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문제 정의
- 이 연구는 창의공학설계를 위한 아두이노 기반 STEAM 수업자료가 창의적 문제해결력에 미치는 효과를 알아보는데 있으며, 연구 결론은 다음과 같다.
- 이에 이 연구의 목적은 일반계 고등학교 기술・가정 교과의 창의공학설계 단원에서 활용이 가능한 예술을 수업 주제로 한 아두이노 기반 STEAM 수업자료를 개발하고 수업에 적용하여 학생들의 창의적 문제해결력의 향상 효과를 알아보고자 한다.
제안 방법
- 2차시에서는 학습자가 제한된 조건 안에서 예술작품 속 과학, 기술, 공학, 예술, 수학을 탐색하고, 분석하는 활동과 다양한 아이디어 활동을 통해 작품의 주제를 선정하도록 하였다. 3차시와 4차시에서는 공학 설계과정(모델링)을 배우는 단계로 LED와 서보모터 제어의 원리를 학습하고 체험하도록 구성하였다. 5차시와 6차시에서는 상충하는 속성을 없애 다른 속성을 돋보이게 하는 상충관계와 상호 작용하며 동작하는 것을 의미하는 시스템을 기반으로 LED, 센서, 서보모터를 활용하여 미디어 아트를 구현하고, 학습자 간 상호 평가를 통해 작품에 대한 피드백을 공유하도록 구성하였다.
- 3차시와 4차시에서는 공학 설계과정(모델링)을 배우는 단계로 LED와 서보모터 제어의 원리를 학습하고 체험하도록 구성하였다. 5차시와 6차시에서는 상충하는 속성을 없애 다른 속성을 돋보이게 하는 상충관계와 상호 작용하며 동작하는 것을 의미하는 시스템을 기반으로 LED, 센서, 서보모터를 활용하여 미디어 아트를 구현하고, 학습자 간 상호 평가를 통해 작품에 대한 피드백을 공유하도록 구성하였다.
- 2015 개정 교육과정 기술 가정 교과서 창의공학설계 단원의 내용을 재구성하여 가르칠 수 있도록 교육목표와 성취기준 등을 고려하여 6차시로 교수 학습자료를 개발하였다. 개발된 프로그램의 전문가 타당도 검증을 위해 교육경력 5년 이상 교사, 교육학 박사, STEAM 교육 전문가, 석사과정 이상의 자격 소지 등의 자격을 갖춘 STEAM 교육 전문가를 10명 선정하였고, 설문을 통해 내용타당도 비율(CVR)을 산출하였다.
- 둘째, 개발된 STEAM 수업자료 활용 수업이 학습자의 창의적 문제해결력에 미치는 효과를 검증한다.
- 평가는 3가지 대영역(융합적 지식 및 개념, 창의적 설계, 감성적 체험)과 12가지 하위 평가요소로 구성하였다. 융합적 지식 및 개념의 하위 평가요소는 이해도와 적절성, 창의적 설계의 하위 평가요소는 디자인, 일치성, 창의성, 문제해결력, 자기 주도성, 감성적 체험의 하위 평가요소는 협동성, 적극성, 발표로 세분화하였고 이를 활용하여 과정 중심 평가와 동료 평가가 이루어지도록 하였다.
- 이 연구에서 사용한 사전-사후 검사도구는 조석희 외(2001)의 ‘간편 창의적 문제해결력 검사 개발 연구’를 기반으로 서울대 심리연구실(2004)이 개발한 창의적 문제해결력 검사도구를 본 연구의 환경에 맞게 수정하여 사전-사후 검사를 실시하였다.
- 전문가 타당도 검사에서 나온 ‘수업 준비에 들어가는 시간과 노력을 최소화할 수 있도록 교수 학습 과정안과 학습 활동지가 구성되었으면 좋겠다’는 의견을 수렴하여 수업 적용의 용이성을 높이기 위해 교수 학습과정안의 보조자료인 PPT를 더 구체적이고 이용이 편리하도록 작성하였으며, 읽기 자료나 생각 열기 동영상 자료를 QR코드와 동영상 링크를 통해 학생 및 교사들이 더 쉽게 이용할 수 있도록 수정 보완하였다.
- 전문가 타당도 검사지는 심세용, 김진옥, 김진수(2016)가 개발한 전문가 타당도 검사지를 수정 보완하여 사용하였고, 검사지 내용은 프로그램의 합목적성(2문항), 내용 구성의 적절성(6문항), 현장 적용의 용이성 (2문항) 총 10문항으로 구성하였다. 문항은 리커트(Likert) 5단계 척도를 사용하여 문항을 구성하였고, Lawshe (1975)의 10명에 대한 내용타당도(CVR) 최소비율은 0.
