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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 형식적 사고를 구성하는 기본적인 논리 요소 중의 하나이면서 과학 추론 과정에서 필수적으로 수반되는 변인통제 능력이 요구되는 문제해결 과정에서 통합 탐구 능력의 핵심인 실험설계와 증거제시의 특성 및 어려움을 분석하여 변인 통제 능력의 향상을 위한 프로그램 구성 및 교수 학습 전략에 대한 시사점을 찾고자 하였다.
- 변인통제 문제에서 결론을 도출하기 위한 증거제시 과정에서 변인을 효과적으로 통제하는지 알아보았다. 이를 위해 srt hi 검사지에서는 다음의 네 가지 시범 실험을 관찰하게 한 후 아래와 같은 질문을 하였다.
- 이 연구에서는 변인통제 문제에서 통합 탐구능력의 핵심인 실험설계와 증거제시 과정에서 나타난 초등학생들의 변인통제 특성 및 어려움을 구체적으로 알아보았다. 학생들의 응답 및 면담을 바탕으로 분석한 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- . 선행신념: 길수록 왕복횟수가 적다.
- ① 짧게-이동거리가 짧아져서 왕복횟수가 많아진다.
- 무겁거卜■무거운 것이 빨리 떨어진다.
- 결과 해석시 변인을 통제하지 못하여 증거를 과학적으로 제시하지 못하는 학생들의 어려움을 살펴보기 위하여 해당 학생들과의 면담을 실시하였다. 단순변인 과제와는 달리 다중변인 과제에는 여러가지 변인들이 제시되고, 대부분의 학생들은 이런 원인 변인들이 반드시 결과 변인에 영향을 줄 것이라는 가정을 한다. 이러한 경향은 현행과학과 교육과정에서 대부분의 변인 통제와 관련된 실험들이 무관한 변인이 제시된 경우는 거의 없기 때문이다.
- 여섯째, 원인 변인들은 반드시 상호작용할 것이라고 가정한다.
제안 방법
- 인지 수준을 결정하였다. SRT Ⅲ 검사 결과 구분 가능한 인지 수준은 중기 구체적 조작기 이하<2B-), 후기구체적 조작기(2B), 과도기(2B/3A), 초기 형식적 조작기 (3A), 후기 형식적 조작기(3目의 5단계이다 인지 수준 평가 후에는 학생들의 문제 해결 과정에서 나타난 특성을 살펴보기 위하여 선행신념, 실험설계, 결론도출 및 증거제시의 영역으로 구분하여 응답을 유형화하였다. 이상의 평가 및 자료 분석은 연구자, 과학 교육 전문가 2인, 과학 교육을 전공하는 대학원생 5인의 협의를 통해 이루어졌다.
- SRT Ⅲ 검사 결과는 우선 대상 학생들의 인지 수준을 파악하기 위하여 SRT Ⅲ 채점 기준에 근거하여 학생들의 최종 인지 수준을 결정하였다. SRT Ⅲ 검사 결과 구분 가능한 인지 수준은 중기 구체적 조작기 이하<2B-), 후기구체적 조작기(2B), 과도기(2B/3A), 초기 형식적 조작기 (3A), 후기 형식적 조작기(3目의 5단계이다 인지 수준 평가 후에는 학생들의 문제 해결 과정에서 나타난 특성을 살펴보기 위하여 선행신념, 실험설계, 결론도출 및 증거제시의 영역으로 구분하여 응답을 유형화하였다.
- 생각한다. 결과 해석시 변인을 통제하지 못하여 증거를 과학적으로 제시하지 못하는 학생들의 어려움을 살펴보기 위하여 해당 학생들과의 면담을 실시하였다. 단순변인 과제와는 달리 다중변인 과제에는 여러가지 변인들이 제시되고, 대부분의 학생들은 이런 원인 변인들이 반드시 결과 변인에 영향을 줄 것이라는 가정을 한다.
- 구체적으로 진자의 운동과 관련된 시범 실험을 보여주기 전에 '실의 길이 , '추의 무게' , 미는 세기 가 진 자의 왕복 횟수에 어떠한 영향을 주는지에 대한 학생들의 생각을 조사하였다. Table 4은 학생들의 응답을 왕복 횟수가 많을 것이라고 생각하는 변인값에 대한 응답률이다.
