http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.202
Effects of the Experience in Developing Physics Teaching Materials Based on Computational Thinking for Improvement of Science Teachers’ and
Pre-service Teachers’ Technological Pedagogical and Content Knowledge (TPACK)
Jiwon Lee
∗· Jeong Beom Kim
∗· Jung Bog Kim
†Department of Physics Education, Korea National University of Education, Cheongju 28173, Korea (Received 1 November 2017 : revised 2 January 2018 : accepted 5 January 2018)
Computational thinking (CT) is important in the fields of mathematics, science, and technology that is why it is a necessary component when conducting training on the execution of the curricula of those fields. Therefore, developing a science teacher’s ability to formulate teaching materials for enhancing students’ CT is a necessity. In this study, we formulated a training program to develop these competencies and applied it to 8 science teachers and 2 pre-service teachers. The competencies are related to technological pedagogical content knowledge (TPACK), and the improvement of TPACK was confirmed by using a pre- and a post-test. The results showed positive changes in three of the four components related to the technology of TPACK (TCK, TPK, TPACK) after the training program. Also, all outputs of physics teaching materials using the CT-based science teaching model were found to be suitable for the targeted framework. The teacher training program developed by the researchers and used in this study can be utilized in future training on the formulation of teaching materials to improve students’ computational thinking ability.
PACS numbers: 01.40.-d, 01.50.H-
Keywords: Physics education, Computational thinking, Technological pedagogical content knowledge, Teacher training program
컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료 개발 경험이 과학 교사와 예비 교사의 테크놀로지 교수 내용 지식 (TPACK) 향상에 미치는 영향
이지원
∗· 김정범
∗· 김중복
†한국교원대학교 물리교육과, 청주 28173, 대한민국
(2017년 11월 1일 받음, 2018년 1월 2일 수정본 받음, 2018년 1월 5일 게재 확정)
컴퓨팅 사고력 (computational thinking) 의 활용은 수학, 과학, 기술 등의 영역에서 중요하기 때문에 교육과정 내에서 컴퓨팅 사고력 교육이 필요하다. 따라서 학생들의 컴퓨팅 사고력 향상을 위한 교수자료를 개발할 수 있는 과학 교사의 역량을 함양하여야 한다. 이 연구에서는 교사들이 이러한 역량을 계발할 수 있도록 컴퓨팅 사고력 기반 과학 수업모형을 포함한 교사 연수 프로그램을 개발하여 10명의 과학 교사와 예비 교사에게 적용하였다. 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 교사의 교수자료 개발 역량은 테크놀로지 교수 내용 지식 (technological pedagogical content knowledge, TPACK) 과 관련되며, TPACK 사전-
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PACS numbers: 01.40.-d, 01.50.H-
Keywords: 물리교육, 컴퓨팅 사고력, 테크놀로지 교수 내용 지식, 교사 훈련 프로그램
I. 서 론
2016년 다보스 포럼에서 세계경제포럼의 창립자이자 회 장인 Klaus Schwab은 ‘4차 산업혁명’ 을 언급하였고, 그의 저서에서 유례없는 정보의 저장 및 처리와 지식의 접근, 물리학, 디지털, 생물학 분야의 기술 융합을 통한 과학기술 의 발전의 시대가 이미 시작되었음을 언급하였다 [1]. 이 러한 시대의 흐름에 대비하기 위해 전 세계적으로 컴퓨팅 사고력 (computational thinking) 교육이 강조되고 있다.
컴퓨팅 사고력의 정의는 학자마다 다소 차이는 있으나 크게 다음과 같은 두 가지 정의 방식으로 나눌 수 있다. 먼저 문제 해결 과정에서의 절차적 사고로 정의하는 방식이다 [2]. 절차적 사고는 개발, 표현, 테스트, 디버깅의 과정으로 구성되어 있고, 각 절차를 효과적으로 수행하기 위해서는 컴퓨터 등의 기기로 각 절차를 수행 가능한 형태인 단계별 명령어로 자동화하는 것에 중점을 둔다. 이러한 절차적 사고를 바탕으로 한 컴퓨팅 사고력은 일을 효율적으로 처 리하는 정확한 방법을 만드는 과정, 혹은 눈에 보이지 않는 추상화된 개념을 통한 문제 해결 과정을 고려한 표현이라고 볼 수 있다. 다음으로 컴퓨터를 사용한 자동화된 문제의 표현이다 [2]. 컴퓨팅 사고력은 인간의 정신적인 능력이나 일을 컴퓨팅과 관련된 기호 체계를 사용하여 자동적으로 처리하도록 하는 것으로, 컴퓨터가 사람의 도움 없이 해결할 수 있도록 실생활의 문제를 표현하는 것을 의미한다. 이를 종합하여 최정원 등 [3]은 컴퓨팅 사고력의 개념을 컴퓨터 과학의 개념과 원리를 기반으로 문제 해결 과정을 설계하고, 설계된 과정을 컴퓨팅 시스템이 수행할 수 있도록 표현하는 데에 필요한 절차적 사고 능력이라고 제시하였다.
컴퓨팅 사고력은 하나의 교과에만 종속된 특수한 기술이 아니라 모든 교과에서 그 과목의 특성에 맞게 다루어져야 하는 기본 소양이기 때문에, 과학 교과에서도 과학에서 필요로 하는 컴퓨팅 사고력을 길러 주기 위한 노력을 기 울여야 한다. Wing [4]은 컴퓨팅 사고력을 누구나 학습 해야 하는 기본 소양이라고 하며 교육에 도입해야 한다고
∗These authors contributed equally to this work.
†E-mail: [email protected]
강조하였다. 그는 컴퓨팅 사고력이 단지 컴퓨터처럼 사 고하는 것을 의미하는 것이 아니라 컴퓨터 과학의 개념을 기본으로 하여 문제를 해결하고 시스템을 설계하여 인간의 행동을 이해하는 것으로, 컴퓨터 과학자뿐만 아니라 모든 사람들에게 기본적인 기술이며, 읽기, 쓰기 및 산술과 같이 어린이들이 배워야 할 필수적인 과목에 컴퓨팅 사고력을 추가해야 한다고 언급하였다. 특히 과학 분야에서 생각해 보면, 학생들은 수학을 사용하여 물리적 변수와 그 양적 관계를 나타낸다. 또한 데이터를 처리하기 위해 컴퓨터에 연결된 실험실 도구를 사용하여 데이터를 구성 및 정리하 고, 알고리즘을 수립하며, 자연과 설계된 시스템의 새로운 시뮬레이션을 사용하고 개발하는 방법을 포함하는 컴퓨팅 사고력을 활용한다 [5]. 미국 차세대 과학교육표준 (next generation science standards, NGSS, 2011) 에서도 과학 및 공학 분야에서 컴퓨팅 사고력은 근본적인 요소이므로, 교실 수업에서 양질의 컴퓨팅 사고력 교육을 통해 과학을 강화시켜야 한다고 강조하였다 [5]. 물리적 변수와 그 양적 관계의 인식, 데이터 처리, 새로운 시뮬레이션의 사용 및 개발을 위한 전략 등에 모두 컴퓨팅 사고력이 필요하기 때 문이다.
과학 교과에서 학생의 컴퓨팅 사고력을 기르기 위해서 먼저 수행되어야 할 것은, 학교 현장의 교사들이 학생들의 컴퓨팅 사고력을 향상시킬 수 있도록 교수자료를 잘 구성하 고 그 자료를 잘 활용할 수 있는 교수 역량을 기르는 것이다 [6]. 학생들이 과학적 문제해결을 위하여 컴퓨팅 사고력을 이용할 수 있도록 지도하기 위해서는, 교사들이 컴퓨팅 사 고력에 대한 이해를 기반으로 하여 컴퓨팅 사고력 함양을 위한 교수자료를 제작할 수 있는 역량을 기를 필요가 있다.
