프로그래밍은 학습하기 쉽지 않은 기술이며, 기본적인 프로그래밍 요소와 문법을 학습하고 난후에 이런 지식을 종합해서 완성된 프로그램을 작성하는 단계에 이르기까지는 많은 어려움이 발생하고 있다[1]. 프로그래밍 학습의 어려움과 해결방법 연구에서 제시한 몇몇 프로그래밍 어려움들은 다음과 같이 요약할 수 있다[2].

- 프로그래밍 언어는 전문적인 사용을 위해 개발되었고 높은 수준의 추상화가 필요하다.

- 프로그래밍 언어는 암기해야 할 복잡한 구문 세부 사항이 있고 학습자들은 구문 규칙에 집중하는 동시에 알고리즘 구성에 집중해야 하는 것을 요구한다.

- 프로그래밍 어려움은 특정 오류 및 오해에 의해 야기된다.

프로그래밍과 관련한 어려움을 패턴으로 제시한 연구[3]에서는 학습자, 교수자 관점에서 마주치는 어려움에 관한 데이터를 수집하고 블룸(Bloom)의 6가지 단계별로 패턴을 제시하였다. 학습자의 관점에서 가장 어려운 점은 변수와 관련된 내용 및 구문 오류라고 제시하고 있다.

이와 더불어 컴퓨터 전공자가 아닌 비전공 학습자들이 기초 프로그래밍에서 겪는 어려움과 이를 해결하기 위한 방안을 제시하는 연구[4]도 있다. 비 전공자들이 컴퓨팅 사고 교육에서 어려워하는 부분은 명령어의 기능과 응용, 아이디어를 어떻게 어떤 코드로 작성해야 하는지에 대한 어려움이라고 밝히고 있다. 또한 프로그래밍은 높은 수준의 인지 부하를 수반하게 되고 이런 어려움은 프로그래밍에 대한 경험이 없고 코딩 과정에서 부딪치는 다양한 오류에 기인한다고 밝히고 있다[5].

한국교육학술정보원의 소프트웨어 교육 교수학습 모형 개발 연구에서는 5가지 소프트웨어 교수학습 모델을 제시하였다. 컴퓨팅 사고력중심의 소프트웨어 학습 모델로서는 분해, 패턴인식, 추상화, 알고리즘 및 프로그래밍(P) 항목을 포함한 DPAAP 모델이 제시되었다[6]. 분해(Decomposition)는 해결 가능한 단위로 문제를 분해하는 것을 의미하며, 패턴인식(Pattern Recognition)은 반복되는 일정한 경향 및 규칙의 탐색을 의미한다.

추상화(Abstraction)는 문제의 단순화 및 패턴인식으로 발견한 원리의 공식화를 의미한다. 알고리즘(Algorithm)은 핵심 원리를 절차적으로 구성하는 것이며 프로그래밍(Programming)은 프로그래밍 언어로 구현하고 실행하는 것을 의미한다.

컴퓨터 비전공자들을 위한 소프트웨어 교육모델로서 파이썬(python) 기반 소프트웨어 교육 모델과 학습 내용을 제시하는 연구[7]가 있다. 제시한 모델은 위에서 언급한 5가지 소프트웨어 교수학습 모델 중에서 개발중심(DDD)모델을 토대로 파이썬 프로그래밍 교육에 적용하고 이에 대한 효과를 제시하였다.

