이 연구의 목적은 초·중등교육에서의 체계적인 공학교육의 적용을 위하여, STEM 분야 및 교육 관계자들에게 공학교육 및 교수 자료의 개발과 적용에 필요한 기초자료 및 가이드라인에 해당하는 초?중등 공학교육 프로그램 구성 모형을 개발하는데 있다. 이를 위하여 문헌 고찰과 전문가 자문을 통하여 ‘정의, 기본 방향, 성격, 교육 목표, 교육 내용 영역 및 요소, 교수학습 방법, 평가 방법’으로 구성된 초?중등 공학교육 프로그램 구성 모형을 구안하고, 이를 51명의 STEM 교육 관련 전문가를 대상으로 3차에 걸친 수정 델파이 조사를 실시하여 타당화된 초?중등 공학교육 프로그램 구성 모형을 도출하였다. 3차 델파이 조사에서는 교육 내용 영역 및 요소에 대한 중요도를 분석하였다. 이에 따른 연구의 결과는 다음과 같다.
첫째, 초?중등 공학교육의 정의는 ‘초·중등 공학교육은 공학 설계 활동을 통해 과학, 기술, 수학 등의 지식과 기능을 융합하여 학생들의 공학적 사고 및 태도를 함양하는 교육이다.’이다. 이 정의에 대한 타당도의 평균은 4.65, 내용타당도는 .96으로 타당하였다. 초?중등 공학교육 프로그램의 기본 방향은 총 4가지로 다음과 같으며, 기본 방향에 대한 각 항목별 타당도의 평균은 평균 4.41∼4.74, 내용타당도 .87∼1.00으로 타당하였다.
‘첫째, 공학 기반의 세상을 이해하고, 이를 활용 및 발전시켜 나갈 수 있는 소양을 기르는 교육’,
‘둘째, 초·중등교육 과정의 과학, 기술, 수학 등의 기존 교육 내용들과 융합 및 응용하는 교육’,
‘셋째, 공학 설계 기반의 창의적 문제해결 과정을 경험하고 활용하는 교육’,
‘넷째, 공학, 공학자, 공학 관련 전공 및 분야에 대한 이해와 진로 탐색의 기회를 제공하는 교육’
둘째, 초?중등 공학교육 프로그램의 성격은 총 4가지로 다음과 같으며, 성격에 대한 각 항목별 타당도의 평균은 평균 4.48∼4.65, 내용타당도 .91∼.96으로 타당하였다.
‘첫째, 초·중등 공학교육 프로그램은 공학 기반의 세계에서 살고 있으며, 공학 기술 개발과 관련 인재 양성이 중요시 되고 있는 공학중심 시대의 초·중·고등학교 학생을 위한 교육 프로그램이다.’,
‘둘째, 초·중등 공학교육 프로그램을 통해 학생들은 체계적 사고, 창의적 사고, 비판적 사고, 문제해결력 등의 공학적 사고 역량을 함양하며, 동료들과의 협력 및 의사소통 능력, 실패에 대한 긍정적 태도와 사회에 대한 윤리적 태도 등의 공학적 태도 역량을 향상시킬 수 있다. 또한, 학생들의 과학, 기술, 수학 등 관련 교과에 대한 흥미 및 학습 동기와 학업 성취도에 긍정적인 영향을 주고, 공학 및 공학자와 공학 분야 진로 인식 향상에도 기여할 수 있다.’,
‘셋째, 초·중등 공학교육 프로그램은 형식교육과정에서는 과학, 기술, 수학 등의 교육과정과 연계하여, 관련 교과의 수업시간과 창의적체험활동, 방과후활동, 동아리활동, 자유학기제 등에 적용될 수 있으며, 비형식교육과정에서는 다양한 공학관련 단체, 기관, 학회 등에서 적용될 수 있다.’,
‘넷째, 초·중등 공학교육 프로그램은 학생들이 실제적이고 비구조화된 문제를 공학 설계를 통해 반복적, 조작적, 협력적으로 해결하는 과정을 경험하도록 하여야 한다. 이를 통해, 학생들은 공학 설계와 공학 지식을 학습하고, 공학의 핵심 개념, 공학자의 일, 세부 공학 분야에 대하여 이해할 수 있다.’
셋째, 초?중등 공학교육 프로그램의 교육목표는 학교급별 3가지로 구성되었다. 초등학교의 교육목표는 다음과 같으며, 초등학교의 교육목표에 대한 타당도의 평균은 평균 4.59, 내용타당도 .96으로 타당하였다.
