[논문]컴퓨터 비전공자 대상 SW 교육에서 컴퓨팅 사고력이 문제 해결 과정에 미치는 영향 분석

김재경

doi:10.9717/kmms.2019.22.4.472

컴퓨터 비전공자 대상 SW 교육에서 컴퓨팅 사고력이 문제 해결 과정에 미치는 영향 분석
Effect of Computational Thinking on Problem Solving Process in SW Education for non-CS Major Students 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.22 no.4, 2019년, pp.472 - 479

김재경 (University College, Yonsei University)

Abstract ▼ AI-Helper

Today, computational thinking takes an important role in problem solving in software education. As a result, software education as liberal arts for non-CS major students is rapidly expanding. It is necessary to study the effects of computational thinking on software problem solving ability compared to traditional programming language education. In this paper, we propose an evaluation model for analyzing the effects of computational thinking on the overall software development process, and analyze how the problem solving process is different for learners who take computing thinking classes and programming language courses as liberal arts courses. As a result, students who learned computational thinking showed higher ability in problem analysis and design process.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Steps for Evaluating Problem Solving Process
표 Table 2. Proposed Evaluation Model
표 Table 3. Pre-test Result
그림 Fig. 1. Decomposition Diagram of Design Step.
표 Table 4. Evaluation Results of Experimental and Control Groups
그림 Fig. 2. Modularization Level of Program.

AI 본문요약
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문제 정의

최근 대학 교육에서의 비전공자를 대상으로 한 컴퓨팅사고 교육 과정이 활발히 개설되고 교육 효과에 대한 연구가 이루어지고 있으나[5, 6], 전통적인 프로그래밍 교육과 비교하여 컴퓨팅 문제 해결력에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 프로그래밍 언어를 통한 문제 해결 과정에서 컴퓨팅사고 개념이 어떤 영향과 효과를 주는지 평가하여 일반적인 프로그래밍 언어 학습과의 차이를 알아보도록 한다. 이를 위해 컴퓨팅사고 개념을 학습하고 이를 문제 해결과정에 적용하고 그 결과를 프로그래밍 언어로 표현하는 교과목을 수강한 학습자와, 전통적인 프로그래밍 언어 교과목을 학습한 학습자의 문제 해결 과정을 분석하여 차이점을 평가 및 비교하도록 한다.
본 연구에서는 문제 해결 과정에서 컴퓨팅사고 개념과 프로그래밍 언어를 통한 표현 능력의 중요성에 대해 분석하였다. 향후 컴퓨팅사고 및 이를 활용한 다양한 응용 과목에 분석 결과를 참고하여 개발 방향을 제시할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 문제 해결 단계별로 학습자를 평가하기 위해 소프트웨어 개발 단계를 기준으로 컴퓨팅사고 개념을 분류하여 평가하도록 한다. 단, 학습자의 구현물을 실제로 배포하는 것은 아니므로 운영단계를 제외한 Table 1과 같이 문제 분석과 설계, 프로그램 구현 및 테스트 단계를 사용하도록 한다.

