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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.3 pp.275-290
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.3.275

The Change of Elementary Science Gifted Students’ Perception about Engineers and Engineering Practices through Science and Engineering Integrated (SEI) Lessons

Nuri Han, Younkyeong Nam*
Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 46241, Korea
Corresponding author: ynam@pusan.ac.kr Tel: +82-51-510-2707 Fax: +82-51-513-7495
May 27, 2018 June 21, 2018 June 22, 2018

Abstract


This study is to investigate how science and engineering integrated (SEI) lessons affect science-gifted students’ perceptions about engineers and engineering practices. Twenty elementary science gifted students participate in this study, and they reflect what engineering practice means such as managing limited time and budget. The SEI lessons with 24 hours class time are used as an intervention. The main data are collected with ‘engineer and engineering drawing test’, open-ended questions and interviews about the drawing, and focus group interviews about the lessons. The transcribed interview data are analyzed using mixed methodology of quantitative (descriptive and paired t-test) and qualitative methods. The result shows that the SEI lessons have positive impacts on the science-gifted students’ perceptions about engineers and engineering practices such as engineering design. After the lessons, the students perceive engineering and engineers in a desired way such as engineering as a social practice that many experts work collaboratively, the interaction between engineering and society, and the importance of ethics and social values in engineering practice.



과학공학 융합 수업을 통한 초등 과학 영재 학생들의 공학과 공학자에 대한 인식 변화

한 누리, 남 윤경*
부산대학교 지구과학교육과, 46241, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2

초록


본 연구는 과학공학 융합 수업을 통해 학생들의 공학과 공학자에 대한 인식이 어떻게 변화되었는지 알아보기 위 한 연구이다. 본 연구에서 사용한 과학공학 융합 수업은 제한된 예산과 시간동안 공학적 문제를 해결하는 24차시 수업으 로 설계되었으며 20명의 초등 과학 영재 학생들에게 적용하였다. 본 연구의 주요데이터는 공학자 그림 그리기와 설명문 항, 그리고 이에 대한 개별 인터뷰와 초점 집단 면접을 통해 수집되었으며, 공학자 그리기에 대한 설명과 인터뷰는 전사 내용을 토대로 양적(빈도분석과 대응표본 t-검증), 질적 분석 방법을 모두 사용하여 분석하였다. 과학공학 융합 수업은 과 학 영재 학생들의 공학 설계에 대한 이해에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 공학과 공학자, 그리고 공학 과 사회의 관계에 대한 인식도 바람직한 방향으로 변화하였다. 공학은 여러 명이 협력하는 사회적인 활동이라는 인식, 그 리고 공학자의 윤리의식, 공학의 사회적 가치 등 공학과 사회의 관계에 대한 인식도 바람직하게 변화하였다.



    Ministry of Education
    2017R1D1A3B03031896

    서 론

    최근 미국을 비롯한 많은 선진국에서 미래 사회를 대비한 융합인재 양성을 위해 STEM (Science, Technology, Engineering, & Mathematics) 교육을 강 조하고 있다. 지속적으로 보고되고 있는 학생들의 STEM 분야에 대한 부정적인 인식과 낮은 흥미, 더 나아가 STEM 분야 직업 기피 현상은 STEM 교육의 필요성을 뒷받침하는 중요한 요인이다(e.g. Jung, 2011). 우리나라의 경우 특히 여러 국제 비교연구에 서 학생들의 높은 과학 학업성취에도 불구하고 과학 흥미와 자존감이 매우 낮게 나타나 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 STEAM 교육의 중 요성이 주장되어 왔다(KOFAC, 2016; Ministry of Education, Science and Technology (MEST), 2010). STEM 교육의 핵심은 과학과 공학의 융합이라고 할 수 있는데(Guzey, 2014; NGSS Lead States, 2013; Roehrig, 2018) 학습자가 가진 과학(자)과 공학(자)에 대한 인식은 STEM 교육에 대한 학습동기와 결과뿐 만 아니라 학습자의 진로 선택에 중요한 영향을 미 친다. 특히 학생들의 공학과 공학자에 대한 잘못된 인식은 학생들이 STEM분야에 대해 낮은 흥미를 갖 게 할 뿐만 아니라(Kim et al, 2012) STEM 분야 진 로선택에도 중요한 영향을 미친다(e.g. Son & Woo, 2003). 안타깝게도 우리나라 초등학생들은 과학과 공 학기술에 관한 책, 프로그램, 행사 등에 관심이 적고 장래에 공학기술과 관련된 직업을 갖는 것에 대해서 도 매우 부정적인 견해를 가지고 있다(Jung, 2011). 특히 여학생들은 과학에 대해 부정적인 시각으로 인 해 과학에 대한 진로선택을 꺼려하고 있다(Brownlow et al., 2002; Lim, 2014). 성인들이 갖는 과학이나 수 학에 대한 태도는 대부분 그들의 초등학생 때 형성 되기 때문에(Thompson & Lyons, 2005) 초등학생 때 부터 올바른 인식과 함께 긍정적인 태도를 함양할 수 있어야 한다. 다시 말해, STEM 교육의 목적을 달성하기 위해서는 우선적으로 학생들의 과학공학에 대한 인식을 바르게 이해하고, 나아가 학생들이 과학 과 공학에 대한 바람직한 인식을 갖도록 해야 한다.

    지금까지 학생들의 과학공학에 대한 인식을 알아보 기 위해 많은 연구가 진행되었다(e.g. Kwak et al., 2015). 학생들이가진 과학자에 대한 인식연구는 1957 년 Mead와 Metraux가 고등학생을 대상으로 과학자 에 대한 그림 그리기를 통해 조사되기 시작하였다 (Fralick et al., 2009). 이후 Chambers(1983)의 연구 에서 과학자에 대한 그림 그리기, 또는 ‘Draw a Scientist Test (DAST)’라는 명칭의 도구를 사용하면 서 계속 발전하였다.

