[논문]비전공자를 위한 교육용 프로그래밍 언어의 비교 연구: 프로그래밍 언어 설계 원칙의 관점으로

김영민; 이민정

doi:10.32431/kace.2019.22.1.005

비전공자를 위한 교육용 프로그래밍 언어의 비교 연구: 프로그래밍 언어 설계 원칙의 관점으로
A Comparative Study of Educational Programming Languages for Non-majors Students: from the Viewpoint of Programming Language Design Principles 원문보기 논문타임라인

컴퓨터교육학회논문지 = The Journal of Korean Association of Computer Education, v.22 no.1, 2019년, pp.47 - 61

김영민 (중앙대학교 다빈치교양대학) , 이민정 (중앙대학교 다빈치교양대학)

초록
AI-Helper

SW 중심사회가 도래하면서 사회 모든 분야에서 SW 기반의 문제해결 역량이 강조되고 있다. 대학에서도 비전공자를 위한 SW 기초교육을 의무화하고 프로그래밍 교육을 진행하는 추세이다. 본 연구는 프로그래밍 언어의 설계 원칙 중 간결성과 일반성을 수용하는 문법요소를 도출하고 이를 기반으로 비주얼 프로그래밍 언어(스크래치, 앱인벤터)와 다이어그래밍 언어(랩터, 플로우고리즘)를 비교 분석하였다. 그 결과 간 결성과 일반성에 있어 랩터의 표현력과 효율성이 스크래치보다 우세한 것으로 분석되었으며 학습자의 결과물을 통해 이를 확인하였다. 본 연구를 통해 프로그래밍 언어의 특징에 기반한 프로그래밍 기초교육의 설계와 구현에 기여할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the SW-centered society has emerged, SW-based problem-solving capabilities is emphasized in all areas of society. It is a trend that universities are obliged to do SW basic education for non-majors students and they are carrying out programming education. This study derives grammatical elements based on conciseness, generality, and efficiency among the design principles of programming language and based on it, compares and analyzes visual programming language and diagramming language. As a result, the efficiency of Raptor is more powerful than Scratch in the simplicity and generality, and the same tendency can be confirmed in the result of the learner's obtained in programming lesson. We hope that this study will contribute to the design and implementation of programming education based on features of programming language.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히 단순 조건식에서 ‘~이고’, ‘또는’, ‘아니다’와 같은 관계 연산자를 활용하여 좀 더 복잡하고 풍부한 연산식을 구성할 수 있게 된다. 6주차와 7주차에는 앞에서 다룬 조건식과 반복하고자 하는 패턴을 도출하여 조건에 의한 반복문을 구현하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 1과 100 사이의 짝수 혹은 홀수의 개수를 세는 예제와 가위바위보 게임 예제를 통해 특정 조건에 의해 일련의 동작을 반복하는 개념을 익히도록 하였다.
본 연구에서는 비전공자를 포함한 초보자를 위한 교육용 프로그래밍 언어들을 컴퓨터 과학의 프로그 래밍 언어론 관점에서 그 특징과 차이를 고찰함으로써 교육용 프로그래밍 언어 자체에 내재된 특징을 분석하고자 하였다. 교육용 프로그래밍 언어의 특징을 분석하기 위해 컴퓨터 과학에서 정의하는 프로그래밍 언어의 설계 원칙 중 간결성과 일반성을 준용하는 문법적 요소들을 도출하였다.
본 연구에서는 프로그래밍 기초교육용 프로그래밍 언어를 프로그래밍 언어 설계원칙의 일반성, 간결성 측면에서 비교한다. 비교를 진행하기에 앞서 프로그래밍 언어의 문법적 측면에서 7가지 요소를 도출하였다.
이와 같은 비주얼 프로그래밍 언어로는 스크래치와 앱인벤터, 다이어그래밍 언어로는 랩터와 플로우고리즘 (flowgorithm)이 있다. 본 연구에서는 프로그래밍 기초교육을 위한 프로그래밍 언어를 프로그래밍 언어의 설계원칙 관점에서 비교한다[23].
본 연구에서는 프로그래밍 기초학습에서 사용하는 비주얼 프로그래밍과 다이어그래밍 언어를 프로 그래밍 언어의 설계 관점에서 비교 및 분석하였다. 프로그래밍 언어 간 차이를 보이는 7가지 문법요소를 도출하였으며, 이를 기반으로 간결성, 일반성, 효율성 측면에서 비교 수행하였다.
만약, 분석 결과 평균 값이 서로 유사한 수준이라면 스크래치와 랩터 모두 학습자의 프로그래밍 역량을 유사한 수준에서 배양한다고 볼 수 있다. 여기에 덧붙여 프로그래밍 언어의 설계 원칙에 따라 도출한 프로그래밍 언어의 문법요소 별로 학습자 A그룹과 B그룹의 성취도에 차이가 있는지 살펴본다. 만약 전체 평균은 유사하나 항목별 성취도에서 차이가 있다면 이로부터 대상이 되었던 프로그래밍 언어의 고유한 특징을 도출한다.
프로그래밍 기초교육에 활용되는 프로그래밍 언어가 앞서 도출된 문법요소를 지원하는지 살펴본 다. <표 3>는 스크래치, 앱인벤터, 랩터, 플로우고리즘에서 어떤 문법요소를 지원하고 있는지에 대한 결과를 보여준다.