전용주 등 [7]은 현직 교사들이 소프트웨어 교육을 하는 것에 대한 당위성과 교과와의 융합을 통한 교육의 필요성에는 동 의하지만 이와 관련된 소양과 전문성을 기를 수 있는 기회가 부족하여 해당 내용을 가르치는 것에 대해 부담을 느낀다고 하였다. 또한 교사들이 이와 관련된 교육을 기존에 받지 못했던 것이 사실이므로 연수를 통해 부족한 부분을 채워 나가야 한다고 하였다.
하지만 국내 과학교육에서 컴퓨팅 사고력과 관련된 연구 를 살펴보면, 대부분 학생들을 대상으로 컴퓨팅 사고력을
Fig. 1. (Color online) Goal, method and evaluation of teacher training program.
지도하고 그 효과성을 검증하는 연구에 치우쳐 있다. 초등 학생을 대상으로 스크래치 프로그램을 이용하여 과학교육 에 컴퓨팅 사고력을 도입하는 수업을 설계해서 투입하거나 [8], 중학생을 대상으로 스크래치를 활용한 과학 교과 프로 그램을 개발하여 적용하고 [9], 또는 고등학생을 대상으로 스크래치를 활용한 과학 수업을 실시하고 [10], 저널 분석을 통해 학생들의 인식 변화를 살펴보는 등 [11], 주로 스크래치 프로그램을 이용하여 학생들의 컴퓨팅 사고력을 향상시키 기 위한 프로그램을 개발하고 투입하는 연구가 수행되었다.
또한 정보 교과에서는 예비 교사들의 컴퓨팅 사고력을 위한 수업 설계 및 평가 루브릭을 개발하거나 [12–14], 컴퓨팅 사고력의 세부 핵심 역량 계발을 위한 질적 분석 등 [15]
학생뿐만 아니라 예비 교사들에게도 컴퓨팅 사고력을 함 양시키기 위한 연구가 수행되었다. 반면에 교사의 컴퓨팅 사고력 기반 교수자료 제작 역량에 관련된 연구는 부족한 실정이다. 이와 관련하여 컴퓨팅 사고력 기반 교수자료 제 작을 위한 교사의 역량을 어떻게 기를 것인지에 대한 심도 있는 연구가 필요하다.
컴퓨팅 사고력 기반 교수자료를 개발하기 위한 역량 으로, 컴퓨팅 사고력에 대한 교사 자신의 이해와 기술적 숙달, 테크놀로지에 대한 지식과 교수자료를 개발하기 위해 관련 내용 지식, 그리고 이를 학생들이 잘 이해할 수 있도록 하는 교육학적 지식 또한 필요하다. Koehler 등 [16]은 Shulman(1987) 의 교수 내용 지식 (pedagogical content knowledge, PCK) 에 테크놀로지를 접목한 테크 놀로지 교수 내용 지식 (technological pedagogical content knowledge, TPACK) 을 효과적인 테크놀로지 통합을 위해 요구되는 지식을 이해하기 위한 이론적인 틀로서 소개하였 다. 즉, 교수자의 TPACK이란 그들 자신의 교수에 테크놀
로지를 활용하기 위해 적절한 교육 방법과 테크놀로지에 대한 지식을 바탕으로 교과 내용을 가르치거나 교수자료를 개발하기 위해 필요한 역량 중 하나라고 할 수 있다.
이에 따라 이 연구에서는 과학 교사 및 예비 교사가 학 생들의 컴퓨팅 사고력 함양과 기하 광학 개념 이해를 돕는 물리 교수자료를 제작하는 경험을 할 수 있도록 교사 교육 프로그램을 개발하고 적용하였다. 이를 통해 참여자들의 TPACK이 향상되었는지, 그리고 이들의 교수자료가 학생 들의 기하 광학 개념에 대한 이해와 컴퓨팅 사고력 향상을 위해 제작되었는지를 평가하여 교사 교육 프로그램의 효과 를 검증하였다.
II. 연구 방법
1. 연구 대상
이 연구는 과학 교사의 컴퓨팅 사고력을 기반으로 과학과 교수자료 제작 능력을 향상시키기 위한 교육 프로그램을 개발하고 이를 적용하여 TPACK의 향상 정도를 알아보기 위한 것이므로 본 프로그램을 쉽게 적용 할 수 있고 교수자 료 제작이 용이한 교사들을 대상으로 실시하였다.
연구 참여자들은 교원양성 대학교의 일반대학원 석·박사 과정 재학생들로 구성하였다. 이들은 2017학년도 1학기
‘광학 특론’ 강좌의 수강생들이며, 교사 8명, 예비교사 2명 (대학원 석사 과정 1명, 박사 과정 1명) 이다. 8명의 교사들 중 4명 (50%) 은 중학교 교사, 3명 (37.5%) 은 고등학교 교 사, 1명 (12.5%) 은 초등학교 교사이다. 교육 경력은 1년에 서 12년까지 다양하며, 교수 과목 또한 초등교과 , 중학과학, 고등학교 공통과학, 물리1, 물리2, 지구과학2 등으로 다양 하다. 예비교사 2명은 물리교육 전공이고, 교사들의 학부 전공은 각각 물리교육 (7명), 지구과학교육 (1명), 공통과 학교육 (1명), 초등과학교육 (1명) 이다. 연구 대상자들 중 프로그래밍 교육 이수 경험자는 2명, 프로그래밍 경험자는 4명이며, 이때 사용한 컴퓨터 언어는 JAVA, C+, Wolfram 언어 등이다. 이들은 기본적인 코딩을 할 수 있는 수준이지 만, 학생들이 문제를 해결하도록 하는 프로그래밍을 하는 데에는 미숙하다고 응답하였다.
2. 연구 절차
1) 컴퓨팅 사고력 기반 교수자료 제작을 위한 교사 교육 프로그램의 개발
이 교사교육 프로그램의 최종 목적은 “컴퓨팅 사고력을 이용하여 과학 문제를 해결할 수 있는 학생들의 능력을 향
Fig. 2. (Color online) Making teaching materials using Desmos. Part of a solar eclipse (up) and a convex lens (down).
상시킬 수 있도록 교사의 역량을 기르는 것” 이다. 여기서 교사의 역량은 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료를 개발 할 수 있는 역량과 이 교수자료를 이용하여 학생들을 지도할 수 있는 역량의 두 가지로 나눌 수 있다. 지도를 위해서는 효과적이고 적절한 교수자료의 개발이 선행되어야 하기 때문에 이 프로그램에서는 교사들이 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료를 개발할 수 있는 역량의 향상을 목적으로 한다. Fig. 1은 이 교사교육 프로그램의 목표, 방법 그리고 평가를 도식화 한 것이다.
교사 교육 프로그램을 개발하기 위한 과정은 다음 세 단계를 따른다.
첫째, 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 제작 도구를 선정한다. 교수자료 제작 도구는 모바일 어플리케이션이나 컴퓨터 응용 소프트웨어이며, 교사가 교수자료를 제작하기 위해 사용법 및 프로그래밍 언어를 배우는 데 오랜 시간과 노력 등이 필요하고 사용 시 높은 숙련도를 요구하는 제작 도구는 배제하였다. 즉, 교사가 처음 접하여도 쉽게 배울 수 있고 다소 낮은 숙련도에도 교수자료를 제작 할 수 있는 도구이어야 한다. 또한, 수업 시 교사와 학생이 사용하기 쉽고 서로 상호작용할 수 있는 것이어야 한다.
둘째, 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 개발 모형을 설계한다. 이러한 교수자료 개발 모형 설계는 학생들로 하여금 컴퓨팅 사고력 요소를 포함한 과학 개념을 학습하게 하고 학생들 스스로 과학 문제를 해결할 수 있게 하며, 이와
Fig. 3. (Color online) Online classroom activity.
