Ⅰ. 서론
융복합의 시대에서 사회를 이끌어가는 핵심 인재로 성장하기 위 해서는 융합의 핵심을 관통하는 컴퓨팅의 원리와 기술을 학습하여 창의적이고 효율적으로 문제를 해결하는 데 필요한 능력을 기르는 것이 중요하다(Kim, 2015). 최근 교육과학기술부는 융복합적 사고와 창의적 문제해결을 강조하는 미래형 교육 정책을 내세우고 있으며 (Ministry of Education, Science and Tehcnology, 2010), 이러한 교육 정책의 방향은 학생들의 정보통신기술(information and communication skills), 정보화 소양(information literacy), 수학적 소양(mathematics literacy), 과학적 소양(science literacy)의 발달을 강조하고 있다(Noh
& Paik, 2015). 또한 자기주도력, 문제해결력, 수리 활용력, 정보 처 리력이 고등학생들에게 필요한 핵심역량으로 제안되고 있다(Schrier, 2006). 따라서 이러한 핵심역량의 향상을 위한 교육 방식으로 프로그 램 교육이 강조되고 있다. 프로그램이란 문제해결 과정을 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 표현한 것을 말하며, 컴퓨터 과학에서 알고리 즘은 프로그램 작성에 가장 기초가 되는 작업이다. 또한 프로그램은 컴퓨터에 정보를 입력하는 방법, 입력된 정보를 처리하는 방식, 처리
된 결과의 출력 방식의 결정 등에 대한 모든 문제를 총괄한다. 이러 한 프로그램 교육은 오로지 프로그램이나 이를 활용한 프로그래밍 자체를 위한 교육, 소프트웨어 개발자를 육성하기 위한 교육이 아니 라 학생들이 실생활에서 만나는 문제를 프로그래밍을 통해 해결하도 록 이끌어낼 수 있는 교육이 되어야 한다. 이때 사용되는 언어 방식 을 프로그래밍 언어(Programming Language: PL)라 한다(Kim, 2006).
Yoo(2008)는 일본, 인도, 이스라엘, Association for Computing Machinery [ACM] 등 국가의 프로그래밍 언어에 관련된 정보교과 교육과정을 예로 들어, 정보교과에서 프로그래밍 언어를 가르쳐야 한다고 주장하였다. 실제 많은 연구들에서 프로그래밍 교육을 통해 학생들이 추상적인 개념을 이해하거나, 자신이 해결하고자 하는 문제 에 대한 해결 방법을 컴퓨터를 이용해 고안할 수 있게 되며, 컴퓨팅 사고력, 창의적 사고력, 논리적 사고력 및 반성적 사고 능력이 향상되 었다고 보고하고 있다(An & Lee, 2010; Bae, 2006; Schrier, 2006;
Kim & Jeong, 2005; Lee & Lee, 2008; Resnick, 2008; Yoo, 2005;
Yoo & Kim, 2006). 그러나 프로그래밍 언어가 정보교과를 제외한 일반 학습 상황에서 교육적 효과를 가지기 위해서는 프로그래밍 언어
소프트웨어 활용 탐구 활동을 통한 고등학생의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식 변화와 과학 학습에 대한 태도 조사
-스크래치와 피지컬 컴퓨팅 교구의 활용을 중심으로-
황요한, 문공주1, 박윤배* 경북대학교, 1이화여자대학교
Study of Perception on Programming and Computational Thinking and Attitude toward Science Learning of High School Students through Software Inquiry Activity:
Focus on using Scratch and physical computing materials
Yohan Hwang, Kongju Mun¹, Yunebae Park* Kyungpook National University, 1Ewha Womans University A R T I C L E I N F O A B S T R A C T
Article history:
Received 29 March 2016 Received in revised form 14 April 2016
19 April 2016
Accepted 25 April 2016
Software (SW) education is guided by the government to operate not only computer subject matter but also related subject matter. SW education is highlighted in the 2015 Revised Curriculum and Guide for Operating SW Education. SW education is related with science education. For example, education on algorithms employing SW and activities using sensors/output control can be an effective strategy for scientific inquiry. The method can also be applied in developing Computational Thinking (CT) in students. In this study, we designed lessons to solve everyday scientific problems using Educational Programming Language (EPL) SW and physical computing materials and applied them to high school students. We conducted surveys that were modified from questionnaires of Internet application capability and based on the standard of accomplishment of SW education as well as elements of CT to find out the change in perceptions on programming and CT of students. We also conducted a survey on students’
attitude toward science learning after an SW inquiry activity. In the results, perceptions on programming and CT of students were improved through lessons using unplugged activity, EPL SW, and physical computing. In addition, scores for interest, self-directed learning ability, and task commitment were high.
Keywords:
Computational Thinking, Educational Programming Language,
physical computing, software
* 교신저자 : 박윤배 ([email protected]) http://dx.doi.org/10.14697/jkase.2016.36.2.0325
Journal of the Korean Association for Science Education
Journal homepage: www.koreascience.org
를 배우는 과정에서의 어려움을 극복하는 것이 우선되어야 한다. 이 를 위해 최근에 교육용 프로그래밍 언어(Educational Programming Language: EPL)가 제안되었다. EPL은 교육적인 목적을 가지고 개발 된 프로그래밍 언어로, 객체를 이동하면서 쉽게 코딩 언어를 배울 수 있으며, 코딩의 결과를 시각적으로 확인할 수 있다. 또한 EPL은 알고리즘 사고력과 문제해결력을 키우는 것을 목적으로 하고 있으며, 간단한 구문을 통해 학생들이 풍부한 상상력과 창의성을 발현할 수 있도록 개발되었다(Jang, 2013; Lee, 1993). EPL의 이 같은 장점으로 인해 현재 프로그래밍 교육에서는 EPL을 활용한 교육 방법이 강조되 고 있다.
EPL은 수행될 작업의 내용과 순서, 출력이 가능하도록 명령문이 알고리즘으로 좀 더 쉽게 작성할 수 있게 해준다(Heo et al., 2001) 컴퓨팅 기계협회에서는 “알고리즘적 사고를 위해서는 교육용 프로 그래밍 언어를 통한 프로그래밍 교육이 필요하다”라고 강조하며 컴 퓨터 과학 기초를 위한 학습단계에서부터 이러한 교육이 필요하다 고 주장하고 있다(IEEE-Computer Society & ACM, 2001). 해외의 컴퓨터 프로그래밍 알고리즘 기반학습은 과학 분야의 교육과정에서 강조되고 있는 것에 비해, 한국은 정보 과학 내용이 거의 없는 응용 소프트웨어 교육이나 문서 작성 등과 같은 외향적 교육만 실시되어 왔다(Yoo, 2008). 알고리즘적 사고는 주어진 자료가 무엇인지 파악 하고, 단계마다 들어오고 나가는 정보의 적합성을 판단하여 결과를 얻는 사고 방법이다. 알고리즘적 사고는 문제를 보다 효율적으로 풀 어가도록 도와주므로, 실생활의 복잡한 문제를 효율적으로 해결하 는데 유용한 역할을 할 수 있다. 즉, 알고리즘은 사고 과정에 대하여 생각하고 사고 과정을 안내하는 사고수단으로 정의한다(Kim et al., 2013; Lee & Hur, 2013). 이런 정의에 따라 주어진 문제에 대한 알 고리즘을 찾는다는 것은 주어진 문제를 해결하는 방법을 찾는 것을 말하며, 이 과정을 EPL를 이용하여 수행하는 것이 소프트웨어 교육 의 핵심이다. 또한 컴퓨터가 이해할 수 있는 명시적인 형태로 알고 리즘을 표현할 수 있어야 하며 이 과정에서 컴퓨팅 사고력을 기를 수 있다.