    학교교육에서 공학교육의 중요성이 강조 되면서 학 생들이 가진 공학과 공학자에 대한 인식 연구의 필 요성이 대두되기 시작했다. 학생들이 가진 공학과 공 학자에 대한 인식 연구는 DAST와 유사한 Draw an Engineering Test(DAET)를 사용하여 측정되었다 (Knight & Cunningham, 2004; Thompson & Lyons, 2005). 또한 최근 선진국을 중심으로 과학교육에서 공학 교육의 융합 또는 초중등 학교에서 STEM분야 교육의 중요성이 대두되면서 과학자와 공학자 또는 기술자의 모습을 함께 그리게 하여 학생들이 가지는 인식이 STEM 분야별로 어떻게 다른가에 대해 연구 가 진행되기도 하였다(Fralick et al., 2009; Kim et al., 2012; Lee & Park, 2010).

    학생들의 인식에 대해 더 자세하게 알아보기 위하 여 그림 그리기 도구뿐만 아니라 그림에 관한 몇 가 지의 문항에 보조적으로 기술하는 형식이 함께 사용 (Fralick et al., 2009; Hirsch et al., 2011; Knight & Cunningham, 2004; Lee & Park, 2010)되기도 하였 으며, 더불어 개인 인터뷰를 추가적으로 진행(Karatas et al., 2011; Oware et al., 2007)하기도 하였다.

    인식을 알아보기 위한 대부분의 연구에서 학생들의 그림과 함께 서술형 문항, 개인 인터뷰를 통해 얻은 내용들을 분석하기 위해 체크리스트가 활용되었다 (Fralick et al., 2009; Hirsch et al., 2011; Karatas et al., 2011; Kim et al., 2012; Lee & Park, 2010; Thompson & Lyons, 2005). 그림 그리기 인식연구에 서 주로 활용되어지는 체크리스트는 Fralick et al.(2009)이 개발한 것이다. 이것은 크게 과학자 및 공학자의 외형, 장소, 행동의 추론, 대상 또는 물체라 는 4개의 범주로 나뉘며 각각 최소 7개에서 37개의 세부적인 항목으로 나뉘어 있다.

    그림 그리기와 추가적인 방법에 의해 조사된 학생 들의 공학과 공학자에 대한 인식 연구는 학생들의 인식이 실제 공학과 공학자가 하는 일에 대한 이해 가 낮음을 보여준다. 공학자(Engineer)라는 단어에 ‘Engine’이 포함되어 있기 때문에 학생들은 공학자를 주로 자동차, 기계, 건물 등과 연관하여(Knight & Cunningham, 2004)고 있으며 일하는 장소도 실내보 다 주로 야외에서 일하는 사람으로 인식하고 있다 (Lee & Park, 2010). 또한 공학자는 기계, 연장 및 각종 도구를 사용하는 사람으로 생각하여 작업현장에 서 일하는 노동자, 인부로 생각하고(Fralick et al., 2009)있으며, 일부 학생들은 공학자를 지저분한 직업 으로 생각하는 등 공학에 대해 잘못된 인식을 갖고 있다(Karatas et al., 2011). 흥미롭게도 학생들이 인 식하는 공학자는 모두 남성이라는 것이다(Fralick et al., 2009; Knight & Cunningham, 2004; Karatas et al., 2011; Kim et al., 2012; Lee & Park, 2010).

    앞서 언급한 것처럼 학생들의 공학과 공학자에 대 한 잘못된 인식은 학생들이 STEM분야에 대해 낮은 흥미를 갖게 할 뿐만 아니라(Kim et al, 2012) STEM 분야 진로선택에도 중요한 영향을 미친다(e.g. Son & Woo, 2003). 최근 STEM 분야에 대한 학생 들의 인식연구는 STEM 융합교육 프로그램을 적용하 고 이에 대한 긍정적인 효과를 알아보는 연구에 집 중되어 있다(e.g. Chae, & Noh. 2013). 드물게 STEM 융합교육 프로그램의 효과로 학생들의 공학에 대한 흥미를 알아보는 연구(Moon, 2009), 공학에 대 한 인식 변화(Nam et al., 2016), 그리고 과학 관련 직업에 대한 긍정적인 인식 변화 연구(Lee & Lee, 2014)가 있다. 다시 말해 STEM 교육의 핵심인 공학 과 공학자에 대한 인식 연구는 매우 드물며, 특히 초 등학교 과학영재학생들을 대상으로 한 공학과 공학자 에 대한 인식을 알아본 연구는 진행되지 않았다.

    따라서 본 연구는 과학과 공학을 융합한 STEM 융 합 교육 프로그램을 적용하여 초등 과학 영재 학생 들이 가지는 공학과 공학자에 대한 인식의 변화를 알아보고자 한다. 본 연구에서 적용된 과학공학 융합 교육은 공학적 설계를 핵심 교수법으로 활용한 것으 로 실제 공학문제 상황을 제시하여 학생들이 직접 공학자가 되어 문제를 해결 하는 경험에 초점을 두 었다.

    연구 방법

    본 연구는 기술통계적 방법을 적용한 양적 연구와 질적 연구가 함께 사용된 혼합연구의 방법으로 진행 되었다.

    연구 절차

    과학공학 융합 수업을 통해 초등학교 영재 학생들 의 공학과 공학자에 대한 인식, 공학 수업에 대한 인 식의 변화를 알아보기 위한 연구는 Fig. 1과 같은 절 차로 진행되었다.

    과학 공학 융합 수업 내용

    본 연구를 위해 개발된 총 24차시의 과학공학 융 합 수업의 주제와 공학 설계 목표는 Table 1과 같다. 각 주제별 수업은 학생들이 과학적 개념과 원리를 학습함과 동시에 공학 설계 과정을 통해 주어진 문 제를 해결하기 위해 정해진 예산과 시간 안에서 해 결방안을 고안하고 최종 산출물을 평가 및 수정하는 최적화과정을 경험할 수 있게 구성되었다. 학생들은 모든 수업에서 4~5명씩 구성된 모둠으로 협력 및 협 동 활동을 하였다. 주제가 변경될 때마다 새로운 모 둠을 만들어 다른 학생들과 함께 활동하면서 의사소 통능력 및 협력하는 방법을 기를 수 있게 하였다.

