정보교과에서 텍스추얼 교육용프로그래밍언어를 이용한 프로그래밍 학습 환경

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is a study of Programming Learning Environment, using a textual Educational Programming Language(EPL) in informatics education.

EPL is a programming language that has developed to improve the programming educational effects through various environmental improvements,
which has done based on the results of many hard studies. However, the original EPL environment needs improvements
and there are suitable elements for the educational environments; these facts were confirmed by the earlier experiment class.
Particularly, after the Information and Communication Technology(ICT) of elementary to middle school has noticed,
various EPL environmental facts that are related to the teaching and learning programming are needed through the programming courses.
Therefore, the dissertation is based on the effects of EPL environmental facts and plans for improved EPL environment related
to the programming study.

First, EPL environment is needed to support various identifiers.
Programming study is translating processes that one’s mother language with algorithmic thought into the programming language.
During this process, programming in the mother language is basically needed for better translation.
Also, the words of commands are needed for user domains by allowing various identifiers,
which is different from the original reserved words. To offer such an environment, the grammar under the character set
based on the Unicode needs to be designed for identifying the users.
The dissertation explains the effect and the result following by experiments.

Next, the error messages and the feedback environment with immediate, visual and effective information
that is related to debugging are needed for effective programming study.
Generally, programming error has the ritual characteristic that a beginner experience when studying the programming first.
Yet, the error can be a huge barrier of programming study that is done in a limited time.
Also, once the code gets longer, readability gets slower; when debugging is hard, it can be a barrier to the programming studying.
The dissertation has realized a plan of IVI feedback environment to solve such a problem.
IVI feedback environment is immediate, visual, informative and it is a beneficial programming study environment.
Therefore, the user will be able to check the result once entering the code under the IVI feedback environment
and the user is able to debugging by executing the code through a line.
Also, when the error occurs, an error message with causes and information to solve the problem is suggested.
The dissertation has done the experiment to verify the effect of IVI feedback environment.
As a result, students in a collective group have completed more tasks than students in a controlled group.
This has verified through kai square verification.

Third, EPL environment for supporting teaching and learning programming is needed for programming study to be done as a course form.
The original EPL environmental study was based on the individual relation of student and programming environment.
However, programming study environment that is done in the class is the one-to-many environment that is between a teacher and many students.
Therefore, for the programming study of informatics, various EPL environmental facts need to be offered to support teaching and learning programming.
For instance, a teacher should be able to monitor the program processes of students real-time
and proper feedbacks should be done automatically, when necessary.
Particularly, supporting environment for students is needed to evaluate the programming study.

Evaluation of programming study is divided into the knowledge evaluation and source code evaluation.
The dissertation designed and realized the PAS, evaluating system, based on the web to evaluate the knowledge.
PAS system is easy to use and students can easily access to the evaluation by using their grades, classes, numbers and names.
Specially, PAS system has credibility by applying various methods related to the evaluation sheet system.

Programming is one of the essential studies of informatics. For effective programming study,
the environment should be offered to both students and teachers. For that, textual EPL need to offer many identifiers,
IVI feedback and teaching and learning programming environment.
Also, continuous study for the various EPL environment facts such as an automatic evaluation,
database based on the education process and exemplified codes is needed.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 정보교과에서 텍스추얼(textual) 교육용프로그래밍언어 (Educational Programming Language, EPL)를 이용한 프로그래밍 학습 환경(Programming Learning Environment)에 관한 연구이다.

EPL은 프로그래밍이 어렵다는 많은 연구 결과를 바탕으로 다양한 환경개선을 통해서 프로그래밍 학습의 효과를 높이고자 개발된 프로그래밍 언어이다. 그러나 기존의 EPL 환경은 연구초기에 실시되었던 실험수업을 통해서 프로그래밍 학습 환경으로 적합한 요소와 개선이 필요한 요소가 있음을 확인할 수 있었다. 특히 초
·중등학교 정보통신기술 교육과정이 확정 고시된 이후, 재량시간에 실시된 프로그래밍 수업을 통해서 프로그래밍 교수-학습과 관련된 다양한 EPL 환경 요소들이 필요함을 알 수 있었다.
따라서 본 논문은 프로그래밍 학습과 관련한 기존의 텍스추얼 EPL 환경에서의 개선 또는 추가가 필요한 EPL 환경요소를 설계 및 구현하여 그 효과를 검증한 연구로 연구주제는 다음과 같다.

