창의적 문제해결력 신장을 위한 언플러그드 활동 중심 로봇 개발 및 적용 Development and Application of Unplugged Activity-centered Robot for Improving Creative Problem Solving Ability원문보기
2015 개정 교육과정이 도입됨에 따라 초등학교에서도 소프트웨어 교육이 의무화되었다. 실과 교과의 한 단원으로 구성되는 소프트웨어 교육의 내용은, 정보 윤리, 알고리즘과 프로그래밍, 컴퓨터과학의 원리로 이루어져 있는데 교수 학습 방법으로 놀이 중심의 언플러그드 활동을 권장하고 있다. 하지만 현장 교사들은 적합한 언플러그드 활동 자료의 부재를 가장 큰 어려움으로 생각하고 있었으며, 기존 자료가 성취기준 달성에 적합하지 않다는 점, 단순한 놀이 교육이 많아 컴퓨팅 활동과 연계되지 않는 점 등을 해결해야 할 문제로 지적하였다. 이에 본 연구에서는 초등 소프트웨어 교육의 성취기준으로 제시된 기본 제어구조는 물론 센서를 활용한 다양한 활동을 통해 창의적 문제해결력을 키울 수 있는 언플러그드 활동 중심의 로봇을 개발하였고 이를 활용한 소프트웨어 수업을 통해 효과성을 검증하였다.
2015 개정 교육과정이 도입됨에 따라 초등학교에서도 소프트웨어 교육이 의무화되었다. 실과 교과의 한 단원으로 구성되는 소프트웨어 교육의 내용은, 정보 윤리, 알고리즘과 프로그래밍, 컴퓨터과학의 원리로 이루어져 있는데 교수 학습 방법으로 놀이 중심의 언플러그드 활동을 권장하고 있다. 하지만 현장 교사들은 적합한 언플러그드 활동 자료의 부재를 가장 큰 어려움으로 생각하고 있었으며, 기존 자료가 성취기준 달성에 적합하지 않다는 점, 단순한 놀이 교육이 많아 컴퓨팅 활동과 연계되지 않는 점 등을 해결해야 할 문제로 지적하였다. 이에 본 연구에서는 초등 소프트웨어 교육의 성취기준으로 제시된 기본 제어구조는 물론 센서를 활용한 다양한 활동을 통해 창의적 문제해결력을 키울 수 있는 언플러그드 활동 중심의 로봇을 개발하였고 이를 활용한 소프트웨어 수업을 통해 효과성을 검증하였다.
With the introduction of the 2015 revised curriculum, software education became mandatory in elementary school. The practical subject in the content for the software education consists of information ethics, algorithms, programming, and computer science. Especially, elementary school encourages the ...
With the introduction of the 2015 revised curriculum, software education became mandatory in elementary school. The practical subject in the content for the software education consists of information ethics, algorithms, programming, and computer science. Especially, elementary school encourages the unplugged activities. Unplugged activities are preferred among the teachers in the education field as a teaching-learning method. However, those teachers pointed out that the lack of suitable unplugged activity materials was the biggest challenge. In addition, it was pointed out that the existing materials were not suitable for achievement standards, and there are many simple playing-oriented educations that are not linked to computing activities. In this study, we developed an unplugged activity-oriented robot that can be used for the elementary students to learn the basic control structure suggested in the achievement criteria SW education and to develop creative problem solving ability through various activities using sensors. The effectiveness was verified through the software class using the developed robot in this study.
With the introduction of the 2015 revised curriculum, software education became mandatory in elementary school. The practical subject in the content for the software education consists of information ethics, algorithms, programming, and computer science. Especially, elementary school encourages the unplugged activities. Unplugged activities are preferred among the teachers in the education field as a teaching-learning method. However, those teachers pointed out that the lack of suitable unplugged activity materials was the biggest challenge. In addition, it was pointed out that the existing materials were not suitable for achievement standards, and there are many simple playing-oriented educations that are not linked to computing activities. In this study, we developed an unplugged activity-oriented robot that can be used for the elementary students to learn the basic control structure suggested in the achievement criteria SW education and to develop creative problem solving ability through various activities using sensors. The effectiveness was verified through the software class using the developed robot in this study.
