Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.1 pp.75-91
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.1.75

Developing Systems Thinking-based STEAM Programs and Analyzing its Effects on Middle School Students

Yuran Kim1, Jaedon Jeon1, Jooyoung Eom2, Hyonyong Lee2*
1Department of Science Education, Graduate School, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2Department of Earth Science Education, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

이 논문은 김유란의 2018년도 석사 학위논문의 데이터를 활용 하여 재구성하였음.


Corresponding author: hlee@knu.ac.kr Tel: +82-53-950-5917
December 23, 2019 January 22, 2020 February 24, 2020

Abstract


The purposes of this study are 1) to develop a pre-education program for teaching the basic concepts of systems thinking and STEAM program based on systems thinking and 2) to investigate the effects of the program on middle school students’ systems thinking. The subjects were 4 seventh-graders and 4 ninth-graders in a middle school located in the province of Gyeongsangbuk-do. Data related to students’ systems thinking was analyzed using the rubrics developed by Hung(2008). The results were reviewed by experts to verify the validity of the rubrics and the reliability of students’ system thinking. In addition, the data analyzed with the rubrics, students’ awareness of systems thinking, word associations, causal maps and interviews were systematically analyzed to investigate the effects of the program on students’ systems thinking. The findings of this study were as follows: First, a pre-education program and teachers’ guidebook for teaching and learning the concept of systems thinking and causal maps were developed. The pre-education program consisted of familiar TV entertainment program-Infinite Challenge (Muhandojeon)-with a theme of Global Warming. Second, a STEAM education program based on systems thinking which was composed of 5 steps: Analysis- Design-Build-Assessment-Systems thinking. The major theme of the program was an air extinguisher. The developed STEAM education program had positive effects on improving middle school students’ systems thinking abilities such as understanding systems, relations within a system and system generalization. Therefore, it was concluded that the STEAM program could be instrumental for cultivating students’ STEAM literacy with improved systems thinking.



중학생을 위한 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램의 개발 및 효과 분석

김 유란1, 전 재돈1, 엄 주영2, 이 효녕2*
1경북대학교 대학원 과학교육과, 41566, 대구광역시 북구 대학로 80
2경북대학교 지구과학교육과, 41566, 대구광역시 북구 대학로 80

초록


이 연구의 목적은 중학생을 위한 시스템 사고 향상에 적합한 사전 교육 및 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 중학생에게 적용하여 프로그램의 효과를 분석하는 것이다. 이 연구는 중학생을 대상으로 시스템 사고에 대한 사전 교육 프로그램과 시스템 사고를 향상시키기 위한 STEAM 교육 프로그램을 개발하는 것이다. 개발된 프로그램은 경상북도에 위치한 소규모 중학교 1학년 4명, 3학년 4명을 대상으로 투입하여 효과를 분석하였다. 시스템 사고의 분석은 Hung (2008)에 의해 개발된 루브릭이 활용되었다. 학생들의 시스템 사고에 대한 신뢰도와 루브릭의 타당도를 확인하기 위해 전문가들이 연구 결과를 검토하였다. 시스템 사고의 효과를 확인하기 위해 루브릭, 시스템 사고에 대한 학생들의 인지, 단어 간 관계 분석, 인과 지도의 검사를 체계적으로 적용하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 시스템 사고 사전 교육 프로그램과 교사용 지도서를 개발하였다. 이는 학생의 시스템 사고에 대한 개념과 인과 지도 작성법에 대한 기초 지식을 학습시키기 위한 것이다. 개발된 사전 교육 프로그램은 ‘지구 온난화’를 주제로 한 무한도전이라는 친숙한 예능 프로그램을 이용하여 인과 지도 작성 방법을 학습하도록 구성되었다. 사전 교육프로그램은 대상 학생들이 친숙하 게 접근할 수 있도록 지구 온난화를 주제로 한 예능 프로그램을 기반으로 하였으며, 이를 통해 인과 지도 작성 방법을 학습할 수 있도록 구성하였다. 효과성 검사를 적용한 결과, 학생들의 시스템 사고 향상을 위한 사전 교육 프로그램은 효과적인 것으로 분석되었다. 둘째, ‘분석-설계-제작-평가-시스템 사고’의 5단계로 구성된 ADBAS 모형을 적용하여 ‘공 기 소화기’ 주제의 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 시스템의 이해 능력, 시 스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력에 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 개발된 사전 교육 프로그램 및 STEAM 교육 프로그램은 학생의 시스템 사고 향상을 돕는데 적합하며, 시스템 사고와 STEAM 교육 의 접목이라는 점에서 중요한 의미를 가진다. 또한 시스템 사고 향상을 위해 이 프로그램을 투입하기에 적절한 것으로 판단되어 ‘창의융합인재’를 양성하는데 기여할 것이다. 또한 시스템 사고 향상을 위한 위 프로그램의 적절한 투입은 창 의융합형 인재를 양성하는 교육 목표를 달성하는 데 있어 기여를 할 것으로 판단된다.



