'생각하는 과학' 활동이 중학생들의 기체 분자 운동 개념의 이해에 미치는 영향과 그 활동에 대한 인식 Influence on the Understanding of the Gas Particles Behavior Concepts in 'Thinking Science' Activities of Middle School Students and Recognition on Its Activities원문보기
이 연구에서는 형식적 사고를 요구하는 '기체 분자운동'의 개념 이해에 형식적 조작기로의 인지가속을 목적으로 하는 '생각하는 과학' 활동을 사전에 적용했을 때 어떠한 효과가 있는지 알아보았으며 이 활동에 대한 학생들의 인식을 조사하였다. 교과서 내용 분석을 통하여, 기체 분자 운동의 개념 이해에 필요한 논리적 요소로 변인, 비례, 보상, 형식적 모형 등의 4가지 논리를 추출하였다. 실험 집단 학생들에게 4가지 논리와 관련된 9개의 '생각하는 과학' 활동을 처치한 후에 기체 분자 운동의 수업을 실시하고, 기체 분자 운동의 개념 이해에 대한 성취도 평가를 하였다. 기체 분자 운동 개념에 대한 실험 집단과 통제 집단간의 성취도는 t-검증 결과 유의미한 차이가 없었다. 성 별 분석에서는 사전 인지 수준을 공변인으로 한 공변량 분석 결과 실험 집단의 여학생이 유의미하게 성취도가 향상된 것으로 나타났다. 과학 성취도 평가의 논리 별 정답률에서는 변인 통제, 보상, 형식적 모형논리의 정답률이 통제 집단에 비해 높게 나타났으나 비례 논리는 거의 비슷하게 나타났다. 실험 집단의 '생각하는 과학' 활동에 대한 인식 조사 결과, 활동에 대한 인식이 긍정적일수록 성취도가 높게 나타났으며 과학적 사고력과 태도 영역이 기체 분자 운동의 성취도 사이에 상관관계가 있었다. 특히 구체적 조작기 후기(2B)의 학생들이 가장 긍정적 인식을 가지고 있었으며 성취도도 높았다. 학생들은 교과서에 나와 있지 않는 실험 소재를 다루게 되어 흥미로웠으며 실험 후 토론 시간을 가지면서 연구자가 된 듯한 느낌을 갖게 되어 '생각하는 과학' 활동을 통해 자신의 과학적 사고력이 향상된 것 같다고 답변하였다.
이 연구에서는 형식적 사고를 요구하는 '기체 분자운동'의 개념 이해에 형식적 조작기로의 인지가속을 목적으로 하는 '생각하는 과학' 활동을 사전에 적용했을 때 어떠한 효과가 있는지 알아보았으며 이 활동에 대한 학생들의 인식을 조사하였다. 교과서 내용 분석을 통하여, 기체 분자 운동의 개념 이해에 필요한 논리적 요소로 변인, 비례, 보상, 형식적 모형 등의 4가지 논리를 추출하였다. 실험 집단 학생들에게 4가지 논리와 관련된 9개의 '생각하는 과학' 활동을 처치한 후에 기체 분자 운동의 수업을 실시하고, 기체 분자 운동의 개념 이해에 대한 성취도 평가를 하였다. 기체 분자 운동 개념에 대한 실험 집단과 통제 집단간의 성취도는 t-검증 결과 유의미한 차이가 없었다. 성 별 분석에서는 사전 인지 수준을 공변인으로 한 공변량 분석 결과 실험 집단의 여학생이 유의미하게 성취도가 향상된 것으로 나타났다. 과학 성취도 평가의 논리 별 정답률에서는 변인 통제, 보상, 형식적 모형논리의 정답률이 통제 집단에 비해 높게 나타났으나 비례 논리는 거의 비슷하게 나타났다. 실험 집단의 '생각하는 과학' 활동에 대한 인식 조사 결과, 활동에 대한 인식이 긍정적일수록 성취도가 높게 나타났으며 과학적 사고력과 태도 영역이 기체 분자 운동의 성취도 사이에 상관관계가 있었다. 특히 구체적 조작기 후기(2B)의 학생들이 가장 긍정적 인식을 가지고 있었으며 성취도도 높았다. 학생들은 교과서에 나와 있지 않는 실험 소재를 다루게 되어 흥미로웠으며 실험 후 토론 시간을 가지면서 연구자가 된 듯한 느낌을 갖게 되어 '생각하는 과학' 활동을 통해 자신의 과학적 사고력이 향상된 것 같다고 답변하였다.
