컴퓨팅 사고력 신장을 위한 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램

Abstract

이 연구의 목적은 초등학교 학습자의 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 프로그래 밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 이를 학교 현장에 적용하여 교육 적 효과를 검증하는 것이다. 첨단 과학기술의 발전은 현대 사회를 빠르게 변화시키고 있다. 21세기는 환 경오염, 식량부족, 에너지 고갈 등 융합적 지식과 사고를 기반으로 해야 하는 문제가 증가하고, 이러한 문제들은 기존의 지식 기반 접근방법으로 해결하기에 는 한계가 있어 이를 해결하기 위해 지식을 넘나드는 융합적이고 창의적인 사 고력과 실천력을 필요로 한다. 융합의 시대를 살아갈 학습자들이 융합 사회를 이끌어가는 핵심 인재로 성장하기 위해서는 융합적 소양과 융합의 핵심을 관 통하는 컴퓨팅의 원리와 기술을 학습하여 창의적이고 효율적으로 문제를 해결 하는 데 필요한 능력을 기르도록 해야 한다. 이에 본 연구에서는 학생들의 컴 퓨팅 사고력과 융합적 소양을 신장시키기 위한 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 본 연구에서는 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 개발하기 위하여 ADDIE 모형의 단계에 따라 연구를 진행하였다. 요구 분석 단계에서는 컴퓨팅 사고력과 STEAM 교육, 프로그래밍 교육에 대한 문헌연구 분석과 프로그래밍을 활용한 STEAM 교육에 대한 선행연구 분 석, 학습자의 요구 분석을 진행하였다. 설계 단계에서는 분석 단계의 요구 분석을 반영한 교육 프로그램을 개발하 기 위해 초등학교 2009 개정 교육과정을 분석하고 이를 바탕으로 학습준거를 선정하여 STEAM 각 교과요소의 역할을 결정하였다. 융합의 형태를 정하기 위해 통합유형을 선정하고 STEAM 교육 프로그램을 위하여 순환학습모형을 수업 모형으로 선정하였다. 개발 단계에서는 설계 단계에서 작성된 설계 내용을 바탕으로 4개의 프로그 래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발한 교육 프로그램은 교 수전략과 투입 방법에 따라 코듀 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램, 교육기부를 위한 센서 기반 스크래치 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그 램, 방과후학교를 위한 스크래치 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램, 정 규 교육과정에서의 스크래치 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램으로 구 분하였다. 적용 단계에서는 총 4회에 걸쳐 교육기부, 방과후학교, 정규수업을 통해 프로 그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 실험집단에게 투입하였고 일반적인 프 로그래밍 학습 또는 전통적인 분과수업을 처치한 비교집단을 선정하여 프로그 램을 적용하였다. 평가 단계에서는 본 연구에서 개발한 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그 램의 교육적 효과를 살펴보기 위해 창의력, 논리적 사고력, 과학과 관련된 정 의적 영역의 검사를 실시하여 그 결과를 분석하였다. 평가 결과, 본 연구에서 개발한 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 학습한 실험집단이 일반적인 프로그래밍 수업이나 전통적인 분과수업을 학습 한 비교집단에 비해 창의력, 논리적 사고력, 과학과 관련된 정의적 영역에서 유의하게 향상되었음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 프로그래밍 중심의 STEAM 교육 프로그램이 학습자의 컴퓨팅 사고력과 융합적 소양에 긍정적인 영향을 준 것으로 해석할 수 있다. 본 연구의 시사점은 다음과 같다. 첫째, 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램이 컴퓨팅 사고력 향상에 효과적이다. 과학 주제를 학습하는 과정에서 프로그래밍을 활용하여 문제를 해결 하는 경험을 통해 컴퓨팅 사고력과 융합적 소양을 기를 수 있다. 또한 이는 교 육현장에서 프로그래밍과 컴퓨터과학 교육을 자연스럽게 도입할 수 있는 방법 적인 측면에서도 기여할 수 있을 것이다. 둘째, 스크래치나 코듀 등 교육용 프로그래밍 언어를 활용한 프로그래밍 활 동이 STEAM 교육 프로그램의 주요 내용 및 도구로 사용할 수 있음을 제시하 였다. 프로그래밍은 컴퓨팅 사고력을 바탕으로 이루어지며 이런 컴퓨팅 사고력 은 컴퓨터과학 만이 아니라 과학, 수학 등의 다른 교과에도 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 프로그래밍 활동이 갖는 창의적이고 교과 융합적인 특징이 예술 (Arts) 분야와 자연스럽게 연계될 수 있는 사례를 보여줌으로써 프로그래밍의 교육적 활용 범위를 확장시키는데 기여할 수 있다. 셋째, 프로그래밍 중심 STEAM 교육을 위한 교수 전략으로 교육용 프로그 래밍 언어를 통한 디지털 스토리텔링, 피지컬 컴퓨팅, 로보틱스 등을 제시하였 다. 각 전략을 활용한 STEAM 교육 프로그램이 충분한 교육적 효과를 가졌음 이 검증되었으므로 앞으로 관련 분야의 후속 연구에도 참고가 될 수 있을 것 이다. 향후 후속 연구를 통해 본 연구에서 개발한 프로그래밍 중심 STEAM 교육 프로그램을 지속적으로 개선하여 다양한 학습자들에게 미치는 효과를 좀 더 체계적으로 분석한다면 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 프로그래밍 교육과 융합적 소양을 위한 STEAM 교육의 학습효과를 극대화 할 수 있을 것이다.

