[논문]비전공자 대상 Java SW교육 강좌에서 마이크로비트를 이용한 컴퓨팅적 사고과정 교육 방법

허경

doi:10.14702/jpee.2019.167

비전공자 대상 Java SW교육 강좌에서 마이크로비트를 이용한 컴퓨팅적 사고과정 교육 방법
An Education Method of Computational Thinking using Microbit in a Java-based SW Lecture for Non-major Undergraduates 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.11 no.2, 2019년, pp.167 - 174

초록
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비전공 학부생을 대상으로 Java 프로그래밍 교육을 실시하는 데 있어, 피지컬 컴퓨팅 교육 방법을 적용한 사례는 전무하다고 할 수 있다. 피지컬 컴퓨팅 교육의 장점은 디지털 및 아날로그 센서의 입력 값에 따른SW 처리 출력 결과를 직접 확인할 수 있어, 프로그래밍 오류를 빠르게 수정하고 학습자의 학습 관심과 만족도를 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 마이크로비트를 사용하여, 기초적인 Java 프로그래밍 교육에 피지컬 컴퓨팅 교육을 접목하였다. 그리고, 컴퓨팅적 사고과정에 따라, 마이크로비트를 사용하여 Java 프로그램을 창작해보는 교육 방법을 제안하였다. 마이크로비트를 제어하는 블록 프로그래밍을 통해, 알고리즘을 설계하고, 이에 따라, Java 프로그램으로 변환하는 교육 방법을 적용하였다. 그리고, 본 교육방법을 적용한 강좌에서 학생들의 평가 결과를 분석하여, 마이크로비트를 활용한 교육방법의 유효성을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of Java programming education for non-major undergraduates, there are no examples of applying the physical computing education method. The advantage of physical computing education is that you can directly check the SW processing output result according to the input value of digital and analog sensor, so that you can quickly correct programming errors and improve learner's learning interest and satisfaction. In this paper, we use the microbits to combine physical computing education with basic Java programming education. In addition, according to the computational thinking process, we proposed an educational method for creating Java programs using microbits. Through block programming to control the microbits, we designed an algorithm and applied a training method to convert it into a Java program. In addition, the results of students' evaluations were analyzed in the course applying the education method, and the effectiveness of the education method using the microbit was analyzed.

주제어

표/그림 (16)

표 표 1. 구현 목표 입출력 시스템에 대한 CT 1단계와 2단계 결과물 Table 1. Design results of CT 1^st and 2^nd steps for a target I/O system
그림 그림 1. 구현 목표 입출력 시스템에 대한 CT 4단계 추상화 결과물 Fig. 1. Design results of CT 4^th abstraction step for a target I/O system.
그림 그림 2. CT 5단계 Setup_Crashvalue 함수 문제분해 결과물 Fig. 2. Design results of CT 5^th decomposition step for setup_crashvalue function.
표 표 2. 구현 목표 입출력 시스템에 대한 CT 3단계 결과물 Table 2. Design Results of CT 3^rd step for a target I/O system
그림 그림 3. CT 5단계 LED_Mode_change 함수 문제분해 결과물 Fig. 3. Design results of CT 5^th decomposition step for LED_Mode_change function.
그림 그림 4. CT 5단계 LED_symbol 함수 문제분해 결과물 Fig. 4. Design results of CT 5^th Decomposition step for LED_symbol function.
그림 그림 5. CT 5단계 LED_number 함수 문제분해 결과물 Fig. 5. Design results of CT 5^th decomposition step for LED_number function.
그림 그림 6. CT 5단계 Sound 함수 문제분해 결과물 Fig. 6. Design results of CT 5^th decomposition step for sound function.
그림 그림 7. 마이크로비트 입력/출력 컴퓨팅 시스템 결과물 Fig. 7. Design results of Microbit I/O computing system.
표 표 3. 구현 목표 입출력 시스템에 대한 CT 6, 7 단계 결과물 Table 3. Design results of CT 6^th and 7^th steps for a target I/O system
그림 그림 8. 마이크로비트 시스템 결과물 동작 이미지 Fig. 8. Images of microbit system operations.
표 표 3. 계속 Table 3. Continued.
표 표 3. 계속 Table 3. Continued.
표 표 4. 일반적인 Java SW 교육 후 Java SW문제 평가 결과 Table 4. Evaluation results of Java SW problems after general Java SW education is applied
표 표 5. 피지컬 컴퓨팅과 결합한 Java SW 교육 후 Java SW문제 평가 결과 Table 5. Evaluation results of Java SW problems after the Java SW education combined with physical computing is applied
그림 그림 9. 일반SW교육과 피지컬 컴퓨팅 교육 방법의 Java 프로그래밍 평가 총점 분포 Fig. 9. Total evaluation score distributions for Java programming with methods of general SW education and physical computing education.

