3D프린터를 활용한 융합교육이 초등학생의 컴퓨팅 사고력에 미치는 영향 The Effect of the Integrative Education Using a 3D Printer on the Computational Thinking Ability of Elementary School Students원문보기
새로운 2015 개정 교육과정이 추구하고 있는 목적 중의 하나는 4차 산업혁명 시대에 살아갈 학생들이 기본 학습 능력의 바탕 위에 다양한 발상과 도전으로 새로운 것을 창출하는 창의성을 기르는 것이다. 이에 따라 주어진 문제들을 합리적으로 해결하기 위하여 다양한 영역의 지식과 정보를 처리하고 활용할 수 있는 융합적 문제해결 역량이 중요시되고 있다. 이에 본 연구에서는 틴커캐드(Tinkercad) 모델링을 기반으로 하여 3D프린터를 활용한 융합교육을 설계하고 이를 수업에 적용하여 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 영향을 알아보았다. 연구 내용을 검증하기 위해 초등학교 6학년 25명 2개 반을 실험집단과 통제집단으로 나누고 실험집단에는 약 3개월간 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램 12차시를 적용하고, 통제집단에는 같은 시기 동안 동일 주제의 강의식 교과 수업을 진행하였다. 그 후에 컴퓨팅 사고력 검사 도구를 투입하여 사전-사후 검사로 t-검정을 실시하고 그 효과성을 알아보았다. 프로그램 적용 후 사후 검사에서 실험집단은 컴퓨팅 사고력이 통계적으로 유의하게 향상 되었으나, 통제집단은 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이 결과를 통해 틴커캐드 모델링 기반의 3D프린터를 활용한 융합교육이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보인다.
새로운 2015 개정 교육과정이 추구하고 있는 목적 중의 하나는 4차 산업혁명 시대에 살아갈 학생들이 기본 학습 능력의 바탕 위에 다양한 발상과 도전으로 새로운 것을 창출하는 창의성을 기르는 것이다. 이에 따라 주어진 문제들을 합리적으로 해결하기 위하여 다양한 영역의 지식과 정보를 처리하고 활용할 수 있는 융합적 문제해결 역량이 중요시되고 있다. 이에 본 연구에서는 틴커캐드(Tinkercad) 모델링을 기반으로 하여 3D프린터를 활용한 융합교육을 설계하고 이를 수업에 적용하여 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 영향을 알아보았다. 연구 내용을 검증하기 위해 초등학교 6학년 25명 2개 반을 실험집단과 통제집단으로 나누고 실험집단에는 약 3개월간 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램 12차시를 적용하고, 통제집단에는 같은 시기 동안 동일 주제의 강의식 교과 수업을 진행하였다. 그 후에 컴퓨팅 사고력 검사 도구를 투입하여 사전-사후 검사로 t-검정을 실시하고 그 효과성을 알아보았다. 프로그램 적용 후 사후 검사에서 실험집단은 컴퓨팅 사고력이 통계적으로 유의하게 향상 되었으나, 통제집단은 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이 결과를 통해 틴커캐드 모델링 기반의 3D프린터를 활용한 융합교육이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보인다.
One of the goals of the new 2015 revised curriculum is to cultivate the creativity of students who will live in the era of the Fourth Industrial Revolution to create new things through diverse ideas and challenges based on basic learning skills. Accordingly, in order to solve the given problems rati...
One of the goals of the new 2015 revised curriculum is to cultivate the creativity of students who will live in the era of the Fourth Industrial Revolution to create new things through diverse ideas and challenges based on basic learning skills. Accordingly, in order to solve the given problems rationally, the convergence problem solving ability that can process and utilize various areas of knowledge and information is becoming important. Therefore, in this study, we designed the integrative education using a 3D printer based on Tinkercad modeling and applied it to the class to investigate the effect on the improvement of computing thinking ability of elementary school students. To verify the contents of the study, two classes of 25 sixth-grade elementary school students were divided into an experimental group and a controlled group. For the experimental group, 12 classes of convergence education programs using a 3D printer were applied for about three months, and the same amount of general curriculum was conducted for the control group. After that, the t-tests were carried out using the pre-post test to measure the effectiveness of the computational thinking ability. After the application of the program, the experimental group showed statistically significant improvement in computational thinking ability, but the controlled group showed no statistically significant difference. The results show that convergence education using the Tinkercad modeling-based 3D printer has a positive effect on the improvement of computing thinking ability of elementary school students.
