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문제 정의
- 공학설계 측면에서 한국 STEAM 분석이라는 본 연구의 목적에 비추어 볼 때 Guzey et al. (2014)에서 제시된 기준을 우선적으로 고려하여 한국적 STEAM 프로그램을 분석하고 그 결과를 바탕으로 한국 STEAM프로그램을 평가할 수 있는 요소들을 제안하고자 한다.
- , 2014)을 바탕으로 한국과학창의제단에서 제시하고 41개의 STEAM 프로그램을 분석하는 예비 연구를 진행하여 이를 바탕으로 공학 설계 측면에서 한국형 STEAM 프로그램 분석을 위한 기준 요소를 찾아 내고 이를 분석 틀로 제시하는 것이 본 연구의 첫 번째 목표이다. 다음으로 본 연구에서 제안된 분석틀을 바탕으로 한국창의재단에서 2016년에 개발된 76개 STEAM 프로그램을 분석하여 공학 설계 측면에서 한국 STEAM 프로그램을 분석하는 것이 두 번째 연구 목표이다. 본 연구 목표 달성을 위한 연구문제는 다음과 같다.
- 따라서 본 연구에서는 한국 STEAM 프로그램을 공학 설계에 근거하여 분석하기 위한 틀을 제안하고 이에 따른 한국 STEAM 분석 결과를 제시 하고자 한다. 먼저 공학 설계 요소에 근거해서 개발된 미국 STEM 프로그램 분석 기준 (Guzey et al.
- 따라서 본 연구에서는 한국 STEAM 프로그램을 공학 설계에 근거하여 분석하기 위한 틀을 제안하고 이에 따른 한국 STEAM 분석 결과를 제시 하고자 한다. 먼저 공학 설계 요소에 근거해서 개발된 미국 STEM 프로그램 분석 기준 (Guzey et al., 2014)을 바탕으로 한국과학창의제단에서 제시하고 41개의 STEAM 프로그램을 분석하는 예비 연구를 진행하여 이를 바탕으로 공학 설계 측면에서 한국형 STEAM 프로그램 분석을 위한 기준 요소를 찾아 내고 이를 분석 틀로 제시하는 것이 본 연구의 첫 번째 목표이다. 다음으로 본 연구에서 제안된 분석틀을 바탕으로 한국창의재단에서 2016년에 개발된 76개 STEAM 프로그램을 분석하여 공학 설계 측면에서 한국 STEAM 프로그램을 분석하는 것이 두 번째 연구 목표이다.
- 본 연구는 한국 STEAM 프로그램을 공학설계의 측면에서 분석하기 위해 적절한 도구를 제안하고 이를 적용하여 STEAM 프로그램을 분석한 결과를 제시하는 순서로 진행되었다. 본 연구의 순서는 (그림 1)과 같다.
제안 방법
- 4개의 주 코드 중 ‘공학 설계 과정’ 과정을 3개의 코드로 상세하게 구분하였으며 ‘오적용’된 프로그램들을 세부적으로 분석하기 위하여‘과학 수업’ 주 코드를 2개의 코드와 3개의 보조코드로 세분화하였다.
- 먼저 41개의 수업을 1차 분석 과정에서 나타난 다양한 요소들을 추출하여 나열하였다(개방코딩). 나열된 분석요소는 총 19개로 정리되었으며, 이를 각 요소를 범주화하여 비슷한 요소들끼리 축 코딩(Axial Coding)하여 그 중요도에 따라 계층화 시키는 작업을 시행하였다. 분석된 요소들의 분화 과정은 (표 4)와 같다.
- 네 개의 요소를 모두 만족하면 완전한 공학 설계 수업(Complete Engineering Lesson)으로 분류하였고, 네 개의 요소 중 나머지는 모두 만족하나 상황 제시 코드의 현실성이 떨어지는 경우, 현실 맥락이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson without a Realistic Context)으로 분류하였다. 요소 간 위계에 따라 네 개의 요소 중 공학 설계 요소가 보조 코드(sub-code)를 완전히 충족하지 못할 경우, 재설계 과정이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson Without Redesign)으로 분류하였으며, 역시 위계에 따라 과학 내용과 관련성(Science Connections)이 없고 공학 설계 과정이 일부 포함되어 있는 경우, 제작/시험 수업(Build and Test Only Lesson)으로 분류하였다.
