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문제 정의
- 그래프 해석 검사는 ‘기체의 압력과 부피의 관계’에 대한 실험 결과에 대해 대응점만 표기된 그래프를 제시하고, 학생들이 평가 목표와 관련된 7개의 하위 문항에 대해 자유롭게 서술할 수 있도록 구성하였다. 이때, 그래프 해석 과정에서 학생들이 어떤 사고 과정을 거치는지 확인하기 위해 답을 얻은 과정과 그 이유를 함께 기술하도록 하였다.
제안 방법
- ‘그래프 기본 요소의 잘못된 표기’의 범주는 ‘변수·단위 표기’ , ‘원점 표기’ , ‘눈금 표기’ , ‘추세선 표기’의 4개 영역으로 나누고, 각 영역을 더욱 세분화하였다.
- ‘변수의 잘못된 해석’의 범주는 ‘독립·종속 변수 반대로 표기’ ,‘ 하나의 변수로만 그래프를 표현’ , ‘막대그래프로 표현’ , ‘자료제시 순서대로 눈금 표기’ , ‘개별 그래프로 표현(그림 1)’오류로 나누었다.
- 개발한 분석틀의 타당도와 신뢰도를 높이기 위해, 2인의 연구자가 검사지의 일부를 각각 분석한 뒤, 두 연구자의 검사 결과가 90% 이상 일치했을 때, 한 명의 연구자가 모든 검사지를 분석하였다. 그리고 과학 교육 전문가 2인, 고등학교 과학교사 4인, 과학교육 전공 대학원생 4인으로 구성된 회의에서 분석틀에 대한 논의를 거쳐 최종 분석틀을 완성하였다.
- 그래프 작성 및 해석 검사에 소요된 시간은 설명 시간을 포함하여 각 25분씩, 총 50분이었다. 검사가 끝난 후, 학생들이 작성한 답안지를 모두 수거하여 분석하였다.
- 고등학생들이 그래프 작성 및 해석 과정에서 범하는 오류 유형을 조사하기 위해 먼저, McKenzie와 Padilla(1986)가 개발한 TOGS(Test of Graphing in Science)에 포함된 ‘그래프 작성 및 해석 능력’의 9가지 하위 요소를 참고하여, 이 연구에 적합한 ‘그래프 작성 및 해석 검사의 평가 목표’를 설정하였다(표 1).
- 고등학생들이 그래프 작성 및 해석 과정에서 범하는 오류 유형을 조사하기 위해, 관련 선행 연구(김유정 등, 2009; 윤미영, 2005; McKenzie & Padilla, 1986; Movshovitz-Hadar et al., 1987)와 고등학교 교육과정 분석을 통해 그래프 작성 및 해석 과정에 대한 평가 목표를 설정하고, ‘기체의 압력과 부피의 관계’에 대한 그래프 작성 및 해석 검사와 오류 유형 분석틀을 개발하였다.
- 그 후, 선행 연구(김유정 등, 2009; Berg & Smith, 1994)를 참고하여 고등학생 수준에 맞는 그래프 작성 및 해석 검사를 서답형 문항으로 개발하였다.
- 그래프 해석 검사는 ‘기체의 압력과 부피의 관계’에 대한 실험 결과에 대해 대응점만 표기된 그래프를 제시하고, 학생들이 평가 목표와 관련된 7개의 하위 문항에 대해 자유롭게 서술할 수 있도록 구성하였다.
- 그리고 과학교육 전문가 2인, 고등학교 과학교사 4인, 과학교육전공 대학원생 4인으로 구성된 회의를 통해 의견을 수렴하여 수정·보완하였다.
- 그리고 과학 교육 전문가 2인, 고등학교 과학교사 4인, 과학교육 전공 대학원생 4인으로 구성된 회의에서 분석틀에 대한 논의를 거쳐 최종 분석틀을 완성하였다. 그리고 최종 분석틀을 토대로 그래프 작성 및 해석 검사에서 나타난 학생들의 오류를 유형별로 재분류하였다.