The purpose of this study was to investigate the recognition of middle school students on 'Thinking Science' activities and the influence on the understanding of the gas particles behavior concepts. For this study 125 students of four classes first grade in middle school were divided into two groups...
The purpose of this study was to investigate the recognition of middle school students on 'Thinking Science' activities and the influence on the understanding of the gas particles behavior concepts. For this study 125 students of four classes first grade in middle school were divided into two groups, the experimental and the control group. The SRT II test was carried out to identify the cognitive level of the students. The logical factors, needed to understand of the gas particles behavior concepts, were extracted. And the 9 'Thinking Science' activities designed to develop these factors were chosen and then implemented to the students of the experimental group. After the lesson for the gas particles behaviors, the achievement test of understanding of the gas particles behavior concepts and the survey of the students' recognition on 'Thinking Science' activities were administered. According to the results of the achievement test, there was not significant difference between the two groups on the whole. But only mature concrete operational students in the experimental group got high scores than those in the control group in analyzing the effect size. According to the results of the ANCOVA analysis, there was significant difference between the two girls' group. When students in the experimental group had a positive perceptions about 'Thinking Science' activities, they got higher achievement scores. This implied that there was a correlation between perception about 'Thinking Science' activities and their achievement in the gas particles behavior concepts. Especially, students with positive perception in mature concrete operational period got higher scores in science achievement. After the 'Thinking Science' activities, there was a high perceptions about improving in scientific thinking.
The purpose of this study was to investigate the recognition of middle school students on 'Thinking Science' activities and the influence on the understanding of the gas particles behavior concepts. For this study 125 students of four classes first grade in middle school were divided into two groups, the experimental and the control group. The SRT II test was carried out to identify the cognitive level of the students. The logical factors, needed to understand of the gas particles behavior concepts, were extracted. And the 9 'Thinking Science' activities designed to develop these factors were chosen and then implemented to the students of the experimental group. After the lesson for the gas particles behaviors, the achievement test of understanding of the gas particles behavior concepts and the survey of the students' recognition on 'Thinking Science' activities were administered. According to the results of the achievement test, there was not significant difference between the two groups on the whole. But only mature concrete operational students in the experimental group got high scores than those in the control group in analyzing the effect size. According to the results of the ANCOVA analysis, there was significant difference between the two girls' group. When students in the experimental group had a positive perceptions about 'Thinking Science' activities, they got higher achievement scores. This implied that there was a correlation between perception about 'Thinking Science' activities and their achievement in the gas particles behavior concepts. Especially, students with positive perception in mature concrete operational period got higher scores in science achievement. After the 'Thinking Science' activities, there was a high perceptions about improving in scientific thinking.
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문제 정의
이 연구에서는 중학교 1학년의 기체 분자 운동 단원의 수업 전에 관련 개념 이해에 필수적인 논리와 관련된 ‘생각하는 과학’ 활동들을 처치하였을 때 기체 분자 운동 관련 개념의 이해에 어떠한 효과가 있는지를 살펴보고, 이러한 활동에 대한 학생들의 인식을 인지적 영역, 과학적 사고력 영역, 태도 영역으로 구분하여 알아보고자 하였다.
이 연구에서는‘생각하는 과학’활동이 기체 분자운동의 개념 이해에 미치는 영향을 알아보았다.
이러한 결과를 토대로 중학교 학생들이 어려워하는 단원의 내용을 선정하고, 이 내용에서 요구되는 논리를 추출하여 ‘생각하는 과학’ 활동 가운데 추출된 논리와 관련된 활동들을 선별하여 학생들에게 처치 한다음 수업을 하면 어떠한 효과가 있을까하는 관점에서의 연구를 시도해 보고자 하였다.
제안 방법
9개의 ‘생각하는 과학’ 활동과 기체 분자 운동 단원 수업이 끝난 후 외연 변수의 영향을 최소화하기 위해 직후에 기체 분자 운동에 대한 성취도 평가를 실시하고 실험 집단에 한하여 ‘생각하는 과학’ 활동에 대한 학생들의 인식 설문 조사를 하였으며 연구 도중에 한 과정이라도 빠진 학생은 통계처리에서 제외시켰다.
