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자유학기제 연계 로봇활용 소프트웨어교육의 효과

Title
자유학기제 연계 로봇활용 소프트웨어교육의 효과
Other Titles
Effect of Educational Robotics-Assisted Software Education in Exam-Free Semester System
Authors
전정아
Issue Date
2020
Department/Major
대학원 교육공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
이정민
Abstract
현재 우리 사회는 3R(읽기, 쓰기, 셈하기) 능력이 중시되었던 산업화 시대를 지나 소프트웨어 기술이 일상을 지배하는 미래 사회로 진입하고 있다. 미래 사회에서는 혁신 기술들이 ICT를 바탕으로 한 소프트웨어를 통해 구현될 것으로 예상되면서(구진희, 2017) 학습자에게도 새로운 역량이 요구되고 있는데, 특히 컴퓨팅 사고력(computational thinking)이 미래 학습자가 갖추어야 할 역량으로 주목받고 있다. 컴퓨팅 사고력이란 컴퓨터 과학의 개념을 기반으로 문제를 해결하고 시스템을 디자인하며, 인간의 행동을 이해하는 사고과정을 말한다(Wing, 2006). 소프트웨어교육(이하 SW교육)은 학습자들이 문제를 컴퓨팅 사고력을 기반으로 해결할 수 있는 역량을 기르는 교육으로(노지예, 이정민, 2017), 추상화와 자동화 과정 학습을 통해 컴퓨팅 사고력을 향상시키는 것을 목표로 한다. 사회적으로 점차 SW역량을 갖춘 인재가 주목받음에 따라(교육부, 2015) 이와 같은 SW교육에 대한 중요성도 함께 부각되고 있다. 우리나라에서도 정규교육 과정 내 SW교육이 의무화 되는 등 SW교육이 확대 실시되고 있는 실정이다. 그러나 SW교육은 교육의 특성상 컴퓨터 언어에 대한 사전지식이 필요하며 학습과정에서 논리적 사고력과 같은 고등사고력이 요구된다. 이 때문에 초보 학습자의 경우 학습에 어려움을 겪는 경우가 많으며(김태희, 강문설, 2010), 높은 수준의 인지적 사고능력을 요구되는 시점에서 학습을 포기하거나 흥미를 잃는 학습자가 나타난다(김혜진, 서정현, 김영식, 2016). 이러한 경우 학습자는 프로그래밍에 대한 부정적 인식을 가질 수 있으며(김종한, 최현종, 김태영, 2011), 나아가 SW교육 도중 낙오되는 학습자가 발생할 수 있다. 따라서 SW교육의 궁극적 목표인 컴퓨팅 사고력 향상이라는 목표를 달성하기 위해서는 학습자가 SW교육을 지속할 수 있도록 하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 학습자가 SW교육에 대한 높은 흥미와 자기효능감을 갖도록 하는 것이 도움이 될 수 있다. 자기효능감은 학습자가 학습을 지속하여 심화학습으로 나아가는데 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며(Schunk et al., 2008) 흥미 또한 이러한 자기효능감과 깊은 관련이 있는 것으로 알려져 있기 때문이다(조붕환, 2011). 따라서 성공적인 SW교육을 위해서는 학습자가 높은 자기효능감과 흥미를 갖는 것이 중요하다고 할 수 있다. 로봇은 SW교육에서 학습자의 높은 자기효능감을 형성하고 흥미를 유지하는데 활용할 수 있는 효과적인 도구이다. 로봇은 학습자에게 조작적인(hands-on) 경험을 제공하며, 학습자가 과제를 수행하면서 새로운 지식을 구성하는 능동적인 학습 과정에 참여할 수 있도록 한다(Anwar, Bascou, Menekse, & Kardgar, 2019). 또한 로봇은 추상적인 정보를 이해하는 데 도움을 주며(Eguchi, 2014), 협력적 학습을 지원한다(Burbaite, Stuikys, & Damasevicius, 2013). 선행연구에 따르면 SW교육에서 이러한 로봇을 활용하는 것은 학습자들의 흥미와 자기효능감 그리고 인지적 능력 향상에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다(김태희, 강문설, 2010; 노지예, 박광현, 2019; 박정호, 2014; Aritajati, Rosson, Pena, Cinque, & Segura. 2015; Çankaya, Durak, & Yünkül, 2017; Kim & Lee, 2019). 한편, 미래 사회의 학습자에게 새로운 역량이 요구됨에 따라 교육 현장에서도 새로운 교육적 처방을 필요로 하였다. 기존의 교육방식이 미래 인재 육성에는 적합하지 않다는 조사 결과가 발표됨에 따라(윤수린, 2014; OECD, 2016) 교육의 패러다임이 전환되어야 한다는 요구가 대두되었다. 이러한 요구에 부응하기 위하여 2015년 교육부는 자유학기제를 전면 도입하였다. 자유학기제란 중학교 과정 중 한 학기 또는 두 학기 동안 학생 참여형 수업을 실시하고 다양한 체험 활동을 중심으로 교육과정을 운영하는 제도를 말한다(교육부, 2019). 자유학기제는 교과활동과 자유학기 활동으로 구분되며, 자유학기 활동에는 진로탐색, 주제선택, 동아리, 예체능 등 4가지 활동이 있다. 이중 주제선택 활동은 학생 수요 중심의 선택형 심화교육과정으로(교육부, 2015), 다양한 주제융합 수업이 가능하여 자유학기제 연계 학기에서도 우선 시행되는 등 정책적으로 중요한 활동이다. 이러한 자유학기 활동으로 SW교육 또한 권장되고 있으나(교육부, 2015) 선행연구에 따르면 자유학기제 연계 SW교육과 관련된 콘텐츠와 인프라가 매우 부족하여(길현영, 임인수, 송재욱, 윤종혁, 2017; 김민석, 2018) 현재로서는 교육의 성과를 판단하기 어려운 실정인 것으로 나타났다. 이에 따라 본 연구에서는 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 프로그램을 설계하고 이를 중학생에게 적용하여 그 효과를 검증해보고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서 상정한 연구문제는 다음과 같다. 연구문제 1. 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육은 중학생의 컴퓨팅 사고력을 향상시키는가? 연구문제 2. 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육은 중학생의 자기효능감을 향상시키는가? 연구문제 3. 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육은 중학생의 흥미를 향상시키는가? 위와 같은 연구문제를 검증하기 위하여 본 연구에서는 주제선택 활동용 로봇활용 SW교육 프로그램을 개발하고 이를 서울 시내 4개교의 중학생에게 직접 적용하였다. 프로그램 개발 시 학습을 지원하기 위한 로봇으로는 LEGO MINDSTORM EV3를 활용하였으며, 프로그래밍 언어로는 LEGO MINDSTORM 소프트웨어를 사용하였다. 