‘첫째, 기초적인 재료의 특성과 도구의 사용법을 이해하고, 공학 설계 과정 단계에 따라서 문제해결을 경험할 수 있다.’,
‘둘째, 기초적인 공학적 사고 및 태도를 기를 수 있다.’,
‘셋째, 공학이 적용된 사례와 공학자가 하는 일을 조사하여 설명할 수 있다.’
중학교의 교육목표는 다음과 같으며, 중학교의 교육목표에 대한 타당도의 평균은 평균 4.67, 내용타당도 1.00으로 타당하였다.
‘첫째, 공학 설계 과정의 각 단계에 따른 공학의 핵심 개념을 이해하고, 문제해결을 위해 공학 설계 과정을 적용할 수 있다.’,
‘둘째, 공학적 사고 및 태도와 기술적 소양을 기를 수 있다.’,
‘셋째, 공학 및 공학자의 사회적 영향과 공학 분야의 진로에 대해 이해하고, 자신의 진로를 설계할 수 있다.’
고등학교의 교육목표는 다음과 같으며, 고등학교의 교육목표에 대한 타당도의 평균은 평균 4.65, 내용타당도 .96으로 타당하였다.
‘첫째, 다양한 공학 분야의 복합적이고 실제적인 문제를 관련 지식과 융합 및 응용하고, 공학 설계 과정을 활용하여 해결할 수 있다.’,
‘둘째, 공학적 사고 및 태도, 역량과 기술적 소양을 함양하고, 공학 관련 지식을 기를 수 있다.’,
‘셋째, 공학 및 공학자의 사회적, 윤리적 영향을 이해하고, 다양한 공학 분야의 진로와 직업에 대해 탐색하여, 자신의 진로를 구체적으로 준비할 수 있다.’
넷째, 초?중등 공학교육 프로그램의 교육 내용 영역 및 요소는 2개의 대영역 ‘1. 공학 지식’, ‘2. 공학 설계’로 구성되었으며, 대영역별 타당도의 평균은 4.39, 4.54, 내용타당도는 .91, .87로 타당하였다. ‘1. 공학 지식’의 중영역은 ‘공학과 공학자 지식’, ‘공학 실제 지식’, ‘융합 공학 지식’로 구성되었으며, 중영역별 타당도의 평균은 4.50, 4.37, 4.43, 내용타당도는 .91, .83, .87로 타당하였다. ‘2. 공학 설계’의 중영역은 ‘설계 과정’, ‘개념(문제정의와 배경지식)’, ‘개발(계획과 실행) 단계’, ‘평가(시험) 단계’로 구성되었으며, 중영역별 타당도의 평균은 4.70, 4.54, 4.70, 4.72, 내용타당도 .96, .91, .91, 1.00으로 타당하였다.
다섯째, 초?중등 공학교육 프로그램의 교수학습 방법은 다음과 같으며, 교수학습 방법에 대한 타당도의 평균은 4.52, 내용타당도는 .96으로 타당하였다.
‘학생들의 발달 단계, 학습 수준, 요구, 흥미, 진로, 학교 및 지역사회 환경 등을 고려하여, 학생들이 문제해결을 위한 공학설계과정을 체험해 볼 수 있도록 지도한다. 교육 주제, 내용, 시간, 환경 등에 따라 팀기반의 문제해결학습법, 문제중심학습법, 프로젝트중심학습법, 설계중심학습법 등을 적절히 활용하여 지도한다.’
초?중등 공학교육 프로그램의 평가 방법은 다음과 같으며, 이 평가 방법에 대한 타당도의 평균은 4.35, 내용타당도는 .83으로 타당하였다.
‘평가에 대한 제한조건 및 기준을 사전에 제시하고 문제해결 결과를 중심으로 평가하되, 시제품, 모델링, 시각적 자료 등 산출물 및 해결책과 이에 대한 시연, 발표 등을 통한 결과 중심 평가뿐만 아니라 자기평가, 동료평가, 포트폴리오, 교사 관찰평가 등을 활용한 과정 중심 평가도 종합적으로 고려하여 평가한다.’
