예비교사들의 탄소 순환에 대한 지구시스템의 관련개념과 시스템 사고의 적용 Related Conception s to Earth System and Applying of Systems Thinking about Carbon Cycle of the Preservice Teachers원문보기
이 연구의 목적은 6명의 예비교사들을 대상으로, 탄소 순환을 이해하는데 적용되는 개념들을 조사하여 지구시스템에 관련된 개념은 무엇인가를 알아보고, 탄소 순환에 대해서 시스템 사고를 적절히 수행하고 잇는지를 조사하는 것이었다. 연구방법은 고등학교 지구과학에서 다루고 있는 “지구의 구성” 단원 중 ‘탄소 순환’과 관련된 질문을 통해, 예비교사들이 진술한 내용을 분석하여 개념의 특성을 조사하였다. 이를 근거로 지구시스템에 관련된 개념을 구성요소로 하여 인과지도를 작성한 수, 시스템 사고의 관점에서 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다, 첫째ㅡ 탄소 순환을 이해하는데 적용된 개념들 중 지구시스템에 대한 관련개념은 모두 42개가 나타났다, 그 중 기권 관련개념은 15개, 생물권 관련개념은 11개, 수권 관련개념은 9개였으며, 암석권 관련개념은 7개였다. 둘째, 인과지도에서 피드백 순환고리는 A와 F 예비교사들에게 2개와 1개가 완성되었으나, A예비교사에게서 완성된 2개의 피드백 순환고리 중 1개는 비과학적 개념연결에 근거하였다. 결론적으로, 연구에 참가한 6명의 예비교사들은 탄소 순환과 관련하여 지구시스템에서 암석권에 대한 이해가 낮으며, 4명은 시스템 사고가 수행되지 않았고, 2명은 시스템 사고를 수행하였으나, 그 수준은 높지 않았다.
이 연구의 목적은 6명의 예비교사들을 대상으로, 탄소 순환을 이해하는데 적용되는 개념들을 조사하여 지구시스템에 관련된 개념은 무엇인가를 알아보고, 탄소 순환에 대해서 시스템 사고를 적절히 수행하고 잇는지를 조사하는 것이었다. 연구방법은 고등학교 지구과학에서 다루고 있는 “지구의 구성” 단원 중 ‘탄소 순환’과 관련된 질문을 통해, 예비교사들이 진술한 내용을 분석하여 개념의 특성을 조사하였다. 이를 근거로 지구시스템에 관련된 개념을 구성요소로 하여 인과지도를 작성한 수, 시스템 사고의 관점에서 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다, 첫째ㅡ 탄소 순환을 이해하는데 적용된 개념들 중 지구시스템에 대한 관련개념은 모두 42개가 나타났다, 그 중 기권 관련개념은 15개, 생물권 관련개념은 11개, 수권 관련개념은 9개였으며, 암석권 관련개념은 7개였다. 둘째, 인과지도에서 피드백 순환고리는 A와 F 예비교사들에게 2개와 1개가 완성되었으나, A예비교사에게서 완성된 2개의 피드백 순환고리 중 1개는 비과학적 개념연결에 근거하였다. 결론적으로, 연구에 참가한 6명의 예비교사들은 탄소 순환과 관련하여 지구시스템에서 암석권에 대한 이해가 낮으며, 4명은 시스템 사고가 수행되지 않았고, 2명은 시스템 사고를 수행하였으나, 그 수준은 높지 않았다.
Using six preservice teachers as subjects, this was purpose to research about concepts in understanding carbon cycle, which of concepts were related to the conception of the system, and finally whether or not the systems thinking was sufficiently around carbon cycle. To achieve this study purpose , ...