One of the goals of the new 2015 revised curriculum is to cultivate the creativity of students who will live in the era of the Fourth Industrial Revolution to create new things through diverse ideas and challenges based on basic learning skills. Accordingly, in order to solve the given problems rationally, the convergence problem solving ability that can process and utilize various areas of knowledge and information is becoming important. Therefore, in this study, we designed the integrative education using a 3D printer based on Tinkercad modeling and applied it to the class to investigate the effect on the improvement of computing thinking ability of elementary school students. To verify the contents of the study, two classes of 25 sixth-grade elementary school students were divided into an experimental group and a controlled group. For the experimental group, 12 classes of convergence education programs using a 3D printer were applied for about three months, and the same amount of general curriculum was conducted for the control group. After that, the t-tests were carried out using the pre-post test to measure the effectiveness of the computational thinking ability. After the application of the program, the experimental group showed statistically significant improvement in computational thinking ability, but the controlled group showed no statistically significant difference. The results show that convergence education using the Tinkercad modeling-based 3D printer has a positive effect on the improvement of computing thinking ability of elementary school students.
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문제 정의
본 연구는 3D프린터를 활용한 융합교육, 특히 초등학생에게 적합한 Thinkercad 모델링 프로그램을 중심으로한 융합교육이 6학년 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 알아보기 위하여 융합프로그램을 개발하고 이를 수업에 적용해 보았다. 그 결과 실험집단의 컴퓨팅 사고력은 유의한 수준으로 상승했으며, 반면에 통제집단은 컴퓨팅 사고력이 소폭 상승하긴 했으나 유의한 수준에 미치지 못하였다.
본 연구는 Branson의 ADDIE 교수설계모형[3]의 절차와 연구 방법에 따라 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 개발하였다. ADDIE 프로세스를 활용하여 교육프로그램을 개발할 경우 운영자 중심의 일방적인 프로그램 개발이 아니라 수요자인 학습자의 요구를 충분히 반영하여 보다 적합한 교육프로그램을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 초등학교 학생들을 대상으로 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 개발 및 적용하여, 3D프린터를 활용한 융합교육이 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 상관관계를 알아보고자 프로그램을 개발하였다. 이에 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램의 내용 조직 방법은 다음과 같다.
이러한 연구들과 사례들은 3D프린터를 활용한 융합교육이 STEAM교육으로서 미래 사회에 필요한 역량을 증진 시키는 데 유용한 역할을 할 수 있다는 것을 보여주며, 컴퓨팅 사고력 증진을 위한 도구로서 쓰일 가능성을 제시하고 있다. 이에 본 연구는 초등학생을 위하여 3D프린터를 활용한 교과간 융합(integrative) 교육 프로그램을 개발하고, 이를 실제 수업에 적용하여 그 결과로 이 프로그램이 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 효과를 알아보는 것을 목적으로 한다.
가설 설정
셋째, 한글화가 잘 되어 있다. 넷째, 인터페이스가 직관적이고 간단하다. 다섯째, 자체 공유기능(갤러리)이 있다.
이와 같은 기능적 새로움은 기기 자체의 새로움에 더해 그간 경험하지 못한 방식의 활동을 가능하게 한다. 셋째, 수업의 새로움이다. 새로운 기기와 기능을 바탕으로 이들의 다양한 응용을 통해 새로운 형태의 수업을 진행할 수 있다.
제안 방법
10월에 실험집단과 비교집단으로 선정된 두 집단을 대상으로 사전검사를 실시하여 동질성을 확인하였다. 실험집단에는 10월부터 12월까지 3개월의 기간에 걸쳐 교과시간에 총 12차시(40분 단위) 분량의 융합교육 프로그램을 적용하였고 통제 집단은 동일한 기간에 동일 주제의 강의식 교과 수업을 적용하였다.
