랜덤 포레스트를 활용한 고등학교 교사의 수업 개선 활동에 영향을 미치는 요인 분석

Abstract

본 연구는 고등학교 교사의 수업 개선 활동 예측 요인에 대한 종합적이고 체계적인 검토를 통해 수업 개선 활동 관련 정책에 대한 실증적 자료를 제공하고자 수행되었다. 이에 사회 과학 분야에서 활발하게 사용되고 있는 예측 모형 중 하나인 랜덤 포레스트를 활용하여 수업 개선 활동에 대한 예측 요인을 분석하였다. 또한 고등학교 교사의 수업 개선 활동과 함께 수업 개선 활동 저조 교원을 예측하는 요인을 탐구하기 위해 랜덤 포레스트 회귀 분석과 분류 분석을 실시하였으며, 해당 과정에서 수업 개선 활동의 세부 유형을 활동의 특성에 따라 개인 차원, 학교 차원, 교육청 차원의 수업 개선 활동으로 구분하였다. 수업 개선 활동 저조 교원 분류 기준의 경우 교사 근무성적 평정 및 교육공무원 승진 규정을 바탕으로, 하위 10%에 해당할 경우 수업 개선 활동 저조 교원으로 분류하였다. 이를 바탕으로 한 본 연구의 연구 문제는 다음과 같다. 1. 고등학교 교사의 수업 개선 활동을 예측하는 주요 요인은 무엇인가? 2. 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 예측하는 주요 요인은 무엇인가? 3. 수업 개선 활동과 수업 개선 활동 저조 교원을 예측하는 공통 요인과 차별 요인은 무엇인가? 분석에는 경기교육종단연구(GEPS)의 9차년도 패널 데이터를 활용하여 교사의 수업 개선 활동 관련 문항을 결과 요인으로, 이와 함께 학생, 학부모, 교장, 학교 및 학교 DB 데이터를 활용하여 설명 요인으로 설정하였다. 랜덤 포레스트 분석과 관련한 초 모수(hyper-parameter) 설정의 경우, Breiman(2001)의 연구를 토대로 랜덤 포레스트 회귀 모델에 대해 설명 요인의 개수/3 으로, 랜덤 포레스트 분류 모델에 대해 로 를 설정하였다. 또한, 선행연구 검토 및 본 분석 모델의 의사결정나무 개수에 따른 오차율 변화 추이 검증을 통해, 500개의 가 적절한 값이라 판단하였다. 랜덤 포레스트 분류 모델 데이터의 경우 교사 개인 차원과 학교 차원 데이터에서 클래스 불균형이 발생하여 랜덤 오버샘플링 작업을 시행하였다. 이상을 바탕으로 한 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 랜덤 포레스트 회귀 모델을 활용한 교사의 수업 개선 활동 주요 예측 요인으로 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 교수 효능감, 교사 개인의 협력과 함께 교직 경력, 공개 수업에 대한 긍정적 인식, 학교 활력 등의 요인이 확인되었으며, 일부 요인을 제외하면 전반적으로 수업 개선 활동과 정적 관계를 보이고 있었다. 둘째, 개인 차원 수업 개선 활동 주요 예측 요인은 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 교내 정규 교원 중 교직 경력 20년 이상 30년 미만 교원 비율, 교사 개인의 협력 요인과 함께 교사의 사기 및 열의, 교수 효능감 등이 확인되었다. 이 중 업무 조직 및 분장 관련 학교 평균 의사 결정 권한을 포함한 8개 요인은 결과 요인과 부적 관계였으며, 이 외 예측 요인의 경우 결과 요인에 대해 정적, 혹은 부적-정적 관계로 확인되었다. 셋째, 학교 수준 수업 개선 활동에 대한 예측 요인은 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 교수자 중심 수업 활동, 학교 평균 학교 만족도 요인과 함께 교수 효능감, 교사의 사기 및 열의 등이 확인되었다. 이 중 학교 평균 만족도를 포함한 6개 요인은 정적-부적 관계였으며, 나머지 요인의 경우 전반적으로 정적 관계를 보이고 있었다. 넷째, 교육청 차원의 수업 개선 활동과 관련하여, 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 학습자 중심 수업 활동, 교사의 사기 및 열의 요인과 함께 교수자 중심 수업 활동, 학교장 지도성 등의 요인이 주요 예측 요인으로 확인되었다. 이 중 상당수(27개) 요인은 결과 요인과 정적 혹은 부적-정적 관계로 확인되었다. 랜덤 포레스트 회귀 분석 결과 수업 개선 활동을 공통으로 예측하는 요인은 다음과 같다. 첫째, 개인, 학교, 교육청 차원의 공통 예측 요인은 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 교장 지도성, 학교 평균 의사 결정 권한이었다. 둘째, 개인 차원과 학교 차원의 수업 개선 활동과 관련한 공통 주요 예측 요인은 교사의 사기 및 열의, 교수 효능감 등 총 6개로 확인되었다. 셋째, 개인 차원과 교육청 차원의 수업 개선 활동 간의 공통 요인은 학교 평균 학교 만족도, 교사 개인의 협력, 교장 지도성 요인이 확인되었다. 넷째, 학교 차원과 교육청 차원의 수업 개선 활동 간 공통 요인은 학교 평균 의사 결정 권한, 학교 평균 학교 만족도 요인이 있었으며, 이 중 학교 평균 학교 만족도의 경우 각 결과 요인과의 관계에 있어 상반된 경향을, 학교 평균 의사 결정 권한은 유사한 관계성을 보였다. 수업 개선 활동 관련 하위 10% 교원, 즉 수업 개선 활동 저조 교원 분류와 관련한 랜덤 포레스트 분류 모델의 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 수업 개선 활동 저조 교원에 대한 랜덤 포레스트 분석 결과, 교사 개인의 협력, 학생들의 수업 집중도, 학교 평균 교사 협력 요인과 함께, 학생의 교실 내/외 비행 빈도, 교내 전문적 학습공동체 참여 교원 비율 등의 요인이 수업 개선 활동 저조 교원을 예측하는 주요 요인으로 확인되었다. 이중 교내 학습공동체 참여 교원 비율을 제외한 나머지 요인의 경우 부적 혹은 정적-부적 관계로 확인되어 해당 요인의 척도 값이 증가할수록 수업 개선 활동 저조 교원으로 분류될 가능성은 감소하는 경향을 보였다. 둘째, 개인 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 예측 요인 분석 결과, 학생들의 수업 이해도, 교내 석사 이상 교원 비율, 교직 경력과 함께, 교수자 중심 수업 활동, 학교 평균 교사 협력 등의 요인이 수업 개선 활동 저조 교원 주요 예측 요인으로 확인되었다. 위 설명 요인 모두 결과 요인과 부적 혹은 정적-부적 관계로 나타났다. 셋째, 학교 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 예측하는 요인은 교사 개인의 협력, 교수자 중심 수업 활동, 교직 만족도와 함께 공개 수업에 대한 긍정적 인식 등이 확인되었으며, 학교 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 예측하는 요인 또한 결과 요인과 부적, 정적-부적 관계로 확인되었다. 넷째, 교육청 차원의 수업 개선 활동 저조 교원을 예측하는 요인은 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 교사 개인의 협력, 학습자 중심 수업 활동, 교수 효능감, 교수자 중심 수업 활동 등이 확인되었으며, 이 중 교수자 중심 수업 활동, 교사 개인의 의사 결정 권한, 학교 평균 의사 결정 권한 요인과 관련한 일부 요인은 교육청 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류에 있어 정적 관계로 나타났다. 