[논문]초등과학 수업에서 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육프로그램의 개발과 적용

김혜란; 최선영

doi:10.15267/keses.2019.38.2.234

초등과학 수업에서 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육프로그램의 개발과 적용
The Development and Application of the SW-STEAM Program by Utilizing Ozobot Coding for Elementary Science Class 원문보기

초등과학교육 = Journal of Korean elementary science education, v.38 no.2, 2019년, pp.234 - 243

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The purpose of this study is to investigate the effects of the SW-STEAM program by utilizing ozobot coding for elementary science class. The developed SW-STEAM program was applied to $5^{th}$ grade students of S elementary school located in B city. The participants were divided into an experimental group which is consisted of 22 students and a comparative group comprised 22 students. And they were engaged in different teaching and learning methods during 11 class hours. The experimental group participated in the SW-STEAM program, the comparative group was taught by using a traditional instruction. The main results of this study are like followings. The SW-STEAM program had a positive effect on elementary school students' basic science process skill, science learning motive, science achievement. Therefore, the SW-STEAM program by utilizing ozobot coding could be meaningful works to encourage students' basic science process skill, science learning motive and science achievement, and more studies on developing SW-STEAM program are needed.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. The contents of program to class for experimental group
표 Table 2. The results of t-test on basic science process skills
표 Table 3. The results of t-test on science learning motive
표 Table 4. The results of t-test on science achievement

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구는 교육부(2015)의 소프트웨어교육 운영지침에 따라 융합교육의 측면에서 과학 교과 교육의 목표를 달성하기 위하여 초등과학에 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육프로그램을 개발 하여 적용함으로써 초등학생의 기초탐구능력, 과학 학습동기, 과학학업성취도에 어떠한 변화가 일어났는지 알아보는 것이다.
이 연구는 교육부(2015)의 소프트웨어교육 운영지침에 따라 융합교육의 측면에서 과학 교과 교육의 목표를 달성하기 위하여 초등과학 5학년 ‘물체의 빠르기’ 단원에 오조봇을 활용하여 SW 융합교육프로그램을 개발하였고, 이를 적용한 결과는 다음과 같다.
또한 오조봇의 위치와 속력을 관찰 및 측정하여 빠르기를 비교하는 탐구활동에 적극적으로 참여하도록 하여 기초탐구능력을 향상시키고, 나아가 학습한 개념을 적용하여 알고리즘을 창의적으로 제작하는 활동을 통해 물체의 빠르기 단원의 개념 이해를 높였기 때문이다. 이 연구에서 얻은 결과를 바탕으로 SW 융합교육 실천에 관심 있는 연구자를 비롯한 초등학교 현장교사들에게 SW 융합교육 프로그램의 적용 가능성에 대하여 시사하는 바가 있다고 본다. 그러나 아직 소프트웨어교육이 실행되는 초창기이며, 다가오는 4차 산업혁명시대의 창의융합인재육성을 위하여 미래사회가 요구하는 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 문제해결 역량의 중요성과 요구가 늘어남에 따라 스프트웨어교육을 융합적 측면에서 과학 교과 교육에 실제적으로 적용할 수 있는 다양한 연구가 필요하다.
이러한 과학교육의 목표를 달성하고 제 4차 산업혁명에 대비한 창의·융합형 인재를 양성하기 위하여 프로그램을 개발하였다.

