초등 정보교육을 위한 텐저블 유저 인터페이스 기반 프로그래밍 도구 개발 = Development of a tangible programming tool for informatics education in elementary school

국문 초록 (Abstract)

정보사회에서 IT기기를 활용하는 정보처리 역량은 전문적이고 직업적인 영역을 넘어서서 21세기를 살아가는 모든 사람들이 갖추어야할 필수적인 역량으로 받아들여지고 있다. 정보처리 역량을 향상시키기 위해 국내외에서 정보교육을 강화하고 있을 뿐 아니라 초등학교에서부터 컴퓨팅 환경에서 문제를 해결해보는 경험을 조기에 제공하고자 하는 다양한 노력이 진행되고 있다. 초등학생의 프로그래밍 교육을 위해 교육내용과 콘텐츠를 제안하고 교육용 프로그래밍 언어를 개발하는 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.
사용자가 컴퓨터 환경과 더 직관적인 방식으로 상호작용하기 위한 텐저블 유저 인터페이스가 다양하게 개발되고 있다. 텐저블 인터페이스에 기반한 프로그래밍 도구는 사용법 학습에 대한 부담 없이도 프로그래밍 초보자가 명령 블록을 좌우로 연결하거나 쌓는 등의 직접적인 조작을 통해 프로그래밍 할 수 있다. 프로그래밍 학습과정에의 어려움으로 조사되었던 프로그래밍 언어의 문법과 영어로 표현을 학습하는 것에 대한 부담을 경감시키는 장점을 활용하여 텐저블 프로그래밍 도구가 개발되고 있다.
이에 본 연구에서는 텐저블 프로그래밍 도구, 학습방법과 내용을 통합하여 초등학생들을 대상으로 교육현장에서 실제로 활용할 수 있는 텐저블 프로그래밍 도구와 교육 콘텐츠를 제안하고 초등학생에게 적용한 결과를 통해 프로그래밍 교육의 가능성을 확인하고자 다음과 같은 순서로 연구를 진행하였다.
첫째, 정보교육에서 학생의 흥미와 동기를 고려하여 교육도구로 활용되고 있는 교육용 로봇을 제어하기 위한 텐저블 프로그래밍 도구인 Algorithmic Bricks를 개발하였다. 개발한 도구는 초등학교 1학년을 대상으로 로봇 문제를 해결하는 과정을 Scratch와 비교하여 사용성과 교육적인 효과를 검증하였다.
둘째, Algorithmic Bricks를 개선하여 LED Dotmatrix를 사용하여 이미지를 출력할 수 있는 LED Bricks를 개발하고, 초등학생과 중학생을 대상으로 사용성을 평가하였다. 다양한 난이도의 알고리즘 문제를 LED Bricks로 풀이하는 과정을 초등학생과 중학생을 비교분석하였다.
셋째, 개발한 Algorithmic Bricks를 기반으로 게임을 통해 프로그래밍 학습을 할 수 있는 로봇 게임 프로그래밍 콘텐츠를 개발하였다. 개발한 환경을 초등학교 4∼6학년 학생을 대상으로 적용하여 사용성과 프로그래밍 학습의 가능성을 검증하였다.
연구의 진행에 따라 도출된 결과와 논의사항은 다음과 같다.
첫째, 구체적인 환경에서 직관적으로 조작할 수 있는 텐저블 인터페이스의 장점을 활용하여 Algorithmic Bricks를 개발하고 개발한 도구의 교육적인 가치를 확인하고자 하였던 연구의 결과는 다음과 같다.
초등학교 1학년을 대상으로 Algorithmic Bricks를 사용하여 로봇 문제를 해결할 경우, Scratch와 비교하여 문제 풀이시간과 오류의 빈도가 적게 발생하는 것으로 분석되었다. 사용의 측면에서는 마우스와 키보드를 사용하는 Scratch가 Algorithmic Bricks에 비해 사용법이 어렵다고 인식하는 것으로 분석되었다. 학생들의 인터뷰 결과, Scratch의 명령 블록의 구분(카테고리)에 대한 이해가 부족하여 블록을 찾고, 선택하는 어려움을 느끼는 것으로 나타났다. 로봇 문제를 프로그래밍하여 스프라이트의 움직임으로 정답의 여부를 확인하는 시뮬레이션 과정에 추상성이 매우 높아 인지적인 어려움을 유발하는 것으로 보인다. 하지만 Scratch는 초등학생이 흥미로워하는 다양한 요소들을 내포하고 있어 사용법에 익숙해지면 교육적인 효과가 충분히 있는 것으로 보인다. 즉, 프로그래밍 도구를 조작하는 능력이 낮고, 프로그래밍에 대해 어려움을 느끼는 학습자의 경우에는 텐저블 인터페이스에 기반한 Algorithmic Bricks가 더 유용하다고 할 수 있다.