- 다음으로, 공학 설계 과정을 충족시키지만 제시되는 상황 맥락이 현실적이지 않은 경우를 ’현실 맥락이 없는 공학 설계 수업(Engineering Lesson without a Realistic Context)‘ 으로 분류하였다.
- 두 번째 연구문제인 한국 과학 창의재단에서 제시되는 STEAM 프로그램은 ‘공학 설계’ 요소를 분석한 결과는 (그림 4), (그림 5), (그림 6)에서 제시하였다.
- 분석 요소들은 4개의 주 코드(Main code)와 5개의 코드(Code), 3개의 보조 코드(Sub code)로 이루어져 있으며, 각각의 코드들은 위계를 가지고 계층화되어 있도록 구성하였다. 따라서 변경된 도구는 3단계의 코드 분류를 포함한 총 12가지의 구분 기준을 가진 수업 분석 도구로 정리되었다. <표 11>에 제시된 분석 틀은 Guzey et al.
- 예비 분석을 통하여 연구자들은 한국 STEAM은 미국 STEM 프로그램에 비하여 공학 설계가 적용된 비율이 낮게 나타났으며, 과학 수업으로 분류되는 비율이 높다는 것을 확인하였다(그림 2 참고). 따라서 연구자들은 과학 수업으로 분류되는 수업의 특징을 좀 더 세분화하여 분류할 수 있도록 도구를 수정하였다.
- 요소 간 위계에 따라 네 개의 요소 중 공학 설계 요소가 보조 코드(sub-code)를 완전히 충족하지 못할 경우, 재설계 과정이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson Without Redesign)으로 분류하였으며, 역시 위계에 따라 과학 내용과 관련성(Science Connections)이 없고 공학 설계 과정이 일부 포함되어 있는 경우, 제작/시험 수업(Build and Test Only Lesson)으로 분류하였다. 마지막으로 공학 설계 과정이 포함되어 있지 않은 과학 수업의 경우, 오적용(Misapplication)으로 분류하였다. 또한 이렇게 분류된 STEM 자료의 개별적 특징을 (표 3)과 같이 제시하였다.
- 예비 연구의 분석 결과를 바탕으로 연구자들은 오적용으로 분류된 수업들을 좀 더 세분화하기 위해, Strauss & Corbin (1998)의 근거이론(Ground Theory)을 활용하여 분석 요소들을 계층화하였다. 먼저 41개의 수업을 1차 분석 과정에서 나타난 다양한 요소들을 추출하여 나열하였다(개방코딩). 나열된 분석요소는 총 19개로 정리되었으며, 이를 각 요소를 범주화하여 비슷한 요소들끼리 축 코딩(Axial Coding)하여 그 중요도에 따라 계층화 시키는 작업을 시행하였다.
- 먼저 공학 설계 과정에 오류가 없고, 수업의 상황 맥락 또한 현실적인 경우 ‘완전한 공학 설계 수업(Complete Engineering Lesson)‘ 으로 분류하였다.
- 본 연구에서 제안된 분석틀은 Guzey et al. (2014)이 최초 개발한 STEM 프로그램의 공학 설계 적용 분석 도구를 연구자들이 수정/보완하여 STEAM 프로그램의 공학설계 적용 분석 및 유형을 좀 더 자세히 구분할 수 있도록 재구성한 것이다. 본 연구에서 제안한 한국 STEAM 프로그램 분석 도구는 주 코드 4개, 코드 5개, 보조코드 3개로 이루어져 있으며, 분석 과정을 따라 분석을 진행하면 총 8개의 프로그램 유형으로 STEAM 수업을 분석할 수 있도록 구성하였다.