제안 방법

과학학업성취도는 연구자가 물체의 빠르기의 성취기준과 학습 내용에 따라 평가 목표 및 평가 내용을 추출하여 총 20문항을 개발하였다. 이후 개발한 문항을 과학교육전문가와 초등교사 4인에게 검토 받아 수정 및 보완하여 활용하였다.
’, ‘오조코드를 어떻게 만들면 오조봇의 속력이 바뀌는지 궁금했다. 그래서 오조봇이 색깔에 따라 어떻게 움직일지 예상해서 코딩하고 나만의 코딩 방법을 만들었다. 무척 재미있었다.
이에 물체의 빠르기 단원의 성취 기준을 달성하고, 컴퓨팅 사고력을 기반으로 융합적 문제해결과정을 경험할 수 있도록 프로그램을 계획하였다. 그리고 계획에 따라 실험반의 교수-학습 과정안과 학습지를 개발하여 프로그램 초안을 개발하였다. 이후 개발된 프로그램의 타당도를 확보하기 위해 전문가 집단의 의견 수렴을 진행하였으며, 이에 따라 수정 및 보완을 하여 최종 프로그램을 개발하였다.
1차시 상황제시 단계에서 학생들은 오조봇 레이싱 경기의 제시된 문제 상황을 분석하고, 오조봇 레이싱에서 승리하기 위해 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 이탈하지 않고 가장 빠르게 도착하는 방법은 무엇인가에 대하여 해결할 문제를 발견하고 서술한다. 그리고 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 이탈하지 않고 가장 빠르게 도착하는 방법을 알아보고, 레이싱 경기를 펼치기 위하여 필요한 개념 탐색 및 실행 계획을 세운다.
즉, 2~7차시에서 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 가장 빠르게 도착하는 방법을 알기 위하여 오조봇을 실제로 움직이고 이동한 거리와 걸린 시간을 측정하여 빠르기를 비교하는 다양한 정보를 수집하고 분석하여 정리한다. 그리고 정리한 내용을 패턴화하여 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 가장 빠르게 도착하는 방법을 속력으로 추상화하여 표현한다. 8~9차시에서는 탐색하여 알게 된 내용을 바탕으로 오조봇을 경기 끝까지 이탈하지 않고 가장 빠르게 작동시킬 수 있도록 알고리즘을 창의적으로 제작하여 오조봇 레이싱 경기에 참가할 준비를 한다.
학습동기가 향상되어 학생들은 물체의 빠르기 단원 학습에 더욱 적극적으로 참여하게 되었으며, 학생들 스스로 빠르기를 비교하기 위한 정보 수집을 위하여 오조봇이 이동한 거리와 시간을 관찰 및 측정하고, 이를 분석·정리·패턴화하여 속력을 정의하였다. 그리고 학습한 개념을 적용하여 오조봇을 레이싱 경기 끝까지 이탈하지 않고 가장 빠르게 이동시킬 수 있도록 알고리즘을 창의적으로 제작하였다. 이러한 활동을 통해 물체의 빠르기 단원의 내용 이해가 향상되었으며, 결과적으로 과학학업성취도의 향상을 가져온 것으로 사료된다.
5학년 2개 학급을 정하여 각각 실험반(22명)과 비교반(22명)으로 하였다. 비교반은 교사용 지도서에 따른 일반적인 과학 수업을 하였고, 실험반에는 개발한 프로그램을 총 11차시를 시행하였다.
실험반과 비교반의 수업은 각각 총 11차시로, 1차시 수업은 40분 단위로 실행되어졌다. 실험반은 개발된 프로그램을 적용한 수업이, 비교반은 교과서, 실험관찰, 지도서대로 수업이 이루어졌다. 오조봇을 활용한 소프트웨어 융합프로그램의 수업 방법을 제외하고 비교반과 실험반의 수업시수, 탐구과정 요소, 단원 학습 내용은 서로 동일하였다.
