수탁연구 CR 2015-35 2015 년교육정책네트워크교육현장지원연구 SW 교육교수학습모형개발연구 연구책임자 : 김진숙 ( 한국교육학술정보원 ) 공동연구진 : 한선관 ( 경인교육대학교 ) 김수환 ( 총신대학교 ) 정순원 ( 한국교육학술정보원 ) 양재명 ( 한국교육학술정보원 ) 장의덕 ( 한국교육학술정보원 ) 김정남 ( 한국교육학술정보원 ) 연구보조원 : 류미영 ( 경인교육대학교 ) 이진태 ( 경인교육대학교 ) 전수진 ( 부천부곡초등학교 ) 김상홍 ( 풍무초등학교 )
본연구는한국교육개발원에서지원한연구비로수행한것으로써, 이연구에서제시된의견은한국교육학술정보원의공식의견이아니라연구진의견해임을밝힙니다.
연구에도움을주신분들 ( 가나다순 ) SW교육교수학습수업자료개발김재남 ( 진관중학교 ) 김형기 ( 인하대학교사범대학부속중학교 ) 서인순 ( 오산정보고등학교 ) 신갑천 ( 임진초등학교 ) 최만 ( 봉선중학교 )
머리말 산업사회에서정보사회로패러다임이변화하면서사회전반에많은변화가일어나고있다. 특히정보가중요한가치가되는지식정보사회에서고성능프로세서, 초고속네트워크, SW 기술의융 복합이강조되는소프트웨어중심사회로전환되고있다. 즉, 지식정보사회는인프라 하드웨어중심의 1차 IT혁명을거쳐창의적 IT인재를바탕으로하는소프트웨어 콘텐츠중심의 2차 IT혁명시대로이동하고있다. 소프트웨어는 Software is eating the world, Software is everywhere 라고표현할정도로, 자동차산업, 항공산업, 금융산업, 쇼핑산업등거의모든산업에미치는영향이막대하다. 우리정부는이와같은사회변화에대응하고자 2014년 소프트웨어(SW) 중심사회실현전략 을수립하여발표하고, 교육부에서는 초 중등소프트웨어 (SW) 교육활성화방안 에이어 2015년문 이과통합형교육과정 을통해초 중 고등학교에체계적인소프트웨어 (SW) 교육을도입하였다. 그러나 2015 문 이과통합형교육과정 에따른소프트웨어교육이학교현장에안정적으로정착되기위해서는교원수급, 교원연수, 교재개발등다양한영역에서의준비가필요하다. 본연구는이와같은측면에서일반학교에서소프트웨어교육을쉽고효과적으로할수있도록교수학습모델을개발하여보급함으로써교사들의수업을지원하고자하였다. 특히, 기존교수학습모델에기반을두어소프트웨어교육이추구하는컴퓨팅사고력을기르고, 소프트웨어교육의특징을잘살릴수있는교수학습모델을개발하는데주력하고자하였다. 연구결과가현장에도움이되기를기대한다. 마지막으로본연구를위해애써주신연구진들과외부학계전문가, 학교현장전문가들께감사드린다. 2015년 12월한국교육학술정보원원장임승빈
연구요약 2015년문 이과통합형교육과정에서적용될소프트웨어교육의성공적현장적용은현장교원의교육과정, 즉, 교육목표와방법, 평가, 그리고운영편제의이해가전제될때가능하다. 그동안소프트웨어교육운영지침개발과교원연수를통해교육과정을이해하기위한기반이마련되고있지만, 2016년도부터확대될소프트웨어교육선도학교나연구학교에서실제로적용될교수학습방법에대한제시는미흡한실정이다. 따라서본연구는 SW교육의목표로서컴퓨팅사고력과구성요소, 교육과정및교재의내용분석에근거하여총 5가지의교수학습모델을개발하고각각의모델에적합한사례를제시함으로써소프트웨어교육의성공적현장적용을지원하는데그목적이있다. 컴퓨팅사고력의개념과구성요소에대한여러논의를살펴보면학자에따라컴퓨팅기술을이용할수있는역량에초점을두는경우, 일의처리절차를공식화하거나절차적사고에초점을둔문제해결방법론의하나로보는관점, 기제나패러다임이라는인간의사고에중점을둔경우, 광의적으로자동화와정보처리에대한연구가확장되어가는과정으로보는등으로다양하다. 본연구에서는학교현장에서 SW교육의안정적정착이라는초점을두어 컴퓨팅사고력이란학생들의일상생활에서발생할수있는문제들을컴퓨팅의기본적인개념과원리를기반으로문제를효율적으로해결할수있는사고능력 이라고정의하였다. 또한, 컴퓨팅사고력의구성요소에대해서도 Barr와 Stephenson(2011) 과같은학자는 12단계로설명하거나, CSTA(Computer Science Teachers Association, 2011) 는 6가지의특성으로규정하고있으나, 구성요소각각의요소들이독립되어의미를가지는경우도있고, 이것이융합되어의미를가지는경우도있다. 그러나 SW교육이학교에처음으로적용되는단계에서구성요소가너무복잡하게제시될경우가져올수있는혼란이나교수학습의어려움등을종합적으로고려하여본연구에서는분해 (Decomposition), 패턴인식 (Pattern recognition), 추상화 (Abstraction), 알고리즘 (Algorithms) 등 4가지요소로제시하고, 프로그 - i -
래밍 (Programming) 은선택적으로포함될수있다고보았다. 이와같은이론적배경하에 2015 개정교육과정이적용되는 2018년이전까지 SW교육실시를위해마련된소프트웨어교육운영지침의주요내용과 2015 개정교육과정에서실과, 정보과의주요내용, 성취기준, 시수기준등에대하여분석하고, 운영지침에기반을둔학생용교재의내용을분석하여컴퓨팅사고력신장을위한교수학습모델과수업자료를제시하였다. SW교육교수학습모델은행동주의, 인지주의, 구성주의적관점을고려하여학습목표영역인지식, 기능, 태도중기능영역을중심으로수업모델을개발하되, 기능이외에지식및태도영역이포함될수있도록하였다. 또한문제해결학습등다양한기존수업방법에서빈번하게다루어지는모델에착안하여새로운모델을개발하고, 학습자의특성, 학교환경등을고려하여재구성이가능하도록하였다. 특히개발된수업모델은컴퓨팅사고신장이라는목표를달성하기위해각단계별활동내에컴퓨팅사고구성요소 ( 분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘, 프로그래밍 ) 를포함하도록구성하는등의기본방향을설정하고총 5개의모델을개발하여제안하였다. 즉, 컴퓨팅사고의구성요소가모든학습의목표이자기초가되어야한다는점에서 CT요소중심모델 (DPAA(P) 모델 ), 시연중심모델 (DMM 모델 ), 재구성중심모델 (UMC 모델 ), 개발중심모델 (DDD 모델 ), 디자인중심모델 (NDIS 모델 ) 등 5가지로특성화하여개발하였다. 각각의모델에대해서는모델의개요, 학습목표, 단계별세부내용등을설명하여각모델이갖는특징과방법에대하여다루었고, 실제수업에서어떻게적용될수있는지에대해서는각모델마다학교급별수업자료를제시하였다. 특히각모델들이단순히연구에서그치는것이아니라차후교사연수과정이나혹은교사개인적교수법연구시활용될수있도록가급적상세히내용을설명하고자하였다. 컴퓨팅사고력의구성요소를단순화하여교수학습에이용할수있는모델을제안하고, 향후 3년동안실제수업에사용될사례를제시한본연구는앞으로실천적수업을이끌어갈교사들에게수업방향을제시하고있다는점에서의의를찾아볼수있다. 본연구에서제안된 5가지 SW교육교수학습모델은다음과같다. - ii -
구분절차설명 시연중심모델 (DMM 모델 ) 재구성중심모델 (UMC 모델 ) 개발중심모델 (DDD 모델 ) 디자인중심모델 (NDIS 모델 ) CT 요소중심모델 (DPAA(P) 모델 ) 시연 (Demonstration) 모방 (Modeling) 제작 (Making) 놀이 (Use) 수정 (Modify) 재구성 (recreate) 탐구 (Discovery) 설계 (Design) 개발 (Development) 요구분석 (Needs) 디자인 (Design) 구현 (Implementation) 공유 (Share) 분해 (Decomposition) 패턴인식 (Pattern Recognition) 추상화 (Abstraction) 알고리즘 (Algorithm) 프로그래밍 (Programming) 교사의설명과시범, 표준모델제시 학생모방하기, 질문과대답 단계적, 독립적연습, 반복활동을통한기능습득 학습자체험활동, 관찰과탐색 교사가의도적으로모듈및알고리즘을변형하여제시 놀이와수정활동을확장하여자신만의프로그램설계 / 제작 탐색과발견을통한지식구성 알고리즘의계획및설계 프로그래밍언어로구현및피드백 주어진문제에대한고찰과사용자중심의요구분석 분해와패턴찾기, 알고리즘의설계 프로그래밍과피지컬컴퓨팅으로산출물구현 산출물공유와피드백을통한자기성찰 컴퓨터가해결가능한단위로문제분해 반복되는일정한경향및규칙의탐색 문제단순화, 패턴인식으로발견한원리공식화 추상화된핵심원리를절차적으로구성 컴퓨터가이해할수있는언어로구현 / 실행 - iii -
차례 요약 ⅰ Ⅰ. 서론 1 1. 연구의목적및필요성 1 2. 연구의내용및범위 3 3. 연구방법 4 4. 용어의정의 5 5. 연구의제한점 6 Ⅱ. 이론적배경 7 1. 컴퓨팅사고력 7 2. 국내외 SW교육교육과정 13 3. 교수학습모델선행연구분석 34 Ⅲ. 컴퓨팅사고력신장을위한교수학습모델개발 53 1. 교수학습모델의개발준거 53 2. 5가지 CT 신장교수학습모델개발 57 Ⅳ. 결론및제언 79 1. 요약및결론 79 2. 시사점및제언 81 참고문헌 82 영문초록 87 부록 89 1. CT 교수학습모델을적용한수업자료 90 2. SW교육운영지침과 2015 개정교육과정비교 155 - v -
표차례 < 표 Ⅱ-1> 컴퓨팅사고력에대한다양한논의 8 < 표 Ⅱ-2> 컴퓨팅사고력의구성요소 12 < 표 Ⅱ-3> CT 구성요소의재정의 12 < 표 Ⅱ-4> 해외 SW교육동향 13 < 표 Ⅱ-5> 소프트웨어교육인재상 14 < 표 Ⅱ-6> 2015 개정교육과정주요개편사항 14 < 표 Ⅱ-7> 소프트웨어교육학교급별교육목표 16 < 표 Ⅱ-8> 소프트웨어교육초등학교내용요소와성취기준 17 < 표 Ⅱ-9> 소프트웨어교육중학교내용요소와성취기준 18 < 표 Ⅱ-10> 소프트웨어교육고등학교내용요소와성취기준 20 < 표 Ⅱ-11> 2015 개정교육과정에서의소프트웨어교육 22 < 표 Ⅱ-12> 초등학교실과기술시스템영역내용요소와성취기준 23 < 표 Ⅱ-13> 중 고등학교정보과영역별내용요소 24 < 표 Ⅱ-14> SW교육교재의모둠별시수 27 < 표 Ⅱ-15> 초등학교모듈구성안 27 < 표 Ⅱ-16> 중학교모듈구성안 28 < 표 Ⅱ-17> 지식 활동모듈의구성요소 29 < 표 Ⅱ-18> The Big 6 Skills 37 < 표 Ⅱ-19> 디자인기반학습의단계 39 < 표 Ⅱ-20> UMC 모델 42 < 표 Ⅱ-21> DDC 모델 42 < 표 Ⅱ-22> DCC 모델 43 < 표 Ⅱ-23> 창의컴퓨팅평가방법 43 < 표 Ⅱ-24> CT 역량평가루브릭 44 < 표 Ⅱ-25> 기존수업과플립러닝적용수업구조및활동내용비교 47 < 표 Ⅱ-26> ADDIE 기반플립러닝교수학습설계모델 48 - vi -
< 표 Ⅲ-1> 전통적인교수방법과 CT 신장교수학습모델비교 58 < 표 Ⅲ-2> DMM 모델개요 60 < 표 Ⅲ-3> DMM 모델의교수학습절차 60 < 표 Ⅲ-4> 발견학습법수업절차 62 < 표 Ⅲ-5> UMC 모델개요 63 < 표 Ⅲ-6> UMC 모델의교수학습절차 64 < 표 Ⅲ-7> 탐구학습법수업절차 66 < 표 Ⅲ-8> DDD 모델개요 66 < 표 Ⅲ-9> DDD 모델의교수학습절차 68 < 표 Ⅲ-10> 프로젝트학습법수업절차 70 < 표 Ⅲ-11> NDIS 모델개요 71 < 표 Ⅲ-12> NDIS 모델의교수학습절차 72 < 표 Ⅲ-13> 문제해결학습법절차 75 < 표 Ⅲ-14> DPAA(P) 모델개요 75 < 표 Ⅲ-15> DPAA(P) 모델의교수학습절차 77 < 표 Ⅲ-16> 5가지 SW교육교수학습모델 78 - vii -
그림차례 [ 그림 Ⅱ-1] 지식모듈예시 30 [ 그림 Ⅱ-2] 기능모듈예시 30 [ 그림 Ⅱ-3] 활동모듈예시 31 [ 그림 Ⅱ-4] 활동모듈개요페이지예시 32 [ 그림 Ⅱ-5] 문제해결방법찾기예시 33 [ 그림 Ⅱ-6] 알고리즘만들기예시 33 [ 그림 Ⅱ-7] 프로그래밍하기예시 ( 스크래치 / 엔트리를같이제공 ) 34 [ 그림 Ⅱ-8] 문제중심학습의일반적절차 36 [ 그림 Ⅱ-9] 디자인사고의개념 38 [ 그림 Ⅱ-10] 디자인사고교수학습절차 40 [ 그림 Ⅱ-11] 창의컴퓨팅디자인기반학습절차 41 [ 그림 Ⅱ-12] 플립러닝의개념도 46 [ 그림 Ⅱ-13] 스마트교육기반플립러닝수업모델 51 [ 그림 Ⅱ-14] SW교육을위한플립러닝의수업흐름 52 [ 그림 Ⅲ-1] CT 신장을위한교수학습모델개요도 59 [ 그림 Ⅲ-2] MIT의 Creative Computing 63 [ 그림 Ⅲ-3] 소프트웨어공학설계의폭포수모델 67 [ 그림 Ⅲ-4] DBL 학습과정 71 [ 그림 Ⅲ-5] KS3와구글에서제시한 CT의구성요소 76 - viii -
Ⅰ. 서론 1. 연구의목적및필요성 현사회는지식정보화사회를뛰어넘어소프트웨어 (SW) 가국가의경쟁력을결정하는 SW중심사회 로진입하고있다. 무인자동차기술의선두주자는완성차업체가아닌정보통신기술기업인구글이다. 소프트웨어의발달로산업간경계를허물고사회의모든영역에서구글등과같은 SW 기업들의영향력이점차커지면서, 이제소프트웨어기술이국가경쟁력의중심이되는 SW중심사회 가도래한것이다 (SPRI, 2014). SW중심사회를이끌어갈미래인재양성을위해국내외의많은나라에서는소프트웨어교육 ( 이하 SW교육이라한다 ) 을앞다투어추진하고있다. SW교육은기존정보통신기술교육에서수행하였던 ICT 소양및활용교육의관점을확장하고, 학습자들이미래사회에서살아가는데필요한컴퓨팅사고력 (Computational thinking, 이하 CT라한다 ) 을기반으로문제를해결하는역량을기르는데목적을두고있다. 영국은 2014년부터초 중등교육과정에 컴퓨팅 교육을필수화하였고, 미국은 K-12 컴퓨터과학표준에컴퓨팅사고력을명시하였다. 프랑스는 SW교육을중학교정규과목으로개편하였으며, 인도는 프로그래밍 과목을초중등필수과목으로지정하였다. 그리고에스토니아는 2015년부터, 핀란드는 2016년부터모든초등학생을대상으로 SW교육을실시하는등많은나라들이초등학교에서부터정보교육을실시하고있으며, 기존의 ICT 활용중심에서알고리즘을중심으로한 SW교육으로전환하고있다 ( 교육부 KERIS, 2015). 우리나라에서도세계적으로미래경쟁력확보를위한 2015 개정교육과정을마련하고 SW교육을강화하기위해준비하고있다. 교육부는 소프트웨어교육운영지침 및 2015 문이과통합형교육과정총론 을발표하면서 ( 교육부 KERIS, 2015; 교육부, 2015), 초등학교에서는실과교과에서 SW 기초소양을 - 1 -
중심으로문제해결과정, 알고리즘및프로그래밍체험, 저작권보호등정보윤리의식함양등을포함하는내용으로 17시간교육을실시하기로하였다. 또한중학교에서는전문적인 SW교육을위해 정보 과목을의무화하여컴퓨팅사고기반문제해결교육과알고리즘및프로그래밍개발등을주요내용으로총 34시간교육하도록하였으며, 고등학교에서는심화선택이던 정보 과목을일반선택으로전환하여다양한분야와융합한알고리즘의설계및프로그램개발중심의교육을실시하는한편, 기초과목과실무과목으로개편하여 NCS 기반의교육과정을구성하기로하였다. 이와같이 2015 개정교육과정이적용되는 2018년이 2년남짓으로다가오고, 2016년부터 SW교육선도학교가 900여개로확대되는시점에서 SW교육이학교현장에성공적으로정착되기위해서는교사가 SW교육과정에대한이해를기반으로, 수업을기획, 설계하고경험하는것이중요하다. 이외에도교육환경의점검및개선, 교원의확보및연수등산적한과제들이많으나, 무엇보다당장급선무인것은 SW교육을수업시간에어떻게가르칠것인지에대한교수학습방법을이해하고숙지하는것이다. 컴퓨팅사고력을중점에둔교수학습설계및모델개발관련연구는다수이루어져왔으나 ( 김수환, 한선관, 2012: 최형신, 2014: 김수환, 2015: 전용주, 김태영, 2015: 한선관, 2015), 2015 교육과정개정방향에기반을둔교수학습모델, 설계전략등에대한연구는부족한상황이다. 따라서본연구는 2015 교육과정에서명시된 SW교육목표와방향에맞춘교수학습모델과실제사례를제시함으로써 SW교육의성공적현장안착을지원하는데그목적이있다. - 2 -
2. 연구의내용및범위 본연구에서다루고있는연구내용과범위는다음과같다. 컴퓨팅사고력및 SW교육교육과정분석 - SW교육의목표로서컴퓨팅사고력의개념및구성요소분석 - 소프트웨어교육운영지침및 2015 개정실과 / 정보과교육과정분석 - 소프트웨어교육운영지침에따른초 중학생용교재개발방향및내용분석 SW교육의학습요소, 학습도구, 학습환경등을고려하여 CT를증진할수있는교수학습모델개발 - CT의핵심구성요소를고려한교수학습모델개발 - 언플러그드, EPL(Education Programming Language), 피지컬컴퓨팅등 SW교육의다양한학습도구와학교의교실환경을고려하여학교현장에적합한모델개발 교수학습모델의프로토타입에대한다양한교수학습사례개발 - 개발된교수학습모델을적용한 SW 교육교수 학습예시개발 - 수업적용가능성을고려한학교급별사례제시 모델개발에따른시사점도출및제언 - 컴퓨팅사고력증진교수학습모델학교현장적용방안 - 교수학습모델적용유의점 - 3 -
3. 연구방법 가. 문헌분석 본연구에서는아래와같은내용을중심으로문헌분석을실시하였다. 국내및해외 SW 교육동향조사및분석 SW 교육교육과정분석 - 정부부처보도자료및연구학교 / 선도학교성과보고 - SW 교육운영지침및 2015 개정교육과정 ( 실과 / 정보과 ) 컴퓨팅사고력 - 컴퓨팅사고력에대한국내외선행연구분석 - NRC(National Research Council), CSTA(Computer Science Teachers Association), 영국 KS3 CS(Key Stage 3, Computer Science) 교육과정, Google s CT 중심으로조사및분석수행 SW교육관련교수학습모델 - 국내외교수학습모델선행연구분석 - SW교육과관련한 Creative Computing(MIT 미디어랩, 하버드대학교 Brennen을중심으로 ) 과 Design Thinking( 스탠포드대학교 D-school을중심으로 ) 조사및분석 나. 전문가회의 본연구에서는내용타당도를확보하고, 학교현장에의적용가능성을높이 기위해전문가회의를수행하였다. 본연구의전문가회의에는 SW 교육관련 - 4 -
학계전문가, 2016 년학교에배포되는 SW 교육교재집필진, 연구학교 / 선도학 교교원이함께참여하였다. 교수학습모델개발을위한전문가회의 ( 학계, 현장교사참여 ) - 컴퓨팅사고력의구성요소분석 - 교수학습모델개발에대한이론적근거검토 - SW교육수업에적합한교수학습모델및방법 - SW교육운영지침및 2015 개정교육과정분석결과에따른모델반영방법 - CT 신장을위한교수학습모델의설계 - 개발모델에대한현장적합가능성검토 - 사례개발및상호검토 ( 다각검증 ) 4. 용어의정의 컴퓨팅사고력 (Computational Thinking) : 학생들의일상생활에서발생 할수있는문제들을컴퓨팅의기본적인개념과원리를기반으로문제를 효율적으로해결할수있는사고능력 컴퓨팅사고력의구성요소 : 컴퓨팅사고력을구성하는분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘, 프로그래밍의 5가지요소 1) - 분해 (Decomposition) : ( 자료와과정을포함하여 ) 어떠한문제를다룰수있는작은것으로나누는것 - 패턴인식 (Pattern recognition) : 어떤문제나현상에서반복되는성질의것또는그러한경향이나규칙을찾는것, 패턴찾기 (finding patterns) - 추상화 (Abstraction) : 패턴을만드는일반원칙을정하는것또는모델링이나시뮬레이션을통해자료를표현하는과정전체 1) CSTA(2011), 영국 KS3 Computer Science, Google s CT lesson plan을참조하여재정의. - 5 -
- 알고리즘 (Algorithm) : 문제를풀기위한단계적인절차또는문제를해결하기위한일련의단계를절차적으로표현하는과정전체 - 프로그래밍 (Programming) : 문제를풀기위해컴퓨터가해야할일을컴퓨터가이해할수있는언어 (Programming language 또는 code) 로만들어보는것또는문제를해결하기위한프로그래밍과이를실행하는과정전체 교수학습모델 : 수업의실제를기술하기위하여수업의주요특징을요약해놓은설계도또는계획으로수업현상을기술하고설명할수있으며, 나아가예언할수있도록수업의주요특징을간추려체계화시켜놓은형태. 즉, 복잡한수업현상이나수업사태를그특징을중심으로단순화시킨형태이며수업현상을구성하는변인들간의관계를단순화시킨형태를의미 교수학습전략 : 수업목표를도달하기위해사용하는모델의복합적구 성또는모델내의단계내에서이루어지는활동들을효과적으로지원하기위 한교수학습방법및전략을의미 5. 연구의제한점 본연구는 2015 개정교육과정이적용되는 2018년이전까지시행되는소프트웨어교육운영지침 (2015, 교육부 ) 과이를기반으로개발된학생용교재의내용을참고하여교수학습모델을개발하였다. 따라서 2015 교육과정에바로적용하고일반화시키는데한계를가진다. 또한본연구에서제안된수업사례는교수학습모델별절차에충실한아이디어수준의사례를제시하였다. 따라서모든수업환경에서일반화하는데한계를가진다. 하나의교수학습모델이다양한학습환경에서적용될수있는사례확보와이를적용한학습효과검증등의연구가후속적으로이루어질필요가있다. - 6 -
Ⅱ. 이론적배경 1. 컴퓨팅사고력 SW교육의중요성과필요성은충분히인식되고있지만, SW교육이실효를거두기위해서는교육과정의목표와내용이구체화되고, 교육과정운영이융통성이있어야한다는지적이있어왔다 ( 김영수, 홍경선, 2000; 박종호, 박수종, 김종훈, 2009; 서수영, 김윤호, 2003; 유인환, 구덕회, 2004; 장용준, 한선관, 2007; 최숙영, 2011). 최근 SW교육의목표에대해서는대체적으로학생들의컴퓨팅사고력증진에중점을두어야한다는것에일관성있는보고가이어지고있다 ( 이영준, 이은경, 2008; 김수환, 한선관, 2012, 성정숙, 김현철, 2015). 실제 2015 교육과정의 정보 교과교육과정에서도컴퓨팅사고력을목표로두고있다 ( 교육부 KERIS, 2015). 이하에서는컴퓨팅사고력 ( 이하 CT) 의개념과구성요소에대해살펴보고자한다. 가. 컴퓨팅사고력의정의 SW교육의목표로 CT의중요성은여러학자들에의해주장되고있다 ( 교육부 KERIS, 2015; 유중현, 김종혜, 2008; 이영준, 이은경, 2008; 정인기, 2014; 최숙영, 2011). CT에대한논의는 CT가읽기, 쓰기, 셈하기와마찬가지로 21세기를살아가는모든사람들이갖추어야할기본사고능력이라고주장한 Wing(2006) 의논의에의해촉발되었다. CT가하나의사고능력이라는점에대해 Bundy(2007) 는 21세기를이해하기위한인간인지적능력의확장이라고보는한편, Kramer(2007) 는사고능력이라기보다 사고의패러다임 적측면이강하다고보았다. 이와유사한측면에서 CT를지적활동을위한기호체계로보거나, 추상화도구로써인간의근본적인정신적능력이자사고의기제 - 7 -
