논문투고 : 2010-09-28 논문심사 : 2010-10-28 심사완료 : 2010-11-01
교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육이 학업성취, 교과태도에 미치는 효과
송정범
*, 이태욱
**공주교대부설초등학교
*, 한국교원대컴퓨터교육과
**요 약
이 연구는 교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육이 학업성취, 교과 태도에 미치는 효과를 알아보기 위해 수행되었다. 연구대상은 초등학교 6학년 2개반 73명을 선정하였으며, 실험집단은 교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육을, 통제집단은 교과서 중심의 분과형 수업을 12차시 동안 처치하였다. 연구의 결과로 첫째, 인지적 영역인 수학․과학 학업성취에 있어서 교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육은 교과서 중심의 분과 형 수업보다 더 효과적이었다. 특히, 학업성취 하위요인인 지식, 이해, 적용 영역으로 사후 검증한 결과 지식 영역에서는 두 집단 간 통계적으로 유의한 차이가 없었으나, 이해와 적용 영역에서는 실험집단이 통계적으로 유의하게 향상됨을 확인할 수 있었다. 둘째, 정의적 영역인 교과 태도 수준에 있어서 실험집단이 통제집단에 비해 긍정적인 영향이 있음을 확인할 수 있었다. 교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육은 현행 수학․과학 교과의 정의적 영역인 흥미를 보완할 수 있는 하나의 방법이 될 수 있으리라 기대한다.
키워드 : STEM 통합교육, 로봇교육
The Effect of STEM Integration Education Using Educational Robot on Academic Achievement and Subject Attitude
JeongBeom Song
*, TaeWuk Lee
**The Attached Elementary School of Gongju National University of Education
*, Korea National University of Education, Dept. of Computer Education
**ABSTRACT
The purpose of the research is examine the effect of STEM integration education using educatinal robot on academic achievement and subject Attitude of mathematics and science. The participants were 73 students of two classes, sampled from 6th graders of an elementary school. They were divided into a control group who learned a traditional mathematics and sciences education based textbooks and an experimental group who learned STEM integration education using educational robot during 12 sessions.
The results are summarized as follows : First, there is a significant difference in academic achievement between two groups. STEM integration education using educational robot based group accomplished higher achievement than textbook based instruction group. Especially, post test analyzes results on the three factors of academic achievement, knowledge, understanding and adaptation, indicate statistically meaningful difference between two groups in understanding and adaptation area except knowledge area. Second, it shows that it greatly affected a positive influence on experimental group's attitude toward subjects in affective area. So we can expect STEM integration education using educational robot to be an alternative for stimulating children's higher learning interest on mathematics and science subject.
Keywords : STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) Education, Robot Education
1. 서론
최근 PISA, TIMSS 국제 성취도 분석 결과 우리 나라 학생들은 수학, 과학교과의 학업 성취도에 있 어서 선두권을 유지하고 있지만, 이들 교과에 대한 흥미, 자신감, 가치 인식 수준 등 정의적 태도는 평 균 이하로 나타났다[14].
또한 이공계 기피 현상과 수학․과학 교과의 흥 미도의 하락 배경에 관한 연구 결과에서도 초․중 등 수학․과학교육의 문제점에 대해 언급하고 있으 며[15], 학생들을 대상으로 설문조사 결과에서도 학 교교육의 수학․과학이 어렵다는 것이 공통적인 의 견이었다[12]. 2008년도 한국과학창의재단에 발간한
‘2008년도 과학기술에 대한 국민이해도 조사 결과’
에 따르면 바람직한 학교 수업의 방향으로 청소년 의 경우, 과학적 지식과 개념위주 전달 교육보다는 실험과 탐방중심, 쉽고 재미있는 수업을 선호하는 것으로 나타났다[12].
결국 우리나라의 이공계 기피 현상과 수학․과학 교과에 대한 흥미도는 같은 맥락에서 이해해야 하 며 완성된 수학․과학적 지식이나 개념의 전달보다 는 수학․과학적으로 탐구하며, 실험하는 방법을 알 려주는 것이 중요함을 시사한다.
