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Scratch 프로그래밍 수업에서 학습자 특성, 학습몰입, 학습효과의 구조적 관계 규명

Title
Scratch 프로그래밍 수업에서 학습자 특성, 학습몰입, 학습효과의 구조적 관계 규명
Other Titles
An Investigation of the Structural Relationships among Students’ Characteristics, Flow, and Learning Effects in a SCRATCH Programming Course for Elementary School Students
Authors
박주연
Issue Date
2015
Department/Major
대학원 교육공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
강명희
Abstract
The 21st century has seen the rise of the knowledge and information society, science based ICT, and an emphasis on creative knowledge and information's creating ability. Futurologist Alvin Toffler (1980) states that in a knowledge and information society, new ideas are critical, as is the need for multi-dimensional thinking skills and the ability to utilize scientific technology. Since information and knowledge increases a society's added value, the creation of new and useful knowledge is of paramount importance. In order to achieve this, people need the power of multi-dimensional thinking skills to best utilize the currently available knowledge and posses the ability to contribute in creating, innovating and sharing information. In accordance with this need, the Partnership for 21st Century Skills(2008), states that preparation for the learning demands of the 21st century should include 'information, media and technology skills' which also includes creativity and critical thinking ability. The current trend in educational design to reinforce these learning skills, is an integrated approach utilizing state-of-art technology. Correspondingly, the Korean Ministry of Education has emphasized that learning skills education is needed to develop talented and creative individuals with increased higher order thinking skills (Ministry of Education, 2009). On this basis it has been announced that the 2015 Liberal Arts and Natural Sciences Integrated Curriculum will focuse on the core competencies that an individual in a knowledge and information society will require. This will be achieved by revising the education curriculum, which handles the integrated education process, within the context of software education(Ministry of Education, 2014). This combined education process makes the integrated understanding of information possible, and the context of software education ultimately contributes in increasing the thinking abilities of students. Looking historically at the pedagogical process in Korea with regards to thinking skills education, there has been a tradition of focusing on raising logical thinking and creative thinking(Lee, & Kim, 2014). Logical thinking ability provides the basis of the ability to analyze and select the required details from a multitude of information(Roadranka, Yeany, & Padilla, 1983), and creative thinking ability creates new ideas making it essential for solving problems and forming knowledge(Cho, 2011). In addition, because information, media, and technology competence is emphasized in recent 21st century education, computational thinking ability has become necessary. Computational thinking ability is useful in solving problems more efficiently and effectively through the use of algorithmic reasoning styles and abstractions based on computer science. This approach can be employed when encountering complicated problems in order to effectively understand and solve the complex and organically connected data. Hence, there is a trend in developed countries -including Korea- of promoting programming courses in education to aid the development of thinking skills. In order to facilitate actual educational outcomes of increased thinking ability from programming courses, students' active and focused participation becomes an important factor during the learning process. If we look at previous research, 'learning flow' is reported as being a significant factor which varies in accordance with the learner's preference or character -therefore investigating the learner's character is also essential. This could help build a support strategy to reinforce the students' learning flow during the planning and organization of programming courses. Considering that programming is a logical problem solving process, logical-mathematical intelligence and problem solving tendencies are key learner character factors that will influence learning flow during programming courses. Therefore, for this research, a SCRATCH programming course for elementary students was run with the intention of establishing its learning effect and also to define the factors and relationships that influenced that learning effect. First of all, in order to measure the learning effect of the SCRATCH programming course, we compared the logical and creative thinking ability of students before and after the SCRATCH programming course and proved and clarified the learning effect of the class. The procedure confirmed the necessity of programming courses for thinking skills education and provided implications about the application method of programming course in connection with the education curriculum. Next, the structural relationships between the various factors needed to be established and modeled. Logical-mathematical intelligence and problem solving tendency were selected as the learner character factors influencing the learning effect. Studying flow during SCRATCH programming process was selected as the learning process factor. Additionally, logical thinking ability, creative thinking ability, and computational thinking ability were selected as the learning effect factors. Through this procedure, the role of learning flow investigated, along with learner's character, to predict learning effects and provide the basis from which to establish instructional design and instructional strategy for effective programming courses reflecting the learner's character. In light of the background research and its implications, the purpose of this research is to discuss and prove the learning effect of a SCRATCH programming course and discover the relationships between factors influencing the learning effect. The specific research questions for this matter are the following. 1. Do a learner's logical thinking ability and creative thinking ability improve participation in a SCRATCH programming courses? 2. What are the structural relationships among the learner's character(logical-mathematical intelligence, problem solving tendency), learning flow, and learning effect(logical thinking ability, creative thinking ability, computational thinking ability) during the SCRATCH programming course? The research participant group was made up of 205 6th grade students in a private elementary school located in Seoul. The research analysis procedure consisted of first discovering any statistically meaningful differences in logical and creative thinking ability results before and after the SCRATCH programming course. The measuring of the learning effect was