[국내논문]달의 위상 변화에 관한 교과서의 지식 통합 과정 및 학생 정신 모델의 비교 연구 A Comparative Study of Knowledge Integration in the Textbook and Students' Mental Model about the Phases of the Moon원문보기
본 연구의 목적은 달의 위상 변화 원인에 관한 교과서의 탐구활동과 학습자의 정신 모델을 비교하여 효과적인 교수 설계를 위한 시사점을 찾는 데 있다. 이를 위해 중학교 3학년 교과서 9종과 25명의 학생들을 조사하여 현직 교사를 포함한 9인의 과학교육 전문가들이 교차 분석하였다. 그 결과 탐구활동은 현상을 관측하고 공간 모델을 설정하여 검증하는 활동으로 이루어져 있었고 탐구활동에서 다루는 과학 개념은 달의 공전, 태양광선의 평행과 달의 반사면, 태양-지구-달의 위치관계, 지구에서 보는 달의 위상에 대한 개념이었다. 이 개념들은 모델 설정 및 조작, 시공간 관계의 사용, 추론, 의사소통 기능과 연결되어 있지만 과학자들의 실제 탐구에 필요한 중요 기능이 생략되어 있었다. 한편 학생들의 정신 모델은 과학적 모델, 혼재형 모델, 대안적 모델로 나누어 각 유형별로 논의하였다. 지식 통합의 관점에서는 교수 설계 시 다양한 탐구 경로를 통해 학습자의 선개념과 새로운 개념의 연결을 권장하고 있으나 이상의 결과는 개념 연결을 강화할 기회가 충분하게 제공되지 않음을 보여준다.
본 연구의 목적은 달의 위상 변화 원인에 관한 교과서의 탐구활동과 학습자의 정신 모델을 비교하여 효과적인 교수 설계를 위한 시사점을 찾는 데 있다. 이를 위해 중학교 3학년 교과서 9종과 25명의 학생들을 조사하여 현직 교사를 포함한 9인의 과학교육 전문가들이 교차 분석하였다. 그 결과 탐구활동은 현상을 관측하고 공간 모델을 설정하여 검증하는 활동으로 이루어져 있었고 탐구활동에서 다루는 과학 개념은 달의 공전, 태양광선의 평행과 달의 반사면, 태양-지구-달의 위치관계, 지구에서 보는 달의 위상에 대한 개념이었다. 이 개념들은 모델 설정 및 조작, 시공간 관계의 사용, 추론, 의사소통 기능과 연결되어 있지만 과학자들의 실제 탐구에 필요한 중요 기능이 생략되어 있었다. 한편 학생들의 정신 모델은 과학적 모델, 혼재형 모델, 대안적 모델로 나누어 각 유형별로 논의하였다. 지식 통합의 관점에서는 교수 설계 시 다양한 탐구 경로를 통해 학습자의 선개념과 새로운 개념의 연결을 권장하고 있으나 이상의 결과는 개념 연결을 강화할 기회가 충분하게 제공되지 않음을 보여준다.
In this study, we compared textbook knowledge organization with students' mental models to contribute to a more well-designed instruction scheme. The selected science content was the cause of moon phases. We investigated 9 textbooks and 25 third-year middle school students. Patterns and features in ...
In this study, we compared textbook knowledge organization with students' mental models to contribute to a more well-designed instruction scheme. The selected science content was the cause of moon phases. We investigated 9 textbooks and 25 third-year middle school students. Patterns and features in participants' mental models were identified through cross inter-rater data analysis by 9 researchers, including in service teachers and experts in science education. According to the results, observing and modeling are the main activities engaged in when dealing with moon phases. The activities consisted of such concepts as: lunar revolution, the sun's parallel rays, the illuminated half of moon, and the relative positions of the sun, moon, and earth. Each concept involved inquiry skills such as: creating and manipulating models, utilizing the relationship between time and space, and communicating. However, the most important skills which are required for authentic scientific inquiry, namely controlling variables and formulating hypotheses, were missing. We categorized students' mental models into three types: scientific models, mixed models, and alternative models. The knowledge structure of each of the models was also discussed in this paper. Consequently, it was found that, typically, students were not given enough opportunities to strengthen the connection among ideas.
