[논문]창의적 컴퓨팅 산출물 기반 알고리즘 교육 방법

허경

doi:10.14702/jpee.2018.049

초록
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비전공 학부생을 대상으로 다양한 방식의 SW 교육이 대학별로 운영되고 있다. 그리고 대부분 컴퓨팅적 사고를 교육하는 데 초점을 맞추고 있다. 이러한 컴퓨팅 교육에 이어서 학생들마다 창의적인 컴퓨팅 산출물을 구현하고 평가하는 교육 방식이 필요하다. 본 논문에서는 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 SW교육을 실현하는 한 가지 방안을 제안한다. 이를 위해 학생들이 디지털논리회로 장치를 창의적으로 구현하고, 이 장치의 기능을 구현하는 SW알고리즘을 디자인하는 교육방법을 제안한다. 제안한 교육 방법에서는 아두이노 보드를 사용한 간단한 LED 논리회로를 예로 들어 교육한다. 학생들은 2변수 논리회로 출력장치 두 쌍을 창의적으로 설계 및 구현하고, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 알고리즘을 다양한 형태로 설계한다. 그리고 입력장치를 이용한 기능 확장 및 확장된 알고리즘을 설계한다. 제안한 교육방법을 적용하면, 비전공 학생들이 창의적 컴퓨팅 산출물 제작을 통해 알고리즘 설계의 개념과 필요성을 습득하는 성과를 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various types of SW education are being operated by universities for non-major undergraduates. And most of them focus on educating computational thinking. Following this computing education, there is a need for an educational method that implements and evaluates creative computing outcomes for each ...

Various types of SW education are being operated by universities for non-major undergraduates. And most of them focus on educating computational thinking. Following this computing education, there is a need for an educational method that implements and evaluates creative computing outcomes for each student. In this paper, we propose a method to realize SW education based on creative computing artifacts. To do this, we propose an educational method for students to implement digital logic circuit devices creatively and design SW algorithms that implement the functions of their devices. The proposed training method teaches a simple LED logic circuit using an Arduino board as an example. Students creatively design and implement two pairs of two input logic circuit devices, and design algorithms that represent patterns of implemented devices in various forms. And they design the functional extension and extended algorithm using the input device. By applying the proposed method, non-major students can gain the concept and necessity of algorithm design through creative computing artifacts.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. LED 16 개에 번호를 붙여 표시한 개념도 Fig. 1. Assignment of numbers to sixteen LEDs.
그림 그림 2. 8개 LED들이 만드는 4가지 패턴 Fig. 2. Four patterns made from eight LEDs.
그림 그림 3. 나머지 8개 LED들이 만드는 4가지 패턴 Fig. 3. Four patterns made from other eight LEDs.
표 표 1. 2입력 4출력 그림 2 LED 회로 진리표 Table 1. Truth table of two inputs and four outputs from eight LEDs in Fig. 2
그림 그림 4. 조합된 16개 패턴 Fig. 4. Combinational sixteen patterns.
표 표 2. 2입력 4출력 그림 3 LED 회로 진리표 Table 2. Truth table of two inputs and four outputs from eight LEDs in Fig. 3
그림 그림 5. 순차적인 LED 패턴 표현 알고리즘 Fig. 5. Sequential algorithms to express different LED patterns.
그림 그림 6. 순차적인 LED 패턴 표현 s4a 알고리즘 Fig. 6. Sequential s4a algorithms to express LED patterns.
그림 그림 7. 반복적인 LED 패턴 표현 s4a 알고리즘 Fig. 7. Iterative s4a algorithms to express LED patterns.
그림 그림 8. 선택적인 LED 패턴 표현 s4a 알고리즘 Fig. 8. Conditional s4a algorithms to express LED patterns.
그림 그림 9. s4a 알고리즘적 사고력 평가 문제 사례 Fig. 9. An example of s4a type problems to test algorithmic thinking ability.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비전공자 학부생들 대상의 알고리즘 설계 교육을 위한 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 교육방법을 제안하였다. 제안한 교육방법에서는 창의적인 논리회로 출력 장치 설계 및 구현, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 s4a 알고리즘 설계, 입력장치를 이용한 확장된 s4a 알고리즘 설계 과정 그리고 s4a 알고리즘적 사고력 평가를 포함한다.
본 논문에서는 아두이노 보드와 연결된 다수의 출력 장치들, 즉, LED와 같은 장치들을 학생들이 원하는 이미지 패턴으로 표현하는 실습 활동을 실시한다. 그리고, 다수의 출력장치들을 학생들이 설계한 이미지 패턴대로 나타나도록, 하드웨어적으로 제어할 수 있음을 학습한다.
본 논문에서는 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 SW교육을 실현하는 한 가지 방안으로, 디지털논리회로 장치를 창의적으로 구현하고, SW알고리즘을 디자인하는 교육방법을 제안한다. 비전공 학생들은 2변수 논리회로 출력장치들을 창의적으로 설계, 조합 및 구현하고, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 알고리즘을 다양한 형태로 설계한다.
알고리즘(Algorithms) 사고능력은 문제의 단계적 해결 방법이나 문제를 해결하기 위해 따라야 하는 규칙을 개발하는 것이다. 본 논문에서는 학생들이 디지털논리회로 장치를 창의적으로 구현하고, 이 장치의 기능을 구현하는 SW알고리즘을 디자인하는 교육방법을 제안한다. 그림 4와 같이 창작한 LED 패턴으로부터 순차적인 알고리즘에 따라 서로 다른 의미있는 결과물을 표현하도록 과제를 부여하면, 학생들은 어떻게 이 과제를 해결할지 고민하게 된다.

