김성기 | 한국교육과정평가원 부연구위원, mcarey2000@kice.re.kr
서 론
4차 산업혁명이 강조되면서 학교에서 코딩과 관련된 교육이 주목을 받고 있다. 코딩과 관련된 교육은 최근 미국에서 시작한 컴퓨터 교육의 새로운 방향인 컴퓨팅 사고력(Computational Thinking, CT)과 밀접한 관련이 있다. 컴퓨팅 사고력(CT)이란 인간의 사고와 컴퓨터의 처리 능력을 통합한 것을 일컫는다. 따라서 인간이 단순한 사고에서 복잡한 사고로 뻗어나기 위한 수단으로 컴퓨터가 활용될 수 있으며, 이는 단순히 기존의 컴퓨터에 대한 교육에서 사고의 확장 도구로 컴퓨터를 이용한 교육으로 변화함을 보여준 것이다.
이러한 변화의 대응 전략으로 많은 나라에서 코딩을 주목하고 있으며, 그중 미국이 코딩 교육에서 가장 많은 움직임을 보이는 나라이다. 특히, 정부의 강력한 의지와 대형 ICT 기업의 지원으로 큰 성장을 보이고 있다. 최근에는 코딩에 머물지 않고, 소프트웨어와 피지컬 컴퓨팅 교육까지 전방위적으로 확대되고 있다. 2013년 오바마 대통령이 나서서 프로그래밍 및 컴퓨팅 교육의 중요성에 대해 직접 연설하였으며, 빌 게이츠, 마크 주커버그 등 ICT의 주요 인사들이 홍보 영상을 만들어 교육 캠페인에 나서기도 하였다.
우리나라도 이러한 측면에서 정보 교육이 현재 강조되고 있으며, 2025년부터 초, 중학교의 정보 수업이 2배로 늘고 모든 과목에서 인공지능(AI)을 활용하도록 하게 되었다. 최근에 발표된 2022 개정 교육과정에서는 미래사회 대응하는 교육을 강화하면서 기초 소양을 강조하고 있으며 기초 소양에는 언어, 수리뿐만 아니라 디지털 소양이 있다. 따라서 정보 교과 이외에도 다른 교과 교육에서 디지털 기초소양 함양 기반을 마련하고 정보교육과정과 연계한 학습의 내실화를 강조하고 있다.
또한, 교사들이 이러한 컴퓨팅 교육을 실제 수업시간에 실시할 수 있도록 정부는 막대한 예산을 투입하여 AI 융합교육대학원 과정을 신설하여, 많은 교사들이 AI 융합교육대학원 과정을 이수하도록 지원하고 있다. 하지만 현재 많은 대학에서 운영하고 있는 AI 융합교육대학원 교육과정을 살펴보면, 컴퓨터 교육 그 자체에 초점을 두어 실시하고 있으며, AI 융합교육대학원 교육과정 속에 컴퓨터를 사고의 확장 도구로 활용하기 위한 전략이나 교과수업에서 활용 방안과 관련한 내용은 상대적으로 부족해 보인다. 물론, 사고의 도구인 컴퓨터를 활용하기 위해서는 활용 도구인 컴퓨터에 대한 이해와 관련된 교육이 필수적으로 요구된다. 하지만, 이러한 필수적인 이해가 끝난 이후에는 이를 바탕으로 학생들에게 교사는 어떠한 방식으로 학생들의 사고를 발현할 수 있는지에 대한 고민에 초점을 두는 교육이 필요하다.
학생들에게 제공하는 코딩 교육 역시 이와 유사하다. 현재 학교 교육과정에서 코딩과 관련된 교육이 많이 이루어지고 있다. 하지만 왜 학생들이 코딩을 배워야 하는지에 대한 본질 없이 마치 모든 학생을 코딩 전문가로 양성하고자 하는 목적으로 코딩 교육이 이루어지는 모습이다. 우리가 자신의 사고를 표현하기 위해서 말하기와 쓰기 방식으로 생각을 표현하기 위해 언어를 배우고, 언어를 통해 자신의 생각을 표현한다. 하지만 복잡한 사고 과정을 표현하는 것이 기존의 말하기나 쓰기 방식으로는 한계가 있을 수 있다. 자신의 사고 과정을 통해 미래의 예측이나 현상의 설명은 기존의 말하기, 쓰기로는 어려움이 있으며, 보다 진화된 사고의 표현 도구가 필요하다. 그것이 바로 코딩이 필요한 이유이다.