Using six preservice teachers as subjects, this was purpose to research about concepts in understanding carbon cycle, which of concepts were related to the conception of the system, and finally whether or not the systems thinking was sufficiently around carbon cycle. To achieve this study purpose , an instrument related to carbon cycle was developed and administered to the six teachers. The study found that a total of 42 conceptions within the system were concepts related to carbon cycle. The consisted of 15 conceptions in atmosphere, 11 in atmosphere 9 in hydrosphere, and 7 in lithosphere. In aspect of applying the system thinking, 4 subjects who couldn't compose the feedback loop in their causal map failed to apply this type of thinking. The other two who applied systems thinking had 2 and 1 feedback loop each, in their causal maps. But, one of the feedback loop from the subject who made two was based on unscientific reasoning. As a result, the subjects had lower understanding of concepts related to carbon cycle in lithosphere than in atmosphere, atmosphere, and hydrosphere. Futhermore, the subjects' application of the earth systems thinking on carbon was at a low standard.
Using six preservice teachers as subjects, this was purpose to research about concepts in understanding carbon cycle, which of concepts were related to the conception of the system, and finally whether or not the systems thinking was sufficiently around carbon cycle. To achieve this study purpose , an instrument related to carbon cycle was developed and administered to the six teachers. The study found that a total of 42 conceptions within the system were concepts related to carbon cycle. The consisted of 15 conceptions in atmosphere, 11 in atmosphere 9 in hydrosphere, and 7 in lithosphere. In aspect of applying the system thinking, 4 subjects who couldn't compose the feedback loop in their causal map failed to apply this type of thinking. The other two who applied systems thinking had 2 and 1 feedback loop each, in their causal maps. But, one of the feedback loop from the subject who made two was based on unscientific reasoning. As a result, the subjects had lower understanding of concepts related to carbon cycle in lithosphere than in atmosphere, atmosphere, and hydrosphere. Futhermore, the subjects' application of the earth systems thinking on carbon was at a low standard.
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문제 정의
그러므로 탄소 순환과 같은 복잡한 시스템을 바르게 이해하는데 있어서는 각 요소 간 상호작용과 이 작용들이 시스템에 미치는 피드백 효과를 고려한 시스템 사고의 적용이 적절할 것으로 생각한다. 이에 고등학교 지구과학I 교과서에서 다루고 있는 탄소 순환에 대해 학생들이 이미 학습한 개념들을 지구에서의 탄소 순환시스템에 대해 어떻게 적용하는지와 탄소 순환시스템을 이해함에 있어서 시스템 사고를 어떤 방법으로 활용하고 있는지를 살펴보고자 하였으며 이를 연구하기 위한 구체적인 문제는 다음과 같이 제안되 었다.
가설 설정
이 시험에서 출제된 문제는, 탄소 순환'과 관련하여 다양한 구성요소들 간 상호관계를 도표와 그림을 통해 제시하고, 요소들 간 맥락을 학생들이 어떻게 이해하고 있는지를 알아보는 문제로서, 문자나 도표를 이해하는 시스템 사고의 특성과 관련성이 높았고, 다양한 구성요소들의 상호맥락을 전체적이면서도 함축적으로 이해하고 있는지를 알아보는 시스템 사고의 관점에서 매우 적합하다고 판단되었다. 그러나, 이 연구의 목적은 6 명의 예비교사들이 시스템 사고 능력을 보유하고 있는가를 알아보는데 있었으므로, 이를 위해서는 탄소순환이 역동적으로 가동되어질 수 있는 상황설정이 필요하였으며, 이를 위해 대학수학능력시험의 문제에 포함되지는 않는 화석연료 사용이 증가되는 상황을 가정으로 부가 설정하였다.
제안 방법
탄소 순환에 관련하여 완성된 예비교사들의 인과지도에서 사용된 구성요소들이 지구 시스템 중 기권, 수권, 암석권, 생물권 중 어느 곳에 더욱 집중되어지고 있는지를 알아보기 위해 지구 시스템과의 관련성에 따라 기권, 암석권, 수권, 생물권으로 분류하였다. 그리고 분류된 관련개념들의 연결에서 나타나는 특징과 인과지도에서 피드백 순환고리의 형성, 그리고 피드백 순환고리를 구성하는 관련 개념들의 특징을 조사하였다(Table.4).
대해 간략히 소개하였다. 또한 이 연구의 목적이 학생들의 탄소 순환에 대한 지식정도를 평가하기 위한 것이 아니라, 시스템 사고의 적용능력 정도를 판단하기 위한 것임을 이해시킨 후, 질문지를 투여하였다. 답변지는 B4 용지 1매 정도의 작성공간, 답변 작성 시간은 60분으로 제한하였으며, 학생들 간 답변지의 객관성을 높이기 위해 학생 각자 간의 거리를 적절히 유지하였다.
