[논문]다중 표상을 활용한 보일과 샤를의 법칙 개념 학습에서 유발되는 학생들의 연계 오류의 원인 탐색

강훈식; 신석진; 노태희

doi:10.5012/jkcs.2008.52.5.550

문제 정의

이후에는 각각의 주장과 그 예시를 제시한 후, 이를 뒷받침하기 위해 학생들의 글과 그림에 대한 해석 및 외적 표상 연계 과정을 교사의 의도나 해당 학습의 맥락과 비교하여 기술하고 이 과정에서 발생한 오류의 원인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 고려하여 해석했다. 또한, 제시한 연계 오류의 발생 원인을 바탕으로 연계 오류를 예방할 수 있는 방안도 함께 논의했다. 각 주장의 예시를 제시할 때, 학생들의 명칭은 주장의 순서에 따라 임의적으로 A〜 H로 부여했다.
이 연구에서는 학생들이 다중 표상을 활용한 보일과 샤를의 법칙 개념 학습에서 제공된 외적 표상들을 연계하는 과정에서 범하는 오류의 원인을 질적 연구 방법을 통해 심층적으로 조사했다. 연구 결과, 그 연계 오류의 원인을 여섯 가지 주장으로 제시할 수 있었으며, 이에 대한 결론 및 시사점을 요약하면 다음과 같다.
이에 이 연구에서는 연계 오류를 지닌 학생들이 다양한 외적 표상들을 해석 및 연계하는 과정을 질적 연구 방법을 통해 심층적으로 조사함으로써 연계 오류의 원인을 탐색하고자 했다.

가설 설정

면담자: 그림 요소인 화살표의 길이가 의미하는 것은 무엇이라고 생각했니? D 학생: 분자가 공간이 많이 좁으니까, 많이 이동할 수 없을 것 같아서…… 벽에 충돌하는 횟수가 증가하는 것은 공간이 좁다는 것에서요. 분자가 많이 이동할 수 없게 되서 화살표가 짧다고 생각했어요.
H 학생: 제가 분자의 분포라는 것을 자세히 모르거든요? 그래서 관련 있는 게 없다고 해서 설명을 썼어요.

