예비 초등교사의 과학 탐구 글쓰기 활동에서 나타난 이론과 증거의 조정 과정 분석 Analyzing Coordination of Theory and Evidence Presented in Pre-service Elementary Teachers' Science Writing for Inquiry Activities원문보기
본 연구는 예비초등교사들이 과학탐구를 수행하고 이에 대한 과학글쓰기를 분석하여 증거와 이론의 조정의 유형과 특성을 탐색하기 위한 연구이다. 본 연구에서 4개의 과학탐구활동에서 총 115개의 예비초등교사들의 글쓰기가 수집 및 분석되었다. 글쓰기 분석을 바탕으로 4개의 이론과 증거의 조정 유형을 발견할 수 있었다. 본 연구는 다음과 같이 유형을 제안한다. 유형1은 증거와 이론의 일치, 유형2는 증거와 이론의 일치 및 이론의 확장과 정교화, 유형3은 증거와 이론의 불일치, 마지막으로 유형4는 증거와 이론의 불일치 및 조정으로 보았다. 본 연구결과 우선 빈도수를 고려할 때 가장 많은 것에서 적은 것의 순으로 보면 유형1, 유형3, 유형2, 유형4의 순이다. 가장 빈도수가 높은 것으로 유형1이 나왔는데 이는 탐구질문에 내재된 이론이 참여자에 의해 쉽게 파악되었고 이를 지지하는 증거를 발견된 자료 중에서 골라냈다는 것으로 해석된다. 탐구주제와 조정유형의 빈도수 사이에 관련성이 별로 없었으나 예외적으로 활동1은 관련성을 보여주었다. 본연구의 이러한 결과는 학생들이 자신이 이미 가지고 있는 지식을 실험계획, 자료분석 및 해석 그리고 과학주장을 만들어내는 과정에서 잘 융합하고 있다는 점과 연관성이 있다고 보여진다.
본 연구는 예비초등교사들이 과학탐구를 수행하고 이에 대한 과학글쓰기를 분석하여 증거와 이론의 조정의 유형과 특성을 탐색하기 위한 연구이다. 본 연구에서 4개의 과학탐구활동에서 총 115개의 예비초등교사들의 글쓰기가 수집 및 분석되었다. 글쓰기 분석을 바탕으로 4개의 이론과 증거의 조정 유형을 발견할 수 있었다. 본 연구는 다음과 같이 유형을 제안한다. 유형1은 증거와 이론의 일치, 유형2는 증거와 이론의 일치 및 이론의 확장과 정교화, 유형3은 증거와 이론의 불일치, 마지막으로 유형4는 증거와 이론의 불일치 및 조정으로 보았다. 본 연구결과 우선 빈도수를 고려할 때 가장 많은 것에서 적은 것의 순으로 보면 유형1, 유형3, 유형2, 유형4의 순이다. 가장 빈도수가 높은 것으로 유형1이 나왔는데 이는 탐구질문에 내재된 이론이 참여자에 의해 쉽게 파악되었고 이를 지지하는 증거를 발견된 자료 중에서 골라냈다는 것으로 해석된다. 탐구주제와 조정유형의 빈도수 사이에 관련성이 별로 없었으나 예외적으로 활동1은 관련성을 보여주었다. 본연구의 이러한 결과는 학생들이 자신이 이미 가지고 있는 지식을 실험계획, 자료분석 및 해석 그리고 과학주장을 만들어내는 과정에서 잘 융합하고 있다는 점과 연관성이 있다고 보여진다.
This study aims to explore patterns and characteristics of coordination between evidence and theories which were found in pre-service elementary teachers' writing for their science inquiry. Five science inquiry activities and a total of 115 writings of the participant teacher at the elementary teach...