프로그램 설계 시 거시적 설계전략으로는 창의적 문제해결(CPS: Creative Problem Solving)모형과(Parnes, 1967) ARCS 모형을(Keller, 1987) 사용하였으며, 미시적 설계전략으로는 4C/ID(Four-Component Instructional Design) 모형을(Van Merriënboer, Clark, & De Croock, 2002) 활용하였다. 개발된 프로그램은 총 8차시로 내용 전문가 1인과 교육공학 전문가 1인의 검수를 받았으며, 파일럿 테스트 진행 후 프로그램의 내용과 구성을 확정하였다. 본 연구의 프로그램에 참여한 연구 대상자는 서울 시내 중학교 1학년 77명이었으며, 사전 설문 결과 대부분의 학생이 별도의 컴퓨터 교육이나 프로그래밍 교육, 로봇활용 교육 경험이 없는 것으로 나타났다. 프로그램에 대한 설문은 프로그램 시작일과 종료일에 각각 진행되었으며, 자료는 모두 익명으로 수집하여 분석하였다. 본 연구에서는 제시한 가설을 검증하기 위하여 SPSS 23.0 프로그램을 활용하여 대응표본 t-검정을 실시하고 모두 유의수준 .05 수준에서 분석하였다. 수집된 데이터를 바탕으로 사전-사후 분석을 실시한 결과 컴퓨팅 사고력과 자기효능감, 흥미가 모두 유의하게 상승한 것으로 나타났으며, 컴퓨팅 사고력의 경우 협동심을 제외한 모든 하위요인(창의성, 비판적 사고력, 알고리즘 사고력, 문제해결력)이 유의하게 상승한 것으로 나타났다. 프로그래밍 교육 경험 여부에 따라 분석했을 때에는 교육 경험이 없는 경우에만 컴퓨팅 사고력이 유의하게 향상된 것으로 나타났으며, 하위변인 별로 살펴본 결과 협동심을 제외한 모든 영역이 유의하게 향상된 것으로 나타났다. 자기효능감의 경우 전체 학습자의 자기효능감은 유의하게 향상된 것으로 나타났으나, 교육 경험 여부로 분석했을 때에는 컴퓨팅 사고력과 마찬가지로 프로그래밍 교육 경험이 없는 경우에만 유의하게 향상된 것으로 나타났다. 흥미의 경우 교육 경험 여부와 관계없이 모든 학습자의 흥미가 유의하게 향상된 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 바탕으로 논의한 바는 다음과 같다. 첫째, 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 프로그램은 중학생의 컴퓨팅 사고력 향상에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이와 같은 효과는 프로그램의 설계적 특성에서 비롯된 것으로 해석할 수 있다. 먼저 본 연구에서는 학습자와 SW교육의 특성을 고려하여 비주얼 언어와 로봇을 학습지원도구로서 활용하였다. 이는 학습자들의 자신이 프로그래밍한 내용을 쉽게 파악하고 수정할 수 있도록 하여 학습자의 디버깅 과정 수행을 지원하였다. 또한 설계 전략으로는 학습자가 과제 수행 시 다양한 문제해결 방안을 찾아내고 검토할 수 있도록 하기 위해 창의적 문제해결모형(Parnes, 1967)을 활용하였다. 이는 확산적 사고와 수렴적 사고를 반복하며 문제를 해결할 수 있도록 지원하는 모형으로 학습자의 창의성과 문제해결력, 비판적 사고력, 알고리즘 사고력 향상에 기여하였다고 할 수 있다. 이러한 연구 결과는 컴퓨팅 사고력 함양을 위해서 프로그램 설계 시 학습자들이 실제적인 문제를 접할 수 있도록 하며, 확산적 사고와 수렴적 사고의 반복을 통해 알맞은 해결책을 스스로 찾아낼 수 있도록 적절한 설계 전략을 반영하는 것이 중요하다는 것을 시사한다. 한편, 컴퓨팅 사고력의 하위변인 중 협동심의 경우 사전-사후 검사 결과 평균 점수는 상승하였으나 그 차이가 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 이미 사전 검사에서 학습자의 협력 성향이 매우 높은 것으로 나타났었던 것을 고려할 때, 이는 8차시라는 짧은 기간으로 인해 프로그램이 충분한 영향력을 미치지 못했기 때문으로 짐작된다. 그러나 로봇이 협력적 학습을 지원하는 도구임을 고려할 때(Burbaite, Stuikys, & Damasevicius, 2013; Igona & Jubilee, 2017; Liu, Lin, & Chang, 2010) 장기적으로 교육이 이루어진다면 로봇활용 SW교육이 학습자의 협동심 향상에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대할 수 있다. 둘째, 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 프로그램은 중학생의 자기효능감 향상에 효과적인 것으로 나타났으며, 특히 교육 경험이 없는 학습자의 자기효능감 향상에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 프로그램 설계 시 연구대상자 대부분이 초보 학습자라는 점을 고려하여 다양한 전략을 활용한 것이 유효했던 것으로 해석할 수 있다. 먼저 본 연구의 프로그램에서는 학습자이 겪을 수 있는 어려움을 최소화하기 위해 로봇과 아이콘 기반의 소프트웨어를 사용하였으며, 협력학습 기회를 제공하여 성취경험과 대리경험을 축적할 수 있도록 하였다. 또한 4C/ID 모형을(Van Merriënboer et al., 2002) 활용하여 수업 시간동안 보조 교사를 비롯하여 아이패드 등 다양한 학습지원도구를 사용할 수 있도록 하였다. 이러한 교실 내 지원이 학습자에게 성취경험과 정서적 각성 기회를 제공하여 학습자의 자기효능감 형성에 기여한 것으로 보인다. 그러나 관련된 교육 경험이 있는 학습자의 경우 자기효능감이 유의하게 향상하지 않은 것으로 나타나 이러한 처치가 교육 경험이 있는 학습자에게는 만족스러운 성취경험이나 정서적 각성 기회를 제공하지 못한 것으로 짐작된다. 이와 같은 연구 결과는 로봇활용 SW교육 시 학습 과정 중 학습자의 성취경험 축적과 정서적 각성을 위한 다양한 학습지원이 이루어져야할 필요가 있다는 점을 시사한다. 셋째, 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 프로그램은 교육 경험과 관계없이 중학생의 흥미 향상에 항상 효과적인 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 학습자의 상황적 흥미를 유발하고자 조작적 경험이 가능한 로봇을 활용한 것이 효과적이었음을 나타낸다. 또한 설계적 측면에서는 매 차시 ARCS 모형(Keller, 1987)을 활용하여 동기를 유발할 수 있는 수업을 제공하고, 학습자가 자신의 성과를 기록할 수 있는 유의미한 학습 경험을 제공한 것이 흥미 향상에 기여한 것으로 해석할 수 있다. 이와 같은 연구 결과는 SW교육에서 로봇 활용의 효과를 직접적으로 제시하며, 긴 시간동안 이루어지는 자유학기 활동의 특성을 고려하여 교육 프로그램을 설계할 필요가 있다는 것을 시사한다. 위와 같은 본 연구 결과는 자유학기제 맥락에서 로봇활용 SW교육이 중학생의 컴퓨팅 사고력과 자기효능감, 흥미 향상에 기여할 수 있음을 실증적으로 검증하였다는 점에서 의의가 있으며, 다음과 같은 설계적 시사점을 제공한다. 첫째, 로봇활용 SW교육 설계 시에는 컴퓨팅 사고력 함양이라는 궁극적 목표를 달성할 수 있도록 적절한 학습모형을 반영해야 한다. SW교육은 프로그래머 양성이 아니라 컴퓨팅 사고력 함양을 목표로 한다. 