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문제 정의
- 이 연구에서는 지구 시스템에서 최근 중요하게 대두되고 있는 지구온난화에 대해 학생들이 어느 수준까지 시스템 사고를 하고 있는지 조사한다. 그리고 시스템 사고를 향상 시킬 수 있는 지구온난화 교육 프로그램을 개발하고 학교 현장에 투입하여 학생들의 가진 시스템 사고 수준 변화를 탐색하는 것을 목적으로 다음의 구체적인 연구 내용을 설정하였다.
- 그리고 분석지 투입 다음날부터 2일에 걸쳐 4차시의 교육프로그램을 투입하였다. 수업 현장에는 S고등학교 교사 1명이 참관하였으며 활동 과정을 모두 녹화하고 사진 촬영을 하여 수업 중 연구자가 놓칠 수 있는 학생들의 반응을 파악하고자 하였다.
- 이 연구에서는 먼저 지구온난화에 대한 시스템 사고 분석지를 이용하여 지구온난화에 대해 학생들이 어느 정도 시스템 사고를 하고 있는지 알아본다. 시스템 사고 분석지는 이효녕과 김승환(2009)이 개발한 ‘물순환’에 대한 시스템 사고 분석지를 수정하여 적용하였다.
- 이 연구에서는 지구 시스템에서 최근 중요하게 대두되고 있는 지구온난화에 대해 학생들이 어느 수준까지 시스템 사고를 하고 있는지 조사한다. 그리고 시스템 사고를 향상 시킬 수 있는 지구온난화 교육 프로그램을 개발하고 학교 현장에 투입하여 학생들의 가진 시스템 사고 수준 변화를 탐색하는 것을 목적으로 다음의 구체적인 연구 내용을 설정하였다.
- 이 연구에서는 학생들의 시스템 사고 향상을 위하여 지구온난화 주제를 중심으로 교육프로그램을 개발하고 학생들에게 투입한 뒤 6명 학생의 시스템 사고 향상 정도를 알아보고자 하였다.
- 면담은 비구조화된 형태로 학생들에게 작성된 질문지의 모든 영역에서 미흡한 부분이나 특정 영역에 대한 생각과 의견을 보다 세밀히 얻기 위해 사용하였다. 특히 사전 검사지 분석 후 이루어진 수업에서 문장이나 인과지도에 오개념을 보인 학생과 개념들이 학생의 사고과정에서 지식의 섬으로 존재하는 학생들에게 좀 더 관심을 가지고 질문을 하여 정확한 학생의 생각을 파악하고자 하였다. 수업 이후 미흡한 내용에 대해서는 연구에 선정된 학생들에 전자메일을 이용한 서면 검사 형태로 실시하였다.
- 게다가 지구 시스템 안에서 일어나는 지구온난화에 대해 학생들의 종합적인 사고 과정과 함께 단어 간 관계분석이나 인과지도에서 볼 수 없었던 사고 과정도 볼 수 있다. 학생들이 그려놓은 그림을 기초로 면담이나 서면 질문을 통하여 지구온난화에 대한 전반적인 과정들과 순환, 강화적 혹은 균형적 피드백을 살펴봄으로써 학생들의 종합적인 시스템 사고 수준을 파악하여 본다. 특히 그림 그리기의 능력 한계 영향을 줄이기 위해 최대한 많은 항목을 그림에 넣도록 하였다.
- 이 연구에서는 지구온난 화와 관련된 친숙한 단어들을 생각나는 대로 적어보며 적어놓은 단어들을 자연 현상이나 인간활동에 의해 연결하여 적도록 한다. 학생들이 적어놓은 결과를 토대로 지구 시스템의 하위영역에 관한 개념 수와 연결 과정을 파악하여 다음 인과지도 분석이나 그림 그리기 분석에 반영하며 면접을 통해서 적은 단어들 사이의 연결에 대해서 물어보고 이들 연결에서 피드백 순환이 존재하는 파악하고자 한다. 단어 연상에 대한 분석은 먼저 제시된 지구온난화와 관계된 구성요소를 지구 시스템적 관점에서 범주화하여 분석하였으며, 특히 생물권에 해당하는 개념 중 인간이 지구온난화에 미치는 작용과 영향을 알아보기 위해 인간 활동 범주를 첨가하여, 각 구성 범주에 해당하는 구성요소의 단어를 연상하는 횟수로 정량화시켰다.
