2016 공학교육학술대회

연구 설계 교육을 위한 문제구체화 기반 학습에대한 공학자와 예비연구자의 인식 비교

황요한

이화여자대학교 과학교육과

본 연구는 예비공학자의 연구 설계 교육을 위해 문제구체화 요소를 추출하고 이를 활용한 설계교육 방안을 개발하는데 목적을 두었다. 먼저 문제구체화를 ‘해결하고자 하는 문제를 발견한 후,이 문제를 해결하기 위해 가설을 세우고 검증 방법을 고안하고 설계하는 등 문제를 해결하는과정 중에 본격적인 수행을 시작하기 전까지의 활동’이라고 정의하고 구체적인 요소를 추출하였다. 이공계 연구자 교육을 위해 실시한 과정이므로 연구 분야 별 특이성을 배제한 공통적 요소를 찾기 위해, 과학의 탐구과정 및 공학설계를 기반으로 문헌조사를 실시하였으며, 서술식 설문과 연구 과정 및 회의 참관 및 인터뷰를 통한 델파이 조사를 실시하여 요소를 추출하였다. 최종적으로 추출된 8단계 50개의 문제구체화 요소의 타당성 검토를 위해 148명의 이공계 연구자들에게 활용 정도를 질문하였으며, 5점 만점에 3.97점으로 연구 설계에 많이 활용되는 요소로 적합함을 보였다.추출한 문제구체화 요소의 예비 공학자 설계 교육 활용 방안 검토를 위해 공학자 100명, 공학전공 대학원생 50명, 학부 연구생 93명을 대상으로 각 요소의 활용과 교육 필요성에 대해 설문하였다. 공학자의 경우 요소 활용이 4.07로 높게 나타났으며, 교육 필요성 역시 4.02로 높게 나타났다. 이에 비해 대학원생과 학부연구생은 평균이 3.90으로 전문가에 비해 조금 낮았다. 전체요소 중 15개 요소 이상에서 전문가가 더 많이 활용한다고 응답하였다. 이는 예비 연구자들에게전문가들이 많이 활용하는 요소들을 경험하게 하여 연구자의 역량을 길러줄 필요가 있음을 보여준다. 교육 필요성에 대해서는 대학원생이 4.07로 가장 높은 응답률을 보였다. 공학자의 집단을 물리 관련 공학(기계, 건축, 토목 등), 화학 관련 공학(화학, 신소재 등), 생명 공학, 전기/컴퓨터 공학, 산업/도시 공학으로 임의로 나누어 비교한 결과에도 집단 별 차이가 나타났는데, 이는각 분야별로 더 중요한 요소의 차이가 존재하므로 이를 고려한 교육이 필요하다는 것을 말해준다.연구 설계 교육 활용 방안 도출을 위해 전문가 협의를 통해 예비연구자 교육을 위한 순서로 단계를 조정하고, 각 단계와 요소의 정의와 활용 방법을 정리하였다. 전문가 인터뷰를 통해 연구설계 교육 적용에 대한 함의를 찾아 ‘문제구체화 기반 학습’ 방안을 개발하고, 활동지를 개발하였다. 이를 일반적으로 적용하는 방안과, 연구 분야 별로 적용하는 방안, 실험 수업에 적용하는방안과, 연구 프로젝트에 적용하는 방안을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 문제구체화 요소를활용한 연구 설계 교육 방안은 이공계 예비연구자 양성을 위해 적절히 활용될 수 있을 것이다.