    ‘지진과 내진설계’는 지진피해를 가장 적게 받을 수 있는 다양한 건축 구조물을 설계하는 활동을 하 며 ‘나만의 정수기 만들기’는 다양한 필터 재료를 사 용하여 오염된 물을 가장 잘 정화할 수 있는 정수기 를 만드는 활동을 한다. ‘예산을 절약하는 세계여행 경로 찾기’는 주어진 예산 내에서 대기와 해류의 순 환을 이용하여 가장 경제적이고 효율적인 세계여행 경로를 설계하고, ‘화성착륙선’은 높은 층에서 떨어뜨 려도 계란이 깨지지 않는 낙하구조물을 설계한다. ‘빛 과 보안장치’는 여러 개의 거울에 레이저 빛을 반사 시켜 빛에 닿으면 울리는 경보장치를 이용하여 쉽게 물건을 꺼내지 못하게 설계한 후 다른 모둠의 사람 이 경보장치가 울리지 않게 물건을 꺼내는 활동을 한다. ‘풍력장치’는 두께, 모양, 날개 개수 등 다양한 형태의 가장 무거운 물체를 들어 올릴 수 있는 블레 이드를 만들고 ‘아파트단지를 설계하라’에서는 설정 된 채광 조건하에서 사계절 내내 빛이 잘 들어올 수 있는 아파트의 높이와 배열을 고려하여 설계하는 활 동을 한다.

    연구 대상

    본 연구의 연구 대상은 2017학년도 P광역시 내 대 학교 과학영재교육원 초등 심화과학과정 20명 전원 으로 하였다. 초등학교 5학년 6명, 6학년 14명으로 구성되어 있으며 성별로는 남학생은 14명, 여학생은 6명이다.

    자료 수집

    1) 인터뷰

    학생들의 인식을 더욱 구체적으로 알아보기 위해 그림 그리기와 서술 문항 응답에 대한 개인 인터뷰 를 사전사후에 진행하였다. 사후에는 공학 및 공학자 에 대한 인식과 더불어 공학 수업에 대한 학생들의 인식을 알아보기 위해 초점 집단 면접(Focus Group Interview)을 추가 진행하였다. 개인 인터뷰는 그림 그리기가 끝난 학생부터 개인별로 5-15분간 진행하였 고, 초점 집단 면접은 모둠별로 한 사람씩 무작위로 선정한 5명의 학생과 약 25분간 진행하였다. 초점 집 단 면접에 사용된 질문(Table 2)은 학생들이 24차시 의 활동을 통해 느낀 공학활동과 공학자에 대한 생 각에 대해 알아보기 위해 연구자 3인에 의해 개발되 었으며 반구조화된 형식으로 진행되었다.

    2) 공학 및 공학자 그림 그리기 검사 도구

    과학공학융합 수업 사전과 사후, 학생들이 공학과 공학자에 대한 인식을 알아보기 공학 및 공학자 그 림을 수집하였다. 그림 그리기 검사 도구는 기존 선 행 연구를 기반으로 하여 연구자 3인에 의해 개발되 었으며 그림과 함께 그림에 대한 구체적인 설명을 할 수 있도록 9개의 서술문항을 포함하고 있다. 그리 기 검사는 서술 문항을 포함하여 사전과 사후에 각 각 약 30분간 진행되었다. Table 3은 그림그리기 검 사에 포함된 서술 문항이다.

    자료 분석

    1) 공학 및 공학자 그림그리기 자료 분석

    학생들이 그린 그림과 서술형 문항에 대한 응답은 인터뷰에서 나타나지 않은 항목들을 알아보거나 인터 뷰 내용의 전체적인 맥락을 확인하기 위해 보조적으로 사용되었다. 연구자 3인이 각각 분석한 내용을 표로 정리하여 비교하였으며 연구자간 일치도는 95%였다.

    2) 인터뷰 분석

    개인 인터뷰 자료를 본 연구의 주 분석 자료로 활 용하였다. 사전 및 사후검사에서 약 5분간 진행한 개 인 인터뷰 녹음 자료를 전사하여 9개의 서술형 항목 에 맞추어 1차 코딩을 하였다. 1차 코딩된 자료를 다 시 범주화 시켜 연구자 3인의 교차분석을 통해 2차 코딩을 하고 분석항목을 구성하였다. 분석항목은 인 원수, 성별, 공학활동에 소요되는 시간, 장소, 입고 있는 옷, 공학자의 성격, 공학자가 하고 있는 일, 공 학이 우리에게 주는 도움, 요구되는 지식과 능력, 필 요한 것, 공학자가 직면하는 어려움, 해결방법으로 총 12개이다. 분석항목대로 다시 분류된 자료에 대해 1차 빈도분석과 사전-사후 간 차이를 알아보기 위해 대응표본 t검증을 실시하였다. 초점 집단 면접 역시 녹음된 자료를 전사한 후 개인 인터뷰 분석항목에 맞추어 코딩하였으며 개인 인터뷰 분석 방법과 동일 한 방법으로 분석하였다.

    연구 결과

    공학과 공학 활동에 대한 인식변화

    1) 인원수

    사전검사에서 총 20명의 학생 중 15명의 학생 (75%)이 공학자를 1명만 그렸으나 사후검사에서는 절반 이상(55%)의 학생들이 공학자를 여러 명 그렸 고 1명만 그리는 학생이 9명(45%)으로 감소하였다. 사전, 사후검사에서 학생들이 공학 및 공학자에 대해 그린 그림을 ‘인원수’에 따라 분석한 결과는 Table 4 와 같다.

    또한 사전-사후에 나타나는 ‘인원수’에 따른 인식 변화는 Table 5와 같이 대응표본 t검정 결과 통계적 으로 유의미한 차이(t= −2.854, p< .05)를 보였다. 대 응표본 t검정 시, ‘1명’의 경우 0, ‘여러 명’을 그린 경우는 1로 등간척도를 두어 분석하였다. 분석 결과 는 학생들이 과학공학 융합 수업을 통해 공학 활동 은 혼자서 하는 것이 아니라 여러 사람과 함께하는 과정이라는 인식으로 변화했음을 보여준다.

