여 STEAM 수업을 진행하였다. 본 연구에서 활용한 프로그램은 현재 주목 받고 있는 첨단 기술인 증강현실과 사물인터넷 기술을 소재로 하여 수학과 기술공학적인 요소의 연계를 강화하여 개발된 프로그램으로 학생들의 수학에 대한 흥미 및 가치 인식과 더불어 기술공학에 대한 이해와 진로 교육에 초점을 둔 프로그램이었다.
- 자유학기제 시간을 활용한 수학교과 중심의 STEAM 수업이 중학생들의 STEM 분야에 대한 진로 흥미도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 사전, 사후 STEM 분야 진로 흥미도 검사를 실시하였다. [그림 1] 과 <표 Ⅳ-1>은 각 분야별 진로 흥미도에 대한 사전, 사후 검사의 평균 및 대응표본 t-검정 결과이다.
- 전문가 집단은 기술 교사 1인, 과학 교사 1인, STEAM 전문가 1인, STEAM 수업 경험이 있는 교사 8인으로 구성되었다. 전문가 집단은 STEAM 수업설계 체크리스트2)를 활용하여 각 프로그램에 대한 타당도 검증을 수행하였는데, 본 연구에서 사용된 체크리스트는 5점 척도(1점-전혀 그렇지 않다, 2점-그렇지 않다, 3점-보통이다, 4점-그렇다, 5점-매우 그렇다)로 구성되어 각 요소별 평균 점수와 내용타당도(CVR)3) 비율값을 측정하였다. 그 결과는 <표 Ⅲ-1>과 같이 각 요소별 척도 값의 평균이 프로그램Ⅰ은 4.
- 를 수립하였다. 채점 기준을 수립한 후에 3인의 채점자가 개별적으로 채점을 실시하였다. ‘논리·비판적 사고’와 ‘유창성’, ‘유연성’, ‘융합적 소양’은 최고점을 기준으로 3분위로 구분하여 0, 1, 2, 3점으로 환산하였고, ‘독창성’은 응답 중복도에 따라 점수를 환산하여 채점하였다.
- 프로그램을 적용하기 전에 본 연구에서 사용한 STEAM 프로그램이 연구의 목적과 STEAM 교육의 목적을 포함하여 교육 개념, 교육활동 준거 등에 맞게 적절히 개발되었는지를 검증하기 위하여 4년 이상 STEAM 프로그램 개발에 참여하거나 STEAM 수업을 실행한 경험이 풍부한 11명의 전문가 집단을 구성하여 내용타당도에 대한 검증을 거쳤다. 전문가 집단은 기술 교사 1인, 과학 교사 1인, STEAM 전문가 1인, STEAM 수업 경험이 있는 교사 8인으로 구성되었다.
- 학생들의 STEM 분야 진로 흥미도 및 융합적 문제해결력을 파악하기 위해 STEAM 프로그램 적용 전인 2016년 8월에 연구 대상 전체를 대상으로 진로 흥미도 및 융합적 문제해결력 검사를 시행하였고, STEAM 프로그램 적용 후인 11월(사전 검사로부터 12주 후)에 사전 검사지와 동일한 검사지를 활용하여 사후 검사(재검사)를 진행하였다. <표 Ⅲ-3>은 본 연구의 추진 절차를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 본 연구는 중학교 자유학기제 연계 프로그램인 B사범대학의 ‘취창업전공세미나2’ 수업 시간을 통해서 B대학에서 이루어졌으며, 수업은 STEAM 프로그램 개발 연구에 참여한 수학교육전공 교수 1명과 수학교육 전공 석사과정 연구원 2명이 진행하였다.
- 본 연구의 대상은 경기도 지역의 A중학교 1학년 학생 40명1)으로 이전에 STEAM 수업 경험이 없는 학생들로 구성하였다. 본 연구는 중학교 자유학기제 연계 프로그램인 B사범대학의 ‘취창업전공세미나2’ 수업 시간을 통해서 B대학에서 이루어졌으며, 수업은 STEAM 프로그램 개발 연구에 참여한 수학교육전공 교수 1명과 수학교육 전공 석사과정 연구원 2명이 진행하였다.
데이터처리
- 본 연구는 중학교 자유학기제 연계 프로그램인 B사범대학의 ‘취창업전공세미나2’ 수업 시간을 통해서 B대학에서 이루어졌으며, 수업은 STEAM 프로그램 개발 연구에 참여한 수학교육전공 교수 1명과 수학교육 전공 석사과정 연구원 2명이 진행하였다. 본 연구에 참여한 40명의 중학생들은 각 20명씩 A(여: 9, 남 11), B(여 : 1, 남, 19) 반의 2개의 집단으로 나뉘어졌고, 두 집단 간 수학 학업 성취 수준의 차이를 파악하기 위하여 직전 학기 수학 성적을 토대로 독립표본 t-검정을 실시하였다. 그 결과는 A반의 수학 성적의 평균은 80.
