로봇 활용 SW 교육 프로그램의 효과성 검증

Abstract

다가올 미래 사회에는 디지털을 기반으로 하여 문제를 해결하는 능력이 필요하며, 학습한 내용을 통합하여 문제를 해결하고 새로운 가치를 창출할 수 있는 창의, 융합형 인재가 필요하다. 이러한 변화에 대응하여 영국, 핀란드, 에스토니아, 미국, 인도 등 많은 나라에서 국가 정책을 통해 SW 교육을 적극적으로 지원하는 추세이다. 우리나라에서도 중학교에서는 2018년부터 SW 교육이 의무화되며, 초등학교에서도 2019년부터 5-6학년 학생들이 SW 교육을 필수적으로 이수하게 된다. 학교 현장의 SW 교육은 학습자들이 미래 사회에서 살아가는데 필요한 컴퓨팅사고력을 기반으로 문제를 해결하는 역량을 기르는 것을 목표로 하고 있다. 따라서 학교 현장에서 이루어지는 SW 교육은 실생활의 문제를 컴퓨팅사고력으로 해결할 수 있게 하는 것에 중점을 두어야 한다. 컴퓨팅사고력은 복잡한 문제를 해결하는 능력이 필요한 21세기에 학습자가 갖추어야 할 핵심 역량이며, 지식기반사회를 이끌어갈 인재 육성을 위해 반드시 필요하다. 또한 프로그래밍은 수렴적 사고와 확산적 사고 과정이 포함되어 있는 창의적인 활동이다. 창의성은 융합을 통해 새로운 가치를 창출하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문에 SW 교육에서 중요한 의미를 가진다. 더불어 학습에서의 몰입은 학습 동기의 지속성과 밀접한 관련이 있으므로, 프로그래밍 학습에서도 몰입 경험은 매우 중요하다. 프로그래밍은 컴퓨터 과학의 기본 개념과 원리를 습득할 수 있고, 고등사고능력 신장에 효과적이지만, 논리적 사고, 알고리즘적 사고를 기반으로 한 복잡한 문제 해결 기술을 요구하기 때문에 학습자들의 몰입을 유지하기 어렵다. 하지만 로봇을 프로그래밍 교육에 활용하면 시뮬레이션 등의 가상의 환경이 아닌 실세계 환경에서 상호작용 하는 것이 가능하여, 현실의 문제 해결에 학습자를 더욱 몰입하게 할 수 있다. 특히 프로그래밍 교육에서는 자신의 프로그래밍을 확인하고 오류를 수정하는 디버깅 과정이 중요한데, 프로그래밍 교육에 로봇을 활용하면 자신의 프로그래밍 결과물을 쉽게 눈으로 확인할 수 있어, 디버깅 과정에 도움을 받을 수 있다. 이와 같이 로봇은 여러 가지 장점으로 인해 기존의 프로그래밍 교육의 대안이 될 수 있으나, 단지 로봇이라는 새로운 테크놀로지의 활용을 통한 흥미 유발은 일시적일 수 있으므로, 로봇 활용 SW 교육의 특징을 고려한 다양한 접근이 필요하다. 첫째, 로봇 활용 SW 교육이 학습자의 내적 동기와 몰입을 증진시켜 고등사고력의 신장을 촉진하기 위해서는 로봇 활용 SW 교육의 활동 내용을 구성하고 제시하는 방식을 고려한 구체적인 교수, 학습 설계가 필요하다. 둘째, SW 교육이 학교 현장에 도입된 역사가 짧고 아직 전면적으로 시행된 것이 아니라 선도학교 등을 중심으로 부분적으로 시행되고 있으므로(금성호, 허경, 2016), SW 교육을 실시하고 그 효과를 검증하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 로봇 활용 SW 교육 프로그램을 설계하고, 이를 실제 수업에 적용하여 효과성을 검증하고자 한다. 이와 같은 연구 배경과 목적에 따라 본 연구에서 살펴보고자 하는 연구문제는 다음과 같다. 1. 로봇 활용 SW 교육의 설계 원리는 무엇인가? 2. 로봇 활용 SW 교육은 효과가 있는가? 본 연구를 위하여 4C/ID모형, 창의적 문제해결 모형과 관련된 문헌 연구를 실시하고, 로봇 활용 SW 교육 위한 프로그램을 설계하였다. 또한 2016년 2학기에 경기도 A 초등학교 5학년 3개 학급, 6학년 4개 학급의 학생 176명을 대상으로 로봇 활용 SW 교육 프로그램을 실제 수업에 적용하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서는 로봇 활용 SW 교육의 활동 내용을 구성하고 제시하는 방식을 고려하여 로봇 활용 SW 교육 프로그램을 설계한 후 개선 사항을 도출하였다. 로봇 활용 SW 교육은 문제 해결 과정에 중점을 두어 학습자들의 자동화 능력이 부족할 수 있으므로, 적절한 부분과제 연습을 제공하는 것이 필요하며, 학습자들이 저지르는 전형적인 오류들을 유형별로 파악하여 적절한 부분과제 연습을 제공하는 것이 필요하다. 더불어, 성찰 과정에서 학생들에게 세부적인 질문을 제시하여 토론 과정을 구체화할 필요가 있다. 둘째, 로봇 활용 SW 교육은 학생들의 컴퓨팅사고력, 창의성, 몰입을 유의하게 향상시키는 것으로 나타났다. 또한 사전 검사 결과에 따라 학생들을 상, 중, 하 세 집단으로 나누어 살펴보면, 중, 하 집단의 컴퓨팅사고력은 유의하게 향상되었으나, 상 집단 학생들의 컴퓨팅사고력은 유의하게 향상되지 않았으며, 창의성은 상, 중, 하 집단이 모두 유의하게 향상되었다. 더불어 컴퓨팅사고력과 몰입은 성별의 차이가 유의하지 않았으며, 창의성은 여학생의 점수가 더 높게 상승하였으며 그 차이가 통계적으로 유의하였다. 본 연구의 제한점과 이를 바탕으로 한 후속연구에 대한 제언은 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 경기도의 한 초등학교 학생들을 대상으로 로봇 활용 SW 교육을 실시하였으므로, 연구 결과를 일반화하는 데 어려움이 있다. 그러므로 다른 학년이나 다른 학교에서도 연구가 이루어져야 할 필요가 있다. 둘째, 본 연구에서는 로봇 활용 SW 교육의 효과를 측정하기 위해서, 학습 성과 변인으로 컴퓨팅사고력, 창의성, 몰입을 선정하였다. 하지만 흥미, 동기, 대인관계 능력 등의 다양한 변인을 추가하여 로봇 활용 SW 교육의 효과를 설명할 수 있는 후속 연구가 필요하다. 이와 같은 제한점에도 불구하고 본 연구는 로봇 활용 SW 교육 프로그램을 설계하고 교육 현장에서 적용 가능한 교수, 학습 전략에 대해 논의하였다. 또한 컴퓨팅사고력, 창의성, 몰입에 관해 로봇 활용 SW 교육의 효과성을 검증하였다는 점에서 시사점을 얻을 수 있다.;Future societies need the ability to solve problems based on digital fundamentals, and require creativity to solve problems and create new values by integrating content lrather than acquiring new knowledge. In response to these changes, many countries actively supporting SW education through national policy such as Britain, Finland, Estonia, the United States and India, In Korea, we can foster knowledge processing capabilities, one of the key competences for the 2015 revised curriculum, SW education are mandated by 2018 in the middle school, and elementary school students are required to complete SW education in 2019. At the school, SW education aims to foster problem-solving skills based on the computational thinking needed to live in the future. Therefore, it should focus on solving real-life problems in real-life situations rather than developing programs at school. Computational thinking is a key competence in the 21st century, which requires learners to solve complex problems, it is imperative to fostering student of a knowledge-based society. In addition, programming can facilitate convergent thinking in the course of finding the optimal way, and it is a creative activity that includes divergent