I.
서 론2015 개정 교육과정에서는 지식, 기술을 비롯한 기본 개념의 통합적 이해와 탐구 중심의 학습을 통 해 과학적 사고력, 과학적 탐구능력, 과학적 문제해 결력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력의 과학과 핵심역량을 함양한 창의 융합 형 인재를 양성해야 한다고 명시하고 있다(Ministry of Education, 2015). 학습자의 역량 함양을 위해서 는 교사의 역량이 중요한 역할을 한다. Shulman (1986) 은 학생들이 특정한 교과 내용을 효과적으로
학습하고 학습에 대한 흥미와 능력을 갖추도록 돕 기 위해 교사에게 전문적 지식이 필요하다고 하였고, 그 지식으로 교과 내용 지식과 교육학 지식을 실제 맥락에 적합하도록 통합, 융합, 연계하여 재구성할 수 있는 교수 역량, 즉 내용교수지식(pedagogical content knowledge, 이하 PCK)을 제안하였다. 교사 의 전문성에 대해 연구한 내용에서도 교과 내용 지 식과 교육학 지식이 혼합된 형태의 지식인 PCK는 교사의 수업에 결정적인 역할을 한다고 하였다 (Grossman, 1990; Magnusson et al., 1999). 그런데 최 근에는 제4차 산업혁명으로 다양한 첨단 과학기술
TPACK 기반 테크놀로지 활용 STEAM 프로그램 개발 및 적용 효과 - 순환 기관을 중심으로 -
고동국․홍승호†
Development and Application Effect of STEAM Program Using Technology Based on TPACK
- Focused on the Circulatory System -
Ko, Dong Guk
․Hong, Seung-Ho†ABSTRACT
The purpose of this study is to develop a STEAM program using technological pedagogical and content knowledge (TPACK) model to effectively utilize technology to solve the difficulties in the teaching of ‘structure and function of our body’ unit in the primary science curriculum and to confirm the effect on the academic achievement, creative problem solving ability and scientific interests of elementary students. The program was developed as the STEAM program of the 8th class by utilizing the construction knowledge of the TPACK model.
The developed program was applied to 29 experimental group students in 5th grade. And the textbook-oriented circulatory system learning program was applied to 29 5th graders in the same school. As a result of the application of the program, the experimental group showed significant improvement over the comparison group in its creative problem solving ability and scientific interests, and the satisfaction of the class was also high. This caused a positive effect on students because the process of self-directing information about the circulatory system using smart devices, making outputs creatively using 3D printers, and presenting them through role play using produced outputs.
Key words: TPACK (Technological Pedagogical and Content Knowledge), STEAM, the circulatory system, scientific interests, creative problem solving ability
이 논문은 2019학년도 제주대학교 학술진흥연구비 지원사업에 의하여 연구되었음.
2020.2.4(접수), 2020.2.11(1심통과), 2020.2.22.(2심통과),2020.2.24(2심통과), 2020.2.24(최종통과) E-mail: [email protected](홍승호)
이 등장하였고, 교육에서도 테크놀로지의 활용이 빈번해짐에 따라 교사가 수업 준비에 있어서 갖추 어야 할 역량으로 PCK와 더불어 테크놀로지 지식 이 추가되었다. Shin (2013)은 초등교사가 다양한 교과목을 가르칠 때, 테크놀로지 환경에 익숙한 학 생들이 수업에 흥미를 느끼고, 성취도에 긍정적인 영향을 미치려면 테크놀로지를 적절하게 수업에 활용하는 능력이 요구된다고 하였다. Angeli and Valanides (2009) 는 기존 교육에서의 한계점을 극복 하기 위해서 학생들의 학습을 도와주기 위한 도구 로써 테크놀로지가 도입되었다고 하였다. 하지만 교사의 전문성 부족으로 인하여 테크놀로지는 학 습자의 효과적인 수업을 위해 활용되기보다는 단 순한 형태로 수업에 활용되고 있다(OECD, 2010).
Mishra and Koehler (2008) 는 효과적으로 테크놀로 지를 활용하여 교육을 하기 위해서는 테크놀로지에 대하여 이해하고 활용하기 위한 지식뿐만 아니라, 복잡한 교육 환경에서 적절한 방법으로 테크놀로 지를 접목시키기 위한 지식이 필요하다고 하였다.
Mishra and Koehler (2006) 는 내용학 지식, 교육학 지식에 추가적으로 테크놀로지 지식을 활용하는 교사지식의 개념적 틀로서 Technological Pedagogical Content Knowledge(TPCK) 를 제시하였으며, Thomson and Mishra (2007) 는 TPCK 구성요인들 사이의 상호 작용 및 통합적인 사용의 중요성을 강조하면서 테 크놀로지 교수학적 내용지식(Technological Pedagogical and Content Knowledge, 이하 TPACK)이라고 변경 하였다. TPACK을 기반으로 수업에서 테크놀로지 를 활용할 때는 수업과 관련된 테크놀로지 지식, 교육학 지식, 내용학 지식을 갖추고 동시에 각 영 역의 복합적인 측면 및 수업 환경 및 특정 상황을 고려하고 융합하여야 다양하고 복잡한 상황에 처한 실제 수업에 효과적으로 적용할 수 있다(Archambault
& Crippen, 2009; Foulger & Slykhuis, 2013). 따라서 교사는 테크놀로지 지식을 활용하여 수업을 계획할 때에 실제 수업에서의 활용될 TPACK의 구성 지식 과 지식 사이의 교집합 요소를 체계적으로 분석하 여 준비할 필요가 있을 것이다. 또한 지금까지의 선 행된 연구들은 주로 예비교사와 과학교사의 TPACK 을 분석하고 개발하는 연구가 진행되었다. 교사가 실 제 TPACK의 구성 요인을 고려한 수업 구성 및 적 용이 얼마나 효과가 있는지에 대한 연구는 아직까 지 부족한 편이라 관련된 연구가 필요한 실정이다.
초등과학과 교육과정 중 ‘우리 몸의 구조와 기 능’ 단원은 학습자와 직접 연관되어 있어 충분히 학습자들의 학습에 대한 관심을 끌 수 있는 학습 주제이다. 하지만 실제 학습하는 과정에서는 짧은 시간에 기관들의 생김새, 위치, 하는 일에 대하여 학습해야 하고, 우리 몸의 내부 기관들을 직접 관 찰하거나 실험을 통해 학습하기가 어렵기 때문에 많은 교사들은 내부 기관 모형과 그림을 활용하여 지식 전달을 중심으로 수업을 진행한다. 이러한 수 업 방법은 학생들의 과학 흥미도를 떨어뜨리며, 스 스로 탐구하고 지식을 구성해 가는 기회를 제공하 지 못한다는 문제점이 있다(Bae, 2017; Jeong, 2008a; Kim & Choi, 2019). 학생들이 학습자 중심의 학습을 통해 과학에 대한 흥미를 가지고 우리 몸의 구조와 기능에 대한 지식을 습득하기 위해서는 다 른 교수법이 필요하다.