기체 분자 운동의 개념 이해에 필요한 논리적 요소를 추출하여 그 요소들을 형성시키기 위한 ‘생각하는 과학’ 활동 9개를 선정하여 처치하였다.
전체 7문항으로 객관식, 단답형, 간단한 서술형 등의 유형으로 구성되어 있으며, 그에 대한 세부내용은 표 2에 나타내었다. 또한 논리 요소를 추출한 결과와 동일한 유형으로 구성 되도록 제작하였고 평가에 소요되는 시간은 45분으로 하였다.
사전 검사로는 SRT Ⅱ를 사용하여 학생들의 인지 수준을 검사하였고 실험 집단에는 ‘생각하는 과학’ 활동을 한 개의 프로그램 당 2차시씩 격주로 처치하였으며 학사일정을 고려하여 기체 분자 운동 수업을 시작하기 직전까지 9개의 활동을 정규 과학 교과 수업과 병행하여 처치하였다.
성취도 평가에 내재된 변인 통제, 비례, 보상, 형식적 모형의 4가지 논리도식 중‘생각하는 과학’활동을 통하여 어떤 논리의 적용이 기체분자 운동 개념 이해도에 가장 큰 영향을 미쳤는지에 대해서 알아보기 위하여 성취도 평가 문항의 정답률을 분석하였다.
이 설문 조사지는 사후 성취도 평가가 끝난 후 실험 집단에만 투입하여 분석하였으며 설문의 응답에 대한 구체적 답변을 듣기 위하여 그렇게 답변한 이유를 묻는 면담을 실시하였다. 이 연구에 사용된 설문 조사지는 과학교육전문가 2인과 대학원생 3인에게 타당도를 검증받아 사용하였다.
태도 영역은“생각하는 과학 활동이 과학에 대한 자신감에 도움을 주었는가?”, “생각하는 과학 활동이 과학에 대한 흥미에 도움을 주었는 가?”라는 2개 문항으로 구성되었다. 이와 같이 총 6개 문항의 설문을 작성하여 5단계 리커트 척도로 답변하도록 하였다.
인지 수준 별, 성 별, 논리 별로‘생각하는 과학’활동이 미치는 효과에 대해 분석하였으며‘생각하는 과학’활동에 대한 학생들의 인식과 기체 분자 운동에 대한 성취도와의 상관관계를 살펴보았다.
중학교 1학년 교과서에서‘분자의 운동’단원 중‘압력에 따른 기체의 변화’와‘온도에 따른 기체의 변화’4차시에 해당하는 중단원 내용 분석을 통하여 이 내용을 이해하기 위해서 필요한 논리요소들을 추출하였다.
추출된 논리적 요소로는 변인, 비례, 보상, 형식적 모형 등 이었으며, 그 요소들을 향상시키기 위해‘생각하는 과학’의 관련 활동 가운데 학사 일정 등을 감안한 투입 여건상 변인 및 변인 통제 활동 4개, 비례 활동 1개, 보상 활동 2개, 형식적 모형 2개 등 9개 활동을 선정하여 학생들에게 처치하였다.
학생들의 인식 설문 조사지는‘생각하는 과학’활동을 경험한 학생들이 인지적 영역(개념 이해와 성취도, 과학적 사고력 등)과 태도 영역에 대해 어떠한 인식을 가지고 있는지 조사하기 위하여 김지연(2003)이 작성한 것 가운데 과학적 사고력 문항을 인지적 영역에 포함시켜서 수정하여 사용하였다.
대상 데이터
‘생각하는 과학’ 활동이 기체 분자 운동의 개념 이해에 어떤 영향을 주는지를 연구하기 위하여 시에 위치하는 D중학교 1학년 4개 학급 125명을 군집표집하였으며, 실험 집단 2개 학급 62명(남 32명, 여 30명)과 통제 집단 2개 학급 63명(남 33명, 여 30명)으로 선정하였다.
