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문제 정의
- 본 연구는 디자인의 규칙(pattern)을 기반으로 수학·과학적 원리를 학습하는 STEAM 프로그램을 개발하고, 개발한 프로그램의 효과를 분석함으로써 학교교육에서 STEAM의 교육적 의의를 알아보는 것이다.
- 본 연구에서는 디자인을 소재로 하여 수학·과학적 원리를 융합적으로 탐구할 수 있는 STEAM 프로그램을 개발하고, 개발한 프로그램을 기반으로 한 STEAM 수업이 학생들의 융합적 태도 및 만족도에 미치는 효과를 알아보기 위하여 D광역시 소재의 초등학교 학생들을 대상으로 하여 실험 수업을 진행하였다.
- 본 연구에서는 위의 에서 조향숙(2012)과 백윤수 외(2012)에서 제시한 STEAM 학습 모형인 상황 제시, 창의적 설계, 감성적 체험 단계에 따라 디자인 기반의 수학·과학적 원리를 활용하는 STEAM 프로그램을 개발하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 STEAM의 한 분야인 예술 교과의 디자인을 기반으로 수학·과학적 원리를 학습하는 STEAM 프로그램을 개발하고, 실험 수업을 통해 개발한 프로그램의 효과를 분석함으로써 학교수학교육에서 STEAM의 교육적 의의와 효과를 살펴보고자 한다.
제안 방법
- STEAM 캠프의 참여 학생들을 대상으로 캠프 당일에 수업 참여에 대한 동의서[부록 1]와 사전 STEAM 태도 검사지[부록 2]를 수합하였으며, 실험 수업 이후에 사전 STEAM 태도 검사지와 동형으로 사후 STEAM 태도 검사와 함께 만족도 검사[부록 3]를 수행하였다.
- 본 연구에서는 학생들의 융합인재교육(STEAM) 태도와 만족도를 측정하기 위해서 한국 창의재단(2017)에서 제공한 검사지를 사용하였다. STEAM 태도와 만족도 검사지는 각각 50개와 9개의 문항(소문항 18개)으로 구성되어 있으며, 검사지의 척도는 매우 긍정적으로 답한 경우에 5점, 약간 긍정은 4점, 중간은 3점, 약간 부정적으로 답할 경우에는 2점, 매우 부정적으로 답한 경우는 1점으로 5단계 평정 척도를 사용하였다. 사전·사후 STEAM 태도 검사지의 문항은 서로 동형으로 실험 수업의 전·후에 검사를 실시하였고, 만족도 검사는 실험 수업 이후에 실시하였다.
- 위의 <표 Ⅲ-5>와 같이 STEAM 태도 검사지의 항목은 흥미, 배려, 소통, 유용성/가치인식, 자아 개념, 자아 효능감, 이공계 진로선택의 항목으로 구성되었으며, 각 항목의 문항수는 4∼10개로 이루어져 있다. 검사 시간은 검사에 대한 전반적인 안내 및 사전 STEAM 태도검사는 20분, 사후 STEAM 태도 검사와 만족도 검사는 30분 내외의 시간 동안 이루어졌으며, 수업 교사들이 임장 교사의 역할을 담당하여 문항 응답 방법에 대한 대략적인 안내를 제공하였고, 특히 초등학교 저학년 학생들에게는 응답 방법과 함께 문항에 대한 이해의 측면에서 질문을 받고 문항의 의도를 답해 주는 형태로 검사를 수행하였다.
- 그런데 본 연구를 진행함에 있어 다수의 초등학생들을 대상으로 개발한 STEAM 프로그램의 최소 시수인 3시간의 실험 수업을 수행하기에는 시간, 장소, 학부모, 초등학교의 여건 등의 현실적인 어려움이 있어, 대상 학생들이 온전히 실험 수업에 참여할 수 있는 요일인 토요일과 D광역시 소재의 대학 시설들을 이용하여 STEAM 캠프의 형식으로 3시간의 실험 수업과 1시간여의 사전·사후 검사 등을 수행하였다.
