물리실험에서 선개념과 불일치한 실험 데이터에 대한 학생들의 해석 유형 The Types of Explanation about Different Experimental Data with Students' Preconceptions on Physical Experiment원문보기
이 연구는 학생들에게 예상과 불일치한 실험 데이터를 제시한 뒤, 학생들이 이 데이터를 어떻게 해석하는가를 알아보는 것이다. P 대학교 대학생을 대상으로, 진자의 주기에 대해서 과학적 개념을 가지고 있는 학생 중, 깡통진자에 물을 넣어가면서 깡통진자의 주기를 측정할 때, 주기가 일정할 것이라고 예상한 학생 45명을 선발하였다. 학생들에게 깡통진자에 물을 넣어가면서 주기를 측정한 데이터를 제시하고, 표에 기록하게하고 그것을 그래프로 그려 자료변환을 하도록 하였다. 검사문항지를 통해 불일치 인식, 데이터에 대한 선뢰, 인지갈등, 개념 변화 및 실험 결과에 대한 가설 등을 조사하였다. 인지 갈등정도를 측정하기 위해 CCLT(Cognitive Conflict Levels Test) 검사문항지를 사용하였다. 일부 학생들은 선개념에 의존하여, 데이터를 실제 데이터가 아니라고 간주하거나 실험 오류로 간주하였다. 불일치 상황을 인식 한 학생들은 그렇지 않은 학생들에 비해 인지갈등 정도가 높았다. 선개념에 대한 신념이 변한 학생들은 불일치 상황을 인식하였고, 신념이 변하지 않은 학생들에 비해 인지갈등 정도가 높았다. 선개념에 대한 신념이 변하지 않은 학생들은 데이터를 실험 오류로 간주하였다.
이 연구는 학생들에게 예상과 불일치한 실험 데이터를 제시한 뒤, 학생들이 이 데이터를 어떻게 해석하는가를 알아보는 것이다. P 대학교 대학생을 대상으로, 진자의 주기에 대해서 과학적 개념을 가지고 있는 학생 중, 깡통진자에 물을 넣어가면서 깡통진자의 주기를 측정할 때, 주기가 일정할 것이라고 예상한 학생 45명을 선발하였다. 학생들에게 깡통진자에 물을 넣어가면서 주기를 측정한 데이터를 제시하고, 표에 기록하게하고 그것을 그래프로 그려 자료변환을 하도록 하였다. 검사문항지를 통해 불일치 인식, 데이터에 대한 선뢰, 인지갈등, 개념 변화 및 실험 결과에 대한 가설 등을 조사하였다. 인지 갈등정도를 측정하기 위해 CCLT(Cognitive Conflict Levels Test) 검사문항지를 사용하였다. 일부 학생들은 선개념에 의존하여, 데이터를 실제 데이터가 아니라고 간주하거나 실험 오류로 간주하였다. 불일치 상황을 인식 한 학생들은 그렇지 않은 학생들에 비해 인지갈등 정도가 높았다. 선개념에 대한 신념이 변한 학생들은 불일치 상황을 인식하였고, 신념이 변하지 않은 학생들에 비해 인지갈등 정도가 높았다. 선개념에 대한 신념이 변하지 않은 학생들은 데이터를 실험 오류로 간주하였다.
The purpose of this study was to examine the types of explanation about different experimental data on students' preconceptions on physical experiment. 45 students were selected from P University by examining their pre-test. The subjects had a scientific conception about a simple pendulum's period o...
The purpose of this study was to examine the types of explanation about different experimental data on students' preconceptions on physical experiment. 45 students were selected from P University by examining their pre-test. The subjects had a scientific conception about a simple pendulum's period of movement, and expected that there was no change in the movement even when the mass of water increased in the can. The students were presented data about pendulum movement inside a can. They recorded this in a blank table and drew a graph about the movement of the pendulum. The responses of students were tested by presenting written anomalous experimental data. Students' recognition, trust about the anomalous data, cognitive conflict, belief change about their preconceptions were examined with written tests also. To measure students' cognitive conflict levels, CCLT (Cognitive Conflict Levels Test) developed in a previous study was used. Some students responded based on preconceptions and regarded the data as manufactured data or experimental error. The students who recognized the anomaly in the situation showed higher cognitive conflict levels than those who didn't recognize the anomaly in the situation. The students who changed their beliefs about preconceptions recognized the data as anomalous situations and showed high cognitive conflict levels than those who didn't abandon their preconceptions. The students who have unchanged beliefs about their preconceptions regarded the data as experimental error.
