현장 인사이트

과학기술공학의 발달에 따른 STEM 교육 혁신의 방향

미국의 「미래 STEM 교육 비전」을 중심으로

과학기술공학의 발달에 따른 STEM 교육 혁신의 방향

과학기술공학의 발달은 교육에도 영향을 미칠 수밖에 없다. 최근 30여 년 동안 기술 혁신과 그에 따른 ICT의 변화 또한 엄청나며, 이 변화는 앞으로도 계속될 것이다. 이러한 미래 상황의 변화에 따라 미국은 최근 「미래 STEM 교육 비전

(NSF, 2020)」을 발표하였다. 본 글에서는 미국의 미래 STEM 교육 계획을 중심으로 그 변화의 방향과 실천 계획을 살펴보고, 이를 바탕으로 우리나라 STEM 교육과 STEAM 교육에 대한 제언을 제시하고자 한다.

글. 김영민 SNS-View 편집위원

부산대학교 명예교수

2000년 전후의 기술 혁신과 ICT 변화

STEM Education for the Future – A Visioning Report

ICT 영역에서의 기술 혁신은 불과 30년 사이에 [그림 1]과 같이 엄청난 변화를 보였다. 1990년대만 하더라도 PC로 E-mail을 주고받다가, 2000년에 들어서는 모바일 폰과 노트북 그리고 태블릿의 사용과 웹사이트들이 운영되었고, 2010년에는 스마트 폰과 스피커, 스마트 워치 등의 사용과 모 바일 앱의 개발·활용이 활발해지며, 이를 통한 비디오 스트리밍과 즉시적 메시지 교환 도 가능해졌다. 그리고 2020년대에 들어선 현재는 VR 헤드셋, 감정 센서 등이 개발되어 AR, VR의 활용, 인공지능의 개발과 활용 등이 보편화되고 있다.

Messaging

ö ssling, 2021) 그림 1. 2000년 전후의 기술 혁신과 ICT 변화(출처: G

Instant

Emotion Sensor

이러한 과학기술공학의 발달은 교육에도 영향을 미친다. 이미 태블릿과 스마트폰, VR 등이 교육에 활용되고 있고, 이러한 경향은 보편화되고 가속화될 것으로 판단된다. 미래 상황의 변화에 따라 선진 각국은 미래의 STEM 교육의 방향과 방법을 제시하고 있는데, 그중 최근에 발표된 미국의 「미래 STEM 교육 비전」은 종합적이고 비교적 구체적인 계획을 담고 있다.

미래 STEM 교육 비전 선언과 실행 과제들

미국 NSF(2020)에서 선언한 미래 STEM 교육 비전은 다음과 같다. “모든 시민은 국가의 발전과 활력에 기여할 수 있다. 미래의 STEM 진로를 준비하기 위해 모든 학습자는 기초 STEM 지식습득을 위한 동등한 기회를 가져야 한다. 미래 STEM 교육은 현대 기술로 사람들이 어떻게 학습하는가에 대한 더 나은 이해를 통해, 더욱 개인화된 학습경험을 만들고 학습을 고취시키며 어린 나이부터 창의성을 증진시킨다. 이는 미국의 청년 및 성인 학습자들의 호기심을 활성화하고 견고하게 하여, 혁신과 탐구의 문화를 조성하고 과학 기술의 발견과 경쟁력에 있어 글로벌 리더로서의 자리를 확고하게 할 것이다.”

그림 2. 미래 STEM 교육 리포트 표지

1)

위 선언을 통해 개별화 교육

은 미래 교육의 핵심적 변화로서, 미래 STEM 교육 에서 강조되고 있음을 확인할 수 있다. 창의성 증진과 현대 기술을 이용한 교육은 글로벌 리더 로서의 미국의 위치를 견고하게 할 것이라 보고 있다. 이 같은 비전 달성을 위하여 다음의 선행 과제들 을 제시하였다.

Personalized Education

Priorities

모든 교육 단계의 모든 학생들이 STEM 커리어를 접해 보고 선택해 볼 기회를 가져야 하고 혁신 경제에 기여할 수 있어야 한다.

선행과제 1

선행과제 2

우리는 미래에도 사용할 수 있는 기능들(역랑들)을 가진 윤리적 노동력을 구축해야 한다.

우리는 적절한 기술적 혁신들이 대면 교실이든 아니든 학습 공간에 들어 와서, 현대 선행과제 3 기술이 어떻게 학습에 영향을 미칠 수 있고, 학생들의 학습 경험을 얼마나 풍부하게 할 수 있는지를 이해하는 교사들에 의해 지도되도록 보장해야 한다.

1)　All citizens can contribute to our nation’s progress and vibrancy. To be prepared for the STEM careers of the future, all learners must have an equitable opportunity to acquire foundational STEM knowledge. The STEM Education of the Future brings together our advanced understanding of how people learn with modern technology to create more personalized learning experiences, to inspire learning, and to foster creativity from an early age. It will unleash and harness the curiosity of young people and adult learners across the United States, cultivating a culture of innovation and inquiry, and ensuring our nation remains the global leader in science and technology discovery and competitiveness.