- (2014)이 최초 개발한 STEM 프로그램의 공학 설계 적용 분석 도구를 연구자들이 수정/보완하여 STEAM 프로그램의 공학설계 적용 분석 및 유형을 좀 더 자세히 구분할 수 있도록 재구성한 것이다. 본 연구에서 제안한 한국 STEAM 프로그램 분석 도구는 주 코드 4개, 코드 5개, 보조코드 3개로 이루어져 있으며, 분석 과정을 따라 분석을 진행하면 총 8개의 프로그램 유형으로 STEAM 수업을 분석할 수 있도록 구성하였다.
- 4%로 양호한 수준으로 나타났다. 분석 결과는 대상 학교급(초, 중, 고)과 주제(과학기술 주제별, 설계기반 미래유망직업, 과학예술 융합형, 첨단제품 융합형)에 따라 다시 분류하였다.
- 분석 요소들은 4개의 주 코드(Main code)와 5개의 코드(Code), 3개의 보조 코드(Sub code)로 이루어져 있으며, 각각의 코드들은 위계를 가지고 계층화되어 있도록 구성하였다. 따라서 변경된 도구는 3단계의 코드 분류를 포함한 총 12가지의 구분 기준을 가진 수업 분석 도구로 정리되었다.
- 수업 과정 중 공작활동이나 제작활동이 포함되어 있다면 ‘공작 과정을 포함한 과학 수업(Science Lesson with Crafting)’으로, 제작이나 실험 과정에 대한 계획이나 스케치가 포함되어 있다면 ‘과학/공학적 계획이 포함된 과학 수업(Science Lesson with Planning and Concept Drawing)’으로, 예술적 요소가 포함되어 있는 과학 수업이라면‘과학/예술 결합 수업(Science Lesson with Art)’ 으로 분류하였으며, 이러한 세 종류의 수업을 ‘내용 중심과학 수업(Contents Based Science Lesson)’ 군으로 분류하였다.
- 따라서 변경된 도구는 3단계의 코드 분류를 포함한 총 12가지의 구분 기준을 가진 수업 분석 도구로 정리되었다. <표 11>에 제시된 분석 틀은 Guzey et al. (2014)이 제시한 4개의 주 코드와 2개의 숨겨진 보조코드로 이루어진 2단계 분석에 비해 3단계로 좀 더 자세하게 프로그램을 분석할 수 있도록 하였다. 4개의 주 코드 중 ‘공학 설계 과정’ 과정을 3개의 코드로 상세하게 구분하였으며 ‘오적용’된 프로그램들을 세부적으로 분석하기 위하여‘과학 수업’ 주 코드를 2개의 코드와 3개의 보조코드로 세분화하였다.
- 네 개의 요소를 모두 만족하면 완전한 공학 설계 수업(Complete Engineering Lesson)으로 분류하였고, 네 개의 요소 중 나머지는 모두 만족하나 상황 제시 코드의 현실성이 떨어지는 경우, 현실 맥락이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson without a Realistic Context)으로 분류하였다. 요소 간 위계에 따라 네 개의 요소 중 공학 설계 요소가 보조 코드(sub-code)를 완전히 충족하지 못할 경우, 재설계 과정이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson Without Redesign)으로 분류하였으며, 역시 위계에 따라 과학 내용과 관련성(Science Connections)이 없고 공학 설계 과정이 일부 포함되어 있는 경우, 제작/시험 수업(Build and Test Only Lesson)으로 분류하였다. 마지막으로 공학 설계 과정이 포함되어 있지 않은 과학 수업의 경우, 오적용(Misapplication)으로 분류하였다.
- 한국과학창의재단 연구를 통하여 제작된 STEAM 프로그램(2012~2015) 중 지구과학과 관련된 주제를 지닌 대상을 선정하여 종 41개의 프로그램을 선정하였다. 이론적 배경에서 제시된 Guzey et al. (2014)이 개발한 분석 도구와 분석방법을 활용하여 1차 자료 분석을 시행하였으며, 공학설계와 STEM 수업의 전문가 3인이 분석한 데이터를 비교하여 평가자간 신뢰도를 확보하였다.