한편 미국에서는 과학, 수학, 공학, 기술 등 과목 의 흥미도와 학생들의 기술적 소양을 높이기 위한 대안적 교육인 STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) 통합교육이 태동하 였다(김진수, 2008). STEM 통합교육은 국가경쟁력 확보에 과학, 기술, 공학, 수학교과의 지식이 절대적 으로 필요하며 이를 통합적으로 교육했을 때의 효 과가 더 높다는데 기인한다. 이러한 필요성에 의해 국내에서도 공업계열 전문계 고등학교 학생과 발명 영재를 위한 STEM 통합교육 프로그램이 개발되고 있다. 하지만 STEM 통합교육의 본질적인 의의인 STEM 관련 교과의 흥미도 향상을 고려한다면 초․중등학교 학생들을 위한 교육 프로그램 개발에 대한 노력도 필요하리라 판단된다. 또한 초등학교 학습자들에게 친근하지 않을 수 있는 STEM 관련 원리와 이론을 발달단계 부합하는 구체적으로 조작 이 가능한 교구의 선택도 필요할 것이다. 근래에 들
어 국내에서는 STEM 통합교육을 효율적으로 지원 하기 위한 교구로 교육용 로봇에 대한 가능성에 많 은 관심을 갖고 있다[10]. 실제로 미국 Maryland Eastern Shore 대학에서 실시한 STEM 교육 프로 그램 운영결과에 의하면 교육용 로봇의 활용으로 팀으로 활동하는 능력 및 기술혁신의 탐색과 창의 성, 여러 분야의 지식과 정보를 통합하는 능력, 기 계적인 설계, 전기 기구학, 컴퓨터의 상승적인 통합 효과가 적절하게 향상된 것으로 나타났다[22]. 하지 만 국내 학교교육에서는 방과 후 프로그램을 제외 하고는 교육용 로봇을 활용한 교육을 찾아보기 힘 든 형편이어서 아쉬움이 크다. 이런 배경에는 로봇 구입에 많은 예산이 확보되어야 한다는 점도 있지 만 무엇보다도 교육과정과의 연계를 찾는 것이 어 렵기 때문으로 판단하고 있다[25]. 이에 이 연구는 STEM 통합교육을 위한 로봇 교육모형 및 프로그 램을 개발하고 효과를 검증하는데 목적이 있다.
2. 이론적 배경
2.1 STEM 통합교육 연구 동향
기존 MST 통합교육에 E(Engineering:기술)가 포 함된 STEM 통합교육은 기술교육과 중심으로 이루 어지고 있다. 이중 대표적인 연구자인 Sanders(2006)는 technology teacher education conference에서 STEM 교육의 정당성, STEM 교육 프로그램의 구성, STEM 교육의 개발 및 보급 등을 심도 있게 분석 하였다. 2007년에는 Wells와 공동으로 STEM 교육 의 필요성을 역사적․이론적․경제적․정치적 배경 측면에서 연구하였다. 2009년에는 The Technology Teacher에 'STEM, STEM Education, STEM mania' 를 발표하여 통합적 STEM 교육을 소개하였다[5].
국내에서는 2008년 김진수(2008)가 미국의 STEM
교육의 등장 배경과 국내에 도입 필요성에 대해 소
개하였으며, STEM 교육 모형을 설계하여 소개하였
다. 특히 STEM 교육 모형은 기존 학문 통합 유형
분류 모형인 다학문, 간학문, 탈학문 통합교육 모형
을 기본으로 하여 STEM 통합교육 모형을 설계하
였다[2].
문대영(2009)은 초․중등 교육과정과 공학 교육 관련 문헌을 토대로 모형을 설계하고 공학 교육 분 야 전문가 10명을 대상으로 타당도를 검증하여 STEM 통합 접근 모형을 설계하였다. 이 모형은 STEM 관련 교과의 개념, 탐구 방법, 지식 구조와 영역을 구조화하여 제시하였으며, 각 교과의 내용 지식 부분과 탐구 방법을 통합하여 조망하는 데 시 사점이 되었다[3].
한편 실증적인 연구로는 최유현․문대영 외 3인 (2008)은 ‘STEM 기반 발명영재교육 프로그램 개발 과 적용 효과’에 대한 연구를 수행하였다. 이 연구는 STEM 기반의 발명영재교육 프로그램을 개발하고 그 효과를 알아보기 위해 수행되었다. 특히 개발한 STEM 기반의 발명영재교육 프로그램은 Renzulli의 심화학습 3단계와 문대영의 ‘STEM 통합 접근의 사 전 공학 교육 프로그램 모형 개발’ 연구에 의해 소 개된 STEM 통합접근 모형을 기반으로 하였다[11].
배선아(2009)는 ‘공업계열 전문계 고등학교 전 기․전자․통신 분야의 활동 중심 STEM 교육프로 그램 개발’에 대한 연구를 수행하였다. 이 연구는 전문계 고등학교 교육 현장에 적용이 가능한 STEM 교육 프로그램을 개발하였다는데 의의가 있 다[5].
이상으로 국내외 STEM 교육 관련 기존 연구를 토대로 시사점을 정리하면 다음과 같다.
첫째, STEM 교육 기존 연구는 기술교육 전문가 중심으로 수행되어 왔으며 미국을 중심으로 활발하 게 진행되고 있으나 실천적인 교육 프로그램 개발 과 관련한 연구는 아직까지 이루어지지 않고 있다.
국내의 경우는 STEM 교육에 대한 연구가 시작되 는 단계로 STEM 교육의 개념과 필요성, 국내의 도 입이 필요한 이유에 대한 논의가 시작되었다. 최근 에는 STEM 교육을 통합적인 관점에서 살필 수 있 는 모형에 대한 연구가 수행되고 있는 실정이나, 발 명영재, 전문계 고등학교 대상의 연구를 제외하고는 실질적인 STEM 교육 프로그램이 전무한 편이다.
