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문제 정의
- 이 연구에서 개발된 모듈을 중학교 2학년 학생들에게 적용하여 과학 탐구 능력과 광합성과 관련된 개념 성취의 향상 및 수업을 통한 개념 변화의 패턴 효과를 알아보고자 하였다.
- Fast Plant는 생활사가 40일 정도로 짧고 연속 광조건 실험실 내에서 재배가 쉬워 탐구능력과 과학지식 성취도 향상에 효과성이 입증된 식물이다(Williams,1986; 김한수 등, 2001). 이 연구에서는 광합성의 연구에서 많은 과학자가 떠올린 창의적인 아이디어, 사고, 논쟁의 과정, 구조화된 탐구 절차를 학습자가 직접 체험할 수 있도록 재구성한 실험 모듈을 개발한 후, 중학교 2학년 학생들에게 적용하였을 때, 과학 탐구 능력과 광합성에 관련된 개념 성취도 향상 효과 및 수업을 통한 광합성 관련 개념 변화의 패턴을 알아보고자 한다.
- 이 연구에서는 속성 식물인 Fast Plant를 실험의 소재로, 초기 광합성 연구를 수행한 과학자의 탐구 과정을 재구성한 실험 모듈을 개발하고, 중학생 대상의 수업에 적용하여, 과학탐구능력과 광합성과 관련된 학생들의 개념성취도 향상, 개념의 유형 및 개념 변화의 패턴을 알아보았다.
제안 방법
- 학생들은 Fast Plant 키우기와 명반으로 종유석 만들기를 동시에 수행하면서 그 과정을 관찰 일지에 기록한다. 2주일간의 관찰 기록을 근거로 식물이 자라는 것과 무생물이 자라는 방법의 차이를 분석하며 Fast Plant를 처음 화분에 심었을 때 화분의 무게와 식물이 성장한 2주일 후의 화분의 무게를 비교 분석하여 식물의 먹이가 흙이 아니라는 헬몬트의 탐구 과정을 확인 학습하도록 한다. 그리고 2주일 간 키운 Fast Plant를 오븐을 이용하여 말린 후 발생하는 열량을 측정함으로써, 식물이 광합성을 하는 동안 빛 에너지를 식물체내의 화학 에너지로 바꾸어 축적한다는 사실을 확인한다.
- 전통적 실험 수업을 실시한 <표 3>과 같은 통제반의 수업 구성과 달리, 개발된 실험 모듈은 교사와 학생의 활동이 역동적으로 이뤄질 수 있는 실험 모듈Ⅰ과 Ⅱ, 총 4차시로 구성하였다. 개발된 모듈 수업은 문제 상황을 제시한 교사의 중심 질문에 학생들이 다양한 아이디어를 생산하고, 교사는 학생들의 초기 아이디어에 개방적 질문을 한 후, 토론∙논쟁 등 의사소통 탐구 상황을 관찰한다. 학생들은 아이디어 공유, 절충, 조정을 통해 현상을 탐구한 후, 과학자의 탐구 과정과 자신의 아이디어를 비교하여 새로운 탐구에 적용해본다.
- 개발된 실험 모듈의 수업 효과를 알아보기 위해 실험반의 학생들에게는 이 연구에서 개발한 실험 모듈 수업을, 통제반의 학생들에게는 실험반과 같은 내용의 7차 교육과정 중학교 과학 교과서에 제시된 실험 수업을 실시하였다. 두 집단을 대상으로 사전∙사후 검사 설계를 <그림 1>과 같이 실시한 후, 광합성과 관련된 학생들의 사전 개념 유형과 개념 변화의 패턴을 분석하였다.
- 권재술과 김범기(1994)가 개발한 초∙중학생들의 과학탐구능력 검사지를 사용하였다. 검사지의 문항은 4지선다형 총 30문항, 30점 만점으로 기초탐구능력 측정 문항 15문항과 통합탐구능력 측정 문항 15문항으로 구성되어 있다. 기초 탐구 능력에는 관찰, 분류, 측정, 예상, 추리가 포함되며, 통합 탐구 능력에는 자료변환, 자료해석, 가설설정, 변인통제, 일반화 등이 포함되어서 각 요소 당 3문항으로 구성되어 있다.
