[논문]언플러그드 방식을 활용한 알고리즘 수행시간 분석이 초등학교 3학년 학생의 컴퓨팅 사고력에 미치는 효과

김정아; 오민우; 양영훈; 김태훈; 김종훈

doi:10.14352/jkaie.2019.23.1.19

[국내논문] 언플러그드 방식을 활용한 알고리즘 수행시간 분석이 초등학교 3학년 학생의 컴퓨팅 사고력에 미치는 효과
The Effect of Algorithm Execution Time Analysis using Unplugged Program on the Computational Thinking of Third Grade Students 원문보기

정보교육학회논문지 = Journal of the Korean Association of Information Education, v.23 no.1, 2019년, pp.19 - 27

김정아 (제주대학교) , 오민우 (제주대학교) , 양영훈 (제주대학교) , 김태훈 (제주대학교) , 김종훈 (제주대학교)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 알고리즘의 수행시간 분석에 초점을 맞춘 언플러그드 방식의 교육이 초등학교 3학년 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상에 미치는 효과를 분석해보았다. 현직 초등교사 70명과 초등학교 3학년 학생 120명을 대상으로 실시한 요구분석 결과를 바탕으로, ADDIE 모형의 절차에 따라 언플러그드 교육프로그램을 개발하였다. 개발한 교육프로그램으로 초등학교 3학년 학생 24명에게 총 6일 동안 36시간의 수업을 진행하였고, 같은 시간 동안 보드게임 교육을 받은 24명의 학생들과 사전 사후 비교 검사를 통해 효과를 분석하였다. 분석 결과, 알고리즘의 수행시간 분석에 초점을 맞춘 언플러그드 방식의 교육은 초등학교 3학년 학생들의 컴퓨팅 사고력에 긍정적인 효과를 미치는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the effect of an unplugged educational program which focuses on the algorithm execution time analysis on enhancing the computational thinking of the third grade students. An unplugged educational program was developed by following the procedures of the ADDIE model based on the result of the demand analysis conducted with 70 incumbent elementary school teachers and 120 third grade students. The developed program was applied to 24 third grade students for 36 classes in six days and a comparison was made through pre-post comparison tests with 24 students who were taught with a board game program for the same period of time. As a result, the unplugged education program which focuses on the algorithm execution time analysis is deemed to have positive effect on the computational thinking of the third grade students.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

초등학교의 경우 5~6학년을 대상으로만 소프트웨어 교육이 실시되고 있기에 초등 저학년의 컴퓨팅 사고력이 함양된 소프트웨어 교육이 필요하다.[3] 따라서 이번 연구는 3학년에 초점을 맞추어 컴퓨팅 사고력을 기르기 위한 방안을 연구해보았다.
결론적으로 초등학교 3학년 학생을 대상으로 언플러그드 방식을 활용한 알고리즘 수행시간 분석에 초점을 맞춘 교육을 실시하였고 이 교육이 컴퓨팅사고력에 어떤 영향을 미치는지 연구해보았다. 교육 프로그램 실시 후, 컴퓨팅 사고력 검사를 실시하였으며 검사도구로는 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사(Computational Congnition Test) A, B형을 선정하였다.
본 연구에서는 초등학교 3학년 학생들에게 수행시간분석에 초점을 맞춘 언플러그드 교육을 실시하였고, 이교육이 학생들의 컴퓨팅사고력에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 방학 기간 중 6일 간의 집중 교육을 실시한 후 보드게임 교육을 받은 통제집단과 본 연구에서 개발한 교육프로그램을 적용한 집단을 비교분석하였다.

가설 설정

따라서 본 연구는 언플러그드라는 교육 방법을 사용하고, 교육 내용은 알고리즘과 그 수행시간을 분석하는데 초점을 맞추었다. 알고리즘별 수행시간을 분석하고 문제에 알맞은 알고리즘을 선택, 적용하는 능력이 컴퓨팅 사고력에 큰 영향을 미칠 것이라는 가설을 세웠고, 본 연구에서 가설을 검증해보기 위해 교육프로그램을 만들고 적용하여 그 효과를 검증하였다.