제안 방법

면담 질문의 타당성과 면담 진행 과정을 점검하고 면담자들의 면담 기술을 훈련하기 위해 본 면담을 실시하기 한 달 전에 연구 대상과 같은 학년의 학생들을 대상으로 예비 면담을 수 차례 실시했다. 2명의 면담자가 각각 다른 학생들을 예비 면담하는 과정을 녹음 · 녹화하고, 이 자료들을 모든 연구자들이 분석하고 논의하는 과정을 통해 최종 면담 시나리오 및 과정을 확정했다.
연구 결과의 타당도와 신뢰도를 높이기 위해, 수집된 자료들은 연구자들이 공동으로 분석하고 해석했으며, 초기 분석 결과는 질적 연구 전문가에게 수차례 자문을 의뢰하여 수정 보완했다. 그 후, 연구자들이 공통적으로 동의한 사항에 한하여 결과 및 주장, 결론을 도출하고, 이를 과학교육 전문가, 과학교육 전공 대학원생, 현직 과학 교사 10인 이상으로 구성된 수 차례의 연구 회의를 통해 수정 · 보완했다.
다중 표상 학습에서 외적 표상인 글과 그림을 연계하여 이해하는 이론적인 과정, 즉 글과 그림의 의미를 각각 해석하는 과정과 글과 그림을 연계하는 과정, 글과 그림에 포함된 정보들을 학습자의 사전 지식이나 경험 등과 통합하는 과정이^9,10,16을 바탕으로 면담 시나리오를 작성했다. 면담 질문의 타당성과 면담 진행 과정을 점검하고 면담자들의 면담 기술을 훈련하기 위해 본 면담을 실시하기 한 달 전에 연구 대상과 같은 학년의 학생들을 대상으로 예비 면담을 수 차례 실시했다.
연계 오류의 원인을 조사하기 위해, 전사본을 바탕으로 연계 오류를 지닌 학생들이 글과 그림의 각 요소들에 대해 구성한 의미를 분석했다. 또한, 글과 그림의 요소들을 연계하는 과정과 이에 영향을 주는 요인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 토대로 분석하여 귀납적으로 항목화했다. 즉, 전사본을 반복적으로 검토하여 가능한 원인들을 추출한 후, 이들 중 관련 있는 것끼리 묶어 주장을 생성했다.
즉, 글과 그림의 요소들을 해석하는 과정과 이를 연계하는 과정, 이 과정들과 관련된 사전지식이나 경험 등에 대해 개방형 질문을 한 후, 연구 대상이 각 질문에 대한 본인의 생각을 자유롭게 말하고, 그렇게 말한 이유를 자세히 설명하도록 했다. 또한, 면담자가 질문 내용을 미리 외워 놓고 대화 형식으로 면담을 진행하면서 질문지를 체크리스트로 사용하여 빠진 항목 없이 질문하는 방법²⁰을 사용함으로써 면담의 타당도를 높이고자 했다. 면담은 개인 당 25~30분 정도 소요되었으며, 면담자는 면담 과정을 모두 녹음 · 녹화했고 면담 과정에서 나타난 연구 외적인 상황이나 연구 대상의 특이한 행동 및 특징 등을 관찰 노트에 작성했다.
을 바탕으로 면담 시나리오를 작성했다. 면담 질문의 타당성과 면담 진행 과정을 점검하고 면담자들의 면담 기술을 훈련하기 위해 본 면담을 실시하기 한 달 전에 연구 대상과 같은 학년의 학생들을 대상으로 예비 면담을 수 차례 실시했다. 2명의 면담자가 각각 다른 학생들을 예비 면담하는 과정을 녹음 · 녹화하고, 이 자료들을 모든 연구자들이 분석하고 논의하는 과정을 통해 최종 면담 시나리오 및 과정을 확정했다.
또한, 면담자가 질문 내용을 미리 외워 놓고 대화 형식으로 면담을 진행하면서 질문지를 체크리스트로 사용하여 빠진 항목 없이 질문하는 방법²⁰을 사용함으로써 면담의 타당도를 높이고자 했다. 면담은 개인 당 25~30분 정도 소요되었으며, 면담자는 면담 과정을 모두 녹음 · 녹화했고 면담 과정에서 나타난 연구 외적인 상황이나 연구 대상의 특이한 행동 및 특징 등을 관찰 노트에 작성했다.