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문제 정의
본 연구에서는 버튼, 센서 등을 활용한 언플러그드 활동에 특화된 로봇을 개발하고자 노력하였다. 그럼에도 불구하고 문헌 및 연구대상 표집이 제한적이었으므로 본 연구 결과에 대한 제한적 해석이 요구되며, 이 연구를 토대로 앞으로 이루어질 다양한 후속 연구에 대한 제언은 다음과 같다.
이는 본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용하여 버튼 제어를 통한 다양한 문제해결 학습 활동이 가능하며, 이를 통해 학생들이 문제해결력을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 로봇을 움직이기 위해 순서대로 버튼을 눌러야 하는 과정, 반복 버튼을 활용해 효율적으로 명령을 내리는 과정, 근접, 컬러, 밝기 센서를 활용해 명령을 내리는 각 과정에서 2015 개정 교육과정에서 성취기준으로 제시하고 있는 초등학교에서 반드시 배워야 할 순차, 선택, 반복 구조를 효율적으로 학습할 수 있음을 증명하였다.
이에 본 연구에서는 순차, 반복, 선택 구조뿐 아니라 다양한 센서를 프로그래밍 언어가 아닌 버튼을 활용해 제어하도록 함으로써 보다 확장성이 높은 언플러그드 활동 중심의 로봇을 개발하여 학교 현장에 적용하고자 한다. 이를 통해 학생들이 다양한 문제를 만들어내고 해결하는 경험이 가능하도록 하여 학생들의 창의적 문제해결력을 향상시킬 수 있는 소프트웨어 수업을 제안하고자 한다.
이에 본 연구에서는 순차, 반복, 선택 구조뿐 아니라 다양한 센서를 프로그래밍 언어가 아닌 버튼을 활용해 제어하도록 함으로써 보다 확장성이 높은 언플러그드 활동 중심의 로봇을 개발하여 학교 현장에 적용하고자 한다. 이를 통해 학생들이 다양한 문제를 만들어내고 해결하는 경험이 가능하도록 하여 학생들의 창의적 문제해결력을 향상시킬 수 있는 소프트웨어 수업을 제안하고자 한다.
2015 개정 교육과정이 도입됨에 따라 초등학교에서도 소프트웨어 교육이 의무화되었다. 특히 소프트웨어 교육은 미래 사회의 핵심적인 사고과정이라고 할 수 있는 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking)의 함양을 목표로 학생들이 컴퓨팅 기기가 제공하는 강력한 기능을 통해 효과적이고 효율적으로 문제를 해결하는 경험을 가질 수 있도록 하고자 한다[1].
제안 방법
첫째, 컴퓨터가 필요 없이 조작이 쉬운 버튼을 이용해 언플러그드 활동이 가능한 로봇을 개발한다. 둘째, 컬러, 근접, 조도 센서 역시 버튼으로 제어하여 다양한 문제를 만들어내고 이를 해결함으로써 창의적 문제해결력을 신장시킬 수 있는 로봇을 개발한다. 셋째, 4가지 각기 다른 모드의 라인 코딩으로 다양한 상황과 문제를 만들어 문제를 해결해보는 경험이 가능한 로봇을 개발한다.
먼저 실험반(EG)과 통제반(CG)의 동질성 검증을 위해 창의적 문제해결력 사전 검사를 실시하였다. 이후 실험반 학생을 대상으로 개발된 로봇을 투입하여 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였고, 통제반 학생을 대상으로는 기존의 일반적인 방법으로 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였다.
둘째, 컬러, 근접, 조도 센서 역시 버튼으로 제어하여 다양한 문제를 만들어내고 이를 해결함으로써 창의적 문제해결력을 신장시킬 수 있는 로봇을 개발한다. 셋째, 4가지 각기 다른 모드의 라인 코딩으로 다양한 상황과 문제를 만들어 문제를 해결해보는 경험이 가능한 로봇을 개발한다.
볼캐스터의 크기는 약 3mm로 한다. 이렇게 상판 및 하판, 앞면과 뒷면 PCB보드 제작을 함으로써 센서와 버튼, LED등을 통해 장애물을 인식하고 방향을 전환하는 활동, 밝기에 따라 불을 켜거나 끄는 활동, 색깔에 따라 다른 행동을 하는 활동 등이 모두 가능하도록 제작하였다.