따라서 STEM 관련 교육을 강화할 수 있는 다양한 교육적인 접근이 필요하며 그 효과성에 대한 경험 적인 연구가 필요한 시기이다. 또한 STEM 교육 프 로그램 개발을 위해서는 STEM 관련 교과 전문가
의 학제간 연구가 수행되어야 하며, 많은 현장 교사 들이 개발에 참여하여 인 프로그램이어야 실효성을 거둘 수 있다는 난관이 있다.
2.2 교과 학습과 교육용 로봇의 활용
로봇교육에 관련된 기존 연구내용을 살펴보면 교 육에서 로봇의 활용에 대한 필요성을 공감하고 있 으며, 국내에서는 실과, 기술과, 컴퓨터교과에서 활 용하기 위한 다양한 노력이 보이고 있다 [1][4][6][7][9]. 여기서는 문헌 조사한 국내 연구 논 문에서 시사하는 바를 정리하였다.
첫째, 교육용 로봇을 정규 교과 교육과정에 연결 하고자 하는 연구들은 대부분 교육용 로봇이 지닌 특성이 교과 학습에 효과적일 수 있다는 가능성에 관한 의견이 많은 편이다. 특히 초등학교 실과, 중 등 정보 교과와의 연계성에 관한 연구가 많았는데 이는 체험․제작중심의 실과교육, 컴퓨터과학중심의 정보교육이라는 교과가 지니는 성격이 교육용 로봇 이 지닌 특성과 연결하기에 수월하기 때문으로 사 료된다. 하지만 특정 교과에 활용할 수 있는 학습 도구로 교육용 로봇을 학교 현장에 도입하기에는 비교적 고가이기 때문에, 다양한 교과에 활용할 수 있는 연계성을 찾는 것이 필요하다.
둘째, 최근 STEM 교육의 교구로, 교육용 로봇의 활용 가능성에 대하여 논한 연구 결과물들이 속속 발표되고 있는데 아직까지는 학교 현장에서 일반화 될 수 있는 연구 결과물은 없는 실정이다. 따라서 정규 교과 학습에 로봇을 활용하는 연구들이 계속 해서 시도되어야 하며, 특히 실험 연구로 그 효과성 에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 하겠다. 또 한, 교육용 로봇을 교과 학습에 활용할 수 있는 구 체적인 방안과 이를 교수할 수 있는 교육 프로그램 의 개발이 시급하다.
한편, 국외에서는 다양한 교과 영역에 복잡한 문
제해결과정에서 적극적으로 활용하고 있다. 최근 국
외 연구 결과에 의하면 교육용 로봇과 함께 수학,
과학, 기술적 원리를 학습하게 되면 학생들은 수학,
과학, 기술, 공학교과 흥미를 신장시킬 수 있고 그
개념을 좀 더 쉽게 이해할 수 있다고 한다[16]
[17][19][23][24]. 또한 교육용 로봇은 실험활동을 통 해 수학․과학적 원리나 개념의 학습을 조장할 수 있으며[27], 수학․과학적 문제해결력과 팀별 의사 소통을 통한 협력학습까지 조장[21][18]할 수 있는 종합적인 학습 환경을 제공할 수 있다고 한다.
로봇은 종합적인 학습 환경을 제공할 수 있고 학 생들의 흥미와 호기심을 유발할 수 있다는 장점 때 문에 STEM 통합교육을 조장하기 위한 학습도구로 또한 활용되고 있다[20].
하지만 비정규 학습에서 교육용 로봇의 활용에 대한 연구는 풍부한 편이나, 정규교과 학습에서의 실증적인 연구는 부족한 실정이다. 또한 정규 교과 학습에서 로봇의 활용이 반드시 효과적이고 성공적 인 학습을 이끄는 것은 아니므로, 각 교과에 적합하 고 학습자들의 구체적 특성을 고려한 교수 학습 설 계가 필요하다. 따라서 교육용 로봇은 다양한 교과, 활동, 주제에서 활용될 가치가 있으며 지속적인 연 구가 이루어져야 할 것이다.
3. STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로 그램 개발
3.1 교육용 로봇 피코크리켓(PicoCricket) 이 연구에서는 블록 조립형이어서 조립이 간단하 고 프로그램으로 동작을 할 수 있는 제품인 ‘피코크 리켓’을 교구로 채택하였다. 피코크리켓은 프로그래 밍이 가능한 브릭과 로봇의 핵심 센서인 빛, 터치, 소리, 저항 센서, 모터가 포함되어 학습자는 스스로 각자의 창작물을 구성하는 것이 가능하다. 또한 최 근 여러 연구에 의해 학습자의 창의성 및 문제해결 력 향상에 효과가 있음이 입증되고 있다[2][3].
(그림 1) 피코크리켓의 부품
3.2 설계 및 개발 방법
설계 및 개발에는 ADDIE의 수정모형인 ADDIE-DIE 모형을 활용하였으며 구체적인 내용은 다음과 같다.
첫째, ADDIE 모형의 각 과정을 거쳐 개발된 모 형은 현장 교육 전문가 집단을 구성하여 부분적인 실행과 평가의 과정을 지속적으로 거치면서 개선 사항을 도출하고 이를 수정․보완하여 교육 모형의 프로토타입과 교수․학습 프로그램을 제시한다.