문제 중심 학습법(Problem Based Learning, 이하 PBL) 은 문제 상황을 제시하여 학생들이 학습에 능 동적으로 참여하도록 하는 학습 및 교수 방법을 지 칭한다(Barrows & Tamblyn, 1980). PBL은 학습에 필요한 효과적인 자극의 형성을 위해 교사가 실제 적이면서 비구조적인 문제 상황을 제시하고 학습 자들은 교사의 안내를 받으며 개별학습과 협동학 습을 통해 문제를 정의하고, 공동의 해결안을 모색 하는 과정에서 학습자 중심으로 학습이 이루어진 다(Barrows, 1994; Cho, 2006; Hmelo-Silver, 2004).
한편, Ministry of Education and Science Technology (2011) 는 세계적인 과학기술인재를 육성하기 위하 여 과학과 수학의 원리와 개념을 기술, 공학, 예술 과 연계하여 실생활에 접목시켜 학습하며, 학생들 의 흥미와 이해력, 문제 해결 능력, 융합적 사고력 을 기르기 위한 전략으로 융합인재교육(STEAM 교 육)을 제안하였다. STEAM 교육은 여러 학문을 넘 나들면서 다양한 지식을 습득하고 문제를 해결하 며 학생들이 갖추어야 하는 역량을 함양하는데 효율 적이다(Sanders, 2009; Yakman, 2006; 2008). STEAM 교육과 문제 중심 학습법은 문제 인식, 탐색, 해결 방안 마련 및 평가의 과정으로 제시된 문제를 학습 자 중심으로 탐구하도록 유도하고, 학습자의 역량 을 강화한다는 측면에서 맥락을 같이 하고 있다.
따라서 문제 중심의 STEAM 교육은 ‘우리 몸의 구
조와 기능’ 단원에서 학생들의 흥미를 높이고, 창의
적 문제해결력을 향상시키기 위한 대안적인 교수
법이 될 수 있을 것이다.
Ko and Hong (2019) 의 연구에서는 TPACK 기반 3D 프린터 활용 STEAM 프로그램은 학생들의 과 학적 태도, 수업 만족도 향상에 긍정적인 영향을 미쳤다고 하였다. 본 연구에서는 다양한 첨단 과학 기술이 도입되고 있는 시대 흐름에 따라 테크놀로 지를 TPACK을 기반으로 수업에 활용하여 ‘우리 몸의 구조와 기능’ 단원 중 순환 기관을 학습 주제 로 한 TPACK 기반 테크놀로지 활용 STEAM 프로 그램을 개발하고 적용하며, 학습자의 학업성취도, 창의적 문제해결력 및 과학 흥미도에 어떠한 영향 을 미치는 알아보고자 하였다. 또한 프로그램을 적 용한 실험 집단에 대해 STEAM 수업 만족도를 조 사하였다. 이는 과학과 교육과정의 목표인 인지적 영역, 탐구 영역 및 정의적 영역에 대한 본 연구 프 로그램의 효과를 검증하기 위함이다.
II.
연구 절차 및 방법1. 연구 절차
본 연구의 절차는 Fig. 1과 같다.
2009 개정 초등 과학과 교육과정, 수업에서 테크 놀로지 활용의 필요성, TPACK 이론, 학습자 중심 의 학습 과정인 PBL, 실생활 문제를 중심으로 교육 과정 재구성을 위한 STEAM 교육, 교육에서의 스
마트 기기, 3D 프린팅 기술 활용 방법의 관련된 선 행 연구들을 조사하고, 연구 주제 선정 및 연구에 서의 활용 방안을 모색하였다. 선행 연구 결과를 참고하여 5~6학년 군 ‘우리 몸의 구조와 기능’ 단 원에서 순환 기관에 대한 학습 시간 1시간, 학습 주 제와 관련된 국어 2시간, 수학 2시간, 실과 1시간, 미술 1시간, 창의적 체험활동 1시간을 활용한 8차 시의 STEAM 프로그램(교수․학습 과정안, 교사용 지도자료 및 학생용 워크북)을 개발하였고, 타당도 와 신뢰도를 확보하기 위하여 과학교육과 교수 1 인, 박사 2인, 석사 1인, 석사 과정 3인의 전문가 집 단에 수정, 삭제, 추가를 의뢰하고, 수정 및 보완하 여 완성하였다. 비교 집단을 대상으로 한 프로그램 은 교과서 내용을 기반으로 6차시의 프로그램을 개 발하였으며, 동일한 전문가 집단의 검토와 자문을 받아 완성하였다. 개발한 프로그램은 교사의 능력, 수업 방법 등 교사 변인을 최소화하기 위해서 실험 집단과 비교 집단 모두 동일한 교사가 적용하였다.
프로그램이 학생들에게 미치는 효과를 알아보고자 학업성취도 검사 도구를 개발하고 연구 목적에 적 절한 문항으로 구성된 창의적 문제해결력, 과학 흥 미도 측정 검사 도구를 선정한 후, 사전, 사후에 실 험 집단, 비교 집단을 대상으로 검사를 실시하고 분석하였다. 추가적으로 실험 집단만을 대상으로 STEAM 프로그램 만족도 검사를 시행하였다.
문헌 연구 및 선행 연구 조사, 연구 주제 선정
⇙ ⇘
실험 집단 TPACK 기반 테크놀로지 활용
STEAM 개발 검사 도구 개발 및 선정
(학업성취도, 창의적 문제해결력, 과학 흥미도, 프로그램 만족도)
비교 집단 교과서 중심의 프로그램 개발
⇘ ⇙
사전 검사
⇩
실험 집단 TPACK 모형을 활용한 융합 프로그램 적용
비교 집단 교과서 중심의 프로그램 적용
⇩
사후 검사 및 STEAM 수업 만족도 조사
⇩
자료 통계 처리, 결과 분석 및 시사점 도출 Fig. 1. Procedures of the study.
3 창의적 문제해결력과 과학 흥미도의 경우에는 검사 도구를 활용하여 밝힐 수 없는 요인을 분석하 기 위해서 각 영역별로 측정 결과가 많이 향상된 학생을 대상으로 추가 면담을 실시하였다. 면담은 구조화된 면접의 방법으로 사전에 면접할 질문을 먼저 선정하고, 학생들이 질문지에 면담 질문에 대 한 답변을 먼저 간단히 작성한 후, 작성한 내용을 바탕으로 답변하도록 하였으며, 결과는 녹음, 전사 하여 분석하였다.
2. 프로그램 개발 과정
프로그램의 개발과정은 Fig. 2와 같다.
준비 단계에서는 5단계로 프로그램을 구상하고, 필요한 내용을 정리하였다. 우선 학습 주제와 학습 목표를 정리한 후, 학생들에 대한 정보, 학교 및 학 급의 환경과 상황 맥락을 파악하였다. 이어서 학습 주제를 지도하기 위한 프로그램의 주요 활동 및 흐 름, 학습 전략을 구상하였고, 학습 활동과 유형에 따른 평가 방법과 시기를 계획하였으며, 수업에서 필요한 교수, 학습 자료와 적용할 테크놀로지를 찾 아 정리하였다.
5 단계에 걸쳐 정리한 내용과 지식을 프로그램 제작에 효과적으로 활용하기 위하여 TPACK을 기 반으로 내용학 지식(순환 기관의 생김새와 하는 일), 교육학 지식(문제 중심 학습 활용(PBL) 프로젝트 학습, 조사학습, 역할극), 테크놀로지 지식(스마트 기 기, 3D 프린터 활용 기술)과 지식 간 융합적인 면, 학급과 학교의 상황과 맥락으로 재정리하였다.