4차 산업혁명의 시대, 이제 학생들에게 우리는 단편적인 지식이 아닌 고차원적 사고하는 방식을 가르쳐야 한다. 단편적인 지식은 기존의 전달 방식이 말하기나 쓰기로 충분하였으나, 이제는 그러한 방식으로 고차원적 사고를 표현하기 어렵다. 따라서 학생들에게 고차원적 사고를 길려주고, 키워주는 방식으로 컴퓨터라는 도구가 이제 필요하며 이러한 방법으로 코딩 교육이 필요하다.
1. 코딩을 활용한 수업의 의미
[그림 1]은 미국의 만화가 루브 골드버그(Rube Goldberg, 1883～1970)의 카툰으로, 이 카툰에서 복잡한 연계 장치는 단지 자동으로 움직이는 냅킨일 뿐이다. 이 카툰은 세상을 복잡하게 살아가는 인간에 대한 풍자였다. 이렇게 생김새나 작동원리는 아주 복잡하고 거창한데 하는 일은 아주 단순한 기계를 ‘골드버그 장치(Goldberg machine)’라 부른다.
그림 1. 루브 골드버그의 카툰 [출처 : Wikipedia]
비록 만화가 골드버그는 세상을 복잡하게 살아가는 인간의 모습을 풍자하여 이 그림을 그렸지만, 이 그림은 우리에게 다양한 의미를 시사한다. 여기서 냅킨을 움직이기 위해 사람이 직접 하는 것이 가장 단순하고 빠른 방법이지만, 이 결과를 도달하는 방법은 사람마다 다양할 수 있다는 것이다. 그래서 창의성과 관련하여 국내외에서 골드버그 관련 창작대회가 매년 개최되고 있다. 이러한 골드버그 대회는 우리 교육에 많은 시사점을 준다. 우리는 교과 교육에서 보통 어떠한 과제를 학생에게 던져주고 이에 대한 해답을 요구할 때, 일반적으로 과제 해결에 대한 단일한 답을 상정하고 있다. 그래서 학생들에게 다양한 답을 요구하기 보다는 정해진 하나의 답을 학생에게 강요한다. 이러한 교과 교육의 형태는 학생들의 창의성을 키워주기 보다는 오히려 생각하는 힘을 막고, 수동적인 학습자를 만든다.
또한, 동일한 답에 도달하더라도 사람마다 도달하는 과정은 마치 골드버그처럼 다양하다. 따라서 겉보기에 동일한 결과를 도출한다고 하더라도 사람들마다 그 과정은 다를 수 있다. [그림 2]를 예로 들면, 스크래치를 이용하여 정사각형을 그리는 것과 관련된 코딩은 다양할 수 있다. 코딩예시 1의 경우 펜 기능을 활용하여 한 변의 길이가 100인 만큼 이동한 거리가 선으로 그려진다. 정사각형의 내각이 모두 90도 임을 이용하여 다른 변을 그릴 때 90도를 회전하여 동일한 거리를 이동하도록 한다. 정사각형의 변이 4개이므로, 이러한 과정을 4번 반복하도록 코딩되어 있다. 코딩예시 2의 경우도 동일한 펜 기능을 활용하여 그림을 그리지만, 4번의 반복된 코딩을 반복하기 코딩을 활용하여 간단하게 표현한 차이가 있다. 코딩예시 3은 단순히 4각형만을 그리는 것이 아니라, 4각형을 포함하여 3각형과 5각형까지 그리는 것을 포함하고 있다. 이 코딩은 3가지 동형의 내각과 변의 개수를 이용하여 한 코딩으로 여러 도형까지 그릴 수 있다는 특징이 있다.
