Development and Application of Problem-Solving Based STEAM Program for Middle School Science and Mathematics Gifted Students

Abstract

Many studies show that Korean students have high performance levels in science and mathematics, but their affective characteristics such as an interest and confidence are negative. Growing a positive attitude toward science and mathematics affects their academic achievement so that is considered an important learning goal. As the world's technology is developing rapidly, there is a need to develop creative problem-solving skills and STEAM literacy in order to solve international problems. STEAM is also important for fostering talent needed in the future, so that many prior studies about STEAM have been conducted. Among them, there have been several studies that claim STEAM is more effective when it is applied to gifted students. The goal of both gifted students' education and STEAM are related to developing their creative problem-solving and positive learning attitudes. Because gifted students are generally more creative than other ordinary students, STEAM could be more suitable for the gifted students rather than others. There have been many studies about STEAM elements included in science and mathematics textbooks. Following the studies, it was necessary to develop problem-based STEAM activities because the goal of STEAM is to develop students' creative problem solving. Thus the problem-solving based STEAM program was developed in this study. While solving problems, students can learn knowledge about the learning contents while improving problem-solving skills so that they foster global talent. In this study, it was in wanting to develop problem-solving based STEAM program that converged every subject including science, mathematics, arts, and technology and home economics in order to improve the quality of STEAM. The program was organized to let students solve problems with international context. As for developing a problem-solving based STEAM program, the theme was 'Designing the appropriate technology to use solar energy based Fractal'. In science, 'plants and energy' was selected; in mathematics, 'similarity of the shape' was selected; in arts, 'expression' was selected; and in technology and home economics, 'utilization of technology' was selected. The purpose of the study was to find out if the program had an effect on developing the scientific attitude, mathematical attitude, creative problem solving, and STEAM literacy of middle school science and mathematics gifted students. To this end, the research problems were established as follows:

First, How does the problem-solving based STEAM program for science and mathematics gifted students work?

Second, How does the developed program affect scientific attitude, mathematical attitude, creative problem solving, and STEAM literacy of middle school science and mathematics gifted students?

For this, a problem-solving based STEAM program that converged science, mathematics, arts, technology and home economics was developed. This program was based on solving international contextual problems. After developing the program, the research groups were selected and the program applied in order to find out the effect of the program on their scientific attitude, mathematical attitude, creative problem solving, and STEAM literacy. The study was conducted on forty students in two classes of gifted students at A Middle School, which were equally secured through a pre-questionnaire. The developed program was applied to a class of the experimental group, and the unconverted mathematics program was applied to a class of the comparison group. Each of the two groups conducted 10 classes and wrote down a post-questionnaire in order to compare and analyze the results. In addition, qualitative data were obtained by collecting students' class-materials that they wrote in the class and doing surveys and interview with experimental groups. Analyzing post-questionnaire, review and interview, it was found that the STEAM program affected all the affective characteristics. The scientific attitude was significant by a significance level . The mathematical attitude was significant by a significance level . The creative problem solving was significant by a significance level . The STEAM literacy was significant by a significance level . In STEAM satisfaction research, the average score was 4.53/5, it means most of the students were satisfied with the program. There were few studies which developed a STEAM program based on solving problems, and none of those were converged every STEAM elements, nor did they examine the theme or context of presented problems. It is differentiated with other studies because most of prior studies about development and application of STEAM program were not based on problem-based learning (PBL). The results of this study are expected to have significant implications for developing and applying various STEAM programs. It was revealed that a problem-solving based STEAM program could be converged well with every STEAM element. Also, it was found that a problem-solving based STEAM program could be converged well by transdisciplinary integration and dealt with international contextual problems. It is expected that this study will help to develop and conduct post STEAM programs.