    서 론

    창의융합적인 인재가 필요한 미래 사회를 대비하여 우리나라의 교육은 큰 변화를 시도하고 있다. 그 대 표적인 예시는 2015 개정 교육과정에서 핵심 역량을 강화하고 지속적으로 STEAM 교육을 추구하고 있다 는 것이다(MEST, 2012a, 2012b;MOE, 2013, 2015). 교육부는 교육과정 개정의 취지를 실현하기 위해 학 생 참여 중심의 수업으로 학생들의 학습 흥미를 제 고하고, 창의적이고 융합적인 사고와 바른 인성 등 핵심 역량의 함양에 초점을 두고 교과별 핵심 개념 과 학습량을 적정화하는 교육으로 변화하고 있다 (KICE, 2015). 다음으로 Science(과학), Technology (기술), Engineering (공학), Arts (예술), Mathematics (수학)의 줄임말인 STEAM 교육을 통해 과학기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이고, 과학기술 기반 의 융합적 사고와 문제해결능력을 배양하기 위해 과 학 및 수학 교과를 기술, 공학, 예술, 인문 등과 연계 하는 데 초점을 두고 있다(MEST, 2012a;MOE, 2013;Yakman & Lee, 2012).

    이처럼 융합적 문제해결능력에 초점을 두고 있는 STEAM 교육의 필요성과 핵심 역량의 함양이 강조 되기 이전부터, 과학과 교육과정에서 ‘문제 해결력’은 지속적으로 다루어져 왔다(Bernie & Charles, 2012;MEST, 2012a, 2012b;MOE, 2013, 2015). 실생활에 서 우리가 접하게 되는 문제들은 특정 분야에 국한 되지 않고 다양한 영역의 개념으로 구성되어 있으며, 이들 구성 요소들은 서로 밀접한 연관을 가지고 있 다(Kim & Kim, 2002). 그러므로, 하나 이상의 지식 이나 개념이 포함된 복합적인 문제들을 해결하기 위 해 복잡한 시스템의 현상, 변화, 구성 요소들의 관계 를 파악할 수 있는 시스템 사고 능력이 주목받고 있 다(Kim & Kim, 2002; Kim et al., 2006; Kwon et al., 2011;Lee et al., 2011;Moon et al., 2004; Moon & Kim, 2007).

    시스템 사고는 과학교육에서 두 가지 측면의 유용 성을 가진다. 첫째, 시스템 사고는 역동적인 시스템 의 특성을 분석하여 결과를 예측하는데 유용한 사고 기법이다(Bertalanffy, 1968;Kim, 2005). 과학은 자연 현상과 사물에 대해 타당하고 신뢰할 만한 방법으로 지식을 생성하고 예측하는 학문이다(Jang, 2007; Kim & Kim, 2002; Moon & Kim, 2007). 복잡한 자 연 현상은 시스템 사고를 통해 체계적이고 전체적으 로 파악될 수 있고 시스템 내의 하위 요소들이 상호 작용을 하고 서로 영향을 미친다. 따라서 이러한 상 호작용을 통해 시스템이 시간에 따라 변하는 것을 체계적으로 유추하고 판단할 수 있는 것이다(Benzvi- Assaraf & Orion, 2005a, 2005b, 2010a, 2010b;Chen & Stoup, 1993; Kim & Lee, 2019; Lee & Lee, 2017;NRC, 2013). 즉, 시스템 사고를 통한 자 연 현상의 구성 요소 간 상호작용, 영향, 시간에 대 한 변화 예측 등 시스템적인 분석은 과학 현상을 체 계적으로 이해하는데 유용하다는 것이 밝혀졌다(Kali et al., 2003;Lee et al., 2011, 2018; Moon et al., 2004;Moon & Song, 2012). 둘째, 과학교육에서 과 학적 사고, 창의성 및 동기의 신장은 인지적 학업 성 취와 더불어 중요하게 다루어지고 있다(MEST, 2012a, 2012b;MOE, 2013, 2015). 선행 연구에 의하 면 학생들이 시스템적 관점에서 현상에 대해 통합적 으로 이해함으로써 문제를 스스로 해결하고 탐구해 보려는 동기와 호기심을 갖도록 하는데 기여한다 (Frank, 1999; Kali et al., 2003; Kim et al., 1999; Lee et al., 2011;Meadows, 2008;Senge, 2006, 2012). 특히 시스템 사고는 창의성과 확산적 사고 능 력을 향상 시키는데 기여하는 것으로 밝혀졌다(Kim et al., 2006).

    우리나라에서는 제7차 과학과 교육과정에서부터 ‘지구계’에 대한 내용이 포함되어 ‘시스템’에 대한 개 념이 강조되기 시작하였다(MEHRD, 2007). 2011년 8월 고시된 중학교 과학과 교육과정을 보면, 과학 교 과에서 다루는 순환계, 생태계, 소화계 등 여러 가지 계를 학습하여 지구계 및 지구계의 구성 요소와 특 징을 알게 하는 것을 중학교 과학과의 단원 목표로 정하였다(MEST, 2012a). 아울러, 지구 과학과 관련된 내용을 이해하는 그 개념적인 초점으로서 ‘시스템’이 적용되고 있다. 이와 동시에 하위계의 상호작용 역시 단원 내용으로 포함되어 시스템 사고를 향상시키도록 교과 내용이 구성되었다(Lee & Lee, 2013).

    이처럼 교육과정에서 점차 중요하게 다루어지고 있 는 시스템 사고를 측정하기 위해 Ben-Zvi-Assaraf & Orion(2005b)은 시스템 사고의 세분화된 수준을 제시 하였고, Zhang(2002)은 시스템 사고 능력 측정 범주 를 체계화하였다. 또한 Lim & Lee(2014)에 의해서는 시스템 사고의 하위 능력을 구체적으로 제시되었다 (Table 1).