- 개발된 STEAM 수업자료를 가지고 충청남도 아산시 A고등학교 기술 가정 교과 창의공학설계 단원을 수강하는 52명을 대상으로 수업에 적용하였다. 전체적인 운영 방식은 모둠별 프로젝트 학습으로 구성하였다. 최종적으로 학생들의 수업 만족도, 창의적 문제해결력 검사를 통해 개발된 수업자료에 대한 평가를 실시하였다.
- 첫째, 국내 문헌 고찰을 통해 일반계 고등학교의 창의공학설계 단원을 위한 아두이노 기반 STEAM 수업자료를 개발한다.
- 첫째, 국내 창의공학설계, 아두이노, STEAM 관련 문헌고찰을 통해 교사용 교수 학습과정안과 학생용 학습 활동지를 개발하였다. 3가지 핵심요소(아두이노, 미디어 아트, 한국사)를 바탕으로 개발된 수업자료는 창의공학설계 단원에서 아두이노 기반 STEAM 교육을 실천할 수 있을 것으로 판단된다.
- 전체적인 운영 방식은 모둠별 프로젝트 학습으로 구성하였다. 최종적으로 학생들의 수업 만족도, 창의적 문제해결력 검사를 통해 개발된 수업자료에 대한 평가를 실시하였다.
- 2015 개정 교육과정에서 과학탐구실험, 기술 가정, 미술 교과의 성취기준과 내용 요소를 바탕으로 총 6차 분량의 교수 학습 과정안을 개발하였다. 평가는 3가지 대영역(융합적 지식 및 개념, 창의적 설계, 감성적 체험)과 12가지 하위 평가요소로 구성하였다. 융합적 지식 및 개념의 하위 평가요소는 이해도와 적절성, 창의적 설계의 하위 평가요소는 디자인, 일치성, 창의성, 문제해결력, 자기 주도성, 감성적 체험의 하위 평가요소는 협동성, 적극성, 발표로 세분화하였고 이를 활용하여 과정 중심 평가와 동료 평가가 이루어지도록 하였다.
- 프로젝트 모둠별 학습이 이루어지도록 학습 활동지를 구성하였고, 학생들이 아두이노를 활용하여 SW 교육을 학습하도록 하였으며, 각종 센서와 전자 부품을 활용하여 2D 미술 작품을 3D 미술 작품으로 재탄생하도록 하여 미디어 아트를 체험하도록 하였다.
- 학생 만족도 검사지는 강남화 외(2017)가 개발한 학생 만족도 검사지를 수정 보완하여 구성하였고, STEAM 수업자료를 수업에 적용 후 수업에 참여한 학생들을 대상으로 수업 적합도, 내용 난이도, 자료의 적절성, 수업 시간의 배분, 공학설계 이해도, 아두이노 기초 이해도, 공학설계 특징 이해도, 전기전자회로 문제 해결력, 수업의 재미, 평가의 공정성에 대해서 총 10문항을 구성하여 수업 만족도 검사를 실시하였다.
대상 데이터
- 개발된 STEAM 수업자료를 가지고 충청남도 아산시 A고등학교 기술 가정 교과 창의공학설계 단원을 수강하는 52명을 대상으로 수업에 적용하였다. 전체적인 운영 방식은 모둠별 프로젝트 학습으로 구성하였다.
- 준비단계에서는 프로그램 개발 방향을 설정하기 위하여 2015 개정 교육과정, 창의공학설계 단원, 창의적 문제해결력, STEAM, 아두이노 관련 선행연구 고찰하였다. 도출된 개발 방향에 대해서 과학, 미술, 정보 교과에서 석사학위를 소지하고, 5년 이상의 경력을 가진 교과 전문가 10명을 구성하여 전문가 자문회의를 통해 개발 주제를 선정하였다.
- 이 연구의 대상은 충청남도 소재 일반계 A고등학교 기술·가정 교과 창의공학설계 단원을 수강하는 1학년 학생 52명이다.
- 첫째, 본 연구는 충청남도 아산시 소재 A고등학교 1학년 전체인 52명을 학생을 대상으로 하였으며, 소규모 학교로 실험집단과 통제집단의 구분 시 추리통계의 제한이 있을 것으로 판단되어 단일집단 사전-사후 실험설계를 적용하였다. 추후 연구 결과의 일반화를 위해 지역과 대상을 확대하여 적용하는 후속 연구가 필요하다.
