[국내논문]문제해결형 탐구학습에 대한 인식과 학습이 실험 설계 능력에 미친 효과 : 과학 영재학생들에 대한 사례 연구 Understanding Problem-Solving Type Inquiry Learning and it's Effect on the Improvement of Ability to Design Experiments: A Case Study on Science-Gifted Students원문보기
이 연구는 과학자의 연구과정을 반영한 문제해결형 탐구학습 프로그램을 이용하여 고등학교 과학 영재학급 학생들을 대상으로 수업을 한 후, 문제해결형 탐구활동 수업에 대한 학생들의 인식, 활동 내용 및 수업의 효과를 분석한 것이다. 이를 위해 고등학교 부설 영재학급 1학년 학생 12명을 대상으로 사전 실험설계 능력 검사(DCT)를 한 후, '주기가 일정한 흔들이 만들기', '표면성장 실험', '메트로놈의 동기화현상'의 세 모듈을 적용하여 수업을 하였고, 그 후 사후 실험 설계능력 검사, 설문과 학생 면담을 실시하였다. 각각의 모듈은 과학적 의문의 생성, 해결 방안 모색을 위한 실험설계, 문제 해결 활동과 같은 일련의 과정들로 이루어져 있어 이를 통해 학생들이 문제해결형 연구 형태를 경험할 수 있도록 하였다. 조사 결과 학생들은 주어진 과정에 따라 기계적으로 하는 기존의 학교 수업과는 달리 자기주도적으로 실험을 설계하고, 해결 방안을 다양한 각도로 모색하여 직접 문제를 해결한다는 점에서 문제해결형 탐구 활동과 기존 수업과의 차별성을 인식하였다. 수업 과정 중 학생들은 발견한 문제를 해결하기 위해 끊임없이 사고하고 실험을 설계 해 보고, 직접 실험을 수행하면서 마침내 처음에 발견했던 문제를 해결할 수 있었다. 이러한 반복적인 과정을 통해 학생들은 과학자의 연구과정의 한 형태를 경험할 수 있었으며, 문제 해결형 연구과정에 대한 이해를 바탕으로 과학자의 연구과정에 대한 인식의 변화도 생겼음을 확인할 수 있었다. 수업의 효과 면에서 본 프로그램은 학생들의 체계적인 실험설계 능력의 향상, 현상의 원인에 대해 자유롭게 생각해 보고 의견을 발표하는 기회를 갖게 한 점 등에서 학생들에게 긍정적인 영향을 미친 것으로 보인다. 실험 설계 능력 사전 사후 검사 점수를 비교한 결과, 수업 후 대부분의 학생들은 실험설계 능력에 향상을 보였다. 기존의 따라 하기 식 실험에 익숙해져 있던 학생들은 처음에는 스스로 실험을 설계하는 데 다소 어려움을 느꼈지만 두 번째, 세 번째 수업을 하면서 체계적으로 실험을 설계하여 문제를 해결해 나가는 데에 조금씩 익숙해진 것을 확인할 수 있었다.