    이를 기준으로 학생들의 시스템 사고력에 대해 단 어 간 관계 분석, 인과 지도, 면담을 활용하여 정량 적으로 분석할 수 있다(Lim & Lee, 2014). 시스템 사고의 능력 범주별 측정 방법을 정리하면 Table 2와 같다. 시스템 사고에 대해 정량적인 분석을 실시하기 위해 ‘개념 수’, ‘과정 수’, ‘연결 고리 수’, ‘역동적 수치’, ‘순환적 수치’의 기준으로 구분하여 평가할 수 있다(Lee et al., 2011;Lim & Lee, 2014).

    STEAM 교육에서는 다양한 교과의 융합을 통해 문제 상황을 이해하고 문제를 해결하기는 것을 목표 로 하기 때문에, 학생들이 교과의 핵심 개념과 교과 사이의 상호 관계를 파악하는 것을 중요하게 다루어 야 한다. 학생들이 융합적인 문제 상황을 접할 때 그 것을 해결하기 위해 관련된 여러 가지 요소들을 파 악하고, 요소 간 상호 작용과 영향을 고려하는 과정 에서 시스템 사고는 효과적으로 적용될 수 있다(Park & Lee, 2014).

    시스템 사고와 STEAM 교육을 연계한 선행 연구 를 살펴보면, 중등과학 영재학생들의 시스템 사고력 향상을 위한 STEAM 교육 프로그램의 개발 및 효과 분석(Park & Lee, 2014), 고등학생이나 예비 교사들 을 위한 시스템 사고 기반의 STEAM 교육 프로그램 의 개발 및 효과(Jeon & Lee, 2015; Park et al., 2018) 분석, STEAM 교육과 시스템 사고를 적용한 교사들의 교수 경험의 분석(Kim & Lee, 2019)의 연 구가 있었다. 이들 선행 연구에서는 시스템 사고를 기반으로 STEAM 교육의 효과성과 중요성을 제시하 였지만, 연구 대상은 중등학교 과학 영재, 고등학생, 및 교사들로 한정되었다. 이 연구에서는 선행 연구에 서 미비하게 다루어졌던 중학생 대상의 시스템 사고 와 STEAM 교육을 통합하여 적용한다.

    선행 연구에서 명확하게 도출된 결과는 시스템 사 고와 STEAM 교육의 연계를 통해 미래 사회를 대비 하여 융합적 사고와 문제해결력을 더욱 효과적으로 달성할 수 있다는 것이다. Jeon & Lee(2015)는 STEAM 교육의 효과적인 발전을 위하여 시스템 사고를 적용 한 통합적 연구의 필요성을 부각하였다. 아울러, Hwang et al.(2016)는 학생의 시스템 사고 향상에 대 한 학교 현장 기반의 구체적인 연구가 필요함을 주 장하였다.

    이러한 필요성에 근거하여 이 연구에서는 중학생을 대상으로 시스템 사고를 이해시키기 위한 사전 교육 프로그램(시스템 사고 사전 교육 프로그램)과 시스템 사고 향상에 적합한 STEAM 교육 프로그램을 개발 한다. 또한 이들 학생들에게 적용한 후, 학생들의 시 스템 사고 능력에 미치는 효과를 질적 검사도구와 면담을 통해 분석하는 것이다. 이를 위한 구체적인 연구 내용은 다음과 같다.

    첫째, 중학생을 대상으로 시스템 사고를 이해시키 는 사전 교육과 시스템 사고를 향상시키는데 적합한 STEAM 교육 프로그램을 개발한다.

    둘째, 개발된 프로그램이 적용된 후 시스템 사고 능력의 하위 개념인 시스템의 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력에 미치는 효과 를 분석한다.

    연구 방법

    1. 연구 절차

    이 연구에서 개발한 시스템 사고 사전 교육 프로 그램은 2010년에 방영된 무한도전 ‘나비효과’와 학생 들의 시스템 사고 이해를 위해 쓰인 ‘너는 꿈을 어떻 게 이룰래?’라는 문헌을 바탕으로 개발하였다. 또한 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램은 시스템 사고 하위 능력에 미치는 구체적인 효과를 확인할 수 있는 프로그램 개발을 위해 기존의 ‘공기소화기’ STEAM 교육 프로그램을 주제로 선정하였으며 각 차시에 시스템 사고의 요소를 도입하였다. 더불어 연 구 대상인 중학생의 수준에 적합한 프로그램 개발을 위해 2009개정 교육과정을 분석하여 성취 수준 및 성취 기준에 맞도록 과학, 기술, 예술, 인문 교수학습 에 필요한 개념을 고려하였다. 이 연구는 Lee & Kim(2009)가 개발한 ‘물의 순환’에 대한 시스템 사고 질적 분석 도구를 중학생의 수준에 맞게 수정하여 사용하였다. 시스템 사고 분석지의 전체적인 틀은 유 지하고, ‘물의 순환’ 개념에 미숙한 학생들을 위해 검사 결과에 영향을 주지 않는 선에서 부가적인 설 명을 추가하여 변환하였으며 인과지도와 면담 내용을 토대로 연구 결과를 정리 후 분석하였다.