- 단편적인 지식으로 다양한 생화학적 작용이 복합된 광합성 과정을 의미있게 이해하기 어려우므로 과학자의 탐구 과정을 재구성한 실험 모듈을 개발 주제로 선정했다. 과학사와 중학교 2학년 과학 교과서에 소개된 광합성 연구자들의 탐구 과정과 광합성 과정의 내용을 분석한 후, 학습자의 탐구 활동 강조, 자료의 수집과 평가, 의사소통 기능 강화, 탐구를 위한 교사의 제공 단서, 시험용 질문의 개발을 내용으로 한 체계적인 모듈을 개발했다.
- 특히 생물교과에서 가장 어려워하는 주제 중 하나인 광합성에 대한 올바른 개념학습을 위해, 오개념이 과학적인 개념으로 변화되는 개념 변화를 거쳐야 한다(김동렬, 2008). 광합성 개념에 관한 성취도 검사 결과 나타난 실험반 학생들의 응답을 유형에 따라 단순 서술형, 직관적 관념형, 합목적적 설명형, 올바른 설명형, 틀린 설명형으로 범주화하여 광합성과 관련된 학생들의 개념 유형을 분석하고 수업 전∙후의 개념 변화 패턴을 조사하였다. 검사지의 기록 내용만으로 판단이 애매한 답변에 대해서는 학생과의 면접을 통해 정확한 의사를 확인하였다.
- 조사 결과, 개념 간의 연결 고리가 없거나, 고정된 개념의 틀로 인해 틀린 설명형, 단순 서술형, 직관적 설명형이 많았다. 그러나 개발한 모듈 적용 수업을 통해 새로운 개념 획득, 혹은 개념의 확장이 일어나 올바른 설명형의 개념 유형으로 변화하였다. ‘아마존의 밀림은 지구의 허파라고 한다.
- 두 집단을 대상으로 사전∙사후 검사 설계를 과 같이 실시한 후, 광합성과 관련된 학생들의 사전 개념 유형과 개념 변화의 패턴을 분석하였다.
- 원소, 화합물, 화합물의 생성과 분해, 에너지 등 복합적 개념이 포함되어 있는 광합성에 대해 과학자들의 탐구 과정을 순차적으로 과 같이 정리하여 광합성 연구자의 탐구 과정을 재구성한 모듈 개발의 기초로 삼았다.
- 이 연구에서 개발된 모듈은 광합성의 연구사에서 과학자에 의해 수행된 탐구 과정을 학교 현장에서 이용 가능하도록 재구성하여, 과학자의 탐구 과정에 포함된 탐구의 방법과 절차를 학생들 스스로 학습하도록 하고 있다. 따라서 모듈을 적용한 수업을 통하여 광합성과 관련된 개념의 습득보다는 사고하는 방법 또는 탐구하는 방법의 신장을 더욱 중요시하였다.
- 이 연구에서 개발한 실험 모듈은 탐구학습을 바탕으로 개발되었다. 광합성 연구자의 탐구 과정을 이해하는 과정에서 스스로 지식을 생산해 나갈 수 있도록 기회와 동기를 부여하며, 교사는 촉진자의 역할로 학생 스스로 문제 유형을 찾고 문제를 제기하여 자신 만의 모형, 개념, 전략을 세워 의미 있는 발견을 하게 하였다.
- 전통적 실험 수업을 실시한 과 같은 통제반의 수업 구성과 달리, 개발된 실험 모듈은 교사와 학생의 활동이 역동적으로 이뤄질 수 있는 실험 모듈Ⅰ과 Ⅱ, 총 4차시로 구성하였다.
- 광합성 개념 검사의 내용과 배점은 <표 6>과 같다. 통제반과 실험반의 수업 효과를 비교하기 위해 동일한 검사지로 사전∙사후 검사를 실시하였다. 각 문항은 서술형으로 답하도록 되어있으며, 생태계 내에서의 식물의 역할, 식물의 먹이, 식물체 내에서 물과 양분의 이동, 광합성 결과 생산되는 기체를 묻는 문항으로 이루어져 있으며 답과 답을 선택한 이유를 모두 적도록 되어있다.
- 학생들은 아이디어 공유, 절충, 조정을 통해 현상을 탐구한 후, 과학자의 탐구 과정과 자신의 아이디어를 비교하여 새로운 탐구에 적용해본다.
대상 데이터
- 식물을 재료로 하는 실험 학습의 경우 수업 시간의 제한과 보관의 어려움으로 현장에서 많이 소개되지 못하고 있다는 지적에 따라, 이 연구에서는 속성 식물인 Fast Plant를 실험 재료로 선택했다.
