중학교 발명수업에서 설계과정을 통한 문제해결 사례연구 = A Case Study on Problem Solving Based on Design Process in Middle School Invention Class

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 중학교 발명수업에서 설계과정을 통한 문제해결과정을 살펴보고, 설계과정을 통한 문제해결이 학습신장에 어떻게 영향을 미치는가를 분석하는 데 있다.
연구의 대상은 중학교 영재반 학생 4명(2팀)을 대상으로 하였고, 연구 문제는 ‘각도조절이 가능하고 투척물 10 g을 3 m 이상 이동이 가능한 투석기 제작’ 이다. 이 연구를 수행하기 위해 학생들은 연구자와 팀별로 만나 과제를 5개월 수행하였다. 또한 학생들의 행동을 분석하기 위해 수업 진행 맥락을 그대로 반영해 상황을 기록한 문서조사, 면담, 관찰을 병행 실시하였고, 작성된 자료는 코딩한 후 분석하였다. 이 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
첫째, 문제를 확인하고 A, B 팀의 학생들이 설계과정을 통해 문제해결 과정을 살펴본 결과, 전반영역과 후반영역으로 이루어지는 설계과정을 통한 문제해결은 순차적과정(sequential process)으로 이루어지지 않고 있으며, 주로 기능적 과정으로 이루어졌다. 또한 설계과정 내에서 전반영역과 후반 영역이 서로 영향을 주고 있었다.
둘째, 학생들의 설계과정 수행과정을 분석한 결과 문제를 파악한 후 팀별 문제해결을 위한 경로는 서로 달랐지만, A팀의 경우 문제를 해결하기 위한 설계과정의 총 그림의 수는 58장, B팀은 42장으로 나타났다. 하지만 두 팀 모두 각 단계마다 순환적인 피드백이 일어났고, A팀은 제작(MA) - 스케치(SK) 단계에서, B팀은 스케치(SK)-구상도(CD) 단계에서 가장 많은 빈도수를 가지고 문제 해결을 하였다.
셋째, 학생들이 설계과정을 통한 문제해결 사례를 통해 경험적 설계모형을 살펴보면 설계과정 중 ‘브레인스토밍’, ‘스케치’, ‘구상도’, ‘부품도’, ‘제작’을 통한 소단위 문제해결이 전체 문제해결에 기여하고 있었고, 문제해결 과정 중 ‘스케치’가 가장 중요한 설계과정 요소의 하나로 인식하고 있었다. 또한 제작을 통한 문제해결 사례에서 학생들이 가장 어려운 작업으로 생각하는 것 중 하나는 공구사용의 미숙과 실험결과 해석으로 나타났다.
넷째, 학생들이 문제의 조건을 만족하는 설계과정을 통한 문제해결을 하기 위해서는 단순한 시행착오를 넘어 학습에 꼭 필요한 경험적 사고를 수반하기 때문에 학습 신장에 도움이 되고 있음을 알 수 있었다. 또 이러한 학습의 연결고리는 실용적인 기술의 유용성을 체험하고 동시에 이론적인 과학지식의 응용사례를 경험할 수 있게 함으로써 학습의 동기부여가 이루어졌다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구의 목적 3
• 3. 연구의 내용 3
• 4. 용어의 정의 4
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 설계 및 설계과정 5
• 가. 설계 5
• 나. 설계와 만들기 13
• 다. 설계의 창의성 15
• 라. 설계과정 17
• 2. 문제해결 28
• 3. 기술교육과 전통기술 31
• 4. 선행연구고찰 34
• 가. 국외 기술교과 교육과정 속의 설계 34
• 나. 국내 전통기술관련 기술교육 선행연구 45
• 5. 발명수업 47
• 6. 질적연구 51
• Ⅲ. 연구방법 56
• 1. 연구의 대상 56
• 2. 문제해결 과제 57
• 3. 연구절차 58
• 가. 예비연구 59
• 나. 본 연구 61
• 4. 자료 수집방법 62
• 5. 코딩틀 개발 65
• Ⅳ. 연구결과 68
• 1. 설계과정 전반영역과 후반영역의 영향 68
• 2. 문제해결 과정에서 발생한 설계수행과정 83
• 3. 설계과정을 통한 문제해결 사례연구를 통해 나타난 경험적 설계모형
• 114
• 4. 설계과정을 통한 문제해결과 학습신장 136
• Ⅴ. 요약, 결론 및 제언 144
• 1. 요약 144
• 2. 결론 146
• 3. 제언 149
• 참고문헌 151
• ABSTRACT 163