먼저 실험반(EG)과 통제반(CG)의 동질성 검증을 위해 창의적 문제해결력 사전 검사를 실시하였다. 이후 실험반 학생을 대상으로 개발된 로봇을 투입하여 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였고, 통제반 학생을 대상으로는 기존의 일반적인 방법으로 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였다. 그리고 이들을 대상으로 창의적 문제해결력 사후 검사를 실시하여 집단간 창의적 문제해결력에 유의미한 차이가 있는지 t-검증과 공분산분석을 통해 확인하였다.
언플러그드 활동 중심 로봇의 개발 방향은 다음과 같다. 첫째, 컴퓨터가 필요 없이 조작이 쉬운 버튼을 이용해 언플러그드 활동이 가능한 로봇을 개발한다. 둘째, 컬러, 근접, 조도 센서 역시 버튼으로 제어하여 다양한 문제를 만들어내고 이를 해결함으로써 창의적 문제해결력을 신장시킬 수 있는 로봇을 개발한다.
개발된 로봇의 기능 및 특징을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 컴퓨터가 필요 없이 조작이 쉬운 버튼을 이용해 언플러그드 활동이 가능한 로봇을 제작하였다. 이 로봇은 문제해결을 위한 알고리즘을 설계하고 상판의 9개 버튼을 활용해 손쉽게 제어될 수 있으며 이를 통해 다양한 언플러그드 프로그래밍이 가능하다.
컬러 센서의 경우 총 3가지 색깔을 각각 인식했을 때 다른 행동을 하도록 프로그래밍할 수 있다. 컬러 센서 버튼을 한 번 누르면 빨간색을 만났을 때의 행동을, 컬러 센서 버튼을 두 번 누르면 녹색을 만났을 때의 행동을, 컬러 센서 버튼을 세 번 누르면 파란색을 만났을 때의 행동을 각각 지정한다.
사전 검사에서는 융통성과 문제해결력의 경우 통제반이 실험반보다 더 높았으나 사후 검사에서는 실험반이 통제반보다 유창성, 융통성, 독창성, 문제해결력 모두 높게 나타났다. 하지만 사후검사 점수의 차이 유무가 사전에 존재했던 사전검사 점수의 영향에 의한 것인지를 알아야 하기 때문에 각각의 사전 점수를 공변인으로 통제하여 사후 유창성, 융통성, 독창성 및 문제해결력에 대해 공분산분석을 실시하였다. 먼저 유창성에 대한 공분산분석 결과는 [Table 6]과 같다.
대상 데이터
본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용한 소프트웨어 교육의 효과성을 검증하기 위해 경기도 소재 OO초등학교 6학년 2개 학급 33명의 학생을 대상으로 연구를 진행하였으며 참여한 연구대상은 [Table 2]와 같다.
홍지연과 김영식(2019)은 언플러그드 활동을 활용한 소프트웨어 교육의 한계점과 문제해결방안 도출에 관한 연구에서 현장 교사들이 언플러그드 활동을 활용한 소프트웨어 교육에서 적합한 활동 자료의 부재를 가장 큰 어려움으로 생각하고 있었으며, 기존 교육자료가 성취 기준 달성에 적합하지 않다는 점, 학년별, 수준별 교육자료가 풍부하게 개발되어 있지 않다는 점, 단순한 놀이 교육이 많아 컴퓨팅 활동가 연계되지 않는 점 등을 문제의 원인으로 생각하고 있었다. 이에 따라 가장 개발이 필요하다고 판단되는 언플러그드 활동 자료로 로봇 기반의 언플러그드 활동 자료와 도구 기반의 언플러그드 활동 자료를 선택하였다[8].
데이터처리
이후 실험반 학생을 대상으로 개발된 로봇을 투입하여 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였고, 통제반 학생을 대상으로는 기존의 일반적인 방법으로 총 9차시의 소프트웨어 수업을 실시하였다. 그리고 이들을 대상으로 창의적 문제해결력 사후 검사를 실시하여 집단간 창의적 문제해결력에 유의미한 차이가 있는지 t-검증과 공분산분석을 통해 확인하였다. 이와 관련한 실험설계는 [Table 3]과 같다.