- 사전, 사후 STEM 분야 진로 흥미도와 융합적 문제해결력 검사 결과에 대한 분석은 SPSS 18.0 프로그램을 사용하여 기술통계 및 대응표본 t-검정을 통해서 이루어졌다.
이론/모형
- 본 연구에 참여한 학생들의 융합적 문제해결력의 변화를 살펴보기 위하여 박현주 외(2015)의 연구에서 개발한 융합적 문제해결력 검사 문항 중 2개의 문항을 활용하였다. 본 연구에서 활용된 문항은 초, 중등학교 학생들에게 공통적으로 적용할 수 있도록 개발된 ‘경사진 언덕길에 보행도로 만들기(문항Ⅰ)’ 문항과 중학생을 대상으로 개발된 ‘바다 위에서 자급자족하며 살 수 있는 주택 설계하기(문항Ⅱ)’ 문항이었다.
- 본 연구에서는 STEAM 수업을 통한 중학생들의 진로 흥미도 변화를 측정하기 위하여 Kier, Blanchard, Osborne, & Albert(2014)의 연구에서 개발된 STEM 진로 흥미도 검사지(STEM Career Interest Survey; STEM-CIS)를 한글로 번역하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 중학생들의 STEM 분야에 대한 진로 흥미도와 융합적 문제해결력에 대한 자료를 수집하기 위하여 기존의 선행연구에서 사용된 검사지를 활용하였다. 이를 통해 본 연구에서 실시된 검사의 신뢰도와 타당도를 충분히 확보할 수 있었으며, STEAM 수업 전, 후의 변화를 기존 선행 연구와 비교하여 분석하기 용이하다는 장점이 있다.
- 융합적 문제해결력 검사에 대한 채점을 실시하기 위하여 박현주 외(2016)가 제시한 채점 준거를 토대로 수학교육전문가 1인, 수학교육전공 석사과정 대학원생 2인, 중, 고등학교 수학교사 각 1인이 가채점을 실시하여 2차례의 논의 후에 와 같은 채점 기준표5)를 수립하였다.
- 진로 흥미도 검사지는 Kier, Blanchard, Osborne, & Albert(2014)의 연구에서 개발된 설문지를 번역하여 활용하였으며, 융합적 문제해결력 검사지는 박현주 외(2015)의 연구에서 개발된 융합적 문제해결력 검사지를 활용하였다.
성능/효과
- ‘설계 및 실행’ 영역의 2개의 하위 요소 모두에서 사후 검사의 평균이 사전 검사의 평균보다 높았으나, 대응표본 t-검정에서는 ‘타당성’ 요소에서만 유의수준 0.01에서 사전, 사후 검사 간에 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다(t=-4.364, p=.000).
- 각 분야별 진로 흥미도 검사 결과를 문항별로 살펴보면, 와 같이 과학, 수학 분야의 경우 과학, 수학 관련 직업에 종사하는 롤모델이 있는지를 묻는 문항(9번)에 대한 사전, 사후 검사의 평균 차가 가장 크게 나타났고, 기술/공학 분야에서는 가족 중에 기술 과목과 관련된 직업에 종사하는 사람이 있는지를 묻는 문항(10번)에서 사전, 사후 검사의 평균 차이가 가장 크게 나타났다.
- 본 연구에 참여한 40명의 중학생들은 각 20명씩 A(여: 9, 남 11), B(여 : 1, 남, 19) 반의 2개의 집단으로 나뉘어졌고, 두 집단 간 수학 학업 성취 수준의 차이를 파악하기 위하여 직전 학기 수학 성적을 토대로 독립표본 t-검정을 실시하였다. 그 결과는 A반의 수학 성적의 평균은 80.4점(표준편차:13.76), B반은 평균은 82.0점(표준편차 13.3)으로 유의수준 0.05에서 두 집단 간의 직전 학기 수학 성적 사이에는 통계적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다(t=-.374, p=.710).
- 그 결과는 과 같이 각 요소별 척도 값의 평균이 프로그램Ⅰ은 4.27∼5점, 프로그램Ⅱ는 4.18∼5점의 범위 내에 있으므로 본 연구에서 활용한 STEAM 프로그램은 STEAM 교육 내용으로서 타당함을 알 수 있었다.