- 이 연구는 경기도 여주군 소재 Y중학교 2학년 학생 57명을 대상으로 하였다. 실험반 1학급 27명(남학생 12명, 여학생 15명)과 통제반 1학급 30명(남학생 15명, 여학생 15명)으로 구성하였으나, 그 중 처치 기간에 결시한 학생들은 분석에서 제외하였다.
데이터처리
- 실험반과 통제반 사전∙사후 검사의 두 종속 표본 t-검정을 이용하여 개발된 모듈의 효과를 조사하였다. 검사 결과는 SPSS(ver 10.0)를 이용하여 통계 처리하였다.
- 사전∙사후 검사의 두 독립 표본 t-검정을 이용하여 두 집단 간의 유사성을 검정하고, 개발된 모듈을 적용한 수업의 효과로 실험반과 통제반의 과학탐구능력과 광합성 관련 개념의 성취도를 검정하였다. 실험반과 통제반 사전∙사후 검사의 두 종속 표본 t-검정을 이용하여 개발된 모듈의 효과를 조사하였다.
- 사전∙사후 검사의 두 독립 표본 t-검정을 이용하여 두 집단 간의 유사성을 검정하였다. 사전 검사에서는 통제반과 실험반의 평균이 유의미한 차이가 없는 동질 집단이었으나, 사후 검사에서는 실험반의 평균이 통제반의 평균에 비해 2.
- 사전∙사후 검사의 두 독립 표본 t-검정을 이용하여 두 집단 간의 유사성을 검정하고, 개발된 모듈을 적용한 수업의 효과로 실험반과 통제반의 과학탐구능력과 광합성 관련 개념의 성취도를 검정하였다. 실험반과 통제반 사전∙사후 검사의 두 종속 표본 t-검정을 이용하여 개발된 모듈의 효과를 조사하였다. 검사 결과는 SPSS(ver 10.
이론/모형
- 권재술과 김범기(1994)가 개발한 초∙중학생들의 과학탐구능력 검사지를 사용하였다. 검사지의 문항은 4지선다형 총 30문항, 30점 만점으로 기초탐구능력 측정 문항 15문항과 통합탐구능력 측정 문항 15문항으로 구성되어 있다.
- 제7차 교육과정 중학교 과학2 교과서(김찬종 등, 2002; 박봉상 등, 2002; 소현수 등, 2002; 이광만 등, 2002; 이성묵 등, 2002; 정완호 등, 2002)에 소개된 광합성 연구자의 탐구 과정을 분석하여 조사한 실험 학습이 가능한 탐구 내용을 와 같이 선정하였다.
성능/효과
- 개발된 모듈을 적용한 수업은 유기물과 산소 생산자인 식물의 역할에 대한 포괄적인 개념 형성에 효과가 있었다. 그리고 광합성의 원료 물질과 식물의 먹이와 같이 광합성과 관련된 개별 개념들을 관련지어 광합성을 의미 있게 이해하게 하는데 효과가 있었다.
- 17점 높게 나타났으며 유의미한 차이가 있었다. 개발된 모듈을 적용한 수업이 교과서에 제시된 실험 수업에 비해 광합성과 관련된 개념성취도의 향상에 있어 더욱 유용한 것으로 나타났다<;표 9>. 이는 단순 암기식 수업에서 벗어난 과학사적 탐구과정을 접목한 수업이 개념 확립의 향상을 보인다는 정원우 등(2007)의 결과와 일치하는 것이다.
- 개발된 모듈을 적용한 실험반의 수업이 제7차 교육과정의 중학교 과학 교과서에 제시된 실험을 적용한 통제반의 수업에 비해 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 실험반 수업이 통제반 수업에 비해 과학탐구능력의 하위 요소 중에서 측정, 예상, 가설 설정 능력의 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다.
- 실험반 수업이 통제반 수업에 비해 과학탐구능력의 하위 요소 중에서 측정, 예상, 가설 설정 능력의 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다. 개발된 모듈이 과학탐구능력의 하위 요소 중 어떤 능력의 신장에 효과적인지 실험반의 사전-사후 검사 결과를 비교해 본 결과, 관찰, 예상, 일반화 능력의 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다. 실험반 수업은 통제반 수업에 비해 학생들의 광합성 관련 개념성취도에 더 효과적인 것으로 나타났다.
- 과학탐구능력의 하위 요소에 대한 실험반의 사전∙사후 검사 결과를 비교해 본 결과 추리를 제외한 관찰, 분류, 측정, 예상, 자료변환, 자료해석, 가설설정, 변인통제, 일반화 영역의 사후 검사 평균이 사전 검사에 비해 높게 나타났으며, t-검정 결과 관찰(p<.01), 예상(p<.01), 일반화(p<.05) 영역에서 개발된 모듈을 적용한 수업이 효과적인 것으로 나타났다.
