[논문]문제중심학습(PBL)이 문제해결능력에 미치는 효과에 관한 메타분석

박일수

doi:10.15207/jkcs.2019.10.10.197

문제중심학습(PBL)이 문제해결능력에 미치는 효과에 관한 메타분석
The Effect of Problem-based Learning Strategies (PBL) on Problem Solving Skill: A Meta-Analysis. 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.10, 2019년, pp.197 - 205

박일수 (공주교육대학교 교육학과)

초록
AI-Helper

이 연구는 문제중심학습(PBL)이 문제해결능력에 미치는 효과에 대한 일반화된 결론을 도출하고, 이와 관련된 조절변인을 발견하는 데 목적이 있었다. 연구의 목적을 달성하기 위하여 국내에서 1998년부터 2017년까지 발행된 석사학위 논문과 국내 학술지 논문 41편을 분석하고, 41개의 개별 효과 크기를 산출하였다. PBL이 문제해결능력에 미치는 평균 효과 크기는 .753이었으며, 이것은 PBL이 문제해결능력에 유의미한 교수-학습 방법이라는 것을 의미한다. 한편 문제해결능력에 영향을 미치는 조절변인은 교과, 유형, 학교급이었다. PBL의 문제해결능력 효과는 수학(d=.922), 예술(d=.916), 실과(d=.827), E-PBL(d=.791), 중학교(d=.972)에서 더 높았다. 교사들은 학생들의 문제해결능력 신장을 위하여, PBL 학습 환경을 유의미하게 조성할 필요가 있었다. PBL이 4차 산업혁명 시대의 학습 환경 변화에 따른 학생들의 고차원적인 문제해결능력을 신장하는 교수-학습방법으로 활용되기를 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research was examining the effects of problem-based learning strategies(PBL) on problem solving skill conducted in Korea, using meta-analysis technique. This meta-analysis reviewed the results of 41 studies published between 1998 and 2017 in Korea. The overall weighted mean effect size value was .753 with .064 standard error which was calculated by random effects model. PBL strategies have been found to be more effective in mathematics course (d=.922), art course (d=.916), practical art course (d=.827), E-PBL (d=.791) and middle school level (d=.972). As PBL exhibit a substantial effect on students' problem solving skill, it is recommended that teachers should learn how to implement these strategies in their lesson. PBL is expected to contribute to the improvement of teaching methods as the learning environment changes during the 4th Industrial Revolution.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Research model
표 Table 1. The descriptive statistics of the studies examining the effect of PBL on problem solving skill
표 Table 2. Overall Weighed Random Effects and Fixed Effects Sizes and Homogeneity Statistics
표 Table 3. Effect Size Differences in Terms of Moderator Variable

AI 본문요약
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문제 정의

셋째, 연구대상은 초·중·고등학생으로 한다. 이 연구는 미래 사회 변화에 따른 교수방법의 활용 가능성을 탐색하는 데 있다. 따라서 유치원과 대학생 대상의 연구는 제외하였다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 미치는 효과를 검증한 국내의 모든 문헌을 수집하였다. 그러나 출판되지 않은 문헌의 자료가 포함되지 않을 수 있다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 미치는 효과에 대한 일반화된 결론을 도출하고, 문제해결능력에 미치는 조절변인을 발견하는 데 연구의 목적이 있었다. 이 연구에서는 1998년부터 2017년까지 발행된 PBL의 문제해결능력의 효과를 양적으로 검증한 총 41편의 문헌을 수집하여, 총 41개의 개별 효과 크기를 산출한 후 평균 효과 크기를 계산하였다.
이 연구에서는 PBL이 문제해결능력에 미치는 효과를 검증한 41편의 연구물을 분석하여 평균 효과 크기를 산출하였다. 이 연구에서 분석된 연구물에 대한 기술 통계량은 Table 1과 같다.
따라서 PBL의 문제해결능력 효과를 검증한 개별 연구물을 종합 및 분석하여, PBL이 학생들의 문제해결능력에 어느 정도의 효과가 있는지, 어떠한 상황과 맥락에서 보다 효과가 높은지를 종합적으로 살펴볼 필요가 있다. 이 연구에서는 PBL이 학생들의 문제해결능력에 미치는 효과를 검증한 개별 연구물들의 연구결과를 종합 분석함으로써, PBL이 문제해결능력에 미치는 효과에 대한 일반화된 결론을 도출하고, PBL이 문제해결능력에 미치는 조절변인을 발견하는 데 목적이 있다.
즉 출판 편의 문제와 책상 서랍의 문제를 유발하게 된다. 이 연구에서는 이러한 문제점을 안정성 계수를 산출하여 해결하였다. 이 연구에서는 Hattie가 제안한 프로그램 자체 효과의 기준점 .
후속 연구에서는 PBL의 문제해결능력의 효과를 검증한 국내외 문헌을 종합하여 메타분석을 실시할 필요가 있다. 한편 이 연구에서는 PBL의 효과로서 문제해결능력을 살펴보았다. PBL의 학습효과가 문제해결능력 뿐만 아니라 창의성, 대인관계능력, 자아개념 등과 같은 변인에서 어느 정도 있는 효과가 있는지 확인할 필요가 있다.