국내에서는 ‘소프트웨어 교육 운영지침(Ministry of Education [MOE], 2015)’을 발표하면서 소프트웨어 교육의 방향성을 제시하였 고, 프로그래밍 교육이 이에 포함되었다. 소프트웨어 교육 운영지침 은 2015 개정 교육과정에서 실시되는 소프트웨어 교육을 먼저 적용하 도록 제시된 것으로 교육과정 실행 전 지침이 우선 제시될 만큼 정부 에서 중요시 하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 운영지침에서 ‘컴퓨팅 사고력을 가진 창의⋅융합 인재’를 인재상으로 설정하고, 소프트웨어 교육의 영역을 ‘생활과 과학-소프트웨어의 이해’, ‘알고리즘과 프로그 래밍’, ‘컴퓨팅과 문제해결-컴퓨팅 사고력 향상’으로 나누어 학교급 별 목표를 제시하였다. 또한 ‘소프트웨어 중심사회를 위한 인재양성 추진계획’은 초⋅중등 소프트웨어교육 뿐 아니라 대학 소프트웨어교 육, 민관협력으로 친(親) 소프트웨어문화 확산이라는 주요 과제를 제 시하면서, 초등학교에서부터 대학에 이르기까지의 단계별 목표를 제 시하였다(MOE & Ministry of Science, ICT and Future Planning, 2015).
소프트웨어 교육은 단순한 컴퓨터 및 첨단 정보통신기기의 사용법 이나 소프트웨어의 사용법을 가르치던 기존의 정보통신 교육과 차별 화 되어야 한다. 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking: CT)1)은 정
보사회에 요구되는 새로운 능력으로 인간의 사고와 컴퓨터의 능력을 조합하는 의미에서 강조되고 있다(Park & Lee, 2015). 여기서 컴퓨팅 (Computing)이란 컴퓨터 과학의 일부분으로 수학적 계산을 수행하는 것을 의미하고, 넓게는 컴퓨터 기술 자원을 개발하고 사용하는 활동 을 의미한다(ACM, 2005; Denning et al., 1989; Lee et al. 2014).
컴퓨팅 기술은 과학 분야에서 논리적인 사고를 실제로 구현할 수 있 도록 도와주는 중요한 역할을 담당하고 있으며, 다양한 학문 간의 경계를 허물고 융합의 동력을 제공하는 역할을 수행하고 있다(Lee et al., 2014). 이러한 컴퓨팅의 의미와 역할을 기반으로 컴퓨팅 사고력 은 컴퓨터의 해결 능력인 데이터 수집⋅분석, 표현, 문제 분해⋅추상 화, 자동화 등을 사고에 적용시켜 여러 분야에서 문제를 해결하는데 필요한 능력으로 정의할 수 있다(International Society Technology in Education [ISTE] & Computer Science Teachers Association [CSTA], 2011). 컴퓨팅 사고력은 단편적인 학습에서 벗어나 복합적 사고로 확장해가는 수단으로 창의적 문제를 해결하는 핵심 능력으로 주목받고 있다. 또한 인간의 사고와 디지털 기술을 통합하여 문제를 해결하려는 접근법을 의미하기도 한다(Korea Foundation for the Advancement of Science & Creativity, 2014).
컴퓨팅 사고력은 이미 여러 나라의 교육과정에서 강조되고 있다.
미국은 차세대 과학교육기준(Next Generation Science Standards)에 서 핵심 아이디어(core idea)와, 과학과 공학의 방법(scientific and engineering practices), 크로스커팅 개념(crosscutting concepts) 세 가 지를 주요 내용으로 제시하였는데, 컴퓨팅 사고력의 활용이 과학과 공학의 방법의 8가지 요소 중 한 가지로 제시되었다(National Research Council, 2012). 문제해결을 위한 컴퓨팅 사고력의 단계로 자료의 수집, 분석, 구조화 및 추상화를 통한 문제의 핵심요소 추출, 컴퓨팅 기기를 통한 해법의 자동화가 제시되었고, 모든 교육과정에서 의 문제해결 과정에 적극적으로 도입하도록 제안하고 있다(CSTA, 2011). 영국에서도 2013년 교육과정 개편에서 ‘Computing programmes of study’를 주요 사항으로 하고, 컴퓨팅(computing)을 모든 교육 단계 에서 학습하도록 개정하였다(Dominiczak, 2013; McCaskill, 2012).
이 개정은 기존의 교육이 디지털 소양(digital literacy)으로서 소프트 웨어 사용법을 가르치는 데에만 중점을 두고 프로그래밍을 가르치지 않았다는 문제를 제기하면서 시작되었고, 기존의 디지털 소양 뿐 아 니라 IT, 그리고 프로그래밍, 알고리즘 등 ‘컴퓨터 과학’ 영역을 배우 도록 구성되었다(Kim, Seong, & Kim, 2014). 이 외에도 에스토니아, 이스라엘, 중국에서 적극적으로 컴퓨팅 사고력에 관한 교육을 실시하 고 있다.
공학적 설계나 융복합적 사고를 요구하는 최근의 과학교육 연구의 방향과 함께 한국에서도 컴퓨팅 사고력에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 이에 컴퓨터교육이나 공학교육에서 뿐 아니라 과학 교육학계에서도 컴퓨팅 사고력 및 소프트웨어 교육에 관심을 가시고 연구가 이루어지고 있다. 한국과학창의재단을 중심으로 소프트웨어 선도학교를 지정하여 운영하고 있으며, 2016년에는 이미 대도시와 중소도시의 소프트웨어 교육 선도 교육청이 선정되었다. 한국교육개 발원과 한국교육과정평가원에서 언급한 고등학생의 핵심역량에도 자
1) Computational Thinking은 ‘컴퓨팅 사고력’, ‘컴퓨터적 사고’, ‘컴퓨팅적 사고’
등으로 다양하게 번역되고 있으나 과학교육 분야에서는 교육부와 한국과학 창의재단을 중심으로 ‘컴퓨팅 사고력’으로 번역하고 있으므로, 본 연구에서 도 ‘컴퓨팅 사고력’을 사용하도록 하였다.