랜덤 포레스트 분류 모델 결과 개인 차원, 학교 차원, 교육청 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 모두 공통적으로 예측하는 요인은 확인되지 않았으며, 개인-학교 차원, 개인-교육청 차원, 학교-교육청 차원에 대한 공통 예측 요인은 다음과 같다. 첫째, 개인 차원과 학교 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 공통적으로 예측하는 요인은 교사 개인의 협력과 학교 단위 협력, 교직 만족도, 개인의 의사 결정 권한 관련 요인 등 총 10개였으며, 모두 공통적으로 결과 요인과의 관계에 있어 부적 혹은 정적-부적 관계를 보이고 있었다. 둘째, 개인 차원과 교육청 차원의 수업 개선 활동에 대한 공통 예측 요인은 교수자 중심 수업 활동, 교사 개인의 의사 결정 권한, 교내 정규 고원 중 교직 경력 10년 미만 교원 비율 요인으로 확인되었다. 셋째, 학교 차원과 교육청 차원의 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 공통적으로 예측하는 요인은 학습자 중심 수업 활동, 학교 평균 의사 결정 권한 요인이었으며, 각 결과 요인과의 관계 또한 부적-정적, 정적으로 확인되어 유사한 양상이 나타났다. 최종적으로 각 유형별 수업 개선 활동에 대한 예측 요인을 랜덤 포레스트 모델 간 비교 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. 첫째, 교사의 수업 개선 활동과 관련하여 공통적으로 확인된 예측 요인은 교수 학습 방법에 대한 교사 개인의 협력과 기타 교육활동(방과 후, 특기 적성) 편성 및 운영 관련 학교 평균 의사 결정 권한이었다. 둘째, 개인 차원 수업 개선 활동의 경우 공개 수업 확대로 인해 반성과 고민을 더 하게 된 공개 수업에 대한 긍정적 인식, 교원 업무 조직 및 업무 분장 관련 학교 평균 의사 결정 권한 요인이 공통 예측 요인으로 확인되었다. 셋째, 학교 차원은 학교의 교사-학생 간 관계에 대한 교사 개인의 만족도, 교실 당 평균 학생 수, 기타 교육활동 편성 및 운영 관련 학교 평균 의사 결정 권한, 교사 전입 요청 및 전보 유예 관련 교사 개인의 의사 결정 권한이 공통 예측 요인으로 분석되었다. 넷째, 교육청 차원 수업 개선 활동 공통 예측 요인은 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여 여부, 학생들이 스스로 수업 목표를 찾아낼 수 있도록 수업을 진행하는 학습자 중심 수업 활동, 교사 및 학부모와 교육 목표를 공유하는 교장 지도성 등 총 10개 요인이었으며 1개 요인을 제외한 나머지 요인의 경우 교육청 차원의 수업 개선 활동을 긍정적인 방향으로 예측하는 관계를 보이고 있었다. 랜덤 포레스트 회귀 모델과 분류 모델을 활용한 수업 개선 활동 및 수업 개선 활동 저조 교원 분류를 예측하는 요인을 탐색한 결과, 교사의 협력, 학교 구성원과의 관계 형성 및 유지, 의사 결정 권한 강화, 학교 활력과 교장의 지도성, 학습자 중심 수업 활동을 수업 개선 활동과 관련한 핵심 요인으로 선정하였다. 한편, 수업 개선 활동의 요구는 수업이라는 교사 고유의 업무에 대한 전문성을 제고할 것을 목적으로 하고 있으며, 이는 교사에 대한 책무성 강화에 해당할 것이다. 이와 함께 자율성과 책무성은 밀접한 관계가 있다는 점에서 아래와 같이 수업 개선 활동과 관련한 핵심 요인을 바탕으로 한 결론을 작성하였다. 첫째, 랜덤 포레스트 회귀 및 분류 모델 분석 결과, 학교 안/밖 전문적 학습공동체 참여, 교수 활동 및 학생 지도, 그리고 행정 업무에 대한 협력 활동 참여는 모두 교사의 수업 개선 활동과 정적인 관계가 있었다. 따라서, 교사들이 상호 간의 협력을 통해 학교라는 조직에 대한 소속감을 느끼고, 이를 통해 소속 조직과 업무에 대한 책무성을 느끼는 것이 수업 개선 활동에 중요한 요소로 작용할 수 있도록 유도해야 한다. 둘째, 연구 결과 랜덤 포레스트 회귀 모델과 분류 모델에서 학교 평균 의사 결정 권한 요인이 교사의 개인, 학교, 교육청 차원의 수업 개선 활동에서 주요 예측 요인으로 부각되었으므로, ‘교사 협의회’와 같은 단위 학교 의사 결정 기구를 조직하고 법제화하여 교사들이 적극적으로 의사 결정에 참여하고 이를 통해 소속 학교에 대해 주인의식을 가질 수 있도록 환경을 조성할 필요가 있다. 셋째, 랜덤 포레스트 회귀 모델과 분류 모델 모두에서 학교 관련 이해 관계자와 교사 간의 관계에 대한 만족도가 교사의 개인, 학교, 교육청 차원의 수업 개선 활동과 관련한 주요 예측 요인으로 확인되었다. 따라서, 교사 연수 프로그램 내 대인 관계의 형성과 유지 혹은 정서 역량 내용을 추가하여 교사가 구성원과의 관계를 다루는 능력을 기를 수 있는 교육 지원을 통해 교사의 학생, 학부모, 동료 교사, 교감·교장 등 학교 구성원과의 관계에 대한 만족도를 제고해야 할 것이다. 넷째, 학습자 중심 수업 활동은 수업 개선 활동 저조 교원 분류의 주요 예측 요인으로 확인되었다. 수업 개선 활동과 교사의 수업 활동의 유형 간의 관계는 기존의 선행 연구에서 다루어지지 않거나 주요 요인에 포함되지 않은 측면이 있음에도 불구하고, 본 연구에서 학습자 중심 수업 활동이 수업 개선 활동 저조 교원 예측의 주요 요인으로 주목한 점은 의미가 있을 것이다. 이에 추후 수업 개선 활동과 관련한 정책을 제·개정함에 있어 수업 활동의 측면을 조명할 필요가 있을 것이며, 이와 함께 학교 현장에서의 학습자 중심 수업 활동에 대한 독려와 지원이 필요할 것이다. 다섯째, 학교 활력 관련 요인은 개인, 학교, 교육청 차원의 수업 개선 활동에 대한 차별 예측 요인으로 확인되었으며, 학교 활력 관련 요인은 결과 요인들과 모두 정적 관계를 가진 것으로 확인되었다. 따라서, 교사의 수업 개선 활동이라는 직무 수행이 이행되기 위해 교사들이 새로운 아이디어를 더 많이 제안하고 긍정적이며 활력 있는 학교 조직 문화가 형성되어야 한다. 여섯째, 연구 결과 교육청 차원의 수업 개선 활동과 교장 지도성이 주요 예측 요인으로 확인됨과 동시에 정적 관계가 확인되었다. 학교장은 학교의 변화를 이끌어내는 결정적인 존재이므로 긍정적인 지도성의 발휘와 함께 자율성이 보장되는 학교 문화의 조성에 힘써야 할 것이며, 정책적으로 효과적인 교장 지도성이 발휘될 수 있도록 지속적인 교육 및 모니터링이 필요할 것이다.;This study aimed to provide empirical evidence for policy development related to class improvement activities by conducting a comprehensive and systematic review of predictive factors associated with high school teachers' classroom improvement activities. To achieve this, the study utilized the random forest, one of the predictive models widely used in the field of social sciences, to analyze the factors predicting classroom improvement activities. Additionally, random forest regression and classification analyses were applied to explore the factors predicting low-performing teachers in instructional