정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 향상을 위한 중등 교육 프로그램 = Secondary Education Program for Problem-solving Ability based on Computational Thinking

국문 초록 (Abstract)

한국의 IT 발달은 IT 산업과 정책, 그리고 IT 교육이 유기적으로 맞물려 진행되었다. 그 결과, 우리 사회는 단순히 IT 기기로서 활용하는 대중화 사회에서 IT 가 우리 생활의 환경으로 자리 잡게 되는 융합 사회로 변모되었다. 이러한 사회의 변화는 한국의 컴퓨터 교육이 대중화 시대의 ‘컴퓨터 활용 교육’에서 IT 융합 시대의 ‘사고 중심 교육’으로 바뀌어야 되는 것을 의미한다. 이것은 비단 우리나라 뿐 아니라 전 세계적으로 컴퓨팅 환경에서 문제를 정의하고 해결해 나갈 수 있는 ‘정보과학적 사고(Computational thinking)’를 강조함으로써 그에 따른 정보 교육의 변화가 강조되고 있는 추세와 부합된다.
국내에서도 중등 학생들을 대상으로 2007년 정보 교육과정을 개정함으로써, 컴퓨터 교육의 방향을 도구 중심의 활용 교육이 아닌 IT를 기반으로 문제를 창의적으로 해결하는 정보과학적 사고 중심의 교육 방향을 제시하고 있다. 그러나 이러한 정보과학적 사고를 중등 학생들에게 학습시키기 위한 제반요건이 미비하다. 특히, 정보과학적 사고에서 중요시하는 문제 해결 능력은 컴퓨팅이라는 환경을 기반으로 문제를 해결해야 한다는 점에서 일반적인 문제 해결 능력과 차이가 있기 때문에, 정보과학적 사고를 기반으로 한 문제 해결 능력을 향상시키기 위한 별도의 교육적 가이드라인이 필요한 시점이다.
이에 본 연구는 중등 학생을 중심으로 현 우리나라 정보 교육의 방향을 탐색하고, 성분 분석법과 내용 타당도 기법, 구인 타당도 기법을 이용해 교육 프로그램을 개발하였다. 특히 2007년 개정된 정보 교육과정의 ‘문제 해결 방법과 절차’ 영역의 내용요소를 기반으로 해외 컴퓨터 교육과정 및 교수학습방법, 평가방법을 분석하여 ‘정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력을 향상시키기 위한 교육 프로그램’을 다음과 같은 방법으로 개발하였다.
첫째, 현 정보 교육의 방향을 탐색하고자, 한국의 IT 발달과 컴퓨터 교육의 관계를 고찰하고, 현 정보 교육의 실태를 분석하였다. 2010년에 시행될 개정된 정보 교육과정의 내용요소를 현재의 컴퓨터 교육과정의 내용요소와 비교․분석해 보고, 2005년에 개정된 ‘정보통신기술교육 운영지침’의 내용요소와 비교․분석해 보았다. 또한, 대학수학능력시험의 직업탐구영역의 평가기준을 분석하고, 컴퓨터 관련 과목인 「컴퓨터 일반」과 「정보기술기초」평가문항을 대학수학능력시험에서 처음 시행된 2005년부터 분석하였다.
둘째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 개념을 고찰하고자, 성분 분석법을 이용하였다. 또한, 내용 타당도 기법을 이용해 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 조작적 정의와 창의적 사고를 통한 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 조작적 정의를 제시하였다.
셋째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램에 필요한 내용요소를 개발하고자, 성분 분석법을 이용해 목표 및 내용요소를 세목화하고, 전문가 집단의 내용 타당성 검증 기법을 이용해 내용요소를 검증하였다.
넷째, 효과적인 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육을 위한 수업기법을 개발하고자, 구인 타당도 기법 중 상관 계수법과 실험 설계법을 이용하여 학습양식과 연관된 수업방안을 제시하고, 그에 따른 수업기법을 설계해 그 효과성을 검증하였다. 또한, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육에 필요한 교육용 프로그래밍 언어를 제시하고, 그에 따른 효과성을 검증하였다.
