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문제 정의
- 본 연구는 대전, 광주, 대구, 울산, 화성 5개 도시에 있는 11개 초등학교의 5학년 11학급, 남 162명, 여 148명 총 310명으로 이루어 졌다. 각 학교에서 학력 수준이 중간정도인 학급으로 설문 대상을 선정하였으며, 한 지역으로 한하지 않고 여러 지역으로 한 까닭은 지역마다의 학력 편차를 반영하여 가능한 다양한 지역 소재 학생들의 일반적인 인식을 파악하기 위해서이다.
- 따라서 개념 생태 내 개념 간 관계도 관련 있는 지식 및 용어들을 바탕으로 학습자가 인식하기에 좀 더 관련성 높고 이해 타당한 개념을 우선 순위에 둠으로써 발생한다고 볼 수 있다. 그러므로 이 연구에서의 생태 지위적 접근은 특정 개념에 대해 관련성 측면에서 학습자가 인식하는 개념 간 관계의 분석 접근으로 보고자 한다.
- 과학 교육과정에서 광합성은 5학년에서 처음으로 제시되고 있기 때문에 생태 지위적 접근을 통하여 5학년들이 지니는 광합성 개념 간 관계를 파악하는 것이 광합성 개념에 대한 학습자들의 인식 파악의 출발점이라 본다. 따라서 생태 지위적 접근을 통하여 5학년 학생들의 광합성 개념에 대한 학습 전∙후에 그들이 지니는 광합성 개념 간 관계를 연구하였다. 이 연구를 통해서 5학년들의 광합성 개념 간 관계를 이해하고, 교육과정 개발자 및 교사들이 향후 광합성 교육과정 개발 및 지도 전략에 대한 기초 자료로 이용되기를 바란다.
- 이 연구는 인지 구조 속 개념들을 생태계 속 종들로 보아 생태 지위적 접근을 통하여 5학년들이 인식하는 광합성 개념 간 관계를 규명하고, 학습 전∙후에 어떻게 변화하고 있는지를 분석하기 위한 것이다. 따라서 생태 지위적 접근을 통하여 학습자의 개념 생태에서 개념의 다양성, 개념의 관련성 및 빈도율 변화, 개념간 경쟁관계로 분석하였다.
- 이 연구는 제 7차 과학과 교육과정에서 광합성이 처음으로 제시되는 5학년을 대상으로 광합성 학습 전과학습 후에 인식하는 광합성 개념 간 관계 변화를 생태지위적 접근으로 분석하였다. 광합성 개념의 생태 지위적 접근은 개념의 다양성, 개념의 관련성 및 빈도율 변화 그리고 개념 간 경쟁관계 측면을 통해서 분석하였으며 연구 결과에 따른 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 제 7차 과학과 교육과정에서 광합성과 직접적인 관련 학년은 5, 8, 10학년으로써 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인으로 구성되어 있다(정화숙 등, 2005). 5학년 과학 교육과정에서는 주로 광합성 장소와 광합성 생성물질 영역에 초점을 맞추었지만, 광합성 네 영역에 대한 5학년들의 전반적인 인식을 파악하기 위하여 예비 설문지의 광합성 개념을 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구분하였다. 그리고 과학 교과서의 광합성 관련 영역을 분석하여 각 영역에 가장 적합하다고 판단되는 광합성 관련 실험 그림을 선정하였다.
- 5학년 학생들의 광합성 학습 전∙후의 설문에서 나타난 모든 개념들을 광합성 네 영역별 개념의 다양성 지수 그래프로 제시하였다(그림 1). 광합성 장소 영역에서 학습 전은 1.
- 그리고 과학 교과서의 광합성 관련 영역을 분석하여 각 영역에 가장 적합하다고 판단되는 광합성 관련 실험 그림을 선정하였다. 각 영역에서 제시된 실험 그림을 참고하여 평소에 알고 있는 개념을 네 영역의 표 안에 기입한 후, 자신이 적은 개념이 그 영역에서 어느 정도로 관련이 있는지를 최저 1점에서 최고 30점의 관련성 점수를 기록하도록 하였다.
