컴퓨팅사고와 문제해결방식

▶컴퓨팅사고:

컴퓨터 과학자들은 현대의 문제해결자사라고 불린다. 따라서 컴퓨터 과학자들의 문제해결기술과 기법들을 이해하지 않고 서는 계산적 사고를 이해하는 것은 불가능하다. 물론, 반드시 컴퓨터를 가지고 문제해결을 해야 하는 것도 아니고 문제해결에 컴퓨터가 필수적인 것도 아니다. 하지만 컴퓨터 과학자들에게 익숙한 문제 기법들은 자연스럽게 컴퓨터 외적인 다양한 문제 해결에 유용하게 쓰일 수 있다.

컴퓨팅 사고에서 문제 해결 과정은 컴퓨터 과학의 핵심적인 접근 방식 중 하나입니다. 이 과정을 통해 복잡한 문제를 체계적으로 해결할 수 있으며, 이를 위해 우리는 문제정의, 논리추론, 문제분해, 추상화와 같은 개념들을 사용합니다. 이러한 과정들은 모두 단계적으로 이루어지며, 컴퓨터 과학적 사고력 및 문제 해결 능력을 크게 향상하는 데 중요한 역할을 합니다.

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▶문제 정의:

문제 해결의 첫 단계는 바로 문제 정의입니다. 이는 문제가 무엇인지 명확하게 이해하고, 그 문제의 경계를 설정하는 과정입니다. 여기서 중요한 점은 문제를 구체적으로 정의해야 한다는 것입니다. 만약 문제가 불분명하거나 모호하다면 해결과정이 비효율적이 될 수 있습니다. 문제 정의는 문제의 본질을 파악하고, 목표를 설정하며, 해결해야 할 핵심 요소들을 도출하는 과정이라고 할 수 있습니다.

예를 들어, 대학원생이 "학생 출석 시스템을 자동화"하려고 한다고 가정해 봅시다. 이때 문제 정의 과정에서 출석 시스템이 무엇을 의미하는지, 시스템이 해결해야 할 주요 문제는 무엇인지, 최종 목표는 무엇인지를 명확히 해야 합니다. 예를 들어, 시스템의 목표는 출석 여부를 정확히 기록하고, 이를 실시간으로 확인 가능하게 만드는 것일 수 있습니다. 이때 출석 기록의 정확성, 처리 시간, 실시간 통계 기능 등의 목표를 정의해야 합니다.

▶논리 추론:

논리 추론은 문제를 해결하기 위해 일련의 합리적인 사고 과정을 통해 답을 도출하는 과정입니다. 여기서 중요한 점은 모든 과정이 논리적으로 연결되어 있어야 한다는 것입니다. 논리 추론은 컴퓨터 프로그램이 실행될 때, 컴퓨터가 어떻게 데이터를 처리하고 명령을 수행하는지를 설명하는 과정과도 비슷합니다.

예를 들어, 앞서 정의한 출석 시스템의 문제를 해결하기 위해서는 시스템이 어떤 방식으로 출석 여부를 기록할 것인지를 논리적으로 추론해야 합니다. 예를 들어, 학생이 QR 코드를 스캔하는 방식이 좋은지, 아니면 생체 인식을 통해 출석을 확인하는 방식이 더 효율적인지에 대해 논리적으로 추론할 수 있습니다. 이 과정에서 각 방법의 장단점을 분석하고, 시스템의 효율성을 극대화할 수 있는 최적의 방법을 선택해야 합니다.

또한 논리 추론 과정에서 고려해야 할 중요한 요소는 문제 해결을 위한 가정과 제약 조건입니다. 만약 시스템이 매우 많은 학생들을 동시에 처리해야 한다면, 성능상의 제약을 고려하여 최적화 방안을 도출하는 것도 논리 추론의 중요한 부분이 됩니다.

▶문제 분해:

문제 분해는 복잡한 문제를 더 작은 부분으로 나누어 각 부분을 별도로 해결하는 과정입니다. 큰 문제를 여러 개의 작은 문제로 나누면, 각 문제에 대해 더 쉽게 접근할 수 있으며, 이를 통해 해결 방안을 더 효율적으로 찾아낼 수 있습니다. 문제 분해는 소프트웨어 공학에서 흔히 사용하는 기법으로, 모듈화(modularization) 또는 분할과 정복(divide and conquer) 전략과 유사합니다.

