보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 중학교 1학년 학생들의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교 분석 Comparative Analysis of Conceptual and Algorithmic Problem Solving Ability on Boyle's Law and Charles's Law in Middle School 1st Grade Students원문보기
이 연구는 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 중학교 1학년 학생들의 인지수준과 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 비교한 것이다. 연구를 위해 개념과 수리 문제 해결력 검사지를 개발하여, 중학생들의 인지수준과 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 비교하고, 기억 보유 효과를 알아보았으며, 어떠한 개념을 가지고 문제를 해결하였는지 분석하였다. 연구 결과, 모든 인지수준에서 개념 문제 해결력이 수리 문제 해결력보다 높았으며, 구체적 조작기와 과도기의 중학생들의 경우 그 차이가 통계적으로 유의미하였다. 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 대한 기억 보유 효과 비교에서 형식적 조작기 중학생들은 기억 보유 효과가 있었다. 중학생들의 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교에서 사교육을 받은 중학생들과 받지 않은 중학생들 사이의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 통계적으로 유의미한 차이는 없었다. 그러나 과학 활동 경험과 과학 관련 진로 희망 여부에서는 과학 활동 경험이 있고 과학 관련 진로를 희망하는 중학생들이 그렇지 않은 중학생들보다 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력이 모두 통계적으로 유의미하게 높았다. 중학생들의 문제 해결 과정을 분석해 본 결과, 거시적인 현상을 단순히 기억하여 과학적 개념에 대한 올바른 이해 없이 문제를 해결하려는 경향이 있었다. 그러므로 중학생들의 비과학적인 개념을 사전에 파악하여 이를 과학적인 개념으로 바꿀 수 있는 교수-학습 전략이 필요하다.
이 연구는 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 중학교 1학년 학생들의 인지수준과 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 비교한 것이다. 연구를 위해 개념과 수리 문제 해결력 검사지를 개발하여, 중학생들의 인지수준과 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 비교하고, 기억 보유 효과를 알아보았으며, 어떠한 개념을 가지고 문제를 해결하였는지 분석하였다. 연구 결과, 모든 인지수준에서 개념 문제 해결력이 수리 문제 해결력보다 높았으며, 구체적 조작기와 과도기의 중학생들의 경우 그 차이가 통계적으로 유의미하였다. 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 대한 기억 보유 효과 비교에서 형식적 조작기 중학생들은 기억 보유 효과가 있었다. 중학생들의 배경 요인에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교에서 사교육을 받은 중학생들과 받지 않은 중학생들 사이의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 통계적으로 유의미한 차이는 없었다. 그러나 과학 활동 경험과 과학 관련 진로 희망 여부에서는 과학 활동 경험이 있고 과학 관련 진로를 희망하는 중학생들이 그렇지 않은 중학생들보다 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력이 모두 통계적으로 유의미하게 높았다. 중학생들의 문제 해결 과정을 분석해 본 결과, 거시적인 현상을 단순히 기억하여 과학적 개념에 대한 올바른 이해 없이 문제를 해결하려는 경향이 있었다. 그러므로 중학생들의 비과학적인 개념을 사전에 파악하여 이를 과학적인 개념으로 바꿀 수 있는 교수-학습 전략이 필요하다.
The purpose of this study was to compare the conceptual and algorithmic problem solving ability on Boyle's law and Charles's law according to cognitive levels and characteristics of students in middle school 1st grade students. For this study, questionnaire items of conceptual and algorithmic proble...
