이 연구는 학교과학교육과정에서 밀도에 관한 개념학습을 모두 마친 대도시지역 11학년 학생들의 고체와 액체의 밀도에 관한 개념이해의 정도를 알아보기 위한 것이었다. 이를 위하여 순물질 고체와 액체, 혼합물 상태의 고체와 액체에 관한 밀도개념이 어떻게 형성되었는지 알아보기 위한 탐구적 개념검사 도구를 개발하여 사용하였으며 120명의 인문계 고등학생들을 대상으로 이 검사도구에서 제시하는 문제 상황에 대한 시범실험을 보여주고 지필검사를 실시하였다. 학생들의 응답결과를 문항별로 분석하여 과학적 개념의 형성비율을 알아보았으며 대체적 개념과 잠재 이론의 종류와 양상을 밝혔다. 연구대상자의 절반 정도는 전형적으로 질량-부피-밀도 관계의 미분화로 인하여 밀도개념이 확립되지 않은 경우가 많았으며, 밀도를 물질의 속성으로 파악하는 경향이 있었다. 문제풀이에서 고려할 변인의 수가 증가할수록 이러한 관련 개념과 밀도개념과의 미분화경향이 증가하였으며 학생들은 더욱 많은 수의 다른 개념과 이러한 혼동된 미분화개념들을 혼합 사용함으로 인하여 개념의 미분화는 더욱 심층적으로 되고, 오인의 범위와 개념들 간의 관계에서의 복잡성도 심화되었다. 학생들은 자신의 예측과 맞지 않는 관찰 상황이 주어졌을 때 입자의 크기, 분자간 거리, 표면장력, 용매의 극성 등 문제풀이와 직접적인 관련 없는 개념들로 인지적 갈등을 해결하려는 노력을 하였으며 이에 대한 학교과학교육에의 함의에 관하여 논의하였다.
이 연구는 학교과학교육과정에서 밀도에 관한 개념학습을 모두 마친 대도시지역 11학년 학생들의 고체와 액체의 밀도에 관한 개념이해의 정도를 알아보기 위한 것이었다. 이를 위하여 순물질 고체와 액체, 혼합물 상태의 고체와 액체에 관한 밀도개념이 어떻게 형성되었는지 알아보기 위한 탐구적 개념검사 도구를 개발하여 사용하였으며 120명의 인문계 고등학생들을 대상으로 이 검사도구에서 제시하는 문제 상황에 대한 시범실험을 보여주고 지필검사를 실시하였다. 학생들의 응답결과를 문항별로 분석하여 과학적 개념의 형성비율을 알아보았으며 대체적 개념과 잠재 이론의 종류와 양상을 밝혔다. 연구대상자의 절반 정도는 전형적으로 질량-부피-밀도 관계의 미분화로 인하여 밀도개념이 확립되지 않은 경우가 많았으며, 밀도를 물질의 속성으로 파악하는 경향이 있었다. 문제풀이에서 고려할 변인의 수가 증가할수록 이러한 관련 개념과 밀도개념과의 미분화경향이 증가하였으며 학생들은 더욱 많은 수의 다른 개념과 이러한 혼동된 미분화개념들을 혼합 사용함으로 인하여 개념의 미분화는 더욱 심층적으로 되고, 오인의 범위와 개념들 간의 관계에서의 복잡성도 심화되었다. 학생들은 자신의 예측과 맞지 않는 관찰 상황이 주어졌을 때 입자의 크기, 분자간 거리, 표면장력, 용매의 극성 등 문제풀이와 직접적인 관련 없는 개념들로 인지적 갈등을 해결하려는 노력을 하였으며 이에 대한 학교과학교육에의 함의에 관하여 논의하였다.
The primary purpose of this study was to investigate high school students' conceptual understanding of density for solids and liquids in pure and mixed substances who had preceded formal school science instruction on density and related topics. A concept assessment on density was developed and admin...
