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문제 정의
- 본 연구는 비SW전공 학생 대상의 프로그래밍 교육에 PBL을 적용하여 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 PBL기반의 프로그래밍 교육과정을 설계하였으며 학습효과 검증을 위한 설문도구를 개발하였다.
- 본 연구는 비SW전공 학생들의 프로그래밍 수업에 PBL을 적용할 때 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력 향상에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 PBL기반의 스크래치 프로그래밍 교육과정을 설계하였고 수업 진도에 맞추어 구현 가능한 문제 들을 제시하여 PBL 활동을 수행하였다.
- 본 연구는 프로그래밍 교육에 사용할 EPL로 MIT 미디어랩에서 개발하여 세계적으로 널리 사용되고 있는 스크래치(Scratch)를 채택하였다. 본 연구의 PBL기반 프로그래밍 교육은 한 학기 동안 개설된 교양과목으로서 총 15주 동안 주 1회 2시간 수업으로 진행되었다.
제안 방법
- PBL에 사용될 문제는 수업 진도에 맞추어 알고리즘 구현 중심의 문제와 창의적 SW콘텐츠 기획 중심의 문제들을 순차적으로 제시하였다. PBL기반 프로그래밍 교육의 효과성 검증은 프로그래밍 수업을 PBL을 적용한 반과 그렇지 않은 반으로 나누고 수업이 종료된 후 두 반의 시험 성적을 분석하고 학습 효과와 컴퓨팅 사고력에 관한 설문조사 결과를 분석하였다. 프로그래밍이 4차 산업혁명시대에 필요한 역량 교육에 확대되는 흐름 속에서 본 연구가 보안 분야 전공 학생들의 프로그래밍 교육에도 도움이 되길 기대한다.
- PBL기반 프로그래밍 수업에서 학생들이 해결 해야할 문제는 알고리즘 중심의 문제 (유형 1)와 창의적 SW콘텐츠 제작 문제 (유형 2)로 구분하여 제시하였다. 유형 1은 O(n2)의 대표적인 정렬 알고리즘들 –버블정렬, 삽입정렬, 선택정렬을 조사, 이해하고 그 중의 하나를 성적 분석 문제 해결에 이용하는 것이다.
- 이를 위해 PBL기반의 스크래치 프로그래밍 교육과정을 설계하였고 수업 진도에 맞추어 구현 가능한 문제 들을 제시하여 PBL 활동을 수행하였다. PBL의 효과성을 실험적으로 검증하기 위해 15주 동안 진행되는 교양과목을 PBL 적용 반(36명)과 비적용 반(34명)으로 나누고 중간, 기말시험의 성적과 학습 효과성 및 컴퓨팅 사고력에 관한 설문조사 결과를 분석하였다.
- 두 분반의 수업 방식이 상이함에 따라 사전에 학생들의 동의를 얻고 컴퓨팅 사고력과 스크래치에 대한 경험을 알아보기 위한 설문조사를 실시하여 과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구는 PBL기반 프로그래밍 교육의 효과를 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력 영역으로 구분하여 측정하였다 ( 참고).
- 본 연구를 위해 모 지방 사립대의 컴퓨팅 사고력과 스크래치 프로그래밍을 교육하는 교양교과목을 두 개의 분반으로 나누어 수업을 진행하였다. 한 분반 (PBL 적용 반, 36명)은 앞의 3장에서 기술한 PBL기반 프로그래밍 교육과정을 적용하였고 다른 한 분반 (PBL 비적용 반, 34명)은 스크래치 교재 강의와 교재 문제 실습 형태로 수업을 진행하였다.
- 본 연구는 프로그래밍 교육에 사용할 EPL로 MIT 미디어랩에서 개발하여 세계적으로 널리 사용되고 있는 스크래치(Scratch)를 채택하였다. 본 연구의 PBL기반 프로그래밍 교육은 한 학기 동안 개설된 교양과목으로서 총 15주 동안 주 1회 2시간 수업으로 진행되었다. 프로그래밍에 생소한 비SW전공 학생들이 참여하기 때문에 한 학기 전체를 PBL로 진행하는 ‘ 체-PBL’ 방식이 아닌, 초반 3주는 스크래치 활용 교육을 진행하고 그 후 PBL을 적용하는 ‘부분-PBL’ 방식을 사용하였다.
