컴퓨터 사고 연구 동향

국외 연구 동향

미국의 ISTE와 CSTA(2011)는 전문가 집단의 설문을 통하여 컴퓨팅 사고에 대한 조작 적 정의를 내렸으며, K-12 컴퓨터 과학 교육과정에 컴퓨팅 사고를 포함시켰다. 2013년 과학교육과정을 개편하면서 차세대 과학교육 표준(Next Generation Science Standard, 이하 NGSS)라는 새로운 교육과정을 발표하였다. NGSS는 과학자들이 세상에 대한 이론 과 모델을 조사하고 개발하기 위해 사용하는 과학적 실천과 공학자들이 시스템을 설계 하고 만들기 위해 사용하는 공학적 실천을 바탕으로 8개의 과학과 공학 실천을 제시하 였다. 과학자와 공학자들이 수행하는 실습을 통해 연구와 설계가 이루어지는 과정을 살펴 경험적 조사, 해결책 개발, 근거에 따른 모델이나 설명의 적합성이나 산출물 설 계의 타당성과 같은 아이디어들이 분석·논의·평가하는 3가지 영역으로 나누어 제시 하였다. 이를 토대로 학습자가 과학을 활용하기 위해 익혀야 하는 과정으로 제안하였 다. 실천 차원의 세부 영역들은 자료수집, 자료분석, 자료표현, 추상화, 모델링, 자동 화 등 컴퓨팅 사고에 관련된 내용들이며, 8가지 실천 중 하나로 수학 및 컴퓨팅사고 활용하기를 포함하고 있다. 특히 컴퓨팅 사고를 통해 인간의 인지 능력으로 수행하기 어렵거나 불가능한 일을 가능하게 하여 과학의 역량을 증대시키고 발전시킬 수 있다고 하였다. 그 과정에서 컴퓨팅 사고는 필수적인 요소이며 컴퓨팅 기기가 필요하다고 보 았다(NGSS, 2013). 수학 및 컴퓨팅 사고하기를 자세히 살펴보면 다음과 같다. 수학과 컴퓨팅은 과학과 공학에서 물리적 변인과 변인 사이의 관계를 표상하는 기본적인 도구 이다. 또한 시뮬레이션을 만들고, 방정식을 정확하게 또는 대략적으로 풀고 정량적인 관계를 인식하고 표현하고 적용하는 과정에서 사용된다. 이러한 접근법은 과학자와 공 학자가 시스템의 행동을 예측하고 그 예측에 대한 타당성을 검증하도록 한다. 따라서 컴퓨터와 디지털 도구 사용으로 인하여 정확히 계산 되지 않은 해결책을 추정하고 자 료의 분석을 통해 규칙성을 확인하는 힘을 기를 수 있으며 학생들은 컴퓨터와 연결된 실험 기구를 사용하여 관찰, 측정, 기록, 자료 처리를 할 것이다. 이러한 과정에서 컴 퓨팅 사고가 향상될 것으로 기대된다. 더 나아가 자료를 조직하고 찾는 전략, 알고리 즘과 같이 단계를 절차화하고 자연계나 인공계에 관한 시뮬레이션을 개발할 수 있을 것으로 보이며 모든 학생들은 수학 및 컴퓨팅 사고의 사용으로 과학능력을 향상시켜야 한다(NGSS, 2013).