- Table 1에 나타난 바와 같이 은경은 이미 제시된 실험 사례를 삭제하고 새로운 통제된 실험을 설계하면서 특정 변인값을 포함시켰다. 길이의 효과 검증을 위한 실험설계에서 완벽하게 변인을 통제하여 실험을 제시하였는데, 원래 제시된 짧게, 무겁거】, 약하게 라는 실험에 대해 '길거】, 무겁게, 약하게 실험을 제시하였다가 이 실험은 삭제하고 세게' 라는 변인 값이 포함된 실험을 다시 설계하였다. 즉 변인을 통제하여 실험을 설계하는 경우에도 선행신념이 작용하여 특정 변인값에 대해 집착하는 것을 알 수 있었다.
- 변인통제 문제를 해결할 때 결과 해석을 위해 변인이 통제된 증거를 제시하는 것은 왜 어려운지 알아보기 위해 변인이 통제된 실험설계는 할 수 있었지만, 증거제시에서는 변인통제를 하지 못한 학생들을 대상으로 면담을 실시하였다. 면담 결과를 바탕으로 분석한 결과는 다음과 같다.
- 선행신념의 영향으로 특정 변인값을 포함하여 실험설계를 함으로써 변인통제를 잘 하지 못하였고, 변인을 잘 통제하더라도 선행신념에 포함된 특정 변인값을 포함시키려 하였다. 실험설계에 영향을 주는 선행신념은 주로 결과 변인 값이 최대가 되게 하는 원인 변인값으로 고정된다는 특징을 보였다.
- 실험설계에서 변인 통제를 잘 하지 못하는 학생들이 겪는 어려움을 알아보기 위하여 검사지의 응답 원안을 분석한 후 면담을 실시하였다. 그 결과 실의 길이나 무게의 효과를 검증하기 위한 실험에서 특정 변인값이 포함되어있는 것을 발견하였다.
- 원인 변인의 영향을 검증하기 위한 실험설계에 대한 학생들의 응답을 조사하여 유형화하고, 변인을 통제하지 못하는 학생들의 어려움을 살펴보았다. 참고로 SRT Ⅲ 검사지의 실험설계에 대한 문항은 다음과 같다.
- 첫째, 변인 통제 실험을 설계하지 못하는 학생의 경우 선행신념에 포함된 변인값의 조합을 포함하여 실험을 설계하였다(승보, 희준). Table 1의 응답 사례를 살펴보면, 승보는 '짧게, 무겁게, 세게 하면 왕복 횟수가 많다' 라는 선행신념을 지닌 학생으로 실험설계 문항에서 검증하고자 하는 변인에 관계없이 계속 '짧게, 무겁게, 세게 라는 변인 값의 조합을 제시하였다.
- 첫째, 증거제시에 대한 응답은 제시된 증거 실험의 결과와 결과 해석의 일치 여부, 변인 통제 여부, 원인 변인 값의 변화 여부의 세 가지 관점에서 분류하여 5가지로 유형화하였다. 이를 도식화하여 Fig.
- 특정 변인값이 포함된 증거를 모두 제시하되 결론과 일치하지 않는 불일치 증거는 무시하고, 우세한 증거에 기초하여 결과를 해석하였다. 즉, 증거 자료가 세 가지 이상인경우에는 우세한 증거에 기초하여 판단하는 불완전 증거기초 반응이다.
대상 데이터
- 따라서 우리나라 초등학교 6학년 학생의 인지 수준이 대부분 구체적 조작기라는 선행 연구들(최병순, 허명, 1987; 김현재, 장경례, 199D에 따라 초등학교 6학년 학생 96명을 표집하였다. 군지역에서 2개의 초등학교(A, B)와 시 지역에서 1개의 초등학교(C)를 선정하고, 학급은 무작위로 추출하였는데, Fig. 1에는 이 학생들의 인지 수준별 분포를 나타내었다. 대부분의 학생들이 후기 구체적 조작기(2B) 나과도기(2B/3A)에 속하였으며, 중기 구체적 조작기 이하 (2A/2B)의 학생들도 13.