다섯째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력을 평가하기 위한 평가준거를 개발하기에 앞서, 구인 타당도 중 상관 계수법을 이용하여 평가방안을 제시하였다. 먼저 한국과 일본의 대학수학능력시험 컴퓨터 과목의 문제 해결 능력과 연관된 평가 문항을 비교, 분석하였다. 또한 컴퓨터 공학과 학생들의 학습양식과 일본의 「정보관계기초」 시험 문제 중 문제 해결 능력과 연관된 시험을 평가한 결과와의 상관관계를 분석하였다. 마지막으로, 중학교 정보 교육과정의 ‘문제 해결 방법과 절차’ 영역의 성취기준과 평가기준을 개발하여, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력을 위해 필요한 평가방안을 제시하였다. 제시된 평가방안을 기준으로 설계한 평가준거를 전문가 집단의 내용 타당도 기법을 이용해 평가준거를 검증하였다.
이상을 토대로 진행된 본 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, 현재 중등 정보 교육과정, 평가 실태를 분석한 결과, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력을 향상시킬 수 있는 내용이 거의 전무한 것을 알 수 있었다. 또한, 대학수학능력시험의 컴퓨터 관련 시험 문항을 분석한 결과, 문제 해결 능력을 평가할 수 있는 문항의 비율이 낮고, 구체적인 평가준거가 부족한 것을 알 수 있었다.
둘째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력(Problem-solving ability based on computational thinking)은 현실 상황에서의 문제를 컴퓨팅의 관점에서 규정하고, 그 문제의 해결방법을 탐색하여, 효율적인 해결 절차를 통하여 강구하는 사고능력으로 정의할 수 있다. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력은 ‘문제 이해 및 분석’, ‘문제 해결 방안 탐색’, ‘문제 해결 방안 설계’, ‘구현’의 4단계로 제시될 수 있고, 이러한 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 각각의 단계는 또 하나의 능력으로 발현할 수 있다. 또한 창의적 사고를 기반으로 한 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력에서 ‘문제 이해 및 분석’ 단계는 정교성, 민감성, 재구성력이 선정되었고, ‘문제 해결 방안 탐색’ 단계에 적합한 창의적 사고 요소는 유창성, 융통성, 독창성이 선정되었다. 또한, ‘문제 해결 방안 설계’ 단계에 적합한 창의적 사고 요소는 정교성, 재구성력이 선정되고, ‘구현’ 단계에 적합한 창의적 사고 요소는 정교성이 선정되었다.
셋째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램에서 학습되어야 할 내용요소는 전체 18개이다. ‘문제 이해 및 분석’ 단계의 내용요소는 문제의 이해 및 분석, 문제의 재구조화로 제시하고, ‘문제 해결 방안 탐색’ 단계의 내용요소는 문제 처리 과정 탐색, 문제 해결 방법 탐색으로 제시하였다. ‘문제 해결 방안 설계’ 단계의 내용요소는 알고리즘의 개념 이해, 알고리즘의 표현, 알고리즘 설계, 알고리즘 전략, 알고리즘 분석, 정렬 알고리즘, 탐색 알고리즘으로 제시하였다. ‘구현’ 단계의 내용요소는 알고리즘의 구현, 프로그래밍 언어의 이해, 입출력 프로그래밍, 제어구조 프로그래밍, 함수 프로그래밍, 객체의 이해, 객체지향 프로그래밍으로 제시하였다.