    2) 공학 활동이 이루어지는 장소

    ‘공학자가 어디서 공학활동을 주로 하는가’에 대한 질문에 대해 학생들의 사전과 사후검사에서 응답한 결과는 Table 6과 같다. 사전검사에서 전체 응답 중 ‘연구소, 연구실’이 가장 높은 비율을 차지했고(52.4%), ‘실험실, 과학실’이 그 다음으로 높았다(19.0%). 사후 검사에서도 사전검사와 동일하게 ‘연구소, 연구실 ’(31.8%)와 ‘실험실, 과학실’(27.3%) 순서로 높은 비 율을 보였다. 그리고 사전검사에서 나타나지 않았던 ‘설계실’(9.1%)과 ‘사무실’(9.1%)의 응답이 사후검사 에서 새로 추가되었다. 흥미로운 점은 사전과 사후검 사에서 공학자들은 주로 실내에서 공학 활동을 한다 고 인식하는 학생들이 대부분이었으며 이는 선행연구 (Lee & Park, 2010)와 다른 결과이다.

    3) 공학 활동에 소요되는 시간

    ‘공학 활동을 하는데 시간이 얼마나 걸릴까’에 대 해 사전과 사후검사에서 응답한 내용은 Table 7과 같 다. Table 8은 Table 7의 자료를 이용하여 대응표본 t 검정을 한 결과이며, ‘몇 시간’을 0, ‘며칠’을 1, ‘몇 주’를 2, ‘몇 개월’을 3, ‘1-2년’을 4, ‘3년 이상’을 5 로 등간척도를 두었다.

    사전검사에서는 몇 개월이 걸린다고 하는 학생들이 가장 많았다(35%). 그러나 사후검사에서 대부분의 학 생들(65%)이 공학활동을 하는데 3년 이상이 걸릴 것 이라고 하였다. 시간이 오래 걸리는 이유에 대해 학 생들은 공학 설계과정의 특성, 즉 반복적 설계와 평 가, 다른 전문가들과의 협업 과정 등을 예로 들며 설 명하였다.

    “지금 제가 그린 걸로는 형태는 잡아가고 있으니까 물 채우고 좀 더 보강하고 마지막 점검까지 하는데 한 달 정도 걸릴 거 같아요(이 전체 프로젝트는 얼마정도 걸릴까? 실험실에서 설계 부터 했다면?). 한 2~3년 정도.” -A학생(남)(사후검사 中)

    “원래 과학자나 어떤 주제에 대해서 연구하는 사람들은 모두 다 어떻게든 실패도 할 수 있고 시행착오도 다 겪어 봐야하는 것이기 때문에 그런 힘든 과정들을 거쳐 가면서 힘들게 그리 고 어렵게 다른 연구원들하고 노력해가지고 얻은 성과를 길게 는 10년 보다 더 오래 걸릴 수도 있고, 만약에 한 번에 성공 하면 2년 정도 할 수도 있을 거 같아요.” -B학생(남)(사후검사 中)

    A와 B학생의 사후검사 개인 인터뷰 내용에서 알 수 있듯이 설계 후 시제품을 평가하고 보완하는 작업 을 여러 번 반복하고 혼자가 아니라 다른 사람들과 함께 하면서 여러 번의 시행착오를 거치기 때문에 공 학 활동이 몇 년씩 오래 걸린다고 하였다. 과학공학 융합 수업을 통해 학생들이 가진 공학 활동에 소요되 는 시간에 대한 인식의 변화는 Table 8과 같이 통계 적으로 유의미한 차이(t = −2.987, p< .01)를 보였다.

    4) 공학자가 하고 있는 일(공학 분야)

    학생들이 사전과 사후검사에서 그린 공학자들이 하 는 공학 활동의 종류를 분석한 내용은 Table 9과 같 다. 과학공학 융합 수업 전에는 공학의 분야에 대해 ‘로봇, 인공지능’(50.0%), ‘기계’(15.4%), ‘전기전자, 컴퓨터’(11.5%), ‘설계’(11.5%)의 순서로 인식하였고, 수업 후에는 ‘로봇, 인공지능’(35.5%), ‘설계’(14.7%), ‘생명’(14.7%), ‘에너지, 환경’(8.8%)의 순서를 보인다. 사전과 사후 모두 ‘로봇, 인공지능’이 가장 많은 비율 을 차지하고 있으나 사전에 비해 사후에서는 ‘기계’와 ‘전기전자, 컴퓨터’의 상대적 비율이 축소되었다.

    사전과 사후의 응답횟수를 보면 학생들이 인식하는 ‘공학자가 하고 있는 일’이 한 학생당 평균 1.3개에서 1.7개로 30.8% 증가하였다. 즉, ‘공학자가 하고 있는 일’에 대한 학생들의 인식이 더 다양해졌다고 할 수 있다. 그 예로 ‘에너지, 환경’, ‘생명’, ‘기타(공학자의 사회 환원 모습 등),’가 새롭게 추가된 것을 들 수 있다. 특히 Table 10에서와 같이 ‘생명’분야‘에 대한 응답을 대응표본 t검정으로 분석한 결과(응답=1, 무 응답=0), 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(t = − 2.517, p< .05).

    Fig. 2와 Fig. 3은 사전과 사후에 공학자가 하는 일 의 범주가 다른 학생들의 예이다. 사후에 두 학생 모 두 공학자가 하는 일로 ’생명‘ 공학적 내용을 표현하 였다.

    B학생(Fig. 2)은 사전에서 로봇을 제작하는 공학자 의 모습에서, 사후에서는 식물이나 동물의 줄기세포 를 연구하는 생명 공학자를 그렸으며, C학생(Fig. 3) 은 사전에 설계와 현장 작업을 하는 건축 공학자에 대해 그렸고, 사후에서는 식물의 품종 개발에 대해 연구하는 생명 공학자들을 그렸다.

    5) 공학 활동 시 필요한 것(사람, 물건)

    공학자가 공학 활동을 할 때 필요한 것에 대해 학 생들이 사전과 사후검사에서 응답한 내용을 분석한 결과는 Table 11과 같다.

