STEM 통합교육을 위한 교실친화적 로봇교육 모형 및 프로그램 개발에 관한 연구 = A Study on the Development of Classroom-Friendly Robot-Education Model and Program for the STEM Integration Education

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of the research is to develop a classroom-friendly robot-education model and program for enhancing the STEM integration education and confirm the it's educational effect. STEM integrated education was developed because of the need for educational reform for fostering nationally needed talents in integrated science and technology and for solving the problem of the shrinking engineering field. Such events are absolutely require science, technology, engineering, and mathematics knowledge and it stems from the belief that educational effect is maximized when they are integrated. On one hand, when evaluation results of PISA and TIMSS are observed, there are concerns of decrease in enjoyment and lack of value awareness in the definitive areas of elementary and intermediate level mathematics and science courses. The reason is because decline in definitive areas of these courses can in long run cause decline in cognitive domain of these areas. For these reason, various opinions pertaining to the need for introducing STEM integrated education school setting as models for teaching and learning designs for efficiently supporting it are being presented.
However, in order to introduce STEM integrated education in a school setting, one must first consider with a level of priority effective teaching and learning tools and systematic teaching lessons suitable for learners’ developmental stage and educational models that effectively support them.
Therefore, in order to encourage a STEM integrated education, this study selected an educational robot that can provide experiences that are most suitable for developmental stage of elementary school students that are most similar to reality was selected as a study tool based on analysis results of previously conducted studies. Also, integrated model types and concept models for efficiently integrating the educational robot and STEM related courses were presented, and based on it, a classroom-friendly educational model for efficient level of teaching was developed and presented. In addition, robot activities and exercises were specified by analyzing STEM related teaching and integrating it with activities of the educational robot and choosing educational content that can be taught, and in order to introduce it into a school setting, a classroom-friendly education program was developed.
The process of educational model and program development was based on ADDIE-DIE which is an ADDIE model that was modified by adding a feedback process based on the characteristics classroom-friendly education program. The STEM integrated education based classroom-friendly robot education model was designed by using as the conceptual framework the STEM integrated education based robot education model and program concept model presented in this study and by using steps of mathematical process that was built based on mathematical fundamental basics of Freudenthal as the overall framework. Also, based on each stage of the mathematising process, the total of 12 types of inquiry functions of the inquiry process that is considered as the most effect method of understanding concepts in the field of science were used as step wise learning strategy in order to support enhancement of students’ scientific inquiry abilities. In addition, by presenting the use of educational robot for each stage and introducing it as a new medium for education, a solution was made for students’ increase in the level of flow and decrease cognition load in learning. Last, an engineering learning model EbDTM model was presented in adequately in the application stage in order for the students to feel the real life utility and value of the concepts that were learned through the lesson or by utilizing their inquiry skills with a robot, and an education program was developed based on the final STEM integrated education based robot education design.
In order to evaluate whether the STEM integrated education based robot education model and program developed in this study is effective in enhancing learning achievement and attitudes of elementary school students, a null hypothesis was established and tested.
The developed robot education model and program was implemented in 12 sessions for the six grade elementary students who have no robot education experiences.
They were divided into a control group who learned a traditional mathematics and sciences education and an experimental group who learned using classroom-friendly robot education model and program to enhance STEM integration education.
The result of the research shows that the developed classroom-friendly robot education model and program improves the score and the attitude of mathematics, science subject more than traditional mathematics and sciences education does. Thus, the hypotheses(hypothesis 1, 2) of this research was all rejected.
It means that the developed classroom-friendly robot education model and program has positively affected the improvement of elementary student's the score and the attitude in mathematics and science subject.
Through further studies, if continuous classroom friendly improvements are made on the STEM integrated education based robot education model and program developed in this study, it will be possible to anticipate maximized learning effects of STEM related courses.