가설 설정

1. PBL이 학생들의 문제해결능력에 미치는 효과 크기는 어떠한가?

제안 방법

이것은 이질성이 중간 이상이라는 것을 의미한다. 그러므로 랜덤모형에 따라서 평균 효과 크기의 값을 해석하였다. PBL이 문제해결능력에 미치는 평균 효과크기는 .
메타분석에서는 개별연구물에서 산출된 효과 크기들이 동일 모집단으로부터 추출되었는지를 확인하기 위하여 동질성 검증을 한다. 이 연구에서는 Hedges와 Olkin의 Q값 추정 공식을 사용하여 동질성 검증을 하였다[19].
이 연구에서 수집한 41개의 문헌을 모두 코딩하였으며, 코딩자료의 신뢰도를 확보하기 위하여 재검사 신뢰도를 실시하였다. 재검사 신뢰도는 41개의 코딩 자료 중 10개의 자료를 무작위로 추출하여 재코딩하였고, 이들 코딩자료의 일치도를 비교하였다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 미치는 효과에 대한 일반화된 결론을 도출하고, 문제해결능력에 미치는 조절변인을 발견하는 데 연구의 목적이 있었다. 이 연구에서는 1998년부터 2017년까지 발행된 PBL의 문제해결능력의 효과를 양적으로 검증한 총 41편의 문헌을 수집하여, 총 41개의 개별 효과 크기를 산출한 후 평균 효과 크기를 계산하였다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 미치는 조절변인으로 6가지 변인을 살펴보았다. 조절변인에 따른 PBL의 문제해결능력에 대한 효과 크기는 Table 3과 같다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 영향을 미치는 조절변인으로 출판물, 교과, 유형, 학교급, 실험회기, 평가도구의 6가지 변인을 살펴보았다. 분석 결과, PBL의 문제해결능력에 미치는 조절변인으로는 교과, 유형, 학교급 변인이었다.
이 연구에서는 메타분석을 위하여 코딩 메뉴얼을 개발하였다. 코딩메뉴얼은 연구물 번호, 연구 제목, 저자명, 출판물, 연도, 연구대상, 실험회기, 교과, 평가 도구, 유형, 실험집단과 통제집단의 사례 수, 평균, 표준편차, 연구물의 특징 등을 기록할 수 있도록 구성하였다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력의 효과 크기를 산출하기 위하여 Hedges와 Olkin의 계산 공식을 활용하였다[19]. 이 연구에서는 총 41개의 문헌에서 41개의 개별 효과 크기를 산출하고, 개별 효과 크기의 이상치를 확인하였다. 이상치는 평균 효과 크기를 산출하는 데 영향을 주는 극단 값이기 때문에, 공식에 의하여 규정하거나 분석 대상에서 제외한다[20].
이 연구에서는 메타분석의 절차에 기반하여 연구모형을 설정하였다[6]. 이 연구의 연구모형은 Fig 1과 같으며, 모형의 절차는 자료 수집, 자료 선정, 자료 코딩, 자료분석, 자료 해석의 5단계로 설정하였다.
이 연구에서는 메타분석을 위하여 코딩 메뉴얼을 개발하였다. 코딩메뉴얼은 연구물 번호, 연구 제목, 저자명, 출판물, 연도, 연구대상, 실험회기, 교과, 평가 도구, 유형, 실험집단과 통제집단의 사례 수, 평균, 표준편차, 연구물의 특징 등을 기록할 수 있도록 구성하였다. 이러한 코딩 메뉴얼에 따라 개별 연구물의 자료를 정리하였다.
국내에서 발행된 PBL의 문제해결능력을 검증한 실험연구 논문을 최대한 수집하기 위하여, 자료 수집 기간은 데이터베이스가 구축된 시기부터 2017년 12월까지로 하였다. 한편 PBL의 문제해결능력의 효과 검증과 관련 있는 문헌을 최대한 수집하기 위하여, 문제중심학습, PBL, 문제해결능력, 문제해결학습 등을 검색어로 사용하였다.
평균 효과 크기를 해석할 때, 개별 효과 크기들의 분포가 동질적이면 모수 효과 모형으로 해석하고, 이질적이라면 랜덤 효과 모형으로 해석한다[19,20]. 한편, 조절변인에 따라 PBL이 문제해결능력에 미치는 효과를 살펴보기 위하여 하위집단분석(categorical moderator analysis)을 하였다[19].