그림 2. 동일한 결과물을 산출하지만 다른 코딩
이처럼 코딩은 동일한 결과를 산출하지만 사람마다 다양한 다른 코딩을 할 수 있다. 우리가 볼 때 예시 3의 코딩이 가장 훌륭한 코딩이라고 할 수 있으나, 이 코딩의 목표는 사각형을 그리는 것이었다. 그렇기 때문에 3가지 예시 모두 목표를 달성한 코딩이다.
이와 같이 코딩은 결과를 도출하는데 다양한 방법이 있기 때문에 모든 코딩이 가치가 있고 의미가 있다. 이러한 점을 우리는 교육에서 학생들에게 적용할 수 있다. 학생들은 동일한 결과를 도출하지만 저마다 다양한 방식으로 자신의 사고 과정을 표현할 수 있으며, 우리는 그러한 학생의 사고 과정을 예전에는 뚜렷하게 알 수 없었다. 다만, 이러한 과정을 글을 통하거나 학생의 설명을 통해 추리하여 학생의 사고 과정을 평가하였다. 하지만 코딩은 자신의 사고 과정을 명령어를 통해 분명하게 보여준다. 따라서 교사가 코딩을 이용한 수업을 한다면, 학생이 짠 코딩을 통해 학생이 어떠한 과정을 통해 해당 결과에 도출하였는지를 분명하게 이해할 수 있다. 이러한 학생의 사고 과정 이해는 교사의 분명한 피드백을 제공하는데 중요한 단서가 될 수 있다. 더불어, 학생이 잘못된 출력(결과물)을 산출한 경우에도 어떠한 과정에서 문제점이 있었는지를 학생이 작성한 코딩을 통해 점검할 수도 있다.
코딩은 학생이 주어진 과제를 자신의 사고방식을 통해 도출하는 과정을 창의적으로 보여줄 수 있다. 또한, 그 과정을 교사가 분명하게 점검할 수 있기 때문에 학생의 창의적인 사고에 대해 적절한 피드백을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 잘못된 결과물을 도출하는 학생에게는 어떠한 점에서 어려움을 갖고 있는지 이해할 수 있어 교정 피드백과 관련된 단서를 제공한다. 따라서 코딩은 학생의 사고 도구로써 교사와 명확한 의사소통을 하는데 도움을 줄 수 있다.
2. 과학 교육에서 코딩의 의미: 모델링의 도구
과학 모델이란 자연 현상을 설명하기 위해 과학자가 만든 인공적인 설명 체계를 의미한다. 과학 모델은 자연을 설명하기 위해 생산된 기존의 법칙과 이론을 포함한다. 이러한 과학 모델은 절대적인 참이란 것은 존재하지 않으며, 과학자가 임의적으로 만든 인공적인 임시적 스키마에 불과하다(NRC, 2013). 장하석(2021)은 이러한 과학 모델의 특성을 건물과 강가에 비친 건물의 상에 비유하여 설명하기도 하였다. 장하석은 우리가 살고 있는 자연은 강가에 비친 건물과 같이 흐릿한 무엇이며, 이를 과학자가 나름의 패턴을 발견하여 선명한 건물인 과학을 만들어 우리가 살고 있는 자연을 설명한다고 하였다.
이와 같이 동일한 자연을 바라보아도 과학자마다 서로 다른 과학 모델을 만들 수 있다. 그렇기 때문에 하나의 현상에서 서로 다른 다양한 과학 모델이 존재하기도 한다. 이것이 바로 과학 모델의 다양성이다. 과학 모델은 표상의 대상물을 그대로 나타낸 것이 아니라 대상물에 대한 인지적 과정인 해석을 거친 것으로 과학자들이 만들어낸 설명체계의 일부이며, 이러한 모델을 이용하여 현상을 예측하기 위한 도구로 활용하기도 한다.