achieved through dependent samples t test analysis. Then, in order to analyze the structural relationships among the learner's character, learning flow, learning effect, a structural equation model analysis method was employed. The structural equation model's analysis process first analyses the structural instrument's suitability and validity by analyzing the designed measurement model. Next an analysis of the structural model's suitability and validity was performed, and then analysis of the direct and indirect effects among factors included in the research model. Finally the significant relationships between these factors was established. In summary, the findings of the research are as follows: Firstly, logical thinking ability and creative thinking ability were shown to increase through participation in the SCRATCH programming courses. Secondly, the appropriateness of the structural model of learners' character, learning flow, and the learning effects achieved during the SCRATCH programming courses was validated; each of the hypothesized factors proving to have direct and meaningful educational outcomes. In other words, logical-mathematical intelligence and problem solving tendency directly influenced learning flow; and this learning flow directly influenced creative thinking ability, logical thinking ability, and computational thinking ability. In addition, analysis revealed the indirect effects included in the model, whereby logical-mathematical intelligence and problem solving tendency -which is the learner's character- influenced creative thinking ability, logical thinking ability, and computational thinking ability respectively through learning flow. The implications of the research results are as follows: First, since SCRATCH programming courses were shown to increase student's logical and creative thinking, it is recommended that programming courses should be adopted in elementary schools. However, in the current elementary school system, programming courses are usually only found in gifted education institutions, rather than in the wider school education curriculum due to the lack of educational course guidelines. In 2014, as a result of the revised education process for software education reinforcement, practical elementary school programming courses will be reorganized and reprioritized as core components of the curriculum. However, there has been no specific educational process development or teaching method guidelines provided yet. For this, we should consider ways to integrate the curriculum's content with programming courses to improve thinking abilities as demonstrated in the results of this research. Secondly, since a learner's character influenced learning flow during the SCRATCH programming classes, courses should be designed that reflect the logical-mathematical intelligence and problem solving tendency, and also insights into instructional strategies should be provided. When designing programming courses, a learner's logical-mathematical intelligence could be developed through categorizing and classifying strategies, information searching strategies, and problem solving instructional design strategies. Also, on the basis of expectation theory, if instructors have expectations about the students and encourage them while participating in the programming courses, it would help students to develop efficient problem solving tendencies. Thirdly, as learning flow was shown to be the major factor during the