[논문 리뷰] A Universal Structure of Science and Engineering Problem-Solving

Argenta Price, Candice Kim외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 23.

Science Education and Pedagogy참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 과학 및 공학 분야 전반에서 문제 해결에 기반하는 29개의 측정 가능하고 교육 가능한 결단 구조를 규명한다. 전문가의 문제 해결 과정을 분석함으로써 이러한 결단이 분야 지식에 기반한 예측 모델에 의존함을 드러내며, 과학·공학 교육의 평가 및 지도 향상에 기여한다.

ABSTRACT

A primary goal of science and engineering (S & E) education is to produce good problem solvers, but much of the problem-solving process remains poorly understood. To characterize this process in terms of measurable and teachable pieces, we analyzed how S & E experts solved authentic problems. We identified an unexpectedly universal set of 29 decisions-to-be-made that were consistent across fields and provide a flexible structure underlying the S & E problem-solving process. We also find that the process of making those decisions (selecting between alternative actions) relies heavily on predictive models that embody the relevant specialized disciplinary knowledge and standards. This detailed characterization of the problem-solving process will allow better assessment and teaching of S & E problem-solving.

연구 동기 및 목표

• 다양한 분야에서 과학 및 공학(S&E) 문제 해결의 기초가 되는 측정 가능하고 교육 가능한 구조를 규명하는 것.
• 전문가가 실제 S&E 문제 해결 과제에서 어떻게 결단을 내리는지 이해하는 것.
• S&E 문제 해결 과정에서 예측 모델이 결단을 이끌어내는 데 수행하는 역할을 규명하는 것.
• S&E 교육에서 평가 및 지도를 향상시키는 데 기여할 수 있는 프레임워크를 개발하는 것.

제안 방법

• 다양한 분야에서 실제 세계의 S&E 문제에 대한 전문가의 문제 해결 행동 분석.
• 문제 해결 과정의 질적 및 패턴 기반 분석을 통해 반복되는 결단 포인트 식별.
• 29개의 핵심 결단-내릴 것 구성 요소로 이루어진 체계적 프레임워크로 결단 분류.
• 결단 선택을 이끄는 예측 모델에 통합된 분야 지식의 역할 분석.
• 전문가 인터뷰 및 과제 기반 관찰을 통한 결단 구조의 일관성과 보편성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 과학 및 공학 분야에서 문제 해결 과정 동안 반복되는 공통된 결단 포인트는 무엇인가?
• RQ2 전문가들은 문제 해결 과정에서 어떻게 예측 모델을 활용하여 선택을 이끌어내는가?
• RQ3 문제 해결 과정이 보편적인 결단 세트에 의해 얼마나 체계적으로 구성되어 있는가?
• RQ4 식별된 결단 구조는 S&E 교육에서의 지도 및 평가를 향상시키는 데 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 과학 및 공학 분야에서 일관되게 29개의 보편적 결단-내릴 것들이 식별되었다.
• 이 결단들은 무작위가 아니라 분야 지식과 기준을 담은 예측 모델에 의해 체계적으로 이끌린다.
• 결단 과정은 일반적인 힌트보다는 분야 특화 예측 모델에 크게 의존한다.
• 이 구조는 다양한 유형의 S&E 문제에 적용 가능하여 광범위한 일반성과 유연성을 보인다.
• 이 프레임워크는 문제 해결 능력을 측정적이고 체계적인 방식으로 평가하고 지도하는 데 기초를 제공한다.