The primary purpose of this study was to investigate high school students' conceptual understanding of density for solids and liquids in pure and mixed substances who had preceded formal school science instruction on density and related topics. A concept assessment on density was developed and administered by demonstrative experiments accompanied by a written assessment test method to 120 general high school students in a metropolitan city. The scientific conceptions and alternative conceptions from students' responses were identified and the percentages of them were calculated. Then, their alternative conceptions and implicit theories on density were analyzed. About half of the students couldn't differentiate weight-volume-density and regarded density as an innate property of matter. Furthermore, the greater the number of variables involved in an experimental condition of the question, the more complicated and undifferentiated students' density concepts were. Students employed more improper variables such as particle size, intermolecular distance, surface tension, polarity of the solvent, etc. in explaining counter-intuitive observations. The implications for school science instruction were discussed.
The primary purpose of this study was to investigate high school students' conceptual understanding of density for solids and liquids in pure and mixed substances who had preceded formal school science instruction on density and related topics. A concept assessment on density was developed and administered by demonstrative experiments accompanied by a written assessment test method to 120 general high school students in a metropolitan city. The scientific conceptions and alternative conceptions from students' responses were identified and the percentages of them were calculated. Then, their alternative conceptions and implicit theories on density were analyzed. About half of the students couldn't differentiate weight-volume-density and regarded density as an innate property of matter. Furthermore, the greater the number of variables involved in an experimental condition of the question, the more complicated and undifferentiated students' density concepts were. Students employed more improper variables such as particle size, intermolecular distance, surface tension, polarity of the solvent, etc. in explaining counter-intuitive observations. The implications for school science instruction were discussed.
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문제 정의
또한 밀도에 대한 특정 오개념을 가진 218명의 중학교 1학년들을 대상으로 한 밀도학습에 관한 연구에서20 인식론적 신념의 구성요소 중에서는 확실한 지식만이, 그리고 인식론적 신념보다는 정의적 · 동기적 변인이 개념변화에 더 크게 영향을 미친다는 사실이 보고되었다. 이러한 선행연구결과를 토대로 본 연구에서는 형식적 조작기에 도달한 학생의 비율이 훨씬 높다고 판단되는 11학년 학생들을 대상으로 순물질의 고체와 액체상에서의 밀도에 대한 개념이 어떻게 형성되어 있는지, 그리고 혼합물의 비중에 대한 개념은 어떤 형태로 구성되어있는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
순물질과 혼합물의 고체상과 액체상에서의 밀도에 관한 탐구적 개념검사를 위하여 선행연구 등을 바탕으로 먼저 중학교 3학년 학생 30명과 고등학교 1학년 학생 10명을 대상으로 반구조화된 심층면담형식의 예비조사연구를 실시하였다. 김충호31의 연구에서 순물질의 밀도에 관한 문항 2개를 사용하고 예비연구조사를 바탕으로 혼합물의 밀도에 관한 세 문항과 순 물질의 밀도 관련 문항 중 순수한 용매의 밀도에 관한 문항을 포함하여 4문항을 개발하여 결과적으로 총 6개의 실험 상황에서의 밀도 개념검사 도구를 완성하였다. 최종 개념검사지는 순물질과 혼합물의 밀도에 관하여 각각 3문항씩, 그리고 이들 문항은 고체와 액체의 밀도에 관한 문항을 각각 포함하도록 구성되었으며(Table 2) 검사시간은 30분으로 제한하였다.
에 따르면 혼합물에서의 비중에 대한 내용은 없고 비중이라는 용어도 언급되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 비중 대신 학생들이 보편적으로 사용하는 밀도개념으로 분석하였다. 또한 지필검사 시 학생들이 문제 상황을 직접 관찰하며 탐구적 사고 과정을 통하여 응답하도록 문제에서 제시된 상황을 직접 실험적으로 관찰하게 하는 탐구적 밀도개념 검사도구를 개발하여 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 비중 대신 학생들이 보편적으로 사용하는 밀도개념으로 분석하였다. 또한 지필검사 시 학생들이 문제 상황을 직접 관찰하며 탐구적 사고 과정을 통하여 응답하도록 문제에서 제시된 상황을 직접 실험적으로 관찰하게 하는 탐구적 밀도개념 검사도구를 개발하여 사용하였다.