- 박현주 외(2016)는 STEAM 교육이 초, 중등학교 학생들의 융합적 문제해결력에 미치는 영향을 살펴보기 위해서, 융합적 문제해결력 검사지를 개발한 후 초, 중, 고등학교 각 2개 학교의 2개 학급을 대상으로 학교 내에서 STEAM 교육을 실시한 실험 집단과 STEAM 교육을 실시하지 않은 통제 집단으로 나누어 융합적 문제해결력에 대한 사전, 사후 검사를 통해서 STEAM 교육이 융합적 문제해결력에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서 살펴보았다. 그들의 연구 결과에 의하면, STEAM 교육이 초등학생과 고등학생의 융합적 문제해결력에는 유의미한 영향을 미치지만, 중학생들에게는 유의미한 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 기존의 선행 연구는 STEAM 교육의 효과를 창의적 문제해결력 측면에서 다루는 반면, 박현주 외(2016)의 연구에서는 융합적 문제해결력 검사지를 개발하여 STEAM 교육의 효과를 융합적 문제해결력 측면에서 체계적으로 살펴본 연구라는 측면에서 매우 의미있다고 볼 수 있다.
- 둘째, 본 연구에서는 STEAM 교육이 중학생들의 융합적 문제해결력 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다. 융합적 문제해결력의 하위 영역별 분석에서는 ‘융합적 소양’ 영역을 제외한 ‘사고력’과 ‘설계 및 실행’ 영역에 대한 사전, 사후 검사에서 유의미한 향상이 발견되어 본 연구에서 수행한 STEAM 교육은 학생들의 ‘사고력’과 ‘설계 및 실행’ 능력을 향상시키는데 효과적이었음을 알 수 있었다.
- 둘째, 수학교과 중심의 STEAM 수업이 중학교 1학년 학생들의 융합적 문제해결력 향상에 영향을 미치는가?
- 따라서 각 프로그램의 ‘상황제시’의 경우 기존의 ‘상황제시’가 갖는 문제점(특정 내용에 국한된 상황제시)을 보완하여 프로그램 전체를 아우를 수 있는 상황으로 바꾸었고, ‘새로운 도전’ 요소에 해당되는 활동 또한 보다 강화하였다.
- 먼저, ‘사고력’ 영역에 대한 하위 영역별 분석 결과에 의하면, 세 개의 하위 영역 모두에서 사후 검사의 평균이 사전 검사의 평균보다 높게 나타났으나, 하위 영역별 사전, 사후 검사의 대응표본 t-검정에서는 ‘창의적 사고’ 영역에서만 유의수준 0.01에서 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다(t=-3.128, p=0.003).
- 융합적 문제해결력에 대한 분석은 전체적인 분석과 더불어 융합적 문제해결력의 각 하위 영역에 대한 분석 또한 이루어졌고, <표 Ⅳ-3>, <표 Ⅳ-4>는 융합적 문제해결력의 대영역별 사전, 사후 검사의 기술통계 및 대응표본 t-검정 결과를 나타낸다. 먼저, 융합적 문제해결력의 사전, 사후 검사 결과를 보면, 사전 검사에 비해 사후검사에서 연구 참여자들의 평균 점수가 향상된 것으로 나타났고, 유의수준 0.016)에서 사전, 사후 검사 간에 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다(전체: t=-3.227, p=.003). 이는 STEAM 수업이 학생들의 융합적 문제해결력 향상에 효과적임을 시사한다고 볼 수 있다.
- 특히, 가족 중에 기술 과목과 관련된 직업에 종사하는 사람이 있는지를 묻는 10번 문항에 대한 결과는 사후 검사에서 학생들이 기술 관련 직업에 대한 이해도가 향상되었음을 보여주는 결과이기도 하다. 본 연구에서 사용한 STEAM 프로그램은 해당 수업 주제나 내용과 관련된 이공계 분야의 직업 소개 코너를 포함하고 있었는데 이러한 내용이 학생들로 하여금 이공계 분야 직업에 대한 이해도를 높이고, 더 나아가 과학, 수학 관련 직종에서 롤모델을 찾는데 긍정적인 역할을 한 것 같다.
- 이는 자유학기제 시간에 이루어졌던 수학교과 중심의 STEAM 수업이 연구참여자들의 과학, 수학, 기술/공학 분야에 대한 진로 흥미도를 높이는데 효과가 있음을 보여주는 결과이다. 비록 큰 차이는 없었지만, 세 분야 중 수학 분야에서 사전, 사후 검사의 평균 점수 차이가 가장 크게 나타났는데 이는 연구 기간 동안 활용한 수학교과를 보다 강조한 STEAM 교재의 특성으로부터 기인한 결과로 추측된다.
- 융합적 문제해결력의 대영역별 분석 결과에 의하면, 세 개의 하위 영역 모두에서 사후 검사의 평균이 사전검사의 평균보다 높게 나타났고, 대응표본 t-검정 결과에서는 ‘융합적 소양’ 영역을 제외한 ‘사고력’과 ‘설계 및 실행’ 영역 모두에서 유의수준 0.01에서 사전, 사후 검사 간에 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다(사고력: t=-2.986, p=.005; 설계 및 실행: t=-2.766, p=.009).