나아가 각 과제들과 관련한 총 7가지의 ‘주요 과제 전략도 제시하고 있다.

challenges

해결해야 할 주요 과제(Challenge)

질 높은 STEM 교육에 대한 지역 및 기관의 불균등 모든 학생들이 수용 가능하면서도 질 높은 Access to high-quality STEM education is STEM 교육을 받을 수 있는 기회들을 창출한다. uneven across the nation’s geography and 또한 이들이 어려서부터 과학과 수학에 대한 institutions.

’을 진단하였다. 현황 분석을 통해 실행

실행 전략(Action)

사랑과 호기심을 키울 수 있도록 돕는다.

STEM 편견에 대한 지속적이고 복잡한 역학관계 변화를 증진시키기 위한 가장 효과적인 접근 방법, 2 The persistent and complex dynamics of 평등성, 포용성(inclusion)을 결정하기 위하여 bias in STEM

변화하는 STEM 직업 역량 및 학위 취득 방법 The pathways to attain an undergraduate degree and/or the competencies required for a STEM job are changing. Some of these shifts have the potential to challenge common academic structures.

학습자 삶의 모든 국면에 적합하게 적응·조정되어야 하는 STEM 교육 STEM education must be adaptable to all phases of life and be tailored to the changing ways learners may process and engage information across their lifespan.

국가 경쟁력을 저해하는 STEM 대학원 과정의 사고 다양성 및 인적 자본의 부족 A lack of diversity of thought and of human 창의적 능력, 의미 있는 연구 문제 해결하기, 5 capital in U.S. STEM graduate programs 학문적 경계를 넘나드는 연구 수행하기, hinders the nation’s ability to maintain its

다양한 팀들과 협업하기 등이 포함된다. position as a global leader in 21st Century · 국가 전략적으로 중요한 분야에서 연구 경력을 innovation.

21세기 기술 진보에 따른 윤리적 이슈의 등장과 새로운 창의적 사고의 필요성 6 Advances in 21st century technologies present ethical issues and require new creative thinking.

인지 및 학습에서의 가상원격학습 영향력 이해 필요성 7 We need to understand how virtual distance learning environments affect cognition and learning.

좀 더 많은 연구가 필요하다.

학생들은 그들의 교육 경로와 관계 없이 21세기 핵심 역량들을 획득할 필요가 있다. 이 역량들은 적응력과 융통성, 협력하여 일하는 능력, 독자적으로 학습하는 능력, 그리고 평생학습자가 되는 능력 등이다.

교육자는 유아기(Pre-K)부터 성인까지 사람들이 어떻게 학습하는지를 이해할 필요가 있다.

· 대학원 교육은 학생들로 하여금 21세기 핵심 연구 역량을 가질 수 있게 해야 한다. 여기에는

추구할 수 있는 기회와 인센티브가 있어야 한다.

STEM 교육은 우리의 노동력이 현대 기술과 부합하는 혁신과 작업이 되도록 준비해야 하며, 이들의 사회적 효과 또한 고려해야 한다.

기술(skills)과 능력(abilities) 개발에 대한 영향력부터 가장 적합한 교수방법 및 교육과정까지, 가상· 하이브리드 원격 학습의 가능성에 대한 보다 깊은 이해 확립을 위한 연구가 필요하다.

이 작업의 일환으로, 미래 STEM 교육 위원회는 해당 STEM 내용 수업을 위해 여러 가지 교수법 들을 채택하여 실천해 온 교육 기관들의 혁신가들을 인터뷰하였다. 위원회는 STEM 관련 개념들에 대한 새로운 교육에서 좀 더 구체적으로 깊이 탐색해 볼 수 있는 교수법들을 조사하였다.

첫째는 학습환경이 학생-중심

, 프로젝트 기반

, 그리고 개별화 되어야 한다는 것이고, 둘째는 미래 STEM 교수학습의 기본 원칙은 평등 과 포용 이라는 것이다. 평등과 포용은 전체 교육의 과정에 스며들어 있다. 셋째는 현대 기술의 적절한 활용이다. 기술은 공평한 학습 환경을 만들 가능성을 갖고 있지만, 동시에 미래에 우리가 필요로 하는 기술을 바꾸고 우리가 무엇을 어떻게 가르쳐야 하는가를 변화시킨다.*

Student-Centered

* 특히 기술의 장래성은 두 가지 영역에서 탐구되었다. 1. 기술은 직업 및 STEM의 본질을 변화시킬 것이며, 이에 모든 연령의 학습자들은 기술, 그 외 과학 및 수학의 현대의 도구들을 가지고 능동적으로 준비해야 한다. 2. 연구, 수업, 학습 개선을 위한 도구들의 제공

우리나라의 STEM 교육 혁신을 위하여

첫째, 평생교육

Project-Based

Personalized

Equity

Inclusion

차원에서 STEM/STEAM 교육이 이루어져야 한다. 학교 교육에서의 STEM/STEAM 교육은 학습자가 아무리 성취도가 높게 이수를 했다고 해도 학교 교육만으로 폭넓은 분야의 STEM/STEAM 교육을 충분히 할 수 없고, 학교 교육을 벗어나도 과학기술은 끊임 없이 변화하기 때문에 이를 따라가기 위해서는 계속적인 교육이 필요하기 때문이다. 이미 지역 사회를 중심으로 평생교육이 실행되고 있지만 이에 대한 체계적인 연구를 통해 증거에 기반 한 STEM/STEAM 평생교육이 실천될 필요가 있다.

