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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 선행 연구 결과에서 일치된 결과를 보이지 않는 MBL 활용 수업이 학습자의 그래프 능력 향상에 미치는 효과에 대해서 보다 심도 있는 연구를 하고자 하였다. MBL의 장점 중의 하나인 실험 결과를 실시간으로 그래프를 통해 확인할 수 있다는 것이 오히려 학습자들의 탐구 능력 중 그래프 작성 능력 향상에 도움이 되지 않는다고 생각하고, 자료변환, 그래프 그리기 등 그래프 능력을 향상 시킬 수 있는 MBL 탐구활동 자료를 개발하고자 한다. 개발한 MBL 탐구활동 자료를 수업에 적용하고 이것이 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구 능력에 미치는 효과를 살펴보는 것이 이 연구의 목적이었다.
- MBL의 장점 중의 하나인 실험 결과를 실시간으로 그래프를 통해 확인할 수 있다는 것이 오히려 학습자들의 탐구 능력 중 그래프 작성 능력 향상에 도움이 되지 않는다고 생각하고, 자료변환, 그래프 그리기 등 그래프 능력을 향상 시킬 수 있는 MBL 탐구활동 자료를 개발하고자 한다. 개발한 MBL 탐구활동 자료를 수업에 적용하고 이것이 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구 능력에 미치는 효과를 살펴보는 것이 이 연구의 목적이었다. 이를 위하여 이 연구에서는 다음과 같은 두 가지 연구 문제를 설정하였다.
- 따라서 이 연구에서는 선행 연구 결과에서 일치된 결과를 보이지 않는 MBL 활용 수업이 학습자의 그래프 능력 향상에 미치는 효과에 대해서 보다 심도 있는 연구를 하고자 하였다. MBL의 장점 중의 하나인 실험 결과를 실시간으로 그래프를 통해 확인할 수 있다는 것이 오히려 학습자들의 탐구 능력 중 그래프 작성 능력 향상에 도움이 되지 않는다고 생각하고, 자료변환, 그래프 그리기 등 그래프 능력을 향상 시킬 수 있는 MBL 탐구활동 자료를 개발하고자 한다.
- 이 연구에서는 중학생들의 그래프 능력을 향상시킬 수 있도록 MBL이 자동으로 측정하여 수집한 자료를 이용하여 학생들이 직접 그래프로 변환하는 과정을 수행하도록 하는 MBL 탐구활동 자료를 개발하였고, 이를 적용한 수업이 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구 능력에 미치는 효과에 대하여 알아보았다. 연구의 결과에 따른 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- 둘째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업이 중학생들의 과학탐구 능력 향상에 효과가 있는가?
제안 방법
- 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업의 적용은 4인 1모둠으로 구성된 총 33명의 학생들을 대상으로 선정된 주제에 대하여 2009년 5월 2주부터 6월 2주까지 주당 1차시의 수업을 총 5회 실시하였다. MBL 수업 적용을 하기에 앞서 2시간에 걸쳐 MBL에 대한 사전 교육을 별도로 실시하였다. 사전 교육을 통해 MBL에 대한 전반적인 사항 즉 MBL의 개념, 인터페이스와 센서의 사용법, 엑셀 프로그램 다루기에 대해 안내하였다.
- MBL 탐구활동 자료는 선정된 탐구활동 주제에 대하여 교육과정이 요구하는 학습목표를 달성할 수 있도록 연구자와 지구과학교육 전공자 및 현장 지구과학 교사들의 협의를 거쳐 다양한 방법으로 예비 실험 활동을 거친 후 여러 번의 수정 과정을 거쳐 제작하였다. 탐구활동 자료의 내용 체계는 학습 목표, 준비물, 유의점, 실험하기, 결과 정리 및 토의하기 순으로 구성하였다.
- MBL이 중학생의 그래프 능력에 미치는 효과를 알아보기 위하여 단일집단 사전・사후검사를 실시하여 유의미한 차이를 조사하였다. 사전・사후검사의 결과는 Table 4와 같다.
