고등학교 과학탐구실험 교과에 피지컬 컴퓨팅을 융합한 수업이 SW 교육 인식 및 융합 소양에 미치는 영향 The Effects of a Physical Computing Convergence Class to the Science Exploration Experiment Subject of High School on the SW Education Recognition and the Convergence Literacy원문보기
4차 산업혁명과 융합시대를 맞이하여 미래 사회 인재 육성을 위해 다양한 논의와 연구가 진행되고 있으며, 이를 통해 창의적인 융합인재에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이에 따라 소프트웨어 중심 사회로의 변화에 발맞추어 세계 각국에서는 SW 교육을 강화하고자 노력하고 있으나 융합의 중심이 되는 정보 교과와 SW 교육의 필요성에 대한 고등학교 학생들의 인식이 부족하며, 이를 개선하기 위해서는 정보 교과와 다양한 분야와의 융합의 기회가 제공되어야 한다. 이에 본 연구에서는 과학탐구실험 교과에 정보 교육을 융합하여 창의적인 융합 역량을 발휘할 수 있는 교육 프로그램을 구성하고, 고등학교 학생들에게 9차시에 걸쳐 피지컬 컴퓨팅을 활용한 융합 수업을 적용하였다. 실험 결과 과학과 정보의 융합 수업을 실시한 실험 집단의 SW 교육에 대한 인식이 개선되었으며, 또한 학습자의 융합 소양 향상에 있어서도 융합 수업을 실시한 실험 집단이 일반 과학실험 수업을 실시한 통제 집단에 비해 유의미한 차이가 있음을 확인하였다.
4차 산업혁명과 융합시대를 맞이하여 미래 사회 인재 육성을 위해 다양한 논의와 연구가 진행되고 있으며, 이를 통해 창의적인 융합인재에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이에 따라 소프트웨어 중심 사회로의 변화에 발맞추어 세계 각국에서는 SW 교육을 강화하고자 노력하고 있으나 융합의 중심이 되는 정보 교과와 SW 교육의 필요성에 대한 고등학교 학생들의 인식이 부족하며, 이를 개선하기 위해서는 정보 교과와 다양한 분야와의 융합의 기회가 제공되어야 한다. 이에 본 연구에서는 과학탐구실험 교과에 정보 교육을 융합하여 창의적인 융합 역량을 발휘할 수 있는 교육 프로그램을 구성하고, 고등학교 학생들에게 9차시에 걸쳐 피지컬 컴퓨팅을 활용한 융합 수업을 적용하였다. 실험 결과 과학과 정보의 융합 수업을 실시한 실험 집단의 SW 교육에 대한 인식이 개선되었으며, 또한 학습자의 융합 소양 향상에 있어서도 융합 수업을 실시한 실험 집단이 일반 과학실험 수업을 실시한 통제 집단에 비해 유의미한 차이가 있음을 확인하였다.
In the era of the 4th industrial revolution and convergence, various discussions and studies have been conducted to develop future social talents, and through this, the need for creative convergence talents is increasing. In line with the change to a software-oriented society, countries around the w...
In the era of the 4th industrial revolution and convergence, various discussions and studies have been conducted to develop future social talents, and through this, the need for creative convergence talents is increasing. In line with the change to a software-oriented society, countries around the world are trying to strengthen SW education, but high school students' awareness of the necessity of information subject and SW education that is the center of convergence is insufficient. Therefore, opportunities for convergence of the information subject and various fields should be provided. In this study, information education was converged to the science exploration experiment subject to construct an educational program that can develop creative convergence, and a convergence class using physical computing were applied to high school students for 9 hours. As a result of the experiment, the recognition of SW education of the experimental group was improved, and it was confirmed that the learner's convergence literacy of the experimental group was statistically different from that of the control group that conducted the general science experiment class.