기주도력, 문제해결력과 함께 수리 활용력, 정보 처리력 등의 컴퓨팅 사고력 요소들이 포함되어 있다(Kang, Jin & Yeo, 2014). 국내에서는 컴퓨터교육이나 정보교육 분야에서 지금까지 컴퓨팅 사고력에 대한 연구가 진행되고 있는데, 컴퓨팅 사고력의 현장 적용이나(Kim & Yu, 2014), 컴퓨팅 사고력 향상 방안 연구(Kim, 2015; Park & Lee, 2015) 가 지속적으로 이루어지고 있다. 또한 소프트웨어나 피지컬컴퓨팅, EPL, 알고리즘, 언플러그드 활동 등을 활용한 수업의 효과에 대한 연구도 수행되고 있다(Park, Seo & Lee, 2012; Seo & Lee, 2012;
Yoo, 2008; Yoo & Kim, 2006). 과학교육 분야에서는 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 프로그래밍 기반 과학교과 프로그램 개발에 대한 연구와 (Lee & Lee, 2015), 과학 수업에 컴퓨팅 사고력을 도입한 수업을 개발 한 연구가 있었으며(Choi & Paik, 2014), 소프트웨어를 활용한 과학 수업이 학생들의 과학에 대한 흥미, 과학지식에 대한 이해, 직업적 소양 및 사고력이 향상될 수 있다는 연구가 있었다(Noh & Paik, 2015).
소프트웨어는 21세기 국가경쟁력을 견인하는 지식창출의 도구이 다. 이러한 소프트웨어 교육의 핵심 요소로 컴퓨팅 사고력이 많은 관심을 받고 있다. 그러나 소프트웨어 교육에서 강조하는 컴퓨팅 사 고력 강화에 대한 교수방법에 대한 연구가 아직 과학교육계에서 많이 진행되지 않았으며, 특히 고등학생을 위한 프로그램 개발 연구는 부 족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 소프트웨어를 활용하여 과학적 문제해결과정을 경험할 수 있는 탐구활동을 개발하여 적용하였다.
즉 본 연구에서는 일상생활의 문제를 과학적으로 해결하기 위해 소프 트웨어를 활용한 설계를 수행하며, 이 소프트웨어를 통해 제어할 수 있는 피지컬 컴퓨팅(physical computing)2)교구를 활용한 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식을 보고자 하였다. 피지컬 컴퓨팅이란 센서나 출력부를 이용해 컴퓨터가 인간의 감각이나 반응에 대한 정보를 수용 할 수 있게 하는 것이며(Kim &
Yu, 2014), 소프트웨어를 통해 센서가 측정한 값을 표현하거나, 출력 단자를 통해 데이터를 출력할 수 있게 구성된다. 대표적인 예로 Arduino, Galileo Board, Bitbrick 등이 이에 해당한다. 이 교구는 학생 이 생각하는 것을 소프트웨어를 통해 실제 혹은 프로토타입 방식의 미니어처로 구현해낼 수 있는 장점이 있다.
위와 같은 맥락에서, 본 연구는 소프트웨어 교육이 어떤 방식으로 과학교육에 접목되어 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식에 긍 정적인 영향을 줄 수 있는지 연구하고, 소프트웨어 교육을 통해 학생 들이 긍정적인 과학학습에 대한 긍정적인 태도를 가질 수 있는 지를 조사하였다. 이에 연구문제를 다음과 같이 설정하였다.
첫째, 소프트웨어 활용 탐구 활동에서 학생들이 나타내는 문제해결 을 위한 설계 과정은 어떠한가?
둘째, 소프트웨어 활용 탐구 활동이 고등학생들의 프로그래밍과
2) 피지컬 컴퓨팅(physical computing)은 디지털 기술을 활용해 사용자로부터 물리적 형태로 정보를 입력받아 처리한 결과를 물리적 형태로 출력하여 사용 자 혹은 환경과 상호작용하는 방법이다(Kim & Kim, 2012a). 1950년대에 마이크로컨트롤러 임베디드 시스템(microcontroller embedded systems)과 같 은 의미로 전자공학 영역에서 사용되기 시작하였으며, 1970년대 MIT AI Lab에서 학생들에게 컴퓨터과학과 프로그래밍을 소개하기 위해 처음으로 교육적으로 적용하기 시작했다(McNerney, 2004). O’Sullivan & Igoe (2004) 이 그들의 저서에서 전기, 쇼핑, 회선 가설, 마이크로컨트롤러, 프로그래밍 등의 영역에서의 기본적 사용과 물리적 상호작용 설계, 장치간의 의사소통, 빛과 소리의 제어, 다양한 입력과 출력 관리 등의 고급 사용방식 등 피지컬 컴퓨팅에 대한 전반적인 내용을 정리하였고, 현재까지 활용되고 있다.
컴퓨팅 사고력에 대한 인식에 어떤 변화를 가져오는가?
셋째, 소프트웨어 활용 탐구 활동을 경험한 고등학생들의 과학 학 습에 대한 태도는 어떠한가?
Ⅱ. 연구내용 및 방법
1. 소프트웨어 활용 탐구 활동의 개발 가. 개발 방향
본 연구에서는 고등학생 대상의 탐구활동 개발을 위해, 소프트웨어 교육 지침(MOE, 2015)에서 제시하는 고등학교 급에 해당하는 성취 기준 중 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역의 성취기준을 기반으로 하였다.
‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역에서 고등학생에게 요구되는 성취기준은 다 음의 네 가지이다. ① 인문, 사회, 과학 분야에서 프로그래밍이 사용되 는 사례를 찾아볼 수 있다, ② 다양한 분야에서 문제해결과정을 찾아 이를 논리적으로 설계하고 프로그램으로 작성할 수 있다, ③ 팀을 이루어 하나의 프로젝틀ㄹ 설계하고 제작할 수 있다, ④ 팀으로 작성 한 프로그램을 발표하고 평가할 수 있다.
나. 주제 선정 과정
개방형 접근은 학생들이 과정에서 새로운 어떤 것을 찾게 해주는 창의적 사고 등의 사고능력 향상에 도움이 된다(Gangoli & Gurumurthy, 1995; Inprasitha, 2006; Murni, 2013). 이에 본 연구에서는 개방적 문제의 제공을 통해 학생들이 다양한 사고를 이끌어 낼 수 있도록 탐구활동을 설계하였다. 이러한 개방형 문제의 해결은 공학설계의 요소이기도 한 ‘개방적 접근’에 대한 연구(Franklin, 1990)에 기반을 두고 있다.
본 연구에서는 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역의 성취기준을 달성하기 위해 공학 기술 분야의 문제해결 소재를 실생활 문제와 연관 지어 구성한 탐구활동을 통해 학생들이 어떻게 논리적으로 설계하고 프로 그램을 제작하여 발표하는지를 관찰하고자 하였다. 이를 위하여, 일 상생활에서 접할 수 있는 소재이면서 적절한 수준의 해결 방법을 생 각해낼 수 있는 주제를 탐색하고자 하였다. 탐구활동의 주제 선정을 위해 4명의 과학교사와 3명의 예비과학교사가 함께 브레인스토밍을 진행하였고, 제시된 주제에 대한 학습 지도안을 작성한 다음, 과학교 육전문가 2인과 소프트웨어 교육 전문가 3인의 자문을 통해 주제를 선정하였다. 이 과정에서 소프트웨어 교육전문가와 과학교사 및 과학 교육전문가들의 상호 검토를 통해 주제의 적절성을 검토하였다. 그 결과 지속적으로 학생들이 다양한 아이디어를 끌어내도록 ‘날개가 부 러진 선풍기는 버려야 할까?’라는 주제를 선정하였고, 이에 대한 학생 들의 생각을 스스로의 방식으로 검증하도록 탐구활동을 계획하였다.
