계산적 사고력 신장을 위한PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램

Abstract

본 연구는 PPS기반의 프로그래밍 교육 프로그램을 개발하고 이를 적용하여 학습자의 계산적 사고력을 증진시킬 수 있는지를 검증하는 데 목적이 있다. PPS란, Paper-and-pencil Programming Strategy의 약자로 "다이어그램, 문장, 코드, 순서도, 표 등의 의미 있는 기호와 상징을 이용하여 계산모델을 스스로 정의하고, 문제에 대한 해결 방법(solution)이나 아이디어를 추상화하여 종이에 직접 쓰거나 그리면서 논리적으로 표현하고자 하는 문제 해결의 방법을 모델링하는 전략"을 의미한다. 본 연구의 목적은 PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램에 의해 학습자의 계산적 사고력이 증진될 수 있는지를 검증하는 것이다. 이를 위해 본 연구는 다음과 같은 절차로 진행되었다. 먼저, 관련 연구 동향 파악을 통해 계산적 사고를 구성하는 6개의 사고력(추상적 사고, 비판적 사고, 논리적 사고, 창의적 사고, 재귀적 사고, 알고리즘적 사고)를 선정하고 이들의 관계를 분석적으로 접근하고자 이들을 도식화하여 제시하였다. 이러한 분석은 교육 프로그램의 개발과 검사 도구의 문항 개발에 토대가 되었다.

본격적인 교육 프로그램 개발에 있어서는 가장 먼저 수업 모형을 선정하였다. CPS(Creative Problem Solving, 창의적 문제해결) 모형을 수정․보완하여 수업의 과정을 '계산모델의 분석', '계산화', '문제의 분석․탐색 및 아이디어 발견', '해결 발견', '수용 발견'으로 설정하였다. 수업 내용에 있어서도 프로그래밍을 중심으로 한 컴퓨터과학의 핵심 개념(아이디어)을 10가지(순차구조, 조건분기, 반복, 동시성, 변수, 난수, 알고리즘, 객체, 함수, 재귀)로 추출하였다. 이렇게 선정된 수업 모형과 수업 내용을 바탕으로 각 문제 해결의 설계 단계에 PPS 활동을 적극적으로 활용할 수 있도록 교육 프로그램을 개발하였다. 학습자의 계산적 사고력 신장을 위한 측정은 계산적 창의성과 계산적 인지력의 측정으로 나누어 실시하였다. 계산적 창의성 측정은 계산적 사고력의 구성 요인 중 창의적 사고(창의성)의 측정을 의미하며 보편적으로 널리 사용되는 Torrance의 TTCT 검사를 사용하였다. 계산적 인지력의 측정은 계산적 사고를 이루는 구성 요인 중 창의성을 제외한 추상적 사고, 비판적 사고, 논리적 사고, 재귀적 사고, 알고리즘적 사고를 통합적으로 측정하는 것을 의미하며 본 연구에서 이러한 검사 도구를 직접 개발하여야 할 필요가 있었다. 계산적 인지력 검사 도구의 개발은 평가 문항의 제작, 타당도, 변별도, 난이도, 신뢰도 검증을 통해 문항을 수정․보완하여 동형검사지 A형, B형을 개발하였다. 개발된 검사 도구는 논리적 사고력 검사인 GALT와 높은 상관도를 보였다. 계산적 인지력에 논리적 사고가 포함되었기 때문에 이들의 높은 상관관계는 개발된 계산적 인지력 검사 도구의 타당성을 더욱 높인다고 볼 수 있다. 또한, 계산적 인지력 검사 도구인 A형, B형 검사지는 동형 검사 신뢰도가 검증되었다. 이렇게 개발된 계산적 인지력 검사 도구와 TTCT 창의성 검사 도구가 본 연구의 교육 프로그램 투입의 사전․사후에 사용되어 학습자의 계산적 사고력이 측정되었다. 이러한 검사 도구를 사용하여 본 연구에서는 다음과 같은 결과가 도출되었다. 첫째, PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램은 계산적 창의성에 긍정적인 영향을 미친다. 둘째, PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램은 계산적 인지력에 긍정적인 영향을 미친다. 즉, 이러한 결과로 PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램은 계산적 사고력에 긍정적인 영향을 미친다고 볼 수 있겠다. 이러한 결과로 본 연구는 컴퓨터과학 교육에서 다음과 같은 기여를 할 수 있다고 판단된다. 첫째, PPS 활동을 기반으로 한 프로그래밍 교육은 계산적 인지력과 계산적 창의성을 모두 증진시킬 수 있다는 가능성의 시사이다. 단순히 프로그래밍 학습 이전에 이루어지는 선행학습으로서의 언플러그드 학습 방법이 아닌, 프로그래밍에서의 문제해결 설계 단계의 학습에 초점을 맞추어 교육을 한다는 것에 더 큰 의의를 찾아야 할 것이다. 즉, 본 연구에서 개발된 PPS기반 프로그래밍 교육 프로그램과 같이 PPS 활동은 다양한 프로그래밍 교육에서 문제 해결의 과정에서 적극적으로 활용되어질 필요가 있다는 것이다. 둘째, 계산적 사고력을 이루는 구성 요인들 간의 관계 분석이다. 본 연구에서 제시하는 구성 요인들의 종류와 그것들의 관계에 대한 논의는 계속적으로 이루어질 필요가 있겠다. 하지만, 본 연구의 결과가 본 연구에서 제시한 각 구성 요인들의 관계 도식에 근거를 마련하였다고 할 수 있다. 셋째, 본 연구에서 개발된 계산적 사고력 검사 도구는 관련 연구에서 계속적으로 활용될 수 있고 재생산성이 높은 연구 결과물이라고 말할 수 있을 것이다. 본 연구의 제한점은 다음과 같다. 첫째, 본 연구의 비교집단은 처치가 없도록 설계되었다. 이는 본 연구의 결과만으로는 PPS 활동 자체의 여부에 따른 프로그래밍의 교육적 효과를 검증할 수는 없다는 의미이다. 둘째, 본 연구에서 사용된 창의성 검사 도구인 TTCT 언어 검사는 창의성의 핵심 구성요인 중 '정교성'을 측정하지는 못하고 있다. 덧붙여, 본 연구의 결과를 확고히 다지기 위해서는 다음의 사항들에 대한 지속적인 검증이 필요할 것이라고 본다. 첫째, 전문가 검증을 통해 계산적 사고력 검사 도구의 타당도를 확보할 필요가 있으며, 신뢰도 확보를 위해 다수의 학생들에게 검사를 투입할 필요가 있다. 둘째, 본 연구의 실험집단은 17명이다. 물론 이는 실험-비교 연구에 미흡한 인원은 아니나, 상관연구를 수행하기에는 부족한 편이다. 즉, 학습자로부터 얻은 계산적 창의성과 계산적 인지력의 상관 연구를 위해서는 추후에 더 많은 연구 참여자를 확보하여 연구를 적용할 필요가 있다.