순물질과 혼합물의 고체상과 액체상에서의 밀도에 관한 탐구적 개념검사를 위하여 선행연구 등을 바탕으로 먼저 중학교 3학년 학생 30명과 고등학교 1학년 학생 10명을 대상으로 반구조화된 심층면담형식의 예비조사연구를 실시하였다. 김충호31의 연구에서 순물질의 밀도에 관한 문항 2개를 사용하고 예비연구조사를 바탕으로 혼합물의 밀도에 관한 세 문항과 순 물질의 밀도 관련 문항 중 순수한 용매의 밀도에 관한 문항을 포함하여 4문항을 개발하여 결과적으로 총 6개의 실험 상황에서의 밀도 개념검사 도구를 완성하였다.
이는 과학과 교육과정에서 밀도개념학습을 모두 마친 일반적인 과학적 소양을 지니고, 형식적 조작기의 도달비율이 초 · 중학생에 비해 훨씬 높을 것으로 판단되는 일반 고등학생들의 밀도에 관한 개념이해 정도를 판단하기 위한 것이었다. 여섯 개의 밀도 개념검사 문항에 나타난 각각의 문제 상황에서의 실험들을 시연한 후에 선다형과 서술형으로 구성된 밀도 개념검사를 지필검사로 실시하였다.
대상 데이터
강원도 내 한 대도시 지역의 일반계 고등학교 11학년 5개 학급 150명의 학생에 대하여 밀도개념검사를 실시하였으며, 이 중 두 문항 이상 미응답자들을 제외한 120명을 연구대상으로 하였다. 이는 과학과 교육과정에서 밀도개념학습을 모두 마친 일반적인 과학적 소양을 지니고, 형식적 조작기의 도달비율이 초 · 중학생에 비해 훨씬 높을 것으로 판단되는 일반 고등학생들의 밀도에 관한 개념이해 정도를 판단하기 위한 것이었다.
데이터처리
다음으로 1, 2차 루브릭 작성과정에서 참조한 응답지와 전혀 다른 30개의 응답지를 임의로 선택하여 90%에 이르는 3차 연구자간 신뢰도를 얻을 수 있었다. 이 루브릭을 사용하여 각 문항별로 위 Table 2에 나타난 목표 개념에 대한 대안 개념들을 그 이유의 항과 연관 지어 교차분석하고, 각 문항분석에서 나타난 오인들 중에서 높은 응답률을 보이는 대안개념의 유형과 분포상황을 고찰하였으며, 이로부터 밀도에 관한 고등학생들의 대표적인 잠재 이론12들을 추출하였다.
성능/효과
이러한 예는 순물질에서 나무는 본래적인 속성이 물 위에 뜨는 것이라고 설명하는 직관적인 거시적 사고와 다르게, 미시적으로 물질의 구성입자를 고려한 것이다. 11학년 학생들은 물질의 미시적 · 입자적 성질에 관한 학습과 여러 가지 새로운 과학 개념에 대한 학습에 의해 (예: 표면 장력, 농도, 극성 등) 나이 어린 학생들에 비해 훨씬 더 분화되고 복잡한 그렇지만 정교하지 않은 밀도 개념을 가지게 되는 것을 알 수 있다.
둘째, 고체의 밀도에 대한 개념에서 순물질, 혼합물 모두 여러 선행연구에서 드러난 질량-밀도 관계의 개념의 미분화가 가장 특징적인 오인유형이었으며, 반직관적 관찰 사실을 포함하는 고체물질의 밀도에 대하여는 부피-밀도 개념의 미분화현상이 가장 두드러졌다. 결과적으로 문제 혹은 상황맥락적인 변인 또한 학생들의 오인을 유발하는 중요한 요인인 것을 알 수 있었다.
넷째, 고체 혼합물의 밀도를 설명할 때는 어느 한 성분 고체에서 분자간의 간격이 좁고 촘촘하여 밀도가 커진다고 한 반면에 액체 혼합물의 밀도에 관해서는 액체의 극성·무극성에 따라 서로 잘 섞이는 액체끼리의 혼합물이 밀도가 커진다고 생각하는 경향이 있었다.
다섯째, 변칙사례의 경우 고체의 밀도에서는 질량에 대한 비율 개념을 생략한 채 부피가 크거나 면적이 크다는 등 관찰 가능한 단편적 사실로부터 밀도를 설명하는 경향이 강했고, 액체의 경우는 액체의 고유한 성질, 즉, 같은 종류의 용매끼리 잘 섞인다는 사실을 액체 혼합물에 적용하고. 혼합되면서 증가한 부피를 마치 질량의 증가와 동일시하여 더 무거워졌다고 생각하는 경향이 있었으며 이는 질량-부피-밀도 개념의 미분화 상태가 11학년에 이르러서도 지속되고 있음을 나타낸다.