성능/효과
[Table 9]의 내용과 같이 사전 문제해결력 검사 점수를 공변인으로 통제한 후 사후 문제해결력 검사 점수에 대해 분산분석 결과, 주 효과는 F=5.23로 실험반과 통제반의 사후 문제해결력 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 문제해결력 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 일반적인 소프트웨어 수업을 실시한 통제반과 본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용한 소프트웨어 수업을 실시한 실험반 사이에 창의적 문제해결력에 통계적으로 유의미한 차이가 발생하였다.
셋째, 통합적인 학습 환경을 제공한다. 넷째, 다양한 교과와 연계할 수 있는 통합적인 접근이 용이하다. 다섯째, 프로그래밍에 대한 긍정적인 태도를 이끌고 지적 호기심을 유발한다.
넷째, 다양한 교과와 연계할 수 있는 통합적인 접근이 용이하다. 다섯째, 프로그래밍에 대한 긍정적인 태도를 이끌고 지적 호기심을 유발한다. 여섯째, 융합 교육적 관점에서도 유용하다[6].
이는 본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용하여 버튼 제어를 통한 다양한 문제해결 학습 활동이 가능하며, 이를 통해 학생들이 문제해결력을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 로봇을 움직이기 위해 순서대로 버튼을 눌러야 하는 과정, 반복 버튼을 활용해 효율적으로 명령을 내리는 과정, 근접, 컬러, 밝기 센서를 활용해 명령을 내리는 각 과정에서 2015 개정 교육과정에서 성취기준으로 제시하고 있는 초등학교에서 반드시 배워야 할 순차, 선택, 반복 구조를 효율적으로 학습할 수 있음을 증명하였다. 뿐 아니라 각각의 센서 또는 각 센서들의 결합, LED, 부저음 등을 활용해 다양한 문제를 만들어내고 이를 해결하는 과정 속에서 학습자들의 창의적 문제해결력 요소들의 신장에 영향을 주었다.
본 연구에서는 언플러그드 활동 중심 로봇을 개발하고, 이를 소프트웨어 수업에 적용함으로써 학습자들의 창의적 문제해결력 향상에 도움이 된다는 것을 확인하였다. 그 결과 일반적인 소프트웨어 수업을 실시한 통제반과 본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용한 소프트웨어 수업을 실시한 실험반 사이에 창의적 문제해결력에 통계적으로 유의미한 차이가 발생하였다.
사전 검사에서는 융통성과 문제해결력의 경우 통제반이 실험반보다 더 높았으나 사후 검사에서는 실험반이 통제반보다 유창성, 융통성, 독창성, 문제해결력 모두 높게 나타났다. 하지만 사후검사 점수의 차이 유무가 사전에 존재했던 사전검사 점수의 영향에 의한 것인지를 알아야 하기 때문에 각각의 사전 점수를 공변인으로 통제하여 사후 유창성, 융통성, 독창성 및 문제해결력에 대해 공분산분석을 실시하였다.
사전 유창성 검사 점수를 공변인으로 통제한 후 사후 유창성 검사 점수에 대해 분산분석을 실시한 결과, 주 효과는 F=1.01로 실험반과 통제반의 사후 유창성 검사에서 유의미한 차이를 보이지 않았다.
사전 융통성 검사 점수를 공변인으로 통제한 후 사후 융통성 검사 점수에 대해 분산분석을 실시한 결과, 주 효과는 F=6.34로 실험반과 통제반의 사후 유창성 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 융통성 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
사후 독창성 검사 점수에 대해 분산분석 결과, 주 효과는 F=6.15로 실험반과 통제반의 사후 독창성 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 독창성 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 통해 로봇을 통해 컴퓨팅 환경 없이도 센서 버튼을 활용해 물리적 세계와 상호작용할 수 있는 프로그래밍 교육이 가능함을 알 수 있고, 이는 컴퓨팅 환경을 구성하기 어려운 학습 환경에 있거나 코딩에 어려움을 겪는 학습자들에게 성공적인 소프트웨어 교육 경험을 제공해 줄 수 있다.