- 최종 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구분되어 있으며, 각 영역에서 가장 적합하다고 판단되는 그림이 제시되었다. 각 영역에서 학생들 자신이 알고 있는 개념들을 기입한 후, 자신이 적은 개념이 그 영역에서 어느 정도의 관련성을 가지는지 최저 1점에서 최고 30점으로 관련성 점수를 적도록 하였다. 최종 설문지는 생물교육 전문가 2인과 생물교육 박사 1인에게 타당도 검사를 받았으며 타당도는 83.
- 광합성 네 영역별로 학생들이 제시한 모든 개념들은 MS Excel 프로그램을 이용하여 개념의 다양성 지수로 분석되었다. 개념의 다양성 지수가 높을수록 개념의 종류가 다양하고 수가 많아지기 때문에, 광합성 학습 전∙후에 나타난 개념의 다양성 지수를 광합성 네 영역으로 비교하여 그 변화를 분석하였다.
- 이 연구는 제 7차 과학과 교육과정에서 광합성이 처음으로 제시되는 5학년을 대상으로 광합성 학습 전과학습 후에 인식하는 광합성 개념 간 관계 변화를 생태지위적 접근으로 분석하였다. 광합성 개념의 생태 지위적 접근은 개념의 다양성, 개념의 관련성 및 빈도율 변화 그리고 개념 간 경쟁관계 측면을 통해서 분석하였으며 연구 결과에 따른 결론은 다음과 같다.
- 광합성 학습 전과 학습 후에 제시된 광합성 네 영역별 개념들의 빈도율과 관련성 점수 평균을 이용하여 다차원 척도 분석을 통하여 개념 간 경쟁관계 인지도로 제시하였다. 경쟁관계 인지도에서 개념 간 근접성의 거리는 관련성 점수 및 빈도율을 바탕으로 학생들의 개념 간 유사성 인식의 거리로 해석된다.
- 이를 위해 개념의 빈도율과 표준오차, 개념의 관련성 점수 평균과 표준오차를 이용하였다. 그래프에서 X축은 개념의 관련성 점수이고 Y축은 개념의 빈도율로 나타냈으며 범위는 두 변수의 표준오차를 이용하여 사각형으로 제시하였다. 분석방법은 다음과 같다.
- 예비 설문을 통해 나타난 문제점들을 바탕으로 학생들이 보다 쉽게 작성할 수 있도록 소화 관련의 설문 예시 내용을 첨가하였고 광합성 네 영역에 제시된 그림 속의 실험 도구 및 기구는 기입하지 않도록 설문지를 보완하였다. 그리고 생물학 전문가 1인, 과학교육 전문가 1인, 인지심리 전문가 1인, 초등 교사 3인, 중등 생물 교사 6인의 자문을 얻어 수정∙보완을 하여 최종 설문지를 개발하였다. 최종 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구분되어 있으며, 각 영역에서 가장 적합하다고 판단되는 그림이 제시되었다.
- 이 연구는 인지 구조 속 개념들을 생태계 속 종들로 보아 생태 지위적 접근을 통하여 5학년들이 인식하는 광합성 개념 간 관계를 규명하고, 학습 전∙후에 어떻게 변화하고 있는지를 분석하기 위한 것이다. 따라서 생태 지위적 접근을 통하여 학습자의 개념 생태에서 개념의 다양성, 개념의 관련성 및 빈도율 변화, 개념간 경쟁관계로 분석하였다.
- 설문을 통하여 나온 광합성 네 영역에 대한 학년별 개념들의 빈도율, 그리고 관련성 점수 평균과 표준오차를 통하여 광합성 개념의 다양성 및 다양성 지수, 개념의 관련성 및 빈도율 변화, 개념 간 경쟁관계를 분석하였다.