출석 시스템 예시에서, 문제를 크게 세 가지 부분으로 나눌 수 있습니다:

출석 정보를 기록하는 부분

출석 정보를 저장하는 데이터베이스 설계

실시간으로 출석 상태를 확인하는 인터페이스 구현

이렇게 문제를 세분화함으로써 각 부분에 대해 독립적으로 해결 방안을 모색할 수 있습니다. 예를 들어, 출석 정보를 기록하는 부분에서는 출석 확인의 정확성을 높이는 방법을 고민하고, 데이터베이스 설계 부분에서는 효율적인 데이터 저장 및 검색 방안을 찾으며, 인터페이스 구현 부분에서는 사용자가 직관적으로 사용할 수 있는 디자인을 고려할 수 있습니다.

▶추상화:

추상화는 문제의 세부 사항을 단순화하고, 문제의 핵심적인 구조나 본질에만 집중하는 과정입니다. 이는 문제를 더 간단하고 일반화된 형태로 바꾸어 보다 범용적인 해결 방안을 도출하는 데 도움이 됩니다. 추상화는 주로 프로그램 설계 단계에서 활용되며, 복잡한 문제를 더 간결하고 이해하기 쉬운 형태로 표현하는 데 중점을 둡니다.

출석 시스템의 예에서, 추상화는 각 학생의 출석 기록을 저장하고 관리하는 데이터 구조를 설계할 때 적용될 수 있습니다. 개별 학생의 세부적인 출석 기록을 모두 다루기보다는, 이 데이터를 간단하게 표현할 수 있는 방식으로 추상화할 수 있습니다. 예를 들어, 각 학생의 출석 기록을 "참" 또는 "거짓"으로 나타내는 간단한 불리언 값으로 추상화하거나, 출석 날짜와 시간에 대한 세부 정보를 필요한 부분만 남기고 나머지를 생략할 수도 있습니다.

또한, 인터페이스 디자인에서도 추상화를 적용할 수 있습니다. 복잡한 출석 처리 과정이 사용자에게는 단순한 버튼 클릭이나 QR 코드 스캔으로만 보이도록 설계하는 것이 추상화의 한 예입니다.

▶예시를 통한 통합 과정:

이제 전체 과정을 하나의 예시를 통해 통합해 보겠습니다.

대학원생 A는 출석 시스템 자동화 프로젝트를 진행 중입니다. 먼저, 그는 문제 정의 단계에서 시스템의 핵심 목표를 명확히 정의합니다: "학생들이 QR 코드를 스캔하여 출석 여부를 기록하고, 이를 실시간으로 확인할 수 있는 시스템을 구축한다." 이 목표를 바탕으로 시스템의 주요 기능을 정의합니다.

다음으로, 논리 추론 단계에서 A는 각 기능이 어떻게 작동할지 고민합니다. 학생이 QR 코드를 스캔하면 서버에 해당 정보가 어떻게 전송되고, 데이터베이스에 저장되는지를 논리적으로 설계합니다. 이때 데이터 전송 과정에서 발생할 수 있는 오류나 지연에 대해서도 고려합니다.

문제 분해 단계에서는 시스템을 여러 부분으로 나누어 작업을 분담합니다. 예를 들어, 한 팀은 데이터베이스 설계에 집중하고, 다른 팀은 QR 코드 스캔을 처리하는 부분을 담당하게 합니다. 마지막으로 추상화 단계에서는 전체 시스템을 간단하고 효율적으로 설계하기 위해 불필요한 세부 정보를 제거하고, 핵심 기능에 집중합니다.

이러한 문제 해결 과정을 통해 A는 복잡한 출석 시스템을 성공적으로 구축할 수 있습니다. 이 과정에서 그는 컴퓨팅 사고의 각 단계를 유기적으로 결합하여 문제를 해결했으며, 이러한 방식은 컴퓨터 과학뿐만 아니라 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있습니다.

참조:컴퓨팅사고:

저자:Riley.Kenny A.Hunt.

공역 문봉교· 김웅섭.

출판사:한국출판문화진흥원.