[논문 리뷰] Automaticity in Computation and Student Success in Introductory Physical Science Courses

JudithAnn R. Hartman, Eric A. Nelson|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 17.

Teaching and Learning Programming참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 미국의 수학 및 과학 교육에서 암기와 연습의 교육과정적 비중 감소가 초래하는 계산 능력 저하가 초급 물리과학 과정에서의 학생 성취도를 떨어뜨린다고 주장한다. 인지과학 원리를 바탕으로, 기초 수학 및 과학 절차에 대한 자동성은 문제 해결 성공에 필수적임을 밝히며, 이러한 증거 기반 학습 방식과 일치하는 교육과정 개혁을 통해 감소하는 STEM 졸업률을 뒤집기를 촉구한다.

ABSTRACT

Between 1984 and 2011, the percentage of US bachelor degrees awarded in physics declined by 25%, in chemistry declined by 33%, and overall in physical sciences and engineering fell 40%. Data suggest that these declines are correlated to a deemphasis in most states of practicing computation skills in mathematics. Analysis of state standards put into place between 1990 and 2010 find that most states directed teachers to deemphasize both memorization and student practice in computational problem solving. Available state test score data show a significant decline in student computation skills. In recent international testing, scores for US 16 to 24 year olds in numeracy finished last among 22 tested nations in the OECD. Recent studies in cognitive science have found that to solve well-structured problems in the sciences, students must first memorize fundamental facts and procedures in mathematics and science until they can be recalled with automaticity, then practice applying those skills in a variety of distinctive contexts. Actions are suggested to improve US STEM graduation rates by aligning US math and science curricula with the recommendations of cognitive science.

연구 동기 및 목표

• 미국 교육에서 감소하는 계산 능력과 물리학, 화학, 공학 분야 학사 학위 수의 감소 사이의 상관관계를 조사하기 위해.
• 1990년에서 2010년 사이의 주 교육과정 기준을 분석하여 암기와 계산 연습의 비중 감소 경향을 파악하기 위해.
• 국내 및 국제 평가 자료를 분석하여 미국 학생들의 수리 능력과 계산 능력 저하 추세를 평가하기 위해.
• 인지과학 연구에서의 자동성 원리를 적용하여 물리과학 과정에서의 학생 성공을 향상시키는 교육과정 개혁 전략을 제안하기 위해.
• 미국 수학 및 과학 교육과정을 인지과학 연구 결과와 일치시켜 STEM 유지를 향상시키고 졸업률을 높이기 위해 정책을 제안하기 위해.

제안 방법

• 1990년에서 2010년 사이에 시행된 주 교육과정 기준을 분석하여 암기와 계산 연습의 비중 감소 경향을 식별하기 위해.
• OECD PISA 점수를 포함한 국내 및 국제 평가 자료를 검토하고 통합하여 미국 학생들의 수리 능력과 계산 능력 향상 추세를 평가하기 위해.
• 문제 해결 맥락에서 절차적 유창성과 자동성에 관한 인지과학 연구를 통합하기 위해.
• 학생 성과 데이터의 실증적 증거를 활용하여 약한 계산 능력이 초급 물리과학 과정에서의 부진한 성과와 연결됨을 입증하기 위해.
• 의도적인 연습과 기초 사실 및 절차의 자동적 회상에 중점을 두어, 인지과학 원리에 기반한 교육과정 재설계를 제안하기 위해.
• 미국 교육 추세를 국제 기준과 비교 분석하여 기초 기술 개발 측면에서의 체계적 결함을 부각하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1990년에서 2010년 사이에 미국 주 교육과정 기준은 수학 및 과학 교육에서 암기와 계산 연습의 비중에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ2 지난 30년간의 국내 및 국제 평가 점수는 미국 학생들의 계산 능력과 수리 능력 저하를 어느 정도 반영하고 있는가?
• RQ3 기초 수학 및 과학 절차에서의 자동성과 초급 물리과학 과정에서의 학생 성취도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 현재 미국 교육과정의 실천 방식은 STEM 분야에서 효과적인 학습을 위한 증거 기반 인지과학 권고와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 미국에서 계산 능력을 복원하고 STEM 졸업률을 향상시키기 위해 어떤 구체적인 교육과정 개혁이 필요한가?

주요 결과

• 1984년에서 2011년 사이에 미국에서 수여된 학사 학위 중 물리학 전공은 25% 감소했고, 화학 전공은 33% 감소했으며, 물리과학 및 공학 전공은 40% 감소했다.
• 1990년에서 2010년 사이의 주 교육과정 기준은 암기와 계산 문제 해결 연습의 비중을 점차 감소시켰다.
• 국제 평가에서 미국 16세에서 24세 연령대 학생들은 22개 OECD 국가 중 수학적 숙련도에서 최하위를 기록했다.
• 인지과학 연구는 핵심 사실과 절차를 자동적으로 떠올릴 수 있는 능력이 잘 정의된 과학 문제를 해결하는 데 필수적임을 확인했다.
• 기초 계산 능력에서 자동성을 확보한 학생들은 초급 물리과학 과정에서 뚜렷이 향상된 성과를 보였다.
• 이 논문은 미국 STEM 교육과정을 인지과학 원리—특히 의도적인 연습과 자동성—에 맞추어 개선할 경우 감소하는 STEM 졸업 추세를 뒤집을 수 있다고 결론 내린다.