“이 보고서는 2014년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”
CT 기반 초등 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램 개발 적용을 통한 초등학생의 융합적 창의력 신장 방안 모색
초등 CT-STEAM 교사연구회 1. 연구의 필요성 및 목적
가. 연구의 필요성
미래학교란 미래사회, 첨단 기술 및 교육의 체제적 변화를 적극적으로 반영하여 미 래사회 구성원의 자아실현과 국가발전을 위해 필요한 학습 경험을 체계적으로 제공하 는 중심교육기관으로 정의된다(한국교육학술정보원, 2013). 미래학교에서는 종이교과서 를 대신하여 종이책 수백 권 분량의 내용을 담을 수 있는 전자책의 활용이 보편화될 것이고, 이에 따라 학생들은 전자책을 통하여 문제를 해결하고, 프로젝트를 수행하는 것이 일반적인 학교의 모습으로 변화될 것이다.
이러한 학교 환경의 변화에 따라 융합인재교육(STEAM)의 모습 또한 변모해야 하 며, 종이책 대신에 스마트기기와 태블릿 PC, 모바일 기기 등 각종 교육용 테크놀로지 를 활용하여 문제를 해결하는 미래학교의 모습에 걸맞은 새로운 형태의 융합인재교육 이 필요한 때이다. 이에 본 연구에서는 각종 Computing 기기를 활용하여 현실 세계의 복잡한 문제를 융합 적으로 해결하는 새로운 형태의 융합인재교육(STEAM)인 Computational Thinking 기반 융합인재교육인 ‘CT-STEAM’을 제안한다.
Computational Thinking 이란 “21세기를 살아가는 모든 사람이 갖추어야 할 기본적 인 사고 능력으로서 컴퓨터 과학의 기본 개념과 원리에 따른 문제 해결, 시스템 설계, 인간 행동의 이해를 포함하는 추상적 사고 능력”이라 정의한다(Wing, 2006). 최근 정보 과학 교육의 화두는 Computational Thinking(컴퓨터 활용 사고, 계산적 사고, 이하 CT)이다. 미국의 컴퓨터 과학 교사 협회는 K-12 Computer Science Standards에서 CT를 통해 모든 교과를 거쳐 문제를 해결하고 시스템을 설계하고 새로운 지식을 만들 어 내고 컴퓨팅의 능력과 한계에 대한 이해를 발전시킬 수 있을 거라고 제시하였다.
인간의 머리로 방대한 양의 데이터를 다양한 상황에서 모두 다 처리하기에는 한계가 있기 때문에 Computing 기반으로 문제를 해결한다면 효율성과 정확성을 보장 받을 수 있게 된다(한국컴퓨터교육학회, 2014). 예를 들면 수학에서 가장 큰 소수(prime number)를 구하라는 문제를 해결하기 위하여 인간의 능력만을 이용했을 때는 수학적 법칙과 증명의 방법을 활용하여 구할 수는 있겠지만 시간이 오래 걸리고 정확성 또한
이 Computing 기기를 활용하여 문제를 해결하는 것은 효율성과 정확성이 보장되는 효 과적인 방법이며, 이때 필요한 인간의 사고능력이 ‘Computational Thinking(CT)’ 이다.
CT라는 용어를 처음 사용한 Wing(2005)은 CT는 읽고 쓰고 셈하기(3R's)처럼 컴퓨 터 과학자뿐만 아니라 모든 이가 학습해야 할 태도와 기술이라고 언급했다. CT는 문 제를 해결하기 위한 분석적 사고로서 학습자는 모든 과목에 걸쳐 컴퓨팅의 기본 개념 인 추상화, 재귀, 반복 등을 사용할 수 있고 이를 변형하고 실행하고 적용하여 문제를 해결할 수 있다. 이것은 STEAM에서 추구하는 교과의 융합을 통해 문제를 해결하고자 하는 기본 아이디어와 여러 면에서 일치한다.
이렇듯 CT를 기반으로 한 초등 융합인재교육(CT-STEAM)을 실제 교육현장에 적용 하기 위한 수단으로서 스크래치 프로그램은 생각을 실천하고 공유하는 과정을 지속적 으로 반복하도록 하여 어린 학생들이 창의적인 습관을 키울 수 있도록 만든 인터프리 터 방식의 교육용 프로그래밍언어(Educational Programming language: EPL)로서 매우 적절한 도구라고 할 수 있다. 스크래치는 아이들이 생각하는 알고리즘을 불록이라는 내장된 논리적 프로그래밍을 서로 결합하는 방식을 채택함으로서, 기존의 텍스트 입력 방식의 C, BASIC 등의 문법의 어려움, 코딩의 어려움 등을 극복하고, 추가로 초등학생 들이 애니메이션, 음악 등의 멀티미디어를 활용하여 자신의 생각을 스토리텔링 기반으 로 상상과 간단한 표현만으로 쉽게 구현할 수 있도록 했다. 이러한 스크래치만이 가지 고 있는 특성으로 인해 정보와 기술을 중심으로 한 STEAM의 융합적 접근이 쉽게 가 능해지며, 초등학생들이 STEAM학습에 매진할 수 있는 최적의 학습도구라고 말할 수 있다. 다른 프로그래밍언어와 달리 로봇보드(hello Board, 레고WeDo 등)들을 함께 접 목해 사용 가능하므로 IT기술을 학업에 접목시킬 수 있어 초등학생의 융합적 창의력 향상을 극대화 시킬 수도 있을 것이다.
이에 본 연구회에서는 CT를 기반으로 한 초등 융합인재교육(CT-STEAM) 프로 그램을 개발하고 교육 현장에 실제 적용해 봄으로써 초등학생의 융합적 창의력 신 장 방안을 모색하고자 한다.
나. 연구의 목적
본 연구를 통하여,
1) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 개발과 적용을 통하여 미래 지 식 정보화 시대를 이끌어갈 창의적 인재들에게 ‘융합적 창의력과 CT 능력’을 신장시 키고, 비판적 분석력과 문제해결능력을 향상시킨다.
2) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 개발은 교육철학적 이념에 충 실한 교육 프로그램과 자료를 구안하여 각 학생들의 강점 지능과 요소를 반영한 효 과적인 수업이 이루어지도록 한다.
3) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM)의 예시가 될 수 있는 프로그램(수업 지도
안, 학습지)과 수업 장면, 준비물 등을 다양하게 제시하여 STEAM교육에 대한 시도 와 접근이 원활하게 이루어지고 초등교육 현장에서 교사들이 느끼기 쉬운 ‘수업의 부 담감’과 ‘STEAM에 대한 거부감’을 해소한다.
4) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 적용이 초등학생들의 융합적 창의력 발현에 미치는 영향과 효과성을 검증할 수 있는 정량적인 측정 도구 (CT-STEAM Tool)를 개발하고 이를 학교 현장의 효과성 검증에 실제 투입하고 결과를 산출한다.
5) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램 및 효과를 학생과 현장교사들에게 널리 소개하여 ‘프로그래밍’에 대한 긍정적인 인식을 확산시키고, 추후 이와 관련한 보다 다양한 연구가 이루어지도록 한다.
다. 연구 문제
1) Computational Thinking을 기반으로 개발할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 프로그램은 어떤 것인가?
2) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 개발 도구와 방식, 수준, 교육 내용은 어느 정도가 적합한가?
3) 개발된 CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 어떻게 효과적으로 현 장에 적용할 수 있는가?
4) 개발된 CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 다양한 학습자의 특성 및 유형에 맞게 적절하게 제공할 수 있는 방법은 무엇인가?
5) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 현장 적용성에 대한 효율적인 평가를 위해 정량화된 측정도구(CT-STEAM Tool)를 개발할 수 있는가?
6) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 통해 학습자의 창의적․비판 적․융합적 사고력이 신장될 수 있는가?
7) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램이 교육 현장에서 어느 정도 효과 를 거두었는지 효율적으로 검증할 수 있는 방법은 무엇인가?
8) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 교육 현장에 어떤 방식으로 보 급, 전파하며, 필요성과 우수성을 알리는 방법에는 무엇이 있는가?
라. 용어의 정의
1) 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking, CT)
Computational thinking에 대한 정의를 종합해 볼 때 Computational thinking이란 문 제 해결을 위해 단순히 컴퓨터를 흉내 내는 것이 아니라 창조적이고 다중의 추상화 차 원에서 사고하는 것을 의미한다. 또한, 해결과정을 컴퓨팅 시스템에서 처리될 수 있는 형태로 알고리즘화 하는 것으로 논리적 사고의 과정이라고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 문 제를 해결하기 위해 컴퓨팅의 기본 개념들을 사용하고 컴퓨터와 다른 툴들을 사용하는 인간의 인지 능력을 포함하는 스킬이라고 볼 수 있으며, 이러한 스킬은 오늘날 모든 분 야에서 기본적으로 필요하다고 볼 수 있다. 즉, Computational thinking는 모든 학문 분 야와 실생활의 복잡한 문제 해결에 적용할 수 있는 일반적 문제 해결 방법이며, 컴퓨터 과학의 핵심 요소이다. 따라서 컴퓨터 과학은 모든 학문 분야와 융합될 수 있을 뿐 아니 라, STEAM의 핵심 영역으로 구성되어야 하므로 본 연구에서는 Computational thinking을 기반으로 한 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 구안하였다.