면담이 끝난 후에 녹음 · 녹화된 자료 및 관찰 노트를 바탕으로 전사본을 작성했다. 전사본은 학생의 말을 기본으로 하고, 학생의 행동이나 표정 등을 ( )안에, 직접 말로 표현하지는 않았으나 이후 면담 과정에서 나타났거나 맥락상 포함될 표현, 부가적인 설명을 [ ]안에 나타내는 방법으로 작성했다.
예비 면담을 실시했던 2명의 연구자가 최종 면담 시나리오를 바탕으로 본 연구 대상에게 면담을 실시했다. 면담자는 연구 대상과 래포를 형성한 후 원인 연쇄 분석법을 참고하여 반구조화된 형식²⁰으로 면담을 진행했다. 즉, 글과 그림의 요소들을 해석하는 과정과 이를 연계하는 과정, 이 과정들과 관련된 사전지식이나 경험 등에 대해 개방형 질문을 한 후, 연구 대상이 각 질문에 대한 본인의 생각을 자유롭게 말하고, 그렇게 말한 이유를 자세히 설명하도록 했다.
발생 비율이 높았던 연계 오류 유형인 '연결 불이행(BL 59명, CL 74명)’, '부적절한 연결(BL 43명, CL 34명)', '무분별한 연결(BL 39명, CL 29명)'을 보인 학생들 중에서, 본인의 동의를 얻은 20명을 대상으로 연계 과정 검사를 실시한 당일 면담을 실시했다. 면담 과정에서 자신의 생각을 말로 잘 표현하지 못한 학생 4명과 연계 오류가 아닌 것으로 나타난 학생 1명은 이 연구 목적에 부합하는 정보를 제공하지 않는다고 판단하여 분석에서 제외했다.
본 연구 대상을 선정하기 위해 선행연구¹⁵를 참고하여 해당 개념에 대한 학습과 연계 과정 검사를 실시했다. 즉, 교사는 학습과 검사 전에 학생들에게 학습 및 검사 과정과 방법에 대해 간단히 설명한 후 학습지와 검사지를 배부했다.
서울시에 소재한 중학교의 1학년 6개반 196명을 선정하여 BL(Boyle’s Law) 집단과 CL(Charles’s Law)집단으로 나눈 후, 각각 '보일의 법칙’과 '샤를의 법칙’에 대한 학습과 연계 과정 검사를 실시했다. 연계 과정 검사에서 나타난 학생들의 응답을 선행연구¹³에서 제시한 연계 오류 분석 방법에 따라 분석하여 연계 오류를 가진 학생들을 분류했다.
서울시에 소재한 중학교의 1학년 6개반 196명을 선정하여 BL(Boyle’s Law) 집단과 CL(Charles’s Law)집단으로 나눈 후, 각각 '보일의 법칙’과 '샤를의 법칙’에 대한 학습과 연계 과정 검사를 실시했다. 연계 과정 검사에서 나타난 학생들의 응답을 선행연구¹³에서 제시한 연계 오류 분석 방법에 따라 분석하여 연계 오류를 가진 학생들을 분류했다. 즉, 글과 그림의 공유 요소들 중 대응되는 요소들을 올바르게 연계했지만, 그 요소 간의 관계에 대한 설명이 충분하지 않거나 잘못된 '불충분한 연결’, 글과 그림의 공유 요소들 중 대응되지 않는 요소들을 연계하는 '부적절한 연결’, 글과 그림의 공유 요소와 비공유 요소를 연계하는 '무분별한 연결’, 글의 비공유 요소와 그림의 비공유 요소를 연계하는 '불가능한 연결’, 연계해야할 글과 그림의 공유 요소를 연계하지 않는 '연결 불이행'의 연계 오류를 보인 학생들을 분류했다.
연계 오류의 원인을 조사하기 위해, 전사본을 바탕으로 연계 오류를 지닌 학생들이 글과 그림의 각 요소들에 대해 구성한 의미를 분석했다. 또한, 글과 그림의 요소들을 연계하는 과정과 이에 영향을 주는 요인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 토대로 분석하여 귀납적으로 항목화했다.
