[논문]영재 학생들의 공학 설계 기반 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 및 공학에 대한 태도에 미치는 영향

강주원; 남윤경

doi:10.14697/jkase.2017.37.4.719

영재 학생들의 공학 설계 기반 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 및 공학에 대한 태도에 미치는 영향
The Impact of Engineering Design Based STEM Research Experience on Gifted Students' Creative Engineering Problem Solving Propensity and Attitudes Toward Engineering 원문보기

한국과학교육학회지 = Journal of the Korean association for science education, v.37 no.4, 2017년, pp.719 - 730

초록
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본 연구는 공학 설계에 기반을 둔 연구 프로그램, 팀 프로젝트 활동 등의 통합적 STEM 연구 활동이 영재 학생들의 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도에 미치는 효과를 알아본 것이다. 이를 위해 Kang & Nam (2016)이 개발한 창의적 공학문제해결 성향 검사 도구와 Moon (2009)이 사용한 공학에 대한 태도 검사 도구를 본 연구 상황에 맞게 수정하여 통합적 STEM 활동의 사전과 사후에 측정 하였고, 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동은 창의적 공학문제해결 성향 변화과 공학에 대한 태도 변화에 긍정적 효과를 나타냈다. 창의적 공학문제해결 성향 검사지는 동기, 공학 설계, 공학적 사고 습관, 공학과 공학자, 소통 및 협업 능력 5요인으로 구성되어 있는데 모든 요인에서 유의미한 결과가 나타났다(p<.05). 창의적 공학문제해결 성향은 대부분의 요인에서 진로 희망 직업 계열과 성별 차이에 따른 유의미한 차이가 없었다. 하지만 '공학 설계' 요인에서는 남학생보다 여학생에게 효과가 있음을 알 수 있었다. 공학에 대한 태도 검사지는 공학에 대한 흥미, 공학의 난이도, 공학의 영향, 공학과 관련된 학교 교육과정, 공학과 직업에 대한 인식을 알아보는 문항으로 구성되어 있는데 모든 요인에서 유의미한 결과가 나타났지만(p<.05), 진로 희망 직업 계열과 성별 차이에 따른 유의미한 차이는 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate how engineering design-based STEM research experience affects gifted students' creative engineering problem-solving propensity and attitude toward engineering. The students' creative engineering problem-solving propensity and attitude toward engineering were measured before and after the STEM research experience. The pre-/post-tests results were analyzed by paired t-test with the significance level of p <.05. The conclusions of the study are as follows: First, the engineering design based STEM research experience had a positive effect on the students' creative engineering problem-solving propensity. Over all, the average score of the creative engineering problem-solving propensity increased significantly (p <.05) after the STEM research experience. Second, the average score of gifted-students' attitude toward engineering had increased significantly after the integrated STEM research activities (p <.05). In addition, we analyzed the difference between pre-post results of both instruments based on the gifted students' desired career paths (natural science and engineering) and gender. The result shows that the students' career paths or gender did not affect the results in most of the sub-categories in both instruments. However, the STEM research experience had more positive effect on the female students than male students in term of their 'engineering design ability', which is one of the sub-categories of the creative engineering problem-solving propensity instrument.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 영재 학생들의 진로 희망 직업 계열(N=84)과 성별(N=89)에 따른 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도 변화에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 공학 계열과 자연 계열로 진로를 희망하는 집단 사이와 남학생과 여학생 집단 간의 사후 점수의 차이가 사전 점수의 영향에 의한 것인지, 아니면 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동의 효과인지 알아보았다. 연구 대상자는 89명 중 남학생은 63명, 여학생은 26명이었고, 사전 검사와 사후 검사에서 진로 희망을 기타 직업 계열로 선택한 학생이 각각 3명과 2명이 있어 이 5명의 학생들은 제외하여 공학 계열을 희망한 학생은 60명, 자연 계열을 희망한 학생은 24명이었다.
계획 및 실행 단계에서 학생들은 브레인스토밍을 통해 여러 가능한 해결안을 발전시키고 각 장단점을 평가한다. 이러한 과정을 통해 여러 제한점들과 서로 대립되는 요소 간 균형의 중요성을 평가한다. 이 단계는 시제품을 만드는 것으로 마무리 된다.
이에 본 연구에서는 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 영재 학생들의 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도에 미치는 영향과 이러한 연구 활동이 진로 직업 계열과 성별에 따라 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다.
2015 개정교육과정에서 추구하는 인간상과 통합적 STEM 교육과 과학 공학 융합 교육에서 추구하는 바와 거의 유사하다. 하지만 지금까지 교과서에서 제시된 실험은 대부분 답이 존재하고 주어진 문제를 스스로 해결하기보다 이미 배운 내용을 다시 확인하는데 목적이 있었다. 또한 실험 과정 역시 자세하게 나와 있기 때문에 학생들이 창의적으로 문제해결 과정을 설계해 볼 기회가 부족하다(Ministry of Education and Science Technology [MEST] & Korea Foundation for the Advancement of Science & Creativity[KOFAC], 2012).

