과학교육관점에서의 컴퓨팅 사고 실천에 대한 조작적 정의와 이에 따른 과학교육에서의 제언

Abstract

컴퓨팅 사고란 단순히 디지털 기기나 소프트웨어의 활용이 아닌 많은 데이터 속에서 문제 해결을 위하여 필요한 지식을 선택하여 처리할 수 있는 사고 과정을 이야기한다. 국내 과학교육에서도 컴퓨팅 사고 적용에 대해 강조하고 있으며 실제 교육현장에서 필요성에 관하여 동감하고 있다. 과학교육관점에서의 컴퓨팅 사고에 대한 실천에 대한 연구 및 프로그래밍을 이용한 과학 프로그램에 대한 연구가 진행되고 있으나 컴퓨팅 사고 역량을 효과적으로 증진시키기 위해서는 프로그래밍 언어와 독립적으로 컴퓨팅 사고역량을 측정할 수 있는 평가 척도에 대한 연구가 필요하며 이에 대한 개념적 요소의 세부요소 및 조작적 정의와 교육현장에서 적용 가능한 가이드라인이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 과학교육관점에서 컴퓨팅 사고의 요소에 대한 세부요소 및 조작적 정의를 제시하고자 하였다. 더 나아가 교사의 컴퓨팅 사고 관련 역량 함양을 위해 전문성 연수를 통하여 위의 세부요소 및 조작적 정의 토대로 현장에 적용 가능한 컴퓨팅 사고 반영 과학프로그램을 개발하는데 있어서 필요한 가이드를 제시하고자하였다. 이에 따라 연구단계는 과학교육관점에서 컴퓨팅 사고 세부요소 및 조작적 정의를 구안하는 단계와 교사 연수를 통해 모범적인 가이드를 제시하는 두 단계로 나누어 진행하였다.

먼저, 문헌연구를 통하여 기술, 정보, 컴퓨터과학 관점에서 나타난 컴퓨팅 사고 요소를 파악하여 이를 바탕으로 과학교육관점에서 과학교육전문가와의 지속적인 회의를 통해 컴퓨팅 사고 관련 과학수업에 반영 가능한 세부요소 및 조작적 정의와 분석틀을 구안하였다. 이의 타당성을 구축하기 위해서 기존의 STEAM 프로그램을 선정하여 컴퓨팅사고 요소가 포함되어 있는지 등 분석하여 반영가능성을 확인하였다. STEAM 교육의 목적은 학습자를 문제 해결능력을 함양할 수 있도록 하는 것이며 컴퓨팅 사고는 이러한 역량중의 하나이므로 반영이 되어 있을 것이라는 가정 하에 반영정도를 분석함으로 그 타당성을 구축하였다. 분석한 내용을 바탕으로 과학교육의 관점에서 적용 가능한 컴퓨팅 사고 실천요소 및 정의를 재정리하였다. 둘째, 확정된 세부요소 및 조작적 정의를 바탕으로 전문성 강화 연수를 통해 연구에 참여한 교사 2인이 컴퓨팅 사고에 대한 인식을 어떻게 형성하게 되는지를 파악하였다. 이는 앞서 확정된 컴퓨팅 사고 실천요소가 현장에서 적용가능한지의 여부를 판단하기 위해서이며 이러한 교사와의 상호작용에서 컴퓨팅 사고의 요소가 적용가능한지를 실험적인 자료를 통해서 그 타당성을 보는 것과 동시에 이에 대한 교사들의 새로운 인식을 조사한 것이다. 이를 위해 교사 연수는 총 4차례 회당 2시간씩 진행되었다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 정보, 기술, 컴퓨터 과학의 문헌 자료를 토대로 1차적으로 구안된 9가지 요소는 자료수집, 자료분석, 자료표현, 문제분해, 추상화, 알고리즘과 절차화, 자동화, 시뮬레이션, 병렬화이다. 9가지 요소 및 정의를 분석틀로 하여 STEAM 프로그램 ‘기후변화’와 ‘물 부족’ 초 3~4학년, 초5~6학년, 중학생, 고등학생용 전 차시와 컴퓨팅사고 프로그램을 분석하였다. 분석한 결과 초등학교 과정에서는 자료 수집, 자료 분석, 자료 표현 요소가 빈번하며, 중학생에서는 자료 수집, 자료 분석, 자료 표현, 문제 분해, 추상화, 알고리즘 및 절차 단계가 그리고 고등학생 과정에서 병렬화를 제외한 모든 요소가 나타남을 확인하였다. 이러한 분석은 차세대 과학교육 표준에서 기술된 컴퓨팅 사고의 내용과 상응하는 것으로 나타났다. 과학교육전문가와 회의를 통하여 기술교육에서의 병렬화는 문제해결을 위한 산출물을 다양한 상황에 적용하여 적용의 타당도를 높이는 일반화로 변경하여 9번째 요소로 대신하였다. 둘째, 현장의 두 교사와 컴퓨팅 사고 관련 연수를 진행하는 동안 나타난 이들의 인식은 다음과 같다. 즉 모든 수업을 컴퓨팅 사고가 포함된 수업으로 만들 수 없으며, 단순한 ICT의 사용의 수업과는 구분이 되어야 한다. 특히 컴퓨팅 사고는 지식형성이 아닌 지식활용의 단계인 문제를 해결하는 과정에서 두드러지게 나타나는 사고과정이라고 하였다. 오류가 있는 자료를 가지고도 문제해결을 위한 컴퓨팅 사고의 경험은 의미가 있으며, 무엇보다도 시뮬레이션에 해당하는 요소를 직접 경험시키는 것이 가장 중요하다고 인식하게 되었다. 컴퓨팅 사고는 문제를 정확하게 인지하여 해결하고 산출물을 구현하는 동안에 이상적으로 구현될 수 있으며, 국내의 STEAM 교육을 활성화하기 위해서는 공학과 기술요소를 강조한 컴퓨팅 사고의 반영이 필수적이라고 하였다.

