표제지

목차

I. 서론 12

1. 연구의 필요성 12

2. 연구의 목적 16

3. 연구의 문제 16

4. 용어의 정의 17

가. 초·중등 공학교육 17

나. 공학교육 프로그램 17

다. 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 17

II. 이론적 배경 18

1. 공학과 공학교육 18

가. 공학의 개념 및 특성 18

나. 공학교육의 개념 및 특성 28

2. 초·중등 공학교육의 기초 탐색 32

가. 초·중등 공학교육의 가치와 특성 32

나. 초·중등 공학교육의 핵심 개념과 학습 41

3. 초·중등 공학교육 현황 47

가. 국내의 초·중등 공학교육 현황 47

나. 국외의 초·중등 공학교육 현황 63

III. 연구의 절차 및 방법 72

1. 연구의 절차 72

가. 이론적 고찰 및 기초 연구 73

나. 델파이 조사 연구 73

2. 조사 대상 및 도구 75

가. 조사 대상 75

나. 델파이 조사 도구 78

3. 자료 수집 및 분석 79

가. 자료 수집 79

나. 자료 분석 79

IV. 연구의 결과 82

1. 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 구안 82

가. 문헌고찰을 통한 구안 82

나. 전문가 자문을 통한 수정 85

2. 정의, 기본방향 및 성격 개발 90

가. 정의 및 기본방향 90

나. 성격 94

3. 학교급별 교육 목표 개발 97

4. 교육 내용 영역 및 요소 개발 101

가. 교육 내용 영역 및 요소 타당도 101

5. 교수학습 및 평가 방법 개발 110

가. 교수학습 방법 110

나. 평가 방법 112

6. 교육 내용 영역 및 요소 중요도 113

7. 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형에 대한 논의 124

가. 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 124

나. 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형에 대한 논의 127

V. 요약, 결론 및 제언 131

1. 요약 131

2. 결론 및 제언 135

참고문헌 137

ABSTRACT 151

부록 155

[부록 1] 델파이 위원 명단 156

[부록 2] 델파이 1차 조사지 158

[부록 3] 델파이 2차 조사지 165

[부록 4] 델파이 3차 조사지 174

[부록 5] 영문 약어 리스트 188

〈표 II-1〉 공학에 대한 국내의 사전적 정의 19

〈표 II-2〉 공학에 대한 국외의 사전적 정의 20

〈표 II-3〉 공학에 대한 국내의 학문적 정의 21

〈표 II-4〉 공학에 대한 국외의 학문적 정의 23

〈표 II-5〉 공학, 과학, 기술에 대한 정의(이경우 외, 2006, 재인용) 25

〈표 II-6〉 과학자, 공학자, 기술자의 비교(노승환, 2012) 26

〈표 II-7〉 공학교육에 대한 정의 29

〈표 II-8〉 공학교육 프로그램 학습성과 기준(한국공학교육인증원, 2015) 30

〈표 II-9〉 선행연구에 제시된 초·중등 공학교육의 필요성 및 배경 33

〈표 II-10〉 선행연구에 제시된 초·중등 공학교육의 가치 34

〈표 II-11〉 선행연구에 제시된 초·중등 공학교육을 통한 학생 성과 35

〈표 II-12〉 K-12 공학교육에서의 일반 원칙(NAE & NRC, 2009) 38

〈표 II-13〉 "Engineering in K-12 Education" 연구 결과(NAE & NRC, 2009) 39

〈표 II-14〉 K-12 공학교육의 일관성 및 질 향상을 위한 4단계 39

〈표 II-15〉 선행연구에 제시된 K-12 공학교육을 위한 공학 핵심 개념 41

〈표 II-16〉 K-12 수준에서의 공학 설계 과정 46

〈표 II-17〉 2009 개정 교육과정 공통 교육과정 "실과(기술·가정)"의 공학 반... 48

〈표 II-18〉 2009 개정 교육과정 선택 교육과정 일반 과목 "기술·가정" 교과... 49

〈표 II-19〉 2009 개정 교육과정 선택 교육과정 심화 과목 "공학 기술" 교과... 50

〈표 II-20〉 2009 개정 교육과정 공통 교육과정 "과학과"의 공학 반영 내용... 51

〈표 II-21〉 2015 개정 교육과정 공통 교육과정 "실과(기술·가정)"의 공학 반... 53

〈표 II-22〉 2015 개정 교육과정 선택 교육과정 진로 선택 과목 "공학 일반"... 55

〈표 II-23〉 2015 개정 교육과정 공통 교육과정 "과학과"의 공학 반영 내용... 56

〈표 II-24〉 교과별 공학 내용 반영 빈도 58

〈표 II-25〉 "공학 개론" 과목 목표(한국교육개발원, 2014a) 59

〈표 II-26〉 "공학 개론" 과목의 내용 체계(한국교육개발원, 2014a) 59

〈표 II-27〉 "생활 속의 공학" 과목 목표(한국교육개발원, 2014b) 60

〈표 II-28〉 "생활 속의 공학" 과목의 내용 체계(한국교육개발원, 2014b) 60

〈표 II-29〉 국내 청소년 공학교육 관련 프로그램 현황(김기수 외, 2013) 61

〈표 II-30〉 학교급별 EbD 프로그램의 개요(ITEEA, 2016) 66

〈표 II-31〉 학교급별 PLTW 프로그램의 교육과정(PLTW, 2015a) 68

〈표 II-32〉 EiE 프로그램의 교육과정(EiE, 2015) 69

〈표 III-1〉 델파이 전문가 선정 기준 77