이 연구는 과학자의 연구과정을 반영한 문제해결형 탐구학습 프로그램을 이용하여 고등학교 과학 영재학급 학생들을 대상으로 수업을 한 후, 문제해결형 탐구활동 수업에 대한 학생들의 인식, 활동 내용 및 수업의 효과를 분석한 것이다. 이를 위해 고등학교 부설 영재학급 1학년 학생 12명을 대상으로 사전 실험설계 능력 검사(DCT)를 한 후, '주기가 일정한 흔들이 만들기', '표면성장 실험', '메트로놈의 동기화현상'의 세 모듈을 적용하여 수업을 하였고, 그 후 사후 실험 설계능력 검사, 설문과 학생 면담을 실시하였다. 각각의 모듈은 과학적 의문의 생성, 해결 방안 모색을 위한 실험설계, 문제 해결 활동과 같은 일련의 과정들로 이루어져 있어 이를 통해 학생들이 문제해결형 연구 형태를 경험할 수 있도록 하였다. 조사 결과 학생들은 주어진 과정에 따라 기계적으로 하는 기존의 학교 수업과는 달리 자기주도적으로 실험을 설계하고, 해결 방안을 다양한 각도로 모색하여 직접 문제를 해결한다는 점에서 문제해결형 탐구 활동과 기존 수업과의 차별성을 인식하였다. 수업 과정 중 학생들은 발견한 문제를 해결하기 위해 끊임없이 사고하고 실험을 설계 해 보고, 직접 실험을 수행하면서 마침내 처음에 발견했던 문제를 해결할 수 있었다. 이러한 반복적인 과정을 통해 학생들은 과학자의 연구과정의 한 형태를 경험할 수 있었으며, 문제 해결형 연구과정에 대한 이해를 바탕으로 과학자의 연구과정에 대한 인식의 변화도 생겼음을 확인할 수 있었다. 수업의 효과 면에서 본 프로그램은 학생들의 체계적인 실험설계 능력의 향상, 현상의 원인에 대해 자유롭게 생각해 보고 의견을 발표하는 기회를 갖게 한 점 등에서 학생들에게 긍정적인 영향을 미친 것으로 보인다. 실험 설계 능력 사전 사후 검사 점수를 비교한 결과, 수업 후 대부분의 학생들은 실험설계 능력에 향상을 보였다. 기존의 따라 하기 식 실험에 익숙해져 있던 학생들은 처음에는 스스로 실험을 설계하는 데 다소 어려움을 느꼈지만 두 번째, 세 번째 수업을 하면서 체계적으로 실험을 설계하여 문제를 해결해 나가는 데에 조금씩 익숙해진 것을 확인할 수 있었다.
We developed problem-solving type inquiry learning programs reflecting scientists' research process and analyzed the activities of science-gifted high school students, and the understanding and the effects of the programs after implementation in class. For this study, twelve science-gifted students ...
We developed problem-solving type inquiry learning programs reflecting scientists' research process and analyzed the activities of science-gifted high school students, and the understanding and the effects of the programs after implementation in class. For this study, twelve science-gifted students in the 10th grade participated in the program, which consisted of three different modules - making a cycloidal pendulum, surface growth, and synchronization using metronomes. Diet Cola Test (DCT) was used to find out the effect on the improvement of the ability to design experiments by comparing pre/post scores, with a survey and an interview being conducted after the class. Each module consisted of a series of processes such as questioning the phenomenon scientifically, designing experiments to find solutions, and doing activities to solve the problems. These enable students to experience problem-solving type research process through the program class. According to this analysis, most students were likely to understand the characteristics of problem-solving type inquiry learning programs reflecting the scientists' research process. According to the students, there are some differences between this program class and existing school class. The differences are: 'explaining phenomenon scientifically,' 'designing experiments for themselves,' and 'repeating the experiments several times.' During the class students have to think continuously, design several experiments, and carry them out to solve the problems they found at first. Then finally, they were able to solve the problems. While repeating this kind of activities they have been able to experience the scientists' research process. Also, they showed a positive attitude toward the scientists' research by understanding problem-solving type research process. These problem-solving type inquiry learning programs seem to have positive effects on students in designing experiments and offering the opportunity for critical argumentation on the causes of the phenomena. The results of comparing pre/post scores for DCT revealed that almost every student has improved his/her ability to design experiments. Students who were accustomed to following teacher's instructions have had difficulty in designing the experiments for themselves at the beginning of the class, but gradually, they become used to doing it through the class and finally were able to do it systematically.