The purpose of this research is to develop STEAM education program based on programming on to improve computational thinking ability, and to apply this to the field of school and to verify the educational effectiveness. The development of advanced science and technology changes modern society rapidly. In the 21st century, the issues, which should be based on integrated knowledge and thinking such as environmental pollution, food shortage, energy depletion, are increasing, and there are limitations to resolving these issues with the existing knowledge-based approach, and in order to resolve these, integrated and creative thinking skills and power of execution which transcend knowledge are needed. In order for the learners who will live in the integration era to grow into major talents to lead the integrated society, they should learn computing principles and technology that penetrate the integrated knowledge and the core of integration and cultivate the ability that is necessary to solve the problems creatively and efficiently. Under these circumstances, this research developed the programing-oriented STEAM educational program to enhance students' computational thinking and integrated thinking. In this research, in order to develop the STEAM education program based on programming, research was conducted according to the stages of ADDIE model. In the analysis stage, literature research analysis on computational thinking skills and STEAM education and programing education and the analysis of preceding researches on STEAM education utilizing programing, and the learners' demand analysis were conducted. In the designing stage, in order to develop the educational program that reflects the demand analysis of the analysis stage, the elementary school 2009 revised curriculum was analyzed and based on this, the learning standards were selected and the role of each subject element of STEAM was determined. In order to determine the form of integration, integration types were selected, and for the STEAM education program, the loop learning model was selected as the learning model. Based on the design prepared in the design stage, 4 STEAM education programs based on programming were developed. The developed educational programs were divided, according to teaching strategies and input method, into the 코듀 programing-oriented STEAM education program, the sensor-based scratch programing-oriented STEAM education program for donation for education, the scratch programing-oriented STEAM education program for afterschool class, and the scratch programing-oriented STEAM education program for the regular school curriculum. The STEAM education programs based on programming were applied to the experimental group through education donation, after-school class, regular class for a total of 4 times, and the control group, which was treated with general programing learning or traditional separate subject class, was selected and the program was applied. In order to examine if the STEAM education program based on programming developed in this research is effective in enhancing the affective domain of the learners' creativity, logical thinking skills, and science, the null hypothesis was established and tested. As a result of evaluation, it was confirmed that the experimental group which learned the STEAM education program based on programming developed in this research was significantly enhanced in creativity, logical thinking skills, and science, compared with the control group which had general programing class or traditional separate subject class. Such results of this research can be interpreted that the STEAM education program based on programming had positive effects on the learners' computational thinking skills and integrated knowledge. If, through follow-up researches, the STEAM education program based on programming developed in this research is continuously improved and its effects on diverse learners are analyzed more systematically, the programing education to enhance computational thinking skills and the learning effectiveness of STEAM education for integrated knowledge will be maximized.