- 이 연구는 개념의 다양성, 개념의 관련성과 빈도율 변화, 개념 간 경쟁관계로 구성된 생태 지위적 접근을 통하여, 광합성 학습 전∙후에 5학년들이 인식하는 광합성 개념 간 관계를 분석하였다. 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구성되어 있으며, 각 영역별로 알고 있는 개념과 그 개념의 관련성 정도를 점수(1~30점)로 기입하도록 제작되었다. 5개 도시 소재 11개 초등학교의 5학년 11학급 총 310명의 학생들을 대상으로 설문하여 분석하였다.
- 식물의 잎이 하는 일’학습 이전인 3주 전에 실시하였고, 사후 설문은 7단원을 배운 3주 후에 실시하였다. 설문지는 설문 안내서와 더불어 우편을 통해 우송하였으며 담임교사 및 과학 교과 교사의 감독 하에 설문을 하였다.
- 수업 전∙후에 제시된 빈도율 5% 이상 개념의 관련성 및 빈도율 변화를 이차원상의 그래프로 분석하였다. 이를 위해 개념의 빈도율과 표준오차, 개념의 관련성 점수 평균과 표준오차를 이용하였다.
- 식물의 잎이 하는 일’학습 이전인 3주 전에 실시하였고, 사후 설문은 7단원을 배운 3주 후에 실시하였다.
- 식생 분석방법에서 일반적으로 사용되고 있는 종간 연관 검사에서 종의 대표성을 위해 빈도율 5% 이상인종들을 선정하여 연구하며(이호준 등, 1998), 학생들 개인보다 전반적으로 인식하고 있는 개념들을 파악하기 위해서 설문에서 제시한 광합성 네 영역별 빈도율이 5% 이상인 개념들을 중심으로 분석하였다. 그리고 학생들이 제시한 개념들이 다양하고 비슷한 것들이 많아서 유사한 것끼리 범주화 시켰다.
- 제작된 예비 설문지를 5학년 학생들에게 투입한 후 분석하였다. 예비 설문을 통해 나타난 문제점들을 바탕으로 학생들이 보다 쉽게 작성할 수 있도록 소화 관련의 설문 예시 내용을 첨가하였고 광합성 네 영역에 제시된 그림 속의 실험 도구 및 기구는 기입하지 않도록 설문지를 보완하였다. 그리고 생물학 전문가 1인, 과학교육 전문가 1인, 인지심리 전문가 1인, 초등 교사 3인, 중등 생물 교사 6인의 자문을 얻어 수정∙보완을 하여 최종 설문지를 개발하였다.
- 이 연구는 개념의 다양성, 개념의 관련성과 빈도율 변화, 개념 간 경쟁관계로 구성된 생태 지위적 접근을 통하여, 광합성 학습 전∙후에 5학년들이 인식하는 광합성 개념 간 관계를 분석하였다. 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구성되어 있으며, 각 영역별로 알고 있는 개념과 그 개념의 관련성 정도를 점수(1~30점)로 기입하도록 제작되었다.
- 제작된 예비 설문지를 5학년 학생들에게 투입한 후 분석하였다. 예비 설문을 통해 나타난 문제점들을 바탕으로 학생들이 보다 쉽게 작성할 수 있도록 소화 관련의 설문 예시 내용을 첨가하였고 광합성 네 영역에 제시된 그림 속의 실험 도구 및 기구는 기입하지 않도록 설문지를 보완하였다.
- 그리고 생물학 전문가 1인, 과학교육 전문가 1인, 인지심리 전문가 1인, 초등 교사 3인, 중등 생물 교사 6인의 자문을 얻어 수정∙보완을 하여 최종 설문지를 개발하였다. 최종 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구분되어 있으며, 각 영역에서 가장 적합하다고 판단되는 그림이 제시되었다. 각 영역에서 학생들 자신이 알고 있는 개념들을 기입한 후, 자신이 적은 개념이 그 영역에서 어느 정도의 관련성을 가지는지 최저 1점에서 최고 30점으로 관련성 점수를 적도록 하였다.