- 실험 수업은 STEAM 캠프에 참여한 초등학생 120명을 대상으로, STEAM 캠프 기간의 오전(09:30∼12:30)과 오후(13:30∼16:30)로 2차례에 걸쳐 실시되었으며, 실험 수업을 담당한 초등 교사는 총 6명이었다. 그리고, 각 학년군 별로 40명씩 구성된 학생들을 대상으로 수업 담당 교사가 캠프 당일의 실험 수업 이전에 사전 태도 검사지를 수합하고, 실험 수업 이후에 사전 태도 검사지와 동형인 사후 태도 검사와 만족도 검사를 수행하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 한국창의재단(2012)의 STEAM 수업 모형인 상황제시, 창의적 설계와 함께, 디자인 제품 제작 활동에서 감성적인 체험을 경험할 수 있는 프로그램을 개발하였으며, 프로그램 개발 과정은 다음 [그림 Ⅲ-1]과 같이 준비, 개발, 개선의 단계로 진행하였다.
- 사전·사후 STEAM 태도 검사지의 문항은 서로 동형으로 실험 수업의 전·후에 검사를 실시하였고, 만족도 검사는 실험 수업 이후에 실시하였다.
- 위의 [그림 Ⅲ-1]에서 제시한 STEAM 프로그램의 개발 단계에 따라 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램의 학습주제는 초등학생들이 규칙(pattern)이라는 대주제를 중심으로 과학·기술·공학·예술·수학의 체계적인 연계와 융합이 이루어지면서 직접적으로 수학·과학 분야와 연관될 수 있는 내용을 소주제로 선정하였다.
- 이를 위하여 주요 STEAM 과목 분야의 교과교육 전문가(3명)와 함께 초등 현장교사를 중심으로 하는 개발팀(14명)을 구성하였으며, 개발 과정에서 전문가 집단(5명)의 프로그램 검토 및 평가와 함께 수정 작업을 거쳤으며, 개발한 STEAM 프로그램을 기반으로 한 실험 수업을 실시하였다. 실험 수업은 STEAM 캠프에 참여한 초등학생 120명을 대상으로, STEAM 캠프 기간의 오전(09:30∼12:30)과 오후(13:30∼16:30)로 2차례에 걸쳐 실시되었으며, 실험 수업을 담당한 초등 교사는 총 6명이었다.
- 이를 위해 본 연구에서는 학교 현장에 새롭게 적용되는 2015 개정 교육과정의 STEAM 교과목에 대한 분석을 통해 STEAM 프로그램의 내용 및 소재 선정의 기초 작업을 수행하였고, 개발한 STEAM 프로그램에 대한 현장과 5인의 전문가 평가를 통해 문제점을 파악·분석 및 계속된 수정 작업을 통하여 STEAM 프로그램[부록 4]을 완성하였다.
대상 데이터
- 마지막으로 실험 수업은 STEAM 캠프 기간의 오전(09:30∼12:30)과 오후(13:30∼16:30)로 2차례에 걸쳐 실시되었으며, 실험 수업에 참여한 교사는 D광역시와 도 단위 소재의 초등학교에 근무하는 교사들로 총 6명이었다.
- 그런데 본 연구를 진행함에 있어 다수의 초등학생들을 대상으로 개발한 STEAM 프로그램의 최소 시수인 3시간의 실험 수업을 수행하기에는 시간, 장소, 학부모, 초등학교의 여건 등의 현실적인 어려움이 있어, 대상 학생들이 온전히 실험 수업에 참여할 수 있는 요일인 토요일과 D광역시 소재의 대학 시설들을 이용하여 STEAM 캠프의 형식으로 3시간의 실험 수업과 1시간여의 사전·사후 검사 등을 수행하였다. 사전에 D광역시 소재의 초등학교 모두에 STEAM 캠프 개최에 대한 자세한 안내 및 희망 학생에 대한 모집 공문을 미리 발송하였으며, 온라인(https://onoffmix.com/event/11662)을 통해 STEAM 프로그램 기반 실험 수업에 참여하기를 희망하는 학생들을 모집하였다. 이에 연구 대상 학생들은 D광역시 소재의 초등학교 학생 중에서 2017년 9월 9일에 D교육대학교에서 개최한 STEAM 캠프에 참여하기를 원하는 학생들이며, 각 학년군 별로 40명씩으로 총 120명으로 구성되었다.
- 실험 수업은 STEAM 캠프에 참여한 초등학생 120명을 대상으로, STEAM 캠프 기간의 오전(09:30∼12:30)과 오후(13:30∼16:30)로 2차례에 걸쳐 실시되었으며, 실험 수업을 담당한 초등 교사는 총 6명이었다.
