초등학생의 컴퓨팅 사고(Computational Thinking) 증진을 위한 피지컬 컴퓨팅 수업 개발 및 적용 연구

Abstract

The purpose of this study is to develop the physical computing lessons that connects the physical world with the digital world and supports active interaction based on the algorithm invention model by Futscheck and Moschitz (2010) and the software education guidelines from the Ministry of Education (2015b). In this study, I examine how computational thinking occurs in class by teaching the physical computing lessons to elementary school students and elucidate the changes in and relationship between computational concepts and computational perspectives based on computational practices. The following research questions guided this study: First, how did design the physical computing lessons for elementary school students? Second, how did the students do in the class when the physical computing lessons was taught to elementary school students? Third, how did the computational thinking of the elementary school students who participated in the physical computing lessons change? To address these questions, I designed and applied a physical computing lessons for elementary school students by examining software class models and educational methods developed in Korea and foreign countries. The subjects of this study were 6th grade students in A Elementary School in Gyeonggi province who were informed of this study and voluntarily participated. All the subjects were male students. Before the class began, the purpose and content of the study were explained, and consent of the students and their guardians was obtained. The physical computing lessons met 80 minutes once a week for six weeks. Before the start of the class, students were given time to become familiar with Legos and tablets so that they could understand the media. I participated directly in the research field, introducing the activity topics and observing the students’ problem-solving process. Thus, I supported the study participants in solving the problems in the physical computing lessons. I also asked the cooperating teachers to record the class to collect various data. The data were collected through computational concepts examinations before and after the activity, observation of class participation, interviews using the outputs, activity sheets, and anecdotal records. Quantitative and qualitative analysis was carried out as a mixed methodology to identify the computational thinking of students taking the physical computing lessons. In terms of quantitative analysis, the results of the computational concepts test, the results of grading the study materials and interviews based on a computational practices rubric, and the data collected through the anecdotal records were statistically analyzed. In terms of qualitative analysis, I derived the characteristics and meaning of how computational thinking occurred by observing class participation, interviewing students, and analyzing the outputs and activity sheets. In addition, I conducted a single case study to identify the change in the individual’s computational thinking to analyze in depth how computational