AI 본문요약
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문제 정의

본 장에서 제안된 실용 시스템 개발 사례는 입력 장치 2종, 출력장치도 2종으로 개발되었다. 본 논문에서는 Java SW 교육을 위한 피지컬 컴퓨팅 CT 7단계 결과물까지 제시하고 분석한다. 표 1은 구현하고자 하는 입출력 시스템을 설명하고, 시스템 구현에 필요한 CT 1단계와 CT 2단계 결과물들을 설명하고 있다.
본 논문에서는 마이크로비트를 사용하여, 기초적인 Java 프로그래밍 교육에 피지컬 컴퓨팅 교육을 접목하였다. 그리고, 컴퓨팅적 사고과정(CT: Computational Thinking)에 따라, 마이크로비트를 사용하여 Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 비전공자 일반 학생들을 대상으로 실시하는 Java 프로그래밍 교육에 있어, 피지컬 컴퓨팅 교육을 접목하여 학습효과를 향상하고자 하였다. 이를 위해, 마이크로비트를 사용하여, CT(Computational Thinking)에 따라, 블록 단위의 알고리즘 설계를 거쳐, Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다.

가설 설정

가변저항은 마이크로비트에서 제공되는 3V 전압과 GND를 공급받아 동작한다. 가변저항이 발생시키는 값을 초음파 거리측정 센서가 측정한 장애물과의 거리 값으로 가정하여, P0핀에 아날로그 값으로 입력된다. P1핀으로부터 아날로그 출력 방식의 전압이 가해져서, 스피커의 음량이 조절된다.

제안 방법

여기서, 마이크로비트를 제어하는 블록 프로그래밍을 통해, 알고리즘을 설계하고, 이에 따라, Java 프로그램으로 변환하고 디버깅하는 교육 방법을 제안하였다. 그리고, 본 교육방법을 적용한 강좌에서 학생들의 SW 구조 이해력 평가 결과를 분석하여, 마이크로비트를 활용한 교육방법의 유효성을 분석하였다.
본 논문에서는 마이크로비트를 사용하여, 기초적인 Java 프로그래밍 교육에 피지컬 컴퓨팅 교육을 접목하였다. 그리고, 컴퓨팅적 사고과정(CT: Computational Thinking)에 따라, 마이크로비트를 사용하여 Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다. 여기서, 마이크로비트를 제어하는 블록 프로그래밍을 통해, 알고리즘을 설계하고, 이에 따라, Java 프로그램으로 변환하고 디버깅하는 교육 방법을 제안하였다.
이를 위해, 마이크로비트를 사용하여, CT(Computational Thinking)에 따라, 블록 단위의 알고리즘 설계를 거쳐, Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다. 또한, 일반 Java SW교육을 실시한 학생들과 마이크로비트를 이용한 CT 기반의 피지컬 컴퓨팅 방식의 Java SW 설계 교육 방법을 실시한 학생들의 평가 결과를 비교 분석하였다. 이를 통해, 제안한 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 Java 프로그래밍 교육에 있어서 학생들의 학습 이해도를 향상시킨다는 것을 확인하였다.
CT 6단계 알고리즘 작성 과정은 문제를 해결하거나 어떤 목표를 달성하기 위해 수행되는 전체 문제해결과정과 분해된 각 소문제들의 해결과정을 완성하는 것이다. 본 논문에서는 추상화, 문제 분해, 패턴인식이 올바르게 진행된 경우, 이 결과들을 결합한 것을 알고리즘 작성 활동으로 정의하였다.