다. 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 장비 1) EPL 소프트웨어: Scratch 1.4
스크래치는 MIT 미디어 연구소의 Lifelong Kindergarten Group과 UCLA의 협력연구로 2007년에 개발된 교육용 프로그래밍 도구이다.
스크래치는 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상을 목표로 컴퓨터 프로그래 밍 기술의 향상 뿐 아니라 새로운 IT 기술을 스스로 학습하고 이를 활용하여 창의적으로 문제를 해결하거나 프로젝트를 설계할 수 있는 능력 향상을 위해 현재까지 지속적으로 개선 유지되고 있다(Kim, Han, & Kim, 2010; Lee & Lee, 2008). 또한 스크래치는 시각적인 멀티미디어 개발환경을 제공함으로써 학습하기 어려운 프로그래밍 언어의 단점들을 해결할 수 있다. 이러한 스크래치의 특징은 다음과 같다(Lee & Lee, 2008).
① 블록 쌓기 방식의 간단한 프로그래밍
스크래치는 매우 간단한 블록 쌓기 방식으로 이루어진다. 각 수행 단계를 직접 코딩하는 것이 아니라, 다양한 색상으로 구분된 블록들 을 원하는 순서대로 가져다가 쌓기만 하면 된다. 이 방식을 ‘drag and drop’방식으로 부르기도 한다(Figure 3).이 블록들은 언어 문법적으로 오류가 없어야만 서로 결합될 수 있도록 설계되어 있고, 블록의 모양 이 맞아 들어가게 되어 있어 구문 오류가 발생되는 경우는 결합자체 가 되지 않아 알고리즘의 오류가 발생되지 않는다. 또한 블록 내부에 자료 값을 지정할 때 자료의 유형에 따라 서로 다른 형태의 블록 모양 에 작성되도록 구성되어 있어서, 잘못된 자료 입력에 의한 오류도 방지한다. 따라서 원하는 블록을 마우스로 끌어다 놓기만 하면 누구 나 쉽게 원하는 프로그램을 만들 수 있다.
② 다양한 미디어 조작 기능
스크래치는 그래픽, 애니메이션, 소리, 음악과 같은 다양한 미디어 들을 서로 혼합하고 제어할 수 있는 기능을 제공한다. 따라서 스크래 치를 활용하여 그래픽 프로그램에서 제공하는 필터링 효과나 화면전 환 효과 등을 직접 프로그래밍 할 수 있고, 자체에서 제공하는 소리를 사용할 수도 있다.
③ 공유와 협력 학습 지원 기능
스크래치 공식 웹사이트(http://scratch.mit.edu)에서는 스크래치 사 용자들을 위한 공유 공간을 제공한다. 자신이 직접 만든 프로젝트를 웹사이트에 게시하거나 다른 사람들이 게시한 프로젝트를 실행해보 거나 수정할 수 있으며, 의견을 제시할 수도 있다. 이밖에 교사들의 교수 학습을 지원하기 위한 사이트인 SCRATCHED(http://scratched.
media.mit.edu)가 운영되고 있다.
2) 피지컬 컴퓨팅 교구: Bitbrick
본 연구에서 활용한 피지컬 컴퓨팅 장비는 국내에서 개발된 Bitbrick 교구로, 메인보드와 LED, DC모터, 서보모터의 출력부 (output)와 적외선 센서, 전위차계(Potentiometer) 센서, 터치(스위치) 센서, 빛 감지 센서 등의 센서부로 구성되어 있다. Bitbrick은 Scratch 와 Python, Entry등 EPL 소프트웨어에 연동하여 센서 값을 받아들이 고, 받아들인 값을 가공하여 출력부를 조작할 수 있게 구성되어 있다.
간단한 장비이지만 알고리즘을 통해 다양한 방식으로 작동할 수 있게 구성되어 있다.
Figure 3. Bitbrick elements(extracted from Bitbrick official website, http://bitbrick.cc/)
3) MBL(Microcomputer Based Laboratory) 프로그램 및 센서 : Science# 프로그램 및 기후풍속센서, 힘센서
MBL 장비는 국내 과학교육에서 기존에 활용되던 장비이며, 소프 트웨어교육의 대두와 함께 과학실험교육에서 새롭게 관심을 받고 있 는 실험 장비이다. 본 연구에서는 학생들에게 다양한 선택의 기회를 제공하기 위해 Sciencecube에서 제공하는 ‘Science#’ 프로그램을 통 하여, 기후풍속센서와 힘센서를 활용할 수 있도록 하였으며, Science#
프로그램으로 조작할 수 있도록 하였다(Figure 4).
Figure 1. Basic composition of Scratch (extracted from Scratch official website,
https://scratch.mit.edu/)
FIgure 2. ‘Drag & drop’ and ‘build block’ on Bitbrick Scratch (extracted from Bitbrick official website, http://bitbrick.cc/)
Figure 4. Screen of ‘Science #’ program
라. 탐구활동의 설계
탐구활동의 적용을 위해 지도안 작성 및 전문가 검토 후에도 소프 트웨어 교육 전문가 3인의 수업 설계의 적합성을 검토하고 자문을 제공하였다. 또한 과학교육전문가와 과학교사 2명 및 과학교육 전공 대학원생 3명이 프로그램의 적합성을 상호 검토하였다. 컴퓨팅 사고 력 강화와 논리적 사고력의 향상, 프로그래밍에 대한 이해, 알고리즘 설계 등과 같은 소프트웨어 교육의 목표가 과학 탐구 수업에 잘 적용 되어 수행될 수 있도록 5회 차의 회의를 진행하였다. 과학교육 및 컴퓨터 소프트웨어 교육 전문가의 검토를 통해 알고리즘을 수정 보완 하는 과정을 활동으로 추가하였고, 언플러그드 활동(unplugged activity)3)을 수업에서 강조하여 제시하였다. 언플러그드 활동은 컴퓨 터를 사용하지 않으면서 데이터의 표현이나 정렬 등을 이해하는 활동 형태의 학습으로, 알고리즘과 컴퓨팅의 원리를 이해하는데 도움이 되는 활동이다(Seo & Lee, 2012). 언플러그드 활동은 그 형태는 간단 한 과학실험과 유사하지만, 컴퓨터를 활용하지 않으면서 컴퓨팅 사고 력을 길러줄 수 있는 활동으로 최근 정보과를 중심으로 각광받는 학 습 방식이다. 이 과정에서 학생들은 자신이 해결하거나 확인하고자 하는 문제를 간단한 재료를 이용한 활동을 수행하고, 알고리즘을 고 려하여 단계를 직접 설정하고, 자신이 찾은 데이터를 정렬, 분석하는 과정을 거치도록 안내받았다.