    사전검사에서는 학생 한 명당 평균 3.45개의 응답 을 보였고, 사후검사에서는 한 명당 3.85개로 공학활 동 시 필요한 것에 대한 인식이 다양해 졌다(11.6%). 모든 학생이 공학 활동에 필요한 것에 대해 사람과 물건을 함께 응답한 것은 아니지만, 사전검사 전체 응답 중 ‘사람’은 24.64%, ‘물건’은 75.36%를 차지하 고 있다. 사후검사에서는 사전과 비슷하게 전체 응답 중 ‘사람’은 31.2%, ‘물건’은 68.8%를 차지했다. ‘사 람’에 대한 응답의 경우 사전(14.5%), 사후(19.5%) 모두 ‘같은 분야 전문가’의 도움을 가장 필요로 하였 다. 이러한 결과는 학생들의 인터뷰 결과와 그림에도 반영되었는데, 예를 들어 D학생은 사후검사에서 “자 기보다 좀 더 똑똑하거나 경험이 많은 공학자들한테 조언을 얻으면 더 좋은 효과를 얻을 수 있을 거 같 아요.”라고 말하였다. 다음은 E학생이 사후 검사에서 정보기술 분야에서 기술 개발을 위해 여러 분야전문 가와의 협력의 필요성에 대해 말한 내용을 인용한 것이다.

    “IT같은 경우에는 컴퓨터 관련 분야에서 종사하고 있는 사람이 나, 반도체도 이렇게 딱딱하고 하니까 물질 같은 거 연구하는 사람이 있으면 좋을 거고, 반도체를 직접 써보고 느낀 점을 알고 있는 시민도 있으면 좋을 거 같고, 이런 반도체를 수출 하는 회사가 있을 거니까 이런 회사에서도 같이 했으면 좋겠 어요.” -E학생(여)(사후검사 中)

    또한 Fig. 4는 F학생의 사후검사 그림으로 하나의 프로젝트에 여러 분야의 공학자들이 함께 협력하는 모습을 나타내고 있다. 학생들은 공학자가 공학 활동 을 할 때 수직적 관계인 비서나 조수보다 유사한 분 야에서 더 좋은 아이디어를 제공해줄 수 있는 전문 가나 다른 분야에 관계된 사람들에게서 지식 및 정 보를 제공받아야한다고 인식했다.

    ‘물건’의 경우 사전과 사후 검사에서 특별한 차이 가 나타나지 않았다. 사전검사에서 ‘물건’은 ‘컴퓨터, 로봇, 인공지능’(18.8%), ‘공구’(15.9%), ‘기계, 전자 기기, 3D프린트’(13%) 등의 순서로 가장 필요하다고 인식하고 있었으며, 사후검사에서는 ‘컴퓨터, 로봇, 인공지능’(15.6%), ‘재료, 도구, 부품, 센서’(13%), ‘공 구’(10.4%) 등의 순서로 인식하고 있었다. 또한 ‘안 전용품’과 ‘설계도, 설계물’이 사후검사에서 새롭게 추가되어 학생들의 인식이 다양해졌다는 것을 알 수 있다.

    6) 공학자가 겪는 어려움

    공학자가 공학 활동을 할 때 가질 수 있는 어려움 에 대해 학생들이 사전과 사후검사에서 대답한 내용 을 분석한 결과는 Table 12와 같다.

    사전검사에 비해 사후검사에서 학생 한 명당 응답 의 개수가 1.3개에서 1.85개로 약 40.3% 증가하여 사후에 학생들이 공학자가 겪는 여러 가지 어려움에 대해 더 다양하게 인식하고 있음을 알 수 있다. 사전 검사의 전체 응답 중 공학자가 하는 일이 잘 안되면 시도를 계속 반복할 것이라는 ‘시행착오’의 응답이 42.3%로 가장 높았고 그 다음으로는 ‘제약조건, 예산 ’(19.2%), ‘고장, 분실’(7.7%) 등의 순서로 높은 비율 을 보였다. 사후검사에서는 ‘제약조건, 예산’의 응답 이 전체 응답 중 32.4%로 가장 많았으며, ‘시행착오’ 가 24.3%, ‘고장, 분실’이 13.5%로 그 다음 순서를 보였다. 사전에 비해 사후에 ‘제약조건’, 특히 ‘예산’

    이 공학자들의 공학활동에 중요한 어려움이 될 수 있다는 이해가 높아졌다고 할 수 있다. 이러한 인식 의 변화는 24차시의 과학공학 융합 수업에서 주어진 예산과 정해진 시간 속에서 문제를 해결하는 활동의 결과라고 할 수 있다. 다음은 학생들이 예산의 편성 과 운영에서 겪었던 어려움을 표현하는 대화의 일부 이다.

    연구자1: (... 중략) 그러면 이런 공학활동에서 가장 중요하다 고 생각되는 점은 뭐라고 생각해요?

    • (...중략)

    • E: 그 예산, 예산.

    • D: 예산 예산, 아휴 예산.

    • F: 현실적인 금액(예산)을 주고 재료의 가격(예산의 사용)도 현 실적인거..

    • (... 중략)

    • F: 저는 예산을 그렇게 중요하게 생각 안 했는데 모든 활동에 서 예산을 운영해야 하니까 예산의 중요성을 깨달았어요.

    7) 공학이 우리에게 주는 도움

    사전과 사후검사에서 이루어진 개인 인터뷰를 통해 공학이 우리에게 어떤 도움을 주는지에 대한 학생들 의 인식을 알아보았다. Table 13은 그 내용을 분석하 여 나타낸 것이다.

    사전검사에서 학생들이 ‘공학이 우리에게 주는 도 움’에 대해 응답한 내용 중 ‘생활이 편리’하다는 것 이 50.0%로 가장 많았고, ‘인명구조, 탐사’(12.5%), ‘삶 의 공간’(8.3%)의 순서로 높은 응답을 보였다. 사후 검사에서는 새롭게 추가된 ‘지속가능 관련 기술’이 전체 응답 중 29.2%로 가장 많은 응답이 있었고 ‘생 활이 편리’(20.8%), ‘인명구조, 탐사’(20.8%)가 동일 한 비율로 그 다음 순서에 위치했다.

