[논문]초등과학 수업에서 절차적 사고과정을 활용한 학습 전략이 컴퓨팅 사고력과 창의적 문제해결력에 미치는 효과

김현석; 최선영

doi:10.21796/jse.2019.43.3.329

[국내논문] 초등과학 수업에서 절차적 사고과정을 활용한 학습 전략이 컴퓨팅 사고력과 창의적 문제해결력에 미치는 효과
The Effects of Instructional Strategies Using the Process of Procedural Thinking on Computational Thinking and Creative Problem-Solving Ability in Elementary Science Classes 원문보기

과학교육연구지 : 경북대학교 과학교육연구소 = Journal of science education, v.43 no.3, 2019년, pp.329 - 341

초록
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이 연구의 목적은 초등 과학 수업에서 절차적 사고 과정을 사용하여 학생들의 컴퓨팅적 사고와 창의적 문제해결 능력에 대한 교수 전략의 효과를 알아보는 것이다. 이를 위해 과학수업에서 활용할 수 있는 절차적 사고 과정을 이용한 수업 전략이 개발하여 적용하였다. 이 연구의 대상은 김포시에 있는 S 초등학교의 실험반(29 명)과 비교반(29 명)의 6학년 학생이었다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 초등과학 수업에서 절차적 사고과정의 수업전략을 활용한 실험반 학생들의 컴퓨팅 사고력은 비교반 학생들에 비해 높아졌으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 둘째, 실험반 학생들의 창의적 문제 해결력에 있어서도 비교반 학생보다 높게 향상되었고 이는 통계적으로 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다(p < .05).

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the effects of instructional strategies using the process of procedural thinking in elementary science classes on students' computational thinking and creative problem solving ability. For this purpose, instructional strategies using the process of procedural thinking for science class were developed and applied. The objects of this study were 6th graders from an experimental class (29 students) and a comparative class (29 students) at S elementary school in Gimpo City. The results of the study are as follows: First, as a result of examining the difference in the computational thinking ability between experimental group and comparative group, the experimental group scored higher than the comparative group, but there was no statistically significant difference. Second, the creative problem solving ability of the experimental group after applying this program was higher, and statistically significant differences were observed (p < .05).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

교사와 학생들은 함께 문제해결절차를 실행한 결과가 문제해결에 도달했는지 확인한다. 실행한 문제해결절차가 적절한지 토론하여 보고 필요한 경우 수정하여 다시 실행하여 볼 수 있다.
따라서 본 연구에서는 초등과학 교육에서 탐구 문제를 찾고 해결하는 과정 속에서 절차적 사고 전략을 활용할 수 있는 방안을 모색해 보고 이를 적용한 후 학생들의 컴퓨팅적 사고능력과 창의적 문제해결 능력에 대한 효과를 알아보고자 한다.
본 연구는 초등학교 6학년을 대상으로 절차적 사고과정 수업전략을 활용한 과학수업을 개발하여 적용 한 후 학생들의 컴퓨팅 사고력과 창의적 문제해결력의 변화를 알아보고자 하였다. 결과를 요약하자면 다음과 같다.

제안 방법

비버 챌린지는 학년군별로 난이도가 다양하게 구성되어 있는데 이 연구에서는 Park(2018)이 수정하여 사용한 2015년 문항 중 5-6학년용 (10-12세용)에 해당하는 Benjamin 검사지를 사용하였다. 본 연구에서는 온라인에 등재된 6문항 을 출력하여 사용하였고, 1문제당 풀이시간을 2분으로 총 12분을 주었다. 본 연구에서 사용한 컴퓨팅 사고력 검사 문항은 상, 중, 하 수준에 따라 각각 2문항씩이고 세부 구성 요소 및 난이 도는 Table 4와 같다(Park, 2018).
절차적 사고과정 수업전략을 활 용한 수업 적용을 위해 지도안과 활동지를 작성하여 적용하였다(Appendix 1). 실험반에는 이 연구에서 고안한 절차적 사고과정의 수업을 적용 하였고, 비교반에는 초등과학과 교사용 지도서에 안내된 과학수업으로 실시하였다.
이들의 절차적 과정을 초등과학에서 창의적 문제해결 수업 적용 방안(Choi & Kim, 2011)을 참고하여 Table 2와 같이 초등과학 수업에 활용할 수 있도록 고안하였다.
절차적 사고과정 수업전략을 활용하려면 수업목표에 도달할 수 있는 적절한 과제가 주어져야 하고, 난이도를 고려하여 과제의 특성에 따라 개인이나 모둠별로 과제를 해결 하도록 하였다. 절차적 사고과정 수업전략을 활 용한 수업 적용을 위해 지도안과 활동지를 작성하여 적용하였다(Appendix 1). 실험반에는 이 연구에서 고안한 절차적 사고과정의 수업을 적용 하였고, 비교반에는 초등과학과 교사용 지도서에 안내된 과학수업으로 실시하였다.
절차적 사고과정 수업전략을 활용하려면 수업목표에 도달할 수 있는 적절한 과제가 주어져야 하고, 난이도를 고려하여 과제의 특성에 따라 개인이나 모둠별로 과제를 해결 하도록 하였다.
절차적 사고를 기초한 수업전략을 초등과학 수업에 적용하기 위하여 선행연구, 관련 도서, 전문가 협의 등을 거쳐 6학년 1학기 5단원 ‘빛과 렌즈’ 단원의 총 11차시에 해당하는 수업을 재구성하였다(Table 3).
컴퓨팅 사고력의 하위영역별 점수는 알고리즘 영역은 1, 2, 3, 5, 6번 문항, 추상화는 2, 4, 5 번 문항, 문제분해는 3, 4, 6번 문항, 일반화는 5 번 문항, 평가는 1, 3, 4, 6번 문항의 점수를 더해서 산출하였다.
실행한 문제해결절차가 적절한지 토론하여 보고 필요한 경우 수정하여 다시 실행하여 볼 수 있다. 학생들은 일련의 문제해결절차 사고과정 및 수행결과 를 놓고 자기평가를 한다.