K-2학년 3-5학년 6-8학년 9-12학년 정량적 자료와 정성

적 자료 중 어느 것 을 언제 사용할지 결 정

제안된 사물 또는 도 구가 성공 준거에 맞 는지 확인하기 위하 여 정량적 자료와 정 성적 자료 중 어느 것이 적합한지 결정

·숫자로 세는 법을 사용하여 자연계 및 인공 세계에서 나타 나는 규칙성 확인 및 기술

·간단한 자료를 정 리하여 관계의 규칙 성 표현

·디지털 도구를 사 용하여 매우 많은 자 료에서 규칙성과 경 향 분석

·현상, 설계된 도 구, 과정 또는 시스 템에 대하여 전산적 모델이나 시뮬레이션 제작 및 수정

·여러 가지 물체의 정량적 특성을 기술, 측정하고 비교하여 간단한 그래프 자료 로 표현

·물리량을 기술, 측 정, 추정하고 그래프 로 표현하여 과학, 공학적 질문 및 문제 다룸

·수학적 표상을 사 용하여 과학적 결론 이나 공학적 해결책 을 기술하고 뒷받침

·현상이나 설계안에 대한 수학적, 전산 적, 알고리즘적 표상 을 사용하여 주장, 설명을 기술하거나 뒷받침

·정량적 자료를 사 용하여 문제에 대한 두 가지 대안적 해결 책을 비교

·간단한 알고리즘에 따르는 그래프, 차트 를 만들어 공학 문제 의 대안적 해결책 비 교

·알고리즘을 만들어 문제 해결

· 과학적 질문과 공 학적 문제에 수학 개 념 및 과정 적용

·디지털 도구 및 수 학적 개념, 논증을 사용하여 공학적 설 계 문제에 대한 제안 된 해결책 검증 및 비교

·대수, 함수 기법을 사용하여 수학, 공학 적 문제를 표현하고 해결

·간단한 제한적 사 례를 사용하여 수학 적 표현, 컴퓨터 프 로그램, 알고리즘 또 는 시뮬레이션을 검 증하고 그 결과를 실 제 발생하는 것과 비 교함으로써 모델 확 인

·유도된 단위, 복합 단위를 활용하여 복잡 한 측정 문제 상황에 서 단위 변환을 적용 표 4. 과학과 공학 실천 중 수학 및 컴퓨팅 사고 (NGSS, 2013)

2013년 영국도 ‘새로운 학교 교육과정(New National Curriculum)’을 발표하면서 5세 부터 모든 학생들이 컴퓨팅 교육을 받아야 할 것을 강조하였다. 컴퓨터 과학 과목을

“Computing”이라 정하고 모든 학년이 의무적으로 교육받도록 교육과정을 구성하였다.

Computing 교육과정은 컴퓨팅 사고력과 창의성을 활용한 문제 해결 등 컴퓨팅 사고를 함 양하도록 구성하였으며, 다양한 교과와 연계되도록 하였다(한국과학창의재단, 2014;

Department for Education, 2013). 그렇다면 국내에서는 컴퓨팅 사고에 대하여 어떻게 생각하고 어떤 연구를 진행하고 있는지 살펴보자.

국내 연구 동향

국내에 처음으로 컴퓨팅 사고가 도입된 것은 2007 개정 교육과정 정보교과이다(교육 인적자원부, 2007). 이후, 이영준(2008)의 연구에 의해 초·중등학교의 컴퓨팅 사고 향상을 위한 정보 교육의 목표 설정 방향이 제시되었으며, 2009, 2015 개정교육과정을 통하여 정보 교과에서 교육목표를 컴퓨팅 사고 향상에 두고 있다(교육과학기술부, 2009; 교육부, 2015). 국내 연구를 살펴보면 21^st Century Skills와 컴퓨팅 사고에서