둘째, 고체 혼합물의 밀도에서는 성분분석적인 접근을 하며, 성분별로 고체를 이루는 물질에 따라 밀도가 달라진다고 생각하는 경향이 있었다. 쇠구슬은 나무보다 물질을 이루는 입자 사이의 간격이 촘촘하므로 더 밀도가 크다고 생각하는 것이 그 예이다.
둘째, 고체의 밀도에 대한 개념에서 순물질, 혼합물 모두 여러 선행연구에서 드러난 질량-밀도 관계의 개념의 미분화가 가장 특징적인 오인유형이었으며, 반직관적 관찰 사실을 포함하는 고체물질의 밀도에 대하여는 부피-밀도 개념의 미분화현상이 가장 두드러졌다. 결과적으로 문제 혹은 상황맥락적인 변인 또한 학생들의 오인을 유발하는 중요한 요인인 것을 알 수 있었다.
둘째, 균일혼합물 액체의 밀도에 관해서는 극성 용매분자끼리 섞여서 가라앉고 무극성 용매는 위층을 이룬 것이라고 설명하는 오인이 가장 많았다(17.5%). 이때에도 극성용매들은 혼합물이고 무극성 용매에 비해 부피가 2배인 점을 고려할 때, 학생들은 용매의 극성·무극성, 부피, 밀도 개념이 각각의 개념으로서도 확립되지 않고 개념들 간의 분화도 제대로 이루어지지 않은 상태에서 서로 확실한 구분 없이 연관지어 사용하는 것을 알 수 있다.
셋째, 액체의 밀도에 대한 개념에서 여전히 질량-밀도 개념의 미분화 현상이 나타나지만, 혼합물 액체의 경우에는 용매의 극성, 분자간 거리, 분자의 크기 등 미시적 입자적 성질과 연관지어 혼돈하는 경향이 상당한 비율로 나타났다. 이는 액체의 유동성에 따른 입자적인 성질과 아직 확립되지 않은 밀도 개념이 복합적으로 작용하여 학생들의 기존 개념구조나 대안이론의 개념틀 등에 새로운 갈등상황을 제공한 것으로 보인다.
셋째, 혼합물 고체에 대한 분화되고 복잡한 오인과 달리 반직관적인 변칙사례에 해당하는 혼합물 고체의 밀도에 대하여는 겉으로 보이는 면적이 커져서 부피가 커졌기 때문에 물 위에 뜨게 된다는 한 가지 변인만을 고려하는 단순한 오인이 가장 많았다. 이는 인지갈등을 유발하는 변칙적 사례에 대한 대안이론을 자신이 납득할 정도로 충분히 발전시키기 어려웠던 것으로 파악되며, 따라서 비율로서의 밀도를 고려할 때 필요한 다른 요인을 고려하지 못한 채 오히려 간단하게 관찰 가능한 사실에서 답을 찾으려 한 것으로 보인다.
둘째, 고체 혼합물의 밀도에서는 성분분석적인 접근을 하며, 성분별로 고체를 이루는 물질에 따라 밀도가 달라진다고 생각하는 경향이 있었다. 쇠구슬은 나무보다 물질을 이루는 입자 사이의 간격이 촘촘하므로 더 밀도가 크다고 생각하는 것이 그 예이다. 이러한 예는 순물질에서 나무는 본래적인 속성이 물 위에 뜨는 것이라고 설명하는 직관적인 거시적 사고와 다르게, 미시적으로 물질의 구성입자를 고려한 것이다.
이 연구의 대상자들은 대부분의 선행연구에서 나타난 것과 같은 종류의 오인유형을 가지고 있었으며, 이는 Pozo와 Gometz Crespo12가 말한 잠재이론(implicit theory)이 학생들의 인지구조 혹은 개념망의 기저를 이루는 이론으로 자리 잡고 매우 정교화 되어 있어서, 새로운 자극이 제공되어도 쉽게 변화하기는 힘들다는 연구결과를 뒷받침해 주었다. 따라서 과학개념의 학습에 있어서 목표개념에 대한 집중적인 질적․ 양적인 시간 투자, 구성주의적 교수학습 원리의 적용, 목표 개념이 확립되기 전까지 일정한 상황적 맥락에서 학습하기와 그 후에 다른 맥락에 적용하기, 이를 위하여 너무 많은 수의 개념을 가르치려고 하지 않기와 같은 요인들이 과학학습지도와 실행에 있어서 중요하게 고려될 필요가 있다.