In the era of the 4th industrial revolution and convergence, various discussions and studies have been conducted to develop future social talents, and through this, the need for creative convergence talents is increasing. In line with the change to a software-oriented society, countries around the world are trying to strengthen SW education, but high school students' awareness of the necessity of information subject and SW education that is the center of convergence is insufficient. Therefore, opportunities for convergence of the information subject and various fields should be provided. In this study, information education was converged to the science exploration experiment subject to construct an educational program that can develop creative convergence, and a convergence class using physical computing were applied to high school students for 9 hours. As a result of the experiment, the recognition of SW education of the experimental group was improved, and it was confirmed that the learner's convergence literacy of the experimental group was statistically different from that of the control group that conducted the general science experiment class.
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문제 정의
본 연구에서는 첫째, 미래 사회에 요구되는 인재상을 살펴보고 창의융합 인재의 개념 및 창의융합 인재가 갖추어야 할 융합 역량을 정의한다. 둘째, 고등학교 학생들의 정보 교과 및 SW 교육에 대한 인식을 살펴본다. 셋째, 고등학교 학생들에게 융합 경험 제공을 위한 CT-CPS(Computational Thinking-Creative Problem Solving) 수업모형 기반의 과학·정보 창의융합 수업을 설계하고 이를 교육과정에 적용할 수 있는지 살펴본다.
따라서 본 연구에서는 일상생활의 과학적 문제를 창의적으로 해결하기 위해 SW 및 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 설계하여 그 효과를 확인해 보고자 하였다.
본 연구는 고등학교 수업에서 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업이 고등학교 학생들의 SW 교육에 대한 인식 및 융합 소양에 미치는 영향을 분석하기 위한 것이다.
이에 본 연구에서는 2018년부터 새로 도입된 ‘고등학교 과학탐구실험’ 교과와 ‘정보’ 교과와의 창의융합 수업을 설계하여 학교 현장에 적용하고, 이것이 학생들의 SW 교육에 대한 인식 및 융합 소양 향상에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 본 연구에서는 첫째, 미래 사회에 요구되는 인재상을 살펴보고 창의융합 인재의 개념 및 창의융합 인재가 갖추어야 할 융합 역량을 정의한다. 둘째, 고등학교 학생들의 정보 교과 및 SW 교육에 대한 인식을 살펴본다.
본 연구에서는 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 설계하고, 이 수업이 고등학생의 SW 교육에 대한 인식과 융합 소양 향상에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다.
셋째, 고등학교 학생들에게 융합 경험 제공을 위한 CT-CPS(Computational Thinking-Creative Problem Solving) 수업모형 기반의 과학·정보 창의융합 수업을 설계하고 이를 교육과정에 적용할 수 있는지 살펴본다.
이에 본 연구에서는 2018년부터 새로 도입된 ‘고등학교 과학탐구실험’ 교과와 ‘정보’ 교과와의 창의융합 수업을 설계하여 학교 현장에 적용하고, 이것이 학생들의 SW 교육에 대한 인식 및 융합 소양 향상에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다.
가설 설정
연구가설 #1: 과학·정보 창의융합 수업을 통해 고등학생의 SW 교육에 대한 인식을 변화시킬 수 있을 것이다.
연구가설 #2: 과학·정보 창의융합이 일반적인 과학실험 수업보다 고등학생의 융합소양을 향상시킬 것이다.
제안 방법
9차시에 걸쳐 실험집단에 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하고 사후검사를 실시하였다.
각각의 창의융합 실험 및 설계에서는 아래 [그림 1]과 같이 전체 실험활동 후에 조별 실험활동으로서 CT-CPS 수업 모형에 따라 단계별 활동 내용을 정하고 이를 바탕으로 교수·학습 과정안과 학습지 및 실험보고서를 개발하였다.
넷째, 설계된 프로그램을 실제 수업에 활용하여 과학·정보 창의융합 수업이 SW 교육 인식 및 융합 소양 향상에 어떠한 영향을 미치는지 검증 및 분석한다.