이 설문 조사지는 사후 성취도 평가가 끝난 후 실험 집단에만 투입하여 분석하였으며 설문의 응답에 대한 구체적 답변을 듣기 위하여 그렇게 답변한 이유를 묻는 면담을 실시하였다. 이 연구에 사용된 설문 조사지는 과학교육전문가 2인과 대학원생 3인에게 타당도를 검증받아 사용하였다.
데이터처리
SRT II의 측정 범위는 구체적 조작기 전기 이하(2A-, -는‘이하’의 의미임)에서 형식적 조작기 전기 이상(3A+, +는‘이상’의 의미임)까지이므로 2A-는 3점, 3A+는 7점을 부여한 후 SPSS 통계프로그램을 사용하여 분석하였다.
‘생각하는 과학’활동에 대한 실험 집단 학생들의 인식 정도가 기체 분자 운동 성취도와 어떠한 관련이 있는지 알아보기 위해서 상관관계를 조사하였다. 실험 집단 학생들이 5단계 리커트 척도로 응답한 결과를 수집하여 각 문항별로 가장 부정적인 응답에서 가장 긍정적인 응답 순으로 1~5점을 부과하여 각 문항의 평균을 계산하였다. 평균점수가 클수록 긍정적인 인식을 나타낸다.
실험 집단과 통제 집단의 성 별에 따른 차이가 어떠한가를 알아보기 위해 사전 인지 수준 결과를 공변인으로 하여 기체 분자 운동 성취도 결과를 공변량 분석하였으며 그 결과를 표 7에 나타내었다.
이론/모형
SRT Ⅱ를 사용한 이유는 우리나라 중학교 1학년 학생들의 인지 수준이 대부분 구체적 조작기에 속하고 형식적 조작기에 속한 학생들의 비율은 상대적으로 매우 적기 때문에 (최병순, 허명, 1987; 강순희 등, 1996) 측정 범위가 구체적 조작기 전기 이하(2A-)에서 형식적 조작기 전기 이상(3A+)까지인 이 검사도구를 사용하였다.
이 연구에서는 일반적으로 분류해온 인지 수준 발달 단계보다 세분화한 Genevan 척도(Adey, Shayer, 1994)를 사용하여 자료를 수집하였다. 일반적으로 인지 발달 수준에 대한 통계처리를 하기 위하여는 전조작기(전기=1A(1점); 후기=1B(2점)), 구제적 조작기(전기= 2A(3점); 중기=2A/2B(4점); 후기=2B(5점); 과도기=2B/3A(6점)), 형식적 조작기(전기=3A(7점); 중기=3A/3B(8점); 후기=3B(9점))로 구분하여 1A부터 3B까지 1점~9점까지 부여하여 분석하였다.
성능/효과
2B 수준의 학생들에게 가장 적절하고 긍정적인 인식을 갖게 한‘생각하는 과학’활동의 처치를 통하여 획득한 논리들을 기체 분자 운동의 관련 개념에 대한 학습에서도 잘 적용함으로써 성취도 평가에서 가장 높은 결과를 얻었는데,이는 특수전이의 관점에서 효과가 있음을 보여주는 사례라고 하겠다.
검증받아 사용하였으며 신뢰도는 학생들의 검사결과를 토대로 Cronbach’s α의 신뢰도 계수를 구한 결과 0.79였다.
남학생과 여학생 모두 실험 집단의 성취도 평균이 통제 집단보다 높은 것으로 나타났으나 공변량 분석(ANCOVA) 결과, 남학생의 경우 두 집단 간의 추정 평균의 차이가 0.33점으로 거의 차이가 없었으나, 여학생의 경우는 두 집단 간에 통계적으로 유의미한 차이(p<0.05)를 보였으며 집단 간 추정평균의 차이도 9.47로 큰 차이를 보였다.
또한 실험 집단의 사전 인지 수준 별 기체 분자 운동 성취도 평가 결과는 연구 대상 학생들의 규모가 작고, 중학교 1학년 학생의 형식적 조작기 수준의 비율이 현저히 낮으므로 통계적 처리에 제한점이 있지만 2B 수준의 학생집단이 효과 크기(effect size)에서 0.57로 가장 높게 나타났다. 이는 실험 집단의 2B 학생들의 평균 정도의 학생이 통제 집단의 상위 28.