The purpose of this study was to examine the types of explanation about different experimental data on students' preconceptions on physical experiment. 45 students were selected from P University by examining their pre-test. The subjects had a scientific conception about a simple pendulum's period of movement, and expected that there was no change in the movement even when the mass of water increased in the can. The students were presented data about pendulum movement inside a can. They recorded this in a blank table and drew a graph about the movement of the pendulum. The responses of students were tested by presenting written anomalous experimental data. Students' recognition, trust about the anomalous data, cognitive conflict, belief change about their preconceptions were examined with written tests also. To measure students' cognitive conflict levels, CCLT (Cognitive Conflict Levels Test) developed in a previous study was used. Some students responded based on preconceptions and regarded the data as manufactured data or experimental error. The students who recognized the anomaly in the situation showed higher cognitive conflict levels than those who didn't recognize the anomaly in the situation. The students who changed their beliefs about preconceptions recognized the data as anomalous situations and showed high cognitive conflict levels than those who didn't abandon their preconceptions. The students who have unchanged beliefs about their preconceptions regarded the data as experimental error.
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문제 정의
제시한 실험 데이터를 그래프화하여 해석하는 과정에서의 학생들의 반응 유형을 알아보고자 한다. 교사가 제시한 데이터를 보고 학생들이 그린 그래프 유형이 어떠한지, 선개념으로 그린 그래프와 데이터를 보고 그린 그래프를 비교하고 불일치를 인식하는지, 교사가 제시한 데이터가 신뢰롭다고 인식하는지, 그래프를 비교하여 겪는 인지갈등 정도는 어떠한지, 선개념에 대한 신념이 변화하였는지, 데이트를 보고 그린 그래프를 해석하기 위해 학생들이 제시한 가설은 무엇인지를 알아보았다.
지필 검사지를 이용하여, 데이터가 선개념과 불일치함을 인식하는지, 데이터를 신뢰하는지, 선개념에 대한 신념은 변화하였는지 등에 대한 응답과 함께, 응답 이유를 상세히 서술하도록 하였다. 또한 실험 데이터의 결과를 설명할 수 있는 가설을 고안하도록 하였다. 그리 고, 인지갈등검사도구를 이용하여 인지갈등 정도를 측정하였다.
일정한 규칙을 찾아는 것이다. 이 연구에서는 학생들에게 현상을 제시하는 것이 아니라, 현상의 결과로 나타나는 실험 데이터를 제시하여, 이 실험 데이터를 학생들이 어떻게 해석하는가를 알아보고자 한다. 같은 자연현상을 관찰한다.
하더라도, 학생들에 따라 그 현상을 다르게 관찰하고 해석한다는 선행연구를 바탕으로, 숫치화 된 똑 같은 실험 데이터를 관찰한 학생들이 그 데이터를 어떻게 해석하는 가를 알아보고자 한다. 제시한 실험 데이터를 그래프화하여 해석하는 과정에서의 학생들의 반응 유형을 알아보고자 한다. 교사가 제시한 데이터를 보고 학생들이 그린 그래프 유형이 어떠한지, 선개념으로 그린 그래프와 데이터를 보고 그린 그래프를 비교하고 불일치를 인식하는지, 교사가 제시한 데이터가 신뢰롭다고 인식하는지, 그래프를 비교하여 겪는 인지갈등 정도는 어떠한지, 선개념에 대한 신념이 변화하였는지, 데이트를 보고 그린 그래프를 해석하기 위해 학생들이 제시한 가설은 무엇인지를 알아보았다.
같은 자연현상을 관찰한다. 하더라도, 학생들에 따라 그 현상을 다르게 관찰하고 해석한다는 선행연구를 바탕으로, 숫치화 된 똑 같은 실험 데이터를 관찰한 학생들이 그 데이터를 어떻게 해석하는 가를 알아보고자 한다. 제시한 실험 데이터를 그래프화하여 해석하는 과정에서의 학생들의 반응 유형을 알아보고자 한다.
제안 방법
교사가 실험하여 얻은 깡통진자 주기 실험 데이터를 학생들에게 제시한 뒤, 그것을 표에 기록하고 그것을 그래프로 그려 자료변환을 하도록 하였다. 지필 검사지를 이용하여, 데이터가 선개념과 불일치함을 인식하는지, 데이터를 신뢰하는지, 선개념에 대한 신념은 변화하였는지 등에 대한 응답과 함께, 응답 이유를 상세히 서술하도록 하였다.