- 컴퓨팅 사고력에 대한 차이를 살펴보기 위해서 PBL 적용 반과 비적용 반 학생들을 대상으로 설문조사를 시행하였다. 설문 항목은 컴퓨팅 사고력의 인지 정도와 컴퓨팅 사고력을 활용한 문제해결 능력 영역으로 구분하여 총 9문항으로 구성하였다.
- 본 연구는 비SW전공 학생들의 프로그래밍 수업에 PBL을 적용할 때 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력 향상에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 PBL기반의 스크래치 프로그래밍 교육과정을 설계하였고 수업 진도에 맞추어 구현 가능한 문제 들을 제시하여 PBL 활동을 수행하였다. PBL의 효과성을 실험적으로 검증하기 위해 15주 동안 진행되는 교양과목을 PBL 적용 반(36명)과 비적용 반(34명)으로 나누고 중간, 기말시험의 성적과 학습 효과성 및 컴퓨팅 사고력에 관한 설문조사 결과를 분석하였다.
- 본 연구는 비SW전공 학생 대상의 프로그래밍 교육에 PBL을 적용하여 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 PBL기반의 프로그래밍 교육과정을 설계하였으며 학습효과 검증을 위한 설문도구를 개발하였다. 교육과정에 사용된 프로그래밍 언어는 교육 대상이 비 W전공 학생임을 감안하여 EPL 중에 하나인 스크래치(Scratch)[8]를 채택하였다.
- 중간, 기말시험의 문제는 ‘문법 이해’ (변수선언, 문장제어문, 프로시저 문법 등의 이해), ‘단순 코딩 능력’ (조건 작성, 문장제어문 작성, 프로시저 작성 등의 단순 코딩), 그리고 ‘알고리즘 활용 능력’ (문제해결을 위한 알고리즘 작성 능력)으로 구분하고 PBL 적용 반과 비적용 반 모두 동일한 문제로 평가하였다.
- 학습의 효과성은 자기주도적 학습력, 지속적인 학습 의지력, 상호협력 등에 대한 10문항으로 구성된 설문조사를 수행하였다. 컴퓨팅 사고력 영역은 컴퓨팅 사고력에 대한 인지 수준과 컴퓨팅 사고력을 활용 한 문제해결 능력으로 구분하여 9문항으로 구성된 설문을 수행하였다. 모든 설문 항목의 답변은 리커트기법 (Likerttechniqu) 5점 척도로 구성되었으며 설문조사 결과 분석은 IBM SPSS Statics 프로그램을 활용하였다.
- 컴퓨팅 사고력에 대한 차이를 살펴보기 위해서 PBL 적용 반과 비적용 반 학생들을 대상으로 설문조사를 시행하였다. 설문 항목은 컴퓨팅 사고력의 인지 정도와 컴퓨팅 사고력을 활용한 문제해결 능력 영역으로 구분하여 총 9문항으로 구성하였다.
- 프로그래밍에 생소한 비SW전공 학생들이 참여하기 때문에 한 학기 전체를 PBL로 진행하는 ‘ 체-PBL’ 방식이 아닌, 초반 3주는 스크래치 활용 교육을 진행하고 그 후 PBL을 적용하는 ‘부분-PBL’ 방식을 사용하였다.
- 학생들에게 두 가지 유형의 문제를 제시하였는데 유형 1은 알고리즘 중심의 문제로서 PBL이 진행되는 동안 교수가 1시간 동안 기본적 프로그래밍 기법을 강의하고 나머지 1시간을 학생들이 PBL를 수행하는 ‘혼합-PBL’ 방식으로 진행하였고(4주차 부터 7주차), 유형 2는 창의적 SW콘텐츠 제작 주제의 문제들로서 교수 개입을 최소화하고 학생들 주도로 2시간 동안 PBL를 진행하는 ‘순수-PBL’ 방식으로 진행하였다(9주차부터 14주차).
