고등학교수학중심 융합인재교육(STEAM) 수업프로그램 개발 및 적용

Abstract

우리나라의 2015 개정 교육과정에서는 창의적인 인재양성을 위한 융합인재교육(STEAM)을 적극적으로 반영하고 있어, 이와 관련한 구체적인 방법에 대한 논의가 필요하다. 기존에 개발된 STEAM 프로그램은 과학, 기술, 공학 분야를 중심으로 하는 접근과 초등학교를 대상으로 이루어진 연구가 대부분이므로(이지혜, 2014; 고영욱, 2015), 고등학교 수학중심 STEAM 프로그램을 개발해야 할 필요가 있다. 특히, 교사들이 교육과정 재구성과 수업 준비로 인해 STEAM 교육에 대한 부담을 느끼는 것을 고려하여 STEAM 프로그램 중 수업을 중점적으로 개발하고자 하였다. 따라서 본 연구는 고등학교 수학중심 융합인재교육(STEAM) 수업프로그램의 개발 및 적용으로 주제를 선정하였다. STEAM 수업 설계를 위한 모형으로 김진수(2012)의 PDIE(Preparation, Development, Implementation, Evaluation)모형을 활용하였으며, 다음과 같이 연구 문제를 설정하였다. 1. PDIE모형으로 고등학교수학중심 STEAM 수업프로그램을 개발할 수 있는가? 2. 개발된 STEAM 수업프로그램들과 이를 적용한 수업에 대한 평가는 어떠한가? 가. 개발된 STEAM 수업프로그램 중 ‘A-아킬레스와 거북이의 경주’프로그램을 적용한 수업에 대한 학생의 만족도와 이해정도는 어떠한가? 나. 개발된 STEAM 수업프로그램(A~F)과 A프로그램을 적용한 수업에 대한 교사의 평가는 어떠한가? 연구문제 1을 해결하기 위해 PDIE모형 중 P(준비), D(개발) 단계를 본 연구의 취지에 맞게 일부 수정하여 적용한 결과, 6개의 STEAM 수업 프로그램(A-아킬레스와 거북이의 경주, B-가장 넓은 땅 얻는 방법, C-김태희 얼굴의 비밀, D-혈액형 색칠하기, E-그림문자 제작하기, F-훈맹정음을 아시나요?)을 개발하였다. 연구문제 2를 해결하기 위해 PDIE모형 중 I(실행), E(평가) 단계를 거쳤다. I(실행) 단계에서 개발된 STEAM 수업 프로그램 중 ‘A-아킬레스와 거북의 경주’프로그램을 2016년(1차, 연구자 수업 참여, 1개 학급-24명)과 2017년(2차, 연구자 수업 비참여, 1개 학급-23명)의 2차례에 걸쳐 수업에 적용하였다. E(평가) 단계에서 개발된 STEAM 수업 프로그램의 평가를 위해 적용 수업에 대한 (1, 2차 A수업 대상) 학생 만족도 조사, (2차 A수업 대상) 학생 내용이해도 검사, (A~F 프로그램 대상) 교사 프로그램 평가, (2차 A수업 대상) 학생과 교사의 초점집단면담(focus group interview)을 진행하였다. 연구문제 2의 학생 및 교사 평가 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, A 수업에 대한 학생 만족도 조사에서 2016년과 2017년도 모두 평균점수가 5점 만점에 3.4 이상 4.5 이하였다. 이로써 A 수업에 대한 학생의 만족도가 보통 이상인 것으로 나타났다. 둘째, A 수업과 관련한 학생 내용이해도 평가는 10명 중 9명의 학생들이 문제를 흥미롭게 받아들이고 다양한 정답 및 오답의 형태를 나타내었다. 이와 관련된 학생들의 면담 결과, A 수업은 내용, 창의적 활동, 파지 면에서는 적합했으나 기하적 정당화의 필요성을 인식시키기에는 역부족임을 알 수 있었다. 셋째, 학생의 초점집단면담에서 A 수업을 포함한 STEAM 수업의 장단점에 대한 의견을 들을 수 있었다. 장점은 다양한 교과의 융합으로 관심없던 교과에도 관심을 둘 수 있고, 수업이 흥미로우며, 협력학습이 가능하다는 것이다. 또한 준거지향평가와 성장지향평가를 지향하고, 학습내용이 오래 기억되며, 창의적 사고가 가능하다. 단점은 모둠학습과 관련하여 봉효과와 무임승차효과가 발생할 수 있고, 창의적 설계를 위한 시간이 부족하게 설계되었다는 점이다. 또한 이벤트성의 STEAM 수업으로 그칠 때, 심화 문제해결이 어려울 수 있고 수학에 대한 꾸준한 흥미로 연결되지 못할 우려가 있다. 이러한 단점은 모둠 평가방식의 개선과 교육과정에 적절히 연계된 STEAM 수업 설계의 필요성을 시사한다. 넷째, 교사 프로그램 평가는 STEAM 평가와 수학교육과정 평가로 구성되었다. A~F 프로그램 모두가 평정척도 5점 만점에 4.5점 이상으로 긍정적이며, 그 중 E, A, F 프로그램이 내림차순으로 우수하다. STEAM 평가에서 타요소에 비해 창의성, 산출물, 평가방법의 구체화 부분은 낮은 점수를 받았다. 수학교육과정 평가에서 문제해결, 추론, 창의융합, 의사소통은 A 프로그램이 우수하며, 정보처리는 E 프로그램이 우수하고, 태도 및 실천은 B 프로그램이 우수함을 알 수 있다. 다섯째, 교사의 초점집단면담을 통하여 STEAM 및 A 프로그램에 대한 심도있는 의견을 들을 수 있었다. A 프로그램의 장점은 스토리텔링의 영어지문으로 흥미와 호기심을 유발하여 수학 문제해결을 위한 진정성 있는 상황을 제공한다는 것이다. 그리고 수학의 실용성을 알 수 있어 동기유발이 가능하다. 또한 도형으로 증명하기와 기하학적 패턴을 통해 감각적이고 직관적인 학습이 가능하여 수학을 쉽게 느낄 수 있다는 장점이 있다. 2차 A 수업은 1차 A 수업과 비교하여 수준조정, 시간배분, 모둠구성 등이 변화되었으며, 이러한 변화를 통해 학생의 참여율을 높일 수 있었다. A 수업의 결과는 STEAM과 수학교육과정의 두 관점에서 해석할 수 있다. STEAM 관점에서 교육목표는 충분히 달성되었고, 실제적이고 의미있는 상황이 제시되었으며, 창의적 설계 및 감성적 체험은 구체물을 사용하는 흥미로운 경험을 제공하였다. 그러나 과정평가가 이루어졌다고 보기에는 미흡하며 수행평가와 연계되지 못한 부분도 보완되어야 한다. 또한 산출물이 학생의 주도로 다양하게 형성될 수 있도록 가능성을 열어두어야 한다. 수학교육과정 관점에서는 6가지 수학교과역량이 고루 반영되었다고 판단하였다. 본 연구에 참여한 많은 교사들은 프로그램의 평가계획에 대해 보완할 것을 제안하였는데, 그 내용은 ‘평가항목의 세분화, 과정평가와의 연계, 수행평가와의 연계’로 이를 반영한 프로그램의 개선이 필요하다. 그리고 본 연구에서 적용되지 않은 B~F 프로그램을 수업에 적용한 후 평가하는 연구가 필요하다. 