improvement activities, along with high school teachers' instructional improvement activities. Throughout this process, the specific types of instructional improvement activities were classified into individual, school, and educational authority levels based on the characteristics of the activities. The criterion for classifying teachers as low-performing in instructional improvement activities was based on the evaluation of teachers' performance and educational officer promotion regulations, with the bottom 10% classified as low-performing teachers in instructional improvement activities. Based on this, the research questions of this study are as follows: 1. What are the key factors predicting high school teachers' classroom improvement activities? 2. What are the main factors predicting the classification of teachers with low classroom improvement activities? 3. What are the common and distinctive factors predicting classroom improvement activities and teachers with low classroom improvement activities? The analysis utilized panel data from the 9th wave of the Gyeonggi Education Panel Survey (GEPS). The hyper-parameter settings related to random forest analysis were informed by Breiman's(2001) research. Due to class imbalances in the data from individual and school dimensions, random over-sampling was conducted. Based on these considerations, the main findings of this study are as follows. First, key predictive factors for teachers' instructional improvement activities were identified using the random forest regression model, including participation in professional learning communities within or outside the school, teacher efficacy, and individual teacher collaboration, showing an overall positive relationship with instructional improvement activities. Second, major predictive factors at the individual level included participation in professional learning communities within or outside the school, the proportion of regular teachers with teaching experience of 20 to 30 years within the school, and individual teacher collaboration. Eight of these factors were found to have an inverse relationship with the outcome factors, while the remaining factors showed either a positive or an inverse-positive relationship with the outcome factors. Third, predictive factors for school-level activities included participation in professional learning communities within or outside the school, teacher-centered instructional activities, and the average school satisfaction. Six of these factors showed an inverse-positive relationship with the outcome factors, while the rest of the factors exhibited an overall positive relationship. Lastly, in relation to educational authority-level activities, factors such as participation in professional learning communities within or outside the school, learner-centered instructional activities, and teacher morale and enthusiasm were identified. A substantial number (27) of these factors were found to have a static or inverse-positive relationship with the outcome factors. Meanwhile, the common predictive factors for instructional improvement activities identified through the random forest regression analysis were as follows. Firstly, the common predictive factors across the individual, school, and educational authority levels included participation in professional learning communities within or outside the school, leadership of the principal, and the average decision-making authority of the school. Secondly, common major predictive factors related to instructional improvement activities at the individual and school levels were teacher morale and enthusiasm, and teacher efficacy, totaling 6 factors. Thirdly, the common factors across the individual and