제안 방법
- 국동식(2002, 2003)이 제시한 온실 효과 및 지구온난화 관련 교과서 분석결과를 바탕으로 학교현장에서 부족할 수 있는 대기효과의 정의, 대기효과에서 수증기의 역할, 지구온난화의 개념, 지구온난화와 지구 시스템과의 관계 등을 포함할 수 있는 자료들을 활용하여 수업을 구성하였으며 개발한 교육프로그램의 수정과 보완을 위하여 초, 중, 고등학교 현장에서 학생을 가르치는 지구과학전공 박사과정 4명과 석사과정 3명으로부터 내용타당도 검증을 받았다. 검증 항목은 개발한 자료의 목표와의 일치성, 논리적 전개, 어휘의 난이도, 문항의 적절성, 종합적인 의견 총 5가지 문항에 대해 1-5점의 리커르트식 척도를 이용하여 검증받았으며 각 문항에 대한 코멘트를 같이 받아 자료의 수정에 적극 반영하도록 하였다. 타당도 검증 결과는 ‘지구온난화의 이해’는 0.
- 수업 투입 전 사전 검사지의 분석결과와 오개념, 지식의 섬, 시스템 사고 수준을 따져 6명의 학생을 선정하였으며 수업 중 이 학생들에게 좀 더 주의를 기울이며 학생 활동지를 살펴보고 현장 면담을 하였으며 이후 결과 분석과정에서 서면 면담을 통해 자세한 학생들의 사고 과정을 파악해 수업 전후의 시스템 사고 향상 정도를 분석하였다. 결과 분석을 위해 Assarf(2005)의 논문에서 활용한 제시한 단어 간 관계분석, 인과 지도, 그림 그리기를 사용하였지만, 분석을 위한 개념 요소(관련 용어 등)는 우리나라 과학과 교육과정에서 다루는 내용과 관련 개념을 기초로 수정하여 활용하였다. 분석을 위한 기준표와 자료도 2차에 걸친 세미나를 통해 피드백을 받고 최종 완성하였다.
- 안내서의 내용은 과학교육 전문가 2명, 지구과학교육을 전공하는 석박사 과정의 교사 9명이 참여한 세미나에 의해 검토하였다. 광역시 소재 S고등학교의 과학반 학생들 27명을 대상으로 지구온난화에 대한 시스템 사고 분석지를 투입하여 수업 전 학생들의 시스템 사고 수준을 분석한 뒤, 지구온난화의 이해 및 지구온난화의 영향을 다룬 수업을 2일에 걸쳐 총 4차시 수업을 진행하였다. 수업 투입 전 사전 검사지의 분석결과와 오개념, 지식의 섬, 시스템 사고 수준을 따져 6명의 학생을 선정하였으며 수업 중 이 학생들에게 좀 더 주의를 기울이며 학생 활동지를 살펴보고 현장 면담을 하였으며 이후 결과 분석과정에서 서면 면담을 통해 자세한 학생들의 사고 과정을 파악해 수업 전후의 시스템 사고 향상 정도를 분석하였다.
- 학생들이 다른 자료나 매체에 영향을 받지 않고 자신의 생각을 그대로 표현할 수 있도록 학교 안에서 시스템 사고 분석지를 제공하고 그 자리에서 작성하도록 하였으며, 학생들이 처음 접한 인과지도 그리기의 경우 예시를 제시하고 간단한 설명을 해주었으며, 그리기 어려운 경우 글로써 표현하도록 지도하였다. 그리고 분석지 투입 다음날부터 2일에 걸쳐 4차시의 교육프로그램을 투입하였다. 수업 현장에는 S고등학교 교사 1명이 참관하였으며 활동 과정을 모두 녹화하고 사진 촬영을 하여 수업 중 연구자가 놓칠 수 있는 학생들의 반응을 파악하고자 하였다.
- 그림 분석은 온실효과와 인간의 영향, 온실효과의 배출과 유입 과정에서 나타나는 지구온난화에 대한 구성요소와 지구 시스템을 구성하는 하위 부분에 따라 그 구성요소들의 흐름 파악 정도를 분석하였다. 특히 지구온난화가 발생하는 과정에서 지구 시스템과 인간 활동을 포함하여 시스템 사고를 할 수 있는지에 대해 세밀하게 측정하여 분석하였다.