This study aims to explore patterns and characteristics of coordination between evidence and theories which were found in pre-service elementary teachers' writing for their science inquiry. Five science inquiry activities and a total of 115 writings of the participant teacher at the elementary teacher preparation university in Korea were collected and analyzed for this study. Based on the writing analyses there were found four types of coordination between the evidence and theory. We proposed four types as: Type 1-Consistency of evidence and theory; Type 2-Consistence of evidence and theory including more extension or elaboration of theory; Type 3-Inconsistence of evidence and theory Type 4-Inconsistence of evidence and theory followed by coordination of them. Firstly the findings indicated that the most to least frequent types were Type 1, Type 3, Type 2, and Type 4. The most frequent type was Type 1. It is interpreted that theory in the inquiry questions were frequently figured out by participants and they selected supporting evidence out of data found. There were rarely found relations between activity topics and frequencies of coordination types except in activity 1. The findings in this study will connect to the point of how students collaborate their previously owned knowledge with experiment planning, data analysis and interpretation and making of their own scientific claims.
This study aims to explore patterns and characteristics of coordination between evidence and theories which were found in pre-service elementary teachers' writing for their science inquiry. Five science inquiry activities and a total of 115 writings of the participant teacher at the elementary teacher preparation university in Korea were collected and analyzed for this study. Based on the writing analyses there were found four types of coordination between the evidence and theory. We proposed four types as: Type 1-Consistency of evidence and theory; Type 2-Consistence of evidence and theory including more extension or elaboration of theory; Type 3-Inconsistence of evidence and theory Type 4-Inconsistence of evidence and theory followed by coordination of them. Firstly the findings indicated that the most to least frequent types were Type 1, Type 3, Type 2, and Type 4. The most frequent type was Type 1. It is interpreted that theory in the inquiry questions were frequently figured out by participants and they selected supporting evidence out of data found. There were rarely found relations between activity topics and frequencies of coordination types except in activity 1. The findings in this study will connect to the point of how students collaborate their previously owned knowledge with experiment planning, data analysis and interpretation and making of their own scientific claims.
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문제 정의
따라서, 이러한 활동에 대한 교사의 경험이 중요하며, 그 경험에서 어떤 과정을 거치는지는 학생들의 탐구 활동과 체험 과정에 직간접적인 영향을 주기 때문에(Hashweh, 1996) 과학교육 연구와 교육에서 중요하게 다루어져야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 예비 초등교사의 과학 탐구 활동 맥락에서, 이론과 주장의 조정 과정의 유형과 특징은 어떠한지를 탐색하고자 한다.
이를 토대로, 본 연구에서 주목한 탐구 활동은 예비 초등 교사들에게 실험 기구 및 재료를 제공한 후, 그 활동 환경 내에서 스스로 질문하고, 자기 질문에 답을 하기 위해 실험을 고안하여 증거를 얻고 설명을 만들어내도록 구조화된 것이다. 따라서 연구에 참여한 예비 초등 교사들은 동일한 실험기구와 재료를 받아도 다른 연구 질문을 창출할 수 있으며 그 질문에 대한 답을 얻기 위해 실험을 계획하게 되는 것이다.
과학 활동 특히, 실험을 활동을 할 때, 학생들은 사전지식을 갖고 실험계획을 하며, 자료 분석 및 해석을 해내게 된다. 본 연구의 맥락은 예비 초등 교사들의 사전지식을 밝히고, 실험에서 얻은 증거와 자신의 이론이 맞는지를 검토하는 과정을 포함하는 탐구활동을 과학글쓰기로 표상해내도록 하였다.
본 연구는 인천 지역의 한 교육대학교의 과학 실험 관련 강좌에서 실시되었다. 이 강좌의 목적은 예비 초등 교사들이 초등학교 교과서에 나오는 과학실험을 학생의 입장에서 실행해 봄으로써 초등학생의 실험 활동 과정에 대한 이해를 높여 향후 교사가 되었을 때 적절한 교수학습 전략을 마련하도록 하는데 있었다. 연구에 참여한 예비 초등교사는 한 학기 동안 초등학교 4-5학년 과학 교과서에 나오는 실험을 그대로 실행해 보았다.