(mechanism) 임을강조한견해등은 CT에대한논의를언어적측면으로까지발전시킨바있다 (NRC, 2010). 이외에도일을처리하는방법의공식화라든가, 문제해결을목적으로무형의추상적개념을다루고조작하는것이라는문제해결능력이라는측면에서의논의가있었다 (NRC, 2010). 비교적최근미국에서는 CT는 K-12 컴퓨터과학표준전체에스며들어있는추상화, 자동화, 분석에중점을둔컴퓨터과학의핵심원리이자, 컴퓨터과학과모든학문분야를연관시킬수있는컴퓨터로해결할수있는문제들의해법을분석하고발전시키는명확한수단을제공하는문제해결방법론의하나라고정의한바있다 (CSTA, 2011). 위와같은 CT에대한논의와함께, 컴퓨팅이인공적인정보처리과정뿐만아니라자연적정보처리과정까지를포함하는학문이라는컴퓨터과학자체에관한관점의변화라는 Denning(2007) 의주장까지를복합적으로생각해보면 SW를어떻게활용할것인가 하는도구활용능력에대한관심에서, SW는어떻게작동하고구현되며, 이러한원리를실제문제의해결에어떻게적용할수있는가 하는보다근본적인사고력에대한차원으로 SW교육의관심이이동하고있음을알수있다. 다양한학자들이주장하고있는컴퓨팅사고력의정의를정리해보면 < 표 Ⅱ -1> 과같다. < 표 Ⅱ-1> 컴퓨팅사고력에대한다양한논의 학자 Wing, J. (2006, 2008) 컴퓨팅사고력에대한주장 문제해결, 시스템설계및인간행동의이해를컴퓨터공학의기본개념을통해접근하는방법 ( 컴퓨터가아닌인간의사고방법 ) 추상화및자동화등컴퓨터를활용한문제해결능력 - 8 -
< 표 Ⅱ-1> 컴퓨팅사고력에대한다양한논의 ( 앞장에서계속 ) 학자 Wing, J. (2006, 2008) Moursund, D. (NRC, 2010) 컴퓨팅사고력에대한주장 CT는분석적사고의하나로, 문제해결을위한일반적인접근에서는수학적사고를, 실제세계의제한안에서크고복잡한시스템설계와평가를하는문제들에는공학적사고를, 인간의행동 감정 지능 연산능력을이해하기위한문제의접근에는과학적사고를함께사용 Papert의절차적사고로부터발전된개념 (Papert, 1981: NRC, 2010에서재인용 ) 이며, 절차적사고는개발 (developing), 표현 (representing), 시험 (testing), 오류수정 (debugging) 순서로구성 효과적절차 : 컴퓨터및자동화기기를이용한과업수행과컴퓨터가이해할수있는세부적인단계적명령의집합 Lee, P. (NRC, 2010) Wulf, B. (NRC, 2010) Abrahamson, D. (NRC, 2010) 인간지능을확장하여실제응용이가능한지능 ( 인공지능) 의기제 (mechanism) 에관한연구 업무자동화를가능하게하고, 복잡함을관리하는추상화도구로써의인간의근본적인정신적능력 (McGettrick, A.) 사고과정에기술장비를다루는실제능력과역량을포함하는개념 과학이물리적대상 (physical objects) 에관한영역인것과대조적으로어떠한과정을가능하게하는추상적인현상과절차에관한것 (Denning, P.) 컴퓨터과학은정보처리를위한학문분야, CT는컴퓨터과학의하위영역 형식지 (explicit knowledge) 로표현하거나암묵지 (tacit knowledge) 를객관화하고, 구체적인전산용어로나타내며, 인지적활동으로부터발생한산물을처리하기위한컴퓨팅관련기호체계 (semiotic systems) 의사용 Sussman, G. (NRC, 2010) 일을처리하는정확한방법을공식화 (formulating) 하는기법 제시된과업을효율적으로수행하기위한엄정한분석과수순 Wing, J. & Sussman, G. (NRC, 2010) 자연과학과공학을잇는메타과학 ( 여러학문분야에걸쳐적용되는사고의연구방법 ) 으로과학적관찰의응용, 물리적현상의연구에서전이가발생하는추론의핵심요소 - 9 -
< 표 Ⅱ-1> 컴퓨팅사고력에대한다양한논의 ( 앞장에서계속 ) 학자 CT 의정의 Fox, E. (NRC, 2010) CT의핵심은문제해결을목적으로무형의추상적개념을다루고조작하는것 ( 사람이세상을접하고, 절차를고려하고, 디지털표현을처리할때행하는것이며, 모든사람들의일상에이미어느정도로관여되어있는것 ) (Blake, B.) CT는표현 (representations), 시각화 (visualizations), 모델링 (modeling) 또는메타모델링 (meta-modeling) 을포함 Constable, R. (NRC, 2010) 기술과사고과정의유한한집합이라는한정적정의가아닌, 인지적과정의자동화와정보처리에대한연구정도로개술되는모든묘사를조합하여역동적인기술의속성과인간의학습을반영한제한을두지않고발전하고있는개념의리스트 이영준 (2008) 추상적사고의자동화과정인컴퓨팅과정에서문제해결을위해적절한추상적개념을선택하고이를자동화하기위해적절한컴퓨팅장치를선택하기위한사고능력 최숙영 (2011) 창조적인다중의추상화차원의사고 문제해결과정을컴퓨팅시스템에서처리될수있는형태로알고리즘화하는논리적사고 문제해결을위해컴퓨팅의기본개념을사용하고컴퓨터등의기기를다룰수있는인지를포함하는기술 CSTA(2011) 컴퓨터과학과모든학문분야를연관시킬수있는컴퓨터로해결할수있는문제들의해법을분석하고발전시키는분명한수단을제공하는문제해결방법론의하나 K-12 컴퓨터과학표준전체에스며들어있는추상화, 자동화, 분석에주안점을둔컴퓨터과학의핵심원리 교육부 KERIS (2015) 컴퓨팅의기본적인개념과원리를기반으로문제를효율적으로해결할수있는사고능력 - 10 -
지금까지살펴본여러논의는학자에따라컴퓨팅기술을이용할수있는역량에초점을두는경우, 일의처리절차를공식화하거나절차적사고에초점을둔문제해결방법론의하나로보는관점, 기제나패러다임이라는인간의사고에중점을둔경우, 광의적으로자동화와정보처리에대한연구가확장되어가는과정으로보는등으로다양하나, 본연구에서는학교현장에서 SW교육의안정적정착이라는초점을두어 컴퓨팅사고력이란학생들의일상생활에서발생할수있는문제들을컴퓨팅의기본적인개념과원리를기반으로문제를효율적으로해결할수있는사고능력 이라고정의하고자한다. 나. 컴퓨팅사고력의구성요소 Wing(2006, 2008) 은 CT의핵심은추상화와자동화라고밝힌바있으며, Barr와 Stephenson(2011) 은자료수집, 자료분석, 자료제시, 문제분해, 추상화, 제어구조, 알고리즘및절차, 분석과모델타당화, 자동화, 병렬화, 시험및검증, 시뮬레이션의 12가지단계로세분화하여제시하였다. 한편 NRC(2010) 워크숍에서 David Moursund는개발 (developing), 표현 (representing), 시험 (testing), 오류수정 (debugging) 의순서로구성된절차적사고임을강조한바있으며, Blake는 CT에는표현 (representing), 시각화 (visualization), 모델링 (modeling) 또는메타모델링을포함한다는의견을피력하기도하였다. CSTA(2011) 는이러한논의를토대로 CT를 6가지특징을지니는하나의문제해결과정이라는견해를밝혔으며, 문제해결을위한컴퓨팅사고력의구성요소를제시한바있다. 이러한 CSTA의견해는우리나라의소프트웨어교육운영지침에도반영되어있다. 교육부에서제시하고있는 CT의구성요소를제시하면 < 표 Ⅱ-2> 와같다. - 11 -
< 표 Ⅱ-2> 컴퓨팅사고력의구성요소 ( 교육부 KERIS, 2015) 구성요소자료수집자료분석구조화분해모델링추상화알고리즘코딩자동화시뮬레이션일반화 정의 문제해결에필요한자료를모으기 자료의이해, 패턴찾기, 결론을도출하기 문제를그래프, 차트, 그림등으로시각화하기 문제를관리가능한수준의작은문제로나누기 문제해결을위한핵심요소를추출하고, 모델만들기 문제를해결하기위한일련의단계를알고리즘으로표현하기 ( 절차적표현 ) 프로그래밍언어를이용해, 문제해결과정을자동화하기 프로그램 ( 소프트웨어 ) 을실행하기 문제해결과정을다른문제에적용하기 이와같은연구에기반을두고볼때, CT의구성요소는대동소이하며세분화의정도에있어차이가있는것으로생각된다. 세분화된정도에따라너무잘게쪼개져있는경우실제교수학습활동이나, 교과목표를달성하기에곤란할수있다. 또한, 실제학습활동은하나의요소만을가지고도할수도있고, 때론여러요소가융 복합되어이루어지기때문에이를너무세부적으로구분하기어려운측면도있다. 이를위해본연구에서는 < 표 Ⅱ-3> 과같이 CT의구성요소를분해 (D), 패턴인식 (P), 추상화 (A), 알고리즘 (A) 등 4가지요소로제시하고, 프로그래밍 (P) 이포함될수있다고보았다. < 표 Ⅱ-3> CT 구성요소의재정의 구분 KS3 용어 2) Google 용어 3) 분해 (D) Decomposition Decomposition 패턴인식 (P) Pattern recognition Pattern recognition 추상화 (A) Abstraction Abstraction 알고리즘 (A) Algorithms Algorithm design 프로그래밍 (P) 2) 영국 key stage 3 Computer science. CT 와 Programming 을구분하여다른영역으로제시함. 3) Google for educators. https://goo.gl/iusiii - 12 -
2. 국내외 SW 교육교육과정 가. 해외 SW 교육정책동향 최근국내외 SW교육의방향은 CT 함양을목표로정보교육을필수화하거나, ICT 활용중심에서알고리즘을중심으로한 SW교육으로전환하고있다 ( 교육부 KERIS, 2015). 해외주요국가의 SW교육목표와교육과정동향을살펴보면 < 표 Ⅱ-4> 와같다. < 표 Ⅱ-4> 해외 SW 교육동향 ( 교육부 KERIS, 2015; 성정숙, 김현철, 2015) 국가미국영국프랑스이스라엘중국기타 주요내용 K-12 컴퓨터과학표준 (K-12 Computer Science Standards) 발표 ( 11년) 아칸소주는고등학교정규과목에 coding 수업포함의무법제화 워싱턴, 텍사스, 켄터키등은고등학교제2외국어대신 coding 선택 14.2월 코딩교육의해 선포, 14.9월부터초 중등교육과정에 SW교육필수화 만 5세부터알고리즘과디지털콘텐츠제작및활용기술습득 1,500여개학교에서방과후코딩프로그램 Code Club 운영 2016년 9월신학기부터 SW를중학교정규과목화 ( 외국어수업축소 ) 이동통신사프리모바일, 코딩을무료로가르치는에콜 24학교운영 94년부터소프트웨어과목을정규과목에포함 고등학교이과생들을대상으로 3년간 450시간을 SW수업에할애 중 고등학교정규교과과정에 SW 필수교육 ( 초등학교는선택 ) 전국 37개 NPSS(National Pillot School of Software) 운영, 약 6.4만명재학중 ( 일본 ) 정보 과목을고등학교에서필수과목으로지정 ( 09년) ( 인도 ) 프로그래밍 과목을초중등에서필수과목으로지정 ( 13년) ( 에스토니아 ) 2015년부터모든초등학생이 SW교육을받게됨 ( 핀란드 ) 2016년 9월부터모든초등학생이 SW교육을받게됨 - 13 -
나. 우리나라의 SW 교육교육과정분석 세계적으로 SW교육을강화하고있는가운데우리나라는 CT를기반으로문제해결역량을함양하는 SW교육을강화하기위해소프트웨어교육운영지침과 2015 개정교육과정실과 / 정보과각론이발표되었다. 소프트웨어교육인재상및교육과정주요개편사항은 < 표 Ⅱ-5>, < 표 Ⅱ-6> 과같다. < 표 Ⅱ-5> 소프트웨어교육인재상 ( 교육부 KERIS, 2015) 컴퓨팅사고력을가진창의 융합인재양성 초등학교 ( 체험, 활동 ) 중학교 ( 개념이해 ) 고등학교 ( 개발, 융합 ) 건전한정보윤리의식을바탕으로알고리즘과프로그래밍을체험하여실생활의다양한문제를이해 간단한알고리즘을설계하고프로그램을개발하여창의적으로문제를해결 효율적인알고리즘을설계하고다양한분야와융합하여문제를해결 < 표 Ⅱ-6> 2015 개정교육과정주요개편사항 ( 교육부 2015) 구분 현행 개편안 주요개편방향 실과內실과內 - 문제해결과정, 알고리즘, 프로그래초등학교 ICT 단원 SW교육실시밍체험 ( 19년~) (12시간) (17시간 ) - 저작권보호등정보윤리의식함양 중학교 ( 18년~) 정보 과목 (68시간, 선택 ) ' 정보 ' 과목 (34 시간, 필수 ) - 컴퓨팅사고력기반문제해결교육 - 알고리즘, 프로그래밍개발 고등학교 ( 18년~) 정보 과목 ( 심화선택과목 ) 정보 과목 ( 일반선택과목 ) - 다양한분야와융합한알고리즘설계, 프로그램개발 - 기초과목, 실무과목으로개편하여 NCS 기반교육과정구성 - 14 -
1) 소프트웨어교육운영지침 2009 개정교육과정에서이루어지는 SW교육은초등학교 5학년실과과목의한단원, 중학교는선택과목 ( 정보 ) 으로서일부학교에서선택적으로교육하고있다. 기존의정보교육과정의교육내용은정보통신기술을활용하는데초점이맞추어져있으나, 소프트웨어교육운영지침의교육내용은정보윤리를강화하고알고리즘과프로그래밍을활용한문제해결력신장에중점을두고있다고밝히고있다 ( 교육부 KERIS, 2015). 소프트웨어교육운영지침에는새교육과정적용전까지연구학교와선도학교에서 SW 중심의실과 / 정보과교육을실시하기위한목표, 내용, 방법, 평가등이담겨있다. 소프트웨어교육운영지침에서는우선 CT를가진창의 융합인재의양성, 다시말해서단순한정보통신기술활용교육에서벗어나소프트웨어로새로운사회의가치를창출할수있는컴퓨팅사고력을지닌인재양성을목적으로제시하였으며, 이를위해학교급간소프트웨어교육의연계성을유지하고, 현재의교육과정에서최대한융통성있게소프트웨어중심교육을운영할수있는방안을제시하여새로운운영지침의적용에따른혼란을줄이는데노력을기울였다고밝히고있다. 소프트웨어교육의내용은크게생활과소프트웨어, 알고리즘과프로그래밍, 컴퓨팅과문제해결 3가지영역으로제시되어있으며, 이가운데컴퓨팅과문제해결영역은중학교와고등학교에서만다루도록되어있다. 그리고학교급각각의성취기준외에도학교급간의성취기준연계도를제시하여나선형교육이이루어질수있도록구성되어있다. 소프트웨어교육운영지침에서제시된학교급별교육목표, 내용요소및성취기준을아래의 < 표 Ⅱ-7~10> 에나타내었다. - 15 -
< 표 Ⅱ-7> 소프트웨어교육학교급별교육목표 영역초등학교중학교고등학교 생활과소프트웨어 소프트웨어가가져온생활의변화를알고, 정보사회에필요한건전한의식과태도를가진다. 소프트웨어활용의중요성을알고, 정보윤리의개념을이해하여올바른정보생활을실천하고, 정보를교류할수있다. 컴퓨팅기술과융합된다양한분야를이해하고, 정보윤리를실천하며, 정보기기를올바르게조작할수있다. 알고리즘과프로그래밍 알고리즘과프로그래밍을체험하여실생활의다양한문제를컴퓨팅사고로이해할수있다. 간단한알고리즘을설계하고프로그램을개발하여문제를해결할수있다. 알고리즘을효율적으로설계하고, 프로그램을개발하여창의적으로문제를해결할수있다. 컴퓨팅과문제해결 컴퓨팅사고력에기반하여실생활문제를해결할수있다. 컴퓨팅사고를기반으로다양한분야와융합하여문제를해결할수있다. - 16 -
< 표 Ⅱ-8> 소프트웨어교육초등학교내용요소와성취기준 영역중영역내용요소성취기준 생활과소프트웨어알고리즘과프로그래밍 나와소프트웨어정보윤리문제해결과정의체험알고리즘의체험 소프트웨어와생활소프트웨어가가져온생활모습의변화를설명변화할수있다. 사이버공간에서의사이버공간에서지켜야하는예절을알고실예절천할수있다. 인터넷중독과게임과인터넷중독의문제점을알고예방예방방법을설명할수있다. 개인정보가중요한이유와지킬수있는개인정보보호방법을찾아발표할수있다. 생활속에서저작권의보호를받는것은저작권보호어떤것인지찾아보고, 보호하기위한방법을설명할수있다. 문제의이해와제시된문제를이해할수있다. 구조화제시된문제를단순화할수있다. 문제를해결하기위한방법을순서에따라문제해결방법설명할수있다. 탐색제안한문제해결방법의문제점과개선방법에대해설명할수있다. 알고리즘의개념알고리즘의개념을이해할수있다. 순차, 선택, 반복구조를이용하여문제해결절차를그림이나기호를이용하여표현할수있다. 알고리즘의체험간단한알고리즘 ( 정렬, 탐색 ) 을체험활동을통하여이해할수있다. 프로그래밍의이해프로그래밍언어의기본요소를알수있다. 프로그래밍의체험 프로그래밍의체험 주어진프로그램을동일하게만들수있다. 주어진프로그램을수정하여자신만의프로그램을만들수있다. 내가생각한간단한프로그램을만들수있다. - 17 -
< 표 Ⅱ-9> 소프트웨어교육중학교내용요소와성취기준 영역 중영역 내용요소 성취기준 과정기본심화 소프트웨어의종류와특징 다양한분야에서활용되는소프트웨어의종류와특징을설명할수있다. 소프트웨어 소프트웨어의사용이실생활을어떻게변화 의활용과시켰는지이해하고소프트웨어의중요성을 소프트웨어의중요성설명할수있다. 활용과중요성소프트웨어와관련된다양한진로와직업을 찾아보고발표할수있다. 개인정보의개념을이해하고유형을설명할 수있다. 개인정보보호와개인정보침해에대한피해사례를조사하정보보안여예방방법을사례별로설명할수있다. 생활과악성프로그램의의미를알고보안소프트소프트웨어정보윤리웨어를설치하여컴퓨터를보호할수있다. 지적재산의개념을이해하고보호하는방지적재산의법을설명할수있다. 보호와정보공유지적재산권을침해하지않고올바른방법으로정보를공유할수있다. 정보기기의 컴퓨터의구성 컴퓨터의구성요소와기능을이해하고컴퓨터가자료를처리하는과정을설명할수 있다. 구성과다양한운영체제의종류와특징을알수있다. 정보교류네트워크와정보네트워크를바탕으로정보를공유하고, 교류 교류할수있는다양한서비스를알수있다. 자료와정보의개념을이해하고정보의디지정보의유형털표현방법을설명할수있다. 정보의유형을구분하고활용할수있다. 정보의알고리즘과선형구조의개념을이해하고설명할수있다. 유형과프로그래밍비선형구조의개념을이해하고설명할수있다. 구조화정보의구조화효율적으로정보를제공하고처리하기위해서 리스트, 계층, 테이블, 다이어그램등과같은 다양한형식으로정보를구조화할수있다. - 18 -
알고리즘과프로그래밍 < 표 Ⅱ-9> 소프트웨어교육중학교내용요소와성취기준 ( 계속 ) 영역 중영역 내용요소 성취기준 과정기본심화 문제해결절차의이해 문제를해결하는절차를설명할수있다. 컴퓨팅주어진문제를이해하고분석할수있다. 문제분석과사고의실생활의문제를구조화하여표현할수있다. 구조화이해실생활의문제를추상화하여표현할수있다. 문제해결주어진문제를해결하기위한다양한해결방전략의탐색법을찾을수있다. 실생활의사례와연계하여알고리즘이무엇인 지그의미와중요성을알수있다. 알고리즘의이해알고리즘이갖추어야할조건을이해하고다 양한알고리즘을비교할수있다. 컴퓨팅과문제해결 알고리즘의이해 프로그래밍의이해 컴퓨팅사고기반의문제해결 알고리즘의설계 프로그래밍언어의이해 프로그래밍의기초 여러가지의알고리즘표현방법을이해하고 설명할수있다. 문제해결절차를여러가지알고리즘표현법 ( 자연어, 의사코드, 순서도등 ) 으로나타낼수있다. 실생활에서발생되는여러문제들을순차, 선 택, 반복구조를활용하여알고리즘을설계할 수있다. 정렬과탐색등다양한알고리즘을바탕으로실생활의여러가지문제를해결할수있다. 프로그래밍언어의개념과종류를설명할수있다 프로그래밍언어의개발환경을이해할수있다. 자료의입출력문을작성할수있다. 문제해결에필요한순차, 선택, 반복구조를 프로그래밍할수있다. 여러가지구조적절차를복합적으로구현하여문제해결에활용할수있다. 비교 논리연산자와선택, 반복구조를활용하여프로그래밍할수있다. 프로그램에서오류를확인하여수정할수있다. 실생활문제를알고리즘설계와프로그래밍으실생활문제해결로해결할수있다. 다양한영역의문제해결 다양한영역의문제를알고리즘설계와프로그래밍으로해결할수있다. * 기본과정 : 소프트웨어의기본적인역량을학습할수있는학습요소로구성된운영과정심화과정 : 기본과정을바탕으로컴퓨팅사고력기반의문제해결역량을확장하기위한학습요소로구성된운영과정 - 19 -
< 표 Ⅱ-10> 소프트웨어교육고등학교내용요소와성취기준 영역중영역내용요소성취기준 생활과소프트웨어 알고리즘과프로그래밍 컴퓨팅과정보생활 정보윤리 정보기기의동작과정보처리 정보의표현과관리 컴퓨팅사고의실제 컴퓨팅기술과융합 소프트웨어의미래 정보윤리와지적재산보호 정보보안과대응기술 정보기기의동작원리 컴퓨터기술을이해하고다양한컴퓨터기술분야를찾을수있다. 컴퓨터기술을다른학문과융합한예를설명할수있다. 과거와현재의여러분야에서소프트웨어가사용됨으로써변화된생활의모습을설명할수있다. 다양한분야에서소프트웨어가사용되는미래발전방향을예측할수있다. 정보윤리와관련된법과제도를살펴보고정보윤리의식을가질수있다. 지적재산권을침해하지않고저작물을올바르게이용할수있다. 정보보안에대한개념을이해하고대응방법을설명할수있다. 정보보안기술을활용하여정보를보호할수있다. 컴퓨터의구성요소와동작원리를설명할수있다. 운영체제의관리기법을이해하고설명할수있다. 네트워크의전송원리를이해하고상황에맞게활용할수있다. 정보처리의과정정보의다양한처리과정을설명할수있다. 정보의표현 정보의관리 문제의구조화 문제의추상화 모델링과시뮬레이션 정보의디지털표현원리를설명할수있다. 다양한유형의정보를디지털로표현할수있다. 정보관리의개념을알고설명할수있다. 정보를효율적으로관리할수있다. 문제구조화의개념과방법을설명할수있다. 주어진문제를해결하기위해구조화할수있다. 문제추상화의개념과방법을설명할수있다. 주어진문제를추상화하여표현할수있다. 모델링과시뮬레이션의개념을설명할수있다. 실생활의문제를모델링할수있다. 실생활의문제를시뮬레이션할수있다. - 20 -
< 표 Ⅱ-10> 소프트웨어교육고등학교내용요소와성취기준 ( 계속 ) 영역 중영역 내용요소 성취기준 선형구조, 비선형구조의개념을이해하고알고리 즘을설계할수있다. 알고리즘과프로그래밍 컴퓨팅과문제해결 알고리즘의실제 프로그래밍의이해 문제해결과프로그래밍 컴퓨팅사고기반의융합활동 복잡한구조의알고리즘설계 알고리즘의분석과평가 프로그래밍언어의분류 프로그래밍의실제 프로그래밍과융합 팀프로젝트제작과평가 자료를정렬하는다양한방법들을알고알고리즘을설계할수있다. 자료를탐색하는다양한방법들을알고알고리즘을설계할수있다. 자료를압축하는다양한방법들을알고알고리즘을설계할수있다. 같은문제를해결하는데사용되는여러알고리즘을비교 평가할수있다. 절차적언어와객체지향적언어의특징을설명할수있다. 프로그래밍언어의실행절차를설명할수있다. 변수와상수를이해하고, 이를이용하여자료의입출력프로그램을작성할수있다. 조건문과반복문을이용하여프로그램을작성할수있다. 다중선택구조를이해하고프로그램을작성할수있다. 다중반복구조를이해하고프로그램을작성할수있다. 복잡한제어구조를이용하여프로그램을작성할수있다. 배열의개념과필요성을설명할수있다배열을이용하여프로그램을작성할수있다. 함수의개념과필요성을설명할수있다. 함수와변수의참조범위에대해설명할수있다. 함수를활용하여프로그램을작성할수있다. 인문, 사회, 과학분야에서프로그래밍이사용되는사례를찾아볼수있다. 다양한분야에서문제해결과정을찾아이를논리적으로설계하고, 프로그램으로작성할수있다. 팀을이루어하나의프로젝트를설계하고제작할수있다. 팀에서작성한프로그램을발표하고평가할수있다. - 21 -