- 이 연구에서는 변인통제 문제의 실험설계 및 증거제시에서 겪는 어려움을 조사하기 위하여 다중변인 과제를 해결하지 못하는 구체적 조작기에서 형식적 조작기 초기까지의 인지 수준에 해당되는 학생들을 대상으로 하였다. 따라서 우리나라 초등학교 6학년 학생의 인지 수준이 대부분 구체적 조작기라는 선행 연구들(최병순, 허명, 1987; 김현재, 장경례, 199D에 따라 초등학교 6학년 학생 96명을 표집하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 변인통제 문제해결 과정을 분석할 수 있는 검사 도구로 SRT IlKScience Reasoning Task HI)를사용하였다. SRT m 검사지는 학생들의 과학적 이해력과 조작적 인지 수준과의 관계를 측정하기 위해 영국 Chelsea 대학의 CSMS(The Concepts in Secondary Mathmatics and Science)팀에 의해 1973년~1978년에 개발된 검사도구이다.
성능/효과
- . 결론도출: 가벼울수록 왕복횟수가 많아진다.
- . 결론도출: 길수록 왕복횟수가 적다.
- . 결론도출: 약할수록 왕복횟수가 많다.
- 검증하고자 하는 변인 외에 다른 통제 변인을 변화시키는 통제 변인 변화형, 검증하고자 하는 원인 변인값을 통제하는 원인 변인 통제형, 변인 통제가 완벽하게 된 완전 변인 통제형, 원인 변인값을 변화시키면서 다른 통제 변인도 변화시키는 불완전변인통제형, 그리고 모든 변인을 변화시키는 모든변인변화형 등이 있었다. 이를 간단히 도식화하여 Fig.
- 후 면담을 실시하였다. 그 결과 실의 길이나 무게의 효과를 검증하기 위한 실험에서 특정 변인값이 포함되어있는 것을 발견하였다. 즉 학생들이 실험을 설계할 때 검증하고자 하는 변인과 관계없이 특정 변인값에 집착하여 다른 변인을 효과적으로 통제하지 못하는 경향을 보였으며, 변인이 통제된 실험설계에서도 선행신념이 영향을 주는 사례가 있었다.
- 준영은 '약할수록 왕복횟수가 많다 라는 결론을 내리고 증거로 '약하게 가 포함된 실험 사례를 모두 제시하지만, 그 중 실험2는 왕복횟수가 적다. 그러나 실험 1과 실험4가 왕복횟수가 많기 때문에 결론에서는 약할수록 왕복횟수가 많은 것으로 최종 결론을 내리게 된다.
- 3에 나타내었다. 그림에서 살펴보면, 변인이 통제된 실험을 설계한 학생들의 비율이 실의 길이와 추의 무게에 대해서 각각 34.7%, 쎄%로 나타나 약 60%의 학생들이 실험설계 과정에서 변인 통제 능력이 부족함을 알 수 있었다. 또한 검증하고자 하는 원인 변인인 실의 길이, 추의 무게에 대한 응답률 분포는 유사한 경향을 보여 원인 변인의 종류에 따른 차이는 크게 나타나지 않았다.
- 넷째, 증거와 관계없이 선행신념에 기초하여 결론을 도출한다(원인 변인 통제 D형, 원인변인변화D형)
- 다섯째, 제시된 변인은 모두 원인 변인이라고 생각한다. 결과 해석시 변인을 통제하지 못하여 증거를 과학적으로 제시하지 못하는 학생들의 어려움을 살펴보기 위하여 해당 학생들과의 면담을 실시하였다.
- 둘째, 변인이 통제된 실험설계에서도 선행신념에 대한 집착이 나타났다. 알아보고자 하는 원인 변인의 변인 값을 변화시키고, 그외 변인을 통제하면서도 선행신념에 포함된 특정 변인값을 포함시키기도 하였다.
- 둘째, 변인통제 문제에서 자신이 내린 결론에 대한 증거제시 사례를 분석한 결과 원인변인의 변화 여부, 통제 변인 통제 여부, 실험결과와 결론의 일치 여부에 따라 완전 변인 통제형, 원인변인통제 형, 원인변인변화형으로 구분되었으며, 특정 원인값이 포함된 실험만을 제시하는 원인 변인 통제형이 가장 빈도가 높았다. 실험설계에 비해서 증거제시에서의 변인 통제 능력이 훨씬 부족한 것으로 나타났는데, 선행신념에 포함된 특정 원인 변인값에 대한 집착, 증거 실험에 제시된 실험결과와 선행신념과의 불일치, 제시된 변인들은 모두 원인변인이며 상호작용할 것이라는 다중변인과제에서의 잘못된 선행신념 등은 증거제시과정에서 변인통제 능력의 발현을 방해하는 요인으로 분석되었다.