첫째, 다중 식별자(identifier)를 지원하기 위한 EPL 환경이 필요하다.
프로그래밍 학습은 모국어에 의한 알고리즘적 사고를 인공어인 프로그래밍 언어로 번역하는 과정이다.
이때 생각한 것을 다시 프로그래밍 언어로 자연스럽게 번역이 이루어지기 위해서는 기본적으로 모국어에 의한 프로그래밍을 할 수 있어야 한다. 또한 프로그래밍 언어의 식별자가 하나로 한정되는 예약어 형태를 탈피하여 다양한 식별자를 허용함으로써 사용자 도메인에 적합한 식별자들로 명령어를 구성할 필요가 있다. 이러한 환경을 제공하기 위해서는 프로그래밍 언어의 문법 설계 단계에서부터 유니코드 기반의 문자셋 범위에 속하는 식별자가 허용되도록 문법이 설계되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 다중식별자의 효과를 알아보기 위한 실험을 실시하여 프로그래밍 학습에 효과적임을 입증하였다.

둘째, 효과적인 프로그래밍 학습을 위해서는 에러메시지 또는 디버깅과 관련된 즉각적이고 시각적이며 효과적인 정보가 제공되는 피드백 환경이 필요하다.
일반적으로 프로그래밍 에러는 초보자가 처음 프로그래밍 학습을 시작하면서 경험하게 되는 통과 의례적인 성격이 강하다. 그러나 이와같은 에러는 제한된 시간속에서 이루어지는 수업 형태의 프로그래밍 학습에서 큰 장애 요소가 될 수 있다. 또한 코드가 길어져서 가독성이 떨어지고 디버깅(debugging)이 어려운 경우도 프로그래밍 학습에 장애요소가 될 수 있다.
본 연구에서는 이와같은 문제를 해결하기 위해 텍스추얼 EPL의 IVI 피드백 환경을 설계 및 구현하였다. IVI 피드백 환경은 즉각적이고(immediate), 시각적이며(visual), 유익한 정보가 제공되는(informative) 프로그래밍 학습 환경이다. IVI 피드백 환경에서는 코드의 입력과 동시에 실행결과를 바로 확인할 수 있으며, 코드를 행단위로 단계적으로 실행하면서 디버깅할 수 있는 환경이다. 또한 에러가 발생한 경우
에러의 원인과 해결에 도움이 되는 유익한 정보로 이루어진 에러메시지가 제공된다.
본 연구는 IVI 피드백 환경의 효과를 검증하기 위하여 실험수업을 실시하였다. 그 결과 통제집단보다 실험집단에서 더 많은 학생들이 과제를 완수할 수 있었으며 이를 카이제곱 검정을 통해 입증하였다.

세째, 프로그래밍 학습이 정보교과에서 수업의 형태로 이루어지기 위해서는 교수-학습을 지원하기 위한 EPL 환경이 필요하다.
기존의 EPL 환경 연구는 학생과 프로그래밍 환경과의 일대일 관계에 기초한 연구였다. 그러나 수업의 형태로 이루어지는 프로그래밍 학습 환경은 교사와 다수의 학생들간의 일대다 환경이다. 즉, 정보교과에서의 프로그래밍 학습을 위해서는 교수-학습을 지원하기 위한 다양한 EPL 환경 요소들이 제공되어야 한다. 예들들어 교사가 학생들의 프로그램 진행 상황을 실시간으로 모니터할 수 있고 필요한 경우 자동 또는 수동으로 적절한 피드백이 이루어지며, 학습자료로 활용될 그 날의 예시 코드를 학생들에게 실시간으로 전송할 수 있는 기능 등이 제공되어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 텍스추얼 EPL 환경에 통합된 C/S 기반의 교수-학습 지원환경을 설계 및 구현하였다.