- 각 문항은 서술형으로 답하도록 되어있으며, 생태계 내에서의 식물의 역할, 식물의 먹이, 식물체 내에서 물과 양분의 이동, 광합성 결과 생산되는 기체를 묻는 문항으로 이루어져 있으며 답과 답을 선택한 이유를 모두 적도록 되어있다. 광합성 개념 검사의 득점은 광합성 관련 수업에서 학생들이 성취할 것으로 기대하는 개념 하나에 1점씩 점수를 부여하여 총 27점 만점으로 득점을 산출하였다.
- 2주일간의 관찰 기록을 근거로 식물이 자라는 것과 무생물이 자라는 방법의 차이를 분석하며 Fast Plant를 처음 화분에 심었을 때 화분의 무게와 식물이 성장한 2주일 후의 화분의 무게를 비교 분석하여 식물의 먹이가 흙이 아니라는 헬몬트의 탐구 과정을 확인 학습하도록 한다. 그리고 2주일 간 키운 Fast Plant를 오븐을 이용하여 말린 후 발생하는 열량을 측정함으로써, 식물이 광합성을 하는 동안 빛 에너지를 식물체내의 화학 에너지로 바꾸어 축적한다는 사실을 확인한다. 모듈에서의 세부 질문은‘식물은 동물과 먹이의 종류 및 흡수 방법이 다른가? 식물의 생장은 종유석의 생장과 다른가? 우드워드의 물의 종류에 따른 77일간 식물 무게 증가량 비교 실험 및 헬몬트의 흙의 무게 변화량 실험에서 얻은 결론은? 탐구 결과에 대한 해석의 중요성은? 속성식물에 축적된 에너지량 측정 실험에서 식물 에너지원의 근원 물질은? 섭취한 먹이가 에너지를 생산할 수 없다면 어떻게 생활에너지를 얻는가?’등이다.
- 개발된 모듈을 적용한 수업은 유기물과 산소 생산자인 식물의 역할에 대한 포괄적인 개념 형성에 효과가 있었다. 그리고 광합성의 원료 물질과 식물의 먹이와 같이 광합성과 관련된 개별 개념들을 관련지어 광합성을 의미 있게 이해하게 하는데 효과가 있었다. 실험의 수행, 결과 해석, 결론 도출에 많은 비중을 두고 있는 교과서에 의존한 수업은 가설 설정, 실험 설계, 결과의 예측과 같은 탐구의 중요한 요소를 소홀히 할 수 있다.
- 두 종속 표본 t-검정을 이용하여 통제반과 실험반의 과학탐구능력 향상 효과를 검정한 결과, 통제반의 경우에는 사전∙사후 검사의 평균 간에 유의미한 차이가 없었으나, 실험반의 경우에는 유의미한 차이를 보였다<;표 8>. 따라서, 개발된 모듈을 이용한 수업이 교과서에 제시된 실험에 의존한 수업보다 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 더욱 효과적이라고 할 수 있다.
- 이러한 차이의 원인은 첫째, 교과서에서는 탐구의 절차나 방법이 모두 제공되고 학생들이 그에 맞춰 따라 하도록 구성되어 있는데, 개발된 모듈에서는 예상이나 가설 설정과 같은 탐구 과정을 학생이 직접 수행하도록 설계했기 때문이라고 생각된다. 둘째, Fast Plant를 기르면서 관찰하고, 키, 무게 등을 측정하는 과정이 학생들의 측정 능력의 향상에 유용했던 것으로 판단된다.
- 84점 높게 나타났으며 유의미한 차이가 있었다 <표 7>. 따라서 개발된 모듈을 이용한 수업이 교과서에 제시된 실험 수업에 비해 학생들의 과학탐구능력 향상에 효과적이라고 할 수 있다.
- 두 종속 표본 t-검정을 이용하여 통제반과 실험반의 과학탐구능력 향상 효과를 검정한 결과, 통제반의 경우에는 사전∙사후 검사의 평균 간에 유의미한 차이가 없었으나, 실험반의 경우에는 유의미한 차이를 보였다<표 8>. 따라서, 개발된 모듈을 이용한 수업이 교과서에 제시된 실험에 의존한 수업보다 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 더욱 효과적이라고 할 수 있다. 이러한 결과는 광합성 색소와 관련된 중∙고등학생의 창의력 및 과학적 사고력 향상을 위한 생물 실험 모듈을 적용한 실험이 기존의 실험 수업에 비해 학생들의 과학탐구능력을 향상시키는데 유의미한 차이가 있었다는 윤덕근 등(2003)의 연구나, 광합성에 관련된 과학사를 활용한 수업의 효과에 대한 위관량과 김성하(2002)의 연구 결과와 일치하였다.