- 둘째, 실의 길이, 추의 무게, 미는 세기에 대한 증거제시 유형별 응답률 분포는 유사한 경향을 보였으나, 특히 실의 길이에 따른 증거제시에서는 원인변인통제A형, 미는 세기에 대해서는 원인변인통제D형이 높게 나타났다. 증거제시 유형별 응답률 분포를 Fig.
- 즉, 실험2와 실험3은 비록 무게가 다르지만 무게가 진동수에 영향을 주지 않으므로 결국 미는 세기에 대해서 설명할 수 있는 증거가 된다. 따라서 이두 실험의 결과를 비교하여 미는 세기가 진동수에 대하여 무관한 변인이라는 결론을 내리면 형식적 사고 수준의 변인 통제 능력이 있는 것으로 평가된다.
- 5%였으나, 형식적 조작기(3A, 3B) 에 속하는 학생수는 극소수였다. 따라서, 연구 대상 학생들의 인지 수준이 변인 통제 능력이 제대로 형성되어 있지 않을 가능성이 크므로 변인통제 문제해결 과정에서의 오류를 분석하기에 적당한 집단이라고 판단되었다.
- 이러한 과정에서 직관적 관념을 포기하지 못하고, 선행신념과 실험 결과에 모순되지 않는 증거를 제시하는 것에 학습자의 관심이 집중된다. 따라서, 한 변인의 영향을 검증하는 실험설계에서 변인 통제를 잘 하였다고 하더라도 증거제시에서는 실험결과와 선행신념에 의하여 학습자의 변인 통제 능력이 제대로 발휘되지 못하는 것으로 나타났다.
- 또한 증거제시에서 완전변인통제형에 속하는 학생은 길이에 대해서 4명, 무게에 대해서는 11명 총 15명이었는데, 이들 중 13명은 실험설계에서 완전변인통제형이었다. 즉 변인이 통제된 증거를 제시할 수 있는 학생은 대부분 변인이 통제된 실험설계를 할 수 있으나, 실험설계에서 변인 통제를 할 수 있어도 증거제시에서는 변인 통제에 어려움을 겪는 것으로 나타났다.
- 고정한다는 것이다. 많은 학생들이 실의 길이에 대해서는 짧게, 미는 세기에 대해서는 세게 할수록 진자의 왕복 횟수를 증가시킬 것이라는 선행신념을 지니고 있는 것으로 나타났다(Table 3). 따라서, 실험설계에서도 역시 '짧게'나 서게' 또는 이런 원인 변인값을 포함한 조합에 대한 집착이 강하게 나타났다.
- 셋째, 불일치 증거는 무시하고, 우세한 증거에 기초하여 결론을 도출한다(원인변인통제D형).
- 셋째, 실험설계에 비해서 증거제시에서의 변인 통제 능력이 훨씬 부족한 것으로 나타났다. 실험설계와 증거제시에서의 변인 통제 정도를 비교하기 위하여 Table 2에 실험설계 유형과 증거제시 유형을 교차 분석하였다.
- 셋째, 실험설계에 영향을 주는 선행신념의 가장 큰 특징은 결과 변인값이 최대가 되게 하기 위하여 원인 변인 값을 고정한다는 것이다. 많은 학생들이 실의 길이에 대해서는 짧게, 미는 세기에 대해서는 세게 할수록 진자의 왕복 횟수를 증가시킬 것이라는 선행신념을 지니고 있는 것으로 나타났다(Table 3).
- 가장 빈도가 높았다. 실험설계에 비해서 증거제시에서의 변인 통제 능력이 훨씬 부족한 것으로 나타났는데, 선행신념에 포함된 특정 원인 변인값에 대한 집착, 증거 실험에 제시된 실험결과와 선행신념과의 불일치, 제시된 변인들은 모두 원인변인이며 상호작용할 것이라는 다중변인과제에서의 잘못된 선행신념 등은 증거제시과정에서 변인통제 능력의 발현을 방해하는 요인으로 분석되었다. 따라서, 형식적 사고 수준의 변인통제 능력을 발달시키기 위한 프로그램은 선행신념에 대해 인지 갈등을 유발할 수 있는 활동에 의해 구조화되어야 하며, 변인 통제나 증거 제시 등과 같은 탐구 과정 요소의 특성을 고려하여 개발되어야 할 것이다.
