한국컴퓨터정보학회 하계학술대회 논문집 제21권 제2호 (2013. 7)
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컴퓨터 교육의 전망과 과제: 계산적 사고 및 협력적 문제 해결 능력 향상을 위한 융합적 접근
이은경○
○한국교육과정평가원 e-mail:[email protected]○
Perspectives and Challenges of Computing Education:
Interdisciplinary Approaches for Collaborative Problem Solving and Computational Thinking
Eunkyoung Lee○
○Korea Institute for Curriculum and Evaluation
● 요 약 ●
본 논문에서는 컴퓨팅 집약적인 현대와 미래 사회를 대비하기 위한 컴퓨터 교육의 목표를 계산적 사고 및 이를 바탕으로 한 협 력적 문제 해결 능력의 향상으로 보고 이를 실현하기 위한 컴퓨터 교육의 전망과 과제를 제시하였다. 계산적 사고 향상을 위한 컴퓨터 교육은 컴퓨터과학을 전공하는 학습자 뿐 아니라 모든 학습자를 대상으로 이루어져야 하며 이를 위해 초․중등학교 컴퓨 터 교육과정의 체계적인 개선 및 계산적 사고를 바탕으로 한 간학문적 융합 학습 활동의 설계 및 평가 전략의 개발이 요구된다.
또한 여학생, 특수교육대상 학생과 같은 정보 소외 계층 학습자들의 컴퓨터과학에 대한 관심과 참여를 조장하고 협력적 문제 해 결 활동을 지원하기 위한 학습 환경을 제시하여야 한다. 따라서 이러한 과제를 해결하기 위한 새로운 접근으로 예술과 컴퓨터과 학의 융합 교육 활동인 E-Textiles 프로젝트의 특성과 연구 동향, 국내 적용 방안을 제시하였다.
키워드: 컴퓨터 교육(Computing Education), 계산적 사고(Computational Thinking), 창의적 계산적 사고자(Creative Computational Thinker), E-Textiles(Electronic Textiles)
I. 서 론
컴퓨터과학은 현대와 미래사회의 인재가 갖추어야 할 필수적인 지식과 기술을 포함하는 학문 영역으로 사고와 발견을 위한 통합 적 과학의 성격을 지닌다. 컴퓨팅 집약적인 현대 사회를 살아가는 모든 사람들은 기본적으로 컴퓨터과학에 관한 기본 개념과 원리, 기술을 습득하여야 하며, 학습자들은 도구로서의 컴퓨터 사용법의 습득 뿐 아니라, 컴퓨터과학의 기본 개념과 원리에 관한 깊은 이해 를 갖추어야 한다. 최근, 계산적 사고(Computational Thinking) 는 21세기의 모든 사람이 갖추어야 할 새로운 기본 소양으로 간주 되고 있으며[1][2][3], 계산적 사고는 컴퓨터과학의 기본 개념과 원리에 따른 사고 능력으로 문제 해결, 시스템 설계, 인간 행동의 이해를 포함한다[4].
따라서 컴퓨터 교육의 목표는 학습자들이 도구(tools)와 정보 (information)를 ‘사용(using)’하는 것을 넘어 도구와 정보를 창의 적으로 ‘생성(creating)’하는 과정을 통해 계산적으로 사고할 수 있는 능력을 습득하도록 설정되어야 한다. 즉, 컴퓨터 교육을 통해 도구와 기술의 사용자를 넘어 '창의적 계산적 사고자(Creative
Computational Thinkers)'를 길러내야 하며, 계산적 사고자는 다 양한 학문분야 및 맥락, 개인의 삶을 통틀어 실생활의 모든 영역의 문제 해결을 위해 계산적 사고의 구성 요소인 개념, 실행, 전망을 적용할 수 있는 개인을 의미한다[5].
본 연구에서는 계산적 사고와 협력적 문제 해결 능력 향상을 위 한 컴퓨터 교육의 전망과 과제를 살펴보고 최근 컴퓨터 교육의 새 로운 접근으로 연구되고 있는 융합 교육 활동 사례를 살펴보고자 한다.
II. 컴퓨터 교육의 전망과 과제
현재의 컴퓨터 교육 체계 및 정책은 컴퓨터과학에 관한 다양한 오개념과 더불어 계산적 사고 향상을 위한 교육과정, 교수학습방 법에 관한 연구의 부재 등으로 인해 그 중요성이 과소평가되고 있 는 실정이다. 그러나 계산적 사고는 21세기의 모든 사람이 갖추어 야 할 소양이며 이를 목표로 한 컴퓨터 교육의 전망과 과제는 다 음과 같다.