대상 데이터

Table 1에서 볼 수 있듯이, 분석 대상의 출판물은 학술지 8편(19.5%), 석사논문 33편(80.5%)이었다. 교과별로 살펴보면, 예술 5편(12.
자료 수집은 국내에서 발행된 석·박사 학위논문과 학술지를 대상으로 하였다. 국내에서 발행된 PBL의 문제해결능력을 검증한 실험연구 논문을 최대한 수집하기 위하여, 자료 수집 기간은 데이터베이스가 구축된 시기부터 2017년 12월까지로 하였다. 한편 PBL의 문제해결능력의 효과 검증과 관련 있는 문헌을 최대한 수집하기 위하여, 문제중심학습, PBL, 문제해결능력, 문제해결학습 등을 검색어로 사용하였다.
메타분석에서는 효과 크기를 산출하여 연구결과를 도출한다. 따라서 이 연구에서는 효과 크기를 산출할 수 있는 자료가 명시된 자료만을 분석 대상으로 한정하였다. 한편 이 연구가 PBL의 문제해결능력에 미치는 효과 크기를 산출하는 것이므로, 독립변인은 PBL, 종속변인은 문제해결능력이어야 한다.
이상의 자료 선정 기준에 따라서, 최종 41편의 석사학위 논문과 학술지 논문이 선정되었다. 선정된 자료는 1998년부터 2017년 사이에 발행되었다.
셋째, 연구대상은 초·중·고등학생으로 한다.
넷째, 국내에서 발행된 연구로 한정하였다. 이 연구는 우리나라 교육 환경의 특수성을 고려하여 분석하였기 때문에 자료 수집의 범위를 국내로 한정하였다.
이 연구에서는 국회도서관, 국립중앙도서관, 한국학술정보원의 온라인 데이터베이스(db)를 활용하여 자료를 수집하였다. 자료 수집은 국내에서 발행된 석·박사 학위논문과 학술지를 대상으로 하였다.
이상의 자료 선정 기준에 따라서, 최종 41편의 석사학위 논문과 학술지 논문이 선정되었다. 선정된 자료는 1998년부터 2017년 사이에 발행되었다.
자료 수집은 국내에서 발행된 석·박사 학위논문과 학술지를 대상으로 하였다.

데이터처리

이 연구에서 수집한 41개의 문헌을 모두 코딩하였으며, 코딩자료의 신뢰도를 확보하기 위하여 재검사 신뢰도를 실시하였다. 재검사 신뢰도는 41개의 코딩 자료 중 10개의 자료를 무작위로 추출하여 재코딩하였고, 이들 코딩자료의 일치도를 비교하였다. 재검사 신뢰도는 100%이었다.

이론/모형

이 연구에서는 Hattie의 효과 크기 해석방법을 적용하였다[23]. Hattie는 효과 크기 해석의 기준점으로 .
메타분석에서는 개별연구물에서 산출된 효과 크기들이 동일 모집단으로부터 추출되었는지를 확인하기 위하여 동질성 검증을 한다. 이 연구에서는 Hedges와 Olkin의 Q값 추정 공식을 사용하여 동질성 검증을 하였다[19]. 평균 효과 크기를 해석할 때, 개별 효과 크기들의 분포가 동질적이면 모수 효과 모형으로 해석하고, 이질적이라면 랜덤 효과 모형으로 해석한다[19,20].
안정성 계수는 유의한 결과를 유의하지않는 결과로 번복시키는 데 요구되는 연구물의 총 개수이다[22]. 이 연구에서는 Orwin(1983)의 공식을 활용하여 안정성 계수를 산출하였으며, 기준 값은 .4로 설정하였다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력의 효과 크기를 산출하기 위하여 Hedges와 Olkin의 계산 공식을 활용하였다[19]. 이 연구에서는 총 41개의 문헌에서 41개의 개별 효과 크기를 산출하고, 개별 효과 크기의 이상치를 확인하였다.
이 연구에서는 메타분석의 절차에 기반하여 연구모형을 설정하였다[6]. 이 연구의 연구모형은 Fig 1과 같으며, 모형의 절차는 자료 수집, 자료 선정, 자료 코딩, 자료분석, 자료 해석의 5단계로 설정하였다.
이 연구에서는 Hedges와 Olkin의 Q값 추정 공식을 사용하여 동질성 검증을 하였다[19]. 평균 효과 크기를 해석할 때, 개별 효과 크기들의 분포가 동질적이면 모수 효과 모형으로 해석하고, 이질적이라면 랜덤 효과 모형으로 해석한다[19,20]. 한편, 조절변인에 따라 PBL이 문제해결능력에 미치는 효과를 살펴보기 위하여 하위집단분석(categorical moderator analysis)을 하였다[19].