개발 단계에서는 준비 단계에서 정리한 내용을 활용하여 STEAM 프로그램 교수․학습 과정안, 교 사용 지도자료, 학생용 워크을 제작하였으며, 개선 단계에서는 개발한 프로그램을 전문가 집단의 피 드백을 받아서 수정․보완하였다.
3. 연구 대상
본 연구의 대상은 J도 J시 소재의 O초등학교에 재학 중인 5학년 2개 학급 총 58명의 학생들이다.
학생 중 실험 집단 1개 학급(29명)에는 STEAM 프 로그램을 적용하였고, 비교 집단 1개 학급(29명)에 는 교과서 중심의 수업을 실시하였다(Table 1).
4. 검사 도구
본 연구에서 개발된 프로그램의 효과를 알아보
기 위하여 다음의 검사 도구를 활용하였다.
1) 학업성취도 검사 도구
학업성취도 변화를 측정하기 위한 검사 도구는
‘ 우리 몸의 구조와 기능’ 단원 중 순환 기관을 소재 로 한 학습 내용과 수업 목표를 바탕으로 직접 제 작하였으며, 전문가 집단에 의해 내적 타당도 검사 를 실시한 후, 수정 및 보완하여 완성하였다. 구체 적인 문항은 순환의 의미를 묻는 문항 1개, 순환 기 관의 종류, 위치, 생김새를 묻는 문항 4개, 순환 기 관이 하는 일을 알아보는 문항 9개로 구성하였고, 객관식 5문항, 단답형 3문항, 서술형 6문항, 총 14 문항으로 구성되었다. 문항의 타당도는 .857이다.
2) 창의적 문제해결력 검사 도구
학생들의 창의적 문제해결력의 변화를 측정하기 위한 검사 도구는 Korean Educational Development Institute (2001) 의 ‘간편 창의적 문제해결력 검사 개 발 연구(I)’를 토대로 Jeong (2008b)이 적용했던 검 사 도구를 이용하였다. 이 검사 도구는 특정 영역 의 지식․사고기능․기술의 이해 및 숙달 여부, 확 산적 사고, 비판적․논리적 사고, 동기적 요소의 4 개 하위 영역으로 구성되었으며, 하위 영역별로 각 5 개의 문항씩, 총 20문항으로 구성되었다. 검사 도 구의 신뢰도는 Cronbach’s α .824이다.
3) 과학 흥미도 검사 도구
학생들의 과학 흥미도의 변화를 측정하기 위한 검사 도구로는 Yun and Kim (2003)이 개발한 과학 흥미도 검사 도구를 활용하였다. 검사 도구는 인지 적 흥미군으로 ‘교과내용’과 ‘교과 가치 및 노력’, 정서적 흥미군으로는 ‘교과 유능감’과 ‘교과 담당 교사에 대한 선호도’로 구분되어 있다. 각 영역별 4 문항씩 총 16문항으로 구성되었으며, 검사 도구의 신뢰도는 Cronbach’s α .880이다.
4) STEAM 수업 만족도 검사 도구
본 연구에서 개발된 프로그램에 대한 실험 집
단 학생들의 만족도를 측정하기 위해서는 Korea
Foundation for the Advancement of Science and
Creativity (2015) 에서 개발한 STEAM 수업 만족도
검사 중 18개의 문항을 활용하였다. 검사 도구는
과학기술에 대한 융합적 소양, 탐구 활동, 흥미도로
준비
1. 학습 목표 선택 초등과학 교육과정에서 지도할 학습 주제와 목표를 선정하고 선정 이 유 정리
2. 학급 및 학교의 상황
맥락 고려 교육과정을 재구성하기 위한 학생들에 대한 지식, 학교 및 학급 수준 에서의 상황 맥락 정리
3. 활동 유형과 순서
선택 적절한 학습 전략을 사용하여 학습 주제를 지도하기 위한 과학 수업의 주요 활동 및 흐름을 구상
수정을위한 환류
4. 평가 전략 선택 학습 활동 유형에 따른 수업에 대한 평가 계획 수립
5. 도구 및 자료 선택 수업에서 활용할 교수 자료 및 학습 자료, 테크놀로지 정리 수정을
위한 환류
TPACK 구성 지식 세부 내용
CK (내용학 지식) ∙ 순환 기관의 생김새와 하는 일
PK (교육학 지식) ∙ 조사학습, 문제 중심 학습(PBL) 활용 프로젝트 학습, 역할극 TK (테크놀로지 지식) ∙ 스마트 기기, 3D 프린터 활용 기술
PCK (교육학 내용 지식) ∙ 조사학습, 역할극, 프로젝트 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 이 해하기
TCK (테크놀로지 내용 지식) ∙ 스마트 기기를 활용하여 순환 기관의 생김새와 하는 일에 정보 검색하기
∙ 순환 기관의 생김새와 기능을 이해하고 3D 프린터를 활용하여 모형 제작하기 TPK (테크놀로지 교육학 지식) ∙ 스마트 기기를 활용하여 조사 활동하기∙ 3D 프린터 활용 기술을 이용하여 프로젝트 활동 과제 해결하기
TPACK
(테크놀로지 교육학적 내용 지식)
∙ 스마트 기기를 활용한 조사 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 알 고 발표하기
∙ 3D 프린터 활용 기술을 이용하여 프로젝트 산출물을 제작하고, 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기
Contexts (상황) ∙ 학생 수, 학습자의 사전 지식 파악, 모둠 구성, 학교 및 학급 여건
<프로그램 제작에 활용할 TPACK 구성 지식 정리하기>
개발 TPACK 기반 테크놀로지 활용 STEAM 프로그램(교수․학습 과정안, 교사용 지도자료, 학생용 워크북) 개발
개선 전문가 집단의 검토 및 수정, 보완
Fig. 2. Development procedures of STEAM program using technology based on TPACK.
구분되어 있으며, 세부 문항은 수업 내용에 대한 이해 정도, 학습의 전이, 문제 해결 전략, 학습 방법 에 의한 흥미, 성취감, 동료와의 협력에 관한 내용 으로 구성되어 있다. 검사 결과는 Likert 5단계 척도 에 따라 점수를 1~5점까지 부여한 후 평균과 백분 율을 구하였다.
5. 자료 분석
학업성취도 검사 결과는 정답은 1, 오답은 0으로 배점을 부여하고, 창의적 문제해결력, 과학 흥미도 는 5단계 Likert 척도에 따라 1, 2, 3, 4, 5점으로 배 점을 부여하여 자료를 정리하였다. 검사 자료는 SPSS 프로그램을 활용하여 단측 검정 t-검정으로 통계 분석하였다. 평균과 표준편차의 통계 숫자는
소수점 이하 둘째 자리까지 나타내었고, F값과 p값 은 소수점 이하 셋째 자리까지 나타내었으며 p<.05 수준에서 유의성 검증을 판정하였다. 추가적으로 학업성취도 사전 검사 결과는 학생들의 순환 기관 에 대하여 가지고 있는 선개념을 파악하는 자료로 도 활용하였다. STEAM 수업 만족도는 각 문항의 평균과 문항별 답변자 수를 기준으로 한 백분율을 구하여 결과를 정리하였다.
III.
연구 결과 및 논의1. STEAM 프로그램 개발
1) 프로그램에 적용한 TPACK 구성 지식 Choi and Hong (2019) 의 연구에서 적용한 방법을 활용하여 TPACK 구성 지식을 정리하고 구체화하 였다(Table 2).