‘창의성’과 ‘문제해결력’의 공통적인 주요 핵심개념을 가지고 있는 것으로 보았 으며, 우리나라 교육에서 컴퓨팅 사고에 대한 개념에 대하여 생소하게 느끼거나, 알고 있더라도 단지 프로그래밍을 보거나 하드웨어와 소프트웨어로 잘못 인식하는 경우가 많다고 이야기하였다. 따라서 기본 개념의 학습을 위한 체계적인 교육 내용에 대한 연 구가 이루어져야한다고 제언하였다(최숙영, 2011). 이후 컴퓨팅 사고를 도입한 CPS(Creative Problem Solving)모형을 개발하여 학습자의 정의적 영역을 살펴보는 연 구(권정인, 2013) 및 컴퓨팅 사고를 도입한 컴퓨팅 사고 기반 실생활 문제해결 수업콘 텐츠를 개발하여 이를 적용한 후 산출물을 바탕으로 흥미성, 창의성에 대한 연구(김병 조, 전용주, 김지현, 김태영, 2016)을 통하여 컴퓨팅 사고 기반 프로그램 및 모형이 학습자의 흥미와 창의성, 의사소통 및 비판적, 논리적 사고 등에 긍정적인 영향을 미 친 것으로 나타났다(권정인, 2013; 김병조, 2015). 이는 ISTE(2011)에서 나타난 기술 및 태도와 유사한 것으로 나타났다. 이 외 컴퓨팅 사고와 관련 문헌과 스크래치 프로 그래밍 효과성 관련 문헌 결과 분석을 바탕으로 6개(절차 및 알고리즘, 병행화 및 동 기화, 자료표현, 추상화, 문제분해, 시뮬레이션)요소를 수준에 따라 기초, 발달, 능숙 3단계로 컴퓨팅 사고 세부 요소를 평가할 수 있는 루브릭을 고안하는 연구(최형신, 2014)와 일반적인 문제해결과정과 컴퓨팅 사고의 세부적 요소의 연결을 통하여 컴퓨팅

사고 역량 증진을 위한 수업 프레임 워크(최숙영, 2016) 등 프로그램 개발, 효과성에 관한 연구, 평가도구 개발 등 컴퓨팅 사고에 관련한 다양한 연구가 진행되고 있음을 확인하였다. 이러한 연구는 컴퓨터 및 정보 분야 뿐 만 아니라 수학 교육 등 다양한 교과에서도 적용이 확산되고 있다(남충모와 김종우, 2011; 박경은과 이상구, 2015; 안 대영, 2014). 교과서에서 사용하고 있는 초등 수학교육 내용을 컴퓨팅 사고의 구성요 소 측면에서 재해석 하였으며, 교과교육을 통하여 컴퓨팅 사고적 요소를 수행할 수 있 으며, 다양한 분야에서 발견되고 있는 것을 확인하였다.

과학교과와 컴퓨팅 사고 연계 현황

과학교육에서도 과학 교과와 컴퓨터 프로그래밍을 접목하여 수업을 진행하고, 이에 따른 학생들의 컴퓨팅 사고에 대한 인식 변화를 알아보는 연구가 진행되고 있으며(노 희진과 백성혜, 2015; 황요한 외, 2016), 소프트웨어 활용 수업이 과학학습에 대한 태 도 및 컴퓨팅 사고력에 도움을 주는 것으로 확인되었다. 그 외 단일교과가 아닌 STEAM 교육 프로그램에서도 컴퓨팅 사고에 대한 적용을 살펴볼 수 있다. 이은경(2012)은 컴 퓨팅 사고를 활용한 STEAM 교육 프로그램이 각 교과간의 융합의 틀을 제공할 수 있으 므로 컴퓨팅 사고를 중심으로 한 STEAM 교육이 이루어져야한다고 보았다. 이후 컴퓨팅 사고력 기반 융합인재교육 프로그램(CT-STEAM)을 개발하여 적용하였으며, STEAM 각 교 과목의 선호도, 자기수도학습 등에 효과적이므로 후속 연구 및 교육현장에서의 적용이 필요하다고 보았다(김순화, 함성진, 송기상, 2015; 함성진 외, 2014) 그러나 컴퓨팅 사고 역량을 증진시키기 위한 교육이 효과적으로 이루어지기 위해서는 다양한 측면에 서 지원이 필요하며, 프로그래밍 언어와 독립적으로 컴퓨팅 사고 역량을 측정 할 수 있는 평가 척도에 대한 연구가 필요하다고 보았다(최숙영, 2016). 과학교육입장에서의 STEAM 교육을 활용한 컴퓨팅 사고 평가 도구는 박영신과 황진경(2017)연구에서 확인 할 수 있었으며, 본 연구에서는 미국의 컴퓨터 과학 교육과정(The College Board, 2013)의 컴퓨팅 사고의 6가지 실천과 목표를 토대로 ISTE와 CSTA가 정의한 구성요소가 교실상황에 적용하고 이를 분석한 과학자 및 과학교육자의 관점자료, 차세대 과학과 교육과정과 연계하여 CT_STEAM_AT를 개발하였으며, 위의 도구를 STEAM 교육프로그램에 적용하여 타당도를 구축하였다. 이 과정을 통하여 STEAM의 활성화를 위하여 결여되거 나 제한적으로 나타난 컴퓨팅 사고요소를 파악하여 보충한다면, 교사들이 STEAM 수업 에서 어려움을 겪는 기술, 공학과 과학의 연계를 적극적으로 활용할 수 있을 것으로