제안 방법

Table 2는 선행 연구를 바탕으로 공학적 문제해결의 공통적인 핵심 개념인 공학 설계의 과정의 다양한 예를 보여준다. 미국의 차세대 과학교육과정(NGSS)에서는 1) 해결해야 할 문제에 포함되어 있는 성공 기준의 범위와 한계 또는 제약을 가능한 한 명확한 정의, 2) 공학 문제를 해결하기 위해 실현 가능한 해결 방법을 찾아 설계하고, 다양한 방법 중 최선의 것이 무엇인지에 대한 평가, 3) 여러 번 검사와 개선하는 과정을 거쳐 최종적 설계물로 최적화(NGSS LeadStates, 2013)를 3가지 주요 요소로 제시한다. Hjalmarson & Lesh(2008)의 engineering design research model에서는 1) 제시된 문제 상황 정의, 2) 관련 있는 개념 탐색, 3) 설계물 디자인, 4) 어떻게 산출물을 사용할 것인지 체계를 구축하고 발전시키기의 네 단계로 공학 설계의 과정을 제시하였다.
미국의 차세대 과학교육과정(NGSS)에서는 1) 해결해야 할 문제에 포함되어 있는 성공 기준의 범위와 한계 또는 제약을 가능한 한 명확한 정의, 2) 공학 문제를 해결하기 위해 실현 가능한 해결 방법을 찾아 설계하고, 다양한 방법 중 최선의 것이 무엇인지에 대한 평가, 3) 여러 번 검사와 개선하는 과정을 거쳐 최종적 설계물로 최적화(NGSS LeadStates, 2013)를 3가지 주요 요소로 제시한다. Hjalmarson & Lesh(2008)의 engineering design research model에서는 1) 제시된 문제 상황 정의, 2) 관련 있는 개념 탐색, 3) 설계물 디자인, 4) 어떻게 산출물을 사용할 것인지 체계를 구축하고 발전시키기의 네 단계로 공학 설계의 과정을 제시하였다. Moore et al.
공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 성별 차이에 따라 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도의 사후 점수에 미치는 영향을 검증하기 위해 공변량 분석을 실시하였다. 이에 대한 하위 요인 및 전체 문항에 대한 사전 검사, 사후 검사의 평균과 표준 편차, 조정된 사후 검사 점수의 평균과 표준 오차는 Table 9와 같고, 공변량 분석 결과는 Table 10과 같다.
공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 진로 희망 직업 계열 차이에 따라 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도의 사후 점수에 미치는 영향을 검증하기 위해 공변량 분석을 실시하였다. 이에 대한 하위 요인 및 전체 문항에 대한 사전 검사, 사후 검사의 평균과 표준 편차, 조정된 사후 검사 점수의 평균과 표준 오차는 Table 7과 같고, 공변량 분석 결과는 Table 8과 같다.
이후 STEAM 교육 및 PBL(Problem Based Learning)에 관한 교육을 바탕으로 모둠별 R&E 활동을 진행하는데, 이는 2016년 8월부터 12월까지 정규 교과 시간에 운영되는 과제 연구 시간(주당 2시간)와 창의적 체험 활동의 R&E 시간(주당 1시간), 방과 후에 진행되는 영재학급 시간(주당 3시간) 동안 매주 최소 6시간 이상씩 집중적으로 진행되는 R&E 활동으로 모든 학생들은 최소 80시간 이상 연구 활동에 참여하였다. 그리고 12월에 사후 검사로 창의적 공학문제해결 성향 및 공학에 대한 태도 검사를 실시 한 후 이를 분석, 처리하여 결과를 정리하였다.
05). 따라서 실험 전 존재하는 집단 간 평균 점수 차이의 영향을 통제하기 위해 사전 점수를 공변인으로 하여 사후 점수에 대해 공변량 분석을 실시하였다.
또한 문항별 상세 분석에서는 ‘매우 그렇다’, ‘그렇다’를 ‘긍정’으로, ‘보통이다’를 ‘보통’으로, ‘그렇지 않다’, ‘전혀 그렇지 않다’를 ‘부정’ 척도로 분석하였다.