concepts, practice, and perspective changed in the physical computing lessons. The results of each research question are as follows: In research question 1, the physical computing lessons for elementary school students were designed, and its characteristics included the following: first, the physical computing lessons was designed to promote inquiry-based learning, real-life context, playfulness, and collaborative learning, all of which are emphasized in software education. Second, the physical computing lessons was developed based on the algorithm invention step (Futscheck & Moschitz, 2010) to promote the algorithm expression and formalization by emphasizing the experience of the algorithm as in the software education guideline (Ministry of Education, 2105b). Specifically, I included the step of transforming the algorithm into programming so that students could embody their ideas through computing technology. Third, the physical computing lessons were focused on the practical course (Ministry of Education, 2015e) where the software education would be implemented, but it was also connected with social science and mathematics subjects. Fourth, I developed rubrics, anecdotal records, and interview items to evaluate the process and results of the class and applied them to the class to grasp the application methods and characteristics of each evaluation tool. In research question 2, I determined the process of the physical computing lessons by targeting elementary school students and found the following results. First, the physical computing lessons involved activities that required the students to directly produce and program robots, so the students showed a high degree of interest overall, and even though they found their activities difficult, they did not give up. In particular, when they faced difficulties in programming or solving problems, they tried various methods such as modifying the robot body to solve the issues. Additionally, the LEGO elements provided to students were easy to assemble and modify so students were less afraid of making mistakes, thereby encouraging them to repeatedly modify and experiment with the Legos. Second, the students participating in the physical computing lessons physically controlled the robots that have real shapes. Through this process, they heuristically learned the functions and features of the commands used in the program, thereby acquiring the decomposition, algorithms, and abstractions that are covered in computational concepts. In particular, the direct programming method for controlling the real robot provided students with an opportunity to embody their ideas into computing technology, leading them to demonstrate their computational thinking. Third, the students became interested in the application of robots in everyday life, as they experienced activities that connected robots and real-life problem situations. In particular, in the school bus class, they mapped out the bus route by considering the surrounding environment. In this class, compared to the maze escaping class, they showed prominent changes in recognizing the