    2. 연구 대상

    이 연구는 경상북도에 위치한 소규모 U중학교 전 교생 8명을 대상으로 진행되었다. 연구 대상은 1학년 4명(A, B, C, D), 2학년 4명, 3학년 4명(E, F, G, H) 으로 학년별로 구성하여 프로그램을 진행하였다. 이 중 2학년 4명은 개발된 프로그램의 적절성을 확인하 기 위함으로 예비 투입을 실시한 후 전문가 집단과 함께 투입 결과를 반영하여 프로그램을 수정보완하였 다(Table 3).

    프로그램 학습 내용, 탐구 활동의 용어는 학생의 수준과 이해도를 고려하여 수정하였으며, 명확한 평 가를 위해 평가 기준 항목을 제시하였다. 연구 자료 의 분석에서는 이들을 제외하고 8명을 분석 대상으 로 선정하였다. 이들은 외부의 교육은 받지 않은 도 서 벽지의 학생들로 구성되어 있으며 이 연구를 위 하여 학생들의 연구 참여 의사 및 학부모의 동의를 받았다.

    3. 자료 수집 및 분석

    가. 검사도구

    이 연구는 Lee & Kim(2009)가 개발한 ‘물의 순환 ’에 대한 시스템 사고 질적 분석 도구를 중학생의 수 준에 맞게 수정하여 사용하였다. 시스템 사고 분석지 의 전체적인 틀은 유지하고, 2009 개정 교육과정에 근거하여 ‘물의 순환’ 개념에 대해 검사 결과에 영향 을 주지 않는 범위 내에서 부가적인 설명을 추가하 였다(Fig 1).

    ‘물의 순환’의 개념을 학습하지 못한 학생들이 검 사 결과에 영향을 미치지 않는 선에서 시스템 사고 수준을 측정할 수 있는 답안을 작성하도록 안내 문 구를 제시하였다. 시스템 사고 능력 분석을 위한 루 브릭은 총 8항목으로 제시되어 있고, 각 항목은 5점 척도로 측정된다. 프로그램을 투입한 학생들의 시스 템 사고 하위 능력을 분석하기 위해 Lim & Lee (2014)의 분석법을 토대로 중학생의 수준에 맞게 보 완하였다.

    프로그램을 투입한 학생들의 시스템 사고 검사도구 는 Hung(2008)에 의해 개발된 시스템 사고 분석 루 브릭을 수정보완한 ‘시스템 사고 능력 질적 분석을 위한 루브릭’을 적용하여 분석하였다(Lee & Lee, 2017). 시스템 사고의 질적 검사도구는 Ben-Zvi Assaraf, Orion(2005b), Lee & Kim(2009), Lee et al.(2011), Lim & Lee(2014), Jeon & Lee(2014), Lee et al.(2014)의 선행 연구에서 적용되었고 이미 신뢰 도와 타당도가 확보된 도구이다.

    나. 분석 방법

    Lim & Lee(2014)가 Ben-Zvi-Assaraf & Orion (2005a, 2005b)의 시스템 사고 수준과 Zhang(2002)의 시스템 사고 능력 측정 범주를 바탕으로 제시한 시 스템 사고 하위 능력을 기준으로 학생들의 검사지에 서 단어 간 관계 분석, 인과 지도, 면담을 활용하여 결과를 분석하였다.

    단어 간 관계 분석은 시스템 사고를 위한 개념과 그 과정을 알아보는 데 효과적으로 사용되는 질적 연구 도구이다(Ben-Zvi Assaraf, Orion, 2005a, 2005b) (Fig 2). 이 문항에서 학생들은 물의 순환과 관련된 단어들을 자유롭게 나열한 뒤, 각 단어들 간 관계를 분석하고 스스로 연상하여 서술하게 된다.

    학생들이 작성한 문항 답안을 ‘개념 수’, ‘과정 수’ 를 기준으로 평가하고 이를 근거로 시스템 사고 하 위 능력인 ‘시스템의 이해 능력’, ‘시스템 내 관계 파 악 능력’에 미치는 효과를 분석하였다. Fig. 2에 제시 된 학생 A의 문항2를 분석한 방법은 다음과 같다. 사전에 ‘물’, ‘증발’의 개념은 사후에 나타나지 않고, 사후에 ‘지하수’의 개념이 추가되었다. 사전 결과로 나타낸 ‘증발’을 사후에 바닷물, 이슬, 강물, 수증기 와 연결지어 과정으로 나타내었다. 따라서 중복되는 개념을 제외하면 개념 수는 사전 10개에서 사후 8개 로 감소하였으나 과정 수는 사전 9개에서 사후 10개 로 증가한 것으로 해석할 수 있다.

    인과 지도는 인과관계에 대해 고리를 이용하여 나 타낸 지도이다(Fig 3). 즉, 시스템의 요소를 찾아내어 그들 사이의 관계를 고리로써 전체 구조를 표현한 지도이다. 이 문항에서 학생들은 물의 순환과 관련된 현상의 원인과 결과를 스스로 파악하고, 그 과정을 나타내는 과정에서 순환 고리를 찾아 인과지도로 나 타낼 수 있다.