둘째, CT-CPS 수업 모형을 활용하여 인지적인 측면과 정의적인 측면에서의 균형 있는 역량 강화를 위한 활동을 포함하도록 하였다. 즉, 인지적 측면에서 다양한 과학적 지식과 SW 내용지식을 바탕으로 이를 프로그램으로 구현하는 방법을 학습하도록 하였으며, 정의적 측면에서는 문제 해결의 목적을 이해하고 이를 통해 나에게 어떤 변화가 생기는지 생각해 볼 수 있도록 구성하였다.
또한 정보 교사가 해당 동아리 담당 과학교사와의 사전 협의를 통해 과학 교육과정에서 기본적으로 필요하다고 생각되는 실험주제를 선정하였다. 또한 학생별로 물리, 화학, 생물, 지구과학 등 흥미를 가지고 있는 분야에 차이가 있어 이 분야들이 다양하게 포함될 수 있도록 주제를 선정하였다.
마찬가지로 사전 검사 후 9차시에 걸쳐 실험집단에 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하고 통제집단에 일반적인 과학실험 수업을 진행하였다.
본 연구에서는 이론적 배경과 선행 연구를 바탕으로 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업 설계의 방향을 다음과 같이 설정하였다.
삼성 주니어 소프트웨어(2013)에서 개발한 SW 교육 인식조사 설문지를 바탕으로 조사하였다[20]. 이 도구는 3개의 하위 영역으로 이루어져 있으며 컴퓨터에 대한 자신의 생각, SW융합교육에 대한 자신의 생각, 프로그래밍에 대한 자신의 생각으로 구성되어 있다.
두 번째로는 그 문제를 해결하기 위한 방법과 아이디어를 다양하게 구상해보고, 이를 통해 실험에서 확인해야 할 핵심요소를 추출하는 추상화 단계를 거친다. 세 번째로는 이 아이디어를 구체화하기 위한 방법을 그림으로 묘사해 보거나, 논리적인 요소를 알고리즘화 하여 표현한다. 마지막 단계에서는 피지컬 컴퓨팅 도구를 활용하여 설계된 아이디어를 직접 구현해보고, 실험의 결과를 분석하여 발표함으로써 동료나 교사와 함께 수정 및 평가하는 과정을 거치게 된다.
셋째, 학생들이 스스로 문제를 발견하고 해결방법을 도출하는 과정에서 창의성을 발휘할 수 있도록 실험 설계에 있어 다양한 문제를 학생 스스로 찾아 해결하도록 하였으며, 이 과정에서 정의적 측면의 향상의 기회를 주기 위해 조별 활동으로 수업을 구성하였다.
수업 종료 후 SW 인식조사 설문지와 융합 소양 요소들과 관련된 검사문항을 바탕으로 사후 검사를 실시하여 실험집단에서의 SW 인식의 변화를 살펴보고, 실험집단과 통제집단의 융합 소양의 각 요소별 집단간 차이를 살펴보았다. 본 연구의 실험 설계는 아래 <표 7>과 같다.
마찬가지로 사전 검사 후 9차시에 걸쳐 실험집단에 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하고 통제집단에 일반적인 과학실험 수업을 진행하였다. 실험집단과 통제집단의 융합 소양의 변화를 살펴보기 위해 두 집단 모두 융합 소양 요소에 대한 사후 검사를 실시하였다. 실험집단과 통제집단의 사후 검사 실시 결과를 독립표본 t-검정을 통해 비교한 결과는 다음 <표 12>와 같다.
실험집단의 과학·정보 창의융합 수업에 의한 SW 교육에 대한 인식의 변화를 살펴보기 위해 SW 인식 검사지를 통한 사전 검사를 실시하였다.
아래 [표 4]와 같이 실험집단에 CT-CPS 수업 모형을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하였고, 통제집단에는 일반적인 과학실험 수업을 실시하였다.