참고문헌 (Reference)

1. CI Design, Harada, , 1989

2. Digital Gehry, Lindsey, , 2001

3. Mind in Society, Vygotsky, Lev S., , 1978

4. Why fly? Norwood, Torrance, , 1995

5. Why triangulate?, Mathison, Why triangulate?, , 1988

6. Engineering design, Phal, Beitz, , 1996

7. Assessing technology, Kimbell, R., , 1997

8. Naturalistic inquiry, Lincoln, Yvonna S, Sage Publications, Naturalistic inquiry, , 1985

9. Engineering by design, Voland, , 2004

10. 세계대백과사전, 두산동아, , 2002

11. 세계백과대사전, 김도민, , 1989

12. Social learning theory, Bandura, Albert, Prentice Hall, Social learning theory, , 1977

13. Three Face of Intellect, Guilford, , 1959

14. 현대 디자인 원론, 임연웅, , 1996

15. Patterns of Problem Solving, Rubinstein F.Moshe, Prentice Hall, Patterns of problem solving, , 1995

16. Technology for All Americans, ITEA, , 1996

17. Teaching design and technology, Eggleston, John, Open University Press, , 1992

18. Toward a theory of instruction, Bruner, Jerome S, Belknap Press, Toward a theory of instruction, , 1966

19. Science and Technology in World, Dorn, McClellan, , 2006

20. Ministry of Education. Jerusalem, Science, Technology Education Syllabus, , 1996

21. 발명교육 내용표준 개발, 한국교육개발원, 서혜애, , 2006

22. 사고와 문제해결 심리학, 김영채, , 1996

23. 새로운 기술교육의 기초, 장민석, , 1996

24. Design and Drawing for Production, National Alliance for Pre-Engineering Program, , 2000

25. Science by Design USA: NSTA press, NSTA, , 2013

26. Qualitative Research for Education, Bogdan & Biklen, , 1998

27. Conceptual and procedural knowledge, McCormick, , 1997

28. The Random House college dictionary, Stein, Jess M, Random House, , 1980

29. The teaching and learning environment, Todd, , 1990

30. 中學校指導書(技術·家庭編), 文部省, , 1998

31. Strategies for Creative Problem solving, Fogler, LeBLanc, Strategies for creative problem solving, , 2007

32. The challenge of problem based learning, Boud, David, Kogan Page, , 1997

33. 日本産業技術敎育學會誌 54(4), 日本産業技術敎育學會, , 2012

34. Schema Induction and Analogical Transfer, K.Holyoak, Gick M.L, , 1983

35. Technology education-a position statement, Lauda, Wright, , 1993

36. 생각의 탄생. 서울: 에코의 서재, 로버트 루스번스타인, 미셸 루트번스타인, , 2010

37. E xplorin g prim ary design an d technology, John sey, Exploring primary design and technology, , 1998

38. Qualitative evaluation and research methods, Patton, Michael Quinn, Sage Publications, , 1990

39. Springer handbook of mechanical engineering, Grote, Antonson, , 2009

40. Teaching and learning design. PGCE pamphlet, McCormick, , 1994

41. (친구와 함께 하는) 조형탐색놀이, 전성수, 예경, , 2001

42. Basic principles of curriculum and instruction, Tyler, Ralph W, Chicago University Press, Basic principles of curriculum and instruction, , 1971

43. Teaching design to freshmen: Style and content, Dym, , 1994

44. A conceptual framework for technology education, Sterry, Savage, , 1990

45. Combining Technology and Science with Catapults, Wade, , 2009

46. Creative problem solving and engineering design, Lumsdaine, Edward, Mcgraw-Hill, , 2001

47. Democracy and Education. 민주주의와 교육, Dewey, 홍성우, , 1916

48. Understanding practice in design and technology, Kimbell, Richard, Open University Press, , 1996

49. 학습용 무선 조종 모형 거북선 개발, 이준희, 최준섭, 韓國敎員大學校 敎育硏究院, , 2012

50. Drawing out ideas: Graphicacy and young children, Anning, , 1997

51. Sketching: Friend or foe to the novice designer?, Barlex, Lim, Welch, , 2000

52. 기술교과 교육과정의 국제비교 연구, 김진순, 한국직업교육학회, "직업교육연구, , 1992

53. 에디슨의 두 개의 책상, 발명과 경영, McCormick, Blaine, 이지북, , 2002

54. British design and technology: A critical analysis, Wright, , 1993

55. Coming to terms with engineering design as content, Lewis, , 2005

56. Design and problem solving in technology. New york, Hutchinson, Karsnitz, , 1994

57. Beyond the two disciplines of scientific psychology, Cronbach, , 1975

58. children and youth: psychosocial development(2nd ed, McCandless, Evans, , 1987