시험 및 평가 단계에서는 만들어진 시제품을 시험해 보아야 한다. 또한 이 단계에서는 검증 가능한 가설 및 질문을 만들고 시제품으로 설계안을 평가하기 위해 실험을 하고 수집된 실험 결과 자료를 분석한다. 그리고 이 자료는 시제품에 대해 장단점을 확인하고 평가하는데 사용하고, 재설계를 할 때 피드백으로 사용된다.
연구 대상은 실제로 다양한 프로젝트 탐구 활동 및 STEM 교육을 받은 경험이 많은 경남 지역의 K과학고등학교에서 실시하는 과제연구, 영재학급 시간에 이루어지는 연구 활동에 참여한 1학년 104명 학생들 중 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구를 진행한 학생을 다음과 같은 기준을 통해 선정하였다.먼저 문헌 연구를 통해 세부적인 기준을 수립한 후 STEM 교육 전문가 2명의 협의 과정을 통해서 구체적인 기준을 선정하였다
본 연구는 단일 집단 사전⋅사후 검사 설계(one-group pretestposttest design)로 수행하였다.
이 검사지는 원래 네덜란드에서 개발된 TAS (Technology Attitude Scale)를 번역한 초안을 바탕으로 하여 개발되었으며(Lee, 2008), 공학에 대한 흥미, 공학에 대한 성 역할, 공학의 난이도, 공학의 영향, 공학 관련 학교 교육과정, 공학과 직업의 6요인, 58문항으로 구성된다. 본 연구에서는 공학에 대한 태도를 알아보는 요인 중 성 역할은 연구 문제를 통해 알아보기 위한 문제였기 때문에 별도의 설문지 구성 문항으로는 불필요하다는 판단에 제거하였고, 물어보는 내용이 중복되는 문항을 제거하여 5요인, 33문항으로 재구성하여 적용하였다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 공학에 대한 태도 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 창의적 공학문제해결 성향 검사와 동일하게 사전-사후 검사를 실시하였다. 집단 내의 사전-사후 점수 변화의 유의미한 차이를 대응 표본 t검정으로 분석하였고, 이에 대한 검사 결과는 Table 5와 같다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 공학에 대한 태도에 어떠한 영향을 미쳤는지 구체적으로 알아보기 사전, 사후 검사 결과를 이용하여 각 문항별, 요인별, 전체 문항에 대해 태도 변화의 정도를 응답율(%)로 분석하였다. 사전, 사후 검사 결과에서 부정적인 성향보다는 긍정적인 성향이 대체로 높게 나타났다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 변화를 좀 더 구체적으로 알아보기 사전, 사후 검사 결과를 이용하여 각 문항별, 요인별, 전체 문항에 대해 성향 변화의 정도를 응답율(%)로 분석하였다. 사전, 사후 검사 결과에서 모두 기본적으로 부정적인 성향보다는 긍정적인 성향이 높게 나타났다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 학생들이 본격적인 연구 활동을 시작하는 주제 선정 전에 사전 검사를 실시하였고, 교내 과제연구 발표대회 이후 사후 검사를 실시하였다. 집단 내의 사전-사후 점수 변화의 유의미한 차이를 대응 표본 t검정으로 분석하였고 전체 문항에 대한 검사 결과는 Table 4와 같다.
본 연구는 단일 집단 사전⋅사후 검사 설계(one-group pretestposttest design)로 수행하였다. 이 실험의 독립변인은 실생활 문제에 대해 공학적인 방식으로 문제를 해결하는 통합적 STEM 연구 활동이고, 종속변인은 창의적 공학문제해결 성향, 공학에 대한 태도이다. 연구 결과는 SPSS 12.
이들 학생의 특성을 파악하기 위해 본 연구에 앞서 사전 설문조사를 실시하였고 그 결과는 Table 3과 같다.