utilization among computational concepts. In research question 3, I examined how computational thinking of elementary school students who experienced the physical computing lessons changed, and the results are as follows. First, the computational concept test showed statistically significant results, and the students had improved computational concepts through the physical computing lessons. In particular, the percentage of correct answers to the questions involving the concept of algorithmic thinking, decomposition, and abstraction was increased. Thus, the physical computing lessons helped students understand the computational concepts. Second, in terms of computational practices in the physical computing lessons, students embodied problem-solving methods through the process of expressing the algorithm and implemented the problem-solving methods while programming. Underachieving students did not show the decomposition process in the problem analysis stage, but they decomposed the conditions included in the problems and expressed them step by step. On the other hand, the overall average score based on the rubrics for computational practices showed improvement in the school bus class rather than the maze escaping class. Additionally, the results of the analysis of computational practices were highly correlated with the students’ computational concepts, implying that it is necessary to analyze students’ computational practices to understand the computational concepts. Third, in terms of changes in computational concepts according to class topic, in the case of the maze escaping class, the average score of the recognition of expression/cooperation/utilization, which is a sub-element of computational perspectives, gradually increased as the class progressed. In contrast, the school bus lesson showed high average scores in the problem analysis and idea finding stage in terms of recognition of expression/cooperation/utilization but had low average scores in the algorithm formalization and implementation stages. It was also reported that the average score increased again in the algorithm execution and reflection stages. On the other hand, the result of examining the relationship between computational practices and computational perspectives did not show a statistically significant total score. However, the computational practices in the school bus lesson was highly correlated with the recognition of expression and the recognition of cooperation among sub-areas of computational perspectives Based on the results and discussion of this study, it was to draw conclusions ss follows: First, the activities of constructing and programming the physical model in the physical computing lessons can help students establish computational concepts by supporting their problem decomposition, abstraction, and algorithm expression. Programming activities that enabled them to directly control robots provided them the opportunity to experience automation. Thus, they experienced the elements of abstraction and automation, both of which are emphasized in computational concepts through the physical computing