공과대학 프로젝트 기반 수업에서 학습성과에 영향을 미치는 변인들 간의 구조적 관계 분석

Abstract

Rapidly changing global economic structures and advances in science and technology require that changes be made to the curriculum of engineering education in order to train future engineers who can lead technology innovation through multidisciplinary cooperation and to prepare them for the challenges of the new century. However, engineering education is facing criticism of failing to meet the needs of the rapidly changing industry, further weakening the corporate competitiveness. In order to overcome the situation, many of engineering schools in Korea have participated in the accreditation of engineering education to assure the quality of engineering education and to enhance the professional competences of the graduates. According to the guidelines of the Accreditation Board for Engineering Education of Korea(ABEEK), which has newly adjusted the direction of engineering education toward a market oriented and design focused training curriculum, all accredited institutions are required to offer capstone design courses. However, Korea has a comparatively short history in capstone design education. Therefore, although difficulties from the perspective of both educators and learners have been reported, due to insufficient experience and difficulty with problem solving procedures, research related to on these issues remains limited. To provide solutions to this problem, it is necessary to generate important implications for effective course design and management. In to accomplish this, requires pragmatic research investigating factors that affect learners’ satisfaction and learning outcome in capstone design projects. In this study, based on the Expectancy-Value Model and the Input-Process-Output Model, a hypothetical model was created composed of problem-solving efficacy, task value, teamwork competence, and task authenticity as exogenous variables, and learners’ satisfaction and learning outcome as endogenous variables. The purpose of this study is to investigate factors that affect learners’ satisfaction and learning outcomes and the causal relationship of those in engineering capstone design courses, and to suggest strategies for effective design and classroom management. According to the purposes of this study, specific research questions are as follows. 1. In engineering project-based learning, do problem solving efficacy, task value, teamwork competence, and task authenticity affect learners’ satisfaction? 2. In engineering project-based learning, do problem solving efficacy, task value, teamwork competence, task authenticity, and learners’ satisfaction affect learning outcome? Participants were engineering students enrolled in capstone design courses at four universities located in Seoul during autumn semester, 2014. A survey was distributed two week before the end of the course. The proposed model was tested with final 363 samples using the Structural Equation Modeling method. Analysis for descriptives, including the validity and reliability was conducted and multivariate normality and correlation was checked. Then, the measurement model was tested using confirmatory factor analysis. Next step was to test the structural model. Finally, the direct and indirect effects were examined to test the hypothesis. Indirect effect was tested using the bootstrapping method. The major findings