The purpose of this study was to investigate knowledge types which the elementary science gifted students would use when solving a science problem, and to examine characteristics and types that were shown in the science problem solving process. For this study, 39 fifth graders and 38 sixth graders f...
The purpose of this study was to investigate knowledge types which the elementary science gifted students would use when solving a science problem, and to examine characteristics and types that were shown in the science problem solving process. For this study, 39 fifth graders and 38 sixth graders from Institute of Education for the Gifted Science Class were sampled in one National University of Education. The results of this study were as follows. First, for science problem solving, the elementary science gifted students used procedural knowledge and declarative knowledge at the same time, and procedural knowledge was more frequently used than declarative knowledge. Second, as for the characteristics in the understanding step of solving science problems, students tend to exactly figure out questions' given conditions and what to seek. In planning and solving stage, most of them used 3~4 different problem solving methods and strategies for solving. In evaluating stage, they mostly re-examined problem solving process for once or twice. Also, they did not correct the answer and had high confidence in their answers. Third, good solvers had used more complete or partially applied procedural knowledge and proper declarative knowledge than poor solvers. In the problem solving process, good solvers had more accurate problem-understanding and successful problem solving strategies. From characteristics shown in the good solvers' problem solving process, it is confirmed that the education program for science gifted students needs both studying on process of acquiring declarative knowledge and studying procedural knowledge for interpreting new situation, solving problem and deducting. In addition, in problem-understanding stage, it is required to develop divided and gradual programs for interpreting and symbolizing the problem, and for increasing the understanding.
The purpose of this study was to investigate knowledge types which the elementary science gifted students would use when solving a science problem, and to examine characteristics and types that were shown in the science problem solving process. For this study, 39 fifth graders and 38 sixth graders from Institute of Education for the Gifted Science Class were sampled in one National University of Education. The results of this study were as follows. First, for science problem solving, the elementary science gifted students used procedural knowledge and declarative knowledge at the same time, and procedural knowledge was more frequently used than declarative knowledge. Second, as for the characteristics in the understanding step of solving science problems, students tend to exactly figure out questions' given conditions and what to seek. In planning and solving stage, most of them used 3~4 different problem solving methods and strategies for solving. In evaluating stage, they mostly re-examined problem solving process for once or twice. Also, they did not correct the answer and had high confidence in their answers. Third, good solvers had used more complete or partially applied procedural knowledge and proper declarative knowledge than poor solvers. In the problem solving process, good solvers had more accurate problem-understanding and successful problem solving strategies. From characteristics shown in the good solvers' problem solving process, it is confirmed that the education program for science gifted students needs both studying on process of acquiring declarative knowledge and studying procedural knowledge for interpreting new situation, solving problem and deducting. In addition, in problem-understanding stage, it is required to develop divided and gradual programs for interpreting and symbolizing the problem, and for increasing the understanding.
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문제 정의
본 연구의 목적은 초등 과학 영재가 과학 문제를 해결할 때 사용하는 문제 해결 전략 및 사고 과정의 특성을 분석하는데 있다. 구체적인 연구 문제는 첫째, 문제 해결 과정에서 사용하는 과학 지식의 유형, 둘째, 문제 해결 과정 단계별 특성 및 유형, 셋째, 문제 해결 성공자와 실패자의 주요 사고 과정 차이를 알아보고자 한다.
제안 방법
계획 및 풀이 단계에서는 대체적으로 3～4가지의 다양한 해결 방법을 이용하여 문제를 해결하고 답에 대한 확신이 높은 편이었으며, 답을 수정하지 않는 경향성을 보였다. 계획 및 풀이 과정에서 가장 많은 시간을 소요하였고, 문제의 이해 단계, 검토 단계의 순으로 시간을 소요하였다. 이러한 특성을 반영하여 영재 교육 프로그램의 일환으로 문제를 표상하는 능력, 개념 이해를 돕거나 파악하기 위한 구조화된 문제 해결 전략 방법의 고안과 지도, 문제 해결력을 높이는 교육 내용과 방법이 구체화되어야 한다.