제안 방법

학습에 앞서 두 집단의 학생들이 프로그래밍과 문제해결 역량의 자기효능감에 있어 유의미한 수준에서 서로 같은 집단임을 확인하였다. 7주간의 교육과정을 마친 후 두 그룹을 대상으로 같은 문제에 대해 테스트를 진행하였다. 그 결과 랩터와 스크래치 그룹에서 모두 초보자의 프로그래밍 기초역량을 유사한 수준으로 향상된 것으로 나타났다.
7주간의 학습을 마친 후 A그룹과 B그룹의 학생들에게 공통적으로 [그림 5] 의 ‘가위바위보 하나빼기 게임’ 문제를 해결하도록 테스트하였다.
교육용 프로그래밍 언어의 특징을 분석하기 위해 컴퓨터 과학에서 정의하는 프로그래밍 언어의 설계 원칙 중 간결성과 일반성을 준용하는 문법적 요소들을 도출하였다.
프로그래밍 기초교육을 받는 동안 학생들은 동일한 예제를 각각 랩터와 스크래치로 구현하였다. 그룹별 학생들의 구현 결과물을 변수의 활용, 연산자의 사용, 반복문 구성 측면에서 비교하였다. 그 결과 본 연구에서 프로그래밍 언어의 설계 원칙을 투영한 문법적 요소들을 도출하고 각 문법요소 별로 프로그래밍 언어들간에 상대적 우위를 분석한 <표 4>와 유사한 결과와 일치함을 확인하였다.
의 연구에 활용된 프로그래밍에 대한 흥미를 조사하는 문항을 인용하여 문항1과 문항2로 구성하였다. 또한 이우숙등은 정보가 많아지고 복잡해지는 현대 사회에서 직면할수 있는 문제 상황을 탐색하고 대처할 수 있는 문제해결 역량을 측정하기 위한 설문 및 분석도구를 개발하였는데 본 연구에서는 문제해결을 위해 문제해석과 해법탐구에 대한 학습자의 태도를 확인하는 문항 5개를 선정하였다[25]. 즉, 본 연구에서는 실험 그룹에 속한 학습자의 프로그래밍에 관한 인식과 문제해결에 대한 태도를 비교하기 위해 사전설문을 위한 문항을 <표 6>과 같이 구성하였다.
또한, 이론적 근거의 신뢰성을 얻기 위해 자연과학대학 신입생 57명, 사범대학 신입생 56명, 경영 경제대학 신입생 53명을 A와 B 그룹으로 나누고, A그룹에는 랩터를 활용한 순서도 기반 프로그래밍 교육을, B그룹에는 스크래치를 활용한 비주얼 프로 그래밍 교육을 7주간 진행하였다. 교육과정에서 사용된 예제는 프로그래밍 언어 비교를 위한 문법요소의 학습이 가능하도록 설계하였다.
본격적인 학습에 앞서 실험 그룹에 속한 학습자의 프로그래밍에 관한 인식과 문제해결에 대한 태도를 비교하기 위해 설문조사를 진행하였다.
<표 4>에서는 간결성, 일반성에 해당하는 문법 요소를 기반으로 스크래치, 앱인벤터, 랩터, 플로우고리즘을 비교한다. 비교 결과로부터 각 언어의 문법적 차이가 학습자의 프로그래밍에 미치는 영향을 분석한다. 랩터는 <표 3>의 결과로부터 프로그래밍언어 설계 원칙의 일반성과 간결성 측면에서 높은 성향을 보일 것으로 예측된다.
교육용 프로그래밍 언어의 특징을 분석하기 위해 컴퓨터 과학에서 정의하는 프로그래밍 언어의 설계 원칙 중 간결성과 일반성을 준용하는 문법적 요소들을 도출하였다. 비전공자 대상의 프로그래밍 교육에 주로 사용되는 교육용 프로그래밍 언어들에 대해 앞서 도출한 문법적 요소의 수용 범위를 분석하고 그에 따른 결과물의 특징을 비교하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 향후 비전공자의 SW 기초교육에 활용할 프로그래밍 언어를 선택하거나 설계할 때 선정 기준을 수립할수 있을 것이며 이를 기반으로 비전공자 대상 프로그래밍 기초교육의 설계와 효과적 실행에 기여할 것으로 기대한다.