관련된 자연 현상을 설명할 수 있도록 안내하는 교수자료를 개발할 수 있도록 일종의 가이드라인 역할을 하는 모형을 교사들에게 제시하는 것을 목표로 한다.
셋째, 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 개발을 위한 교사 교육 프로그램을 개발한다. 교사들이 제작 도구를 사용하여 교수자료를 개발할 수 있도록 제작 도구 사용법을 익히는 단계, 컴퓨팅 사고력의 각 요소를 이해하는 단계, 이를 이용하여 교수자료를 설계하는 단계, 설계한 교수자료 를 제작하고 동료의 피드백을 받아 수정하는 단계, 제작한 교수자료를 발표하고 공유하는 단계를 포함한다.
(1) 컴퓨팅 사고력 기반 교수자료 제작 도구의 선정 물리의 경우 과목 특성상 수학과 밀접할 뿐만 아니라, 공학과도 밀접한 관련이 있다. 특히 자동화와 시각적 시 뮬레이션을 위해 소프트웨어를 활용하여 문제를 해결하는 경우가 많다. 따라서 학생들이 물리를 배울 때에도 수학과 공학적 접근이 필요하다. 예를 들어 기하 광학을 잘 이해 하기 위해서는 실험 및 관찰을 통해 얻은 자료와 기하 광학 개념을 바탕으로 논리적인 가설을 세우고 이를 검증하는 과학적 사고뿐 아니라 문제 해결을 위한 알고리즘을 제작 하고 활용할 수 있는 수학적 사고, 그리고 문제 해결 과정을 설계하고 컴퓨터가 수행할 수 있는 형태로 표현하는 컴퓨팅 사고력이 필요하다.
이 연구에서는 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 제작 도구로서 Desmos를 사용하였다. 이영선 [17]은 함수를 공
Table 1. Components and definitions of the computational thinking, Ministry of Education (2015c).
Component Definition
Data collection Gathering data needed to solve the problem
Data analysis Understanding the data, searching for patterns, and drawing conclusions Data representation Visualizing problems with graphs, charts, graphics, etc.
Decomposition Dividing the problem into small and manageable issues Abstraction Modeling Extract key elements for problem solving and create models
Algorithm Expressing a series of steps to solve a problem with an algorithm (procedural expression) Automation Coding Automating the problem solving process using a programming language
Simulation Running a program (software)
Generalization Applying the problem solving process to other problems
부하기 유용한 스마트폰 어플리케이션을 조사하며 Desmos 를 소개하였다. Desmos는 웹과 모바일로 실행할 수 있는 어플리케이션이며, Eli Luberoff에 의해 2011년에 만들어 졌다. Desmos는 방정식, 부등식, 미분, 적분 등을 사용자가 직관적으로 변수를 지정하여 연산하거나, 그래프로 표현할 수 있다. 그리고 수학적인 언어로 손쉽게 문제 현상을 시 뮬레이션 할 수 있으며, 교사가 다소 복잡하고 어렵게 느낄 수 있는 C언어 등의 컴퓨터 언어를 배우지 않아도 기존의 시뮬레이션 프로그램으로 개발된 교수·학습 자료들처럼 구 성된 교수·학습 자료를 창의적으로 만들 수 있으며, 학생들 또한 수준에 맞는 문제 해결을 위하여 현상을 구현하는 데 용이하다.
또한, Microsoft사의 PowerPoint와 같이 텍스트, 이미지, 동영상, 그래프 등을 삽입하거나 슬라이드를 구성하여 교수·
학습 자료로 활용할 수 있고, 수정 및 저장이 가능하도록 구현되었으며 Fig. 2와 같다. 또한 사용자의 자료를 타인이 공유하여 복사하거나 수정하는 것이 가능하며, 교실 코드 를 입력하여 접속을 하면 그 자리에서 교수· 학습 활동을 할 수 있는 온라인 교실을 만들 수 있으며 Fig. 3과 같다.
즉, Desmos는 수학적 표현을 위주로 직관적으로 간단하게 사용할 수 있으며, 수업 시간에 교사와 학생이 활용하기 쉽 도록 구성된 어플리케이션이다. 국내에는 Desmos에 관한 연구가 많지 않다.
이 연구에서 개발한 교사 교육 프로그램에서는 컴퓨팅 사 고력 기반 과학과 교수자료 제작을 위해 사용하는 어플리케 이션으로 Desmos를 활용하였으며 이용 방법은 다음과 같다.
첫째, 컴퓨터 웹 브라우저를 통해 www.desmos.com에 들 어간다. 둘째, 메인 화면의 중앙 오른쪽 Learn.desmos.com 에 들어간 후, Desmos의 기본 기능에 대해 연습한다. 셋 째, 메인 화면의 중앙의 Teacher.desmos.com에 들어간 후, 교수자료를 제작한다 (이용 시 회원가입 필수, 모든 활동에 대해 무료).
(2) 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 개발 모형 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료를 제작하는데 필 요한 모형을 개발하기 위하여 우선, 컴퓨팅 사고력의 구성 요소에 대한 선행 연구를 분석하였다. Wing [4]은 컴퓨 팅 사고력의 구성 요소를 추상화 (abstraction) 와 자동화 (automation) 로 구분하였다. 추상화란 문제에 대해 표현 하고 모델링하는 사고이고, 자동화란 컴퓨터가 추상화를 해석할 수 있도록 표현하기 위한 사고를 말한다. 한편, 컴퓨 터과학 교사협회 (computer science teacher association, CSTA) 등 [18]은 컴퓨팅 사고력의 요소로 자료 수집, 자료 분석, 자료 표현, 문제 분해, 추상화, 알고리즘과 절차, 자 동화, 병렬화, 시뮬레이션 등 9가지로 구분하였다. Google [19]은 컴퓨터과학 교사협회 등이 구분한 컴퓨팅 사고력의 구성 요소 중 알고리즘과 절차를 알고리즘 디자인으로 바 꿨고, 자료 분석을 자료 분석과 패턴 인식으로, 추상화를 추상화와 패턴 일반화로 좀 더 세분화하여 11가지로 구분 하였다.
이에 따라 국내에서도 컴퓨팅 사고력의 구성 요소에 대한 연구가 이루어졌다. 많은 연구들이 다양하게 제시되어 있 지만 각 구성 요소에 큰 차이점은 없다. 교육부 [20]에서는 컴퓨팅 사고력 구성 요소를 자료 수집, 자료 분석, 구조화, 추상화, 자동화, 일반화 다섯 가지로 구분하였고, 추상화는 분해, 모델링, 알고리즘으로, 자동화는 코딩, 시뮬레이션으 로 세분화하였다. 각각의 요소에 대한 정의는 Table 1에 제시하였다.
교사들에게 안내한 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 의 개발 모형을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 교사들은 학생들이 과학적 문제 해결 시 컴퓨팅 사고력을 활용할 수 있도록 돕는 교수자료를 개발할 것이므로, 컴퓨팅 사고력 기반 문제 해결 모형 (CT-PS model) [21]을 기반으로 과학 을 접목시킨 모형을 개발하였고 Fig. 4와 같다.
우선, ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 개념 학습’ 단계에서는 과학 개념을 학습한다. 자연 현상에서 패턴을 발견하고 추상
Fig. 4. (Color online) A model of the science teaching materials based on the computational thinking.
Fig. 5. (Color online) Procedure of teacher training program to make a science teaching materials based on the computational thinking.