보았다. 그러나 박영신과 황진경(2017)연구에서는 Brennan과 Resnick(2012)이 설명하 는 컴퓨팅 사고력 영역의 컴퓨팅 개념, 컴퓨팅 실천, 컴퓨팅 관점 중 컴퓨팅 실천에 대한 내용에 초점이 되어있다. 컴퓨팅 실천은 산출물을 작성하는 과정에서 무엇을 어 떻게 학습하였는가에 대한 학습자의 학습과정에 대해 초점이 맞춰져 있어 컴퓨팅 개념 에 대하여 평가하기 어렵다. 따라서, 컴퓨팅 개념 요소를 평가하기 위해서는 컴퓨팅 사고 9가지 요소로 세부 기준이 개발되면 평가 도구로 활용하여 컴퓨팅 사고력 발달을 평가할 수 있는 지표가 될 것으로 보인다(최정원 외, 2015)

컴퓨팅 사고

실천요소 구성요소

1 현실문제와 컴퓨팅 연결하기

CC-1) 컴퓨터를 이용하여 정보를 탐색하고 현실문제와의 관련성 도모하기 CC-2) 현실문제와 관련된 지식 및 통찰력을 위해 컴퓨터를 이용하여 정보처리하기 CC-3) 풀어야 할 문제를 어느 정도 가능성 있는 알고리즘 과정으로 연계하여 해결하기

2

컴퓨팅 산출물을 개발하기 위한 도구나 컴퓨터

사용하기

DCA-1) 산출물을 위한 컴퓨팅 도구와 기술/프로그램 사용하기

DCA-2) 컴퓨터를 실행할 수 있는 알고리즘/프로그램 개발하기

3

추상화 (정보와 자료들이

어떻게 표상화 되는지 설명하기)

Abs-1) 문제구체화를 위한 추상화 개발하기 Abs-2) 자료 표상화를 위해 구체적으로 기술하기

Abs-3) 지식과 정보를 발견하거나 탐구하기 위해 빅데이터 자료를 사용하기 Abs-4) 컴퓨팅 실천을 위해 추상화의 여러(댜양한) 단계 사용하기

Abs-5) 알고리즘을 이용하여 프로그램을 실행하는 과정에서 추상화 사용하기

4

컴퓨팅 실천과정 및 산출물

분석하고 평가하기

APA-1) 프로그램을 만들기 전에 먼저 고려해야할 조건 분석하기

APA-2) 설계한 알고리즘이 개발된 프로그램에서 제대로 적용되어 있는지 직접 실행하 면서 구체적으로 평가하기

APA-3) 프로그램이 고칠 부분이나 잘못된 부분이 있는지 평가하기

APA-4) 프로그램에서 수학적이고 논리적인 개념들이 적절하게 적용되었는지 평가하기 APA-5) 인터넷으로 다운받은 프로그램의 특징을 파악하고, 문제해결에 적절한 도구인 지 분석하기 (프로그램의 타당성 분석)