넷째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육을 하기 위해서는 직관적, 통합적, 감각적 학습양식이 상관이 있음을 알 수 있었다. 직관과 통합적 학습양식은 ‘문제 이해 및 분석’ 단계부터 ‘구현’ 단계까지 전 단계에 걸쳐 연관이 있고, 감각적 학습양식은 ‘구현’ 단계에 연관이 있었다. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육을 위한 수업기법으로 ‘문제 이해 및 분석’ 단계는 문제 정의 표(PDT), 매트릭스 표(Matrix table), 스토리보드(Storyboard)를 제시하였고, ‘문제 해결 방안 탐색’ 단계는 입력--처리-출력 표(IPO chart), ‘문제 해결 방안 설계’ 단계는 의사코드, 순서도가 제시되었다. 마지막으로, ‘구현’ 단계는 두리틀, 스퀵 이토이, 스크래치와 같은 교육용 프로그래밍 언어의 사용을 제안하였다.
다섯째, 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력을 평가하기 위해서는 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 과정 이해 여부와 특정 프로그래밍 언어에 독립적인 알고리즘 평가문항이 요구되었다. 또한 구체적인 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 평가준거 개발이 필요한 것을 알 수 있었다. 학습양식을 토대로 개발된 평가준거는 총 15개로, ‘문제 이해 및 분석’ 단계의 평가준거는 5개, ‘문제 해결 방안 탐색’ 단계의 평가준거는 3개, ‘문제 해결 방안 설계’ 단계의 평가준거는 3개, ‘구현’ 단계의 평가준거는 4개로 제시되었다.
본 연구에서 제시한 ‘정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램’은 사고 중심의 정보 교육으로 나아가는데 필요한 가이드라인을 제공하는 데에서 의의를 찾을 수 있다.
후속 연구로는 본 연구로 개발된 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램의 틀을 기반으로 학습자의 발달 단계에 따라 학년별로 계속성과 계열성에 맞추어 교육 프로그램이 더 세분화될 수 있도록 구체화하고 실현시키는 연구가 이어져야 할 것이다. 더 나아가 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육의 질을 향상시키기 위한 표준화 연구 또한 이루어져야 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The triangle of IT industry, IT policy, and IT education was the motive power for IT development in Korea. As a result of IT development, Korean society has been changed from public society which just used IT equipments to the one converging all technology and the appliances on the basis of IT. It means that current IT education is at a turning point in the computer curriculum, changing from ‘computer education based on the computer application’ to ‘computer education based on the thinking ability’.
Computer education based on the thinking ability reflects the trend which emphasizes on revising Informatics curriculum by emphasizing on ‘Computational Thinking’ which can define and solve the computing related problems not only in Korea but also in all the world. In 2007, the revised Informatics curriculum in secondary school focused on improving the creative problem-solving ability on basis of the IT environments. However, there was lack of conditions for the specific education program to improve the computational problem-solving ability. There was difference between the computational problem-solving ability and the general problem-solving ability, because the problem-solving ability was based on computational thinking in computing environments. Therefore, the educational program has been required for improving the problem-solving ability based on computational thinking.
In this study, we examined the direction of current Informatics education, and developed the education program for problem-solving ability based on computational thinking by using componential analysis, evidence based on test contents, and internal structure. In particular, this paper intends to develop the secondary education program for improving the problem-solving ability on the basis of the ‘Problem-solving methods and procedures’ section in the revised Informatics curriculum. In order to do so, we also analyzed the contents, teaching strategies, and evaluation methods in overseas computer curriculum based on the ‘Problem-solving methods and procedures’ section.
First, in order to examine the current Informatics education, we analyzed relationship between IT development and computer education, and searched for the actual conditions of the current Informatics education. In contents of Informatics education, we have done a comparative analysis between the current Informatics curriculum contents and the revised Informatics curriculum contents. We also have done a comparative analysis between ICT (Information & Communication Technology) curriculum contents and the revised Informatics curriculum contents. In evaluation of Informatics education, not only did we analyze the evaluation criteria of vocational education test in CSAT(College Scholastic Ability Test), but also analyzed the contents form of the 「General Computer Concepts」and「Basic Information Technology」subjects in CSAT.
Second, this study redefined the conceptual definition of the problem-solving ability based on computational thinking by using componential analysis. Furthermore, it suggested the operational definition of the problem-solving ability based on computational thinking, and the problem-solving ability based on computational thinking on the basis of the creative thinking.