무질서한 자연에서 과학자가 자기 나름의 모델을 생성할 때, 우리는 이때 생성된 모델을 전부를 의미 있는 모델이라고 하지 않는다. 과학자가 만든 모델을 판단하고, 이 모델이 과학적으로 의미가 있는지를 판단하는 활동을 거쳐 과학 모델이 비로소 만들어진다. 이러한 과정을 모델링이라고 하며, 모델을 만드는 주체인 과학자를 모델러라고 지칭한다. 과학자가 만든 모델을 검증하는 과정은 학자들마다 다양한 방식이 주장되고 있으나, 여기서는 Giere가 주장한 방식을 소개하고자 한다. Giere 등(2006)은 [그림 3]과 같은 활동을 통해 모델의 적합성을 평가한다고 하였다.
그림 3. Giere 등(2006)의 과학 모델
과학자는 자신이 만든 과학 모델을 이용하여 추론 및 계산 활동을 통해 어떠한 현상을 예측한다. 이 예측은 자연을 대상으로 실험 및 관찰을 통해 얻어진 자료를 통해 일치 여부를 판단한다. 이 일치 여부에 따라 모델이 적합한지 또는 적합하지 않은지를 판단한다. 이러한 일련의 활동이 비단 과학자가 만든 모델의 적합성 검토에만 국한되는 것이 아니며, 학교교실 현장에서도 활용될 수 있다. 학생들은 자연 현상을 통해 자신만의 모델을 만들고, 그 모델을 이용하여 새로운 현상을 예측하면서 실험을 통해 자신의 모델을 평가하도록 할 수 있다. 우리는 교실에서 과학자가 만든 모델만을 단순히 학습하게 하기 보다는 주체적으로 학생들이 새로운 모델을 만들고 검증하게 하면서 과학을 학습하도록 해야 한다. 이러한 측면에서 2015 개정 교육과정에서부터 학생들의 능동적인 탐구의 도구로 모델링이 강조되고 있다. 이러한 모델링의 도구로 코딩이 활용될 수 있다. 모델링을 할 때, 가장 핵심은 자연 현상을 통해 일정한 규칙을 발견하고, 실제 발견한 규칙이 적절한 지를 예측과 실험결과를 통해 확인한 것이다. 미시세계를 다루는 화학의 경우, 눈에 보이지 않는 미시세계의 규칙을 가시적으로 코딩을 통해 보여줄 수 있다. 더불어, 화학은 여러 입자들의 동시다발적인 정반응과 역반응의 결과로 발현되기 때문에 이러한 규칙을 발견하였다 하더라도 발견한 규칙을 통해 예측하기 위해서는 여러 입자들의 동시다발적인 반응을 고려해야 한다. 하지만, 이러한 동시다발적인 반응의 고려는 쉽지 않다. 코딩을 통해 입자들의 반응에 대한 알고리즘을 입력하면, 그 결과를 동시다발적이고 가시적으로 볼 수 있다는 장점이 있다. 따라서 학생들의 모델링 도구로 화학 영역에서 코딩은 특히 그 가치가 있다.
3. 실태 분석
가. 조사 대상
화학 교사들의 코딩 관련 수업의 실태를 알아보기 위해 충청남도 공주대학교에서 2022년에 화학 1급 정교사 자격연수를 수강한 45명의 화학 교사를 대상으로 설문조사를 실시하였다. 1급 정교사 자격연수에 참여한 교사를 대상으로 하였기 때문에 교직경력이 대부분 7년 이하였으며, 8년 이상의 교직 경력인 화학 교사는 3명이었다.