앞서 확인한 프로그래밍 언어의 설계 원칙에서 도출한 프로그래밍 언어의 문법요소 별로 각 그룹별 성취도에 차이를 보이는지 살펴보기 위해 에서 제시했던 ‘가위바위보 하나빼기 게임’ 문제의 평가 문항에 따라 변수의 활용, 입출력 기능, 복합연산, 반복문의 요소로 평가 결과를 상세화하였다
<표 7>에서 설계한 내용에 따라 연구대상의 A그룹에는 랩터를 활용한 프로그래밍 교육을 실시하고, B그룹에는 스크래치를 활용한 프로그래밍 교육을 실시하였다. 3주차에 학습하는 ‘다각형 그리기’ 프로젝트는 프로그램 내 정보를 처리하기 위한 변수의 개념과 활용을 다룬다.
연구대상의 그룹별 성별 분포를 함께 조사하였다. [그림 3]에 표시된 바와 같이 계열 특성 상 자연과학대는 남학생의 비율이 A그룹에서 72%, B그룹에서 65%로 상대적으로 높았으며 사범대학은 A 그룹에서 79%, B그룹에서 78%로 상대적으로 높았다.
본 연구에서는 Kwon D.의 연구에 활용된 프로그래밍에 대한 흥미를 조사하는 문항을 인용하여 문항1과 문항2로 구성하였다. 또한 이우숙등은 정보가 많아지고 복잡해지는 현대 사회에서 직면할수 있는 문제 상황을 탐색하고 대처할 수 있는 문제해결 역량을 측정하기 위한 설문 및 분석도구를 개발하였는데 본 연구에서는 문제해결을 위해 문제해석과 해법탐구에 대한 학습자의 태도를 확인하는 문항 5개를 선정하였다[25].
이 중 이과계열(자연과학대학), 문과계열(경영경제대학, 사범대학) 신입생으로 구성된 분반을 와와 같이 각각 2개의 그룹으로 나누어 서로 다른 프로그래밍 언어를 적용한 프로그래밍 기초교육을 진행하였다.
6주차와 7주차에는 앞에서 다룬 조건식과 반복하고자 하는 패턴을 도출하여 조건에 의한 반복문을 구현하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 1과 100 사이의 짝수 혹은 홀수의 개수를 세는 예제와 가위바위보 게임 예제를 통해 특정 조건에 의해 일련의 동작을 반복하는 개념을 익히도록 하였다. 7주간의 학습을 마친 후 A그룹과 B그룹의 학생들에게 공통적으로 [그림 5] 의 ‘가위바위보 하나빼기 게임’ 문제를 해결하도록 테스트하였다.
즉, 본 연구에서는 실험 그룹에 속한 학습자의 프로그래밍에 관한 인식과 문제해결에 대한 태도를 비교하기 위해 사전설문을 위한 문항을 과 같이 구성하였다.
본 연구에서는 프로그래밍 기초학습에서 사용하는 비주얼 프로그래밍과 다이어그래밍 언어를 프로 그래밍 언어의 설계 관점에서 비교 및 분석하였다. 프로그래밍 언어 간 차이를 보이는 7가지 문법요소를 도출하였으며, 이를 기반으로 간결성, 일반성, 효율성 측면에서 비교 수행하였다. 일반성은 간결성을 보장하지 않는다는 측면에서 보면, 스크래치의 간결성이 랩터보다 높아야 한다.
프로그래밍 언어 설계 원칙 관점에서 프로그래밍 언어의 차이를 살펴보기 위해 비주얼 프로그래밍 언어인 스크래치와 순서도를 표현하는 다어그래밍 언어인 랩터를 적용한 7주간의 주차별 학습 과정을 과 같이 설계하였다.