of this study are as follows. First, task value and task authenticity were the only variables that exerted significant effects on learners’ satisfaction. Second, problem solving efficacy, teamwork competence, task authenticity, and satisfaction exerted significant effects on learning outcome, while task value did not. To further build on these findings, recommendations for future study are as follows. First, an increase in the sample size from various regions is required to improve the generalizability of the findings. Second, the measurement of the learning outcomes should be elaborate, including rubric, peer review, evaluation from instructor, etc., to overcome the limitation of the instrument. Third, group level variables should be added to the model, in order to investigate causal relationship between personal and group level variables. Last, this study suggests the importance of extended research to investigate differences between high and low achievement groups by multi-group analysis. Practical implications from the results are as follows. First, the effects of problem solving efficacy on learning outcome has shown the importance of motivational factors in the problem solving phase. Therefore, support to foster problem solving efficacy is needed, with a long term perspective through cooperation of all sectors of society, including family, school, government, and the media. The example of these efforts could be an education system that nurtures positive and mastery experiences, sharing success cases with peers, providing process oriented feedback, etc. Second, direct and indirect effects of task value on satisfaction and learning outcome imply the importance of providing tasks that can give learners situational interest. Also, instructional strategies that impress learners’ utility value of the task and provide environments where learners can share that value, are needed. Third, the direct effect of teamwork competence on learning outcome suggests that there is a need in higher education to include teamwork training in their curriculum. Moreover, teamwork related research should be expanded to the academic setting to investigate factors that affect the formation of teamwork competence. Fourth, the significant role of task authenticity on satisfaction and learning outcome suggests the importance of providing authentic task and authentic learning environment. Authenticity can be enhanced through cooperation with industry, interaction with field experts, multidisciplinary team composition, etc. Last, the finding of learner satisfaction as a key factor in successful learning in capstone design course suggests a direction for future study. Future study should be focused on investigating factors that are critical in learners’ satisfaction in project based learning environments. In conclusion, one contribution of this study is testing the theoretical models that can be used for capstone course design. This study also raised practical implications and new directions for future study in order to improve learners’ satisfaction and learning outcomes in capstone design education.;급변하는 세계 경제 구조와 과학기술의 발전 속에 공학교육은 여러 분야와 융합하여 신산업 분야의 기술혁신을 주도하고 미래의 변화에 대처할 수 있는 공학인력 양성이 그 핵심이 되고 있다. 그러나 현재 이공계는 우수 학생 유치에 대한 어려움과 동시에 급변하는 산업현장의 요구에 부응하지 못하여 기업 경쟁력 약화를 초래하고 있다는 지적을 받고 있는 현실이다. 이러한 문제점에 대한 자구책으로 국내 공과대학은 공학교육의 질 제고와 국가 경쟁력을 갖춘 인력 양성을 목표로 공학교육인증제도를 도입하여 운영하고 있다. 