SCRATCH programming classes, it can be concluded that instructional design and instructional strategies that foster learning flow is required. For learning flow boosting strategies in programming courses instructors should provide clear goals, give immediate feedback, organize learner-centered activities, provide challenging tasks, and give the students the option to choose the tasks. The significance of the implications of the research are as follows: Firstly, this research developed a scratch programming course intended for elementary school students and demonstrated that it improved logical and creative thinking ability, while also proving the practical learning effect of programming courses, and clarifying the necessity of programming education. As a result, by integrating scratch programming courses with the elementary school curriculum, it provided an effective integrated method for combining programming classes with the social context outlined in the curriculum. Secondly, by investigating the structural relationships among the factors that influence the learning effects during the SCRATCH programming courses, the research has highlighted factors to consider when developing programming courses. This included providing insights into designing programming courses that reflect a learner's character, such as logical-mathematical intelligence and problem solving tendency, and also instructional strategies and methods to increase a student's learning flow during programming classes. The limitations of this research and proposals for future study are as follows: First of all, in this research, the learningl effect of the SCRATCH programming courses was measured over the course of 8 weeks, which is a relatively short period. Therefore, in any follow up study, it is advised that the learningl effect is measured for the duration of at least one semester. Secondly, the student's learning flow during the courses was measured only once using a Likert scale in a self-report form. It is recommended that along with the self-report measurement, exterior observational measurements should be included, and that the learning flow should be measured several times during the learning process to supplement the limitations of a one-shot measurement. Thirdly, the learning effect of the SCRATCH programming courses was measured from a cognitive perspective. Therefore, it is advised that further factors involved in the learning effects of programming courses should be included for analysis, including learning motivation, learning attitude, satisfaction about the learning process, and learning continuance. Fourth, this research only measured the computational thinking by analyzing each student's SCRATCH production, and measured the computational concept. Therefore, in any follow up research, it is recommended that all of a student's computational practice and computational perspective should measured by utilizing methods such as interviews, video taping, and reflection notes and so on. Fifth, it is advised that, in addition to those included in this research, new factors operating in programming courses should be considered, and that the model explaining the effects could be further developed. Sixth, a quantitative research method was used to investigate the relationship between SCRATCH programming learning flow and the learning effect. Therefore, it is recommend that a mixed designs approach, including qualitative research, should be utilized