많은 연구에서 우리나라 학생들의 과학·수학 학습 성취도는 매우 높은 편이지만 흥미, 자신감과 같은 정의적 특성은 매우 부정적이라는 사실을 드러내고 있다. 과학·수학에 대한 긍정적인 태도의 신장은 과학·수학 학업 성취에도 많은 영향을 미치기 때문에 중요한 학습 목표로 여겨진다. 한편, 세계의 과학기술이 빠르게 발전함에 따라 생겨나는 복잡한 문제들을 해결하기 위하여 창의적 문제해결력과 더불어 융합 인재 소양의 신장이 필요하다. 융합 인재 교육은 미래에 필요한 인재의 양성을 위하여 중요하게 다루어지고 있으며, 그 중요성 때문에 많은 선행 연구가 이루어져 왔다. 그중 융합 인재 교육은 영재 학생을 대상으로 할 때 더욱 효과가 크다는 연구가 여럿 있었다. 영재교육의 목표와 융합 인재 교육의 목표는 창의적 문제해결력과 교과에 대한 긍정적인 학습 태도의 신장으로 서로 연관이 있다. 영재 학생들은 기본적으로 다른 일반 학생들에 비하여 창의적이며 과제집착력이 높기 때문에 융합 인재 교육에 더욱 적절하다고 볼 수 있다. 융합 인재 교육과 관련하여 이루어진 연구 중 과학·수학 교과서에 포함된 창의·융합 요소에 관한 연구도 많이 이루어져 왔다. 선행 연구에 따르면, 융합 인재 교육의 목표가 학생들의 창의적 문제해결력 신장이므로 문제 중심의 창의·융합 활동의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 이유로 두 교육방법 모두의 성격이 드러나는 문제해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료를 개발하였다. 문제를 해결하는 과정에서 학생들은 학습 내용과 관련한 지식을 배움과 동시에 문제해결 능력을 신장시킴으로써 국제 인재로 거듭날 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 과학, 수학, 미술, 기술·가정 교과를 융합하여 융합 인재 교육 학습 자료를 개발하고자 하였다. 본 프로그램은 문제 중심 학습에 따라 국제적 맥락을 띤 문제를 학생들에게 제시하도록 흐름을 구성한 것이다. 이를 위하여 수업의 주제를 '프랙탈을 활용해 태양광 에너지를 사용하는 적정 기술을 디자인'으로 선정하였다. 프랙탈 내용을 기반으로 하여 과학, 수학, 미술, 기술·가정의 4개 교과를 융합한 학습 자료를 개발하였다. 과학 교과에서는 '식물과 에너지' 단원을, 수학 교과에서는 '도형의 닮음' 단원을, 미술 교과에서는 '표현' 단원을, 기술·가정 교과에서는 '기술 활용' 단원을 선정했다. 이렇게 개발한 문제해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료가 중학교 과학·수학 영재 학생들의 과학적 태도와 수학적 태도, 창의적 문제해결력, 융합 인재 소양에 어떠한 영향을 미치는지 파악하고자 하였다. 이를 위하여 설정한 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 중학교 과학·수학 영재를 위한 문제해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료는 어떠한가?

둘째, 본 연구에서 개발한 학습 자료가 중학교 과학·수학 영재 학생의 과학적·수학적 태도와 창의적 문제해결력, 융합 인재 소양에 어떤 영향을 미치는가?

이를 밝히기 위하여 우선 과학, 수학, 미술, 기술·가정 교과를 융합한 국제적 맥락을 띤 문제 중심의 융합 인재 교육 학습 자료를 개발하였다. 학습 자료를 개발한 후에는 연구 대상을 선정하여 이를 실제로 적용하여 학생들의 과학적·수학적 태도와 창의적 문제해결력, 융합 인재 소양에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 해당 역량들에 대한 사전 검사를 통하여 동일성이 확보된 A중학교 영재학급 2개 학급의 40명을 대상으로 연구가 진행되었다. 실험집단 1학급에는 개발한 학습 자료를 적용한 문제해결 중심의 융합 인재 교육 수업을, 비교집단 1학급에는 융합이 이루어지지 않은 수학 수업을 실시했다. 두 집단 모두 각각 10차시의 수업을 각각 진행한 후 사후 검사를 하여 그 결과를 비교 분석했다. 또한, 실험집단을 대상으로 수업에서 작성한 활동지를 수합하고 설문과 인터뷰를 실시하여 질적 자료를 확보했다. 사후 검사와 설문, 인터뷰를 분석한 결과 연구에서 알아본 모든 역량에서 통계적으로 유의미한 변화가 있었다. 개발한 융합 인재 교육 수업을 적용한 결과 과학적 태도에서는 통계값 –5.032, 유의확률 .000이었고 수학적 태도에서는 통계값 -3.015, 유의확률 .005이었으며 창의적 문제해결력에서는 통계값 –2.256, 유의확률 .030, 융합 인재 소양에서는 통계값 –6.753, 유의확률 .000으로 모든 역량에서 통계적으로 유의미한 변화가 있었다. 융합 인재 교육 만족도 조사 결과로는 평균 4.53점(5점 만점)을 기록해 학생들이 대부분 융합 인재 교육 수업에 만족했다고 볼 수 있다. 문제해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료가 개발된 선행 연구는 거의 없었다. 또한, 융합 인재 교육을 이루는 과학, 기술, 공학, 예술, 수학의 모든 영역을 포함한 학습 자료를 개발하거나 특정한 주제나 맥락을 이루는 문제를 중심으로 하는 학습 자료를 개발한 융합 인재 교육 관련 연구도 거의 이루어지지 않았다. 본 연구는 다른 선행 연구들과 달리 문제 중심 학습을 기반으로 한 융합 인재 교육 학습 자료를 개발하고 적용했다는 점에서 차별성이 있다고 할 수 있다. 본 연구의 결과를 통하여 다양한 융합 인재 교육 학습 자료를 개발하고 적용하는 데에 유의미한 시사점을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 우선, 본 연구로 인하여 융합 인재 교육의 모든 교과 영역을 포함한 문제해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료를 개발할 수 있다는 점을 알 수 있었다. 또한, 탈학문 통합이 이루어지거나 국제적 맥락을 띤 문제를 중심으로 한 문제 해결 중심의 융합 인재 교육 학습 자료를 본 연구에서 개발하였다. 이러한 점에서 본 연구가 추후 연구의 융합 인재 교육 학습 자료 개발과 운영에 도움이 될 것이라 기대한다.