2) 2015 개정실과 / 정보과교육과정 2015 개정교육과정에서의 SW교육은운영편제상초등학교실과에서 17시간, 중학교에서는정보과목이필수교과로개편되어 34시간교육이이루어질예정이다. 2015 개정교육과정에따르면초등학교에서는기존 ICT 활용중심의정보단원을 SW 기초소양중심의대단원으로구성하여, 문제해결과정과알고리즘및프로그래밍체험을중심으로저작권보호등정보윤리의식함양을포함하는내용으로교육을실시하기로하였다. 그리고중학교에서는전문적인 SW교육을위해 정보 과목을의무화하여컴퓨팅사고기반문제해결교육과알고리즘및프로그래밍개발을, 고등학교에서는심화선택이던 정보 과목을일반선택 ( 기술 가정및정보중한가지과목을선택 ) 으로전환하여다양한분야와융합한알고리즘의설계및프로그램개발중심의교육을실시하기로하였다 ( 교육부, 2015). 2015 개정교육과정에서제시한학교급별소프트웨어교육의목표와내용은 < 표 Ⅱ-11> 과같다. < 표 Ⅱ-11> 2015 개정교육과정에서의소프트웨어교육 구분초등학교중학교고등학교 교육목표 실과 (5, 6학년 ) SW 기초소양교육 정보교과 SW 제작원리이해 정보, 정보과학과목 진로와연계, 심화학습 교과내용 놀이중심활동 프로그래밍체험 추상화, 알고리즘 문제해결과프로그래밍 알고리즘과프로그래밍 텍스트기반언어 창의적체험활동 논리적사고체험 컴퓨터프로그램제작 컴퓨팅시스템융합활동 초등학교실과 SW 교육관련내용요소는기술시스템영역에소프트웨어이 해, 절차적문제해결, 프로그래밍요소와구조로제시되어있으며, 성취기준 및교수학습방법은 < 표 Ⅱ-12> 에제시된바와같다. 한편평가방법및유의 - 22 -
사항으로는 다양한평가도구를활용하여소프트웨어교육을통한컴퓨팅사고 력의향상정도를측정할수있다 고간략하게언급되어있다. < 표 Ⅱ-12> 초등학교실과기술시스템영역내용요소와성취기준 영역핵심개념내용요소성취기준 소프트웨어의이해 절차적문제해결 소프트웨어가적용된사례를찾아보고우리생활에미치는영향을이해한다. 절차적사고에의한문제해결의순서를생각하고적용한다. 기술시스템 소통 프로그래밍도구를사용하여기초적인프로그래밍과정을체험한다. 프로그래밍요소와구조 자료를입력하고필요한처리를수행한후결과를출력하는단순한프로그램을설계한다. 문제를해결하는프로그램을만드는과정에서순차, 선택, 반복등의구조를이해한다. 2015 개정교육과정중고등학교소프트웨어교육에서는정보문화소양, 컴퓨팅사고력, 협력적문제해결력세가지를핵심역량을제시하고있다. 정보문화소양이란정보사회의가치이해, 정보사회구성원으로서윤리의식과시민의식을갖추고정보기술을활용하여문제를해결할수있는능력을, 컴퓨팅사고력은컴퓨터과학의기본개념과원리및컴퓨팅시스템을활용하여실생활과다양한학문분야의문제를이해하고창의적으로해법을구현하여적용할수있는능력을, 협력적문제해결력이란네트워크컴퓨팅환경에기반을둔다양한지식 학습공동체에서공유와효율적인의사소통, 협업을통해문제를창의적으로해결할수있는능력을의미한다. 중학교와고등학교정보과에제시된내용체계는 < 표 Ⅱ-13> 과같다. - 23 -
< 표 Ⅱ-13> 중 고등학교정보과영역별내용요소 영역 핵심개념 중학교 내용요소 고등학교 기능 정보문화 정보사회 정보사회의특성과진로 정보과학과진로 정보윤리 개인정보와저작권보호 사이버윤리 정보보호와보안 저작권활용 사이버윤리 탐색 분석 * 평가 ** 실천 계획 자료와정보 자료와정보의표현 자료의유형과디지털표현 자료와정보의분석 자료의수집 정보의구조화 효율적인디지털표현 자료의분석 정보의관리 분석 표현 * 선택 ** 수집 관리 협력 ** 추상화 문제이해 핵심요소추출 문제분석 문제분해와모델링 문제해결과프로그래밍 컴퓨팅시스템 알고리즘 프로그래밍 컴퓨팅시스템의동작원리 알고리즘이해 / 표현 입력과출력 변수와연산 제어구조 프로그래밍응용 알고리즘설계 / 분석 프로그램개발환경 변수와자료형 연산자 표준입출력과파일입출력 중첩제어구조 배열 함수 프로그래밍응용 컴퓨팅기기의구성과동작 운영체제역할원리 네트워크환경설정 피지컬컴퓨팅 센서기반프로그램구현 피지컬컴퓨팅구현 비교 분석 핵심요소추출 분해 ** 분석 * 활용 ** 관리 ** 설계 설계 ** 표현 프로그래밍 구현 협력 프로그래밍 구현 협력 * 중학교에만해당하는기능 ** 고등학교에만해당하는기능 기존의소프트웨어교육운영지침은주로교과활동외의창의적체험활동에서 SW교육강화를목적으로마련되었으나 ( 정영식외, 2015), 2015년에발표된소프트웨어교육운영지침은 SW교육연구학교와선도학교에서의수업운영을위한 수시개정 의성격을띠고있다. 실과 / 정보과 2015 개정교육과정이고시된이후둘간의약간의차이가있다. 향후교육과정개정에따른변화를예상해보기위해 SW교육운영지침과 2015 개정교육과정각론의내용요소와성취기준을중심으로비교하여이를부록에제시하였다. - 24 -
다. SW 교육교재개발방향 4) 교육부는 2015 개정교육과정적용이전에소프트웨어교육을조기에실시하 기위해소프트웨어교육운영지침을발표하고 2015 년부터연구학교를선정하 여적용함으로써소프트웨어교육에대한인식을확산하고개정교육과정적용 시안착할수있도록준비하고있으며, 미래창조과학부는 2014 년부터소프트 웨어교육선도학교를운영하고있다. 교육부와미래창조과학부는 2016 년부터 선도학교 900 개교를선정하고점차확대함으로써소프트웨어교육의저변을확 대할계획을발표하였다 ( 교육부 미래부, 2015). 이러한노력에도불구하고초 중학교에서소프트웨어교육운영에필요한적 합한교재가부족한것이사실이며, 이를해결하기위해 SW 교육교재개발이 추진되고있다. 해당교재는소프트웨어교육운영지침을초 중학교정규교과 에서활용하기위해학교급별목표와내용요소, 성취기준등을충실히반영하 여, 2015 개정교육과정이적용되기전까지학교에서사용될계획이며, 학교의 여건에맞게 SW 교육이효과적으로운영될수있도록학생용 교사용교재를 개발하여보급될예정이다. SW 교육교재는실생활과다른학문분야에서의문제해결에컴퓨팅을기반 으로문제의이해와분석, 자료와정보의수집및분석, 문제해결절차의설계 및프로그래밍등을통해컴퓨팅사고력을갖춘인재를양성할수있도록개발 되었다. 해당교재는학습모듈을기본단위로만들어져모듈간의연계를자 유롭게구성할수있는방안을모색하였으며, 전문가의검토를거쳐프로토타 입을개발하고학교현장에적용하였다. 또한초등학교실과의정보관련단원 이나중학교정보과의내용이나교과서와달리소프트웨어중심으로내용을구 성하고학생들이학습활동을직접기술할수있는워크북형태로개발하기위 해학습내용, 교육환경, 교재활용측면에서아래와같은특징을갖도록개 발되었다. 4) 본문은 2015 년소프트웨어교육연구학교 1 차년도성과보고회 ( 교육부, 2015.12.03) 발표내용을정리한것임. - 25 -
1) 학습내용측면학생의흥미와동기를유발할수있는의미있는문제상황을선정하여구성하며, 학생들이문제를해결하는과정및결과를기록 관리할수있는워크북형태로개발하였다. 교재는문제해결과정중심으로개발하기위해문제제시, 문제의이해와분석, 문제해결방법탐색, 알고리즘설계, 프로그래밍, 검증등컴퓨팅사고력의구현절차를일련의활동으로수행할수있도록내용을구성하여개발하였다. 학습자활동중심의교재로학습보조자료도함께제시하여학습자들이직접활동의결과를기록하고관리할수있는형태로개발한다. 수학, 과학등의타교과학습요소를반영한문제상황을제시하여융합활동을유도하고자하였다. 학습상황에따라블록형프로그래밍언어 ( 스크래치, 엔트리등 ) 와텍스트기반의언어 ( 파이썬, C 언어등 ) 가모두가능하도록내용을구성하여다양한프로그래밍도구의사용을고려하였다. 2) 교육환경측면동일한학습요소를대상으로컴퓨터사용이가능한환경과컴퓨터사용이어려운환경에서도학습활동이가능하도록다양한교육환경을고려하여내용을구성하였다. 학습자수준및선택시수의다양성고려하되, 중학교의경우기본 심화과정을반영한모듈형교재를개발하고, 초등학교의경우에는확보된시간외에창의적체험활동등을통해컴퓨팅사고력을체험해볼수있는다양한활동내용으로구성하였다. 소프트웨어교육교재의수업시수는학습수준별교육이가능하도록초등학교는 17차시 ( 기본 17차시, 심화 17차시 ), 중학교는 68차시 ( 기본 34차시, 심화 34차시 ) 분량으로개발되었다. 그리고모둠별시수는 < 표 Ⅱ-14> 와같다. - 26 -
< 표 Ⅱ-14> SW 교육교재의모둠별시수 구분 교재시수모듈별시수 ( 모듈별수 ) 기본심화지식모듈활동모듈기능모듈계 초등학교 17 차시 17 차시 6차시 (4개) 25차시 (9개) 3차시 (3개) 34차시 (16개) 중학교 34 차시 34 차시 15차시 (15개) 48차시 (16개) 5차시 (5개) 68차시 (36개) 3) 교재활용측면 학생이직접워크북에학습활동을기록함으로써학습과정완료시에는교재가학생의학습결과물이될수있도록개발하였다. 교사의역량과학습자의수준등을고려하여교사들이쉽게내용을재구성하여활용할수있도록학습내용을모듈단위로개발하였다. 교과의특성을반영하여단순한오프라인교재가아니라온라인플랫폼 ( 에듀넷등 ) 과연동한형태로개발하였다. 학습활동모듈은연구학교교사들이지속적으로추가개발하여교사들상호간에공유하여활용할수있으며, 편집이가능한형태로개발하였다. 활동모듈 유형 < 표 Ⅱ-15> 초등학교모듈구성안 소프트웨어활용과중요성 내용요소 ( 기본 17 차시 )+( 심화 17 차시 ) 정보윤리 문제해결방법찾기 알고리즘설계 지식모듈 K-1 K-2 K-3 K-4 기능모듈 프로그래밍 주제 -A A-3 A-4 A-P 주제 -B B-3 B-4 B-P 주제 -n n-3 n-4 n-p P - 27 -
유형 소프트웨어활용과중요성 < 표 Ⅱ-16> 중학교모듈구성안 내용요소 ( 기본 17 차시 )+( 심화 17 차시 ) 정보윤리 정보유형 문제해결절차 문제해결방법찾기 알고리즘설계 지식모듈 K-1 K-2 K-3 K-4 K-5 K-6 기능모듈 활동모듈 프로그래밍 주제-A A-5 A-6 A-P 주제-B B-5 B-6 B-P 주제-n n-5 n-6 n-p P 모듈은서로독립적으로학습할수있으며, 교사들이확보된시간이나학습자의수준에맞추어알맞게재구성하여활용할수있다. 단, 프로그래밍모듈은반드시알고리즘모듈과연계하여구성하여야한다. 아래는중학교모듈재구성예시이다. 지식모듈을먼저학습하고활동모듈을학습하는구성 < 지식모듈 1-6> < 활동주제-A 학습 > < 활동주제-B 학습 > 활동모듈을먼저학습하면서지식모듈과연계하여학습 <A-5> <K-5> <A-6> <K-6> <A-P> 여러주제의문제해결방법찾기모듈을먼저학습한후, 특정주제의알고리즘설계와프로그래밍을학습하는구성 <A-5> <B-5> <C-5> <A-6> <A-P> <B-6> 소프트웨어교육교재의내용체계는 소프트웨어교육운영지침 의중영역과내용요소를중심으로재구성하여학습주제를선정하고, 교재내용특성에따라지식 활동 기능의세가지유형으로구분하여학습주제를분류하였으며, 세유형은지식모듈, 활동모듈, 기능모듈로설정하였으며, 각모듈의의미는아래와같다. - 28 -
지식모듈 (Knowledge Module) : 해당영역의이론과지식을학습하는내용 활동모듈 (Action Module) : 학습한내용을토대로실제문제상황을문제해결방법찾기 알고리즘설계 프로그래밍일련의절차로해결하는내용 기능모듈 (Programming Module) : 프로그램개발에필요한프로그래밍기능을가르치는내용 < 표 Ⅱ-17> 지식 활동모듈의구성요소 활동모듈요소 지식모듈요소 활동 1 문제해결방법찾기 활동 2 알고리즘설계해결방법설계하기 활동 3 프로그래밍 1 학습목표 1 생각열기 1 문제해결방법 1 준비하기 2 학습활동 2 생각모으기 표현하기 2 프로그래밍하기 3 개념의구조화 3 생각다듬기 2 알고리즘탐색 1 3 실행하기 4 개념설명 4 생각나누기 3 알고리즘탐색 2 4 더나아가기 5 예제및사례 4 알고리즘설계 소프트웨어교육교재의각모듈별예시화면 5) 을제시하면 [ 그림 Ⅱ-1 7] 과 같다. 5) 교육부와한국교육학술정보원에서개발하고있는 SW 교육학생용교재에서발췌. in press. - 29 -
[ 그림 Ⅱ-1] 지식모듈예시 [ 그림 Ⅱ-2] 기능모듈예시 - 30 -
[ 그림 Ⅱ-3] 활동모듈예시 - 31 -
[ 그림 Ⅱ-4] 활동모듈개요페이지예시 - 32 -
[ 그림 Ⅱ-5] 문제해결방법찾기예시 [ 그림 Ⅱ-6] 알고리즘만들기예시 - 33 -
[ 그림 Ⅱ-7] 프로그래밍하기예시 ( 스크래치 / 엔트리를같이제공 ) 소프트웨어교육초등학교교재에는스크래치와엔트리를이용한프로그래밍 과정이같이제공되어선택의폭을넓히고자하였으며, 중학교교재에는이외 에도파이썬프로그래밍과정도포함되어있다. 3. 교수학습모델선행연구분석 프로그래밍모델, 응용 SW 모델, 멀티미디어모델, 문제중심모델등지금까지정보교과에제안된교수학습모델은무수히많다. ICT 활용이강조된 2000년대이후에는도구적활용방안, PBL과같은기존교수-학습모델에 ICT를접목하는방안, 새로운교수-학습모델제안등이이어졌다. 이는정보교과교수학습모델또는방법이명확하게정해져있다기보다상황에맞춰달라질수있음을시사한다 ( 이태욱, 유인환, 이철현, 2001; 이태욱, 최현종, 2015). - 34 -
다시말해서교수학습방법은어떤특정한교수학습모델을특정하기보다, 교수목적, 학습내용의특성, 학생의특성, 학습환경등을고려하여적절하게선택할필요가있다는의미이다. 컴퓨팅사고력이일종의문제해결능력으로강조되고있다는점에중점을두고문제중심학습과문제해결모델을, 최근컴퓨팅사고력과관련된연구가많이보고된디자인기반학습모델을, 또한학습자중심의교수학습방법으로플립러닝을기반으로한 S/W 교육방법에대하여개괄적으로살펴보면다음과같다. 가. 문제중심학습 (Problem Based Learning, PBL) PBL은실제로발생하는문제와상황을중심으로교수-학습을구조화한교육적접근으로서, 학습자들이문제를협력적이고자기주도적으로해결해가는과정을통해서내용에대한학습, 비판적사고력과협력기능을기르도록하는교수학습형태이다 ( 김신자외, 2000). Barrows와 Tamblyn(1980) 은문제중심학습을 문제에대한이해혹은문제해결을위해이루어지는활동과정에서산출되는학습이다 라고정의한바있다. 문제중심학습에서교수자는학습자들을가르치는것이아닌학습자가비판적으로사고하고, 자기주도적으로학습하는과정을통해스스로내용지식을생성할수있도록지원하는입장에있다. 이러한 PBL은의과대학교수로있던 Barrows와 Tamblyn(1980) 에의해구체화되어경영학, 교육학, 사회학그리고건축학과공학등대학교육뿐만아니라고등학교에도폭넓게적용되어온학습법이다 (Savery & Duffy, 1996). PBL은교수학습결과창의적사고력, 비판적사고력, 문제해결력, 협동능력등을목표로하고있다 ( 조연순, 2006). 이러한목표는소프트웨어교육에서강조하고있는컴퓨팅사고력을바탕으로실생활의문제를해결하는과정의경험과창의적인문제해결 ( 교육부, 2015) 와도상당부분중첩되어있어 SW교육의여러수업활동에 PBL을적용할수있을것이라예상된다. 예를들어교육용 - 35 -
프로그래밍언어 (Education Programming Language, EPL) 수업에서문법및개념을직접교수하는방법도있지만, 간단한문제나예시를함께만들어보며지식과기능을자연스럽게익히도록할수도있을것이다. 일반적인 PBL의수행과정을문제확인, 문제해결계획수립, 탐색및재탐색, 해결책고안, 발표및평가의다섯단계로구분하고, 이따른교수학습과정및목표로하는바를 [ 그림 Ⅱ-8] 에정리하였다. [ 그림 Ⅱ-8] 문제중심학습의일반적절차 ( 조연순, 2006 을재구성 ) 나. 문제해결모델 문제해결모델은학습자주도의문제해결과정을강조하는학습자중심의교수학습모델이다. 이모델은최대한학습자스스로문제해결방법을찾아문제를해결하도록유도함으로써자발적인학습참여를유도하고학습자의탐구력을신장시키는데유리하다. 학습자는문제해결과정에서지식이나개념을단순수용하는것이아니라나름대로지식이나개념을탐구하고재구성할수있는기회를가짐으로써학습에대한주도성을가지게된다 (Sternberg, 1996; 강숙희, 1998에서재인용 ). ICT 활용에중점을두고정보를다루는기술 (skills) 을일반적으로정보기법이라하며, Big 6 기술이정보기법을기반으로하는가장일반적인모델이다. - 36 -
이모델은대부분의문제해결모델에서제시되는기본적이고도중요한단계를포함하고있으며, 정보와관련된문제를해결하기위한모델이라는설계상의특징을지닌다 ( 이태욱외, 2001). 문제해결모델의 6가지단계별세부요소를기술하면 < 표 Ⅱ-18> 과같다. < 표 Ⅱ-18> The Big 6 Skills 단계과제확인정보탐색전략검색정보사용종합평가 요소 1.1 문제정의 1.2 과제를해결하는데필요한정보를규명 (identify) 2.1 가능한자원 (sources/brainstorm) 의범위결정 2.2 서로다른가능한자원을평가하고최선의것을선택 3.1 정보자원의위치알아내기 (intellectually and physically) 3.2 자원안에서정보찾기 4.1 자원에서정보를읽고, 보고, 듣고, 느끼기 4.2 자원으로부터관련된정보추출 5.1 다양한자원으로부터정보조직 5.2 정보제시 6.1 결과평가 ( 효과성 ) 6.2 정보문제해결과정평가 ( 효율성 ) 이러한문제해결모델은학습자들에게실생활에서일어날수있는실제적문제를제시함으로그문제를해결하는과정을강조하고있다. SW교육이프로그래밍기술의습득보다컴퓨팅사고력의증진에주안점을두고있다는점에서, 실생활의다양한문제를컴퓨팅으로해결하는경험을제공하는과정이라는측면에서활용가능한모델이라할수있다. - 37 -
다. 디자인기반학습 (Design Based Learning, DBL) 디자인기반학습을이해하기위해서는디자인사고의개념을살펴볼필요가있다. 디자인사고는지난 10여년간비즈니스분야에서크게유행한문제해결방법론이자, 교육실행도구의하나이다. 디자인기업으로유명한 IDEO에서는디자인사고란고객의가치와시장의기회를기술적으로가능한성공적인경영전략으로전환하기위한요구를충족시키기위해디자이너의감수성과방식 (method) 을이용하는실행방법이라고묘사한바있다 (IDEO s Blog, 2008). 또한 Martin(2009) 은기존분석적사고의중심이연역과귀납인데반해디자인사고는귀추법 (abductive reasoning) 과통합적사고를강조하는사고방법이라고정의한바있다. 스탠포드대학교에서는디자인사고를교육에적용한 D-school 6) 개념을제안하면서, 교육자에게디자인사고란교실, 학교, 지역사회에서의미있는해결책을설계하는것 이라고정의하였다. [ 그림 Ⅱ-9] 디자인사고의개념 7) 6) 디자인사고 k-12 educator s toolkit(http://www.designthinkingforeducators.com/). 7) 출처 : IDEO s Blog(http://designthinking.ideo.com/), D-school(http://dschool.stanford.edu/). - 38 -
특히, D-school의디자인기반학습은주로과학교육의탐구학습과비교되는데, 기존탐구학습의경우실험을통한가설검증이이루어지는반면에디자인기반학습에서는아이디어를직접제작하고테스트하는활동을중심으로이루어진다. 이러한 D-school의교육방법은공감하기, 정의하기, 상상하기, 프로토타입, 테스트의다섯절차를거친다. 각단계별세부활동의예시를살펴보면, 공감하기에서는관찰하고, 그일에직접관여하고, 경험해보는과정으로, 실제 DBL이표출되는부분은상상한것을프로토타입형태로제작하여테스트하는과정으로구성되어있다 ( 김수환, 한선관, 2012). 기존의과학탐구활동과 D-school의단계를비교하면 < 표 Ⅱ-19> 와같다. < 표 Ⅱ-19> 디자인기반학습의단계 ( 김수환, 한선관, 2012) 구분 과학실험 (IBL) 21st Skill (DBL) D-school CL 교육 (DBL) 과학창의재단 (STEAM) 질문제기 문제정의 공감하기 (Empathy) 계획하기 상황제시 고민 문제고민 가설설정 설계, 기획, 프로토타입도출 정의하기 (Define) 연결하기 창의적설계 단계 실험검증 프로토타입, 해결책찾기 상상하기 (Ideate) 탐색하기 실험결과분석결과비교발전및새로운질문 결과분석공유, 시장에출시더나은프로토타입, 새로운문제 프로토타입 (Prototype) 테스트 (Test) 제작하기 되돌아보기 감성적체험 보상, 새로운문제도전 - 39 -
한편스탠포드대학의 D-school 에서는교육분야에디자인사고를적용하기 위한활용도구 (toolkit) 을제공하고있다 (IDEO & Riverdale, 2012). 활용도구 에서제안하고있는교수학습절차는 [ 그림 Ⅱ-10] 과같다. [ 그림 Ⅱ-10] 디자인사고교수학습절차 - 40 -
이밖에도 MIT 미디어랩은창의컴퓨팅가이드북에서 DBL 교육프로그램을제안하였는데, Brennen, Balch와 Chung(2014) 은창의컴퓨팅이란창의성, 역량의강화, 컴퓨팅에관련된것으로, 문제를해결하기위해디자인, 컴퓨팅, 융합의과정을거쳐창의적으로문제를해결할수있는소프트웨어를산출하는활동이라고정의하였다. 창의컴퓨팅교육프로그램은컴퓨팅사고를바탕으로디자인하기 ( 무언가를사용하는것이아니라창조하고상호작용하는것 ), 개인화하기 ( 개인적으로의미있고연관된것을창조하는것 ), 협력하기 ( 창조물을다른사람과함께만드는것 ), 되돌아보기 ( 창조물을되돌아보고다시생각해보는것 ) 네단계로제시되어있다 (Brennen 외, 2014; 김수환, 2011). [ 그림 Ⅱ-11] 창의컴퓨팅디자인기반학습절차 (Brennen 외, 2014) 한편한선관 (2015) 은창의컴퓨팅을학교수업에적용하기위한교수학습모델을초등저학년용은 U-M-C(Use, Modify, Create), 초등고학년용은 D-D-C (Discovery, Design, Create), 중등용은 D-C-C(Design, Computing, Convergence) 모델 3가지로제안하였다. 각모델별활동을 < 표 Ⅱ-20 22> 에제시하였다. 또한 Brennen과 Resnick(2012) 의제안에기반을두어개념평가, 프로젝트기반산출물평가, 프로젝트포트폴리오분석, 인터뷰, 디자인시나리오, 지필평가, 자기평가 / 동료평가의평가방법을제시하였다. - 41 -