비전공자의 컴퓨팅사고를 함양하기 위한 교육모델로서 문제기반학습(PBL)을 적용한 다양한 연구가 있다. 비전공자의 IT 융합 교육을 위한 PBL 활용 교육 모델 연구[8]에서는 컴퓨팅 사고를 배양하기 위해 문제기반학습을 적용한 결과를 제시하고 있다. 이 연구에서는 실제 프로그램은 작성되지 않았고 사후 설문분석 결과를 통해 문제기반학습 방법이 컴퓨팅 사고에 많은 도움이 된다는 것을 보여주고 있다. 문제기반학습을 스크래치 프로그래밍에 적용한 연구[9]에서는 스크래치 교육을 위한 교육내용 및 설문도구를 개발했다. 수업에 적용한 결과, 컴퓨팅 사고력과 문제 해결 능력이 향상되었음을 제시하고 있다. 소프트웨어 교육의 학습효과를 높이기 위해 프로그래밍 학습 자료에 컴퓨팅 사고를 적용하여 기존 강의법을 개선하는 시도도 있다[10]. 또한 스토리텔링과 프로그래밍을 융합한 교육 방법[11]과 플립드러닝 모델을 활용하여 프로그래밍 수업에 적용하는 방법도 제시되었다[12]. 복잡한 문제의 해결능력을 배양하기 위해 코딩 교육을 적용하는 연구가 있다[13]. 이 연구에서는 순차, 선택, 반복으로 이루어지는 알고리즘을 통해서 문제가 해결되는 방법을 제시하고 있다.

기존 연구를 분석해볼 때 대학에서 소프트웨어 교육은 크게 두 가지 방향으로 구분할 수 있다[14-16]. 첫째, 교양으로 비전공자를 대상으로 하는 경우 창의력과 문제해결력 향상을 중점으로 교육하는 방향이 있다. 둘째, 문제 해결력을 배양하기 위해 코딩 능력과 기술을 배양하기 위한 교육 방향이 있다. 드물게는 컴퓨팅사고 교과목과 프로그래밍 언어를 학기로 연계해서 진행하는 방향이 있다. <표 1>에 제시된 바와 같이 컴퓨팅사고와 프로그래밍 학습은 서로 연계되고 보완되는 관계를 갖는다. 따라서 두 가지 교육방향을 균형있게 진행하는 것이 바람직하나 제한된 시간과 환경 및 전술한 코딩 교육의 어려움으로 인해 코딩보다는 문제 해결을 위한 컴퓨팅 사고의 배양에 중점을 두는 경향이 많다. 그러나 프로그래밍이 없이 문제 해결책을 알고리즘으로 작성하는 경우도 알고리즘 표현을 위한 의사코드(pseudo code) 또는 유사한 수단이 여전히 필요하다. 특히 그 해결책에 대한 검증을 위해 컴퓨터를 활용할 필요가 있다. 따라서 종합적인 관점에서 볼 때, 프로그래밍 능력은 필요하며 기본 프로그래밍 기술을 습득할 수 있는 기회는 교양 교과목을 통해서 제공될 수 있다. 코딩능력을 배양하기 위해서는 적절한 프로그래밍 교수 방법이 요구된다. 본 연구에서는 기존 연구에서 도출된 문제를 해결하기 위해 목표중심시나리오를 활용한 프로그래밍 교수 방법을 제시하고자 한다.

목표중심시나리오(goal-based scenario)는 R..Schank를 중심으로 미국 Northwestern 대학의 연구자들에 의해 1980년대 초에 구체화된 학습설계이론이다[17]. 다양한 분야에서 목표중심시나리오를 활용한 연구가 많이 제시되어 있다[18,19].

목표중심시나리오란 5가지 유형의 사례기반학습의 하나로써 학습자들이 해결해야 할 과제를 시나리오의 형태로 제공하고, 이를 해결하기 위해 스킬(skills) 및 관련 지식을 사용하여 학습목표를 달성하게 되는 교수-학습방법을 의미한다[20].

목표중심시나리오를 활용한 학습 특징 중의 하나는 학습을 새로운 문제해결을 위해 사례들을 축적하는 과정으로 본다는 것이다. 문제를 해결하려는 과정에서 기대 실패(expectation failure)가 발생할 수 있다. 기대 실패는 잘될 것으로 기대했는데 실패하는 경우를 말한다. 이때의 실패는 긍정적인 방향으로의 실패도 포함한다. 즉, 잘 되기 어려울 것으로 기대했는데 기대 이상의 결과를 얻게 되는 경우도 기대 실패가 일어난 것이며, 왜 이런 일이 일어났는지를 분석하는 과정에서 학습의 기회를 얻게 된다. 프로그래밍 학습의 경우 이런 경험을 많이 하게 되며, 따라서 문제 해결책을 찾고 해결책을 실행하기 위해 축적된 지식과 경험을 활용하게 된다. 문제가 해결된 후에는 그 해결 사례가 축적되어 추후에 유사한 문제가 생겼을 때 보다 효과적인 방법을 찾는데 기여하게 된다.