대상 데이터

연구 대상은 실제로 다양한 프로젝트 탐구 활동 및 STEM 교육을 받은 경험이 많은 경남 지역의 K과학고등학교에서 실시하는 과제연구, 영재학급 시간에 이루어지는 연구 활동에 참여한 1학년 104명 학생들 중 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구를 진행한 학생을 다음과 같은 기준을 통해 선정하였다.먼저 문헌 연구를 통해 세부적인 기준을 수립한 후 STEM 교육 전문가 2명의 협의 과정을 통해서 구체적인 기준을 선정하였다
공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 영재 학생들의 진로 희망 직업 계열(N=84)과 성별(N=89)에 따른 창의적 공학문제해결 성향과 공학에 대한 태도 변화에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 공학 계열과 자연 계열로 진로를 희망하는 집단 사이와 남학생과 여학생 집단 간의 사후 점수의 차이가 사전 점수의 영향에 의한 것인지, 아니면 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동의 효과인지 알아보았다. 연구 대상자는 89명 중 남학생은 63명, 여학생은 26명이었고, 사전 검사와 사후 검사에서 진로 희망을 기타 직업 계열로 선택한 학생이 각각 3명과 2명이 있어 이 5명의 학생들은 제외하여 공학 계열을 희망한 학생은 60명, 자연 계열을 희망한 학생은 24명이었다. 진로 희망 직업(공학 계열, 자연 계열)과 성별(남학생, 여학생)에 따른 집단이 동일한 집단인지 확인하기 위해 각 검사 도구의 하위 요인별 사전 검사 점수에 대해 독립 표본 t검정을 통해 동질성 검증을 실시하였고 이에 대한 결과는 Table 6과 같다.
연구 수행을 위한 문헌 연구 및 연구 계획을 수립하여 경남 소재 K과학고등학교 1학년 학생을 대상으로 하여 2016년 8월 초 사전 검사로 창의적 공학문제해결 성향 및 공학에 대한 태도 검사를 실시하였다. 1학년 학생의 경우 5월부터 영재학급이 시작되고 약 두 달간은 주제 선정, 논문 작성법, 연구 사례 중심으로 수업이 진행 된다.
이 세 가지 기준 중에서 최소 한 가지 이상 만족하면 통합적 STEM 연구 활동을 실시한 것으로 선정하기로 하였고, 이 기준에 의거하여 학생들이 약 4개월간 수행한 연구 활동 과정과 연구보고서, 발표 내용을 종합하여 R&E 활동에 참가한 총 37팀(104명) 중에서 34팀(89명)을 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동을 수행한 팀으로 선정하였다.
첫째, 본 연구는 경남 지역의 K과학 고등학교 1학년 학생을 대상으로 ‘단일 집단 사전 사후 검사’로 연구를 수행되었다.