미국과학교육표준은 과학적 탐구의 기본 요소로서 질문하기(Asking), 설명하기(Explaining), 증거제시하기(Evidencing), 평가하기(Evaluating), 의사소통하기(Communicating)를 제시하고, 이 요소들의 학생 주도 혹은 교사/교재 안내의 정도에 따라 다양한 형태의 탐구 활동이 학교 수업에서 가능하다고 제안한다(NRC, 2000). 이를 토대로, 본 연구에서 주목한 탐구 활동은 예비 초등 교사들에게 실험 기구 및 재료를 제공한 후, 그 활동 환경 내에서 스스로 질문하고, 자기 질문에 답을 하기 위해 실험을 고안하여 증거를 얻고 설명을 만들어내도록 구조화된 것이다. 따라서 연구에 참여한 예비 초등 교사들은 동일한 실험기구와 재료를 받아도 다른 연구 질문을 창출할 수 있으며 그 질문에 대한 답을 얻기 위해 실험을 계획하게 되는 것이다.
이에, 본 연구에서는 학교 과학의 실제가 다루어야 하는 과학의 탐구 즉, 과학 지식 생성 과정에서 ‘증거와 이론의 조정’ (coordination of theory and evidence) 과정을 탐색하고자 하였다.
제안 방법
양팔 저울에 관한 이러한 기본적인 이해를 바탕으로 자기 질문에 대한 답을 얻기 위해, L은 다양한 무게의 추를 준비하여 양팔 저울의 반대쪽에 여러 가지 경우로 무게를 달아 수평 여부를 확인하는 실험을 설계하였다. L은 다른 쪽 “① 4번 20g, ② 2번에 40g, ③ 1번에 80g과 같이 단순히 무게×거리의 값이 좌우가 같을 때” 뿐만 아니라 “⑤ 2번에 20g, 4번에 10g, ⑥ 2번에 10g, 3번에 20g, ⑦ 1번에 30g, 2번에 10g, 3번에 10g, ⑧ 1번에 10g, 2번에 10g, 5번에 10g”과 같이 (무게×거리)의 합이 좌우가 같을 때까지 수평이 성립함을 확인하였다.
예비 초등 교사의 과학 탐구 실험에 관한 글쓰기 자료로부터 증거와 이론의 조정 과정에 대한 유형과 특징을 탐색한 결과, 네 가지 유형에 대한 빈도수와 각 유형의 대표적 사례를 살펴보았다.
”이었다. 이러한 이해를 바탕으로 N은 자기 질문에 대한 답을 얻기 위해, 수조 속에 높이가 다른 촛불 세 개를 넣고 사이다에서 나온 기체가 수조로 들어갈 수 있도록 고무관과 기역자 유리관 등을 설치한 후 사이다를 흔들어 기체가 나오도록 실험을 설계하였다. 실험 관찰 결과 키가 작은 촛불부터 불이 꺼진 것을 관찰 확인하고, 그 증거를 토대로 N은 “사이다를 흔들어서 나온 기체는 이산화탄소이다”라는 주장을 하였다.
첫 부분에서는 증거와 이론의 조정 유형의 양적 분석 결과를 제시하고, 두 번째 부분에서는 각 유형에 대한 전형적 사례에 대해 심층적으로 기술하고자 한다. 이상 두 부분으로 연구 결과를 나누어 기술하고, 이를 종합하여 논의를 전개하고자 한다.
이상의 분석 기준을 만든 후, 2명의 연구자가 그 기준을 토대로 각기 자료를 코딩하였다. 연구자간 내적 일치도(inter-reliability)는 .
학생들에게 아래와 같은 준비물과 함께 제안한 것은 ‘다음의 실험 준비물을 이용하여 시험가능한(testable)’한 질문을 만들도록 요구하였다. 즉 기존의 과학실험이 지나친 비약이나 추상적인 개념으로의 확대 그리고 비유실험의 형태로 진행되던 것을 지양하고, 논리 실증주의적 관점에서 실험에서 시험가능한 질문을 제시하고 그 실험과정 및 결과로부터 그 질문에 대한 답의 형태를 이끌어 내는, 즉 자신이 아는 기지의 이론과 실험을 통한 증거를 바탕으로 자신의 과학적 주장을 해보는 경험을 하도록 고려하였다.
”이다. 탐구 질문에 대한 답을 얻기 위해, A는 구리판과 아연판 끝에 초콜릿을 얹어 놓고 열을 가하여 녹는 시간을 측정하는 실험을 설계하였다. 실험을 수행한 결과, 아연판 위의 초콜릿이 더 빨리 녹기 시작한 것을 관찰하였고, 관찰 증거를 토대로 “구리판보다 아연판의 열전도율이 더 높다.
