[논문]디자인씽킹 기반 고등학교 화학 수업의 효과 연구

양희선; 김미영; 강성주

doi:10.5012/jkcs.2020.64.3.159

디자인씽킹 기반 고등학교 화학 수업의 효과 연구
The Effects of Design Thinking in High School Chemistry Classes 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.64 no.3, 2020년, pp.159 - 174

양희선 (한국교원대학교 초등과학교육과) , 김미영 (한국교원대학교 화학교육과) , 강성주 (한국교원대학교 화학교육과)

초록
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본 연구의 목적은 창의 융합형 인재의 핵심역량을 위한 교육 전략으로 '디자인씽킹(Design Thinking)' 기반 화학 수업 프로그램을 검토하고자 한다. 이를 위하여, '과학교육에서의 디자인적 사고 프로세스'가 화학 교과 수업에 적용할 수 있도록 '관련 지식 이해', '공감', '관점 공유', '아이디어 생성', '1차 프로토타입', '1차 검증', '2차 프로토타입', '2차 검증'의 총 8단계로 수정·보완하였다. 2015 개정 교육과정과 2009 개정 교육과정의 연계성을 고려하여 성취기준을 선정하고 이를 만족할 수 있는 주제에 따라 교수·학습 지도안과 학생 활동지를 개발하였다. 4가지 주제가 개발되어 일반계 고등학교 2학년을 대상으로 3월에서 8월까지 화학I시간에 적용하고, '공감', 'STEAM교육역량', '문제 해결 과정' 검사를 토대로 수업 장면에 대한 질적 데이터 분석과 사전·사후 평가를 실시하였다. 과학수업에서의 '공감'요소는 타인과의 공감과 문제 상황과의 공감에서 유의미한 향상을 보였고, 'STEAM교육역량'에서는 과학, 디자인 역량에서 유의미한 효과가 나타났다. '문제 해결 과정'에서는 문제 발견, 문제 정의, 문제 해결책 고안, 문제 해결 검토에서 유의미한 향상이 확인되었다. 본 연구 결과는 디자인씽킹 기반 화학 수업에 대한 적용 가능성과 그 교육적 효과에 대하여 시사점을 제시하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to examine 'Design Thinking' based Chemistry Class program as an education strategy for core competence of creative convergence talent. The program stages were modified and supplemented into eight stages, including 'Knowledge Understand', 'Empathy', 'Sharing perspective', 'Ideate', '1st Prototype', '1st Test', '2nd Prototype', and '2nd Test', so that the 'Design Thinking Process in Science Education' can be applied to the chemistry class. Considering the linkage between the 2015 and 2009 revised national curriculum, the achievement criteria were selected, and the lesson plans and student activity sheet were developed according to the themes to be met. Four thematic educational programs were developed and applied to Chemistry I for the second grade of high school students from March to August. The results were verified through qualitative data analysis of the class scene and pre- and post-test based on inventories of 'Empathy' 'STEAM educational competence', 'Problem solving process'. As a result of applying the developed program, 'empathy' showed a significant improvement in empathy with others and empathy with the problem situation. In 'STEAM educational competence', there was a significant enhancement in science and design competence. In the 'problem finding process', the problem definition, problem solution design, and problem-solving review were significantly improved in the 'problem-solving process'. The results of this study provided implications for the applicability of design thinking - based chemistry classes and its educational effect.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Selected theme and Achievement Standards in Chemistry I Curriculum which involved in it
표 Table 2. The stage and the behavioral attribute in chemical classes applied to design thinking process
그림 Figure 1. Example for each step of the chemical I program based on the design thinking process.
그림 Figure 2. Student Activities for the First Test.
표 Table 3. The result of Paired Sample t-test on three Inventories
표 Table 4. The result of Paired Sample t-test on Empathy
표 Table 5. The result of Paired Sample t-test on STEAM Educational Competence
표 Table 6. The result of Paired Sample t-test on Problem-Solving process