데이터처리

사전, 사후 검사 결과 수집된 자료는 SPSS 12.0을 이용하여 대응 표본 t검정과 독립 표본 t검정, 공변량분석을 실시하였고 이때의 통계 처리는 모두 유의수준 .05를 기준으로 검증하였다. 결과 처리에서 긍정 문항은 ‘매우 그렇다’를 5점, ‘전혀 그렇지 않다’를 1점으로 점수를 매기고, 부정 문항은 ‘매우 그렇다’를 1점, ‘전혀 그렇지 않다’를 5점으로 역코딩하여 점수를 매겼다.
이 실험의 독립변인은 실생활 문제에 대해 공학적인 방식으로 문제를 해결하는 통합적 STEM 연구 활동이고, 종속변인은 창의적 공학문제해결 성향, 공학에 대한 태도이다. 연구 결과는 SPSS 12.0 프로그램을 이용하여 대응 표본 t검정과, 독립 표본 t검정, 공변량 분석(ANCOVA)을 통해 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동을 수행한 학생들의 창의적 공학문제해결 성향, 공학에 대한 태도에 대한 효과를 검증하였다.
연구 대상자는 89명 중 남학생은 63명, 여학생은 26명이었고, 사전 검사와 사후 검사에서 진로 희망을 기타 직업 계열로 선택한 학생이 각각 3명과 2명이 있어 이 5명의 학생들은 제외하여 공학 계열을 희망한 학생은 60명, 자연 계열을 희망한 학생은 24명이었다. 진로 희망 직업(공학 계열, 자연 계열)과 성별(남학생, 여학생)에 따른 집단이 동일한 집단인지 확인하기 위해 각 검사 도구의 하위 요인별 사전 검사 점수에 대해 독립 표본 t검정을 통해 동질성 검증을 실시하였고 이에 대한 결과는 Table 6과 같다. 공학 계열과 자연 계열을 희망하는 집단 간에 창의적 공학문제해결 성향의 ‘소통 및 협업 능력’ 요인과 공학에 대한 태도에서 ‘공학에 대한 흥미’, ‘공학과 직업’, 전체 점수에서, 남학생과 여학생 사이에서는 공학에 대한 태도의 ‘공학의 영향’ 요인에서 유의미한 차이가 나타났다(p<.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 학생들이 본격적인 연구 활동을 시작하는 주제 선정 전에 사전 검사를 실시하였고, 교내 과제연구 발표대회 이후 사후 검사를 실시하였다. 집단 내의 사전-사후 점수 변화의 유의미한 차이를 대응 표본 t검정으로 분석하였고 전체 문항에 대한 검사 결과는 Table 4와 같다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 공학에 대한 태도 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 창의적 공학문제해결 성향 검사와 동일하게 사전-사후 검사를 실시하였다. 집단 내의 사전-사후 점수 변화의 유의미한 차이를 대응 표본 t검정으로 분석하였고, 이에 대한 검사 결과는 Table 5와 같다.

이론/모형

학생들의 공학에 대한 태도를 측정하기 위한 검사지는 Moon (2009)이 사용한 검사 도구를 사용하였다. 태도란 사람이나 사물, 사항에 대하여 호의적 또는 비호의적으로 일관성 있게 반응하려는 정서적 경향성이다(Sung & Na, 2012).
학생들의 창의적 공학문제해결 성향을 측정하기 위한 검사지는 Kang & Nam (2016)이 개발한 검사 도구를 사용하였다.

