1) 요구 분석
컴퓨팅 사고력과 창의성 신장을 위한 데이터 시각화 교육 프로그램에 대하여 다음과 같은 내용의 요구 분석을 실시하였다.
• 소프트웨어 교육 경험
• 소프트웨어 교육 방법
• 데이터 시각화 교육의 필요성
요구 분석은 ○○대학교에서 실시하는 창의컴퓨터교실(교육기부 프로그램)에 지원한 초등학생을 포함하여, 도내 초등학교 4～6학년 120명의 학생들과 도내 현 직 초등교사 60명을 대상으로 실시하였다.
소프트웨어 교육 경험에 대한 조사 결과는 교사는 63.3%이지만 학생들은 35.8%로 소프트웨어 교육을 경험한 학생이 적은 것으로 나타났다.
대상 있다 없다
교사 38(63.3%) 22(36.7%)
학생 43(35.8%) 77(64.2%)
<표 Ⅳ-25> 소프트웨어 교육 경험
<표 Ⅳ-26>에 의하면 많은 교사들이 소프트웨어 교육 방법으로 교육용 프로그 래밍 언어를 선호하는 것으로 나타났다. <표 Ⅳ-27>에 의하면 교육용 프로그래밍 언어를 배운 학생이 절반 이상인 것으로 나타났다. 또한 데이터 시각화 교육의 필 요성에서 <표 Ⅳ-28>의 결과를 참고하여 데이터 시각화 교육 프로그램의 도구를 교육용 프로그래밍 언어인 파이썬으로 선정하였다.
교사 언플러그드 교육용
프로그래밍 언어 피지컬 컴퓨팅 경험한 그룹 14(36.8%) 18(47.4%) 6(15.8%)
<표 Ⅳ-26> 선호하는 소프트웨어 교육 방법
학생 언플러그드 교육용
프로그래밍 언어 피지컬 컴퓨팅 경험 16(37.2%) 23(53.5%) 4(9.3%)
<표 Ⅳ-27> 경험한 소프트웨어 교육 방법
교사 필요함 보통 필요하지 않음 필요성 41(68.3%) 16(26.7%) 3(5%)
<표 Ⅳ-28> 데이터 시각화 교육의 필요성
요구 분석 결과 텍스트 프로그래밍 언어를 처음 접하는 학습자들이 많음을 고 려하여 교육 방향을 설정하였다. 교육 방법은 텍스트 프로그래밍 언어인 파이썬 으로 선정하였고, 교육 내용은 데이터 시각화에 초점을 맞추었다. 파이썬은 교육 용 프로그래밍 언어 중 데이터 시각화를 구현하기에 매우 효과적인 도구이다. 먼 저 데이터 시각화를 프로그래밍하기 위한 파이썬 기초 문법을 익히고 자연스럽 게 데이터 시각화를 익히도록 하였다.
2) 설계 및 개발 (1) 연구 가설
① 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 프로그램은 학습자의 컴퓨팅 사고력을 향상시킬 수 있다.
② 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 프로그램은 학습자의 창의성을 향상시킬 수 있다.
(2) 연구 대상
본 연구에서 적용한 프로그램의 교육적 효과를 확인하기 위해 ○○대학교에서 실시한 창의컴퓨터교실의 지원자 표집에 의한 지원자 표본 24명을 대상으로 프 로그램을 진행하였다.
지원자인 초등학교 6학년 학생들에게 오리엔테이션, 사전․사후 컴퓨팅 사고력 검사 및 창의성 검사를 포함하여 총 6일 동안 36차시 수업으로 진행하였다. 6학 년의 24명의 학생을 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육을 적용하였다.
(3) 연구 설계
본 연구에서 개발한 교육 프로그램은 집중이수제 형식으로 <표 Ⅳ-29>와 같
이 6일 동안 1일 6차시씩 총 36차시의 집합 강의 및 실습으로 이루어졌다. 첫날 에는 사전 검사와 오리엔테이션 중심으로, 마지막 날에는 사후 검사와 학습자들 이 만든 프로젝트를 학생들과 학부모를 대상으로 최종 발표(데이터 시각화 프로 젝트)하는 시간으로 이루어졌다. 매일 오전 9시부터 오후 3시까지 40분 단위 수 업 6차시와 휴식 시간, 점심시간으로 운영되었고, 학습의 내면화를 위하여 배운 내용을 가정에서 복습 및 예습을 할 수 있도록 매일 과제를 제시하였다.