데이터처리

그룹 간 성적의 분포에 따른 t-검정(p<0.05)을 수행하여 유의미한 수준에서 차이가 있는지 확인한다.
다만, 변수의 활용을 점검하는 항목에서 f-검정한 결과 등분산의 구조가 아니었으며 이에 따라 t 검정은 이분산 가정 집단에 대한 t-검정을 진행하였다. 두 집단의 비슷한 수준에서 변수를 활용하였으나 변수의 정의와 사용이 쉬운 랩터 쪽이 다소간 평균점수가 높다고 볼 수 있다.
두 집단의 학생들에게 공통적으로 ‘가위바위보 하나빼기 게임’ 문제를 해결한 결과에 대해 A그룹 (랩터)과 B그룹(스크래치)의 평균과 표준편차를 구하여 성취도를 비교한다.

성능/효과

7주간의 교육과정을 마친 후 두 그룹을 대상으로 같은 문제에 대해 테스트를 진행하였다. 그 결과 랩터와 스크래치 그룹에서 모두 초보자의 프로그래밍 기초역량을 유사한 수준으로 향상된 것으로 나타났다. 그러나 수업 과정과 테스트에서 동일한 문제를 해결하기 위해 각 그룹에서 산출된 결과물을 살펴보면 스크래치보다 랩터로 구현한 코딩내용이 보다 간결하고 일반적인 표현으로 구성된 것을 확인할 수 있었다.
그 결과 본 연구에서 프로그래밍 언어의 설계 원칙을 투영한 문법적 요소들을 도출하고 각 문법요소 별로 프로그래밍 언어들간에 상대적 우위를 분석한 와 유사한 결과와 일치함을 확인하였다.
그 결과 랩터와 스크래치 그룹에서 모두 초보자의 프로그래밍 기초역량을 유사한 수준으로 향상된 것으로 나타났다. 그러나 수업 과정과 테스트에서 동일한 문제를 해결하기 위해 각 그룹에서 산출된 결과물을 살펴보면 스크래치보다 랩터로 구현한 코딩내용이 보다 간결하고 일반적인 표현으로 구성된 것을 확인할 수 있었다. 이는 프로그래밍 언어의 설계 관점에서 분석한 결과 랩터가 스크래치보다 일반성과 간결성에서 우세하다는 특징이 실제 비전공자의 코딩내용에서 드러난 것이라 볼 수 있다.
복합 관계식을 사용한 조건식은 거의 유사한 평가 결과가 나왔으나, 반복문의 경우 f-검정 값과 t-검정 값이 비교적 낮게 도출되었다. 반복문의 구성과 사용성에 있어서 랩터와 스크래치 간에 서로 차이가 있다는 점이 어느정도 반영된 것으로 볼 수 있다.
따라서 두 그룹에 속한 비전공 학생들에게 익숙하지 않은 프로그래밍과정에 대해서 유사한 학습 태도를 가진 것으로 추정할수 있다. 본 설문도구의 신뢰도를 조사하기 위해 각 그룹의 설문결과에 Cronbach alpha 방식을 적용한 결과 A그룹은 0.64, B그룹은 0.65로 거의 근사한 신뢰도를 보였다.
의 결과로부터 스크래치와 랩터는 다른 두 언어보다 간결성과 일반성 측면에서 높음을 확인할 수 있다.
의 설문 항목에 대해 5점 척도로 응답을 받은 결과를 독립표본 t-검정으로 분석하였을 때 에 나타난 바와 같이 실험에 참여한 두 그룹이 유의수준 0.05에서 프로그래밍에 대한 관심도와 문제해결을 위한 솔루션의 탐색 성향이 유동일한 집단임을 확인하였다.
하지만 랩터가 일반성과 간결성 모두 스크래치보다 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터 단순히 문법요소에 해당하는 구성자의 수를 늘리는 것이 프로그래밍 언어의 간결성 향상을 보장하지 않을 수 있다는 이론적 근거를 확인하였다.
이처럼 본 연구에서는 두 그룹의 학습자들이 작성한 랩터와 스크래치 프로그래밍 결과를 비교하여 앞서 제시된 이론적 근거가 타당함을 확인하였다. 또한, 이로부터 비전공자를 위한 교육용 프로그래밍 언어를 선택할 때 프로그래밍 언어의 문법적 기능의 다양성과 규모보다 학습자의 성향과 단계별 교육 목표에 맞게 프로그래밍 언어의 설계 관점에서의 특징을 고려하여 선택할 필요가 있다는 시사점을 얻을 수 있다.

