교육의 목표와 방향은 시대가 추구하는 가치에 따라 변화된다. 현대 사회는 컴퓨팅 시스템의 활용이 삶을 보다 편리하게 하고 다양한 학문 분야의 발전을 촉진시키고 있게 되면서 국가 경쟁력은 창의적 아이디어를 바탕으로 컴퓨팅 시스템을 능숙하게 다룰 수 있는 인력이 되고 있다. 전 세계적인 추세가 이러하다보니 미국이나 영국 등의 주요 선진국에서는 전 국민 혹은 모든 학생을 대상으로 컴퓨터 과학 교육을 위한 정책 과 활성화 방안 등을 수립하고 있으며 학생들에게 무엇을 어떻게 가르칠 것인가에 대한 많은 연구가 진행하고 있다. 우리나라 또한 과거 값싼 노동력으로 국가의 발전을 이루던 시대와 달리 매우 부족한 자원과 비싼 노동력으로 인해 경쟁력이 떨어지면서 사람의 두뇌가 국가 발전의 핵심이라 인식하기 시작하였고 우수한 인재의 양성에 집중하고 있다.
과거에는 다양한 정보를 쉽게 접하기 어려웠기 때문에 많은 지식을 갖고 있는 사람을 인재로 여겼다. 그러나 정보 통신 기술과 스마트 기기의 발달로 인해 시공간을 초월하여 원하는 정보를 쉽게 접할 수 있다 보니 정보의 습득보다는 빠르고 정확한 정보를 습득하고 습득한 정보를 적절히 활용하여 복잡한 문제를 해결하는 능력을 갖춘 사람을 인재로 인식하기 시작하였다. 특히 컴퓨터 과학 분야의 우수한 인재는 컴퓨터 과학이 사회의 기반 학문이 되면서 많은 분야에 영향력을 미칠 수 있는 잠재력을 가지게 되었고 이들의 영재성을 조기에 계발하고 이를 지속적으로 길러줄 필요가 있다는 인식이 강조되고 있다.
컴퓨터 과학에서의 핵심은 컴퓨팅 시스템을 활용하여 복잡한 문제를 어떻게 효과적이고 효율적으로 해결할 것인가이다. 이의 중심에 있는 능력이 컴퓨팅 사고력으로, 자신이 직면한 복잡한 문제를 효과적이고 효율적으로 해결하기 위하여 컴퓨터 과학의 개념과 원리를 바탕으로 문제 해결 과정을 모델링하고 이 모델을 컴퓨팅 시스템이 수행할 수 있는 형태로 표현하는 데 필요한 절차적인 능력이다. 컴퓨팅 사고력은 사람의 사고 능력과 컴퓨팅 시스템이 갖는 능력을 결합하도록 하여 사람의 사고가 갖는 기억 능력, 수행 속도, 처리 가능한 복잡도 등의 한계를 극복하도록 한다. 따라서 컴퓨터 과학을 배우는 모든 학습자들이 반드시 갖추어야 할 필수 능력이라고 할 수 있다.
컴퓨팅 사고력을 함양하기 위해서는 컴퓨터 과학 개념과 원리를 바탕으로 문제 해결 과정을 모델링하는 방법, 컴퓨팅 시스템이 이해할 수 있는 형태로 표현하는 방법을 익히고 다양한 문제를 해결하는 경험이 필요하다. 특히 문제 해결 과정을 설계하는 방법은 건축가가 튼튼한 건물을 세우기 위하여 설계를 체계적이고 면밀하게 하는 것과 같은 원리로, 설계가 논리적이고 체계적이며 정교할 때 문제 해결에 대한 시행착오를 줄이고 해에 빠르고 정확하게 접근할 수 있도록 하기 때문에 매우 중요한 부분이다.