내용학 지식은 주로 교사 중심의 지식 전달 방법 으로 수업이 진행되고 있는 ‘우리 몸의 구조와 기 능’ 단원을 선택하였고, 해당 단원의 모든 주제에
Table 1. The study subjects (단위 : 명)
집단 학급 수 인원 비고
실험 집단 1 29 5학년
2개 반
비교 집단 1 29
총계 2 58
Table 2. TPACK model elements applied to programs
TPACK 구성 요인 세부 내용
CK
(내용학 지식) ∙ 순환 기관의 생김새와 하는 일
PK (교육학 지식)
∙ 조사학습
∙ 문제 중심 학습법(PBL) 활용한 프로젝트 학습(문제 만나기, 문제 해결 계획 세우기, 탐색 및 재 탐색, 해결책 만들기, 발표 및 평가하기)
∙ 역할극 TK
(테크놀로지 지식)
∙ 스마트 기기 활용 정보 검색 기술
∙ 스마트 기기 활용 촬영 및 미러링 기술
∙ 3D 모델링, 슬라이싱 및 프린팅 기술 PCK
(교육학 내용 지식)
∙ 조사학습을 통한 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기
∙ 순환 기관의 생김새와 하는 일에 대하여 이해한 내용을 바탕으로 프로젝트 활동 산출물 제작하기
∙ 역할극을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 발표하고 이해하기 TCK
(테크놀로지 내용 지식) ∙ 스마트 기기를 활용하여 순환 기관의 생김새와 하는 일에 정보 검색하기
∙ 순환 기관의 생김새와 기능을 이해하고 3D 프린터를 활용하여 순환 기관 모형 제작하기 TPK
(테크놀로지 교육학 지식) ∙ 스마트 기기를 활용하여 조사 활동하기
∙ 3D 프린터 활용 기술을 이용하여 프로젝트 활동 과제 해결하기 TPACK
(테크놀로지 교육학적 내용 지식)
∙ 스마트 기기를 활용한 조사 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 알고 발표하기
∙ 3D 프린터 활용 기술을 이용하여 프로젝트 산출물을 제작하고 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기
Contexts (상황)
∙ 학습자: 학생 수, 학습자의 사전 지식 및 선개념 파악, 다중지능이론을 기준으로 학습자가 잘할 수 있는 능력 파악 후 모둠 구성
∙ 학교 및 학급: 스마트 기기(30대), 3D 프린터(5대), 컴퓨터(30대)
프로젝트 활동을 적용하기에는 무리가 있어 ‘순환 기관의 생김새와 하는 일’만을 주제를 선정하였다.
교육학 지식은 첫째, 학생 중심의 탐구 활동으로 프로그램을 구성하고자 문제 중심 학습법을 활용 한 프로젝트 학습을 선택했다. 문제 중심 학습의 단계는 Cho (2006)가 다양한 학자들이 제안한 모형 에서 공통적인 요소와 과정을 추출하고, 초등학생 들에게 적용 가능하도록 만든 문제 만나기, 문제 해결 계획 세우기, 탐색 및 재탐색, 해결책 만들기, 발표 및 평가하기의 과정을 활용하였다. 둘째, 학습 자의 자기 주도적 학습을 통해 과학에 대한 흥미를 기르고자 학습 주제와 관련된 지식을 스스로 스마 트 기기를 활용한 조사학습을 실시하였다. 셋째, 학 생들의 학습에 대한 흥미를 높이고자 역할극을 활 용하여 산출물 발표하고, 친구들과 프로젝트 활동 결과물을 공유하도록 하였다.
테크놀로지 지식은 학생들이 창의적으로 문제를 해결할 수 있는 기회를 제공하기 위해 다양한 방법 으로 원하는 산출물을 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술과 학습에 필요한 지식과 정보를 찾고, 산출물 발표 시 미러링을 위해 필요한 스마트 기기 활용 기술을 활용하였다.
각 지식의 구성 요인이 별개로 활용되지 않도록 지식의 융합적인 측면도 고려하였다. 교육학 내용 지식은 학습자 중심의 문제 중심 프로젝트 활동, 조사 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기, 테크놀로지 교육학 지식은 스마트 기기 를 활용한 관련 지식 및 정보 조사하기, 스마트 기 기의 미러링 기능을 활용한 산출물 발표 역할극 활 동하기, 3D 프린팅 기술을 활용한 산출물 제작 프 로젝트 활동하기, 테크놀로지 내용지식은 스마트 기기를 활용하여 순환 기관의 생김새와 하는 일 알 아보기, 3D 프린터를 활용하여 순환 기관 모형을 제작하며 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기, 테크놀로지 교육학적 내용지식은 3D 프린팅 기술 을 이해하여 프로젝트 산출물을 제작하고 순환 기 관의 생김새와 하는 일 이해하기, 스마트 기기를 활용한 조사 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하 는 일 이해하고 발표하기로 구성하였다.
학습을 위한 상황을 고려하는 측면에서는 학생 수, 학습자의 사전 지식 및 순환 기관에 대한 선개 념 파악, 다중 지능 이론을 바탕으로 한 학습자 개 개인의 장점을 확인하고, 모둠 구성원이 서로 다른
장점을 가진 학생이 골고루 포함되도록 구성, 스마 트 기기와 3D 프린터와 같은 첨단 장비 및 컴퓨터 실 활용 가능 여부를 사전에 확인하고, 프로그램 구성에 반영하였다.
2) STEAM 프로그램 개발 내용
STEAM 프로그램은 Table 3과 같이 개발하였다.
1 차시에서는 의공학 분야에서 3D 프린팅 기술이 활용되고 있는 모습을 영상으로 살펴보며, 우리 생 활에 과학 지식과 기술의 필요성을 알고 본 프로젝 트 수업에 흥미와 관심을 갖게 한다. 그리고 심장 에 문제가 있어 심폐소생술 하는 장면을 살펴보고, 심장이 우리 몸에서 중요한 역할을 한다는 사실을 이해하게 한 후, 순환 기관 상태가 좋지 않아 병원 을 찾아온 환자를 위해 순환 기관을 제작하는 프로 젝트 과제를 제시한다. 2차시에서는 조사 활동이 주된 활동으로 스마트 기기와 문헌 자료를 이용하 여 순환의 의미, 순환 기관의 생김새와 하는 일에 대하여 알아보고, 주입기, 펌프를 이용하여 순환의 원리인 펌프 작용을 실험을 통해 알아보고, 상황에 따른 심장박동수를 측정을 해보도록 하였다. 3-4차 시에서는 3D 프린팅 기술의 의미와 활용에 대하여 알아보고, 3D 프린팅 기술에 대하여 관심을 갖도록 하였다. 그리고 Tinkercad 프로그램과 Cura 프로그 램 사용 방법과 3D 프린터 인쇄 방법에 대하여 알 아보고 실습을 통해 익히는 시간을 가졌다. 5차시 에서는 모둠별로 제작할 순환 기관의 구조를 구상 하고 구체적으로 어떻게 제작할지 그림으로 설계 하였다. 혈관은 3D 프린터로 제작이 힘들기 때문에 고무관과 같은 다양한 재료를 이용할 수 있도록 안 내하였고, 심장 모형은 3D 모델링 프로그램 Tinkercad 의 다양한 기술을 활용하여 직접 디자인하도록 하 였다. 3D 프린터로 작품을 인쇄하는데 상당한 시간 이 소요되기 때문에 모델링한 작품은 다음 차시 수 업을 하기에 앞서서 수업 시간 이외의 별도의 시간 에 미리 인쇄하여 두도록 안내하였다. 6-7차시에서 는 3D 프린터로 인쇄된 심장 모형과 고무관 등의 재료를 활용하여 인공 순환 기관 산출물 작품을 완 성하고, 산출물 발표를 위한 준비의 시간을 가졌다.