lessons. Second, in the physical computing lessons, students experienced the connection of thinking and computing technology while looking for ways to solve problems by hardware(robot) and software methods(programming), thereby establishing their computational thinking. In particular, algorithm formation and programming activities, in connection with real-life problem situations, led to the formation of computational concepts through computational practices. Third, the students who experienced the physical computing lessons showed a change in the computational perspectives that they could create or express specific outputs using robots. The physical computing lessons not only helped them to fragmentarily understand computing functions but also recognize the necessity of cooperation and the utilization of robots and computers to solve problems faced in everyday life. Based on the conclusions above, this study propose as follows. First, since the process of constructing and programming a physical model in a physical computing lessons supported students’ problem decomposition, abstraction and algorithm expression and led to the formation of computational concepts, it is important to support the formation of computational concepts by formalization based on computational practices activities that enable them to compare their mental models and the physical model. Second, when carrying out software education, it is necessary to approach the automation stage based on computational concepts including problem decomposition, abstraction and algorithmic thinking considering abstraction and automation, which are key elements of computational thinking. The recognition and abstraction patterns may differ according to the development level of elementary school students, so follow-up studies are needed to compare how computational thinking appears when applying the physical computing lessons to kindergarten age and lower grades in elementary school. Third, considering that the physical computing lessons is affecting students’ computational perspectives, it is necessary to conduct follow-up studies on other age groups to change the qualitative aspect as well as the cognitive aspect. In addition, considering that this study was conducted for a short period of time, studies on the long-term changes in computational perspectives and how changes in views affect computational concepts and practices should be carried out. Fourth, considering that only male students participated in this study, research on female students is required. Moreover, research should be conducted on students who have no experience in robots and programming languages for education. Fifth, considering that the physical computing tool is a module-type tool in this study, research on robot-type physical computing tools are required for elementary students. In addition, it should be compare module-type and robot-type.;교육부(2015b)의 소프트웨어 교육지침을 기반으로 물리적 세계와 디지털 세계를 연결하고 능동적인 상호작용을 지원하는 피지컬 컴퓨팅(Physical Computing) 수업을 설계하였다. 또한 초등학생을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용하여 수업과정 및 결과에서 컴퓨팅 사고가 어떻게 나타나는지 파악하고, 컴퓨팅 실천을 중심으로 컴퓨팅 개념 및 컴퓨팅 관점의 변화와 관계를 밝히는 데 연구의 목적을 두었다. 