[논문 리뷰] Introduction to Computational Thinking: a new high school curriculum using CodeWorld

Fernando Alegre, John Underwoood외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 30.

Teaching and Learning Programming인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하스켈 기반 언어를 사용하여 프로그래밍과 수학적 추론을 가르치는 CodeWorld 환경을 활용해 고등학교 컴퓨팅 사고(curricular thinking, CT) 교육과정인 '컴퓨팅 사고 도서' (Introduction to Computational Thinking, ICT) 를 제시한다. 9학년 학생들을 대상으로 하는 이 과정은 문법보다 개념적 기초에 중점을 두어 평균 24%의 학업 성취도 향상을 이끌었으며, 난이도가 높다고 평가됨에도 불구하고 학생들의 태도는 긍정적이었다.

ABSTRACT

The Louisiana Department of Education partnered with the Gordon A. Cain Center at LSU to pilot a Computing High School Graduation Pathway. The first course in the pathway, Introduction to Computational Thinking (ICT), is designed to teach programming and reinforce mathematical practice skills of nine-grade students, with an emphasis on promoting higher order thinking. In 2017-18, about 200 students and five teachers participated in the pilot, in 2018-2019 the participation increased to 400 students, and in the current 2019-2020 year about 800 students in 11 schools are involved. Professional development starts with a five-week intensive summer institute, which is complemented with follow-up Saturday sessions and coaching support during the academic year. After describing the course content and briefly the teacher training, we discuss the data we have collected in the last two years. The overall student reception of the course has been positive, but the course was categorized by most students as hard. However, the Computing Attitude Survey analysis indicates that the difficulty of the course did not demotivate the students. The pre-post test content assessments show that students learned not only the language, but also general principles of programming, logic and modeling, as well as use of variables, expressions and functions. Lessons learned during the pilot phase motivated changes, such as emphasizing during PD the need to provide timely feedback to students, provide detailed rubrics for the projects and reorganize the lessons to increase the initial engagement with the material. After two years of running pilots, the course is becoming student-centered, where most of the code and image samples provided in the lessons are based on code created by previous students.

연구 동기 및 목표

• 일반 고등학생들을 대상으로 프로그래밍을 대수학, 기하학, 과학 모델링과 연결하는 컴퓨팅 사고 교육과정을 개발하기 위해.
• 비컴퓨터 과학 전공 교사(예: 수학 및 과학 교사)가 효과적으로 이 과정을 운영할 수 있도록 하는 교사 연수 모델을 개발하기 위해.
• 학생 중심의 프로그래밍 중심 교육과정을 설계하여 소외된 집단에서의 고차원적 사고와 개념적 이해를 촉진하기 위해.
• 다양한 학교 구역을 대상으로 한 대규모 시범 프로그램에서 학생들의 학습 성취도 향상과 태도 변화를 평가하기 위해.

제안 방법

• 과정은 하스켈의 단순화된 변종을 기반으로 하는 웹 기반 IDE인 CodeWorld를 사용하여, 시각적 및 수학적 모델링을 통해 프로그래밍 개념을 가르친다.
• 수업은 컴퓨팅 사고 원칙에 기반하여 구성되며, 문법은 필요할 때만 도입하고, 초기에는 표현, 변수, 함수에 중점을 둔다.
• 전문 개발 프로그램은 교사들이 학생 과제를 수행하고, 피어 리뷰를 연습하며, 수업 계획을 수립하는 5주간의 여름 인스티튜트로 구성된다.
• 과정은 페어 프로그래밍과 협업 기반의 시나리오 제작을 통해 추상화, 분해, 반복적 개선을 강조한다.
• 평가에는 개념적 기초 테스트(전·후 테스트)와 컴퓨팅 태도 설문조사(CAS)가 포함되어 학습 성취도와 태도 변화를 측정한다.
• 데이터 분석은 전·후 평가 간 차이를 검증하기 위해 윌코크슨 부호 순위 검정을 사용하고, 태도와 학습 성취도 간 상관관계를 분석하기 위해 상관관계 분석을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ICT 과정이 학생들의 프로그래밍, 논리, 모델링 개념 이해도에 어느 정도 향상 효과를 미치는가?
• RQ2 과정의 난이도가 높다고 평가됨에도 불구하고, 학생들의 컴퓨팅에 대한 태도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 교사 전문 개발이 수업 품질과 학생 학습 성과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 컴퓨팅 사고 학습 성취도와 학생들의 컴퓨팅에 대한 태도 간 상관관계는 어떠한가?

주요 결과

• 학생들은 개념적 기초 테스트에서 통계적으로 유의미한 평균 24% 향상을 보였으며, 후측정 점수는 29.5%에서 53.8%로 상승했다.
• 윌코크슨 부호 순위 검정을 통해 전·후측정 분포 간 유의미한 차이가 있음을 확인했다(p < 2.2 × 10^(-16)).
• 변수, 표현 및 함수, CodeWorld의 특수성, 수학적 모델링의 네 가지 테스트 영역 모두 후측정 평균 점수가 전측정 평균 점수를 상회했다.
• 컴퓨팅 태도 설문조사(CAS) 결과 태도 변화는 미미했으며(이동 0.02), 전·후측정 간 강한 상관관계가 있었고(R = 0.54, p = 1.3 × 10^(-10)).
• 학생들의 후측정 태도와 내용 테스트 성취도 향상 간 양의 상관관계가 발견되었으며(R = 0.29, p = 0.001).
• 학생들이 과정을 '어려움'으로 평가했음에도 불구하고 학습 동기가 저하되지 않았으며, 다수의 학생이 긍정적인 수업 경험을 보고했다.