reveal programming learning process and clarify the influence with learning effect. In spite of these above limitations, the research integrated and ran an elementary school social curriculum with SCRATCH programming education, and proved the beneficial learning outcomes. In addition, it is significant that the data practically proved the structural relationships among the factors influencing the learning outcomes. Based on this research, it has been established that there is a need for programming courses in elementary schools, and it can also be concluded that it is possible to integrate programming courses methods with curriculum in actual fields. Also, it has revealed insights into educational technology instruction design, and instructional strategies, that can be utilized during the development of programming courses.;21세기는 첨단정보통신기술(ICT)을 물리적 기반으로 하여 시간과 공간의 제약을 극복한 지식정보사회로 창의적인 지식과 정보의 창출능력이 강조된다. 미래학자 Alvin Toffler(1989)는 지식정보사회에서 새로운 아이디어의 중요성을 역설하면서 고차원적 사고력과 과학기술의 활용 능력이 필요하다고 하였다. 정보와 지식이 사회의 부가가치를 높이므로 새롭고 유용한 지식을 창출하기 위해서는 지식들을 활용할 수 있는 힘인 고차원적인 사고력과 함께 과학기술을 유용하게 활용하여 지식의 생성과 혁신, 공유에 기여할 수 있는 능력이 필요하다. 이에 Partnership for 21st Century Skills(2008)에서는 21세기를 준비하는 학습역량으로 창의성과 비판적 사고력을 포함하는‘학습 및 혁신 역량’, 정보·미디어 소양을 포함한‘정보, 미디어, 테크놀로지 역량’을 포함하였다. 이러한 미래사회를 준비하는 학습 역량을 강화하기 위해 앞으로 교육이 나아가야 할 방향은 교과 간의 경계를 허문 통합적이고 융합적이며 이와 더불어 첨단기술을 활용한 교육이다. 같은 맥락에서 교육부는 창의적인 인재양성을 목표로 고등사고기능 향상을 위한 사고력 교육을 강조하여 왔고(교육인적자원부, 2009a), 최근 이를 기초로 한 2015 문·이과 통합형 교육과정을 발표하여 지식정보사회가 요구하는 핵심역량을 갖춘 창의융합형 인재상을 제시하고 통합교육과정과 소프트웨어 교육 강화 등을 주요내용으로 한 교육과정을 개정하였다(교육부, 2014). 통합교육과정은 지식의 통합적인 이해를 가능하게 하고 소프트웨어 교육은 궁극적으로 학생들의 사고력 향상에 기여한다. 사고력 교육에 대한 우리나라 교육과정의 변천을 살펴보면 전통적으로 논리적 사고력과 창의적 사고력을 기르는 것에 중점을 두어왔다(이지현, 김영환, 2014). 논리적 사고력은 수많은 정보 속에서 필요한 아이디어를 분석하고 선별할 수 있는 능력의 기초가 되고 (Roadranka, Yeany, & Padilla, 1983), 창의적 사고력은 새로운 아이디어를 생성해냄으로써 다양한 방법으로 문제를 해결하고 지식을 창출하는데 중요하다(조연순, 2001). 여기에 더해 최근 21세기 학습역량에서 제시한 정보, 미디어, 테크놀로지 역량이 강조되면서 컴퓨터적 사고력이 필요하게 되었다. 컴퓨터적 사고력은 오늘날의 복잡하고 유기적으로 연결된 문제들을 효과적으로 이해하고 풀어나가기 위해 복잡한 문제에 부딪혔을 때 컴퓨터 과학에 기초하여 알고리듬적 사고의 활용과 추상화를 통해 문제를 보다 효율적이고 효과적으로 풀어가는데 유용하다. 이에 사고력 교육에 대한 접근으로 컴퓨터 프로그래밍 수업이 하나의 대안이 되고 있으며, 프로그래밍 수업의 본질적인 가치가 사고력 향상에 있다는 것에 공감하여 우리나라 뿐 아니라 선진 각국을 비롯한 주요 국가에서는 프로그래밍 수업을 육성하고 있는 추세이다. 프로그래밍 수업이 사고력의 향상이라는 본질적인 학습효과를 가져오기 위해서는 학습과정에 학생들이 적극적으로 참여하고 몰입하는 것이 중요한 요인이 된다. 선행연구를 보면 학습몰입은 학습자의 선호도나 특성에 따라 차이를 가져오는 것으로 보고되고 있어 프로그래밍 수업에 몰입하는 학습자 특성이 무엇인지에 대한 규명이 필요하다. 프로그래밍이 논리적인 문제해결과정임을 고려해 볼 때, 프로그래밍 수업의 학습몰입에 영향을 미치는 학습자 특성 변인으로 논리수학지능과 문제해결성향을 상정하였다. 이는 프로그래밍 수업을 설계할 때 학생들의 학습몰입을 강화하기 위한 지원 전략을 세우는데 도움을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 초등학생을 대상으로 Scratch 프로그래밍 수업을 실행하여 Scratch 프로그래밍 수업에서의 학습효과를 검증하고, 학습효과에 영향을 미치는 변인들의 관계를 검증하고자 한다. 먼저, Scratch 프로그래밍 수업에서의 학습효과를 비교하기 위해 논리적 사고력과 창의적 사고력의 Scratch 프로그래밍 수업의 전, 후 차이를 비교하여 Scratch 프로그래밍 수업의 학습효과를 밝히고자 한다. 이를 통해 사고력 교육을 위한 프로그래밍 수업의 필요성을 확인하고, 교육과정과 연계한 프로그래밍 수업의 적용방법에 대한 시사점을 제공하고자 한다. 다음으로, 학습효과에 영향을 미치는 학습자 특성 변인으로 논리수학지능과 문제해결성향을, 학습과정 변인으로 Scratch 프로그래밍 과정에서의 학습몰입을 상정하였고, 학습효과 변인으로 논리적 사고력, 창의적 사고력, 컴퓨터적 사고력을 상정하여 이들 간의 구조적인 관계 모형을 검증하였다. 이를 통해 학습효과를 예측하는 학습몰입의 역할, 학습자 특성을 규명하고, 학습자의 특성을 반영하여 학습몰입을 강화할 수 있는 효과적인 프로그래밍 수업을 위한 교수설계 및 교수전략을 세우는데 기초를 제공하고자 한다. 이와 같은 연구배경과 목적에 따라 본 연구에서 살펴보고자 하는 연구문제는 크게 Scratch 프로그래밍 수업에서의 학습효과 검증, 학습효과에 영향을 미치는 변인들의 관계 검증으로 이루어진다. 이를 위한 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 1. Scratch 프로그래밍 수업을 통해 학습자의 논리적 사고력, 창의적 사고력은 향상되는가? 2. Scratch 프로그래밍 수업에서 학습자 특성(논리수학지능, 문제해결성향), 학습몰입, 학습효과(논리적 사고력, 창의적 사고력, 컴퓨터적 사고력) 간의 구조적 관계는 어떠한가? 