This study aimed to develop the programming education program based on PPS and verify whether it can improve learners' computational thinking ability. Paper-and-pencil Programming Strategy(PPS) is a modeling strategy of representing an idea logically by diagrams, sentences, codes, flowcharts, tables or any other meaningful representation that can be created using paper and pencil. The purpose of this study is verifying whether the developed programming education program based on PPS can improve learners' computational thinking ability. For this purpose, this study conducted following as below sequences. First, 6 fundamental factors of computational thinking ― Abstract thinking, Critical thinking, Logical thinking, Creative thinking, Recursive thinking, Algorithmic thinking ― were extracted from the relative researches. In this study, the diagram about the relation of computational thinking and creativity, and the relationship of computational thinking's factors was proposed. This analysis could be the base for developing the education program and questions in assessment tool. In the process of developing the education program, first, models of instruction were considered. In this education program, the sequence of the instruction is 'Analysis the computation model', 'Make computation', 'Find and analysis Problem, and find idea', 'Find solution', and 'Find acceptance', which was developed by modifying and supplementing the Creative Problem Solving (CPS) model. In the process of developing learning contents, 10 core concepts of computer science focusing programming ― Sequence, Condition/Branch, Iteration, Concurrency, Variable, Random, Algorithm, Object, Function, Recursive ― were extracted. And then, based on these developed instruction model and learning contents, the programming education program was developed for utilizing PPS activity actively in the step of solution design of problem-solving. For the assessment of learners' computational thinking ability, it needed to be divided two parts – computational creativity and computational cognition. For the assessment of computational creativity, Torrance's TTCT test was used. For the assessment of computational cognition(abstract thinking, critical thinking, logical thinking, recursive thinking and algorithimic thinking), a new test of computational cognition ability is needed to develop in this study. Its parallel-form assessment tool (A and B type) was developed in order of making questions, verifying validity, discrimination, difficulty and reliability, modifying question, and verifying parallel-form reliability. The developed assessment tool has high correlation with A and B type, and existing Group Assessment of Logical Thinking (GALT). The learners' computational thinking ability was measured using this assessment tool in this study. The results of this study were summarized as follows: First, the programming educational program affect learners' computational cognition ability positively. Second, the programming educational program affect learners' computational creativity positively. This study could have positive contribution to computer science education as follows: First, the programming education using PPS activity has the possibility of improving learners' computational cognition ability and computational creativity. It's not only a method of unplugged learning as a prerequisite learning. It proposes that we need to focus on the solution design more in problem-solving of programming. And, PPS activity could be used actively in various problem-solving activities. Second, the result of this study could be a evidence for the diagram about the relation of computational thinking and its factors. Third, the developed assessment tool of computational thinking could be the reproductive product for the further relative researches. This study has some limitations. First, the comparative group was designed without any treatment. It means that the result of this study could not verify the only educational effect of PPS activity in programming. Second, TTCT (Verbal) could not measure the 'Elaboration' of creativity. In addition, it need to verify the result again to establish the conclusion of this study. First, the assessment of computational thinking ability need more experts group's validity. And it need to be applied to a large testers group. Second, the experiment group has 17 participants. It's sufficient for the comparison experiment research, but not sufficient for the correlate research. For finding the relation of computational thinkgin and creativity, it need to be applied to a large participants group.