- 또한, 제시한 자료로부터 그래프의 경향성을 파악하여 응답하지 않고, a:b=c:d와 같은 비례식 ( '비례식 적용’ 오류)이나, 사전에 암기한 ‘PV=k’라는 공식( '암기한 공식 적용’ 오류)을 적용하여 응답한 경우에도 오류로 분류하였다.
- 본 검사는 학생들의 학습 효과를 배제하기 위해 화학Ⅰ ‘공기’ 단원에서 ‘기체의 압력과 부피의 관계’ 대한 개념 학습을 하기 전에 실시하였다.
- 이 연구에서는 고등학생들을 대상으로 ‘기체의 압력과 부피의 관계’에 대한 실험 결과를 그래프로 작성 하고 해석하는 과정에서 나타난 오류 유형과 그 빈도를 과학 학업 성취 수준에 따라 조사하였다.
- 이를 바탕으로 예비 검사를 실시하여 검사 소요 시간, 문항의 내용과 수준, 용어의 적절성, 그림으로 제시한 자료의 명료성, 분석틀의 적절성을 검토한 후, 이를 수정·보완하여 최종 그래프 작성 및 해석 검사와 오류 유형 분석틀을 완성하였다.
- 이에 이 연구에서는 고등학교 2학년 화학Ⅰ 수업에서 ‘기체의 압력과 부피의 관계’에 대한 실험 결과 자료를 그래프로 작성하고 해석하는 과정에서 과학 학업 성취 수준에 따라 학생들이 범하는 오류 유형을 조사하였다.
- 즉, 그래프 작성 오류 유형 분석틀은 학생들이 그래프 작성 과정에서 범한 오류 유형을 크게 ‘변수의 잘못된 해석’ , ‘그래프 기본 요소의 잘못된 표기’ , ‘자료의 잘못된 사용’의 세 범주로 나누고, 각 범주를 세분화하여 총 16가지의 오류 유형으로 분류하였다(표 2).
- 최종 그래프 작성 오류 유형 분석틀은 선행 연구(김유정 등, 2009)에서는 나타났지만 이 연구에서는 나타나지 않은 오류 유형 2가지( '두 변수를 각각 종속 변수로 표현’, '감소 눈금을 매김’ 오류)는 제외하고, 새롭게 나타난 오류 유형 6가지를 추가하였다.
- 최종 그래프 해석 오류 유형 분석틀은 학생들이 그래프 해석 과정에서 범한 오류 유형을 크게 ‘자료의 잘못된 독해’ , ‘잘못된 내삽·외삽’ , ‘관계 잘못 설정’의 세 범주로 나누고, 각 범주를 세분화하여 총 9가지의 오류 유형으로 분류하였다(표 3).
- 최종 분석 결과는 학생들의 그래프 작성 및 해석 오류를 유형별로 서술하고, 그 빈도와 백분율(%)을 전체 및 과학 학업 성취 수준 상·하위 집단으로 나누어 제시하였다.
대상 데이터
- 서울시에 소재한 2개의 남녀 공학 인문계 고등학교 2학년 자연계열 학생 140명을 대상으로 하였다. 학업 성취 수준에 따른 상·하위 집단의 통계적 차이는 일반적으로 상위 27% 집단과 하위 27% 집단으로 나누어 분석한다(Miller et al.
데이터처리
- 그리고 과학 학업 성취 수준 상·하위 학생들의 그래프 작성 및 해석 오류 유형별 빈도 차이를 통계적으로 검증하기 위해 χ2 검정을 실시한 후, 그 결과를 제시하였다.
성능/효과
- , 1987)들이 진행되었다. 그 결과, 다수의 고등학생들이 그래프 축에 눈금을 매기지 못하거나, 변수를 지정하지 못하는 등 그래프를 활용하는 능력이 부족한 것으로 나타났다. 이는 학생들이 수학 교과에서 학습한 그래프 관련 내용을 과학 교과로 적용하는 과정에서 효과적으로 전이시키지 못했기 때문으로 볼 수 있다(Potgieter et al.