컴퓨터 과학의 개념과 원리를 익히는 부분은 알고리즘 학습이 담당하고 있다. 현재 정보 영재라고 일컫는 컴퓨터 과학 분야의 영재를 위한 알고리즘 교육은 문제 해결을 중심으로 알고리즘이 수렴되는 의미 있는 형태의 교육이 아니라 컴퓨터 과학의 개념과 원리의 종류별로 분절하여 가르치는 교육이 되고 있다. 이는 학습자에게 대량의 지식만을 가르치고 지식을 활용하는 방법에 대해서 가르치지 않는 현재 교육 실태에 비유할 수 있다. 알고리즘 학습에 있어 컴퓨터 과학의 개념과 원리가 문제 해결에 어떻게 활용될 수 있는지 함께 제시될 수 있어야 함에도 불구하고 그 활용은 학습자 능력에 전적으로 맡겨두고 있다.
따라서 본 연구에서는 정보 영재의 컴퓨팅 사고력 향상을 위하여 다양한 문제에 대하여 컴퓨터 과학 개념과 원리를 바탕으로 해결 과정을 모델링하는 경험을 충분히 제공하고자 퍼즐을 도입하였다. 퍼즐은 복잡해서 정의내리기 어려운 실세계 문제와 달리 단순한 형태로 문제가 제시되기 때문에 학습자가 문제 상황을 빠르게 파악하고 해결 과정에 집중할 수 있도록 한다. 또한 문제 상황이 구조화된 형태로 제시되지 않는 경우가 많아 문제 해결에 대한 접근이 개방적이므로 논리적이고 체계적이며 정교한 형태의 문제 해결 과정 설계를 경험하도록 한다는 장점을 가진다. 그러나 퍼즐의 개방적인 문제 해결 접근이라는 점으로 인하여 학습자가 문제 해결에 대한 성공을 쉽게 경험하기 어렵기 때문에 이를 교사가 안내할 수 있도록 하기 위한 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형을 개발하고 이 모형을 바탕으로 하는 수업이 정보 영재의 컴퓨팅 사고력에 미치는 영향을 분석하였다.
퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형은 학습자가 스스로 모든 문제 해결 과정을 설계하고 성공을 경험하는 과정에서 학습이 일어나도록 함에 있어 최적의 학습 환경을 구성하기 위한 교수학습 모형들을 검토하여 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형의 설계 방향과 방법을 설정하였다. 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형은 일반적인 문제 해결 단계를 바탕으로 학습자가 자기 주도적인 학습 태도를 가지고 수업에 참여하도록 하기 위하여 교사의 역할과 학습자의 역할을 명확하게 구분하여 제시하였다. 그리고 각 문제 해결 단계에는 교사가 학습자의 학습을 지원하는 다양한 지원 전략들을 제시하였다. 따라서 개발된 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형은 하나의 해결해야 할 퍼즐을 단위로 교수 학습 단계가 진행이 되며, 학습자가 스스로 모든 학습 과정을 거칠 수 있도록 하는 지속적인 참여와 문제 해결 성공의 경험을 위한 방안들이 제공 된다는 특성을 갖는다.
이 모형을 바탕으로 프로그램을 개발하여 5일간 총 20차시 동안 초등학생과 중학생을 대상으로 적용하였다. 그 결과 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형을 적용한 집단이 전통적인 알고리즘 수업을 한 집단에 비해 컴퓨팅 사고력이 유의하게 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이는 본 연구에서 개발된 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형이 정보 영재의 컴퓨팅 사고력 향상에 긍정적인 영향을 미쳤다고 판단할 수 있다. 또한 학습자의 문제 해결 과정을 분석한 결과 다양한 컴퓨팅 사고력의 문제 해결 전략들을 의식적으로 활용함으로써 효과적이고 효율적인 방법으로 문제를 해결하고 있음을 확인하였으며, 이를 바탕으로 개선된 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형을 제시하였다. 앞으로 개선된 모형을 적용 및 검증하고 이를 바탕으로 지속적으로 개선해나간다면 서로 다른 변수를 갖는 다양한 수업 환경에 널리 적용 가능한 실용적인 퍼즐 기반 알고리즘 학습 모형을 완성할 수 있을 것이며 이를 바탕으로 보다 효과적인 학습 효과를 산출할 수 있을 것이라 기대한다.