한편 효과적인 프로그래밍 학습을 위해서는 효율적인 평가를 할 수 있어야 한다. 즉 프로그래밍 학습에 대한 평가를 효율적으로 할 수 있는 환경이 필요하다. 프로그래밍 학습에서의 평가는 프로그래밍 지식의 평가와 소스코드의 평가로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 지식의 평가를 위해 웹기반 평가시스템 PAS를 설계 및 구현하였다. PAS 시스템은 교사가 평가 문항을 손쉽게 제작할 수 있고, 학생들은 자신들의 학년, 반, 번호, 이름을 이용하여 쉽게 평가지에 접근할 수 있다. 특히 PAS 시스템은 평가지 보안에 관련된 다양한 기법을 적용하여 평가 결과에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다.

프로그래밍은 정보교과에서 핵심적인 학습 활동중 하나로 프로그래밍 학습이 효과적으로 이루어지기 위해서는 학생과 교사 모두에게 효과적인 프로그래밍 학습 환경이 제공되어야 한다.
이를 위해 텍스추얼 EPL 은 다중식별자, IVI 피드백 , 교수-학습 환경이 제공되어야 한다.
또한 향후 보다 효과적인 프로그래밍 학습 환경을 제공하기 위해서는 코드에 대한 자동평가, 교육과정에 기초한 학습자료 및 예시코드 제공과 같은 다양한 EPL 환경 요소에 대한 지속적인 후속연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 서론 1
• 1. 연구의 배경과 필요성 1
• 2. 연구의 목적과 범위 6
• 3. 논문의 구성 10
• 프로그래밍 학습 환경과 교육용프로그래밍언어 11
• 1. 프로그래밍 학습 환경 11
• 1.1 프로그래밍 학습의 필요성 11
• 1.2 프로그래밍 학습의 어려움 13
• 1.3 프로그래밍 학습 환경의 정의 17
• 2. 교육용프로그래밍언어(EPL) 19
• 2.1 교육용프로그래밍언어의 개념 19
• 2.2 교육용프로그래밍언어의 환경 22
• 3. 텍스추얼 교육용프로그래밍언어 두리틀 30
• 3.1 텍스추얼 EPL 두리틀 환경 31
• 3.2 다중 식별자 지원 환경 35
• 3.3 개선이 필요한 환경 요소 43
• 3.4 교수-학습 지원 환경 요소 47
• 텍스추얼 EPL 프로그래밍 학습 환경의 설계 51
• 1. IVI 피드백 환경의 설계 51
• 1.1 에러메시지 피드백 환경 52
• 1.2 즉각실행 피드백 환경 58
• 1.3 단계실행 피드백 환경 58
• 2. 교수-학습 지원 환경의 설계 60
• 2.1 C/S 기반 교수-학습 지원 환경 61
• 2.2 웹기반 평가시스템 PAS 63
• 텍스추얼 EPL 프로그래밍 학습 환경의 구현 66
• 1. IVI 피드백 환경의 구현 66
• 1.1 에러메시지 피드백 환경 66
• 1.2 즉각실행 피드백 환경 69
• 1.3 단계실행 피드백 환경 71
• 2. 교수-학습 지원 환경의 구현 74
• 2.1 C/S 기반 교수-학습 지원 환경 74
• 2.2 웹기반 평가시스템 PAS 77
• 실험과 분석 83
• 1. 실험의 설계와 적용 83
• 1.1 실험의 설계 83
• 1.2 실험의 적용 87
• 2. 실험의 결과 분석 89
• 2.1 IVI 피드백 환경의 효과 89
• 2.2 웹기반 평가시스템 PAS의 사용편의성 효과 93
• 결론 및 제언 95