대상 데이터
본 연구는 인천 지역의 한 교육대학교의 과학 실험 관련 강좌에서 실시되었다. 이 강좌의 목적은 예비 초등 교사들이 초등학교 교과서에 나오는 과학실험을 학생의 입장에서 실행해 봄으로써 초등학생의 실험 활동 과정에 대한 이해를 높여 향후 교사가 되었을 때 적절한 교수학습 전략을 마련하도록 하는데 있었다.
본 연구에서 수집한 자료는 실험의 목표 개념이나 과정이 주어지지 않은 채 예비 초등 교사들이 그들에게 제공된 간단한 실험기구와 재료를 가지고 스스로의 탐구 활동을 수행하는 과정에서 수집한 것이다. 본 연구에서 분석 및 해석한 탐구 활동 글쓰기 자료는 총 115개였다. 활동 1은 23개, 활동 2는 29개, 활동 3은 27개, 활동 4는 17개, 활동 5는 17개였다.
성능/효과
L은 다른 쪽 “① 4번 20g, ② 2번에 40g, ③ 1번에 80g과 같이 단순히 무게×거리의 값이 좌우가 같을 때” 뿐만 아니라 “⑤ 2번에 20g, 4번에 10g, ⑥ 2번에 10g, 3번에 20g, ⑦ 1번에 30g, 2번에 10g, 3번에 10g, ⑧ 1번에 10g, 2번에 10g, 5번에 10g”과 같이 (무게×거리)의 합이 좌우가 같을 때까지 수평이 성립함을 확인하였다.
K는 자신이 제시한 질문을 확인하기 위해 실험을 설계하고 측정을 실시하였다. 그 결과, 물의 온도가 100℃에 도달하지 않았음에도 불구하고 본인의 질문에서 예상했던 현상 즉, 끓기 시작 또는 격렬하게 기포가 발생하는 현상이 일어났음을 발견하였다. 이러한 현상적인 관찰 증거를 바탕으로 K는 물의 온도가 100℃가 되어야만 팔팔 끓는 것은 아니라는 주장을 전개하였다.
즉, 활동 1은 예비 초등 교사들이 다양한 이론을 지니고 있었던 실험인데 반해 상대적으로 다른 활동들은 기존 이론이 제한된 경우였다. 따라서 예비 초등 교사들이 처음에 가지고 있던 이론으로부터 발생한 질문과 이를 검증 하는 과정에서 나온 정합성이 확보된 지식주장은 활동 1의 경우에 증거와 이론 사이의 불일치가 많이 나타났다. 따라서, 활동 1의 경우 유형 3이 많이 나타난 것으로 볼 수 있다(표 1).
예를 들어, 활동 1에서 나온 질문은 ‘물은 100℃에서 끓을까?’, ‘물이 팔팔 끓을 때의 온도는?’, ‘첫 기포가 생겼을 때와 완전히 끓을 때 온도가 같을까’, ‘100℃의 온도에서 물은 어떤 상태일까?’, ‘물이 끓을 때 비커 내의 온도가 일정한가?’, ‘물이 끓을 때 디지털 온도계와 막대 온도계의 측정 온도가 같을까?’ 등으로 매우 다양하였으며, 각 질문에 따라 사전 지식, 실험 설계, 증거 수집 및 주장 전개 등이 달라졌다. 따라서, 본 연구에서 관심을 가진 탐구 맥락은 완전히 열린 탐구(openinquiry)의 형태라기보다는, 실험기구와 재료로 제한을 두었지만 자기질문으로부터 출발하는 탐구의 형태를 갖는다고 할 수 있다.
본 연구에 참여한 예비 초등 교사들의 탐구 활동 과학글쓰기에 나타난 증거와 이론의 조정 과정의 빈도는 전체적으로 유형 1(57개, 49.6%)이 가장 많이 나타났고, 다음으로 유형 3(26개, 22.6%)이었다. 유형 2(7개, 6.