8 차시에서는 프로젝트 주제를 재확인하고 순환 기
관에 이상이 있는 환자를 치료하는 과정의 역할극
으로 산출물을 발표하도록 하였다. 발표 과정에서
는 스마트기기의 미러링 기능을 이용하여 작품을
Table 3. The main contents of STEAM program using TPACK model and STEAM elements according to class for experimental group 차시 PBL
모형 학습 주제 주요 내용 및 활동 STEAM
준거 STEAM 요소
<TPACK 요소>
1 차시
나누기문제
문제 해결 세우기계획
우리 몸에서 심장의 중요성 알기
∙ 의공학 분야에서 인공장기의 활용 살펴보기
∙ 심폐소생술 영상을 보며 순환 기관의 중요 성 생각하기
∙ 프로젝트 주제 이해하기
⇒ 의공학자가 되어 3D 프린터를 활용한 인공 순환 기관(심장) 제작하기
상황제시 Ⓢ
- 인공장기의 생김새와 기능 이해하기 - 심장의 기능 이해하기
- 심장의 생김새 이해하기
<TPACK 요소>
CK 순환 기관의 생김새와 하는 일
2 차시
탐색 및 재탐색
순환의 의미 순환 기관의 생김새와 알아보기하는 일
∙ 조사 활동을 통해 순환의 의미와 순환 기 관의 위치, 생김새, 하는 일 알아보기
∙ 상황에 따른 심장이 뛰는 횟수 알아보기
∙ 실험을 통해 혈액이 순환하는 원리 알아보기
창의적 설계
Ⓢ
- 순환의 의미 이해하기
- 순환 기관의 위치, 생김새, 하는일 이 해하기
- 순환 기관에서 혈액의 순환 원리 이 해하기
Ⓣ - 스마트 기기 활용방법 알기
<TPACK 요소>
Ⓜ - 심장이 뛰는 횟수 측정하기 TPACK
스마트 기기를 활용한 조사 활동을 통해 순환 기관의 생김새와 하는 일 알고 발표하기
3-4 차시
3D 프린터 활용 방법 익히기
∙ 3D 프린터 기능, 활용 사례, 원리 알아보기
∙ 3D 모델링(Tinkercad), 슬라이싱(Cura) 프로 그램 사용방법 알아보기
∙ 3D 프린터를 활용하여 모델링 한 작품 프
린팅하는 방법 알아보기 Ⓣ
- 3D 프린터의 기능, 원리 이해하기 - 3D 모델링. 슬라이싱 프로그램 사용
방법 알아보기
- 3D 프린터로 프린팅하는 방법 알아
<TPACK 요소> 보기
TK 3D 모델링, 슬라이싱 및 프린팅 기 술
5 차시
해결책만들기
순환 기관 구조 모형 구상하기
∙ 제작할 순환 기관의 구조 구상하여 디자인 하고 설계하기
∙ 심장의 생김새를 3D로 모델링 하기
Ⓢ - 순환 기관의 생김새 이해하기
Ⓣ - 심장의 구조 3D로 모델링하기
<TPACK 요소> Ⓐ - 순환 기관 모형 그림과 글로 디자인
하며 설계하기 TPACK
3D 프린터 활용 기술을 이용한 프 로젝트 활동을 통해 산출물을 제작 하고, 순환 기관의 생김새와 하는
일 이해하기 Ⓜ
- 다양한 도형을 활용하여 심장의 구조 표현하기
- 우리 몸에서 순환 기관의 위치, 크기 (길이) 고려하기
6-7
차시 순환 기관
모형 만들기
<프로젝트 산출물 제작하기>
∙ 모델링한 심장 모형을 3D 프린터로 프린 팅하기
∙ 인공 순환 기관 모형 제작하기
Ⓢ - 순환 기관의 위치, 생김새, 하는 일 이해하기
Ⓔ - 3D 프린터를 활용하여 심장 모형 제 작하기
<TPACK 요소>
Ⓜ - 우리 몸에서 순환 기관의 위치, 크기 (길이) 생각하기
TPACK
3D 프린터 활용 기술을 이용한 프 로젝트 활동을 통해 산출물을 제작 하고, 순환 기관의 생김새와 하는 일 이해하기
8 차시
발표및 평가하기
순환 기관 모형 소개하기
∙ 제작한 순환 기관 모형 발표하기 (역할놀이)
∙ 프로젝트 활동과정 및 작품에 대하여 상호
평가하기 감성적
체험
Ⓢ - 순환 기관의 위치와 생김새, 하는 일 이해하기
<TPACK 요소>
Ⓐ
- 프로젝트 수행 결과를 다른 친구들 에게 소개하는 글쓰기
(역할놀이 대본) - 작품 평가하기 PCK 역할극을 통해 순환 기관의 생김새
와 하는 일 발표하고 이해하기
확대하여 공유하였으며, 작품에 대한 발표 후에는 친구들과 서로의 작품에 대해 상호 평가하였다.
본 연구에서 개발한 프로그램의 특징은 첫째, 과 학 교과의‘우리 몸의 구조와 기능’ 단원에서 순환 기관에 대한 주제를 중심으로 관련된 국어, 수학, 실과, 미술 교과를 활용하여 교육과정을 재구성한 후, 주제 중심의 STEAM 교육 프로그램으로 제작 하였다. 둘째, TPACK 구성 지식이 프로그램에 효 과적으로 활용될 수 있도록 정리하여 반영하였으 며, 특히 테크놀로지 지식은 최신 첨단 기술인 3D 프린터와 스마트 기기를 활용하였다. 셋째, 학생들 이 스스로 문제를 탐구하고 해결하는 학습 기회를 통해 과학에 대한 흥미도를 높이고자 학습자 중심 의 문제 중심 프로젝트 활동으로 적용하였다. 그에 따라 학습 과정을 문제 중심 학습 모형을 활용하여 1 차시에서는 문제 만나기, 문제 해결 계획 세우기, 2-3 차시에서는 탐색 및 재탐색, 4-7차시에서는 해결 책 만들기, 8차시에서는 발표 및 평가하기로 구성 하였다. 넷째로는 개별 조사학습 및 모둠별 협동학 습이 적절히 조화를 이루도록 하여 통해 2015 개정 교육과정에 제시된 과학과 핵심역량 중 과학적 사 고력, 과학적 문제해결력을 향상시킬 수 있도록 프 로그램을 구성하였고, 프로그램의 적용에 따른 효 과를 알아보고자 창의적 문제해결력, 과학 흥미도 검사를 실시하였다.