제안 방법

이는 문제 해결에 필요한 알고리즘의 최소명령, 수행시간과 밀접한 연관이 있다. 세계적으로 많은 언플러그드활동이 개발되어 있지만, 수행시간에 초점을 맞춘 연구 사례가 미비하여 본 연구의 교육 내용을 컴퓨터과학에서 통용되는 다양한 알고리즘과 그 알고리즘의 수행시간을 분석하는데 초점을 맞추었다.
위에서 살펴본 것처럼 언플러그드 교육에 대한 다양한 논의가 진행되지만, 여러 연구결과들은 언플러그드라는 교육 방법과 교육대상에만 초점을 맞추었을 뿐 교육내용에 초점을 맞춘 연구는 미비하다. 따라서 본 연구는 언플러그드라는 교육 방법을 사용하고, 교육 내용은 알고리즘과 그 수행시간을 분석하는데 초점을 맞추었다. 알고리즘별 수행시간을 분석하고 문제에 알맞은 알고리즘을 선택, 적용하는 능력이 컴퓨팅 사고력에 큰 영향을 미칠 것이라는 가설을 세웠고, 본 연구에서 가설을 검증해보기 위해 교육프로그램을 만들고 적용하여 그 효과를 검증하였다.
[Table 5]에 의하면 학생들은 EPL에 비해 언플러그드 활동을 경험해본 학생이 적은 것으로 나타났다. 또한 교육의 내용적인 측면에서 [Table 6]의 결과를 참고하여 효율적인 프로그래밍을 위한 알고리즘의 수행시간 분석을 교육내용으로 선정하였다.
도내 초등학교 3학년 120명의 학생들과 도내 초등 현직교사 70명을 대상으로 실시한 요구분석의 결과 교육방법은 언플러그드 교육방식으로 선정하였고, 교육 내용은 알고리즘의 수행시간을 분석하는 것에 초점을 맞추었다.
본 연구에서는 ADDIE 모형에 따라 교육 프로그램을 개발하였다.
요구분석 결과 대부분의 학습자들은 소프트웨어 교육을 처음 접하는 학생들임을 고려하여 교육 방향을 설정하였다. 먼저 학생들이 흥미를 느낄만한 언플러그드 활동으로 알고리즘의 개념을 익히고 자연스럽게 수행시간의 개념까지 익히도록 수업교재를 설계하였다.
학생들의 학습내면화를 위해 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 문제들로 알고리즘을 학습한다. 다양한 알고리즘 중 탐색알고리즘, 역추적알고리즘을 중점적으로 학습하고 각각의 알고리즘 수행시간을 분석한다.
학생들의 학습내면화를 위해 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 문제들로 알고리즘을 학습한다. 다양한 알고리즘 중 탐색알고리즘, 역추적알고리즘을 중점적으로 학습하고 각각의 알고리즘 수행시간을 분석한다. 탐색 알고리즘의 종류에도 순차탐색, 이진탐색 등 다양한 탐색알고리즘이 있다.
탐색 알고리즘의 종류에도 순차탐색, 이진탐색 등 다양한 탐색알고리즘이 있다. 어떤 탐색알고리즘을 선택하는가에 따라 문제해결의 시간이 달라진다는 점을 학생들 스스로 발견할 수 있도록 교육방향을 설정하였다.
본 연구에서는 ○○대학교에서 진행한 교육기부 프로그램의 지원자 48명을 대상으로 6일 동안 1일 6차시씩 36차시를 진행하였다. 48명의 학생을 두 집단으로 나누고 한 집단은 수행시간 분석에 초점을 맞춘 언플러그드교육을 적용하였고, 다른 집단에는 보드게임을 활용한 교육을 하였다.
언플러그드 활동을 통해 알고리즘과 수행시간의 개념을 익힌 후 각각의 알고리즘에 대한 수행시간을 분석해보았다. 다양한 실생활의 문제를 제시하고, 해결해야하는 문제에 따라 다양한 알고리즘을 적용해보고 알고리즘별로 수행시간에 차이가 있다는 점을 학습하였다.
언플러그드 활동을 통해 알고리즘과 수행시간의 개념을 익힌 후 각각의 알고리즘에 대한 수행시간을 분석해보았다. 다양한 실생활의 문제를 제시하고, 해결해야하는 문제에 따라 다양한 알고리즘을 적용해보고 알고리즘별로 수행시간에 차이가 있다는 점을 학습하였다. 6차시의 수업을 마친 후에는 매일 실생활과 접목한 과제를 제시하여 가정에서 복습할 수 있도록 하였다.
2개의 동일집단으로 나눈 후, 한 집단에는 언플러그드를 활용한 수행시간 분석 교육을 하였고, 나머지 집단에는 보드게임을 진행하였다. 36시간의 교육을 마친 후, 컴퓨팅사고력 검사를 실시하였으며 검사도구로는 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사(ComputationalCongnition Test) A, B형을 선정하였다.
수행시간 분석 중심의 언플러그드 교육이 3학년 학생들의 컴퓨팅 사고력에 어떤 영향을 주는지 분석하기 위한 검증을 실시하였다.
본 연구에서는 초등학교 3학년 학생들에게 수행시간분석에 초점을 맞춘 언플러그드 교육을 실시하였고, 이교육이 학생들의 컴퓨팅사고력에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 방학 기간 중 6일 간의 집중 교육을 실시한 후 보드게임 교육을 받은 통제집단과 본 연구에서 개발한 교육프로그램을 적용한 집단을 비교분석하였다. 계산적 사고력과 창의성 사전·사후 검사를 실시한 결과 본 연구에서 개발한 교육 프로그램은 초등학생의 컴퓨팅사고력 향상에 효과적인 것으로 나타났다.