또한 본 연구에서 개발되지 않은 과목의 내용 영역이나 대단원마다 학습할 수 있는 다양한 고등학교 수학중심 융합수업프로그램의 개발 및 적용에 대한 연구를 후속 연구로 제언한다.; In Korea's 2015 revised school curriculum, STEAM education for creative talent training is included extensively and it is necessary to discuss specific methods related to STEAM. Since the STEAM programs developed in the past are mostly based on science, technology, and engineering(Lee Ji-hye, 2014; Ko Yeong-uk, 2015), it is necessary to develop STEAM program for high school mathematics. In particular, considering that teachers are burdened with STEAM education due to curriculum restructuring and class preparation, it is intended to develop a STEAM program centered on instruction. Therefore, this study selected topics by developing and applying STEAM instructional program focusing on high school mathematics. The PDIE(Preparation, Development, Implementation, Evaluation) model of Jinsoo Kim(2012) was used as a model for STEAM class design. The following research questions were set up in this research. 1. Can a high school math-centered STEAM instructional program be developed using the PDIE model? 2. What is the evaluation of the STEAM program and the class that the program is applied to? 2-1. What is the degree of student satisfaction and understanding of the ‘A- Achilles and Turtle Race’ program? 2-2. What is the teacher's assessment of the STEAM instructional program (A~F) and the class that the A-program is applied to ? In order to solve the above research problem 1, the six programs (A- Achilles and Turtle Race, B- How to get the widest land, C- Kim Tae-hee's face secret, D- blood type coloring, E- Producing pictograms, F- Do you know about hun-maeng-jeong-um?) were developed. In order to solve the above research problem 2, ‘A- Achilles and Turtle Race’ program was applied to the class two times in 2016(1st, researcher participation, 1 class - 24 students) and 2017(2nd, researcher non-participation, 1 class -23 students). To evaluate the developed STEAM instructional program, student satisfaction survey(for 1st and 2nd class A), student content understanding test(for 2nd class A), teacher program evaluation (for the A to F programs), and focus group interview of students and teachers (for 2nd class A) were conducted. The evaluation results of Study Question 2 can be summarized as follows. First, the student satisfaction survey on the A program applied to the class showed that the average score was 3.4 to 4.5 in 2016 and 2017. This can be interpreted as a score above average. Second, the students' understanding of the contents related to the A class was evaluated by 11 students in the preliminary test, and many students did not feel interested in solving the problem. However, in this test, which was conducted on 10 students, 9 students were interested in the problem and showed various correct answers and wrong answers. As a result of the students' interviews, it was found that the A class was suitable for content, creative activity, and grasp but was not enough to recognize the necessity of the geometrical justification. Third, in Focus Group Interview of 6 students (2 groups of 3 students) participated in the 2nd class