대상 데이터

본 연구는 김포에 위치한 S초등학교 6학년 2개 학급을 각각 실험반(29명)과 비교반(29명)으로 선정하였다(Table 1).

데이터처리

본 연구에서 수립된 자료들은 두 집단의 차이를 알아보기 위해 SPSS Statistics 21.0 프로그램을 활용하여 분석하였는데, 이 연구에서의 집단에 대한 정규분포 검사에서 정규분포를 이루지 못하고 있으므로 Mann-Whitney test를 실시하여 비교하였다.

이론/모형

비버 챌린지는 학년군별로 난이도가 다양하게 구성되어 있는데 이 연구에서는 Park(2018)이 수정하여 사용한 2015년 문항 중 5-6학년용 (10-12세용)에 해당하는 Benjamin 검사지를 사용하였다. 본 연구에서는 온라인에 등재된 6문항 을 출력하여 사용하였고, 1문제당 풀이시간을 2분으로 총 12분을 주었다.
창의적 문제 해결력은 Choi & Kang(2006)이 과학 창의적 문제 해결력 검사를 위해 고안한 방법을 활용하였다.

성능/효과

그러나 ‘적절한 문제 선택하기’, ‘해결책 생각 하기’, ‘실험계획 세우기’, ‘해결방법 확인하기’ 에서는 사전검사에서는 통계적으로 유의한 차이가 없었으나 사후검사에서 실함반의 평균이 비교반의 평균보다 높았으며 통계적으로 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다.
그리고 절차적 사고력의 향상만으로는 종합적인 컴퓨팅 사고력을 향상시키기 어려웠다. 그러나 과학교과에서 활용한 다양한 문제해결상황과 실험 설계 및 수행과정에 절차적 사고 활동 요소가 있음을 확인 할 수 있었다.
이를 하위영역별 영역에서도 추상화, 알고리즘적 사고, 문제 분석, 평가 및 일반화 영역에서도 사전검사에서 평균이 실험반이 비교반보다 높았으나 통계적으로 유의한 차이가 없었고, 이는 사후 검사에서도 같은 양상을 띄고 있었다. 그러나 전체적으로 볼 때 컴퓨팅적 사고력의 점수는 향상 되었으나 통계적으로 유의한 차이가 없었음을 알 수 있고 이것으로 볼 때, 초등과학 수업에서 절차적 사고과정 수업전략을 활용한 과학 수업은 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상에는 효과가 없음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 절차적 사고를 통 한 알고리즘 학습으로 컴퓨팅 사고력을 향상시킬 수 있었다는 Moon(2013)의 연구결과와는 일치하지 않았다.
둘째, 실험반 학생들의 창의적 문제 해결력에 있어서도 비교반 학생보다 높게 향상되었고 이는 통계적으로 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다. 이로써 절차적 사고과정 수업전략은 전체적으로 주어진 문제를 분해하고 문제해결절차를 스스로 계획, 실행 및 점검하는 등 문제해결에 초점을 맞추어 학습이 진행되기 때문에 창의적 문제해결력 전반에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있었다.
위와 같은 결과로 볼 때 이 연구에서 고안한 절차적 사고과정을 활용한 수업전략은 학생들의 창의적 문제해결력 향상에 효과가 있음을 알 수 있었으나, 컴퓨팅 사고력의 향상에 직접적인 영향을 주지 못함을 알았다.
둘째, 실험반 학생들의 창의적 문제 해결력에 있어서도 비교반 학생보다 높게 향상되었고 이는 통계적으로 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다. 이로써 절차적 사고과정 수업전략은 전체적으로 주어진 문제를 분해하고 문제해결절차를 스스로 계획, 실행 및 점검하는 등 문제해결에 초점을 맞추어 학습이 진행되기 때문에 창의적 문제해결력 전반에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있었다.
첫째, 초등과학 수업에서 절차적 사고과정의 수업전략을 활용한 실험반 학생들의 컴퓨팅 사고력은 비교반 학생들에 비해 높아졌으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이는 이 연구에서는 절차적 사고가 수업의 목적이 컴퓨팅적 사고력 향상을 위한 알고리즘 학습이 아니라 과학수업의 학습목표에 도달하기 위한 전략으로 활용한데서 그 한계가 있음을 알 수 있었다.
이 연구에서 절차적 사고과정 수업전략을 적용한 수업의 과제 중 예를 살펴보면, 주어진 조건 에 대해 고민하고 절차를 배열하는 과정이 들어 있다(Figure 1). 학생들은 절차에 대해 고민하여 다양한 문제해결절차를 적었다 지웠다한 풀이 흔적이 있었고, 매 차시 절차적 사고과정 과제를 해결하면서 학생들은 절차적 사고 과정을 수행하려고 노력하는 것을 엿볼 수 있었다.