본 연구에서 살펴본 과학 탐구 글쓰기 보고서에서 연구 참여자들은 실험 결과가 자기가 원래 가지고 있던 이론이든지 혹은 외부 이론이든지 간에 그 무엇과도 일치하지 않게 될 경우, 불일치 가능성을 열거하면서 ‘오차 발생원인’이라고 명명할 뿐 불일치를 해소하려는 노력을 전개하지 않는 경향을 보였다.
실험 관찰 결과 키가 작은 촛불부터 불이 꺼진 것을 관찰 확인하고, 그 증거를 토대로 N은 “사이다를 흔들어서 나온 기체는 이산화탄소이다”라는 주장을 하였다.
실험을 수행한 결과, 아연판 위의 초콜릿이 더 빨리 녹기 시작한 것을 관찰하였고, 관찰 증거를 토대로 “구리판보다 아연판의 열전도율이 더 높다.
자료 분석 결과, 자신의 질문에 대한 실험을 통해 기존의 이론을 확인하는 유형 1에 해당하는 사례가 많이 나타난데 반하여, 유형 2는 상대적으로 드물게 나타나지만 이론의 확장(정교화)에까지 가는 큰 의미를 갖는다고 할 수 있다. 즉, 유형 1은 기존의 이론을 확인하는 단순 실험에서 벗어나지 못하는 반면, 유형 2 는 증거와 이론이 일치하지만 이론을 확인하는데서 그치지 않고 간단한 이론을 보다 정교하게 만들어가는 중요한 활동이 된 것으로 볼 수 있다.
이 유형의 사례는 탐구 활동 과학 글쓰기를 통해 자신이 가지고 있는 초기 이론을 증거 기반으로 하여 조정하는 과정 즉, 새로운 이론으로 수정 및 정교화하는 과정을 보여주었다. 증거와 이론의 조정 과정이 발생한 사례를 통해, 탐구 실험 경험을 통해 자신의 사전 이론을 점검하고 관찰 증거와의 인과적 관계를 타진하면서 자신의 사전 이론을 확장하는 지식 생성 과정을 볼 수 있었다. 이러한 사례는 단지 과학 탐구 실험이 확립된 과학적 이론을 확인하고 점검하는데 그치지 않고 자신의 사전 이론을 조정해 가는 중요한 과정이어야 한다는 점을 재조명해 준다.
후속연구
이와 더불어, 학교 과학 실제에서 이루어지는 다양한 수준의 증거와 이론의 조정 과정에 대한 미시적 조명과 그로부터 ‘실제적 인식론’(practical epistemology)(Sandoval, 2005)을 작동하도록 하기 위해 어떤 노력이 필요한지 재고해 볼 수 있다. 구체적으로, 과학 실험의 목적과 방법은 어떻게 이루어져야 하며, 실험보고서 작성에 관한 지침을 마련하는 실질적 자료로 활용될 수 있을 것이다.
‘증거와 이론의 조정’ 과정은 초등 과학 실험에서 관찰 증거와 이미 알고 있는 지식 간의 관계에 관한 것으로, 학생들은 증거를 기존 이론에 맞추거나, 증거와 이론이 불일치할 경우 증거를 무시하거나 이론에 대해 재고하는 등의 다양한 과정을 실행할 것이다. 이 과정에 대한 연구 탐색을 통해, 예비 초등교사가 증거와 이론을 구별하고 어떻게 조정하는지를 살펴봄으로써, 과학 지식의 임시성, 지식의 정당화 및 정합성 등에 대해 초인지 작용이 어떻게 이루어지는지를 간접적으로 알아볼 수 있을 것이다. 이와 더불어, 학교 과학 실제에서 이루어지는 다양한 수준의 증거와 이론의 조정 과정에 대한 미시적 조명과 그로부터 ‘실제적 인식론’(practical epistemology)(Sandoval, 2005)을 작동하도록 하기 위해 어떤 노력이 필요한지 재고해 볼 수 있다.
반면에 증거와 이론의 일치 또는 불일치 할 때 일부 예비교사들은 증거와 이론의 조정을 하였으며, 그 과정에서 반성적 사고를 통해 이론의 확장(정교화)까지 진행되는 매우 의미 있는 탐구 과정을 보여주었다. 즉 자기질문, 증거, 주장, 그리고 이론 사이의 정합성을 훈련할 수 있는 탐구 활동 과학글쓰기를 통해 과학탐구가 수행되는 과정을 경험하여 이에 대한 이해가 향상될 가능성을 보여준다.