In this study, we compared textbook knowledge organization with students' mental models to contribute to a more well-designed instruction scheme. The selected science content was the cause of moon phases. We investigated 9 textbooks and 25 third-year middle school students. Patterns and features in participants' mental models were identified through cross inter-rater data analysis by 9 researchers, including in service teachers and experts in science education. According to the results, observing and modeling are the main activities engaged in when dealing with moon phases. The activities consisted of such concepts as: lunar revolution, the sun's parallel rays, the illuminated half of moon, and the relative positions of the sun, moon, and earth. Each concept involved inquiry skills such as: creating and manipulating models, utilizing the relationship between time and space, and communicating. However, the most important skills which are required for authentic scientific inquiry, namely controlling variables and formulating hypotheses, were missing. We categorized students' mental models into three types: scientific models, mixed models, and alternative models. The knowledge structure of each of the models was also discussed in this paper. Consequently, it was found that, typically, students were not given enough opportunities to strengthen the connection among ideas.
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문제 정의
과학 개념이 전혀 나타나지 않은 두 가지 사례 중 B 학생의 면담 내용을 살펴보자. B 학생의 경우 모두 'AltOth'로 분석되었다.
그리고 이 체계에서 나타나는 각 개념 코드 별로 어떤 탐구기능과 연결되어 있는지 살펴보았다. Table 3은 G 교과서에 대한 분석 예이다.
이러한 관점에서 본 연구는 수업의 기초 자료인 교과서의 탐구활동을 새로운 개념을 연결해 나가는 하나의 지식체계로 보고, 탐구활동이 교실 상황에서 재현될 때 연합하는 과학개념과 탐구기능에 주목하였다. 그리고 해당 학년을 지낸 학생들의 정신 모형 (mental model)을 조사하여 비교함으로써 궁극적으로 달의 위상 변화에서의 지식통합 활성을 위한 시사점을 얻고자 하였다.
지식 통합의 제 원리 중 핵심은 과학을 접근 가능하게 만드는 것(Dewey, 1901; Wgotsky, 1978)으로 학습자가 기존에 알고 있는 것에 새로운 개념을 연결해 나갈 수 있도록 수업을 구성할 필요가 있다는 것이다. 이러한 관점에서 본 연구는 수업의 기초 자료인 교과서의 탐구활동을 새로운 개념을 연결해 나가는 하나의 지식체계로 보고, 탐구활동이 교실 상황에서 재현될 때 연합하는 과학개념과 탐구기능에 주목하였다. 그리고 해당 학년을 지낸 학생들의 정신 모형 (mental model)을 조사하여 비교함으로써 궁극적으로 달의 위상 변화에서의 지식통합 활성을 위한 시사점을 얻고자 하였다.
가설 설정
첫째, 교과서 탐구 활동에서 달의 위상 변화를 이해하기 위해 연합하는 과학 개념과 탐구기능은 무엇이며 탐구 방법상의 특징은 무엇인가?
제안 방법
질문의 내용은 Trumile et al.(2007)의 달의 위상에 대한 개념변화 연구에 사용한 인터뷰 내용을 우리나라의 실정에 맞추어 번역 후 적용하였다. 과학교육 전공자 및 과학 교사로 구성된 9인(지구과학교육 석사과정 4인, 박사과정 2인, 현직 교사 3인)이 전사 자료 한 편당 3인을 이루어 각각 교차 분석하였다.
있다. NavSee 개념에서 높은 빈도를 보인 탐구기능을 표에 정리하였다(Table 5).
이것은 달의 공전 개념이 여러 가지 물체로 모델을 설정하는 탐구활동의 초반부에 나타나기 때문에 모델 설정 및 시공간 관계사용, 관찰, 조작 기능이 활용되는 반면에 활동 후반에 활용하게 되는 의사소통이나 데이터 해석 기능은 나타나지 않은 것으로 보인다. SciOrb 개념에서 탐구기능을 활용하는 방식을 표에 정리하였다(Table 6).
(2007)의 달의 위상에 대한 개념변화 연구에 사용한 인터뷰 내용을 우리나라의 실정에 맞추어 번역 후 적용하였다. 과학교육 전공자 및 과학 교사로 구성된 9인(지구과학교육 석사과정 4인, 박사과정 2인, 현직 교사 3인)이 전사 자료 한 편당 3인을 이루어 각각 교차 분석하였다. 분석틀은 Trundle et aL(2007)의 연구에서 사용된 코드표를 기초로 하여 수 회 협의 후 수정을 거쳐 최종 완성하였다.