교사가 제시한 깡통진자의 주기 데이터를 보고, 학생이 자료변환하여 그린 그래프를 Fig. 1과 같이 세 개의 유형으로 분류하였다. A형은 점을 찍지 않고 주기가 일정하게 그린 그래프, B형은 주기가 감소하는 점을 찍으면서 선은 일정하게 그린 그래프, C형은 주기가 감소하는 그래프이다.
알아보았다. 그리고 실험 결과에 대한 가설 유형도 알아보았다.
부산광역시에 소재하는 p 대학교 사범대학 과학교육학부 3, 4학년 학생을 대상으로, 교사가 제시한 실험데이터를 이용하여 그래프를 그린 두], 불일치 인식, 실험 데이터 신뢰 여부, 신념의 변화, 인지갈등 및 실험결과에 대한 가설 유형을 알아보았다.
05kg씩 점점 증가시키면서 깡통 진자의 주기를 직접 측정한 데이터 것이라고, 설명한 뒤, 학생들에게 데이터를 제시하였다. 시간의 변화량을 실험 오차로 해석하지 않도록 하기 위해, 물의 질량 변화량을 소수점 2째 자리인 0.05씩 변화하도록 질량 단위를 kg으로 제시하였다.
것이다. 실험 결과가 선개념과 일치하다고 인식한 23명 중 7명은 실험 결과를, 길이의 변화가 없기때문'이라는 선개념 의존적 가설을 제시하였다. 12명은공기 저항이나 측정 오차 등의, 실험상의 오차'로 해석하였다.
이 연구에서는 교사가 제시한 실험 데이터를 보고 대학생들이 그린 그래프 유형, 불일치 인식 여부, 실험데이터에 대한 신뢰 여부, 신념변화 및 인지갈등 정도를 알아보았다. 그리고 실험 결과에 대한 가설 유형도 알아보았다.
그려 자료변환을 하도록 하였다. 지필 검사지를 이용하여, 데이터가 선개념과 불일치함을 인식하는지, 데이터를 신뢰하는지, 선개념에 대한 신념은 변화하였는지 등에 대한 응답과 함께, 응답 이유를 상세히 서술하도록 하였다. 또한 실험 데이터의 결과를 설명할 수 있는 가설을 고안하도록 하였다.
대상 데이터
A형을 그린 학생은 4명이었다. 이 중 3명은 실험 결과가 자신의 선개념과 일치하다고 인식하였고, 1명은 자신의 선개념과 불일치하다고 인식하였다.
하지만, 주기는 질량에 관계없기 때문에 변하지 않아야 한다는 선개념을 그대로 유지하였다. B형을 그린 학생은 16명이었다. 이 중 15명은 실험 결과가 자신의 선개념과 일치하다고 인식하였고, 1 명은 자신의 선개념과 불일치 하다고 인식하였다.
불일치함을 인식한 학생은 자신의 선개념과 불일치한 실험 결과의 원인을 오차로 돌려 여전히 자신의 선개념을 유지하였다. C형을 그린 학생은 25명이었다. 주기가 감소하는 그래프를 그렸음에도 이들 중 5명은 자신의 선개념과 같은 실험 결과라고 인식하였다.
응답한 학생을 먼저 선발하였다. 그 학생들 중, 깡통진자에 물을 넣어가면서 깡통진자의 주기를 측정할 때, 주기가 일정할 것이라고 예상한 대학생 45명을 연구대상으로 선발하였다. 깡통진자에 물을 넣으면, 깡통진자의 질량 중심이 변하게 되어 실제로 진자의 길이가 달라지는 결과를 가져온다.
실험 데이터의 신뢰 여부와 그에 대한 학생들의 응답 이유를 Table 2에 제시하였다. 데이터를 신뢰하는경우는 34명, 신뢰하지 않는 경우는 11명이었다. 데이터를 신뢰하는 경우는, 주기는 질량에 의존하지 않는다'와 같이 데이터를 선개념 의존형 반응, , 실험 데이터이기 때문'이라는 실험 결과 의존형 반응과, , 실험오차 때문, 이라는 반응이 있었다.
사전 검사를 실시하여, 진자의 주기 영향을 주는 변인에 대해 과학적 개념을 가지고 있는 학생, 즉, 진자의 주기는 진자의 길이와 관계있고, 진자의 질량과는 관계없다고 응답한 학생을 먼저 선발하였다. 그 학생들 중, 깡통진자에 물을 넣어가면서 깡통진자의 주기를 측정할 때, 주기가 일정할 것이라고 예상한 대학생 45명을 연구대상으로 선발하였다.