2) 프린팅 : 소재를 쌓아 올리며 형상을 만드는 단계이다. 3D프린터로 파일을 출력하기 위해서 모델링 한 3D도면을 수평 방향으로 얇게 분리하여 데이터를 분석한 뒤 3D프린터가 인식할 수 있는 G-code 파일로 변환시켜서 프린팅한다.
첫째, 3D프린터를 활용한 융합교육의 선행연구를 고찰한다. 둘째, 교육과정 분석을 통해 3D프린터를 활용할 수 있는 교과 내용과 주제를 파악한다. 셋째, 모델링 학습 내용과 컴퓨팅 사고력 요소들과의 관계를 파악한다.
둘째, 본 연구는 Thinkercad 모델링 프로그램을 중심으로 3D프린터를 활용한 융합교육을 구성하여 운영하였다. 3D프린터를 활용한 융합교육은 연구마다 교과의 내용은 물론이고, 3D프린터 기기의 종류와 모델링 프로그램의 다양성으로 인해 효과를 획일화하기 힘들다.
본 연구를 위하여 실험집단과 통제집단을 선정하고, 실험집단에는 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 적용하고, 통제집단에는 동일 주제의 강의식 교과 수업을 적용하여 사전-사후 검사를 실시하여 분석하였다. 연구를 위하여 사용한 실험 설계는 사전-사후 통제집단 실험설계이며 이를 도식화하면 [Table 8]과 같다.
수업 주제는 초등학교 6학년의 S(science) 과목인 과학, T(technology) 및 E(engineering) 과목인 실과, A(arts) 과목인 미술과 사회, M(mathematics) 과목인 수 학에서 3D 프린터를 활용할 수 있는 주제들을 각각 선정하였고 마지막 12차시에는 협업 작업을 실시하였다. 아래 [Table 5]에는 5차시 지도안을 예시로 제시하였다.
10월에 실험집단과 비교집단으로 선정된 두 집단을 대상으로 사전검사를 실시하여 동질성을 확인하였다. 실험집단에는 10월부터 12월까지 3개월의 기간에 걸쳐 교과시간에 총 12차시(40분 단위) 분량의 융합교육 프로그램을 적용하였고 통제 집단은 동일한 기간에 동일 주제의 강의식 교과 수업을 적용하였다. 프로그램 적용 후 12월에 사후검사를 통해 3D프린터를 활용한 융합 프로그램이 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 미친 영향을 평가하였다.
연구자가 개발한 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 수업 전에 문항당 5점 척도로 하여 소프트웨어 교육 관련 수업 경험이 있는 교사 10명을 대상으로 타당도 검증을 실시하였다. 타당도 검증 방법으로는 Lawshe의 내용타당도비율(CVR:Contents Validity Ratio)을 이용하였다[14].
융합 교육 프로그램 개발을 위해 6학년 교육과정을 분석하여 3D프린터를 활용할 수 있는 교과와 단원을 선정하고, 교과의 성취기준과 주제를 유지한 채로 교육과정을 재구성하여 융합 프로그램 수업을 구성하였다. 프로그램은 총 12차시의 분량으로 개발되었으며, 프로그램의 내용은 아래 [Table 4]와 같다.
첫째, 3D프린터를 활용한 융합교육의 선행연구를 고찰한다. 둘째, 교육과정 분석을 통해 3D프린터를 활용할 수 있는 교과 내용과 주제를 파악한다.
실험집단에는 10월부터 12월까지 3개월의 기간에 걸쳐 교과시간에 총 12차시(40분 단위) 분량의 융합교육 프로그램을 적용하였고 통제 집단은 동일한 기간에 동일 주제의 강의식 교과 수업을 적용하였다. 프로그램 적용 후 12월에 사후검사를 통해 3D프린터를 활용한 융합 프로그램이 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 미친 영향을 평가하였다.