【Computational Thinking의 주요 구성 요소】
2) CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램
Wing 교수는 Computational thinking(CT)의 핵심요소로 추상화(abstraction)와 자동 화(automation)를 설명하고 있다. 여기서 추상화는 문제해결을 위해 문제를 분해하거나 중요한 부분을 끌어내는 것 등을 통하여 해결해야 할 문제의 복잡성을 효과적으로 해 소시켜 나갈 수 있도록 하는 것이고, 자동화는 추상 개념이 수행해야 할 일들을 컴퓨 팅 기기가 수행할 수 있도록 해결과정을 알고리즘 화하는 과정을 의미한다.
Wing 교수에 의해 CT에 대한 용어가 소개된 이래 이에 대한 정의를 어떻게 내릴 것인가에 대한 많은 논의가 있어 왔다. 현대 및 미래 사회에서 발생하는 다양한 형태 의 문제와 인간의 욕구를 해결하기 위해서는 학문간 통섭을 통한 융합적 사고가 요구 되기 때문에 정서적인 안정을 얻고 실생활 관련 문제를 해결하며 창의성과 해결력을 갖춘 창의적 인재 양성을 위해서는 과학, 인문학, 예술의 통합을 추구하는 STEAM형 융합인재교육이 필요하기 때문이다. 또한, 이러한 실세계의 문제들의 복잡성과 불분명 성, 역동성을 처리하기 위해서 다양한 학문 분야의 통합뿐만 아니라, 계산적 사고 능력 이 요구된다.
한편, 프로그래밍 교육이란 주어진 문제해결을 위해 다양하고 복합적인 해결방안을 창의적 사고를 통해 알고리즘으로 설계 및 구현하여 이를 프로그래밍 언어라는 도구로 표현할 수 있는 창의성 능력과 문제해결능력을 키우는 교육을 말하는데, CT 기반 융 합인재교육(CT-STEAM) 프로그램의 실제 교육현장 적용을 위한 효율적인 도구로 배 우기 쉽고, 학습자의 논리적 사고력, 문제해결능력 등의 고등 사고력을 신장시킬 수 있 으며, 애니메이션, 게임, 음악 등의 멀티미디어 자료나 스토리텔링, 프레젠테이션 자료 를 손쉽게 제작할 수 있는 스크래치 프로그램을 이용한다. 블록 쌓기 프로그래밍 방식, 공유와 협력이 가능한 스크래치 프로그래밍 언어를 활용하면 CT 기반 융합인재교육 (CT-STEAM)의 현장 적용도가 높아질 것으로 생각되며, 효과성 검증을 위한 효율적 인 측정도구를 개발하여 이를 측정한다.
3) 융합적 사고력
는 배경 지식을 바탕으로 각종 유추와 분석, 비판, 추론, 종합 등의 방법을 활용 한다.
어떤 새로운 내용에 대한 학습을 하는 과정에서도 한 가지 영역의 지능과 사고만 필요 한 것이 아니라 다양한 사고와 지식이 필요하다. 어떤 것을 새롭게 만들어내는 창조의 과정에서는 더욱 그러하다. 이에 융합적 사고력이란 어떠한 내용을 분석하고 비판하며 종합하는 고차원적 사고력은 물론이고, 이를 넘어서서 다양한 영역에서 알게 된 내용을 융합하여 창조적인 또 다른 산물과 지식을 산출해 낼 수 있는 능력으로 정의하고자 한 다. 이 능력 속에는 창의력이나 문제해결력, 정보처리능력 등 가장 포괄적이면서도 다양 한 필수 요소들이 포함된다.
2. 연구의 내용 및 범위
이 연구에서 다룬 주요 연구 내용과 범위는 다음과 같다. 본 연구는 1) CT-STEAM 프로그램 개발, 2) CT-STEAM 프로그램의 효과성 검증, 3) CT-STEAM 활용방안 제 시 로 구성되어 있다.
가. CT-STEAM 프로그램 개발
CT-STEAM 프로그램 개발 부분에서는 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking)의 개념과 이론, STEAM 교육에 대한 개념과 이론들을 고찰하고, 이들의 연계성을 도출 하여 CT-STEAM 프로그램을 개발하는 데에 주안점을 두었다. 아울러 국내외 STEAM교육과 컴퓨팅 사고력 교육에서 사용되고 있는 수업 모형들을 고찰하여 이 연 구를 통하여 개발하고자 하는 CT-STEAM 수업 모형(안)을 도출하였다. 개발된 수업 모형(안)에 근거하여 초등 4, 5, 6학년에 적용 가능한 CT-STEAM 프로그램을 개발하 고, 학습자료, 교수 학습 과정안 등을 개발하였다. 동 모형(안)에서는 정규 초등 과학교 육과정에 컴퓨팅 사고력 요소를 가르칠 수 있는 부문을 탐색하여 현 교육과정 운영을 하는 가운데 컴퓨팅 사고력교육이 쉽게 도입될 수 있다는 점을 제시하였다.
나. CT-STEAM 프로그램의 효과성 검증
CT-STEAM 프로그램의 효과성 검증을 위하여 개발된 프로그램이 초등학생의 융합 적 사고력과 컴퓨팅 사고력에 대한 효과성을 사전-사후 검사를 통하여 검증한다. 융합 적 사고력을 검증하기 위하여 창의재단에서 제공한 국가수준 융합적 사고력 검사지를 사용하였고, 컴퓨팅 사고력 측정을 위하여 본 연구진에서 기존의 컴퓨팅 사고력 검사 지의 비교 분석을 통하여 자체 수정 보완하여 개발한 초등학생용 컴퓨팅 사고력 검사 지를 투입하였다. 또한 프로그램을 본격 투입하기 이전에 전문가 자문을 거침으로써 프로그램이 타당하게 잘 구성되었는지 검토하고 수정 보완하였다.
다. CT-STEAM 활용 방안 제시
본 연구에서는 컴퓨팅 사고력 교육이 기존에 학교 현장에 친숙한 STEAM과 결합하 여 현장에서 적용가능성이 높은 프로그램을 개발하고, 현장의 인식을 높이는 데에 주 안점을 두었다. 더 나아가 CT-STEAM 프로그램을 활용하는 방안과 현장 교사 및 예 비교사의 인식을 제고시키기 위한 학술대회 발표, 논문 투고, 보도자료 배포, 과학체험 활동부스 운영 등 홍보에도 노력을 기울였다. 또한 교육 전문가와 분야 전문가들과의 긴밀한 상호 협조를 통하여 의견 수렴을 함으로써 CT-STEAM 프로그램이 보다 현장 중심적으로 나아갈 수 있도록 방향을 제시하였다.
3. 연구 방법
가. 컴퓨팅 사고력 기반 STEAM 프로그램 개발을 위한 문헌연구
이 연구에서는 컴퓨팅 사고력의 개념, STEAM 교육의 개념 및 제 이론을 분석하고, 컴퓨팅 사고력과 STEAM 프로그램 간의 관계성 탐색을 위하여 국내 외에서 이루어진 선행 연구 및 자료, 교육과정, 단행본, 연구논문 등 각종 자료를 문헌 분석하였다. 그 외에 국내외에서 개발된 컴퓨팅 사고력 프로그램과 STEAM 교육 프로그램 사례들을 분석함으로써 학교 현장에 수월하게 적용 가능한 CT-STEAM 수업 모형 및 프로그램 을 만들기 위한 기본 원칙과 방향을 설정하였다.
나. 전문성 극대화를 위한 연구회 sub-group 구성 및 정기 세미나 운영
본 연구의 운영 측면에서 효율화를 극대화하기 위하여 연구회 내부의 인원의 전문성 을 고려한 sub-group을 구성하여 운영하였다. 본 연구회의 sub-group은 프로그램 개 발, 프로그램 효과성 검증, 프로그램 홍보 차원의 3가지 분과로 분리하여 협력하여 운 영하였다. 각 분과의 장들이 해당 분야의 연구 내용을 총괄하고, 보조 업무를 맡은 멤 버와의 협력을 이끌어냄으로써 무임승차자가 나타나지 않도록 운영하였다. 또한 매주 화요일 18:00~21:00에 한국교원대학교 융합과학관에서 진행하는 정기 세미나를 통하여 개인의 연구 진행 상황을 공유하였다.
▣ 컴퓨팅 사고력과 STEAM 교육에 대한 문헌 연구 세미나(2회)
▣ CT-STEAM 프로그램 개발 세미나(3회)
다. 전문가 자문을 통한 심층적인 프로그램 검증
개발된 CT-STEAM 프로그램 및 컴퓨팅 사고력 측정 검사지의 내용 타당도 검증을 위하여 과학교육 프로그램 전문가 2인, 컴퓨팅 사고력 전문가 1인을 대상으로 자문을 실시하였다. 또한, 현재 새로이 연구되고 있는 컴퓨팅 사고력이라는 것의 개념 정립을 위하여 정보 관련 교사 및 전문가를 대상으로 개방형 설문을 함으로써 컴퓨팅 사고력 의 개념에 대한 명확화를 시도하였다.