문항별로 구체적으로 살펴보면, 교과 내용을 이해하는 데 도움이 되었다는 1번 문항, 기체 분자 운동의 문제 풀이에 도움이 되었다는 2번 문항, 과학적 사고력 향상에 도움이 되었다는 4번 문항, 과학에 흥미가 생겼다는 6번 문항 등에 대한 인식은 약간 긍정적인 편이었으며, 과학 성적을 올리는 데 도움이 되었다는 3번 문항, 과학에 자신감이 생겼다는 5번 문항은 보통이다는 답변을 얻었다.
실험 집단과 통제 집단의 기체 분자 운동 성취도 평균차이가 5.63점으로 나타났으나 통계적으로는 유의미한 차이가 없었다. 이는‘생각하는 과학’활동을 처치 받은 학생이나 처치 받지 않은 학생들이 기체 분자운동 단원의‘압력에 따른 기체의 변화’와‘온도에 따른 기체의 변화’를 학습한 후에 실시한 개념 이해 검사 평가에서 의미 있는 차이가 나타나지 않았다는 것을 설명해준다.
실험 집단과 통제 집단의 성 별에 따른 인지 수준별 분포를 비교하면 남학생의 경우 실험 집단은 과도기(2B/3A), 통제 집단은 구체적 조작기 중기(2A/2B) 수준의 분포 비율이 다소 높으나 특정 인지 수준에 집중하지 않은 반면, 여학생의 경우 실험 집단과 통제 집단 모두 2A/2B 인지 수준의 학생들이 가장 많았으며, 구체적 조작기 후기(2B) 수준의 실험 집단 학생들이 통제 집단 학생들보다 더 많은 것으로 나타났다. 그리고 형식적 조작기 전기 이상(3A+) 수준의 학생들의 비율은 남학생이 여학생보다 높은 것으로 나타났다.
실험 집단과 통제 집단의 인지 수준 별 분포를 비교하면, 실험 집단은 2A/2B 수준이 가장 많았으며, 구체적 조작기까지의 비율이 64.6%, 과도기 29.0%, 형식적 조작기 6.5%이었다. 통제 집단도 구제적 조작기 중기(2A/2B) 수준이 가장 많았으며, 전체적으로 실험 집단과 비슷한 경향을 보이고 있다.
실험 집단의 성취도 평가의 논리 별 정답률을 보면 변인 통제 논리의 정답률이 77.8%로 가장 높았으며 보상 논리, 형식적 모형의 정답률은 69.5%와 71.9%로 거의 비슷하게 나타났다. 그러나 비례논리에 대한 정답률은 48.
연구에 사용된 기체 분자 운동의 성취도 평가 문항은 과학교육전문가 2인과 대학원생 3인에게 타당도를 검증받아 사용하였으며 신뢰도는 학생들의 검사결과를 토대로 Cronbach’s α의 신뢰도 계수를 구한 결과 0.79였다.
영역별로는 태도 영역과 인지적 영역 가운데 과학적 사고력 영역만이 성취도와 어느 정도 상관관계가 있으나 개념 이해와 적용 등 성취도와 직접적인 관련이 있는 인지적 영역은 매우 낮은 상관관계를 보였다.이는‘생각하는 과학’활동을 경험해 본 학생들이 이를 통하여 자신의 인지적 능력이 즉각적으로 향상된 것처럼 느끼지만 활동을 통해 얻어진 잠재적 능력이 실제적 능력으로 발현되기 위해서는 어느 정도의 경과시간이 필요로 하는 것으로 생각된다(Shayer,Adey, 1993; Iqbal, Shayer, 2000).
인지 수준에 따른 인식 정도에서는 구체적 조작기 후기(2B) 수준의 학생들이 인지적, 과학적 사고력, 태도 영역에서 모두 상대적으로 가장 긍정적인 인식을 가지고 있었으며 기체 분자 운동의 성취도도 높았다. 이는‘생각하는 과학’활동이 2B 수준의 학생들에게 흥미가 있었으며 도전 가능한 수준의 학습과제이었고, 적절한 인지적 갈등을 불러일으켜 적극적으로 상호작용에 참여하였기 때문에‘생각하는 과학’활동에 긍정적인 인식을 가질 수 있었고 성취도도 높일 수 있었다고 보여진다.