둘째, 이렇게 수정․보완된 모형과 교수․학습 프로그램은 다시 실험 집단과 통제 집단에 투입되 어 효과를 검증하는 DIE과정을 거쳐 효과성을 검증 하며, 도출된 문제점을 수정․보완하여 완성된 교육 모형과 교수․학습 프로그램을 산출하게 된다.
전문가 집단의 선정 준거는 아래와 같으며, 선정 준거 중에서 2개 이상 만족하는 교사를 전문가 집 단으로 선정하였다. 최종 선정된 전문가는 모두 5명 이었다.
① 초등교육에 관한 논문으로 석사 학위 이상 취 득한 교사
② 최근 5년 이내에 전문 학술지에 로봇 분야에 관 한 논문을 1회 이상 발표한 교사
③ 최근 5년 이내에 전문서적 또는 초․중등학교 교과서의 저자
④ 초등학교 교육 경력이 5년 이상인 교사
3.3. STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 개발
STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형의 전체적
인 틀은 프로이덴탈의 수학화 이론에 기초를 두고 제작된 수학화 과정의 단계를 도입하였다. 수학화 과정의 단계에 따라 과학과에서 개념을 습득하는 방법으로 중시하고 있는 탐구 과정의 총 12종류의 탐구 기능을 각 단계별 학습 전략으로 도입하여 학 생들의 과학적 탐구 능력 향상을 지원하고자 하였 다. 마지막으로, 학습을 통해 얻은 지식이나 개념, 탐구 능력을 로봇에 활용하여 습득한 개념의 실생 활 유용성, 가치성을 느낄 수 있도록 공학적 학습 모델인 EbD
TM모형을 현실에 응용 단계에 적절하 게 제시하여 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 을 프로토타입을 설계하였다.
STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 프로토타입 을 현장 교육 전문가 집단에 의뢰하여 안면타당도 검토를 거친 후 수정 및 보완하였다. 현장 교육 전 문가 집단의 검토 결과 모형의 각 단계별 과정에서 교육용 로봇의 활용 전략 제시가 없어 학교 현장 일반화에 어려움이 있을 수 있다는 의견이 있었다.
따라서 현장 교육 전문가 집단과 협의를 거쳐 모형 의 각 단계별 로봇활용 형태를 정리하여 제시 하였 으며, 구체적인 내용은 다음 <표 1>과 같다. 이를 토대로 최종 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형을 개발하였으며, 이를 제시하면 다음 (그림 2)와 같다.
최종 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형은
‘현실세계’ - ‘개념추출 및 반성’ - ‘추상화’ - ‘현실 에 응용’의 각 단계별 교수자, 학습자의 활동에 대 한 개괄적인 안내와 로봇활용 학습전략, 탐구 과정 과 학습 형태를 포함하고 있다.
모형의 각 단계 로봇활용 학습전략
현실세계 - 개념추출 및 반성
-실생활 내용을 포함한 동기유발 -귀납적 사고 촉진을 위한 완성형 로봇 제시 -지식이나 개념 전달 없이 관찰 및 예
상 활동(기초 탐구 과정)
개념추출·반성 - 추상화·형식화
-반구조화(미완성)된 로봇 제시
-지식, 개념, 원리 습득을 위한 로봇 활용 실험 및 체험
-추상적인 사고를 구체적 조작으로 구체화 추상화·형식화 -
현실에의 응용
-마이크로 월드 체험
-습득한 지식, 개념, 원리를 바탕으로 보다 복잡한 과제 수행(로봇활용)
<표 1> 모형의 각 단계별 로봇활용 전략
(그림 2) STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형
3.4 교수․학습 과정안의 개발
교수․학습 과정안의 개발은 (그림 2)의 STEM 통 합교육 기반 로봇교육 모형을 기초하여 전문가 집단 에 의해 개발되었다.
다음 <표 2>는 이 연구에서 개발한 교수․학습 과정안의 일부인 ‘창의적인 전등 만들기’ 활동의 구 체적인 내용이다.
4. 연구 방법 4.1 연구 가설
이 연구의 목표는 STEM 통합교육을 위한 로봇 교육 모형 및 프로그램을 개발하고 그 효과를 검증 하는데 있다. 따라서 이 연구를 통해 개발한 로봇교 육 모형 및 프로그램이 학습자의 수학․과학 교과 학업성취도와 교과 태도 수준에 미치는 효과를 검 증하고자 하며, 이를 위해 다음과 같은 연구 가설을 설정하고 연구를 수행하였다.
가설 1 : 전통적인 수학․과학 교육 적용 집단과 STEM 통합학습 기반의 로봇교육 프로그램을 적용 한 집단의 수학․과학과 학업성취도에는 유의미한 차이가 있을 것이다.
가설 2 : 전통적인 수학․과학 교육 적용 집단과
STEM 통합학습 기반의 로봇교육 프로그램을 적용
한 집단의 수학․과학과 태도 수준은 유의미한 차
이가 있을 것이다.