우리나라 일반적인 초등학교 과학 수업 시간에 적용할 수 있도록 교육과정 기반으로 하며, 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 융합적 문제해결과정을 과학 교과 학습 내용 및 탐구 활동과 연계하여 수행할 수 있도록 하였다. 컴퓨팅 사고력은 CSTA (2011)가 제시한 문제해결을 위한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소를 따르고, 프로그램의 단계는 박현주 등(2012) 이 제시한 4C-STEAM 모형 단계에 따라 ‘상황 제시’, ‘창의적 설계’, ‘감성적 체험’의 3단계로 하였다.
이 연구에서 개발한 프로그램이 학생들의 과학학습동기에 미치는 효과를 알아보기 위해 실험반과 비교반 간의 사전 및 사후 검사 결과를 실시하였으며, 검사 결과는 Table 3과 같다.
물체의 빠르기 단원은 물체의 운동을 위치의 변화로 이해하게 한 뒤, 여러 가지 방법으로 물체의 빠르기를 비교하는 방법을 습득하게 한다. 이를 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 융합인재교육 구성요소 및 단계와 관련하여 프로그램을 개발하였다. 프로그램은 우리나라 일반적인 초등과학 수업 차시를 대체하여 사용할 수 있도록 과학 교육과정을 중심으로 실제성과 적시성을 반영하여 개발하였으며, 프로그램 내용은 Table 1과 같다.
컴퓨팅 사고력 세부 구성 요소들은 교육과정에 반드시 나열된 순서에 따라 배열되거나, 모든 하위 요소가 교육과정에 포함되어야 할 필요는 없다(한국과학창의재단, 2014). 이에 물체의 빠르기 단원의 성취 기준을 달성하고, 컴퓨팅 사고력을 기반으로 융합적 문제해결과정을 경험할 수 있도록 프로그램을 계획하였다. 그리고 계획에 따라 실험반의 교수-학습 과정안과 학습지를 개발하여 프로그램 초안을 개발하였다.
그리고 계획에 따라 실험반의 교수-학습 과정안과 학습지를 개발하여 프로그램 초안을 개발하였다. 이후 개발된 프로그램의 타당도를 확보하기 위해 전문가 집단의 의견 수렴을 진행하였으며, 이에 따라 수정 및 보완을 하여 최종 프로그램을 개발하였다.
과학학업성취도는 연구자가 물체의 빠르기의 성취기준과 학습 내용에 따라 평가 목표 및 평가 내용을 추출하여 총 20문항을 개발하였다. 이후 개발한 문항을 과학교육전문가와 초등교사 4인에게 검토 받아 수정 및 보완하여 활용하였다. 사전 검사는 학생들이 물체의 빠르기 단원 학습 전인 11월 첫째 주에 실시하였다.
2차시~9차시 창의적 설계 단계에서 문제를 해결하기 위한 개념 탐색과 해결방안 설계가 이루어진다. 즉, 2~7차시에서 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 가장 빠르게 도착하는 방법을 알기 위하여 오조봇을 실제로 움직이고 이동한 거리와 걸린 시간을 측정하여 빠르기를 비교하는 다양한 정보를 수집하고 분석하여 정리한다. 그리고 정리한 내용을 패턴화하여 오조봇이 레이싱 경기 끝까지 가장 빠르게 도착하는 방법을 속력으로 추상화하여 표현한다.
이를 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 융합인재교육 구성요소 및 단계와 관련하여 프로그램을 개발하였다. 프로그램은 우리나라 일반적인 초등과학 수업 차시를 대체하여 사용할 수 있도록 과학 교육과정을 중심으로 실제성과 적시성을 반영하여 개발하였으며, 프로그램 내용은 Table 1과 같다.
학습동기가 향상되어 학생들은 물체의 빠르기 단원 학습에 더욱 적극적으로 참여하게 되었으며, 학생들 스스로 빠르기를 비교하기 위한 정보 수집을 위하여 오조봇이 이동한 거리와 시간을 관찰 및 측정하고, 이를 분석·정리·패턴화하여 속력을 정의하였다.