    Fig. 3에 제시된 학생 A의 문항4를 분석한 방법은 다음과 같다. 학생 A의 인과 지도를 살펴보면 개념 수는 사전 8개에서 사후 17개, 과정 수는 사전 6개에 서 사후 13개, 고리 수는 사전 1개에서 사후 6개, 역 동적 수치는 사전 0.12점에서 사후 0.35점, 순환적 수치는 사전 0.4점에서 사후 1점으로 모두 증가하였 다. 역동적 수치는 학생 A의 인과 지도에서 사전에 전체 개념의 수는 8개, 동적 개념의 수는 ‘증발’ 1개 로 0.16점을 부여하였고, 사후에 전체 개념의 수는 17개, 동적 개념의 수는 ‘땅에 스며듦’, ‘생물권에 이 용’, ‘증발’ 등 6개로 0.35점을 부여하였다. 순환적 수치는 사전에 학생 A의 인과 지도에서 ‘인과 지도 의 순환’, ‘증발로 인한 대기의 순환과 비를 통한 바 다와의 연결’을 포함하여 0.4점을 부여하였고, 사후에 는 다섯 가지 경우가 모두 나타나 1점을 부여하였다.

    또한 8명의 학생들의 시스템 사고 검사지 응답 결 과와 산출물 공기 소화기를 토대로 학년별 집단 면 담을 실시했고, 필요에 따라 개별 면담을 실시하였다 (Table 4).

    면담의 기본 틀은 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램 적용 전후의 시스템 사고 검사지를 비교하 고, 과학적 오개념, 인과관계의 모호한 표현에 초점 을 맞추어 질문했고, 시스템 사고 검사지에 충분히 설명되지 않은 부분에 대한 추가적인 질문을 하여 시스템 사고 하위 능력 향상에 필요한 자료를 수집 하였다. 학생 동의하에 녹취된 면담 결과는 정리하여 시스템 사고 하위 능력에 맞게 분류하였다.

    연구 결과

    1. 시스템 사고 향상을 위한 사전 교육 및 STEAM 교육 프로그램 개발

    가. 시스템 사고 사전 교육 프로그램 개발

    개발된 프로그램은 총 5단계로 구분하여 각 단계 별 문항 및 활동지를 개발하였다. 1단계는 ‘개별 사 건으로 다가가기’ 단계이고 문항1에 해당된다. 영상 을 시청하며 작성하는 문항1은 상황의 단순한 변화 에 초점을 두고, 변화된 상황만을 기록한다. 두 번째 단계는 ‘인과적으로 다가가기’로 변화된 상황의 원인 을 찾아 연결 짓고 기록해야하는 문항2로 구성된다. 세 번째 단계는 ‘인과적으로 연결하기’이다. 이 단계 에서는 관찰한 상황의 각 부분을 파악하고, 전체적으 로 연결 짓는다. 이 과정에서 학생들은 각 사건들이 독립적으로 기능을 발휘하면서도 서로에게 영향을 미 치고 있음을 확인할 수 있고 이러한 내용의 문항3을 개발하였다. 네 번째 단계는 인과지도를 추가 작성하 는 단계이고, 문항4는 ‘시험공부와 공부시간’, ‘지구 온난화’, ‘날씨와 우리생활’과 같은 친숙한 생활 예시 를 활용한다. 마지막 단계는 학생들이 작성한 인과지 도를 발표, 비교 및 토의하여 기록하는 단계이다 (Table 5).

    학교 현장에서 효과적으로 적용할 수 있도록 교사 용 지도서의 개발도 함께 수행하였다. 교사용 지도서 의 구성은 크게 시스템 사고 및 프로그램 안내, 문항 모범답안 및 해설, 개발 프로그램 운영 및 적용 방안 에 대한 내용으로 구성되어 있다.

    나. 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램 개발

    이 연구를 통해 학생들의 시스템 사고 능력을 향 상시키고 이를 효과적으로 분석하기 위한 시스템 사 고 기반의 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 개 발된 프로그램은 이효녕 외(2012)에서 개발한 ‘공기 소화기’ STEAM 교육 프로그램을 시스템 사고 기반 의 STEAM 교육 프로그램으로 수정보완하였고, 총 8시간이 소요되는 8차시 분량의 내용과 활동을 제시 하였다(Table 6). 개발된 시스템 사고 기반의 프로그 램은 연소와 소화, 기압, 힘, 파스칼의 원리, 베르누 이의 법칙 등의 과학적 개념과 속력, 그래프, 원과 원기둥 등의 수학적 개념, 설계 등의 공학적 개념, 미적인 요소 등의 예술적 요소를 포함하여 교과 간 융합이 자연스럽게 이루어지고, 다양한 탐구활동을 경험할 수 있는 기회가 된다(Lee et al., 2012). 또한, 간단한 탐구 활동으로 시작하여 문제 상황을 해결하 기 위한 산출물을 만들기까지 재설계 및 재제작의 기회를 부여하여 시스템 사고가 이루어질 수 있도록 하였다.

    2. 개발된 프로그램이 시스템 사고 능력에 미치는 효과 분석

    학생 A~H의 시스템 사고 하위 유형에 따른 향상 정도를 종합하면 Table 7과 같다.

    학생 A, B, C는 시스템 능력의 모든 하위 항목에 서 뚜렷한 향상을 보였으며 학생 F, G, H의 경우 일 부 시스템 능력의 하위 항목에서 변화 없음으로 분 석되었다.

    시스템 사고의 가장 뚜렷한 향상을 보인 학생 C는 수권, 기권, 생물권에서 물의 순환을 인과적으로 표 현하였고(Fig. 4), ‘북극에 빙하가 녹음-사람들이 쓰레 기를 버림’의 관계를 면담을 통해 인과적 관계를 부 가적으로 설명하였다. 또 과정과 개념 요소 사이의 상호관련성, 피드백 과정에서 80% 이상 맥락을 파악 하였고, 정확하게 인과지도를 설명하였다. 이를 통해 학생 C는 시스템의 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력이 향상되었음을 확인할 수 있었다.