대상 데이터
본 연구는 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 적용한 수업이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 향상에 효과가 있는 지를 알아보기 위한 연구로 초등학교 6학년 2개 반 50명을 대상으로 진행하였다. 실험집단은 남자 13명, 여자 12명으로 총 25명이며, 통제집단은 남자 12명, 여자 13명으로 총 25명이다.
본 연구는 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 적용한 수업이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 향상에 효과가 있는 지를 알아보기 위한 연구로 초등학교 6학년 2개 반 50명을 대상으로 진행하였다. 실험집단은 남자 13명, 여자 12명으로 총 25명이며, 통제집단은 남자 12명, 여자 13명으로 총 25명이다. 연구 대상자를 정리하면 [Table 7]과 같다.
데이터처리
3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램이 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 영향을 검증하고자 IBM SPSS 25 프로그램을 사용하였으며, 수업 전후에 실험집단과 통제집단 내, 실험집단과 통제집단 간의 컴퓨팅 사고력 변화 정도를 알아볼 수 있도록 각 집단에 사전-사후 t-검정을 실시하였다.
이론/모형
본 연구에서는 한국교육학술정보원(KERIS)이 개발한 ‘소프트웨어(SW)교육 효과성 측정도구’ 중 컴퓨팅 사고력 측정 검사를 (Fig. 2)의 예시와 같이 사용했다[31].
연구자가 개발한 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램을 수업 전에 문항당 5점 척도로 하여 소프트웨어 교육 관련 수업 경험이 있는 교사 10명을 대상으로 타당도 검증을 실시하였다. 타당도 검증 방법으로는 Lawshe의 내용타당도비율(CVR:Contents Validity Ratio)을 이용하였다[14]. 응답 전문가 수에 따른 CVR의 최소값은 10명인 경우에는 0.
성능/효과
본 연구의 결과를 바탕으로 내린 결론은 다음과 같다. 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램은 초등학교 6학년 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 유의미한 효과를 나타났다. 학생들은 문제상황을 해결하기 위해 3D모델링 프로그램을 조작하는 가운데 자연스럽게 컴퓨팅 사고력의 자동화와 추상화의 단계를 경험하는 것으로 보인다.
본 연구는 3D프린터를 활용한 융합교육, 특히 초등학생에게 적합한 Thinkercad 모델링 프로그램을 중심으로한 융합교육이 6학년 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 알아보기 위하여 융합프로그램을 개발하고 이를 수업에 적용해 보았다. 그 결과 실험집단의 컴퓨팅 사고력은 유의한 수준으로 상승했으며, 반면에 통제집단은 컴퓨팅 사고력이 소폭 상승하긴 했으나 유의한 수준에 미치지 못하였다.
본 연구의 프로그램 타당도 조사 결과 타당도 조사 결과는 모든 문항에서 CVR 값이 0.62(전체 응답자수 10명)보다 높게 조사되었다. 이를 통해 본 프로그램이 초등학교 6학년 학생들의 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램으로 타당성 측면에서 문제가 없다는 것이 확인되었다.
셋째, 본 연구에서 융합교육 프로그램에서 컴퓨팅 사고력이 증진된 것은 모델링 프로그램의 조작 과정에서 학생들이 코딩 과정과 유사한 추상화와 자동화 요소들을 경험했기 때문인 것으로 보인다. 이에 실제로 코딩교육 프로그램과 3D모델링 프로그램을 비교하여 학생들의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 영향에 대해 효과를 검증하는 연구가 필요하다.
실험집단의 경우 사전 검사보다 사후 검사 평균이 2.76 증가하였고 이는 통계적으로 유의한 차이를 보이고 있다(p0.5).
5). 이 결과를 통해 3D프린터를 활용한 융합교육이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 유의한 영향을 미치는 것으로 보인다.
62(전체 응답자수 10명)보다 높게 조사되었다. 이를 통해 본 프로그램이 초등학교 6학년 학생들의 3D프린터를 활용한 융합교육 프로그램으로 타당성 측면에서 문제가 없다는 것이 확인되었다.
프로그램 실시 전의 실험집단과 통제집단의 컴퓨팅 사고력 t-검정 결과 두 집단의 컴퓨팅 사고력에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p>.05).