59. 제품디자이너의 인지적 사고과정 분석, 김기수, 홍익대학교 대학원, 홍익대학교 석사학위 논문, , 2007

60. 발명교육의 길잡이: 발명교육 장학자료, 특허청, 한국학교발명협회, , 2001

61. 영국 기술교육과정의 성격과 구조 탐색, 김용익, 한국농업교육학회, "한국직업교육학회지, , 1997

62. Cultural Implications of Korean Traditional Woodcraft, Lee, , 2012

63. How to solve it : a new aspect of mathematical method, Polya, G, Prinseton university press, How to solve it: A new aspect of mathematical method, , 1957

64. 거북선을 이용한 STS 교육 프로그램 개발, 최준섭, 왕소랑, , 2007

65. Growing up creative: nurturing a lifetime fo creativity, Amabile, , 1989

66. July). The designing stage of design, make, and appraise, Rogers, "July). The designing stage of design, , 1998

67. Random House Dictionary of the english language. p. 1003, Random House, , 1987

68. 초,중등학교 교수-학습용 모형 거북선 개발, 박상진 ( Sang Jin Park ), 최준섭 ( Jun Seop Choi ), 大韓工業敎育學會, , 2008

69. Fulfilling a promise: Standards for technological literacy, Bybee, , 2003

70. The post in ruins: Tradition and the critique of modernity, Gross, , 1992

71. A Framework for K-12 Science Education. Arlington, Virginia, Harold P, "A Framework for K-12 Science Education. Arlington, , 2012

72. 창의적 문제해결: 창의력의 이론과 개발수업, 김영채, , 1999

73. How designer think, the design process demystified (2nd ed.), Lawson, "How designer think, , 1997

74. The reflective practitioner. How professionals think and act, Sch?n, The reflective practitioner: How professionals think and act, , 1983

75. What is this thing called science? 과학이란 무엇인가?, 이상원, Chalmers A.F.--신중섭, , 1976

76. Science, technology, and society: A methodological perspective, De Vries, "Science, , 1997

77. 정규교과를 통한 발명교육 프로그램 개발 연구, 박동호 , 송일민 , 문대영 , 김용익 , 이한규 , 임완성 , 이춘식, 오정훈, 한국실과교육연구학회, , 2006

78. Beyond their capability? Drawing, designing and the young child, Hope, "Beyond their capability? Drawing, , 2000

79. To engineer is human : the role of failure in successful design, Petroski, Henry, St. Martin's Press, , 1985

80. 초등학교 실과의 정의적 영역 평가에 관한 연구, 민정식, 한국교원대학교 대학원, 한국교원대학교 석 사학위 논문, , 1997

81. How children think about design and technology: Two case studies, Wright, Foster, , 2001

82. In search of excellence: Lesson from America'sbest-run companies, Peter, Waterman, In search of excellence: Lesson from America's best-run companies, , 1982

83. The current and future role of modeling in design and technology, Smith, , 2001

84. A pilot study into the value of 3D sketch modeling at Key Stage 3, Brochocka, Baynes, Smith, , 2001

85. History of manual and industrial education 1870-1917. Peoria, IL:C.A, Bennett, "History of manual and industrial education 1870-1917. Peoria, , 1937

86. 태양전지를 이용한 학습용 모형 거북선의 성능특성, 김광열, 우상호, 박병규, 최준섭, 한국기술교육학회, , 2004

87. 2009 개정교육과정에 따른 기술과 교육과정 주요내용, 진의남, , 2012

88. 한국과 일본의 실과 및 기술·가정 교육의 비교 연구, 박순자, , 2000

89. History of industrial education in the united states. Peoria, IL: C. A, Barlow, "History of industrial education in the united states. Peoria, , 1967

90. 미국 기술과 교육의 현상과 동향. 한국실과교육학회지, 최유현, , 2006

91. Standards for technological literacy: Content for the study of technology, ITEA, Standards for technological literacy: Content for the study of technology, , 2000

