피지컬 컴퓨팅기반 과학적 문제해결과정에서 나타나는 고등학생의 물리 개념의 변화와 컴퓨팅사고의 특성

Abstract

The purpose of this study is to investigate whether students improve their understanding of science concepts by solving scientific problems via physical computingand CT(computational thinking), and examine which CT characteristics appear in the process of solving scientific inquiries to establish teaching and learning methodsthat enhance CT and its effects in science education. To investigate the change of physical concepts and the CT characteristics in the problem solving process, 22 female high school students in their first year participated in this study, solving model problems of free fall motion and parabolic motion along with a free topic project related to earthquakes. First, in order to investigate the changes of students' concepts of physics before and after the model activities, students were asked to convert the speed graph into a moving distance graph. The activity results and coding results were analyzed and interviews were conducted. Through the model activities, we were able to conclude that there was a change in the concepts of physics in students related to speed, acceleration, position and movement distance. Second, we investigated the characteristics of CT elements in data representation, abstraction, automation, and simulation based on the students' activities and interviews in the course of problem solving. The data representation of CT is divided into scientific concept type and coding type, the abstraction is divided into design type and process type, and the simulation is divided into scientific concept type and coding type explanations. In the automation part, we examined the algorithm designs and procedures by dividing it into flowchart type and block type, and the activity of the coding in blocks by color. In the model activities of the free fall and parabolic movements, students showedfocus on abstraction, automation and simulation of CT, except for data representation, When it came to the project regarding earthquakes, students focused on data representation and abstraction of CT, but showed a passive tendency in automation and simulation activities. As a result, by using PSB-CTQ to measure the CT of students before and after the class, we found that students improved significantly in automation and abstraction. The changes of physics concepts and CT characteristics in the process of scientific problem solving that are derived from the results of this study are based on physical computing. The graph switching activities of students' problem solving process, and analyzing and presenting coding results, model results, interviews, and problem solving differentiates this study from existing research. In addition, this study suggests scientific concepts and contents in science education to include CT elements, and by derivingstrategies accordingly, it will have the potential to be applied to models or programs emphasizing CT in science inquiries.;과학교육에서 표상 학습방법으로 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션하거나 애니메이션을 활용한 교육적 효과는 보고되고 있으나, 외국 사이트에 접속해야 하는 등의 국내의 학생들에게 적용하기에는 어려움이 많다. 이러한 점을 보완해 줄 수 있는 교육용프로그램언어(EPL)기반의 피지컬컴퓨팅을 사용하면 표상활동 외에도 산출물 제작 등의 학생들의 생각을 쉽게 표현할 수 있고 조작 결과와 산출물을 만들어 바로 확인할 수 있어 과학교육학습에 유용하게 쓰일 수 있다. 