- 첫 번째 연구문제인 공학 설계(Engineering Design)측면에서 한국 STEAM 프로그램을 분석할 수 있는 핵심 요소와 분석 틀이 예비연구를 통하여 제안되었다 (표 8 참고). 예비 분석을 통하여 연구자들은 한국 STEAM은 미국 STEM 프로그램에 비하여 공학 설계가 적용된 비율이 낮게 나타났으며, 과학 수업으로 분류되는 비율이 높다는 것을 확인하였다(그림 2 참고).
- 예비연구는 크게 두 가지 과정으로 이루어졌다. 첫 번째, STEM 분석도구(Guzey, et al., 2014)을 적용한 41개 STEAM 프로그램 분석과 두 번째, 분석 결과를 이용한 STEM분석도구 수정 및 STEAM 분석도구 제안이다.
대상 데이터
- 연구대상은 2016년 한국과학창의재단 연구를 통하여 제작된 STEAM 프로그램 전량(총 74개)이며, 네 개의 주제로 이루어 져 있다. 각 주제 및 학교급별 프로그램의 분류는 (표 5)와 같다.
- 제작된 분석 도구를 활용하여 예비 연구에서 1차로 분석해 보았던 41개의 STEAM 수업 자료들을 다시 분석하였다. STEAM 수업 프로그램을 분석 도구의 코드들이 가지고 있는 특징에 부합하는지, 부합하지 않는지를 파악하여 기술 분석하면, STEAM 수업의 종류를 총 8가지의 형태로 분류할 수 있음을 확인하였다.
- 한국과학창의재단 연구를 통하여 제작된 STEAM 프로그램(2012~2015) 중 지구과학과 관련된 주제를 지닌 대상을 선정하여 종 41개의 프로그램을 선정하였다. 이론적 배경에서 제시된 Guzey et al.
이론/모형
- 예비 연구의 분석 결과를 바탕으로 연구자들은 오적용으로 분류된 수업들을 좀 더 세분화하기 위해, Strauss & Corbin (1998)의 근거이론(Ground Theory)을 활용하여 분석 요소들을 계층화하였다.
성능/효과
- ‘공학 설계 기반 수업’군에 속하는 세 종류의 프로그램을 모두 합해도 5.6%로 매우 적게 나타났으며, ‘공작 과정을 포함한 과학 수업’으로 분류된 프로그램은 50% 로 매우 높게 나타났다.
- (표 6)에서 제시한 틀을 활용하여 예비 연구에서 활용된 41개의 STEAM 프로그램을 분석한 결과, (그림 3)과 같이 총 8종류의 프로그램 유형으로 분류되는 것을 확인하였다.
- 1차 분석 결과, ‘완전한 공학 설계 수업(Complete Engineering Lesson)’ 과 ‘현실 맥락이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson Without a Realistic Context)’ 은 각각 7.3%로 나타났으며, ‘재설계과정이 없는 공학 설계 수업(Design-Focused Engineering Lesson Without Redesign)’은 17.1%로 나타났다.
- 2) 과학 내용 수업 중심으로 이루어져 있다는 것을 알 수 있다. 과학 수업 중 과학 탐구 중심 수업이 차지하는 비율은 미미하며 과학과 관련 없는 수업도 다수 존재한다.
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2. 한국 과학 창의재단에서 제시되는 STEAM 프로그램은 공학 설계(Engineering Design)요소를 얼마나 반영하고 있는가?
- 제작된 분석 도구를 활용하여 예비 연구에서 1차로 분석해 보았던 41개의 STEAM 수업 자료들을 다시 분석하였다. STEAM 수업 프로그램을 분석 도구의 코드들이 가지고 있는 특징에 부합하는지, 부합하지 않는지를 파악하여 기술 분석하면, STEAM 수업의 종류를 총 8가지의 형태로 분류할 수 있음을 확인하였다.