성능/효과

둘째, PBL의 문제해결능력에 미치는 효과는 교과 중심의 수업이 교과 통합에 비하여 높게 나타났다. 이러한 결과를 고려할 때, 서로 다른 교과의 지식과 기능을 통합할 때는 이러한 지식과 기능을 유기적으로 결합할 수 있는 비구조화된 문제를 설정하고, 이러한 문제를 교과에서 습득한 지식과 기능을 적절하게 활용하도록 수업을 설계할 필요가 있다.
예를 들어, 교육과정 통합이 단지 흥미와 활동 중심으로 이루어지게 되면, 무의도적인 활동 중심으로 교육활동이 전개될 가능성이 있는 데[29], 이러한 문제점이 교육과정 통합의 과정에서 발생한 것으로 추론할 수 있다. 또한 이 연구 결과에 의하면, 교과에 기반한 PBL이 학생들의 문제해결능력에 효과가 보다 높았다. 이것은 PBL이 학생들로 하여금 개별 교과에서 배운 지식과 기능을 실생활과 더욱 밀접하게 관련짓고, 유연한 사고를 기반으로 문제해결하는 경험을 유의미하게 제공했기 때문으로 볼 수 있다.
둘째, 최근 미래 사회 변화에 따라 학습자 참여형 중심의 수업이 강조되고 있으나, 이에 대한 효과성에 대한 의문이 제기되곤 하였다. 메타분석 결과, PBL은 미래 핵심역량인 문제해결능력에 유의한 효과가 있는 교수-학습방법이었다. 이 연구가 제4차 산업혁명 시대에 따른 불확실한 시대에 대비하고, 미래 성공적인 삶을 살아가기 위한 문제해결능력을 형성하는 데 요구되는 PBL의 효과를 종합적으로 검증하였다는 점에서 연구의 의의가 있다고 할 수 있다.
이 연구에서는 PBL의 문제해결능력에 영향을 미치는 조절변인으로 출판물, 교과, 유형, 학교급, 실험회기, 평가도구의 6가지 변인을 살펴보았다. 분석 결과, PBL의 문제해결능력에 미치는 조절변인으로는 교과, 유형, 학교급 변인이었다. 이와 관련하여 논의하면 다음과 같다.
PBL에서는 학생들에게 문제해결과정에서 적극적인 의사교환, 성찰, 피드백 등을 제공하는 데, 이러한 요인들이 학생들의 문제해결능력 형성에 긍정적인 작용을 한다고 해석할 수 있다[17,26]. 셋째, PBL에서 학생들은 문제해결능력에 대한 인지적 모델링과 강화를 받을 수 있다. 학생들은 협력학습 및 피드백을 통하여 타인의 문제해결전략 및 사고전략을 직·간접적으로 모델링하는 기회를 갖게 된다.
셋째, PBL의 문제해결능력의 효과가 E-PBL에서 높았다. PBL 학습환경으로 학생들이 자신들의 의견을 상호교류하고 아이디어를 공유할 수 있는 가상 공간 제공을 고려할 필요가 있다.
셋째, 학습 맥락과 상황을 고려한 PBL을 적용해야 한다는 것이다. 메타분석 결과, PBL의 학습효과는 조절변인, 즉 프로그램의 적용 상황에 따라서 달라진다.
이 연구결과가 교수-학습이론에 주는 시사점을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, PBL은 21세기 미래 핵심역량인문제해결능력을 신장하는 데 효과적인 교수-학습 방법이라는 것이다. 최근 전세계적으로 문제해결력, 비판적 사고력, 창의력 등과 같은 고차원적 사고능력을 강조하고있는 데, 이 연구결과는 PBL이 학습자의 문제해결능력에 효과적이라는 실증적인 결과를 제시함으로써, 교수-학습방법 및 교수이론으로서 PBL의 효과성을 증명하였다.
이러한 연구결과가 학교 현장에 주는 시사점은 다음과 같다. 첫째, 학교급에 따르면 초등학교와 고등학교에서의 효과가 낮은 편이었다. 초등학교는 교과의 심층적인 이해 중심으로 교육내용을 접근하여 교과에서 배운 지식과 기능을 실생활과 유기적으로 연결하는 것을 강조할 필요가 있다.
첫째, PBL은 21세기 미래 핵심역량인문제해결능력을 신장하는 데 효과적인 교수-학습 방법이라는 것이다. 최근 전세계적으로 문제해결력, 비판적 사고력, 창의력 등과 같은 고차원적 사고능력을 강조하고있는 데, 이 연구결과는 PBL이 학습자의 문제해결능력에 효과적이라는 실증적인 결과를 제시함으로써, 교수-학습방법 및 교수이론으로서 PBL의 효과성을 증명하였다.