92. 창의력 제고를 위한 디자인 프로세스 개발에 대한 연구, 장계영, 성균관대학교 일반대학원, 성균 관대학교 석사학위 논문, , 2011

93. Beyond "the design process": An alternative pedagogy for technology education, Mawson, "Beyond ""the design process"": An alternative pedagogy for technology education", , 2003

94. 실과(기술?가정)교육과정 교육부 고시 제 1997-16호 [별책 10], 교육인적자원부, , 1998

95. 지식기반사회에 대비한 기술교과 교육의 과제와 개선방향, 이상봉, 한국기술교육학회, "2000년도 한국기술교육학회 연례 학술발표대회, , 2000

96. Design technology in the elementary school: A study of teacher action research, Burghardt, Koch, , 2002

97. 전통 수공업 장인의 학습 과정과 특성에 관한 질적 사례 연구, 장인온, , 2013

98. A Pedagogical Trebuchet: A Case Study in Experimental History and History Pedagogy, Lee L.B, Steven, , 2013

99. Development of an educational program creative problem solving utilizing Singijeon, Choi, , 2009

100. The Role of Design Drawing Among Children Engaged in a Parachute Building Activity, Macdonald, Gustafson, , 2004

101. 초등학교 디자인 교육에서 창의적 아이디어 발상에 관한 연구, 최명재, 최명재, 부산교육대학교 교육대학원, 부산교대 석사학위 논문, , 2003

102. 학교 발명교육의 활성화 방안 모색을 위한 교사들의 의견 분석, 김용익(Kim Yong Ik), 한국실과교육학회, , 2005

103. A critique of the design precess. In: F. Banks (Ed.). Teaching technology(pp. 26-35), Chidgey, , 1994

104. The art of innovation: Lesson in creativity from IDEO, America's leading design firm, Kelly, "The art of innovation: Lesson in creativity from IDEO, , 2001

105. Interactive technology: Can children construct their own technological design briefs?, Fleer, , 2000

106. 창의적 문제해결을 위한 물레바퀴 모형 거북선 만들기 실천사례, 최준섭, 유재영, , 2008

107. 1월 4일). 입시교육熱 보다 인재육성 교육力 갖추자. 이투에이. 4면, 박철근, , 2011

108. Research on problem solving instruction: What works, What doesn't? The Technology Teacher, Johnson, "Research on problem solving instruction: What works, , 1994

109. 디자인 프로세스에 기초한 어린이 디자인 교육 프로그램 개발 연구, 조성옥, 한국디자인트렌드학회, "한국디자인트렌드학회, , 2011

110. Framework for the study of cognitive and curricular issues of technological problem solving, Mioduser, , 1998

111. 중학교 1학년 기술·가정 교과서의 ‘전통기술의 이해’ 단원의 분석, 이창훈, 김기수, 이세정, , 2010

112. Optimum Onager: The Classical Mechanics of a Classical Siege Engine. The Physics Teacher, 47, Mark, "Optimum Onager: The Classical Mechanics of a Classical Siege Engine. The Physics Teacher, , 2009

113. 발명지도교사 직무연수 교육내용에 대한 교사들의 인식 및 요구 분석, 박성균(Park Seong Gyun), 이진우(Lee Jin Woo), 최유현(Choi, Yuhyun), 심재영(Sim Jae Young), 이한규(Lee Han Gyu), 김용익(Kim Yong Ik), 전철만(Jeon Cheol Man), 한국실과교육연구학회, "한국실과교육학회 지, , 2006

114. 주제 중심의 통합적 접근을 통한 실과의 전통문화 교육프로그램 개발, 원덕재, 한국교원대학교 대학원, "실과교육연구, , 2004

115. Case study research in education; A qualitative approach San Fancisco: Jossey-Bass Publishers, Merriam, , 1998

116. Design and technology for ages 5-16 (Final report of the working group on design and technology), DES (Department of Education and Science), , 1989

117. 창의성 추구를 위한 교육: 교육과정과 관련한 하나의 기본 시각과 접근방향, 김춘일, 창의성 추구를 위한 교육: 교육과정과 관련한 하나의 기본 시 각과 접근 방향, , 2000

118. A walk through wilderness find your way. In W. Shaffir, and R. Stebbins (Eds.), Experiencing fieldwork, Fetterman, "A walk through wilderness find your way. In W. Shaffir, , 1991