따라서 단순히 컴퓨터 언어와 문법을 학습하는 것뿐만 아니라 학습 과정에서 이를 활용하여 문제를 해결하는 경험을 하는 것이 중요하다. 이때 학습자가 유의미한 문제해결경험을 하기 위해서는 학습자의 삶과 관련된 실제적인 문제를 제공될 필요가 있으며, 문제해결과정을 수행하면서 초보 학습자가 어려움을 겪는 경우가 많다는 점을 고려하여(김태희, 강문설, 2010) 다양한 학습 지원 전략이 활용되어야 한다. 또한 본 프로그램이 적용된 자유학기제의 경우 집약적으로 긴 시간을 활용할 수 있다는 장점이 있으나, 이로 인한 집중력과 흥미 저하 등의 문제가 발생할 수 있었다. 따라서 이러한 점을 고려할 때 효과적인 로봇활용 SW교육을 위해서는 프로그램 설계 시 교육의 특성과 적용 맥락을 모두 고려하고 이를 설계에 반영하는 것이 필요하다. 둘째, 로봇활용 SW교육의 설계 시 교육의 특성을 고려하여 학습지원도구로서 적절한 로봇을 선정하는 것이 중요하다. 로봇은 흥미로운 도구이나 자칫 학습자에게 추가적인 인지적 부담으로 작용할 수 있다(양창모, 2014; 이은경, 이영준, 2008). 로봇의 설계나 조립이 학습자에게 새로운 과제로 인식될 수 있기 때문이다. 또한 SW교육에서 가능한 활동의 종류나 방법이 로봇에 따라 달라질 수 있으므로, SW교육에서 로봇은 프로그래밍 결과를 구현하는 수단이라는 점을 고려하여 적절한 도구를 선정하는 것이 중요하다. 셋째, 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 설계 시에는 다양한 학습 수준의 학습자가 자발적으로 교육에 참여한다는 점을 고려하여 과제의 수준을 세분화하여 제공할 필요가 있다. 또한 이러한 과제 구성 시에는 다양한 상호작용이 발생할 수 있도록 구성하여 협력학습을 가능케 하는 것이 필요하다. 본 연구는 자유학기제 연계 로봇활용 SW교육 프로그램의 효과성을 실증적으로 검증하였다는 데 의의가 있으나 다음과 같은 제한점이 있다. 먼저 본 연구는 자발적인 신청자를 대상으로 진행되었기 때문에 연구자가 성별과 같은 연구 대상자의 특성을 통제할 수 없었다. SW교육의 경우 교육의 성과가 성별에 따라 다르게 보고되는 경우가 많은 만큼(박주연, 2019; 배영권, 2007; 이정민 외, 2017) 후속 연구에서는 성별 특성을 통제하여 진행할 필요가 있다. 둘째, 본 연구는 단일집단만을 대상으로 진행하였으며 동일한 검사지로 사전-사후 검사를 실시하였다. 따라서 후속 연구에서는 오류를 최소화하기 위하여 다양한 통제방법을 사용할 필요가 있다. 셋째, 본 연구는 현장의 제약으로 인하여 8차시 수업만을 진행하였으며, 자기보고식 설문만을 사용하였다. 그러나 인지적 성과는 장기간의 관찰이 필요한 만큼 16차시 프로그램을 적용해볼 필요가 있으며, 관찰과 같은 질적 연구 방법을 추가적으로 적용하여 다층적으로 연구 결과를 분석해 본다면 보다 깊이 있는 시사점을 도출할 수 있을 것으로 예상된다. 이와 같은 점을 기반으로 후속 연구에 제언하고자 하는 바는 다음과 같다. 첫째, 후속 연구에서는 다양한 변수를 통제한 환경에서 본 프로그램을 적용하고 그 효과를 검증해볼 필요가 있다. 또한 처치 기간을 연장하여 컴퓨팅 사고력과 같은 인지적 변인의 변화 양상을 장기간 살펴볼 필요가 있다. 둘째, 후속 연구에서는 자기보고식 설문 외에 다양한 질적 연구 방법을 활용하여 본 연구에서 활용한 프로그램의 시사점이 무엇인지 추가적으로 규명해볼 필요가 있다. 셋째, 자유학기제의 시행 취지가 학생들의 진로 개발 및 진로 선택과 관련이 큰 만큼 장기적인 관점에서 본 프로그램이 학생의 진로 선택에 어떠한 영향을 미치는지 추가적으로 검증해볼 필요가 있다. ;The 3R (reading, writing, and counting) skills were important in the industrialization era, but now, as software technology dominate daily life, new capabilities were required for learners. In particular, in the future society, as innovative technologies are expected to be implemented through software based on ICT(Koo, 2017), the ability to utilize software, including computational thinking, is gaining attention as a new learner competency. Computational thinking is a series of thinking processes that solve problems, design systems, and understand human behavior based on the concepts of computer science(Wing, 2006). Software education (here in after referred as SW education) is an education in which learners develop their ability to solve problems based on computational thinking (No ji-yee, Lee Jung-min, 2017), and aims to improve computational thinking through learning abstracts and automation process. The importance of SW education is also being highlighted as more and more people with SW capabilities are getting important(Ministry of Education, 2015). However, SW education requires prior knowledge of computer language due to the characteristic of SW education and requires higher-level thinking skills such as logical thinking. For this reason, novice learners often have difficulty in learning (Kim & Kang, 2010), also learners often give up the course or lose their interest when they required a high level of cognitive thinking skills(Kim, Seo, & Kim, 2016) during problem solving process. In this case, learners may have a negative perception of programming(Kim, Choi, & Kim, 2011), also can dropout the course. Therefore, to achieve the ultimate