    학생들은 사전검사에서 추상적으로 ‘공학이 우리 생활을 편하게 해준다.’고 표현하며 우리 생활이 어 느 부분에서 어떻게 편리해지는가에 대한 구체적인 내용은 언급하지 않았다. 그러나 사후검사에서 환경 보전, 사이버 범죄 예방, 친환경 에너지 개발, 품종 개량 등과 같이 공학이 발전함으로써 우리 생활과 국가에 사회문화적으로 기여하는 영향들에 대해 실제 적이고 구체적인 방안을 ‘지속가능 관련 기술’로써 설명하였다. 이러한 변화는 사전, 사후 대응표본 t 검 정에서 유의미한 차이로 나타났다(없음=0, 언급 횟수 에 따라=1 또는 2). 사전에 비해 사후에서는 ‘생활이 편리’를 응답한 학생 수는 유의미하게 줄었으며 (t =2.666, p< .05), ‘지속가능 관련 기술’은 유의하게 증가(t = −2.333, p< .05)하였다(Table 14).

    공학자에 대한 인식변화

    1) 공학자의 외모에 관한 인식 변화

    (1) 공학자의 성별

    사전과 사후검사에서 공학 및 공학자 그림 그리기 도구를 통해 학생들이 생각하는 공학자의 성별에 대 해 알아보았다. Table 15는 학생들이 그린 그림 속에 나타나는 공학자의 성별을 분석하여 나타낸 것이다. 몇 명의 학생들은 그림 속에 공학자를 표현하지 않 았고, 이 경우에는 ‘모름’으로 분류되었다.

    ‘공학자의 성별’의 전체적인 인식에는 사전과 사후 검사간의 차이가 나타나지 않았다. 그러나 특징적으 로 사전과 사후 모두 공학자를 ‘남성’으로 인식하는 학생들이 절반 이상으로 가장 많았으며 이는 선행 연구(Fralick et al., 2009; Karatas et al., 2011; Kim et al., 2012; Knight & Cunningham, 2004; Lee & Park, 2010)의 결과와 일치한다. 연구 대상으로 선정 된 학생들 중 모든 남학생들은 사전과 사후검사에서 공학자를(성별 ‘모름’을 제외하고) ‘남성’으로 표현하 였으며 ‘여성’공학자를 그린 남학생은 전무하였다. 그 림 속에 ‘여성’ 공학자가 있는 것은 전부 연구에 참 가한 여학생들의 그림이었으며 여러 명의 공학자를 그린 경우에도 남성과 여성 공학자를 모두 나타내었 다. 학생들은 자신을 공학자에 투영하여 표현하고 있 기 때문에 여학생들의 그림에서 여성 공학자가 나타 나고 있다고 할 수 있다.

    (2) 공학자가 입고 있는 옷

    공학자가 어떤 옷을 입고 공학 활동을 하는지에 대 한 학생들의 인식을 알아보았다. 학생들이 그린 그림 만으로 공학자가 입고 있는 옷을 파악하는 것은 어렵 기 때문에 개인 인터뷰를 통해 정확한 자료를 얻었다. 사전과 사후검사에서 학생들이 생각하는 공학자의 옷 을 분석한 내용은 Table 16에 정리되어 있다.

    ‘연구복, 실험복’(35.7%), ‘평상복’(32.1%), ‘안전복’ (14.8)의 순서로 전체 응답 중 높은 비율을 차지했다. 사후검사에서도 ‘연구복, 실험복’(39.4%)과 ‘평상복’ (27.3)의 비율이 높았지만, 사전에 비해 안전복 보다 는 ‘안전용품’(21.2%)을 그린 학생의 비율이 높아졌 다. 사전에는 학생들의 응답이 총 28개로 학생 한 명 당 평균 1.4개의 응답을 했으나 사후에는 1.65개로 17.9% 증가하여 학생들의 인식이 다양해졌다.

    2) 공학자의 성향

    사전과 사후검사에서 진행한 개인 인터뷰를 통해 학생들이 생각하는 공학자의 개인적 성향 을 알 수 있었다. Table 17은 그 내용을 정리한 것이다.

    학생들이 생각하는 공학자의 개인적 성향은 크게 공학자의 인성적 측면과 공학자로서 가져야할 역량으 로 구분되었다. 공학자로서 가져야할 역량은 ‘사회성’, ‘창의성’, ‘과제집착력’, ‘신중함’, ‘과학 기초 탐구 능 력’, ‘윤리의식’, ‘예술적 감각’이라는 하위 범주로 다 시 분류하였다. 공학자의 인성적 측면은 긍정적, 너 그러움, 착함, 나쁨, 과묵함, 무뚝뚝함 등을 포함한다. 공학자로서 가져야할 역량 중 ‘사회성’은 타인과의 관계에서 나타나는 성향으로 이타적, 친화력, 배려심, 봉사심, 협동심, 존중 등이 포함된다. ‘창의성’은 공 학자가 아이디어를 창의적이고 자유롭게 발산할 수 있는 성향과 관계되는 것으로 여유로움, 창조적, 낙 천적 등이 포함된다. ‘과제집착력’는 공학적으로 문제 를 해결할 때 나타나는 성향으로 끈기, 인내심, 집중 력, 집착력 등이 포함된다. 꼼꼼함, 예민함, 섬세함은 ‘신중함’으로 분류하였으며 ‘과학 기초 탐구 능력’은 과학적 연구를 수행하기 위한 능력으로 관찰력, 계획 적, 결과예상을 잘 함 등이 포함된다. ‘윤리의식’은 과학과 사회와의 관계 속에서 윤리, 도덕적 선택을 할 수 있는 성향을 말하며 악용에 민감함, 환경 사랑, 책임감 등이 이에 속한다.

    사전검사의 전체 응답 중에서 ‘인성’의 비율이 35.5%로 가장 높았고, 그 다음으로는 ‘과제집착력’ (32.3%), ‘사회성’(9.7%), ‘창의성’(9.7%), ‘신중함’ (9.7%)이 있다. 사후검사의 전체 응답 비율을 보면 ‘과 제집착력’이 23.6%로 가장 높고, ‘인성’이 21.8%, ‘사 회성’이 18.2%로 그 다음을 이었다. 이러한 결과는 학생들이 공학활동을 통해 공학적 설계에서 반복적인 평가와 수정과정의 중요성을 인식하였기 때문이라고 할 수 있다. 다음은 B학생이 사후의 개인 인터뷰에 서 공학 활동 중 끈기 있는 도전의 중요성을 언급한 내용이다.