본 시스템에서는, 전·후방 장애물 감지 센서로 사용하는 초음파 센서 대신 가변저항을 사용하였다.
본 장에서는 CT에 기반하여, 마이크로비트 입력/출력 시스템과 브레드보드 디지털 회로를 사용한 피지컬 컴퓨팅 Java SW 교육 방법을 제안한다. 본 장에서 제안된 실용 시스템 개발 사례는 입력 장치 2종, 출력장치도 2종으로 개발되었다. 본 논문에서는 Java SW 교육을 위한 피지컬 컴퓨팅 CT 7단계 결과물까지 제시하고 분석한다.
본 장에서는 2장에서 제시한 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법의 유효성을 분석한다. 비교반에서는 동일과목에서 마이크로비트 없이 일반적인 Java SW 교육을 40명 학생에게 실시하였다.
본 장에서는 CT에 기반하여, 마이크로비트 입력/출력 시스템과 브레드보드 디지털 회로를 사용한 피지컬 컴퓨팅 Java SW 교육 방법을 제안한다. 본 장에서 제안된 실용 시스템 개발 사례는 입력 장치 2종, 출력장치도 2종으로 개발되었다.
표 5는 실험반에서 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 적용한 후, 실시한 Java SW 평가 문제 영역과 배점, 평균 점수 분포를 나타낸다. 실험반과 비교반에 실시한 Java SW 평가 문제는 동일하며, 교육방법에 있어서, 실험반에만 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 적용하였다. 배열 등 자료구조에 관한 평가 시행과 평가 결과 분석은 마이크로비트를 이용한 Java 자료구조 SW 설계 교육 방법을 개발한 후, 추후 연구에서 실시할 예정이다.
그리고, 컴퓨팅적 사고과정(CT: Computational Thinking)에 따라, 마이크로비트를 사용하여 Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다. 여기서, 마이크로비트를 제어하는 블록 프로그래밍을 통해, 알고리즘을 설계하고, 이에 따라, Java 프로그램으로 변환하고 디버깅하는 교육 방법을 제안하였다. 그리고, 본 교육방법을 적용한 강좌에서 학생들의 SW 구조 이해력 평가 결과를 분석하여, 마이크로비트를 활용한 교육방법의 유효성을 분석하였다.
표 3은 CT 6단계에 해당하는 알고리즘 구성 결과물과 CT 7단계 자동화 Java 프로그램 구현결과물을 함께 나타내었다. 우선 CT 6단계에 해당하는 SW 알고리즘 구성 결과물은 그림 1부터 그림 6까지 제시된 각 추상화/문제분해 결과물들을 모두 모아 놓은 것으로 축소하여 제시했으며, 이 CT 6단계 알고리즘 구성 결과물에 따라, 구현된 Java 프로그램 결과물이 CT 7단계 결과물로 표 3에 함께 제시되었다. CT 6단계 알고리즘 작성 과정은 문제를 해결하거나 어떤 목표를 달성하기 위해 수행되는 전체 문제해결과정과 분해된 각 소문제들의 해결과정을 완성하는 것이다.
본 논문에서는 비전공자 일반 학생들을 대상으로 실시하는 Java 프로그래밍 교육에 있어, 피지컬 컴퓨팅 교육을 접목하여 학습효과를 향상하고자 하였다. 이를 위해, 마이크로비트를 사용하여, CT(Computational Thinking)에 따라, 블록 단위의 알고리즘 설계를 거쳐, Java 프로그램을 창작하고 물리적인 입출력 장치를 창작해보는 교육 방법을 제안하였다. 또한, 일반 Java SW교육을 실시한 학생들과 마이크로비트를 이용한 CT 기반의 피지컬 컴퓨팅 방식의 Java SW 설계 교육 방법을 실시한 학생들의 평가 결과를 비교 분석하였다.