단계 활동 로봇 활용
형태 탐구
과정 학습
교수자 학습자 형태
현실세계
․실제 손전등을 제시한 후 그 기능 에 대해 질문하기
․손전등에 포함되었으면 하는 기능 에 대해 질문하기
․학습 목표 제시
․완성형 모델 제시
․손전등의 기능 발표
․손전등에 포함되었으면 자기만의 아이디어 발표
․학습 목표 확인
․완성형 모델 다양하게 탐색
귀납적 사고력 촉진과 개념형 성을 지원하기 위한 완성(구 조화)된 로봇 제시
관찰예상 협력
개념추출 반성및
․본 차시에서 사용해야 할 장치 소개 및 연결 방법 등 사전 정보 안내
․우리 주변의 빛의 양 측정하고 수
․측정한 자료를 분석하기집하기
․분석하여 꺾은선그래프로 변환하기
․사전 정보 안내에 따라 장치의 연 결 방법 체험
․로봇을 활용하여 빛의 양을 측정할 수 있는 도구 제작 후 측정
․분석하여 의미 있는 데이터 선별
․꺾은선그래프의 구성요소를 알고 변환하여 나타내기
저학년 - 반구 조 화 ( 미 완 성 ) 된 로봇 제시
측정 분석 자료해석자료변환
협력
추상화 ․꺾은선그래프의 구성요소 정리
․꺾은선그래프의 그리는 방법 정리 ․꺾은선그래프의 구성요소 확인
․꺾은선그래프의 그리는 방법 확인 개별
현실에 응용
․시각센서를 활용한 창의적인 전등 -제어문을 활용하여 프로그래밍설계하기
․시각센서 이외에 다른 센서를 연하기 결하여 복잡한 과제 제시
․활동 과제 확인
․활동 과제 해결을 위한 탐색 및 해결안 도출(브레인스토밍)
․로봇의 설계 및 제작
․로봇의 동작 테스트 및 동작 수정
․해결방법 공유를 위한 공개 시연
협력학습을 지 원하기 위한 추가 장치 및 부품 제시
통합탐구과정 협력
<표 2> 창의적인 전등 만들기 교수․ 학습 과정안
4.2 연구 대상
연구의 대상은 충청남도 00지역 초등학교 6학년 학생 중, 교육용 로봇을 처음 경험하는 학습자들로 구성하였으며, 2개 학급의 학생 총 73명을 대상으로 하였다. 구체적인 연구 대상의 구성 비율은 다음
<표 3>과 같다.
실험 집단 통제 집단
남 여 계 남 여 계
계 20 16 36 20 17 37
<표 3> 연구 집단별 사례수
4.3 연구 설계
이 연구에서는 실험 집단과 통제 집단을 임의로 선정하여 실시하는 이질 통제집단 전후검사 설계 모델을 사용한다. 먼저 사전검사를 통해 두 집단의 학업성취도와 교과 태도 수준을 비교하여 동질 집 단임을 확인한다. 이후, 실험 집단에는 이 연구에 의해 개발한 STEM 통합교육 기반 로봇교육 프로 그램을 총 12차시에 걸쳐 실시하고, 통제 집단에는 수학․과학 교육을 전통적인 방식인 분과 형태로 총 12차시를 실시한 후, 사후 검사를 실시하여 두
집단의 수학․과학 교과 학업성취도와 교과 태도 수준의 차이를 검증하고자 한다.
이 연구의 구체적인 실험 설계는 다음 (그림 3) 과 같다.
G
1O
1X
1O
2G
2O
3X
2O
4G
1: 실험 집단 , G
2: 통제 집단
O
1, O
3: 사전 검사
(수학․ 과학 학업성취도 및 교과 태도 검사) X
1: STEM 통합교육 기반 로봇교육 프로그램 X
2: 전통적인 분과 형태 수학․ 과학교육 O
2, O
4: 사후 검사
(수학․ 과학 학업성취도 및 교과 태도 검사 ) (그림 3) 실험 설계
4.4 연구 절차
이 연구에서는 STEM 관련 교과의 인지적인 영 역인 성취도와 정의적인 영역인 태도 수준 신장을 위해 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로 그램을 개발하였다. 따라서 프로그램의 효과를 검증 하기 위해 연구를 수행하였으며, 구체적인 절차는 다음과 같다.
첫째, 각 집단별 수학․과학과 학업성취도 및 태
도 수준을 측정하기 위해 실험처치 전 사전 검사를
실시하였다.
둘째, 각 집단별 실험 처치 내용을 살펴보면, 실 험 집단에 적용한 내용은 수학과, 과학과의 개념, 원리를 포함하며 공학의 설계와 제작이 가능할 수 있도록 개발된 STEM 통합교육 기반 로봇교육 프 로그램으로 구성되어 있으며 구체적인 일정과 내용 은 <표 4>와 같다.