이러한 연구 목적에 기반하여 다음과 같은 연구문제를 설정하였다. 첫째, 초등학생을 위한 피지컬 컴퓨팅 수업은 어떻게 설계되었는가? 둘째, 초등학생을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용하였을 때 수업의 양상은 어떻게 나타났는가? 셋째, 피지컬 컴퓨팅 수업을 경험한 초등학생에게 나타난 컴퓨팅 사고는 어떠한가? 이를 위하여 국내외에서 개발된 소프트웨어 수업모형 및 교육방법을 검토하여 초등학생을 위한 피지컬 컴퓨팅 수업을 설계하여 적용하였다. 1차 및 2차 예비 연구의 결과를 토대로 연구참여자들의 협력 및 수평적 의사소통을 지원할 수 있도록 동일 연령을 연구대상으로 설정하였다. 예비 연구에서 진행된 소집단(동일연령, 4명)과 대집단(혼합연령, 20명)에서 나타난 수업의 시사점을 반영하여 초등학교 6학년, 10명을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용하였다. 또한 연구 대상 중에서 성취도가 높은 학생들 4명을 선정하여 단일사례연구를 실시하였다 연구대상은 경기도 소재 A초등학교의 6학년 학생들로 사전에 본 연구의 목적에 대한 설명을 듣고, 자발적으로 수업에 참여하였다. 자발적 참여로 인해 연구에 참여한 학생들은 모두 남학생들이었다. 수업에 참여하기 전에 별도의 시간을 마련하여 연구의 목적 및 내용을 설명하고 연구동의서를 전달하여 학생과 보호자의 서명동의를 획득하였다. 피지컬 컴퓨팅 수업은 매주 금요일 5~6교시에 진행되었고, 1회당 80분씩 총 6회간 진행되었다. 수업이 시작되기 전에 학생들의 매체에 대한 이해를 돕기 위해 80분간 별도의 시간을 마련하여 피지컬 컴퓨팅 도구에서 로봇의 몸체를 조립하는 데 사용되는 레고 부품을 이용해 자신의 생각을 모형으로 표현하는 시간을 마련하였다. 또한 프로그래밍을 위해 사용될 태블릿에 대해 기초적인 경험을 할 수 있는 시간을 제공하였다. 본 연구자는 연구 현장에 직접 참여하여 수업주제를 소개하고 학생들의 문제해결 과정을 관찰하면서 연구 참여자들이 피지컬 컴퓨팅 수업에서 경험하는 어려움을 해결하도록 지원하는 교사의 역할을 수행하였다. 또한 협력 교사로 하여금 수업 촬영을 돕도록 하여 다양한 자료를 수집하도록 하였다. 자료 수집은 수업 실행 전·후에 실시한 컴퓨팅 개념 검사와 수업 참여관찰, 산출물을 활용한 인터뷰, 활동지, 일화기록지 등의 자료 수집을 통해 이루어졌다. 자료 분석은 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용한 학생들의 컴퓨팅 사고를 파악하기 위해 혼합연구의 방법으로 양적 분석과 질적 분석을 실시하였다. 양적 분석의 경우 컴퓨팅 개념 검사, 학습지와 인터뷰를 컴퓨팅 실천 루브릭으로 채점한 결과, 일화기록지를 통해 수집한 자료 등을 통계적으로 분석하였다. 질적 분석의 경우 학생들의 수업 참여 관찰, 학생대상 인터뷰, 산출물 및 활동지 분석 등을 통해 컴퓨팅 사고가 어떻게 나타나는지 특징과 의미를 도출하고자 하였다. 또한 개인의 컴퓨팅 사고의 변화를 보기 위한 단일사례연구를 실시하여 피지컬 컴퓨팅결과를 평가할 수 있도록 루브릭, 일화기록지, 인터뷰 항목 등을 개발하여 수업에 적용함으로써 각 평가도구들의 적용방안 및 특징 등을 파악하고자 하였다. 연구문제 2에서는 초등학교 6학년 학생을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용하였을 때 수업의 과정이 어떻게 나타났는지 살펴보았고, 그 결과는 다음과 같다. 첫째, 피지컬 컴퓨팅 수업에서는 학생들이 직접 로봇을 제작하고, 프로그래밍하는 활동을 포함하고 있어, 학생들은 전반적으로 높은 흥미도를 보였고, 활동 중에 어려움을 느끼더라도 포기하지 않는 현상이 나타났다. 특히 프로그래밍을 진행할 때 어려움을 느끼거나 문제해결이 잘 안될 때에는 로봇의 몸체를 수정하는 방법을 시도하는 양상이 나타나기도 하여, 학생들이 문제해결시 소프트웨어적 방법이 아닌 하드웨어적 방법으로 해결책을 시도하도록 지원하여 다양한 문제해결 방법을 실험할 기회를 제공한 것으로 파악되었다. 또한 학생들에게 제공된 레고 부품들은 규칙적인 형태를 가지고 있기 때문에 정교한 조립이 가능하여 학생들이 쉽게 조립하고 수정할 수 있어 실수에 대한 두려움을 감소시켜서 학생 스스로 반복적인 수정과 실험을 하도록 유도하는 양상이 나타나기도 하였다. 둘째, 피지컬 컴퓨팅 수업에 참여한 학생들은 실제적인 형태를 가진 로봇을 물리적으로 제어하는 과정을 통해 프로그램에서 활용되는 명령어들의 기능과 특징을 체험적으로 학습하면서 컴퓨팅 개념에서 다루고 있는 분해, 알고리즘, 추상화를 습득하게 되었다. 특히 실물로 구체화된 로봇을 제어하기 위해 직접 프로그래밍하는 방식은 자신의 생각을 컴퓨팅 기술로 구체화시킬 수 있는 기회를 제공하여 학생들이 컴퓨팅 사고를 발휘할 기회를 마련하였다. 셋째, 피지컬 컴퓨팅 수업에 참여한 학생들은 로봇과 실생활의 문제상황과 연결된 활동을 경험하면서 일상생활에 로봇이 적용된 사례에 대해 관심을 갖게 되었다. 특히 스쿨버스 수업에서 주위의 환경을 고려하여 버스의 이동경로를 구상하면서 미로탈출 수업과 비교하여 컴퓨팅 관점 중 활용에 대한 인식의 변화가 두드러지게 나타났다. 이는 일상의 변화 가능성을 포함한 수업 주제가 학생들의 컴퓨팅 관점에 대한 변화를 촉진한 것으로 분석되었다. 연구문제 3에서는 피지컬 컴퓨팅 수업을 경험한 초등학교 6학년 학생들의 컴퓨팅 사고가 어떻게 나타났는지 살펴보았고, 그 결과는 다음과 같다. 첫째, 컴퓨팅 개념 검사 결과에 따르면 사전 검사보다 사후 검사에서 통계적으로 유의미한 결과가 나타나 학생들이 피지컬 컴퓨팅 수업을 통해 컴퓨팅 개념의 향상이 나타난 것으로 분석되었다. 특히 알고리즘적 사고, 분해, 추상화의 개념이 복합된 문제에 대한 정답율이 높아진 것으로 분석되어 피지컬 컴퓨팅 수업은 컴퓨팅 개념을 이해하는데 도움이 되는 것으로 나타났다. 둘째, 피지컬 컴퓨팅 수업에서 나타난 컴퓨팅 실천을 살펴보면, 학생들은 알고리즘을 표현하는 과정을 통해 문제해결 방법을 구체화하고, 프로그래밍을 실시하면서 문제해결 방법을 실현하는 것으로 나타났다. 다만 성취도가 낮은 학생들의 경우 문제분석 단계에서 분해과정이 나타나지 않았으나 성취도가 낮은 학생들의 경우 문제에 포함된 조건들을 분해하여 단계적으로 표현하는 양상이 나타났다. 