학교 교육에 적합한 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드 개발 및 적용 = Development and application of physical computing educational board suitable to school education

국문 초록 (Abstract)

2014년 9월 교육부에서 발표한 2015 문이과 통합형 교육과정 총론에서는 국가 사회적 요구 사항을 반영하여 소프트웨어(SW) 교육을 강화하였다. SW교육의 핵심인 정보 교육과정은 이전 정보 교육과정에서는 없었던 피지컬 컴퓨팅이라는 핵심 개념이 추가되었다. 피지컬 컴퓨팅은 센서와 액츄에이터를 이용하여 인간과 시스템, 또는 시스템과 시스템 간의 상호작용이 가능한 컴퓨팅 형태로 정의된다. 피지컬 컴퓨팅은 현실세계의 문제를 프로그래밍으로 해결하는 과정에서 물리적 환경을 함께 설계 및 구현함으로써 컴퓨팅 사고력 향상과 창의적 문제해결 과정을 경험하고, 학습 동기와 흥미를 유발할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 컴퓨터 과학과 공학, 수학, 예술 등 다양한 학문적 지식을 배울 수 있다.
국내외 SW교육 단체에서도 피지컬 컴퓨팅을 새로운 학습 주제로 적용하고 있다. 그러나 학교 교육 상황에서 피지컬 컴퓨팅 교육을 적용하기 위해서는 교육과정, 교사 및 학생, 그리고 학교의 요구사항을 함께 고려해야 한다. 그 중에서 피지컬 컴퓨팅 교육용 도구 선정은 우선적으로 해결해야 할 문제이다. 그러나 지금까지의 교육 및 연구 사례는 교육 목적이나 학생들의 발달단계를 고려하지 않은 도구를 그대로 사용하거나, 도구의 특성에 맞게 교육 내용을 변경하는 등 도구에 종속된 교육을 진행하였으며, 특히 도구의 사용 방법과 전자 회로 구성에 많은 시간을 소모하여 학생들이 알고리즘을 고민하고 프로그램을 작성할 시간이 부족한 어려움을 겪고 있다. 즉, 학교 교육에서 피지컬 컴퓨팅 교육을 적용하기 위해서는 교사와 학생의 요구사항을 반영한 교육용 도구가 필요하다.
본 연구의 목적은 학교 교육에서 피지컬 컴퓨팅 교육 적용시 어려움을 분석하고, 교사와 학생의 요구사항을 반영한 교육용 보드를 개발하는 것이다.
연구 문제 및 방법은 다음과 같다.
첫째, 학교 교육에 피지컬 컴퓨팅 교육 적용시 교사와 학생이 겪는 어려움은 무엇인가? 어려움을 분석하기 위해, 피지컬 컴퓨팅 교육과정과 교육용 도구를 분석하여 피지컬 컴퓨팅 수업을 설계하고, 이 과정에서 교사와 학생이 겪는 어려움을 분석한다.
둘째, 개발된 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드는 학교 교육에 적합한가? 이를 확인하기 위해, 교사와 학생의 요구사항을 조사하고 이를 반영한 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드를 설계 및 개발하여 보드의 사용성을 검증한다.
본 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, 학교 교육에 피지컬 컴퓨팅 교육 적용시 교사와 학생이 겪는 어려움은 무엇인가? 학생들은 피지컬 컴퓨팅 학습 자체의 두려움, 회로 구성의 어려움, 전자부품의 사용의 어려움, 회로 수정의 어려움을 겪고 있었으며, 교사들은 이론적인 내용 전달의 어려움, 수업용 도구 구입 부담을 겪고 있었다.
둘째, 개발된 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드는 학교 교육에 적합한가? 교사와 학생들은 교육용 보드에 대해 기능 및 크기의 최소화, 센서 부품의 모듈화, 사용성 및 확장성 개선을 요구하였고, 이를 반영하여 개발한 교육용 보드에 대해 기존 보드보다 높은 사용성 점수로 평가하였다. 사용성 평가에 참여한 학생들은 학습의 두려움을 줄이고, 회로 구성의 복잡도를 낮추는 효과를 가져왔다. 피지컬 컴퓨팅 수업 적용 결과도 짧은 시간의 수업에도 학생들이 수업 만족도가 높고, 난이도가 적절하며, 학생들이 회로 구성보다 프로그래밍에 더 집중하는 모습을 보였다.
향후 연구 과제는 다음과 같다.
첫째, 피지컬 컴퓨팅 교수-학습 과정을 면밀히 분석할 수 있는 분석 방법에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서 사용한 교사와 연구자의 관찰, 교사와 학생의 인식조사 이외에 학생들의 인지 부하 분석 등의 연구 방법이 적용 또는 개발되어야 한다. 이 분석 결과는 교육용 도구의 개선에 보다 유용한 정보를 제공할 것이다.
둘째, 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드 개선 연구가 필요하다. 특히 통신 관련하여 다양한 기능이 추가되고 사용성이 확보되어야 한다. 통신 기능의 향상을 통해 피지컬 컴퓨팅에서 IoT 시스템으로 학습 주제의 확장이 가능하다.
셋째, 학교 교육에서 피지컬 컴퓨팅 교육이 효과적으로 수행되기 위한 방안에 대한 연구가 필요하다. 특히 피지컬 컴퓨팅은 프로그래밍 교육과 밀접하게 연계되어야 한다. 교육과정에서 피지컬 컴퓨팅을 언제 어떤 영역으로 배우는 것이 가장 효과적일지 고려해야 하며, 성취기준 달성을 위한 수업시수의 확보도 고려되어야 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 필요성 2
• 1.2 연구 문제 및 방법 4
• 1.3 용어의 정의 5
• 제 2 장 관련 연구 6
• 2.1 피지컬 컴퓨팅 시스템 7
• 2.2 사용성에 따른 보드 분류 8
• 2.3 교육용 보드 선정 기준 관련 연구 13
• 2.4 학교 교육과정에서의 피지컬 컴퓨팅 16
• 2.4.1 국내 교육과정 16
• 2.4.2 해외 교육과정 22
• 2.5 피지컬 컴퓨팅 교육의 어려움 26
• 제 3 장 피지컬 컴퓨팅 교육 어려움 분석 28
• 3.1 수업 사례 분석 29
• 3.1.1 수업 설계 29
• 3.1.2 수업 적용 33
• 3.1.3 결과 분석 38
• 3.2 어려움 인식 조사 및 분석 43
• 3.2.1 중학생 대상 어려움 분석 43
• 3.2.2 고등학생 및 교사 대상 어려움 분석 46
• 제 4 장 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드 개발 50
• 4.1 요구사항 분석 51
• 4.1.1 연구 절차 및 범위 51
• 4.1.2 조사 설계 52
• 4.1.3 조사 결과 53
• 4.2 보드 설계 가이드 55
• 4.3 보드 개발 57
• 4.3.1 보드 설계 57
• 4.3.2 보드 개발 61
• 4.4 회로 구성 예시 64
• 4.5 사용성 평가 67
• 제 5 장 피지컬 컴퓨팅 교육용 보드 적용 71
• 5.1 수업 설계 72
• 5.2 수업 적용 및 결과 74
• 제 6 장 논의 및 결론 78
• 6.1 논의 79
• 6.2 결론 82
• 부록 84
• 참고문헌 103

참고문헌 (Reference)

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