The purpose of this study was to compare the conceptual and algorithmic problem solving ability on Boyle's law and Charles's law according to cognitive levels and characteristics of students in middle school 1st grade students. For this study, questionnaire items of conceptual and algorithmic problem solving ability were developed. and the problem solving ability according to cognitive levels and characteristics of students was compared. The long-term memory effect in conceptual and algorithmic problem solving ability according to cognitive levels was investigated, and problem solving process were analyzed by questionnaire items. In the results of this study, conceptual problem solving ability was higher than algorithmic problem solving ability in all cognitive levels. There was statistically significant difference in concrete operational period and transitional period students. In comparison of the long-term memory effect in conceptual and algorithmic problem solving ability, formal operational period students had the long-term memory effect. There was no statistically significant difference in the conceptual and algorithmic problem solving ability according to private education among the characteristics of students. But there was statistically significant difference in the problem solving ability according to experiences of the scientific activities and hopes to related scientific careers. From results of analysis of problem solving process, it is known that the students had a tendency to just remember macroscopic phenomena and to solve the problems without understanding the concepts. Therefore, teaching and learning strategy is necessary to replace unscientific concepts by the scientific concepts through identifying students's unscientific concepts in advance.
The purpose of this study was to compare the conceptual and algorithmic problem solving ability on Boyle's law and Charles's law according to cognitive levels and characteristics of students in middle school 1st grade students. For this study, questionnaire items of conceptual and algorithmic problem solving ability were developed. and the problem solving ability according to cognitive levels and characteristics of students was compared. The long-term memory effect in conceptual and algorithmic problem solving ability according to cognitive levels was investigated, and problem solving process were analyzed by questionnaire items. In the results of this study, conceptual problem solving ability was higher than algorithmic problem solving ability in all cognitive levels. There was statistically significant difference in concrete operational period and transitional period students. In comparison of the long-term memory effect in conceptual and algorithmic problem solving ability, formal operational period students had the long-term memory effect. There was no statistically significant difference in the conceptual and algorithmic problem solving ability according to private education among the characteristics of students. But there was statistically significant difference in the problem solving ability according to experiences of the scientific activities and hopes to related scientific careers. From results of analysis of problem solving process, it is known that the students had a tendency to just remember macroscopic phenomena and to solve the problems without understanding the concepts. Therefore, teaching and learning strategy is necessary to replace unscientific concepts by the scientific concepts through identifying students's unscientific concepts in advance.
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문제 정의
따라서 이 연구는 화학 관련 법칙 중 2007 개정 교육과정에 의해 중학교 1학년 과학에 제시되어 있는 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 중학생들의 개념 문제와 수리 문제에 대한 해결력을 인지수준에 따라 비교 분석하고, 기억 보유 효과를 알아보고자 하는 것이다. 또한, 중학생들의 배경 특성에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 알아보고, 중학생들이 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 어떠한 개념을 가지고 해결하는지를 알아봄으로써, 교수-학습 방법에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
따라서 이 연구는 화학 관련 법칙 중 2007 개정 교육과정에 의해 중학교 1학년 과학에 제시되어 있는 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 중학생들의 개념 문제와 수리 문제에 대한 해결력을 인지수준에 따라 비교 분석하고, 기억 보유 효과를 알아보고자 하는 것이다. 또한, 중학생들의 배경 특성에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 알아보고, 중학생들이 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 어떠한 개념을 가지고 해결하는지를 알아봄으로써, 교수-학습 방법에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 검사지는 중학교 1학년 과학에서 보일의 법칙과 샤를의 법칙이 제시된 분자의 운동 단원을 학습하고 충분한 복습이 이루어진 중간고사 실시 후인 5월 중순의 수업시간에 1차로 투입하였으며, 검사 시간은 45분이었다. 그리고 중학생들의 기억 보유 효과를 알아보기 위하여 7월 초순의 수업시간에 같은 검사지를 2차로 재투입하였으며, 검사 시간은 45분이었다.
이 연구에서 개발하여 사용한 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 개념 문제와 수리 문제에 대한 해결력 검사지는 법칙별로 개념 문제와 수리 문제 각각 3문제씩 총 12문제의 5지 선다형으로 화학 교육 전문가 5인으로부터 타당도 검증을 받았으며, 신뢰도(Cronbach’s alpha)는 0.764이었다. 검사지의 문제 구성과 내용은 Table 2와 같으며, 각 문제마다 답을 택한 이유를 적게 하여 학생들의 문제 해결 과정을 분석하였다.