성능/효과

‘공학의 난이도’ 요인에서는 사전과 사후 검사에서 각각 48.3%와 52.1%로, 공학의 영향 요인에서는 80.7%와 84.1%, ‘공학 관련 학교 교육과정’ 요인에서는 73.2%와 82.2%, ‘공학과 직업’ 요인에서는 76.6%와 80.7%를 보일 정도로 전반적으로 긍정적인 성향이 높게 나타나면서 사전 검사에서보다 사후에서 긍정적인 성향이 ‘창의적 공학 문제해결 성향’ 검사 결과와 마찬가지로 높게 나타났다.
결과 처리에서 긍정 문항은 ‘매우 그렇다’를 5점, ‘전혀 그렇지 않다’를 1점으로 점수를 매기고, 부정 문항은 ‘매우 그렇다’를 1점, ‘전혀 그렇지 않다’를 5점으로 역코딩하여 점수를 매겼다.
공학 계열과 자연 계열을 희망하는 집단 간에 창의적 공학문제해결 성향의 ‘소통 및 협업 능력’ 요인과 공학에 대한 태도에서 ‘공학에 대한 흥미’, ‘공학과 직업’, 전체 점수에서, 남학생과 여학생 사이에서는 공학에 대한 태도의 ‘공학의 영향’ 요인에서 유의미한 차이가 나타났다(p<.05).
5%가 긍정적인 성향을 보였다. 공학 설계 요인에서는 사전과 사후 검사에서 각각 89.5%와 95.8%로, 공학적 사고 습관에서는 76.3%와 85.4%, 공학과 공학자에서는 61.5%와 81.8%, 소통 및 협업 능력에서는 95.7%와 99.1%를 보일 정도로 전반적으로 긍정적인 성향이 높게 나타나면서 사전 검사에서 보다 사후에서 긍정적인 성향이 높게 나타났다. 특히 ‘공학 설계’ 및 ‘소통 및 협업 능력’ 요인은 사전, 사후 검사 결과 모두 긍정적인 성향 점수가 높게 나타났다.
둘째, 공학 설계에 기반한 연구 활동으로 영재 학생들은 학교에서 더 많은 공학 교육의 필요성을 더욱 느끼게 되었고, 미래 직업 교육면에서 공학 교육은 필요하다는 인식을 갖게 되었는데 이는 공학에 대한 태도 변화에 긍정적인 변화를 준 것으로 해석할 수 있다. 또한 영재 학생들의 이러한 경험은 공학 및 STEM 분야로 향후 진로에 대한 긍정적 인식을 형성하는데 도움을 주는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구 결과는 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 학생들이 실제 공과 대학에 진학했을 경우 필요로 하는 기본 소양을 기르는데 긍정적인 효과가 있다는 것을 보여준다. 또한 다양한 공학 설계 기반의 STEM 활동 경험은 창의적인 공학문제해결 성향뿐 아니라 공학에 대해 긍정적인 인식과 태도를 갖게 하여 학생들의 공학 관련 진로 결정에 있어 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 것을 보여 준다. 공학에 대한 긍정적 인식은 공학 및 STEM 분야와 관련된 직업에 대한 관심으로 이어져 STEM 관련 직업 선택과 궁극적으로 STEM 관련 양질의 인력 양성에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
또한 사전 점수와 사후 점수를 비교해 보았을 때 ‘공학에 대한 흥미’, ‘공학에 대한 학교교육과정’ 요인에서 긍정적으로 인식하는 성향이 가장 크게 변하였다.
둘째, 공학 설계에 기반한 연구 활동으로 영재 학생들은 학교에서 더 많은 공학 교육의 필요성을 더욱 느끼게 되었고, 미래 직업 교육면에서 공학 교육은 필요하다는 인식을 갖게 되었는데 이는 공학에 대한 태도 변화에 긍정적인 변화를 준 것으로 해석할 수 있다. 또한 영재 학생들의 이러한 경험은 공학 및 STEM 분야로 향후 진로에 대한 긍정적 인식을 형성하는데 도움을 주는 것을 확인할 수 있었다.