이러한 인식 아래 컴퓨팅 사고 반영 가이드는 다음과 같이 구체적인 예를 들어 제시할 수 있다. 기후변화 관련 STEAM 프로그램에서는 미세조류를 활용한 이산화탄소 감축 프로젝트를 주제로 지구온난화에 대한 개념적 지식 습득과정에서 실험을 통한 자료수집, 자료분석, 자료표현의 요소가 두드러지게 나타나 있으며, 이산화탄소를 줄이는 방법과 적극적으로 활용하는 방법 중 각 지역에 적절한 감축방안을 모색하는 과정을 통하여 문제분해, 추상화 요소가 이산화탄소 감축장치를 구안하는 과정에서 시뮬레이션요소가 나타날 수 있음을 알 수 있다. 본 프로그램에서 이산화탄소를 측정 장치를 개발하여 정량적으로 측정한다면 문제 해결과정에서 컴퓨팅 사고 요소가 더 뚜렷하게 나타나고 개발된 이산화탄소 감축장치와 측정 장치를 다양한 지역에 배치해보는 활동을 추가한다면 일반화요소가 드러난 프로그램으로 개발될 것이라고 제시하였다. 이 연구는 과학교육에서 관찰 가능한 컴퓨팅 사고 요소 및 정의를 구현하고 이를 토대로 교사들의 인식이 새롭게 형성되는 것을 확인한 점에서 앞으로 컴퓨팅 사고 반영을 위한 과학교육의 교사교육에 제언을 둘 수 있다.|Computational thinking refers to not only the simply using digital devices or software, but also the thinking process for processing the knowledge required to solve the problems by selecting the data out of a large amount of data. Also in the science education in Korea, the application of computational thinking is being emphasized and required in actual education field. Research on the practice of computing thinking and science programs using programming from the viewpoint of science education have been conducted, but in order to effectively improve the computational thinking ability, it is necessary to evaluate the programming language and computational thinking ability independently, and study on the detailed elements of the conceptual elements and operational definitions and applicable guidelines are required in the field of education. Therefore, the purpose of this study is to suggest detailed elements and operational definition of elements of computational thinking from the viewpoint of science education. Furthermore, by providing teachers professional training programs of the skills necessary to develop computational thinking, a guide to develop a science program reflecting computational thinking applicable to the field based on the above detailed elements and operational definitions were suggested. Accordingly, the stages of research were divided into two, the stage where from detailed elements and operational definition of elements of computational thinking from the viewpoint of science education were designed, and the stage where a guide through professional training for teacher is suggested. Firstly, through the literature study, the detailed elements and operational definitions and analysis framework which can be reflected in the science class related to computational thinking were designed through continuous meetings with science education experts based the elements of computational thinking from the viewpoint of technology, information, and computer science. In order to construct the validity of it, the existing STEAM program was selected to analyze the elements computational thinking in the program to identify the possibility of reflection. The purpose of STEAM education is to enable learners to develop problem solving ability, and as computational thinking is one of these abilities, the validity by analyzing the degree of reflection was constructed assuming that the computational thinking was reflected. Based on the analysis, the definitions and applicable practice elements of computational thinking from the viewpoint of science education were reorganized. Second, based on the confirmed detailed elements and operational definition, we apprehended how the two teachers who participated in the research through the professional training form the perception of the computational thinking. It is to find out whether the determined practice elements of computational thinking can be actually applied in the field. and the validity of experimental data about the applicability of the elements of computational thinking in the interaction with teachers and the teachers' new perception were investigated. Teacher trainings were carried out four times for two hours each.