대상 데이터

요구분석은 ○○대학교에서 실시하는 컴퓨터교실(교육기부 프로그램)에 지원한 초등학생을 포함하여, 도내초등학교 3학년 164명의 학생들과 도내 초등 현직교사 66명을 대상으로 실시하였다.
본 연구에서는 ○○대학교에서 진행한 교육기부 프로그램의 지원자 48명을 대상으로 6일 동안 1일 6차시씩 36차시를 진행하였다. 48명의 학생을 두 집단으로 나누고 한 집단은 수행시간 분석에 초점을 맞춘 언플러그드교육을 적용하였고, 다른 집단에는 보드게임을 활용한 교육을 하였다.

데이터처리

교육프로그램 적용 전 실험집단과 비교집단의 컴퓨팅사고력 하위요소 각각의 점수에서 차이가 존재하는지 알아보기 위해 독립표본 t검정을 실시하였다. 그 결과는 [Table 8]과 같다.
두 집단에 교육프로그램을 적용한 후 실험집단과 비교집단의 컴퓨팅 사고력 각각의 하위요소들의 변화가두 집단 간 통계적으로 유의한 차이를 보이는지 알아보기 위해 독립표본 t검정을 실시하였다. 그 결과는 [Table 9]과 같다.

이론/모형

[5] 그러나 프로그래밍 언어에 대한 지식이나 활용해본 경험이 거의 없는 학습자, 그 중에서도 초등학생들에게는 알고리즘을 학습하는 것보다 프로그래밍 언어를 활용해야 한다는 것이 더 큰 부담이 될 수 있고, 특히 초등학교 저학년에게는 더 큰 방해 요소로 작용할 수 있다.[6] 이 점을 고려하여 3학년 대상의 소프트웨어 교육 방법으로 언플러그드 방법을 선택하였다. 언플러그드 컴퓨팅 방법은 체험 활동과 구체물 사용의 방법을 통해 학생들에게 컴퓨터 과학내용에 기반한 문제해결 상황을 해결함으로써 계산적 사고를 기를 수 있는 기회를 제공할 수 있고,[7] 특히 저학년 소프트웨어 교육에 대한 흥미 유발에도 긍정적인 영향을 미친다.
결론적으로 초등학교 3학년 학생을 대상으로 언플러그드 방식을 활용한 알고리즘 수행시간 분석에 초점을 맞춘 교육을 실시하였고 이 교육이 컴퓨팅사고력에 어떤 영향을 미치는지 연구해보았다. 교육 프로그램 실시 후, 컴퓨팅 사고력 검사를 실시하였으며 검사도구로는 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사(Computational Congnition Test) A, B형을 선정하였다.[8]
평가 도구로는 수업 활동의 효과를 검증하기 위해 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사(Computational Congnition Test) A, B형을 선정하였다.[8]
2개의 동일집단으로 나눈 후, 한 집단에는 언플러그드를 활용한 수행시간 분석 교육을 하였고, 나머지 집단에는 보드게임을 진행하였다. 36시간의 교육을 마친 후, 컴퓨팅사고력 검사를 실시하였으며 검사도구로는 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사(ComputationalCongnition Test) A, B형을 선정하였다.[8]

성능/효과

컴퓨팅 사고력은 컴퓨팅의 기본적인 개념과 원리를 기반으로 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 사고 능력이다.[4] 컴퓨터과학의 관점에서 효율적인 문제해결은 최소의 명령과 시간으로 문제를 해결하는 것이다. 이는 문제 해결에 필요한 알고리즘의 최소명령, 수행시간과 밀접한 연관이 있다.
김정일(2012)은 특수학교 학생 23명을 대상으로 언플러그드 교육 4차시 수업을 실시하였다. 연구 결과 언플러그드를 실시한 집단이 강의식 수업을 실시한 통제집단보다 학업성취도 측면에서 효과가 있다는 것을 검증하였다.
한선관(2010)이 초등학교 영재 학생들을 대상으로 언플러그드 컴퓨터 수업을 진행하다. 알고리즘의 이해와 EPL 프로그래밍을 작성하면서 원리를 파악하도록 설계하였으며, 이를 적용하여 영재학생들이 언플러그드에 높은 학업성취도를 보인다는 결과를 검증하였다.
교육프로그램 적용 후 실험집단과 비교집단의 합계평균 점수는 각각 8.87(±3.958)과 7.98(±3.412)로 실험집단의 점수가 높게 나타났다.
또한 조건분기 영역에서 실험집단과 비교집단의 점수가 각각 2.52(±0.665)과 1.88(±0.680)로 실험집단의 점수가 높게 나왔으며, 순차구조, 조건분기 두 영역 모두 통계적으로 유의미한 차이를 보였다.
실험집단과 비교집단을 비교하였을 때 6개의 하위영역 중 순차구조, 조건분기, 함수 영역은 실험집단의 평균점수가 높았고 알고리즘, 변수, 재귀영역은 비교집단의 평균점수가 더 높았으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 전체 합계점수 또한 두 집단이 유의한 차이가 없어 두 집단이 동질집단임이 확인되었다.
따라서 본 연구에서 개발된 수행시간 분석 중심의 언플러그드 교육프로그램이 보드게임을 활용한 소프트웨어교육에 비해 순차구조, 조건분기 그리고 전체적인 컴퓨팅사고력에 긍정적인 영향을 주는 것으로 확인되었다.
계산적 사고력과 창의성 사전·사후 검사를 실시한 결과 본 연구에서 개발한 교육 프로그램은 초등학생의 컴퓨팅사고력 향상에 효과적인 것으로 나타났다.