< 표 Ⅱ-20> UMC 모델 단계설명활동예시 Use (Play) Modify Create 해보기수정확장보완배운것을토대로새산출물 공튀기기게임을실행해봅니다. 공이튀기는각도가어떻게작동하는지생각해봅니다. 공과바의관계를생각해봅니다. 공과바를만들어봅니다. 벽돌을추가합니다. 공과바의관계를생각하고, 이와같은패턴을공과벽돌에적용해봅니다. 점수를추가해봅니다. 공튀기기게임을응용하여다양한게임을만들어봅니다. 물고기게임, 상어게임, 공튀기기업그레이드버전등 < 표 Ⅱ-21> DDC 모델 단계설명활동예시 Discov ery Design Create 도전 ( 챌린지 ) 디버깅 ( 주어진문제의문제점을발견하고수정하면서기능, 원리, 개념을익힘 ) 컴퓨팅활동 CT 디자인 ( 문제분해-추상화- 협력-아이디어확정 ) Design Thinking ( 강조-정의-창의설계-프로토타입-공유평가 ) 배운것을토대로새로운산출물생산 컴퓨팅과융합 - 미래에너지문제스토리 - 도시에필요한전기량과관련된스토리 - 풍력발전소시뮬레이터만들기목표설정 - 실제풍력발전소의 1일전기량조사하기 - 도시의전력소비량조사하기 - 시뮬레이터구상하기 - 시뮬레이터프로그램순서도작성하기 - 풍력발전소시뮬레이터제작하기 ( 프로그래밍 ) - 그룹별로협력하기 - 테스트와디버깅하기 - 시뮬레이터발표및공유하기 - 다른그룹의작품을보고비교해보기 - 자신들의시뮬레이터를수정하기 - 최종작품을공유하기 - 42 -
< 표 Ⅱ-22> DCC 모델 단계 설명 활동예시 Design 디자인 - 질병문제, DNA 구조, 질병발견방법 - DNA 구조모델맞추기 언플러그드 - 리스트를이용한텍스트매칭프로그래밍 Computing EPL 피지컬 - DNA 구조검출프로그래밍 Convergence 융합 - DNA와질병검출 - DNA 시퀀싱원리 - DNA 질병검출프로그램설계 < 표 Ⅱ-23> 창의컴퓨팅평가방법 평가방법개념평가프로젝트기반산출물평가프로젝트포트폴리오분석인터뷰디자인시나리오지필평가자기 / 동료평가 세부내용 - 변수, 연산자, 반복과같은 CS 개념과슈도코드, 프로그래밍개발 ( 코딩교육 ) 평가 - 디버깅문제 - 프로젝트기반의산출물평가는장기프로젝트에서가능 - 학기말과제, 팀프로젝트, 산출물대회등 - Brennen의분석방법으로온라인에탑재된프로젝트포트폴리오를 color search engine으로분석 - 디자인과확장된부분에서는아이디어노트, 즉디자인저널을통해다면적평가 - 산출과정인터뷰 - 창작소감및태도 ( 협력등 ), 프로젝트창작, 온라인커뮤니티, 앞으로의활용 평가루브릭, 워크시트개발후적용 - 디자인아이디어에대한창의성 - 프로젝트명칭, 퍼포먼스정하기 예제시나리오를만들거나수정, 보완 - 실제개발없이개발된작품을학생에게보여주고개발시나리오와프로그래밍기법, 알고리즘등에대해설명하는것등 - 의도적으로오류가포함된문제를제시하고, 그에대한해결 ( 디버깅이필요한경우그에대한문제해결방법을설명하게함 ) - 프로그램문법, 정보올림피아드문제, 디버깅문제등 - 참여에대한체크리스트, 산출물에대한동료평가표등 - 43 -
한편최형신 (2014) 은교육대학수업및평가방법을위한연구를통해 Brennen 과 Resnick(2012) 의 CT 평가프레임워크를바탕으로컴퓨팅사고력평가방안 을제시한바있다. 제안된평가루브릭을아래의표 <Ⅱ-24> 에나타내었다. < 표 Ⅱ-24> CT 역량평가루브릭 CT 세부요소 기초 (Basic) 발달 (Developing) 능숙 (Proficient) 절차및알고리즘 프로그램의절차및알고리즘의효율성에개선할부분이많이보임. 프로그램의절차및알고리즘의효율성에개선할부분이다소보임. 프로그램의절차및알고리즘이효율적으로설계됨. 병행화및동기화 동시적처리나동기화처리가이루어지지않거나적절하지않음. 동시적처리는적절히이루어졌으나객체간의메시지교환처리가없거나적절히이루어지지않음. 동시적처리가적절히이루어지고객체간의메시지교환을통해프로그램흐름의동기화가적절히이루어짐. 자료표현 변수나리스트가전혀사용되지않음. 변수또는리스트를적절히활용함. 변수와리스트를적절히활용함. 추상화 사용자자신이만든블록으로구현된것이없음. 전체프로그램에서분해된논리적단위가부분적으로 전체프로그램에서분해된모든논리적단위가 새블록으로구현됨. 새블록으로구현됨. 문제분해 알고리즘의논리적부분이혼재되어처리됨. 알고리즘의일부를논리적인단위로나누어처리함. 알고리즘의주요부분모두를논리적인단위로나누어처리함. 새블록을만들어사용하 새블록에파라미터를사 새블록에파라미터를사 였으나파라미터는활용 용하여파라미터값에따 용하여파라미터값에따 시뮬레이션 하지않음. 라다른결과를도출하는 라다른결과를도출하여 과정에서부분적으로부 적절히활용함. 정확함이보임. - 44 -
라. 플립러닝 (Flipped Learning) 최근 플립러닝 ' 교육모델에대하여교사및연구자들의관심이늘어나고있으며, 스마트기기등의보급과활용이증대되면서교수-학습에적용되는사례가증가하고있다. 정순원등 (2013) 은플립러닝을 기존의교육방식을뒤집어, 집에서교사가제작한강의를듣고, 학교에서는교사및학생들과토론하면서퀴즈, 프로젝트활동, 토론등을통해과제를해결하는교육방식 으로정의하고있으며, 이종연등 (2014) 은학생이수업시간에배울주요내용을인터넷이가능한집이나개인적인공간에서동영상을통해자율적으로학습하고수업시간에는선생님또는동료학생과함께토론, 실습, 실험등의다양한활동을하는것이라고정의한바있다. 여러학자들이말한내용을토대로플립러닝의개념을정의하면다음과같다. 플립러닝이란 학생은가정이나일상생활에서학교에서배울핵심개념을광대역통신망이구축된가정의컴퓨터나개인스마트폰으로동영상을통해자율적으로학습하고온라인으로의사소통하며, 학교에는선생님또는동료학생들과퀴즈, 프로젝트활동, 토론등을통한학습자중심의교육방식 이다. 이교육방법은교사가지식전달자가아닌촉진자로서의역할로변화하게하며, 학생들이학교에서프로젝트활동및동료들과의토의, 토론등의동료학습을통해배움이일어난다는철학에기초하고있으며, 새로운교수학습방법이라기보다완전학습 (mastery learning), 개별화교수체제 (personalized system of instruction, PSI) 등으로제시되어온개별학습의하나라고볼수있다. 플립러닝의방법은 SW교육에적절하게활용될수있다. SW교육은학생들에게단순한지식을전달하는것에그치지않고기본적인절차적지식을바탕으로서로협업하여주어진과제 ( 문제 ) 를해결할수있도록하는과정이다. SW교육은수업대부분의시간을학생들스스로생각하며배울수있는수업, 학생들의적극적인참여를유도하는수업, 학생과교사, 학생과학생이상호작용하며협력하는수업을통해학생들의자발적인학습이일어나게하는것에핵심 - 45 -
을두고있다. 이처럼플립러닝을소프트웨어수업에적용한다면학습자는사전학습을통해자신의속도로배우고익힐수있고, 스스로학습의속도를선택할수있으며, 실제수업시간은학생들의적극적인상호작용과협력학습을용이하게해주어교실수업은학생이참여하는다양한학습으로능동적이고즐거운배움이가능할수있다. [ 그림 Ⅱ-12] 플립러닝의개념도 8) Salman Kahn의칸아카데미나 OCW, MOOC 등이세계적으로성공을거두고, 여러실증사례들이보고되면서플립러닝학습법에대한관심이높아졌으며, 국내에서는 Kahn(2012) 의책이출판되고, 플립러닝교수학습을적용사례가 21세기교육혁명-미래교실을찾아서 9) 라는제목으로방영되면서관심이고조된바있다. 8) 출처 : 한국교육학술정보원 (2015). 2015 년초등소프트웨어교육선도교원연수교재. in press. 9) KBS 파노라마 -21 세기교육혁명 : 미래교실을찾아서, 제 1 부거꾸로교실의마법 (2014. 3. 20), 제 2 부가르침시대의종말 (2014. 4. 3), 제 3 부진짜세상을향한교실 (2014. 5. 30). - 46 -
플립러닝은다양한수업방법이복합적으로사용될수있기에구조화된모델로제시될수는없다. 그러나구체적으로제시된개념틀은실제수업을설계하는데사고의방향성을정립하고하나의가이드라인으로작용할수있다는점에서 2가지선행연구를살펴보았다. 하나는텍사스대학교수학습센터에서제시한이전의수업과비교한수업구조및활동내용 (University of Texas at Austin Center for Teaching and Learning, n. d.: 이지연, 김영환, 김영배 2014에서재인용 ) 이며, 다른하나는이동엽 (2013) 이제안한 ADDIE 모델기반플립러닝교수학습설계모델을차용하여본연구에제시하였다. < 표 Ⅱ-25> 기존수업과플립러닝적용수업구조및활동내용비교 ( 이지연, 김영환, 김영배, 2014) 구분기존수업플립러닝적용수업 수업전수업도입수업중수업후일과시간중 학습자에게읽어야할과제배정 교수자는강의를준비 교수자는무엇이도움이될것인지에대한일반적인가정을함 학습자들은기대학습에대한제한된정보를가짐 교수자는모든학습자료를사용하려고노력함 학습자들은수업을따라가려고함 학습자들은보통지연된피드백을받으며숙제를하려고함 교수자는지난과제에대해평가함 학습자들은공부한것에대한확인을원함 교수자는종종수업시간에있었던일을반복함 학습자는제공된모듈에따라학습을하고내용관련질문은기록해둠 교수자는여러가지학습내용을준비 학습자들은 ( 교수자에게 ) 그들학습을안내해줄특별한질문을함 교수자는학생들이가장도움을필요로하는곳을예상할수있음 교수자는피드백과소규모강의를통해학습자들의과정을안내함 학습자들은배워야할기능 (skills) 을실습함 학습자들은교수자의명확한설명과피드백에따라그들의지식과기술을계속활용함 교수자는필요한것은어떠한것이라도추가적인설명과리소스를제시하고질높은작업에대해점수를부여함 학생들은그들이필요로하는것이어디에있는지도움을구하기위한능력을갖춤 교수자는학생들이더깊은이해를하도록지속적으로안내함 - 47 -
< 표 Ⅱ-26> ADDIE 기반플립러닝교수학습설계모델 ( 이동엽, 2013 을재구성 ) 단계 구성요소 교사와학생특성 수업을위해서교사와학생이온라인학습에대한정보를찾거나, 개별적으로집에서학습할수있는능력이있는지의여부등을분석 수업요소분석 수업목표및내용특성 수업환경특성 해당수업을통해달성하고자하는수업목표와다루고자하는내용의수준과범위를고려하여학생들이미리학습해야하는내용에대한계획을세울수있도록준비 학생들의정보화환경, 교실의정보화환경및교실유형에대해분석 학생들이집에서선행학습을할수있는지여부를결정 교실에서는어떠한방식으로수업을진행할것인지결정 수업내용선정및재구성 수업목표달성을위한수업내용, 교수학습활동및자료활용전략수립 학생들이선행학습을해야하는내용결정 교실수업에서다룰내용결정 선행학습을위한교수학습활동선정 학생들이선행학습을해야할내용에대한접근가능여부를파악 필요할경우교사가직접선행학습용자료를제공 수업설계 교실수업을위한교수학습활동선정 선행학습을통한학습자의학습수준을고려 개별화학습진행시학습한지식에대한재구조화나혹은그러한지식을통해심화학습이일어날수있도록수업을설계 효율적플립러닝을위한전략수립 학생들의효율적인선행학습수행및실제교실수업진행에대한전반적인전략을고려 실제교실수업도입-전개-정리단계별교수학습활동 학습내용에대한보충자료제공방법및심화학습을위한수업방법설계, 교사와학생의상호작용및학생들간의상호작용등다양한교수학습방법에대한설계 - 48 -
< 표 Ⅱ-26> ADDIE 기반플립러닝교수학습설계모델 ( 계속 ) 단계 구성요소 선행학습자료개발 필요시선행학습자료및동영상자료개발 수업목표달성을위한효율적인자료의제공및교사가학생들과공유하고자하는자료의제공 수업개발 교실수업수업방법및자료개발 수업목표에따라교실수업의형태를다양하게변형하고, 각단계별수업방법및자료를개발하는것 학생들의선행학습수준에따라토론식수업, 팀구성문제기반학습등다양한형태로교실수업을진행 수업단계별활동전략수립 선행학습및교실수업에서필요한각단계별활동전략수립 교수학습전략에대한단계별활동전략수립 수업준비 수업에필요한자료와도구, 매체의준비 수업실행 수업실행 수업실행전략의수행 학생들의선행학습여부확인 교사-학생, 학생-학생, 학생-교수학습자료간의도했던상호작용의발생여부확인및적절한대응 ( 피드백제공등 ) 강의식수업과다른수업양상등교실환경에대한조치와대응 수업평가및성찰 실행과정평가및성찰실행결과평가및성찰플립러닝설계모델반성및성찰 교사가계획했던수업전략및수업자료, 도구및매체의적절한활용여부 학생의흥미와집중도, 개별화학습 ( 보충또는심화 ) 발생여부 수업결과에대한평가를통해실행한수업에대한반성및향후수업을위한개선점도출 의도한목표의달성여부 교수학습설계의문제가있는단계분석을통한개선점도출 - 49 -
지금까지살펴본플립러닝의성공이수업전에학습을지원할수있는 IT 기술의발달에기인한다는점, 개별화된학습을통해교사의역할과학생의역할을새롭게제시하고있다는점에서, 학습자가새로운문제상황에서핵심개념과원리를적용하여해결해볼풍부한기회를제공하고, 결과보다과정중심의평가를꾀하고있는 SW교육에한가지새로운교수-학습방법으로제안될수있으리라여겨진다. 사전학습의단계에서는학생들이가정에서미리 SW교육에서필요한기본개념을동영상을보고학습을할수있다. 학습자들이수업에대한기본개념에대한동영상강의를미리듣고오는데단순히동영상으로시청하는것이아닌상호간에생각을공유할수있는장을마련해야한다. 이러한장은교육용 LMS를통해학습자들사이의협동을지원하는도구로활용할수있다. 동영상제작시주의할점은소프트웨어의개념과관련된컴퓨터과학의객관적지식과원리로구성한다. SW교육주제당 5분단위의섹터로나누어소단원에 3개내외의비디오강의를만들고수시로볼수있도록제공하며동영상을본후퀴즈, 마인드맵, 댓글토론, 포스트잇의형태로학습의정도를확인하는과정이필요하다. WSQ전략 10) 을활용하는것이일반적이다. SW교육동영상강의를본인의학습수준에알맞게조절하여들을수있도록하여야하며동영상강의를들었는지교사의확인이필요하다. 만일 SW 동영상을미리보지못한학생들이있다면아침자습시간이나쉬는시간을이용하여간단히영상을확인하는절차가필요하다. 10) Raths(2013) 가 9 Video Tips for a Better Flipped Classroom 에서제시한 WSQ 전략을설명하면다음과같다. "WSQ" 는매우간단한아이디어이지만대부분의아이디어처럼그것을사용하는방법에따라교사들이적용하는다양한전략으로활용할수있다. 교사들이적용하는방법을선택하고수업에가장적합하게활용하도록개선할수있다. WSQ 는시청하고 (Watch), 요약하고 (Summarize), 질문 (Questions) 하는상호작용전략을의미한다. - 50 -
[ 그림 Ⅱ-13] 스마트교육기반플립러닝수업모델 ( 김상홍, 2015) 보다구체적으로 SW교육수업에서의플립러닝은김상홍 (2015) 의제안을수정하여아래의 [ 그림 Ⅱ-14] 와같은절차로단순화하여적용할수있을것이다. SW교육에서는 EPL이나프로그래밍언어에대한학습은필수적이지만한정된수업시간에학생들에게프로그래밍언어에대한문법이나사용법을모두가르칠수없으므로, 이런부분을플립러닝수업방법으로해결할수있다. 또한실제수업에서해결해야하는문제혹은주제가기존모듈을확장하거나기존프로그램을수정보완해야하는형태라면기존의간단한기초예제를미리동영상학습을통해내용을숙지해오게하고, 실제수업에서는이를발전시켜문제를해결하게하는형태의플립러닝수업이가능하다. 사전학습영상은수업에필요한기본적인개념의내용으로구성할수있다. - 51 -
[ 그림 Ⅱ-14] SW 교육을위한플립러닝의수업흐름 - 52 -
Ⅲ. 컴퓨팅사고력신장을위한교수 - 학습 모델개발 1. 교수학습모델의개발준거 지금까지정보교과에제안된교수학습모델은무수히많다. 이는정보교과교수학습모델또는방법이명확하게정해져있다기보다상황에맞춰달라질수있음을시사한다 ( 이태욱, 유인환, 이철현, 2001; 이태욱, 최현종, 2015). 본연구에서는수업에의적용가능성, 즉교사의활용성을고려하여교수학습모델은 단위시간내에수업목표를달성하기위해일련의절차와단계를가진과정의틀 로, 교수학습전략은 수업목표를도달하기위해사용하는모델의복합적구성또는모델내의단계를효과적으로지원하기위한기법 으로정의하였다. 가. 교수학습모델의설계범위 1) 교육과정재구성수준 소프트웨어교육운영지침에의거하여그에맞는내용을수업에적용하여소프트웨어교육전반내용에적용할모델을설계한다. 소프트웨어교육운영지침에제시된내용을재구성하여적용하되프로젝트중심의전개또는일부의내용에집중하여알고리즘, 프로그래밍, 문제해결에대한기능과관련된내용을중심으로설계한다. 본연구에서교육과정의재구성이라함은내용재구성, 차시재구성, 교과 간연계재구성을의미한다. 차시의재구성은다음제시된같다. - 53 -
2) 시수수준 한차시이내의활동수준으로선정하여모델을설계한다. 단위시간의수업설계는절차중심의모델과전략중심의모델모두사용할수있다. 다음장에제시할모델중 DMM모델, UMC 모델, DDD모델이나전통적인문제해결학습, 직접교수학습모델, 개념형성모델등에적용가능하다. 몇개차시혹은몇주간에걸쳐실행될수있는활동수준의수업모델설계는프로젝트형의모델로장기간의수업진행에따라교육과정을재구성하여적용가능하다. 전통적인프로젝트수업모델이나새롭게제시된 NDIS모델을중심으로적용가능하다. 나. 수업모델설계를위한이론적근거 정보교과는앞서논의한것처럼상황에맞게변화를주도하는교과로서기존에발표된교육사조의전체내용을포함하고있다. 다양한교육사조의특징에따라추구하는방향을바르게설정하고그에맞는교수학습모델을설정해야한다. 1) 행동주의행동주의관점에서정보교육은실천적학문으로서학생들의전문적인기능과프로그래밍과코딩의반복학습을통해소프트웨어산출의과정을이해한다. 반복학습적인교육으로코딩의기능을몸으로체득하고이를바탕으로자신의전문적소질을개발하고미래직업적소양을발견하도록한다. 이때, 코딩교육같이프로그래밍스킬을신장하기위한직업적소양능력신장이나컴퓨터과학의기능위주의수업으로만제한되는것을조심해야한다 ( 한선관, 2007). 2) 인지주의 인지주의관점에서정보교육은인지주의의기본철학인사고하는주체로서 인간을핵심으로보고뇌의내부에서일어나는능동적인사고과정과인지구 - 54 -
조를중시한다. 그러므로 SW교육에서결과보다는과정을중시하며인간의뇌속에서정보가어떻게처리되고저장되고재현되는지에대하여관심을갖는다. 인주주의특히정보처리이론은컴퓨터를이용하여정보를처리하는이론과일치되는부분이많기때문에정보를처리하는과정에서자연스럽게인간을이해하고컴퓨터로처리하는근본적인원리와개념을인식하게된다. 인간에대한이해와컴퓨터처리에따른이해의상호보완적지식을통해고급적인사고력즉, 절차적사고, 논리적사고, 수렴적사고를비롯한메타적사고를신장시킬수있다 ( 한선관, 2007). 3) 구성주의구성주의관점에서정보교육은창의컴퓨팅의관점으로접근하며알고리즘과절차적사고를통한 CT기반의문제해결력신장의능력과함께확산적인창의적사고와팀프로젝트를통한대인관계, 협력, 의사소통, 미래진로에대한디자인사고등이주요이슈로다뤄질수있다. Papert의로고에의해시작된컴퓨팅파워기반의구성주의는기존교육을변화시키는교과로서소프트웨어교육의역할과미래를창조해가는혁신적교과의성격과많은부분부합된다. 특히사물의디지털화를주도하는메이커운동 (Maker Movement) 에서중요시하는학생중심의능동적만들기활동과교육에솔선수범하여참여하는과정을통해자신의역량을보여주는구성주의사조가소프트웨어교육과맞물려미래교육의거대한변화로나타나고있다 ( 한선관, 2007). 4) 교육사조에대한고찰정보교육의내용과방법그리고평가의단계에서적절한교육사조에서추구하는목표를선정하여교육의방향과교육과정을구성해야하며그에따른거시적교육의목표를추구하느냐에따라정보교육의방향을설정할수있다. 초중등교육과정에서전인적인간양성을목표로한다면코딩교육과프로그래밍교육에서요구하는직업적전문성신장의효과적인방법인행동주의나인 - 55 -
지주의관점에서추구하는내용뿐만아니라구성주의관점에서삶을살아가는구성원으로서의다양한지식과기능, 행동, 태도, 사회적관계등을함께할수있는정보교육으로서의목표를중요하게다뤄져야한다. 현재교육의상황에서구성주의적관점 ( 팀프로젝트학습, 의사소통, 협력, 창의력, 디자인사고등 21세기학습자역량을달성하기위한관점 ) 의정보교육을정착시키기위해서는교육시수의확보가필수적이기때문에기존의교육과정을넘어서는새로운교육과정과교육전략이요구된다. 그대안으로서각교과별로분리되어있는교육과정을재구성하여융합교육의내용과방법으로현장교육에적용할수있다. 또한학교정규교육과정과학교밖교육프로그램을연계하여운영할수있도록유연하고혁신적인교육방법과시스템을도입하는것도한가지방법이다 ( 한선관, 2007). 다. 수업모델설계의기본방향 이연구에서정보 ( 컴퓨터 ) 교과를위한교수 - 학습모델은다음과같은방향 을고려하여설계되고개발되었다. 첫째, 학습목표영역인지식, 기능, 태도중기능영역을중심으로수업모델을개발한다. 지식영역은기존의수업모델을바탕으로한지식의이해를기반으로한다양한수업이가능하며, 태도영역의신장은기능영역의수업과정에서동반되는정의적인부분을통해추구할수있기때문이다. 둘째, 기존수업방법에서중요하게다루는영역을발췌하여새로운모델을개발한다. 예를들면, 발견학습모델에서여러사례의분석을통한귀납적인개념과원리를발견하는것을핵심으로놀이-수정-재구성의단계를가진재구성중심모델을개발하였다. 이연구에서제시하는새로운모델도탐구, 프로젝트, 문제해결을바탕으로개발하였다. - 56 -
셋째, 모델개발의기본가정은학습자의수준과연령, 경험에맞게새롭게개발된모델들간에일련의절차를갖는다. 각각의모델은초중등학교급별로구분하여적용할수있으며, 학습자의컴퓨팅교육경험에따라적절하게적용할수있다. 넷째, 개발된수업모델은컴퓨팅사고신장의목표를달성하기위해각단계별활동내에컴퓨팅사고구성요소 ( 분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘, 자동화 ) 를포함하도록구성하였다. 컴퓨팅사고구성요소를교사들이이해하기쉽도록각각의모델에대한수업자료를부록에제시하였다. 2. 5 가지 CT 신장교수학습모델개발 가. 교수학습모델개발개요 교수학습모델은행동주의, 인지주의, 구성주의교육사조를고르게가지고있으며수업모델적용시교사의판단에따라적절한모델과교육사조를연계하여사용할수있다. 그리고지식, 기능, 태도의영역중 SW교육의성격에맞게학습자활동과역량중심의활동을지원하기위해주로기능영역에맞게수업모델이개발되었다. 하지만개발된교수학습모델이반드시기능영역에만국한되지않음을이해하여야한다. 어떠한기능이완성되기위해서는기능과관련된기초지식과개념의이해가필요하고그에따른가치와태도적인부분도수반되기마련이다. 기존교수학습모델즉, 직접교수, 발견학습, 탐구학습, 문제해결학습, 프로젝트학습등 SW교육에적합한모델을선정하여이와똑같은단계를가진모델로개발되지는않았다. SW교육의활동중심모델로이끌기위해기존모델에서핵심이되는단계를바탕으로하였다. 이에따라수업모델의명명도 중 - 57 -
심모델로선정하였으며각단계를영어식약자로표기하였다. 기존교수학습 방법과 CT 신장의교수학습모델을개괄적으로비교하여 < 표 Ⅲ-1> 에제시하 였다. < 표 Ⅲ-1> 전통적인교수방법과 CT 신장교수학습모델비교 기준 유형 교육과정영역 관련교육방법 CT 학습모델활동기법예시목표 직접교수 시연중심 D-M-M 도제식교수학습기법 기능 알고리즘과프로그래밍 발견학습탐구학습프로젝트학습문제해결학습 재구성중심 U-M-C 개발중심 D-D-D 디자인중심 N-D-I-S CT요소중심 DPAA(P) 페어드프로그래밍기법디버깅기법언플러그드기법디지로그기법디자인사고기법창의성기법제한문제해결기법 컴퓨팅사고신장 지식 알고리즘과프로그래밍 개념형성발견 / 탐구학습모델 언플러그드 ( 교구, 신체활동 ) 스토리텔링기법 컴퓨터과학의지식이해및개념형성 태도 생활과소프트웨어 가치갈등모델협동학습모델 모든활동과정에반드시포함 인성, 협력, 배려, 의사소통의가치태도함양 교육사조 행동주의 - 인지주의 - 구성주의 - 58 -