educational authority levels included the average school satisfaction, individual teacher collaboration, and leadership of the principal. Fourthly, the common factors between the school and educational authority levels included the average decision-making authority of the school and the average school satisfaction, with the former exhibiting a contrasting trend with the outcome factors and the latter showing a similar relationship. The analysis results of the random forest classification model regarding the classification of teachers with low classroom improvement activity are as follows: First, the results of the random forest analysis on teachers with low classroom improvement activities revealed factors such as teacher collaboration, students' classroom engagement, and the school's average teacher collaboration, most of which showed an inverse or static-inverse relationship with the outcome factors. Second, the analysis at the individual level identified factors including students' comprehension of the lessons, the proportion of teachers with a master's degree or higher within the school, and teaching experience, all of which displayed an inverse or static-inverse relationship with the outcome factors. Third, the analysis at the school level indicated that factors such as teacher collaboration, teacher-centered instructional activities, and teaching satisfaction were associated with the outcome factors, demonstrating an inverse or static-inverse relationship. Fourth, the predictors for teachers with low classroom improvement activities at the school level included the participation in professional learning communities inside or outside the school, teacher collaboration, and learner-centered instructional activities, some of which were found to have a static relationship with the classification of teachers with low classroom improvement activities at the school level. The common predictive factors identified by the random forest classification model results are as follows. First, the common predictive factors at the individual-school level include teacher collaboration, school-level collaboration, teaching satisfaction, totaling 10 factors, all of which exhibited an inverse or static-inverse relationship with the outcome factors. Second, the common predictive factors at the individual-school level were identified as teacher-centered instructional activities and teachers' decision-making authority. Third, the common predictive factors at the school-school level were learner-centered instructional activities and the school's average decision-making authority, and the relationship with each outcome factor was also found to be inverse-static or static, indicating a similar relationship. The results of the comparative analysis conducted between random forest models for each type of instructional improvement activity are as follows. First, the common predictive factors identified in relation to teachers' instructional improvement activities were teacher collaboration and the school's average decision-making authority. Second, at the individual level, positive perceptions of public classes and the school's average decision-making authority were identified as common predictive factors. Third, at the school level, teacher satisfaction with the school and the average number of students per classroom were analyzed as common predictive factors. Fourth, at the school level, the participation in professional learning communities inside or outside the school and learner-centered instructional activities were among the 10 factors, with all factors except one indicating a positive relationship with instructional improvement activities at the school level. The conclusions of this