후속연구

둘째, 학생들이 학습에 적극적으로 참여하도록 격려한다. 셋째, 학생들은 활동하면서 배우고 자신의 해결방안을 검증하고 발표 자료를 개발하는 경험을 한다. 넷째, 학생들은 협동학습 및 협력학습을 통하여 다양한 관점에서 문제해결방법의 다양성을 배우게 된다.
자료 선정 기준을 구체적으로 제시하면 다음과 같다. 첫째, PBL의 문제해결능력에 미치는 효과를 검증한 실험연구로 한정한다. PBL의 효과를 검증하였으나 종속변인이 문제해결능력이 아닌 경우 자료 선정 과정에서 제외하였다.
PBL의 학습효과가 문제해결능력 뿐만 아니라 창의성, 대인관계능력, 자아개념 등과 같은 변인에서 어느 정도 있는 효과가 있는지 확인할 필요가 있다. 특정 상황 변인, 다양한 종속 변인을 종합적으로 검토함으로써 PBL의 적용가능성 및 효과성을 보다 폭넓게 검증할 수있을 것이다.
PBL의 문제해결능력 효과를 검증한 외국의 논문을 포함시킨다면, 보다 정밀한 효과 크기를 산출할 가능성이 있다. 후속 연구에서는 PBL의 문제해결능력의 효과를 검증한 국내외 문헌을 종합하여 메타분석을 실시할 필요가 있다. 한편 이 연구에서는 PBL의 효과로서 문제해결능력을 살펴보았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PBL이란 무엇인가?	최근 문제중심학습(Problem-based Learning: PBL)은 미래사회의 불확실성과 창의융합형 인재 양성을 위한 교수방법으로 더욱 주목받고 있다[2,3]. PBL은 실생활과 유사한 비구조화된 문제를 학생들에게 제시하고, 문제해결능력, 간학문적 지식 및 기능을 습득하는 데 효과적인교수-학습 방법이다[4]. 학생들은 개방형 문제를 해결하는 과정에서 지식 획득, 협력학습, 자기주도적인 개별 학습, 의사소통활동 등에 참여함으로써, 스스로 지식을 구성하는 추론과 성찰을 배우게 된다[5].
	문제중심학습의 장점은 무엇인가?	PBL은 실생활과 유사한 비구조화된 문제를 학생들에게 제시하고, 문제해결능력, 간학문적 지식 및 기능을 습득하는 데 효과적인교수-학습 방법이다[4]. 학생들은 개방형 문제를 해결하는 과정에서 지식 획득, 협력학습, 자기주도적인 개별 학습, 의사소통활동 등에 참여함으로써, 스스로 지식을 구성하는 추론과 성찰을 배우게 된다[5]. PBL은 교과에서습득한 지식과 기술을 실제 문제 상활을 해결하는 경험을 제공한다.
	메타분석은 어떠한 연구방법인가?	학생참여형 교수방법이 강조됨에 따라, 이들 교수방법에 대한 메타분석이 이루어지고 있다. 메타분석은 일련의 선행 연구결과들을 통계적인 방법을 사용하여 특정 현상에 대한 종합적인 결론, 즉 프로그램의 실질적인 효과를 판단하는 데 사용되는 연구방법이다[6].

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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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