- com/event/11662)을 통해 STEAM 프로그램 기반 실험 수업에 참여하기를 희망하는 학생들을 모집하였다. 이에 연구 대상 학생들은 D광역시 소재의 초등학교 학생 중에서 2017년 9월 9일에 D교육대학교에서 개최한 STEAM 캠프에 참여하기를 원하는 학생들이며, 각 학년군 별로 40명씩으로 총 120명으로 구성되었다. 대체로 이 학생들은 학교의 정규 수업 시간에 STEAM 관련 수업을 접해본 경험이 없는 학생들이었으며, 연구대상 학생들의 학년군 및 인원, 실험 수업에 적용한 STEAM 프로그램의 개요는 다음 <표 Ⅲ-1>과 같다.
데이터처리
- ’, 수업 전반 항목에서는 문항 5의 ‘전에 받았던 수업과 오늘 참여한 STEAM 수업의 가장 큰 차이점’과 함께 문항 7의 ‘STEAM 수업 중 가장 어려웠던 점’에 대해서 통계 분석을 실시하였다.
- 결과 분석은 예술 교과에서 디자인을 기반으로 수학·과학 STEAM 프로그램을 개발하고, 개발한 프로그램이 STEAM 태도 및 만족도에 미치는 효과를 검증하기 위한 것으로, STEAM 태도 검사의 효과는 동일한 집단에서 사전·사후 검사 점수의 평균 차이를 비교할 수 있는 대응표본 t-검정을 실시하였으며, 만족도 검사의 효과 여부는 기술통계량의 빈도수를 도출하여 통계적으로 분석하였다.
- 그리고 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램 기반 실험 수업의 효과를 알아보는 연구 문제의 분석을 위해 SPSS 24 프로그램을 사용하였다. 결과 분석은 예술 교과에서 디자인을 기반으로 수학·과학 STEAM 프로그램을 개발하고, 개발한 프로그램이 STEAM 태도 및 만족도에 미치는 효과를 검증하기 위한 것으로, STEAM 태도 검사의 효과는 동일한 집단에서 사전·사후 검사 점수의 평균 차이를 비교할 수 있는 대응표본 t-검정을 실시하였으며, 만족도 검사의 효과 여부는 기술통계량의 빈도수를 도출하여 통계적으로 분석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 학생들의 융합인재교육(STEAM) 태도와 만족도를 측정하기 위해서 한국 창의재단(2017)에서 제공한 검사지를 사용하였다. STEAM 태도와 만족도 검사지는 각각 50개와 9개의 문항(소문항 18개)으로 구성되어 있으며, 검사지의 척도는 매우 긍정적으로 답한 경우에 5점, 약간 긍정은 4점, 중간은 3점, 약간 부정적으로 답할 경우에는 2점, 매우 부정적으로 답한 경우는 1점으로 5단계 평정 척도를 사용하였다.
성능/효과
- 05에서 2학년 학생들은 유의미한 차이가 없었지만, 다른 학년에서는 융합적 태도의 측면에서 STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 2학년 학생들의 평균 점수의 비교에서 사전 검사지의 평균은 3.3938이고, 사후 검사지의 평균은 3.4250로 사후 검사가 사전 검사에 비해서 평균 점수가 0.0312점 높게 나타났다. 다음으로 융합적 태도에서 유의미한 차이가 드러나지 않은 효과를 2학년 학생들을 대상으로 융합적 태도의 하위 요인에서의 변화를 알아보기 위해서 검사지를 분석한 결과는 <표 Ⅳ-2>과 같았다.
- 그리고, 사전·후 STEAM 태도 검사지의 평균 점수의 비교에서 사전 검사지의 평균은 3.3938이고, 사후 검사지의 평균은 3.4250로 실험 수업 이후에 실시한 사후 검사가 사전 검사에 비해서 평균 점수가 0.0312점 높게 나타났다.
- 넷째, STEAM 만족도의 하위 항목으로 수업 전반을 묻는 문항인 STEAM 프로그램 기반실험 수업이 전통적인 수업과 비교해서 가장 크게 여겨지는 차이점이 무엇인가에 대한 설문 검사에서 연구대상 학생들은 본 연구의 STEAM 프로그램 기반 수업은 여러 과목을 연결(45%)하거나 활동 중심(24%)의 수업이라는 반응을 보였다. 이는 연구대상 학생들이 STEAM 프로그램 기반 수업의 의미와 방법에 대해서 일정 정도 이해하고 있으며, 이와 함께 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램이 STEAM의 목적과 방법에 부합한다는 것을 알려주는 결과이다.
