데이터 시각화를 활용한 창의융합수업 설계원리 개발

Abstract

With the rapid development of various technologies, the world is in the age of innovation called the fourth industrial revolution, an era in which digital technology is transforming the underpinnings of lifestyles and human existence. In this era of innovation, the ability to create new things and solve problems through cross-disciplinary collaboration and integration is highly required. To this end, convergence classes and inquiry classes are recognized to foster creative capabilities. Convergence classes refer to classes conducted using curriculum reorganization and curriculum integration in the context of studies in all fields. As to dissolve the boundaries between multiple academic disciplines, students integrate knowledge, techniques, and expertise from multiple subject domains to solve real-world problems and learn the core principles of each domain efficiently. On the other hand, the inquiry-based class allows students to develop and evaluate hypotheses and go through an abductive thinking process. Abductive thinking is a form of logical inference to the best explanation from the observations. One can understand abductive thinking as creative thinking that can form new ideas utilizing students' internal knowledge and given clues. Abductive thinking is an essential competence for fostering creativity and thus students should have learning experiences that can naturally acquire abductive thinking through the exploration process. Among many ways to support students' abductive thinking, data visualization and utilization are found to be effective ways to enhance students' abductive thinking. Students can present a large amount of information efficiently and recognize information intuitively through data visualization and presentation. It also allows students to understand the relationship among data and generate intuitive reasoning or new ideas. Furthermore, it facilitates students' divergent and convergent thinking while dealing with data, which in turn improves students' creative capabilities. Although earlier studies provided diverse findings related to the current research topic, there is a lack of studies on data visualization as a hypothesis evaluation method, to improve creative capability, focusing on abductive thinking. To address such limitations, this study developed design principles and detailed guidelines for creative convergence classes that utilize data visualization as a hypothesis evaluation method in the large framework of convergence classes that support abductive thinking. In addition, the developed design principles were internally validated through expert review, and the effectiveness of classes was evaluated through field application. The research questions that guided the present study are as follows: 1. What are the design principles of creative convergence classes using data visualization? 2. Is the design principle of creative convergence classes using data visualization valid internally? 3. What are the effects of creative convergence classes using data visualization? To solve such research problems, research was conducted according to the methodology of design and development research. First, we developed the initial design principle through a literature review. And the internal validity of design principles was verified through the expert reviews of three experts. Next, 81 second-year middle school students and 4 teachers were given classes applying design principles and evaluated the effectiveness of the classes. In the class, a hypothesis was created on the topic of the cause of more COVID-19 infections per population in Jung-gu, Incheon than in other regions of Incheon. Then, the hypothesis was evaluated by visualizing the data with a visualization tool. Applying test papers on creativity, abductive thinking, data literacy, and content knowledge before and after the class, a survey on the interest of the situation and class satisfaction was conducted. I interviewed 20 students and a teacher who conducted the whole class for a more detailed evaluation of the class. Among the collected data, the quantitative data was conducted by descriptive statistics, paired sample t-test and two researchers analyzed the qualitative data in the order of initial coding, categorization, and topic drawing according to the qualitative analysis procedure. The study produced 16 detailed guidelines and seven design principles of actual problems, support for convergence of subject knowledge, promotion of cooperation and interaction, customized scaffolding, abductive thinking support, data visualization, and continuous reflection. Pre-test and post-tests showed significant differences in students' creativity, abductive thinking, data literacy, and content knowledge, and the survey results on situation interest and class satisfaction also showed positive responses. As a result of the analysis of student interviews, the self-directedness of students improved after class, the acquisition and utilization of convergence knowledge took place, and their capacity for abductive thinking and data literacy increased. Also, the practice and transfer of COVID-19 learning contents, which were the subject of learning, took place. However, it was limited in use due to a lack of time for activities and a lack of data to be used to evaluate hypotheses, and there were opinions that there was a need for support for students who passively participated in learning. After analyzing the teacher's interview, the students showed an emotional and positive response to the class. And the acquisition and utilization of convergent knowledge emerged, and abductive thinking and data literacy capabilities were increased. However, he mentioned that it was not an environmental structure that could cooperate, that there was a lack of various data sets for hypothesis evaluation and that it was difficult to implement convergence classes. This study is distinguished from previous developments in that it allowed learners to experience the entire process of generating and evaluating the hypothesis through long breathing, used a new visualization tool called Tableau, and used data visualization data to evaluate the hypothesis. The design principles developed in this study suggest specific ways to implement creative convergence classes focused on abductive thinking by utilizing data visualization. It is also a meaningful example that shows that it is possible to use visualization using new visualization tools in hypothesis generation and evaluation for middle school students.