- 기존 분석지의 내용 요소와 문항은 그대로 사용하였으며 시스템에 대한 개념이 생소한 학생들을 위해 예시를 포함한 안내서를 제작하였다. 안내서의 내용은 과학교육 전문가 2명, 지구과학교육을 전공하는 석박사 과정의 교사 9명이 참여한 세미나에 의해 검토하였다.
- 학생들이 적어놓은 결과를 토대로 지구 시스템의 하위영역에 관한 개념 수와 연결 과정을 파악하여 다음 인과지도 분석이나 그림 그리기 분석에 반영하며 면접을 통해서 적은 단어들 사이의 연결에 대해서 물어보고 이들 연결에서 피드백 순환이 존재하는 파악하고자 한다. 단어 연상에 대한 분석은 먼저 제시된 지구온난화와 관계된 구성요소를 지구 시스템적 관점에서 범주화하여 분석하였으며, 특히 생물권에 해당하는 개념 중 인간이 지구온난화에 미치는 작용과 영향을 알아보기 위해 인간 활동 범주를 첨가하여, 각 구성 범주에 해당하는 구성요소의 단어를 연상하는 횟수로 정량화시켰다.
- 그리고 K대학교 과학 영재 교육원 지구과학반 학생 15명을 대상으로 예비투입을 한 뒤 촬영된 수업영상을 보며 과학교육 전문가와 함께 수업 분석을 통해 학습용 플래시 내용의 순서 변경과 내용보충, 대기 효과 실험의 순서 변경, 학생용 학습지 내용의 수정 등을 거쳐 교육프로그램의 개발을 마쳤다. 또한 개발된 교육프로그램이 학교 현장에서 활용하기 쉽도록 수업용 플래쉬와 학습지를 제작하였다.
- 또한 학생들이 제시한 지구온난화와 관련된 구성요소간의 관계 연결은 에너지를 수반한 화학적 상태 변화 개념과 단순한 형태 과정으로 나누어 분석하였다.
- 인과 지도 결과에 대한 분석을 정량적으로 실시하기 위해 인과지도 그리기에 사용한 개념의 수, 개념들의 연결 고리수, 개념 지도 내에서 동적인 가치와 순환적 가치를 수치화하였다. 사용 개념 및 개념들이 연결고리는 직접 그 수를 헤아려 수치화하였으며, 앞의 도구들과 마찬가지로 시스템 각 영역별로 사용 개수를 파악하였다. 또한 시스템 내에서 나타난 동적 과정의 이해 정도를 파악하기 위하여 인과 지도의 역동적 정도를 수치화하였는데, 그 과정은 다음과 같다.
- 광역시 소재 S고등학교의 과학반 학생들 27명을 대상으로 지구온난화에 대한 시스템 사고 분석지를 투입하여 수업 전 학생들의 시스템 사고 수준을 분석한 뒤, 지구온난화의 이해 및 지구온난화의 영향을 다룬 수업을 2일에 걸쳐 총 4차시 수업을 진행하였다. 수업 투입 전 사전 검사지의 분석결과와 오개념, 지식의 섬, 시스템 사고 수준을 따져 6명의 학생을 선정하였으며 수업 중 이 학생들에게 좀 더 주의를 기울이며 학생 활동지를 살펴보고 현장 면담을 하였으며 이후 결과 분석과정에서 서면 면담을 통해 자세한 학생들의 사고 과정을 파악해 수업 전후의 시스템 사고 향상 정도를 분석하였다. 결과 분석을 위해 Assarf(2005)의 논문에서 활용한 제시한 단어 간 관계분석, 인과 지도, 그림 그리기를 사용하였지만, 분석을 위한 개념 요소(관련 용어 등)는 우리나라 과학과 교육과정에서 다루는 내용과 관련 개념을 기초로 수정하여 활용하였다.
- 0의 값은 학생들의 사고 과정에 시스템적 순환과정이 존재하지 않음을 나타내며 1의 값은 다양한 하위계를 고려한 시스템 사고 수준이 높음을 나타낸다. 순환에 대한 내용은 ① 자연적인 현상에 의한 온실효과 연결 ② 지구온난화에서 나타나는 탄소 순환 ③ 지구온난화가 나타날 때 대기와 바다의 상호작용 연결 ④ 지구온난화가 나타날 때의 물(빙하)의 순환 ⑤ 지구온난화에서의 인간의 영향의 연결로 다섯 단계로 나누었으며 이러한 순환고리에서 나타나는 강화적 피드백과 균형적 피드백의 유무까지 분석하였다.