    학생 F의 경우 ‘시스템 내 순환성 이해’와 ‘시스템 적 예측’에 대해서만 변화 없음으로 분석되는데(Fig. 5), 사후 검사지 분석 결과와 개별 면담을 실시하여 그 이유를 파악하였다.

    • 연구자: 인과 지도를 하나씩 설명해 볼까? 첫 번째 인과 지 도부터 설명해보자.

    • 연구자: ‘펭귄과 북극곰’과 ‘남극과 북극’은 어떤 인과관계가 있는 거니?

    • 학생 F: ‘펭귄이랑 북극곰이 살면서 자연이 유지될 수 있다.’ 이런 의미로 썼어요.

    • 학생 F:두 번째는요, 지하수에 물이 흘러서 하천이 생기고, 하천은 바다로 이동해요. 바닷물이 모여 있으면 수 증기도 많이 증발될 거고, 그럼 구름의 양도 많아지 고 비의 양도 많아질 거예요. 그럼 빗물이 땅속으로 많이 들어가면서 지하수가 많이 생성된다고 생각했 어요. 그리고 구름이 많아지면 태양빛이 덜 들어와 서 추운 날씨가 계속 되고, 눈이 많이 내리게 돼요.

    • 연구자: 세 번째 인과 지도를 한 번 완성해볼까?

    • 학생 F:음.... 아! 여기를 연결할 수 있어요. 인간이 사용하 는 물의 양이 줄어들게 되면 물 소비도 줄어들게 되니까 여기를 연결하면 되겠네요.

    학생 F는 ‘펭귄과 북극곰-남극과 북극’와 같은 인 과 관계는 과학적으로 설명되었으나 과정과 개념을 이해하는 정도가 낮게 나타났고, 작성한 인과 지도의 과정과 개념을 부분적으로만 설명하였다.

    학생 G의 경우 인과 지도의 동적 과정은 일부 설 명하였지만, 시간 지연의 영향은 설명하지 못하였다. 또한 작성한 인과 지도의 과정과 개념을 부분적으로 만 상황과 함께 설명하여 시스템 일반화 유형 수준 이 사전 검사와 비교하여 변화가 없었다(Fig. 6).

    학생 H는 인과 지도의 동적인 과정과 시간 지연을 부분적으로만 설명하였고, 과정과 개념을 제한적으로 설명하며 시스템 내 구성 성분과 과정의 조직화, 시 스템 일반화 유형에서 사전 검사 결과와 뚜렷한 차 이가 보이지 않았다(Fig. 7).

    자료 분석을 토대로 개발된 사전 교육 프로그램과 STEAM 교육 프로그램은 8명의 학생들의 시스템 사 고력 향상에 기여하였고, 하위 능력에서도 대부분 향 상된 것으로 나타났다.

    결론 및 제언

    이 연구의 목적은 중학생을 위한 시스템 사고 사 전 교육 프로그램과 시스템 사고 향상에 적합한 STEAM 교육 프로그램을 개발하고 학생들에게 적용 한 후, 학생들의 시스템 사고 능력의 하위 개념인 시 스템의 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스 템 일반화 능력에 미치는 효과를 알아보는 것이었다. 이 연구의 결과를 토대로 결론과 제언을 정리하면 다음과 같다.

    첫째, 시스템 사고 관련 기초 문헌 조사를 바탕으 로 시스템 사고 사전 교육 프로그램 및 시스템 사고 기반 STEAM 교육 프로그램을 개발하였다. 시스템 사고를 처음 접하는 학생들을 위한 시스템 사고 사 전 교육 프로그램 개발을 위해 선행 연구와 영상 매 체를 분석하여 학습자의 흥미를 유발하고, 프로그램 의 목적에 맞는 학습이 이루어 질 수 있도록 구성하 였다. 총 2차시로 구성한 시스템 사고 사전 교육 프 로그램은 지구온난화를 주제로 한 무한도전 ‘나비효 과’편을 시청하고, 활동지를 작성하는 활동으로 구성 되어 있다. 지구 온난화는 지구 시스템을 구성하는 요소들의 상호작용으로 인해 발생한다(Ben-zvi-Assaraf & Orion, 2005a, 2005b;Kali, et al., 2003;Lee et al., 2011). 지구 온난화는 시스템 사고 사전 교육 프로그 램의 주제로 적합했으며, 개발된 프로그램은 시스템 사고에 대해 익숙하지 않은 학생들에게 시스템 사고 를 수월하게 이해시켰으며, 시스템 사고 측정을 위해 인과 지도 작성 방법을 사전에 학습할 수 있었다.

    개발된 프로그램은 학생들의 창의적 문제해결력과 융합적 사고를 배양할 수 있고, 도전 과제를 수행하 는 동안 산출물의 재설계 및 제작 과정을 통해 시스 템 사고를 적용할 수 있도록 구성하였다. 개발된 STEAM 교육 프로그램은 학생들의 시스템 사고 능 력의 향상에 기여하였고, 시스템 사고가 연계된 프로 그램은 ‘창의융합형 인재 양성’이라는 교육과정의 궁 극적인 목표에 효과적일 것으로 기대할 수 있다. 다 시 말하면, 복잡한 문제 상황을 시스템적으로 파악하 고, 시스템 사고를 활용하여 창의적으로 문제를 해결 할 수 있는 경험을 통해 학생들의 시스템 이해 능력, 시스템 내 관계 파악 능력, 시스템 일반화 능력을 향 상시킬 수 있다는 점에서 의의가 있다.