Third, in order to develop the contents of education program for problem-solving ability based on computational thinking, we specified the objectives and detailed contents by verifying the contents as judged by a panel of experts.
Fourth, in order to develop the teaching strategies for effective problem-solving ability based on computational thinking in education program, we suggested teaching methods and designed teaching strategies related to learning styles using coefficient relationship and experimental designs. Moreover, we suggested the educational programming language for improving the problem-solving ability based on computational thinking of students with no prior programming experience.
Fifth, in order to develop the evaluation criteria, and suggest the evaluation methods, which evaluate the problem-solving ability based on computational thinking, we suggested evaluation methods by using coefficient relationship, and conducted a comparative analysis of the problem solving contents from the computer science subjects in CSAT. Also, we analyzed the relationship between computer science students' learning styles and problem solving ability in computing. Moreover, we developed the achievement and assessment standards for the ‘Problem-solving methods and procedures’ section in the revised junior-high school Informatics curriculum, and the evaluation criteria for problem-solving ability based on computational thinking based on the evaluation methods in this paper.
The followings are a summary of research results.
First, no content for problem-solving ability based on computational thinking was found in current Informatics curriculum, and evaluation. Furthermore, percentage of contents related to problem-solving ability in computer exam was low. Evaluation criteria for problem-solving ability based on computational thinking was insufficient in CSAT.
Second, the problem-solving ability based on computational thinking is thinking ability that the given problem could be viewed from computing in real-life, explore the problem-solving methods, and devise an effective problem-solving process. The problem-solving ability based on computational thinking could be divided into 4 stages : understanding and analyzing the problem, exploring the problem solutions, designing the problem solution, and implementation. The cognitive components of computational problem-solving ability on the basis of the creative thinking were the following. The ‘Understanding and analysis the problem’ stage needed the elaboration, sensitivity, and reorganization. The ‘Exploring the problem solutions’ stage needed the fluency, flexibility, and originality. The ‘Designing the problem solution’ stage needed the elaboration and reorganization. The ‘Implementation’ stage needed the elaboration.
Third, total 18 contents for problem-solving ability based on computational thinking education program were necessarily required. The ‘Understanding and analysis the problem’ stage suggested the following contents : understanding and analysis of the problem, and reorganization of the problem. The ‘Exploring the problem solutions’ stage suggested the following contents : exploring the problem processing and finding a variety of problem solutions. The 'Designing the problem solution' stage suggested the following contents : algorithm representation, algorithm design, algorithm strategies, algorithm analysis, sorting algorithm, and searching algorithm. The ‘Implementation’ stage suggested the following contents : algorithm implementation, understanding of programming language, I/O programming, structured programming, function programming, object understanding, and object-oriented programming.
Fourth, the intuitive, global, and sensing learning styles were associated with the problem-solving ability based on computational thinking. The intuitive and global learning styles were related to the required abilities from the ‘Understanding and analysis the problem’ stage and the 'Implementation' stage. The sensing learning style was associated with the ability from the ‘Implementation’ stage. The ‘Understanding and analysis the problem’ stage suggested the PDT(Problem definition table), matrix table, and storyboard. The ‘Exploring the problem solutions’ stage suggested the ‘IPO(Input-Process-Output) chart’ and the ‘Design the problem solution’ stage suggested the pseudo code or flow chart. The ‘Implementation’ stage suggested the educational programming language such as Dolittle, Squeak Etoys, or Scratch.
Fifth, in order to evaluate the problem-solving ability based on computational thinking, it was necessary to have the contents which evaluate the understanding the computational problem solving process. Also, programming contents must be clearly disconnected from specific programming language. Furthermore, the specific evaluation criteria which evaluate the problem-solving ability based on computational thinking were needed. Total 15 evaluation criteria for problem-solving ability based on computational thinking were necessarily required. 5 out of 15 evaluation criteria were included in the ‘Understanding and analysis the problem’ stage, and 3 out of 15 evaluation criteria were included in the ‘Exploring the problem solutions’ stage. 3 out of 15 evaluation criteria were included in the ‘Design the problem solution’ stage, and 4 out of 15 evaluation criteria were included in the ‘Implementation’ stage.