첫째, 순물질 액체의 밀도에 대한 과학적 개념은 55.8%로 고체에서보다 12.5% 높게 나타났다. 혼합물 액체의 경우는 25.
첫째, 순물질인 경우 고체나 액체의 밀도는 질량개념과 분화되지 않은 상태로 혼용되고 있었다.
첫째, 이 연구에서 사용한 여섯 가지 범주 중에 오직 고체 순물질의 밀도에 대해서만 약 절반 정도의 학생이 과학적 개념을 가지고 있었으며, 혼합물이나 변칙사례 등이 포함되는 등 여러 변인을 고려해야 하는 상황에서는 밀도에 대한 이해가 훨씬 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
가 말한 잠재이론(implicit theory)이 학생들의 인지구조 혹은 개념망의 기저를 이루는 이론으로 자리 잡고 매우 정교화 되어 있어서, 새로운 자극이 제공되어도 쉽게 변화하기는 힘들다는 연구결과를 뒷받침해 주었다. 따라서 과학개념의 학습에 있어서 목표개념에 대한 집중적인 질적․ 양적인 시간 투자, 구성주의적 교수학습 원리의 적용, 목표 개념이 확립되기 전까지 일정한 상황적 맥락에서 학습하기와 그 후에 다른 맥락에 적용하기, 이를 위하여 너무 많은 수의 개념을 가르치려고 하지 않기와 같은 요인들이 과학학습지도와 실행에 있어서 중요하게 고려될 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
밀도의 특징은 무엇인가?
질량, 밀도, 무게, 부피 등은 거시적 관점의 물질이론에 관한 과학적 개념틀에서 서로 분명하게 구별되는 개념들이다. 질량, 무게, 부피는 크기성질이며 물체의 양에 따라 그 크기가 달라지지만, 밀도는 물질의 양이 달라진다고 해서 변화하지 않는 세기 성질이다. 열을 가하면 부피와 밀도는 변화하지만 질량이나 무게는 열에 의해서 변화되는 성질이 아니다.
질량, 무게, 부피는 물체의 양에 따라 크기가 어떻게 되는가?
질량, 밀도, 무게, 부피 등은 거시적 관점의 물질이론에 관한 과학적 개념틀에서 서로 분명하게 구별되는 개념들이다. 질량, 무게, 부피는 크기성질이며 물체의 양에 따라 그 크기가 달라지지만, 밀도는 물질의 양이 달라진다고 해서 변화하지 않는 세기 성질이다. 열을 가하면 부피와 밀도는 변화하지만 질량이나 무게는 열에 의해서 변화되는 성질이 아니다.
밀도에 관한 개념학습을 모두 마친 대도시지역 11학년 학생들이 대부분의 선행연구에서 나타난 것과 같은 종류의 오인유형을 가지고 있다는 것은 어떤 연구결과를 뒷밧침하고 있나?
이 연구의 대상자들은 대부분의 선행연구에서 나타난 것과 같은 종류의 오인유형을 가지고 있었으며, 이는 Pozo와 Gometz Crespo12가 말한 잠재이론(implicit theory)이 학생들의 인지구조 혹은 개념망의 기저를 이루는 이론으로 자리 잡고 매우 정교화 되어 있어서, 새로운 자극이 제공되어도 쉽게 변화하기는 힘들다는 연구결과를 뒷받침해 주었다. 따라서 과학개념의 학습에 있어서 목표개념에 대한 집중적인 질적․양적인 시간 투자, 구성주의적 교수학습 원리의 적용, 목표개념이 확립되기 전까지 일정한 상황적 맥락에서 학습하기와 그 후에 다른 맥락에 적용하기, 이를 위하여 너무 많은 수의 개념을 가르치려고 하지 않기와 같은 요인들이 과학학습 지도와 실행에 있어서 중요하게 고려될 필요가 있다.
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