제안 방법

계획된 수업 과정을 모두 학습하고 각 집단은 주어진 동일한 실험 문제에 대한 해결 절차를 2시간이내에 작성하도록 하였으며, 한 학기 동안 학습한 내용을 모두 포함하도록 사용자 입력 및 출력, 복수의 자료 유형과 리스트 구조, 다중 분기 및 반복 제어, 모듈화, 문자열 및 파일 처리를 사용하도록 실험 문제를 구성하였다.
구현 단계(Implementation)에서는 설계 과정에서 도출된 결과가 프로그래밍 명령문으로 잘 작성되었는가를 분석한다. 프로그래밍 산출물은 올바른 변수의 사용, 올바른 제어 흐름과 문제 분할 개념에 따라 사용자 정의 함수를 이용하여 모듈화를 이루어야 한다.
김수환[13]은 컴퓨팅사고력 교육에서의 학습자 평가를 위한 방안으로 학습자가 구현한 스크래치 코드를 분석하는 방법을 제안하였다. 동작, 제어, 형태, 관찰, 소리, 연산자 및 변수 블록이 구현물에서 사용된 빈도를 측정하여, 논리적사고, 플로우제어, 데이터표현, 병렬, 추상화, 동기화, 병렬과 같은 요소들에 대한 교육 효과를 학습자 수준에 따라 분석하고 평가하였다.
마지막으로 테스트 단계에서 구현물이 요구사항을 모두 만족하고 올바른 해를 도출 여부를 판단하기 위해 정의된 테스트 케이스를 입력하여 평가한다.
분석 단계(Analysis)의 자료 수집(Data collection) 요소에서 평가자는 상태표(State table)를 이용하여 문제에 필요한 기능 및 자료들을 완전한 형태로 작성하여 이를 기준으로 학습자의 작성 결과를 평가한다. 자료 분석(Data analysis)에서는 문제 해결에 필요한 패턴과 자료의 연산이 정의되었는가를 판단한다.
컴퓨팅사고 과목에서는 컴퓨팅사고 개념을 학습하고 주어진 문제의 해결을 Python 언어로 구현하도록 수업을 구성하였으며, 프로그래밍 언어 과목에서는 Python 언어의 문법과 명령어의 활용으로 프로그램을 작성하는 데 초점을 두고 교육을 진행하였다. 실험집단과 통제집단의 사전 지식 검사는 문제 해결 과정에 대한 개념과 프로그래밍 경험을 묻는 내용으로 구성하여 측정하였다. 그 결과 Table 3와 같이 실험 그룹과 통제 그룹은 유의미한 결과를 보이지 않았다.
이를 위해 기존의 컴퓨팅사고 교과목의 교육 효과에 대한 선행 연구들을 분석하고 이론적 지식에 대한 평가 사례와 산출물을 분석하여 학습자의 지식을 평가하는 사례를 살펴보았다. 그러나 컴퓨팅사고는 이론적 지식 습득이나 프로그래밍 산출물에 국한되어 그 효과가 나타나는 것이 아니라 문제를 해결하는 전 과정에 적용되는 사고 과정이다.
본 논문에서는 프로그래밍 언어를 통한 문제 해결 과정에서 컴퓨팅사고 개념이 어떤 영향과 효과를 주는지 평가하여 일반적인 프로그래밍 언어 학습과의 차이를 알아보도록 한다. 이를 위해 컴퓨팅사고 개념을 학습하고 이를 문제 해결과정에 적용하고 그 결과를 프로그래밍 언어로 표현하는 교과목을 수강한 학습자와, 전통적인 프로그래밍 언어 교과목을 학습한 학습자의 문제 해결 과정을 분석하여 차이점을 평가 및 비교하도록 한다.
이에 본 논문에서는 컴퓨팅사고 교육의 효과를 분석하기 위해 컴퓨팅 문제 해결의 전체 과정이라 할 수 있는 분석, 설계, 구현 및 테스트 단계에 따라 컴퓨팅사고 개념을 분류하고 평가 기준을 구성하였다. 제안 기준에 따라 전통적인 프로그래밍 언어 교육에 비교하여 컴퓨팅사고가 문제 해결 능력 향상에 어떠한 유의미한 차이를 가져오는지 전체 문제 해결 과정을 세분화하여 평가하였다.
이에 본 논문에서는 컴퓨팅사고 교육의 효과를 분석하기 위해 컴퓨팅 문제 해결의 전체 과정이라 할 수 있는 분석, 설계, 구현 및 테스트 단계에 따라 컴퓨팅사고 개념을 분류하고 평가 기준을 구성하였다. 제안 기준에 따라 전통적인 프로그래밍 언어 교육에 비교하여 컴퓨팅사고가 문제 해결 능력 향상에 어떠한 유의미한 차이를 가져오는지 전체 문제 해결 과정을 세분화하여 평가하였다.
컴퓨팅사고 과목에서는 컴퓨팅사고 개념을 학습하고 주어진 문제의 해결을 Python 언어로 구현하도록 수업을 구성하였으며, 프로그래밍 언어 과목에서는 Python 언어의 문법과 명령어의 활용으로 프로그램을 작성하는 데 초점을 두고 교육을 진행하였다. 실험집단과 통제집단의 사전 지식 검사는 문제 해결 과정에 대한 개념과 프로그래밍 경험을 묻는 내용으로 구성하여 측정하였다.
컴퓨팅사고력이 프로그래밍을 통한 실제 문제 해결 과정에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 대학교의 16주 정규 수업인 컴퓨팅사고 과목을 수강한 학습자를 실험집단(E.G.)으로, 동일한 학기에 프로그래밍 언어 과목을 수강한 학습자를 통제집단(C.G.)으로 구성하였다. 각 집단은 컴퓨터과학 비전공생 1학년 35명이며 기존에 컴퓨터 관련 수업을 수강한 적이 없었다.
피실험자는 문제 분석과 설계 과정을 문서로 작성하고, Python으로 프로그램을 구현하여 제출하도록 하였다. 제출물은 제안 모델에 정의된 항목을 전문가 3인이 평가하였으며 결과는 Table 4와 같다.
Bort & Brylow[9]는 국내에서도 자주 사용되고 있는 CSTA에서 정의한 9가지 컴퓨팅사고 개념에, Connection to Other Fields 개념을 추가하여 총 10개의 기본 개념에 대한 평가 루브릭(Rubric)을 정의하였다. 학습자에게 컴퓨팅사고력 개념 개념을 교육시킨 후 발표를 시키고, 이를 비디오로 녹화하여 각 개념에 대한 점수를 산정하였다.