The education program for problem-solving ability based on computational thinking will give meaningful insight to supply the guideline for education based on the thinking ability.
Future studies will be needed to develop more specific and realistic education program in order to development stages of stages for improving the problem-solving ability based on computational thinking on the basis of this study. Furthermore, it will have to standardize this education program in order to improve the quality of the problem-solving ability based on computational thinking education program.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 문
• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구의 내용 4
• 3. 용어 정의 7
• Ⅱ. 연구배경 8
• 1. 한국의 IT 발달에 따른 컴퓨터 교육의 현황 8
• 1.1 한국의 IT 발달에 따른 컴퓨터 교육과정의 변천과정 8
• 1.2 한국의 컴퓨터 교과의 변천 13
• 1.3 컴퓨터 교육목적의 변화 20
• 2. 정보 교과 교육의 실태 분석 24
• 2.1 정보 교과 교육의 내용체계 24
• 2.2 정보 교과 교육의 평가 34
• 3. 정보 교육의 방향 44
• Ⅲ. 연구방법 48
• 1. 정보 교과 교육과 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 개념적 고찰 48
• 1.1 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 개념 및 조작적 정의 설정 49
• 1.2 창의적 사고를 통한 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 조작적 정의 설정 50
• 2. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램의 내용요소 개발 52
• 2.1 정보 교육과정의 ‘문제 해결 방법과 절차’ 영역의 목표 세목화 설정 52
• 2.2 정보 교육과정의 ‘문제 해결 방법과 절차’ 영역의 내용 세목화 설정 53
• 2.3 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램 내용요소 설계 54
• 3. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램 수업기법 개발 55
• 3.1 수업방안 설정 55
• 3.2 수업기법 설계 58
• 3.3 교육용 프로그래밍 언어의 효과성 검증 59
• 3.4 수업기법 효과성 검증 64
• 4. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 평가준거 개발 69
• 4.1 평가방안 설정 69
• 4.2 평가준거 설계 및 개발 73
• Ⅳ. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램 개발 76
• 1. 정보 교과 교육에서의 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 76
• 1.1 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력에서의 문제 76
• 1.2 일반적인 문제 해결 능력에 대한 개념적 고찰 78
• 1.3 정보 교과 교육 목적으로서의 문제 해결 능력에 대한 개념적 고찰 80
• 1.4 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 개념 및 조작적 정의 83
• 2. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램 내용요소 개발 94
• 2.1 정보 교육과정의 ‘문제 해결 방법과 절차’ 영역의 목표 및 내용 세목화 94
• 2.2 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 프로그램 내용요소 개발 114
• 3. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육 수업기법 개발 117
• 3.1 수업방안 설정 117
• 3.2 수업기법 설계 125
• 3.3 교육용 프로그래밍 언어 131
• 3.4 수업기법 효과성 검증 139
• 3.5 수업기법 개발 149
• 4. 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 평가준거 개발 151
• 4.1 평가방안 설정 151
• 4.2 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 예비 평가 문항과 학습양식 180
• 4.3 평가준거 설계 및 개발 191
• Ⅴ. 결론 및 제언 200
• 1. 결론 200
• 2. 정보 교육의 향후 과제 204
• 참고문헌 208
• <부록 1> 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 교육을 위한 창의적 수업기법 학습 활동지 221
• <부록 2> ILS(Index of Learning Styles) 설문조사 223
• <부록 3> 일본 「정보관계기초」 시험 중 ‘문제 해결 능력’ 영역과 ‘알고리즘’ 영역 평가 문항 227
• <부록 4> 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 문항 적합성 설문조사 234
• <부록 5> 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 문항지(중학생 사전검사용) 248
• <부록 6> 정보과학적 사고 기반의 문제 해결 능력 문항지(중학생 사후검사용) 254
• ABSTRACT 261