과학 영재의 문제 해결 사고 과정 분석을 위한 검사지는 노태희와 전경문(1997)의 연구 결과를 근거로 하였으며, 각 단계별로 세분화하여 응답하도록 제시된 4단계 문제 해결 과정 검사 도구를 개발하였다(부록). 검사지는 연구자의 주관적인 판단에 의한 오류를 최소화하고 피험자의 문제 해결 과정에서 나타나는 사고 과정과 풀이 방법을 최대한 상세하게 알아낼 수 있도록, 피험자가 문제 해결 과정을 단계별로 세분화하여 응답하도록 하였다.
본 연구의 목적은 초등 과학 영재가 과학 문제를 해결할 때 사용하는 문제 해결 전략 및 사고 과정의 특성을 분석하는데 있다. 구체적인 연구 문제는 첫째, 문제 해결 과정에서 사용하는 과학 지식의 유형, 둘째, 문제 해결 과정 단계별 특성 및 유형, 셋째, 문제 해결 성공자와 실패자의 주요 사고 과정 차이를 알아보고자 한다.
문제 해결 과정의 단계별 특성 분석을 위한 분석틀은 과학 문제 해결력 검사지의 답지에 제시된 단계별 항목으로 구분하여 범주화 하였으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.
피험자의 검사지를 분석하여 문제 해결 성공자와 실패자로 구분하였다. 성공자와 실패자가 사용한 과학 지식의 차이점은 표 2의 분석틀을 사용하였다.
대상 데이터
본 연구의 대상은 광역시 소재 A 교육대학교 영재교육원 과학 영재 5학년 39명, 6학년 38명이다. 이들은 1차 시험에서 수학과 과학 교과의 선다형 문제, 2차 시험에서 과학 교과의 고차적 사고력 측정 서술형 문제로 최종 선발 인원의 2배수로 선발된 후, 3차 시험에서 탐구 수행 능력 측정을 위한 실기 시험과 자기 소개서 및 면접을 통한 평가 결과를 종합하여 최종 선발되었다.
이론/모형
문제를 해결하기 위하여 과학 탐구 능력과 과학적 개념을 사용하는데, 과학 탐구 능력은 절차적 지식에, 과학적 개념은 선언적 지식에 해당하며, 문제 해결 과정에서 사용한 과학 지식의 분석틀은 이항로(1998)의 분석틀을 사용하였다(표 2).
성능/효과
과학 탐구 문제 해결을 위해서 사용한 지식의 종류와 문제 해결 전략, 문제 해결 과정에 나타난 세부적 특성을 해석하고 분석하여 종합함으로써 문제 해결의 사고 과정 유형을 도출할 수 있다. 또한, 문제 해결력이 과학 교육에서 중요한 이유는 문제를 해결하는 과정에서 기초적인 지식이나 기능을 더욱 확실하게 이해할 수 있을 뿐만 아니라 지식의 단순 암기와 단순 적용, 알고리즘의 반복 연습에서 탈피하여 의사 결정, 비판적 사고, 창의적 사고 등과 같은 고등 정신을 신장할 수 있기 때문이다(홍미영, 1995).
둘째, 문제 해결 과정에서 나타난 특성 및 유형으로는 문제 이해 단계에서 1～2회 문제를 읽었으며, 문제에 주어진 조건과 구해야 할 것을 정확히 파악하는 편이었다. 계획 및 풀이 단계에서는 대체적으로 3～4가지의 다양한 해결 방법을 이용하여 문제를 해결하고 답에 대한 확신이 높은 편이었으며, 답을 수정하지 않는 경향성을 보였다.
셋째, 문제 해결 성공자가 사용한 과학 지식에서는 완전한 절차적 지식과 올바른 선언적 지식의 사용 빈도가 높았다. 또, 문제 해결 과정에서 성공자는 실패자에 비해 문제를 정확히 이해하고 성공적인 문제 풀이 유형으로 문제를 해결하며, 답에 대한 확신도가 높았다. 과학 영재의 문제 해결력을 신장시키기 위해서는 선언적 지식 예컨대, 논리적-수학적 지식, 추상적인 추론, 개념, 법칙 등의 지식을 습득하는 과정에 대한 학습, 새로운 상황을 해석하고 문제를 해결하며, 사고하고 추리하는 등의 절차적 지식에 대한 학습이 조화롭게 이루어지도록 해야 할 것이다.
