창의적 설계와 과학탐구과정 기반의 STEM 교육 프로그램 개발 및 적용

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 창의적 설계와 과학탐구과정 기반의 STEM 교육 프로그램을 개발하고 적용하여 중학생의 STEM에 대한 태도에 미치는 효과를 검증하는데 있다. 프로그램 개발을 위하여 문헌 연구에서부터 시작하여 연구 동향 분석, 국제학술 세미나를 통한 개발된 프로그램의 검토, 조언을 받았다. STEM 교육의 핵심인 창의적 설계와 과학탐구중심의 교육 프로그램을 개발하였다. 연구의 대상은 K시 소재의 Y중학교 1학년 28명, 광역시 소재의 K중학교 2학년 21명, 3학년 26명을 대상으로 단일집단 사전ㆍ사후 대응 표본 t-검증을 실시하였다. 이 연구에서 사용된 측정도구로는 STEM에 대한 태도를 측정하기 위하여 Mahoney(2009)가 개발한 검사지를 번역하고 수정ㆍ보완하여 사용하였다. 프로그램 적용 기간은 2012년 4월 첫째 주부터 5월 셋째 주까지 총 18차시에 걸쳐 수업을 진행하였으며, 사전 검사와 사후 검사는 프로그램 적용 전ㆍ후 1주일 이내에 실시하였다. 효과 검증을 위하여 유의 수준은 p<.05와 p<.01 으로 분석하였으며, 통계처리는 SPSS-18.0 for Windows 통계 프로그램을 이용하였다. 통계 분석은 항목별 기술통계와 대응표본 t-검증을 실시하였다. 이 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 창의적 설계와 과학탐구과정 기반의 STEM 교육 프로그램은 중학생의 STEM 각 교과에 대한 인식, 능력, 가치, 흥미 상승에 효과적이었다. 인식 항목에서 과학(t=-2.85, p<0.01), 기술(t=-6.53, p<0.01), 공학(t=-6.61, p<0.01), 수학(t=-2.80, p<0.01)으로 각 교과에 대한 인식이 유의미하게 향상되었으며, 능력 항목은 과학(t=-4.80, p<0.01), 기술(t=-5.98, p<0.01), 공학(t=-5.98, p<0.01), 수학(t=-2.08, p<0.05)으로 각 교과에 대한 능력이 유의미하게 향상되었다. 가치 항목에서는 과학(t=-2.56, p<0.05), 기술(t=-3.58, p<0.01), 공학(t=-5.25 p<0.01), 수학(t=-3.30, p<0.01)으로 각 교과에 대한 가치가 유의미하게 향상되었으며, 흥미 항목은 과학(t=-2.14, p<0.05), 기술(t=-4.99, p<0.01), 공학(t=-5.32, p<0.01), 수학(t=-3.68, p<0.01)으로 각 교과에 대한 흥미가 유의미하게 향상되었음을 알 수 있었다. 둘째, 개발된 STEM 교육 프로그램은 중학생의 STEM에 대한 인식, 능력, 가치, 흥미 상승에 효과적이었다. 각 교과의 항목에 대한 검증을 바탕으로 STEM 교육에 대한 효과는 인식(t=-6.72, p<0.01), 능력(t=-6.81, p<0.01), 가치(t=-5.18, p<0.01), 흥미(t=-5.97, p<0.01)에 대한 유의미한 효과가 있었다. 셋째, 개발된 STEM 교육 프로그램은 학생들의 STEM 태도 상승에도 효과적이었다. 대응 표본 t-검정 결과 99% 신뢰 수준에서 STEM에 대한 태도(t=-7.13, p<0.01)에 대하여 유의미한 효과가 있었다. 개발된 프로그램은 학교현장에서 활용될 수 있을 것이며, STEM / STEAM 교육이 학생들의 과학과 기술에 대한 이해와 수학과 과학에 대한 흥미를 높이고, 과학기술 기반의 융합적 사고와 문제해결을 배양하는 교육을 통하여 융합인재를 양성을 위한 교육으로 자리 잡는 기초자료가 될 것이다.