- 시스템 사고 분석지는 이효녕과 김승환(2009)이 개발한 ‘물순환’에 대한 시스템 사고 분석지를 수정하여 적용하였다.
- 교육프로그램의 개발을 위해 지구 시스템 교육을 기반으로 한 교육자료 제공 사이트인 Teachers’ Domain(WBGH Educational Foundation, 2009)에 제시된 지구온난화 수업 계획을 기초로 하였다. 이 내용은 크게 지구온난화의 이해와 지구온난화의 영향 2가지 주제로 구분되어 있었으며, 자세한 자료의 활용은 교사 스스로가 자유롭게 사용할 수 있도록 지침을 만들어 제시하였다. 국동식(2002, 2003)이 제시한 온실 효과 및 지구온난화 관련 교과서 분석결과를 바탕으로 학교현장에서 부족할 수 있는 대기효과의 정의, 대기효과에서 수증기의 역할, 지구온난화의 개념, 지구온난화와 지구 시스템과의 관계 등을 포함할 수 있는 자료들을 활용하여 수업을 구성하였으며 개발한 교육프로그램의 수정과 보완을 위하여 초, 중, 고등학교 현장에서 학생을 가르치는 지구과학전공 박사과정 4명과 석사과정 3명으로부터 내용타당도 검증을 받았다.
- 학생들이 주제와 관련된 단어들을 자유롭게 나열하고 이러한 과정에서 각 단어들 간 관계와 피드백을 스스로 연상해보는 단어 간 관계분석은 학생들의 시스템 사고 요소와 과정을 알아보는 데 유용하게 사용되어진다(Assaraf, 2005). 이 연구에서는 지구온난 화와 관련된 친숙한 단어들을 생각나는 대로 적어보며 적어놓은 단어들을 자연 현상이나 인간활동에 의해 연결하여 적도록 한다. 학생들이 적어놓은 결과를 토대로 지구 시스템의 하위영역에 관한 개념 수와 연결 과정을 파악하여 다음 인과지도 분석이나 그림 그리기 분석에 반영하며 면접을 통해서 적은 단어들 사이의 연결에 대해서 물어보고 이들 연결에서 피드백 순환이 존재하는 파악하고자 한다.
- 또한 이러한 사고는 과학교육의 전반적인 발전과 개선을 위해서도 매우 중요하다. 이와 같은 관점에서 최근 지구 환경에서 매우 중요하게 인식되고 있는 지구온난화에 대하여 학생들의 시스템 사고 향상을 위한 교수-학습 자료를 개발하고 학교 현장에서 직접 수업을 한 뒤 학생들의 그 변화를 살펴보았다.
- 학생 D, 학생 E, 학생 F는 올바른 과학개념을 많이 가지고 있었으며 지식의 섬 수준도 약하고 어느 정도 시스템 사고를 수행하는 모습을 보여 주었다. 이와 같이 시스템 사고 수준이 다른 두 부류의 학생들을 선정하여 프로그램 투입 전과 후 그 변화 정도를 파악하였다.
- 학생들의 인과 지도 분석을 통하여, 시스템 요소와 그 과정을 알아내는 능력, 지구 시스템의 양상 파악, 시스템 안에서 동적인 관계들을 알아내는 능력, 인간적 활동 측면 파악, 요소를 조직하고 관계의 틀 안에서 위치시키는 능력 등을 알아낼 수 있다. 인과 지도 결과에 대한 분석을 정량적으로 실시하기 위해 인과지도 그리기에 사용한 개념의 수, 개념들의 연결 고리수, 개념 지도 내에서 동적인 가치와 순환적 가치를 수치화하였다. 사용 개념 및 개념들이 연결고리는 직접 그 수를 헤아려 수치화하였으며, 앞의 도구들과 마찬가지로 시스템 각 영역별로 사용 개수를 파악하였다.
- 첫째, 교육프로그램 개발은 지구온난화의 이해, 지구온난화의 영향에 대한 주제로 각각 2차시 분량의 수업자료로 제작하였다. 학생들이 지구온난화에 대해 시스템적으로 접근할 수 있도록 다양한 멀티미디어 자료들을 활용하였다.
- 타당도 검증 결과는 ‘지구온난화의 이해’는 0.80, ‘지구온난화의 영향’은 0.83을 받았으며 코멘트 내용에서 대부분의 선생님들이 초등학생이나 중학교 저학년의 경우 내용이 조금 어려울 것 같다는 지적을 반영하여 대상 학년의 재선정 및 어려운 어휘, 문항수 등을 조정하였다.