차시 주제 학습 내용
1 창의적인 만들기전등
․로봇의 각 장치 및 프로그래밍 도구 소개
․우리 주변의 빛의 양 측정하고 수집하기(로 봇의 빛감지 센서를 활용)
2 ․수집한 빛의 양을 그래프로 변환하여 분석하기
․분석한 데이터를 기초로 꺾은선그래프 그리기 (꺾은선 그래프의 개념 습득)
3 ․빛센서를 활용한 창의적인 전등 설계하기 -빛센서만 이용하기
4
초인종전자 만들기
․하루 동안의 빛의 밝기 변화 측정 5 ․하루 동안의 빛의 밝기 변화 가설 설정
-사전 빛의 밝기 측정(하루 동안) -가설 설정 후 실험으로 가설 검증 6 ․빛센서 활용 전자제품 설계
-하루 동안의 측정한 빛의 밝기 변화를 고려하여 7 ․복잡한 전자제품 제작하기
-제어문을 활용하여 보다 복잡한 동작을 수 행하는 전자제품 만들기(제어문 습득)
8 자동차만들기
․빠르기가 다르게 제작된 자동차 관찰 -비와 비례식의 개념을 확인
․가설 설정(과학과의 탐구 과정)
-자동차를 빠르게 가는 방법에 대한 가설 설정 -가설에 따른 통제할 변인을 찾아본다.
9
․변인을 통제하고 실험하기 -가설이 맞는지 실험
-가설이 틀렸을 경우는 가설을 수정하고 재실험
․자동차 경주대회 하기
10 라인트레이서 만들기
․필요한 장치 소개 및 라인 트레이서 구상하기
․라인 트레이서 설계 및 제작
-EbDTM 모형의 각 단계를 통해 라인 트레이 서 제작하고 테스트하기
11 ․라인트레이서 검증하기
-예상하고 확인하는 방법을 활용하여 라인트레이서 검증 12 ․라이트레이서 경진대회
-경쟁심을 유발하는 것은 지양하고 학습자들의 반성적 사고를 촉진할 수 있는 기회를 제공
<표 4> 실험 집단 처치 일정 및 내용
따라서 실험집단에게는 STEM 관련 교과의 지 식, 개념, 원리를 교육용 로봇을 활용하여 습득하고 이를 응용할 수 있는 기회를 제공하였다. 한편 통제 집단에게는 기존의 교과서 중심의 전통적인 분과형 교육 방식으로 실험집단에 처치한 동일한 내용과 수준의 수학․과학 지식, 개념, 원리를 학습하도록 하였다. 실험에 미치는 교사변인의 효과를 최소화하
기 위하여 두 집단의 수업은 모두 동일한 교사에 의해 실시되었으며, 교수․학습 과정안의 개발은 수 업자가 아닌 모형 개발에 투입되었던 전문가 집단 5인에 의해 개발되었다. 실험집단의 교수․학습 과 정안은 (그림 2)의 교육용 로봇을 활용한 STEM 통합교육 모형을 기반으로 작성되었으며, 통제집단 은 교육과학기술부의 교육과정과 교사용지도서, 교 과서를 기반하여 개발되었다. 한편 실험 처치의 기 간은 2009년 10월 1일부터 10월 29일까지 총 12차 시를 수행하였다.
셋째, 마지막으로 각 집단별 수학․과학과 학업 성취도 및 태도 수준을 측정하기 위해 실험 처치가 끝난 후 사후 검사를 실시하였다.
4.5 검사 도구
4.5.1 수학․과학 학업성취도 검사 도구
수학․과학 교과의 학업성취도 검사 도구는 이 연구에서 개발한 교육 프로그램으로 관련 교과 내 용의 지식, 원리, 개념을 잘 습득하였는지 확인하고 자 하는 목적이 있다. 학업성취도 검사 도구는 한국 교육과정평가원에서 개발하여 배포한 2003～2009학 년도 국가수준 학업성취도 평가 문항에서 이 연구 의 목적과 내용에 부합하는 문항을 선별하여 제작 하였다. 각 교과별 성취도 문항을 구체적으로 살펴 보면 다음과 같다.
첫째, 수학과 학업성취도 검사 도구는 ‘확률과 통계’,
‘규칙성과 문제해결’ 영역 총 20문항을 선별하였다. 내 용 체계 영역 당 문항 수, 개괄적인 평가내용, 각 문항 당 평가 영역 등의 내용은 다음 <표 5>과 같다.
둘째, 과학과 학업성취도 검사 도구는 ‘운동과 에 너지’ 영역 총 20문항을 선별하였다. 내용 체계 영 역 당 문항 수, 개괄적인 평가내용, 각 문항 당 평 가 영역 등의 내용은 다음 <표 6>과 같다.
본 검사는 한 문항 당 5점씩 총 100점 만점으로 채점하였고, 같은 요소를 측정하기 위해 사전․사후 동일한 검사지로 실시되었다. 수학 교과 학업성취도 검사도구의 신뢰도가 Cronbach'α=.907 이었고, 과학 교과 학업성취도 검사도구의 신뢰도는 Cronbach'α
=.912로 나타났다.
