본 연구에서는 피지컬 컴퓨팅 학습매체를 활용한 프로그래밍 학습에서 문제중심학습과 구조화된 성찰저널 작성 및 교사의 피드백을 적용한 교수?학습 전략을 개발하고 효과성을 검증하였다. 교수?학습 전략은 피지컬 컴퓨팅 학습매체가 가지는 환경과 상호작용성을 적용하여 학습자에게 실제적 문제가 제시되고 프로그래밍을 통한 물리적 산출물을 설계하고 제작하는 학습활동이 이루어진다. 본 연구에서는 서정현과 김영식(2016b)이 제시한 피지컬 컴퓨팅 활용 프로그래밍 학습 모형을 적용하였으며 학습 단계별 성찰 활동을 위해 Merizow(1990)가 제안한 3단계 성찰 양식을 학습 단계별로 적용하였다. 또한 피드백 전략으로 Shute(2008)가 제안한 교정적 피드백과 Nicol(2006)이 제안한 자기조절 피드백을 적용하였다.
교수?학습 전략은 ‘계획’, ‘개발 및 검토’, ‘적용 및 분석’의 3단계로 진행되었으며 피지컬 컴퓨팅 학습매체를 이용하여 실제적 문제 상황을 물리적 산출물로 설계 및 제작하고 프로그래밍을 통해 구현하는 학습 활동이 구성되어 있다.
첫째, 계획 단계에서는 학습 목표 설정과 문제 개발이 이루어졌다. 이 단계는 학습자가 구현할 산출물의 유형과 기능을 결정하므로 교육과정과 선행연구 분석을 통해 프로그래밍 학습 관련 교육과정을 분석하고 그에 따른 학습 성취 기준을 설정하며 학습에 필요한 인적, 물적 자료들을 준비한다. 또한 학습자의 실제 생활과 연관되고 프로그래밍 학습을 위한 동기 유발에 효과적인 문제를 개발하고 이를 검증한다.
둘째, 개발 및 검토 단계에서는 선행 연구 결과를 바탕으로 학습내용, 학습모형, 성찰저널 및 피드백 전략을 개발하였다. 또한 초등학교 학습자가 피지컬 컴퓨팅 학습매체와 블록형 프로그래밍 도구를 이용하여 실제 생활에서 접할 수 있는 문제 상황을 물리적 산출물로 설계하고 구현하는 활동을 실시하였다. 또한 활동 과정에서 제시되는 문제가 학습자에게 잘 반영될 수 있도록 단계별 프로그램을 설계하고 시범 적용 후 학습자의 피드백과 전문가를 통해 검증하였으며 이를 바탕으로 교수?학습 전략을 수정 보완하였다.
셋째, 적용 및 분석 단계에서는 개발 및 검토 단계에서 개발한 프로그램을 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습에 적용하고 그 효과성을 분석하였다. 분석을 위해 초등학교 5학년 학생 91명을 대상으로 실험집단과 통제집단으로 구분하여 18차시 학습 내용을 6주간 적용하였다. 실험처치를 위한 집단은 모두 세 집단으로 구성하였으며 첫 번째 연구가설로 문제중심학습(PBL)을 적용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습을 실시한 집단과 기존의 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습을 실시한 집단 간 논리적 사고력의 차이를 분석하였다. 그 결과 논리적 사고력에서 유의한 차이를 보여 PBL을 적용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습이 학습자의 논리적 사고력 향상에 효과가 있음이 증명되었다. 또한 두 번째 연구가설로 PBL을 적용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습 상황에서 구조화된 성찰저널 작성과 피드백을 적용한 집단과 비구조화된 성찰저널 작성과 피드백을 실시한 집단 간 논리적 사고력에 대한 차이를 분석하였다. 그 결과 PBL을 적용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습 상황에서 구조화된 성찰저널 작성과 피드백 전략을 적용한 학습이 학습자의 논리적 사고력 향상에 효과가 있음이 증명되었다. 이를 통해 PBL에서 구조화된 성찰저널 작성과 피드백을 적용한 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 교수?학습 전략이 학습자의 논리적 사고력 향상에 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구 결과를 바탕으로 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습 효과를 높일 수 있는 정교한 교수?학습 전략을 개발하고 이에 대한 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 또한 피지컬 컴퓨팅 활용 프로그래밍 학습의 지나친 낙관을 경계하는 동시에 피지컬 컴퓨팅 기반의 프로그래밍 학습에 관련된 후속 연구에 적용할 다양한 개선사항을 제시하였다.