본 연구는 서울에 있는 A사립 초등학교 6학년 학생 205명을 대상으로 하였다. 연구 분석방법은 먼저, Scratch 프로그래밍 수업에서의 학습효과를 분석하기 위해 종속표본 t 검정을 통해 논리적 사고력, 창의적 사고력의 사전, 사후 점수가 통계적으로 유의한 차이를 보이는지를 분석하였다. 다음으로 학습자 특성, 학습몰입, 학습효과 간의 구조적 관계를 분석하기 위해 구조방정식 모형분석 방법을 사용하였다. 구조방정식 모형의 분석절차는 측정모형 분석을 통한 측정도구의 적합성과 타당성 검증, 구조모형의 적합도와 타당도를 검증 한 후, 연구모형에 포함된 변인 간의 직·간접효과를 분석하고, 유의성을 검증하였다. 연구문제에 따른 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, Scratch 프로그래밍 수업을 통해 논리적 사고력, 창의적 사고력은 향상된 것으로 나타났다. 둘째, 본 연구에서 설계된 Scratch 프로그래밍 수업에서의 학습자 특성, 학습몰입, 수업효과 간의 구조적 모형은 적합하였다. 그리고 연구모형에 포함된 직접효과의 검증 결과, 모형 내 변인 간에 가설로 상정된 모든 직접효과는 유의한 것으로 나타났다. 즉, 논리수학지능과 문제해결성향은 학습몰입에, 학습몰입은 창의적 사고력, 논리적 사고력, 컴퓨터적 사고력에 각각 직접적인 영향력을 보였다. 또한, 연구모형에 포함된 간접효과의 검증 결과 학습자 특성인 논리수학지능과 문제해결성향은 학습몰입을 매개로 창의적 사고력, 논리적 사고력, 컴퓨터적 사고력에 각각 간접접인 영향을 주는 것으로 분석되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 한 본 연구의 시사점은 다음과 같다. 첫째, Scratch 프로그래밍 수업이 학생들의 논리적 사고력과 창의적 사고력을 향상시키므로 초등학교에서의 프로그래밍 수업의 필요성을 확인하였다. 그러나 현재 초등학교에서의 프로그래밍 수업은 교육시수의 부족과 교육과정의 부재로 학교교육 내에서 보다는 영재교육기관을 중심으로 이루어지고 있다. 2015년 개정 교육과정에서 소프트웨어 교육 강화를 위해 초등학교 실과교과의 내용을 소프트웨어 기초 소양 교육으로 개편하였으나 구체적인 교육과정의 개발 및 교수방법의 실행방안이 제시되지 못하고 있다. 이에 본 연구의 결과를 통해 사고력 교육을 위한 프로그래밍 교육의 대안으로 교과의 내용과 프로그래밍 수업을 통합하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 둘째, Scratch 프로그래밍 수업에서 학습자 특성이 학습몰입에 영향을 주므로 논리수학지능과 문제해결성향을 반영한 수업 설계 및 교수 전략에 대한 시사점을 제공한다. 프로그래밍 수업 설계시 분류 및 범주화하기 전략, 발견학습 전략, 문제해결 교수설계 전략 등을 통해 학습자의 논리수학지능이 계발될 수 있다. 또한, 기대이론에 근거하여 프로그래밍 수업 진행시에 교수자가 학생들에게 기대감을 가지고 격려를 많이 한다면 학생들이 효율적인 문제해결성향을 갖는데 도움을 줄 수 있다. 셋째, 학습몰입이 Scratch 프로그래밍 수업에서 학습효과에 영향을 주는 중요한 변인으로 나타남으로써 학습몰입을 촉진하기 위한 교수설계 및 교수전략에의 시사점을 제공한다. 프로그래밍 수업의 학습몰입 촉진 전략으로 교수자는 명확한 목표의 제공, 즉각적인 피드백, 학습자 중심의 활동구성, 도전감 있는 과제의 제시, 학생들의 과제에 대한 선택권을 제공하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 시사점을 바탕으로 본 연구의 의의는 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 초등학생들을 대상으로 Scratch 프로그래밍 수업 후 논리적 사고력, 창의적 사고력이 향상됨을 확인하여, Scratch 프로그래밍 수업의 학습효과를 실증적으로 검증하고 프로그래밍 교육의 필요성을 확인하였다. 이를 통해 Scratch 프로그래밍 수업을 초등학교 교육과정과 연계하여 교과과정 내에서 사회과의 내용과 프로그래밍 수업과의 효과적인 통합방법을 제안하였다. 둘째, Scratch 프로그래밍 수업에서 학습효과에 영향을 주는 변인들 간의 구조적인 관계를 규명함으로써 프로그래밍 수업을 실행할 때 고려되어야 할 변인들을 제안하였다. 논리수학지능과 문제해결성향과 같은 학습자 특성을 반영한 프로그래밍 수업의 설계 및 교수 전략, 프로그래밍 수업 과정에서 학생들의 학습몰입을 강화할 수 있는 방법을 시사점으로 제안하였다. 본 연구의 제한점을 바탕으로 한 후속연구에 대한 제언은 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서는 Scratch 프로그래밍 수업의 학습효과가 8주라는 비교적 단기간에 측정되었으므로 향후 연구에서는 프로그래밍 수업을 한 학기 이상 실행하고 학습효과를 측정한기를 제안한다. 둘째, Scratch 프로그래밍 학습몰입은 자기보고 방식의 Likert 척도로 1회 측정되었으므로 자기보고식의 측정과 함께 외부 관찰자의 관찰 측정을 포함하고, 학습과정 중에 여러 번 학습몰입을 측정함으로써 일회적인 학습몰입의 측정이 가지는 한계점을 보완하기를 제안한다. 셋째, 본 연구에서는 Scratch 프로그래밍 수업의 학습효과를 인지적인 관점에서 측정하였으므로 학습 동기, 학습 태도, 학습 과정에 대한 만족도, 학습 지속 의지 등과 같이 학습효과 변인을 확장하게 하여 프로그래밍 수업의 효과를 검증하기를 제안한다. 넷째, 본 연구에서는 컴퓨터적 사고력을 학생들의 Scratch 산출물 분석을 통해 컴퓨터적 개념만 측정하였으므로, 향후 연구에서는 인터뷰, 비디오테이핑, 성찰노트 등을 활용하여 학생들의 컴퓨터적 실천, 컴퓨터적 관점을 모두 측정하기를 제안한다. 다섯째, 본 연구에 포함된 변인들 뿐 아니라 프로그래밍 수업에서 고려될 수 있는 다양한 변인들을 추가하여 프로그래밍 수업효과를 설명할 수 있는 모형으로 발전시키기를 제안한다. 여섯째, 본 연구에서는 Scratch 프로그래밍 학습몰입과 학습효과와의 관계를 양적인 연구 방법으로 규명하였으나, 더불어 질적인 연구 방법으로 프로그래밍의 학습 과정을 구체화하여 학습효과와의 영향력을 밝히는 연구를 제안한다. 이와 같은 제한점에도 불구하고 본 연구는 초등학교 사회 교과의 내용과 Scratch 프로그래밍 수업을 통합하여 이를 실행하고, 학습효과를 검증하였다. 그리고 학습효과에 영향을 미치는 변인들 간의 구조적인 관계를 실증적으로 검증하였다는 점에서 의의를 가진다. 본 연구 결과를 바탕으로 초등교육에서 프로그래밍 수업의 필요성과 교과와 통합한 프로그래밍 수업방법을 현장에 적용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 프로그래밍 수업 실행시 교육공학적 교수 설계 및 교수 전략을 지원하기 위한 시사점을 얻을 수 있었다.
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