goal of SW education, which is improving computational thinking, it is necessary to enable learners to continue SW education. To this end, it may be helpful to ensure that learners have a high level of interest and a high sense of self-efficiency in SW education. Self-efficacy is known to influence the learners to continue their learning and to start further study(Schunk et al., 2008). Therefore, it is important for learners to have high level of self-efficacy and interest for successful SW education. Educational Robotics can be used as an effective tool to maintain learners' self-efficacy and interest in SW education. Robotics provide a hands-on experience for learners and allow them to participate in active learning processes that compose new knowledge while performing tasks(Anwar, Bascou, Menekse, & Kardgar, 2019). Educational Robotics also help to understand abstract information(Eguchi, 2014) and support collaborative learning(Burbaite, Stuikys, & Damasevicius, 2013). Previous studies have shown that the use of such robots in SW education has a significant impact on improvement of learners' interest and cognitive thinking skills(Durak, & Yünkül, 2017; Noh & Park, 2019; Yeon & Cho, 2014; Kim & Lee, 2019; Kim & Kang, 2010). On the other hand, as new capabilities are required for learners in the future society, new educational prescriptions are needed in the field. Calls arose for a shift in the paradigm of education following the release of a survey result that existing education methods were not suitable for the development of future learner(Yoon, 2014; OECD, 2016). In order to meet these demands, in 2016, Exam-Free Semester system was fully introduced. The Exam-Free Semester system refers to a system in which running student-centered class during one or two semesters of middle school courses and operating a curriculum centering on various experiential activities(Ministry of Education, 2019). Exam-Free Semester system is divided into curriculum activities and Exam-Free Semester activities. There are four activities for Exam-Free Semester activities: career exploration, subject selection, clubs, and art, music and physical education activities. Among these, the subject selection activity is an optional deepening curriculum focused on student demand(Ministry of Education, 2015). SW education is also recommended for these Exam-Free Semester activities (Ministry of Education, 2015). However, according to previous studies, there is a lack of contents and infrastructure related to SW education in Exam-Free Semester System (Kil, Lim, Song, & Yoon, 2017; Kim, 2018) so, it is difficult to judge the result of SW education in Exam-Free Semester. Therefore, in this study, we designed an effective robot-assisted SW education program for Exam-Free Semester and applied it to middle school students to verify the effect. The research questions in this study are as follows. Research Question 1. Does robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester improve middle school students' computational thinking ability? Research Question 2. Does robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester improve middle school students‘ self-efficacy? Research Question 3. Does robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester improve middle school students‘ interests? In order to verify this, this study developed a robot-assisted SW education program for subject selection activities and applyed it directly to four middle