- 0K의 다차원 척도 분석법(ALSCAL)을 이용한 이차원의 인지도로 분석하였다. 학년에 따라 광합성 4개 영역별로 학생들의 개념 빈도 비율이 최소 5% 이상인 개념을 대상으로 개념 간 경쟁관계를 분석 하였다. 분석 방법은 다음과 같다.
- 학습 후에는 학생들이 광합성 장소에서‘줄기’와‘뿌리’, ‘빛’과‘양지’를, 생성물질에서‘잎’과‘영양분’, ‘산소’와‘녹말’을, 필요물질에서‘산소’와‘바람’, ‘바람’과‘이산화탄소’를, 환경요인에서‘온도’와‘이산화탄소’, ‘이산화탄소’와‘바람’, ‘바람’과‘산소’를 유사 하게 인식하였다.
대상 데이터
- 설문지는 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구성되어 있으며, 각 영역별로 알고 있는 개념과 그 개념의 관련성 정도를 점수(1~30점)로 기입하도록 제작되었다. 5개 도시 소재 11개 초등학교의 5학년 11학급 총 310명의 학생들을 대상으로 설문하여 분석하였다.
- 5학년 과학 교육과정에서는 주로 광합성 장소와 광합성 생성물질 영역에 초점을 맞추었지만, 광합성 네 영역에 대한 5학년들의 전반적인 인식을 파악하기 위하여 예비 설문지의 광합성 개념을 광합성 장소, 광합성 생성물질, 광합성 필요물질, 광합성 환경요인 네 영역으로 구분하였다. 그리고 과학 교과서의 광합성 관련 영역을 분석하여 각 영역에 가장 적합하다고 판단되는 광합성 관련 실험 그림을 선정하였다. 각 영역에서 제시된 실험 그림을 참고하여 평소에 알고 있는 개념을 네 영역의 표 안에 기입한 후, 자신이 적은 개념이 그 영역에서 어느 정도로 관련이 있는지를 최저 1점에서 최고 30점의 관련성 점수를 기록하도록 하였다.
- 본 연구는 대전, 광주, 대구, 울산, 화성 5개 도시에 있는 11개 초등학교의 5학년 11학급, 남 162명, 여 148명 총 310명으로 이루어 졌다. 각 학교에서 학력 수준이 중간정도인 학급으로 설문 대상을 선정하였으며, 한 지역으로 한하지 않고 여러 지역으로 한 까닭은 지역마다의 학력 편차를 반영하여 가능한 다양한 지역 소재 학생들의 일반적인 인식을 파악하기 위해서이다.
- 사전 및 사후 설문지는 350부씩 선정 학교에 보낸 가운데 95.7%인 335부씩이 회수되었으며, 이 중에서 전학 및 이해하기 힘든 글씨로 작성한 25부를 제외한 최종 310명의 사전 및 사후 설문지를 분석하였다.
데이터처리
- 5학년 학생들의 광합성 학습 전∙후의 설문에서 나타난 빈도율 5% 이상 개념들의 관련성 점수 평균과 표준편차(SD)를 제시하였다(표. 1).
- 개념 간 경쟁관계 분석도 광합성 네 영역별로 각 영역의 개념의 관련성 점수 평균과 빈도율을 활용하여, SPSS 17.0K의 다차원 척도 분석법(ALSCAL)을 이용한 이차원의 인지도로 분석하였다. 학년에 따라 광합성 4개 영역별로 학생들의 개념 빈도 비율이 최소 5% 이상인 개념을 대상으로 개념 간 경쟁관계를 분석 하였다.
- 광합성 네 영역별로 학생들이 제시한 모든 개념들은 MS Excel 프로그램을 이용하여 개념의 다양성 지수로 분석되었다. 개념의 다양성 지수가 높을수록 개념의 종류가 다양하고 수가 많아지기 때문에, 광합성 학습 전∙후에 나타난 개념의 다양성 지수를 광합성 네 영역으로 비교하여 그 변화를 분석하였다.