- 학생의 탐구 활동 후에, 프리스틀리의 탐구 과정이 교사에 의해 소개되고 학생들의 아이디어와 과학자의 아이디어 또는 교사의 아이디어를 비교∙절충하여 새로운 아이디어를 생산한다. 새롭게 설정된 가설 검증을 위한 탐구 설계와 수행, 가설의 평가를 통해 식물이 광합성을 통해 산소를 생산한다는 결론을 도출하게 된다. 구체적인 내용은 <부록 1>에 수록하였다.
- 9%(14명/23명)의 학생들은 식물의 공기 정화 작용과 동물의 허파의 기능을 연관 지었다. 식물의 공기 정화 작용을 사전 개념으로 갖고 있던 학생들 중에서 44.4%(4명/9명)가 개발된 모듈의 수업을 통해 공기 정화 작용과 허파의 기능을 연관한 개념을 갖게 됨을 보여준다.
- 개발된 모듈이 과학탐구능력의 하위 요소 중 어떤 능력의 신장에 효과적인지 실험반의 사전-사후 검사 결과를 비교해 본 결과, 관찰, 예상, 일반화 능력의 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다. 실험반 수업은 통제반 수업에 비해 학생들의 광합성 관련 개념성취도에 더 효과적인 것으로 나타났다. 실험반의 수업은 생태계 내에서의 식물의 역할, 식물의 먹이, 식물체 내에서 물과 양분의 이동과 관련된 학생들의 개념 발전에 효과가 있었다.
- 개발된 모듈을 적용한 실험반의 수업이 제7차 교육과정의 중학교 과학 교과서에 제시된 실험을 적용한 통제반의 수업에 비해 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 실험반 수업이 통제반 수업에 비해 과학탐구능력의 하위 요소 중에서 측정, 예상, 가설 설정 능력의 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다. 개발된 모듈이 과학탐구능력의 하위 요소 중 어떤 능력의 신장에 효과적인지 실험반의 사전-사후 검사 결과를 비교해 본 결과, 관찰, 예상, 일반화 능력의 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 실험반의 광합성 관련 개념의 향상 정도를 개념별로 분류하여 살펴보면, 광합성과 기체 문항을 제외하고 생태계 내에서 에너지원인 유기물과 산소의 공급원으로써 식물의 역할을 묻는 문항(p<.05), 식물의 먹이와 관련된 문항(p<.001), 식물체 내에서 물과 양분의 이동에 대한 문항(p<.05)에서 유의미한 차이를 나타내었다.
- 그러므로 교과서에 제시된 내용들은 교사에 의해 학습자의 수준에 맞춰 호기심을 유발할 수 있도록 재구성되어야 한다. 이 연구의 실험소재로 활용한 Fast Plant 그리고 학습자의 호기심을 유발할 수 있는 학습 재료는 학생들의 과학탐구능력과 광합성 관련 개념의 성취에 유용하게 사용되었다.
- 검사지의 기록 내용만으로 판단이 애매한 답변에 대해서는 학생과의 면접을 통해 정확한 의사를 확인하였다. 조사 결과, 개념 간의 연결 고리가 없거나, 고정된 개념의 틀로 인해 틀린 설명형, 단순 서술형, 직관적 설명형이 많았다. 그러나 개발한 모듈 적용 수업을 통해 새로운 개념 획득, 혹은 개념의 확장이 일어나 올바른 설명형의 개념 유형으로 변화하였다.
후속연구
- 물론 광합성에 필요한 원료 물질이나 광합성의 산물을 확인하는 실험이 교과서에 소개되고 있지만, 그런 단편적인 지식으로는 다양한 생화학적 작용이 복합된 광합성 과정을 의미 있게 이해하기 어렵다. 그러므로 이전 광합성 연구자의 아이디어와 사고 논쟁의 과정을 재구성한 실험 모듈을 제공하면 효과적으로 탐구하는 방법을 배우고 탐구 결과를 통해 자연스럽게 광합성에 관련된 개념을 획득하게 될 것이다.
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