schools' students. LEGO MINDSTORM EV3 and LEGO MINDSTORM software were used as robots to support learning during program. The macro design strategy for this program was the Creative Problem Solving (CPS) model (Parnes, 1967) and the ARCS model (Keller, 1987). The micro design strategy was 4C/ID model(Van Merriënboer, Clark, & De Croock, 2002). The developed program was a total of eight classes and inspected by one content expert and one educational technology expert. Also the program was confirmed after the pilot test. The participants of this study were 77 first-year middle school students in Seoul, and the preliminary survey showed that most students had no experience in computer education, SW education, or robotics education. The questionnaire on the program was conducted at the start and end of day of the program, and all data were collected and analyzed anonymously. For the analysis program, SPSS 23.0 program was used. In this study, to test the presented hypothesis, a t-test was performed and analyzed at the significance level of .05. As a result, it was revealed that there was the statistically significant effects in all variables: computational thinking, self-efficacy, and interest. In the case of computational thinking, all sub-variable (creativity, critical thinking, algorithm thinking, problem solving) except cooperative thinking increased significantly. Also the computational thinking improved only when students don't have programming education experience. As a result of examining by sub-variables, all areas except cooperative thinking were significantly improved when students don't have programming education experience. In the case of self-efficacy, the self-efficacy of the whole learners was significantly improved, but when analyzed by experience of programming education, it was significantly improved only in case that students' don't have programming education experience. In the case of interest, the interests of all learners were significantly improved regardless of experience. Based on these results, we discussed the followings. First, robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester was found to have a positive effect on the improvement of computational thinking of middle school students. This can be interpreted as the use of the following strategies: First, in this study, visual language and educational robot were used as supportive learning tools and these tools were selected by considering the characteristics of learner and SW education. This helped learners to perform their debugging process by making it easier for them to check and modify their own programming. In addition, as a design strategy, the creative problem solving model (Parnes, 1967) was used to enable learners to find and review various problem solving methods when performing tasks. CPS model helps learners to solve problems by repeating diffuse and convergent thinking. This process of thinking contribute to the improvement of creativity, problem solving, critical thinking, and algorithmic thinking of learners. These findings suggests that it is important for learners to encounter real-world problems in programs to develop computational thinking. Also it is important to apply appropriate design strategies to helps learners to find appropriate solutions by repeating diffuse and convergent thinking. On the other hand, in the case of cooperative thinking, the score was increased but the difference was not statistically significant. Considering