- 개발 주제별 세부 분석 결과는 (그림 5)와 같다. 개발 주제별 세부 분석 결과, STEAM 프로그램의 형태는 프로그램의 주제에 큰 영향을 받는다고 말할 수 있다.
- 분석 결과 그래프의 x축은 좌측으로 갈수록 공학 설계의 원리를 잘 따른 형태의 수업을 의미하며, 우측으로 갈수록 공학 설계보다는 과학 수업과정에 다른 요소들을 결합시킨 형태의 수업을 의미한다. 그래프의 분포를 살펴보면, 전체적으로 우편향된 그래프를 살펴볼 수 있으며, 이는 STEAM 프로그램이 공학 설계 측면에서 전체적으로 완성도 있는 수업보다는 과학 수업 과정에 다양한 요소들을 추가하여 결합시킨 형태의 수업이 더 많다는 것을 확인할 수 있다.
- 둘째, 주제의 특성이 공학 설계 수업으로써 STEAM 프로그램의 질에 영향을 주었다. 예를 들어 ‘설계기반 미래유망직업’ 프로그램의 경우 다루는 주제가 교실에서 다루기 어려운 주제인 경우가 많다.
- 둘째, 한국 과학 창의재단에서 제시되는 STEAM 프로그램은 공학 설계(Engineering Design)요소를 얼마나 충실히 반영하고 있는가?
- 이 제안한 틀과 유사하다. 따라서 Guzey et al. (2014)의 틀을 이용한 미국 STEM프로그램 분석결과와 본 연구에서 제안한 분석 틀의 한국 STEAM 프로그램을 분석한 결과는 공학 설계 적용 측면에서 비교 가능하다 (그림 6).
- 또한 실제 제작 활동을 시행하지 않고, 제작 활동에 대한 계획을 그림이나 글 형태로 표현하는 ‘과학/공학적 계획이 포함된 과학 수업(Science Lesson with Planning and Concept Drawing)’ 또한 23.9%로 높은 비율을 차지하고 있었다.
- 또한 전체 데이터에서 아주 낮은 비율을 차지하는 분류인 ‘비과학 수업’으로 분류된 프로그램도 16.7%로 높은 비율을 나타내고 있다.
- 분석은 예비연구와 동일한 방식으로 분석자 3인이 각각 분석한 후, 분석 결과가 불일치하는 프로그램에 대하여 논의 후 재분석하여 프로그램의 종류를 결정하는 방법으로 진행하였으며, 분석자간 일치도는 94.4%로 양호한 수준으로 나타났다. 분석 결과는 대상 학교급(초, 중, 고)과 주제(과학기술 주제별, 설계기반 미래유망직업, 과학예술 융합형, 첨단제품 융합형)에 따라 다시 분류하였다.
- 연구자들이 개발/수정한 분석 도구를 활용하여 STEAM 프로그램을 분석하면, (그림 6)에 나타나듯, STEM 프로그램 분석 결과에서 나타나는 ‘오적용’프로그램을 좀 더 다양한 형태로 구분하여 분류할 수 있다.
- 첫 번째 연구문제인 공학 설계(Engineering Design)측면에서 한국 STEAM 프로그램을 분석할 수 있는 핵심 요소와 분석 틀이 예비연구를 통하여 제안되었다 (표 8 참고). 예비 분석을 통하여 연구자들은 한국 STEAM은 미국 STEM 프로그램에 비하여 공학 설계가 적용된 비율이 낮게 나타났으며, 과학 수업으로 분류되는 비율이 높다는 것을 확인하였다(그림 2 참고). 따라서 연구자들은 과학 수업으로 분류되는 수업의 특징을 좀 더 세분화하여 분류할 수 있도록 도구를 수정하였다.