학생들이 컴퓨터를 사용해 과학문제를 해결하는 과정에서는 직관적인 자신의 생각을 절차적이고 논리적으로 컴퓨터에 전달하여야 원하는 결과를 얻게 된다. 컴퓨터를 이용한 문제해결과정에서의 사고를 컴퓨팅사고(CT)라 하며 과학에서는 과학적 소양의 함양을 목적으로 CT를 포함하는 과학교육을 강조하고 있다. CT를 활용함으로써 과학탐구를 지원하고 과학 개념의 이해를 증진하여 과학적 문제해결력, 과학적 탐구능력, 과학적 사고력 등 과학과 핵심역량의 강화 외에도 논리적사고력과 알고리즘적 사고력이 강화될 수 있다. 또한 과학자들이 가설을 설정하고 검증하기 위해 데이터를 수집하고 패턴예측 등의 과학탐구에서 컴퓨터를 배제한 활동을 상상할 수 없으므로 과학교육에서 컴퓨터를 활용하는 구체적 방안이 매우 필요하다. 그러나 과학교육에서 CT를 활용한 사례는 많지 않으며, 정보교과에서 과학을 주제로 컴퓨터교육 관점에서의 효과를 보고한 사례는 다수이다. 그러나 적은 인원의 초등학생을 대상으로 하고 있고, 프로그램 전후의 효과는 검사도구를 활용한 통계값의 유의성으로 보고하고 있어 프로그램 과정에서의 학생들의 특성이나 변화를 자세히 보여주지 못하는 한계점을 가지고 있다. 따라서 과학교육차원에서 학생들이 피지컬컴퓨팅을 도구로 하고 CT를 활용하여 표상하는 과학적 문제해결로 과학개념의 이해를 높이는지, 이러한 과학탐구문제의 해결과정에서 어떤 CT특성을 띄는 지를 파악하여 과학교육에서의 효과와 CT증진이라는 교수학습 방안을 마련하는 일은 매우 필요한 일이다. 본 연구에서는 고등학교 1학년 여학생 22명을 대상으로 18차시의 피지컬컴퓨팅기반 과학적 문제해결프로그램을 진행하였다. 학생들은 피지컬컴퓨팅을 처음 배우기 시작하였으므로 스크래치기반의 피지컬컴퓨팅을 활용하기 위한 기초 프로그래밍 과정을 통해서 여러 센서와 모터의 제어방법과 활용법을 습득하였다. 이후 피지컬컴퓨팅을 활용하여 3가지의 과학적 문제를 해결하였다. 과학개념의 이해를 도울 것으로 예상하는 자유낙하운동과 포물선운동을 표상하는 문제 2개와 지진을 주제로 학생들의 자유탐구문제 1개이다. 등가속도운동인 자유낙하운동과 포물선운동은 일상에서 쉽게 접하는 현상이고 운동단원의 기초로서 흔하게 다뤄진다. 그러나 학생들은 속도와 가속도, 위치와 이동거리를 자주 혼동하고 이를 적용하는 과정에서 어려워하는 것으로 나타났다. 피지컬컴퓨팅으로 표상하는 과정에서는 과학개념의 이해를 바탕으로 문제의 핵심을 추출해내는 추상화 과정이 일어나고, 코딩으로 컴퓨터에 표상이 나오도록 한다. 학생들은 코딩과정에서 공식을 사용하거나 자연현상을 분석하여 조건, 순서, 위치 등을 생각하여 나타낸다. 이러한 과정에서 학생들의 정신모형이 코딩에 나타나고, 실행과 오류의 수정을 반복하면서 학생들의 몰입과 학습이 이뤄진다. 또한 지진을 주제로 한 문제에서 학생들은 스스로 문제를 생성하고 피지컬컴퓨팅을 도구로 문제를 해결하여 산출물을 얻는 자기주도적인 탐구를 진행하였다. 피지컬컴퓨팅기반 과학적 문제해결에서는 CT의 실천이 지속적으로 포함되므로 문제해결과정에서 나타나는 CT의 특성은 문제유형별 또는 과학개념의 변화 수준에 따라 어떻게 나타나는 지를 알아보았다. 연구결과에 따르면 첫째, 표상활동 전후의 학생들의 물리 개념의 변화를 알아보고자 속력그래프를 이동거리그래프로 전환한 학생들의 활동지와 표상결과, 코딩분석과 학생 인터뷰를 진행하였다. 자유낙하운동과 포물선운동을 표상전후의 학생들의 다수에서 개념변화가 나타났으나 변화가 없는 학생도 있었다. 개념변화가 있는 경우는 2차원 등가속도운동(=포물선운동)까지 포함하여 전체적(fully)으로 개념변화가 일어난 그룹과 1차원 등가속도운동과 등속운동까지만 포함하여 부분적(partially)인 경우로 나눠진다. 표상 활동을 통해 학생들의 속도와 가속도, 위치와 이동거리와 관련된 물리 개념에서 변화가 있음을 확인할 수 있었으며, 오개념이 정개념으로 변화하는 것 외에도 초기 개념에서 확장, 발전되는 개념 변화도 나타났다. 한편 개념변화가 없는 경우는 초기에 개념을 잘 알아서 표상활동 전후에 변화가 없는 경우와 개념이 빈약하여 발전하지 못하는 경우가 포함된다. 이러한 개념변화를 종합한 결과 피지컬컴퓨팅을 활용한 자유낙하운동과 포물선운동의 표상활동은 학생들의 물리개념의 변화에 긍정적인 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 둘째, 과학적 문제해결과정에서의 학생들의 CT특성을 알아보고자 문제해결과정에서 작성한 학생들의 활동지와 인터뷰를 근거로 하여 CT요소중 자료표현, 추상화, 자동화, 시뮬레이션 특성을 알아보았다. 과학교육차원에서의 CT실천이 이뤄지도록 하는 데 목적이 있다. CT의 자료표현은 과학개념형과 코딩형 표현으로 구분하여, 문제를 재정의하는 자료표현에서 과학적 개념이 포함되는 경우를 과학개념형으로 정의하고 문제별로 차이가 있는 지를 파악하였다. 추상화는 설계형과 과정형으로 유형화하여 문제분해로 문제의 핵심을 파악하여 나타나는 과정에서 과학개념을 포함하는 설계형이 나타나는 지 파악하였다. 시뮬레이션은 과학개념형과 코딩형으로 구분하였으며 산출물에 담긴 과학적 내용과 이를 어떻게 적용하였는지에 대한 설명이 포함되는 지를 살펴보았다. 자동화영역에서 알고리즘의 설계가 순서도나 절차가 포함되지 않고 코딩블록을 그대로 기록하는 것으로 나타났다. 학생들은 자유낙하운동과 포물선운동과는 달리 지진주제에서의 사용블록의 종류가 적었으며 조건이나 변수 등이 없는 단조로운 코딩을 나타내었다. 자유낙하운동과 포물선운동의 표상활동에서 학생들은 자료표현을 제외한 CT의 추상화, 자동화, 시뮬레이션에 집중하는 특성을 나타내었고, 지진관련 자유탐구문제에서는 CT의 자료표현과 추상화에 집중하는 반면 자동화나 시뮬레이션활동에서는 소극적인 경향을 나타내었다. 문제해결기반의 컴퓨팅사고 측정도구(PSB-CTQ)를 사용하여 수업전후의 학생들의 CT를 측정한 결과 자동화영역에서 향상이 많았으며, 추상화가 문제해결에 가장 도움을 주는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과로부터 도출된 과학적 문제해결과정에서의 물리 개념의 변화와 CT특성은 피지컬컴퓨팅을 기반하고 있으며, 학생들의 문제해결과정에서 나타나는 그래프 전환활동지와 코딩, 표상결과, 인터뷰, 문제해결과정의 활동지를 분석하여 나타내는 것이 기존 연구와 차별화된다. 뿐만 아니라 CT요소에서의 특성을 과학교육차원에서의 과학적 개념과 내용을 포함하도록 제시하고 그에 따른 전략들을 도출함으로써 이후 과학탐구에서 CT를 강조한 모형이나 프로그램에 적용하도록 제안한다.