이를 위하여 생활 주변에서 과학과 관련된 문제를 찾고 이를 창의적으로 해결하기 위해 과학의 기본 개념과 탐구 활동을 활용하는 능력을 기르는 데 초점을 두며, 전통적인 과학탐구 활동 이외에도 문제의 발견과 해결을 포괄하는 프로젝트 형태의 과학 탐구 활동 및 창의적 설계와 공학적 도구 제작을 경험할 수 있도록 하였다. 이는 컴퓨터과학 지식과 기술의 탐구와 더불어 실생활의 문제 해결을 위한 새로운 지식과 기술을 창출하고 통합적으로 적용하는 능력과 태도의 함양한다는 ‘정보’ 교과의 성격과 공통된 점이 있다.
이를 위하여 위와 같이 고등학교 과학 동아리 중 2개의 동아리를 임의로 선정하여 융합 소양 요소들과 관련된 사전검사를 통해 동질성 검사를 실시하였고, 실험집단에는 사전 SW 인식조사를 실시하였다. 이후 9차시에 걸쳐 실험집단에는 설계된 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하고, 통제집단에는 일반적으로 실시되는 과학실험 수업을 적용하였다.
이후 9차시에 걸쳐 실험집단에는 설계된 피지컬 컴퓨팅을 활용한 과학·정보 창의융합 수업을 적용하고, 통제집단에는 일반적으로 실시되는 과학실험 수업을 적용하였다.
첫째, 수업의 주제를 정보 교과 및 과학탐구실험 교과의 교육과정에 연계되는 실생활과 관련된 내용으로 선정하여 학생들의 융합수업에 대한 흥미를 이끌어 낼 수 있도록 하였다. 즉, 실생활에서 발생하는 과학적 현상을 실험주제로 선정하고 이를 아두이노의 센서들과 주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구들을 활용하여 실험장치를 직접 구상하여 문제를 해결함으로써 창의적 문제해결의 과정에 적극 참여하도록 하였다.
둘째, CT-CPS 수업 모형을 활용하여 인지적인 측면과 정의적인 측면에서의 균형 있는 역량 강화를 위한 활동을 포함하도록 하였다. 즉, 인지적 측면에서 다양한 과학적 지식과 SW 내용지식을 바탕으로 이를 프로그램으로 구현하는 방법을 학습하도록 하였으며, 정의적 측면에서는 문제 해결의 목적을 이해하고 이를 통해 나에게 어떤 변화가 생기는지 생각해 볼 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
본 연구의 대상은 A시에 소재한 고등학교 1～2학년으로 구성된 과학 동아리 2집단을 대상으로 하였으며, 아래 과 같이 실험집단 1개 동아리, 통제집단 1개 동아리로 각각 선정하였다.
데이터처리
적용 연구에서 실험 처치 이전에 실험 집단과 통제집단의 융합 소양 요소에 대한 사전 검사를 실시하였다. 두 집단의 동질성 여부를 판단하기 위해 독립표본 t-검정을 통해 비교하였다. 두 집단의 사전 검사 결과는 다음 [표 10]과 같으며, 융합 소양에 대한 실험집단과 통제집단이 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 두 집단이 동질집단임을 확인하였다(p<.
이 후, 두 집단의 사후검사를 바탕으로 독립표본 t-검정을 실시하였으며, 전체 검정에 사용한 유의수준은 p < 0.05로 정하여 분석하였다.
본 연구에서 자료분석 및 처리는 IBM SPSS Statistics 21 버전을 사용하였다. 적용 연구를 위한 실험집단과 통제집단의 동질성 여부를 확인하기 위해 각 사전검사를 바탕으로 각 집단별 학습자의 평균 차이에 대해 독립표본 t-검정을 실시하였다. 이 후, 두 집단의 사후검사를 바탕으로 독립표본 t-검정을 실시하였으며, 전체 검정에 사용한 유의수준은 p < 0.