나. 실태 분석 결과
코딩을 활용한 수업에 대한 인식을 자유 응답으로 작성한 내용을 키워드로 분석한 것은 [그림 4]와 같다. 가장 많이 출현한 키워드는 활용 방안과 학생 흥미였다. 화학 교사들은 코딩을 활용한 수업에 대해 구체적인 활용 방안에 대한 고민을 갖고 있었으며, 코딩을 화학 수업에 활용한다면 학생들의 흥미가 기존의 교육 형태에 비해 높아질 것으로 기대하였다. 두 번째로 출연 빈도가 높은 키워드는 두려움과 연수였다. 상당수 많은 화학 교사들은 코딩을 활용한 수업에 대해 두려움을 갖고 있었다. 이러한 두려움은 코딩 자체에 대한 두려움이 가장 컸으며, 이러한 두려움을 해소하고자 관련한 연수가 필요함을 언급하였다. 이외에도 다양한 수업 전략으로써 또는 실험 수업을 대체할 수 있는 탐구 도구로써 코딩의 가치를 언급하기도 하였다. 또는, 코딩을 활용한 수업을 하다보면 화학과 관련된 내용 학습보다는 코딩에 초점을 둘 수 있어 주객이 전도되는 수업으로 전략될 수 있다는 우려도 있었으며, 코딩을 활용한 수업은 언젠가는 선택이 아닌 필수로 도입될 수 있기 때문에 항상 과제와 같은 것으로 인식하기도 하였다.
그림 4. 코딩을 활용한 수업에 대한 화학 교사의 인식
구체적으로 화학 교사들의 코딩 관련 교육 경험과 실행 수준을 알아본 결과는 [표 1]과 같다. 코딩 관련한 교육의 경험은 예비 교사와 현직 교사로 나누어 알아보았다. 예비 교사 기간 중 코딩 관련 교육을 받은 경험이 있는 교사는 1명(2.2%)에 불과하였으며, 현직 교사가 되어 연수를 통해 코딩 관련 교육을 경험한 교사는 14명(31.1%)이었다. 설문에 참여한 교사들이 1급 정교사 자격연수에 참여한 화학 교사인 점을 참고할 때, 대부분이 대학교를 졸업한지 그리 오래되지 않았으나 교원양성기관에서 이와 관련한 교육을 제공하지 않는다는 것을 알 수 있다. 다만, 현직 교사가 되어 연수를 통해 관련 교육의 경험을 제공 받은 비율이 증가하였으나 이 경험의 비율도 절반이 되지 못한 점은 아직까지 교사들이 코딩을 수업 시간에 활용하기 위한 준비가 많이 되지 않음을 알 수 있다. 이는 교사들이 코딩을 활용한 수업에 두려움이 많고 이와 관련한 연수가 필요한 점을 언급한 것과 연결된 것으로 교원양성기관에서부터 관련 교육과 현직 교사 대상 연수가 보다 더 적극적으로 실시될 필요가 있다. 특히, 김성기, 김현정(2023)의 연구에서 현직 교사일 때의 연수의 경험보다는 예비 교사일 때 교육 경험이 학교 현장에서 보다 유의미한 영향을 줌을 보고한 것을 참고해 볼 때, 교원양성기관에서 이와 관련한 보다 적극적인 교육과정 편성과 운영이 요구된다. Hall, Dirksen, & George(2006)의 제안한 모형에 기반하여 화학 교사들의 코딩 관련한 수업의 실행 수준을 진단한 결과 활용하지 않는 실행 수준(비활용, 오리엔테이션, 준비)에 해당한 교사가 43명(95.6%)이었으며, 불과 2명의 교사만이 수업 시간에 코딩을 활용한 수업을 진행하였다. 2명의 교사가 코딩을 활용한 형태를 알아본 결과, 아두이노를 활용한 수업을 진행하면서 활용하고 있었다.
표 1. 코딩 관련 교육 경험과 실행 수준 결과
코딩 수업을 활용하는데 인식하는 장벽 요인을 알아본 결과는 [표 2]와 같다. 1순위는 교수자인 교사의 코딩에 대한 낮은 준비도였으며, 2순위는 학생들의 코딩에 대한 낮은 준비도였다. 3순위는 컴퓨터를 활용함에 따라 학생들이 수업에 대해 낮은 집중력을 갖지 않을지에 대한 염려였으며, 4순위는 코딩이 아니어도 수업에서 달성하고자 하는 바를 충분히 이룰 수 있다는 인식이었다. 끝으로, 5순위는 코딩을 활용한 수업을 하기 위해서 필요한 물리적 환경(개인별 태블릿pc, 인터넷 환경 등)에 대한 언급으로 아직 학교 현장이 이러한 환경이 구축되지 않은 점을 언급하였다.