이론/모형
또한 실험 데이터의 결과를 설명할 수 있는 가설을 고안하도록 하였다. 그리 고, 인지갈등검사도구를 이용하여 인지갈등 정도를 측정하였다.
이 연구에서 사용한 인지갈등 검사도구는 Lee 등 (1999)°] 개발한 CCLT(Cognitive Conflict Levels Test) 를 사용하였다. 이 검사 도구는 세 영역으로 나누어져있는데, 첫 번째 영역은 자신의 개념에 대한 확신에 대한 3문항, 두 번째 영역은 관찰 및 실험 결과에 대한 신뢰성에 대한 3문항, 세 번째 영역은 갈등 정도를 측정하는 12문항으로 이루어져 있다.
성능/효과
불일치 상황을 선개념에 의존하여 관찰한 학생은 대체적으로 선개념을 버리지 않으며, 선개념을 지지하는 실험을 요구하는 경향이 있었다. 그리고, 선개념에 대한 신념의 변화가 클수록 인지갈등 정도가 높은 경향이 있었다.
데이터를 신뢰하는 34명의 인지갈등 정도의 평균은 23.1, 데이터를 신뢰하지 않는 11명의 인지갈등 정도의 평균은 30.6으로 데이터를 신뢰하지 않는 경우의 인지갈등 정도가 높았다.
23명, 인식하는 경우는 22명이었다. 불일치함을 인식하지 못하는 학생들의 인지갈등 정도의 평균은 20.7, 불일치함을 인식하는 학생들의 인지갈등 정도의 평균은 29.3으로, 불일치함을 인식하는 경우 인지갈등 정도가 높게 나타났다. 인지갈등이 일어나기 위해서는 자신의 선개념과 불일치한 상황이라는 것을 인식하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
실험 데이터가 선개념과 불일치함을 인식하는 학생일수록 인지갈등 정도가 높고, 불일치함을 인식한 학생중에 인지갈등이 높은 경우에 신념변화가 잘됨을 알수 있었다. 데이터가 자신의 선개념과 일치하다고 인식한 경우는 신념변화가 일어나지 않았다.
이 경우는 자신의 선개념을 유지하기 위해서, 실험 데이터가, 오차가 많은 데이터, 이거나, 실제 실험이 아닌 조작된 데이터'로 간주한 경우이다. 실험 데이터가 신뢰롭다고 생각하면서도, 선개념 의존, 오차로 인한 부정확한 결과 등으로 실험결과를 해석한 경우는 선개념에 대한 신념을 유지하였다.
이러한 결과로 보아, 불일치 상황의 제시 유형을 정성적으로 하느냐, 정량적으로 하느냐를 구분하여 그 의미를 파악하는 것도 중요하지만, 어떤 방법으로 제시하는 것이 개념변화에 더 효과적인가를 고안할 필요가 있다고 본다. 이 연구에서 제시한 데이터는 깡통진자에 물을 넣어서 주기를 측정할 때, 물을 많이 넣을수록 주기가 감소하지만, 학생들은 감소하는 숫치를 오차의 범위 영역에 넣어서 해석하는 경향이 있었다. 만약, 주기의 감소가 확연히 드러나는, 긴 깡통진자를 이용하여 실험한 데이터를 제시할 경우, 학생들의 반응이 어떠한 지 비교해 볼 필요가 있다.
후속연구
인지갈등 정도가 더 높았다. 불일치 자료에 대한 신뢰 정도와 인지갈등 정도를 더 심층적으로 연구할 필요가 있고, 이러한 결과의 원인을 더 연구할 필요가 있다고 본다.
데이터를 해석하는 과정에서 선개념에 의존하여 해석을 할 수 있는 상황이기 때문이다. 이러한 결과로 보아, 불일치 상황의 제시 유형을 정성적으로 하느냐, 정량적으로 하느냐를 구분하여 그 의미를 파악하는 것도 중요하지만, 어떤 방법으로 제시하는 것이 개념변화에 더 효과적인가를 고안할 필요가 있다고 본다. 이 연구에서 제시한 데이터는 깡통진자에 물을 넣어서 주기를 측정할 때, 물을 많이 넣을수록 주기가 감소하지만, 학생들은 감소하는 숫치를 오차의 범위 영역에 넣어서 해석하는 경향이 있었다.
만약, 주기의 감소가 확연히 드러나는, 긴 깡통진자를 이용하여 실험한 데이터를 제시할 경우, 학생들의 반응이 어떠한 지 비교해 볼 필요가 있다. 이러한 후속연구가 이루어진다면, 개념변화를 위한 불일치자료의 조건에 대한 자료를 제공할 수 있을 것이다.
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