study are as follows: Firstly, the analysis of random forest regression and classification models revealed that participation in professional learning communities within and outside the school, teaching activities and student guidance, as well as collaborative engagement in administrative duties, all demonstrated a significant association with teachers' classroom improvement activities. Hence, it is imperative to encourage teachers to foster a sense of belonging within the organization of the school through mutual collaboration. This could facilitate a sense of commitment towards the organizational mission and responsibilities, thereby influencing classroom improvement activities positively. Second, the research findings highlighted the factor of school-level decision-making authority as a prominent predictive factor in teachers' individual, school, and district-level classroom improvement activities within both the random forest regression and classification models. Consequently, there's a necessity to establish and institutionalize unit-level school decision-making bodies like 'faculty councils' through legislation. This would facilitate active participation of teachers in decision-making processes, fostering a sense of ownership towards their respective schools. Third, satisfaction levels regarding the relationship between school stakeholders and teachers emerged as a significant predictive factor for teachers' individual, school, and district-level classroom improvement activities in both the random forest regression and classification models. Hence, it becomes imperative to enhance teacher satisfaction concerning relationships with students, parents, fellow teachers, as well as school administrators, by incorporating elements within teacher training programs that focus on interpersonal relationship development and emotional competency. This would help teachers in cultivating relationship-building skills, ultimately enhancing satisfaction levels within the school community. Fourth, The learner-centered classroom activities have been identified as a primary predictive factor in the classification of deficient instructional improvement activities among teachers. Particularly, within educational administrative efforts for instructional enhancement, they emerged as shared predictive factors in both random forest regression and classification models. Despite aspects of the relationship between instructional improvement activities and types of teaching activities not previously addressed or included as significant factors in prior research, the emphasis placed on learner-centered classroom activities as a leading predictor for inadequate instructional improvement among educators is noteworthy. Hence, illuminating the aspects of teaching activities in future policy formulation or revision related to instructional improvement becomes essential. Additionally, encouragement and support for learner-centered classroom activities within school settings would be imperative. Fifth, to facilitate the execution of teachers' classroom improvement activities, there is a necessity for teachers to propose more innovative ideas and for a positive and vibrant school organizational culture to be established. This is vital to ensure the effective execution of teachers' responsibilities in classroom improvement activities. Sixth, the research findings identified a static relationship between district-level classroom improvement activities and principal leadership. Therefore, principals should strive not only to exhibit positive leadership but also to create a school culture that ensures autonomy, reinforcing the cultivation of positive leadership along with an autonomous school culture.