- 선행신념의 영향으로 특정 변인값을 포함하여 실험설계를 함으로써 변인통제를 잘 하지 못하였고, 변인을 잘 통제하더라도 선행신념에 포함된 특정 변인값을 포함시키려 하였다. 실험설계에 영향을 주는 선행신념은 주로 결과 변인 값이 최대가 되게 하는 원인 변인값으로 고정된다는 특징을 보였다.
- 완전변인통제형이었다. 즉 변인이 통제된 증거를 제시할 수 있는 학생은 대부분 변인이 통제된 실험설계를 할 수 있으나, 실험설계에서 변인 통제를 할 수 있어도 증거제시에서는 변인 통제에 어려움을 겪는 것으로 나타났다. 증거제시 유형과 실험설계 유형의 비교를 통해서 증거제시 과정에서 변인 통제능력이 매우 부족하며, 실험설계에 비해서 훨씬 낮게 나타난다는 것을 알 수 있었다.
- 그 결과 실의 길이나 무게의 효과를 검증하기 위한 실험에서 특정 변인값이 포함되어있는 것을 발견하였다. 즉 학생들이 실험을 설계할 때 검증하고자 하는 변인과 관계없이 특정 변인값에 집착하여 다른 변인을 효과적으로 통제하지 못하는 경향을 보였으며, 변인이 통제된 실험설계에서도 선행신념이 영향을 주는 사례가 있었다. 그 구체적인 사례를 살펴보면 다음과 같다.
- 즉 변인이 통제된 증거를 제시할 수 있는 학생은 대부분 변인이 통제된 실험설계를 할 수 있으나, 실험설계에서 변인 통제를 할 수 있어도 증거제시에서는 변인 통제에 어려움을 겪는 것으로 나타났다. 증거제시 유형과 실험설계 유형의 비교를 통해서 증거제시 과정에서 변인 통제능력이 매우 부족하며, 실험설계에 비해서 훨씬 낮게 나타난다는 것을 알 수 있었다.
- 첫째, 변인통제 문제해결 과정에서의 실험설계 유형으로는 통제변인변화형 , 원인변인통제 형 , 완전변인통제형 , 불완전변인통제 형 , 모든변인변화형으로 구분되었다. 선행신념의 영향으로 특정 변인값을 포함하여 실험설계를 함으로써 변인통제를 잘 하지 못하였고, 변인을 잘 통제하더라도 선행신념에 포함된 특정 변인값을 포함시키려 하였다.
- 특정 변인에 대한 효과를 검증하는 실험을 설계할 때 학생들의 주요 응답은 원인변인, 통제변인1 또는 통제 변인 2의 통제 또는 변화에 따라 유형화할 수 있었다. 검증하고자 하는 변인 외에 다른 통제 변인을 변화시키는 통제 변인 변화형, 검증하고자 하는 원인 변인값을 통제하는 원인 변인 통제형, 변인 통제가 완벽하게 된 완전 변인 통제형, 원인 변인값을 변화시키면서 다른 통제 변인도 변화시키는 불완전변인통제형, 그리고 모든 변인을 변화시키는 모든변인변화형 등이 있었다.
- 5에서 살펴보면, 가장 빈도가 높은 것은 원인변인통제A형으로 결론에 제시된 원인 변인 값이 포함되고, 결론과 실험 결과가 일치하는 것을 증거로 제시하는 경우가 가장 많았다. 그 다음이 원인 변인 통제。형으로 결론에 일치하지 않는 실험 결과가 포함되더라도 특정 원인변인값이 포함된 실험을 모두 증거로 제시하는 사례도 많이 나타났다. 이에 반해 변인이 통제된 증거를 제시하는 경우는 3.
후속연구
- 실험설계에 비해서 증거제시에서의 변인 통제 능력이 훨씬 부족한 것으로 나타났는데, 선행신념에 포함된 특정 원인 변인값에 대한 집착, 증거 실험에 제시된 실험결과와 선행신념과의 불일치, 제시된 변인들은 모두 원인변인이며 상호작용할 것이라는 다중변인과제에서의 잘못된 선행신념 등은 증거제시과정에서 변인통제 능력의 발현을 방해하는 요인으로 분석되었다. 따라서, 형식적 사고 수준의 변인통제 능력을 발달시키기 위한 프로그램은 선행신념에 대해 인지 갈등을 유발할 수 있는 활동에 의해 구조화되어야 하며, 변인 통제나 증거 제시 등과 같은 탐구 과정 요소의 특성을 고려하여 개발되어야 할 것이다.
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