일차 1 2～5 6
일정사전 검사, 오리엔테이션, 파이썬 기초
파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육
사후 검사 프로젝트 발표
<표 Ⅳ-29> 프로그램 일정
(4) 교육 내용의 선정
요구 분석 결과 및 데이터 시각화 교육 도구의 특징에 따라 <표 Ⅳ-30>과 같 이 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 내용을 선정하였다.
차시 학습 주제 2015 개정 교육과정 성취기준
1∼6
파이썬과 데이터 시각화 기초 - matplotlib
- 선 그래프 사전 검사지 투입
7∼12 데이터 수집과 데이터 시각화 - 공공 데이터 수집
- 히스토그램, 원 그래프
[6수05-03] 주어진 자료를 띠그래프와 원그래프로 나타낼 수 있다.
13∼18
구글 설문지와 데이터 시각화 - 구글 설문지를 통한 자료 수집 및 - 데이터 표현 및 해석정리
[6체01-01] 성장에 따른 신체적 변화를 수용하고 건강한 성장과 발달을 저해하 는 생활 양식의 위험성을 인식한다.
[6사08-06] 지속가능한 미래를 건설하기 위한 과제를 조사하고, 세계시민으로서 이에 적극 참여하는 방안을 모색한다.
19∼24 데이터 시각화 심화- 공공 데이터 활용
가장 효율적인 데이터 시각화 표현 방법
[6사01-05] 우리나라의 인구분포 및 구 조에서 나타난 변화와 도시 발달 과정 에서 나타난 특징을 탐구한다.
25∼36 프로젝트 과제 준비개인별 프로젝트 발표 및 사후 검사
[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하 여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그 래프를 해석할 수 있다.
<표 Ⅳ-30> 교육 프로그램 주제(파이썬)
학습 초반(1～6차시)에는 파이썬의 기초와 데이터 시각화의 이론 위주의 교육 을 진행한다. 그 후 24차시까지는 데이터 수집과 시각화에 대한 예제를 주로 학 습하고 교육이 마무리 단계에 들어가면 학생들 스스로 데이터에 맞는 시각화 방 법을 찾고 데이터를 수집하여 시각화하는 프로젝트 과제를 하도록 한다.
(5) 검사 도구
본 연구에서 개발한 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 프로그램의 교육적 효과를 살펴보기 위해 <표 Ⅳ-31>과 같이 실제 36시간의 교육을 하기 전과 후 에, 컴퓨팅 사고력과 창의성의 변화를 알아보기 위하여 컴퓨팅 사고력 검사 도구 로 김병수(2014)의 연구에서 개발한 계산적 인지력 검사 A, B형을 적용하였다.
또한, 창의성 검사 도구로 TTCT(도형) A, B형을 선정하여 투입하였다. 이 검사 도구는 그림 구성, 불완전 도형 완성, 선 더하기의 3문항으로 구성되어 있으며 각 문항당 10분씩 총 30분 동안 주어진 도형을 기초로 하여 그림을 그리고 제목 을 붙이도록 하고 있다. 이 검사를 통하여 유창성, 독창성, 제목의 추상성, 정교 성, 성급한 종결에 대한 저항 등을 측정하였다.
대상 사전 검사 처치 사후 검사
초등학교 6학년 O1 X1 O2
X1 : 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 프로그램 O1 : 사전 검사(컴퓨팅 사고력, 창의성 검사)
⇒ 정규성 검정
O1, O2 : 사전․사후 검사(컴퓨팅 사고력, 창의성 검사)
⇒ 정규성 검정 결과에 따른 대응표본 t 검정 또는 Wilcoxon 부호 순위 검정
<표 Ⅳ-31> 실험 설계
3) 적용
학생들에게 낯설 수 있는 데이터 및 데이터 시각화에 대해서 우선 배워볼 수 있도록 첫 차시를 데이터란 우리 주변에 매우 흔하게 있다는 것을 스스로 깨닫 도록 교재를 구성하여 적용하였다.
학생들의 흥미와 실생활과의 연계학습을 유도하기 위해 주변에서 쉽게 접할 수 있는 데이터들로 데이터 시각화를 할 수 있도록 하였다. 또한, 데이터 시각화 를 할 때, 어떤 표현 방법을 사용하는 것이 가장 효과적으로 데이터를 나타낼 수 있는지 생각해 볼 수 있도록 하고 가장 효율적인 시각화 방법을 선택할 수 있도 록 하였다. 그리고 구글 설문지를 학생들 스스로 제작하여 기존에 있는 데이터뿐 만 아니라 학생들 스스로 만든 데이터를 시각화할 수 있도록 하여 보다 능동적 인 데이터 시각화를 해 보도록 교육 교재를 만들었다.