- 개발한 MBL 탐구활동 자료를 적용한 수업이 중학생의 과학탐구 능력에 미치는 효과를 알아보기 위하여 단일집단 사전・사후검사를 실시하여 유의미한 차이를 조사하였다. 사전·사후검사의 결과는 Table 5와 같다.
- 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업의 적용은 4인 1모둠으로 구성된 총 33명의 학생들을 대상으로 선정된 주제에 대하여 2009년 5월 2주부터 6월 2주까지 주당 1차시의 수업을 총 5회 실시하였다. MBL 수업 적용을 하기에 앞서 2시간에 걸쳐 MBL에 대한 사전 교육을 별도로 실시하였다.
- 먼저 MBL에 관련된 문헌을 조사한 후, 제7차 중학교 과학과 교육과정 중에서 지구과학 영역의 단원을 분석하여 그 중에서 MBL을 적용할 수 있는 학습 주제를 선정하고 그 주제에 알맞은 탐구활동 자료를 개발하였다. 그래프 능력, 과학탐구 능력에 대한 사전 검사를 실시한 후 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업을 하고 2주후 사후 검사를 실시하여 그 결과를 비교 분석하였다.
- MBL을 이용하여 물리량을 측정하면 데이터 수집과 처리를 자동으로 해주는 프로그램에 의하여 컴퓨터 화면에 측정하고자 하는 데이터가 표와 그래프로 나타나게 된다. 그러나 학생들은 표로 제시된 데이터를 적절한 형태의 그래프로 직접 변환하기 위해 그래프의 제목 이름, 가로축과 세로축의 이름을 입력한 뒤 그래프를 다시 작성하고, 이 실험 결과에 대하여 분석 및 토의를 하였다.
- 이는 정확한 변인 통제로 이루어진 실험 결과가 즉각적으로 확인되어 과학 현상에 대한 올바른 이해와 함께 그래프를 작성하고, 분석하는 과정에서 학생들의 사고활동이 촉진되어 긍정적인 결과가 도출된 것으로 보인다. 그리고 본 연구에서 개발한 탐구 활동 자료의 경우, 엑셀 프로그램에서 데이터를 그래프로 변환하는 과정을 상세히 단계별로 서술하여 학생들로 하여금 빠르고 정확하게 측정된 데이터를 직접 그래프로 변환할 수 있도록 하였다. 일반적으로 MBL에서는 그래프가 자동으로 그려지므로 데이터를 보고 직접 그래프로 그려보는 활동을 하지 못하지만, 본 연구에서는 데이터를 그래프로 직접 변환하는 과정을 수행하여 완성된 그래프의 제목 이름, 가로축과 세로축의 이름을 직접 표시하기 때문에 그래프의 의미를 올바르게 파악할 수 있었기 때문에 그래프 작성 능력을 향상시킨 것으로 생각한다.
- )에 의해 결정된다는 것을 보여주며, 피험자의 사후검사 점수가 사전검사 점수에 비해 높을 때 그 원인을 처치에 둔다. 단일집단 사전사후검사 설계는 사전검사를 통한 종속변인의 측정, 피험자의 실험처치에 노출, 사후검사를 통한 종속변인 측정의 세 단계를 거쳐 수행되며, t 검정을 통해 그래프 능력, 과학탐구 능력에 미치는 효과를 확인하고자 한다.
- 이 연구는 2009년 2월부터 11월까지 이루어졌다. 먼저 MBL에 관련된 문헌을 조사한 후, 제7차 중학교 과학과 교육과정 중에서 지구과학 영역의 단원을 분석하여 그 중에서 MBL을 적용할 수 있는 학습 주제를 선정하고 그 주제에 알맞은 탐구활동 자료를 개발하였다. 그래프 능력, 과학탐구 능력에 대한 사전 검사를 실시한 후 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업을 하고 2주후 사후 검사를 실시하여 그 결과를 비교 분석하였다.
- 51이다. 사후 검사지는 사전 검사지와 동형 검사 문항으로 구성하였다.