단, 실험 집단과 비교 집단의 프로그램을 개발하 는 과정에서 두 프로그램 간 제한점이 있다. 첫째, 학습 시간에 있어서 2차시의 차이가 있다. 이는 실 험 집단 프로그램의 경우 산출물을 제작하기 위해 필요한 3D 프린터 활용 기술에 대한 학습 시간이 더 필요했기 때문이다. 이러한 제한점을 고려하여 실험 집단, 비교 집단 모두 6차시의 순환 기관에 대 한 학습 내용은 3D 프린터, 스마트 기기의 기술을
활용하는 교육 방법을 제외한 내용 지식은 동일하 게 구성하였으며, 추가로 구성된 2차시의 내용도 3D 프린터의 활용 기본 기술을 익히는 학습으로 제 한하였다. 둘째, 본 연구에서 개발한 프로그램은 산 출물 제작 프로젝트 활동으로 구성하며, 비교 집단 에는 제시되지 않은 인공장기의 활용과 관련된 내 용이 추가되었고, 이러한 내용이 실험 집단의 과학 흥미도에 긍정적인 영향을 미쳤을 수도 있었을 것 으로 보인다.
3) 비교 집단 적용 프로그램 개발
비교 집단 학생에게 적용한 프로그램은 순환 기 관을 주제로 지도서에 제시된 내용과 활동의 흐름 에 따라 교과서 내용과 활동을 중심으로 제작하였 다(Table 4).
1 차시에서는 인체 모형을 제작하고 활용하여 순 환 기관의 위치를 알아보고, 구체적으로 순환의 의 미, 순환 기관의 종류, 위치와 생김새, 하는 일에 대 한 지식을 학습하도록 하였다. 2-3차시에서는 순환 기관에서 혈액이 순환하는 원리와 과정을 실험을 통해 살펴보고, 상황에 따라 심장이 뛰는 횟수를 측정하는 실험을 하였다. 4-5차시에서는 앞서 학습 한 내용을 활용하여 대형 종이에 실제 자신의 크기 와 동일한 인체 모형을 그리고 순환 기관의 위치에 생김새를 표현한 후, 순환 기관의 하는 일을 정리 해 보았다. 6차시에서는 대형 인체 모형을 활용하 여 친구들에게 순환 기관의 위치와 생김새, 하는 일 을 발표하며 서로 배운 지식을 공유하도록 하였다.
2. STEAM 프로그램 적용 결과
1) 학업성취도 분석 결과
학생들의 학업성취도에 미치는 영향에 대하여
Table 4. The main contents of program according to class for comparison group
차시 학습 주제 주요 내용 및 활동
1 순환의 의미와 순환 기관의 종류, 생김새, 하는 일 알아보기
∙ 인체 모형을 활용하여 순환 기관 알아보기
∙ 순환의 의미 알아보기
∙ 순환 기관의 종류, 위치와 생김새, 하는 일 알아보기 2-3 순환 기관의 기능 알아보기 ∙ 순환 기관에서 혈액의 순환 과정 알아보기(실험활동)
∙ 심장이 뛰는 횟수 측정하기 4-5 순환 기관 구조 모형 그리기 ∙ 대형 인체 모형 그리기
∙ 대형 인체 모형에 순환 기관을 그리고 이름, 생김새, 하는 일 정리하기 6 순환 기관의 구조 및 기능 설명하기 ∙ 제작한 작품을 활용하여 순환 기관의 구조 및 기능 설명하기
검사한 결과, 비교 집단과 실험 집단 각각은 집단 별 사전, 사후 검사에서 모두 유의미하게 향상되었 다(비교 집단 p=.000; 실험 집단 p=.000). 하지만 집 단 간에는 유의미한 차이는 나타나지 않았다(Table 5). 그러한 이유는 첫째, 연구자와 전문가 집단이 학업성취도 검사 문항을 제작할 때, 학생들의 고차 원적인 지식의 습득을 목적으로 한 난이도를 고려 하기보다는 해당 차시의 지식을 잘 습득했는지를 확인하기 위한 평가 문항의 타당성을 목적으로 제 작하였기 때문에 평가 문항의 난이도가 비교적 낮 았던 것으로 보인다.
둘째, 실험 집단, 비교 집단 프로그램 모두 교육 과정을 재구성하면서 학습 주제에 대한 학습 시간 이 늘어났고, 그러한 과정에서 학생들은 반복적으 로 동일한 내용의 지식을 습득할 기회를 가질 수 있었다고 판단된다. 본 연구결과와 마찬가지로 Kim and Hong (2019) 의 내진설계를 주제로 한 STEAM 프로그램 개발 및 적용에 대한 연구에서도 학업성 취도 문항이 학생들의 수준을 변별하기에 난이도 가 낮아 비교 집단 학생들에게도 어려운 문제가 아 니었기 때문에 유의미한 차이가 나타나지 않았다.
2) 창의적 문제해결력 검사 결과
창의적 문제해결력에 대한 결과는 Table 6과 같다.
두 집단은 사전에 검사 점수가 유의미한 차이가 없어 동질 집단으로 간주되었다. 창의적 문제해결 력에 대한 연구 결과, 그 하위 영역인 특정 영역의 지식․사고기능․기술의 이해 및 숙달 정도, 확산 적 사고, 비판적․논리적 사고, 동기적 요소의 4가 지 영역 모두에서 실험 집단이 비교 집단보다 유의 미하게 향상된 결과가 나타났다.
학생과의 면담 결과를 바탕으로 유추해 보면, 특 정 영역의 지식, 사고기능, 기술의 이해 및 숙달 정 도에서 유의미한 향상이 나타난 이유는 첫째, 프로 젝트 활동과정에서 학생들 스스로 스마트 기기를 활용하여 필요한 정보와 지식을 조사하는 활동이
관련 지식과 기술 습득에 긍정적인 효과를 가져왔 던 것으로 보인다. 둘째, 수업에서 학생들의 관심을 유발하는 적절한 과제의 제시가 학생들의 학습 동 기를 가지고 왔으며, 이러한 효과는 학생들이 적극 적으로 관련 지식을 찾고 지식들 사이의 관계를 탐 색하고 연결 짓도록 유도하여 이해 기능의 향상에 긍정적인 영향을 미친 것으로 보인다.
확산적 사고에서 유의미한 향상이 나타난 이유 는 첫째, 프로젝트 과제를 해결하는 과정에서 적절 한 해결 방법에 대하여 모둠 친구들과 의견을 나누 고 공유하였으며, 그러한 과정에서 새롭고 다양한 아이디어에 대해 생각할 기회를 가졌기 때문으로 보인다. 둘째, 산출물을 구상하고 3D 모델링 프로 그램을 활용하여 제작하는 과정에서 다양한 방법 을 찾았던 것이 긍정적인 영향을 미쳤던 것으로 판 단된다. 셋째, 친구들과 서로의 작품을 발표하고 공 유하는 과정에서 학생들의 자신의 생각을 다시 한 번 점검하고 동시에 다양한 산출물 제작 방법에 대 한 사고의 기회를 가질 수 있었던 것으로 여겨진다.
비판적․논리적 사고에서 유의미한 향상이 나타 난 이유는 첫째, 프로젝트 활동과정에서 산출물을 제작하기 위한 아이디어 생성 활동은 주로 모둠 활 동 중심으로 진행이 되었다. 모둠 활동에서 순차적 으로 친구들과 의견을 나누고 평가하며, 하나의 아 이디어로 해결방안을 찾아가는 과정이 비판적․논 리적 사고력 향상에 긍정적인 영향을 미쳤던 것으 로 보인다. 둘째, 학생들은 스스로 조사한 정보를 활용할 때, 다양한 정보를 비교하고 판단하여 정확 한 정보를 찾아가는 과정에서 비판적 사고력이 향 상되었던 것으로 보인다. 셋째, 학습을 통해 알게 된 지식을 활용하여 다른 모둠이 제작한 산출물의 장단점을 평가하는 과정이 도움이 되었던 것으로 해석된다.