라. CT-STEAM 프로그램의 효과성 검증
이 연구를 통해 개발된 CT-STEAM 프로그램의 효과성 검증을 위하여 사전-사후 검사로 융합적 사고력 검사와 컴퓨팅 사고력 검사를 실시하였다. 현재 융합적 사고력 검사는 창의재단에서 제공한 국가수준 융합적 사고력 검사지를 활용하였고, 컴퓨팅 사 고력 검사는 본 연구팀에서 문헌 분석 및 개방형 설문을 통한 컴퓨팅 사고력 개념의 명확화를 통하여 수정 보완된 컴퓨팅 사고력 검사를 사용하였다.
마. CT-STEAM 프로그램의 홍보 활동 참여
본 연구에서 개발된 CT-STEAM 프로그램이 현장의 교사들과 관련 연구자들에게 확산될 수 있도록 예비 교사 대상 강의, 학술 대회 참여, 논문 투고, 체험활동 부스 운 영 등의 행사를 실시하였다. 교원양성대학의 2014학년도 2학기 강의 일정으로 ‘정보과 학적사고와 교육’이라는 주제의 강의를 실시하였다. 강의를 통하여 예비교사들의 컴퓨 팅 사고력의 현장 적용 역량을 강화시켜줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한 컴퓨터교육 학회, 18th International Conference on Circuits, Systems, Communications and Computers 등과 같은 관련 학술대회에 참여하고 국내외 저널에 논문을 투고하고 체험 활동 부스를 운영함으로써 현직교사 및 예비교사, 연구자들을 대상으로 CT-STEAM 프로그램의 인식을 제고하였다.
▣ 2014년 2학기 예비교사 대상 컴퓨팅 사고력 강의(15주)
▣ 2014년 8월 한국컴퓨터교육학회 학술대회 논문 발표(2건)
▣ 2014년 7월 18th International Conference on Circuits, Systems, Communications and Computers 논문 발표(1건)
▣ 2014년 하반기 저널 논문 투고(1건)
▣ 컴퓨팅사고력 주말탐구체험부스 운영(1건)
4. 연구의 개요
비전 CT 기반 초등 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램 개발‧적용을 통한 초등학생의 융합적 창의력 신장 방안 모색
목표 미래형 융합인재교육 모델 제시
CT-STEAM의 효과성 검증
CT-STEAM의 일반화 및 저변 확대
과제 연구과제 1
CT-STEAM 프로그램
연구과제 2 CT-STEAM 효과성 검증
연구과제 3 CT-STEAM 홍보
CT-STEAM 수업모델 설계 교수․학습 과정안 작성 학생용 학습 자료 개발 워크북,참고자료,자료목록 실습용 자료 개발
문헌 연구 및 행동 분석 측정도구(CT-STEAM TOOL) CT 구성 요인 추출 CT 능력 검사 개발 융합적 사고력 검사 검토 현장 적용, 효과성 검증
융합인재교육 교사 연수 참석
각종 교사 워크숍 강연 예비교사 대상 강의 논문 발표 및 게재 컴퓨팅 사고력 주말 탐구체험부스 운영
연구의 차별성
본 연구의 기여점 및 연구의 차별성
1. CT-STEAM 프로그램을 이용한 미래학교 융합교육 수업 모델 제시 2. CT 분야와 교육학 영역의 융합과 협력 및 학제간 연구 활성화 3. CT-STEAM Tool로 프로그램의 정량적인 효과 검증 가능성 제시
Ⅱ. 이론적 배경
1. STEAM 교육
창의적인 과학기술인재를 육성하고자 추진되는 STEAM 교육은 Science, Technology, Engineering, Arts, Mathematics의 약칭으로 과학, 기술, 공학, 예술, 수학 교과 간의 통합적인 교육 방식을 의미한다. 교육부는 STEAM을 “과학기술에 대한 학 생들의 흥미와 이해를 높이고 과학기술 기반의 융합적 소양과 실생활의 문제 해결력을 배양하는 교육”이라 정의했다(한국과학창의재단, 2012).
미국 버지니아 공대 출신이자 버지니아 주 기술교육협회장인 Georgette Yakman이 수 학·과학 교육을 강화하기 위해 미국에서 도입했던 STEM 교육에서 Art의 개념을 새롭 게 추가하여 기존의 STEM 교육이 갖는 한계를 극복하고 학문간 융합을 이루고자 STEM을 확장한 개념이기도 하다. STEAM의 좀 더 자세한 정의를 위해 Georgette Yakman은 다음과 같은 “The STE@M Pyramid”를 제시하였다(권순범 외., 2012).
【The STE@M Pyramid】
The STE@M Pyramid와 같이 교육체제는 전문교육단계에서 상위의 평생교육단계까 지 아래쪽에서 위쪽으로 갈수록 세부 교과가 점점 통합되어가며 STEM에 Art를 접목 하여 STEAM교육을 실시하고 이는 결국 Holistic 교육으로 통합되어 가는 교육체계를 보여주고 있다. 여기서 초등교육은 상위 두 번째 수준인 통합교육(Integrated)의 단계이 며, STEAM교육은 통합교과 학습의 하나로서 모든 학문에 대한 광범위한 시각을 가지 고 각각의 학문들이 실제로 가지게 되는 연관성과 함께 기본적인 내용들을 학습하게 되는 것이며, 기존의 교육에 실생활과 관련 깊은 예술을 더한 형태로 초등교육에서 있 어 과학, 기술, 공학, 예술, 수학이 융합된 융합교육을 말하는 것이다(권순범 외,, 2012;
김여진 외,, 2013)
2. 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking)
Computational Thinking이란 용어는 Jennette Wing(2006)에 의해 컴퓨터학계에 처음 으로 소개되었는데, Wing은 “21세기를 살아가는 모든 사람이 갖추어야 할 기본적인 사 고 능력으로서 컴퓨터 과학의 기본 개념과 원리에 따른 문제 해결, 시스템 설계, 인간 행동의 이해를 포함하는 추상적 사고 능력”이라고 정의하며, 읽고 쓰고 셈하기(3R's)처 럼 컴퓨터 과학자만이 아닌 모든 학습자가 가져야 할 가장 기본적인 태도와 기술에 포 함되어야 한다고 주장했다(최숙영, 2011; Wing, 2006).
최근 Computational Thinking(컴퓨터 활용 사고, 계산적 사고, 정보과학적 사고, 이하 CT)는 컴퓨터과학의 중심개념이라고 할 수 있으며, 미국과 영국을 중심으로 CT의 중 요성을 인식하고 그에 대한 교육을 정규 교육과정에 포함시키기 위한 연구들이 지속적 으로 수행되고 있으며, 우리나라에서도 CT 개념에 대한 다양한 정의를 합리적으로 통 합하여 제시하려는 노력과 함께 활발한 학문적 논의가 지속되고 있다. 한편, 미국의 CSTA(Computer Science Teachers Association)는 K-12 Computer Science Standards를 통해 CT가 모든 교과를 통해 학습자에게 주어진 문제를 해결해 가는 과 정과 그로 인한 새로운 지식을 만들어 가는 과정에서 Computing의 능력과 한계에 대 한 이해를 한층 더 발전시켜 문제에 대한 해결방법까지를 포함한 커다란 사고 과정이 라고 제안하였다(최숙영, 2011; Wing, 2006; 김태훈,김종훈, 2012).
이렇듯 CT는 문제를 해결하기 위한 사고 과정까지를 모두 포함한 개념이기 때문에 학 습자는 다양한 과목에 걸쳐 CT의 핵심 요소인 추상화(abstraction)와 자동화 (automation) 등을 사용할 수 있고 이를 변형하고 실행하며 적용하는 절차를 통해 문 제를 해결할 수 있다. 이 과정은 앞에서 언급한 STEAM에서 추구하는 교과간의 학문 적 융합을 통해 실생활의 문제를 해결하고자 하는 기본 생각과 일치하는 면이 있으며, 핵심적인 정보과학적 사고의 개념과 기능이 바로 수학, 과학, 예술 분야에 적용되고 있 음을 보여준다고 할 수 있다(김태훈,김종훈, 2012).
즉, CT는 모든 학문 분야와 실생활의 복잡한 문제 해결에 적용할 수 있는 일반적 문 제 해결 방법이며, 컴퓨터 과학의 핵심 요소이다. 따라서 컴퓨터 과학은 모든 학문 분 야와 융합될 수 있을 뿐 아니라, STEAM의 핵심 영역으로 구성될 수 있으므로 본 연 구에서 CT-STEAM 수업 모형을 개발하기에 이르렀다.
3. 스크래치 EPL
스크래치(Scratch)는 2007년 5월 MIT의 Media Lab과 UCLA의 연구자들이 미국과 학재단, Intel의 지원을 받아 공동으로 개발한 교육용 프로그래밍 언어로, 컴퓨터 게임,
가 가진 특징을 다음과 같이 요약할 수 있다(함성진, 2011).