- 광합성 학습 전과 학습 후에 제시된 광합성 네 영역별 개념들을 빈도율과 표준오차, 관련성 점수 평균과 표준오차를 이용하여 개념의 관련성 및 빈도율 변화를 이차원적 그래프로 제시하였다. 개념의 관련성 및 빈도율 변화 그래프에서 나타난 개념의 위치는 개념의 관련성 및 빈도율을 바탕으로 나타난 학생들의 인식 위치로 해석된다.
- 위의 방법을 MS Excel 프로그램을 이용하여 학습 전∙후에 나타난 광합성 네 영역에 대한 개념의 관련성 및 빈도율 변화를 분석하였다. 학생들이 제시한 개념의 관련성 점수와 빈도율이 높을수록 그래프 속의 개념의 위치가 높아지기 때문에, 학생들이 그 개념을 광합성 영역에서 많이 인식하고 관련성이 높다고 인식하는 것으로 해석된다.
- 수업 전∙후에 제시된 빈도율 5% 이상 개념의 관련성 및 빈도율 변화를 이차원상의 그래프로 분석하였다. 이를 위해 개념의 빈도율과 표준오차, 개념의 관련성 점수 평균과 표준오차를 이용하였다. 그래프에서 X축은 개념의 관련성 점수이고 Y축은 개념의 빈도율로 나타냈으며 범위는 두 변수의 표준오차를 이용하여 사각형으로 제시하였다.
이론/모형
- 학년별 설문에 나타난 개념의 빈도율을 구하고, 종다양성 지수(Shannon, 2001) 수식을 활용하여 개념의 다양성 지수를 분석하였다. 분석방법은 다음과 같다.
성능/효과
- 광합성 장소 영역에서 학습 후에‘빛’과‘양지’개념들이 빈도율 5% 이상으로 나타났으며 특히, ‘빛’은 학습 전보다 학습 후에 빈도율이 약 80배로 증가한 점으로 보아, 학습을 통하여 광합성 장소 영역에서 빛과 관련된 개념들이 더욱 강해진 것으로 사료된다.
- 광합성 학습 전 제시한 개념들과 더불어 학습 후에 학생들은 광합성 장소에서‘빛’, ‘양지’를, 생성물질에서‘빛’을, 필요물질에서‘바람’을, 환경요인에서‘바람’, ‘이산화탄소’, ‘온도’를 더욱 많이 인식하고 있었다.
- 광합성 환경요인 영역에서 학습 후에‘바람’, ‘이산화탄소’, ‘온도’개념들이 빈도율 5% 이상으로 나타났는데, 광합성 필요물질에서 제시되었던‘바람’이 여전히 제시되었으며, ‘온도’는 광합성 네 영역에서 처음으로 제시되었다.
- 그러나 학생들의 선개념들이 많이 사라지긴 했지만 빈도율 5% 이상인 개념들 중에서도‘바람’, ‘뿌리’등이 제시되어 있었고 5% 미만이 개념들에서는 여전히‘흙’, ‘비타민’, ‘씨’등과 같은 선개념들이 많이 남아있었다.
- 그리고 학습 전에 제시한‘녹말’의 빈도율이 학습 후에 2배 이상 증가하였으며, 관련성 점수 평균도 증가하였다.
- 넷째, 5학년들은 광합성을 학습하기 전인데도 불구하고 선개념들과 더불어 어느 정도의 광합성 영역별 과학 개념들을 가지고 있었다. 이는 수업에 앞서 학교 외 사전 학습이 어느 정도 이뤄지고 있음을 시사하고 있다.
- 셋째, 학습을 통하여‘빛’에 대한 학생들의 인식이 높아지고 있지만, 광합성 영역에 따른 적절한 개념을 인식하지 못하고 있기 때문에 교사들의 지속적이면서 효율적인 교수 전략이 필요하다. 넷째, 학생들이 인식하는 개념들은 개념 생태내에서 위상을 갖고 복잡하게 얽혀져 있는 것으로 보아 생태 지위를 갖고 있는 것으로 판단된다.