즉, 전사본을 반복적으로 검토하여 가능한 원인들을 추출한 후, 이들 중 관련 있는 것끼리 묶어 주장을 생성했다. 연구 결과의 타당도와 신뢰도를 높이기 위해, 수집된 자료들은 연구자들이 공동으로 분석하고 해석했으며, 초기 분석 결과는 질적 연구 전문가에게 수차례 자문을 의뢰하여 수정 보완했다. 그 후, 연구자들이 공통적으로 동의한 사항에 한하여 결과 및 주장, 결론을 도출하고, 이를 과학교육 전문가, 과학교육 전공 대학원생, 현직 과학 교사 10인 이상으로 구성된 수 차례의 연구 회의를 통해 수정 · 보완했다.
예비 면담을 실시했던 2명의 연구자가 최종 면담 시나리오를 바탕으로 본 연구 대상에게 면담을 실시했다. 면담자는 연구 대상과 래포를 형성한 후 원인 연쇄 분석법을 참고하여 반구조화된 형식²⁰으로 면담을 진행했다.
면담을 분석한 결과, 외적 표상들 사이의 연계 오류의 발생 원인을 여섯 가지 주장들로 제시할 수 있었다. 이후에는 각각의 주장과 그 예시를 제시한 후, 이를 뒷받침하기 위해 학생들의 글과 그림에 대한 해석 및 외적 표상 연계 과정을 교사의 의도나 해당 학습의 맥락과 비교하여 기술하고 이 과정에서 발생한 오류의 원인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 고려하여 해석했다. 또한, 제시한 연계 오류의 발생 원인을 바탕으로 연계 오류를 예방할 수 있는 방안도 함께 논의했다.
연계 과정 검사에서 나타난 학생들의 응답을 선행연구¹³에서 제시한 연계 오류 분석 방법에 따라 분석하여 연계 오류를 가진 학생들을 분류했다. 즉, 글과 그림의 공유 요소들 중 대응되는 요소들을 올바르게 연계했지만, 그 요소 간의 관계에 대한 설명이 충분하지 않거나 잘못된 '불충분한 연결’, 글과 그림의 공유 요소들 중 대응되지 않는 요소들을 연계하는 '부적절한 연결’, 글과 그림의 공유 요소와 비공유 요소를 연계하는 '무분별한 연결’, 글의 비공유 요소와 그림의 비공유 요소를 연계하는 '불가능한 연결’, 연계해야할 글과 그림의 공유 요소를 연계하지 않는 '연결 불이행'의 연계 오류를 보인 학생들을 분류했다.
면담자는 연구 대상과 래포를 형성한 후 원인 연쇄 분석법을 참고하여 반구조화된 형식²⁰으로 면담을 진행했다. 즉, 글과 그림의 요소들을 해석하는 과정과 이를 연계하는 과정, 이 과정들과 관련된 사전지식이나 경험 등에 대해 개방형 질문을 한 후, 연구 대상이 각 질문에 대한 본인의 생각을 자유롭게 말하고, 그렇게 말한 이유를 자세히 설명하도록 했다. 또한, 면담자가 질문 내용을 미리 외워 놓고 대화 형식으로 면담을 진행하면서 질문지를 체크리스트로 사용하여 빠진 항목 없이 질문하는 방법²⁰을 사용함으로써 면담의 타당도를 높이고자 했다.
또한, 글과 그림의 요소들을 연계하는 과정과 이에 영향을 주는 요인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 토대로 분석하여 귀납적으로 항목화했다. 즉, 전사본을 반복적으로 검토하여 가능한 원인들을 추출한 후, 이들 중 관련 있는 것끼리 묶어 주장을 생성했다. 연구 결과의 타당도와 신뢰도를 높이기 위해, 수집된 자료들은 연구자들이 공동으로 분석하고 해석했으며, 초기 분석 결과는 질적 연구 전문가에게 수차례 자문을 의뢰하여 수정 보완했다.
즉, 교사는 학습과 검사 전에 학생들에게 학습 및 검사 과정과 방법에 대해 간단히 설명한 후 학습지와 검사지를 배부했다. 학생들은 교사가 보여준 거시적 수준에서의 시범 실험을 분자 수준에서 표현한 글과 그림으로 구성된 학습지를 스스로 학습한 후, 연계 과정 검사지를 25분간 작성했다. 이때 교사가 보여준 시범 실험은 '보일의 법칙’의 경우 추의 개수에 따른 실린더의 부피 변화 실험이었고, '샤를의 법칙’의 경우에는 입구에 풍선을 씌운 플라스크를 알코올램프로 가열하기 전과 가열하는 과정에서의 풍선의 부피 변화 실험이었다.