과정 기능이 사용된다. 그 후 이러한 관찰 사실이 일어나는 근거를 찾기 위해서 관찰자가 전등 과공을 가지고 태양과 달, 지구의 모델을 설정하며 SciOrb, SciPrl, SciHaf; SciEMS, SciSee 개념을 연결하게 된다. 탐구 활동 분석 결과를 표에 정리하였다 (Table 4).
따라서 위상 변화를 관측하는 활동으로 시작하여 모델 설정 활동으로 이어지는 공통 과정을 달의 위상변화에 대한 교과서의 주요 체계로 보았다. 그리고 이 체계에서 나타나는 각 개념 코드 별로 어떤 탐구기능과 연결되어 있는지 살펴보았다.
대상 단원은 태양계의 운동의 소단원인 '달의 운동' 중에서 달의 위상 변화에 관련하는 탐구 활동으로 한하였다. 먼저 개념 분석을 위해 모든 탐구 활동을 과정별로 표에 정리한 후, 명시적으로 나타난 과학 개념을 코딩하였다. 분석에 사용된 코드는 Table 1의 과학 개념만을 택한 No.
과학교육 전공자 및 과학 교사로 구성된 9인(지구과학교육 석사과정 4인, 박사과정 2인, 현직 교사 3인)이 전사 자료 한 편당 3인을 이루어 각각 교차 분석하였다. 분석틀은 Trundle et aL(2007)의 연구에서 사용된 코드표를 기초로 하여 수 회 협의 후 수정을 거쳐 최종 완성하였다. 그 결과 개념 분석에 사용한 코드표는 Table 1 과 같다.
표상하고 있다. 여기에서 태양광선이 평행하게 도달하고(Sciprl), 따라서 태양을 향하고 있는 달의 반쪽이 빛을 반사한다는 개념(Scihaf)은 표상되지 않았으나 보름과 삭을 설명할 때에는 두 개념을 모르더라도 태양, 지구, 달이 일직선상에 온다는 모델을 가졌기 때문에 태양광선을 일직선으로 생각하게 되어 과학적 모델을 제시하였다. 그러나 두 개념의 부재는 그믐달의 모델에서 대안 개념으로 확장되는 결과를 초래했다.
중학교 3학년 과학 교과서 9종에서 달의 위상 변화를 다루는 탐구 활동을 택하여 개념과 탐구기능을 분석하였다. 대상 단원은 태양계의 운동의 소단원인 '달의 운동' 중에서 달의 위상 변화에 관련하는 탐구 활동으로 한하였다.
지금까지 중학교 3학년 과학 교과서의 탐구 활동에서 달의 위상 변화를 탐구해나가는 개념과 탐구기능체계, 그리고 탐구의 특징을 알아보았으며 학생들의 정신 모델 표상을 통해 개념 간의 연결을 알아보았다. 이상의 연구 결과로부터 달의 위상 변화에 관한 교과서 활동의 지식 통합과 학생들의 정신 모델 경향에 대해 다음과 같이 재구성하였다.
학생 정신 모델에서의 개념 연결 양상을 자세히 살펴보기 위해서 현상을 과학적인 개념으로 표상하고 있는 과학적 정신 모형(48%), 대안 개념만으로 표상하는 대안적 정신 모형(8%), 과학적 개념과 대안적 개념이 혼재된 정신 모형(44%)으로 나누어 살펴보았다. 단, 태양, 달, 지구의 상대적 크기에 대한 오류는 참여자가 그림으로 표현할 때 태양, 달, 지구의 상대적인 크기를 정확하게 하기는 어렵다고 판단하여 고려 대상에서 제외하였다.
대상 데이터
대상 단원은 태양계의 운동의 소단원인 '달의 운동' 중에서 달의 위상 변화에 관련하는 탐구 활동으로 한하였다. 먼저 개념 분석을 위해 모든 탐구 활동을 과정별로 표에 정리한 후, 명시적으로 나타난 과학 개념을 코딩하였다.