이론/모형
본 연구에서는 다양한 센서들을 실험의 목적에 맞게 자유롭게 사용할 수 있도록 이들을 사용할 수 있는 아두이노(Arduino UNO)를 피지컬 도구로 선정하였으며, 아두이노에 대한 기본 교육이 부족한 학생들이 조금 더 쉽게 실험장치를 구상하고 사용할 수 있도록 아두이노 센서 쉴드(Arduino Sensor Shield v5.0)를 함께 사용하였다.
융합 소양을 측정하기 위한 검사는 최유현 등(2013)이 개발한 융합인재 소양 측정도구를 활용하였다[9]. 이 도구는 융합인재 교육의 평가요소인 융합(convergence), 혁신(creativity), 존중(caring), 소통(communication)의 4C 요인을 준거로 개발되었다.
성능/효과
표 12. 실험-통제집단 간 융합 소양 사후 검사 결과
결과에서 보면 하위요소인 융합수준과 혁신수준에서 유의수준 .04로 통계적으로 유의미한 차이를 보였고, 그 이외의 요소에서는 유의수준 .05 이상으로 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았으나, 융합 소양 검사 전체적인 평균에서 유의수준 .04로 통계적으로 유의미한 차이를 보였다
.
그 결과 과학·정보 창의융합 수업이 고등학생의 SW 교육에 대한 인식을 긍정적으로 변화시키는데 통계적으로 유의미함을 확인하였다.
두 집단의 사전 검사 결과는 다음 [표 10]과 같으며, 융합 소양에 대한 실험집단과 통제집단이 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않아 두 집단이 동질집단임을 확인하였다(p<.05).
또한 과학· 정보 창의융합수업이 일반적 과학실험 수업보다 고등학생의 융합 소양 사전-사후 검사에서 더욱 많은 향상을 보이며 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다.
실험집단의 실험 처치에 의한 SW 교육에 대한 인식의 변화를 보기 위한 SW 인식 사전-사후 검사 결과를 보면 컴퓨터에 대한 생각, SW 융합에 대한 생각, 프로그래밍에 대한 생각의 요소에서 모두 유의수준 .05 이하로 통계적으로 유의미한 결과를 보였다.
첫째, 수업의 주제를 정보 교과 및 과학탐구실험 교과의 교육과정에 연계되는 실생활과 관련된 내용으로 선정하여 학생들의 융합수업에 대한 흥미를 이끌어 낼 수 있도록 하였다. 즉, 실생활에서 발생하는 과학적 현상을 실험주제로 선정하고 이를 아두이노의 센서들과 주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구들을 활용하여 실험장치를 직접 구상하여 문제를 해결함으로써 창의적 문제해결의 과정에 적극 참여하도록 하였다.
후속연구
SW 교육 인식 변화 결과는 아두이노라는 새로운 실험 도구를 이용한 실험방식을 통해 학생들의 정보기기 및 SW에 대한 호기심과 흥미를 이끌어내고, 이것이 정보를 전공하는 학생뿐만 아니라 데이터의 수집, 분석 등을 활용하는 다양한 분야에 활용될 수 있음을 경험하게 된 결과라고 보여진다. 이는 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 교육이 컴퓨터나 IT 기술에 더 관심을 가지게 하고, SW 교육을 진행하면서 프로그램이 어디에 사용되고 실생활 및 자신의 관심분야와 어떻게 연계되어 사용되는지 알게 되면서 SW 교육 인식에 긍정적인 영향을 미치게 된다는 것을 의미한다.
둘째, 입시 위주의 고등학교 수업에서 정보 교과의 인식 개선을 위해서는 내실 있는 정보 교과 수업이 무엇보다 중요하지만, 이와 더불어 정보 교과 중심의 다양한 창의융합 수업 확대를 통한 학생의 관심분야와 정보 교과와의 융합 경험 제공으로 정보 교과 인식 개선을 위한 노력이 필요하다.