화하는 과정에서도 컴퓨팅 사고력이 활용되며, 알고리즘이 안내되거나 프로그래밍된 소프트웨어 또는 어플리케이션을 학습에 활용하여 학생이 소프트웨어 또는 어플리케이션과 만날 수 있는 경험을 제공한다. ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 과학 문제 해결’ 단계는 제시된 과학적 문제를 소프트웨어를 활용하여 구현함으로써 문제를 해결하는 단계이다. 과학의 내용과 관찰, 분류, 측정, 예측, 가설 설정 등과 같은 과정 지식을 통해 얻은 정보를 컴퓨팅 사고력을 활용하여 조직 하고 분석하며 소프트웨어로 구현한다. ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 자연 현상의 설명’ 단계는 과학 개념을 적용하여 실생활 또는 새로운 현상을 설명하는 단계이다. 현상을 설 명하기 위해 필요한 자료를 수집, 분석하고 패턴을 인식하여 학습한 과학 개념 패턴과의 유사점을 발견하는 등의 컴퓨팅 사고력을 활용한다.
(3) 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 제작을 위한 교사 교육 프로그램 개발
교사 교육 프로그램의 개발은 ‘문헌 연구 – 프로토타입 개발 – 전문가 검토 – 수정 및 보완 – 최종 완성’ 의 과 정으로 진행되었다. 문헌 연구는 학생 또는 예비 교사의 컴퓨팅 사고력 함양을 위한 교육 연구들을 중심으로 하였다.
이 중 전용주 등 [7]의 컴퓨터 교육 비전공 예비 교사들을
위한 컴퓨팅 사고력 기반 웹 프로그래밍 교양 수업 프로 그램의 교육과정을 기준 틀로 결정하고 이 연구의 목적에 맞게 세부적인 내용을 구성하였다. 프로토타입 개발 관련 세부 사항은 다음과 같다. 프로토타입 개발자들은 Desmos 전문가이자 미국에서 교육용 프로그램을 개발하고 적용하고 있는 교사 1인, 과학교육 전문가 1인, 물리학자 1인으로 구 성되었다. 이들은 2017년 1월 초부터 2월 말까지 주 1회의 정기적인 인터넷 화상회의를 통해 교사 교육 프로그램의 개 발을 위한 기준을 설정하고 프로토타입을 개발하였다. 교사 교육 프로그램의 개발 기준은 다음과 같다. 첫째, 교사가 컴퓨팅 사고력의 기초 개념을 인지할 수 있도록 한다. 둘째, 교수자료를 학생들의 컴퓨팅 사고력 능력 향상을 목표로 하고, 교육과정의 내용으로 구성하여 실제 학교 현장에서 사용할 수 있게 제작하도록 안내한다. 셋째, 이를 통하여 교사가 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 제작 역량을 함양할 수 있도록 한다. 다음으로 전문가 검토 과정이다.
개발된 교사 교육 프로그램은 현직 교사 3인의 검토를 거 쳤고, 이들의 제언을 통해 교사 교육 프로그램을 수정 및 보완하여 최종적인 교사 교육 프로그램을 완성하였다. 본 교육 프로그램의 진행 순서는 Fig. 5와 같다.
각 차시별 세부적인 교육 내용은 Table 2 와 같다. 1 차시에서는 교사들에게 교사 교육 프로그램을 간단하게
Table 2. Teacher training program for making the science teaching materials based on the computational thinking.
Unit Title Contents
1 Computational Thinking Definition, elements and examples of the CT.
2 Desmos Introduction and understanding of Desmos
3 Lessons using Desmos Introduction of a Classroom using Desmos (based on the reflection of light)
4 Learning Desmos 1 Practicing mathematical expressions by referring to the videos in learning.desmos.com 5 Learning Desmos 2 Inserting images, creating slides, and showing mathematical and scientific representations 6 Application of Desmos 1 Representing an image by reflection and reflection of a plane mirror by using a given code 7 Application of Desmos 2 Expressing the problem of the extent to be seen when covering a part of a flat mirror 8 Application of Desmos 3 Free expression of light reflection
9 Making teaching materials - Project description and team configuration
using Desmos 1 - Running a team project 1 : Setting grade, unit, and material
Making teaching materials - Intermediate presentation : Presentation of subject and production plan of teaching 10 using Desmos 2 materials
- Running a team project 2 : Analyzing curriculum 11 Making teaching materials
Running a team project 3 : Create teaching materials and feedback 1 using Desmos 3
12 Making teaching materials
Running a team project 4 : Create teaching materials and feedback 2 using Desmos 4
13 Final announcement Presentation of groups’ teaching materials
소개하고 컴퓨팅 사고력의 정의와 요소에 대해 교육한다.
그리고 컴퓨팅 사고력의 정의와 요소에 대한 이해를 돕고자 각 개념에 대한 예시를 제시한다. 2차시에는 교수자료를 제작하기 위해 사용할 소프트웨어 (Desmos) 를 소개한다. 3 차시에는 Desmos를 활용하여 만든 교수자료를 소개하고 이 를 활용한 수업에 대해서 설명한다. 4∼5차시에는 Desmos 를 사용하기 위한 기본 교육을 실시한다. 6∼8차시에는 Desmos를 활용한 교수자료 제작을 위한 기본 교육을 빛의 반사 개념을 바탕으로 실시한다. 9∼12차시에는 교수자료를 만들기 위한 모둠 구성 및 교수자료 제작 기준을 안내하며, 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 개발 팀 프로젝트를 실시한다.
9 차시부터 실시된 팀 프로젝트에서, 교사들은 자신의 모둠이 구성할 교수자료의 내용의 정확성을 검증받기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물리학을 연구하는 물리학자에게 프로그램 차시마다 질문을 통해 피드백을 받았다. 그리고 Desmos의 기능 사용법과 교수자료로의 활용에 대한 문의 는 컴퓨팅 사고력 연구자에게 Daum 카페를 통해 질의응 답식의 형태로 피드백을 받았다. 예를 들어, 구면 렌즈의 작동 원리에 대한 교수자료를 Desmos로 만들기 위해, 렌 즈의 작동 원리와 빛의 진행에 대한 부분은 물리학자에게, Desmos에서 이를 수식으로 입력하거나 이미지를 삽입하여 표현하는 것에 대한 부분은 컴퓨팅 사고력 연구자에게 피드 백을 받는 식의 형태이다. 10차시에는 교수자료의 주제 및 제작 계획을 발표하며 13차시에 제작한 교수자료의 결과물 발표를 진행한다.
2) 교사 교육 프로그램 적용 및 평가
적용 시기는 2017년 3월 6일부터 6월 12일까지 1학기 기간 동안 13차시에 걸쳐 교육 프로그램을 적용하였다. 우 선, 컴퓨팅 사고력에 대한 이해, 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 개발에 대한 오리엔테이션을 1일 차에 2차시 진행 하였다. 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료는 교사들이 3 인 1모둠 2개, 2인 1모둠 2개 총 4개 모둠을 구성하여 제작 하였다. 제작하는 동안 참여자들이 겪을 수 있는 어려움을 해결하기 위해서 모바일 커뮤니티를 개설하여 교수자료에 대한 피드백을 실시하였다. 교수자료 제작 숙련도 향상을 위하여 1차시 당 1개의 과제를 6∼9차시에 제공하였으며, 10차시와 13차시에 각각 중간 발표 및 최종 발표를 하였다.
3) 자료 수집
(1) TPACK 사전, 사후 검사
TPACK은 테크놀로지, 교육학, 내용 사이의 관계들과 복잡한 특징들을 소개하는 틀이다 [22]. TPACK은 이 세 가지 지식 유형의 관계에 대해서 일곱 개의 구성 요소를 포함하고 있다. 테크놀로지 지식 (TK) 은 연필과 종이 같은 낮은 기술에서부터 인터넷, 디지털비디오, 양방향 화이트 보드 그리고 소프트웨어 프로그램과 같은 디지털 기술에
Knowledge as pencil and paper to digital technologies such as the Internet, digital video, 7 (TK) interactive whiteboards, and software programs.