연구 설계 교육을 위한 문제구체화 기반 학습에 대한 공학자와 예비연구자의 인식 비교

과학교육과 황요한

2016. 11. 8 한국공학교육학회

발견 해결수행 구체화

연구의 목적

• 창의적 이공계 연구자 양성을 위한 교육 • 과학기술 인력 양성이 중요(엄익천 등, 2015; 서혜애 등, 2007) • 예비연구자를 위한 대학교육과정 필요(홍성민, 2012; NAE, 2001) • 창의적 문제해결 능력이 중요한 역량 (김주현 등, 2012; 홍성민 등, 2013)

• 창의적 문제해결능력 개발 위한 교육 • 창의성이 문제해결과정에서 나타남(Basadur, 1994; Mayer, 1983) • 비구조화된 문제를 구체화할 때 창의적 사고 지속(정미선, 2011) • 확인, 결과 해석과정보다 해결방안을 고안하는 단계를 경험할 필요

(정진희, 정영란, 2009; Watter & Diezman, 2003)

연구 설계 교육의 필요성

• 연구 설계 과정에서의 창의성 • 밑그림, 목표작성, 계획을 위한 고안(ABET, 1997) • 실험 설계, 탐구설계, 공학설계 과정에 필요(이창훈, 2007) • 가설, 대안 고안 등의 사고 과정은 창의성과 관련

(Chinn & Malhotra, 2002).

• 연구 설계 방법에 대한 교육 필요 • 연구자 양성 교육 내용에 대한 어려움(이희원 등, 2008) • 영재교육, R&E 등에서도 교육방법 부족(정현철, 2012) • 실제 문제해결자의 해결 과정 연구 부족(노태천 등, 2006)

• 개방적 탐구의 제안(German et al., 1996) • 과학자처럼 생각하고 행동하는 기회 제공(박영신, 2006) • 과학적 사고 자극하는 학습 제공 부족(Roth et al., 1999)

연구 설계 교육을 위한 문제구체화의 활용

• 연구 설계 교육 기반으로서의 문제구체화 • 과학 탐구의 중요한 부분(정현철 등, 2004) • 문제를 표현, 설명, 해결할 계획을 세우는 과정이며 창의성이 많이 발현되는 과정(강순희, 2008)

• 독립적 교육이 필요 • 의미의 불명확성으로 인해 독립적 연구 안 됨 • 실험 설계가 창의성과 관계(Chinn & Malhotra, 2002) • 학생들이 어려워하는 과정에 대한 자세한 제시 필요

(황요한, 박종석, 2010; Hoover & Feldhusen, 1990) • 교육하지 않으면 방법은 습득되지 않음(이은주, 강순희, 2012)

문제구체화 요소 추출의 필요성

• 이공계의 비구조화된 문제 해결 • 과학 연구 방법(과학탐구)와 공학 연구 방법(공학설계)을 사용 • 연구 설계에 초점을 맞추고 교육할 수 있는 대안 마련

• 연구 방법의 융합 시도 • 공학 연구의 기초는 과학에 있음(김대영 등, 2006) • 과학과 공학의 간격 해소와 유연한 사고 및 창의성 신장에 도움 • NGSS에서도 ‘과학과 공학의 실천(practices)’으로 8가지 요소 제안

연구 문제

• 연구 설계 교육을 위한 문제구체화 기반 학습의 요소들

에 대해 공학자와 예비연구자의 인식에는 어떤 차이가

있는가?

• 용어의 정의

• 이공계 • 자연 계열과 공학 계열을 통칭한 표현

• 예비연구자 • 연구자로 훈련을 받고 있는 학부 연구생과 대학원생

• 문제구체화(Problem Specification) • 문제를 발견한 후, 해결 활동을 시작하기 전까지 문제에 대해 고민하고 해결방안을 탐색하는 과정에서 일어나는 일련의 활동 및 사고 과정을 통칭

• ‘문제를 위한 설명서’로 표현

요소 추출을 위한 결과 종합

연구 간 중복으로 나타난 요소 추출 델파이 조사 방식에서만 나타난 요소는 문헌적 검증 실시 요소의 변경과 통합 실시

정리된 문제구체화 50개 요소와 8단계

단계 요소

1 영역 구체적 지식의 활용

이론적 토대 마련, 관련 지식 구조화, 관련 연구 결과 수집, 자신의 지식과 기술 검토, 특허 기술 검색

2 가치 판단 및 부여

새로운 접근 방식 고려, 사회적 기여 검토, 독창성 고려, 개인적 가치와 합치도 검토, 타당성・윤리・활용 검토 위한 반복 질문, 일반화된 주제 생성 가능성 고려