영역별로는 태도 영역과 인지적 영역 가운데 과학적 사고력 영역만이 성취도와 어느 정도 상관관계가 있으나 개념 이해와 적용 등 성취도와 직접적인 관련이 있는 인지적 영역은 매우 낮은 상관관계를 보였다.이는‘생각하는 과학’활동을 경험해 본 학생들이 이를 통하여 자신의 인지적 능력이 즉각적으로 향상된 것처럼 느끼지만 활동을 통해 얻어진 잠재적 능력이 실제적 능력으로 발현되기 위해서는 어느 정도의 경과시간이 필요로 하는 것으로 생각된다(Shayer,Adey, 1993; Iqbal, Shayer, 2000).
4%로 상당히 낮은 것으로 나타났다. 통제 집단의 논리 별 정답률은 보상, 변인 통제, 형식적 모형, 비례 논리의 순으로 64.3%, 62.3%, 59.8%,49.5%로 나타났다. 비례 논리를 제외하고는 거의 비슷한 수준의 정답률을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중학교 1학년 과학교과의 내용은 어떠한가?
중학교 1학년 과학교과의 내용은 형식적 조작 초기의 사고 수준을 요구하는 내용이 구체적 조작 사고를 요구하는 내용보다 더 많기 때문에 형식적 조작 수준의 학습 내용을 구체적 조작 수준의 학생에게 가르치는 것이 쉽지 않다(강순희 등, 1996). 우리나라 중학교 1학년 학생들의 인지 수준을 조사한 결과, 구체적 조작기 수준의 학생 비율이 48~67%, 과도기가 24~36%, 형식적 조작기 수준은 2.
형식적 사고를 요구하는 '기체 분자운동'의 개념 이해에 형식적 조작기로의 인지가속을 목적으로 하는 '생각하는 과학' 활동을 사전에 적용했을 때 어떠한 효과가 있고 이 활동에 대한 학생들의 인식을 조사 분석한 결과는 어떠한가?
실험 집단 학생들에게 4가지 논리와 관련된 9개의 '생각하는 과학' 활동을 처치한 후에 기체 분자 운동의 수업을 실시하고, 기체 분자 운동의 개념 이해에 대한 성취도 평가를 하였다. 기체 분자 운동 개념에 대한 실험 집단과 통제 집단간의 성취도는 t-검증 결과 유의미한 차이가 없었다. 성 별 분석에서는 사전 인지 수준을 공변인으로 한 공변량 분석 결과 실험 집단의 여학생이 유의미하게 성취도가 향상된 것으로 나타났다. 과학 성취도 평가의 논리 별 정답률에서는 변인 통제, 보상, 형식적 모형논리의 정답률이 통제 집단에 비해 높게 나타났으나 비례 논리는 거의 비슷하게 나타났다. 실험 집단의 '생각하는 과학' 활동에 대한 인식 조사 결과, 활동에 대한 인식이 긍정적일수록 성취도가 높게 나타났으며 과학적 사고력과 태도 영역이 기체 분자 운동의 성취도 사이에 상관관계가 있었다. 특히 구체적 조작기 후기(2B)의 학생들이 가장 긍정적 인식을 가지고 있었으며 성취도도 높았다. 학생들은 교과서에 나와 있지 않는 실험 소재를 다루게 되어 흥미로웠으며 실험 후 토론 시간을 가지면서 연구자가 된 듯한 느낌을 갖게 되어 '생각하는 과학' 활동을 통해 자신의 과학적 사고력이 향상된 것 같다고 답변하였다.
우리나라 중학교 1학년 학생들의 인지 수준을 조사한 결과는 어떠한가?
중학교 1학년 과학교과의 내용은 형식적 조작 초기의 사고 수준을 요구하는 내용이 구체적 조작 사고를 요구하는 내용보다 더 많기 때문에 형식적 조작 수준의 학습 내용을 구체적 조작 수준의 학생에게 가르치는 것이 쉽지 않다(강순희 등, 1996). 우리나라 중학교 1학년 학생들의 인지 수준을 조사한 결과, 구체적 조작기 수준의 학생 비율이 48~67%, 과도기가 24~36%, 형식적 조작기 수준은 2.2~9.5%로 대부분 구체적 조작기에 머물러 있으며 형식적 조작기에 있는 학생은 극히 적은 것으로 나타났다(김경미, 1999).
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