- 융합적 문제해결력의 하위 영역별 분석에서는 ‘융합적 소양’ 영역을 제외한 ‘사고력’과 ‘설계 및 실행’ 영역에 대한 사전, 사후 검사에서 유의미한 향상이 발견되어 본 연구에서 수행한 STEAM 교육은 학생들의 ‘사고력’과 ‘설계 및 실행’ 능력을 향상시키는데 효과적이었음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 중학생들의 STEM 분야에 대한 진로 흥미도와 융합적 문제해결력에 대한 자료를 수집하기 위하여 기존의 선행연구에서 사용된 검사지를 활용하였다. 이를 통해 본 연구에서 실시된 검사의 신뢰도와 타당도를 충분히 확보할 수 있었으며, STEAM 수업 전, 후의 변화를 기존 선행 연구와 비교하여 분석하기 용이하다는 장점이 있다. 진로 흥미도 검사지는 Kier, Blanchard, Osborne, & Albert(2014)의 연구에서 개발된 설문지를 번역하여 활용하였으며, 융합적 문제해결력 검사지는 박현주 외(2015)의 연구에서 개발된 융합적 문제해결력 검사지를 활용하였다.
- 채점 결과 문항Ⅰ, 문항Ⅱ에 대한 평가자 3인의 사전 및 사후 채점 결과의 급내상관계수는 모두 0.8 이상으로 평가자간 일치도는 신뢰할만한 것으로 나타났으며 이는 과 같다.
- 첫째, 본 연구에서 수행한 수학교과 중심의 STEAM 교육은 중학생들의 STEM 분야(과학, 수학, 기술/공학)에 대한 진로 흥미도 향상에 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 공학적 설계와 과학 탐구 기반의 STEAM 교육이 중학생들의 과학, 수학, 기술/공학 관련 진로 선택에 긍정적인 효과가 있음을 보고한 이영은, 이효녕(2014)의 연구 결과와도 일치한다고 볼 수 있다.
- 첫째, 수학교과 중심의 STEAM 수업이 중학교 1학년 학생들의 수학, 과학, 기술/공학 관련 진로 흥미도 향상에 영향을 미치는가?
- 평가자 3인의 개별 1차 채점 과정에서 ‘논리·비판적 사고’와 ‘유창성’ 영역에 대한 사전ㆍ사후 평가 결과가 3명 모두 동일하게 나타났으나, ‘유연성’, ‘독창성’, ‘경제적 사고’, ‘융합적 소양’에 대한 사전ㆍ사후 평가 결과는 불일치되는 부분이 있어 차후 논의를 통해 합의하여 융합적 문제해결력에 대한 분석을 최종적으로 완료하였다.
후속연구
- 이에 본 연구의 결과를 실험처치(STEAM 수업)의 효과로만 단정하기에는 다소 한계를 갖는다고도 볼 수 있다. 따라서 STEAM 교육의 효과를 보다 면밀하고 정확하게 파악하기 위해서는 통제집단 사전-사후검사 설계와 같은 비교 집단과의 비교 및 심층면담 등의 정성적 접근을 접목해서 STEAM 교육의 효과를 보다 정확하게 파악하는 연구가 수행될 필요가 있다.
- 이를 위해서는 무엇보다 학생들의 이공계 분야 진로에 대한 흥미와 이해를 향상시켜 이공계 분야에 대한 진로 선택에 긍정적인 인식을 갖게 하는 것이 매우 중요할 것이다. 비록 STEAM 교육이 학생들의 이공계 분야 진로 선택에 어느 정도로 실질적으로 기여할 수 있는지에 대해서는 보다 심도 깊은 연구를 통해서 살펴볼 필요가 있지만, 본 연구를 통해 STEAM 교육이 이공계 분야 진로에 대한 학생들의 흥미와 관심을 향상시키는데 효과적인 교수 방안이 될 수 있음을 알 수 있었고, 더 나아가 학생들의 이공계 분야로의 진로 선택에 대한 가능성을 높이는데 STEAM 교육이 긍정적인 영향을 줄 수 있음을 기대해 볼 수 있다.
- 앞서 살펴본 진로 탐색 및 문제해결력 측면에서 STEAM 교육의 효과와 관련된 선행 연구의 대부분도 주로 과학이나 기술공학 중심의 STEAM 교육 분야에 치중해 있는 것을 볼 수 있었다. 이에 진로 탐색 및 융합적 문제해결력 측면에서 STEAM 교육의 효과에 대한 이론적 기틀을 마련하기 위해서는 보다 다각도에서 연구가 이루어질 필요가 있으며, 이를 위해서는 수학교과 중심의 STEAM 교육이 학생들의 진로 탐색과 융합적 문제해결력에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 반드시 수반되어야 한다.
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