목표중심시나리오는 7가지 요소로 구성되어 있다.

(1) 목표: 목표는 시나리오를 통하여 학습자들이 획득하기를 원하는 기술을 말한다.

(2) 임무: 임무는 학습자들이 설정된 목표를 성취하기 위하여 수행해야 하는 과제이다. 임무는 학습자들이 임무를 계속해서 추구할 수 있도록 동기를 유발시킬 수 있는 것이어야 하며, 따라서 임무는 학습자들이 처해 있는 실제 상황과 유사한 형태의 과제가 제시되는 것이 좋다.

(3) 커버 스토리: 커버 스토리는 목표 달성을 위하여 학습자들이 수행할 임무와 관련한 맥락을 이야기 방식으로 설명함으로써 임무수행에 필요한 내용을 구체화시킨 것이다. 이를 통하여 임무를 정확히 이해하고 임무 수행을 위하여 무엇을 해야 할 지를 학습자들이 알게 된다.

(4) 역할: 역할은 학습자들이 표지 이야기 속에서 맡게 되는 역할이다.

(5) 시나리오 활동: 시나리오 활동은 학습자들이 임무를 수행하는 모든 구체적인 활동을 의미한다. 설정한 목표나 임무에 따라 다양한 시나리오 활동이 존재하며 의사결정을 하거나 지시를 내리는 것, 질문에 답하는 것, 도구를 사용하고, 필요한 정보를 검색하는 것 등이 포함된다. 프로그래밍의 경우, 임무를 달성하기 위한 단계별 프로그래밍 과정이 제시되는 중요한 활동이다.

(6) 학습 자원: 자원은 학습자들이 임무를 수행할 때 필요로 하거나 참고해야 할 내용을 말한다. 이러한 정보는 학습자원의 형태로서 잘 조직되어 있어야 하며 어렵지 않게 접근할 수 있도록 준비되어야 한다.

(7) 피드백: 학습자들이 임무를 수행해 가는 과정에서 발생할 수 있는 어려움을 해결하는데 제공되는 교수자의 도움을 의미하며, 적절한 시기에 제공되어서 학습자들이 그 피드백을 이용할 수 있어야 한다.

프로그래밍은 다양한 측면에서 수행하기 쉽지 않은 지적 활동이다. 교수법 측면에서 교수자는 프로그래밍 언어를 사용하여 문제 해결을 촉진시키기 보다는 프로그래밍 언어 자체 및 구문 세부 정보를 가르치는데 더 집중하는 측면이 있다. 학습자인 학생의 관점에서는 과거 문제 해결 경험에 대한 유추를 못하고 이전 지식을 새로운 문제에 적용하지 못한다. 또한 가능한 해결책을 빨리 찾지 못하면 종종 문제 해결을 포기하거나 문제를 완전히 이해하지 않은 채 문제를 해결하려고 한다[3]. 이러한 문제를 해결하기 위해 목표중심시나리오를 설계하여 코딩 교육에 적용한 예는 <표 2>와 같다.