수요지향적 교육방향을 제시하고 있는 공학교육인증원은 설계교육에 비중을 두고 산업체의 요구를 반영한 캡스톤 디자인 과목의 이수를 의무화하고 있다. 그러나 우리나라의 경우, 캡스톤 디자인 교육의 역사가 서구 선진국에 비해 상대적으로 짧아 수업설계와 운영에 대한 경험부족, 학습방법의 생소함과 어려움 등으로 인해 교수자 및 학습자들의 고충이 보고되고 있음에도 불구하고 관련 연구는 제한적인 상황이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 효율적인 수업설계와 운영 방식의 창출 등 교육공학적 접근이 필요하며 이에 앞서 만족도와 학습성과에 영향을 미치는 요인 규명에 대한 실증적 연구가 선결되어야 한다. 이에 본 연구에서는 인지적 동기 이론의 대표적 모형인 기대가치모형(Expectancy-Value Model)을 기반으로 하여 문제해결효능감과 과제가치를 도출하고 팀 성과 관련 연구의 이론적 틀이 되어 온 투입-과정-산출 모형 (Input-Process-Output Model)에서 팀워크역량을 도출하였다. 또한 구성주의 학습환경에서 강조되고 있는 과제실제성 변인을 모형에 추가하여 연구모형을 상정하고 프로젝트 기반 수업인 캡스톤 디자인 과목에서 학습자의 만족도와 학습성과에 영향을 미치는 요인과 그 상대적 영향력을 규명하여 효율적인 수업설계와 운영방안을 제안하고자 하였다. 이와 같은 연구배경과 목적에 따라 본 연구에서 설정된 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 1. 공과대학 프로젝트 기반 수업에서 문제해결효능감, 과제가치, 팀워크역량 및 과제실제성은 만족도에 영향을 미치는가? 2. 공과대학 프로젝트 기반 수업에서 문제해결효능감, 과제가치, 팀워크역량, 과제실제성 및 만족도는 학습성과에 영향을 미치는가? 본 연구를 위해 서울시내 소재 4개의 공과대학 중 한국공학교육인증 전공심화 프로그램을 운영하고 있는 학과의 2014년 2학기 캡스톤 디자인 과목 수강생 363명을 대상으로 설문조사를 실시하여 자료를 수집하였다. 수집된 자료의 가설적 모형의 부합도 검증과 변인 간의 인과관계 분석을 위해 구조방정식 모형(Structural Equation Modeling) 통계 방법이 사용되었다. 분석 절차는 측정도구의 신뢰도와 타당도 검증 후 기술통계분석을 통해 다변량정규분포정상성과 상관관계를 확인하였으며 확인적 요인분석(Confirmatory Factor Analysis)을 통해 측정도구의 타당도와 측정모형의 부합도를 검증하였다. 이후 구조모형의 부합도를 검증하고 변인 간의 직·간접효과를 분석한 후 부트스트래핑(Bootstraping) 방식을 사용하여 간접효과의 유의성을 검증하였다. 연구문제에 따른 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 첫 번째 연구문제인 공과대학 프로젝트 기반 수업에서 학습자들의 문제해결효능감, 과제가치, 팀워크역량 및 과제실제성이 만족도에 미치는 영향력을 살펴본 결과, 과제가치와 과제실제성이 만족도에 유의한 영향을 미쳤으며 만족도에 대한 과제실제성의 영향력이 과제가치의 영향력 보다 큰 것으로 나타났다. 그러나 문제해결효능감과 팀워크역량은 만족도에 유의한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 두 번째 연구문제인 공과대학 프로젝트 기반 학습환경에서 학습자들의 문제해결효능감, 과제가치, 팀워크역량, 과제실제성 및 만족도가 학습성과에 미치는 영향력을 살펴본 결과, 문제해결효능감, 팀워크역량, 과제실제성 및 만족도는 학습성과에 통계적으로 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났으며 학습성과에 대한 상대적인 영향력은 만족도, 팀워크역량, 과제실제성, 문제해결효능감 순이었다. 그러나 과제가치는 학습성과에 유의한 영향을 미치지 않았고 만족도를 매개로 간접효과만 갖는 것으로 검증되었다. 이상의 연구결과를 바탕으로 후속연구를 위해 다음과 같이 제언하고자 한다. 첫째, 본 연구결과의 일반화를 위해 다양한 지역의 충분한 표본을 확보하여 모형의 부합도와 변인 간의 영향력을 추가로 검증할 것을 제안한다. 둘째, 측정도구의 제한점을 보완하기 위해 루브릭 사용, 교수자, 동료 평가 등 성과 지표를 객관화, 구체화할 것을 제안한다. 셋째, 팀 프로젝트 수업이라는 환경의 특수성을 반영하여 집단적 차원의 변인을 모형에 추가하고 학습성과 또한 개인성과와 팀 성과로 세분화하여 개인적 차원과 집단적 차원 변인 간의 유기적, 통합적 인과관계를 검증할 것을 제안한다. 넷째, 충분한 표집 수를 확보하여 학습성과의 차이에 따른 다집단 분석을 실시할 것을 제안한다. 본 연구의 결과를 통해 도출된 시사점과 의의는 다음과 같다. 첫째, 문제해결효능감이 학습성과에 직접적인 영향을 미치는 변인으로 검증된 본 연구의 결과는 문제해결 과정에 있어 학습자 동기의 중요성 및 장기적인 관점에서 학습자들이 문제해결에 대한 숙달과 긍정적인 경험을 가질 수 있는 교육 지원 시스템, 협력 학습을 통한 성공사례 공유, 과정지향 피드백 제공 등 가정, 학교, 정부, 미디어를 포함한 사회 전체 시스템의 역할 구조 안에서 학습자들의 문제해결효능감을 고취시키기 위한 노력과 지원의 필요성을 시사한다. 둘째, 과제가치가 만족도에 직접적인 영향을 미치는 변인이었으며 만족도를 매개로하여 학습성과에 간접적인 영향을 미친 결과는 요구분석을 통해 상황적 흥미를 유발시킬 수 있는 과제의 제공과 수행과제에 대한 효용적 가치를 학습자들에게 인식시키고 그 가치를 공유하는 환경을 제공할 수 있는 교수전략의 필요성을 시사한다. 셋째, 팀워크역량이 학습성과에 직접적인 영향을 미친 본 연구의 결과는 대학 교과과정에 팀워크역량 배양을 위한 요소 반영과 더불어 기업 환경에서 진행되어 온 팀워크역량 관련 연구를 학교교육 환경으로 확대하여 개인의 팀워크역량 형성에 영향을 미치는 요인 규명에 대한 연구가 선행되어야 함을 시사한다. 넷째, 과제실제성이 만족도 및 학습성과에 유의한 영향을 미치는 변인으로 나타난 본 연구의 결과는 산학협력 과제의 확대와 현장 전문가의 활용, 다학제 팀 구성 등을 통한 실제적 과제와 학습환경의 중요성을 시사한다. 다섯째, 만족도가 학습성과에 유의한 영향을 미쳤으며 그 상대적 영향력도 가장 컸다는 점은 교수설계 시 최우선적으로 고려해야 할 영역이 학습자의 만족도이며 본 연구에서 검증된 변인 이외에도 최근 프로젝트 기반 학습환경에서 주목받고 있는 자기조절학습전략 등 학습자의 만족도를 결정하는 요인에 대한 연구가 선행되어야 함을 시사한다. 본 연구에서 검증된 최종모형은 캡스톤 디자인 교육 설계를 위한 기저 모형으로 적용될 수 있으며 캡스톤 디자인 교육에서 만족도와 학습성과 향상을 위한 교수-학습전략 수립 및 향후 관련 후속 연구에 유용한 시사점과 방향을 제시해 주었다는 점에서 그 의의를 찾을 수 있다.