    둘째, 학생들이 작성한 시스템 사고 사전 검사도구 와 사후 검사 도구를 비교하여 분석을 실시하고 개 발된 프로그램이 시스템 사고 능력에 미치는 효과를 확인하였다. 개발된 프로그램을 중학교 1학년, 3학년 학생에게 투입하여 시스템 이해 능력, 시스템 내 관 계 파악 능력, 시스템 일반화 능력에 미치는 효과를 확인하였다. 검사 도구 분석 결과, 연구 대상이 된 학생들의 시스템 사고 능력이 향상되었음을 확인할 수 있었다. ‘시스템 사고 평가를 위한 루브릭’으로 프로그램 적용 전후에 대한 인과 지도를 분석한 결 과 8항목에 대한 종합 점수가 긍정적 결과를 보이고 있다. 평가 루브릭의 8개 항목 중 ‘시스템의 표현’, ‘상 호 관련성’, ‘인과 관계’, ‘피드백 과정’, ‘동적 과정’, ‘맥락화’, ‘지식의 설명’ 7개의 항목에서 모든 학생들 의 시스템 사고 능력의 향상이 확인되었다. 그러나 ‘선 형성’ 항목은 5명의 학생은 사전사후 점수의 변화가 없었고, 3명의 학생만 능력의 향상을 확인할 수 있었 다. 선형성은 다중의 인과 관계를 평가하는 항목으로 이는 시스템에 대한 깊은 이해가 필요하다. ‘선형성’ 항목의 상승이 미비한 것은 8차시라는 비교적 짧은 시간 동안 프로그램이 진행되어 시스템 사고 능력이 발달하지 않은 학생들이 다중의 인과 관계를 파악하 는 능력을 습득하기에는 시간이 부족하였을 것으로 분석된다. 종합하면, 이 연구를 통해 개발된 시스템 사고 사전 교육 프로그램은 교사와 학생의 시스템 사고 입문 과정에 적합하고, 시스템 사고 기반의 STEAM 교육 프로그램은 학생들의 시스템 사고 능 력에 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다.

    기존 시스템 사고 기반의 STEAM 교육 프로그램 은 중등 과학 영재, 고등학생으로만 한정적으로 개발 되어 적용되었기 때문에, 이 연구는 중학생을 대상로 진행되었으며, 일반 중학생들에게서 나타나는 시스템 사고 기반의 STEAM 교육 프로그램의 효과를 분석 하여 중학교급에서 시스템 사고를 다룰 수 있다는 가능성을 확인하였다. 추후 2015개정 교육과정의 핵 심 역량을 반영하여 다양한 학교급의 학생을 대상으 로 한 시스템 사고 기반의 STEAM 교육 프로그램 개발 연구가 필요할 것이다. 또한 ‘시스템 사고 평가 루브릭’과 ‘시스템 사고 하위 능력 분석’을 통해 얻 은 결과의 일반화를 위해 좀 더 많은 학생들을 대상 으로 적용하는 연구가 진행될 필요가 있다. 2015 개 정 과학과 교육과정에서 시스템에 대한 내용과 과정 중심의 평가가 강조되고 있으므로 시스템 사고 능력 을 좀 더 체계적으로 평가할 수 있는 방법이나 도구 가 개발된다면 시스템 사고 능력을 체계적으로 분석 하고 향상시킬 수 있을 것이다.

    Figure

    JKESS-41-1-75_F1.gif

    Example of complement contents.

    JKESS-41-1-75_F2.gif

    A student’s answer of Question 2, before (left)/after (right).

    JKESS-41-1-75_F3.gif

    A student’s answer of Question 4, before (left)/after (right).

    JKESS-41-1-75_F4.gif

    C student’s answer of Question 4, before (left)/after (right).

    JKESS-41-1-75_F5.gif

    F student’s answer of Question 4, before (left)/after (right).

    JKESS-41-1-75_F6.gif

    G student’s answer of Question 4, before (left)/after (right).

    JKESS-41-1-75_F7.gif

    H student’s answer of Question 4, before (left)/after (right).

    Table

    Category and content of systems thinking sub-capacity (Lim & Lee, 2014)

    Measurement method of systems thinking (Lee & Lee, 2014)

    Rectification through pilot experiment

    Questions used for in-depth interviews

    Contents of the systems thinking pre-education program professor and learning activities

    Developed systems thinking based STEAM program executive table

    Total analysis results of system thinking (○: 향상, △: 변화 없음)