- 학생들이 그려놓은 그림을 기초로 면담이나 서면 질문을 통하여 지구온난화에 대한 전반적인 과정들과 순환, 강화적 혹은 균형적 피드백을 살펴봄으로써 학생들의 종합적인 시스템 사고 수준을 파악하여 본다. 특히 그림 그리기의 능력 한계 영향을 줄이기 위해 최대한 많은 항목을 그림에 넣도록 하였다.
- 그림 분석은 온실효과와 인간의 영향, 온실효과의 배출과 유입 과정에서 나타나는 지구온난화에 대한 구성요소와 지구 시스템을 구성하는 하위 부분에 따라 그 구성요소들의 흐름 파악 정도를 분석하였다. 특히 지구온난화가 발생하는 과정에서 지구 시스템과 인간 활동을 포함하여 시스템 사고를 할 수 있는지에 대해 세밀하게 측정하여 분석하였다.
- 선정된 S고등학교 과학반 학생 27명을 대상으로 2009년 5월 교육프로그램 투입 전 시스템 사고의 수준을 분석하였다. 학생들이 다른 자료나 매체에 영향을 받지 않고 자신의 생각을 그대로 표현할 수 있도록 학교 안에서 시스템 사고 분석지를 제공하고 그 자리에서 작성하도록 하였으며, 학생들이 처음 접한 인과지도 그리기의 경우 예시를 제시하고 간단한 설명을 해주었으며, 그리기 어려운 경우 글로써 표현하도록 지도하였다. 그리고 분석지 투입 다음날부터 2일에 걸쳐 4차시의 교육프로그램을 투입하였다.
- 첫째, 교육프로그램 개발은 지구온난화의 이해, 지구온난화의 영향에 대한 주제로 각각 2차시 분량의 수업자료로 제작하였다. 학생들이 지구온난화에 대해 시스템적으로 접근할 수 있도록 다양한 멀티미디어 자료들을 활용하였다. 이러한 자료들은 국동식(2002, 2003)에서 제시된 학생들이 가진 지구온난화 및 온실 효과와 관련된 오개념이나 교과서에서 빠진 중요한 개념들을 반영하여 제작하였다.
대상 데이터
- 교육프로그램 투입 전에 작성된 시스템 사고 분석지의 결과를 통해 6명의 학생을 선정하였다.
- 이 내용은 크게 지구온난화의 이해와 지구온난화의 영향 2가지 주제로 구분되어 있었으며, 자세한 자료의 활용은 교사 스스로가 자유롭게 사용할 수 있도록 지침을 만들어 제시하였다. 국동식(2002, 2003)이 제시한 온실 효과 및 지구온난화 관련 교과서 분석결과를 바탕으로 학교현장에서 부족할 수 있는 대기효과의 정의, 대기효과에서 수증기의 역할, 지구온난화의 개념, 지구온난화와 지구 시스템과의 관계 등을 포함할 수 있는 자료들을 활용하여 수업을 구성하였으며 개발한 교육프로그램의 수정과 보완을 위하여 초, 중, 고등학교 현장에서 학생을 가르치는 지구과학전공 박사과정 4명과 석사과정 3명으로부터 내용타당도 검증을 받았다. 검증 항목은 개발한 자료의 목표와의 일치성, 논리적 전개, 어휘의 난이도, 문항의 적절성, 종합적인 의견 총 5가지 문항에 대해 1-5점의 리커르트식 척도를 이용하여 검증받았으며 각 문항에 대한 코멘트를 같이 받아 자료의 수정에 적극 반영하도록 하였다.
- 선정된 S고등학교 과학반 학생 27명을 대상으로 2009년 5월 교육프로그램 투입 전 시스템 사고의 수준을 분석하였다. 학생들이 다른 자료나 매체에 영향을 받지 않고 자신의 생각을 그대로 표현할 수 있도록 학교 안에서 시스템 사고 분석지를 제공하고 그 자리에서 작성하도록 하였으며, 학생들이 처음 접한 인과지도 그리기의 경우 예시를 제시하고 간단한 설명을 해주었으며, 그리기 어려운 경우 글로써 표현하도록 지도하였다.