AI 본문요약
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문제 정의

이를위해, 연구자들은 디자인씽킹 방법론을 화학 교육적인 측면에서 접근하여 문제 해결 과정에 따른 학생들의 창의융합적인 문제 해결력이 향상될 수 있는 실효성 높은 방법론으로 구성하고 이를 실제 수업에 투입하여 그 효과에대하여 검토하고자 하는 것이다. 결국, 본 연구의 목적은고등학생을 대상으로 교육과정 성취기준에 따라 디자인씽킹 프로그램을 개발하고 지속적인 프로그램 투입을 통해 그 효과를 학생들의 공감능력, STEAM교육역량, 문제해결 과정측면에서 종합적으로 분석하고자 한다.
특히, 앞에서 언급된 디자인씽킹이 문제 해결과정에서 주는 인지적이며 사회 정서적 효과를 학생들의 공감능력의 신장으로확인하고, 과학 및 기술 융합적 문제 해결력을 STEAM교육역량의 신장을 통해서 확인할 필요가 있는 것이다. 이를위해, 연구자들은 디자인씽킹 방법론을 화학 교육적인 측면에서 접근하여 문제 해결 과정에 따른 학생들의 창의융합적인 문제 해결력이 향상될 수 있는 실효성 높은 방법론으로 구성하고 이를 실제 수업에 투입하여 그 효과에대하여 검토하고자 하는 것이다. 결국, 본 연구의 목적은고등학생을 대상으로 교육과정 성취기준에 따라 디자인씽킹 프로그램을 개발하고 지속적인 프로그램 투입을 통해 그 효과를 학생들의 공감능력, STEAM교육역량, 문제해결 과정측면에서 종합적으로 분석하고자 한다.
이에 본 연구는 디자인씽킹 방법론을 화학 교육과정에도입하여 정규 교과 시간에 교육활동이 이루어질 수 있도록 구성하고 이에 대한 효과를 탐색하고자 한다. 특히, 앞에서 언급된 디자인씽킹이 문제 해결과정에서 주는 인지적이며 사회 정서적 효과를 학생들의 공감능력의 신장으로확인하고, 과학 및 기술 융합적 문제 해결력을 STEAM교육역량의 신장을 통해서 확인할 필요가 있는 것이다.
그리고 이는 분명 디자인씽킹 교육이 가진제한점이자, 극복해야 할 도전과제일 것이다. 이에 본 연구에서 이러한 한계점을 극복하기 위하여 디자인씽킹 기반화학 I 프로그램을 화학 교과에서 2015 개정 교육과정 성취기준과의 연계성을 고려하여 개발하려고 하였고 그 효과를 다양한 각도에서 분석하고자 하였다. 그럼에도 불구하고 드러난 제한 요소들은 디자인씽킹 기반 프로그램들이고등학교 화학시간에 널리 활용되면서 계속적인 수정 및보완에 관한 연구로 이루어질 필요가 있다.