정리된 내용을 분석하여, 적용된 개념이 인과관계 상, 적절하게 상호연결 되었는지에 따라 과학적 연결과 비과학적 연결로 구분하였으며, 지구시스템을 구성하는 기권, 암석권, 수권, 생물권들 중의 어느 곳에 해당되었는지에 따라 관련탄소개념으로 분류하였다. 분류된 관련 탄소 개념을 각각의 구성요소로 사용하여 인과지도를 작성한 후, 피드백 순환고리의 완성여부에 따라 시스템 사고의 외형적 구성에 대한 적절성을 판별하였다. 이 연구에서는 예비교사들의 진술을 시스템 사고의 측면에서 분석하기 위해 시스템 사고와 관련된 선행연구들 중 김동환(2000), Dori(2003), 그리고 Kali (2003) 의 연구들을 참고하여 평가기준을 설정하였다(Rble 1).
연구의 목적이 연구에 참여한 예비교사들의 시스템사고 적용여부와 동원된 관련개념에 대한 것을 살펴보려는 것이었으므로, 예비교사들에게 먼저 시스템 사고에 대해 간략히 소개하였다. 또한 이 연구의 목적이 학생들의 탄소 순환에 대한 지식정도를 평가하기 위한 것이 아니라, 시스템 사고의 적용능력 정도를 판단하기 위한 것임을 이해시킨 후, 질문지를 투여하였다.
예비교사들의 개념에서 나타난 탄소의 개념이 지구 시스템을 구성하는 기권, 수권, 생물권, 그리고 암석권 중, 어느 곳에 해당되는 탄소를 의미하는지에 관련 탄소 개념을 설정하여 인과지도를 작성하였다. 그러나 예비교사의 사고를 표현하는데 꼭 필요하다고 생각되는 개념이 탄소 순환과정에서 지구시스템의 탄소와 직접적인 관련성이 없는 경우에는 본래의 개념을 그대로 사용하여 인과지도의 구성요소로 사용하였다.
이 연구에서 사용한 조사도구는 한국교육평가원에서 시행한 2005학년도 대학수학능력시험 예비 평가, 문제지의 과학탐구영역(지구과학 I)에서 출제된 문제를 수정하여 사용하였다(Appendix 1). 이 시험에서 출제된 문제는, 탄소 순환'과 관련하여 다양한 구성요소들 간 상호관계를 도표와 그림을 통해 제시하고, 요소들 간 맥락을 학생들이 어떻게 이해하고 있는지를 알아보는 문제로서, 문자나 도표를 이해하는 시스템 사고의 특성과 관련성이 높았고, 다양한 구성요소들의 상호맥락을 전체적이면서도 함축적으로 이해하고 있는지를 알아보는 시스템 사고의 관점에서 매우 적합하다고 판단되었다.
정리되었다. 정리된 내용을 분석하여, 적용된 개념이 인과관계 상, 적절하게 상호연결 되었는지에 따라 과학적 연결과 비과학적 연결로 구분하였으며, 지구시스템을 구성하는 기권, 암석권, 수권, 생물권들 중의 어느 곳에 해당되었는지에 따라 관련탄소개념으로 분류하였다. 분류된 관련 탄소 개념을 각각의 구성요소로 사용하여 인과지도를 작성한 후, 피드백 순환고리의 완성여부에 따라 시스템 사고의 외형적 구성에 대한 적절성을 판별하였다.
탄소 순환과 관련하여 예비교사들의 진술에서 나타나고 있는 개념들의 연결을 인과관계의 측면에서 과학적인 연결과 비과학적인 연결로 구분하였다. 설정 기준은 과학의 기본법칙에서 인정되거나, 탄소 순환과 관련하여 이미 학자들의 연구를 통해 검증된 내용이나 관련서적에 제시된 것에 근거하였으며, 비과학적 연결은 과학의 기본법칙에 위배되거나, 일부 납득할 수 있는 부분이 있다 하더라도 추가로 확장된 개념이(예를 들어, 상상의 산물 등) 이에 관련된 보다 상위의 과학적 관점에 비추어 분명한 과학적 근거를 갖지 못한 경우에 해당하였다.