대상 데이터

본 장에서는 2장에서 제시한 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법의 유효성을 분석한다. 비교반에서는 동일과목에서 마이크로비트 없이 일반적인 Java SW 교육을 40명 학생에게 실시하였다. 한편, 실험반에서는 동일과목에서 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 40명 학생에게 적용하였다.
비교반에서는 동일과목에서 마이크로비트 없이 일반적인 Java SW 교육을 40명 학생에게 실시하였다. 한편, 실험반에서는 동일과목에서 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 40명 학생에게 적용하였다. 표 4는 비교반에서 일반적인 Java SW 교육을 실시한 후, 평가한 Java SW 평가 문제 영역과 배점, 평균 점수 분포를 나타낸다.

성능/효과

또한 각 평가 영역별 획득 점수도 13% 내외로 증가한 것을 알 수 있다. 이 결과를 통해, 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법이 효과성을 나타낸다고 할 수 있다.
총점 분포에 있어서 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 일반 Java SW교육 방법보다, 평균 총점도 높고 정규분포에 가까운 형태를 나타내어 고른 분포를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 제안한 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 Java 프로그래밍 교육에 있어, 비전공자 학생들의 이해도를 높이는 효과를 나타낸다고 할 수 있다. 그림 9의 0~ 15점 범위와 31~45점 범위 총점 분포에서, 두 방식의 결과 값이 학생 수에서 상대적으로 큰 차이를 나타내는 것은 평균 총점 값이 13% 차이가 나는 데서 발생된 것으로 판단된다.
또한, 일반 Java SW교육을 실시한 학생들과 마이크로비트를 이용한 CT 기반의 피지컬 컴퓨팅 방식의 Java SW 설계 교육 방법을 실시한 학생들의 평가 결과를 비교 분석하였다. 이를 통해, 제안한 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 Java 프로그래밍 교육에 있어서 학생들의 학습 이해도를 향상시킨다는 것을 확인하였다.
표 4의 내용은 일반적인 Java SW 교육을 실시한 후, 평가한 Java SW 문제들의 영역과 배점, 각 문제별 40명 학생들의 평균 총점 점수를 나타낸다. 총 100점 만점에서, 평균 52.43점을 획득하여, 52%의 총점 획득률을 나타내었다. 또한, 각 문제별 평균 점수도 유사한 점수 획득률을 나타냄을 알 수 있다.
표 5의 내용은 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 적용한 후, 실시한 Java SW 문제들의 영역과 배점, 각 문제별 40명 학생들의 평균 총점 점수를 나타낸다. 총 100점 만점에서, 평균 65.40점을 획득하여, 65%의 획득률을 나타내었다. 또한, 각 문제별 평균 점수도 유사한 점수 획득률을 나타냄을 알 수 있다.
그림 9는 100점 만점 기준으로 일반 Java SW교육을 실시한 학생들과 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 실시한 학생들의 총점 분포를 비교한 자료이다. 총점 분포에 있어서 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 일반 Java SW교육 방법보다, 평균 총점도 높고 정규분포에 가까운 형태를 나타내어 고른 분포를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 제안한 마이크로비트 피지컬 컴퓨팅 교육 방법이 Java 프로그래밍 교육에 있어, 비전공자 학생들의 이해도를 높이는 효과를 나타낸다고 할 수 있다.
또한, 각 문제별 평균 점수도 유사한 점수 획득률을 나타냄을 알 수 있다. 표 5의 평균 점수 분포를 보면, 총점 획득률이 마이크로비트 없이 실행한 일반적인 Java SW교육에서 52%보다 13% 증가한 것을 알 수 있다. 또한 각 평가 영역별 획득 점수도 13% 내외로 증가한 것을 알 수 있다.

후속연구

실험반과 비교반에 실시한 Java SW 평가 문제는 동일하며, 교육방법에 있어서, 실험반에만 마이크로비트를 이용한 Java SW 설계 교육 방법을 적용하였다. 배열 등 자료구조에 관한 평가 시행과 평가 결과 분석은 마이크로비트를 이용한 Java 자료구조 SW 설계 교육 방법을 개발한 후, 추후 연구에서 실시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피지컬 컴퓨팅 교육의 주요 툴은?	이러한 메이커 교육의 흐름은 피지컬 컴퓨팅 교육과 직결된다고 할 수 있다. 그리고, 피지컬 컴퓨팅 교육은 아두이노, 마이크로비트, 3D 프린터 등의 툴을 자체적으로 활용하여 협력하고 현실화함으로써 SW 교육을 통해 배운 것을 구현하는 과정이다. 즉, 피지컬 컴퓨팅 교육은 SW 교육을 실현하는 교육 및 학습 방법이다 [5].
	컴퓨팅적 사고력의 요점은?	컴퓨팅적 사고력이란 컴퓨팅 원리에 기초하여 문제를 효율적으로 해결하는 사고능력으로 정의한다. 즉, 문제 해결의 여부보다 문제 해결 과정의 우수성을 중요하게 생각한다 [6,7]. 그러나, 비전공 학부생을 대상으로 Java 프로그래밍 교육을 실시하는 데 있어, 컴퓨팅적 사고력과 피지컬 컴퓨팅 교육 방법을 접목한 사례는 전무하다고 할 수 있다.
	피지컬 컴퓨팅 교육은 무엇인가?	피지컬 컴퓨팅 교육은 디지털 또는 아날로그 방식으로 측정한 값들이 센서들을 통해 입력되면, 입력된 값을 SW가 처리하고 이를 출력장치를 통해, SW의 실행결과를 검증하고 수정하는 교육 방식을 의미한다. 이를 통해, 학습자의 SW 학습흥미와 SW에 대한 이해도를 향상시킬 수 있다[1,2].

참고문헌 (7)

K. Hur, "Educational method of computational thinking processes using physical teaching devices," Journal of Practical Engineering Education, vol. 10, no. 1, pp. 35-39, June 2018.
K. Hur and W. S. Sohn, "Education method for basic programming subject through physical computing," Journal of Practical Engineering Education, vol. 9, no. 2, pp. 139-148, December 2017.
Maker Education Working Group, USA, 2018, Available at http://makered.org/
E. H. Jung, "Maker education that all learners become creators," Seoul Education Webzine, vol. 60, no. 232, 2018.
Microbit Education Foundation, England, 2019, Available at https://www.microbit.org//
J. M. Wing, "Computational thinking," Communications of the ACM, vol. 49, no. 3, pp. 33-35, March 2006.

상세보기
J. M. Wing, "Computational thinking and thinking about computing," Philosophical transactions of the royal society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 366, no. 1881, pp. 3717-3725, April 2008.

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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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