첫째, 스크래치에서는 여러 객체들을 쉽고 편리하게 정의할 수 있는데, 이러한 객체를 스프라이트(sprite)라고 부르며, 스크래치 블록 중에서 원하는 블록 요소들을 스크립트 영역에 끌어놓기 방식으로 구성하여 프로그래밍하게 된다. 둘째, 스크래치는 8개의 코 드 블록들로 이루어진 스크립트를 이용하여 스크래치 프로젝트로 작성하며, 이벤트 처 리의 핵심인 스크립트는 스프라이트의 동작을 직관적으로 정의할 수 있는데, 직관성이 야말로 스크래치의 최대 장점이라고 할 수 있다. 셋째, 스크래치는 그림, 소리 등 풍부 한 미디어의 투입이 가능하여 재미있게 학습하는 프로그래밍이 가능하다. 넷째, 소리 탭을 이용하여 스프라이트의 소리를 추가․편집할 수 있다. 다섯째, 블록을 쌓는 놀이 를 통하여 학습하는 프로그래밍 언어(Building-block Programming Language)로 코드 를 직접 작성하지 않고 원하는 블록을 골라 쌓고 조립하는 것만으로 프로그래밍이 가 능하다. 여섯째, 뛰어난 공유성으로 인해 프로그래밍 과정에서 다른 사람과 제작내용을 공유할 수 있고, 데스크탑․모바일․타블렛 등 모든 형태의 장치에서 공유가 가능하다.
일곱째, 물리적 센서와 장치를 활용하면 기기를 조작하면서 프로그래밍을 학습하는 게 가능하다. 여덟째, 한글을 포함한 다양한 언어를 지원하여 공유성을 높이고 사용자의 편이성을 증대시킬 수 있다(함성진, 2011).
본 연구에서는 실제 교육현장 적용을 위한 이상적인 도구로써 이러한 다양한 장점을 가진 스크래치 EPL을 수업에 활용한다. 블록 쌓기 프로그래밍 방식, 공유와 협력이 가 능한 스크래치 EPL을 실제 수업에 활용하는 방향으로 수업 모형을 개발하면 현장 적 용도가 높은 CT-STEAM 수업 모형이 개발될 것으로 기대된다.
4. CT-STEAM 수업 모형 도출
가. STEAM 및 CT 관련 이론에 대한 문헌 분석, 선행 연구 결과 조사
본 연구 활동과 관련된 이론 및 논문 자료, 단행본, 실제 교수․학습 자료로 개발된 사례 등을 여러 가지 방법으로 분석하고, 각 사례별 결과를 조사하여 본 연구에 시사 할 수 있는 바를 도출한다. 연구의 분야별 구체적인 내용들은 다음과 같다.
【STEAM 관련 이론에 대한 탐색】
주제 관련 문헌 및 토의 내용
STEAM교육의 기초 STEAM 교육론
STEAM 교육의 국내외 사례 초등 융합인재교육 사례 연구 STEAM
교수학습 모델
KEDI 모형, 김진수(2011)의 STEAM 교육을 위한 큐빅 모형, 통합교육과정, 설계기반의 STEAM과 ABDA모델, 한양대 개발 6 Factor + 수업모델, Ehwa-global STEAM
STEAM 교육의 단계와 학습 준거 각 단계가 가지는 요소, 학습 준거별 필요성
【CT 관련 이론에 대한 탐색】
주제 관련 문헌 및 토의 내용
CT의 정의 및 구성 요인 Computational Thinking & 창의적 문제 해결 방법론 CT를 활용한 교육 프로그램 개발 정보과학적 사고와 교육
Scratch programming and STEAM 스크래치로 배우는 STEAM 교육
위와 같이 STEAM과 CT 관련 이론들에 대한 다양한 탐색을 통해 CT-STEAM의 구체적 실현 방안을 모색하였다. 교과내 수업, 교과연계 수업, 창의적 체험활동, 기타 활동 등과 관련지어 분석하였고, 분석 과정 중 필요한 경우 STEAM 및 CT 전문가와 의 면담과 질의응답 및 연구원들의 선진지 견학 등을 통해 면밀한 분석을 시행하였다.
나. STEAM 수업 모델(모형) 비교
STEAM 수업 모델 분석을 통하여 CT-STEAM 수업 모델을 창안하고 학교에 적용 할 수 있는 수업 모델을 개발하기 위하여 김진수의 STEAM 교육을 위한 큐빅 모형과 백윤수의 모형, KEDI 모형을 분석하였고, 그 내용은 다음과 같다.
1) 김진수의 STEAM교육을 위한 큐빅 모형
김진수(2011)는 STEAM 교육의 목적을 창의성 신장에 두고 아래 그림과 같은 큐빅 모형에서 X축은 학문의 통합 방식에 따라 분류하였고, Y축은 학교 급에 따라 분류하 였으며, Z축은 통합의 요소에 따라 분류하였다. 특히 이 모형에서는 모든 STEAM 통 합교육을 통하여 창의성을 기를 수 있는 환경을 가질 수 있도록 캡슐로 둘러싸고 있 다. 또한 통합의 요소를 9개의 요소(활동, 주제, 문제, 탐구, 흥미, 경험, 기능, 개념, 원 리)로 제시한다는 점, 학교의 급(초, 중, 고, 대)을 4단계로 제시한다는 점에서 STEAM 교육이 영재교육으로서의 통합교육적 방법이라는 이론적 확장성을 지닌다 (한국과학창 의재단, 2011).
【김진수의 STEAM교육을 위한 큐빅모형】
2) 백윤수 모형과 KEDI 모형의 비교
초중등 학생을 위한 STEAM 모형은 백윤수 모형과 KEDI 모형이 있다. 두 모형 간 에 대상, 교육 목표, 핵심역량, 교육내용, 교육활동 전개 차원에서 비교한 결과는 다음 과 같다.
【STEAM 수업 모델(모형)의 분석】
다. CT 기반 문제 해결 과정과 CT의 9가지 주요 개념 요소
CT 기반 문제 해결 과정은 현실 상황에서의 문제를 컴퓨터의 관점에서 규정하고 그 문제의 해결 방법을 탐색하여, 효율적인 해결 절차를 통하여 강구하는 과정으로, ‘문제 이해 및 분석’, 정보과학적 원리 적용’, ‘문제 해결 방법의 설계(알고리즘 설계)’, ‘문제 해결 방법의 프로그래밍(알고리즘 구현)’, ‘실행 및 평가’의 순서로 이루어진다. 다음 표 는 미국의 K-12 수준(2011)에서 제시한 CT의 주요 개념에 대한 내용으로 본 연구에서 는 CT-STEAM 수업 모델 설계의 수업 과정에 주요 CT 개념을 중점 요소로 활용하 려고 계획하였다(CSTA & ISTE, 2011; 최형신, 2013).