    “공학자들은 우선 여러 가지 실패와 시행착오가 있기 때문에 그걸 당연하게 생각하고 끈기가 있어야 한다고 생각해요. 왜냐 하면 끈기가 없다면 중간에 실패했을 때 바로 포기할 수도 있 는데 이런 공학에서는 자신이 한 번 바로 도전해봤다고 되는 게 아니라서, 꼭 한 번 실패해도 포기하지 않고 끝까지 노력 하는 게 중요하다고 생각해요.” -B학생(남)(사후검사 中)

    학생들은 B학생과 같이 공학 활동은 단번에 성공 하는 것이 아니라 다양한 해결 방법들을 하나씩 시 행하면서 오랜 시간동안 수많은 실패를 거듭하기 때 문에 공학자는 쉽게 포기하면 안 된다고 생각하고 있었다.

    그리고 사전보다 사후검사에서 학생 한 명당 응답 수가 평균 1.55개에서 2.75개로 77.4% 증가하여 공 학자 성향에 대한 학생들의 인식이 더 다양해 졌다 고 할 수 있다. 특히 사후검사에서 ‘윤리의식’이 새 롭게 추가 된 것을 보면 공학 활동의 결과가 사회적 으로 미치는 영향들에 대해서도 학생들이 충분히 인 식하게 되었음을 알 수 있다.

    3) 공학자의 전문성

    (1) 공학자에게 요구되는 지식, 능력

    사전과 사후검사의 개인 인터뷰에서 공학자에게 어 떤 지식이나 능력이 요구되는지에 대해 학생들의 응 답을 얻었으며, 그 내용은 Table 18과 같다.

    사전검사에서 학생들의 전체 응답의 높은 비율 순서 는 ‘로봇’(19.1%), ‘과학’(19.1%), ‘기타역량’(14.9%), ‘컴퓨터, 인공지능’(12.8%)이고 사후검사에서는 ‘과학’ (24.5%), ‘기타역량’(20.8%), ‘컴퓨터, 인공지능’(11.3%) 의 순서를 보였다. 또한 학생 한 사람당 평균 응답률 도 12.8%로 증가하였다.

    ‘기타 역량’은 지식이나 기술적인 측면 보다 문제 를 해결하는 과정 속에서 요구되는 능력들을 일컫는 다. 사전검사에서 ‘기타 역량’에 속하는 내용으로는 집중력, 공간지각능력, 손재주, 긍정적인 마음, 새로 운 아이디어를 내는 능력, 봉사심 등이 있다. 사전과 달리 사후검사에서 학생들은 ‘기타 역량’으로 끈기, 창의성, 책임감과 함께 따뜻한 마음, 설득력, 공감능 력, 의사소통능력을 언급했다. 이는 공학 활동이 여 러 사람과 관계된 사회적인 활동이라는 것을 학생들 이 인식하고 있다는 것을 의미한다.

    Fig. 5는 사전과 사후에서 G학생이 그린 그림과 개인 인터뷰 내용을 비교한 것이다.

    “(공학자의 전문성은) 로봇이 망가진 부품에 대해 잘 알고 빨 리 고쳐줄 수 있는 능력(이에요)” -G학생(남)(사전검사 中)

    “(공학자는 기본적으로)기술이 필요할거고 사람들이 불편한 걸 공감할 수 있는 능력, 포기하면 많이 만들 수가 없으니까 끈 기랑 인내가 필요(해요).” -G학생(남)(사후검사 中)

    G학생은 사전과 사후검사 모두 로봇과 관련된 공 학자를 그렸다. 그러나 공학자에게 필요한 지식이나 능력에 대한 응답은 사전과 사후검사에서 차이를 보 였다. 사전에서는 로봇에 관한 기술적인 부분만 생각 했다면 사후에서는 생활 속에서 사람들이 불편함을 갖는 문제를 이해하고 파악하는 공학자의 역할과 능 력을 언급하면서 인식의 변화를 보였다.

    (2) 어려움을 해결하는 방법

    공학 활동을 하면서 직면하는 어려움을 공학자가 어떻게 대처하고 해결할 수 있을지에 대해 개인 인 터뷰를 통해 학생들의 인식을 알아보았다. Table 19 는 사전과 사후검사에서 알아본 학생들의 응답 내용 을 분석하여 정리한 것이다.

    사전검사에 비해 사후검사에서 학생 한 명당 응답 률이 17.4% 증가하였다. 사전과 사후에 응답한 항목 의 종류가 차이를 보이는데, 사후검사에서 ‘자금 지 원’과 ‘의견 조율’이 새롭게 추가되었다. 사전검사의 전체 응답 비율 중 가장 높은 것은 ‘다른 사람의 도 움’(41.7%)이며, 그 다음으로는 ‘계속 도전’(25.0%), ‘대체품’(16.7%) 등이 있다. 사후검사에서는 ‘계속 도 전’(33.3%), ‘다른 사람의 도움’(29.6%) 순으로 높은 비율을 보였고, ‘다양한 테스트’를 통해 기존의 방법 보다 좀 더 체계적이고 다양한 방법으로 시도한다는 응답도 11.1%로 나타났다.

    결론 및 제언

    본 연구는 과학공학 융합 수업이 초등학교 영재 학생들의 공학과 공학에 대한 인식에 미치는 영향에 대한 것이다. 본 연구에서 사용된 과학공학 융합 수 업은 공학적 설계 요소에 중점을 두어 개발된 활동 으로 특히 예산과 시간이 정해진 조건 안에서 문제 를 해결하는 방향으로 구성되었다. 연구 결과 전체적 으로 학생들의 공학과 공학자에 대한 인식이 바람직 한 방향으로 바뀌었음을 보여준다. 이러한 인식의 변 화는 크게 세 가지 부분으로 설명할 수 있다.