제안 방법

창작한 LED 패턴으로부터 선택적인 알고리즘에 따라 서로 다른 의미있는 결과물을 표현하도록 과제를 부여할 경우, 이에 대한 해결방법으로 그림 8과 같이 아날로그 1번핀은 가변저항센서에 연결하고, 아날로그 0번핀은 사운드센서에 연결한다. 그리고 가변저항 센서값을 기준으로 A~E 5개의 세트가 변하고, 사운드 센서값을 기준으로 각 세트 안에서 표현되는 네 가지 LED 패턴이 동적으로 변하도록 하는 s4a 알고리즘을 제시한다. 또는 각 세트 안에서 네 가지 LED 패턴이 반복되는 회수가 동적으로 변하도록 할 수 있다.
본 논문에서는 아두이노 보드와 연결된 다수의 출력 장치들, 즉, LED와 같은 장치들을 학생들이 원하는 이미지 패턴으로 표현하는 실습 활동을 실시한다. 그리고, 다수의 출력장치들을 학생들이 설계한 이미지 패턴대로 나타나도록, 하드웨어적으로 제어할 수 있음을 학습한다. 이 때 디지털 논리회로를 학습하고, 학생들이 제작한 이미지 논리회로 결과물에 SW를 적용하여 순차 반복 선택 알고리즘에 따라, 이미지 논리회로의 동작이 다양하게 표현된다는 것을 실습한다.
이후, 심화 활동으로 복잡도가 높은 논리회로 결과물을 창작할 수 있다. 본 장에서는 16개 LED 출력장치를 이용하고, 2입력 논리회로 2개가 설계되는 기초 사례를 제시한다. 제시한 사례를 기초로 하여 3입력, 4입력 16 출력 이미지 논리회로도 창의적으로 구현하고 SW 프로그래밍을 실시하는 교육이 가능하다.
아두이노 장치의 2변수 입력 디지털 논리회로 제어 방법을 이용하여, 2변수 입력 16개 출력 LED 회로 예제를 제시한다. 조합 논리회로의 설계 시 장점은 소수의 입력 신호들을 조합하여, 다수의 출력 장치를 제어할 수 있다는 것이다.
그림 8에서는 세트 A의 경우만 표현하였고, B~E 세트도 같은 방식으로 알고리즘을 구성할 수 있다. 여기서 세트 A 내에서 LED 패턴을 결정하는 부분을 문제분할 개념을 적용하여 함수로 처리하는 것을 이어서 교육한다.
본 논문에서는 비전공자 학부생들 대상의 알고리즘 설계 교육을 위한 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 교육방법을 제안하였다. 제안한 교육방법에서는 창의적인 논리회로 출력 장치 설계 및 구현, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 s4a 알고리즘 설계, 입력장치를 이용한 확장된 s4a 알고리즘 설계 과정 그리고 s4a 알고리즘적 사고력 평가를 포함한다. 제안한 교육 방법은 비전공 학부생을 대상으로 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 SW교육을 실현하는 할 수 있는 가능성을 제시한다.

대상 데이터

2. Four patterns made from eight LEDs.

이론/모형

본 논문에서는 알고리즘 설계의 흐름을 쉽게 이해하고 수정할 수 있는 s4a(scratch for arduino) 블록기반의 프로그래밍 도구를 사용한다. s4a는 프로그래밍 교육을 위해 개발된 스크래치언어의 변형된 형태이다.

성능/효과

비전공 학생들은 2변수 논리회로 출력장치들을 창의적으로 설계, 조합 및 구현하고, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 알고리즘을 다양한 형태로 설계한다. 그리고 입력장치를 이용한 기능 확장을 통해 알고리즘 설계능력과 문제해결능력을 향상하는 성과를 얻을 수 있다.
본 장에서는 16개 LED 출력장치를 이용하고, 2입력 논리회로 2개가 설계되는 기초 사례를 제시한다. 제시한 사례를 기초로 하여 3입력, 4입력 16 출력 이미지 논리회로도 창의적으로 구현하고 SW 프로그래밍을 실시하는 교육이 가능하다.