- 연구에서 사용한 결과 분석 방법은 단일집단 사전・사후검사 설계(one-group pre test-post test design)로 일회적 사례 연구의 설계보다는 더 과학적이고 더 좋은 방법으로 교육학적 연구의 현장에서 더 광범위하게 활용되고 있다. 이 실험의 독립변인은 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업이고, 종속변인은 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구 능력이다. 이 연구의 실험 설계를 도식화하면 Fig.
- 3과 같이 단계별로 상세하게 안내하여 서술하였다. 일반적으로 MBL에서는 그래프가 자동으로 그려지므로 데이터를 보고 직접 그래프로 그려보는 활동을 하지 못한다는 점을 감안하여, 본 연구에서는 학습자가 수동으로 데이터를 그래프로 변환하도록 하였으며, 그래프의 의미를 잘 파악할 수 있도록 차트 이름, 가로 축과 세로축의 이름을 적을 수 있도록 한 것이다. 개발한 탐구활동 자료 중 한 주제를 부록에 제시하였다.
- 중학생의 그래프 능력, 과학탐구 능력에 미치는 MBL의 효과를 알아보기 위해 제7차 중학교 과학과 교육과정 중 지구과학 관련 단원을 학년 구분 없이 분석하여 그 중에서 MBL을 적용할 수 있는 탐구활동 주제를 선정하였다. 본 연구에서 선정한 탐구활동 주제는 모두 5개로 그 내용은 Table 3과 같다.
- 지구과학 관련 내용에 MBL을 적용한 수업이 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구능력에 미치는 효과를 알아보기 위하여 다음과 같은 검사 도구를 사용 하였다.
- MBL 탐구활동 자료는 선정된 탐구활동 주제에 대하여 교육과정이 요구하는 학습목표를 달성할 수 있도록 연구자와 지구과학교육 전공자 및 현장 지구과학 교사들의 협의를 거쳐 다양한 방법으로 예비 실험 활동을 거친 후 여러 번의 수정 과정을 거쳐 제작하였다. 탐구활동 자료의 내용 체계는 학습 목표, 준비물, 유의점, 실험하기, 결과 정리 및 토의하기 순으로 구성하였다. 학생들이 보다 쉽게 MBL을 수행할 수 있도록 [실험하기] 단계를 보다 상세히 서술하였다.
- 학생들이 보다 쉽게 MBL을 수행할 수 있도록 [실험하기] 단계를 보다 상세히 서술하였다. 특히 학생들의 그래프 능력 중 그래프 그리기 능력의 향상을 위하여 마이크로소프트사의 엑셀 프로그램에서 데이터를 그래프로 변환하는 과정을 Fig. 3과 같이 단계별로 상세하게 안내하여 서술하였다. 일반적으로 MBL에서는 그래프가 자동으로 그려지므로 데이터를 보고 직접 그래프로 그려보는 활동을 하지 못한다는 점을 감안하여, 본 연구에서는 학습자가 수동으로 데이터를 그래프로 변환하도록 하였으며, 그래프의 의미를 잘 파악할 수 있도록 차트 이름, 가로 축과 세로축의 이름을 적을 수 있도록 한 것이다.
대상 데이터
- MBL을 활용한 수업이 중학생의 그래프 능력, 과학탐구능력에 미치는 효과를 알아보기 위하여 광주광역시에 소재한 C중학교 과학반 33명을 연구 대상으로 선정하였으며, 이들은 2학년 15명, 3학년 18명으로 구성되어 있다.
- 이 연구는 2009년 2월부터 11월까지 이루어졌다. 먼저 MBL에 관련된 문헌을 조사한 후, 제7차 중학교 과학과 교육과정 중에서 지구과학 영역의 단원을 분석하여 그 중에서 MBL을 적용할 수 있는 학습 주제를 선정하고 그 주제에 알맞은 탐구활동 자료를 개발하였다.
- 중학교 제7차 과학과 교육과정 중에서 학년 구별 없이 지구과학 영역의 단원을 분석하여, 그 중에서 MBL을 적용할 수 있는 학습 주제를 선택하였기 때문에 특정 학년에 적용하기 어려워 과학반 학생들을 대상으로 연구를 실시하였다.
