피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육을 위한 수업모형 및 교육 프로그램

Abstract

본 연구의 목적은 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육을 위한 수업모형과 교육 프로그램을 개발하고 초등학생을 대상으로 적용하여 교육적 효과성을 검증 하는 것이다. 데이터 과학 부흥의 시초는 2000년대 초반으로 거슬러 올라간다. 2000년대부터 차츰 시작된 인터넷의 보급화로 인해 가정마다 인터넷을 일상적으로 사용할 수 있는 환경이 조성되었고, 2010년대 사물인터넷, 디지털 기기의 발전과 소셜 미디 어의 성장은 폭발적인 데이터를 생성해 내는 원동력이 되었다. 이후 2012년 하버 드 비즈니스 리뷰에서 데이터 과학자를 21세기의 가장 매력적인 직업으로 소개 하였고, 이는 데이터 과학의 본격적인 부흥을 알리는 신호탄이 되었다. 현대 사 회에서는 양적인 데이터의 증가뿐만 아니라 일상생활 곳곳에서 데이터가 활용되 는 범위 또한 급속도로 확대되고 있다. 데이터가 기반이 되는 미래 사회에서는 문제 해결 및 의사결정 과정에서 데이 터를 유용하게 활용할 수 있는 능력과 더불어 많은 양의 데이터를 목적에 맞게 활용할 수 있도록 분석하는 능력이 필요하다. 즉, 데이터를 기반으로 문제를 해 결하는 과정을 학습하는 데이터 과학 교육과 복잡한 문제를 컴퓨팅 기술을 활용 하여 효율적으로 해결하는 과정을 학습하는 소프트웨어 교육은 미래 사회에서 요구하는 역량을 효과적으로 함양할 수 있는 필수 요소이다. 이러한 사회적 학습 요구를 반영하여 본 연구에서는 데이터에 기반하여 복잡한 문제를 효율적으로 해결하는 과정을 학습할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그 램을 개발하였다. 본 연구에서는 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그램의 개발을 위해 체제적 교수 설계 모형인 ADDIE 모형을 적용하여 개발 연구를 진행하였다. ADDIE 모형의 가장 첫 단계인 분석 단계에서는 학습 요구 및 학습 과제 분석 을 실시하였다. 선행연구 분석과 문헌 연구를 통해 데이터 과학 교육에 대한 사 회적 학습 요구를 분석하였으며, 교육현장의 교사들을 대상으로 데이터 과학 교 육에 대한 실질적인 학습 요구를 분석하였다. 설계 단계에서는 분석 단계에서 도출된 결과를 바탕으로 교육 프로그램의 성 취 목표를 명세화하고, 평가를 위한 검사 도구를 설계하였다. 또한 교육 프로그 램의 목표에 적합한 교수 방법과 교수 전략, 전체적인 교육 주제를 구상하였다. 개발 단계에서는 설계 단계의 내용을 바탕으로 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과 학 교육 프로그램을 개발하였다. 교육 프로그램을 정교화하고 타당화하기 위하여 초등학생을 대상으로 초안 교육 프로그램의 파일럿 테스트를 2차례 진행하였고, 파일럿 테스트 결과 도출된 내용을 반영하여 데이터 과학 교육을 위한 수업모형과 이를 기반으로 한 최종 교육 프로그램을 완성하였다. 실행 단계에서는 최종 교육 프로그램의 효과성을 검증하기 위하여 초등학생을 대상으로 실험집단과 통제집단을 구성하여 연구를 진행하였다. 실험집단 대상으로 본 연구에서 개발한 교육 프로그램을 투입하였고, 통제집단을 대상으로 일반적인 실과 교육과정에 따른 소프트웨어 교육을 투입하였다. 평가 단계에서는 교육 프로그램을 통한 컴퓨팅 사고력의 향상도를 측정하기 위하여 프로그램 사전․사후에 컴퓨팅 사고력 검사를 실시하고 검사 결과를 분석하였다. 분석 결과 본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그램은 초등학생의 컴퓨팅 사고력 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구의 결론은 다음과 같다. 첫째, 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그램은 컴퓨팅 사고력 향상에 효과적이다. 데이터 과학 교육에 피지컬 컴퓨팅을 활용함으로써 생활 주변에서 관찰할 수 있는 현상을 직접 데이터로 수집하고, 탐구 주제에 맞게 데이터를 분석하는 문제 해결 활동을 수행할 수 있었다. 즉, 데이터 과학 교육에 프로그래밍을 적극적으로 활용할 수 있는 소프트웨어 교육이 가능해졌으며, 교육에 참여한 학생들의 컴퓨팅 사고력이 유의미하게 향상되었음을 확인할 수 있었다. 둘째, 초등학생을 대상으로 데이터 과학 교육을 도입할 수 있는 효과적인 방안을 제시하였다. 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육을 위해 교육과정을 재구성한 단원설계서와 교수․학습과정안을 개발함으로써 초등학생 대상의 데이터 과학 교육 자료로 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다. 셋째, 데이터 과학 교육을 위한 수업모형을 개발했다. 수업모형은 전문가 타당도 검증과 사용성 평가를 거쳐 타당도가 검증되었으며, 데이터 과학을 통한 문제 해결 과정을 학습할 수 있는 수업단계를 제시하였다. 후속 연구를 통해서 본 연구에서 개발한 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그램의 교육 대상을 확대하고, 다양한 효과성을 검증한다면 피지컬 컴퓨팅 기반 데이터 과학 교육 프로그램의 발전을 기대할 수 있을 것이다.