이와 같은 결과로 볼 때, 선다형 문항을 해결할 때 절차적 지식과 선언적 지식이 함께 동원되나, 절차적 지식이 문제 해결에 더 중요한 요인임을 알 수 있다. 또한, 서답형 문항의 경우는 선다형 문항보다 완전한 절차적 지식과 선언적 지식을 활용하는 것으로 나타났으며, 고학년일수록 더 완전한 절차적 지식과 선언적 지식을 적용하는 사례가 많았다.
문제 해결에 대한 검토 횟수가 1～2회인 학생 비율은 선다형 문제에서 70.2%, 서답형 문제에서 72.8%로 나타났다. 또한, 검토 과정에서 84.
문제 해결의 성공자는 실패자에 비해 절차적 지식과 선언적 지식을 완전하게 적용하며, 절차적 지식을 선언적 지식보다 더 빈번히 사용함을 알 수 있다. 또, 선다형 문제보다 서답형 문제에서 성공자는 실패자에 비해 절차적 지식과 선언적 지식을 완전히 적용하여 문제를 해결하며, 각 지식의 사용 비율도 비슷하게 나타난다.
문제의 이해 단계에 소요된 평균 시간은 선다형 3.7분, 서답형 4분, 계획 및 풀이 단계에 소요된 평균 시간은 선다형 13.9분, 서답형 14.4분, 검토 단계에 소요된 평균 시간은 선다형 2.5분, 서답형 2.4분으로 나타나, 문제 해결을 위한 계획과 풀이, 문제의 이해, 검토 단계의 순으로 시간이 소요되었다.
계획 단계에서 과학 영재들의 문제 해결을 위한 문제 해결 전략별 반응 사례수 분포는 표 11과 같다. 문제지와 답지를 분석하여 해결하는 전략 99.4%, 주어진 표와 그래프나 예시 자료를 활용하고 해석하여 해결하는 전략 90.3%, 관찰이나 일상생활의 경험과 관련짓는 전략 48.7%, 책이나 잡지 등 서적에서 읽은 내용을 기억하는 전략 46.1%, 교과서에서 배운 내용의 기억이나 느낌 적용 전략 43.5%의 순서로 나타났다.
서답형 문항에서 문제를 읽은 횟수가 1～2회인 성공자와 실패자의 비율은 각각 83%와 80%, 피험자들이 인식하는 문제 이해 정도가 높은 성공자와 실패자의 비율은 각각 93.7%와 100%, 연구자가 인식하는 피험자들의 문제 이해 정도가 높은 성공자와 실패자의 비율은 87.2%와 13.3%였다.
서답형 문항에서 문제지와 답지를 분석하여 해결하는 전략(P1)을 사용한 성공자와 실패자의 비율은 각각 100%와 96.7%, 주어진 표와 그래프나 예시 자료를 활용하고 해석하여 해결하는 전략(P2)은 각각 93.6%와 66.7%, 교과서에서 배운 내용을 기억해서 적용하는 전략(P3)은 각각 48.9%와 43.3%, 관찰이나 일상 생활의 경험을 적용하는 전략(P4)은 각각 36.2%와 33.3%, 책이나 잡지 등 서적에서 읽은 내용을 기억해서 적용하는 전략(P5)은 각각 59.6%와 30%, 추측에 의한 해결(P6)은 각각 34%와 43.3%로 나타났다.
선다형 문항에서 문제를 읽은 횟수가 1～2회인 성공자와 실패자의 비율은 각각 77.1%와 66.7%, 피험자들이 인식하는 문제 이해 정도가 높은 성공자와 실패자의 비율은 각각 71.5%와 88.1%, 연구자가 인식하는 피험자들의 문제 이해 정도가 높은 성공자와 실패자의 비율은 74.5%와 35.7%였다.