향후 문제를 어떻게 인식하고 정보와 조건을 어떻게 추출하는지에 따라 아이디어 찾기 및 알고리즘 표현의 양상이 달라짐을 고려할 때, 학생들에게 문제분해, 추상화, 알고리즘 형성과 관련한 활동에 대한 지도가 우선적으로 필요한 것으로 파악되었다. 특히 성취도가 높은 학생들의 경우 알고리즘을 바로 프로그래밍으로 전환하는 경향이 나타나 수행 후 오류수정시 어려움을 느끼는 점을 고려하여 알고리즘을 프로그램으로 전환하는 과정으로 단계적으로 접근하되 완성된 프로그램을 다시 알고리즘으로 전환하여 비교하는 과정을 시행하여 각자의 생각을 논리적으로 점검할 수 있는 기회가 필요하다는 것이 발견되었다. 컴퓨팅 실천에 대해서는 루브릭을 활용해 채점한 전체 평균점수에서 미로탈출 수업보다 스쿨버스 수업에서 향상이 나타났다. 또한 컴퓨팅 실천의 분석 결과는 학생들의 컴퓨팅 개념과 상관이 높은 것으로 나타나, 학생들이 실제 컴퓨팅 개념을 이해하였는지 파악하기 위해서 학생들의 컴퓨팅 실천을 분석하는 것이 필요할 것으로 나타났다. 셋째, 수업주제별로 나타난 컴퓨팅 관점의 변화를 살펴보면, 미로탈출 수업의 경우 컴퓨팅 관점의 하위요소인 표현에 대한 인식, 협력에 대한 인식, 활용에 대한 인식에 대해서 수업이 진행됨에 따라서 평균점수가 점차 증가하고 있음이 나타났다. 이에 비해 스쿨버스 수업의 경우는 표현에 대한 인식, 협력에 대한 인식, 활용에 대한 인식 모두에서 문제분석 및 아이디어 찾기 단계에서는 평균점수가 높게 나타났다가, 알고리즘 형식화 및 수행 단계에서는 낮아진 현상이 나타났다. 그리고 알고리즘 수행 및 반성 단계에서는 다시 평균점수가 높아지는 것으로 보고되었다. 한편, 컴퓨팅 실천과 컴퓨팅 관점의 관계를 살펴본 결과, 총점에서는 통계적으로 유의미하지 않았다. 그러나 스쿨버스 수업에서 나타난 컴퓨팅 실천은 컴퓨팅 관점의 하위영역 중 표현에 대한 인식 및 협력에 대한 인식과 상관이 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서 나타난 결과와 논의를 기반으로 하여 다음과 같이 결론을 도출하였다. 첫째, 피지컬 컴퓨팅 수업에서 물리적 모델을 구성하고 프로그래밍하는 과정은 학생들의 문제분해, 추상화, 알고리즘의 표현을 지원하는 활동이 되어 컴퓨팅 개념의 형성을 도울 수 있다. 로봇을 직접 제어할 수 있는 프로그래밍 활동은 자동화를 경험할 수 있도록 하여 피지컬 컴퓨팅 수업을 통해 컴퓨팅 개념에서 강조하는 추상화와 자동화의 요소를 경험할 기회를 제공하였다. 둘째, 피지컬 컴퓨팅 수업은 학생들로 하여금 하드웨어적인 방법(로봇)과 소프트웨어적인 방법(프로그래밍)으로 해결하는 방법을 찾아보면서 사고력과 컴퓨팅 기술의 조화를 경험할 수 있어 컴퓨팅 사고의 형성을 지원하게 되었다. 특히 일상생활의 문제 상황과 연계된 알고리즘의 형식화와 프로그래밍 활동은 컴퓨팅 실천을 통해 컴퓨팅 개념의 형성을 이끌어냈다. 셋째, 피지컬 컴퓨팅 수업을 경험한 학생들의 경우 로봇을 이용해 구체적인 산출물을 만들거나 표현할 수 있다는 컴퓨팅 관점의 변화가 나타났다. 특히 피지컬 컴퓨팅 수업은 학생들이 단편적으로 컴퓨팅 기능을 숙지하는 데 그치지 않고, 협력의 필요성을 인식하고 일상생활에서 직면하는 문제를 해결하기 위하여 로봇과 컴퓨터의 활용을 인식하는 계기가 되었다. 앞서 제시한 결론을 바탕으로 다음과 같이 제언하고자 한다. 첫째, 피지컬 컴퓨팅 수업에서 진행된 물리적 모델의 구성 및 프로그래밍을 통해 컴퓨팅 개념의 형성이 나타난 본 연구의 결과를 살펴볼 때, 자신의 멘탈 모델과 물리적 모델을 비교할 수 있는 컴퓨팅 실천 활동을 바탕으로 알고리즘의 형식화를 진행하여 컴퓨팅 개념의 형성을 지원하는 것이 중요하다. 특히 규칙적인 형태의 정교한 작업이 가능한 매체의 활용은 학생들로 하여금 로봇의 움직임을 구현할 수 있도록 지원하며, 조립과 분해, 재조립이 가능한 유형의 매체는 학생들이 로봇 제작에 대한 두려움을 감소시켜서 실수를 하더라도 포기하지 않고 반복적인 실험과 오류수정이 가능하게 하였다. 피지컬 컴퓨팅 수업에서 정교하고 정확한 기술의 구현 및 센서를 이용한 정보의 활용이 중요한 만큼 최적화된 매체를 제공하여 학생들에게 미래기술의 가능성을 보여줄 수 있는 기회를 마련해야 할 것이다. 둘째, 소프트웨어 교육을 실시할 때, 컴퓨팅 사고의 핵심요소인 추상화와 자동화로 고려하여 문제분해, 추상화, 알고리즘적 사고를 포함한 컴퓨팅 개념을 바탕으로 자동화 단계를 접근하는 것이 필요하다. 피지컬 컴퓨팅 수업에 참여한 학생들의 경우 문제를 어떻게 인식하는지에 따라 아이디어의 다양성, 알고리즘의 형성이 달라지는 양상이 나타난 점을 고려할 때, 문제상황을 분해하고, 핵심을 파악하는 추상화 단계에 대한 교육이 우선되어야 할 것이다. 다만 초등학생의 발달 수준을 고려하여 문제에 대한 인식 및 추상화 유형이 달라질 수 있으므로 유치원 연령 및 초등 저학년을 대상으로 피지컬 컴퓨팅 수업을 적용하여 컴퓨팅 사고가 어떻게 나타나는지 비교해보는 후속 연구가 필요하다. 셋째, 피지컬 컴퓨팅 수업이 학생들의 컴퓨팅 관점 변화에 영향을 미치고 있다는 측면을 고려해볼 때, 인지적 측면만이 아니라 정성적 측면의 변화를 위해서 다른 연령을 대상으로 한 후속연구가 필요하다. 또한 본 연구가 단기간 진행된 점을 고려하여 향후 장기적인 연구를 통해 컴퓨팅 관점의 변화를 어떻게 달라지는지, 관점의 변화가 컴퓨팅 개념과 실천에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다. 넷째, 본 연구가 남학생을 대상으로 실행된 점을 고려한다면, 이를 보완하기 위해 여학생을 대상으로 성별의 차이가 있는지를 확인하는 후속 연구가 필요하다. 또한 연구 참여자들의 대부분이 관련 경험이 있는 점을 고려해볼 때, 로봇 및 교육용 소프트웨어 언어에 대한 경험이 없는 학생들을 대상으로 연구가 진행되어야 할 것이다. 다섯째, 본 연구에서 모듈형 피지컬 컴퓨팅 도구를 사용한 점을 고려하여 향후 다른 유형의 피지컬 컴퓨팅 도구를 활용하여 모듈형 도구와 비교하여 초등학생에게 적합한 도구 유형과 적용방안에 대한 후속 연구가 필요하다. 특히 도구의 특성과 사전경험 유무에 따른 컴퓨팅 사고 변화에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.