3 문제 이해 문제 범주화, 자신의 언어로 표현, 수직・수평구조 파악, 문제 표상(표현), 과학용어로 정의, 유형 이해를 통한 재인식, 상황 개관(스케치), 목표 정형화

4 협력 전문가 자문, 공동 연구자 발굴, 팀 내 토론, 기술 및 설계팀 구성, 비전문가와의 대화

5 해결방안 탐색 발산적 사고, 사고의 흐름 작성, 핵심 아이디어 추출, 생각의 도표화, 역으로 사고하기, 연역・귀납・유추・귀추 등 추론적 사고, 비교・분석・종합 등 합리적 사고, 수렴・비판적 사고

6 연구방법 구성 가설설정/개념설계, 추상적 접근, 유사 연구방법 수집, 기존 연구방법의 재구성, 가능한 전략(방법) 찾기, 우선순위 결정

7 모형화 수학적 모형화, 방법을 기술적(Technical) 용어로 표현, 시제품 제작・예비실험, 시뮬레이션・사고실험, 구현 및 조작 요소 결정

8 세부설계 목표・설계 사양 정의, 기준 결정과 제한요소 파악, 실험조건의 명확화, 제약조건과 경계 값 고려, 변인의 조작적 정의, 설계 오류 검토 및 수정, 수공실험 연습

전문가 148명 대상 평균 3.97/5.00 응답

타당도 조사

점수 항목

4.5 목표 정형화(4.55), 이론적 토대 마련(4.54), 관련 연구 결과 수집(4.51)

4.4 합리적 사고(4.48)

4.3 유형이해를 통한 재인식(4.38), 독창성 고려(4.37), 실험조건의 명확화(4.35),

핵심 아이디어 추출(4.31), 우선순위 선정(4.31), 문제 범주화(4.30)

4.2

유사한 연구 방법 수집(4.28), 자신의 지식과 기술 검토(4.28), 자신의 언어로

표현(4.27),

수렴・비판적 사고(4.26), 상황 개관(4.24), 새로운 접근 방식 고려(4.23),

관련지식 구조화(4.22)

4.1 추론적 사고(4.14), 가능한 전략 찾기(4.12), 설계 오류 검토 및 수정(4.12)

4.0

변인의 조작적 정의(4.09), 수직・수평 구조 파악(4.08), 문제 표상(4.07), 팀 내 토론(4.06), 기존 연구방법의 재구성(4.06),

제약조건과 경계 값 고려(4.05), 발산적 사고(4.01)

3.9 사고의 흐름 작성(3.99), 타당성・윤리・활용 검토 위한 반복 질문(3.96),

생각의 도표화(3.92), 전문가 자문(3.90)

3.8 기술 및 설계 팀 구성(3.88), 가설설정・개념설계(3.88), 목표・설계 사양 정의(3.82)

3.7

일반화된 주제 생성 가능성 고려(3.79), 수식적 모형화(3.77), 추상적 접근(3.77),

개인적 가치와 합치도 검토(3.77), 과학용어로 정의(3.74),

방법을 기술적 용어로 표현(3.70)

3.6 기준 결정과 제한요소 파악(3.69), 공동 연구자 발굴(3.67), 역으로 사고하기(3.66)

3.5 시뮬레이션・사고실험(3.53), 구현 및 조작 요소 결정(3.50)

3.4 수공실험 연습(3.44), 사회적 기여 검토(3.48)

3.2 비전문가와 대화(3.25), 시제품 제작・예비실험(3.24)

3.1 특허 기술 검색(3.11)

Rasch 모형을 활용하여 분석 - 응답자의 능력 평균치보다 모든 문항의 곤란도가 낮게 위치 - 문항이 쉽다는 의미는 본 연구에서 활용도가 높다고 해석