내용
체계 문항수 평가내용 평가 영역 문항 지식 이해 적용 번호
확률 과 통계
10
줄기와 잎 그림, 그림그래프 ○ 2 줄기와 잎 그림, 그림그래프 ○ 3 줄기와 잎 그림, 그림그래프 ○ 4
띠그래프 ○ 10
띠그래프 ○ 11
띠그래프 ○ 12
막대그래프와 꺾은선그래프 ○ 13
꺾은선그래프 ○ 15
꺾은선그래프 ○ 16
꺾은선그래프 ○ 17
규칙 성과 문제 해결
10
방정식 ○ 1
비와 비율 ○ 5
규칙 찾기 ○ 6
규칙을 글로 표현하기 ○ 7
규칙을 추측하기 ○ 8
논리적 추론 ○ 9
다양한 변화 규칙을 수로 나타내기 ○ 14
비와 비율 ○ 18
방정식 ○ 19
규칙 찾기 ○ 20
<표 5> 수학과 학업성취도 검사 도구 세부 내용
영역 문항수 평가내용 평가 영역 문항 지식 이해 적용 번호
운동과 에너지 13
물체의 속력 ○ 1
물체의 속력 ○ 2
에너지 ○ 3
에너지 ○ 4
에너지 ○ 5
물체의 속력 ○ 6
자기장 ○ 7
자기장 ○ 8
전기회로 ○ 9
물체의 속력 ○ 10
빛 ○ 11
무게 ○ 12
물체의 속력 ○ 13
전기 회로 ○ 14
힘과 운동 ○ 15
무게 ○ 16
물체의 속력 ○ 17
에너지 ○ 18
무게 ○ 19
물체의 속력 ○ 20
<표 6> 과학과 학업성취도 검사 도구 세부 내용
4.5.2 수학․과학 교과 태도 검사 도구
수학과 태도 검사 도구는 한국교육개발원(1992) 에서 제작한 것으로 검사 시간은 60분, 문항은 40문 항으로 학년성에 부합하게 수정하여 활용하였다 [13].
수학과 태도 검사는 “교과에 대한 자아 개념”,
“교과에 대한 태도”, “교과에 대한 학습 습관”으로 구성되어 있으며, 구체적인 개요는 <표 7>과 같다.
영역 하위요인 문항번호 문항수
대한 자아교과에 개념
우월감-열등감 1,9,17,25,33 자신감-자신감 결여 4,12,20,28,36 10
대한 태도교과에
흥미-흥미 상실 2,10,18,26,34 15 목적의식-목적의식 상실 5,13,21,29,37 성취동기-성취동기 상실 7,15,23,31,39 대한 학습교과에
습관
주의 집중 3,11,19,27,35 15 자율학습(능동적 학습) 6,14,22,30,38 학습기술적용(능률적 학습) 8,16,24,32,40
<표 7> 수학과 태도 검사의 개요
과학과 태도 검사 도구는 학생들의 과학에 대한 태도 변화를 알아보기 위해 Fraser(1981)가 개발한 TOSRA(Test of Science-Related Attitude)의 7개 영역 중 4개의 영역(과학 탐구에 대한 태도, 과학적 태도의 수용, 과학 수업에 대한 즐거움, 과학에 대 한 취미적 관심)을 선별 총 40문항을 안진영(2007) 에 의해 초등학생에 알맞게 번안된 검사지를 사용 하였다[8]. 이 연구에서 사용한 과학과 태도 검사 도구의 신뢰도는 Cronbach'α=.805이었고, 구체적인 개요는 다음 <표 8>과 같다.
영역 문항번호 문항수
과학 탐구에
대한 태도 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33, 37 10 태도의 수용 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30, 34, 38 과학적 10 과학 수업에
대한 즐거움 3, 7, 11, 15, 19, 17, 23, 31, 35, 39 10 과학에 대한
취미적 관심 4, 8, 12, 16, 18, 20, 24, 32, 36, 40 10
<표 8> 과학과 태도 검사의 개요
5. 연구 결과
5.1 수학․과학 학업성취도 검사 결과 분석 이 연구에서는 실험집단과 통제집단으로 구성하 였으므로 먼저 두 집단에 대해 사전 검사를 실시하 여 동질집단 여부를 살펴보았다. 수학․과학과 학업 성취도의 사전 검사 결과는 <표 9>와 같다.
영역 집단 N 평균 표준
편차 t p
수학 학업 성취도
실험 36 75.42 7.962
-.597 .552 통제 37 76.49 7.347
과학 학업 성취도
실험 36 76.25 7.780
-.837 .405 통제 37 77.70 7.031
<표 9> 수학․ 과학과 학업성취도 사전 검사 결과
수학과 학업성취도에 대한 사전 검사 결과, 실험 집단의 평균은 75.42점, 통제 집단의 평균은 76.49점 으로 두 집단 간 통계적으로 유의미한 차이가 나타 나지 않았다(p>.05). 한편, 과학과 학업성취도에 대 한 사전 검사 결과는 실험 집단 평균 76.25점, 통제 집단 평균 77.70점으로 두 집단 간 통계적으로 유의 미한 차이가 나타나지 않았다(p>.05).
따라서 실험집단과 비교집단은 수학․과학과 학 업성취도에 대해 동질집단이라고 볼 수 있다.