대상 데이터
연구 대상은 K도 소재 Y중학교의 남·여 혼성으로 구성된 1학년 6개 학급의 학생 189명이었는데, 연구 대상 중학생들에 대한 배경 특성은 Table 1과 같다.
데이터처리
문제 해결력 검사지는 각 문제당 1점씩 총 12점을 만점으로 채점을 하여 정답 평균으로 문제 해결력을 비교하였다. 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력을 통계적으로 비교하기 위해서 문제별 정답 평균에 t-검증을 실시하였으며, 통계적인 유의미 수준은 p < 0.05로 하였다.
이론/모형
연구 대상 중학생들의 인지수준은 논리적 사고력 검사지인 GALT-축소본12을 사용하여 측정하였으며, 검사의 소요 시간은 45분이었다. 인지 수준 검사 결과, 12문항 중 정답의 개수가 4개 이하의 경우 구체적 조작기, 5~7개의 경우 과도기, 8개 이상의 경우 형식적 조작기로 분류하였다.
성능/효과
이는 2007 개정 교육과정에서 수학적 공식 보다는 개념과 탐구 중심의 학습을 강조하기 때문에 중학생들이 수리 문제를 접할 기회가 적었기 때문이다. 과도기나 형식적 조작기의 중학생들은 보일의 법칙에서 수리 문제 해결력이 개념 문제 해결력보다 높았는데, 이는 이들 중학생들이 표로 제시된 보일의 법칙의 수리 문제에 쉽게 적응했기 때문으로 보인다. 그러나 이들도 역시 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결에서 어려움을 겪으므로, 이에 대한 교수-학습이 더 전략적으로 이루어져야 할 것이다.
둘째, 중학생들의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 대한 기억 보유 효과 분석에서 구체적 조작기의 중학생들은 실질적인 기억 보유 효과가 없었는데, 이는 이 학생들이 논리적 사고력이나 비례논리가 부족하여 복잡한 수리 문제 해결을 미리 포기하고 우연에 의해 답을 선택했기 때문이다. 그러나 과도기의 중학생들은 샤를의 법칙에 대한 개념 문제 해결력과 보일의 법칙에 대한 수리 문제 해결력에 기억 보유 효과가 있었다. 이것은 샤를의 법칙에 대한 개념 문제는 보일의 법칙에 대한 개념 문제보다 논리적 사고력이 더 필요하기 때문이며, 보일의 법칙에 대한 수리 문제는 표로 제시되어 있어 이 학생들이 쉽게 해결 할 수 있었기 때문이다.
이것은 샤를의 법칙에 대한 개념 문제는 보일의 법칙에 대한 개념 문제보다 논리적 사고력이 더 필요하기 때문이며, 보일의 법칙에 대한 수리 문제는 표로 제시되어 있어 이 학생들이 쉽게 해결 할 수 있었기 때문이다. 그리고 이 학생들은 수리 공식을 단순히 외워 수리 문제를 해결하기 때문에 수리 공식의 쉬운 망각으로 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결력에서는 기억 보유 효과가 없었다. 한편, 형식적 조작기의 중학생들은 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 모든 부분의 문제 해결력에서 기억 보유 효과가 있었는데, 이는 이 학생들이 문제 해결에 대한 논리적 사고력을 가지고 있기 때문이다.
넷째, 중학생들이 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 개념 문제와 수리 문제를 해결할 때 사용한 개념들을 분석해본 결과, 대부분의 중학생들이 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 과학적인 개념을 이해해서 문제를 해결하기 보다 문제의 제시 양식이나 법칙과 관련된 현상, 단순한 암기나 문제 풀이 요령 등으로 문제를 해결하는 모습을 보였다. 그리고 많은 중학생들이 문제 해결 과정에서 비과학적인 개념들을 사용하고 있으므로, 과학 교사는 중학생들이 가지고 있는 비과학적인 개념을 파악하여 올바른 과학적인 개념으로 정립할 수 있도록 돕는 역할을 중요하게 생각해야 한다.