연구 참여자는 25명(중학교 3학년 11명, 고등학교 1학년 9명, 고등학교 2학년 5명)으로 과학 교사 2인의 도움을 얻어 안양과 인천에 소재하는 두 곳의 학교에서 성적과 관계없이 임의 표집 하였다. 면담 시달의 위상 변화에 대한 학생의 정신 모형을 말과 그림으로 설명하게 하고 내용을 녹음하였다.
이론/모형
예시에서 달을 직접 관찰하는 활동은 NavSee 코드로 이루어지며, 이때 달이 날짜가 지남에 따라 이동하는 모습을 관찰하고 기록하여 그 결과를 해석하는 탐구 과정 기능이 사용된다. 그 후 이러한 관찰 사실이 일어나는 근거를 찾기 위해서 관찰자가 전등 과공을 가지고 태양과 달, 지구의 모델을 설정하며 SciOrb, SciPrl, SciHaf; SciEMS, SciSee 개념을 연결하게 된다.
탐구기능의 분석은 AAAS에서 제시한 SAPAII의 탐구기능 정의를 적용하였다(김찬종 외, 2005 재인용). 적용한 탐구기능은 조작, 일반화, 재현, 관찰, 분류, 시공간관계사용, 수사용, 의사소통, 측정, 추정, 예상, 추리, 변인동정 및 통제, 조작적 정의, 가설설정, 실험, 그래프 작성, 데이터 해석, 모델 설정, 조사, 의사결정 기능이다.
성능/효과
개념별로 보면, 현상에 대한 과학적 개념이 고려되지 않은 채 달의 모양이 날짜가 지남에 따라 변하는 것을 뜻하는 NavSee 코드는 관찰(15.3%), 시공간 관계 사용(15.3%), 데이터 해석(153%)의 탐구기능을 가장 빈번하게 활용했으며 조사(15.1%), 모델 설정(129%), 재현(9.4%), 측정(8.2%), 의사소통(5.2%), 조작(2.4%), 추리(1.2%)가 뒤이었다.
활동으로 이루어져 있다. 그 가운데 달이 지구를 공전하는 개념, 태양■지구-달의 크기를 고려할 때 태양광선이 평행함을 가정한다는 개념, 태양을 향하고 있는 달의 반쪽이 빛난다는 개념, 태양■지구-달의 상대적인 위치에 따라 우리가 보는 위상이 결정된다는 개념이 탐구 절차에 따라 비교적 고른 탐구기능과 연합하고 있는 것으로 나타났다. 9종 교과서에서 평균적으로 보여주는 개념과 탐구기능 체계를 축약해보면 Fig.
떠올리고 있다. 그러나 표현한 공전 모델 부록 4는 AltOrb으로 분석되었고 이 코드는 달의 공전 자전에 대한 대안개념을 의미하며, 삭의 원인에 대한 설명도 역시 대안개념(AltOth)으로 부록 3과 동일하게 달이 태양 뒤로 가는 잘못된 외적 표상을 보여주었다. 다음은 C 학생의 면담 내용 중 일부이다.
의사 결정 기능은 나타나지 않았다. 달의 위상과 관련된 탐구 기능 중 가장 낮은 빈도는 예상과 추리가 1.1%로 나타났고 뒤이어 조작적 정의가 4.1%로 낮게 나타났다. 가장 빈번하게 활용된 탐구기능은 시공간관계사용(19.
따라서 이 개념이 분명하지 않을 경우 지구 달-태양의 공간적 위치 설정이 바르지 않아 다른 과학 개념과의 연결이 어려움을 알 수 있다. 둘째, 공전 개념이 바르게 표상되었더라도, 태양광선이 지구와 달에 평행하게 도달하고 (SciPrl), 따라서 태양을 향하는 달의 반쪽이 빛난다는(SciHaQ 개념이 분명하지 않을 경우 학생 정신 모델은 대안적 정신 모델로 확장하는 모습을 볼 수 있었다.
따라서 정신 모델에서 달의 지구 공전 모델이 없을 경우 지구와의 위치 관계를 바르게 설정하지 못하여 처음부터 지식을 구조화하기 어려웠다. 또 대안 모델에서 과학적 모델로 가는 할과도기라고 할 수 있는 혼재형 정신 모델을 가진 학생들은 빛과 관련한 표상, 즉 태양광선을 반사하는 달의 반쪽 면에 대한 개념이 부정확한 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과는 탐구 활동에서 달의 공전을 다루는 방식이 물체를 이용해 모델을 설정하는 형태로 획일화되어 있기 때문에 학습자가 다양한 경로로 개념을 접할 기회를 제공하지 못한다는 점과 닿아 있다.