데이터처리
- 그래프 능력 검사는 총 26문항의 4지 선다형으로 구성되었으며, 정답은 1점, 오답은 0점으로 채점하여 t 검정을 통해 평균과 표준편차 및 유의 수준을 알아보았다. 과학탐구능력 검사는 총 36문항의 4지 선다형으로 구성되었으며, 정답은 1점, 오답은 0점으로 채점하여 t 검정을 통해 평균과 표준편차 및 유의 수준을 알아보았다.
- 연구의 결과는 통계 패키지 SPSS 12 프로그램을 사용하여 분석하였다. 그래프 능력 검사는 총 26문항의 4지 선다형으로 구성되었으며, 정답은 1점, 오답은 0점으로 채점하여 t 검정을 통해 평균과 표준편차 및 유의 수준을 알아보았다. 과학탐구능력 검사는 총 36문항의 4지 선다형으로 구성되었으며, 정답은 1점, 오답은 0점으로 채점하여 t 검정을 통해 평균과 표준편차 및 유의 수준을 알아보았다.
- 연구의 결과는 통계 패키지 SPSS 12 프로그램을 사용하여 분석하였다. 그래프 능력 검사는 총 26문항의 4지 선다형으로 구성되었으며, 정답은 1점, 오답은 0점으로 채점하여 t 검정을 통해 평균과 표준편차 및 유의 수준을 알아보았다.
이론/모형
- 과학탐구 능력 검사 도구는 Bruns et al.(1985)이 7-12학년의 과학탐구 능력을 측정하기 위해 개발한 선다형 평가지인 TIPSⅡ(Test of Integrated Process Skills)로 검사 소요시간은 45분이다. TIPSⅡ는 가설 설정, 변인 확인, 조작적 정의, 실험 설계, 그래프화/자료 해석 등의 탐구요소로 구성된 총 36문항으로 이루어져 있다.
- TOGS는 그래프 작성 및 해석 능력을 측정하기 위해 9개의 요소에 따라 과학적 개념을 배제한 일상적인 용어로 서술된 총 26문항으로 구성되어 있다. 그래프에 어려운 과학 개념이 포함되어 있을 경우 과학적인 개념이 학생들의 그래프 작성과 해석에 적지 않은 영향을 미칠 것으로 생각되어 일상적인 용어로 서술한 TOGS를 사용하였다. 그래프 능력의 측정 도구인 TOGS의 내용은 Table 1과 같다.
- 연구에 사용한 그래프 능력 검사 도구는 7-12학년 학생의 그래프 능력을 측정하기 위해 Mckenzie and Padillar(1986)가 개발한 선다형 평가지인 TOGS(The Test of Graphing Skills in Science)로 검사에 소요되는 시간은 45분이다. TOGS는 그래프 작성 및 해석 능력을 측정하기 위해 9개의 요소에 따라 과학적 개념을 배제한 일상적인 용어로 서술된 총 26문항으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 과학탐구 능력에 대한 사전·사후검사 결과, 사전 점수 평균 19.30에서 사후 점수 평균 22.55로 상승하였으며, 이는 유의수준 .01에서 유의미한 차이를 나타내므로 MBL 수업이 학생들의 과학탐구 능력 향상에 효과적임을 알 수 있다.
- 과학탐구 능력을 영역별로 살펴보면 가설 설정, 조작적 정의, 그래프화/자료해석 영역에서 유의미한 차이가 나타나는 것으로 보아 MBL 수업이 가설 설정, 조작적 정의, 그래프화/자료해석 영역의 과학탐구 능력 향상에 효과적임을 알 수 있다. 반면에 변인 확인, 실험 설계 영역에서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다.
- 그래프 능력에 대한 사전・사후검사 결과, 사전 점수 평균 14.09에서 사후 점수 평균 17.67로 상승하였으며, 이는 유의수준 .01에서 유의미한 차이를 나타내므로 MBL 수업이 학생들의 그래프 능력 향상에 효과적임을 알 수 있다.