표 2. 화학 교사가 인식한 코딩 교육 활용 장벽 요인
결론
4차 산업 혁명이라는 키워드는 교육에 많은 변화를 요구하고 있다. 이러한 환경 변화에 따라 교육 형태가 변화하는 것은 마땅하지만, 이러한 변화 속에서도 변하지 않아야 하는 것은 바로 교육의 본질이라고 생각한다. 이 변화는 교육의 본질을 잘 발현할 수 있는 방향으로 이루어져야 한다. 그러한 측면에서 최근 정보 관련하여 쏟아지고 있는 많은 교육 정책이 그러한 방향으로 이루어지고 있는지를 점검해 볼 필요가 있다. 즉, 최근의 많은 정책이 관련 각 교과의 본연의 목표를 달성하기 위해서 정보 관련한 내용이 강조되고 있는지 아니면, 정보 그 자체만 강조하여 모든 학생들은 정보 전문가로 육성하고자 하는 것은 아닌지 점검이 필요하다.
코딩은 생각의 도구로써 자신의 생각을 표현할 수 있는 또 다른 언어이다. 특히, 과학 교육에서 강조되는 모델링 관련한 교육을 실시할 때, 복잡한 여러 변수들 간의 관계의 설정과 설정된 관계에서 발현된 결과물을 보여줄 수 있는 코딩은 매우 활용 가치가 높다. 하지만, 많은 교사들이 아직 코딩을 활용한 수업을 수행하기 위한 준비도가 낮은 상태로 코딩을 활용한 수업에 어려움을 갖고 있었다. 특히, 예비 교사 때나 현직 교사 때 이와 관련한 교육을 경험하지 않은 교사에게 이러한 교육을 요구하는 것은 다소 무리가 있다. 모든 교육은 경험에 기반하기 때문에 교사도 경험하지 않는 교육을 실시하길 요구하는 것은 너무 교사 개인적 차원에서 이것을 해결하기 바라는 것은 아닌지 생각해본다. 교사들이 보다 적극적으로 코딩을 수업의 전략으로 활용할 수 있도록 교원양성기관부터 이와 관련한 교육이 제공되어야 한다.
참고 문헌
1. 김성기, 김현정 “CBAM에 기반한 화학 교사의 역량 평가에 관한 관심도와 실행 수준 분석” 과학교육연구지 2023, in press.
2. 장하석 “물은 H2O인가?” 김영사: 경기도 파주, 2021.
3. Giere, R. N., Bickle, J., and Mauldin, R. F. “Understanding Scientific Reasoning” Thomson-Wadsworth Publishing: Belmont CA, 2006.
4. Hall, G. E., Dirksen, D. J., and George, A. A. “Measuring implementation in schools: Levels of use” Southwest Educational Development Laboratory: Austin TX, 2006.
5. National Research Council [NRC] “The next generation science standards” National Academy Press: Washington DC, 2013.
6. Wikipedia. “Rube Goldberg machine” https://en.wikipedia.org/wiki/Rube_Goldberg_machine (accessed 2023-01-29)
김성기 (Kim Sungki)
· 전남대학교 과학교육학부 화학교육전공, 학사 (2002.3-2009.2)
· 한국교원대학교 교육학과 교육과정전공, 석사 (2012.3.-2014.2. 지도교수: 유진은)
· 한국교원대학교 과학교육학과 화학교육전공, 박사 (2014.3-2018.2 지도교수: 백성혜)
· 전남, 광주지역 화학교사 (2009.3-2020.6)
· 한국교육과정평가원 부연구위원 (2020.7-현재)
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