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문제 정의
- 이 연구는 학생들이 탄소 순환을 어떻게 이해하고 있으며, 탄소 순환을 지구 시스템과 관련지어 시스템 사고를 수행하고 있는지를 알아보고자 하였다. 평준화 일반계 고등학교 2학년 중 지구과학Ⅰ 을 이수한 학생 7명을 대상으로 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하고 종합하여 결론을 내리면 다음과 같다.
- 이런 교육의 변화를 위해서는 학교 현장에서의 학생들의 지구계 개념에 대한 이해가 필요하다. 이에 자연 순환 개념 중 지구온난화와 같이 사회 이슈가 되고 있는 고등학교 2학년 학생들의 지구시스템적 관점에 기반한 탄소 순환에 대한 개념을 알아보고자 한다.
- 그러므로 탄소 순환과 같은 복잡한 시스템을 바르게 이해하는데 있어서는 각 요소 간 상호작용과 이 작용들이 시스템에 미치는 피드백 효과를 고려한 시스템 사고의 적용이 적절할 것으로 생각된다. 이에 지구 시스템과학 교육의 주제로서 고등학교 지구과학Ⅰ 교과서에서 다루고 있는 탄소 순환에 대한 학생들의 개념을 지구시스템의 관점에서 분석하고자 한다. 따라서, 학생들의 지구시스템적 관점에 기반한 탄소 순환 개념을 알아보기 위한 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
- 학생 G는 기권 1개, 지권 2개, 생물권 2개, 인간 활동 1개, 총 6개로 수권을 제외한 지구 시스템 하위 영역에서의 탄소의 순환을 표현하였다. 특히 공장에서 이산화탄소를 배출하는 것을 이해하고 인간 활동이 탄소의 순환에 미치는 영향을 나타내었다. ‘동물 → 이산화탄소, 이산화탄소 → 석회암, 화산 → 이산화탄소, 이산화탄소 → 식물, 공장 → 이산화탄소’로 연상하였다.
제안 방법
- 개발한 ‘물 순환’에 대한 시스템 사고 수준 검사지를 참고하여 검사지의 틀은 유지하면서 ‘탄소 순환’에 관한 내용으로 수정을 하여 지구과학 전문가 1인과 박사과정수료 지구과학 교사 2인, 석사과정 지구과학 교사 2인으로 구성된 협의회에서 2차에 걸쳐 시스템 사고 검사지와 탄소 순환 관련 개념 검사지를 수정하였다. 개발된 검사지는 경상북도 특수목적고 K고등학교 과학 동아리 학생 5명을 대상으로 예비 투입을 하여 그 결과를 바탕으로 수정 및 보완을 하였다. 특히, 지구계 각 유형에 따른 탄소 순환 관련 개념 검사지의 개념을 추가하거나 학생들이 이해하기 쉬운 개념으로 수정하였다.
- 개발한 ‘물 순환’에 대한 시스템 사고 수준 검사지를 참고하여 검사지의 틀은 유지하면서 ‘탄소 순환’에 관한 내용으로 수정을 하여 지구과학 전문가 1인과 박사과정수료 지구과학 교사 2인, 석사과정 지구과학 교사 2인으로 구성된 협의회에서 2차에 걸쳐 시스템 사고 검사지와 탄소 순환 관련 개념 검사지를 수정하였다.
- 그림에 나타난 탄소 순환 관련 개념은 기권 1개, 지권 2개, 생물권 3개, 인간 활동 1개이며, 생물권과 지권을 1개 과정, 생물권과 생물권을 2개의 과정으로 연결하였으나 탄소 순환 관련 개념의 인과 관계를 효율적으로 연결하지 못하여 시스템적 관점에서 사용된 연결 고리는 없었다. 공장에서의 화석 연료 사용에 의한 대기 중 CO2의 증가로 지구 온난화가 일어나고 이 때문에 빙하가 녹아서 육지 면적이 감소하는 것을 나타내며 지구 시스템에서 탄소 순환과 지구온난화를 고려하는 시스템 사고를 수행하였다.