둘째, 중학생들의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에 대한 기억 보유 효과 분석에서 구체적 조작기의 중학생들은 실질적인 기억 보유 효과가 없었는데, 이는 이 학생들이 논리적 사고력이나 비례논리가 부족하여 복잡한 수리 문제 해결을 미리 포기하고 우연에 의해 답을 선택했기 때문이다. 그러나 과도기의 중학생들은 샤를의 법칙에 대한 개념 문제 해결력과 보일의 법칙에 대한 수리 문제 해결력에 기억 보유 효과가 있었다.
28로 개념 문제 해결력이 통계적으로 유의미하게 높다. 샤를의 법칙에서 개념 문제 해결력이 1.12, 수리 문제 해결력이 0.57로 개념 문제 해결력이 통계적으로 유의미하게 높으며, 두 법칙 모두의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에서도 개념 문제 해결력이 수리 문제 해결력보다 통계적으로 유의미하게 높다.
셋째, 중학생들의 배경 특성에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교에서 사교육이 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 향상에 통계적으로 유의미한 효과가 없었지만, 과학 활동에 경험이 있는 중학생과 과학 관련 진로를 희망하는 중학생들은 그렇지 않은 중학생들 에 비해서 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력이 통계적으로 유의미하게 높았다. 따라서 단순 암기와 문제 풀이의 훈련으로 이루어지는 사교육보다는 중학생들에게 문제 상황을 주고 스스로 생각하여 해결 할 수 있게 함으로써 과학적 및 논리적 사고력을 키울 수 있는 환경 조성이 중학생들의 문제 해결력에 더 큰 도움이 되므로, 이를 교육 현장에서 활용할 필요가 있다.
첫째, 중학교 1학년 학생들의 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교에서 개념 문제 해결력이 수리 문제 해결력보다 높았다. 이는 2007 개정 교육과정에서 수학적 공식 보다는 개념과 탐구 중심의 학습을 강조하기 때문에 중학생들이 수리 문제를 접할 기회가 적었기 때문이다.
그리고 이 학생들은 수리 공식을 단순히 외워 수리 문제를 해결하기 때문에 수리 공식의 쉬운 망각으로 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결력에서는 기억 보유 효과가 없었다. 한편, 형식적 조작기의 중학생들은 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 모든 부분의 문제 해결력에서 기억 보유 효과가 있었는데, 이는 이 학생들이 문제 해결에 대한 논리적 사고력을 가지고 있기 때문이다.
후속연구
과도기나 형식적 조작기의 중학생들은 보일의 법칙에서 수리 문제 해결력이 개념 문제 해결력보다 높았는데, 이는 이들 중학생들이 표로 제시된 보일의 법칙의 수리 문제에 쉽게 적응했기 때문으로 보인다. 그러나 이들도 역시 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결에서 어려움을 겪으므로, 이에 대한 교수-학습이 더 전략적으로 이루어져야 할 것이다. 그러므로 이를 위한 교수-학습 전략에 대한 후속 연구가 필요하다.
그러나 이들도 역시 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결에서 어려움을 겪으므로, 이에 대한 교수-학습이 더 전략적으로 이루어져야 할 것이다. 그러므로 이를 위한 교수-학습 전략에 대한 후속 연구가 필요하다.
즉, 보일의 법칙의 수리 문제를 해결할 때 사용한 수리 공식을 다른 것들보다 더 오래 기억하고 있는 것이다. 그리고 두 법칙 모두에 대한 개념 문제 해결력과 샤를의 법칙에 대한 수리 문제 해결력에는 기억 보유 효과가 없으므로, 이를 인지수준에 따라 보일의 법칙과 샤를의 법칙의 개념 문제와 수리 문제별로 세분하여 알아볼 필요가 있다.