목표는 한 학기에 걸쳐 학습한 프로그래밍 지식을 종합해서 구축하고자 하는 목표 시스템이다. 시나리오의 임무는 프로그래밍 구문 및 문법을 점차로 배우게 됨에 따라 수행해야 하는 일을 의미하며 난이도가 증가하도록 설계했다. 이전 문제해결에 사용된 지식을 다음 문제에 활용할 있도록 구조적 유사성(문제를 해결하는 원리가 유사한 것을 의미, 구조 유사성이 높을수록 전달이 잘 일어남)을 보장하기 위해 하나의 시스템을 점차로 확장해 나가면서도 통합된 하나의 시스템으로 일관되고 서로 유기적으로 연결될 수 있도록 설정하였다. <표 2>에서 제시된 바와 같이 임무는 주문처리 시스템 문맥 내에서 수행할 수 있도록 시나리오1 에서는 주문총액 계산하기, 시나리오2에서는 배송료 계산, 시나리오 3에서는 고객유형에 따른 할인율 계산하기 등등 N개의 시나리오 마다 다양한 임무가 있다. 이러한 임무는 프로그래밍 구문지식과 적용 경험이 증가할수록 난이도가 증가한다.

목표중심시나리오를 활용한 프로그래밍 교육은 2019년도 1,2학기 및 2020년도 1학기에 교양으로 개설된 파이썬 프로그래밍 수업에 적용하였다. 대상은 공학계열 학과의 2019학년도 신입생(1학기:39명, 2학기:29명) 및 2020학년도 신입생(1학기:34명)을 대상으로 이루어졌다. 기존 수업방식은 2019학년도 신입생에게 적용되었고, 목표중심시나리오 방식은 2020학년도 신입생에게 적용되었다. 수업은 이론2시간, 실습2시간의 형태로 이론 내용은 각각 “기본 문법 알아보기(숫자, 변수, 입,출력)”, “데이터구조(문자열, 리스트, 튜플, 딕셔너리)”,“조건문(if, elif) 및 반복문(for, while)”, “함수 사용하기”, “예외 및 파일처리”, “모듈과 패키지 사용하기”,“클래스 작성하기”로 구성되었다. 이론 수업 방식은 파이썬 프로그램의 구문(문법)설명을하고 난후 간단한 적용사례를 제시하고 예제 프로그램을 설명하는 방식으로 이루어졌다. 실습은 이론 시간에 제시된 단편적인 사례를 실제로 수행해보는 방식으로 진행되었으며 실습 후에 학생들은 <표 3>과 같은 실습성찰일지를 작성하여 제출하였다.

피드백은 실습성찰일지의 내용을 분석하여 다음 수업에서 결과를 설명하는 형태로 이루어졌다. 전체적으로 기존 교육 방법에서는 프로그램이 작성되어 가는 단계별 과정이 제시하기 보다는 이미 작성되어 있는 예제 프로그램을 설명하는 형태의 정적인 강의방식이 채택되었다.

이러한 기존 프로그래밍 수업을 분석한 결과는 <표 4>에 4가지 항목으로 제시되었다. 실습은 학기별로 12주에 걸쳐 수행이 되었고 실습단위를 3주 단위로 그룹해서 요약했다.

“프로그램의 수행시 오류없는 동작 및 해결” 항목의 경우 실습 초반이라 어렵지 않은 내용이라 오류없이 실습을 수행한 비율이 대략 평균적으로 70%에 이르고 있다.

‘문제에 대한 파이썬 코드의 이해’ 항목의 경우, 학습 교재에 제시된 코드를 약 68%의 학생이 이해하고 있다. 그러나 “유사한 문제에 적용하기 위한 코드 변경”과 “대안 코드의 장, 단점 및 고려사항의 이해” 항목의 경우, 실습 초반과 후반에 관계없이 충족 비율이 낮다는 것을 알 수 있다.

이 분석결과가 시사하는 바는 기존에 작성된 프로그램은 이해하고 있으나 유사한 문제에 이전 지식을 적용하지 못하고 있고, 동일 문제와 비교가 될 수 있는 코드가 제시되지 않았기 때문에 어떻게 작성하는 것이 좋은지 장점과 단점을 파악할 수 없다는 것을 의미한다.

이런 문제점을 해결하기 위해 시나리오의 적용에서 본 연구에서는 크게 세 가지 부분에 중점을 두었다.