프로그램 실시 후, 실험집단과 비교집단의 컴퓨팅 사고력에 대한 t-검정 결과를 보면 실험집단의 평균이 비교집단보다 높았으나 유의확률 .061로 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만 t값의 증가로 미루어 볼 때 프로그램이 비교적 적은 횟수와 짧은 기간에 적용되었기 때문에 유의한 차이가 나지 않은 것으로 보인다.
후속연구
이러한 컴퓨팅 사고력의 하위요소와 모델링 학습 내용과의 관계는 [Table 2]와 같다. 따라서 본 연구에서는 3D프린팅을 활용한 융합교육이 초등학생의 컴퓨팅 사고력 증진에 미치는 영향에 대해 연구할 필요가 있다고 여겨진다.
첫째, 본 연구에서는 연구 대상이 6학년 2개 반, 50명에 국한되어 있고, 프로그램의 분량 역시 3개월에 걸친 12차시로 한정되어 있어 프로그램의 효과를 일반화하기에 주의가 필요하다. 따라서 후속연구에서는 학년, 인원, 기간 등 연구 대상과 기간을 확대하여 프로그램의 효과 검증이 필요하다.
하지만 t값의 증가로 미루어 볼 때 프로그램이 비교적 적은 횟수와 짧은 기간에 적용되었기 때문에 유의한 차이가 나지 않은 것으로 보인다. 이에 충분한 기간과 횟수로 프로그램을 적용한다면 보다 유의한 결과가 나올 것으로 기대된다.
Tinkercad는 초등학생이 교육용으로 쓰기에 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 무료로 사용할 수 있다. 둘째, 별도의 프로그램 설치가 필요 없는 웹기반 소프트웨어이다.
첫째, 본 연구에서는 연구 대상이 6학년 2개 반, 50명에 국한되어 있고, 프로그램의 분량 역시 3개월에 걸친 12차시로 한정되어 있어 프로그램의 효과를 일반화하기에 주의가 필요하다. 따라서 후속연구에서는 학년, 인원, 기간 등 연구 대상과 기간을 확대하여 프로그램의 효과 검증이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D프린터는 어떤 이점을 주는가?
이런 상황 속에서 3D프린터는 융합교육 프로그램을 위한 산출물을 제작하는 도구로서 유용한 역할을 하며 프로그램의 질을 향상 시키는데 도움을 줄 수 있다. 여기서 더 나아가 Lütolf는 3D프린터가 융합교육에 부족한 부분을 보완하는 것뿐만 아니라 융합교육의 목적을 성취할 수 있도록 해주는 효과적인 도구라는 것을 밝혔다[19].
3D 프린터는 무엇인가?
3D 프린터는 재료를 정해진 두께만큼 한 층씩 쌓아올리는 방법으로 제품을 생성하는 기계다[22]. 이는 1980년대 3D 시스템스가 세계 최초로 플라스틱 액체(실리콘)를 얇은 층으로 겹겹이 인쇄하면서 3차원 물건을 만드는 프린터를 개발한 이후 빠르게 상용화되어 제조업, 의료, IT분야 등 여러 방면에서 기술 패러다임을 바꾸며 산업 혁신을 이끌고 있다[16].
융합교육의 도구로써 3D프린터의 효과는?
또 융합교육을 위한 도구로서의 가치뿐만 아니라 3D프린팅은 수학(math), 과학(science), 예술(art) 융합인재를 양성하는 교육 모델로 각광을 받고 있다[26]. 국내의 여러 연구에서도 3D프린터를 수업에 활용하여 학습자의 동기와 만족도, 학습자의 인식도에서 긍정적인 교육효과를 얻을 수 있다고 말하고 있고[1][4][16], 더 나아가 프로그래밍 또는 코딩 교육이 소프트웨어를 활용하여 사고를 계발, 재구성, 수정, 발전하여 완성된 결과물을 생성한다는 점에서 3D프린터 활용교육이 컴퓨팅 사고력 증진을 위한 활동과 매우 유사한 맥락을 지닌다는 점도 거론되고 있다[17].
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