Content Knowledge “Knowledge about the actual subject matter is to be learned or taught.” Mathematics 3
(CK) (Mishra et al., 2006) Science 3
Pedagogical It is teaching method and process, including knowledge of classroom
Knowledge management, assessment, development of planning lesson and learning 7 (PK) of the student.
Pedagogical Content
Knowledge that deals with the teaching process (Shulman, 1986). 3 Knowledge (PCK)
Technological Content
Knowledge of how technology can create new expressions in specific contexts. 2 Knowledge (TCK)
Technological Pedagogical
Knowledge that how to use to teach a variety of skills. 4 Knowledge (TPK)
Technological The knowledge that is required to integrate technology into their own teaching Pedagogical in all content areas. Teachers have an intuitive understanding of the complex Content Knowledge interactions between the three components of knowledge (CK, PK, TK) 5
(TPACK) by teaching content using appropriate teaching methods and technologies.
이르기까지 다양한 기술에 관한 지식이다. 이 지식은 테 크놀로지를 활용한 지식의 확대와 교수· 학습 수단으로써 활용할 수 있는 능력까지 포함한다. 내용 지식 (CK) 은 “배 우거나 가르쳐야 할 실제 주제에 관련된 지식” 이다 [16]. 즉, 교과 지식의 핵심 내용뿐 아니라 지식에 접근하고 설명하는 능력까지도 포함한다. 교수 지식 (PK) 은 교수법의 방법 및 과정을 말하고, 교실 관리, 평가, 수업 계획 개발 및 학생 학습에 대한 지식을 포함한다. 교수 내용 지식 (PCK) 은 교수 과정을 다루는 내용 지식이다 [23]. 즉, PCK는 교사가 가르칠 내용에서 더 나은 교수법을 개발하기 위해서 교수를 계획하고 이행하는 것과 관련된 지식이다. 테크놀로지 내용 지식 (TCK) 은 특정 내용을 전달하기 위해 테크놀로지를 활용하여 어떻게 새로운 표현을 만들 수 있을 수 있는지에 대한 지식을 말한다. 교사가 특정 테크놀로지를 사용해서 그들의 학습자들이 개념을 연습하고 이해하는 방법을 바꿀 수 있음을 이해하는 것을 함축하고 있다고 할 수 있다. 테 크놀로지 교수 지식 (TPK) 은 다양한 테크놀로지들을 학습 자들에게 가르치는 데에 어떻게 사용할 수 있는지와 관련된 지식이다. 테크놀로지를 사용하는 것이 교사들이 가르치는 방식을 바꿀 수 있다는 것을 이해하는 것을 말한다. 테크 놀로지 교수 내용 지식 (TPACK) 은 모든 내용 영역에서 교사들이 자신들의 교수에 테크놀로지를 통합시키기 위해 요구되는 지식이다. 교사는 적절한 교육 방법과 테크놀로 지를 사용하여 내용을 가르침으로써 지식의 세 가지 구성
요소 (CK, PK, TK) 간의 상호 작용을 직관적으로 이해하고 숙지할 수 있다.
이 연구에서는 교사들이 교육학, 내용학적 지식을 바 탕으로 교과 내용에 적합한 교수· 학습 방법을 선택하여, 테크놀로지 기반 수업을 설계하는 역량을 알아보기 위해 Schmidt et al.(2009) 이 개발한 예비교사의 교수, 기술 지 식 측정도구 (Survey of preservice teachers’ knowledge of teaching and technology) 를 번역하여 사용하였다. 이 검 사 도구는 Shulman의 교수 내용 지식 (pedagogical content knowledge, PCK)을 기반으로 하여 예비 교사들의 TPACK 지식 영역들의 각 영역에 대한 요인 분석이 포함되어 있다는 특징을 가진다 [24].
본 검사 도구의 문항은 총 34문항으로 구성되어 있으며, 기존 검사 도구의 47문항 중 수학, 사회, 과학, 언어에 대해 물음이 나뉘어있는 영역 (CK, PCK, TCK) 에 대해서는 수 학과 과학만 번역하여 이 연구의 검사 도구로 활용하였다.
검사 시기는 2017년 3월 6일, 6월 12일이며, 각각 사전- 사후검사로 투입하였다. 본 검사 도구의 TPACK 지식 영 역들에 대한 개념과 문항 수 구성은 Table 3과 같다.
(2) 과학 교사들이 제작한 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수 자료
2017년 3월 6일부터 6월 12일까지 한 학기 동안 연구 참여자들이 개발한 총 4개의 교수자료를 수집하여 분석하
Table 4. Group, target, and concepts with learning objectives.
Group Target Concepts with learning objectives
2009 Curriculum of middle school grades 1-3 (9) Light and wave
A Middle school students - Understanding the principle of focused image by lens, applying the law of refraction of light.
2009 Curriculum of high school physics II (3) Wave and light
B High school students - Understanding and constructing the reflection, refraction formulas and sign conventions in spherical surface.
Special topics in optics (‘color’, ‘object and image’, ‘Reflection and refraction’)
C College students - Understand the three primary colors of light and colors, and various aberrations using the ray tracing method.
2009 Curriculum of high school earth science I (4) Upcoming universe
D High school students - Understanding the principles of solar and lunar eclipse and the phenomena which can be observed at that time.
였다. 교수자료는 Desmos를 활용하여 ‘광학 특론’ 강좌 또 는 중등 교육과정 내 기하 광학 관련 개념을 선택하고 학습 목표를 정하여 이와 관련된 내용으로 학습 대상을 고려하여 최소 1차시 이상 구성하도록 하였다. 각 교사 모둠이 개발한 교수자료들의 학습 대상, 학습 내용, 학습 목표를 Table 4 에 제시하였다.
4) 자료 분석
(1) 교육 프로그램을 통한 교사의 TPACK 변화의 전후 비교
TPACK의 7가지 지식 영역에 대한 검사 도구는 Likert 식 5점 척도로 구성되어 있으며, 10명의 과학 교사와 예비 교사의 영역별 평균을 구하고 사전-사후 점수의 향상 정도를 비교하였다. 이를 분석하기 위해 SPSS Ver.18의 대응표본 t-test를 실시하여 비교하였다.
(2) 과학 교사들이 개발한 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수 자료
연구 참여자들의 Desmos를 활용한 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료 평가 도구 개발에는 과학교육 전문가 1인과 컴퓨팅 사고력 연구자 1인이 참여하였으며, 이후 전문가의 검토를 거쳐 평가 기준에 대한 내용적 타당도를 검토하고 이를 수정 및 보완하여 완성하였다. 내용적 타당도 검토에 참여한 전문가들은 컴퓨터 시뮬레이션을 물리학 연구에 활용하는 물리학자 1인, 현직 교사 3인으로 구성되었다.
평가 범주는 교사 교육 프로그램의 목표에 따라 과학 학습, 컴퓨팅 사고력 학습 등 두 개로 나누었다. 과학 학습 범주는 다시 교육부 [25]의 검· 인정 교과용 도서 선정 매뉴얼에서
교과용 도서 평가 기준 항목의 평가 영역들 중 연구 목적에 부합하는 영역을 바탕으로 내용 선정 및 조직, 교수·학습 방 법의 두 가지 요소로 나누고 이에 해당하는 항목으로 문항을 구성하였다. 컴퓨팅 사고력 학습 범주는 교육부 [20]에서 구분한 컴퓨팅 사고력 구성 요소와 최정원 등 [26]이 설계한 컴퓨팅 사고력 평가 방안을 토대로 이 연구의 목적에 맞게 문항을 구성하였다.