동기적 사고에서 유의미한 향상이 나타난 이유 는 첫째, 어려운 프로젝트 문제를 해결하기 위해 끝까지 활동에 참여하였고, 산출물을 제작하며 성
Table 5. The result on academic achievement
영역 집단 사전검사 집단 간
사전 비교 사후검사 집단 간
사후 비교
집단 M SD t p M SD t p
학업성취도 비교(N=29) .474 .500
—1.796 .073
.691 .463
—.678 .498
실험(N=29) .536 .499 .712 .453
취감을 느꼈기 때문이라고 생각된다. 학생들은 성 공의 기쁨을 누리는 동시에 과학 수업에 대한 흥미 를 느끼고 또 다른 산출물 제작 및 문제 해결을 위 한 동기가 생겼던 것 같다. 둘째, 평소에 사용하기 힘들었던 스마트 기기, 3D 프린터 등의 테크놀로지 의 사용이 학생들의 학습에 대한 흥미와 관심을 향 상시켰던 것으로 보인다.
이러한 결과는 Tak and Yoo (2018)의 가상현실 제작 플랫폼 활용 창의융합수업은 문제 해결을 위 해 직접 가상현실을 자유롭게 제작하는 과정에서 학생들의 창의적 문제해결력 향상에 도움이 되었 다는 연구와 결과와 유사하며, Kim and So (2016)의
연구에서 스마트 기기를 활용한 프로젝트 수업은 문제를 해결하기 위해 자신의 팀원들과 토론과 토 의를 하며, 스마트기기를 활용하여 자료를 검색하 고, 발표 자료를 제작하는 과정에서 초등학생의 창 의적 문제해결력 향상에 유의미한 효과가 있었다 는 연구결과와 관련지어 생각할 수 있을 것이다.
3) 과학 흥미도 검사 결과
과학 흥미도에 미치는 효과를 알아본 결과는 Table 7 과 같다.
과학 흥미도에 대한 사전 검사에서는 두 집단 간 에 유의미한 차이가 없어 동질 집단임을 확인하였
Table 6. The result on creative problem solving ability
영역 집단 사전검사 집단 간
사전 비교 사후검사 집단 간
사후 비교
집단 M SD t p M SD t p
특정 영역의 지식, 사고기능, 기술의 이해 및 숙달 정도
비교(N=29) 2.90 1.15
—1.796 0.74
2.98 1.08
—4.165 .000***
실험(N=29) 3.13 1.04 3.50 1.08
확산적 사고 비교(N=29) 2097 1.06
—1.666 0.97
3.11 1.05
—5.150 .000***
실험(N=29) 3.18 1.09 3.71 .97
비판적, 논리적 사고 비교(N=29) 3.48 .98
—.736 .463
3.54 .99
—4.466 .000***
실험(N=29) 3.57 1.06 4.02 .87
동기적 요소 비교(N=29) 3.50 .99
—.648 .517
3.52 1.02
—4.866 .000***
실험(N=29) 3.57 .96 4.04 .82
*** p<.001
Table 7. The result on scientific interests
영역 집단 사전검사 집단 간
사전 비교 사후검사 집단 간
사후 비교
집단 M SD t p M SD t p
교과 내용 비교(N=29) 3.19 1.28
—.583 .560
3.07 1.19
—4.569 .000***
실험(N=29) 3.28 1.15 3.76 1.07
과학 교과 가치 및 노력
비교(N=29) 3.20 1.24
—1.416 .158
3.21 1.16
—5.271 .000***
실험(N=29) 3.42 1.13 3.94 .99
과학에 대한 유능감 비교(N=29) 3.62 1.02
.547 .585
3.55 1.02
—3.089 .000***
실험(N=29) 3.54 1.10 3.95 .99
교사 선호도 비교(N=29) 3.74 1.34
.605 .546
3.55 1.31
—3.182 .002**
실험(N=29) 3.64 1.64 4.03 1.03
** p<.01, *** p<.001
다. 과학 흥미도에 대한 검사 결과, 교과 내용, 과학 교과 가치 및 노력, 과학에 대한 유능감, 교사 선호 도의 모든 영역에서 실험 집단이 비교 집단보다 유 의미하게 향상된 결과를 보였다.
학생과의 면담 결과를 바탕으로 유추해 보면, 교 과 내용에서 유의미한 향상이 나타난 이유는 첫째, 학습을 통해 습득한 지식을 활용하여 산출물을 제 작하는 과정에서 교과 내용에 대한 관심과 흥미도 가 높아졌던 것으로 보인다. 둘째, 학생들은 능동적 으로 지식을 조사하고 알아가며 앎의 기쁨을 느꼈 고, 과학 교과의 학습 과정 및 내용에 대한 흥미와 관심이 높아졌던 것 같다. 셋째, 과학 지식을 실제 일상생활과 연관 지어 학습하는 과정에서 학생들 은 과학 교과가 우리 삶과 관련 있다는 것을 알게 되었고, 학습 내용에 대한 흥미도 높아졌던 것 같다.
과학 과목의 가치 및 노력에서 유의미한 향상이 나타난 이유는 과학 교과의 지식을 활용하여 의료 분야에서 인공장기를 제작하는 과정을 경험하며, 학생들은 실생활에서 과학 교과가 가치 있고 중요 한 역할을 한다는 사실을 알게 되었으며, 과학 학 습에 대한 동기 부여도 되었던 것으로 보인다.
과학에 대한 유능감에서 유의미한 향상이 나타 난 이유는 학생들은 스스로 순환 기관에 대하여 조 사하는 과정에서 관련된 지식을 심도 있게 이해하 고 학습한 내용을 오래 기억할 수 있었으며, 아이 디어 생성 및 평가를 위한 모둠 토의를 하거나, 다 른 모둠의 작품을 평가할 때에 알게 된 지식을 적 절하게 활용할 수 있어서 과학에 대한 유능감과 자 신감이 향상되었던 것으로 보인다.
교사 선호도에서 유의미한 향상이 나타난 이유 는 학생들의 흥미를 유발할 수 있는 과제를 학습 주제로 제시하였고, 학습자 중심의 수업을 유도하 였기 때문이었던 것으로 보인다. 또한 평소 수업에 활용하기 어려웠던 스마트 기기, 3D 프린터를 활용 할 기회를 제공했던 것도 교사에 대한 학생들의 선 호도를 높이는데 긍정적인 영향을 미쳤던 것으로 생각된다. 스마트 기기, 3D 프린팅를 활용한 STEAM 교육 프로그램 개발 및 적용에 대한 선행 연구에서 첨단 기기를 활용과 다양한 과목을 융합한 수업은 학생들의 과학에 대한 흥미를 향상시켰다고 하였 다(Eom & Kwon, 2016; Lee, 2015). 본 연구와 선행 연구의 결과는 테크놀로지 지식을 활용한 수업이 학생들의 과학에 대한 흥미와 관심을 높이는데 효
과적인 역할을 하고 있음을 시사한다.