사전 검사 이후 연구 절차에 의거 총 12차시에 걸쳐 실험 집단은 STEM 통합교육 기반의 로봇교 육 프로그램을 통제 집단은 분과형으로 수업을 진 행하였다. 실험 처치 후, 두 집단 간의 수학․과학 과 학업성취도의 사후 검사를 실시하였다. 이는 이 연구의 가설 1을 검증하기 위한 것으로 수학․과학 과 학업성취도 사후 검사 결과는 <표 10>과 같다.
영역 집단 N 평균 표준
편차 t p
수학 학업 성취도
실험 36 86.81 11.536
2.561 .013 통제 37 80.81 8.123
과학 학업 성취도
실험 36 84.03 9.244
2.349 .022 통제 37 79.73 6.003
<표 10> 수학·과학과 학업성취도 사후 검사 결과
먼저 수학과 사후 검사 결과를 살펴보면, 실험집 단의 평균이 86.81점으로 통제 집단의 평균 80.81점 보다 높게 나타났으며 유의미한 향상(p<.05)을 보이 고 있다.
다음으로 과학과 사후 검사 결과를 살펴보면, 실 험집단의 평균이 84.03점으로 통제 집단의 평균 79.73점보다 높게 나타났으며 유의미한 향상(p<.05) 을 나타내고 있다.
따라서 ‘수학․과학 교육을 전통적인 방법인 분 과형으로 실시한 집단과 이 연구에서 제안하는 STEM 통합교육 기반의 로봇교육 모형 및 프로그 램을 적용한 집단의 수학․과학 교과 학업성취도는 유의미한 차이가 있을 것이다.’ 라는 이 연구의 가 설 1은 채택되었다.
즉, STEM 통합교육 기반의 로봇교육 모형 및 프 로그램이 전통적인 방식의 분과형 교육보다 수학․과 학과 학업성취도 향상에 긍정적인 영향을 주는 것으 로 볼 수 있다.
수학․과학과 학업성취도에 대한 실험 처치의 효 과를 구체적으로 확인하기 위해 각 교과별 검사 문 항의 평가 요소로 나누어 분석하였으며 그 결과는 다 음과 같다.
첫째, 수학과 학업성취도 검사 문항은 ‘이해’와 ‘적 용’의 평가 요소로 구성되어 있으며, 이들 하위 평가 요소의 각 집단별 차이가 통계적으로 유의한지 알아 보기 위해 사후 검사를 t-검정한 결과는 <표 11>과 같다. 분석 결과, 검사 문항의 이해와 적용의 영역 모두에서 유의미한 차이를 나타내고 있다(p<.05).
평가
요소 집단 N 평균 표준
편차 t p
이해 실험 36 55.14 10.986
2.099 .040 통제 37 50.68 6.579
적용 실험 36 31.67 3.780
2.108 .039 통제 37 30.14 2.201
<표 11> 수학과 학업성취도 하위 평가 요소별 사후 검사 결과
둘째, 과학과 학업성취도 검사 문항은 ‘지식’, ‘이
해’, ‘적용’의 평가 요소로 구성되어 있으며, 이들 하
위 평가 요소의 각 집단별 차이가 통계적으로 유의
한지 알아보기 위해 사후 검사를 t-검정한 결과는
다음 <표 12>와 같다.
검사 결과, 과학과 학업성취도 검사 문항의 하위 평가 요소 ‘이해’, ‘적용’의 영역에서 통계적으로 유의 미한 차이를 나타냈으나(p<.05), '지식' 영역에서는 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않았다(p>.05).
평가
요소 집단 N 평균 표준
편차 t p
지식 실험 36 15.36 2.800
-.178 .859 통제 37 15.46 1.835
이해 실험 36 33.47 2.883
2.056 .043 통제 37 31.76 4.119
적용 실험 36 35.19 6.777
2.038 .046 통제 37 32.51 4.100
<표 12> 과학과 학업성취도 평가 요소별 사후 검사 결과
5.2 수학․과학과 태도 검사 결과 분석
이 연구에서는 실험집단과 통제집단으로 구성하였 으므로 먼저 두 집단에 대해 사전 검사를 실시하여 동질집단 여부를 살펴보았다. 수학․과학과 태도 수준 의 사전 검사 결과는 <표 13>과 같다.
수학과 태도 수준에 대한 사전 검사 결과, 실험 집단의 평균은 169.64점, 통제 집단의 평균은 174.32점 으로 두 집단 간 통계적으로 유의미한 차이가 나타나 지 않았다(p>.05). 한편, 과학과 태도 수준에 대한 사 전 검사 결과는 실험 집단 평균 169.39점, 통제 집단 평균 173.43점으로 두 집단 간 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않았다(p>.05). 따라서 실험집단과 비교집단은 수학․과학과 태도 수준에 대해 동질집단 이라고 볼 수 있다.
영역 집단 N 평균 표준
편차 t p
수학과 태도
실험
36 169.64 16.84
-1.345 .183
통제37 174.32 12.68
과학과 태도
실험