평가 항목에 대한 내용 중 과학 학습 범주의 평가 항목은 총 6문항으로 구성하였다. 이 중 내용 선정 및 조직은 학습 목표의 적절성, 학습에 필요한 기초적 지식 및 기능에 대한 설명, 차시 구성 등의 3문항, 교수·학습 방법은 수업을 통한 학생의 지식 구성의 능동성 여부, 적절한 교수·학습 방법의 제시, 수업 시 학생 평가에 대한 평가 기준과 예시의 적절성 등의 3문항으로 구성하였다. 또한 컴퓨팅 사고력 범주의 평가 항목은 총 8문항으로 구성하였다. 이 중 자료 수집은 학생들의 정보 수집 유무관련 1문항, 자료 분석은 학생들의 수집 자료에 대한 규칙, 동향 파악 등의 분석 유무관련 1 문항, 자료 표현은 분석된 자료의 시각화 유무관련 1문항, 추상화는 모델화, 분해, 일반화의 유무관련 3문항, 알고리즘 및 절차는 문제 해결을 위한 순서도, 의사코드의 표현 활동 유무 1문항, 자동화는 학생들의 교수자료를 통한 프로그래 밍 및 시뮬레이션 경험 유무 1문항으로 구성하였다. 평가 방식은 Likert식 5점 척도 (5점-매우 그렇다, 4점-그렇다, 3점-보통이다, 2점-그렇지 않다, 1점-매우 그렇지 않다) 로 응답할 수 있게 하였다. 즉, 점수가 3점 이상이면 교수자 료로서 적합한 것이고, 3점 미만일 경우 부적합한 것이다.
교수자료의 평가는 13차시 결과물 발표에서 물리학자와 컴퓨팅 사고력 연구자를 통해 이루어졌다. 평가 문항에 대한 영역, 요소, 항목에 대한 세부 내용은 Table 5와 같다.
organization 3. Appropriately composed a class hour to be learned properly.
Science 4. Gave an opportunity to students which to actively organize the knowledges.
learning Teaching 5. Suggested proper teaching and learning methods to characteristics of learning objectives, method contents and methods.
6. Provided the evaluation, which is in accordance with the learning objectives, contents, teaching and learning methods, and specific examples of criteria.
Data 7. Through the teaching materials, students can collect basic data to obtain information collection from science.
Data 8. Through the teaching materials, students can analyze the data they collected, such as analysis finding general rules or identifying trends.
Data 9. Through the teaching materials, students can efficiently visualize and express the representation information, which is extracted from the analyzed data, using tables, figures, charts, etc.
Computational 10. Through the teaching materials, students can express their problem solving methods thinking which are chosen and eliminated some necessary/unnecessary things.(Modelling)
learning Abstraction 11. Through the teaching materials, students are able to solve a large and complex problems by decomposing them into smaller problems which they can handle. (Decomposition) 12. Through the teaching materials, students can recognize the common patterns of similar
problems and extend them to the generalized problem-solving methods. (Generalization) Algorithm 13. Through teaching materials, students can express the simple algorithms to solve and procedures the problem using flow charts, pseudo code, etc.
Automation 14. Through teaching materials, students can experience programming and simulation using the application software (Scratch, Algodoo, Logo, Desmos, etc.).
III. 결과 및 논의
1. 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료 제작 경험에 의한 교사들의 TPACK 향상
이 연구에서는 학생들을 위한 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료 제작 경험이 교사의 TPACK 향상에 미치는 영향 을 살펴보기 위해 연구 참여자들을 대상으로 총 13차시의 교육 프로그램을 실시하였다.
TPACK의 지식 영역들에 대한 사전-사후 향상 정도를 대응표본 t검정 결과로 살펴보았으며 그 결과를 Table 6에 제시하였다. 테크놀로지와 내용 지식 영역 또는 교수 지식 영역이 결합된 지식 영역들 (TCK, TPK, TPACK) 은 본 교육 프로그램의 목표와 관련된 지식 영역이므로 평균이 눈에 띄게 상향되었으며. 통계적으로 유의미하다 (TCK (p <.007), TPK (<.002), TPACK (p <.021)). 이는, 교육 프로그램이 교사의 TCK, TPK, TPACK 향상에 영향을 주 었다고 볼 수 있다. 반면에, TK, CK, PK, PCK 의 향상은 소프트웨어의 숙련도, 교과 혹은 전공 내용 지식, 교수법 및
Table 6. Results of paired t-test for TPACK knowledge components.
Knowledge M SD t p
component pre post pre post
TK 33.57 37.50 20.21 27.05 0.759 .467 CK 60.83 64.58 13.05 20.05 0.529 .610 PK 68.21 70.00 17.45 27.36 0.182 .860 PCK 60.00 65.83 19.16 22.72 0.557 .591 TCK 31.25 57.50 27.16 25.81 3.473 .007∗∗
TPK 36.25 55.63 14.37 17.54 4.389 .002∗∗
TPACK 37.50 55.50 17.03 17.86 2.804 .021∗ N = 10,∗p <.05,∗∗p <.01
학생 학습에 대한 지식, 교육과정을 다루는 지식의 향상과 관련됨을 의미하는데 이와 관련된 지식 영역의 향상 정도는 통계적으로 유의미하지 않았다 (TK (= p <.467), CK (=
p <.610), PK (= p <.860), PCK (= p <.591)). 따라서 교수자료 제작 경험을 통해 교사는 테크놀로지와 교수 또는 내용이 결합한 지식 영역에 대해 긍정적인 향상을 보였고,
Fig. 6. (Color online) TPACK knowledge component averages of pre- and post-test.
테크놀로지, 내용, 교수의 각 독립적인 지식과 내용, 교수와 관련된 지식 영역의 향상은 유의미하게 일어나지 않았다고 말할 수 있다.
Fig. 6은 각 지식 영역의 사전-사후 평균 변화의 패턴을 볼 수 있도록 도식화한 것이다. TCK, TPK, TPACK과 같이 테크놀로지 지식과 교수 지식 및 내용 지식이 융합된 지식 영역에서 사후 평균값이 향상되어 다른 지식 영역의 값들과 고르게 분포되었다. PK, CK 등의 각 지식 영역의 독립적인 부분과 PCK 와 같이 테크놀로지를 제외한 다른 지식 영역이 융합된 지식 영역의 변화는 유의미하지 않게 일어났다. 이는 교사 교육 프로그램을 통해 교사들이 컴퓨 팅 사고력 기반 교수자료를 제작해 봄으로써 첫째, Desmos 라는 소프트웨어의 테크놀로지를 활용하여 학습자들이 개 념을 연습하고 이해하는 방법에 대한 지식이 향상되었고, 둘째, 테크놀로지를 사용함으로써 학습자들에게 가르치는 방식에 대한 지식이 향상되었으며, 셋째, 적절한 교육 방법 과 테크놀로지를 사용하여 내용을 가르침으로써 지식의 세 가지 구성 요소 (CK, PK, TK) 간의 상호 작용을 직관적으 로 이해하고 숙지하는 지식이 향상되었다고 말할 수 있다.
하지만, TK는 소프트웨어와 관련된 기술적인 지식임에도 사후 점수가 유의미하게 향상되지 않았다. 이는 TK 설문 문항이 테크놀로지의 숙련도를 높이는 방법을 개인이 알고 있는지 (문항 1), 테크놀로지를 쉽게 배우고 잘 따라하며 자주 사용하는지 (문항 2∼4), 한 테크놀로지에 대해 알고 있는지 (문항 5), 테크놀로지를 사용하는 기술적 능력이 있 는지 (문항 6), 테크놀로지를 활용하여 일할 수 있는 기회를 가졌는지 (문항 7) 에 관한 내용이며, 본 교육 프로그램의 목적인 ‘학생들을 위한 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료
Table 7. Results of expert evaluation for developed physics teaching materials based on the computational thinking.