- 그래프 능력을 하위 요소별로 살펴보면 축에 변수 지정하기, 자료 변환하기, 변수의 대응값 찾기, 내삽과 외삽, 종속 변수간 관련짓기 영역에서 유의미한 차이가 나타났고, 축에 눈금 매기기, 점찍기/좌표값 찾기, 적절한 하나의 선 그리기, 변인간의 관계 진술 영역에서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다.
- 첫째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 적용한 수업은 중학생의 그래프 능력 향상에 유의미한 효과를 나타냈다. 그래프 능력의 영역인 그래프 작성 능력, 그래프 해석 능력 모두에서 유의미한 효과를 보였다. 이로써 개발한 MBL 자료를 활용한 수업은 그래프 능력 향상에 영향을 미쳤음을 알 수 있다.
- 이향미(2002), 박금홍(2007)의 연구에서는 그래프 작성 능력에서는 유의미한 차이를 보였으나 그래프 해석 능력에서는 유의미한 차이를 보이지 않았다고 보고하였다. 그러나 본 연구에서는 그래프 작성 능력의 p값은 .000, 그래프 해석 능력의 p값은 .001로 나타나 모두 유의미한 차이가 나타난 것으로 보아 MBL 수업이 그래프 작성 능력, 그래프 해석 능력 향상에 효과적임을 알 수 있다.
- 둘째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 적용한 수업은 중학생의 과학탐구 능력 향상에도 유의미한 효과를 나타냈다. 특히 가설 설정, 조작적 정의, 그래프화/자료해석 영역에서 유의미한 향상을 보였다.
- 또한 적절한 하나의 선 그리기 영역은 MBL의 효과가 매우 낮게 나타나는 것으로 보아 상대적으로 다른 요소에 비해 학생들이 매우 어려워하는 기능이 라는 것을 알 수 있다.
- 연구에서 사용한 결과 분석 방법은 단일집단 사전・사후검사 설계(one-group pre test-post test design)로 일회적 사례 연구의 설계보다는 더 과학적이고 더 좋은 방법으로 교육학적 연구의 현장에서 더 광범위하게 활용되고 있다. 이 실험의 독립변인은 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업이고, 종속변인은 중학생들의 그래프 능력, 과학탐구 능력이다.
- 그래프 능력의 영역인 그래프 작성 능력, 그래프 해석 능력 모두에서 유의미한 효과를 보였다. 이로써 개발한 MBL 자료를 활용한 수업은 그래프 능력 향상에 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 특히 그래프 능력의 하위 요소인 축에 변수 지정하기, 자료 변환하기, 변수의 대응값 찾기, 내삽과 외삽, 종속 변수간 관련짓기 영역에서 유의미한 향상이 나타났다.
- 첫째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 적용한 수업은 중학생의 그래프 능력 향상에 유의미한 효과를 나타냈다. 그래프 능력의 영역인 그래프 작성 능력, 그래프 해석 능력 모두에서 유의미한 효과를 보였다.
- 첫째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 활용한 수업이 중학생들의 그래프 능력 향상에 효과가 있는가?
- 둘째, 개발한 MBL 탐구활동 자료를 적용한 수업은 중학생의 과학탐구 능력 향상에도 유의미한 효과를 나타냈다. 특히 가설 설정, 조작적 정의, 그래프화/자료해석 영역에서 유의미한 향상을 보였다.
- 사전 교육을 통해 MBL에 대한 전반적인 사항 즉 MBL의 개념, 인터페이스와 센서의 사용법, 엑셀 프로그램 다루기에 대해 안내하였다. 특히 각 실험에 사용하는 센서에 대한 상세한 사용법과 주의사항에 대하여 설명해 주었고, 온도 센서를 이용하여 간단히 수온과 체온을 측정해 보는 시간을 가짐으로써 MBL을 수업에 쉽게 활용할 수 있도록 충분한 연습 기회를 제공하였다.
- 이로써 개발한 MBL 자료를 활용한 수업은 그래프 능력 향상에 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 특히 그래프 능력의 하위 요소인 축에 변수 지정하기, 자료 변환하기, 변수의 대응값 찾기, 내삽과 외삽, 종속 변수간 관련짓기 영역에서 유의미한 향상이 나타났다.
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