주제어 : STEM 교육, 융합인재교육, STEAM 교육, 창의적 설계, 과학탐구과정, STEM 태도, 인식, 가치, 흥미

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study were to develop creative design and scientific inquiry based STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) education program, and investigate the effect of STEM on students' attitude toward STEM. This study was started from the review of the literature and performed relevant research trend analysis, and the developed program was examined and improved by expert review process such as international seminar and meeting with STEM education experts. A research-oriented education program was designed, which was concentrated upon engineering design, the core of STEM education, and creative design, the core of STEAM(Science, Technology, Engineering, Art, and Mathematics) education. The subjects of the study were 28 first-graders of Y middle school in K-city North Gyeongsang province and 21 second-graders and 26 third-graders of K middle school in a Metropolitan City One sample pre-post paired t-test was conducted on them 'Student Attitude Toward STEM' (Mahoney, 2009) was translated, modified and supplemented to measure the interest and attitude toward STEM. Over 18-times class from the first week of April, 2012 to the third week of May, 2012, pre-test and post-test were carried out within a week before and after the implementation of the program. For the effectiveness verification, significant levels of p<0.05 and p<0.01 were used, and for statistics treatment, SPSS-18.0 for Windows analysis program was used. The results are as follows : First, creative design and scientific investigation based STEM education program is effective for middle school students' improvement in cognition, ability, value, and commitment in every subject.
In the cognition category, the cognition was improved significantly, Science(t=-2.85, p<0.01), Technology(t=-6.53, p<0.01), Engineering(t=-6.61, p<0.01), and Mathematics(t=-2.80, p<0.01). In the ability category, the ability was improved significantly, Science(t=-4.80, p<0.01), Technology(t=-5.98, p<0.01), Engineering(t=-5.98, p<0.01), and Mathematics(t=-2.08, p<0.05). In the value category, the value was improved significantly, Science(t=-2.56, p<0.05), Technology(t=-3.58, p<0.01), Engineering(t=-5.25, p<0.01), Mathematics(t=-3.30, p<0.01). In the commitment category, the interest had improved significantly, Science(t=-2.14, p<0.05), Technology(t=-4.99, p<0.01), Engineering(t=-5.32, p<0.01), Mathematics(t=-3.68, p<0.01).
Second, creative design and scientific investigation based STEM education program was effective for the increase of middle school students' cognition, ability, value, and interest on STEM. There was a significant effect in cognition(t=-6.72, p<0.01), ability(t=-6.81, p<0.01), value(t=-5.18, p<0.01), commitment(t=-5.97, p<0.01). Based on the verification of their effects on STEM education
Third, the program was effective, as well, for increase in students' attitude through creative design and scientific investigation based STEM education. Pre and post mean difference was improved by 0.37, and there was a noticeable effect in STEM attitude(t=-7.13, p<0.01).
This program can be utilized in schools. STEM / STEAM education will enhance students' understanding on science and technology and interest on mathematics and science. This program will be used as a basis in fostering convergence talents through education which cultivate integrated thinking based on science and technology, and problem-solving ability.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구 목적 4
• 3. 용어의 정의 4
• 4. 연구의 제한점 6
• Ⅱ. 이론적 배경 7
• 1. STEM / STEAM 교육 7
• 2. 설계기반 학습 19
• 3. 탐구와 탐구과정 23
• Ⅲ. 연구절차 및 방법 26
• 1. 연구절차 26
• 2. STEM 교육 프로그램 적용 34
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 43
• 1. 창의적 설계와 과학탐구과정 기반 STEM 교육 프로그램 43
• 2. 창의적 설계와 과학탐구과정 기반 STEM 프로그램 효과 59
• Ⅴ. 결론 및 제언 66
• 1. 결론 66
• 2. 제언 69