Category Component Evaluation score
A B C D
Scientific learning 3.67 2.83 3.08 4.5 Computational thinking learning 4.5 3.75 3.38 4.69
제작 경험과 제작 역량 함양’ 과의 관련성이 다소 떨어지기 때문이다.
2. 컴퓨팅 사고력 기반 물리 교수자료의 적합성
이 연구에서 개발하고 적용한 교사 교육 프로그램을 통해 교사들이 개발한 물리 교수자료가 학생들의 과학 개념과 컴퓨팅 사고력을 기르는데 적합한지를 확인하기 위하여, 연구 참여자들이 제작한 교수자료를 이 연구에서 개발한 평가 도구를 통해 평가하였다. 연구 참여자들로 구성된 4 개의 모둠은 9∼12차시 동안 각각 1개의 교수자료를 제작 하였다. 그들은 제작 과정 중 에로사항을 현장에서 문의하 거나 인터넷 커뮤니티를 활용하여 간단하게 질의응답 및 피드백을 하였고, 결과물을 URL 주소로 링크하였다. 완 성된 교수자료는 연구 참여자들이 마지막 차시에 모둠별로 발표하였고, 전문가들이 해당 차시에 함께 참여하여 발표 내용과 교수자료를 평가 도구를 통해 평가하였다. 평가 점수는 전문가들이 측정한 점수의 평균이다. 평과 결과는 Table 7과 같다.
A 모둠은 렌즈에 의한 상과 빛의 굴절을 주제로 교수자 료를 제작하였고 중학생을 대상으로 한다. 이 교수자료는 학생들이 물방울에 맺힌 이슬을 통해 보이는 주변의 모습이 거꾸로 보이는 현상을 보여 주며 문제 인식을 유도한 뒤에
‘CT를 활용한 개념학습’ 단계에서 관찰하기 활동을 통해 자연 현상의 개념적, 수학적 추상화를 유도하는 활동을 한다. 그리고 ‘CT를 활용한 과학 문제 해결’ 단계에서는 빛이 볼록 렌즈를 이동하는 경로를 그려 보며 문제 해결을 위한 유추를 하고 Desmos의 Graph 기능을 활용하여 구현 된 순차적으로 빛의 이동 경로와 렌즈에 의한 상의 위치를 확인하는 활동을 수행한다. 또한 ‘CT를 활용한 자연 현상 설명’ 단계에서 알고리즘을 사용하여 렌즈의 종류와 물체의 위치를 추적 할 수 있도록 유도하는 활동을 할 수 있도록 설 계되었다. 따라서 A 모둠의 교수자료는 과학 학습 범주에서 학습 목표, 내용, 교수·학습 방법과 일치하는 평가의 예시와 기준을 제공하는 것과 관련된 항목에서 다소 미흡하여 낮은 점수를 받은 것을 제외하고 긍정적인 평가를 받았고 (3.67/
Solving science problems using the computational thinking
Problem analysis Abstraction of problem Representation
Describing natural phenomenon using the computational thinking Description of phenomenon
평균 3.52점), 컴퓨팅 사고력 학습 범주는 각 요소에서 학습 대상에 대한 적절한 내용 선정과 조직, 적절한 교수· 학습 방법의 제시로 인해 긍정적인 평가를 받았다 (4.5점/평균 4.07점).
B 모둠은 구면에서의 굴절 및 반사에 대한 이해와 관련 식과 부호 규약의 이해 및 작도를 주제로 교수자료를 제작 하였고 고등학생을 대상으로 한다. 이 교수자료는 렌즈의 표면에 상이 두 개가 있는 현상을 보여 주며 문제 인식을 유도하고, ‘CT를 활용한 개념학습’ 단계에서 빛의 경로와
상의 위치를 유추하도록 하는 활동을 한다. 그리고 ‘CT 를 활용한 과학 문제 해결’ 단계와 ‘CT를 통한 자연 현상 설명’ 단계에서 구면에 의한 반사와 굴절에 대하여 작도를 하고 Desmos의 Graph 기능을 활용하여 구현된 정답들의 순차적인 모습을 확인하는 활동을 할 수 있도록 설계되었 다. B 모둠의 경우 과학 학습 범주의 내용 선정 및 조직 요소에서 학습 대상에 비해 다소 높은 난이도의 학습 목표 설정과 학습에 필요한 기초 지식/기능의 설명에 대한 보완 의 필요성, 교수·학습 방법 요소에서 학습 목표, 학습 내용
및 특성에 따른 학습 방법의 적절성, 학습 목표 및 내용에 대한 평가의 구체적인 예시와 평가 기준의 부족 등으로 낮은 평가를 받았지만 (2.53/평균 3.52점), 컴퓨팅 사고력 학습 범주에서는 전체적으로 다소 긍정적인 평가 (3.75/평균 4.07 점) 를 받았다.
C 모둠은 광선 추적법과 수차를 주제로 교수자료를 제작 하였고 대학생을 대상으로 한다. 이 교수자료는 Demos의 Graph 기능을 활용하여 광선 추적법 대한 설명과 구현을 통해 ‘CT를 활용한 개념학습’ 단계를, 광선 추적법과 구면 렌즈의 수차에 대한 표현을 통해 ‘CT를 활용한 과학 문제 해결’ 단계를, 구면에서의 두 번의 굴절과 수차에 대한 표현 과 같이 기존의 학습 내용에 새로운 현상을 추가함으로써
‘CT를 통한 자연 현상 설명’ 단계를 구성하였다. C 모둠의 경우 과학 학습 범주의 내용 선정 및 조직 요소와 교수·학습 방법 요소의 각 문항에 대해서 학생이 쉽게 이해할 수 있도 록 쉽고 간결하게 구성되어 있지만 내용의 구성이 단조로워 상대적으로 낮은 평가를 받았으며 (3.05/평균 3.52점), 컴 퓨팅 사고력 학습 범주에서 전반적으로 학생이 문제 해결을 위해 컴퓨팅 사고력을 활용할 수 있는 활동에 대한 보완의 필요성으로 인해 평균보다 낮은 평가를 받았다 (3.35/평균 4.05).
D 모둠의 경우 식 현상의 원리와 현상에 대한 이해를 주제로 교수자료를 제작하였고 고등학생을 대상으로 한다.
이 모둠의 교수자료는 ‘CT를 활용한 개념학습’ 단계에서 식 현상에 대한 기본적인 이해를 위한 기초 지식과 문제 인식의 과정을 다루었고, ‘CT를 활용한 과학 문제 해결’ 단계에서 일식과 월식의 광선 작도에 대한 내용을 다루었다. 이를 바탕으로 다양한 행성들에서도 관찰할 수 있는 식 현상들에 대한 이해를 하는 활동으로 새로운 현상에 개념을 적용해 보는 문제를 제작하고 이에 대한 답을 구현하여 학생들이 확인해 볼 수 있도록 하는 활동을 ‘CT를 통한 자연 현상 설명’ 단계로 구성하였다. D 모둠의 경우 과학 학습 범주에 서 학생들이 학습 목표를 성취할 수 있도록 적절한 내용을 선정, 학습에 필요한 기초 지식 설명, 적절한 분량, 학생의 능동적 지식 구성 기회 제공, 적합한 교수· 학습방법, 평가 등이 적절하게 제시되어 긍정적인 평가를 받았으며 (4.5/
평균 3.52), 컴퓨팅 사고력 범주에서 Desmos의 graph 기능 을 활용한 태양, 지구, 달의 크기 및 거리 등을 구현하였고 이를 통해 학생들이 컴퓨팅 사고력의 요소인 자료 수집, 분석, 표현, 추상화, 알고리즘 및 절차, 자동화의 측면에서 학생들이 쉽게 이해하며 학습할 수 있기 때문에 상대적으로 높은 평가를 받았다 (4.69/ 평균 4.07점).