that the preliminary examination already showed a very high cooperative tendency of learners, it is presumed that the program did not have sufficient influence because of the short period of 8 hours. However, given that educational robotics can support collaborative learning (Burbaite, Stuikys, & Damasevicius, 2013; Igona & Jubilee, 2017; Liu, Lin, & Chang, 2010), It can also be expected to have a positive impact on improving cooperative thinking. Second, robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester was found to be effective in improving self-efficacy for middle school students. Especially, self-efficacy of learners without programming education experience was significantly improved. This is because of using various strategies in consideration of the fact that the subject is a novice learner when designing a program. First of all, in this program, robot and icon-based software were used to minimize the difficulties that learners can experience, and cooperative learning opportunities were provided to accumulate achievement and surrogate experiences. In addition, the 4C / ID model (Van Merriënboer et al., 2002) was used to enable a variety of supportive learning tools such as an assistant teacher and an iPad during the class. This support in classroom seems to have contributed to the formation of learners' self-efficacy by providing them successful learning experiences and emotional arousal opportunities. However, the self-efficacy did not improve significantly for the learners with related educational experiences, suggesting that such treatments did not provide satisfactory achievement or emotional arousal opportunities for learners with programming education experiences. The results of this study suggest that it is necessary to provide various learning support for accumulating learner's achievement experience and emotional arousal during the learning process of robot-assisted SW education. Third, robot-assisted SW education in Exam-Free Semester System have always been effective in improving interests of middle school students regardless of their educational experience. These results indicate that it was effective to utilize robots with hands-on experience to induce the learners' situational interest. In addition, in terms of design, the use of the ARCS model (Keller, 1987) provides motivational lessons and provides a meaningful learning experience for learners to record their achievements. These findings directly suggest the effects of robot-assisted in SW education, and suggest that it is necessary to design educational programs in consideration of the characteristics of Exam-Free Semester activities for a long time. The results of this study are meaningful in that the robot-assisted SW education can contribute to the improvement of computational thinking, self-efficacy, and interest of middle school students in the context of the Exam-Free Semester System. First, when designing robot-assisted SW education, an appropriate learning model should be reflected to achieve the ultimate goal of cultivating computational thinking. SW education aims to cultivate computational thinking, not to train programmers. Therefore, it is important not only to learn computer language and grammar, but also to have a problem solving experience in the learning process. In order to have a meaningful problem solving experience, learners need to provide practical problems related to the learner's real life, taking into