〈표 III-2〉 델파이 전문가 패널의 전공 분야 및 소속별 분류 77

〈표 III-3〉 델파이 전문가 패널의 최종 학위 및 종류별 분류 78

〈표 III-4〉 차수별 델파이 조사 내용 78

〈표 III-5〉 델파이 조사와 설문조사의 발송 및 수집 현황 79

〈표 III-6〉 델파이 패널 수에 따른 내용타당도 비율(CVR)의 최소값 (p〈.05) 80

〈표 IV-1〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 기본 방향 82

〈표 IV-2〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 성격 83

〈표 IV-3〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 교육 목표 83

〈표 IV-4〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 교육 내용 영역 및 요소 84

〈표 IV-5〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 교수학습 방법 85

〈표 IV-6〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 초안의 평가 방법 85

〈표 IV-7〉 전문가의 검토 의견 및 반영 내용 86

〈표 IV-8〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 정의 및 기본 방향 86

〈표 IV-9〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 성격 87

〈표 IV-10〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 교육 목표 87

〈표 IV-11〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 교육 내용 영역 및... 88

〈표 IV-12〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 교수학습 방법 90

〈표 IV-13〉 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 수정안의 평가 방법 90

〈표 IV-14〉 정의 및 기본 방향의 타당도 결과(1차, 2차, 3차) 91

〈표 IV-15〉 정의 및 기본 방향 항목별의 타당도 분석 결과(2차, 3차) 91

〈표 IV-16〉 정의에 대한 전문가 주요 의견 92

〈표 IV-17〉 전문가 의견에 따른 정의 수정안 92

〈표 IV-18〉 기본방향에 대한 전문가 주요 의견 93

〈표 IV-19〉 전문가 의견에 따른 기본 방향 수정안 93

〈표 IV-20〉 성격의 타당도 결과(1차, 2차, 3차) 94

〈표 IV-21〉 성격 항목별의 타당도 분석 결과(2차, 3차) 94

〈표 IV-22〉 성격에 대한 전문가 주요 의견 95

〈표 IV-23〉 전문가 의견에 따른 성격 수정안 96

〈표 IV-24〉 교육 목표의 타당도 결과(1차, 2차, 3차) 97

〈표 IV-25〉 학교급별 교육 목표의 타당도 분석 결과(2차, 3차) 98

〈표 IV-26〉 학교급별 교육 목표에 대한 전문가 주요 의견 99

〈표 IV-27〉 전문가 의견에 따른 초등학교 교육 목표 수정안 100

〈표 IV-28〉 전문가 의견에 따른 중학교 교육 목표 수정안 100

〈표 IV-29〉 전문가 의견에 따른 고등학교 교육 목표 수정안 101

〈표 IV-30〉 교육 내용 대영역의 타당도 및 수정 사항 결과(1차, 2차, 3차) 102

〈표 IV-31〉 교육 내용 대영역에 대한 타당도 분석 결과(2차, 3차) 102

〈표 IV-32〉 교육 내용 영역 및 요소에 대한 전문가 주요 의견 103

〈표 IV-33〉 교육 내용 영역 및 요소 원안 103

〈표 IV-34〉 교육 내용 영역 및 요소 1차 수정안 105

〈표 IV-35〉 교육 내용 영역 및 요소 2차 수정안 107

〈표 IV-36〉 교육 내용 중영역별 타당도 결과 109

〈표 IV-37〉 교육 내용 요소별 타당도 결과 110

〈표 IV-38〉 교수학습 방법의 타당도 결과 110

〈표 IV-39〉 교수학습 방법에 대한 전문가 주요 의견 111

〈표 IV-40〉 전문가 의견에 따른 교수학습 방법 111

〈표 IV-41〉 평가 방법의 타당도 결과 112

〈표 IV-42〉 평가 방법에 대한 전문가 주요 의견 112

〈표 IV-43〉 전문가 의견에 따른 평가 방법 수정안 113

〈표 IV-44〉 교육 내용 중영역에 대한 중요도 분석 결과 114

〈표 IV-45〉 교육 내용 중영역별 중요도의 소속에 따른 차이 검증 결과 115

〈표 IV-46〉 초등학교 수준에서의 교육 내용 요소별 중요도 결과 116

〈표 IV-47〉 초등학교 교육 내용 요소별 중요도의 소속에 따른 차이 검증 결과 117

〈표 IV-48〉 중학교 수준에서의 교육 내용 요소별 중요도 결과 118

〈표 IV-49〉 중학교 교육 내용 요소별 중요도의 소속에 따른 차이 검증 결과 119

〈표 IV-50〉 고등학교 수준에서의 교육 내용 요소별 중요도 결과 121

〈표 IV-51〉 고등학교 교육 내용 요소별 중요도의 소속에 따른 차이 검증 결과 122

〈표 IV-52〉 최종 초·중등 공학교육 프로그램 구성 모형 124

 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.