    첫 번째, 학생들은 공학 설계 즉, 공학적으로 문제를 해결하는 방법에 대한 이해가 높아졌다. 공학 활동에 필요한 시간이 사후에 통계적으로 유의미한 증가(t = − 2.987, p< .01)를 보여 학생들은 공학 활동은 단시간이 아니라 몇 년 이상씩 오래 걸리는 장기적인 과정이라 고 인식하게 되었음을 알 수 있다. 또한 공학자의 중 요한 성향으로 학생들이 선택한 ‘과제에 대한 집착력’ 의 응답비율과 공학자가 직면하는 어려움을 해결하는 방법에서 ‘포기하지 않고 계속 도전’하고, ‘체계적이고 다양한 방법들로 시도’한다는 응답의 비율이 사후에 높아졌다. 이러한 결과는 학생들은 수업 전에 비해 공 학 활동의 과정이 선형적이고 비가역적인 것이 아니라 반복적인 설계와 평가, 수정이 반드시 수반되어야 한 다고 바르게 인식하게 되었음을 보여준다.

    두 번째, 공학 활동은 혼자서 하는 것이 아니라 많 은 사람들과 관계되어 함께하는 일이라는 인식의 변 화가 있었다. 학생들이 사후검사에서 그린 그림 속의 공학자의 인원수가 유의미하게 증가(t =−2.854, p< .05) 했으며, 공학자에게 필요한 것에 대해서도 물건에 비 해 사람을 필요로 하는 상대적 비율이 증가하였다. 또 한 공학자의 성향에서 사회성의 상대적인 비율이 사후 검사에서 증가한 것을 보아 공학 활동은 사람들 간의 관계 속에서 이루어지는 사회적인 활동이라는 인식을 하게 되었음을 알 수 있다. 공학자에게 요구되는 전문 성에 있어서도 지식이나 기술적인 측면보다 문제를 해 결하기 위해 필요한 역량들을 강조했는데, 특히 사후 검사에서 공감능력, 의사소통능력 등과 같은 사회성 측면을 중요시 여기게 되었음을 알 수 있다.

    세 번째로 공학과 사회의 관계에 대한 인식도 바 람직한 방향으로 변화하였다. 공학은 단순히 우리의 삶을 편하게 해준다는 기술 그 자체라기보다는 환경 보전이나 생명존중과 같이 인간으로서 추구해야하는 가치를 위한 것이라는 인식으로 변하였다. 사후 검사 에서는 학생들이 공학의 분야로 인식하지 못했던 생 명공학과 에너지환경공학 등이 새롭게 추가되었다. 또한 공학이 우리에게 주는 도움에 대해 학생들은 사전검사에서 언급하지 않았던 사이버 범죄 예방, 식 물 품종 개량 및 멸종위기 동물 보호 등 구체적이고 실제적인 방안에 대해 이야기하였다. 공학자가 가지 는 성향 및 역량에 대해서도 윤리의식이 사후검사에 서 새롭게 추가되었다.

    본 연구 결과는 여러 선행연구(e.g. Nam et al., 2016)에서 강조하는 것처럼 과학 수업과 공학 활동을 융합한 교육을 통해 학생들이 공학에 대한 인식을 높일 수 있다는 것을 보여준다. 학생들은 과학공학 융합 수업을 통해 직접 공학자가 되어 활동하는 경 험을 했고 그 과정 속에서 ‘공학자’의 태도와 마음가 짐이 학생들에게 내면화되어 사후검사에서 보다 더 다양하고 구체적으로 공학자와 공학에 대해 인식한 것을 알 수 있다.

    본 연구는 초등학교 5, 6학년으로 구성된 과학영재 학생들 20명을 대상으로만 수행되었으므로 앞으로 더 다양한 학생들을 대상으로 연구가 진행될 필요가 있다. Nam et al. (2016)의 연구와 같이 공학을 융합 한 과학수업은 공업계 고등학교 학생과 같이 공업과 기술로 진로를 희망하는 학생들이 공학에 대해 바르 게 인식하도록 돕는다. 본 연구에서 사용된 공학과 과학이 접목된 수업은 미래 공학, 과학, 및 기술과 관련된 직업을 가질 학생뿐 아니라 미래 사회에 살 아갈 학생들의 융합적 역량을 고려한 과학 수업 전 략으로 더욱 다양한 학교 상황에서 연구될 필요가 있다(e.g. Kang & Nam, 2017; Park & Lee, 2014). 본 연구 결과와 함께 과학에서 공학융합 수업을 통 해 과학에 대한 흥미, 창의적 문제해결력과 같은 융 합적 역량에 미치는 영향과 더불어 학생들의 진로선 택에 긍정적으로 미치는 영향에 대한 연구를 진행한 다면 미래의 과학교육에 공학을 융합하는 효과적인 방안을 구체적으로 제시할 수 있을 것이다.

    사 사

    이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (2017R1D1A3B03031896).

    Figure

    JKESS-39-275_F1.gif

    Research Process and methods.

    JKESS-39-275_F2.gif

    Pre-test (left) and post-test (right) drawing of Student B

    JKESS-39-275_F3.gif

    Pre-test (left) and post-test (right) drawing of Student C

    JKESS-39-275_F4.gif

    Post-test drawing of Student F

    JKESS-39-275_F5.gif

    Pre-test (left) and post-test (right) drawing of student G

    Table

    Science and Engineering Integrated (SEI) Lesson Topics

    Focus group interview questions

    Open-ended question items in the drawing engineer and engineering test

    Analysis result of ‘the number of peoples in engineering practice’

    paired t-test result of ‘the number of peoples in engineering practice’

    *<i>p</i>< .05

    Analysis result about ‘the places of engineering practice’

    Analysis result about ‘required time in engineering practice’

    A paired t-test result about ‘required time in engineering practice’

    *<i>p</i><.05
    **<i>p</i><.01

    Analysis result about ‘engineer’s professional field’

    A paired t-test result about ‘engineer’s professional field’

    *<i>p</i><.05
    **<i>p</i><.01

    Analysis result of ‘objects needed in engineering practice’

    Analysis result about ‘difficulties that engineers experience’

    Analysis result about ‘benefits that engineering gives us’

    A paired t-test result about ‘benefits that engineering gives us’

    *<i>p</i>< .05

    Analysis result about ‘the gender of engineers’

    Analysis result about ‘engineers’ outfits’

    Analysis result about ‘engineers’ personal characters’

    Anaysis result about ‘required knowledge and skill to be an engineer’

    Analysis result about ‘how engineers solve problems in engineering practices’

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