후속연구

비전공자 대상의 프로그래밍 교육에 주로 사용되는 교육용 프로그래밍 언어들에 대해 앞서 도출한 문법적 요소의 수용 범위를 분석하고 그에 따른 결과물의 특징을 비교하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 향후 비전공자의 SW 기초교육에 활용할 프로그래밍 언어를 선택하거나 설계할 때 선정 기준을 수립할수 있을 것이며 이를 기반으로 비전공자 대상 프로그래밍 기초교육의 설계와 효과적 실행에 기여할 것으로 기대한다.
향후 연구에서는 본 연구에서 다루고 있지 않은 프로그래밍 언어 설계 원칙에 대하여 프로그래밍 언어를 비교한다. 추가로, 현재 초·중·고 학생들에게 확대되고 있는 정보 교육의 내용을 고려하여 비주얼 프로그래밍 언어와 다이어그래밍 언어 이외에 텍스트 기반 프로그래밍 언어까지 포함할 예정이다.
향후 연구에서는 본 연구에서 다루고 있지 않은 프로그래밍 언어 설계 원칙에 대하여 프로그래밍 언어를 비교한다. 추가로, 현재 초·중·고 학생들에게 확대되고 있는 정보 교육의 내용을 고려하여 비주얼 프로그래밍 언어와 다이어그래밍 언어 이외에 텍스트 기반 프로그래밍 언어까지 포함할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SW의 역할은 무엇인가?	4차 산업혁명 시대를 주도할 미래 인재 양성을 위해 SW 교육이 중요하게 자리매김하고 있다[1]. SW는 사회 모든 분야에서 새로운 가치를 창출할수 있는 혁신의 기반이 되며 산업 간 벽을 허물어 이종 산업을 융합할 수 있는 결합체 역할을 할 수있다. 사회의 다양한 분야에서 응용 프로그램의 활용 능력뿐만 아니라 SW의 개념과 동작을 이해하고 직접 개발할 수 있는 SW 역량을 강조하는 이유이다[2][3].
	교육용 프로그래밍 언어는 무엇인가?	초보자를 대상으로 하는 프로그래밍 교육은 실제 적인 문제해결에 주력하기 보다는 학습을 통해 논리적 사고력, 문제해결력 등의 고등 사고력 신장이 목적이라는 점에서 고급 프로그래밍 언어를 통한 교육의 한계점을 극복하기 위해 교육용 프로그래밍 언어가 등장하였다. 교육용 프로그래밍 언어는 문법 암기에서 벗어나, 자신의 생각을 블록이나 간단한 스크립트로 표현하여 프로그래밍할 수 있게 하는 언어이다. 국내에서는 스크래치(Scratch), 엔트 리(Entry), 두리틀(DoLittle), 앱인벤터(App Inventor), 로고(Logo) 등을 활용하고 있으며 다양한 교과와 연계한 융합 교육에도 적용하고 있다 [9][15].
	SW 기반의 문제해결 역량이 강조되는 분위기에 대학에서의 추세는 어떠한가?	SW 중심사회가 도래하면서 사회 모든 분야에서 SW 기반의 문제해결 역량이 강조되고 있다. 대학에서도 비전공자를 위한 SW 기초교육을 의무화하고 프로그래밍 교육을 진행하는 추세이다. 본 연구는 프로그래밍 언어의 설계 원칙 중 간결성과 일반성을 수용하는 문법요소를 도출하고 이를 기반으로 비주얼 프로그래밍 언어(스크래치, 앱인벤터)와 다이어그래밍 언어(랩터, 플로우고리즘)를 비교 분석하였다.

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저자의 다른 논문 :

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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