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첫째, 컴퓨터 교육은 모든 학습자의 계산적 사고를 향상시키는 것을 목표로 해야 한다. 이를 위해 모든 초․중․고 학습자들을 위한 체계적인 교육과정 개선이 이루어져야 하며, 계산적 사고를 토대 로 한 간학문적 문제 해결 활동의 설계가 필요하다. 또한 학습자의 계산적 사고 능력 평가를 위한 전략들이 개발되어야 한다.
둘째, 컴퓨터 교육은 다양한 학습자들이 컴퓨팅에 관한 관심과 흥미를 가지고 학습 활동에 적극적으로 참여할 수 있도록 하고 나 아가 컴퓨팅 관련 분야로의 진로 선택을 적극적으로 유도하여야 한다. 특히, 여학생, 특수교육대상 학생 등 정보 소외 계층의 참여 를 조장하기 위한 교육 연구가 이루어질 필요가 있다.
셋째, 컴퓨터 교육은 계산적 사고를 토대로 한 협력적 문제 해 결 활동을 지원해야 한다. 즉 컴퓨터 교육을 위한 교수 학습 환경 은 학습자들이 협력적 문제 해결 과정을 통해 다양한 개인의 생각 과 아이디어를 접하고 이를 통해 다양한 해법들을 생성하는 과정 을 경험할 수 있도록 설계되어야 한다.
III. 예술과 컴퓨터과학의 융합적 접근
최근 컴퓨터 교육을 위한 새로운 접근으로 예술과 컴퓨터과학 의 융합 활동인 E-Textiles(Electronic Textiles) 프로젝트가 연구 되고 있다. E-Textiles 프로젝트는 전자공학, 컴퓨터 프로그래밍과 같은 과학기술 영역에 예술(공예, 패션 디자인) 영역을 융합한 교 육 활동으로 다양한 학습자, 특히 여학생의 컴퓨터과학에 관한 참 여와 관심을 성공적으로 이끌고 있다[6][7]. [그림 1] 에서와 같이 E-Textiles 프로젝트는 직물 기반 임베디드 컴퓨터 시스템 구현을 위한 하드웨어(마이크로컨트롤러, 각종 센서 및 LED, 스피커, 모 터 등)와 패션 디자인을 위한 다양한 직물, 실, 장식물 등으로 구 성된다. 학습자들은 하드웨어 구성품들을 전도성 있는 실로 바느 질하여 직물 기반 전자 회로를 구성하고 해당 시스템의 동작 제어 를 위한 프로그램을 작성할 뿐 아니라, 다양한 직물, 실, 장식물 등을 이용하여 전자 의류, 전자 인형, 전자 목걸이 등 다양한 창의 적 작품을 구성할 수 있다[8].
그림 1. 전자 바이크 재킷 (http:// lilypond.mit.edu)
즉, 학습자들은 E-Textiles 프로젝트 수행을 통해 프로그래밍, 전자 회로 설계와 같은 공학적 지식과 기술을 학습할 수 있을 뿐 아니라, 패션 디자인과 공예 작품 창작 활동을 통해 창의적 예술적 감성을 증진시킬 수 있다. 그러나 E-Textiles 프로젝트는 다양한 학문분야가 융합된 프로젝트로 자칫 학습자에게 과도한 인지적 부 담을 야기할 수 있으며, 오히려 학습자의 흥미와 동기 유발을 저해 할 수 있다. 따라서 학습자의 인지적 부담을 감소시키고 어린 학습 자들의 프로그래밍 활동을 지원하기 위한 도구의 개발 및 공동체 중심 협력 활동 지원을 위한 연구가 이루어지고 있으며 구체적인 내용은 다음과 같다.
1. LilyPad Arduino ProtoSnap 보드
LilyPad Arduino ProtoSnap 보드(이하, ProtoSnap 보드)는 학습자들이 실제 물리적 E-Textiles 프로젝트를 구성하기에 앞서 해당 시스템을 프로그래밍 하는 과정을 학습하거나 설계한 시스템 을 미리 시뮬레이션 할 수 있도록 설계된 하드웨어 시스템이다[9].
따라서 학습자들은 E-Textiles 프로젝트를 설계하고 바느질을 통 해 전자 회로를 구성하기에 앞서 ProtoSnap 보드를 이용하여 기 본적인 프로그래밍 방법을 익히고 개발하고자 하는 E-Textiles 프 로젝트의 동작 구현을 위한 프로토타입을 구성할 수 있게 된다. 이 러한 과정을 통해 학습자들은 시스템 설계를 위한 계산적 사고 능 력을 함양시킬 수 있다. [그림 2]는 ProtoSnap 보드의 구성을 나 타낸 것이다.