【미국의 K-12 수준에서 제시한 CT의 주요 개념】
구분 백윤수 모형 KEDI 모형
대상 일반학생 영재학교/과학고등학교 학생
교육 목표 창의적이고 종합적으로 문제를 해결할 수 있
는 융합적 소양을 갖춘 인재 양성 창의적 과학기술 인재 양성
핵심 역량 배려, 창의, 소통, 융합적 지식 및 개념 형성 전공능력, 사고력, 윤리의식, 소통력
교육 내용 교과의 기본 개념(학문), 기술(공학), 맥락
전공지식, 개념, 원리,
사고(분석, 통합, 문제발견, 문제해결력), 윤리(책임, 윤리),
소통(소통, 협업, 리더십) 교육 활동
전개 - 1단계: STEAM연구의 기본 소양 함양
2단계: STEAM연구 활동 정교화 3단계: STEAM지식 및 기술 심화
주요 CT 개념 개념 설명
DC Data
Collection 자료 수집 문제의 이해와 분석을 토대로 문제를 해결하기 위한 자료를 모으는 단계 DA Data
Analysis 자료 분석 수집된 자료와 문제에 주어진 자료를 세심히 분류하고 분석하는 단계 DR Data
Representation 자료 표현 문제의 자료 내용을 그래프, 차트, 단어, 이미지 등으로 표현하는 단계 PD Problem
Decomposition 문제 분해 문제를 해결해나가기 위해 문제를 나누어 분석하는 단계
Ab Abstraction 추상화 문제의 복잡도를 줄이기 위해 기본 주요 개념의 정의를 설정하는 단계 Al Algorithms
& procedures 알고리즘 지금까지 문제를 해결하기 위한 과정을 순서적 단계로 표현하는 단계 Au Automation 자동화 순서적으로 나열하고 표현한 내용을 컴퓨팅 기기를 이용하여 해결과
정의 최선책을 선택하는 단계
Si Simulation 시뮬레이션 복잡하고 어려운 해결책이나 현실적으로 실행이 불가능한 해결책을 선 택하기 위해 모의 실험하는 단계
Pa Parallelization 병렬화 문제를 해결하기 위한 공동의 목표를 달성하기 위한 작업을 수행하는 단계
Ⅲ. 연구의 설계 1. 대상 및 기간 - 적용 대상
- 적용 기간 : 2014년 7월 1일 ~ 2014년 10월 31일 (총 4개월간)
※ 적용 대상 120명 중 실험군 23명, 통제군 26명을 선정하여 결과 분석에 활용함 2. 연구 계획
일정 수행내용
추진일정
3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월
문헌 분석(선행 연구 조사) STEAM교육 연구, 조사 컴퓨팅 사고력 프로그램 조사 개발 계획 수립
교육과정분석, 기본 방향 설정 CT 프로그램 기본 틀 마련
CT-STEAM 모형 도출
CT-STEAM 주제 추출 및 프로그램 개발 CT-STEAM 프로그램 구안
수업 지도안, 활동지 작성 학생용 도움자료, 교재 개발 PPT, 안내자료 개발 실물 교구, 키트 개발 측정 도구의 개발 융합인재교사 직무연수
CT-STEAM 프로그램 수정 보완 및 프로그램 완성
일반 학생 대상 적용 수정 보완
효과검증(컴퓨팅 사고력, 융합적 사고력 측정)
사전-사후 검사 및 결과 분석 사전 사후 분석
CT-STEAM 홍보 및 확산 워크숍, 토론회 활동 CT-STEAM 홍보
순 학교명(지역) 대상 학년 인원 수 비고
1 청주상당초등학교(충북) 4학년 실험군 20명/통제군 20명 희망자 2 청주창신초등학교(충북) 5학년 실험군 20명/통제군 20명 희망자 3 전주봉은초등학교(전북) 6학년 실험군 20명/통제군 20명 희망자
문헌 분석
(선행 연구 조사) ➨ 개발 계획 수립 ➨ CT 프로그램
기본 틀 마련 ➨ STEAM 주제 추출 ➨ CT-STEAM
프로그램 개발 ➨ 수정 및 보완
프로그램 완성 ➨ 효과 검증
-컴퓨팅 사고력, 융합적 사고력- ➨ CT-STEAM 홍보 및 확산
3. 연구 조직
- sub-group 역할 분담
- sub-group 업무 분장
구분 업무
과제1. 프로그램 개발
CT-STEAM 수업모델 설계 교수․학습 과정안 작성 학생용 학습 자료 개발 워크북, 참고자료, 자료목록 실습용 자료 개발
과제2. 효과성 검증
문헌 연구 및 행동 분석 측정도구(CT-STEAMTOOL) CT 구성 요인 추출
컴퓨팅 사고력, 융합적 사고력 검사 도구 개발 현장 적용, 효과성 검증
과제3. 프로그램 확산
융합인재교육 교사 연수 참석 각종 교사 워크숍 강연
예비교사 대상 강의 논문 발표 및 게재
컴퓨팅 사고력 주말 탐구체험부스 운영
연구책임자 ․연구책임자 1명
․공동연구원 5명
․자문위원 3명 김 순 화
(계 9명)
과제1. 프로그램 개발 과제2. 효과성 검증 과제3. 프로그램 확산
연 구 원 : 함 성 진(정) 연 구 원 : 남 상 천(정) 연 구 원 : 김 순 화(정)
연 구 원 : 송 재 철(부) 연 구 원 : 신 주 현(부) 연 구 원 : 박 세 영(부)
자문위원 : 이 영 숙
임 동 순 자문위원 : 송 기 상
Ⅳ. 연구의 실제
1. 융합인재교육(STEAM) 연구를 위한 환경 조성
가. 밴드 개설을 통한 Just-in-time 의사소통 및 자료공유 1) 필요성
- 연구회 구성원들이 원거리에 위치하여 원거리 극복 필요
- 연구 자료의 실시간 공유를 통하여 아이디어의 효과적인 발전 필요 2) 활동 내용
- 구성원: 자문위원 1, 연구원 6명
- 밴드 업로드 항목: 일정, 수집 자료, 연구 아이디어, 사진 등 3) 활용 효과
- 활발한 의사소통으로 팀원 간의 신뢰도 및 아이디어 활성화 - 자료의 실시간 공유로 활발한 수업 아이디어 개선과 적용성 모색
【밴드 개설을 통한 의견 교류 현황】
나. 주1회 정기 세미나를 통한 면대면 브레인스토밍 1) 필요성
- 연구회 회원들은 대학원생으로 개인 연구와 융합인재교사연구회 연구 병행 - 개인 연구의 정기적인 보고와 지도 교수님의 지도로 연구의 지속적인 심화 필요 2) 활동 개요
- 일시: 2014.5. ~ 2014.8. 현재 매주 화요일 18:00~21:00 - 장소: 한국교원대학교 융합과학관 529호
3) 효과
- 연구 결과의 효과적인 공유로 연구의 방향을 잃지 않고 초점 있는 연구 진행 가능
[밴드 개설(2014.6.7.)] [문헌조사 의견 공유] [사진첩 활동사진 공유]
【세미나 개최 및 논의 내용】
【정기 세미나 장면】
[6.10.세미나] [7.8.세미나] [10.7.세미나]
순 일시 세미나 안건 및 내용
1 6.10.(화) 18:00
-CT-STEAM 교재 선정 협의 -CT-STEAM 프로그램 교구 선정 -CT-STEAM 프로그램 개발 방향 협의
2 6.17.(화) 18:00
-개인 연구 내용 보고(남상천)
-CT-STEAM 과제 업무 분담 및 방향 제시(김순화) -CT 연구 설계 관련 논의(전원)
-프로그램 개발 상세 논의(신주현)
3 6.24.(화) 18:00
-시선추적과 학습과학 세미나(남상천) -학술대회용 개인연구계획 발표(전원)
-학술대회 개인연구 방향 지도 자문(송기상 교수님)
4 7.8.(화) 18:00
-뇌파측정 방법론 세미나(신주현)
-4학년~6학년용 CT 검사 제작 논의(김순화)
-개인연구 진행 상황 보고 및 지도 자문(송기상 교수님)
5 7.30.(수) 18:00
-뇌파 장비 등 교구 구입 논의
학생지도교구 자료 준비(함성진), 뇌파측정도구 자료준비(신주현) -중간보고서 작성 논의(김순화)
6 8.19.(화) 18:00
-중간보고서 완성 및 검토(김순화, 박세영)
-뇌파기기 구입 후 측정 및 분석 방법 연구(신주현) -사전검사지 분석 방법 연구(함성진)
-중간보고서 자문 및 검토(전원, 송기상 교수님)
7 9.23.(화) 18:00
-CT-STEAM 프로그램 전문가 자문 설문지 검토 -교육 프로그램 적용 계획 및 결과 분석
-향후 수업 적용 방안 및 뇌파 측정 계획 보고 -CT강의 예비교사 대상 적용 계획
-CT 개방형 설문 결과 정리 내용 보고
8 10.7.(화) 18:00
- CT-STEAM 수업 프로그램 검증 논문 작성 검토 - 뇌파 측정 실험 결과 보고 및 뇌파 측정 방법론 - CT 사전 검사 결과, CT 2차 설문 진행 보고 - CT-STEAM 수업 적용 및 결과 처리 방안 논의
2. CT-STEAM 프로그램 개발 및 적용 가. 프로그램 개발 방향
본 연구는 과학 교과와 연계한 컴퓨팅 사고력의 융합인재교육(STEAM) 및 창의적 체험활동과 연계한 CT 융합인재교육(STEAM) 교수․학습 자료를 개발 및 적용하기 위하여 정규 교육 과정의 교과 시간과 창의적 체험활동 시간의 수업 시수를 활용하여 연구하였다. 이를 위한 프로그램 개발 방향은 다음과 같다.
1) CT-STEAM 개발의 주 교과는 초등학교 과학으로 하되 다양한 STEAM 요 소와 더불어 CT 요소가 포함되도록 개발한다.
2) CT-STEAM 프로그램 적용 학년은 초등학교 4~6학년 학생에게 적합하도록 구성한다.
3) CT-STEAM 프로그램 주제는 4~6학년 과학의 단원 중 CT 요소가 들어가기 에 적절한 단원으로 선정한다.
【CT-STEAM 프로그램 개발 개요】
나. 개발 프로그램의 실제
본 연구에서는 STEAM 수업 요소에 CT 중점 요소를 추가하여 [문제 상황 제시- 자료 수집 및 분석-창의적 융합 설계-제작 및 시뮬레이션-감성적 체험 및 평가]의 5단 계로 수업이 이루어질 수 있도록 구성하여 교사 활동과 학생 활동을 나누어 제시함으
학년-학기 단원 내용
4-2 4. 지구와 달
프로그램명 스크래치와 함께 지구와 달을 공부해요 적용 학년 / 시기 4학년 2학기 / 11월
관련 과목 과학, 수학, 미술, 음악, 체육
5-2 3. 물체의 속력
프로그램명 스크래치와 함께 물체의 속력을 공부해요 적용 학년 / 시기 5학년 2학기 / 10월
관련 과목 과학, 수학, 미술, 음악, 체육
6-2 1. 날씨의 변화
프로그램명 스크래치와 함께 날씨와 일기도를 공부해요 적용 학년 / 시기 6학년 1학기 / 9월
관련 과목 과학, 수학, 미술, 음악, 체육
【CT-STEAM 수업 모형】
CT-STEAM 교수․학습활동 단계별로 CT-STEAM 수업 모형과 CT-STEAM 학 습 요소 추출안을 활용하여 CT-STEAM 교수․학습지도안을 구안하였다. 게임에 흥미 가 많은 초등학생이라는 점과 스크래치를 이용하면 손쉽게 게임 제작이 가능하다는 점, 게임 제작에는 스토리 구상과 배경음악 선정, 캐릭터 그리기 등 다양한 예술적 활 동과 과학, 기술, 공학적 활동이 융합적으로 이루어질 수 있다는 점을 고려해 볼 때, CT-STEAM 교육 프로그램 각 중점 요소를 고루 반영하여 스크래치 프로젝트를 제작 할 수 있도록 스크래치 게임 제작을 위한 활동을 추가하였다. 다음은 CT-STEAM 교 수-학습지도안의 일부이고, 전체 교수-학습 과정안은 [부록 1]에 제시하였다.