- 다섯째, STEAM 만족도의 하위 항목인 흥미와 관련해서 연구 대상 학생들은 대부분 STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 매우 재미있었다(69%)는 반응을 보였으며, 흥미가 없었다는 반응을 보인 학생(2%)의 사례수는 적었다. 이를 통해 학생의 실생활적 흥미와 수업 지속력을 유지할 수 있도록 재미를 유발할 수 있는 디자인 기반의 활동 주제가 선정되었음을 확인할 수 있었다.
- 다음으로 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 전통적인 수업과 비교해서 가장 크게 여겨지는 차이점이 무엇인가에 대한 설문 검사를 분석한 결과는 과 같았다.
- 둘째, 2학년 학생들은 STEAM 태도의 하위 요인인 흥미, 배려, 유용성/가치인식, 자아효능감에서 유의미한 차이를 보이지 못했지만, 다른 3개의 하위 요인으로 소통, 자아개념, 자아효능감에서 변화의 모습을 보였다. 그리고, 사전·후 STEAM 태도 검사지의 평균 점수의 비교에서 사전 검사지의 평균은 3.
- 셋째, STEAM 프로그램 기반 실험 수업의 만족도에 대한 측면에서 연구대상 학생들은 ‘대체로 그렇다’ 이상의 비율이 89%이었고, ‘대체로 그렇지 않다’ 이하의 비율은 3%내외로 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램을 기반으로 한 수업에 대해서 만족했던 것으로 나타났다.
- 둘째, 창의적 설계 단계에서는 복합적이고 다단계적인 문제를 자기주도적으로 정의하고 해결하는 경험을 통하여 종합적인 문제해결력을 신장하는 단계이다. 셋째, 감성적 체험은 학습의 결과로써 산출물의 구성에 대한 경험을 통해 성취와 몰입의 감성을 느끼고 새로운 학습에 대한 새로운 도전 의식을 갖게 되는 단계이다.
- 열 번째, 학습한 내용을 바탕으로 창의적으로 새로운 학습 내용을 구성해보는 활동이 가능해야 한다.
- 위의 과 같이 연구대상 학생들은 본 연구의 STEAM 프로그램 기반 수업은 여러 과목을 연결(45%)하거나 활동 중심(24%)의 수업이라는 반응을 보였다.
- 위의 과 같이 학년별로 연구대상 학생에 대한 STEAM 태도 검사를 독립표본 t-검정을 한 결과, 유의수준 0.05에서 2학년 학생들은 유의미한 차이가 없었지만, 다른 학년에서는 융합적 태도의 측면에서 STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 위의 와 같이 STEAM 프로그램 기반 수업에 대한 만족도에서 연구대상 학생들은 ‘대체로 그렇다’ 이상의 비율이 89%이었고, ‘대체로 그렇지 않다’ 이하의 비율은 3%내외로 나타났다.
- 위의 와 같이 연구 대상 학생들은 STEAM의 주요 교과목에 대해서 대체로 보통 이상의 흥미(94%)를 지니고 있었으며, 대체로 음악, 미술, 체육의 예체능 교과에 대한 선호도(42%)가 다소 높았고, 특히 과학 교과에 대해서는 싫어하거나 매우 싫어하는 학생(1%)이 거의 없었으며, 음악, 미술, 체육 교과에 대해서도 싫어하거나 매우 싫어하는 학생(5%)의 비율이 높지 않았다.
- 넷째, STEAM 만족도의 하위 항목으로 수업 전반을 묻는 문항인 STEAM 프로그램 기반실험 수업이 전통적인 수업과 비교해서 가장 크게 여겨지는 차이점이 무엇인가에 대한 설문 검사에서 연구대상 학생들은 본 연구의 STEAM 프로그램 기반 수업은 여러 과목을 연결(45%)하거나 활동 중심(24%)의 수업이라는 반응을 보였다. 이는 연구대상 학생들이 STEAM 프로그램 기반 수업의 의미와 방법에 대해서 일정 정도 이해하고 있으며, 이와 함께 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램이 STEAM의 목적과 방법에 부합한다는 것을 알려주는 결과이다. 또한, 실험 수업에서 어려웠던 점에 대한 설문 검사에서 연구 대상 학생들은 대체로 어려웠던 점이 없다고 반응했는데(58%), 그럼에도 가장 많이 어려움을 제기한 항목은 시간 부족이었다(31%).