[ 그림 Ⅲ-1] 은개발된교수학습모델을학교급, 학생의경험수준, 활동주체자인교사와학생중심으로구분하고, Bloom의인지수준의위계에따라배치한그림이다. [ 그림 Ⅲ-1] CT 신장을위한교수학습모델개요도 나. 시연중심모델 (DMM 모델 ) 1) 관련교육방법 ( 직접교수법 ) 의개요직접교수법은 Beriner와 Rosenshine(1977) 이개발한부진아프로그램에서처음사용하였다. 직접교수는기본적으로분할정복방식즉, 전체를부분으로나눈후각부분들을차례대로학습하면전체를이해할수있다고가정한다. 이후직접교수는고도로복잡한기능을수행해야하는우주항공기나잠수함을조종하는사람들을훈련시키기위해적용되었다. 직접교수법은도제식모델에가깝다. 교사가대집단의학생들에게새로운개념이나기술을설명하고, 교사의지시에따라학생들이연습하여이해정도를조사하고, 교사의지도하에계속연습하도록하는교수형태이다. 직접교수법은실제적인학습을강조한다. 학습과제를할당하고, 학생각자에게책임을부여하여그것을완수하게하는방식으로수업을진행한다. 교사의설명이나시범은그자체로가치를갖는것이아니라학생이교사를모델로하여모방을통해학습하게하려는것이다. 직접교수방법은가르치는측면에서 - 59 -
교사중심방법이다. 하지만활동측면에서는교사의활동격려와융통성을적용해다른수업방법에못지않게학습자중심방법이될수있다. 2) CT 신장을위한시연중심모델 < 표 Ⅲ-2> DMM 모델개요 교육방법 직접교수법 시연중심모델 시연 (Demonstration) 모방 (Modeling) 제작 (Making) 교사의설명과시범표준모델제시 학생모방하기질문과대답 단계적, 독립적연습반복활동을통한기능습득 직접교수법을바탕으로하는시연중심모델은프로그래밍언어의문법, 실습중심의명령어등을지도할때유용한모델이다. 시연-모방-제작의단계를거치며교사가모델이되는학습활동의시연을거쳐학습자들이질문과대답을통한모방그리고반복적으로단계적, 독립적연습을통하여제작하는활동중심모델이다. 컴퓨터과학의핵심인알고리즘과프로그래밍활동에적합한모델로교사중심의모델이지만, 질문과대답을중심으로학생들의모방과제작활동에집중할경우학습자중심의모델로활동을구성할수있다. 3) 단계별세부내용 < 표 Ⅲ-3> DMM 모델의교수학습절차 단계명주요방법세부단계설명 Demonstratio n ( 시연 ) Modeling ( 모방 ) Making ( 제작 ) 설명시범보이기예시 따라하기질문, 답변 만들기반복활동 가르치려고하는핵심전략과기능을교사가설명하거나시연을통해학생들에게소개한다. 교사의시연내용을학생들이그대로따라실습한다. 실습의과정에서질문을통해학습자들이교사들의시연을모방 (modeling) 한다. 시연과모방의단계에서배운내용을토대로학생이직접만들어보는활동을한다. 반복적으로진행하되단계적, 전체적인활동을학습자들이전개한다. - 60 -
시연 (Demonstration) - 시연단계에서사용될자료는컴퓨팅사고를기반으로설계되어야한다. - 기본적인프로그래밍언어나문법을설명하고사용방법에사용되는주제라할지라도컴퓨팅사고의관점에서접근하도록준비한다. - 시연내용의안내도교사가의도적으로컴퓨팅사고의관점으로전개하되어려운용어 ( 분해, 패턴, 추상화등 ) 는사용하지않고그의미를내포하여학습자들이자연스럽게인식하도록시연한다. - 특히교사가일련의모듈을시연할때문제의단위를분해하거나알고리즘의단계를분해하여그패턴을이해하고핵심개념이나원리, 공식등을소개하며컴퓨팅구성요소를시연한다. 모방 (Modeling) - 학습자들의모방은교사의컴퓨팅사고과정을모델링하는과정으로간단한문법의사용부터알고리즘의모듈을따라하며컴퓨팅사고의구성요소를이해한다. - 모방의단계에서중요한점은질문과대답을통한활동지식의이해이다. 교사의발문에서자연스럽게컴퓨팅사고를이끌어내는노력이필요하다. - 모방을통해자연스럽게문제의분해, 변수의설정, 발견및탐구를통한추상화의단계를이해하게된다. 제작 (Making) - 제작은학생주도적활동을이끄는단계로 SW개발에따른제작역량을키운다. - 분해된모듈의반복활동을통해패턴을인식하고패턴에서발견된개념을추상화하도록교사가학습촉진자의역할을해야한다. - 제작의과정에서알고리즘을통한절차적사고와프로그래밍을통한자동화능력을이끄는과정에집중한다. - 61 -
다. 재구성중심모델 (UMC 모델 ) 1) 관련교육방법 ( 발견학습법 ) 의개요발견학습에서강조되는것은문제해결의기술과학습방법의학습이다. 교사의역할은학생들이스스로학습할수있도록여건을형성해주는것이다. 발견학습은학생들이기존의원리나법칙을발견하고, 이를통해새로운정보를찾고자하거나새로운결론에도달하기위하여정보를탐구, 조작, 변환하는데적용한다. 발견학습에서는일련의행위나원리를정교화된하나의알고리즘으로다루고있으며이것은가공된형태로학습자에게제시된다. 학생들은이렇게제시된단서를토대로전체의원리나법칙등을발견한다. 탐구학습과는다른점은발견학습이귀납적접근을하는반면에탐구학습은연역적접근을통해수업이진행된다는것이다. 발견법은적극적인학생이성공의즐거움을맛볼수있어자아실현을촉진하고, 자주적학습능력 창의적사고력 귀납적사고력등을자극하여최근에주장되고있는고급사고력을함양하는장점을가지고있다. 그러나시행착오때문에시간이많이걸리고, 체계적으로학습하지못할경우도나올수있는단점이있다. 발견학습은탐구적학습전략이며, 지식의구조와학생의심리적구조를일치시킨다. 이러한발견학습은탐구학습과유사하지만, 탐구학습은연역적접근을하는데비해발견학습은귀납적접근을한다. 또한, 학생들의사고과정을중요시하므로학습자스스로교과를조직하도록요구한다. < 표 Ⅲ-4> 발견학습법수업절차 단계문제파악예상검증일반화적용 학습과정 해결방안의 선수학습요소확인직관적예상 학습문제의 해결결과의예상명확화 해결방향과순서 해결하기 검증하기 논리적추론을통해결론도출 타당성검토 발견한원리, 법칙, 성질, 공식등을기호화 개념, 원리, 법칙을유사과제에응용 수준별과제제시 - 62 -
2) CT 신장을위한재구성중심모델 < 표 Ⅲ-5> UMC 모델개요 교육방법 발견학습법 재구성중심모델 놀이 (Use) 수정 (Modify) 재구성 (recreate) 학습자체험활동관찰과탐색 교사가의도적으로모듈및알고리즘을변형하여제시 놀이와수정활동을확장하여자신만의프로그램설계 / 제작 재구성중심모델은발견학습법에서사용하는다양한사례를중심으로핵심개념과원리를발견하고제시된사례의수정과재구성을통하여컴퓨팅사고를이끄는모델이다. 동기유발로놀이를통해배우고자하는학습모듈을학생들이탐색하고사전에준비된모듈의수정과정을통하여기능과개념을이해한다. 놀이활동및수정활동과연계된일련의재구성활동을통해학생들이컴퓨팅사고의전반적인능력을이해하게된다. 재구성중심모델에는놀이를통한수정활동과학습자능동적인재구성활동을통해새로운프로젝트를생성하는 MIT 미디어랩에서주로진행했던 Creative Computing 활동의 3가지학습요소가나타나있다 (Brennen 외, 2014). [ 그림 Ⅲ-2] MIT 의 Creative Computing 11) - 63 -
3) 단계별세부내용 < 표 Ⅲ-6> UMC 모델의교수학습절차 단계명 Use ( 놀이 ) Modify ( 수정 ) recreate ( 재구성 ) 주요학습방법 조작, 체험, 놀이, 활용, 탐색 추가설계, 수정, 확장, 보완 재구성, 구현, 개발, 산출 세부단계설명학습내용이담긴프로젝트를시연해보거나조작해보면서프로젝트를이해하는단계이다즉, 먼저결과물을가지고놀아보며친숙해지도록한다. 혹은직접교수법을이용하여교사의시법을따라간단한프로젝트를제작해가며작동시켜보도록한다. 간단히제공된프로젝트에아이디어를추가하거나내용을확장하여설계한다. ( 새로운스프라이트추가및수정, 변수추가, 스테이지확장등 ) 학습한기능이나내용을활용하여자신만의확장된프로그램을설계하여제작해본다. 놀이 (Use) - 놀이활동에서는다양한사례를사용한다. 다양한사례라는의미는학생들이즐겁게놀이활동을할수있는모듈로일종의알고리즘이나프로그램모듈, 완성된소프트웨어패키지, 피지컬컴퓨팅부품, 완제품을포함한다. - 놀이활동의의미는학습자가사용해보고경험을하는활동으로학교급이올라가거나경험이많은경우엔터테인먼트적인요소를넘어관찰하거나탐색하기위한활동을가리킨다. - 놀이활동에서자연스럽게제시된패키지와모듈의일정한패턴을인식하고그에따른놀이절차 ( 알고리즘 ) 또는패키지안의알고리즘을발견하게한다. 11) Brennen(2014) 은창의성, 역량의강화, 컴퓨팅에관련된것으로, 문제를해결하기위해디자인, 컴퓨팅, 융합의과정을거쳐창의적으로문제를해결할수있는소프트웨어를산출하는활동으로창의컴퓨팅을제안하였다. 창의컴퓨팅의절차 Creating, Personalizing, Sharing, Reflecting 으로제시되어있다. - 64 -
수정 (Modify) - 수정활동은놀이활동에포함된모듈또는패키지를교사가의도적으로변형하여제시한다. - 학생들의수정활동을지원하기위해소스코드의순서변경, 새로운코드채우기, 오류가발생된디버깅작업등이사례로제시된다. - 수정활동에서프로그래밍의문법이나알고리즘의이해에관한지식과기능을이해하게된다. - 컴퓨팅사고의기본이되는지식과개념을이해하도록교사가의도적으로준비하되놀이활동에서사용된모듈이나알고리즘을변형하여사용한다. 재구성 (recreate) - 재구성단계에서는새로운소프트웨어를개발하거나신규모듈을제작하는단계가아니다. 앞서놀이활동과수정활동에서사용된모듈과패키지의확정버전을만드는활동이주요한내용이다. - 이활동또한교사가사전에준비한자료를바탕으로진행하며컴퓨팅사고의핵심이되는추상화내용을바탕으로다양한알고리즘과자동화를위한프로그래밍확장으로자신의지식과기능을구축한다. 라. 개발중심모델 (DDD 모델 ) 1) 관련교육방법 ( 탐구학습법 ) 의개요지식의개념이나, 원리를얻거나확인하는관찰이나, 실험활동을포함하는실제적인활동이나, 지식을응용하여문제를해결하는활동을넓은의미에서보통탐구학습이라고한다. 그러나좁은의미에서는학생스스로탐구과정을사용하여새로운지식을얻거나문제를해결하는일련의활동을탐구학습으로보고있는데여기서탐구는구성주의적관점에서자신의선행지식에기초하여의미를탐색하고공유하는과정을포함해야한다. 그리고학생자신의지식을 - 65 -
실제적활동과문제해결과정에서교사는학생과의상호작용을통해진정한 탐구가일어날수있도록안내자가되어야한다. < 표 Ⅲ-7> 탐구학습법수업절차 단계 학습내용 문제인식및가설설정 - 알아내려고하는것은무엇인가? - 어떤일이일어날것이라고생각하는가? - 왜그럴것이라고생각하는가? - 학생의생각을분명하게하도록도와준다. 탐구계획실험결과해석결론도출 - 무엇을어떻게변화시키려고하는가? - 검증을하기위해무엇을어떻게일정하게유지하려고하는가? - 탐구에필요한사항과절차를확인시킨다. - 실험하는과정에서계획대로했는가? - 결과를기록했는가? - 관찰및측정활동을점검한다. - 결과를처리하는과정에서자료를적절한표나그래프와같은방식으로나타냈는가? - 통제변인을고려했는가? - 해석에필요한사항을준비하고고려하도록도와준다. - 결론을끌어내는과정에서무엇을알아냈는가? - 왜이것이일어난다고생각하는가? - 어떤규칙성이있는가? - 결론이자신의원래생각과일치하는가? 2) CT 신장을위한개발중심모델 < 표 Ⅲ-8> DDD 모델개요 교육방법 탐구학습법 개발중심모델 탐구 (Discovery) 설계 (Design) 개발 (Development) 탐색과발견을통한 알고리즘의계획및 프로그래밍언어로 지식구성 설계 구현및피드백 개발중심모델은소프트웨어공학적인측면에서 SW개발의전과정을이해하는모델이다. 개발하고자하는소프트웨어에대한기본적인탐구과정과함께개발을위한기초설계의과정을거쳐자신만의소프트웨어를개발하게된다. 앞서제시한재구성중심모델과는다르게교사중심의제한된모듈의확장버전의제작보다는학습자가개발의과정을주도한다. 하지만탐구의과정과설계의 - 66 -
과정에서교사가의도적으로개발의범위를제한하고그에따른제약사항과개발의범위를안내한다. 개발중심모델은소프트웨어공학의설계전략을바탕으로한다. 소프트웨어공학의기초가되는설계방법론은 ADDT( 요구분석-설계-구현-시험 ) 로그림과같은폭포수모델이대표적인방법이다. 폭포수모델에서는폭포수가위에서아래로흐르듯, 요구분석, 설계, 구현, 시험, 운용단계가순차적으로진행되는소프트웨어개발절차이자, 소프트웨어의생명주기를위에서아래로진행하는 Top-Down 방식의개발모델이다. 각공정은작업결과를산출물에모아다음공정으로넘겨준다. 이모델의중요한핵심은각단계가명확하게구분되어있고, 각단계별로사양서를작성하고이를재검토하여문제점을확인하고수정한다는점이다 (Naohisa, 2011). [ 그림 Ⅲ-3] 소프트웨어공학설계의폭포수모델 (Naohisa, 2011) - 67 -
3) 단계별세부내용 < 표 Ⅲ-9> DDD 모델의교수학습절차 단계명 탐구 (Discovery) 주요학습방법 기능의이해, 분석, 탐색, 구현 세부단계설명탐색과발견을통한지식구성 ( 문제분해- 패턴찾기- 추상화 ) 디버깅문제해결을통한컴퓨팅사고신장 도전 ( 챌린지 ) 디버깅 ( 주어진문제의문제점을발견하고수정하면서기능, 원리, 개념을익힘 ) 컴퓨팅활동 : ( 재구성-진단 -수정-평가) 네과정이순환간단한게임을주제로교사가주요기능과스크립트를설명하거나학습자들이주어진스크립트의논리를분석하여메모한다. 설계 (Design) 알고리즘의설계, 계획 알고리즘설계 : ( 협력-팀워크-아이디어확정 ) Design Thinking: ( 강조 -정의-창의설계- 프로토타입- 공유평가 ) 프로그래밍언어로구현하기전에프로젝트의스토리, 필요객체, 객체의특성및역할, 객체간상호작용등을이해하기쉽게계획한다. 또한구현할알고리즘을세부적으로생각해보도록유도한다. 순서도, 의사 (pseudo) 코드, 설계학습지등을활용할수있다. 개발 (Development) 구현, 공유, 개발, 산출 배운것을토대로새로운산출물생산 컴퓨팅과융합 : 기본게임과추가설계된내용을프로그래밍언어로구현한다. 자신의작품을발표하고피드백을받는다. 디버깅과정을거치며설계와구현을반복한다. - 68 -
탐구 (Discovery) - 탐구활동에서사용되는주제는교사에의해제시된자료를사용한다. 개방된영역의확장주제는다음에제시할디자인중심모델 (NDIS) 에서다룬다. - 탐구활동에서단순히설명식자료보다는실제프로그램을분석하고피지컬컴퓨팅자료의탐색을통하여보다적극적인탐구활동이이루어지도록한다. - 탐구활동에서문제의영역을분해하여설계와개발의단계를쉽게달성할수있도록제시한다. - 개발하고자하는모듈과소프트웨어의일정한패턴을학생스스로탐구하여추상화의핵심내용을파악하도록한다. 설계 (Design) - 설계의단계에서사용되는방법은구상도, 순서도, 슈도코드등의전통적인설계방법과함께창의적인공학설계방법을사용한다. - 학습자의경험이충분할경우기능설계와절차설계등의소프트웨어공학적인접근방법을사용하여지도할수있다. - 개발을위한설계의방법으로컴퓨팅사고의구성요소를단계별로진행하며다양한접근전략을사용한다. 개발 (Development) - 개발의과정은학습자중심으로진행하되개발에사용되는프로그래밍문법과알고리즘은교사의준비와조언으로진행한다. - 개발에따른전체프로세스는컴퓨팅사고에따른분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘의내용을포함하며그의구현을위한프로그래밍단계를거친다. 개발의결과는수업시수를고려하여시뮬레이션이나프로토타입형태로할수있다. - 개발내용에대한평가는학습자들의공유과정과자기반성의관점에 - 69 -
서중요하다. 개발에대한평가방법은학습자들의프로젝트산출물평가와디자인시나리오기법, 학습자인터뷰를통하여개발의의도, 요구분석, 설계, 개발과정, 개발의활용에대한다차원적평가가가능하다. 마. 디자인중심모델 (NDIS 모델 ) 1) 관련교육방법 ( 프로젝트학습법 ) 의개요프로젝트수업모델은교사보다는학생들스스로가문제의식을가지고주제를선정하는단계에부터조사나연구, 발표및평가에이르기까지학습의전과정에걸쳐참여하는수업모델이다. 기존수업모델에비해교사는안내자로서학생들과의활발한피드백을통하여학생들이의미있는학습결과를얻을수있도록도와주는조력자역할을수행해야한다. 프로젝트수업의성공여부는교사가얼마나학생들이가지고있는능력을이끌어내느냐에달려있다. 프로젝트학습의절차는 < 표 Ⅲ-10> 과같다. < 표 Ⅲ-10> 프로젝트학습법수업절차 단계주제선정자료수집계획서제작과제수행결과보고서작성 평가 프로젝트 내용 프로젝트의주제를선정한다. 프로젝트수행을위한관련자료를수집하고분석한다. 계획서를만든다. 계획서의내용에대해교사의피드백을받는다. 프로젝트과제를수행한다. 수행결과를교사가피드백한다. 프로젝트결과의보고서를작성한다. 프로젝트를발표하고그결과에대해자기성찰공유, 평가를진행한다. - 70 -
2) CT 신장을위한디자인중심모델 < 표 Ⅲ-11> NDIS 모델개요 디자인중심모델 교육방법 요구분석 (Needs) 디자인 (Design) 구현 (Implementation) 공유 (Share) 프로젝트학습법 주어진문제에대한고찰과사용자중심의요구분석 분해와패턴찾기알고리즘의설계 프로그래밍과피지컬컴퓨팅으로산출물구현 산출물공유와피드백을통한자기성찰 디자인중심모델은스탠포드대학교의 D-school에서제시한디자인사고과정을따른다. 디자인사고과정은탐색을통한몰입의과정을통한인간중심의요구분석을진행한다. SW개발이단지기계적인프로그램제품개발이아닌인간의삶을개선하고인류의안전과요구에부합하는활동임을인식하여고도의창의적설계를진행한다. 컴퓨팅사고를신장시키기위한설계와개발의과정을통해프로토타입또는시뮬레이션을제작한다. 개발된결과를공유와평가를통해개선의방법을찾는선순환구조를가진다. [ 그림 Ⅲ-4] DBL 학습과정 (http://dschool.stanford.edu/) - 71 -
3) 단계별세부내용 < 표 Ⅲ-12> NDIS 모델의교수학습절차 단계명학습방법세부단계설명 요구분석 (Needs) 디자인 (Design) 구현 (Impleme ntation) 공유 (Share) 문제이해, 인간중심요구분석창의적설계, 계획공학적설계개발및구현언플러그드전략 EPL 피지컬융합컴퓨팅공유및, 피드백 주어진문제에대한고찰과사용자에대한탐색을한다. 사용자요구분석에서중요하게다루어야할부분은인간중심분석이다. 개발하고자하는프로그램또는시스템이인간의삶에도움을줄수있도록안내한다. 프로그래밍언어로구현하기전에프로젝트의스토리, 필요객체, 객체의특성및역할, 객체간상호작용등을이해하기쉽게계획한다. 또한구현할알고리즘을세부적으로생각해보도록유도한다. 순서도, 수도코드, 설계학습지등을활용할수있다. 이설계과정에서 CT 를신장시키기위한목표를포함하여설계를한다. 언플러그드, EPL, 피지컬컴퓨팅의영역을사용하면서학습내용을구체화한다. 언플러그드를통해서먼저관련컴퓨터과학지식을알기쉽게이해하도록한다. 그리고계획한프로젝트를 EPL 을통해구현해보도록한다. 마지막으로외부객체를통해디지털을아날로그정보로또는아날로그정보를디지털정보로표현해보는피지컬컴퓨팅활동을통해융합활동과연계한다. 실생활에서사용되는컴퓨팅의다양한사례를이해하고학생스스로계획하고구현해보는활동을통해다양한학문또는기술을융합하여표현해보는활동이다. 학습내용을실생활과융합해봄으로써고차원적인문제해결능력을기른다. - 개발된프로그램공유 - 프로그램의피드백 - 개발과정에대한자기성찰 - 72 -
요구분석 (Needs) - 요구분석의단계는개발중심모델의탐구단계와비교하여인간중심의관찰과사용자요구분석에주안점을둔다. - 인간중심요구분석은비목적적인소프트웨어개발과는달리소프트웨어의가치를인간에게의이로움과발전적방향을목표로한다. - 개발의과정보다는요구분석과디자인과정에더큰관심을두고진행한다. 디자인 (Design) - 디자인단계는개발중심모델의설계를포함한광의의내용을내포하고있다. 단순히설계도의형태로그려가는단계를넘어사고의확장과창의적인아이디어산출에집중한다. - 디자인단계에서컴퓨팅사고를신장시키기위한구성요소중문제의분해와패턴을찾는작업을시각화기법을적용할수있다. - 시각화기법은창의성신장을위한마인드맵, 브레인스토밍, 그래프와도식화등의다양한전략을사용하고포스트잇과같은생각을손쉽게추가, 수정, 삭제가쉬운도구를사용한다. 구현 (Implementation) - 구현은앞서제시한모델들의제작, 재구성, 개발단계의확장내용을담는다. - 단순한모듈의개발을넘어통합적시스템의고려와다른영역과의융합을통한실생활의유익한산출을고려한다. - 구현의단계에서필요한컴퓨터과학지식은언플러그드컴퓨팅전략으로이해하고프로그래밍과피지컬컴퓨팅의구현을통한컴퓨팅사고를종합적으로신장시키도록구성한다. - 앞선모델과의근본적인차별성은학생중심의활동으로주제의선정, 요구분석, 창의설계, 구현의전략등을주도적으로진행한다. - 73 -
- 교사는발문과지원의조력자역할을하며구성주의관점에서프로젝 트형수업을진행한다. 공유 (Share) - 공유의단계는단순히산출된작품의소개를넘어제작의의도와과정에대한전체과정을공유한다. - 자기성찰의단계를통해인간중심요구분석과디자인의근본적인평가를하게된다. - 컴퓨팅사고의신장에대한교사의발문과조언을통하여컴퓨팅파워와추상화, 자동화의이해를돕는다. - 공유단계에서논의된평가결과와의견, 자기성찰을통하여요구분석, 디자인, 구현의전반적인수정보완작업을학생스스로결정하도록한다. 바. CT 요소중심모델 (DPAA(P) 모델 ) 1) 관련교육방법 ( 문제해결학습법 ) 의개요문제해결학습방법은학습자스스로문제를파악하고분석하여실행하는모델로써, 잘못된점을찾아서고쳐나가는과정을연습하고결과자체보다는그결과에도달하기까지의과정을강조하는모델이다. 학생의생활에서당면하는현실적인문제에서여러문제들을해결해나가는과정을통해지식, 기능, 태도등을종합적으로획득하여반성적사고를함양하는데그목적이있다. 문제해결학습의이론적배경은실용주의 (Pragmatism) 에기반을두고있다. 사고는문제상황에서가장활발히촉진되며, 지식은그자체로서가아니라이를활용하여문제를해결하는과정에서의미를갖는다. 또한 Dewey(1944) 의경험주의교육이론을기반으로학습자의지적호기심과흥미를중시하고있다. 문제해결이란어떤내용을배우는것보다는문제를해결하는방법을배우는것을의미한다 (Sternberg, 1996; 강숙희, 1998에서재인용 ). 이러한문제해 - 74 -