현재 인류는 4차 산업혁명이라고 지칭되는 유래없는 혁신의 시대를 맞이하고 있고, 다양한 기술의 발달로 인해 생활방식 전반에 걸친 혁명적 변화가 가속되는 시대에 들어서고 있다. 이러한 혁신의 시대에는 다양한 분야의 지식을 융합하여 새로운 것을 창조하고, 창의적으로 문제를 해결해 낼 수 있는 능력이 요구된다. 이를 위해 교육계에서는 융합수업과 탐구수업의 적용을 창의적 역량 함양을 위한 방안으로 제시하고 있다. 탐구수업에서는 학생들이 가설을 생성·검증하며 귀추적 사고과정을 거치게 된다. 귀추적 사고란 어떤 현상을 관찰한 뒤 관찰된 사실이 왜 일어났는가를 설명할 수 있는 원인을 도출해내는 개연적 추리과정이다. 학습자 내부의 지식과 주어진 단서들을 활용하여 새로운 아이디어를 형성해 낼 수 있는 창조적 사고이기 때문에 최근 다양한 분야에서 활발히 적용되고 있다. 귀추적 사고를 돕기 위해서는 다양한 방법이 있는데, 그 중 한 가지는 데이터를 시각화하여 활용하는 것이다. 데이터를 시각화하여 제시하면 효율적으로 다량의 정보를 제시할 수 있고 즉각적인 정보의 인지가 가능하다. 이와 관련된 선행연구가 다양함에도 불구하고 창의적 역량의 향상을 위해 귀추적 사고를 중심으로 하여 가설 평가 방법으로 데이터 시각화를 활용한 맥락의 수업은 시도된 바가 없다. 이에 본 연구는 귀추적 사고를 지원하는 융합수업의 큰 틀에서 가설평가 방법으로 데이터의 시각화를 활용하는 창의융합수업에 대한 설계원리와 상세지침을 개발하였고 현장 적용을 통해 수업의 효과성을 평가하였다. 본 연구의 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 첫째, 데이터 시각화를 활용한 창의융합수업의 설계원리는 무엇인가?, 둘째, 데이터 시각화를 활용한 창의융합수업의 설계원리는 내적으로 타당한가?, 셋째, 데이터 시각화를 활용한 창의융합수업의 효과는 어떠한가? 이와 같은 연구문제를 해결하기 위해 설계·개발연구의 방법론에 따라 연구를 진행하였다. 먼저 선행문헌을 바탕으로 초기 설계원리를 개발하였다. 그리고 전문가 3인을 대상으로 한 전문가 검토를 통해 설계원리의 내적 타당성을 확보하였다. 다음으로, 중학교 2학년 학생 81명과 교사 4인을 대상으로 설계원리를 적용한 수업을 실시하고, 수업의 효과성을 평가하였다. 수업은 인천 중구 지역의 인구당 코로나 19 감염자가 인천의 다른 지역보다 많은 원인을 주제로 가설을 생성하고 시각화 도구(Tableau)로 데이터를 시각화하여 가설을 평가하였다. 수업 시작 전과 후에 창의성, 귀추적 사고, 데이터 리터러시, 내용지식에 관한 검사지를 적용하였으며 수업 후에는 상황흥미와 수업만족도에 관한 설문조사를 하였다. 더욱 자세한 수업평가를 위해 학생 20명과 전체 수업을 진행한 교사 1명을 면담하였다. 수집된 자료 중 양적 자료는 기술 통계, 대응표본-t검정을 실시하였고, 질적 자료는 질적 분석 절차에 따라 2명의 연구자가 초기 코딩, 범주화, 주제도출 순서로 분석하였다. 연구 결과 실제적 문제제공, 교과 지식의 융합지원, 협력과 상호작용 촉진, 맞춤형 스캐폴딩, 귀추적 사고지원, 데이터 시각화, 지속적 성찰의 7가지 설계원리와 16가지 상세지침이 도출되었다. 사전·사후 검사 결과 창의성, 귀추적 사고, 데이터 리터러시, 내용지식에서 모두 유의한 차이가 나타났으며, 상황흥미와 수업만족도에 대한 설문결과도 긍정적인 반응을 확인할 수 있었다. 학생 면담을 분석한 결과 수업 후 학생들의 자기주도성이 증진되었고, 융합적 지식의 습득 및 활용이 일어났으며 귀추적 사고와 데이터 리터러시에 대한 역량이 증진되었다. 또한 학습 주제였던 코로나 19 학습내용의 실천 및 전이가 일어났다. 하지만 활동 시간이 부족했고 가설 평가에 사용할 데이터가 부족하여 활용에 제한이 있었으며, 학습에 소극적으로 참여한 학생들을 위한 지원이 필요하다는 의견도 있었다. 교사 면담을 분석한 결과 학생들은 수업에 대해 정서적으로 긍정적인 반응을 보였다. 그리고 융합적 지식의 습득과 활용이 나타났으며 귀추적 사고 역량과 데이터 리터러시 역량이 함양되었다. 하지만 서로 협력할 수 있는 환경적 구조가 아니었고, 가설평가를 위한 다양한 데이터 셋이 부족하였으며 융합수업 시행에 어려움이 있었음을 언급하였다. 본 연구는 가설을 생성하고 평가하는 전 과정을 긴 호흡을 통해 학습자가 경험하도록 하였고 새로운 시각화 도구(Tableau)를 사용하였으며, 데이터 시각화 자료를 활용하여 가설을 평가해 보았다는 점에서 이전의 개발물과 구분된다. 본 연구에서 개발된 설계원리는 데이터 시각화를 활용하여 귀추적 사고를 중심으로 창의융합수업을 시행할 수 있는 구체적인 방법을 제시한다. 또한 이를 적용한 수업결과는 중학생을 대상으로 한 가설 생성과 평가에서 새로운 시각화 툴을 사용한 시각화 활용이 가능함을 보여주는 사례로서도 의미가 있다.