- 다섯째, 광합성 영역별로 개념의 다양성, 개념의 관련성 및 빈도율 변화, 개념 간 경쟁관계 측면을 통하여 학습자들이 인식하는 개념들 간 위상이 다르며 서로 얽혀있는 것을 볼 수 있다. 개념의 다양성이 증가 하는 동시에 개념들 간의 관계도 달라지고 있는 것으로 보아, 학습자들이 인식하는 개념들은 개념 생태 내에서 생태 지위를 가지고 있다고 판단된다.
- 둘째, 학생들은 광합성 학습을 통하여 광합성 네 영역에서‘빛’의 관련성 및 빈도율이 높아진 것으로 나타났다.
- 둘째, 학습 후에도 학생들은‘뿌리’, ‘바람’등과 같은 오개념이 여전히 나타나고 있었으며, 광합성 영역별로 오개념과 과학 개념이 공존하고 있었다.
- 설문지의 관련성 점수 분포를 1점~20점으로 했을 시, 관련성 점수의 분포가 작아서 다차원 척도 분석법을 통한 개념 간 경쟁관계 인지도가 제대로 형성이 되지 않았다. 따라서 설문지의 관련성 점수 분포를 최저 1점에서 최고 30점으로 확정하였다.
- 셋째, 학생들은 광합성 학습 전에는 광합성 장소에서‘줄기’와‘뿌리’를, 생성물질에서‘잎’과‘물’, ‘영양분’과‘녹말’을, 필요물질에서‘산소’와‘공기’그리고‘흙’을 유사하게 인식하고 있었다.
- 첫째, 광합성 학습을 통하여 5학년들은 광합성의 모든 영역에서 공통적으로‘빛’과‘물’을 인식하고 있으면서 각 영역별로 다양한 개념들을 제시하고 있었다.
- 첫째, 학생들은 광합성에‘빛’과‘물’을 공통적으로 많이 인식하면서 다양한 개념들을 지니고 있었다.
- 특히‘줄기’와‘뿌리’개념끼리의 거리가 학습 전보다 학습 후에 다소 멀어진 것으로 보아 두 개념에 대한 학생들의 유사성 인식이 약해졌는 반면에, ‘잎’과‘물’개념끼리의 거리가 학습 전보다 학습 후에 더 가까워 진 것으로 보아, 두 개념에 대한 학생들의 유사성 인식이 강해졌는 것으로 판단된다.
- 학습 후에는‘흙’개념에 대한 인식이 줄어든 반면에‘바람’개념에 대한 인식이 증가하였고, 빈도율 5% 미만 개념들 중에선 여전히‘흙’, ‘공기’개념이 존재하고 있었다.
후속연구
- 그러므로 학습자들의 개념 생태 내 올바른 개념 변화를 위해서는 생태 지위적 접근을 통하여 현재 개념 간 관계를 파악한 후에 다양한 교수 전략을 통하여 지도를 하는 것이 효과적이라 본다. 그리고 보다 심층적인 학생들의 개념 간 인식 연구를 위해서 생태 지위적 접근 방식과 더불어 질적 연구가 병행된 후속 연구들이 필요하리라 본다.
- 그러나 과학 교육에서 개념 변화 및 개념 발달에 관련한 연구들은 많이 진행되어 왔음에도 불구하고, 개념의 생태 지위와 관련된 연구는 찾아보기 어렵다. 그리고 학습자가 인식하는 개념 간 관계를 더욱 면밀하게 파악하기 위해서는 개념에 대한 생태 지위적 접근을 이용한 연구가 필요하다.
- 따라서 생태 지위적 접근을 통하여 5학년 학생들의 광합성 개념에 대한 학습 전∙후에 그들이 지니는 광합성 개념 간 관계를 연구하였다. 이 연구를 통해서 5학년들의 광합성 개념 간 관계를 이해하고, 교육과정 개발자 및 교사들이 향후 광합성 교육과정 개발 및 지도 전략에 대한 기초 자료로 이용되기를 바란다.
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