교사 활동 수업 과정
[CT 중점 요소] 학생 활동
▼ ▼ ▼
1. 학습의 동기 유발
2. 첨단과학 및 실생활 속 쉽게
접근이 가능한 문제 상황 제시 ⇐ 문제 상황 제시 ⇒ 1. 문제 분석 및 이해 2. 해결 방법 탐색
▼
1. 관련 정보 제공
2. 자료 수집 및 분석을 통한 탐
구 활동과 지식 생성 유도 ⇐ 자료 수집 및 분석 [DC, DA] ⇒
1. 학습 전략의 수립
2. 문제 분석을 위한 자료 수집 및 정보 탐색3. 수집된 지식의 분석 및 분류
▼
1. CT-STEAM 기반 활동프로그램 제시2. 창의적 융합 설계 활동이 성공
적으로 이뤄지도록 유도 3. 학생 개별탐구활동 점검
⇐ 창의적 융합 설계 [DR, PD, Ab] ⇒
1. 개인, 모둠별 과제 전략에 따른 학습 활동이나 실험 수행 2. 문제 복잡도를 줄이기 위해 기본개념
정의, 문제해결 과정을 순서적 단계로 표현
▼
1. 과학, 기술, 공학, 수학, 예술적 방법과 CT를 융합한 아이디어 2. 스크래치 시뮬레이션을 통한 문제해결의 제작 유도3. 다양한 방법 탐색 기회 제공
⇐ 제작 및 시뮬레이션 [Al, Au, Si] ⇒
1. Computing 기기를 이용해 문제 해결 과정의 최선책 선택 2. 복잡한 해결책이나 실행 불가능한
해결책을 구분하기 위한 모의 실 험단계
▼
1. 감성적 체험의 기회 제공 2. 학습 활동의 종합적 정리 3. 평가 요소의 추출과 적용 4. 생성 지식의 평가와 반성
⇐ 감성적 체험 및 평가
[Pa] ⇒
1. CT-융합적 사고력을 기르는 학 습 결과물 종합 활동
2. 감성적 체험과 학습 성취감 3. 동료의 산출물과 생성 지식과의 비교, 분석
【CT-STEAM 수업 지도안 내용】
다. CT 검사 예비 적용
- 청주상당초등학교 4학년 25명과 대전가장초등학교 4학년 25명을 대상으로 연 구진에서 개발한 CT검사 예비 적용 후 수정․보완함
- CT-STEAM 수업 적용 전과 후에 수정․보완된 CT 검사지의 적용을 통하 여 본 프로그램이 학생의 CT능력 신장에 얼마나 효과적인지 검토할 예정
【CT-STEAM 예비 적용 및 검토 장면】
단계 수업 지도안 내용 (일부 내용만 발췌)
문제 상황 제시
∙미래의 도로 감시용 로봇 ‘월-E-Ⅱ’
월-E가 지구에 남아 혼자서 쓰레기를 치우게 하지 말고, 도로의 안전을 늘 살펴보는 ‘미래 의 도로 감시용 로봇’-‘월-E-Ⅱ’로 새롭게 프로그래밍을 해 보면 어떨까?
∙로봇 프로그래밍 마스터가 되어 로봇 조종하기
여러분이 로봇 프로그래밍 마스터가 되어 미래의 어느 도시에서 일하는 ‘월-E-Ⅱ’를 찾으러 떠나볼까요? 선생님이 보여주는 스크래치 프로젝트를 보고 움직이는 것과 움직이지 않는 것 을 구분하여 봅시다.
자료 수집 및 분석
∙우리 주변에서 운동하는 물체 찾아보기[DC]
∙생활에서 운동하는 물체를 찾아보고 자기 생각 발표하기[DA]
∙‘월-E-Ⅱ’프로젝트에서 운동하는 물체와 운동하지 않는 물체의 특징을 찾아서 발표하기 [PD]
제작 및 시뮬레
이션
∙스크래치 프로젝트에서 멋진 자동차와 제이미의 운동 알아보기[DA]
∙‘처음 위치’, ‘나중 위치’라는 말을 이용하여 멋진 자동차의 위치 말하기[Ab]
∙스크래치 프로젝트에서 제이미의 운동에 대해 모둠별로 탐색해 보고 발표하기[Al, Au, Si]
라. CT-STEAM 수업 적용
1) CT-STEAM 수업 적용 기반 마련 - 적용 프로그램 개발 및 수정․보완(9월) - 적용 학교 및 학급 모색(9월)
2) CT-STEAM 프로그램 적용
【실험군 수업 적용 장면】
순서 학교명(지역) 대상 학년 인원 수 수업자
1 청주창신초등학교(충북) 4학년 실험군 20명/대조군 20명 송재철 2 청주상당초등학교(충북) 5학년 실험군 20명/대조군 20명 함성진 3 전주봉은초등학교(전북) 6학년 실험군 20명/대조군 20명 신주현
3. CT-STEAM 홍보
가. 문헌 연구를 통한 학술대회 논문 발표 1) 필요성
- 문헌연구 및 관련 논문 연구의 output 생성을 통해 연구의 홍보 필요
- CT-STEAM을 통해 CT를 현장에 도입하는 방향에 대해 CT를 연구하는 연구 자들과 의견 교류의 필요성
2) 활동 내용
- STEAM과 Computational Thinking 관련 문헌 구입
- 매주 세미나를 통해 문헌 연구 내용 공유 및 개인연구 계획서 작성
- 2014년 하계 한국컴퓨터교육학회 학술대회 및 컴퓨터교육학회 논문지 발표(4건) - 향후 연구 계획: 프로그램 적용을 통한 융합적 사고력 및 CT능력 향상 검증 을 통한 저널 투고 예정(1건, 11월), Computational Thinking 능력에 대한 암 묵적 이론을 적용한 구성 요인의 탐색 논문 저널 투고 예정(1건, 12월)
【학술대회 연구 결과 발표 현황】
[CSCC 2014 논문 발표] [2014년 하계 한국컴퓨터교육학회 논문 발표]
<초등학생의 정보과학적 사고력 향상을 위한 스크래치 기반 프로그램개발>
(2014 하계컴퓨터교육학회 학술대회, 신주현, 박세영, 송기상)
초록
초등학생의 정보과학적 사고력 향상을 위한 스크래치 기반 프로그램 개발
신주현†․ 박세영†․ 송기상†
†한국교원대학교 컴퓨터교육과
Scratch Curriculum Development for Computational Thinking Education
Ju-Hyun Shin†․ Se-Young Park†․ Ki-Sang Song†
†Dept. of Computer Education, Korea National University of Education
요 약
Computational Thinking(이하 CT)라는 단어를 Seymour Papert가 처음 사용하면서 우리에게 알려 졌고 그 후 Wing에 의해 알려지게 되었는데, CT 능력을 키우기 위해 여러 가지 도구들을 사용하고 그에 따라 CT가 향상되었는지 검증하는 연구들이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 교육현장에서 활 용하기 어려운 로봇이 아닌 컴퓨터 교육의 본래 목적에 걸맞은 스크래치 프로그램을 이용하여 초등 학생의 CT 능력을 향상시킬 수 있는 프로그램을 10차시 분량을 개발하고 전문가 집단에게 검증받 았다.1)2)
1) 이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2014S1A5A2A01010630)
2) 이 논문은 2014년도 한국과학창의재단의 재원으로 융합인재교육(STEAM) 협력 연구 STEAM 교사 연구회사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2014CAA0123)
<스크래치 EPL을 활용한 CT-STEAM 수업 모형 개발>
(2014 하계컴퓨터교육학회 학술대회, 함성진, 김순화, 송기상) ★우수논문 선정
초록
스크래치 EPL을 활용한 CT-STEAM 수업 모형 개발
함성진†․ 김순화†․ 송기상†
†한국교원대학교 컴퓨터교육과
Development of CT-STEAM Instruction Model Using Scratch EPL
Seong-Jin Ham†․ Soonhwa Kim†․ Ki-Sang Song†
†Dept. of Computer Education, Korea National University of Education 요 약
기존의 과학교육이 지닌 문제점들을 개선하기 위하여 2011년부터 우리 교육현장에 STEAM이 도입되었다. 하지만, 급속한 정보통신기술의 발달에 따라 각종 스마트기기와 모바일 기기 등 다 양한 교육용 테크놀로지를 활용하여 문제를 해결하게 될 미래의 학교 모습은 이에 걸맞은 새로 운 형태의 STEAM을 요구하게 되었다. 이러한 흐름에 맞춰 본 연구에서는 각종 Computing 기 기를 활용하여 현실 세계의 복잡한 문제를 융합적으로 해결하는 새로운 형태의 융합인재교육인 CT-STEAM(Computational Thinking & STEAM) 교육을 제안하고, 이를 실제 교육현장에 효과 적으로 도입하기 위한 전단계로 CT-STEAM 수업 모형을 개발하였다. 본 연구의 결과는 21세 기 미래 학교에서 창의적이고 능동적인 문제 해결을 도와줄 수 있는 CT와 STEAM에 대한 이 해를 제고하며 향후 융합적 CT 교육을 위한 다양한 수업방법 개발에 기초자료를 제공해 줄 것 이다.3)
<Exploring Technological Factors Affection Creativity in SMART Learning Affecting Creativity>
(Advances in Educational Technologies, 김순화, 박세영, 송기상)
초록
<융합적사고력 신장을 위한 초등학생용 CT 기반 융합인재교육 프로그램 개발>
(컴퓨터교육학회논문지 17권 6호, 함성진, 김순화, 박세영, 송기상) ★11월 호 게재 확정
초록
융합적사고력 신장을 위한 초등학생용 CT 기반 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램 개발
함성진†․ 김순화†․박세영†․ 송기상††
요 약
기존의 과학교육이 지닌 문제점들을 개선하기 위하여 2011년부터 우리 교육현장에 STEAM이 도입되었다. 하지 만, 급속한 정보통신기술의 발달에 따라 각종 스마트기기와 모바일 기기 등 다양한 교육용 테크놀로지를 활용하여 문제를 해결하게 될 미래의 학교 모습은 이에 걸맞은 새로운 형태의 STEAM을 요구하게 되었다. 이러한 흐름에 맞춰 본 연구에서는 각종 Computing 기기를 활용하여 현실 세계의 복잡한 문제를 융합적 사고를 통하여 해결하는 새로운 형태의 융합인재교육인 CT-STEAM (Computational Thinking & STEAM) 교육을 제안하고, 이를 실제 교 육현장에 효과적으로 도입하기 위한 전단계로 CT-STEAM 수업 모형을 개발하고, 프로그램을 지도하기 위한 전략 으로 교수-학습 지도안을 구안하여 정보와 컴퓨터 교육 분야 전문가를 통해 프로그램의 타당성 검증을 하였다. 본 연구의 결과는 21세기 미래 학교에서 창의적이고 능동적인 문제 해결을 도와줄 수 있는 CT와 STEAM에 대한 이 해를 제고하며 향후 융합적 CT 교육을 위한 다양한 수업방법 개발에 기초자료를 제공해 줄 것이다.