- 전체 STEAM 프로그램에서 가장 높은 비율을 나타내는 형태의 수업은 ‘공작 과정을 포함한 과학 수업(Science Lesson with Crafting)’으로, 전체의 29.1%를 차지하고 있으며, 이것은 ‘공학 설계 기반 수업(Engineering Design Based Lesson)’군으로 분류되는 3개의 수업형태를 모두 합한 비율보다도 높게 나타난다.
- 본 연구에서 제안된 STEAM 분석틀을 이용한 학교급별 분석 결과는 (그림 4)와 같다. 전체 데이터 분석 결과를 살펴보면, 예비연구의 분석 결과에서 나타나는 경향성을 더욱 확실하게 나타내는 것을 확인할 수 있다. 전체적으로 공학 설계 기반 수업군의 비율에 비하여 내용중심 과학 수업군의 비율이 월등히 높은 우편향된 모습을 모이고 있지만 , 과학 탐구 중심 수업군은 소수로 나타났다.
- 전체 데이터 분석 결과를 살펴보면, 예비연구의 분석 결과에서 나타나는 경향성을 더욱 확실하게 나타내는 것을 확인할 수 있다. 전체적으로 공학 설계 기반 수업군의 비율에 비하여 내용중심 과학 수업군의 비율이 월등히 높은 우편향된 모습을 모이고 있지만 , 과학 탐구 중심 수업군은 소수로 나타났다. 또한 사전 연구에서 찾을 수 없었던 비과학수업(Not even Science Lesson)들도 소수 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 중학생을 대상으로 개발된 프로그램 분석 결과와 고등학생을 대상으로 개발된 프로그램의 분석 결과 또한 전체 데이터의 경향성과 거의 유사하게 나타났으나, ‘공작 과정을 포함한 과학 수업(Science Lesson with Crafting)’의 비율보다 ‘과학/공학적 계획이 포함된 과학 수업(Science Lesson with Planning and Concept Drawing)’의 비율이 조금 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 첫째, 초등학교에 비해 중/고등학교 프로그램에서 ‘과학/공학적 계획이 포함된 과학 수업’의 비율이 조금 높게 나타난다.
- 초등학생을 대상으로 개발된 프로그램의 분석 결과는 전체 데이터의 분석 결과 경향성과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 다만 ‘최적화 과정이 없는 공학 설계 수업(Engineering Lesson without Optimizing_Prototype only)’으로 분류되는 형태의 수업이 전체에 비하여 다소 높은 비율을 보인다.
- 하지만 전체 데이터에서 ‘공학 설계 기반 수업’으로 분류되는 세 종류의 프로그램 비율이 28.5%인 것이 비교하면, 첨단제품 활용형으로 분류된 프로그램 분석 결과의 ‘공학 설계 기반 수업’ 비율은 비교적 높은(43%) 것으로 확인되었다.
후속연구
- STEAM 수업의 목적과 의도를 고려하여 볼 때, 내용중심 수업은 그 목적과 의도를 달성하기 어렵다는 것은 자명한 일이다. 따라서 STEAM 수업을 구성하는 과정에서, 공학설계의 과정을 잘 고려하고 있는지를 확인하면서 수업을 구성하여, STEM 수업의 중요한 목적인 공학적 사고향상을 공학 설계과정을 통해 달성할 수 있도록 해야 할 것이다. 2012년부터 개발된 STEAM 프로그램의 수는 이제 수백개가 넘는 상황이며, 이러한 프로그램들을 공학설계의 측면에서 분석 및 분류한다면 아마 본 연구의 결과와 비슷할 것이라 생각된다.
- 흥미 증진을 위한 과학 교육 방법은 막대한 예산과 교사의 노력이 요구되는 STEAM 프로그램이 아니라도 그 방법이 무궁무진하다. 한국 STEAM 기준틀의 내용을 다시 분석하여 구체적이면서 명확한 STEAM 프로그램 개발의 방향과 목표를 제시해야 하여 효율적인 한국 STEAM 프로그램 정책이 수립되길 기대한다.
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