셋째, 각 과목이 전문화·분리화 되어있는 고등학교에서 창의융합 수업을 통한 융합 역량을 발휘할 수 있는 환경을 조성하기 위해서는 융합수업 시간 확보, 수업자료 및 교육과정 마련 등의 제도적 뒷받침이 요구된다
이 연구에서는 정보 교과와 과학 교과와의 창의융합 수업을 시도하였으나, 이를 시작으로 정보 교과와 보다 많은 분야와의 융합을 위한 고민을 통해 학교의 교실수업에서 학생들이 창의·융합적인 역량을 충분히 계발할 수 있는 여건이 보다 원활하게 조성될 수 있을 것으로 기대한다.
첫째, 본 연구는 9차시 수업으로 총 39명의 과학동아리 학생에게 정보 교과와 과학 교과와의 융합수업을 통해 연구결과를 도출하였으므로 전체 고등학생을 대상으로 일반화하여 적용하는데 한계가 있다. 지역별, 학년별 대상을 달리 설정하여 후속 연구를 진행할 필요가 있으며, 앞으로 정보 과목과 다양한 과목과의 융합을 위한 수업설계 및 효과에 대한 연구가 필요하다.
첫째, 본 연구는 9차시 수업으로 총 39명의 과학동아리 학생에게 정보 교과와 과학 교과와의 융합수업을 통해 연구결과를 도출하였으므로 전체 고등학생을 대상으로 일반화하여 적용하는데 한계가 있다. 지역별, 학년별 대상을 달리 설정하여 후속 연구를 진행할 필요가 있으며, 앞으로 정보 과목과 다양한 과목과의 융합을 위한 수업설계 및 효과에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
융합이 교과간의 통합과 다른 의미를 가지는 이유는?
융합은 일반적인 교과간의 통합(integration)과 서로 다른 의미를 가진다. 융합은 서로 다른 이질적인 학제간(interdisciplinary) 또는 초학제간(trans-disciplinary) 에 이루어지기 때문이다. 통합이 A+B=(A+B)의 관계를 가지고 있다면, 융합은 A+B=C+a의 관계를 이룬다.
융합이란?
미래사회는 지구 온난화, 에너지 문제 등 실생활의 복잡한 문제가 증가하고 이런 문제를 해결하기 위해 기존의 교육시스템과 다른 학문의 영역을 넘나드는 융합적 지식과 사고가 필요하다. 융합의 국립국어원의 사전적 의미를 살펴보면 ‘다른 종류의 것이 녹아서 서로 구별 없게 하나로 합하여지거나 그렇게 만듦. 또는 그런 일’ 이라고 나와 있다. 융합은 일반적인 교과간의 통합(integration)과 서로 다른 의미를 가진다.
아두이노를 활용한 교육의 효과는?
박동진(2017)의 연구에서 아두이노를 활용한 과학기반 STEAM(Science, Technology, Engineer -ing, Arts and Mathematics) 프로그램이 과학학습동기와 창의적 문제해결력에 미치는 영향의 변화를 분석한 결과 초등영재학생들의 창의적 문제해결력을 향상시키는데 효과가 있었다. 아두이노를 활용하여 비구조화된 문제 상황을 스스로 해결해 보는 과정 속에서 프로그래밍의 논리적인 구조에 대해 사고할 기회를 갖게 되고, 문제 해결을 위한 공학적 도구를 제작함으로써 창의적인 전략을 세우는데도 도움이 되었음을 알 수 있다[18].
참고문헌 (20)
김태은.이재진.우연경(2017). 창의.융합형 인재 양성에 대한 교육계 내.외부의 견해 비교. 한국교육학연구, 23(2), 157-190.
전용주 (2017). 새로운 교육과정의 소프트웨어 교육을 위한 컴퓨팅 사고력 기반 창의적 문제해결(CT-CPS) 수업모형의 개발 및 적용. 박사학위 논문, 한국교원대학교.
전용주 (2017). 중등 소프트웨어 수업에서 컴퓨팅 사고력 기반 창의적 문제해결(CT-CPS) 수업모형의 인지적.정의적 효과성 분석. 컴퓨터교육학회 논문지, 20(4), 47-57.
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