15로 실험반과 통제반의 사후 독창성 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 독창성 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
23로 실험반과 통제반의 사후 문제해결력 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 문제해결력 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
34로 실험반과 통제반의 사후 유창성 검사에서 유의미한 차이가 나타났다. 즉, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 수업이 학습자의 융통성 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 일반적인 소프트웨어 수업을 실시한 통제반과 본 연구에서 개발된 언플러그드 활동 중심 로봇을 활용한 소프트웨어 수업을 실시한 실험반 사이에 창의적 문제해결력에 통계적으로 유의미한 차이가 발생하였다. 특히 창의적 문제해결력의 하위 요소인 유창성, 융통성, 독창성, 문제해결력에 대하여 공분산분석을 실시한 결과 유창성을 제외한 나머지 하위 영역에서 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다.
이 로봇은 문제해결을 위한 알고리즘을 설계하고 상판의 9개 버튼을 활용해 손쉽게 제어될 수 있으며 이를 통해 다양한 언플러그드 프로그래밍이 가능하다. 특히 코드가 길어지는 경우에 본 로봇과 함께 활용할 수 있는 코딩 카드를 함께 제작하였으며 이를 활용해 학습자의 알고리즘 설계에 도움을 줄 수 있다.
후속연구
둘째, 본 연구에서 개발한 프로토타입 형태의 로봇으로 수업에 적용한 결과 코드가 길어질 경우 버튼을 여러 번 눌러야 하므로 코딩 카드를 함께 활용하더라도 기억하기 힘든 점 등 학생들의 반응에서 부정적인 부분이나 개선이 필요한 부분에 대한 추가적인 연구와 보완을 통해 로봇의 완성도를 높일 필요가 있다.
첫째, 언플러그드 로봇을 활용한 소프트웨어 교육이 학생들의 창의적 문제해결력 신장에 미치는 효과를 일반화하기 위해서는 다양한 지역의 학생들을 대상으로 적용해 볼 필요가 있다. 이를 위해 보다 체계적이고 본 로봇의 특징과 장점을 잘 살린 교육 프로그램 개발이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
언플러그드 로봇이 컴퓨팅 환경이 갖추어져 있지 못한 학급이나 학교 현장에 활용할 수 없는 이유는?
그럼에도 불구하고 아직 언플러그드 활동을 위한 로봇이 많지 않고, 현재 활용되고 있는 언플러그드 로봇의 경우 순차, 반복 정도의 아주 기초적인 수준의 제어구조만 학습 가능하다. 또한 센서를 활용하려면 교육용 프로그래밍 언어(EPL) 환경에서 로봇을 제어해야 하기 때문에 컴퓨팅 환경이 갖추어져 있지 못한 학급이나 학교 현장에서는 활용할 수 없어 언플러그드 활동이 가능한 로봇의 장점을 살리지 못한다.
놀이 중심의 언플러그드 활동이란?
소프트웨어 단원 내용은 정보윤리, 알고리즘과 프로그래밍, 컴퓨터과학의 원리로 이루어져 있는데 그 방법으로서 놀이 중심의 언플러그드 활동을 권장하고 있다. 놀이 중심의 언플러그드 활동은 간단하게 말하면 컴퓨터를 사용하지 않고 컴퓨터에 대해 배우는 교수법이다[2].
교사들에게 언플러그드 활동의 장점은 무엇인가?
언플러그드 활동은 교사들에게는 컴퓨터와 프로그래밍 학습이 없이도 논리적인 컴퓨터과학 교과를 효과적으로 가르칠 수 있다는 점에서 컴퓨터 교육의 새로운 방향을 제시하는 용어이며 이러한 장점으로 말미암아 아직 소프트웨어 교육 경험이 많지 않은 현장 교사들이 선호하는 소프트웨어 교육 방법으로 언플러그드 활동이 높은 순위를 차지한다[3][13].
참고문헌 (13)
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Kim, Jeongrang (2018). A study on systematic review of unplugged activity, Journal of The Korean Association of Information Education Vol. 22, No 1, February 2018. 103-111.
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