다만, 인과지도의 순환적 외형과 사용된 구성요소의 수와는 어떤 상관관계를 인식하기는 어려웠으며, 구성요소들이 의미하는 내용에 따라 상호 연결되는 구성요소들 간의 양상이 인과지도의 외형적 형태에 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 탄소 순환에 관련하여 완성된 예비교사들의 인과지도에서 사용된 구성요소들이 지구 시스템 중 기권, 수권, 암석권, 생물권 중 어느 곳에 더욱 집중되어지고 있는지를 알아보기 위해 지구 시스템과의 관련성에 따라 기권, 암석권, 수권, 생물권으로 분류하였다. 그리고 분류된 관련개념들의 연결에서 나타나는 특징과 인과지도에서 피드백 순환고리의 형성, 그리고 피드백 순환고리를 구성하는 관련 개념들의 특징을 조사하였다(Table.
대상 데이터
1. 이 연구는 사범대학 지구과학교육과 1학년 예비교사 중, 고등학교에서 지구과학 I을 학습한 경험이 있고, 본인이 연구에 참여할 의사가 있는 6명만을 대상으로 하였다. 그러므로 이 연구의 결과를 다른 학생들에게 확장 .
연구 대상은 광주광역시에 소재한 C 대학교 사범대학 지구과학교육전공 1학년에 재학 중인 20명 중, 고등학교에서 지구과학I을 학습하고, 연구에 참여 의사를 밝힌 6명의 예비교사들을 선정하였다.
첫째, 연구에 참가한 6명의 예비교사들은 탄소 순환에 대해 기권, 암석권, 수권, 생물권에 관련하여 42 개의 관련개념을 사용하였으며 그 중, 기권은 15개, 생물권은 員, 수권 9개, 그리고 암석권은 7개였다.
이론/모형
분류된 관련 탄소 개념을 각각의 구성요소로 사용하여 인과지도를 작성한 후, 피드백 순환고리의 완성여부에 따라 시스템 사고의 외형적 구성에 대한 적절성을 판별하였다. 이 연구에서는 예비교사들의 진술을 시스템 사고의 측면에서 분석하기 위해 시스템 사고와 관련된 선행연구들 중 김동환(2000), Dori(2003), 그리고 Kali (2003) 의 연구들을 참고하여 평가기준을 설정하였다(Rble 1).
성능/효과
둘째, 예비교사들의 인과지도에서 피드백 순환고리가 완성된 학생은 2명으로, 피드백 순환고리의 수는 A의 인과지도에서 2개, F의 인과지도에서는 1개가 나타났으며, A의 경우, 완성된 1개의 피드백 순환고리는 비과학적 개념연결에 근거하였다. 이는 연구에 참여한 예비교사들이 탄소 순환에 대해 시스템 사고를 적용하지 못하였거나, 적용했더라도 낮은 수준의 시스템 사고를 수행하고 있음을 나타낸다.
2). 완성된 인과지도의 외형적 특징은 탄소 순환에 대해 순환성이 강조되어 지기보다는 분산적이고 단선적인 특징이 나타났다. 이는 예비교사들이 지구에서 탄소 순환이 다양한 구성요소들이 관여하여 복잡한 과정 속에서 이루어지고 있는 시스템의 순환적 특성에 대한 이해는 낮은 반면, 시간의 흐름에 따라 나타나는 상황전개에 따른 개념들 간 연결이 순차적으로 이루어짐으로서, 시스템의 역동적 특성에 대해서는 보다 높은 이해에 도달하고 있음이 확인되었다.