후속연구

제안한 교육방법에서는 창의적인 논리회로 출력 장치 설계 및 구현, 구현한 장치의 패턴을 나타내는 s4a 알고리즘 설계, 입력장치를 이용한 확장된 s4a 알고리즘 설계 과정 그리고 s4a 알고리즘적 사고력 평가를 포함한다. 제안한 교육 방법은 비전공 학부생을 대상으로 창의적 컴퓨팅 산출물 기반 SW교육을 실현하는 할 수 있는 가능성을 제시한다. SW 설계 기반의 알고리즘적 사고과정의 적용 사례를 비전공 학부생들이 경험할 수 있는 교육 방법은 4차산업혁명 시대에 필수적으로 요구된다고 할 수 있다.
제안한 교육방법을 적용하여 비전공 일반 학생들의 알고리즘 이해 능력을 평가하는 문제 사례가 필요하다. 평가를 통해 학생들은 알고리즘의 구조와 필요성을 습득하는 성과를 얻을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	s4a는 무엇인가?	본 논문에서는 알고리즘 설계의 흐름을 쉽게 이해하고 수정할 수 있는 s4a(scratch for arduino) 블록기반의 프로그래밍 도구를 사용한다. s4a는 프로그래밍 교육을 위해 개발된 스크래치언어의 변형된 형태이다. S4A 공식 홈페이지(http://s4a.
	조합 논리회로의 설계 시 장점은?	아두이노 장치의 2변수 입력 디지털 논리회로 제어 방법을 이용하여, 2변수 입력 16개 출력 LED 회로 예제를 제시한다. 조합 논리회로의 설계 시 장점은 소수의 입력 신호들을 조합하여, 다수의 출력 장치를 제어할 수 있다는 것이다. 이를 통해, 소수의 입력 센서 장치들을 아두이노 보드에 연결하고, 아두이노 보드와 연결된 다수의 출력 장치들을 특정 조건 하에서 제어할 수 있다.
	조합 논리회로의 설계시 장점을 통한 결과는?	이를 통해, 소수의 입력 센서 장치들을 아두이노 보드에 연결하고, 아두이노 보드와 연결된 다수의 출력 장치들을 특정 조건 하에서 제어할 수 있다. 이를 통해, 다양한 목적의 실험 장치, 발명품 및 특정 캡스톤 디자인 결과물들을 만들 수 있다[6-9].

참고문헌 (9)

J. M. David and H. L. Henry, "Scratch for budding computer scientists," SIGCSE Bulletin, vol. 39, no. 1, pp. 223-227, March 2007.

상세보기
S. Mishra, S. Balan, S. Iyer, and S. Murthy, "Effect of a 2-week scratch intervention in CS1 on learners with varying prior knowledge," Proceedings of the 2014 Conference on Innovation & Technology in Computer Science Education (ITiCSE '14), ACM, NewYork: NY, pp. 45-50, 2014.
D. Weintrop, "Minding the gap between blocks-based and text-based programming," in Proceedings of the 46th ACM Technical Symposium on Computer Science Education, ACM, NewYork: NY, pp. 75-80, 2015.
C. Hundhausen, S. Farley, and J. Brown, "Can direct manipulation lower the barriers to computer programming and promote transfer of training? An experimental study," ACM Transactions on Computer-Human Interaction, vol. 16, no 3, Article 13, September 2009.

상세보기
I. Utting, S. Cooper, M. Kolling, J. Maloney, and M. Resnick, "Alice, Greenfoot, and Scratch - A Discussion," Transactions on Computer Education, vol. 10, no. 4, Article 17, November 2010.
K. Hur, "Curriculum for basic digital logic circuit practices through arduino device programming," Journal of Practical Engineering Education, vol. 9, no. 1, pp. 41-48, 2017.
S. F. Najam, M. L. P. Tan, and Y. S. Yu, "General SPICE modeling procedure for double-gate tunnel field-effect transistors," Journal of Information and Communication Convergence Engineering, vol. 14, no. 2, pp. 115-121, June 2016.

원문보기 상세보기
H.-B. Lee and K.-H. Kwon, "Development of a convergent teaching-learning materials based on logic gates using water-flow for the secondary informatics gifted students," Journal of the Korea Society of Computer and Information, vol. 19, no. 12, pp. 369-384, December 2014.

원문보기 상세보기
H.-B. Lee and K.-H. Kwon, "A performance evaluation of circuit minimization algorithms for mentorship education of informatics gifted secondary students," Korea Information Processing Society Transactions on Computer and Communication Systems, vol. 4, no. 12, pp. 391-398, December 2015.

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