대상 데이터

면담 과정에서 자신의 생각을 말로 잘 표현하지 못한 학생 4명과 연계 오류가 아닌 것으로 나타난 학생 1명은 이 연구 목적에 부합하는 정보를 제공하지 않는다고 판단하여 분석에서 제외했다. 최종 연구 대상 15명 중 '연결 불이행’, '부적절한 연결’, '무분별한 연결’의 연계 오류를 보인 학생은 각각 5명, 7명, 10명이었으며, 이는 각각 해당 연계 오류를 보인 학생들의 4%, 9%, 15%이다. 이 때, 두 개 이상의 연계 오류를 보인 학생들이 있었으므로, 연계 오류를 보인 학생들의 총 수(22명)는 최종 연구 대상 수(15명)보다 많았다.

성능/효과

따라서 교사는 학생들의 과거 경험을 고려하여 외적 표상을 구성해야 하고 외적 표상 요소들의 의미가 학생들의 과거 경험과 다를 경우에는 학생들에게 그 의미를 명시해 줄 필요가 있다. 다섯째, 외적 표상에 충분한 정보가 포함되지 않고 간단하게 표현되어 있으면 학생들이 이를 자신의 사전 지식이나 경험과 관련지어 복잡하게 해석함으로써 연계 오류를 범할 수 있다. 따라서 인지적 부담을 크게 주지 않는 선에서 외적 표상들을 구체적으로 표현해 줄 필요가 있다.
면담을 분석한 결과, 외적 표상들 사이의 연계 오류의 발생 원인을 여섯 가지 주장들로 제시할 수 있었다. 이후에는 각각의 주장과 그 예시를 제시한 후, 이를 뒷받침하기 위해 학생들의 글과 그림에 대한 해석 및 외적 표상 연계 과정을 교사의 의도나 해당 학습의 맥락과 비교하여 기술하고 이 과정에서 발생한 오류의 원인을 다중 표상 학습 관련 이론이나 문헌들^9,10,15,16을 고려하여 해석했다.

후속연구

이처럼 이 연구를 통해 학생들이 과학 개념에 대한 글과 그림을 연계하는 과정과 이 과정에서 유발 되는 오류의 원인 및 해결 방안에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 따라서 이 연구의 결과는 과학 개념, 특히 물질의 입자성이 강조되는 화학 개념의 이해를 돕기 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이 연구에서 제시한 연계 오류의 원인과 해결방안에 대한 정보를 차기 교사용 지도서 등과 같은 교수-학습 자료에 제시하고 안내함으로써 학생들의 연계 오류를 예방하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
또한, 외적 표상들이 과학 개념의 모든 측면을 표현하지 못하는 한계가 있으므로,¹⁴ 학생들이 제공된 외적 표상의 요소들 중에서 과학 개념과 직접적으로 관련이 없는 요소들을 고려하여 외적 표상들을 이해했기 때문에 다양한 연계 오류가 나타났을 가능성도 있다. 따라서 이런 측면들을 고려하여 연계 오류의 원인을 탐색한다면 외적 표상들의 잘못된 사용을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 학생들의 연계 오류를 예방하여 과학 개념 이해를 향상시킬 수 있는 다중 표상 학습 전략을 개발하는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이다.
예를 들어, 이 연구에서 제시한 연계 오류의 원인과 해결방안에 대한 정보를 차기 교사용 지도서 등과 같은 교수-학습 자료에 제시하고 안내함으로써 학생들의 연계 오류를 예방하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한, 연계 오류의 원인과 해결 방안을 토대로 외적 표상들의 잘못된 사용을 예방하고, 학생들의 연계 오류를 줄여 과학 개념 이해를 향상시킬 수 있는 다중 표상 학습 전략을 개발할 수 있을 것이다. 외적 표상에 대한 학생들의 해석이 교사의 의도와는 다를 수 있다는 이 연구의 결과는 다중 표상 학습에서 학생들의 내적 표상의 역할이 중요함을 시사하기도 한다.
따라서 이 연구들만으로는 학생들이 외적 표상들을 실제로 해석 및 연계하는 과정과 이 과정에서 발생되는 오류의 원인에 대한 구체적인 정보를 얻기에는 한계가 있다. 질적 연구의 관점에서 표상의 의미는 제시된 현상에 대해 학생들이 나름대로 내적 재현을 하는 것이므로,¹⁹ 학생들의 외적 표상에 대한 해석 및 연계 과정과 이 과정에서의 오류 원인을 질적 연구의 관점에서 조사한다면 유용한 정보를 얻을 수 있을 것이다.
따라서 교사는 자신의 의도대로 학생들의 외적 표상에 대한 해석을 일방적으로 제한하기보다는 학생들이 외적 표상을 해석하고 연계하는 과정에 더 많은 관심을 기울일 필요가 있다. 한편, 이 연구는 연계 오류를 가진 소수의 학생들을 대상으로 진행되었으므로, 이 연구에 제시된 주장들만으로 연계 오류의 원인을 일반화하는 데에는 한계가 있다. 또한, 이 연구에서는 질적 연구 방법으로 연계 오류의 원인을 조사했는데, 질적 연구에서의 인과 관계는 특정 상황과 맥락을 고려하여 사람들의 사고와 의미 체제 속에서 가상적으로 설정되고 현재나 미래의 일에 대한 예측보다는 과거 사건의 구조를 분석해 내는 특징이 있다.

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