- 학업 성취도 영역은 성적평가와 학습의 효과성으로 구분하고, 성적평가는 PBL 적용 반과 비적용 반에 동일한 문제로 수행된 중간, 기말고사 점수를 측정하였다. 학습의 효과성은 자기주도적 학습력, 지속적인 학습 의지력, 상호협력 등에 대한 10문항으로 구성된 설문조사를 수행하였다. 컴퓨팅 사고력 영역은 컴퓨팅 사고력에 대한 인지 수준과 컴퓨팅 사고력을 활용 한 문제해결 능력으로 구분하여 9문항으로 구성된 설문을 수행하였다.
- 본 연구는 PBL기반 프로그래밍 교육의 효과를 학업 성취도와 컴퓨팅 사고력 영역으로 구분하여 측정하였다 (<표 4> 참고). 학업 성취도 영역은 성적평가와 학습의 효과성으로 구분하고, 성적평가는 PBL 적용 반과 비적용 반에 동일한 문제로 수행된 중간, 기말고사 점수를 측정하였다. 학습의 효과성은 자기주도적 학습력, 지속적인 학습 의지력, 상호협력 등에 대한 10문항으로 구성된 설문조사를 수행하였다.
- 본 연구를 위해 모 지방 사립대의 컴퓨팅 사고력과 스크래치 프로그래밍을 교육하는 교양교과목을 두 개의 분반으로 나누어 수업을 진행하였다. 한 분반 (PBL 적용 반, 36명)은 앞의 3장에서 기술한 PBL기반 프로그래밍 교육과정을 적용하였고 다른 한 분반 (PBL 비적용 반, 34명)은 스크래치 교재 강의와 교재 문제 실습 형태로 수업을 진행하였다. 두 분반의 수업 방식이 상이함에 따라 사전에 학생들의 동의를 얻고 컴퓨팅 사고력과 스크래치에 대한 경험을 알아보기 위한 설문조사를 실시하여 <표 3>과 같은 결과를 얻었다.
데이터처리
- 컴퓨팅 사고력 영역은 컴퓨팅 사고력에 대한 인지 수준과 컴퓨팅 사고력을 활용 한 문제해결 능력으로 구분하여 9문항으로 구성된 설문을 수행하였다. 모든 설문 항목의 답변은 리커트기법 (Likerttechniqu) 5점 척도로 구성되었으며 설문조사 결과 분석은 IBM SPSS Statics 프로그램을 활용하였다.
이론/모형
- <표 6>은 학습 효과성 측정을 위한 설문 문항과 PBL 적용 반과 비적용 반의 학습 효과성에 대한 t-검정의 분석 결과를 보여준다. 본 설문 문항은 한국교육개발원의 교수․학습 역량 진단 기준인 NASEL의 학습성과 영역 설문문항을 기반으로 설계되었다. 분석 결과를 보면, 첫 번째 전반적인 수업 만족도 항목을 제외하고는 모든 설문 항목에서 PBL 적용 반이 비적용 반에 비해 통계적으로 유의미하게 높은 점수를 보여주고 있다.
성능/효과
- 결론적으로, PBL 적용 반의 교육 효과성과 컴퓨팅 사고력에 대한 설문조사 점수가 비적용 반에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다. 실험 결과를 보면, PBL 적용 반 학생들이 비적용 반 학생들에 비해 자기주도적인 학습을 경험하고 지속적인 학습에 대한 동기를 부여 받았음을 알 수 있었고, 컴퓨팅 사고력을 일상생활 문제에 적용할 수 있다는 자신감을 얻었음을 알 수 있었다.
- 실험 결과를 보면, PBL 적용 반 학생들이 비적용 반 학생들에 비해 자기주도적인 학습을 경험하고 지속적인 학습에 대한 동기를 부여 받았음을 알 수 있었고, 컴퓨팅 사고력을 일상생활 문제에 적용할 수 있다는 자신감을 얻었음을 알 수 있었다. 또한, 실제적 문제를 경험한 PBL 적용 반 학생들의 알고리즘 활용 능력이 상대적으로 우월함을 알 수 있었다. 주목할 점은 PBL 적용 반과 비적용 반 공통적으로, 컴퓨팅 사고력에 관한 설문 중 추상화 영역의 점수가 다른 영역들에 비해 상당 수준으로 낮다는 것인데, 이는 프로그래밍 교육에 있어서 추상화 능력 향상을 위한 연구가 추가적으로 필요함을 시사한다.
