[논문 리뷰] Problem Solving and Computational Thinking in a Learning Environment

Michael Gr. Voskoglou, Sheryl Buckley|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 02.

Teaching and Learning Programming참고 문헌 26인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 수학적 모델링에서 문제 해결 능력을 향상시키기 위해 컴퓨팅 사고를 교육 현장에 통합하는 것을 조사한다. 그리스 파트라스 기술 교육 대학에서 실시한 두 개의 수업 실험을 통해, 학생들이 문제 해결 도구로 컴퓨터를 사용할 경우 실제 문제 해결 능력이 뚜렷이 향상됨을 입증한다. 이는 학습 환경에서 컴퓨팅 사고와 비판적 사고가 상호 보완적으로 작용함을 뒷받 underlines 한다.

ABSTRACT

Computational thinking is a new problem soling method named for its extensive use of computer science techniques. It synthesizes critical thinking and existing knowledge and applies them in solving complex technological problems. The term was coined by J. Wing, but the relationship between computational and critical thinking, the two modes of thiking in solving problems, has not been yet learly established. This paper aims at shedding some light into this relationship. We also present two classroom experiments performed recently at the Graduate Technological Educational Institute of Patras in Greece. The results of these experiments give a strong indication that the use of computers as a tool for problem solving enchances the students' abilities in solving real world problems involving mathematical modelling. This is also crossed by earlier findings of other researchers for the problem solving process in general (not only for mathematical problems).

연구 동기 및 목표

• 문제 해결 맥락에서 컴퓨팅 사고와 비판적 사고 간의 관계를 명확히 하기 위해.
• 학습 환경에서 컴퓨터를 도구로 통합할 경우 학생들의 문제 해결 능력에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 컴퓨팅 사고가 수학적 모델링 능력을 향상시키는 데 효과적인지를 입증하는 실증적 증거를 제공하기 위해.
• 컴퓨팅 사고가 복잡한 기술적 문제를 해결하는 데 있어 전통적인 비판적 사고를 보완하고 강화함을 뒷받침하기 위해.
• 특히 고등 교육에서 컴퓨팅 사고에 관한 연구가 점점 증가하는 데 기여하기 위해.

제안 방법

• 그리스 파트라스 기술 교육 대학의 대학원에서 실시한 두 개의 수업 실험을 통해, 학생들이 컴퓨팅 도구를 사용해 실제 문제를 해결하도록 설계하였다.
• 학생들이 컴퓨터 기반 기법을 활용해 복잡한 문제를 모델링하고 해결하도록 하는 학습 활동을 기획하였으며, 알고리즘적이고 논리적인 사고를 중시하였다.
• 컴퓨팅 사고를 문제 해결의 체계적인 접근법으로 통합하여, 비판적 사고와 분해 및 패턴 인식과 같은 컴퓨팅 기법을 융합하였다.
• 실험에서 수집한 학생 성과 데이터를 분석하여 문제 해결 결과의 향상을 평가하였다.
• qualitative 관찰과 quantitative 성과 지표를 결합한 혼합 방법 접근법을 사용하여 학습 효과를 평가하였다.
• 기존의 문제 해결 과정에 관한 문헌과 비교하여 관찰된 학생 능력 향상의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 학습 환경에 컴퓨팅 사고를 통합할 경우 학생들의 문제 해결 성과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복잡한 실제 문제를 해결하는 데서 컴퓨팅 사고와 비판적 사고 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 컴퓨터 기반 도구가 학생들의 수학적 모델링 및 문제 해결 능력에 어느 정도 향상 기여하는가?
• RQ4 수업 기반 실험을 통해 컴퓨팅 사고가 고등 교육에서 학습 성과를 향상시키는 데 효과적임을 입증할 수 있는가?
• RQ5 컴퓨팅 사고가 교육 과제에 체계적으로 적용될 경우 학생들의 문제 해결 전략은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 수업 실험은 컴퓨터를 문제 해결 도구로 사용할 경우 실제 문제 해결 능력이 수학적 모델링을 포함해 뚜렷이 향상됨을 강력한 실증적 증거로 제시한다.
• 컴퓨팅 사고 기법을 활용한 학생들은 전통적 접근 방식에 비해 문제 해결 성과에서 측정 가능한 향상을 보였다.
• 결과는 컴퓨팅 사고와 비판적 사고가 상호 보완적인 사고 방식이며, 함께 결합될 경우 더 효과적인 문제 해결 결과를 이끌어낸다는 가설을 지지한다.
• 이 연구의 결과는 이전 문제 해결 과정에 관한 연구와 일치하며, 수학 문제를 넘어서 교육적 맥락에서 컴퓨팅 사고의 가치를 강화한다.
• 수업에서 컴퓨팅 사고를 적용함으로써 복잡한 다단계 문제에서 더 체계적이고 체계적인, 정확한 해결책이 도출되었다.
• 저자들은 컴퓨팅 사고를 교육 과정에 공식적으로 통합해야 하며, 이는 학생들이 실제 기술적 과제를 해결하는 데의 준비성을 높일 수 있음을 결론 내린다.