후속연구

첫째, 초등과학 수업에서 절차적 사고과정의 수업전략을 활용한 실험반 학생들의 컴퓨팅 사고력은 비교반 학생들에 비해 높아졌으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이는 이 연구에서는 절차적 사고가 수업의 목적이 컴퓨팅적 사고력 향상을 위한 알고리즘 학습이 아니라 과학수업의 학습목표에 도달하기 위한 전략으로 활용한데서 그 한계가 있음을 알 수 있었다. 그리고 절차적 사고력의 향상만으로는 종합적인 컴퓨팅 사고력을 향상시키기 어려웠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초등학교 6학년을 대상으로 절차적 사고과정 수업전략을 활용한 과학수업을 개발하여 적용 한 후 학생들의 컴퓨팅 사고력과 창의적 문제해결력의 변화를 알아본 결과는 어떠한가?	첫째, 초등과학 수업에서 절차적 사고과정의 수업전략을 활용한 실험반 학생들의 컴퓨팅 사고력은 비교반 학생들에 비해 높아졌으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이는 이 연구에서는 절차적 사고가 수업의 목적이 컴퓨팅적 사고력 향상을 위한 알고리즘 학습이 아니라 과학수업의 학습목표에 도달하기 위한 전략으로 활용한데서 그 한계가 있음을 알 수 있었다. 그리고 절차적 사고력의 향상만으로는 종합적인 컴퓨팅 사고력을 향상시키기 어려웠다. 그러나 과학교과에서 활용한 다양한 문제해결상황과 실험 설계 및 수행과정에 절차적 사고 활동 요소가 있음을 확인 할 수 있었다. 둘째, 실험반 학생들의 창의적 문제 해결력에 있어서도 비교반 학생보다 높게 향상되었고 이는 통계적으로 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다. 이로써 절차적 사고과정 수업전략은 전체적으로 주어진 문제를 분해하고 문제해결절차를 스스로 계획, 실행 및 점검하는 등 문제해결에 초점을 맞추어 학습이 진행되기 때문에 창의적 문제해결력 전반에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있었다.
	컴퓨팅 사고력의 구성요소는 무엇으로 구분할 수 있는가?	(2016) 등의 정의를 종합하면 컴퓨터가 문제를 해결할 수 있도록 준비하는 과정으로 문제를 찾아 정의하고, 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제인지 판단한 후, 컴퓨터가 문제를 해결하도록 절차를 만드는 것을 의미하고 아울러 컴퓨터가 처리하는 방식대로 문제를 해결하는 과정이다. 이러한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소는 크게 문제 해결을 위한 준비 단계, 해결 단계, 적용 단계 등의 3단계로 세부 단계로는 문제 정의, 자료 분석, 추상화, 자동화, 일반화의 5가지로 구분할 수 있다(Hwang, 2018). 이때 컴퓨팅 사고력의 핵심인 추상화 단계에서 문제 해결을 위한 일련의 단계를 알고리즘으로 표현하는 것에 바로 절차적 사고가 요구되는 과정이기 때문에 절차적 사고의 향상을 위해 순서도를 활용한 알고리즘 표현 활동이 요구된다(Hwang, 2018).
	컴퓨팅 사고력이란?	컴퓨팅 사고력에 대하여 Wing(2008), Csizmadia et al. (2016) 등의 정의를 종합하면 컴퓨터가 문제를 해결할 수 있도록 준비하는 과정으로 문제를 찾아 정의하고, 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제인지 판단한 후, 컴퓨터가 문제를 해결하도록 절차를 만드는 것을 의미하고 아울러 컴퓨터가 처리하는 방식대로 문제를 해결하는 과정이다. 이러한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소는 크게 문제 해결을 위한 준비 단계, 해결 단계, 적용 단계 등의 3단계로 세부 단계로는 문제 정의, 자료 분석, 추상화, 자동화, 일반화의 5가지로 구분할 수 있다(Hwang, 2018).

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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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