제안 방법

과학 수업 상황에서 공감을 ‘타인과의 공감’과 ‘문제 상황과의 공감’으로 나누어 디자인씽킹 기반 화학 I 프로그램이 미치는 영향을 알아보았다
그리고 디자인씽킹의 각 단계에 따라학생용 활동지와 학습 지도안을 포함한 ‘디자인씽킹 기반화학 I 프로그램’을 개발하였다.
디자인씽킹 기반의 화학 수업을 통해 학생들의 행동 변화가 어떻게 나타났는지를 확인하기 위하여, 수업 현장노트로 디자인씽킹 단계에 따라 나타나는 학생들의 행동 특성을 확인하는 질적 자료와 설문지에 대한 학생들의 응답내용을 통계적으로 분석하는 양적 자료를 수집하고 이를종합하여 분석하였다.
디자인씽킹을 화학 수업에 적용하기 위하여 우리나라의과학 교육에 적용 가능한 디자인씽킹 방법론에 대한 선행연구를 분석하였고 화학 교육 전공 교육 전문가(교수) 1명, 화학 교육 전공 박사과정 2명, 화학교육 석사과정 교사 2명과 논의한 끝에, 영재 동아리활동에서 타당성을 확인한 이도현 외(2016)의 연구를 모체로 고등학교 정규 화학 수업에 맞도록 수정보완하기로 하였다. 이도현의 연구에서 디자인씽킹 단계는 ‘관련 지식 이해’, ‘공감’, ‘관점공유’, ‘아이디어 생성’, ‘프로토타입’, ‘검증’의 5단계로구성되어 있다.
또한 양적 자료의 수집과 분석을 위하여, 본 프로그램을화학 교과 시간에 투입한 일반계 고등학교 2학년을 대상으로 사전·사후 설문을 실시하였다
본 연구를 위해, Table 1에 제시된 바와 같이 2015개정교육과정과 연계성이 높은 2009 개정 교육과정 성취기준에따라 주제를 선정한 후 각 6차시 4회에 해당하는 화학 교과수업에서 디자인씽킹 기반 교육프로그램의 교수·학습 지도안과 학생 활동지를 개발하고 그 효과를 분석하고자 하였다.
이를 위해, 디자인씽킹 기반 화학 I 프로그램을 고등학교 화학 수업시간에 지속적으로 적용하고 그 실효성에 대하여과학 수업에서의 ‘공감’, ‘STEAM교육역량’, ‘문제 해결과정’ 측면에서 자문화기술기의 방법으로 정성적으로 분석하고 학생들의 설문결과를 정량적으로 확인한 후, 학생들의 인식까지 종합적으로 분석하였다.
하지만학교 현장에서의 교육방식이 변하지 않는 이상 새로운 시대의 핵심 역량을 지닌 미래 인재 양성은 어렵다. 이에 본연구에서는 인간중심적인 사고에 기반을 두어 양질의 아이디어를 확보하고, 협업 기반의 창의적인 문제 해결 방법인 디자인씽킹을 창의 융합형 인재 양성의 전략으로 보고 이를 교육 현장에 적용한 후, 그 효과를 검토하였다. 이를 위해, 디자인씽킹 기반 화학 I 프로그램을 고등학교 화학 수업시간에 지속적으로 적용하고 그 실효성에 대하여과학 수업에서의 ‘공감’, ‘STEAM교육역량’, ‘문제 해결과정’ 측면에서 자문화기술기의 방법으로 정성적으로 분석하고 학생들의 설문결과를 정량적으로 확인한 후, 학생들의 인식까지 종합적으로 분석하였다.
화학 I의 2015 개정 교육과정과 연계성이 높은 2009 개정교육과정 성취기준 중 이도현 외(2016)의 ‘과학교육에서의디자인적 사고 프로세스’가 적용될 수 있는 4회에 해당하는 주제를 선정하여 각 6차시의 디자인씽킹 기반 교육프로그램을 개발하고 투입하였다(Table 1)

데이터처리

프로그램을 적용 후일반계 고등학생들의 ‘타인과의 공감’, ‘문제 상황과의 공감’, ‘문제 해결 과정’, ‘STEAM교육역량’에 대한 효과를알아보기 위해 연구대상에 대한 사전·사후 검사 결과에대해 통계프로그램을 사용하여 종속표본 t검증을 실시하였다.