따라서 과학 교육 현장에서 인지수준이 낮은 중학생들에게 새로운 과학적 법칙이나 개념을 학습 시킬 때는 표나 그림과 같은 방식을 사용하여 기존의 학습 내용과 연결 짓는 교수-학습 방법으로 수업 내용을 구성하여 중학생들의 기억 보유 효과를 향상시켜야 할 것이다.
셋째, 중학생들의 배경 특성에 따른 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 비교에서 사교육이 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력 향상에 통계적으로 유의미한 효과가 없었지만, 과학 활동에 경험이 있는 중학생과 과학 관련 진로를 희망하는 중학생들은 그렇지 않은 중학생들 에 비해서 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력이 통계적으로 유의미하게 높았다. 따라서 단순 암기와 문제 풀이의 훈련으로 이루어지는 사교육보다는 중학생들에게 문제 상황을 주고 스스로 생각하여 해결 할 수 있게 함으로써 과학적 및 논리적 사고력을 키울 수 있는 환경 조성이 중학생들의 문제 해결력에 더 큰 도움이 되므로, 이를 교육 현장에서 활용할 필요가 있다.
이상의 결론으로부터 알 수 있듯이 중학교 1학년 학생들의 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대한 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력은 인지적인 교육만 강조하는 교수-학습 방법보다는 과학 활동 경험이나 과학 관련 진로 교육과 같은 정의적인 교수-학습 방법에 더 긍정적인 영향을 받으므로, 이들 법칙과 관련된 다양한 경험과 발표, 토의, 실험 활동 등과 같은 능동적인 수업 환경 조성과 더불어 중학생들이 미시적 수준으로 제시되는 과학적 개념을 올바르게 정립할 수 있도록 그림 그리기와 그림 분석하기 및 애니메이션이나 모형 등 시각자료를 이용하는 다양한 교수-학습 전략이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과학적 사고의 발달을 위해서 필요한 것은?
과학적 사고의 발달을 위해서는 과학적 개념을 정확히 알고 이를 토대로 하여 수리적 문제를 해결해야 할 것이다. 그러므로 학습자의 과학적 개념의 이해 정도를 파악하고 이와 수리적 문제의 해결력과의 관계를 알아보는 것은 중요하다고 할 수 있다.
과학교육의 목표는 무엇인가?
과학교육의 목표는 학생들의 과학 학습에 대한 흥미와 호기심 배양, 과학적 태도 함양, 과학기술사회의 상호작용에 대한 이해, 과학의 기초적인 개념 습득을 지향하고 있다. 2009 개정 과학과 교육과정은 미래 과학기술 사회가 요구하는 높은 수준의 창의성과 인성을 고루 갖춘 합리적 인재를 양성하는 것을 목표로 하고 있으며, 과학기술 시대가 요구하는 높은 수준의 창의성과 인성을 길러 주기 위해서는 과학교육의 방향도 달라져야만 한다.
과학 학업 성취도에 영향을 주는 과학 관련 체험 활동에 대한 설명은?
한편, 과학 학업 성취도는 학생 관련 배경 요인에 의해 영향을 받으며,11 외적 요인보다는 내적 요인에 의해 긍정적인 영향을 받는다고 하였다. 특히 과학의 경우 과학 관련 체험 활동이 풍부하여 학생들의 과학적 태도에 영향을 줄 수 있는 요인이 될 수 있으므로, 학생 관련 배경 요인이 개념 문제 해결력과 수리 문제 해결력에도 영향을 미칠 수 있다고 생각된다.
참고문헌 (31)
Noh, T. H.; Kang, H. S.; Jeon, K. M. J. Kor. Assoc. Sci. Edu. 2004, 24, 320.
Jang, N. H.; Kim, G. S.; Ryu, H. I. J. Kor. Chem. Soc. 2005, 49, 407.
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