- 그래프 작성 검사에서 나타난 학생들의 오류 유형을 분석한 결과, 96.4%의 학생들이 그래프를 작성하는 과정에서 하나 이상의 오류를 범한 것으로 나타났다. 그래프 작성 오류 유형별 빈도와 백분율(%) 및 과학 학업 성취 수준에 따른 χ2 검정 결과를 표 4에 제시 하였다.
- 그래프 해석 검사에서 나타난 학생들의 오류 유형을 분석한 결과, 74.3%의 학생들이 그래프를 해석하는 과정에서 하나 이상의 오류를 범한 것으로 나타났다. 그래프 해석 오류 유형별 빈도와 백분율(%) 및 과학 학업 성취 수준에 따른 χ2 검정 결과를 표 5에 제시 하였다.
- 그래프 해석 과정에서는 ‘자료의 잘못된 독해’ , ‘잘못된 내삽·외삽’ , ‘관계 잘못 설정’의 범주에서 9가지 오류 유형이 나타났으며, 특히, 과학 학업 성취 수준이 낮은 학생들이 ‘외삽 못함’ , ‘변수 사이의 관계 잘못 기술’ 오류를 더 많이 범하는 것으로 나타났다.
- 또한, 과학 학업 성취 수준에 따른 오류 유형별 발생 빈도를 분석한 결과, ‘변수 적지 않음’ , ‘추세선을 꺾은선으로 표현’ , ‘자료 추가’ , ‘자료 삭제’ 오류는 학업 성취 수준이 낮은 학생들에게서, ‘원점 표기하지 않음’ 오류는 학업 성취 수준이 높은 학생들에게서 많이 나타났다.
- 연구 결과, 그래프 작성 과정에서는 ‘변수의 잘못된 해석’ , ‘그래프 기본 요소의 잘못된 표기’ , ‘자료의 잘못된 사용’의 범주에서 16가지 오류 유형이 나타났으며, 중학생들을 대상으로 조사한 선행 연구(김유정 등, 2009)에 비해 오류 유형별 발생 빈도는 대부분 감소하였다.
후속연구
- 그리고 실험 결과를 그래프로 작성할 때, 엑셀(Excel)과 같은 컴퓨터 프로그램을 활용하여 ‘변수’ , ‘단위’ , ‘추세선’ 등과 같은 그래프의 기본 요소들을 학생들이 직접 표기할 수 있는 기회를 제공한다면, 학생들의 그래프 작성 능력 향상에 도움이 될 수 있을 것이다(Wu & Wong, 2007).
- 따라서 이 연구에서 나타난 ‘추세선 표기’ 영역의 오류 유형들을 활용하여 학생들이 표기한 추세선 유형에 따른 그래프 해석 과정을 심층적으로 조사하는 연구가 진행될 필요가 있다.
- 이는 학생들이 변수들의 관계를 쉽게 파악하고 그래프에 제시되지 않은 자료나 경향성을 예측할 수 있도록 도와줄 수 있을 것이다. 또한, 교사 연수나 교사용 지도서를 통해 과학 수업에서 사용할 수 있는 그래프 작성 및 해석 지도 방법에 대한 구체적인 정보를 제공함으로써, 현장 교사들이 그래프를 활용한 체계적인 탐구 수업을 구성하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 예를 들어, 교사들이 과학 학업 성취 수준에 따라 학생들이 범하는 그래프 작성 및 해석 오류 유형을 숙지한 상태에서 그래프를 작성하고 해석하는 활동을 진행한다면, 학생들의 과학 학업 성취 수준을 고려한 효율적인 수준별 학습이 가능할 것으로 기대된다.
- 따라서 학생들의 과학 탐구 능력이나 논리적 사고력 수준에 따른 그래프 작성 및 해석 능력의 차이를 조사하는 연구도 진행될 필요가 있다. 이는 과학 실험 탐구 학습에서 체계적인 그래프 활용 수업을 구성하는 데에 필요한 기초 자료로써 중요하게 활용될 수 있을 것이다.
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