결모델은여러프로그램을통해교육현장에서활용된바있으며, 일반적으로 문제확인, 해결방법도출, 문제해결, 일반화네단계의교수학습절차를따 른다. < 표 Ⅲ-13> 문제해결학습법절차 문제확인하기해결방법찾기해결하기일반화하기 문제상황사례제시 목표확인 가설설정 문제해결방법탐색 학습계획및학습절차확인 문제해결활동 원리터득 전략습득여부확인 전략의적용및연습 적용상의문제점추출, 대안제시 전략의정착및일반화 2) CT 신장을위한 CT 요소중심모델 < 표 Ⅲ-14> DPAA(P) 모델개요 CT 요소중심모델 교육방법 분해 (Decomposit ion) 패턴인식 (Pattern Recognition) 추상화 (Abstraction) 알고리즘 (Algorithm) 프로그래밍 (Programmi ng) 문제해결학습법 컴퓨터가해결가능한단위로문제분해 반복되는일정한경향및규칙의탐색 문제단순화, 패턴인식으로발견한원리공식화 추상화된핵심원리를절차적으로구성 컴퓨터가이해할수있는언어로구현 / 실행 CT요소중심모델은본연구의모델에독립적모델로제시하기는어렵다. 본연구의목적이컴퓨팅사고신장을위한교수학습모델개발이므로 CT요소중심모델은상하위계적인측면에서일종의모순을지니게된다. 하지만교수자들이개발된 SW교수학습모델에서의도적으로 CT요소를파악하거나제시하는것에어려움이따르고학습자들도이러한컴퓨팅사고의핵심적인내용과절차, 요 - 75 -
소를이해하는데더어려움이있으므로개별적으로분리하여본절에 CT요소중심모델로제시하였다. 컴퓨팅사고에대해국내에서용어와정의그리고실제적인내용에대해의견이분분하지만 컴퓨터과학자처럼생각하기 라는기초적인가정하에컴퓨팅파워를이용하여현실에서주어진문제를해결한다는관점에서 CT요소중심모델을고안하였다. [ 그림 Ⅲ-5] KS3 와구글에서제시한 CT 의구성요소 12) CT요소중심모델은 KS3와구글에서제시한 4단계모듈전략 ( 분해-패턴인식 -추상화-알고리즘( 프로그래밍 ) 을전제로한다. CT요소중심모델은일련의단계를가진절차식모델로볼수도있고, 한편으로는요소들이분절되어다양한절차와요소로결합되는모듈식모델로볼수있다. 즉, 분해-패턴인식-추상화-알고리즘-프로그래밍의단계로접근할수있으며, 패턴인식-추상화, 분해 -알고리즘-프로그래밍, 패턴인식-추상화-분해-알고리즘-프로그래밍등의다양한전략으로지도할수있다. 또한 CSTA(2011) 에의해제시된 10개이상의 CT구성요소의전략은복잡하여제외하되필요한경우에자료수집, 자료분석, 시뮬레이션, 자동화등의다양한전략을추가할수있다. 12) 출처 : 영국 KS3 Computer Science, Google s CT. - 76 -
3) 단계별세부내용 < 표 Ⅲ-15> DPAA(P) 모델의교수학습절차 단계명학습방법세부단계설명 분해 (Decomposition) 문제의분해변수의설정 주어진문제를작은단위로분해하여분할정복방식으로접근한다. 작은단위의분해된문제에서사용할변수를설정한다. 구현될프로그램의메모리와프로세스에대한고민을통하여문제의해결가능성에대한고민을한다. 패턴인식 (Pattern Recognition) 일정한패턴탐색반복항목발견 현실세계에서나타나는패턴을찾는다. 패턴을디지털화하기위한전략을고민한다. 프로그래밍언어로구현하기위해반복명령과배열메모리의할당을통한기초변수를설정한다. 추상화 (Abstraction) 개념화공식화 패턴인식을통하여발견한공식, 원리를설정한다. 문제의복잡도를줄이기위해단순화한다. 개발하고자하는프로그램의핵심엔진으로추상화의공식 ( 규칙, 개념등 ) 을사용한다. 알고리즘 (Algorithm) 순서도의사코드 추상화된핵심원리를절차화된순서에삽입하여알고리즘을완성한다. 알고리즘을순서도또는의사코드 (pseudo code) 로표현한다. 개발된알고리즘은 EPL, 피지컬컴퓨팅의영역을사용하면서학습내용을구체화한다. 한편교육과정개정과는별개로분명한사실은수업은교사와학생의활동이라는점이다. 그러므로개정교육과정이교실에녹아들기위해서는무엇보다도교사가다양한수업방법을내면화하여그것을적절히적용할것이요청된다. 연구를통해개발된 5가지 SW교육교수학습모델을정리하여제시하면 < 표 Ⅲ -16> 과같다. 또한최종적으로개발된교수학습모델을적용한수업예시자료를개발하여부록에제시하였다. - 77 -
< 표 Ⅲ-16> 5 가지 SW 교육교수학습모델 구분절차설명 시연중심모델 (DMM 모델 ) 재구성중심모델 (UMC 모델 ) 개발중심모델 (DDD 모델 ) 디자인중심모델 (NDIS 모델 ) CT 요소중심모델 (DPAA(P) 모델 ) 시연 (Demonstration) 모방 (Modeling) 제작 (Making) 놀이 (Use) 수정 (Modify) 재구성 (recreate) 탐구 (Discovery) 설계 (Design) 개발 (Development) 요구분석 (Needs) 디자인 (Design) 구현 (Implementation) 공유 (Share) 분해 (Decomposition) 패턴인식 (Pattern Recognition) 추상화 (Abstraction) 알고리즘 (Algorithm) 프로그래밍 (Programming) 교사의설명과시범, 표준모델제시 학생모방하기, 질문과대답 단계적, 독립적연습, 반복활동을통한기능습득 학습자체험활동, 관찰과탐색 교사가의도적으로모듈및알고리즘을변형하여제시 놀이와수정활동을확장하여자신만의프로그램설계 / 제작 탐색과발견을통한지식구성 알고리즘의계획및설계 프로그래밍언어로구현및피드백 주어진문제에대한고찰과사용자중심의요구분석 분해와패턴찾기, 알고리즘의설계 프로그래밍과피지컬컴퓨팅으로산출물구현 산출물공유와피드백을통한자기성찰 컴퓨터가해결가능한단위로문제분해 반복되는일정한경향및규칙의탐색 문제단순화, 패턴인식으로발견한원리공식화 추상화된핵심원리를절차적으로구성 컴퓨터가이해할수있는언어로구현 / 실행 - 78 -
Ⅳ. 결론및제언 1. 요약및결론 2015년문 이과통합형교육과정에서적용될소프트웨어교육의성공적현장적용은현장교원의교육과정, 즉, 교육목표와방법, 평가, 그리고운영편제의이해가전제가될때가능하다. 그동안소프트웨어교육운영지침개발과교원연수를통해교육과정을이해하기위한기반이마련되고있지만, 2016년도부터확대될소프트웨어교육선도학교나연구학교에서실제로적용될교수학습방법에대한제시는미흡한실정이다. 따라서본연구는 SW교육의목표로서컴퓨팅사고력과구성요소, 교육과정및교재의내용분석에근거하여총 5 가지의교수학습모델을개발하고각각의모델에적합한사례를제시함으로써소프트웨어교육의성공적현장적용을지원하는데그목적이있었다. 컴퓨팅사고력의개념과구성요소에대한여러논의를살펴보면학자에따라컴퓨팅기술을이용할수있는역량에초점을두는경우, 일의처리절차를공식화하거나절차적사고에초점을둔문제해결방법론의하나로보는관점, 기제나패러다임이라는인간의사고에중점을둔경우, 광의적으로자동화와정보처리에대한연구가확장되어가는과정으로보는등으로다양하나, 본연구에서는학교현장에서 SW교육의안정적정착이라는초점을두어 컴퓨팅사고력이란학생들의일상생활에서발생할수있는문제들을컴퓨팅의기본적인개념과원리를기반으로문제를효율적으로해결할수있는사고능력 이라고정의하였다. 또한, 컴퓨팅사고력의구성요소에대해서도 Barr와 Stephenson(2011) 과같은학자는 12단계로설명하거나, CSTA는 6가지의특성으로규정하고있으나, 구성요소의각각의요소들이독립되어의미를가지는경우도있고, 이것이융합되어의미를가지는경우도있으며, SW교육이학교에처음으로적용되는단계에서구성요소가너무복잡하게제시될경우가져올수있는혼란이나 - 79 -
교수학습의어려움등을종합적으로고려하여분해 (D), 패턴인식 (P), 추상화 (A), 알고리즘 (A) 등 4가지요소로제시하고, 프로그래밍 (P) 은선택적으로포함될수있다고보았다. 이와같은이론적배경을토대로 2015 개정교육과정이적용되는 2018년이전까지 SW교육실시를위해마련된소프트웨어교육운영지침의주요내용과 2015 개정교육과정에서실과, 정보과의주요내용, 성취기준, 시수기준등에대하여분석하고, 운영지침에기반을두고학생용교재의내용을분석하여 CT 신장을위한교수학습모델의실질적인교수학습사례를제시하였다. 연구에서제안된교수학습모델은행동주의, 인지주의, 구성주의적관점을고려하여학습목표영역인지식, 기능, 태도중기능영역을중심으로수업모델을개발하되, 기능이외에지식및태도영역이포함될수있도록하였다. 또한문제해결학습등다양한기존수업방법에서빈번하게다루어지는모델에착안하여새로운모델을개발하고, 학습자의특성, 학교환경등을고려하여재구성이가능하도록하였다. 특히개발된수업모델은컴퓨팅사고의신장이라는목표를달성하기위해각단계별활동내에컴퓨팅사고구성요소 ( 분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘, 프로그래밍 ) 를포함하도록구성하는등의기본방향을설정하고총 5 개의모델을개발하여제안하였다. 즉, 컴퓨팅사고의구성요소가모든학습의목표이자기초가되어야한다는점에서 CT요소중심모델 (D-P-A-A(P) 모델 ), 시연중심모델 (D-M-M 모델 ), 재구성중심모델 (U-M-C 모델 ), 개발중심모델 (D-D-D 모델 ), 디자인중심모델 (N-D-I-S 모델 ) 등 5가지이다. 각각의모델에대해서는모델의개요, 주요내용, 단계별세부내용등을설명하여각모델이갖는특징과방법에대하여다루었고, 실제수업에서어떻게적용될수있는지에대해서는각모델마다학교급별수업자료를제시하였다. - 80 -
2. 시사점및제언 본연구는 2015년 SW교육이우리나라에서교육과정고시를통해서는처음도입되고, 구체적으로 2015 개정교육과정에따라 2018년에초중학교에서필수화됨에따라 SW교육을현장에안정적으로정착하기위한교수학습모델을제시하고있다는데의의가있다. 또한 SW교육이목표로하는컴퓨팅사고력의구성요소를단순화하여교수학습에이용할수있는모델을제안하고향후 3년동안실제수업에사용될 SW교육교재를바탕으로수업사례를제시함으로써수업을이끌어가는교사들이컴퓨팅사고력신장을위한하나의발판으로삼을수있다는점에본연구의의의가있다. 그러나전술한바와같이 SW교육이처음으로도입되기때문에컴퓨팅사고력과구성요소에대한합의점이도출되지않았고, 학교급간의교육내용에있어범위 (Scope) 와위계 (Sequence) 를어떻게가져가야할것인지, 수업시수가초등학교 17차시이상, 중학교 34차시로되어있어많은학습내용을다루는데한계가있다는점등 SW교육과정운영을위해서는광범위한연구와사례적용등의연구가후속적으로이루어질필요가있다. 따라서본연구가다양한국내외선행연구를분석하고연구진나름의개념정의와이론적토대에근거한교수학습모델을개발하여제안하고자했으나다양한교육과정적용과학습환경에일반화하는데한계를가진다. 또한 2015 개정교육과정에따른교과서가없는상태에서한시적으로적용되는 SW교육운영지침에근거하였고, 지식이나태도보다는기능중심의교수학습모델을제시하고있다는점에서현장적용가능성과일반화를위한노력이지속되어야한다는과제를남긴다. 향후이와같은한계를보완하여다양한교수학습모델이개발되어학교현장에적용하여수정 보완하는선순환되는구조를통해좀더정교하고적합성이높은모델이만들어져학교현장에보급되고, 컴퓨팅사고력측정에적합한평가방법에대한더많은연구가이루어지기를기대해본다. - 81 -
참고문헌 강숙희 (1998). 웹의교육적활용에관한고찰. 한국교육, 25(1), 184-200. 교육부 KERIS (2015). 소프트웨어교육운영지침. 교육부 (2015). 초중등학교교과교육과정 ( 교육부고시제2015-74호 ). 교육부 미래부 (2015). SW중심사회를위한인재양성추진계획. 김상홍 (2015). 스마트교육기반플립드러닝수업모델개발. 박사학위논문. 인천 : 인천대학교. 김수환 (2011). Computational Literacy 교육을통한문제해결력향상에관한연구. 박사학위논문. 서울 : 고려대학교. 김수환, 한선관 (2012). Computational thinking 향상을위한디자인기반학습. 정보교육학회논문지, 16(2), 319-326. 김수환 (2015). Computational thinking 증진을위한학습자중심의교수학습전략의효과. 정보교육학회논문지, 19(3), 323-332. 김영수, 홍경선 (2000). 우리나라정보과학교육과정연구. 교육과정연구, 18(2), 137-157. 류미영, 한선관 (2015). 초등 SW교육을위한 CT교육프로그램개발. 정보교육학회논문지, 19(1), 11-20. 박종호, 박수종, 김종훈 (2009). 정보기술기초 과목의정보통신윤리교육의문제점분석및트렌드설정연구. 한국컴퓨터교육학회학술발표대회논문집, 13(1), 335-346. 서수영, 김윤호 (2003). 정보통신기술교육의활성화방안에관한연구. 소프트웨어미디어연구, 2003(2), 1-21. 성정숙, 김현철 (2015). 국외컴퓨터교육과정의변화분석. 컴퓨터교육학회논문지, 18(1), 45-54. SPRI (2014). SW중심사회 : 의미와대응방향. 이슈리포트 2014-003호. 경기 : 소프트웨어정책연구소. - 82 -
유인환, 구덕회 (2004). SW 적응력향상을위한 SW 교수, 학습전략. 정보교육학회논문지, 8(4), 501-512. 유중현, 김종혜 (2008). 문제해결과정에서의정보과학적사고능력에대한개념적고찰. 정보창의교육논문지, 2(2), 15-24. 이영준, 이은경 (2008). 정보교육의본질과전망. 컴퓨터교육학회논문지, 11(3), 1-11. 이종연, 박상훈, 강혜진, 박성열 (2014). Flipped learning의의의및교육환경에관한탐색적연구. 디지털융복합연구, 12(9), 313-323. 이지연, 김영환, 김영배 (2014). 학습자중심플립드러닝 (Flipped Learning) 수업의적용사례. 교육공학연구, 30(2), 163-191. 이태욱, 유인환, 이철현 (2001). ICT 교육론. 서울 : 형설출판사. 이태욱, 최현종 (2015). 정보교과교육론. 서울 : 한빛아카데미. 장용준, 한선관 (2007). 정보교육을위한 ICT 활용유형의분석및개선안에관한연구. 정보교육학회논문지, 11(1), 38-48. 정순원, 계보경, 김재옥 (2012). 스마트교육글로벌동향. 서울 : 한국교육학술정보원. 정영식, 유정수, 임진숙, 손유경 (2015). 소프트웨어교육론. 서울 : 씨마스. 정인기 (2014). 정보교과의 문제해결 주제의성취목표및교수-학습방법에관한연구. 정보교육학회논문지, 18(2). 243-254. 조연순 (2006). 문제중심학습의이론과실제. 서울 : 학지사. 전용주, 김태영 (2015). 창의 융합적 SW교육을위한 CT-CPS 프레임워크개발기초연구. 한국컴퓨터교육학회학술발표대회논문집, 19(1), 37-42. 최숙영 (2011). 21st Century Skills와 Computational Thinking 관점에서의 " 정보 " 교육과정분석. 컴퓨터교육학회논문지, 14(6), 19-30. 최형신 (2014). Computational thinking 역량계발을위한수업설계및평가루브릭개발. 정보교육학회논문지, 18(1), 57-64. 한선관 (2007). 정보교육방법의실제. 파주 : 한국학술정보. 한선관 (2015). 창의컴퓨팅이슈리포트 2015-1호. 인천 : 경인교육대학교. - 83 -
Barrows H. S. & Tamblyn R.M. (1980). Problem-Based Learning: An Approach to Medical Education. New York: Springer Publishing Company. Barr, V. & Stephenson, C. (2011). Bringing computational thinking to K-12: What is involved and what is the role of the computer science education community? ACM Inroads, 2(1), 48-54. Berliner, D. C. & Rosenshine, B. (1977). The acquisition of knowledge in the classroom, In R. C. Anderson et al., Schooling and the Acquisition of Knowledge. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associate. Brennan, K. & Resnick, M. (2012, April). New frameworks for studying and assessing the development of computational thinking. In Proceedings of the 2012 annual meeting of the American Educational Research Association, Vancouver, Canada. Brennen, K., Balch, C., & Chung, M. (2015) 창의컴퓨팅가이드북 [Creative computing guide book]. ( 한선관, 김수환, 홍정미, 김현수, 신나리, 김안나, 박정환역 ). 서울 : 퍼플. ( 원전은 2014년에공개 ) http://scratched.gse.harvard.edu/guide/download.html/. Bundy, A. (2007). Computational thinking is pervasive. Journal of Scientific and Practical Computing, 1(2), 67-69. Computer Science Teachers Association (2011). CSTA K-12 Computer Science Standards. http://csta.acm.org/curriculum/sub/k12standards.html. Denning, P. J. (2007). Computing is a natural science. Communications of the ACM, 50(7), 13-18. IDEO & Riverdale (2012). Design Thinking for Educators. http://www.designthinkingforeducators.com/toolkit/. Dewey, J. (2007). 민주주의와교육 : 교육철학개론 [Democracy and education - 84 -
: an introduction to the philosophy of education]. ( 이홍우역 ). 서울 : 교육과학사. ( 원전은 1944년에출판 ) Khan, S. (2013). 나는공짜로공부한다 [The one world schoolhouse]. ( 김희경 김현경역 ). 서울 : 알에이치코리아. ( 원전은 2012년에출판 ) Kramer, J. (2007). Is abstraction the key to computing?. Communications of the ACM, 50(4), 36-42. Martin, Roger L. (2009). The Design of Business. Harvard Business School Press. National Research Council (2010). Report of a Workshop on the Scope and Nature of Computational Thinking. The National Academics Press. http://www.nap.edu/download.php?record_id=12840. Raths, D. (2013). Nine video tips for a better flipped classroom. The Education Digest, 79(6), 15-21. Savery, J. R. & Duffy, T.M. (1995). Problem-based learning: An instructional model and its constructivist framework. In B. Wilson (Ed.), Constructivist learning environments: Case studies in instructional design (pp. 135-148). Englewood Cliffs, NJ: Educational Technology Publications. Naohisa, T. & Katsuhisa, M. (2013). 소프트웨어공학 [Software engineering]. ( 황석영역 ). 서울 : 도서출판 YOUNG. ( 원전은 2010년에출판 ) Wing, J. M. (2006). Computational thinking. Communications of the ACM, 49(3), 33-35. Wing, J. M. (2008). Computational thinking and thinking about computing. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 366, 3717-3725. CT for educators. https://goo.gl/iusiii Google s CT. http://goo.gl/og0w56-85 -
KS3, Computer Science. http://www.bbc.co.uk/education/topics/z7tp34j/ The d-school. 스탠포드대학교 D-School. http://dschool.stanford.edu/ Tim Brown (2008). IDEO s Blog. http://designthinking.ideo.com/?p=49/#content - 86 -