둘째, 기존에 개발한 Algorithmic Bricks의 단점을 수정, 보완한 LED Dotmatrix를 사용하여 보다 직관적인 이미지를 출력하는 LED Bricks를 개발하고 개발한 도구의 교육적인 가치를 확인하고자 하였던 연구의 결과는 다음과 같다.
개발한 LED Bricks를 초등학생에게 적용한 결과, 도구의 사용성은 4점 이상으로 높게 분석되었고, 프로그래밍 난이도가 높아질수록 정답률은 낮아지고, 문제풀이 시간은 늘어나는 것으로 나타났다. 즉각적으로 프로그래밍한 결과를 확인하는 것에 대한 사용성 평가결과, 문제풀이에 도움이 되고, 내적인 동기를 유지하는데 도움이 되는 것으로 분석되었다. 이를 토대로 본 연구에서 개발한 LED Bricks는 초등학생을 대상으로 알고리즘적 사고 향상을 위한 프로그래밍 활동이 가능하고, 학생의 인지수준에 적합함을 보여주었다.
초등학생과 중등학생을 대상으로 하는 비교연구에서는 성별에 따른 성취도의 차이는 나타나지 않았고, 도구의 사용성에서는 여학생이 남학생에 비해 높게 인식하는 것으로 나타났다. 선행연구들에서는 프로그래밍 활동에서 여학생이 남학생보다 학습에 어려움을 겪는 것으로 보고하고 있다. 하지만 본 연구에서는 정답률과 문제 풀이 시간에서 남학생과 여학생 간에 차이가 없는 것으로 나타났고, 도구의 사용성에서 남학생보다는 여학생이 더 높은 사용성을 나타내어 텐저블 프로그래밍 도구가 가져다준 효과라고 해석할 수 있다.
셋째, 에듀테인먼트의 관점에서 기존에 개발한 Algorithmic Bricks와 교육용 로봇, 게임 콘텐츠를 통합하여 제안한 로봇 게임 프로그래밍 환경에 대한 교육적 효과는 다음과 같다.
초등학생을 대상으로 하는 프로그래밍 교육에서 로봇과 같이 학습동기를 유발하는 도구와 쉽게 프로그래밍 할 수 있는 도구를 게임형태로 교육 콘텐츠를 제공할 수 있다면 프로그래밍 활동에서 요구되는 다양한 지식의 내용과 인지수준을 초등학생의 수준으로 내용을 줄이고 인지수준을 낮출 수 있어 자연스럽게 프로그래밍 학습할 수 있다. 또한 문제해결을 위한 상호작용이 활발하게 증가하는 것으로 관찰되어 학생이 프로그래밍 학습과정에서 사회적 스캐폴딩을 충분히 제공받을 수 있다. 마지막으로 컴퓨팅 기반 문제해결과정에 대한 학생의 흥미를 유발시키고, 정보과학이 수학과 과학처럼 인간의 삶에 도움을 줄 수 있는 것으로 학생의 인식을 변화시킬 수 있어 미래에 컴퓨터 관련 직업의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 초등학생을 대상으로 하는 프로그래밍 교육에서 로봇 게임 프로그래밍 환경과 같이 사용성과 게임성을 함께 제공하면, 프로그래밍에서 학생이 겪는 인지부담을 낮추고 문제해결활동에 집중할 수 있어 문제해결능력의 향상에 도움을 줄 수 있다.
본 연구는 초등학생을 대상으로 정보교육에서 프로그래밍 학습을 효과적으로 제공할 수 있는 텐저블 프로그래밍 도구와 학습 콘텐츠 개발을 목표로 2종의 텐저블 프로그래밍 도구를 개발하였고, 개발한 도구를 활용하는 로봇 게임 프로그래밍 콘텐츠를 제시하였다. 개발한 도구와 콘텐츠를 초등학생에게 적용한 결과, 텐저블 프로그래밍 도구가 프로그래밍 교육에 충분히 적용 가능함을 보였다는 점에서 본 연구의 의의가 있다. 또한 에듀테인먼트의 관점에서 텐저블 프로그래밍 도구를 활용하는 다양한 교육 콘텐츠를 제공할 수 있음을 보여주었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론
• 1.1 연구의 필요성
• 1.2 연구목적 및 연구문제
• 1.3 연구내용
• 1.4 용어정리
• 2. 관련연구
• 2.1 정보교육과정과 프로그래밍 교육
• 2.2 교육용 프로그래밍 언어
• 2.3 텐저블 프로그래밍 도구
• 3. 텐저블 프로그래밍 도구 개발
• 3.1 Algorithmic Bricks
• 3.2 LED Bricks
• 3.3 텐저블 프로그래밍 도구기반 교육 콘텐츠
• 4. 연구방법
• 4.1 실험설계
• 4.2 연구도구
• 5. 연구결과
• 5.1 Algorithmic Bricks 적용 결과
• 5.2 LED Bricks 적용 결과
• 6. 결론
• 참고문헌
• 부록
• <부록 1> 설문형 검사도구
• <부록 2> 프로그래밍 개념에 대한 이해도 측정 문항
• ABSTRACT

참고문헌 (Reference)

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