- 기존 분석지의 내용 요소와 문항은 그대로 사용하였으며 시스템에 대한 개념이 생소한 학생들을 위해 예시를 포함한 안내서를 제작하였다. 안내서의 내용은 과학교육 전문가 2명, 지구과학교육을 전공하는 석박사 과정의 교사 9명이 참여한 세미나에 의해 검토하였다. 광역시 소재 S고등학교의 과학반 학생들 27명을 대상으로 지구온난화에 대한 시스템 사고 분석지를 투입하여 수업 전 학생들의 시스템 사고 수준을 분석한 뒤, 지구온난화의 이해 및 지구온난화의 영향을 다룬 수업을 2일에 걸쳐 총 4차시 수업을 진행하였다.
이론/모형
- 교육프로그램의 개발을 위해 지구 시스템 교육을 기반으로 한 교육자료 제공 사이트인 Teachers’ Domain(WBGH Educational Foundation, 2009)에 제시된 지구온난화 수업 계획을 기초로 하였다.
성능/효과
- 이 중 학생 B, C는 매우 견고한 형태의 오개념을 가지고 있었다. 1차시 수업 중 이야기를 통해 이산화탄소 농도는 오존층파괴와 관련이 없으며 오존층 파괴는 지구온난화와 직접적인 관련이 없음을 보여 주었으나 학습지의 인과지도와 그림에서 여전히 이산화탄소와 오존층 파괴를 연결하고, 지구온난화에 오존층을 중요하게 표현하는 모습을 보여주었다. 그리고 이 학생들은 자신들이 가지고 있는 개념에 대해 지식의 섬이 뚜렷한 모습을 보여주고 시스템 사고 수준이 낮았다.
- 학생 E: 이 학생은 사전 검사지를 분석했을 때, 자신의 생각을 조리있게 표현한 학생은 아니었다. 6명의 연구대상 선정시 처음에는 빠졌지만 학생 활동지기록 내용을 토대로 면담을 거친 결과 수업 전 올바른 과학개념을 가지고 있었으며 지구온난화에 대해 시스템 사고를 하고 있음을 알 수 있었으며 이를 토대로 학생 E를 포함하였다. 첫 수업 후 수업 활동지의 인과지도에서 ‘광합성하는 식물의 감소 → 이산화탄소 증가 → 온난화의 가속 → 해수의 이산화탄소가 대기로 방출 → 온난화의 가속 → 빙하감소 → 태양 에너지의 반사율 감소 → 더 많은 에너지 흡수 → 온난화의 가속’으로 이어지는 강화적 피드백을 잘 보여주었으며 다양한 하위계를 생각하는 시스템적 사고도 매우 우수한 모습이었다.
- 그러나 수업 후 단어 간 관계분석에서 보여준 내용은 ‘인간 활동 증가 → 이산화탄소 배출 증가 → 기온 상승 → 빙하 면적 감소 → 북극의 동물들이 살 터전을 잃음, 해수면 상승 → 대륙 면적 감소...’로 이어지며 개념들 간의 관계 고리를 형성하는 모습을 보여주었다.
- 이로서 오개념이 학생의 사고 속에 견고하게 자리잡고 있음을 알 수 있었으나, 적절한 수업자료나 자극을 통해 과학개념으로 변할 수 있는 모습을 보였다. 그리고 수업 후 인과 지도나 단어 간 관계분석에서 자연적인 지구 기후변화에서 출발하여 기권, 수권, 지권, 생물권을 고려하는 시스템적 사고를 보여 주었으며 지식의 섬이 많이 약해진 모습이었다. 특히 그림 그리기에서 가장 많은 변화가 보여졌다.
- 넷째, 프로그램 투입 전 분석에서 시스템 사고 수준이 높았던 학생 D, F는 활동 후 시스템 사고가 수준 5로 향상되었으며 학생 E는 수준 4로 향상되었다. 학생 D는 단어 간 관계분석과 인과지도에서 기후 변화에 대한 다양한 경우에 대해 강화적, 균형적 피드백을 모두 고려한 시스템 사고를 하였으며 그림 그리기에서도 지구 시스템 각 하위계 전체에 대해 시스템 사고를 하는 모습을 보여주었다.
- 또한 지구온난화에 대해 오개념도 가지고 있었다. 반면 수준 2의 2명과 수준 3을 나타낸 학생은 지구온난화에 대해 올바른 과학 개념을 가지고 있었으며 지식의 섬도 매우 약하게 보였으나 지구 시스템의 다양한 하위계를 고려한 시스템 사고가 불완전하게 나타났다.