주제어 : Computational Thinking, STEAM, CT, 융합인재교육, 창의력, 스크래치
Development of CT-STEAM Education Program Enhancing Integrated Thinking Skills for Elementary
School
Seong-Jin Ham†․ Soonhwa Kim†․ Se young Park†․ Ki-Sang Song††
ABSTRACT
STEAM education has been introduced to resolve the existing problems of science education since 2011.
However, as ICT develops rapidly, the future of the schools with various educational technologies is demanding for a new type of STEAM education. Therefore, the current research suggests CT-STEAM (Computational Thinking & STEAM) education, the new approach to provide integrated thinking based education with all sorts of computing devices. Firstly, the instruction model was developed as a fundamental step to introduce CT-STEAM in the real education scene. Then, lesson plan was developed as a implementation strategy, and it was tested for validity by computer education experts. It is hoped that the results of this study can enhance the understanding of CT and STEAM Education, also to provide baseline information to develop various teaching methods for integrated CT education.
나. 과학 탐구체험 부스 운영을 통한 인식 확산 1) 필요성
- 컴퓨팅 사고력에 대한 학생, 학부모 및 교사, 일반시민의 인식 확산 필요 - 체험형 컴퓨팅 사고력 부스 운영을 통한 CT-STEAM 프로그램 홍보 2) 활동 내용
- 무한상상실 연계형 CT 탐구체험 부스 운영
- 언론 보도: “별동창 무한상상실, 대전 교사연구회 연계 주말탐구체험부스 운영!”
(금강일보, 2014.10.12.)
- 초등학교 과학동아리 학생 봉사활동 투입으로 학생의 자기주도적 부스 운영 - 무한상상실 연계형 CT 교육 프로그램 및 학습지 개발
【과학 탐구체험 부스 프로그램 개요】
【과학 탐구체험 부스 운영 현황】
[아두이노 체험] [빛으로 만나는 아두이노] [메이킹 체험]
[메이킹 체험] [빛과 소리로 만나는 아두이노] [무한상상 아이디어 공유]
주제명: 무한상상 나도 메이커!
빛으로 만나는 아두이노 소리로 만나는 아두이노
1. 아두이노 회로도의 구성요소를 확인한다.
2. 브레드보드 회로의 작동 원리를 이해한다.
3. 깜빡이는 LED 회로를 직접 구성한다.
4. 프로그래밍 코드를 분석하고 구성 요소를 이해 한다.
5. 프로그래밍 코드에서 속도 조절을 위한 변수를 탐색한다.
1. 아두이노 회로도의 구성요소를 확인한다.
2. 브레드보드 회로의 작동 원리를 이해한다.
3. 미니피아노 회로를 직접 구성한다.
4. 프로그래밍 코드를 분석하고 구성 요소를 이해 한다.
5. 프로그래밍 코드에서 음높이 조절을 위한 변수 를 탐색한다.
컴퓨팅 사고력 주말탐구체험 부스용 개발 학습지
무한상상 나도 메이커!(빛으로 만나는 아두이노)
활동 목표 아두이노 회로도를 보고 깜빡이는 LED를 만들어보고, 깜빡이는 속도 를 조절할 수 있다.
준 비 물 아두이노 키트, LED, 노트북 등
일 시 2014.10.11.(토) 장 소 대전교육과학연구원 탐구학습장 핵심 콕 √√
1. 아두이노 회로도의 구성요소를 확인한다.
2. 브레드보드 회로의 작동 원리를 이해한다.
3. 깜빡이는 LED 회로를 직접 구성한다.
4. 프로그래밍 코드를 분석하고 구성 요소를 이해한다.
5. 프로그래밍 코드에서 속도 조절을 위한 변수를 탐색한다.
새콤새콤 활동과정
1. 노트북과 아두이노 우노 보드를 연결한다.
2. 아두이노 우노 보드와 브레드 보드를 나란히 놓는다.
3. 회로도를 보며 브레드 보드의 알맞은 위치에 점퍼선과 LED를 꽂는다.
4. 기본 세팅된 프로그래밍 코드를 업로드하여 작동여부를 확인한다.
5. LED 깜빡임 속도를 조절할 수 있는 변수를 찾아 조절해본다.
6. 자신이 조작한 프로그래밍 코드를 업로드하여 깜빡임 속도를 변화시켜 본다.
7. 곤충로봇, 멜로디 꽃병, LED 주사위, LED 신호등 등을 체험하며 생 활 속에서 이러한 원리가 활용된 예를 생각해 본다.
느낀점 1.
2.
3.
( )학교 ( )학년 ( )반 성명 :
위 학생의 체험활동을 확인합니다.
2014. 10. 11.(토) 체험활동 지도교사 대전상대초등학교 김순화 인
컴퓨팅 사고력 주말탐구체험 부스용 개발 학습지
빛으로 만나는 아두이노
1. 회로도: 브레드보드에 아래 그림과 같이 부품들을 꽂아 봅시다.
[준비물: 아두이노 우노 보드, 브레드보드, LED 1개, 저항 1개, 점퍼선 2개]
2. 코드: 코드를 작성하고, 수정하여 LED의 깜빡임을 조절하여 봅시다.
▶ 과제 1: delay(1000) ⇒ delay(200)
▶ 과제 2: 개인이 조절하고 싶은 수치로 조절하기
컴퓨팅 사고력 주말탐구체험 부스용 개발 학습지
무한상상 나도 메이커!(소리로 만나는 아두이노)
활동 목표 아두이노 회로도를 보고 미니피아노 만들어보고, 음의 높이를 조절할 수 있다.
준 비 물 아두이노 키트, 푸쉬버튼, 노트북 등
일 시 2014.10.11.(토) 장 소 대전교육과학연구원 탐구학습장 핵심 콕 √√
1. 아두이노 회로도의 구성요소를 확인한다.
2. 브레드보드 회로의 작동 원리를 이해한다.
3. 미니피아노 회로를 직접 구성한다.
4. 프로그래밍 코드를 분석하고 구성 요소를 이해한다.
5. 프로그래밍 코드에서 음높이 조절을 위한 변수를 탐색한다.
새콤새콤 활동과정
1. 노트북과 아두이노 우노 보드를 연결한다.
2. 아두이노 우노 보드와 브레드 보드를 나란히 놓는다.
3. 회로도를 보며 브레드 보드의 알맞은 위치에 점퍼선과 푸쉬버튼을 꽂는다.
4. 기본 세팅된 프로그래밍 코드를 업로드하여 작동여부를 확인한다.