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 STEM 통합교육을 효율적으로 조장하기 위해 교실친화적 로봇교육 모형 및 프로그램을 개발하고, 이를 학교 현장에 적용하여 교육적 효과를 검증하는 것이다. STEM 통합교육은 국가적으로 필수적인 융합과학기술 인력을 양성하고 이공계 기피 현상을 해결하고자 하는 교육 개혁의 필요성에 의해 태동되었으며, 이러한 흐름은 국가경쟁력 확보에 과학, 기술, 공학, 수학교과의 지식이 절대적으로 필요하며 이를 통합적으로 교육했을 때의 효과가 더 높다는 데 기인한다. 한편 최근 PISA, TIMSS 등의 평가 결과를 살펴보면 우리나라의 초중등 수학·과학 교과의 정의적인 영역인 흥미 감소, 가치 인식 부족에 대해 많은 우려를 하고 있다. 왜냐하면 교과의 정의적인 영역의 하락은 장기적으로는 교과의 인지적인 영역이 하락으로 이어질 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 STEM 통합교육의 학교 현장 도입 필요성에 대한 다양한 의견, 이를 효율적으로 지원하기 위한 교수·학습 설계 모형들이 제시되고 있다.
그러나 STEM 통합교육을 학교 현장에 도입하기 위해서 우선적으로 고려되어야 할 내용은 학습자의 발달 단계에 부합하는 효과적인 교수·학습 도구 및 체계적인 교육 내용과 이를 효율적으로 지원하기 위한 교육 모형에 관한 것이다.
따라서 이 연구에서는 STEM 통합교육을 조장하기 위해 선행 연구 자료 분석을 토대로 초등학생들의 발달 단계에 적합하고 실세계와 가장 유사한 경험을 제공할 수 있는 도구로 교육용 로봇을 선택하였다. 그리고 교육용 로봇과 STEM 관련 교과를 효율적으로 통합하기 위한 통합 유형 및 개념 모형을 제안하고 이를 토대로 교육 내용을 효율적으로 교수하기 위한 교육 모형을 교실친화적인 방법에 의해 개발하여 제시하였다. 또한 초등학교 STEM 관련 교과 교육과정을 분석하여 교육용 로봇의 제작 활동으로 통합하여 학습할 수 있는 교육 내용을 선정하고 로봇 제작 활동 과제를 상세화 하였으며, 이를 학교 현장에 도입하기 위해 교실친화적인 교육 프로그램을 개발하였다.
교육 모형 및 프로그램 개발을 위한 과정은 ADDIE 모형을 교실친화적 교육 프로그램의 성격에 따라 되먹임 과정을 추가하여 부분 수정한 모형인 ADDIE-DIE에 기초하였다. STEM 통합교육 기반의 교실친화적 로봇교육 모형은 이 연구에서 제안한 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로그램의 개념 모형을 개념적 틀로 삼아 프로이덴탈의 수학화 이론에 기초를 두고 제작된 수학화 과정의 단계를 전체적인 틀로 사용하여 설계하였다. 그리고 수학화 과정의 각 단계에 따라 과학과에서 개념을 습득하는 방법으로 중시하고 있는 탐구 과정의 총 12종류의 탐구 기능을 각 단계별 학습 전략으로 투입하여 학생들의 과학적 탐구 능력 향상을 지원하고자 하였다. 또한 모형의 각 단계별 교육용 로봇의 활용 형태를 제시하여 교육용 로봇이라는 새로운 교육 매체의 도입으로 학습자의 교과 학습 몰입 및 인지 부하 감소를 위한 처치를 하였다. 마지막으로, 학습을 통해 얻은 지식이나 개념, 탐구 능력을 로봇에 활용하여 습득한 개념의 실생활 유용성, 가치성을 느낄 수 있도록 공학적 학습 모델인 EbD™ 모형을 현실에 응용 단계에 적절하게 제시하여 최종 STEM 통합교육 기반의 로봇교육 모형을 설계하고 이를 토대로 교육 프로그램을 개발하였다.
이 연구에서 개발한 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로그램이 초등학교 학습자의 수학·과학 교과 학업성취도와 교과 태도 수준 향상에 효과적인지를 살펴보기 위하여 영가설을 설정하고 이를 검증하였다.
적용은 교육용 로봇을 처음 접하는 초등학교 6학년 학습자들을 대상으로 선정한 후 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로그램을 적용한 실험 집단과 전통적인 분과형으로 수학, 과학 교육을 실시한 통제 집단으로 구분하여 정규 교과 시간을 활용하여 12차시 동안 실험 처치를 하였다.
적용 결과, 이 연구를 통해 개발한 STEM 통합교육 기반의 교실친화적 로봇교육 모형 및 프로그램으로 수업을 진행한 실험 집단이 전통적인 분과형으로 수학·과학 수업을 실시한 통제 집단에 비해 수학·과학과 학업성취도 및 교과 태도 수준에서 유의하게 향상되었음을 확인하여 가설 1, 2는 기각되었다. 이러한 연구 결과는 STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로그램이 STEM 통합교육을 효율적으로 조장하여 수학·과학과 학업성취도와 교과 태도 수준 향상에 긍정적인 영향을 준 것으로 해석할 수 있다. 향후 후속 연구를 통해 이 연구에서 개발한 STEM 통합교육 기반의 로봇교육 모형 및 프로그램에 대한 지속적이고 교실친화적인 개선이 이루어진다면 STEM 관련 교과의 학습 효과의 극대화를 기대할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ 서론 1
• 1.1 연구의 필요성 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법 4
• 1.3 용어의 정의 7
• 1.4 연구의 제한점 9
• Ⅱ 이론적 배경 10
• 2.1 통합교육 10
• 2.2 STEM 통합교육 20
• 2.3 교실친화적 프로그램에 대한 고찰 27
• 2.4 교육용 로봇에 대한 고찰 29
• 2.5 교육 프로그램 개발을 위한 모형 고찰 36
• Ⅲ STEM 통합교육 기반 로봇교육 모형 및 프로그램 개발 44
• 3.1 설계 및 개발 방법 44
• 3.2 통합의 유형 선정 46
• 3.3 STEM 통합교육 기반 교실친화적 로봇교육 모형 및 프로그램의 개념 모형 47
• 3.4 STEM 통합교육 기반 교실친화적 로봇교육 모형 개발 48
• 3.5 교육과정 분석 51
• 3.6 교수·학습 프로그램 개발 54
• Ⅳ 적용 및 분석 83
• 4.1 연구 가설 83
• 4.2 연구 대상 83
• 4.3 연구 설계 및 절차 84
• 4.4 검사 도구 87
• 4.5 연구 결과 91
• 4.6 논의 97
• Ⅴ 결론 및 제언 99
• 참고문헌 103
• ABSTRACT 110
• 부록 114

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