제1강 데이터 시각화의 기초
학습목표 | 데이터 시각화에 대해 설명할 수 있다.
1. 데이터란?
★ 다음 표의 빈칸을 채워봅시다.
내가 다니는 초등학교는?
나는 몇 학년 몇 반입니까?
나의 키는?
나의 몸무게는?
나의 혈액형은?
내가 가장 좋아하는 과목은?
나의 장래희망은?
축하합니다! 여러분은 방금 어엿한 데이터 하나를 만들어냈습니다. 데이터는 우리가 느끼지 못하는 사이에 항상 있었습니다. 데이터의 뜻을 조금 더 자세 히 들여다보겠습니다.
자료(資料, data, 데이터, 문화어: 데타)는 수, 영상, 단어 등의 형태로 된 의 미 단위이다. 보통 연구나 조사 등의 바탕이 되는 재료를 말하며, 자료를 의 미 있게 정리하면 정보가 된다.
(위키백과 (https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EB%A3%8C))
2. 데이터 수집하기
우리 반의 혈액형별 인원수 수집하기
☆ 아래 표를 보고 조사해 봅시다.
우리 반의 혈액형별 인원수
A형 명
B형 명
AB형 명
O형 명
3. 데이터 정리하기
수집한 데이터를 분석하기
<우리 반의 혈액형별 인원수>라는 자료를 만들어 보았습니다. 이 자료를 가 지고 6학년 2학기에 배울 ‘비율 그래프’ 중 띠 그래프로 나타내어 보겠습니다.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 (%)
<우리 반의 혈액형별 인원수>
<우리 반의 혈액형별 인원수>라는 데이터를 2개의 방식으로 표현해 보았습니 다. 하나는 표, 다른 하나는 띠그래프로 말이죠.
☆ 두 표현방식은 모두 우리 반의 혈액형별 인원수를 나타내었습니다. 하지만 하나는 숫자로, 다른 하나는 막대로 표현했습니다.
★ 지금은 우리 반만 조사했지만 이것이 우리 학교 전교생 나아가 제주도민 전 체, 우리나라 국민 전체를 조사한다면 두 표현방식 중 어떤 표현방식이 한눈에 알아보기 쉬울까요? 왜 그렇게 생각하나요? 여러분들의 생각을 적어봅시다.
[그림 Ⅳ-13] 파이썬을 활용한 데이터 시각화 교육 교재
먼저 데이터와 데이터 시각화에 대해 알아본 후, 데이터 시각화의 필요성과 예 시에 대해 학습하였다. 1단계는 각각의 데이터에 맞는 Plot을 프로그래밍할 수 있는 방법과 필요한 데이터를 수집할 수 있는 방법을 익힌다. 2단계는 파이썬을 활용하여 데이터를 시각화해 보고, 마지막 3단계로 시각화 결과를 활용하여 알 수 있는 점은 무엇인지 상호작용하도록 하였다.
데이터 시각화 교육 문제 해결 3단계에 따른 실제 학습 과정은 다음과 같이 진행되었다. 6차시의 수업을 마친 후에는 매일 실생활과 접목한 과제를 제시하여 가정에서 복습할 수 있도록 하였다. 파이썬을 통해 데이터 시각화를 배워보는 차 시의 교육 자료를 살펴보면 다음과 같다.
(1) 데이터 조직화 단계
[그림 Ⅳ-14]는 데이터 시각화 1단계인 ‘데이터 조직화’ 단계에 해당하는 교재 의 내용이다. 앞으로 시각화할 데이터에 관하여 제시하고 그 데이터 시각화가 왜 필요한지, 조사하는 방법은 무엇인지 교육하였다.
[고령화 지수 데이터를 활용한 데이터 시각화]
1. 데이터 조직화 단계
데이터 필요성
최근 출산율 저하와 평균수명 상승으로 우리나라가 급격히 고령화 사회로 진입하고 있습니다. 데이터 시각화를 통해서 우리나라의 고령화를 알아봅시다.
나이 구성비(%)
0~14세 13.1
15~64세 73.1
65세 이상 13.8
전체 100
2017년 인구 구성비 – 출처(http://www.index.go.kr/)
Q1. 위 자료는 ‘전체 인구 중 나이의 비율’에 따라 변화되고 있습니다. 어떤 방식으로 표현해야 좋을까요?