4) STEAM 수업 만족도 분석 결과
본 연구의 STEAM 프로그램 수업에 참여한 실험 집단 학생들을 대상으로 수업 만족도를 조사하여 그 결과를 분석하였다(Fig. 3).
실험 집단 학생을 대상으로 프로그램 만족도를 실시한 결과, STEAM 수업 만족도는 Likert 5점 척 도를 기준으로 평균 4.25점으로 비교적 높게 나타 났다. 전체 측정 문항에 대한 백분율 측정 결과, ‘매 우 그렇다’, ‘그렇다’의 긍정적인 응답은 80.84%로 높게 나타났고, 부정적인 응답으로‘매우 그렇지 않 다’는 응답자가 전혀 없었으며, ‘그렇지 않다’는 1.73%
로 낮게 나타났다. 학생들은 기존의 교사 중심의 수업에서 벗어나 지식과 정보를 직접 조사하여 알 아갔으며, 조사한 정보를 활용하며 모둠 친구들과 소통하고 협력하고 산출물을 제작하는 과정에서 학습에 대한 만족도를 느꼈던 것으로 보인다. 또한 3D 프린터, 스마트 기기 등의 활용 기회가 적었던 테크놀로지를 직접 활용하면서 수업에 더욱 관심 이 높아졌다고 여겨진다.
세부 문항을 분석한 결과, ‘나는 적극적이고 활 발하게 수업에 참여하였다.’, ‘나는 친구들과 사이 좋게 의견을 나누었다.’, ‘나는 다른 친구들의 의견 을 경청하고 존중하였다.’에서 다른 문항에 비하여 평균 점수가 높게 나타났다. 이는 문제 중심의 융 합 프로그램 특성상 학생 개개인 모두 수업에 참여 하며 직접 조사하고 탐구하는 과정이 많았고, 그 과정에서 모둠 친구들과 의견을 나누며 프로젝트 과제를 수행하였기 때문이라고 판단된다. 이러한 결과는 Lee and Hong (2019) 및 Hong and Hong (2019) 의 연구에서 애니메이션, 3D 프린터의 테크
<STEAM 수업 만족도 조사 결과>
Fig. 3. The result of learner satisfaction survey of the STEAM class.
놀로지를 활용한 STEAM 수업이 학생들의 과학에 대한 도전 의식과 흥미를 향상시키고, 자기주도적 인 학습 능력을 향상시켰으며, 토의 활동을 통하여 다른 사람과의 협력과 소통의 가치를 이해하게 되 었다는 연구결과와 일치하였다.
‘ 나는 과학 관련 책이나 글을 읽는 것이 좋아졌 다.’는 다른 문항에 비해서는 낮은 3.93점을 나타냈 다. 프로그램을 제작하고 활용할 때 다양한 과학 자료를 읽을 기회를 제공하기는 했지만, 평소 수업 시간에는 학생들에게 과학 관련 글을 읽을 기회를 적절히 제공하지 못했기 때문에 다른 문항에 비하 여 평균 점수가 낮게 나왔던 것으로 보인다.
Lee (2011) 는 과학 수업에서 읽기 자료의 제시는 학생들의 과학 학습에 대한 흥미나 필요성에 긍정 적인 영향을 미치므로 수업에서 다양한 읽기 자료 를 적절하게 제공하는 방안에 대한 연구가 필요하 다고 하였다. 앞으로 과학 수업을 준비할 때는 다 양한 읽기 자료의 적절한 활용 방안에 대한 고민이 필요할 것이다.
IV.
결론 및 제언본 연구는 초등과학과 교육과정 중 ‘우리 몸의 구조와 기능’ 단원의 지도상의 어려움을 해결하고 테크놀로지를 수업에 효과적으로 활용하기 위하여 순환 기관을 학습 주제로 TPACK 기반 테크놀로지 활용 STEAM 프로그램을 개발하고, 이를 적용하여 초등학생의 학업성취도, 창의적 문제해결력 및 과 학 흥미도에 미치는 영향을 분석하여 그 효과를 알 아보았다. 프로그램을 적용하여 얻은 결과를 토대 로 내린 결론과 제언은 다음과 같다.
첫째, 프로그램에서 활용된 스마트 기기, 3D 프 린터 활용 기술은 학생들의 창의적 문제해결력과 과학 흥미도에 긍정적인 영향을 미쳤다. 4차 산업 혁명 시대에 다양한 첨단 과학기술이 등장하였고, 수업에서 활용할 수 있는 테크놀로지도 증가하였 다. 테크놀로지 환경에 익숙한 학생들이 과학에 대 한 흥미를 느끼고, 창의성, 문제해결력 등에 긍정적 인 영향을 미치기 위해서는 앞으로도 다양한 테크 놀로지를 적절하게 수업에 활용해야 할 것이다. 단, 교사는 테크놀로지의 활용에 앞서 테크놀로지에 대한 지식과 기술을 능숙하게 익혀 수업의 질을 높 일 수 있도록 노력해야 할 것이다.
둘째, 본 연구에서는 수업에서 테크놀로지의 유 의미한 활용을 위해 TPACK 모델을 활용하여 내용 학 지식, 교육학 지식, 테크놀로지 지식을 분석하 고, 지식 간의 적절한 조화 및 융합을 고려한 후, TPACK 기반 테크놀로지 활용 STEAM 프로그램을 개발하고 적용하였다. 이러한 준비 과정으로 학생 들은 낯선 테크놀로지를 활용하여 프로젝트 학습 에 흥미를 가지고 참여할 수 있었다. 과학 기술의 발달로 점차 수업에서 테크놀로지의 활용이 빈번 해지고 있는 시점에서 프로그램 제작 및 수업 준비 과정에서 TPACK 모형의 적절한 활용이 필요할 것 이다.
셋째, 개발된 프로그램은 학습 내용과 학생들의 실생활을 연관짓기 위해서 ‘인공 순환 기관의 제작’
이라는 일상생활과 관련된 실제적이고 비구조화된 문제를 프로젝트 주제를 활용하였다. 이러한 학습 주제는 학생들의 과학에 대한 흥미와 만족도를 향 상시키는데 효과적이었다. 앞으로 실생활과 관련된 프로그램을 개발하고 활용하는 노력이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
하지만 본 연구는 다음과 같은 제한점이 있다.
우리나라 초등학교 5학년의 전체적인 결과라고 하 기에는 무리가 있으며, STEAM 프로그램은 ‘순환 기관’을 주제로 교육과정을 재구성하였기 때문에 일반 수업의 효과와 직접적으로 비교하기에는 어 려움이 있다. 또한 총 8차시의 제한된 시간에 연구 를 실시하였으므로 장기간에 걸쳐 나타날 수 있는 교육적 효과를 검증하는데 한계가 있다.
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고동국, 외도초등학교 교사(Ko, Dong Guk; Teacher, Oedo Elementary School).
† 홍승호, 제주대학교 교수(Hong, Seung-Ho; Professor, Jeju National University).
<부록> 활동 장면
순환 기관에 대한 조사 활동
(스마트 기기를 활용한 정보 검색) 순환 원리를 이해하기 위한 실험 활동
3D로 심장 모형 모델링
(모델링 프로그램 Tinkercad 활용) 순환 기관 모형 제작 (3D 프린터로 심장 모형 인쇄)
순환 기관 모형 제작 인공 순환 기관 산출물 발표
(스마트 기기를 활용한 촬영 및 미러링)
