A comparison of the problem-solving strategies between high school engineering and science students in integrated STEM education

Abstract

우리 사회가 빠르게 발달함에 따라 통합적 문제 해결 능력을 갖춘 인재의 중요성이 커지고 있다. 이러한 사회의 요구를 뒷받침하기 위해 STEM/STEAM 교육이 등장하여 학생들의 통합적 문제해결 능력을 향상시키는데 기여하고 있다. 하지만 STEM/STEAM 수업에서 각 교과의 특성은 학생들은 사고 과정에 영향을 미치고, 교과 고유의 사고 과정은 문제 해결 과정에서 다른 특성을 보인다. 특히 연구자는 공학과 과학의 문제해결 접근법의 차이를 규명하기 위해 고등학교 공학(기술)과 과학 수업에서 각각 3명의 학생들을 대상으로 사례 연구를 실시했다. 이 연구에서 공학과 과학 교과 학생들은 STEM/STEAM 수업의 도입 부분을 함께 수강한 후에 모형 제작에서는 공학 학생들이 주도를 하고 과학 학생들은 피드백을 주는 활동을 실시했다. 연구자는 이 중에 6명의 학생들을 대상으로 수업내용과 유사한 공학 문제를 제시한 후 문제해결 과정을 분석했다. 문제 해결 과정은 소리내어 말하기 (think-aloud) 기법을 통해 음성과 영상이 비디오로 녹화되었다. 연구자는 학생들의 문제해결 전략을 분석하기 위해 Halfin이 제시한 7가지 인지전략을 이용했다. 연구 결과에서 공학 학생들은 다양한 문제해결 전략을 사용하려는 특성을 보였고, 과학 학생들은 해결 중심적인 몇 가지 인지전략에 집중적으로 사용했다. 또한 공학 학생들은 문제와 해결책 사이에서 순환적인 인지사용을 보인 반면, 과학 학생들은 디자인이나 모델링과 같은 몇 가지 전략을 집중적으로 사용한 것으로 드러났다. 또한 해결책의 비교에서는 과학 학생들은 창의적인 아이디어를 제시했지만 구체적인 실현 계획을 제시하지 못하였고, 공학 학생들은 혁신적인 아이디어 보다는 구체성과 현실적인 문제 등을 고려한 해결책을 제시했다. 연구자는 과학과 공학의 실천 방법이 학생들의 인지에 영향을 미친다는 것을 확인했으며, STEM/STEAM 수업을 실시할 때 학생들의 문제 해결 전략의 이해를 바탕으로 효과적인 지도 방법을 마련해야 한다는 것을 제언하였다.Given our rapid societal change, the ability to solve problems using interdisciplinary knowledge and skills is becoming increasingly important. To support these educational needs, many international countries have adopted STEM/STEAM education as a core learning platform. However, the fundamental differences of problem-solving strategies within the STEM/STEAM disciplines influence students’ cognitive structures and problem-solving strategies. To investigate the various problem-solving strategies used by science and engineering (technology) students, the researcher recruited six high school students, three from engineering courses and three from science courses. The participant students were taught a STEM/STEAM unit, but the engineering group had only participated in the physical modeling process. After completing the STEM/STEAM lessons, the two groups were given a design task with a structure similar to the integrated lessons. To assess the mental strategies of students, the researcher used the Concurrent-Think Aloud protocol and the seven of Halfin’s codes. The results showed that the engineering students tended to use a variety of problem-solving strategies, while the science students concentrated on solution-oriented strategies. The researcher also confirmed that the engineering students showed various design iterations by revisiting the problem identification process throughout the design process. However, the science students tended to show a limited number of iterations. The design outcomes also showed that the science students yielded many innovative design ideas but failed to provide details for their design solutions. When instructing STEM/STEAM lessons, educators need to utilize authentic instructional strategies to improve students’ integrative problem-solving abilities.