컴퓨팅 사고력과 창의성 신장을 위한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램

Abstract

본 연구의 목적은 컴퓨팅 사고력과 창의성 신장을 위해 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램을 개발하고 이를 현장에 적용하여 교육적 효과를 검증하는 데 있다. 정부도 4차 산업혁명 시대에 소프트웨어가 혁신과 성장의 중심이 될 것으로 예상하고 다양한 분야에서 소프트웨어와의 연계 및 기반 구축을 위해 노력해 왔으며 초·중·고등학교 전 과정에 걸쳐 컴퓨터 교육과정도 강화하였다. 강화된 컴퓨터 교육의 핵심은 컴퓨팅 사고력을 신장시키는 것이며 컴퓨팅 사고력은 컴퓨팅 개념과 원리를 이해하고 이를 바탕으로 다양한 문제 해결 과정을 설계·적용해보는 경험을 통해 신장 될 수 있다. 하지만 컴퓨팅에 대한 이해를 바탕으로 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 교육 자료를 일반 교사가 개발하고 적용하기에는 어려움이 따르며 초등학생 수준에 맞춰 컴퓨팅 개념과 원리를 흥미 있게 만든 교육 자료 또한 충분치 않은 실정이다. 더욱이 초등학생의 경우 컴퓨터 프로그래밍 교육을 통해 학습할 수 있는 컴퓨팅 개념과 원리가 제한적이며 단순히 컴퓨터 프로그램의 기능 이해에 그치는 경우도 많다. 이에 본 연구에서는 초등학생들이 쉽고 재미있게 문제 상황을 이해하고 창의적으로 해결 전략에 접근할 수 있는 퍼즐을 도입하였다. 그리고 각 퍼즐의 문제해결과정에서 컴퓨팅 사고력 요소를 경험하고 컴퓨팅 원리와 개념을 이해할 수 있도록 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램을 개발하였다. 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 개발을 위해 체계적 교수 설계 모형인 ADDIE 모형에 따라 연구를 진행하였다. 요구 분석 단계에서는 컴퓨팅 사고력, 창의성, 퍼즐 기반 학습, 컴퓨터 교육 교수·학습 모형, 교사 발문에 대한 선행연구 분석과 Rossett 요구 분석 모형에 맞춰 초등학생을 대상으로 학습자 요구 분석을 진행하였다. 설계 단계에서는 성취 목표 명세화, 프로그램 구조 설계, 학습 내용 설계, 교수 전략 설계 과정을 진행하였다. 개발 단계에서는 설계 단계에서 설계된 내용을 바탕으로 컴퓨팅 사고력과 창의성 신장을 위한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램을 개발하였고 교육 효과 향상을 위해 프로그램에 적합한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형(CT-LC)과 컴퓨팅 사고력을 직·간접적으로 유도하는 교사 발문인 CT마중발문(CT-TQ)을 개발하였다. 적용 단계에서는 ADDIE 모형에 따라 첫 순환 과정을 돌아서 나온 평가 결과를 다음 순환 과정의 분석 단계에 반영하여 총 2차에 걸쳐 프로그램을 개선하였다. 최초 적용한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램에서 1차로 교수·학습 모형을 개선하여 적용하였고 2차로 교사 발문을 개선하여 현장에 적용하였다. 평가 단계에서는 본 연구에서 개발한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램의 결과 분석을 위해 컴퓨팅 사고력과 창의성 검사를 하였다. 또한, 투입된 프로그램에서 보완할 부분을 질적 개선사항으로 제시하여 다음 프로그램의 분석 단계에 반영하였다. 적용 및 평가 결과, 본 연구에서 개발한 '퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 퍼즐', '1차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램(교수·학습 모형 개선)', '2차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램(교사 발문 개선)'은 초등학생의 컴퓨팅 사고력과 창의성 신장에 유의미한 효과가 있는 것을 확인하였다. 본 연구의 시사점은 다음과 같다. 첫째, 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램은 초등학생의 컴퓨팅 사고력과 창의성 신장에 효과적이다. 둘째, 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형(CT-LC)을 적용한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램이 전통적 수업모형을 적용한 컴퓨터 교육 프로그램보다 초등학생의 컴퓨팅 사고력과 창의성 향상에 더 효과적이다. 따라서 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형(CT-LC)은 다양한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육에 활용될 수 있을 것이다. 셋째, CT마중발문을 적용한 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램은 초등학생의 컴퓨팅 사고력과 창의성 향상에 유의미한 효과가 있다. 따라서 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 여러 형태의 컴퓨터 교육에 CT마중발문이 활용될 수 있으며 컴퓨터 교육 발문 연구의 기초자료로 제공될 수 있을 것이다. 향후 후속 연구를 통해 본 연구에서 개발된 CT마중발문을 바탕으로 컴퓨터 교육 교사 발문을 지속적으로 개선하고 교육 현장에 적용해 간다면 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 다양한 컴퓨터 교육 프로그램의 효과를 극대화할 수 있을 것이다.