수정하여 사용하였다(Appendix 1). 이 시험에서 출제된 문제는, 탄소 순환'과 관련하여 다양한 구성요소들 간 상호관계를 도표와 그림을 통해 제시하고, 요소들 간 맥락을 학생들이 어떻게 이해하고 있는지를 알아보는 문제로서, 문자나 도표를 이해하는 시스템 사고의 특성과 관련성이 높았고, 다양한 구성요소들의 상호맥락을 전체적이면서도 함축적으로 이해하고 있는지를 알아보는 시스템 사고의 관점에서 매우 적합하다고 판단되었다. 그러나, 이 연구의 목적은 6 명의 예비교사들이 시스템 사고 능력을 보유하고 있는가를 알아보는데 있었으므로, 이를 위해서는 탄소순환이 역동적으로 가동되어질 수 있는 상황설정이 필요하였으며, 이를 위해 대학수학능력시험의 문제에 포함되지는 않는 화석연료 사용이 증가되는 상황을 가정으로 부가 설정하였다.
완성된 인과지도의 외형적 특징은 탄소 순환에 대해 순환성이 강조되어 지기보다는 분산적이고 단선적인 특징이 나타났다. 이는 예비교사들이 지구에서 탄소 순환이 다양한 구성요소들이 관여하여 복잡한 과정 속에서 이루어지고 있는 시스템의 순환적 특성에 대한 이해는 낮은 반면, 시간의 흐름에 따라 나타나는 상황전개에 따른 개념들 간 연결이 순차적으로 이루어짐으로서, 시스템의 역동적 특성에 대해서는 보다 높은 이해에 도달하고 있음이 확인되었다. 그러나 이러한 결과에 대한 이유가 지구 시스템에서 탄소 순환에 관련된 전반적인 과정에서 각각의 부분에 대한 내용적 이해의 부족에서 기인된것인지, 또는 탄소 순환 자체의 특성에 대한 이해의 부족 때문인지는 확인할 수 없었다.
또한 인과지도에서 2개의 피드백 순환고리가 완성된 A의 경우, 1개의 피드백 순환고리는 , 대기 중 CQ 증가 t 새로운 생물탄생 - 광합성 증가 -* 대기 중 C02 감소”의 개념 연결이 설정되어, 대기 중에 이산화탄소가 증가하면 이산화탄소를 더 많이 소비하는 새로운 생물이 탄생한다, 는 검증되지 않은 전제를 하여 내용적 측면에서 비과학적 개념연결이 사용되었다. 이런 결과에 비추어 볼 때, 내용적 측면에서 개념들이 과학적 연결에 해당하고, 외형적인 측면에서 순환형태로 구성된 피드백 순환고리는 A와 F의 인과지도에서 각각 1개씩으로 나타났다. 김동환(2000)은 시스템 사고를 수행하기 위해서는 인과지도에서 피드백 순환고리가 완성되어져야 한다는 것을 강조하였다.
Ossimitz (1998)는 이러한 학습자중심 학습의 형태는 수준 높은 시스템 사고를 이해하는 데는 한계가 있으며, 나아가서 교사의 역할이 시스템 사고를 전개시키는 중요한 요인적 역할(key role)을 할 수 있음을 주장하였다. 이와 같은 관점에서, 이 연구에서 대상으로 한 탄소 순환에 대한 시스템 사고의 전개를 살펴본 결과 역시, 학습자들이 시스템 사고를 적용하는 데에 상당한 어려움을 수반한다는 것을 인식할 수 있었다. 즉, 과거 학생들이 경험한 탄소 순환에 관련된 학습에서 교사가 학습활동을 전개할 때, 시스템 사고를 염두에 두고 교수-학습을 진행하였으면 결과는 달랐을 가능성이 높다고 할 수 있다.
후속연구
이 연구에서는 제한점에서도 말한 것처럼 탄소 순환시스템에 대해 시스템 사고적인 사전 교육이 이루어지지는 않았다. 따라서 앞으로 시스템 사고를 염두에 둔 교수-학습전략에 따라 사전교육을 실시하고, 사전교육을 실시하지 않은 대상들과 그 결과를 비교한 연구가 이루어진다면 매우 다양한 시스템으로 구성된 지구과학 영역의 교육에 많은 시사점이 던져질 수 있을 것이며, 나아가 탄소 순환시스템 외에 지구과학분야의 다양한 시스템에 대해 연구대상과 방법을 달리한 시스템 사고와 관련된 구체적인 연구들이 더 필요할 것으로 생각한다.
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