- 둘째, 학생들의 인과 지도 분석을 통하여, 시스템 요소와 그 과정을 알아내는 능력, 지구 시스템의 양상 파악, 요소를 조직하고 관계의 틀 안에서 위치시키는 능력 등을 알아내기 위하여, 탄소 순환 관련 비계층적인 인과지도를 작성하도록 한다. 그 결과에 대하여서는 그리기에 사용한 탄소 순환 관련 개념 수, 시스템적 관점에서 사용된 개념들의 연결 고리 수를 수치화하여 정량적으로 분석하였다.
- 그림 그리기 능력의 한계에 의한 영향을 줄이기 위해 최대한 많은 항목을 그림에 넣도록 하였다. 그림 분석은 이산화탄소와 인간의 영향, 탄소의 배출과 유입 과정에서 나타나는 탄소 순환 관련 개념과 지구 시스템을 구성하는 하위 영역에서의 상태 변화와 순환 과정, 개념 연결에 있어서 시스템적 관점에서 사용된 연결고리 수를 파악하였다.
- 학생 E는 그림 6과 같이 그림에 나타난 탄소 순환 관련 개념은 기권 1개, 수권 1개, 지권 2개, 생물권 3개이며, 개념을 연결하는 과정을 나타내지 않아서 시스템적 관점에서 사용된 연결 고리는 없었다. 기권, 지권, 수권에서의 다양한 활동 장면들을 그림으로 나타내었고, 특히 지권을 여러 개의 지층으로 나누어 구체적으로 표현하였다. 그러나 지구시스템 하위 영역에서의 연결 관계는 표현하지 못하는 미흡한 수준의 시스템 사고를 보였다.
- 첫째, 학생들은 탄소 순환 관련 연상된 개념과 연구자가 제시한 개념에서 적당한 개념들을 이용하여 탄소 순환에 대해 하나의 문장을 만들어 본다. 둘째, 학생들의 인과 지도 분석을 통하여, 시스템 요소와 그 과정을 알아내는 능력, 지구 시스템의 양상 파악, 요소를 조직하고 관계의 틀 안에서 위치시키는 능력 등을 알아내기 위하여, 탄소 순환 관련 비계층적인 인과지도를 작성하도록 한다. 그 결과에 대하여서는 그리기에 사용한 탄소 순환 관련 개념 수, 시스템적 관점에서 사용된 개념들의 연결 고리 수를 수치화하여 정량적으로 분석하였다.
- 단어 연상(Word Association)은 학생들의 사고 요소와 과정을 알아보는 데 유용하게 사용된다(Ben-zvi-Asseraf, Orion, 2005b). 본 연구에서는 탄소 순환과 관련된 친숙한 개념들을 생각나는 대로 자연 현상이나 인간 활동과 연결하여 적도록한 후, 연상된 개념들을 지구 시스템과의 관련성에 따라 기권, 수권, 지권, 생물권으로 분류하였다. 예시로 학생들이 잘 알고 있는 물의 순환을 그림 1와 같이 제시한다.
- 이 연구를 위하여 시스템 사고와 지구계 교육에 관한 국내·외의 문헌과 지구계의 ‘순환’ 관련 선행 연구 및 자료 수집을 하여 검사지를 개발하였다.
- 이 연구에 사용된 학생들의 시스템 사고를 알아보기 위한 검사지는 이효녕, 김승환(2009)이 개발한 ‘물 순환’에 대한 시스템 사고 수준과 이효녕 등(2011)의 ‘지구온난화’에 대한 시스템 사고 수준 검사지를 참고하여 검사지의 틀은 유지하면서 ‘탄소 순환’에 관한 내용으로 수정을 하여 개발되었다.
- 인과지도에 대한 결과 분석을 정량적으로 실시하기 위해 사용 개념 및 개념들의 연결고리는 직접 그 수를 헤아려 수치화하였으며, 지구시스템 각 하위 영역에 따른 탄소 순환 관련 개념 수를 파악하였다. 개념들의 연결 중 과학적 연결은 과학의 기본 법칙에 인정되거나 탄소 순환과 관련하여 이미 학자들의 연구를 통해 검증된 내용이나 관련 서적에 제시된 것을 의미하며, 비과학적 연결은 과학의 기본 법칙에 위배되거나 과학적 근거를 갖지 못하는 경우에 해당하는 것을 의미한다.