교사들이 제작한 교수자료의 일부 예시를 Table 8에 제시 하였다. 제시된 자료들은 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수 학습 모형에 따라 아래와 같이 나눌 수 있다.
A 모둠은 중학생을 대상으로 렌즈에 의해 상이 생기는 원리를 빛의 굴절 법칙을 적용하여 이해하는 교수자료를 제작하였다. 첫째, ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 개념 학습’
단계에서 현상의 발견은 Desoms에 그림, 영상 등을 삽입할 수 있는 Image 기능을 활용하여 물방울에 비치는 이미지를 삽입하여 이와 같은 자연 현상이 왜 일어나는지 학생들이 텍스트로 표현할 있도록 Input 기능을 활용하였다. 현상의 추상화는 이미지 위에 그림을 그릴 수 있는 Scratch 기능을 활용하여 학생들이 빛의 진행, 볼록 렌즈에 의한 상 등의 기하광학 개념을 쉽게 분석하고 추상화할 수 있도록 안내 하였다. 둘째, ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 과학 문제 해결’
단계에서 문제 분석은 Note 기능을 활용하여 자연 현상과 관련된 과학 개념을 이용하여 문제를 해결하기 위한 아이디 어를 실험 과정, 관찰 결과, 결론 도출의 순서로 서술하였고, Input 기능을 활용하여 학생들이 결론을 직접 입력할 수 있도록 하였다. 문제의 추상화 및 구현은 Desmos의 Graph 기능 활용하여 자연 현상을 수학적, 절차적으로 구현한 교수 자료를 통해 과학 개념 및 문제들을 확인하고 이를 이해하며 해결하는 방법을 학습한다. 셋째, ‘컴퓨팅 사고력을 활용한 자연 현상 설명’ 단계에서 Image를 활용하여 알고리즘을 제시하고 Note 기능을 활용하여 지문을 입력하여 학생들이 이에 대한 자신의 생각을 텍스트로 입력할 수 있도록 Input 기능을 활용하였다. 이 부분이 교수자료로 활용될 때, 학생 들은 과학 개념과 문제 해결을 위해 알고리즘을 활용할 수 있다는 것을 경험할 수 있다.
IV. 결론 및 제언
이 연구에서는 교사들이 컴퓨팅 사고력을 기반으로 물리 교수자료를 제작하는 역량을 기를 수 있는 교사 연수 프로 그램을 개발하고 적용하였다. 우선, 학생들을 위해 교사가 유의미한 교수자료를 개발할 수 있도록 안내자 역할을 할 수 있는 컴퓨팅 사고력을 기반으로 한 과학 교수자료 개발 모형을 설계하여 교사들에게 제공하였다. 이 개발 모형은 학생들로 하여금 올바른 과학 개념을 학습함과 동시에, 과 학적 문제 해결 상황에서 컴퓨팅 사고력을 활용할 수 있도록 지도하는데 중점을 두고 있다. 연수를 받기 전 교사들은 컴퓨팅 사고력의 정의와 구성 요소에 대한 이해가 부족하 였으나, 연수 과정을 통해서 각 단계의 정의가 무엇이고, 어떤 교육적 목적을 가지고 있는지, 그리고 자신이 선정한 단원에서 어떻게 이를 구현할 수 있을지에 대하여 논의하고 구체화시켜 나갔다.
이 모형은 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료를 개발 하고자 할 때 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또, 이
같은 분야에 매우 적합하다고 볼 수 있다. 이 연구의 참여 자들은 모두 기하 광학 소재의 교수자료를 개발하였는데, 현행 교육과정 상 학생들의 수학적 능력을 고려하여, 컴퓨팅 사고력의 기본 요소인 추상화와 자동화를 경험할 수 있도록 고안하였다. 수학과 물리의 융합적인 이해가 가능하다는 측면에서 이 자료 제작 도구는 사용 가치가 높다고 볼 수 있다.
특이 사항으로, 이 연구에 참여한 교사들 중 1명의 초등 교사는 초등학생을 위한 교수자료를 제작하지 않았다. 하 지만 학생들의 컴퓨팅 사고력 함양을 위한 교수자료를 교사 모둠의 구성원들과 함께 제작하는 경험을 실제로 했기 때 문에, 향후 학교 현장에서 이 연구의 교육 프로그램을 통해 계발한 역량을 바탕으로 초등학생을 위한 컴퓨팅 사고력 기반 교수자료를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
다음으로, 연수와 교수자료 제작 경험을 통해 과학 교사 의 TPACK이 향상되었는지를 TPACK 사전-사후 검사를 통해 분석한 결과, 테크놀로지와 관련된 지식 4가지 영역의 3가지 지식 영역 (TCK, TPK, TPACK) 향상에 효과적이 었다는 사실을 알 수 있었다. 즉, 교수자료를 개발하기 위한 기술적인 지식을 배우고 익혀서, 이를 교수자료의 제작에 사용하는 과정과 관련된 지식 영역이 향상되었다는 것을 알 수 있다. 그 외의 영역, 예를 들어 교육학적 지식이나 내용 지식의 경우는 이 연수의 범위를 벗어난다. 따라서 이 연수가 목표로 한 지식들은 연수와 교수자료 제작 경험을 통해 높아졌음을 확인할 수 있다.
한편, TK는 하나의 제작 도구를 단기간동안 학습하고 활용하는 것으로는 향상되지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 이 연구에서 개발한 교육 프로그램이 TK의 각 설문 문항에 서 이야기하는 부분에 대한 향상을 목적으로 개발된 것이 아니라 과학 교사 및 예비 교사가 학생들의 컴퓨팅 사고력 함양과 과학 개념의 이해를 위한 교수자료 제작 경험 제공 및 교수자료 제작 역량 함양을 목표로 하였기 때문이다.
마지막으로, 이 연수 프로그램을 통해 교사가 컴퓨팅 사 고력 기반 물리 교수자료를 실제로 의미 있게 제작하였는지 판단하였다. 교사들이 제작한 결과물을 분석하고자 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수자료 평가 도구를 자체적으로 개 발하였고, 전문가 평가 및 컴퓨팅 사고력 기반 과학과 교수 학습 모형을 기반으로 교수자료들을 분석하였다. 각 교사 그룹이 평가를 통해 얻은 점수는 과학 학습 측면에서 평균 3.43점, 컴퓨팅 사고력 학습 측면 평균 4.07점으로 기준 (3 점) 이상이었다. 즉, 이 프로그램은 연구에 참여한 교사들이
테크놀로지를 활용하여 교수자료를 제작하는 능력을 향상 시키는 역할을 하고 있다는 점을 알 수 있다. 이것은 과학 교사들이 학생들의 컴퓨팅 사고력 함양을 위한 교수자료 제작 역량 함양을 목적으로 하는 연수 프로그램으로 활용될 수 있다는 것을 보여준다.
이 연구에서 개발한 교사 교육 프로그램은 기하 광학과 관 련된 교수자료뿐만 아니라 다른 물리 개념이나 과학 전반에 걸친 교수자료 제작 역량을 위한 것으로도 활용할 수 있다.
후속 연구를 통해서 다른 물리 개념이나 과학 전반에 걸친 다양한 교수자료 제작과 더불어 교수자료 제작 과정에서 교사가 컴퓨팅 사고력을 어떻게 하는지, 또 컴퓨팅 사고력을 기반으로 어떻게 테크놀로지를 활용하는지에 대한 연구, 교사가 제작한 교수자료를 실제 수업에서 활용하였을 때 학생들의 컴퓨팅 사고력이 어느 정도 향상하는지에 대한 연구, 그리고 교사의 컴퓨팅 사고력 교수 역량의 변화를 분석하는 연구 등을 제안한다.
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