Abstract A Research on the Development of Teaching and Learning Models for SW Education The purpose of this paper is to develop the teaching and learning models for software education to prepare for in the actual class of the schooling. To fulfill this purpose, this study analyzed the concepts of computational thinking(ct), guideline for software education, and 2015 revision curriculum. In this study, CT is defined as thinking which can be effectively solved problems that may occur in daily life of the students and is based on the basic concepts and principles of the computing. In addition, this study set components of the computational thinking by four factors; decomposition(d), pattern recognition(p), abstraction(a), and algorithm(a). Programming(P) can be included optionally. This paper employed two round of expert panel meeting including one round with two elementary teachers and three secondary teachers to develop and elaborate the teaching and learning models. The models proposed by this study focused on each model which include the factors of the computational thinking. The five teaching and learning models suggested by the research are as follows; 1) demonstration-oriented model(dmm), 2) recreation-oriented model(umc), 3) developing-oriented model(ddd), 4) design-oriented model (NDIS), 5) CT element-oriented model(dpaa(p)). This study gave an overview, and described learning objective and step-by-step details about each model. Simultaneously this paper presented example instruction materials how you deal with these models in actual class depending on the school level. These models and materials could be served as a foothold in the instruction design and practice for the teachers who lead software education to improve CT ability of students. - 87 -
부록 1. CT 신장 SW 교육교수학습모델을적용한수업자료 2. SW 교육운영지침과 2015 개정교육과정비교 - 89 -
부록 1 CT 신장 SW 교육교수학습모델을적용한수업자료 <CT 신장 SW교육교수학습모델을적용한수업자료 > 는교사가다양한수업방법을내면화하여활용할때필요한예시로써, 시연중심 (DMM), 재구성중심 (UMC), 개발중심 (DDD), 디자인중심 (NDIS) 네가지모델에대한수업자료를개발하였다. CT의구성요소는각모델에포함되는요소로적용되기에 CT 요소중심모델 (DPAA(P)) 의예시는개발에서제외되었다. 다시말해서 CT 요소중심모델은일반적인교수학습모델과다르게 CT 교수학습모델의이론적근거로서개발된것이라할수있다. 앞서본문에서서술한것처럼 CSTA(2011) 에서제안한 CT 구성요소에서 < 자료수집, 자료분석, 구조화 > 3단계는실제수업에서교사가사전에준비하여제시하는자료로구성될가능성이상당하리라는점에서, 또한컴퓨팅사고력만의독창적인구성요소라기보다는일반적인문제해결방법론의하나일수있다는점에서 CT 증진을위한수업을설계하는과정에서제외할수도있다고보았다. 여기에영국의 KS3 컴퓨터과학교과와구글에서제안한분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘 ( 또는알고리즘설계 ) 의네가지요소에자동화 ( 프로그래밍 ) 을포함하여 CT 구성요소를재구성하였다. 이는교육부 KERIS(2015) 의소프트웨어교육운영지침에서제시하고있는 CT 구성요소가운데, 컴퓨팅사고력의핵심이분해, 모델링, 알고리즘으로구성된 < 추상화 > 에있다는가정에기반하고있다. 다만본연구에서는 < 추상화 > 의의미를 패턴을만드는일반원칙을정하는것 이라는구글에서제안하고있는정의를적용하여제시하였다. 또한 SW교육을실제수업에적용할때 < 자동화 > 가필수적으로포함되어야한다는견해를반영한것이다. 향후본수업자료는에듀넷 (http://www.edunet.net) SW교육메뉴를통해공개할예정이다. - 90 -
시연중심 (DMM) 모델 초등학교예시자료 고양이와강아지이야기만들기 적용학년 3학년 6학년 과목및차시 창의적체험활동, 실과 (2차시) 수업모델 Demonstration Modeling Making 모델 수업전략 도제식교수학습기법 도구및자료 블록기반프로그래밍언어 중점 CT요소 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본수업은고양이와강아지이야기만들기라는주제로교육용프로그램언어의문법을배우는수업입니다. 수업에서학생들은교사의설명에맞춰서명령어블록의기능을배우게됩니다. D-M-M 모델은초급단계에서프로그래밍의문법과개발의기초기능을배울때주로사용합니다. 교사는프로그래밍언어의명령어블록을따라하기형식으로설명해줌으로써학생이프로그래밍의문법을배우게됩니다. 교사가설명하고시범을보이고나서, 학생들이따라하면서궁금한점을질문하게됩니다. 그후학생은교사의설명에따라자유롭게프로젝트활동을하게됩니다. 수업시간동안이러한과정은순환적으로되풀이되게됩니다. 2. 학습목표 교육용프로그래밍언어 ( 엔트리 ) 의장면, 오브젝트, 명령어를알수있다. - 91 -
3. 수업단계및활동 Demonstration ( 시연 ) 이단계에서는기능을소개하고, 이기능이왜필요한지설명한다. 학생들은블록코딩을분해하고, 각패턴을인식하게된다. - 스프라이트삭제, 추가시연하기 - 스프라이트움직임시연하기 - 배경꾸미기시연하기 - 시작신호사용시연하기 - 소리사용시연하기 - 고양이스프라이트모양바꾸기시연하기 - 조건문사용방법시연하기 - 92 -
Modeling ( 모방 ) 이단계에서는교사의시범에따라하는모델링의과정을통해학생들이하고자하는실행내용에대해명령어로표현하는추상화과정을이해하게된다. 아래의예시는방송하기의명령의개념과사용방법에대해교사의시범후학생들이따라서하는장면이다. - 스프라이트삭제, 추가따라하기 - 스프라이트움직임따라하기 - 배경만들기따라하기 - 출발신호사용따라하기 - 소리사용하기따라하기 - 고양이스프라이트모양바꾸기따라하기 - 조건문사용따라하기 - 93 -
Making ( 제작 ) * 학생중심 이과정에서는학생나름의아이디어를가지고배운명령어문법을사용하여새로운프로젝트를개발한다. 학생들은실제상황에비추어반복연습을할수있고, 실제상황의문제점을탐색하고, 다른상황에적용할수있다. 이과정을통해자기반성과함께디버깅의작업도할수도있다. 프로젝트과제명령어활용미션 - 스프라이트를추가, 삭제하기 - 스프라이트를다양한방향과크기를바꾸기 - 배경의그림을변경하기 - 다양한소리를사용하여이야기꾸미기 - 조건문과반복문사용하기 - 방송하기를이용하여다른스프라이트제어하기 [ 프로젝트개발을위한예시자료 ] 우리나라전래동화를사용하여프로젝트개발을돕는다. 호랑이와곶감 해님과달님 등학생들이많이알고있는전래동화의한장면을선정하여개발하도록안내한다. 4. 평가계획연번 평가기준 방법 1 스프라이트삭제, 추가하기를할수있는가? 관찰 2 배경을알맞게변경할수있는가? 관찰 3 방송하기를효과적으로사용할수있는가? 관찰 4 스프라이트모양을바꿀수있는가? 관찰 5 조건문을상황에맞게사용할수있는가? 수행평가 6 소리를상황에맞게사용할수있는가? 관찰 - 94 -
시연중심 (DMM) 모델중학교예시자료 영어단어장프로그램만들기 적용학년 중학교 2학년 과목및차시 정보 (1차시) 수업모델 Demonstration Modeling Making 모델 수업전략 도제식교수학습기법 도구및자료 블록기반프로그래밍언어 중점 CT요소 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 교육용프로그램언어중하나인 스크래치 를이용하여, 영어단어를묻고뜻을입력하여맞으면정답, 아니면오답을말해주는 영어단어장 프로그램을제작하는과정입니다. 이수업에 DMM 모델을적용하기위해서먼저교사가프로젝트구성에필요한리스트구조의개념과리스트블록의사용법및블록구성에대해설명하고, 학생들은교사의시연내용을그대로따라실습하고모르는부분을질문을하며교사의시연을따라하도록구성되었습니다. 배운내용을바탕으로학생들이자신만의영어단어장프로그램을만들어보고이를평가하는과정을통해컴퓨팅사고력을신장할수있도록설계하였습니다. 2. 학습목표 변수와리스트의개념을알고활용할수있다. 자신만의영어단어장프로그램을만들수있다. - 95 -
3. 수업단계및활동 Demonstration ( 시연 ) - 여러개의자료들을하나로묶는자료구조인배열과리스트의차이점과리스트블록의사용법을설명한다. - 변수설정과리스트추가, 조건구조등알고리즘모듈을설명한다. - 리스트구조를익힐수있는단어장프로젝트를설명하고, 필요한처리과정들을제시하여처리순서를생각해보게한후정리해준다. 알고리즘활동 - 변수 ( 위치 ) 와리스트 ( 단어문제, 정답 ) 만들기시연 - 리스트에자료추가삭제하기시연 - 반복, 조건구조만들기시연 - 단어장프로젝트를설명 - 필요한처리과정들나열 - 순서대로생각해보도록한후정리해준다. ( 대답이정답리스트의해당위치자료와일치하면 정답, 일치하지않으면 오답 이라고말하기 ) 프로그래밍활동 - 알고리즘에해당하는블록들을학생들과함께찾아보고, 순서대로조립하며시연한다. - 96 -
Modeling ( 모방 ) - 학생들은변수와리스트를만들고항목들을추가하고삭제하는과정을반복하여실습해보고모르는부분을질문한다. - 교사는리스트초기화를하지않았을때의문제점을질문하고학생들은프로젝트를여러번실행시켜봄으로써문제점을인식한다. - 변수에 1씩누적하기, 블록의위치를바꿔서도실습하기등의추가활동을통해반복구조를이해시킨다. 알고리즘활동프로그래밍활동 - 변수와리스트를만든다. - 리스트항목추가, 삭제를반복하여실습해본다. - 리스트초기화과정이없을때항목들이계속누적되는문제점을알게된다. - 반복종료를위한변수설정을이해한다. - 조건블록을사용하고반복종료에이르도록위치변수를 1씩누적하는실습을해본다. - 교사의시연을따라알고리즘에해당하는명령블록을조립한다. - 97 -
Making ( 제작 ) - 시연과모방의단계에서배운내용을토대로학생이자신만의단어장을직접만들어보는프로젝트활동을한다. 알고리즘 프로그래밍활동 -자신만의단어장만들기프로젝트에필요한처리작업의순서를나열해본다. -제시된코드블록을참고하여자신의프로젝트를완성한다. 4. 평가계획 연번 평가기준 방법 1 필요한변수와리스트를만들수있는가? 관찰 2 리스트에항목을추가하고삭제할수있는가? 관찰 3 리스트초기화작업을추가하는위치를말할수있는가? 발문 4 자신만의단어장프로젝트를만들수있는가? 수행평가 - 98 -
재구성중심 (UMC) 모델 초등학교예시자료 나만의미로게임만들기 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 6학년창체, 미술 Use Modify recreate 모델페어프로그래밍블록기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 아이들이접하는소프트웨어중에서가장흥미도가높은 게임 을만들어보는활동으로구성하였습니다. 초등학생의수준을고려하여어려운게임은피하고, 간단하고재미있게만들수있는미로게임을제재로선택하였으며, 학생들은게임의배경이되는미로가중심이되어장애물을피해목표까지도달하는게임을직접체험하고탐색해봄으로써게임을구성하는각각의요소를이해하고추출하여수정해보면서자신만의게임을재구성하는과정을경험할수있도록하였습니다. 2. 학습목표 간단한미로게임을해보고구성요소를추출할수있다. 간단한미로게임의구성요소를바꿀수있다. 미로게임의구성요소를추가하고재구성하여나만의미로게임을만들수있다. - 99 -
3. 수업단계및활동 Use ( 놀이 ) - 미로게임을해보면서나만의미로게임을만들기위해서는어떤요소들이필요할지생각해본다. - 미로에서장애물을피해마법지팡이가들어있는상자를여는것이목표다. - 불에닿거나마법지팡이가없는상자를열면상자가쫒아온다. 분해활동패턴인식활동추상화활동 - 게임에필요한요소가무엇일지생각해보기 - 미로게임에필요한요소를추출하기 - 게임의시작, 종료, 주인공의움직임, 장애물의움직임이어떤패턴을갖는지생각해보기 - 게임의주인공이이동하는방법과벽, 장애물을피하는방법을공식으로표현하기 - 100 -
Modify ( 수정 ) - 추출한요소를나열해보고, 미로, 주인공, 장애물등게임요소에서바꾸어서모양이나크기, 위치등을바꾸어본다. 알고리즘활동 - 장애물 ( 불 ) 이보이는시간을바꾸어본다. - 장애물 ( 상자 ) 의개수를늘려본다. - 장애물 ( 스위치, 문 ) 등을추가해본다. [ 활동 ] 다음중하나를골라프로그램을바꾸어봅시다. - 101 -
recreate ( 재구성 ) - 게임을더욱재미있게발전시킬수있는방법은무엇일지생각하여새롭게재구성된게임을만든다. 알고리즘, 프로그래밍 - 새로운장애물 ( 스위치, 문 ) 을추가하기 - 장애물의알고리즘을바꾸어보기 - 장애물에닿았을때생명력이줄어들거나단계를완료했을때점수를부여하기 - 미로의모양을바꾸거나추가하여새로운단계를프로그래밍하여만들기 4. 평가계획 연번평가기준방법 1 간단한미로게임을해보고구성요소를추출할수있는가? 수행평가 2 간단한미로게임의구성요소를바꿀수있는가? 수행평가 3 미로게임의구성요소를추가하고재구성하여나만의미로게임을만들수있는가? 수행평가 - 102 -
재구성중심 (UMC) 모델초등학교예시자료 장애물피하기게임만들기 적용학년 3학년 6학년 과목및차시 창의적체험활동, 실과 (3차시) 수업모델 Use Modify recreate 모델 수업전략 디버깅 도구및자료 블록기반프로그래밍언어 중점 CT요소 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 장애물피하기게임에 U-M-C 모델을적용하기위해서는먼저학습자가장애물피하기게임을실제해보는과정에서게임에들어있는각종게임요소 ( 독수리, 장애물등 ) 를파악하여그들의관계를나열하고게임요소 ( 독수리나장애물의움직임 ) 가가지고있는패턴을파악하도록하는활동이선행되어야합니다. 다음단계로, 교사는의도적으로프로그램의일부분을변경하여학생들에게제공하고학생들은교사와함께변경된부분이장애물피하기게임에어떤영향을미쳤는지를탐색해보도록합니다. 예를들어, 독수리의움직임축을 X에서 Y로변경하여제공해주는활동을통해프로그램요소들간의관계를보다명확히파악할수있으며, 이동기준축의변경으로인해발생할수있는여러부가적인예상하고해결해볼수있습니다. 마지막단계로학생이중심이되어장애물피하기게임을변경해보는활동을하게됩니다. 변경 ( 해결 ) 하고자하는여러요소들을학생이스스로결정하고문제를해결하는과정을통해학생은 CT의여러요소들을통합적으로경험할수있습니다. - 103 -
2. 학습목표 다양한요소를수정하여나만의장애물피하기게임을만들수있다. 3. 수업단계및활동 Use ( 놀이 ) - 완성된장애물피하기게임을학생이직접놀아보게한다. - 이단계에서학생들이게임의구성요소를찾고, 게임의구성요소들이갖고있는특징과관계, 사건속에서패턴을찾아보도록한다. 분해활동 패턴인식활동 - 장애물피하기게임에필요한요소를분해도로표현하기 ( 독수리, 장애물 ) - 독수리의움직이는규칙을찾아보기 ( 위, 아래로움직인다.) - 장애물의움직임생각하기 ( 장애물은오른쪽에서왼쪽으로움직인다.) Modify ( 수정 ) - 교사중심 - 교사가의도적으로오류를제시하여학생들이수정하거나불완전한소스를제공하여학생들이채워간다.( 디버깅 ) - 프로그램내에서핵심이되는모듈을학생들이찾아낼수있도록한다. 추상화활동 알고리즘활동 - 독수리가움직이는방향축을 Y 축기준에서 X 축기준으로변경하여제공하고학생들이오류를해결하는과정에서핵심적인개념발견하기 - 움직이는기준축이바뀜으로서새롭게발생할수있는문제예상하기 - X 축블록을 Y 축블록으로변경하기 - 독수리가화면의경계를넘어가지않도록독수리가이동할수있는 Y 축좌표값제한하기 - 104 -
recreate ( 재구성 ) - 학생중심 - 학생스스로변경할수있는요소가무엇인지파악한다. - 파악한요소를변경함으로서발생하는부수적인문제점들을해결한다. 분해, 추상화, 알고리즘, 프로그래밍활동 - 변경하고자하는부분나열하기 ( 요소, 환경, 규칙등 ) 예 ) 독수리의속도, 독수리의크기, 장애물의크기, 장애물의종류등 - 해당부분에관련된핵심코드찾기예 ) 독수리와장애물의속도를결정하는변수찾기예 ) 독수리의크기를변경하는코드찾기 - 변경의도대로코드수정및추가하기예 ) 독수리속도변수값변경하기예 ) 코드나스프라이트변경을통해독수리의크기변경하기 - 테스트및시뮬레이션을통해디버깅하기 4. 평가계획 연번 평가기준 방법 1 장애물피하기게임에필요한요소를말할수있는가? 발문 2 제시된오류를수정할수있는가? 수행평가 3 바꾸고싶은요소를찾아변경해야할코드를발견할수있는가? 관찰 4 테스트와디버깅을거쳐최종작품을만들수있는가? 수행평가 - 105 -
재구성중심 (UMC) 모델 복숭아선별기 중학교예시자료 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 중학교정보 1차시 Use Modify recreate 모델페어프로그래밍블록기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본수업은복숭아를무게에따라분류하는프로그램을먼저실행해보면서프로젝트를이해합니다. 이후복숭아분류프로그램에서찾을수있는분류방법이나패턴을찾아분석한후복숭아가분류되는조건등을바꿔수정, 보완의단계를거쳐본후학습한패턴이나방법을적용할자신만의프로젝트를실제로제작함으로써 U-M-C 모델을이해할수있습니다. 2. 학습목표 복숭아선별기프로그램을체험해보고분류방법패턴을찾을수있다. 복숭아선별기준을바꿔복숭아를분류할수있다. 복숭아를다른개체로바꾸고, 선별기준을추가하고, 재구성하여나만의과일선별기를만들수있다. - 106 -
3. 수업단계및활동 Use ( 놀이 ) 1) 복숭아선별기프로그램을실행해본다. (SW교육교재 중등활동모듈 2주제 복숭아선별기 ) 2) 복숭아가나타나고랜덤 (50 ~ 300) 의복숭아무게가결정된다. 3) 복숭아크기에따라등급이결정된다. 4) 등급에따라바구니로이동된다. 5) 2)~4) 과정이계속반복된다. - 107 -
Modify ( 수정 ) 1) 복숭아선별기프로그램에서변경해볼수있는것들을생각해본다. 2) 복숭아의크기값의범위를 100 ~ 400으로변경해본다. 3) 복숭아크기에따라등급을아래와같이변경해본다. recreate ( 재구성 ) - 복숭아를사과로변경하고, 새로운등급규칙을정하고적용하여프로그램을완성해봅니다. - 새로운규칙으로는사과의스크래치유무에따른등급을새롭게추가하여봅니다. 즉무게가아무리좋아도스크래치가있다고나오면기타 ( 문제가있어요!) 등급으로이동합니다. 4. 평가계획 연번평가기준방법 1 2 3 복숭아선별기프로그램을실행해보고변경가능한부분을찾을수있는가? 복숭아의무게나무게에따른등급을변경하여적용할수있는가? 복숭아를다른과일로변경하고새로운등급규칙을적용하여나만의과일선별기를만들수있는가? 수행평가 수행평가 수행평가 - 108 -
재구성중심 (UMC) 모델 중학교예시자료 도형그리기프로그램 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 중학교 2학년정보 Use Modify recreate 모델디버깅블록기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 도형그리기프로그램에 U-M-C 모델을적용하기위해서는먼저학습자가완성파일을실제해보면서프로젝트의들어있는요소들의관계및패턴을파악하도록합니다. 그다음교사는의도적으로프로그램의일부분을변경하여학생들에게제공하고학생들은교사와함께변경된부분이도형그리기에어떤영향을미쳤는지를탐색해보도록합니다. 예를들어, 연필스프라이트의이동거리를증감시킨다든지회전각도를변형시켜봄으로써프로그램요소들간의관계를보다명확히파악할수있으며, 요소들의변경으로인해발생할수있는여러부가적인사항을예상하고해결해볼수있습니다. 마지막으로학생이중심이되어도형그리기프로그램을변경해보는활동을하게됩니다. 변경 ( 해결 ) 하고자하는여러요소들을학생이스스로결정하고문제를해결하는과정을통해학생은 CT의여러요소들을통합적으로경험할수있습니다. - 109 -
2. 학습목표 다양한요소를수정하여나만의도형그리기프로그램을만들수있다. 3. 수업단계및활동 Use ( 놀이 ) - 완성된삼각형그리는프로그램을실행해보도록한다. - 이단계에서학생들이삼각형그리기에필요한구성요소 ( 이동거리, 회전각도 ) 를찾고, 구성요소간의관계와패턴을찾아보도록한다. 분해활동 패턴인식활동 - 삼각형이그려지는데필요한요소를나열해본다. ( 이동거리, 회전각도, 반복횟수 ) - 연필의움직이는규칙을찾아보기 (100 만큼이동하고 120 도회전 ) Modify ( 수정 ) - 교사중심 - 교사가의도적으로오류를제시하여학생들이수정하거나불완전한소스를제공하여학생들이채워간다.( 디버깅 ) - 프로그램내에서핵심이되는모듈을학생들이찾아낼수있도록한다. 추상화활동 알고리즘활동 - 연필의이동거리를 100 에서 120 으로, 회전각도를 120 도에서 90 도로변경하여제공하고학생들이오류를해결하는과정에서핵심적인개념발견하기 - 회전각도가바뀜으로서새롭게발생할수있는문제예상하기 - 회전각도변경하기 - 반복횟수변경하기 - 그리고자하는다각형의각의수증가에따라이동거리를축소해야폐다각형이되므로이동거리를 500/ 각으로제한한다. - 110 -
recreate ( 재구성 ) - 학생중심 - 학생스스로변경할수있는요소가무엇인지파악한다. - 파악한요소를변경함으로서발생하는부수적인문제점들을해결한다. 분해, 추상화, 알고리즘, 프로그래밍활동 - 변경하고자하는부분나열하기 ( 도형의각의수, 도형의크기, 도형의개수, 도형색, 등 ) - 해당부분에관련된핵심코드찾기예 ) 다각형의각의수, 반복횟수, 이동거리찾기 - 반복횟수, 회전수, 이동거리를결정하는변수찾기예 ) 도형의모양변경하는코드찾기 - 원하는다각형의각을입력하면해당다각형이원하는횟수만큼그려지도록코드수정및추가하기예 ) 그려지는도형의개수를변경하기위해필요한블록추가하기 - 테스트및시뮬레이션을통해디버깅하기 4. 평가계획 연번 평가기준 방법 1 도형그리기에필요한요소를말할수있는가? 발문 2 제시된오류를수정할수있는가? 관찰 / 수행평가 3 바꾸고싶은요소를찾아변경해야할코드를발견할수있는가? 관찰 4 테스트와디버깅을거쳐최종작품을만들수있는가? 수행평가 - 111 -
