[논문 리뷰] Developing a learning goal framework for computational thinking in computationally integrated physics classrooms

Daniel P. Weller, Theodore E. Bott외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Teaching and Learning Programming참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 계산 사고(CP)를 통합한 초급 물리 수업에서 학생의 그룹 활동 영상 분 析를 기반으로, 14개의 실천과 6개의 카테고리로 구성된 계산 사고(CT) 프레임워크를 개발한다. 이 프레임워크는 CT 실천을 평가하기 위한 실질적인 지표를 제공하며, 교육자들이 수업을 설계하고 연구자들이 계산 사고 발달을 연구하는 데 유용하다.

ABSTRACT

Computational thinking has been a recent focus of education research within the sciences. However, there is a dearth of scholarly literature on how best to teach and to assess this topic, especially in disciplinary science courses. Physics classes with computation integrated into the curriculum are a fitting setting for investigating computational thinking. In this paper, we lay the foundation for exploring computational thinking in introductory physics courses. First, we review relevant literature to synthesize a set of potential learning goals that students could engage in when working with computation. The computational thinking framework that we have developed features 14 practices contained within 6 different categories. We use in-class video data as existence proofs of the computational thinking practices proposed in our framework. In doing this work, we hope to provide ways for teachers to assess their students' development of computational thinking, while also giving physics education researchers some guidance on how to study this topic in greater depth.

연구 동기 및 목표

• 초급 물리 과정에서 계산 사고(CT)에 대한 명확하고 분야별로 구체화된 학습 목표가 부족한 데 대비하기 위해.
• CT와 물리 교육 분야의 기존 문헌을 통합하여 물리 수업에 적합하고 실천 가능한 CT 실천 방식을 도출하기 위해.
• 교사가 평가할 수 있고 연구자가 CT 발달을 연구할 수 있도록 실증 기반의 실용적 프레임워크를 마련하기 위해.
• 실제 교실 영상 데이터 분 析를 통해 CT 실천의 증거 기반 지표를 제공하기 위해.
• 활동 설계, 그룹 구성, 교사 메시징 등 요소가 CT 실천의 발생에 어떻게 영향을 미치는지 향후 연구를 안내하기 위해.

제안 방법

• 계산 사고의 물리 교육 적용 및 관련 계산 과학 교육 프레임워크에 중점을 둔 타겟팅된 문헌 리뷰를 수행하였다.
• 문제 분해, 패턴 인식, 추상화, 알고리즘 설계, 시뮬레이션, 디버깅의 6개 카테고리로 정리된 14개의 구체적 계산 사고 실천 방식을 통합하였다.
• 계산 기반 통합 수업에서의 학생 그룹 활동 영상 기록을 활용하여 제안된 CT 실천 방식의 존재성과 표현 양상을 실증적 근거로 삼았다.
• 영상 전사본을 분석하여 각 CT 실천 방식을 구체적으로 나타내는 학생의 행동과 상호작용을 특정화하고, 실제 교실 데이터로 프레임워크를 검증하였다.
• 각 실천 방식에 관찰 가능한 지표를 포함하도록 프레임워크를 체계화하여, 형성 평가 및 연구 적용이 가능하도록 하였다.
• 프로그래밍이 아닌 맥락에 중점을 두어, 계산 사고의 개념적 및 문제 해결적 요소를 강조함으로써, 코딩이 필요하지 않은 윙의 CT 정의(‘컴퓨터 과학자처럼 생각하는 것’)와 일치시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계산 기반 통합 수업에서 계산 사고(CT) 실천이 초급 물리 수업에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 계산 기반 통합 물리 활동 중에 학생 그룹 활동에서 이러한 CT 실천이 어떻게 구체화되는가?
• RQ3 교사와 연구자가 평가 및 분석에 사용할 수 있는 각 CT 실천의 관찰 가능한 지표는 무엇인가?
• RQ4 그룹 구성, 교사 메시징, 활동 설계와 같은 요소들이 특정 CT 실천의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비프로그래밍적 개념적 프레임워크가 물리 교육 분야에서 교실 영상 데이터를 통해 얼마나 타당하게 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 본 연구는 실증적 교실 영상 데이터를 기반으로 한 종합적인 14개 실천, 6개 카테고리의 계산 사고(CT) 프레임워크를 개발하였다.
• 각 CT 실천은 학생 상호작용에서 유도된 관찰 가능한 지표로 뒷받침되며, 문제를 하위 작업으로 분해하거나 데이터 내 패턴을 식별하는 행동 등이 포함된다.
• 영상 분 析를 통해 디버깅, 추상화, 알고리즘 설계와 같은 실천들이 학생들이 계산 모델링 과제를 수행하는 그룹 활동 중 실제로 수행되고 있음을 확인하였다.
• 프레임워크는 학생들이 코드를 작성하지 않더라도 CT를 의미 있게 지도하고 평가할 수 있음을 보여주며, 윙의 개념적 CT 정의를 지지한다.
• 그룹 활동에서 교사의 메시징과 역할 배정은 학생의 참여도와 CT 과제에 대한 인식에 중대한 영향을 미치며, 명확하지 않은 지시는 분노와 무관심을 유도한다.
• 이 프레임워크는 향후 지도 설계 및 교실 역동성이 물리 교육에서 CT 실천 발달에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 연구 기반을 제공한다.