여섯째, 초?중등 공학교육 프로그램의 교육 내용 중영역 중요도는 ‘개념(문제정의와 배경지식) 단계’와 ‘개발(계획과 실행) 단계’이 4.74로 높게 나타났으며, 7개 중영역 모두에서 델파이 전문가 소속에 따른 유의미한 차이가 있었다. 초등학교 교육 내용 요소별 중요도에서는 ‘아이디어 생성’는 4.70으로 가장 높게 나타났으며, 9개 내용 요소에서 델파이 전문가 소속에 따른 유의미한 차이가 나타났다. 중학교 교육 내용 요소별 중요도에서는 ‘아이디어 생성’과 ‘해결책 탐색 및 선택’은 4.72로 가장 높게 나타났으며, 13개 내용 요소에서 델파이 전문가 소속에 따른 유의미한 차이가 나타났다. 고등학교 교육 내용 요소별 중요도에서는 ‘공학 진로 및 직업’은 4.87로 가장 높게 나타났으며, 13개 내용 요소에서 델파이 전문가 소속에 따른 유의미한 차이가 나타났다.

The purpose of this study is to provide basic data and guideline to STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics) educators who prepare engineering education in elementary and secondary school. For this, this study develops a composition model for engineering education program of elementary and secondary school. To do this, a literature research, experts interview and Delphi survey were conducted. Through the literature research, we extracted the components of model for engineering education program of elementary and secondary school and then made a first draft of the model. The draft was revised by experts while Delphi survey was used to validate the model based on Delphi panels’ opinions. The panels for the Delphi survey consisted of 51 experts in the STEM education field. The survey was conducted three different times and importance survey was included in the third stage.
The conclusions of this study were as follows:
First, the model consist of definition, 4 directions, 4 personalities, 3 educational goals according to school level, educational contents area and element, teaching learning method and evaluation method. The educational contents area and element consist of 2 major areas, 7 areas and 18 elements.
Second, all components of the developed model were valid in most of the statistics such as mean, standard deviation, the degree of consensus and convergence, and CVR(Content Validity Ratio).
The developed definitions in elementary and secondary engineering education are as follows: ‘Elementary and secondary engineering education is an education that fosters students'' engineering thinking and attitude by combining knowledge with functions such as science, technology, and mathematics through engineering design activities.’
The developed directions of elementary and secondary engineering education programs are as follows: ‘First, an education that encourages students who can understand the engineering-based world and finally utilize and develop it’, ‘Second, an education to integrate and use the contents of science, technology, and mathematics in elementary and secondary school curriculum’, ‘Third, Education and experience of creative problem-solving processes based on engineering design’, ‘Fourth, an education that provides opportunities for understanding and exploring various careers in engineering, engineer, engineering and related fields’.
The educational goals of elementary, middle and high schools are as follows: In elementary school, ‘First, understand properties of basic materials and learn how to use tools, and experience problem-solving according to engineering design processes’, ‘Second, develop basic engineering habits of mind’, ‘Third, investigate and explain examples of engineering and the role of engineers’. In middle school, ‘First, understand core concepts of engineering according to each stage in the engineering design process and then apply the engineering design process to solving problems’, ‘Second, develop engineering habits of mind and technological literacy’, ‘Third, understand social impacts of engineering, engineers and their careers in engineering field, and further design their own career paths’. In high school, ‘First, solve complex and practical problems in various engineering fields through the engineering design process based on integration and application of related knowledge’, ‘Second, develop engineering habits of mind, competency and technological literacy, and to learn engineering knowledge’, ‘Third, understand social and ethical impacts on engineers, and explore their career paths and occupations in a variety of engineering disciplines, and prepare their own career paths’. The teaching-learning and evaluation methods were also developed based on definition, educational goals and directions.
Third, the analysis results of importance for education contents area and element according to the school level are as follows: In all school levels, ‘Concept(Problem Definition and Background Knowledge) stage’ and ‘Development(Planning and Execution) stage’ were the most importance. ‘Engineering design’ major area was higher than ‘Engineering Knowledge’ major area. In the elementary school level, the importance of the ‘Idea Generation’ area was the highest. In the middle school, the areas of ‘Idea Creation’ and ‘Solution Search and Selection’ were the highest. In the high school, ‘Engineering Career and Occupation’ area was the most important.
Based on these findings, this study suggests the following for future research.
First, it is necessary to develop and apply a school grade program according to the composition model of elementary and secondary engineering education program. Further, effect analysis is required.
Second, development of training programs for relevant experts and teachers are required for the development and application of elementary and secondary engineering education programs.
Third, there exists the need for interest and support for primary and secondary engineering education from governmental and related organizations.