This project aimed to develop a puzzle-based computer education program to improve computational thinking and creativity and verify the effectiveness of the program after implementing it in classrooms. The government has made active efforts to interlink software programs in various areas and developed the basis for such educational initiatives. These efforts are based on the premise that software technology will be the center of innovation, growth, and value creation in the Fourth Industrial Revolution era and determine the competitiveness of individuals, companies, and nations. Thus, the government has strengthened the software curriculum in elementary, middle, and high schools. The core objective behind strengthening the software curriculum is to enhance computational thinking. This can be achieved through experiences involving the use of various problem-solving processes designed and applied based on the basic concepts and principles of computer. However, it is difficult for general teachers to develop education materials for enhancing computational thinking based on the understanding of computer concepts. Additionally, there are no sufficient computer education materials that can induce interest and be employed for teaching students at different levels. Moreover, in computer education utilizing educational programming languages, the scope of learning the concepts and principle of computer sciences learned through programs is limited. Hence, beginners are likely to be restricted to functional utilization activities of these programs, thus gaining very little knowledge. In this regard, this research focused on developing a puzzle, using which elementary school students could easily understand the problem context and adopt a creative approach toward finding the solution. In addition, a puzzle-based computer education program was designed, through which students could experience using the elements of problem solving in computational thinking and understand the principles and concepts of computing while solving each puzzle problem. This study involved applying the steps in the Analysis, Design, Development, Implementation, and Evaluation (ADDIE) model to develop the puzzle-based computer education program. Requirement analysis was conducted for elementary students considering their capabilities in terms of computational thinking, creativity, and puzzle-based learning. In addition, computer-related teaching and learning models, analyses on teacher questioning conducted in previous studies, and Rossett's requirement analysis model were considered in this step. The next steps involved identifying achievement goals, designing the education program, formulating the learning content, and developing the teaching strategy. In the development step, a puzzle-based program was constructed to improve computational thinking and creativity based on the design finalized in the previous step. In this step, a puzzle-based computer education learning model (CT-LC), suitable for learning computer programs, and computational-thinking trigger questioning (CT-TQ) model, which involves questioning teachers directly and indirectly to induce computational thinking, were developed to enhance the educational benefits. This acted as an improvement strategy to support students and promote computational-thinking trigger questioning (CT-TQ) for inducing computational thinking. In the evaluation step, computational thinking and creativity were assessed for analyzing the results of the puzzle-based computer education program. In addition, the program components requiring enhancements were proposed as qualitative improvements to be made and reflected in the analysis step during the next program. The results of the application and evaluation steps exhibited that the computational thinking and creativity developed using this education program were examined for analyzing the quantitative effects of this puzzle-based program. Problem-solving methods and self-growth reports were analyzed to determine the qualitative effects of this program. In addition, the parts of the program requiring enhancements were identified as areas for qualitative improvements and reflected in the analysis step when developing the next program. The evaluation results demonstrated that the initial puzzle-based program, first improved program, (improvements in the teaching and learning models), and second improved program (improvements in teacher questioning) were all effective in enhancing computational thinking and creativity of elementary students. Furthermore, the CT-LC and CT-TQ effectively enhanced the computational thinking of students. The implications of this project are as follows: First, the puzzle-based computer education program was effective in improving the computational thinking of elementary students. Second, the program with CT-LC proved more effective in improving the computational thinking and creativity of elementary students than the traditional model-based program. Thus, the CT-LC is expected to be utilized in various puzzle-based computer education courses in future. Third, the puzzle-based computer education program with the CT-TQ model significantly improved the computational thinking and creativity of elementary school students. Thus, the CT-TQ model can be utilized in various types of computer education programs to enhance computational thinking. The outcomes of the program can serve as foundational data for studies on computer education and questioning. In future research, computer education and questioning programs for teachers will be steadily improved and applied based on the developed CT-TQ model to maximize the effects of various computer education programs for enhancing computational thinking.