APA-6) 컴퓨팅 실천(사고)에 의사소통, 상호작용, 인지작용이 나타나는지 확인하기 APA-7) 컴퓨팅 실천(사고)과정 중에서 좋은 점과 나쁜 점 분석하기

5 의사소통하고 협력하기

Co-Co-1) 정보처리를 위해 컴퓨터 프로그램을 사용하여 얻는 지식과 통찰력에 대해 의사소통하기

Co-Co-2) 모둠별로 협력하여 알고리즘(일련의 과정) 개발하기

Co-Co-3) 시뮬레이션이나 인터넷으로 다운받은 프로그램의 특징에 대해 의사소통하기

Co-Co-4) 개발된 프로그램이 다른 분야로 혁신(적용)의 가능성에 대해 의사소통하기 Co-Co-5) 경제적이고 사회적이고 문화적인 맥락에서 프로그램을 연결할 수 있는지 의 사소통하기

Co-Co-6) 프로그래밍을 사용하면서 문제를 풀기 위해 협력하기

표 5 . 컴퓨팅 사고 분석도구 CT_STEAM_AT (박영신과 황진경, 2017)

이처럼 컴퓨팅 사고와 과학교과의 연계 중요성에 대하여 강조하고 있지만 여전히 과 학교육 현장에서는 제시된 탐구활동들이 전통적 탐구의 형태가 강조되고 ‘수학 및 컴 퓨팅 사고 활용하기’ 등과 같은 최근 과학계에 나타나는 탐구요소는 거의 나타나있지 않으므로(강남화와 이은미, 2013), 컴퓨팅 사고 역량 교육을 위해서는 다양한 수업 모 델 및 평가 척도 등이 개발되어야 하며, 교육 현장에서 쉽게 이용할 수 있도록 경험 있는 선도 교사들의 수업 성공 사례들에 대한 공유 및 교사 연수 시 컴퓨팅 사고의 개 념 소개가 활발하게 이루어져야 한다고 제언하였다(박영신과 황진경, 2017; 최숙영, 2011; 2016;).

따라서 본 연구에서는 다음과 같은 연구문제를 제기하고자 한다.

(1) 과학교육 입장에서 컴퓨팅 사고의 요소에 대한 세부내용 및 조작적 정의는 무엇인 가?

(2) 위의 세부내용 및 조작적 정의에 대한 교사들의 인식은 무엇이며 이를 토대로 과 학교육프로그램과 과학교육에 적용 가능한 가이드라인은 무엇인가?

연구 단계 연구 내용

과학교육에 서의 컴퓨팅

사고 세부요소 및 조작적 정의

구안

문헌 연구

(컴퓨팅 사고의 구성요소 파악)

⇒

· 컴퓨팅 사고 구성요소를 결정하 기 위해 정보, 기술교육 및 컴퓨 터 과학 입장에서의 컴퓨팅 사고 개념적 세부요소 및 조작적 정의 파악

↓

과학교육에 반영 가능한 컴퓨팅 사고 세부요소 및

조작적 정의 확인

⇒

· STEAM 프로그램 및 컴퓨팅 사고 프로그램 분석을 통한 과학교육 에서의 적용가능성 파악

↓

컴퓨팅 사고 세부요소 및 조작적 정의 확정 ⇒

· 분석된 내용을 바탕으로 회의 를 통한 과학교육입장에서의 컴퓨팅 사고 세부요소 및 조작 적 정의 확정

⇓

교사 회의를 통한 모범 가이드 개발

교사 전문성 강화 연수 ⇒

· 교사 전문성 강화 연수를 통 해 위의 요소 및 정의에 대한 타당도를 살펴보고, 이를 토대 로 과학수업에 적용 가능한 가 이드를 개발

표 6. 연구 방법 설계