먼저 달의 공전 개념 (SciOrb)은 스티로폼 공 등의 물체로 지구와 달의 비유 모델을 설정하는 과정만으로 암시하기 때문에 충분한 강조가 이루어지지 않았다. 또한 태양광선이 평행하게 도달한다는 개념(SciPrl)과 태양을 향한 달의 반쪽이 빛난다(SciHaf) 는 개념에 대한 탐구 활동 분석에서 빈도가 각각 1.1%, 2.2%로 매우 낮았다. 유의할 점은 두 개념이 활동에서 명시적으로 다뤄지지 않을 뿐 아니라 전둥이 공을 비추는 등의 한정된 탐구 기능올 활용하는 것이다.
분석 결과 전체 교과서 탐구 활동에서 일반화, 분류, 수 사용, 추정, 변인동정통제, 가설설정, 실험, 그래프작성, 의사 결정 기능은 나타나지 않았다. 달의 위상과 관련된 탐구 기능 중 가장 낮은 빈도는 예상과 추리가 1.
그것은 탐구기능의 분석 결과에서도 알 수 있다. 전체 분류 항목(21) 중 전혀 나타나지 않은 항목이 9(33.3%)로 나타났고, 나타나지 않은 9항목의 탐구기능 중에서 천문 영역의 특성상 활용이 드물 것으로 판단되는 몇 가지 기능(일반화, 수사용, 추정}을제외하더라도 학생이 직접 활동을 설계하는 과정과 관련하는 변인동정통제, 가설 설정, 실험, 그래프 작성, 의사결정의 기능이 배제되어 있음을 알 수 있다.
지구, 달, 태양의 상대적인 위치가 우리가 보는 부분을 결정한다는 SciEMS 개념은 시공간관계사용 (21.9%), 관찰(M.1%), 모델 설정(10.9%), 데이터 해석 (10.9%), 조작적 정의(9.4%), 조작(9.4%) 기능을 활용하여 제시되었고 의사소통(6.3%), 조사(4.7%), 재현 (3.1%), 예상(3.1%) 기능이 뒤를 이었다. 그런데 SciEMS 개념에서 보이는 탐구기능의 활용은 SciSee 개념과 매우 비슷한 패턴을 보이고 있음을 알 수 있다.
수 있다. 첫째, 달의 공전(SciOrb) 개념은 위상 변화를 이해하기 위한 가장 기본 개념으로 볼 수 있다. 과학적 정신 모형을 가진 학생들은 한 명을 제외하고 모두 달의 공전 개념으로부터 자신의 모델을 시작하였고 혼재된 정신 모恩과 대안적 정신 모형에서도 두 명을 제외한 모든 학생들이 달의 공전을 가장 먼저 언급하였다.
구성을 확인할 필요가 있다. 해당 단원의 모든 탐구활동 중에 달의 위상 변화 원인을 대상으로 하는 것만을 추린 결과, 2종을 제외한 7종의 교과서에서, 달의 모양 변화를 관측(이하 관측 활동) 한뒤에 공간모델을 활용하여 관찰한모델 설정 검증하는 활동(이하 모델설정 활동)으로 이어지는' 공통적인 구성을 확인하였다. C 교과서는 달 관련 활동은 있으나 그 중 달의 위상 변화 원인없었고 교과서는 다루는 활동이 없었고。교과서는 작은 실험실이라는 제목으로 매우 적은 면적을 할애하여 위상 변화를 관찰하는 데 그쳐 있었다(Nble 2 참조).
후속연구
달의 위상 변화는 독립적인 주제가 아니며 빛, 공간, 식 현상, 계절의 변화 등 많은지식 구조와 연결되어 있으므로 서로 밀접한 영역의 개념 체계가 특정 영역의 과학적 개념 체계에 영향을 줄 수 있다. 이와 같이 다양한 변인들이 학생의 정신 모형에 관여한다는 점에서 천문 영역에서 지식통합을 활성화시키는 교수 설계에 대해 후속 연구가 필요할 것이다.
참고문헌 (17)
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