선다형 문항에서 문제지와 답지를 분석하여 해결하는 전략(P1)을 사용한 성공자와 실패자의 비율은 모두 100%, 주어진 표와 그래프나 예시 자료를 활용하고 해석하여 해결하는 전략(P2)은 각각 100%와 95.2%, 교과서에서 배운 내용을 기억해서 적용하는 전략(P3)은 각각 40%와 40.5%, 관찰이나 일상생활의 경험을 적용하는 전략(P4)은 각각 54.3%와 69.4%, 책이나 잡지 등 서적에서 읽은 내용을 기억해서 적용하는 전략(P5)은 각각 54.3%와 35.7%, 추측에 의한 해결(P6)은 각각 48.6%와 50%로 나타났다.
3%였다. 선다형과 서답형의 성공자들이 답을 수정하지 않은 비율이 각각 85.7%, 91.5%, 실패자들이 답을 수정하지 않는 비율이 각각 73.8%, 86.7%로 나타났다. 선다형 문항에서 성공자와 실패자의 답에 대한 확신도가 높은 학생의 비율이 각각 57.
성공자의 문제 해결 유형은 선다형과 서답형 모두 문제와 답지를 분석하여 해결하는 유형, 주어진 표와 그래프나 예시 자료를 분석하여 정답을 유추하는 유형, 책이나 잡지 등 서적에서 읽은 내용을 기억해서 정답을 유추하는 유형의 순이었으며, 선다형의 경우 서답형에서 보다 관찰이나 일상생활의 경험과 관련지어서 정답을 유추하는 사례수가 월등히 많았다.
셋째, 문제 해결 성공자가 사용한 과학 지식에서는 완전한 절차적 지식과 올바른 선언적 지식의 사용 빈도가 높았다. 또, 문제 해결 과정에서 성공자는 실패자에 비해 문제를 정확히 이해하고 성공적인 문제 풀이 유형으로 문제를 해결하며, 답에 대한 확신도가 높았다.
실패자의 문제 해결 유형도 성공자의 경우와 같이 선다형과 서답형 모두 문제와 답지를 잘못 분석하여 오답하는 유형, 주어진 표와 그래프나 예시 자료를 잘못 분석하여 오답하는 유형, 잘못된 관찰이나 일상생활의 경험과 관련지어서 오답하는 유형의 순이었으며, 특히 서답형의 경우 문제 해결 전략을 거의 세우지 않거나 적용하지 못하는 것으로 나타났다.
이상과 같은 자료로 볼 때 성공자와 실패자 모두 약 71%의 학생이 문제와 답을 1～2회 정도 검토를 거치고 성공자일수록 검토하는 횟수가 증가하며, 검토과정에서 성공자와 실패자 모두 약 84.4%의 학생이 답을 수정하였고, 성공자가 답을 수정하는 비율은 낮았다. 또한 정답에 대한 확신도는 선다형에서는 성공자가 서답형에서는 실패자가 높은 것으로 나타나, 실패자는 추측에 의해 문제를 해결하는 경우도 있을 수 있음을 알 수 있다.
첫째, 초등 과학 영재 학생은 과학 문제 해결 과정에서 절차적 지식과 선언적 지식을 동시에 사용하며, 선언적 지식보다 절차적 지식을 많이 사용한 것으로 나타났다. 과학 영재의 평가 및 판별 도구에서 문제 해결 과정이 드러나게 답안을 작성하도록 문항을 구성한다면 문제 해결을 위해 학생이 사용한 과학 지식의 유형과 옳고 그름의 정도를 파악할 수 있을 것이다.
후속연구
과학 영재의 문제 해결력을 신장시키기 위해서는 선언적 지식 예컨대, 논리적-수학적 지식, 추상적인 추론, 개념, 법칙 등의 지식을 습득하는 과정에 대한 학습, 새로운 상황을 해석하고 문제를 해결하며, 사고하고 추리하는 등의 절차적 지식에 대한 학습이 조화롭게 이루어지도록 해야 할 것이다. 또한 교수·학습 과정안 개발과 평가 및 판별 도구를 개발할 때 문제를 이해하는 능력과 다양한 방법으로 문제를 해결할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있는 단계별 방안이 모색되어야 함을 암시한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초등 과학 영재가 과학 문제를 해결하는 과정에서 나타나는 문제 해결 특성 및 유형 분석 결과에 대한 결론과 제언은?