또한 공학 설계 수업을 위해 기본적으로 필요한 내용으로 전문 공학 지식 뿐만 아니라, 의사 소통 능력, 팀워크 능력, 문제 해결 능력을 강조하고 있다(ABEEK, 2015; Hong, Song, & Park, 2012). 본 연구 결과는 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 학생들이 실제 공과 대학에 진학했을 경우 필요로 하는 기본 소양을 기르는데 긍정적인 효과가 있다는 것을 보여준다. 또한 다양한 공학 설계 기반의 STEM 활동 경험은 창의적인 공학문제해결 성향뿐 아니라 공학에 대해 긍정적인 인식과 태도를 갖게 하여 학생들의 공학 관련 진로 결정에 있어 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 것을 보여 준다.
본 연구를 통해 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 교육은 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학 분야에 대한 관심과 흥미와 관심을 높이고 학생들이 실제 공학 분야에 대한 인식 향상과 진로 결정에 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 현재 학생들이 이공계 분야로 진출을 기피하는 상황에서, 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동은 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학 분야에 대한 관심과 흥미를 높이고 융합적 소양을 갖추게 함으로써, 더 많은 학생들이 이공계 분야 특히 공학 분야로 진출하게 하고 궁극적으로 국가의 과학기술 경쟁력 신장에 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동이 창의적 공학문제해결 성향 변화를 좀 더 구체적으로 알아보기 사전, 사후 검사 결과를 이용하여 각 문항별, 요인별, 전체 문항에 대해 성향 변화의 정도를 응답율(%)로 분석하였다. 사전, 사후 검사 결과에서 모두 기본적으로 부정적인 성향보다는 긍정적인 성향이 높게 나타났다. 동기 요인의 경우 사전 검사에서는 74.
셋째, 영재 학생들의 경우 공학 계열이나 자연 계열로 진로를 희망하는 학생들과 남학생과 여학생의 차이에 따라 공학 설계에 기반한 연구 활동이 주는 효과가 거의 차이가 나지 않음을 확인할 수 있었다. 하지만 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동은 ‘공학 설계’ 요인 성향 변화에서는 남학생보다 여학생에게 효과가 있음을 알 수 있었는데 이는 공학 문제를 정의하고 공학 문제 해결을 위한 해결책을 만들고 최적화하는 반복적인 과정을 통해 여학생들의 ‘공학 설계’ 성향 변화에 효과가 있었던 것으로 볼 수 있다.
셋째, 창의적 공학문제해결 성향이나 공학에 대한 태도와 같이 정의적 영역의 변화는 장기간에 걸쳐 일어나거나 스스로 인지를 못할 수도 있으므로 본 연구처럼 짧은 연구 기간(4개월)으로는 일반화하기 어려울 수 있다. 추후 이 학생들에 대해 꾸준히 추적 연구를 한다면 장시간에 대한 정의적 변화를 논할 수 있을 것이다.
첫째, 영재 학생들의 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동은 창의적 공학문제해결 성향 변화에 긍정적 효과를 나타냈다. 연구에 참여한 학생들은 공학 설계에 기반한 R&E 활동을 통해 실생활 문제 상황에서 최선의 해결안을 찾는 과정을 경험하였고, 이는 창의적 공학 설계에 대한 이해에 긍정적인 변화를 준 것으로 해석할 수 있다.
특히 ‘공학 설계’ 및 ‘소통 및 협업 능력’ 요인은 사전, 사후 검사 결과 모두 긍정적인 성향 점수가 높게 나타났다.