성능/효과

다른 사람의 입장을 취하려는 경향인 ‘관점 취하기’는인지적 공감에 해당하며, 다른 사람이 처한 상황에 대해정서적 반응을 느끼며 타인에게 관심을 갖는 경향인 ‘공감적 관심’은 정서적 공감에 해당하기에 인지적 공감과정서적 공감 모두 유의한 향상을 보였다
마지막으로 1차 검증 단계에서 다른 모둠의 프로토타입에 대한발표를 듣고 질의응답 및 피드백 과정에서 작품을 감상하는 것을 좋아하는 ‘감성’ 역량에 영향을 주었고 작품을 만들고 작품을 이해하며 설명하는 것을 좋아하는 것 또는작품을 객관적으로 평가할 수 있는 능력인 ‘미적성찰’ 에도긍정적인 영향을 준 것으로 보인다.
마지막으로 본 프로그램은 태도,흥미, 가치를 의미하는 ‘정의적 요소’에서도 유의미한 향상을 보였는데 문제를 찾고 협업하여 문제를 해결하는 과정이 학생들의 화학 수업에 대한 긍정적 인식의 변화를이끌었고 이것이 실제 수업 장면에서 높은 학습 참여율로나타난 것으로 해석할 수 있을 것이다.
문제 상황의 입장 및 관점을 취하는 경향인‘관점 취하기’와 허구적인 상황 속에서 느낌을 상상해 보거나 주변 현상에 의문점과 호기심을 갖고 과학적 지식을기반으로 문제에 몰입하고 문제 해결을 위한 추론 능력인‘과학적 상상하기’ 가 모두 인지적 공감 영역에 속하는데타인과의 공감 결과와 마찬가지로 인지적 공감 영역에서유의미한 향상을 보였다
이러한 연구 결과는 디자인씽킹 프로그램이 화학수업을통해 혁신적인 문제 해결 방법으로서 2015 개정 교육과정핵심 역량을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여주었다고 종합할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구의 양적 데이터 분석결과는 연구 과정 초기에 표집한 연구 대상 인원의 30%가실제 분석 대상에서 제외되었기 때문에 단일 집단 사전·사후 검사로서 내용의 내적타당도 및 신뢰도면에서 한계점이 있을 수 있다.

후속연구

이에 본 연구에서 이러한 한계점을 극복하기 위하여 디자인씽킹 기반화학 I 프로그램을 화학 교과에서 2015 개정 교육과정 성취기준과의 연계성을 고려하여 개발하려고 하였고 그 효과를 다양한 각도에서 분석하고자 하였다. 그럼에도 불구하고 드러난 제한 요소들은 디자인씽킹 기반 프로그램들이고등학교 화학시간에 널리 활용되면서 계속적인 수정 및보완에 관한 연구로 이루어질 필요가 있다. 또한, 이렇게개발될 프로그램에 대하여 2015 개정 교육과정에서 요구하는 핵심 역량 향상에 효과가 있는지를 객관적으로 입증할 수 있는 측정도구의 개발이 후속 연구로서 필요하다.
하지만 이를 보완하기 위하여 자문화기술방법을 통한 질적 데이터의 분석 결과로 본 프로그램의3가지 측면에 대한 효과에 대하여 검토하고 이를 종합하여그 의미를 도출하려고 노력하였다. 또 다른 제한점은 본프로그램과 같이 디자인씽킹 방법론을 사용하는 교육프로그램의 공통점으로서 프로그램의 학교 현장 적용에 있어서 전통적인 학습 방식에 익숙한 학습자들에게 다소 낯설기에 인지적 측면에서 부담감을 줄 수 있다. 디자인씽킹이 그 특성상 팀을 기반으로 진행되며, 역동적인 문제해결 과정에 발현되기 때문에 이러한 장점이 교육과정에서는 장애요소로 작용하거나 교육성과를 저해하는 요소가 될 수 있다.
그럼에도 불구하고 드러난 제한 요소들은 디자인씽킹 기반 프로그램들이고등학교 화학시간에 널리 활용되면서 계속적인 수정 및보완에 관한 연구로 이루어질 필요가 있다. 또한, 이렇게개발될 프로그램에 대하여 2015 개정 교육과정에서 요구하는 핵심 역량 향상에 효과가 있는지를 객관적으로 입증할 수 있는 측정도구의 개발이 후속 연구로서 필요하다.마지막으로 디자인씽킹 방법론은 상황과 맥락에 따라 적합한 과정과 방법이 달라질 수 있기 때문에 학교급 별로 디자인씽킹 프로그램을 적용하여 교과 수업 시간의 교육과정으로 확장할 필요가 있을 것이다.
하지만 본 연구의 양적 데이터 분석결과는 연구 과정 초기에 표집한 연구 대상 인원의 30%가실제 분석 대상에서 제외되었기 때문에 단일 집단 사전·사후 검사로서 내용의 내적타당도 및 신뢰도면에서 한계점이 있을 수 있다

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저자의 다른 논문 :

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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