대상 데이터

이 검사지는 초등학교 5학년부터 중학교 3학년까지 사용 가능하기 때문에 초등학교 5학년을 대상으로 한 이 연구에 적합하며, 이 연구에서 개발한 프로그램에서 적용한 물체의 빠르기 단원의 탐구 과정 요소가 모두 기초탐구과정요소에 해당하기 때문에 그 성격에 따라 기초탐구능력 부분만 선별하여 사용하였다.
이 연구는 경기도 부천시 소재 S 초등학교 5학년 학생들을 대상으로 하였다. 5학년 2개 학급을 정하여 각각 실험반(22명)과 비교반(22명)으로 하였다.

데이터처리

수집된 자료는 SPSS 21.0 통계프로그램을 이용하여 집단 간의 차이를 알아보기 위해 t 검정을 실시하여 분석하였다.

이론/모형

과학학습동기는 Keller (1987)의 ‘The Course Interest Survey’를 박수경이 번안한 것을 초등학교 수준에 맞게 어휘를 고쳐 수정한 오정임(2004)의 검사지를 사용하였다.
이 연구에 사용된 기초탐구능력 검사 도구는 권재술과 김범기(1994)가 개발한 TSPS 검사지를 사용 하였다. 이 검사지는 초등학교 5학년부터 중학교 3학년까지 사용 가능하기 때문에 초등학교 5학년을 대상으로 한 이 연구에 적합하며, 이 연구에서 개발한 프로그램에서 적용한 물체의 빠르기 단원의 탐구 과정 요소가 모두 기초탐구과정요소에 해당하기 때문에 그 성격에 따라 기초탐구능력 부분만 선별하여 사용하였다.
컴퓨팅 사고력은 CSTA (2011)가 제시한 문제해결을 위한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소를 따르고, 프로그램의 단계는 박현주 등(2012) 이 제시한 4C-STEAM 모형 단계에 따라 ‘상황 제시’, ‘창의적 설계’, ‘감성적 체험’의 3단계로 하였다.