특히, 본 연구의 참여자인 예비 초등 교사가 실행하는 인식론적 실제로서, 실험 활동을 통해 얻은 증거의 필요성 판단, 기존 개념의 평가, 증거와 이론의 조정 등의 과정 경험은 향후 학교 과학실험의 목표와 과정을 조직하는데 중요한 역할을 할 것이다. 교사는 학교 과학실험에서 학생들이 자신의 사전 지식을 어떻게 고려하고, 그 사전 지식과 실험 계획, 자료 분석, 실험 해석을 어떻게 연관시키도록 하는지의 실험 실제 운영을 이끄는 사람이기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과학수업의 고유한 본질은 무엇인가?
과학수업의 ‘고유한 본질’은 과학 세계에 학생들이 참여하는 것에 있는데, 구체적으로 과학적 추론에 참여하는 것이다. 과학적 추론에의 참여는 탐구를 수행하는 것이며, 초등과학에서 실험은 학생들이 탐구를 경험하는 것을 목표로 한다.
과학수업을 통하여 학생들은 어떤 능력을 기를 것이라 기대되는가?
과학적 탐구에서 실세계로부터 얻은 자료(증거)와 설명을 조정(증거를 의심하거나 설명을 개선하거나 하는 등)하는 과정이 핵심인 것처럼, 학교 과학에서 학생들도 과학자가 하듯이 관찰과 실험 자료를 근거로 하여 이론을 개선하고 새로운 지식을 구성할 것으로 기대되어야 할 것이다. 즉, 과학수업에서 학생들은 관찰과 실험 자료를 근거로 관찰 증거를 평가하고, 증거와 이론의 조정을 통해, 자신의 개념을 변화시킬 수 있는 능력을 기를 것으로 기대된다(Havdala & Ashkenazi, 2007). Kuhn et al.
학생들이 추론 과정에서 종종 실패하는 이유는 무엇인가?
그러나 그 과정은 쉽지 않다. 학생들은 과학적 추론에 종종 실패하는데, 증거와 이론을 잘 구별하지 못하며 (Kuhn, 2004), 관찰 증거에 대해서 증거기반(evidence-based)으로 평가하기 보다는 이미 가지고 있던 생각을 기반(idea-based)으로 평가하는 경향이 있기 때문이다(박종원 외, 1993). 반면, 과학자들은 증거와 이론을 구별하고, 증거와 이론의 조정을 하며, 초인지적 사고를 통해 그 조정 과정에 몰두한다.
참고문헌 (14)
박종원, 장병기, 윤혜경, 박승재 (1993). 중학생들의 빛과 그림자에 대한 증거 평가. 한국과학교육학회지, 13(2), 135-145.
Havdala R. & Ashkenazi, G. (2007). Coordination of theory and evidence: Effect of epistemological theories on students' laboratory practice. Journal of Research in Science Teaching, 44(8), 1134-1159.
Kuhn, D. (2004). What is scientific thinking and how does it develop? In U. Goswami(Ed.), Blackwell handbook of childhood cognitive development (pp. 371-393). Malden, MA: Blackwell.
Kuhn, D., Amsel, E., & O'Loughlin, M. (1988). The development of scientific thinking skills. San Diego, CA: Academic Press.
Lawson, A.E. (1992). What do tests of formal reasoning actually measure? Journal of Research in Science Teaching, 29, 965-983.
National Research Council (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. National Academy Press: Washington D.C.
Norman, O. (1997). Investigating the nature of formal reasoning in chemistry: Testing Lawson's multiple hypothesis theory. Journal of Research in Science Teaching, 34, 1067-1081.
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Shadish, W. & Neimeyer, R. (1989). Contributions of psychology to an integrated science studies: the shape of things to come. In S. Fuller, M. De Mey, T. Shinn & S. Woolgar (Eds.), the Cognitive turn (p. 17). Kluwer Academy Publishers.
Siegel, H. (1989). The rationality of science, critical thinking and science education. Synthese, 80(1), 9-42.
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