마. 진행
소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅을 활용한 탐구활동은 3주간에 걸쳐
3) 뉴질랜드의 팀 벨(Tim Bell) 교수 팀(CS education research group)에서 개발 한 언플러그드 활동(unplugged activity)은, ‘플러그를 연결하지 않은, 전기를 연결하지 않은’이라는 ‘언플러그드(unplugged)’의 의미를 토대로 개발된 활 동이다. 일반적으로 소프트웨어 교육을 위해서는 컴퓨터를 활용해야 하는데, 전기를 연결하지 않은, 다시 말해 컴퓨터를 활용하지 않고 컴퓨터 과학의 원리를 쉽고 재미있게 경험하고 놀이나 게임 등의 활동을 통해 학습할 수 있도록 제공하는 형태이다(Park, Seo, & Lee, 2012). 팀 벨 교수팀의 CS unplugged에서 는 ‘이진수(binary) 표현, 픽셀(pixel), 패리티 비트(Parity bit)’와 같은 컴퓨터 과학 언플러그드 활동을 주로 연구하며 구체적인 사례를 http://csunplugged.org 에서 찾아볼 수 있다(Han, 2011). 또한 영국의 Computing at school(CAS)에서 도 컴퓨팅 사고력을 주로 연구하며 언플러그드 활동을 수행하고 있다(Song, 2015). CAS의 웹사이트는 http://www.computingatschool.org.uk/ 이다.
6차시 수업으로 진행되었으며, 전체 진행 과정은 다음 Figure 5와 같다.
1, 2차시 3, 4차시 5, 6차시
⋅소프트웨어 사용 방법 교육 및 실습
⋅알고리즘 작성
⋅주제에 대한 궁금증 말하기
⋅문제 상황제시 및 해결 방안 고안
⋅작성한 알고리즘 기반으로 언플러그드 활동
⋅소프트웨어 활용을 위한 계획 및 알고 리즘 작성
⋅소프트웨어를 활용 하여 문제해결
⋅알고리즘 수정 및 보고
Figure 5. Procedure of SW inquiry activity
2. 적용 대상
수업은 광역시 남자고등학교 1-2학년 학생 23명에게 적용하였다.
이 학생들은 과학 동아리에 지원한 학생들로 1학년 학생이 18명, 2학 년 학생이 5명으로 구성되었다. 수업은 2인 1조를 기본으로 진행하되 상황에 따라 두 그룹씩 묶어 4인 1조로 진행하였다.
3. 프로그래밍 및 컴퓨팅 사고력에 대한 인식의 측정
본 연구에서는 적용한 프로그램을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 어떻게 변화하였는지 보기 위한 검사를 실시하였다. 본 연구에서는 프로그램에 대한 인식을 조사하기 위해 Jang(2013)이 개발한 학습자의 컴퓨터 활용 능력 검사 도구를 수정하 여 사용하였다. 컴퓨터 활용 능력 검사 도구는 프로그램 활용에 대한 자신감, 프로그래밍 언어 학습 수준, 학습과의 관련성의 3영역으로 구성되며, 각 영역 별 3문항씩 9개 문항을 사용하였다. 또한 컴퓨팅 사고력에 대한 인식을 알아보기 위해 교육부에서 제공한 소프트웨어 교육 지침(MOE, 2015)에서 제시한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소(ISTE
& CSTA, 2011)와 고등학생의 성취기준을 기준으로 하였으며, 컴퓨 팅 사고력에 대한 자신감 및 컴퓨팅을 통한 문제해결 영역이 이에 해당한다. ISTE & CSTA(2011)에서 제시한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소는 ① 문제를 컴퓨터로 해결할 수 있는 형태로 구조화하기, ② 자료를 분석하고 논리적으로 조작하기, ③ 모델링이나 시뮬레이션 등의 추상화를 통해 자료를 표현하기, ④ 알고리즘적 사고를 통하여 해결방법을 자동화하기, ⑤ 효율적인 해결방법을 수행하고 검증하기,
⑥ 문제 해결 과정을 다른 문제에 적용하고 일반화하기의 6가지이다.
수업의 개발 방향에서 제시한 ‘컴퓨팅과 문제해결’ 영역에서 제시한 고등학생 수준의 4가지 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소 6가지 를 기반으로 6개 문항을 제작하였다. 먼저 컴퓨팅 사고력에 대한 자신 감 영역에서 문제의 구조화, 논리적 조작, 알고리즘적 사고를 통한 자동화에 대한 자신감을 질문하였으며, 컴퓨팅을 통한 문제해결 영역 에서는 복잡한 구조를 설계하고 프로그램으로 작성, 프로젝트 설계 능력, 프로젝트 수정 능력(발표, 평가)에 대한 내용을 질문하였다. 측 정 문항 및 영역을 Table 1에 표시하였다. 설문은 리커트 5점 척도로 응답하도록 구성하여, 수업 적용 전후에 각각 검사하였으며, 적용 인 원이 23명이었으므로 PASW 22.0K를 사용하여 비모수 통계인 Wilcoxon 부호순위검정으로 분석하였다.
4. 과학학습에 대한 태도 조사
본 연구에서 적용한 소프트웨어 활용 교육이 과학학습에 대한 태도 중 학생들의 흥미, 자기주도적 참여, 및 과제집착력에 도움을 줄 수 있을 것이라 가정하였으며, 이를 측정하기 위해 이 설문은 리커트 5점 척도로 3개의 문항을 구성하였다. 또한 소프트웨어를 활용한 탐구수업 을 경험한 학생들의 학습에 대한 소감에 대한 인터뷰를 실시하여 과학 교육에서의 소프트웨어 활용에 대한 시사점을 구하고자 하였다.
Ⅲ. 연구 결과
1. 학생들의 문제해결을 위한 설계 과정
학생들은 각 차시별로 활동지를 작성하였다. Figure 6에 제시된 문제들은 1, 2차시 수업에서 날개가 부러진 선풍기에 관한 탐구 주제 에 관하여 학생들이 작성한 질문들이다. 이 질문 중 각 조별로 원하는 질문을 해결하는 탐구과정을 수행하도록 하였다. Figure 7은 3, 4차시 의 활동지 중 일부이며 언플러그드 활동으로 소프트웨어나 피지컬컴 퓨팅 교구를 사용하지 않고 선풍기 날개의 상태를 조건화하여 안전성 과 바람의 유무, 방향 등에 대한 탐구를 실시한 결과를 작성하였다.