그림 2. LilyPad Arduino ProtoSnap 보드
2. Modkit 프로그래밍 환경
어린 학습자의 쉬운 프로그래밍 환경을 제공하기 위해 다양한 교육용 프로그래밍 도구들이 개발되어 왔으며, 이러한 도구들은 모두 비주얼 프로그래밍 환경을 제공한다. Modkit은 E-Textiles 프로젝트를 구성하는 소형 임베디드 하드웨어 시스템을 프로그래 밍하기 위해 개발된 것으로 멀티미디어 기반 교육용 프로그래밍 언어인 Scratch의 프로그래밍 환경에서 아이디어를 얻어 개발되었 다[10]. 따라서 [그림 3]에서와 같이 어린 학습자나 초보 학습자들 은 비주얼한 프로그래밍 블록들을 조립하는 과정을 통해 쉽게 프 로그램을 작성할 수 있다.
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205 그림 3. Modkit 프로그래밍 환경
3. E-Crafting Circles 온라인 창의 학습 공동체
온라인 창의 공동체, 연구 공동체와 관련된 연구 결과들은 개별 경쟁이 아닌 공동체 중심 협력 활동이 창의적 작품 활동으로의 참 여를 조장할 뿐 아니라, 협력적 지식, 창의성, 개인 역량 강화에 효과적임을 드러내고 있다[11].
E-Crafting Circles(http://ecrafting.org) 웹사이트는 e-textiles 프로젝트들의 수집과 전시를 목표로 설계된 웹사이트 LilyPond (http://lilypond.mit.edu)를 통해 이루어지는 참여자들의 사회적 상호작용들을 보다 유기적으로 조직하기 위해 설계되었다. 따라서 경쟁이 아닌 협력적 참여 형태, 도전과제가 아닌 전시 작품 창작 등의 형태로 활동이 구성되며, 소수의 참여자가 아닌 다양한 집단 및 지역의 광범위한 참여를 촉진할 수 있도록 설계되었다.
그림 4. LilyPond 웹사이트에 게시된 E-Textiles 프로젝트들
IV. 결 론
본 연구에서는 현대와 미래 사회를 대비하기 위한 컴퓨터 교육 의 목표를 창의적 계산적 사고자의 양성으로 보고 컴퓨터 교육의 전망과 과제를 모든 학습자의 계산적 사고 향상, 다양한 학습자의 관심과 참여 조장, 계산적 사고를 토대로 한 협력적 문제 해결 활 동의 지원으로 제시하였다. 또한 이러한 목표와 과제를 해결하기 위한 새로운 접근으로 예술과 컴퓨터과학의 융합 교육 활동인 E-Textiles 프로젝트의 연구 동향을 제시하였다.
E-Textiles 프로젝트를 활용한 컴퓨터 교육 연구는 아직 초기 단계에 머무르고 있지만, 최근 연구들은 E-Textiles 프로젝트를 통해 학습자들의 컴퓨터과학에 관한 관심 및 참여가 증진되었음을 보여주고 있다[8][12][13]. 특히, 컴퓨터과학 및 공학에 관한 관심 과 접근이 취약한 여학생들의 관심과 참여를 증진시키고 있다. 또 한 E-Textiles 프로젝트를 활용한 컴퓨터과학 교육과정을 개발하 고 이를 실제 학교 현장에 적용하여 학습자의 컴퓨터과학에 대한 관심과 계산적 사고 향상에 미치는 효과에 관한 연구들이 진행되 고 있다[7][9]. 이러한 연구 결과들은 E-Textiles 프로젝트가 컴퓨 터 교육을 위한 기존의 교수 학습 활동의 대안이 될 수 있음을 시 사하고 있으며, 향후 연구를 통해 E-Textiles 프로젝트 활용을 위 한 교육과정 및 프로그램의 개발, 국내 적용 효과에 관한 연구들이 이루어진다면 학습자들의 계산적 사고와 협력적 문제 해결 능력 향상을 위한 보다 효과적인 컴퓨터 교육 환경을 제공할 수 있을 것이다.
참고문헌
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media.mit.edu/sites/default/files/CurriculumGuide-v20110 923.pdf, Accessed September 12, 2012.
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& Lui, D. (2013). Cupcake cushions, scooby doo shirts, and soft boomboxes: e-textiles in high school to promote
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[13] Kafai, Y. B., Fields, D. A., & Searle, K. A. (2012). Making learning visible: Connecting crafts, circuitry & coding in e-textile designs. In Proceedings of the International Conference of the Learning Sciences, Sydney, Australia.