Lifelong education

둘째, 학생 중심

의 개별화 학습

이 강화되어야 한다. 지금까지도 학생 중심, 개별화 학습이 거론됐지만 지식 중심의 학습 내용의 이해와 적용을 강조하는 학습 환경에서는 크게 강조되지 않아도 학습 목표를 달성하는 데 문제가 없었다. 그러나 미래 사회 교육 에서는 창의성과 역량 중심, 문제 해결력 중심의 교육으로 목표가 변할 것임은 거의 분명한 사실 이다. ‘인공지능과 반도체 설계에 문제 풀이식 수학교육은 무용지물’(김정호, 2022.09.07. 조선일보) 이라고 주장될 정도로 학습 내용과 방법의 변화가 요구되고 있다. 학문 지식과 루틴한 문제 풀이 방법은 필요하면 얼마든지 곧바로 찾아 확인할 수 있으며, 오히려 학습자들에게는 각자의 상황 에서 그리고 졸업 후에 다양하고 복잡한 사회에서 여러 가지 문제를 직면하며 해결해 나가는 일이 더 중요하다. 미래 교육에서는 창의성과 문제해결력 중심의 교육이 더욱 강조된다. 이러한 역량들을 계발하기 위해서는 학습자 중심의 개별화 학습이 강화될 필요가 있으며, 이를 위한 학급 환경의 변화도 필요가 있다. [그림 3]은 핀란드에서 이루어지고 있는 다양한 학급 환경을 보여준다.

그림 3. 핀란드의 다양한 교실 환경들

(출처: https://www.bloomberg.com/, https://www.cmrubinworld.com/)

Student-centered

Personalized learning

AI 경쟁력을 키우기 위한 인재 양성의 현주소, 영재 교육 현장의 개선을 위하여

셋째, 프로젝트 기반

학습이 강화되어야 한다. 학생 시절이든 졸업 후 시절이든 직면 하는 문제 상황은 단일 학문 상황이 아니라 융합 학문 상황이다. 이러한 문제 상황을 해결하기 위한 역량(문제해결력)을 개발하기 위해서는 프로젝트 기반 학습이 필요하다. 그리고 프로젝트 기반 학습은 앞에서 제시된 학생 중심, 개별화 학습도 가능하게 해 준다.

Project-based

넷째, 기술을 적극적이고 적절하게 활용하는 학습이 필요하다. 과거에도 과학과 수학 수업에서 MBL을 활용한 수업이라든지, 인터랙티브 피직스

와 같은 시뮬레이터가 수업에 활용되었지만 이러한 프로그램들은 활용하면 개념 이해와 탐구에 좀 더 도움이 되는 수준으로, 활용하지 않더라도 개념 이해와 탐구 능력 신장에 크게 영향을 주지 않았다. 그러나 지금의 에듀테크 는 종전의 활용 범위와 수준을 넘어섰으며, 그 영향력은 앞으로 더 커질 것임이 분명하다. 이미 영재학교와 과학고등학교에서는 에듀테크가 적극 활용되고 있어, 교육의 형평성 측면에서 일반 학교까지의 활용 확대가 촉구된다.

Edu-tech

Interactive Physics

아울러, 우리나라만의 고유한 교육적 특성이 있다면 이를 미래 STEM/STEAM 교육에 어떻게 연결할 것인지에 대한 연구도 필요하다. 우리나라의 미래 세대들을 위한 필요 역량 및 기술 학습을 위한 환경 마련의 방법은 우리나라 교육 현장이 가장 잘 알고 있을 것이다. 국외 교육 정책에서의 인사이트를 넘어, 우리나라만의 STEM/STEAM 교육 방법에 대한 다각적인 연구가 이어져야 할 것이다.

참고문헌 김정호. 김정호의 AI시대의 전략, 조선일보 2022년 9월 7일자 기사. Fullan, M. and Langworthy, M. “A Rich Seam: How New Pedagogies Find Deep Learning,” London: Pearson, 2014. ö ssling, S. Tourism, technology and ICT: a critical review of affordances and concessions, Journal G of Sustainable Tourism 29, 2021. NSF. STEM Education for the Future – A Visioning Report, NSF, 2020.

https://www.bloomberg.com/news/articles/2017-08-18/do-fewer-walls-make-for-better-schools. 2022년 9월 13일 방문. https://www.cmrubinworld.com/the-global-search-for-education-a-look-at-a-finnish-school/. 2022 년 9월 13일 방문.