- 셋째, 교육프로그램을 활용한 활동 후 시스템 사고가 수준이 낮았던 학생 A, C의 경우 시스템 사고가 수준 1에서 수준 4로 향상되었으며 학생 B는 수준 2로 향상되었다. Ben-zvi-Assaraf and Orion(2005a)에서 시스템 사고 향상을 위해 여러 가지 프로그램 및 지식 통합 활동을 제시하여 학생들의 수행을 분석한결과 전체를 보는 관점이 훨씬 향상된 모습을 보여주듯 학생 A는 단어 간 관계분석 및 인과지도에서 수권과 인간 활동, 인간 활동과 기권, 지권을 고려하는 시스템 사고를 하였으며 그림 그리기에서도 지구 시스템의 다양한 하위관계를 고려하는 피드백 사고를 보여주었다.
- 수업 전 지구온난화에 대한 인과지도에서 하나의 상황설정에서 두 가지 방향의 결과를 생각하였으며 하나의 경우에는 시스템 사고를 수행하는 모습을 보여주었다. 그림 그리기에서는 인간 활동에서 시작하여 기권, 수권, 지권 등을 고려한 시스템 사고를 보여줌을 알 수 있다.
- 수업을 진행하는 동안 여전히 오개념을 가지고 있는 것 같아 인과지도를 그리기 전 오존층과 지구온난화에 대해 다시 설명해 주며 이산화탄소 역할에 대해 묻자 “이산화탄소는 온실 기체이고, 온실효과에 영향을 주는 기체에요”, “지구온난화에서는 태양에서 들어오는 에너지보다 지구 복사에너지가 더 큰 역할을 하는 것 같아요”라는 대답을 하여 오개념이 과학개념으로 바로 잡힌 듯 보였으나 마지막 그림그리기에서는 여전히 오존층을 그려넣는 모습을 보였다.
- 이를 토대로 다음 날 수업중 인간활동에 의한 강화된 온실효과가 지구 시스템의 하위계에 어떻게 영향을 주는 지 묻는 질문에 “화석연료를 과도하게 사용하고, 산림을 벌채하면서 대기 중에 방출되는 이산화탄소가 많아지게 되고, 지구온난화가 시작되면서 지구의 평균기온이 높아지고, 해수에 녹아있던 이산화탄소가 더 많이 대기 중에 나오게 되고, 북극 빙하가 녹아 북극곰이 줄어들게 되고, 해수면도 상승하면서 육지의 면적이 줄고 사람들이 살 터전을 잃게 될거에요”라고 대답을 하였다.
- 단어 간 관계분석에서도 자신이 설명한 것을 그대로 글로 표현하였으며 빙하에 대해서도 ‘빙하의 감소 → 알베도 감소 → 흡수하는 에너지 증가, 극지방의 물의 증발을 억제하는 빙하의 감소 → 많은 수증기의 대기유입 → 기후의 변화’와 같이 기권과 수권의 상호작용을 고려한 답을 해주었다. 인간 활동에서 시작된 지구온난화로 생물권, 기권, 수권, 지권을 포함한 시스템 사고를 수행함을 알 수 있었다. 그림에서도 수업 전 그려놓았던 하위계들을 그대로 표현하였지만 이들의 상호관계와 흐름을 좀 더 자세히 표현하고 연결하는 모습을 보였으며, 시스템 사고는 수준 4를 보여주었다(Fig.
- 그리고 사전 검사에서 나타난 오존층 파괴가 지구온난화를 유발하는 오개념에 대해 질문한 결과 오존층 파괴와 지구온난화는 직접적인 관계가 없으며 오존도 간접적으로 영향을 주는 온실기체라 답하였다. 인과 지도를 분석한 결과에는 수권과 인간 활동, 인간 활동과 기권, 지권을 포함한 인과 지도를 그렸으며, 인간 활동을 포함한 시스템 사고를 수행하는 모습을 보여주었다. 사전 검사에서 보여주었던 단순한 강화적 피드백이 아닌 다양한 하위계를 고려한 강화적 피드백도 보여주었다.
- 이는 오랜 세월동안 지구온난화와 오존층 파괴에 대해 자신이 가지고 있는 개념이 오개념인지 알지 못하고 사고 속에서 관념화된 모습이라 보여진다. 지식의 섬 수준이나 시스템 사고를 살펴보면 수업 전에는 지식의 섬이 뚜렷하고 시스템 사고 수준도 매우 낮음을 알 수 있었다. 특히 그림 그리기에서는 지구 시스템 하위계에서 나타나는 모습을 표현하였으나 각각 떨어져 있는 지식의 섬과 오개념을 확실히 볼 수 있는 그림이었다.