후속연구

또한 다양한 공학 설계 기반의 STEM 활동 경험은 창의적인 공학문제해결 성향뿐 아니라 공학에 대해 긍정적인 인식과 태도를 갖게 하여 학생들의 공학 관련 진로 결정에 있어 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 것을 보여 준다. 공학에 대한 긍정적 인식은 공학 및 STEM 분야와 관련된 직업에 대한 관심으로 이어져 STEM 관련 직업 선택과 궁극적으로 STEM 관련 양질의 인력 양성에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
둘째, 본 연구는 과학 고등학교를 다니는 과학 영재 학생을 대상으로 연구를 진행하였으므로 일반 고등학교 학생에게도 본 연구를 적용해 본다면 학생들의 과학적 성취수준에 따른 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동의 영향을 알아볼 수 있을 것이다.
본 연구를 통해 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 교육은 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학 분야에 대한 관심과 흥미와 관심을 높이고 학생들이 실제 공학 분야에 대한 인식 향상과 진로 결정에 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 현재 학생들이 이공계 분야로 진출을 기피하는 상황에서, 공학 설계에 기반한 통합적 STEM 연구 활동은 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학 분야에 대한 관심과 흥미를 높이고 융합적 소양을 갖추게 함으로써, 더 많은 학생들이 이공계 분야 특히 공학 분야로 진출하게 하고 궁극적으로 국가의 과학기술 경쟁력 신장에 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 공과 대학의 교육 프로그램을 인증하는 한국공학교육인증원(Accreditation Board for Engineering Edycation of Korea[ABEEK])에서는 공학 교육을 이수하는 학생이 갖추어야 할 기본 소양(학습 성과) 10가지를 말하고 있는데 전반적으로 공학 설계 능력과 문제 해결 능력을 강조하고 있다.
추후 이 학생들에 대해 꾸준히 추적 연구를 한다면 장시간에 대한 정의적 변화를 논할 수 있을 것이다. 또한 2012년부터 우리나라에 본격적으로 STEAM 교육이 소개된 점을 고려해보면 과학 고등학교나 영재학교 등에서 다양한 형태의 통합적 STEM 교육을 받았거나 경험한 학생들이 관련 대학에 진학하여 졸업한 이후 실제 어떠한 직업을 결정하였는지를 알아보는 종단 연구 또한 필요하다고 할 수 있다.
셋째, 창의적 공학문제해결 성향이나 공학에 대한 태도와 같이 정의적 영역의 변화는 장기간에 걸쳐 일어나거나 스스로 인지를 못할 수도 있으므로 본 연구처럼 짧은 연구 기간(4개월)으로는 일반화하기 어려울 수 있다. 추후 이 학생들에 대해 꾸준히 추적 연구를 한다면 장시간에 대한 정의적 변화를 논할 수 있을 것이다. 또한 2012년부터 우리나라에 본격적으로 STEAM 교육이 소개된 점을 고려해보면 과학 고등학교나 영재학교 등에서 다양한 형태의 통합적 STEM 교육을 받았거나 경험한 학생들이 관련 대학에 진학하여 졸업한 이후 실제 어떠한 직업을 결정하였는지를 알아보는 종단 연구 또한 필요하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과학은 어떤 학문 분야인가?	과학과 공학은 엄밀히 말하면 다른 학문 분야이므로 이를 교육과정상에서 융합한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 과학은 자연 현상을 발견하고 이해하는 학문 분야지만 공학은 과학을 통해 발견하고 이해하게 된 자연 원리를 인간을 위해 응용하는 학문 분야이다(Lee et al., 2014).
	공학적 설계란 어떤 과정인가?	, 2014). 과학적 탐구는 자연 현상에 대한 질문을 풀기 위해 가설을 설정하고 이를 해결하기 위한 과정으로 진행되는 반면 공학적 설계는 인간 사회(넓은 의미의 소비자)의 필요에 의해 시작되며 이를 해결하기 위한 구체적인 산출물을 제작하고 최적화하는 과정이다(Nam, Lee, & Paik., 2016).
	과학 교육과정에 공학을 융합하고자 하는 적극적인 노력에는 어떤 배경이 있었는가?	특히 미국을 중심으로 학생들이 STEM 분야에 흥미를 갖도록 과학 교육과정에 공학을 융합하자고자 적극적인 노력이 있어왔다(National Research Council[NRC], 2009; 2012; Next Generation Science Standards[NGSS]; NGSS Lead States, 2013). 이러한 노력의 배경에는 지난 10여 년간 미국공학학회(National Academy of Engineering[NAE])의 지원 하에 유치원에서부터 고등학교 교육과정에 과학, 수학 및 여러 교과목에 공학적 내용을 접목한 교유과정의 개발 및 연구와 미국과학재단(National Science Foundation[NSF])이 통합적 STEM 교육에 중점적으로 연구비를 지원하는 STEM 교육 정책이 큰 역할을 하였다(NSF, 2010).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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