119. 영재반 중학생의 설계과정(Design Process) 기반 창의적 문제해결 질적 사례 연구, 유재영, 최준섭, 부산대학교 과학교육연구소, , 2012

120. Teaching and learning for understanding. In C. M. Reigeluth(ed), Instructional-design theories and models, Unger, Perkins, "Teaching and learning for understanding. In C. M. Reigeluth(ed), , 1999

121. 창의적 문제해결(CPS)을 활용한 디자인 수업방안 연구 : 초등학교 6학년 중심으로, 허윤영, , 2010

122. Students' use of three-dimensional modeling while designing and making a solution to a technological problem, Welch, , 1998

123. 창의적 문제해결 중심 학습 교재 적용에 대한 질적 사례 연구. 실과교육연구, 13(3), 최유현, "창의적 문제해결 중심 학습 교재 적용에 대한 질적 사례 연구. 실과교육연구, , 2006

124. The undervalued role of drawing in design. In D. Thistlewood(ed.) Drawing Research and Development, Burnt Mill, Garner, "The undervalued role of drawing in design. In D. Thistlewood(ed.) Drawing Research and Development, , 1992

125. The general problem-solving process in technology education: Myth or realigy? In: F. Banks(Ed.). Teaching technology, McCormick, Hennessy, , 1994

126. The univeral traveler: A soft-system guide to creativity, problem solving, and the process of reaching goals, Menlo Prak, Bafnall, Korberg, "The univeral traveler: A soft-system guide to creativity, , 1991

127. Simulation design in the world of industry and commerce: Observations from a series of case studies in the United Kingdom, Denton, , 1994

128. Knowledge and Processes in mechanical problem solving. In: R. J. Sternberg and P. A. Frensch(Eds), complex problem solving(pp. 253-285), Hegarty, "Knowledge and Processes in mechanical problem solving. In: R. J. Sternberg and P. A. Frensch(Eds), , 1991

129. The algo-heuristic theory and methodology of learning, performance, and instruction as a paradigm. In C. R. Dills and A. J. Romizowski(Eds), Landa, "The algo-heuristic theory and methodology of learning, , 1997

130. The technology fair: a project-based learning approach for enhancing problem solving skills and interest in design and technology education, Constantinos C.Constantinou, Alexandros C.Mettas, , 2007

131. 중학교 기술·가정 교과 ‘기계의 이해’ 단원에서 실습수업이 학생들의 학업성취와 파이에 미치는 효과, 이태주, , 2011

132. Creative cognition in design: Processes of exceptional designers. In T. T. Hewitt and T. Kavanaugh(Eds.), Creativity and cognition(pp. 14-19), Cross, "Creative cognition in design: Processes of exceptional designers. In T. T. Hewitt and T. Kavanaugh(Eds.), , 2002

133. Problem Solving in Technology Education at The Secondary Level as Perceived by Technology Educators in The United Kingdom and The United States, 이상봉, Ohio State University, Problem solving in technology education at the secondary level as perceived by technology educators in the United Kingdom and the United States, , 1996

134. The effect of alternative approaches to design instruction (strutural or functional) on students' mental models of techological design processes, Mioduser, Dagan, , 2007

135. Research in leaning technological concepts and processes. IN: G. Owen-Jackson(Ed.). Teaching design and technology in secondary schools(pp. 79-92), Jones, , 2002

136. 협동학습을 통한 체험활동이 학업성취도에 미치는 영향 : 고등학교 기술·가정 교과의 "모형 교량 만들기"를 중심으로, 이건도, 경기대학교 교육대학원, "협동학습을 통한 체험활동이 학업성취도에 미치는 영향: 고등학교 기술·가정 교과의 ""모형 교량 만들기""를 중심으로", , 2008

137. Industrial arts founded. In R. Barella and T. Wright(Eds.), An interpretive history of industrial arts; the interrelationship of society, education and industrial arts(pp. 165-204), Smith, "Industrial arts founded. In R. Barella and T. Wright(Eds.), , 1981

138. 전통문화소재를 활용한 통합미술교육활동이 유아의 전통문화 인지와 선호도, 미적반응, 미술표현능력에 미치는 영향, 미간행 박사학위논문, 백희숙, "전통문화소재를 활용한 통합미술교육활동이 유아의 전통문화 인지와 선호도, , 2006

139. National center for engineering and technology education: The overall impact of the NCETE is to strengthen the nation's capacity to deliver effective engineering and technology education in the K-12 schools, Erekson, Thomas, Hailey, Becker, , 2005