후속연구

또한 교육기부 프로그램을 지원한 학생들을 대상으로 연구를 진행하여 연구 대상자가 SW교육에 관심도가 높은 학생들이 모집되었을 가능성이 있다. 추후의 연구에서는 30명의 연구 대상을 확보하고, 모집 대상들의 SW교육에 대한 관심도를 분석하여 연구결과를 일반화할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	언플러그드 교육 방식은 무엇인가?	언플러그드 교육 방식은 뉴질랜드의 팀 벨(Tim Bell)교수가 제안한 교수학습 방법으로 특정 소프트웨어나 하드웨어에 의존하지 않고 생활 속의 다양한 소재를 활용하여 컴퓨터 과학의 기본 개념을 가르치기 위한 활동들을 의미한다.[9]
	컴퓨팅 사고력은 어떤 능력인가?	교육부가 소프트웨어 교육을 통해 길러내고자 하는 인재상은 컴퓨팅사고력을 가진 창의·융합 인재이다. 여기서 컴퓨팅 사고력이 의미하는 바는 컴퓨터 과학의 기본적인 개념과 원리를 기반으로 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 사고 능력이다.[10] 컴퓨팅 사고력은 모든학문 영역의 문제 해결을 위한 기초적인 사고 능력이며, 실생활과 관련된 복잡한 문제를 해결하기에 가장 적합한 인지 능력이다.
	4차 산업혁명’ 시대의 교육의 필수요소는?	‘4차 산업혁명’ 시대의 교육은 기존의 교육과 같이 단순히 지식을 전달하는 형태가 아닌 ‘지식을 습득하는 방법’을 알 수 있도록 교육해야 한다. 이러한 능력을 위해서는 문제 해결을 위해 필요한 정보를 스스로 찾고, 선별하여, 필요한 경우 새로운 정보로 가공해낼 수 있는 사고를 할 줄 아는 컴퓨팅 사고력(ComputationalThinking)이 필수적이다.[1][2]

참고문헌 (14)

Na Jung Eun (2015), Computational Thinking Curriculum Development, Korean Association of general Education conference, 2015(11), 161-166.
Yongmin Kim.Jonghoom Kim (2017) / Effect of data visualization using scratch on improvement of creativity of preliminary coding instructors.
Kim Soo-Jin (2018) / Design and Effectiveness Evaluation of Curriculum for Programming Education in Lower Grade of Primary Schools.
Park Namsu (2018) / Identifying Impact Factors on Computational Thinking in the Game-based Preschooler software Education.
YoungUk Jeon.Byong-Rae Han (2018)/ The Effect of Unplugged Cooperative Learning Activies of the Cooperating Study Methods on the Improvement of Computational Thinking in the upper grades Elementary Students.
Koo Young Eun (2015) / An Effect of Unplugged Education baced on Play Learning for Lower Grade in Elementary School.
Byoungrae Han (2013)/ The Research of Unplugged Computing Method for Computational Thinking in Elementary Informatics Education.
Byengsu Kim (2014) / Programming Education Program based on PPS to Improve Computational Thinking Ability.
Bell, T., Witten I., and Fellows, M.(2015). CS Unplugged : An enrichment and ex-tensionprogramme for primary-aged students.
Ministry of Education. (2015:2)
Minjin Jang(2017) / The effect of Umplugged Learning on Elementary School Student's Talent: Focus on Logical Thinking and Creative Propensity.
ISTE & CSTA(2011). Computational Thinking Leadersip toolkit 1st edition.
Wing, J. M. (2008). "Computational thinking and thinking about computing." Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 366 July 2008. pp. 2717-3725.

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Young-Jun Lee, Eun-Kyoung Lee(2008). The Nature and perspective of Informatics Education. The Journal of Korean association of computer education 11(3). pp. 1-11.

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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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