We developed problem-solving type inquiry learning programs reflecting scientists' research process and analyzed the activities of science-gifted high school students, and the understanding and the effects of the programs after implementation in class. For this study, twelve science-gifted students in the 10th grade participated in the program, which consisted of three different modules - making a cycloidal pendulum, surface growth, and synchronization using metronomes. Diet Cola Test (DCT) was used to find out the effect on the improvement of the ability to design experiments by comparing pre/post scores, with a survey and an interview being conducted after the class. Each module consisted of a series of processes such as questioning the phenomenon scientifically, designing experiments to find solutions, and doing activities to solve the problems. These enable students to experience problem-solving type research process through the program class. According to this analysis, most students were likely to understand the characteristics of problem-solving type inquiry learning programs reflecting the scientists' research process. According to the students, there are some differences between this program class and existing school class. The differences are: 'explaining phenomenon scientifically,' 'designing experiments for themselves,' and 'repeating the experiments several times.' During the class students have to think continuously, design several experiments, and carry them out to solve the problems they found at first. Then finally, they were able to solve the problems. While repeating this kind of activities they have been able to experience the scientists' research process. Also, they showed a positive attitude toward the scientists' research by understanding problem-solving type research process. These problem-solving type inquiry learning programs seem to have positive effects on students in designing experiments and offering the opportunity for critical argumentation on the causes of the phenomena. The results of comparing pre/post scores for DCT revealed that almost every student has improved his/her ability to design experiments. Students who were accustomed to following teacher's instructions have had difficulty in designing the experiments for themselves at the beginning of the class, but gradually, they become used to doing it through the class and finally were able to do it systematically.
과학적 탐구는 자연 현상을 관찰하여 의문을 제기하고, 그 의문에 대한 답을 제안하여 검증하는 활동 (NRC, 2000)이라고 할 수 있다. 따라서 과학적 탐구의 출발점은 자연 현상을 관찰하여 의문을 생성하는 것에 있다고 할 수 있다(교육부, 1999; Chin & Brown, 2002).
전통적인 과학 교육의 중요한 교육 목적은 무엇인가?
전통적인 과학 교육의 중요한 교육 목적은 체계화된 지식을 학생들에게 전달하는 것이었다. 그러나 구성주의적 과학 교육의 목적은 학습자 스스로 과학 지식을 발견하고, 이 과정에서 새로운 지식을 생성할 수있는 능력을 습득하는 것이다(권용주 등, 2003).
문제해결형 프로그램 모듈은 어떤 순서로 제시되어 있는가?
문제해결형 프로그램 모듈은 직면한 문제 들을 계속적으로 해결하는 과정을 통해 과학자의 연구과정을 경험하게 하는 것을 목적으로 개발되었다 (강성주 등, 2011). 그림 1은 문제해결형 프로그램의 과정을 도식화하여 나타낸 것으로, 프로그램 모듈의각 단계는 현상제시와 탐색, 연구 활동, 문제 상황 발견, 해결 방안 모색, 문제 해결 활동, 결과분석, 문제 해결 순서로 제시되어 있다.
참고문헌 (19)
강성주, 김현주, 이길재(2011). 과학영재들을 위한 창의적 탐구활동 프로그램. 북스힐.
권용주, 정진수, 박윤복, 강민정(2003). 선언적 과학지식의 생성과정에 대한 과학 철학적 연구 - 귀납적, 귀추적, 연역적 과정을 중심으로. 한국과학교육학회지, 23(3),215-228.
하지희, 이화종, 강성주(2009). 모델링 활동에 대한 과학고등학교 학생들의 인식, 영재교육연구, 19(1),184-202.
Chin, C. A., & Brown, D. E. (2002). Posing problems for open investigations: What questions do pupils ask?. Research in Science & Technological Education, 20(2), 269-287
Fowler, M. (1990) The diet cola test. Science Scope, 13(4), 32-34.
Gott, R., & Duggan, S. (1995). Investigative work in the science curriculum. Buckingham: Open University Press.
Jones, A. T., Simon, S. A., Black, P. J., Faibrother, R. W., Watson, J. R(1992). Open work in science: Development of investigations in schools. Hatfeild: Association for Science Education.
NRC (National Research Coucil, 2000). Inquiry and the national science education standards: A guide for teaching and learning. Center for Science, Mathematics, and Engineering Education. Washington, D. C.: National Academy Press.
Roychoudhury, A. & Roth, W. M. (1996). Interaction in an open-inquiry physics laboratory. International Journal of Science Education, 18(4), 423-445.
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