- 본 설문 문항은 한국교육개발원의 교수․학습 역량 진단 기준인 NASEL의 학습성과 영역 설문문항을 기반으로 설계되었다. 분석 결과를 보면, 첫 번째 전반적인 수업 만족도 항목을 제외하고는 모든 설문 항목에서 PBL 적용 반이 비적용 반에 비해 통계적으로 유의미하게 높은 점수를 보여주고 있다. 특히, 자기주도적 학습, 문제해결능력 향상, 학습에 대한 동기부여 항목에서 두드러진 차이를 보이고 있는데, 이는 자발적이고 지속적인 소프트웨어 학습이 요구되는 4차 산업혁명시대를 살아가야 할 학생들 입장에서 의미하는 바가 크다 하겠다.
- 비교적 학습 내용이 수월하고 과제 수행만으로도 학습효과가 분명한 ‘문법 이해’와 ‘단순 코딩 능력’ 유형 문제에 대해서는 두 반의 점수 차이가 크지 않는 데 반해 ‘알고리즘 활용 능력’ 유형 문제에 대해서는 통계적으로 유의미하게 PBL 적용 반의 점수가 높았다.
- 결론적으로, PBL 적용 반의 교육 효과성과 컴퓨팅 사고력에 대한 설문조사 점수가 비적용 반에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다. 실험 결과를 보면, PBL 적용 반 학생들이 비적용 반 학생들에 비해 자기주도적인 학습을 경험하고 지속적인 학습에 대한 동기를 부여 받았음을 알 수 있었고, 컴퓨팅 사고력을 일상생활 문제에 적용할 수 있다는 자신감을 얻었음을 알 수 있었다. 또한, 실제적 문제를 경험한 PBL 적용 반 학생들의 알고리즘 활용 능력이 상대적으로 우월함을 알 수 있었다.
- 특히, PBL 적용 반 학생들이 컴퓨팅 사고력이 필요하다고 응답한 비율이 높았는데 이는 실제 문제 해결에 컴퓨팅 사고력의 효과를 경험하였기 때문이라 해석할 수 있다. 컴퓨팅 사고력 활용 문제해결 능력 영역은 한 항목을 제외한 모든 항목에서 PBL 적용 반의 점수가 비적용 반에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다. 유사 문제의 해결책 활용 항목에 대해서 두 반의 차이가 미미한 것은 PBL 적용 반 학생들도 본 연구 전에 유사한 문제 해결을 경험한 적이 없었기 때문으로 해석된다.
후속연구
- PBL의 학습 효과는 앞으로 자신의 전공분야에서 SW활용이 필수화되어 가는 시대적 변화를 경험하게 될 학생들에게 소중한 자산이 될 것으로 보인다. 특히, 놀라운 속도로 진화하고 있는 해킹 기술에 대응해야 하는 보안 IT계열 전공 학생들은 SW에 대한 학습동기가 내재화되어 지속적인 자기 주도적 학습이 이루어져야 한다.
- 또한, 실제적 문제를 경험한 PBL 적용 반 학생들의 알고리즘 활용 능력이 상대적으로 우월함을 알 수 있었다. 주목할 점은 PBL 적용 반과 비적용 반 공통적으로, 컴퓨팅 사고력에 관한 설문 중 추상화 영역의 점수가 다른 영역들에 비해 상당 수준으로 낮다는 것인데, 이는 프로그래밍 교육에 있어서 추상화 능력 향상을 위한 연구가 추가적으로 필요함을 시사한다.
- PBL기반 프로그래밍 교육의 효과성 검증은 프로그래밍 수업을 PBL을 적용한 반과 그렇지 않은 반으로 나누고 수업이 종료된 후 두 반의 시험 성적을 분석하고 학습 효과와 컴퓨팅 사고력에 관한 설문조사 결과를 분석하였다. 프로그래밍이 4차 산업혁명시대에 필요한 역량 교육에 확대되는 흐름 속에서 본 연구가 보안 분야 전공 학생들의 프로그래밍 교육에도 도움이 되길 기대한다.
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