첫째, 초등 과학 영재 학생은 과학 문제 해결 과정에서 절차적 지식과 선언적 지식을 동시에 사용하며, 선언적 지식보다 절차적 지식을 많이 사용한 것으로 나타났다. 과학 영재의 평가 및 판별 도구에서 문제 해결 과정이 드러나게 답안을 작성하도록 문항을 구성한다면 문제 해결을 위해 학생이 사용한 과학 지식의 유형과 옳고 그름의 정도를 파악할 수 있을 것이다.
둘째, 문제 해결 과정에서 나타난 특성 및 유형으로는 문제 이해 단계에서 1～2회 문제를 읽었으며, 문제에 주어진 조건과 구해야 할 것을 정확히 파악하는 편이었다. 계획 및 풀이 단계에서는 대체적으로 3～4가지의 다양한 해결 방법을 이용하여 문제를 해결하고 답에 대한 확신이 높은 편이었으며, 답을 수정하지 않는 경향성을 보였다. 계획 및 풀이 과정에서 가장 많은 시간을 소요하였고, 문제의 이해 단계, 검토 단계의 순으로 시간을 소요하였다. 이러한 특성을 반영하여 영재 교육 프로그램의 일환으로 문제를 표상하는 능력, 개념 이해를 돕거나 파악하기 위한 구조화된 문제 해결 전략 방법의 고안과 지도, 문제 해결력을 높이는 교육 내용과 방법이 구체화되어야 한다.
셋째, 문제 해결 성공자가 사용한 과학 지식에서는 완전한 절차적 지식과 올바른 선언적 지식의 사용 빈도가 높았다. 또, 문제 해결 과정에서 성공자는 실패자에 비해 문제를 정확히 이해하고 성공적인 문제 풀이 유형으로 문제를 해결하며, 답에 대한 확신도가 높았다. 과학 영재의 문제 해결력을 신장시키기 위해서는 선언적 지식 예컨대, 논리적-수학적 지식, 추상적인 추론, 개념, 법칙 등의 지식을 습득하는 과정에 대한 학습, 새로운 상황을 해석하고 문제를 해결하며, 사고하고 추리하는 등의 절차적 지식에 대한 학습이 조화롭게 이루어지도록 해야 할 것이다. 또한 교수·학습 과정안 개발과 평가 및 판별 도구를 개발할 때 문제를 이해하는 능력과 다양한 방법으로 문제를 해결할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있는 단계별 방안이 모색되어야 함을 암시한다.
21세기 미래의 정보화 사회는 고차원적인 사고력과 창의력을 갖춘 두뇌가 국력을 대변한다는 점에서 국가 경쟁력을 기르기 위해 필요한 교육은?
21세기 미래의 정보화 사회는 고차원적인 사고력과 창의력을 갖춘 두뇌가 국력을 대변한다는 점에서 국가 경쟁력을 기르기 위한 방법으로 수월성 교육이 필요하다. 경쟁을 통해 교육의 수월성을 확보하고 영재를 발굴하여 육성하는 일은 세계화 시대에 국가 간 경쟁에서 살아남을 수 있는 대안이라는 점 때문에 과학 영재의 행동 특성, 교육 과정, 교수·학습 전략, 평가와 판별 등 영재 교육의 다양한 영역에 대한 연구가 진행되어 왔다.
과학 탐구 문제 해결를 해결하기 위한 방법은?
과학 탐구 문제 해결을 위해서 사용한 지식의 종류와 문제 해결 전략, 문제 해결 과정에 나타난 세부적 특성을 해석하고 분석하여 종합함으로써 문제 해결의 사고 과정 유형을 도출할 수 있다. 또한, 문제 해결력이 과학 교육에서 중요한 이유는 문제를 해결하는 과정에서 기초적인 지식이나 기능을 더욱 확실하게 이해할 수 있을 뿐만 아니라 지식의 단순 암기와 단순 적용, 알고리즘의 반복 연습에서 탈피하여 의사 결정, 비판적 사고, 창의적 사고 등과 같은 고등 정신을 신장할 수 있기 때문이다(홍미영, 1995).
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