The result of this study is as follows. Based on literature data on information, technology, and computer science, 9 elements designed primarily were data collection, data analysis, data representation, problem resolution, abstraction, making as algorithm and proceduralization, automation, simulation, and parallelism. With these 9 elements and definitions as a framework, the computational thinking program and all sections on 'climate change' and 'water shortage' for highschool students, middle school students, the 3rd to 4th grades of elementary school, and the 5th to 6th grades of elementary school were analysed. The results of the analysis show that data collection, data analysis, and data presentation elements are frequent in the courses of the elementary school and data collection, data analysis, data representation, problem decomposition in the courses of the middle school, and all elements except for parallelism in the course of the highschool. This analysis is consistent with the content of computational thinking described in the next generation science education standards. Through the meeting with the science education experts, the parallelism in the technical education was replaced with the 9th factor by changing generalization which is applied to various situations and increased the validity of the application. Second, the perceptions which appeared during the course of computational thinking with two teachers in the field are as follows. All classes can not contain the computational thinking, and they should be distinguished from classes simply using ICT. Particularly, computational thinking is thinking process which is prominent in the course of knowledge utilization by solving problems, not knowledge formation. Even with the data with errors, the experience of computational thinking to solve problems is meaningful, and above all, it is recognized that it is most important to experience directly the elements corresponding to the simulation. Computational thinking can be ideally realized during problem solving and making output, and it is necessary to reflect computational thinking emphasizing engineering and technology elements in order to activate domestic STEAM education.

Under this perception, the guide for reflecting computational thinking can be presented as a concrete example as follows. In the STEAM program related to climate change, data collection, data analysis and data representation through experiment are prominently displayed in the process of acquiring conceptual knowledge on global warming with the theme of CO2 reduction project utilizing microalgae and it can be seen that the simulation element may appear in the process of designing the CO2 reduction device, problem decomposition and abstract elements in the process of finding appropriate reduction measures for each region among the method for reducing CO2 and utilizing. In case that the measuring device is developed and CO2 can be measured quantitatively in this program, computational thinking element will appear more clearly in the problem solving process, and if activities to place developed CO2 reduction device and measurement device in various areas are added, it will be developed as a program with generalization element. This study can suggest the teacher education of science education to reflect computational thinking in the future, as it is confirmed that teachers' perception can be newly formed based on implementing observable computational thinking elements and definitions in science education.