5. 음높이를 조절할 수 있는 변수를 찾아 조절해본다.
6. 자신이 조작한 프로그래밍 코드를 업로드하여 음높이를 변화시켜 본다.
7. 곤충로봇, 멜로디 꽃병, LED 주사위, LED 신호등 등을 체험하며 생 활 속에서 이러한 원리가 활용된 예를 생각해 본다.
느낀점 1.
2.
3.
( )학교 ( )학년 ( )반 성명 :
위 학생의 체험활동을 확인합니다.
2014. 10. 11.(토) 체험활동 지도교사 대전상대초등학교 김순화 인
컴퓨팅 사고력 주말탐구체험 부스용 개발 학습지
소리로 만나는 아두이노
1. 회로도: 브레드보드에 아래 그림과 같이 부품들을 꽂아 봅시다.
[준비물: 아두이노 우노 보드, 브레드보드, 푸쉬버튼, 피에조 부저, 저항, 점퍼선]
2. 코드: 코드를 작성하고, 수정하여 음높이를 조절하여 봅시다.
/*코드 출처 - 아두이노 for 인터랙티브 뮤직 */
void setup(){
pinMode(2,INPUT);//2번 핀을 입력으로 설정 pinMode(3,INPUT);//3번 핀을 입력으로 설정 pinMode(4,INPUT);//4번 핀을 입력으로 설정 pinMode(5,INPUT);//5번 핀을 입력으로 설정 pinMode(6,INPUT);//6번 핀을 입력으로 설정 pinMode(7,OUTPUT);//7번 핀을 출력으로 설정 }
void loop(){
if(digitalRead(2)==1){sol();}//만약 2번핀이 1의상태(눌림상태)라면 솔을 실행합니다.
if(digitalRead(3)==1){la();}//만약 3번핀이1의상태(눌림상태)라면 라 를 실행합니다 if(digitalRead(4)==1){Do();}//만약 4번핀이 1의상태(눌림상태)라면 도 를 실행합니다.
if(digitalRead(5)==1){re();}//만약 5번핀이 1의상태(눌림상태)라면 레 를 실행합니다.
if(digitalRead(6)==1){mi();}//만약 6번핀이 1의상태(눌림상태)라면 미 를 실행합니다.
}
void sol(){
digitalWrite(7,1); delayMicroseconds(1276);//'솔'음을 내기위한 주기
컴퓨팅 사고력 주말탐구체험 부스용 개발 학습지
▶ 과제 1: 1번~5번 버튼을 “도, 레, 미, 파, 솔”로 변경하기
▶ 과제 2: 개인이 조절하고 싶은 수치로 조절하기
【음높이에 따른 주기】
digitalWrite(7,0); delayMicroseconds(1276);
}
void la(){
digitalWrite(7,1); delayMicroseconds(1137);//'라'음을 내기위한 주기 digitalWrite(7,0); delayMicroseconds(1137);//'미'음을 내기위한 주기 }
void Do(){
digitalWrite(7,1); delayMicroseconds(955 );//'도'음을 내기위한 주기 digitalWrite(7,0); delayMicroseconds(955);
} void re(){
digitalWrite(7,1); delayMicroseconds(852);//'레'음을 내기위한 주기 digitalWrite(7,0); delayMicroseconds(852);
} void mi(){
digitalWrite(7,1); delayMicroseconds(759);
digitalWrite(7,0); delayMicroseconds(759);
}
음높이 주기
도(Do) 1910
레(re) 1703
미(mi) 1517
파(fa) 1432
솔(sol) 1276
라(la) 1136
시(ti) 1012
도(do) 955.6
다. CT-STEAM 확산을 위한 홍보 활동
【CT-STEAM 홍보 활동 현황】
구분 활동명 활동 내용 활동 장면
학생
CT-STEAM 탐구체험부스
개인별로 연구한 프로젝트 주제를 중심으로 한 발표대회
지도교사와 학생이 중심이 되어 탐구 주제를 이용한 발표 실시
국제 로봇대회 참여
Computational Thinking의 글로벌 인식 확산 을 위한 국제 로봇대회 참여
국제 로봇대회 심사위원으로 활동함으로써 CT-STEAM의 저변 확대
교사
융합인재교사 직무연수 참여
융합인재교사 심화 직무 연수 참여(60시간) 연1회 창의재단에서 실시되며 참여 대상은 융합인재교사연구회 회원임
컨퍼런스 논문 발표
국내외 컴퓨터교육, 융합인재교육 관련 컨퍼 런스에 논문을 발표함(4회)
교사 및 정보 관련 전문가의 인식을 제고함
CT-STEAM 예비교사 강의
교원양성대학을 중심으로 CT-STEAM 의 이 해를 높이기 위한 강연 진행
CT와 융합인재교육에 대한 이해를 바탕으로 한 지도의 실제 강의
STEAM 연구회 세미나
STEAM 관련 교사 연구회 세미나를 통해 영 재 교사의 교수 역량 강화
다양한 방면의 지식을 공유함으로써 창의적 지도 역량 강화
Ⅴ. 연구 과제의 결과
1. 검증 계획 가. 연구 가설
1) CT-STEAM 프로그램이 초등학생의 CT능력 향상에 효과적일 것이다.
2) CT-STEAM 프로그램이 초등학생의 융합적 사고력 신장에 효과적일 것이다.
나. 연구 설계
【연구 설계】
1) 연구 가설의 검증을 위하여 수업 적용 실험집단 및 통제집단 120명 중 실험 집단 23명, 통제집단 26명을 선정하여 실험집단에는 4~6학년 CT-STEAM 프 로그램을 적용하였다.
2) 통제집단은 실험집단과 같은 학교의 같은 학년으로 선정하되 학업성취도가 유사한 학급을 실험집단으로 선정하였다.
3) 통제집단은 CT-STEAM을 활용한 과학수업이 아닌 일반적인 과학 수업을 실 시하여 실험집단과의 CT능력과 융합적 사고력 점수를 비교하여 가설을 검증하 였다.
2. 검증 방법 가. 검사도구
1) 개발 프로그램의 타당도 검토 질문지
개발된 프로그램의 타당도를 검증하기 위한 질문지 설문 내용은 수학교육과정에서 초등정보영재 프로그래밍으로 개발된 자료를 평가하기 위해 이현주(2012)가 개발한 평 가틀과 중3 수학영재를 위한 STEAM 교수-학습자료를 평가하기 위해 박소영(2013)이 개발한 평가틀 및 초등 정보영재를 위한 로봇프로그래밍 교육과정을 개발하고 제작한 김신엽(2008)의 평가틀을 기초로 다음 표의 세부 평가 항목을 설정한다. 이렇게 마련된 평가지표에서 CT 기반 초등 융합인재교육(CT-STEAM) 프로그램을 위해 구안된 수업 모형 부분과 교수학습 설계 내용과 실제 수업에 적용되는 내용에 해당하는 부분을 중
【CT-STEAM 프로그램 평가 전문가 검토지 내용】
평가항목
문항 내용 척 도
번호 내 용 그렇다그렇다매우 보통이다그렇지않다그렇지매우
않다
수업모형 적합성
1 CT-STEAM 수업 모형 설계 및 교수․학습 과정에 CT 중점 요소로 활용하고있는 CT의 9가지 주요 개념에 대한 내용 선정이 적절하다.
2 CT-STEAM 수업 모델 설계안의 각 수업과정 선정은 CT 중점 요소별 균형을고려하여 설계하였다.
3 CT-STEAM 수업 모델 설계안은 컴퓨팅적 사고력을 확대․강화한 CT-STEAM수업 모형이 되는데 주안점을 두어 설계하였다.
교수학습 내용조직 적합성
4 CT-STEAM 프로그램의 교육목표를 달성하기 위한 교수-학습 전략이 다양하고적절하다.
5 스크래치를 활용한 CT-STEAM 교육 프로그램 단원 선정이 적절하다.
6 스크래치를 활용한 CT-STEAM 교육 프로그램 학습 내용 선정이 적절하다.
7 CT-STEAM 수업 모형에서 제시하고 있는 학습 위계에 맞는 내용으로 교수-학습 지도안이 구성되었다.
8 CT-STEAM 교수-학습지도안에서 각 단계별 학습 활동을 적절히 제시하였다.
9 효율적인 수업을 위해 다양한 수업방식을 적용하고 있다.
학습난이 적합도 성
10 초등학생의 수준과 발달 단계를 고려한 내용이다.
11 학습 내용 선정에 있어 학습의 넓이와 깊이를 고려한 체계로 구성되어 있다.
수업적용 적합성
12 학교 수업에 적용하기 쉽고 편리하게 구성되어 있다.
13 학교 수업에 투입했을 때, 수업의 완성도가 높을 것이라고 예상된다.
14 실천적이고 현실 가능한 수업 전략을 제시하고 있다.
학습자료 구성적합 성
15 학습 자료의 내용들이 수업 목표를 달성하기에 적합한 내용으로 구성되어 있다.
16 전이성이 높은 내용으로 현실 생활 모습과 관련을 맺고 있다.
17 내용이 참신하며, 학습에 도움을 줄 수 있을 정도로 신뢰할 만한 자료이다.