    Reference

    1. Ben-Zvi Assaraf, O. and Orion, N. ,2005a, A study of junior high students’ perceptions of the water cycle. Journal of Geoscience Education, 53(4), 366-373.
    2. Ben-Zvi Assaraf, O. and Orion, N. ,2005b, Development of system thinking skills in the context of Earth System Education. Journal of Research in Science Teaching, 42(5), 518-560.
    3. Ben-Zvi Assaraf, O. and Orion, N. ,2010a, System thinking skills at the elementary school level. Journal of Research in Science Teaching, 47(5), 540-563.
    4. Ben-Zvi Assaraf, O. and Orion, N. ,2010b, Four case studies, six years later: Developing system thinking skills in junior high school and sustaining them over time. Journal of Research in Science Teaching, 47(10), 1253-1280.
    5. Bernie, T. and Charles, F. ,2012, 21st century skills: Learning for life in our times. Jossey-Bass.
    6. Bertalanffy. L. , 1968, General system theory. NY: George Braziller. Biological Education, 25(1), 22-28.
    7. Chen, D. and Stoup, W. ,1993, General system theory: Toward a conceptual framework for science and technology education for all. Journal of Science Education and Technology, 2(3), 447-459.
    8. Hwang, Y. , Han, M. , and Kim, H. ,2016, Exploring middle school students’ system thinking revealed in small group. Biology Education, 44(4), 749-762. (in Korean)
    9. Hung, W. ,2008, Enhancing system thinking skills with modelling. British Journal of Educational Technology, 39(6), 1099-1120.
    10. Kali, Y. , Orion, N. , and Eylon, B.S. ,2003, Effect of knowledge integration activities on students’ perception of the Earth’s crust as a cyclic system. Journal of Research in Science Teaching, 40(6), 545-556.
    11. Korea Institute for Curriculum and Evaluation[KICE],2015, The 2nd workshop data collection by research team for development of the 2015 National Curriculum. Korea Institute for Curriculum and Evaluation. Seoul, Korea: Author.
    12. Kim, D. ,2005, Introspective reflection on applying systems thinking: Toward an incremental systems thinking. Journal of Governmental Studies, 11(2), 63-85. (in Korean)
    13. Kim, H. and Lee, H. ,2019, A phenomenological study of elementary school teachers’ system thinking-based science teaching experiences. Journal of the Korean Earth Science Society, 40(1). 68-85. (in Korean)
    14. Kwon, Y. , Kim, W. , Lee, H. , Byun J. , and Lee, I. ,2011, Analysis of biology teachers’ systems thinking about ecosystem. Biology Education, 39(4), 529-543. (in Korean)
    15. Lee, H. , Kwon, Y. , Oh, H. , and Lee, H. ,2011, Development and implementation of engineering design and scientific inquiry based STEM education program. Korean Journal of Teacher Education, 29(3), 301-326. (in Korean)
    16. Lee, H. and Lee, H. ,2013, Revalidation of measuring instrument systems thinking and comparison of systems thinking between science and general high school students. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 33(6), 301-326. (in Korean)
    17. Lee, H. and Lee, H. ,2017, Analysis and effect of high school students on system thinking using iceberg(IB) Models. Journal of the Korean Association for Science Education, 37(4), 611-624. (in Korean)
    18. Lee, H. , Jeon, J. , and Lee, H. ,2018, Development of framework and rubric for Measuring Students’ Level of Systems Thinking. Journal of the Korean Association for Science Education, 38(3), 355367. (in Korean)
    19. Lim, Y. and Lee, H. ,2014, Development and analysis of effects of writing educational program for improving system thinking ability. Journal of Learner-Centered Curriculum And Instruction, 14(12), 407-427. (in Korean)
    20. Meadows, D.H. ,2008, Thinking in systems. Washington, DC: Chelsea Green.
    21. Ministry of Education and Human Resources Development[MEHRD].,2007, The 2007 revised national science curriculum. Seoul, Korea: Author.
    22. Ministry of Education[MOE].,2013, STEAM education. Ministry of Education. Seoul, Korea: Author.
    23. Ministry of Education[MOE].,2015, The 2015 revised national curriculum. Ministry of Education. Sejong, Korea: Author.
    24. Ministry of Education, Science and Technology[MEST].,2012a, Science curriculum. Seoul, Korea: Author.
    25. Ministry of Education, Science and Technology[MEST].,2012b, The 2nd national plan for fostering sciencetechnology human resources. Seoul, Korea: Author.
    26. Moon, B. , Jeong, J. , Kyung, J. , Hoj, T. , Youn, S. , Kim, H. , and Oh, K. ,2004, Related conceptions to earth system and applying of systems thinking about carbon cycle of the pre-service teachers. Journal of the Korean Earth Science Society, 25(8), 684-696. (in Korean)
    27. Moon, B. and Song, J. ,2012, The effects of the teaching and learning strategy for systems thinking education in elementary students. Journal of Korean System Dynamics Society, 13(4), 81-99. (in Korean)
    28. National Research Council[NRC].,2013, Next Generation Science Standards: For States, By States. Washington, DC: The National Academy Press.
    29. Park, B. and Lee, H. ,2014, Development and application of systems thinking-based STEAM education program to improve secondary science gifted and talented students’ systems thinking skill. Journal of Gifted/ Talented Education, 24(3), 421-444. (in Korean)
    30. Park, K. , Jeong, H. , Jeon, J. , and Lee, H. ,2018, Development and application of systems thinking-based STEAM education program to increase pre-service science teacher’s systems thinking skill. Teacher Education Research, 57(1), 108-128. (in Korean)
    31. Senge, P.M. ,2006, The fifth discipline: The art and practice of the learning organization. New York: Crown Business.
    32. Senge, P.M. ,2012, School that learn: A fifth discipline fieldbook for educators, parents, and everyone who cares about education. New York: Doubleday.
    33. Yakman, G. and Lee, H. ,2012, Exploring the exemplary STEAM education in the U.S. as a practical educational framework for Korea. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 32(6), 1072-1086.