데이터처리
- 수업자료의 타당성 확보를 위한 전문가 설문과 개발한 수업자료에 대한 학생 만족도 설문은 기술통계를 활용하였고, 창의적 문제해결력은 준실험 설계로 단일집단 사전-사후 검사를 실시한 설문 결과를 유의수준 .05의 t검증으로 그 효과를 확인하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 STEAM 수업자료 개발을 위해 김진수(2012)가 제안한 체계적 STEAM 프로그램 개발 모형인 PDIE 모형의 절차를 따랐으며 구체적인 연구절차는 Fig. 1과 같다.
성능/효과
- 35로 평가 문항 중 평균이 가장 낮게 나왔다. 5점 만점의 리커르트에 따른 전체 평균이 4.57로 나와 만족도가 대체적으로 높은 것을 알 수 있었다.
- 학생의 수업 만족도 검사 결과는 Table 6과 같다. 내용 난이도가 평균=4.67, 표준편차= 0.51로 평가 문항 중 평균이 가장 높게 나왔고, 수업 시간의 배분은 4.35로 평가 문항 중 평균이 가장 낮게 나왔다. 5점 만점의 리커르트에 따른 전체 평균이 4.
- 둘째, 학생 대상 만족도 조사를 실시한 결과, 수업의 적합도, 내용 난이도, 자료의 적절성, 수업시간의 배분, 공학 설계 이해도, 공학설계특징 이해도, 전기전자 회로 문제 해결력, 수업의 재미, 평가의 공정성 등 모든 평가요소에서 높은 수준의 만족도를 보였다.
- 셋째, 개발된 STEAM 수업자료가 창의적 문제해결력 향상에 유의미한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 지진의 내진설계를 주제로 STEAM 프로그램이 창의적 문제해결력 신장에 미치는 효과를 살펴본 김맹범, 홍승호(2019)의 연구 결과와도 일치한다.
- 전체적으로 평균이 향상되었고, t=–11.795, p=.000 (p<.001)으로 개발된 수업자료가 창의적 문제해결력에 유의미한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 001). 창의적 문제해결력 하위 요소에 대한 분석 결과를 요약하면 창의공학설계를 위한 아두이노 기반 STEAM 수업자료가 학생들의 창의적 문제해결력 향상에 전체적으로 긍정적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 또한 과학교육에서 프로젝트 STEAM 교육 프로그램이 초등학생의 창의적 문제해결력 향상에 미치는 효과를 살핀 김문경, 최선영(2013)의 연구결과와 이상균, 이하룡(2013)의 연구 결과와도 일치한다. 학생들의 창의적 문제해결력을 향상시킨 요인으로, 첫째는 STEAM 교육의 학습준거인 창의적 설계이고, 둘째는 스스로 주제를 정하고 미술작품 관찰을 통해 작품의 우수성과 과거시대의 생활을 탐구하고 분석하는 학습자 중심 활동이 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 첫째, 국내 창의공학설계, 아두이노, STEAM 관련 문헌고찰을 통해 교사용 교수 학습과정안과 학생용 학습 활동지를 개발하였다. 3가지 핵심요소(아두이노, 미디어 아트, 한국사)를 바탕으로 개발된 수업자료는 창의공학설계 단원에서 아두이노 기반 STEAM 교육을 실천할 수 있을 것으로 판단된다.
- 둘째, 연구 결과를 일반화하려면 다양한 창의공학설계를 위한 STEAM 프로그램의 개발 및 적용 후속연구가 필요하다.
- 셋째, 본 연구의 실험설계는 단일집단 사전-사후 검사를 통해 창의적 문제해결력 향상 효과를 살펴보았으나, 실험처치에 의한 효과를 더욱 명확히 하기 위해 이질통제집단 사전-사후 검사로 실험을 확대할 필요가 있다.
- 이 연구는 충청남도 소재 일반계 A고등학교 기술 가정 교과 창의공학설계 단원을 수강하는 1학년 학생 52명을 대상으로 사전-사후 t검증을 한 연구이기에 통제집단을 통한 비교연구가 부족하여 일반적인 결과라고 단정하기에는 어려움이 있다.
- 첫째, 본 연구는 충청남도 아산시 소재 A고등학교 1학년 전체인 52명을 학생을 대상으로 하였으며, 소규모 학교로 실험집단과 통제집단의 구분 시 추리통계의 제한이 있을 것으로 판단되어 단일집단 사전-사후 실험설계를 적용하였다. 추후 연구 결과의 일반화를 위해 지역과 대상을 확대하여 적용하는 후속 연구가 필요하다.
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