개발중심 (DDD) 모델 초등학교예시자료 로봇으로교실을청소하자 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 6학년실과 Discovery Design Development 모델스토리텔링, 언플러그드, 페어프로그래밍언플러그드활동지, 블록기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본주제는교실청소를해줄수있는가상의청소로봇의프로그램을만들어보는활동으로구성되어있습니다. 언플러그드활동을통해실생활에서접할수있는청소로봇의알고리즘을이해하고간단하게프로그래밍해봄으로써문제해결과정을경험하도록하였습니다. 2. 학습목표 언플러그드활동을통해청소로봇의동작원리를이해할수있다. 청소로봇의알고리즘을설계하고프로그래밍언어를활용하여구현할수있다. 모양과크기가다른교실을청소할수있는청소로봇프로그램을만들수있다. - 112 -
3. 수업단계및활동 Discovery ( 탐구 ) < 문제제시 > - 이야기형태로주어진문제상황을보고주어진문제가무엇인지생각해보게한다. - 해결해야할문제를인식하고문장으로써보게한다. - 113 -
[ 언플러그드활동 ] 문제해결방법탐색 분해 패턴인식 추상화 - 언플러그드활동을통해로봇에게명령을내리는방법과로봇이동작하는원리를탐색한다. - 로봇이목적지까지가는방법에대한패턴을찾아본다. 벽을따라간다. 지그재그로이동한다. 가로, 세로축을중심으로움직인다. 등 - 주어진모양의교실을모두청소하려면어떤방법을사용할지공식으로표현한다. - 최단거리알고리즘, 백트래킹알고리즘을통하여청소하지못한공간에대해인식한다. - 114 -
Design ( 설계 ) - 청소로봇이어떻게이동하면교실을모두청소할수있는지알고리즘을설계하고표현한다. - 청소로봇이어떻게이동하면교실을모두청소할수있는지알고리즘을설계하고표현한다. 알고리즘활동 - 순서대로실행하는알고리즘 ( 순차 ) 에서반복되는부분을발견하여반복에따라실행하는알고리즘 ( 반복 ) 으로프로그램을설계한다. - 실제로문제가해결되는지실행하여보고짝과문제점이없는지서로평가해본다. - 115 -
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Development ( 개발 ) - 알고리즘을바탕으로블록기반프로그래밍언어를활용하여청소로봇프로그램을만들어본다. 프로그래밍활동 - 청소로봇프로그램을만들어본다. - 다양한활동 ( 더나아가기 ) 을통해청소로봇프로그램을발전시킨다. - 발전된청소로봇프로그램을발표하고피드백을받는다. - 설계와구현과정을반복하며더나은청소로봇프로그램으로만들고공유한다. - 117 -
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4. 평가계획 연번평가기준방법 1 2 3 언플러그드활동을통해청소로봇의동작원리를이해하는가? 청소로봇의알고리즘을설계하고프로그래밍언어를통해구현할수있는가? 만들어진프로그램을발전시켜새로운프로그램을만들수있는가? 관찰 동료평가 수행평가 - 119 -
개발중심 (DDD) 모델 중학교예시자료 디지털애완동물키우기 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 중학교정보 2차시 D-D-D 스토리텔링, 협동학습블록기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본수업은디지털애완동물키우기란주제로키우고자하는애완동물의종류를정하고, 애완동물의성장에필요한요소들을찾아보는과정을통하여자료를수집및조사하는과정을학습합니다. 이후애완동물의성장에필요한요소를충족시키는방법을구상하고, 충족시켜줄때와그렇지못할때의애완동물의변화를설계하는과정을통하여구상, 계획, 설계단계를이해할수있습니다. 나아가설계를바탕으로실제애완동물키우기프로그램을제작해보고다른그룹의작품을보고비교해본후자신들의프로그램을수정하여최종작품을공유하는전체과정을통하여이런일련의과정을통하여 CT의요소들을통합적으로이해할수있습니다. 2. 학습목표 디지털애완동물키우기게임의알고리즘을설계하고프로그래밍언어를활용하여구현할수있다. - 120 -
3. 수업단계및활동 Discovery ( 탐구 ) - 기존애완동물키우기 ( 소프트웨어중등교재 06. 디지털애완동물키우기 ) 게임을하면서애완동물성장에사용된요소를찾아본다. - 성장에필요한요소를얻기위한알고리즘을분석한다. - 121 -
Design ( 설계 ) - 성장에필요한요소를얻는방법을설계해본다. - 122 -
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Development ( 개발 ) - 실제로애완동물키우기프로그램을제작해본다. - 다른그룹의작품을보고비교해본후자신들의프로그램을수정하고최종작품을완성한후공유하기로수업을마무리한다. 4. 평가계획 연번평가기준방법 1 2 3 애완동물의성장에필요한요소들을파악하고구체적인프로그램만들기목표를설정할수있는가? 디지털애완동물만들기알고리즘을설계하고프로그래밍언어를통해구현할수있는가? 만들어진프로그램을발전시켜새로운프로그램을만들수있는가? 관찰 동료평가 수행평가 - 124 -
개발중심 (DDD) 모델 중학교예시자료 그림그리기앱제작 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 중학교정보 2차시 Discovery Design Development 모델협동학습, 디자인씽킹, 디버깅앱인벤터, 구글아이디, 포스트잇 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 그림그리기앱제작에 D-D-D모델을적용하기위해서는그림을그리는데필요한기능들을구현하기위한자료를수집및조사하고, 개발하고자하는모듈과일정한패턴을학생스스로탐구하도록하여추상화와알고리즘의핵심내용을파악하도록합니다. 탐구결과알게된것을바탕으로필요컴포넌트, 컴포넌트의특성및역할, 컴포넌트간상호작용등을이해하기쉽게순서도나의사 (pseudo) 코드등을활용하여설계합니다. 학생이설계한대로제작해보고서로공유하여피드백을받고디버깅하여최종작품을완성합니다. 이런일련의과정을통하여 CT 요소들을통합적으로경험해볼수있습니다. 2. 학습목표 앱인벤터를활용하여그림그리기앱을제작할수있다. - 125 -
3. 수업단계및활동 Discovery ( 탐구 ) - 그림그리기앱에필요한기능들을찾아보게한다. ( 포스트잇등을사용하여모둠원들의생각을모은다.) - 사용자가편리하게사용하기위해고려할점에대해토론시킨다. - 색상표현방법에대해조사시키고모둠별로발표시킨다. - 앱인벤터로제작시사용할컴포넌트들을찾아보게한다. 분해 패턴인식 추상화 - 그림그리기앱에필요한기능들을나열해본다. ( 색상선택, 붓크기조절, 부분지우기, 전체지우기, 투명도조절, 캔버스설정등 ) - RGB 색상모드의색구성요소별로분해한다. - 앱의동작을단계별로분해한다. ( 단계별사용컴포넌트를알아본다.) - 단계별동작패턴을탐구한다. ( 예 : 버튼 - 슬라이더컴포넌트조절 - 레이블컴포넌트에표시 ) - 그림그리기도구에대한핵심기능을수학적인방법으로공식화하기 ( 예를들어직선그리기도구의경우 (x1,y1) 좌표와 (x2,y2) 좌표를찾아선으로연결하는공식을활용한다 ) Design ( 설계 ) - 그림그리기앱에필요한컴포넌트를배치해보고구성요소별연관성을고려하여구상도를설계한다. 알고리즘활동 - 뷰어창에필용한컴포넌트들을배치한다. - 컴포넌트별로해당속성을설정한다. - 컴포넌트들간의연계성을순서도나의사 (pseudo) 코드로표현해본다. - 126 -
Development ( 개발 ) - 학습내용을토대로하여실제프로토타입을제작해보고발표하여피드백을받는다. - 다른그룹의작품을보고비교해본후자신의프로그램을디버깅하며최종작품을완성한후공유한다. 프로그래밍활동 - 디자인단계의작업에바탕을두고블록편집모드에서프로그래밍하여프로토타입을제작한다. - 모둠별로결과물을발표하고피드백받는다. - 디버깅과정을거치며설계와구현을반복한다. - 최종작품을완성한후공유한다. 4. 평가계획 연번 평가기준 방법 1 그림그리기앱에필요한컴포넌트들을구성할수있다. 퀴즈 / 관찰 2 RGB 색상모드의색표현방식을설명할수있다. 관찰 3 바꾸고싶은요소를찾아변경해야할코드를발견할수있는가? 수행평가 4 테스트와디버깅을거쳐최종작품을만들수있는가? 수행평가 - 127 -
개발중심 (DDD) 모델 실험실지킴이 고등학교예시자료 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 고등학교정보, 2차시 Discovery Design Development 모델탐구학습, 협동학습텍스트기반프로그래밍언어 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 D-D-D 모델로학생스스로탐구하는과정을가질수있도록교수학습내용을구성하였습니다. 실험실지킴이에 D-D-D 모델을적용하기위해서실습실환경의조건을분석하고입력, 처리, 출력으로구분하여과정별로문제를분해합니다. 학생스스로일정한규칙의패턴을탐구하여추상화와알고리즘의핵심내용을파악하고, 순서도나의사 (pseudo) 코드등으로알고리즘을표현한뒤프로그램을구현, 자동화하고공유와수정을거쳐작품을완성합니다. 이런일련의과정을통해컴퓨팅사고를통합적으로경험할수있습니다. 2. 학습목표 실험실의제한된조건을해결하는실험실지킴이프로그래밍을제작할수있다. - 128 -
3. 수업단계및활동 Discovery ( 탐구 ) < 문제제시 > 음식물로퇴비를만드는재활용실험을위해과학시간에음식물의발효조건을온도 40, 습도 60%, 발효기간 30일로제한하여실험을한다. 온도와습도, 발효기간의조건을하나라도유지하지않으면경고음을내어알려준다. 발효기간 30일동안실험실의조건을유지하도록체크하는시스템을자동화해보자. ( 단, 경고음은어떤음이든고려하지않고, 실험시작일이발효기간의시작일이된다.) - 문제를분석하고실험실조건의자동화를위한방법과컴퓨팅의원리및기능을탐색해본다. - 문제상황을이해하고주어진조건과해결할목표를분석한다. - 실험실조건의입력기능과경고음을발생시키는기능을조사한다. - 사용할프로그래밍언어에서문제해결에사용할기능을적용가능한지조사한다. - 탐색한내용을모둠별로발표한다. [ 분석활동 ] 해결할목표를찾고조건을분석해보자. 해결목표발효기간동안실험실의제한조건의온도, 습도를유지한다. 조건분석 - 온도 40, 습도 60% 를유지해야한다. - 발효기간 30 일을경과하지않아야한다. - 경고음은어떤음이든지무관하지만, 제한된온도, 습도, 발효기간의조건을벗어나면발생한다. - 실험시작일에서부터발효기간이체크된다. - 문제를분해하여처리할주요요소를추출하고패턴을찾아추상화한다. - 129 -
분해 패턴인식 추상화 - 실험실의조건처리과정을입력, 처리, 출력으로나누어구분하고표, 그림, 글등으로표현한다. - 실험실의온도, 습도, 발효기간의조건을고려하여처리가능한단위의작은문제들로나누어본다. - 분할된문제에서필요한주요요소를추출한다. - 아이디어와의견을모아문제를함께분해해본다. - 실험실조건의처리과정별일정한규칙의처리패턴을탐구하여나열한다. - 학생스스로탐구하여추상화와알고리즘의핵심내용을파악하도록한다. - 해결하기쉬운형태로구조화한다. - 온도, 습도, 발효기간의변수들간의관계를명확하게한다. [ 분해활동 ] 입력, 처리, 출력과정으로구분하여해결문제를찾아보자. 입력 처리 출력 - 온도 : 40, 습도 : 60%, 발효기간 : 30일 - 실험시작일 ( 발효시작일 ) - 온도, 습도, 발효기간의조건이충족되거나충족되지않을경우의처리 - 발효기간이경과하지않을때와종료된경우의처리 - 여러조건에대한경고음의발생처리 - 온도나습도가맞지않거나발효기간이경과되면경고음발생 - 130 -
[ 패턴인식활동 ] 실험실의제한조건의처리를위한일정한규칙의처리패턴을찾아보자. 패턴찾기 - 온도와습도가높을수록발효속도가빨라진다. - 온도와습도가일정조건의이하또는이상인경우발효는되지않는다. [ 추상화활동 ] 실험실의제한조건에서처리할핵심요소를추출하여표, 그림, 그래프등의형태로추상화해보자. 핵심요소추출 실험실조건 ( 온도 (45 ) 습도 (60%)), 발효기간 (30일, 실험시작일기준 ) 추상화하기 Design ( 설계 ) - 알고리즘의설계방법을조사하고작성할설계방법을선택한다. - 구현할알고리즘의구체적인설계는순서도, 의사 (pseudo) 코드등으로알고리즘을표현한다. - 131 -
[ 활동 ] 문제해결방법을다양하게만들고실제적용할효과적인방법을찾아보자. < 아이디어1> 창의적아이디어 < 아이디어2> < 방법1> < 방법2> 해결방법 < 선택방법 > < 선택한이유 > [ 협력활동 ] 프로그램을나누어작성할수있도록처리할주요기능을나누어보자. 기능나누기 Development ( 개발 ) - 실제실험실지킴이프로그램을구현한다. - 작품을발표하고다른그룹과비교후자신들의프로그램을수정하여최종작품을완성한후공유한다. 4. 평가계획 연번평가기준방법 1 실험실조건만들기에필요한요소들을파악하고구체적인프로그램만들기목표를설정할수있는가? 발문 / 관찰 2 실험실조건만들기의추상화와효율적인알고리즘을설계할수있는가? 수행평가 3 프로그래밍언어를통해구현할수있는가? 수행평가 4 공유및피드백을통해프로그램의개선할부분을수정하여프로그램을발전시켜는태도를보이는가? 관찰동료평가 - 132 -
디자인중심 (NDIS) 모델 초등학교예시자료 물을주는화분만들기 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 6학년실과 Need-Design-Implement-Share 모델스토리텔링, 협동학습블록기반프로그래밍언어, 피지컬컴퓨팅도구, 포스트잇 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 교실에서키우는화분이관리가되지않는경우는흔하게발견할수있습니다. 왜이러한문제가일어나는지생각해보고문제점을개선하기위하여어떻게하면좋을지생각해보는활동으로 물을주는화분만들기 라는주제를선정하였습니다. 화분속수분양과같은주변환경의변화에따라적절하게물을공급하거나일정시간이지나면물을주는화분이있다면화분이더욱싱싱하게자랄수있을것입니다. 학생들은자신의주변에서일어나는문제에관심을가지고참여함으로써자신의창의적인설계능력을발현하여알고리즘을설계하고구현함으로써문제를해결하고, 이를서로공유하고일반화하는과정을통해자기성찰을할수있도록구성하였습니다. 2. 학습목표 주어진문제를이해하고생활에도움이되는해결방법을모색할수있다. 물을주는화분의구조와알고리즘을설계할수있다. 프로그래밍언어를통해구현해보고이를공유할수있다. - 133 -
3. 수업단계및활동 Needs ( 요구분석 ) - 문제상황 이야기형태로주어진문제상황을보고문제의발생원인과해결방법을모색한다. 문제상황은토마토를화분에심었으나관리가잘되지않아시들어버린상황이발생한것이다. 우리가편리하게화분을관리하려면어떻게해야할지고민해보고경험이나주어진자료, 탐색활동을통해자동으로물을주는화분이있다면문제를해결할수있을것이라고생각한다. - 134 -
- 사용자요구분석 문제상황을이해하고자동으로물을주는화분을만들수있는지생각한다. 자동으로물을주는화분이있다면얼마나편리해질지생각한다. 물을주는화분을만들기위해알아야할것이무엇인지이해하고분석한다. 탐색한내용을모둠별로발표한다. [ 활동 ] 화분속물의양에따른식물의상태변화를알아보고, 알게된내용을발표해봅시다. - 문제이해및분석 문제를이해하고자동화의주요요인을분석한다. 물의양에따라물을자동으로줄수있는원리와방법을탐색한다. 자동화에필요한자료를조사한다. 목표를찾고조건을분석한다. 탐색한내용을모둠별로발표한다. [ 활동 ] 문제를분석하여정리해보자. 문제상황의이해문제해결방법만들기필요한자료의수집 해결할문제의최종목표는무엇인지생각해보자. 어떻게문제를해결할수있을지아이디어를모으고해결방법을창의적으로만들어보자. 아이디어 : 문제해결에필요한자료는어떤것이있을지찾아보자. 방법 : - 135 -
Design ( 디자인 ) 분해 패턴인식 추상화 알고리즘설계 - 물을주는화분을어떤모양과기능을넣어만들면좋을지생각한다. - 물을양을측정하는기능, 물을주는기능등으로문제를분해하고, 물을주는기능에서물이어느정도일때물을줄지생각한다. - 물의양에따라물을주는화분의동작패턴을찾아나열한다. - 핵심요소간패턴을쉽게파악할수있도록시각화한다. - 시각화를할때는창의성을신장하기위해마인드맵, 브레인스토밍, 그래프와도식화등의다양한전략을사용하고, 생각을손쉽게추가, 수정, 삭제가쉬운포스트잇과같은도구를사용한다. - 식물이잘자라기위한온도와습도의조건을공식으로표현한다. - 물을주어야할때와주지말아야할때등알고리즘의핵심요소를추출한다. - 물의주는화분의프로그램의알고리즘을생각해보고의사 (pseudo) 코드나순서도로표현한다. - 136 -
[ 활동 ] 물을주는화분의알고리즘을설계하여봅시다. - 137 -
Implement ( 구현 ) - EPL을활용하여가상의화분을만들고프로그래밍하여구현한다. - 학습자의수준과환경에따라간단한센서나기구를활용하여실제화분을제작할수있다. [ 활동 ] 물을주는화분프로그램을만들어봅시다. - 138 -
Share ( 공유 ) - 물을주는화분 프로그램을발표하고공유한다. - 서로좋은점과개선할점에대한이야기를나누고피드백을받는다. - 개발과정에대한간략한소개글을작성하여온라인에탑재하고댓글등의반응을통해자기성찰을한다. 4. 평가계획 연번평가기준방법 1 주어진문제를이해하고 물을주는화분 의핵심기능을추출할수있는가? 관찰 2 물을주는화분의알고리즘을설계할수있는가? 수행평가 3 EPL 을통해설계한프로그램을구현하고공유할수있는가? 수행평가 4 공유및피드백을하려는태도를보이는가? 관찰 - 139 -
디자인중심 (NDIS) 모델초등학교예시자료 에너지를절약하는똑똑한선풍기 적용학년 3학년 6학년 과목및차시 창의적체험활동, 실과 (2차시) 수업모델 Need-Design-Implement-Share 모델 수업전략 협동학습, 디버깅, 디지로그 도구및자료 EPL, 포스트잇, 피지컬컴퓨팅도구 중점 CT요소 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본수업은 에너지를절약하는똑똑한선풍기 라는주제를디자인씽킹모델을이용해서진행하고자하였습니다. 수업초반에는아무도없는교실에서작동하고있는선풍기로인한전력난에대한문제에대한고찰과선풍기끄는당번이누구인지모르는사용자에대한탐색을합니다. 그후사람이없을때자동으로선풍기를꺼주는프로그램이있으면좋다고생각하고, 사람의움직임을감지할수있는방법을알아보고자동으로선풍기를꺼지게하는프로그램을만드는수업입니다. 이를위하여프로그래밍언어로구현하기전에포스트잇과교재를사용해프로젝트의스토리, 필요객체, 객체의특성및역할, 객체간상호작용등을이해하기쉽게계획합니다. 그후계획한프로젝트를 EPL 을통해구현합니다. 만일피지컬교구를다룰수있는고학년의경우아날로그정보를디지털정보로표현해보는피지컬컴퓨팅활동을통해융합활동과연계할수있습니다. - 140 -
2. 학습목표 사람이없을때자동으로선풍기를꺼주는프로그램을만들수있다. 3. 수업단계및활동 Needs ( 요구분석 ) - 문제파악하기 - 문제정의하기 - 문제해결방법을생각해보기 - 문제해결방법의장단점파악하기 - 생활속에서문제와관련된예제찾기 <Needs 단계 > Design ( 디자인 ) - 문제를해결하기위해만들어진내용살펴보기 - 문제를해결하기위한알고리즘만들기 - 알고리즘순서를완성하기 - 알고리즘완성하기 - 오브젝트내용 ( 움직임, 대사 ) 만들기 - 141 -
<Design 단계 > Implement ( 구현 ) - 프로그래밍준비하기 - 에너지절약선풍기만들기 - 프로그래밍구현하기 - 프로그램이바르게실행되었는지 O로표시하기 - 142 -
Share ( 공유 ) <Implementation 단계 > http://goo.gl/xcxewf - 구현한프로그래밍공유하기 - 구현한프로그래밍공유하기 - 공유후피드백내용성찰하기 - 제일앞단계로돌아가기 4. 평가계획 연번 평가기준 방법 1 문제를파악해서정의하는가? 관찰 2 3 문제를해결하기위한알고리즘을세부적으로제시하는가? 문제를해결하기위한프로그래밍을바르게구현되었는가? 4 구현한프로그램피드백및환류를하는가? 관찰 / 수행평가 관찰 / 수행평가 동료평가수행평가 - 143 -
디자인중심 (NDIS) 모델 청소로봇만들기 중학교예시자료 적용학년과목및차시수업모델수업전략도구및자료중점 CT요소 중학교정보 2차시 Need-Design-Implement-Share 모델페어프로그래밍, 협동학습블록기반프로그래밍언어, 로봇등의피지컬도구 분해 패턴인식 추상화 알고리즘 자동화 1. 개요 본수업은나만의청소로봇을만들어보자는주제로청소로봇이있음으로인간에게어떤도움을줄수있는지를생각해보는과정입니다. 실제시중에판매되는청소로봇의알고리즘을그림으로그려보고효과성을분석하여자료를수집하도록합니다. 이후다양한모양의공간에서도청소가가능하도록창의적으로설계해보고필요한기능을추출하여나만의청소알고리즘을설계하고, 실제로로봇에적용하여시뮬레이션해보고개발된프로그램을공유하며, 공유하여얻은피드백을바탕으로업그레이드하는과정을통하여컴퓨팅사고력과프로그래밍능력을증진시킬수있습니다. 2. 학습목표 청소로봇의움직임에필요한규칙적인패턴을모델링할수있다. 자신만의청소로봇의동작알고리즘을고안하여최적화할수있다. - 144 -
3. 수업단계및활동 Needs ( 요구분석 ) - 상황제시를통하여청소로봇의필요성을이해한다. 1인가족인상범이는집안일중에서바닥청소가가장싫다. 깨끗하게청소를해놓으면금방먼지가앉고물걸레로청소하기위해서는무릎이너무아프기때문이다. 상범이는인터넷을통해로봇청소기관련내용을보고구매하려고했으나, 가격이너무비쌌다. 그러던중 Fuzzbot 에대한기사를접하고이번기회에직접로봇청소기를만들어보기로결심했다. 상범이는퀸의퍼즈봇의꼬리부분에청소용흡착포를부착해서움직이면먼지가제거되는로봇을만들고자한다. 이제부터나만의청소로봇을만들어보자. - 일반적인로봇청소기가수행해야할기능이무엇인지를도출한다. 예 ) 먼지제거, 자동이동, 충전등 - 로봇청소기의기능중만들고자하는로봇의기능에대하여정의한다. 예 ) 어떤방식으로이동하여청소할것인가? - 145 -
Design ( 디자인 ) 패턴인식 추상화 알고리즘 - 전체는한칸이동을전체만큼반복하는패턴을찾아내도록지도한다. - 바둑판처럼되어있는바닥을청소하며로봇이움직일때는한칸씩만움직이도록단순화한다.( 후진기능은없음 ) - 한칸씩이동하고벽을만나면회전하여처음위치로복귀하고계속이동한다. - 146 -