A, we could hear the advantages and disadvantages of STEAM class including A class. The advantage is that students can be interested in a variety of subjects, classes are interesting, collaborative learning is possible, subject-oriented evaluation and growth-oriented evaluation are pursued, learning contents are long-remembered, and creative thinking is possible. The disadvantage is that students with high ability in group learning can produce the results only, some students can take advantage of the team's results without putting any effort, lack of time for creative design, difficulty in solving various complicated problems, It doesn’t result to a steady interest in mathematics. This suggests the need to consider the improvement of the assessment method and the balance between STEAM and general instruction. Fourth, as a result of evaluating teacher's program evaluation scale and overall evaluation, all programs received positive evaluation of 4.5 points or more out of 5 points of rating scale. E, A, F were the most favorable results. In terms of STEAM evaluation, the score of creativity, output, and specification of evaluation method were lower than those of other factors. In terms of evaluation of mathematics curriculum, A-program is dominant in problem solving, reasoning, creative fusion and communication. And E-program is dominant in information processing, B-program is dominant in attitude and practice. Fifth, I could hear the in-depth opinions about STEAM and A program through Focus Group Interview with STEAM specialist teacher, coaching English teachers who participated in 1st and 2nd class A, mathematics teachers who participated in 2nd class A. One of the advantages of the A program is that the storytelling form of English scripts leads to interest and curiosity and serves as authentic material for solving mathematical problems. And it is possible to motivate by knowing that mathematics is necessary knowledge in real life. Also through geometric patterns and geometrical patterns, students can feel intuitively and feel math easier. In the second A class, the difficulty level adjustment, time allocation and group composition were changed, unlike the first A class, and this change was able to increase the participation of the students. As a result of the application of A class, the positive evaluations in terms of the STEAM, are the attainment of educational goal, presenting practical and meaningful situation, creative design and emotional experience providing interesting experience using concrete objects. On the other hand, it should be complemented by student-led various outputs, process evaluation, and relevance with performance evaluation. In terms of mathematics curriculum, it was found that the six mathematical competencies such as problem solving, reasoning, creative fusion, communication information, processing, attitude and practice were well reflected. In the follow - up study, it is suggested to improve the program reflecting the evaluation results of the A - F program, evaluate the B - F program by applying it to the class, and develop various STEAM class programs.