account that many beginner learners have difficulties while performing the problem solving process (Kim, & Kang, 2010). Also a variety of learning support strategies should be used. In addition, in the Exam-Free Semester System, teacher can use long time than usual class, but this may cause problems such as low concentration and interest. Therefore, considering these points, it is necessary to consider both the characteristics of the education and the application context in the design of the program and reflect it in the design for effective robot-assisted SW education. Second, it is important to select an appropriate educational robotic as a supportive learning tool in consideration of the characteristics of education when designing robot-assisted SW education. Robotics can be an interesting tool or an additional cognitive burden on learners (Yang, 2014; Lee, & Lee, 2008). This is because the design or assembly of the robot can be recognized as a new task for the learner. In addition, since the types and methods of activities possible in SW education may vary depending on the robot, it is important to select an appropriate tool in consideration of the fact that robots are a means for implementing programming results. Third, robot-assisted SW education for Exam-Free Semester needs to provide the level of the task in detail, considering that learners at various levels. Learners participate in the training voluntarily, so the level of knowledge could be different. In addition, it is necessary to organize various interactions during the task to enable collaborative learning. This study is meaningful in that it proves the effectiveness of robot-assisted SW education program in Exam-Free Semester System, but has the following limitations. First, since this study was conducted on voluntary applicants, the researcher could not control the characteristics of the study subjects such as gender. In the case of SW education, the results of education are often reported differently according to gender (Park, 2019; Bae, 2007; Lee et al., 2017). Second, this study was conducted on a single group only and pre-post tests were performed with the same test paper. Therefore, further research needs to use various control methods to minimize errors. Third, this study conducted only the 8 classes due to the limitation of the field condition, and used only self-report questionnaire. However, cognitive performance needs to be applied to the 16 classes program as long-term observation is required, and further implications can be derived if analyzing the research results by applying qualitative research methods such as observation. Based on these points, I would like to suggest the following research. First, in the follow-up studies, it is necessary to apply the program in a controlled environment and verify its effectiveness. In addition, it is necessary to extend the treatment period to examine the changes in cognitive variables such as computing thinking for a long time. Second, in the follow-up studies, it is necessary to further investigate the implications of the programs used in this study by using various qualitative research methods in addition to self-report questionnaires. Third, as the intention of implementing the free semester program is related to the career development and career choice of students, it is necessary to further verify how the program affects career choice in the long term.
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