학생들은 실제 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용하여 자신 이 해결하고자 하는 문제를 풀어보기 전에, 언플러그드 활동으로 문제 를 이해하는 과정을 거쳤다. 이 과정에서 소프트웨어를 활용한 문제해 결을 위해 프로그래밍 언어식 알고리즘을 기반으로 활동하도록 하면 서 컴퓨터의 문제해결에 과정과 순서에 대한 이해를 높이도록 하였다. Figure 8은 5-6차시의 학생 활동지 중 일부로, 결정한 주제를 소프 트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구를 통해 수행하기 위한 계획을 작성한 것이다. 학생들은 자신이 활용할 수 있는 센서와 출력부를 활용하여, 자신이 확인하고자 했던 각 문제들을 컴퓨팅 사고력 요소를 활용하여 측정하도록 안내받았다. 이러한 과정을 통해 자신의 생각을 정리하여 설계할 수 있는 과정을 경험하고 측정방법을 고안하는 과정에서 컴퓨 팅 사고력과 컴퓨팅을 통한 문제해결력이 향상되도록 하였다.
문제 접근 : 선풍기의 날개가 부러지면 버려야 할까?
확인해보고 싶은 문제들
① 선풍기의 날개가 부러지면 위험하다 (균형이 잡히지 않는다)
② 선풍기의 날개가 부러지면 바람이 약해진다.
③ 선풍기의 날개가 하나 부러지면 바람의 방향이 바뀐다.
④ 선풍기의 날개가 몇 개냐에 따라 바람(풍향, 풍량)이 달라진다.
⑤ 선풍기의 날개가 몇 개 부러지냐에 따라 바람(풍향, 풍량)이 달라진다.
⑥ 선풍기의 날개 모양에 따라 바람이 달라진다.
Figure 6. Suggested problems by students
영역 문항의 내용
프로그래밍
프로그램 활용에 대한 자신감
프로그램 사용법에 대한 숙지 정도 프로그램으로 문제해결 할 자신감 프로그램 이용 능력
프로그래밍 언어 학습에 대한 인지 수준
프로그래밍 학습의 난이도에 대한 생각 교육용 프로그래밍 언어학습에 대한 관심 프로그래밍 학습의 필요성
컴퓨터 활용과 과학 학습과의 연계성
컴퓨터가 다른 과목(과학 등) 문제해결에 도움 과학실험을 소프트웨어로 수행하는 것의 재미 소프트웨어 교육과 과학교육의 관련성에 대한 인식
컴퓨팅 사고력
컴퓨팅 사고력에 대한 자신감
논리적 설계 가능 여부
문제를 프로그램을 통해 해결할 수 있는 형태로 구조화 일상생활의 문제해결을 알고리즘으로 표현
컴퓨팅을 통한 문제해결
프로그래밍 언어를 활용하여 복잡한 구조 설계 설계한 구조가 비효율적성을 수정
로봇을 제어하는 프로그램 설계 능력 Table 1. Items and domains of perceptions about programming & computational thinking
Figure 7. Worksheet of unplugged activity Figure 8. Worksheet of design to use SW & physical computing
학생들은 3, 4차시에 수행한 언플러그드 활동과 Scratch 및 Bitbrick, MBL로 측정하여 확인하고자 하는 자신의 가설을 검증하기 위한 설계를 수행하였으며(Figure 7, 8 참조), Scratch를 이용해 측정 을 위한 계획을 알고리즘으로 나타내었다. Figure 9은 Bitbrick의 적외 선 센서를 활용하여, 모터의 흔들림을 측정하는 알고리즘과 그 결과 를 보여주는 그래프이다. Bitbrick의 센서에서 측정하는 값을 그래프 로 나타나도록 프로그래밍을 하였고, 이것을 응용하여 적외선 센서가 모터의 흔들림을 측정할 수 있을 것이라는 가설을 검증하여 원하는 결과를 얻어내었다. 또한 학생들은 교사가 생각하지 못한 방법으로 알고리즘을 작성하고 실험을 자기주도적으로 수행 하였다. Figure 10 는 학생들이 돛으로 이동하는 수레를 만들어 바람의 영향으로 수레가 달리는 속도를 Bitbrick 적외선 센서와 MBL 운동기록센서로 거리변 화를 측정하는 활동 모습이다. 일정거리에 도달했을 때 LED가 켜지 거나 소리가 나는 방식으로 알고리즘을 추가한 실험을 설계하여 수행 하는 조도 있었다. Figure 11은 학생들이 MBL 센서를 활용하여 탐구 를 수행하여 만들어낸 결과이다. 이 경우는 학생들이 선풍기의 날개 가 정상적일 때와 하나가 부러졌을 때의 샘플을 모터와 장난감 선풍 기 날개를 활용하여 만들고, 같은 위치와 각도로 기후풍속센서와 선 풍기를 위치시키고 바람이 불 때의 차이를 보도록 실험을 설계하였다. 선풍기와 센서가 이루는 각을 다르게 하여, 바람의 방향이 날개의 유무에 따라 어떻게 달라지는지 측정하기도 하였다.
2. 소프트웨어를 활용한 탐구 수업을 통한 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력 에 대한 인식의 변화
소프트웨어를 활용한 탐구 수업 사전, 사후의 학생들의 프로그램밍 과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식 조사 결과를 Table 2에 나타내었다.
그 결과 프로그램 활용에 대한 자신감, 프로그램밍 언어 학습에 대한 인지 수준, 컴퓨터 활용과 과학 학습과의 연계성, 컴퓨팅 사고력에 대한 자신감, 컴퓨팅을 통한 문제해결의 모든 영역에서 학생들의 인 식이 사전 검사보다 사후검사에서 유의미하게 향상된 것으로 나타났 다. 이는 Jang(2013)의 연구에서 일반 프로그래밍 언어 수업은 어렵고 부담스러우며 관심이 가지 않는다는 응답에 비해, EPL을 활용한 수업 후 일반 프로그래밍 언어 수업을 수강한 학생들보다 주의, 관련성, 자신감, 만족감 부분에서 유의미하게 높게 응답한 것과 유사한 결과 이다. 학습에서 자신감이 향상된다는 것은 학습능률과 학업성취도 향상에 중요한 영향을 미치므로, 소프트웨어 활용 교육이 교육 개선 에 영향을 미칠 수 있는 요소가 될 수 있다고 볼 수 있다. 학생들의 프로그램 활용 및 프로그래밍 언어 학습의 인지수준이 유의미하게 향상되었다는 것은 EPL이 기존 프로그래밍 언어에 비해 교육적 효과 크다는 것을 보여준다. 학생들은 소프트웨어 활용 탐구 활동 이전에 비해 프로그래밍 학습에 대한 어려움을 많이 해소했고, EPL에 대한 관심이 향상되었으며, 이를 통해 EPL을 활용한 소프트웨어 교육이 학생들의 호기심을 자극하고, 적극적인 학습태도를 형성해준 것으로 Figure 11. Students’ data sheet using MBL
Figure 9. Students’ code using Scratch & Bitbrick Figure 10. Students’ activity
볼 수 있다. 또한 소프트웨어 교육과 과학교육이 밀접하게 관련 있다 는 응답을 통해, 과학적 문제해결과 알고리즘적 사고 및 EPL 활용을 연계하여 이해하고 있다고 볼 수 있다. 컴퓨팅 사고력에 대한 자신감 영역에서는 과학교육에서 강조하고 있는 일상생활과의 연계 측면에 서 유의미한 향상을 보였다. 일상생활의 문제를 알고리즘으로 표현하 여 해결할 수 있다는 것에 대한 자신감이 과학학습에서의 문제해결단 계에 대한 이해를 높인 것으로 볼 수 있다. 컴퓨팅을 통한 문제해결 영역에서는 복잡한 구조를 설계하고, 프로그램을 설계할 수 있다는 응답에서 유의미한 향상을 보였다. 이 부분은 소프트웨어 교육 운영 지침(MOE, 2015)에서 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소에서 강 조하는 부분으로서 소프트웨어를 활용한 탐구수업이 컴퓨팅 사고력 향상 및 학습의 성취기준 도달에 도움이 된 것으로 볼 수 있다. 위와 같은 결과를 통해 EPL 소프트웨어 교육이 과학 학습에도 긍정적인 영향을 나타낼 수 있고, EPL 소프트웨어 활용 교육이 학생들의 사고 력과 문제해결에 대한 자신감에도 긍정적인 영향을 주어 과학학습과 의 연계성에 대해서도 긍정적 인식을 유발시킨 것으로 볼 수 있다.