- 첫 수업 후 수업 활동지의 인과지도에서 ‘광합성하는 식물의 감소 → 이산화탄소 증가 → 온난화의 가속 → 해수의 이산화탄소가 대기로 방출 → 온난화의 가속 → 빙하감소 → 태양 에너지의 반사율 감소 → 더 많은 에너지 흡수 → 온난화의 가속’으로 이어지는 강화적 피드백을 잘 보여주었으며 다양한 하위계를 생각하는 시스템적 사고도 매우 우수한 모습이었다.
- 학생 F는 단어 간 관계분석이나 인과지도에서 우수한 시스템 사고를 보여주었다. 하나의 상황에서 시작된 사고가 지구 시스템 하위계 모두를 고려하였으며, 강화적 피드백 및 균형적 피드백을 모두 고려할 줄 알았다. 그림 그리기에서도 자기의 사고 과정을 자신있게 표현하는 모습을 보여주었다.
- 하지만 이들 개념들 간에 시스템적 연결이 이루어져 있지 않고 ‘기온상승 → 계절이 사라짐 → 인간과 동·식물의 변화 → 적응’, ‘해수면 상승 → 대륙의 면적 감소 → 생물 감소’와 같이 각각 지식의 섬으로 존재하는 모습을 보였다.
- 학생 A: 사전 검사에서 학생 A의 경우 단어 간 관계분석에서 나열한 단어들은 지구온난화에 대한 간단한 수준의 단어들이었으며 그 연결 ‘화석연료 사용으로 온실효과가 나타난다’, ‘오존층이 파괴되어 빙하 면적이 줄어든다’ 등의 단순한 관계만을 표현하였으며 지구온난화와 대기효과의 차이를 잘 알지 못하였으며 오존층과 지구온난화를 연결하는 오개념을 보여 주고 있었다.
- 학생 B는 시스템 사고 수준이 낮게 나왔지만 사전 검사와 비교하였을 때, 단어 간 관계분석과 인과지도에서는 기권, 수권, 생물권의 상호작용을 보여주었으며, 그림 그리기에서도 다양한 하위계의 과정을 고려하였으나 상호작용을 표현하기에는 조금 부족하였다. 학생 C도 단어 간 관계분석과 인과 지도에서 기권, 수권, 지권, 생물권을 고려한 시스템 사고를 보여주었으며, 그림 그리기에서도 많은 시스템 사고를 표현하였다. 그리고 이들 세 학생의 경우 사전 검사에서 보여주었던 오개념이 학생 A의 경우 과학개념으로 바뀌었으며 학생 C는 과학개념으로 변화해 가는 모습을 보여주었다.
- 그리고 이 학생들은 자신들이 가지고 있는 개념에 대해 지식의 섬이 뚜렷한 모습을 보여주고 시스템 사고 수준이 낮았다. 학생 D, 학생 E, 학생 F는 올바른 과학개념을 많이 가지고 있었으며 지식의 섬 수준도 약하고 어느 정도 시스템 사고를 수행하는 모습을 보여 주었다. 이와 같이 시스템 사고 수준이 다른 두 부류의 학생들을 선정하여 프로그램 투입 전과 후 그 변화 정도를 파악하였다.
- 둘째, 대기효과와 지구온난화와 관계된 비계층적인 인과 지도를 작성하도록 한다. 학생들의 인과 지도 분석을 통하여, 시스템 요소와 그 과정을 알아내는 능력, 지구 시스템의 양상 파악, 시스템 안에서 동적인 관계들을 알아내는 능력, 인간적 활동 측면 파악, 요소를 조직하고 관계의 틀 안에서 위치시키는 능력 등을 알아낼 수 있다. 인과 지도 결과에 대한 분석을 정량적으로 실시하기 위해 인과지도 그리기에 사용한 개념의 수, 개념들의 연결 고리수, 개념 지도 내에서 동적인 가치와 순환적 가치를 수치화하였다.
- ” 라고 대답하였다. 학생의 사고에서 강화적 피드백과 균형적 피드백을 모두 표현하는 모습이 나타났으며 하나의 상황에서 출발하여 다양한 결과를 생각하는 시스템 사고 능력을 보여주었다.
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