- 다섯째, STEAM 만족도의 하위 항목인 흥미와 관련해서 연구 대상 학생들은 대부분 STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 매우 재미있었다(69%)는 반응을 보였으며, 흥미가 없었다는 반응을 보인 학생(2%)의 사례수는 적었다. 이를 통해 학생의 실생활적 흥미와 수업 지속력을 유지할 수 있도록 재미를 유발할 수 있는 디자인 기반의 활동 주제가 선정되었음을 확인할 수 있었다.
- 첫째, STEAM 프로그램 기반 실험 수업이 융합적 태도에 미치는 효과를 알아보기 위해서 STEAM 태도 검사지를 독립표본 t-검정을 한 결과, 유의수준 0.05에서 2학년 학생들은 유의미한 차이가 없었지만 다른 학년에서는 긍정적인 효과있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 셋째, STEAM 프로그램 기반 실험 수업의 만족도에 대한 측면에서 연구대상 학생들은 ‘대체로 그렇다’ 이상의 비율이 89%이었고, ‘대체로 그렇지 않다’ 이하의 비율은 3%내외로 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램을 기반으로 한 수업에 대해서 만족했던 것으로 나타났다. 다만 STEAM 만족도 검사에서 학년별로 결측값이 최소 15%에서 최대 26%내외의 평균적으로는 19%였다는 것은 반응율을 높이기 위한 검사지의 몇몇 문항들에 대한 재구조화 방안에 대한 추후 연구가 필요함을 알려 주는 결과라고 여겨진다.
- 더불어 STEAM에 따른 인지·정의적 변인들의 효과에 대한 선행연구들의 연장선에서 수학 내용 지식이나 문제해결력 등의 신장과 같은 인지적 측면에 미치는 효과에 대한 연구가 현재보다는 다양하게 이루어져야 할 것이다.
- 둘째, 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램은 정규 수업 시간, 창의적 체험활동, 방과후 활동, 자유학기제 등에 사용할 수 있도록 개발되었지만, 개발한 STEAM 프로그램이 실제로 학교 현장에 적용될 때, 학습자들에게 미치는 다각적인 효과에 대한 연구가 필요할 것이다.
- 셋째, STEAM에 대한 교사 연수 프로그램 및 교수학습 방법 등에 대한 체계적 연구가 이루어질 필요가 있으며, 동시에 STEAM의 저변 확대를 위해서 현장 교사를 대상으로 한교사 연수 등이 요구되고, 나아가 학교 현장에서 다양한 형태로 활용이 가능한 수학 교과내 수업형이나 교과 연계형 등의 STEAM 프로그램들이 더 많이 개발되어야 할 것이다.
- ’ 라는 반응이 있었는데, 이는 본 연구에서 개발한 STEAM 프로그램이 디자인과 공학 기반의 과학·예술 융합형의 형태로 1∼2학년군에서는 픽셀 아트(Pixel Art)를, 3∼4학년군에서는 틴커캐드(Tinkercad)를, 5∼6학년군에서는 스트링 아트(String Art)를 소재로 다루기 때문에 관련 용어들이 본문에 포함되어있기 때문이었다. 이에 개발된 STEAM 프로그램에 사용되는 단어와 문장을 초등학생의 수준에 적합하도록 수정하거나 재진술하는 작업을 실시하고, 나아가 개발한 STEAM 프로그램의 효과성에 대한 추후의 실험 수업이나 적용 연구에서는 자료의 모듈화와 함께 교수 계획의 복선적 계열화를 추구해야 할 것으로 나타났다.
- 첫째, 미래의 지식기반사회를 대비하는 수학 학습자의 융합 능력의 신장이라는 측면에서 최근 들어 제기되고 있는 학교수학에서 STEAM의 당위성과 함께, 수학적 능력 신장의 측면에서 STEAM의 타당성에 대한 심도 있는 연구가 요구되는 바이다. 더불어 STEAM에 따른 인지·정의적 변인들의 효과에 대한 선행연구들의 연장선에서 수학 내용 지식이나 문제해결력 등의 신장과 같은 인지적 측면에 미치는 효과에 대한 연구가 현재보다는 다양하게 이루어져야 할 것이다.
- 첫째, 융합인재를 양성하기 위한 수학·과학적 지식과 다양한 분야의 지식을 익히고 그것을 아울러 이해할 수 있도록 자료를 구성해야 한다.
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