문제구체화 단계의 순서 조정

• ‘전문가의 연구’가 아닌, 연구 능력을 키워야 할 ‘예비 연구자의 연구’ 에 적절한 시간 순 배열

• 과학자 및 공학자, 영재학교 교사와 함께 요소 적용 순서에 관한 논의

문제 이해

해결방안 탐색

영역 구체적 지식 활용

협력

연구 방법 구성

가치 판단 및 부여

모형화

세부설계

문제 이해

해결방안 탐색

영역 구체적 지식 활용

협력

연구 방법 구성

가치 판단 및 부여

모형화

세부설계

이공계 전문가 중심 예비연구자 교육 중심

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대상과 내용

내용

대상

결과 활용

• 과학자와 공학자의 활용 정도를 질문 -> 적절성 확보 • 예비연구자 교육 내용으로서 필요성 질문 -> 교육 필요성 확보

• 교수, 연구원 -> 전문가의 인식, 예비 연구자 교육 필요성 파악 • 학부 연구생 -> 예비 연구자로서의 인식 조사

• 연구 분야별 비교를 통해 주 제시 요소와 보조 요소 파악 • 교수, 연구원/대학원생/학부 연구생 인식 -> 대학 학부에 적용

공학전공 교수

공학전공 대학원생

학부 연구생

100 50 93

문제구체화의 정의

문제구체화는

발견한 문제를 다양한 시각으로 명확히 이해하여 해결할 수 있는 방안을 탐색해보고, 영역 구체적 지식과 동료들과의 협력을 통해 연구 방법을 구성하고, 적절한 가치를 부여하여 이를 수행할 수 잇도록 모형화해보고 세부 수행 과정을 설계하는 것이다.

교육방안 도출을 위한 인터뷰

• 각 요소들이 교육에 적용되면 효과적일 것이라는 의견 수렴

• 점수가 낮은 항목이더라도 교육에 방법을 제시

• 교육을 위한 단계 위치 배정이 효과적일 것으로 예상

• 상황에 따라 단계의 적용 순서의 유연성 필요 조언

• 집단과 문제에 따라 필요한 요소 추출하여 적용 필요

문제구체화 기반 연구 설계 교육 방안 개발

• 기본 적용 방안 • 8단계를 주 별로 적용 • 2-3단계를 한꺼번에 적용

• 연구 분야별 적용 방안

• 각 분야의 활용정도와 교육필요도에 대한 인식을 종합한 요소 적용 방안 도출

• PBL 실험 수업 적용 방안 • 설계 과정에 적용 • 전문가 pilot test 통해 10-20개 필수 요소만 추출하여 적용

• 자율연구 프로젝트 적용 방안 • 연구 프로젝트 설계 과정에 적용 • 문제발견, 참고문헌, 자문 노트와 함께 사용

결론

• 학생들의 자기주도적 연구 능력 부족 • 창의적 이공계 연구자 양성을 위한 연구 설계 교육이 필요

• 문제구체화 50개 요소를 활용하여 설계 교육에 활용 • 예비연구자의 활용 정도가 전문가에 비해 낮으며, 교육을 필요로 함 • 연구 역량 향상을 위해 다양한 방법 교육 필요 • 연구 과정에서 어떠한 사고와 활동이 필요한지 학습

• 문제구체화 기반 학습을 통한 연구 설계 교육 방안 개발 • 상황에 적절하게 활용 가능한 유연성 있는 활동지 틀 개발 • 적용 대상에 적합한 전략 도입

• 문제구체화 적용

• ‘전문가 연구’가 아닌, 연구 능력 키워야 할 ‘예비 연구자’ 훈련을 위한 배열 및 응용

후속연구

• 대학의 PBL 기반 실험 수업과 연구 프로젝트 과정에 적용 • 학생들의 설계 능력 향상을 위한 교육실시 • 학생들의 문제구체화 과정을 분석

• 자기주도적 연구 능력/문제구체화 능력 평가 방법 고안 • 학생들이 자신이 발견한 궁금증을 해결할 수 있는 연구 설계를 스스로, 적합하게 할 수 있는 능력을 길러주도록 함

• 고등학생이나 STEAM 교육에 적합한 모형으로 수정 적용 방안 개발

• 연구 계획서 평가 방안 개발

• 문제구체화 능력 평가 도구 개발