이러한 결과는 Jang(2013)의 연구와 일치한다.
영역 평균
(M)
표준편차
(SD) Z
프로그램 활용에 대한 자신감 사전 2.88 .756
3.680**
사후 3.86 .680 프로그래밍 언어 학습에 대한
인지 수준
사전 3.28 .672
3.095*
사후 3.74 .531
컴퓨터 활용과 과학 학습과의 연계성 사전 3.80 .744
2.446*
사후 4.26 .559
컴퓨팅 사고력에 대한 자신감 사전 3.07 .745
2.883*
사후 3.74 .724
컴퓨팅을 통한 문제해결 사전 2.80 .880
3.574**
사후 3.65 .728
총합 사전 15.83 2.839
3.685**
사후 19.25 2.762
* p<.05, ** p<.001 Table 2. Results of Wilcoxon signed-rank test of perceptions
about programming & CT (N=23)
3. 소프트웨어 활용 탐구 수업 후의 학생들의 과학학습에 대한 태도 조사
가. 과학학습에 대한 태도
수업 적용 후 학생들에게 소프트웨어를 활용한 탐구수업을 통해 과학학습에 대한 흥미, 자기주도성, 과제집착력에 어떤 변화가 있었 는지 학생들에게 직접 질문을 통해 조사하였다. 그 결과 전체 문항에 대한 답변의 평균이 1∼5점의 Likert 척도 중 4.2점으로 높게 나타났 다. 이는 EPL 프로그램이 학생의 동기유발에 효과가 있다는 사전 연구(Jang, 2013)와 유사한 결과이다. 또한, 과제집착성에 관한 질문 에도 매우 긍정적인 응답을 보였다. 이는 프로그래밍 교육이 사고력 의 향상이라는 본질적인 학습효과를 가져오기 위해서는 학습과정에 서 학생들의 적극적인 참여와 몰입이 중요한 요인으로 작용한다는
사전연구(Park, 2014)와도 일치하는 결과로 볼 수 있다. 학습몰입은 학습시간의 단축과 학습활동에의 적극적인 참여를 촉진시켜 줄 뿐만 아니라 학습효과와 직결되는 중요한 변인으로 다수의 연구들에서 보 고되고 있기 때문이다(Handelsman et al., 2005; Kye & Kim, 2008;
Park & Kim, 2006). 몰입은 활동에 깊게 빠져들어 현재의 경험이 최적의 경험임을 느끼게 되는 상태를 말한다(Csikszentmihalyi, 1975). 또한 학생이 학습과정에 쏟는 집중, 흥미, 노력의 강도를 나타 내고 학생의 동기와 학습성과 간의 관계를 매개하며 학생의 학습 성과 를 예측하는 주요 지표이다(Marks, 2000). 이러한 학습몰입은 교과목에 따라서 학습몰입의 경험에 차이(Csikszentmihalyi & Schneider, 2000;
Mayers, 1978; Seok, 2008)를 나타낸다. 따라서 이 같은 결과를 통해 소프트웨어 활용을 통해 학생들이 적극적으로 문제 해결 및 과학 학 습에 집중할 수 있을 수 있을 것으로 예측할 수 있다.
문항 평균(M) 표준편차
(SD) 소프트웨어를 활용한 탐구 수업이 과학 학습에 대한
흥미에 주는 영향 4.30 .735
소프트웨어를 활용한 탐구 수업이 과학 학습에 대한
자기주도성에 주는 영향 4.17 .816
소프트웨어를 활용한 탐구 수업이 과제집착력에
주는 영향 4.13 .680
총계 4.20 .765
Table 3. Students’ interest in learning science, self-directed learning ability, and task commitment after SW inquiry activity (N=23)
나. 학습에 대한 소감
학생들은 소프트웨어를 활용한 탐구수업에 대해 Table 4와 같이 다양한 긍정적인 반응을 나타내었다. 소프트웨어 활용 탐구 수업이 학생들의 흥미를 높여주었고, 학습 효과 및 이공계 진학에 대한 관심 도도 높여주었다. 또한 학생들은 프로그래밍 언어가 어려운 것만은 아니라는 인식을 가지게 되었다고 답하였다. 또한 처음에는 소프트웨 어 교육에 흥미를 느끼지 못하고 참여도가 낮았던 학생들도 지속적인 소프트웨어 활용 탐구 수업을 통해 학습 참여도가 높아지고, 재미있 었다고 응답하였다. 수업 관찰을 통해 보았을 때, 초반에 집중력이 낮았던 학생들은 수업에서 소외되는 학생인 경우가 대부분이었다.
소프트웨어 활용 수업은 컴퓨터와 Bitbrick 교구가 각 학생에게 1개씩 제공되는 것이 효과적이지만, 학교 형편 상 경제적 부담이 있어 그룹 으로 활동하게 되어 소외되는 학생이 발생할 수가 있었다. 소프트웨 어에서 직접 블록을 움직이면서 알고리즘을 만들어보고 수행해보는 것이 수업에 흥미를 느끼게 하는데, 2인 1조 수업에도 한 학생이 컴퓨 터를 독점하여 다른 학생이 직접 다루지 못하면 집중력이 떨어지게 된다. 또한 사용법을 배우는 과정에서 집중하지 않고 컴퓨터로 다른 것을 하다보면 수업을 놓치는 경우가 발생한다. 이 경우 소프트웨어 를 활용한 탐구수업의 자기주도적 학습이 제대로 이루어지지 않아 이후 시간이 지루해질 수 있으므로, 교사는 조원들이 고르게 활동을 할 수 있도록 안내하고, 기본 사용법을 배우는 과정에서는 집중할 수 있는 환경과 수업 정략을 구성할 필요가 있다.
1. 소프트웨어 활용 수업을 하니 과학탐구 수업이 더 재미있었다.