thinking process during the debugging process. Creativity plays a key role in SW education because it plays a key role in creating new values through convergency. Also, flow is closely related to continuity of learning motivation, so flow is very important in programming. Programming can learn the basic concepts and principles of computer science, however, it is difficult to maintain learners’flow because it requires complex problem-solving skills based on logical thinking. However, it is possible to interact with a virtual environment in a programming education, rather than simulation, we can get more student involved in solving the real-life problem. As a result, robots can become an alternative to existing SW education, but only the use of new technologies is temporary, variety of approaches are needed to account for the characteristics of SW education using robot. First, SW education using robot enhances the responsiveness of the learner to the internal motivation of the learner in order to promote the high level of thinking, specific teaching and learning design is required to consider how to construct and represent the activities of SW education using robot. Second, the history of SW education has been short, and not yet fully implemented, but partially implemented. It is necessary to conduct SW education using robot and examine the effects of SW education using robot In this study, we conduct SW education using robot in elementary school, to examine the effects of SW education using robot. In light of the background research and its implications, the specific research questions in this study as follows: 1. What is the design principle for SW education using robot? 2. Do the student who are practice SW education using robot improve computational thinking, creativity and flow? In order to achieve the purpose of this study, we conduct literature review about 4C/ID and CPS model and design SW education using robot. And SW education using robot was conducted to 155 students in 5, 6 grade in GyeongGi. The participants’computational thinking, creativity and flow were measured. After collecting data, we conduct matched pair t-test, ANCOVA to examine the effects of SW education using robot. The results of this study were as follows: First, In this study, SW education using robot was designed to account for the characteristics of the task of the SW education using robot, and improvements were obtained. SW education focuses on solving the problem, it is important to provide adequate part task practice, and identify the errors committed by learners, provide adequate part task practice. Also, specific questions should be formulated in the process of reflection. Second, the SW education using robot is associated with significant improvements in computational thinking, creativity and flow. And, computational thinking and flow were associated with significant improvement in medium and low initial score sub sample. However, computational thinking and flow were not associated with significant improvement in high initial score sub sample. And, computational thinking and flow are not associated with gender, however, creativity is associated with gender. Based on the limitation of this study, further research is suggested as follows: First, the target of this study was 155 students in 5, 6 grade in GyeongGi, South Korea, which does not represent the whole group of students. More empirical studies are needed to generalize these findings. Second, the study conducted SW education using robot and measured effectiveness. The effects were measured in a short period of time, so it is necessary to measure the effectiveness in a long period of time. It has a short-term effect it is necessary to measure effectiveness through prolonged lessons. Third, in this study has been studied computational thinking, creativity, and flow. Therefore in the future studies, interest, motivation and interpersonal ability will be considered on the impact of learning achievement. In spite of these above limitations, this study was investigated effects of the SW education using robot. And expanded the understanding of the SW education using robot.