성능/효과

설계 단계에서 두 집단은 기능적 요구사항을 추상적으로 정리하였다. 결과물을 평가한 결과 실험집단이 통제집단보다 요구사항을 대체로 명확하고 완전하게 작성하였다. 문제 분할의 경우 Fig 1(a)와 같이 실험집단은 문제를 기능 단위로 분할하여 전체적인 문제 해결의 흐름을 작성하였다.
자료를 표현하는 방식에서도 실험집단은 추상적인 자료 표현 개념에 근거하여 자료에 의미적인 이름을 부여하는 경향이 있었으나 통제집단은 a, b, c와 같은 무의미한 자료 이름을 사용하거나 매우 짧은 길이의 단어를 사용하여 자료의 의미를 파악하기가 어려운 경우가 많았다. 그 결과, 분석 단계의 각 평가 항목들에서 실험집단이 높은 점수를 얻었으며 두 집단은 유의미한 차이를 보였다.
구현 과정에서 두 그룹이 작성한 알고리즘은 올바른 논리로 작성되어 평균에 유의미한 차이가 없었다. 또한, 구현물의 검증 과정에서 테스트세트를 이용하여 평가한 결과, 두 집단이 모두 양호한 실행 결과를 보였으며 프로그램의 입력 및 출력 결과의 평가에서 큰 차이가 없었다. 구현과 테스트 단계에서 차이가 발견되지 않은 것은, 실험 문제가 주어진 시간 내에 충분히 해결 할 수 있는 난이도로 설계되어 프로그램을 완성하는 데 어려움이 없었던 것으로 관찰되었다.
컴퓨팅사고 교과목과 프로그래밍 언어 교과목을 각각 학습한 그룹의 문제 해결 과정의 결과를 평가한 결과 문제 분석 및 설계 과정에서 컴퓨팅사고 개념을 학습한 그룹이 더 체계적으로 문제를 해결하는 것을 알 수 있었다. 프로그래밍 언어 교과목을 수강한 그룹도 최종 결과물은 성공적으로 구현하였으나 문제의 분석과 설계 과정에 다소 미숙함을 보여주었으며, 문제의 복잡성이 증가할수록 컴퓨팅사고의 적용이 중요해질 것이다.
컴퓨팅사고 교과목과 프로그래밍 언어 교과목을 각각 학습한 그룹의 문제 해결 과정의 결과를 평가한 결과 문제 분석 및 설계 과정에서 컴퓨팅사고 개념을 학습한 그룹이 더 체계적으로 문제를 해결하는 것을 알 수 있었다. 프로그래밍 언어 교과목을 수강한 그룹도 최종 결과물은 성공적으로 구현하였으나 문제의 분석과 설계 과정에 다소 미숙함을 보여주었으며, 문제의 복잡성이 증가할수록 컴퓨팅사고의 적용이 중요해질 것이다.

후속연구

본 연구에서는 문제 해결 과정에서 컴퓨팅사고 개념과 프로그래밍 언어를 통한 표현 능력의 중요성에 대해 분석하였다. 향후 컴퓨팅사고 및 이를 활용한 다양한 응용 과목에 분석 결과를 참고하여 개발 방향을 제시할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴퓨팅사고는 어떠한 사고 과정인가?	컴퓨팅사고는 추상화, 문제 분할, 데이터 수집 및 표현 및 알고리즘 등의 개념을 이용하여 실세계의 문제를 자동화된 컴퓨팅 기기로 해결할 수 있는 형태로 표현하는 사고 과정이므로, 컴퓨팅 사고력 교육의 핵심은 학습자의 문제 해결 역량을 강화하는 데 있다. 컴퓨팅 사고력을 기르기 위해서는 컴퓨팅사고 이론을 암기하는 데 그치거나 혹은 단순히 프로그래밍 언어의 문법을 학습하는 코딩 위주의 교육을 하는 것이 아니라, 문제의 해결 과정을 프로그래밍 언어와 같은 도구를 이용하여 자료를 분석하고 적합한 알고리즘을 설계 및 구현하고, 컴퓨팅 기기를 이용하여 자동화된 문제의 해를 산출 수 있도록 하는 것이 필요하다.
	컴퓨팅 사고력 교육의 효과를 측정하기 위해서 프로그래밍 언어나 소프트웨어 도구의 활용 없이 개념습득과 사고 과정에 초점을 두고 학습자의 역량을 평가한 연구중 국내의 경우는 무엇이 있는가?	국내 연구의 경우는 심순화 등[10]이 CSTA의 분류에 기초하여 9개 부문으로 이루어진 서답형 문항으로 컴퓨팅 사고력 검사를 실시하였으며, 권정인 및김재현[11]은 컴퓨팅사고 과목을 수강한 대학교 신입생을 대상으로 CSTA의 분류에 기초한 총 51문항을 설문하여 컴퓨팅 사고력에 대한 결과를 평가하였다.
	현재 소프트웨어 교육 어떠한 능력을 교육하는 방향으로 자리를 잡고 있는가?	현재 소프트웨어 교육은 컴퓨터과학 분야의 문제해결 기술인 컴퓨팅사고에 따라 문제를 논리적이고 효율적으로 해결할 수 있는 능력을 교육하는 방향으로 자리를 잡고 있으며, 교육용 프로그래밍 언어, 로봇 제어 및 피지컬 컴퓨팅, 웹 기반[1] 교육 및 앱 제작[2] 등의 다양한 방식으로 컴퓨팅사고를 교육하고 있다[3].

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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