2. 프로그래밍언어를 다루는 것이 처음에는 어려웠지만, 재미있었고 제대로 더 많이 배워보고 싶다.
3. 소프트웨어를 활용해 알고리즘을 구성하여 실제 값을 측정하여 실험하는 것이 좋았다.
4. 새로운 방식을 도입하여 수업을 하는 것이 재미있었고 학습에도 도움이 되었다.
5. 피지컬 컴퓨팅 도구를 활용해서 수업을 하니, 내가 하고 싶은 것을 소프트웨어로 측정하고, 알고리즘을 구성해서 해결해볼 수 있어서 좋았다.
6. 교육용 프로그래밍 언어를 활용하는 방법이나 알고리즘을 알아가는 것이
흥미롭고 즐거웠다.
7. 여러 가지 센서를 사용하여 날씨나 힘, 거리를 측정할 수 있다는 것이 신기했고, 학습에 적용하여 흥미로웠다.
8. 알고리즘을 작성해보고 다양한 알고리즘을 보고 이해하는 것이 보람 있고 좋았다.
9. 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 도구로 하는 수업 때문에 과학 수업이 더 재미있어졌다.
10. 피지컬 컴퓨팅 도구와 소프트웨어로 수업을 해보니 프로그래머가 되도록
공학 계열로 진학하고 싶어졌다.
Table 4. Results of interview about inquiry lesson using SW
Ⅳ. 결론 및 제언
최근 컴퓨팅 사고력과 함께 정보화 소양, 과학 및 수학적 소양과 같은 핵심역량을 기를 수 있는 교수학습에 대한 요구가 높아지고 있 다(Noh & Paik, 2015). 본 연구는 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구 를 활용한 탐구수업이 컴퓨팅 사고력 및 정보화 소양, 과학적 소양 등의 역량 향상에 적절한지를 확인하고자 수행되었다. 본 연구 결과 학생들은 첫째, 프로그램 활용에 대한 자신감 상승으로 프로그래밍이 어렵지 않다는 인식을 가지게 되었으며, 정보화 소양 교육의 가능성 을 보였고, 학습에 적극적으로 참여하게 되었다. 둘째, EPL 활용으로 프로그래밍에 대한 인지수준이 높아졌고, 이를 통해 프로그래밍 언어 를 활용한 설계가 활발하게 일어났다. 이로 인해 EPL 활용 등의 정보 화 소양이 향상되었다고 볼 수 있다. 셋째, 학생들은 과학교육을 소프 트웨어로 수행하는 것에 대해 긍정적 인식을 가지게 되었으며, 특히 과학교육과 소프트웨어 교육 간의 연관성에 대한 인식이 수업 후에 유의미하게 향상되었다. 이로 인해 소프트웨어 활용 교육이 과학학습 의 새로운 전략으로 활용되기에 적합하다고 할 수 있다. 넷째, 논리적 사고⋅문제해결을 위한 구조화⋅알고리즘 등의 컴퓨팅 사고력 강화 에 대한 자신감이 향상된 것으로 보아 소프트웨어 활용 과학교육의 주요 목표인 컴퓨팅 사고력의 향상에도 도움이 되었다고 할 수 있다. 다섯째, 컴퓨팅을 통한 문제해결에 있어서 구조화나 효율성, 설계 능 력에 대한 자신감이 향상되었으므로 일상생활의 문제해결과 역량 향 상에 긍정적인 효과를 가져 온다고 할 수 있다. 이 결과들은 이전 연구에서 Scratch 등의 EPL 소프트웨어가 컴퓨팅 사고력과 과학 관련 교육 목적을 수행하는데 적합하다는 주장(Ham, Kim, & Song, 2014;
Kim & Kim, 2012b)과 일관된 경향을 나타내고 있다. 마지막으로 소프트웨어 활용 탐구수업 후에 흥미⋅자기주도성⋅과제집착력도 높 은 것으로 나타나 소프트웨어를 활용한 탐구수업이 학습 태도의 향상 에도 긍정적인 효과가 있을 것으로 예측할 수 있다.
국가적으로 소프트웨어 교육에 대한 관심 뿐 아니라 정책적 지원이 활발해지고 있다. 연구에서 수행한 EPL 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구, 새로운 MBL 프로그램을 활용한 탐구수업은 자기주도적 탐구
를 가능하게 하였다. 또한 최근 정부에서도 강조하는 소프트웨어 중 심사회로의 전환에 적합한 교육의 한 장르가 될 수 있다. 하지만 아직 까지 과학교육에서 소프트웨어를 활용하는 교육에 대한 연구가 적극 적으로 이루어지지 않고 있으므로 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구 를 활용한 컴퓨팅 사고력 강화를 위한 과학 학습 전략에 대한 연구를 지속적으로 수행할 필요가 있다. 또한 2015 개정 교육과정에서 요구하 는 소프트웨어 활용 수업 방안과 각 학교급에 적합한 수준의 학습 내용 및 교수-학습 방법이 과학교과 영역에서도 제시되어야 할 것이다.
국문요약
최근 소프트웨어 중심사회 실현 전략을 목적으로 하는 소프트웨어 교육이 국내에서도 많이 강조되고 있는데, 이것은 정보과목 뿐 아니 라 다양한 교과 활동과 연계하여 수행하도록 하고 있다. 2015 개정 교육과정에 소프트웨어 교육이 강화되면서, 소프트웨어 교육 운영 지침(MOE, 2015)이 발표되었다. 이것은 교육부가 소프트웨어 교육 을 얼마나 중요시하는 지를 보여준다. 소프트웨어 교육은 과학교육과 도 관련이 있는데, 소프트웨어를 활용한 알고리즘 교육과 피지컬 컴 퓨팅을 활용한 센서 측정 및 출력 제어 활동은 과학교육에서 최근 강조되고 있는 과학적 탐구 전략으로서 효과적일 수 있다. 또한 최근 강조되고 있는 컴퓨팅 사고력 개발을 위해서도 적절한 교육방법이 될 수 있다. 이에 본 연구에서는 일상에서의 과학적 문제를 교육용 프로그래밍 언어(EPL)를 사용하는 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교구 를 사용해 해결하는 탐구활동 프로그램을 설계하고 고등학생들에게 적용해 보았다. 적용 전후 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식의 변화를 보기 위해 컴퓨터 활용 능력 설문지를 소프트웨 어 교육의 성취기준과 컴퓨팅 사고력의 구성요소와 관련지어 수정하 여 사용하였다. 연구 결과, 언플러그드 활동과 EPL 소프트웨어 및 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용하여 구성된 소프트웨어 활용 탐구활동을 통해 학생들의 프로그래밍과 컴퓨팅 사고력에 대한 인식이 향상되었 으며, 컴퓨팅을 통한 문제해결에 대한 자신감도 향상되었다. 또한 소 프트웨어 활용 탐구활동을 경험한 학생들은 과학에 대한 흥미와 적극 성, 과제집착력도 높은 것으로 나타났다.
주제어 : 컴퓨팅 사고력, 교육용 프로그래밍 언어, 피지컬 컴퓨팅, 소프트웨어
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