성능/효과

그리고 하위 영역 모든 영역에서 사전 검사보다 사후 검사에서 실험반 학생들이 비교반 학생들에 비해 평균이 더 높았고, 이중에서 주의력, 관련성, 만족감 영역에서 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<.05).
둘째, 개발한 프로그램은 실험반 학생들이 비교반 학생들에 비해 과학학습동기의 향상에 긍정적인 영향을 주었다.
그리고 초등학생 4학년 학생을 대상으로 ‘열전달과 우리 생활’ 과학 단원 수업에서 LEGO MINDSTORMS의 로봇 센서를 과학실험에 활용한 MBL 수업 결과, 기초탐구능력의 측정, 예상, 추리의 세가지 영역에서 유의미한 차이를 가져왔다는 김철(2011)의 연구 결과도 맥을 같이 한다. 따라서 이 연구의 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육프로그램이 초등학생들의 기초탐구능력에 긍정적인 효과를 보이고 있음을 알 수 있다.
사전검사 결과, 비교반이 실험반보다 평균이 높았으나 통계적으로 유의한 차이가 없었는데 비해, 사후 검사에서는 실험반이 비교반 학생보다 기초탐구능력의 평균이 높았으며, 이는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<.05).
사전검사 결과, 실험반이 비교반보다 평균이 높았으나 통계적으로 유의한 차이가 없었는데 비해, 사후 검사에서는 실험반이 비교반 학생보다 과학학습동기의 평균이 높았으며, 이는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<.05).
사전검사 결과, 실험반이 비교반보다 평균이 높았으나 통계적으로 유의한 차이가 없었는데 비해, 사후 검사에서는 실험반이 비교반 학생보다 과학 학업 성취도의 평균이 높았으며, 이는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<.05).
셋째, 개발한 프로그램은 실험반 학생들이 비교반 학생들에 비해 학업성취도의 향상에 긍정적인 영향을 주었다.
학생들은 소프트웨어교육을 통해 절차적 사고력을 익히며, 주어진 다양한 문제를 해결하기 위해 문제를 분석하여 해결방법을 찾는 과정을 통해 논리적 사고능력을 기를 수 있다(심지현, 2018). 이 프로그램에서 빠르기를 비교하기 위해 오조봇이 어떻게 얼마나 움직이는지 위치와 이동시간을 정확하게 관찰하는 활동을 통해 관찰 능력이 향상되었고, 오조봇이 도착점까지 이탈하지 않고 가장 빠르게 움직일 수 있도록 창의적으로 오조코드를 설계하고 점검하는 활동을 통해 추리와 예상 능력이 향상되었으며, 궁극적으로 기초탐구능력 향상을 가져왔을 것으로 판단된다.
이 프로그램의 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육은 학생들에게 오조봇을 활용하여 빠르기를 비교하고, 속력을 구하는 구체적 활동을 제공하여 과학 수업에 관심과 흥미를 높였다. 학습동기가 향상되어 학생들은 물체의 빠르기 단원 학습에 더욱 적극적으로 참여하게 되었으며, 학생들 스스로 빠르기를 비교하기 위한 정보 수집을 위하여 오조봇이 이동한 거리와 시간을 관찰 및 측정하고, 이를 분석·정리·패턴화하여 속력을 정의하였다.
이러한 활동을 통해 물체의 빠르기 단원의 내용 이해가 향상되었으며, 결과적으로 과학학업성취도의 향상을 가져온 것으로 사료된다.
이를 탐구능력의 하위 영역으로 살펴볼 때, 모든 영역에서 사전 검사보다 사후 검사에서 실험반 학생들이 비교반 학생들에 비해 평균이 더 높았고 이중에서 관찰, 추리, 예상영역에서 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<.05).
이상의 결과로 볼 때 이 연구의 오조봇 코딩을 활용한 SW 융합교육프로그램은 교사용 지도서에 따른 일반적인 교사 주도의 수업에 비해 기초탐구능력, 과학학습동기, 과학학업성취도 향상에 효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 학생들의 관심과 흥미가 높은 오조봇을 활용하여 과학의 유용성과 성취감을 느낄 수 있도록 구체적 코딩 활동을 제공하여 과학수업동기를 높였기 때문이다.
첫째, 개발한 프로그램은 실험반 학생들이 비교반 학생들에 비해 기초탐구능력의 향상에 긍정적인 영향을 주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트웨어 융합교육의 특징은?	최근에 소프트웨어교육에 과학 교과를 융합하여 프로그램을 개발 및 적용 효과를 알아본 연구를 살펴보면, 소프트웨어 융합교육은 컴퓨팅 사고력과 함께 융합적 소양을 길러줄 수 있고(김태훈, 2015; 홍정미, 2015), 실과 정보 STEAM 교육이 초등학생의 자아효능감과 학습 흥미에 긍정적인 영향을 주며(최영재와 이철현, 2013), 언플러그드 컴퓨팅을 활용한 융합교육이 초등학생의 창의적 문제해결력이 향상되었고(나원영, 2016), 최신 IT와 관련한 융합교육의 적용은 학생들의 과학에 대한 흥미를 증진시키고 주어진 과제에 대한 집중력 신장에 긍정 적인 영향을 주기 때문에 과학 개념의 원리 이해와 문제해결력이 증진되었다(한정혜 등, 2011).
	초등학교 소프트웨어교육 활동으로 오조봇을 추천하는 이유는?	이와 같이 소프트웨어 융합교육의 효과와 관련 하여 초등학교에서 소프트웨어교육 활동으로 오조 봇을 도입할 수 있다. 오조봇은 컬러 인식센서를 활용하여 속도나 방향, 시간 등을 다양하게 제어할수 있고, 다른 로봇과 달리 컬러 코드 스티커를 인식시키기 때문에 컴퓨터로 프로그래밍하여 로봇을 조종하는 피지컬 컴퓨팅 수업뿐만 아니라, 컴퓨터 없이 언플러그드 활동 형태로도 수업을 진행할 수있어서 소프트웨어 관련 프로그래밍이나 알고리즘 개발이 쉬워 아직 컴퓨터 활용 능력에 서툴고 대부분 구체적 조작기로 구성된 일반적인 초등학교 학생들 교육에 적합하다(홍지연, 2017).
	교육현장에서 컴퓨팅 사고력을 기반으로 문제 해결 역량 계발이 어려운 이유는?	즉, 소프트웨어 교육을 위한 국가적인 정책과 교육 지원을 강화하고 있는 것이다(문성환과 이승훈, 2012). 그러나 교육부에서 제시한 운영지침과는 달리 교육현장에서의 교육환경 대부분은 프로그래밍 방법만을 지도 하고 있어 미래사회에서 살아가는데 필요한 컴퓨팅 사고력을 기반으로 문제를 해결하는 역량 계발에 어려운 현실이다(최현호, 2015). 따라서 미래사 회가 요구하는 컴퓨팅사고력을 기반으로 한 문제 해결 역량을 기르기 위하여 스프트웨어교육과 융합적 측면에서 각 교과 교육에 실제적으로 적용할수 있는 프로그램 개발이 필요하다.

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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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