- 본 연구에서는 다음과 같은 단계에 따라 문항을 구성하여 검사지를 투입하였다. 첫째, 학생들은 탄소 순환 관련 연상된 개념과 연구자가 제시한 개념에서 적당한 개념들을 이용하여 탄소 순환에 대해 하나의 문장을 만들어 본다. 둘째, 학생들의 인과 지도 분석을 통하여, 시스템 요소와 그 과정을 알아내는 능력, 지구 시스템의 양상 파악, 요소를 조직하고 관계의 틀 안에서 위치시키는 능력 등을 알아내기 위하여, 탄소 순환 관련 비계층적인 인과지도를 작성하도록 한다.
- 탄소 순환 관련 개념의 연결은 에너지를 수반한 화학적 상태변화와 단순한 형태 과정으로 나누어 분석하였다. 시스템 사고 검사지를 분석한 결과는 표 4과 같다.
- 개발된 검사지는 경상북도 특수목적고 K고등학교 과학 동아리 학생 5명을 대상으로 예비 투입을 하여 그 결과를 바탕으로 수정 및 보완을 하였다. 특히, 지구계 각 유형에 따른 탄소 순환 관련 개념 검사지의 개념을 추가하거나 학생들이 이해하기 쉬운 개념으로 수정하였다. 포항시에 소재한 D고등학교 과학 동아리 학생 7명을 연구 대상자를 선정하여 검사를 실시하여 면담을 거친 후 결과를 분석하였다.
- 학생 E는 기권 1개, 생물권 2개이며, ‘사람 → 이산화탄소 → 식물 → 사람 → 이산화탄소’ 순으로 주로 탄소의 순환을 호흡과 광합성에 의한 생물권과 기권의 상호작용으로 이해하였다.
- 학생들이 적어놓은 결과를 토대로 먼저 탄소 순환 관련 연상된 개념을 지구 시스템적 관점에서 범주화하여 분석하였고, 생물권에 해당하는 개념 중 인간이 탄소의 순환에 미치는 영향을 알아보기 위해 인간 활동 범주를 첨가하여 각 지구 시스템의 하위영역에 해당하는 탄소 순환 관련 연상된 개념 수를 정량화하였다. 시스템 사고 검사지를 분석한 결과는 표 3과 같다.
- 학생들이 적은 결과를 토대로 지구 시스템 하위 영역에 관한 개념의 수와 연결 과정을 파악한 후 인과지도 분석이나 그림 그리기 분석에 반영하며, 면담을 통해서 사용된 단어들 사이의 연결에 대해서 물어보고 이들 연결에서 피드백 순환이 존재하는지 파악하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서 연구대상은 경상북도 포항시 소재의 평준화 일반계 남녀공학 D고등학교 2학년 학생들 중 지구과학Ⅰ 교과를 이수한 과학 동아리 학생으로 본 연구에 참여의사를 적극적으로 밝힌 학생 7명을 대상으로 선정하였다. 위 학교의 학생들로 선정하게 된 이유는 연구자가 근무하는 학교로서 연구 진행 중 학생들에게 좀 더 주의를 기울이며 학생 검사지를 살펴보고 확인이 필요한 경우 면담을 통하여 자세한 학생들의 탄소 순환 개념을 지구시스템적 관점에서 파악하기 위함이다.
- 이 연구는 학생들이 탄소 순환을 어떻게 이해하고 있으며, 탄소 순환을 지구 시스템과 관련지어 시스템 사고를 수행하고 있는지를 알아보고자 하였다. 평준화 일반계 고등학교 2학년 중 지구과학Ⅰ 을 이수한 학생 7명을 대상으로 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하고 종합하여 결론을 내리면 다음과 같다.
- 특히, 지구계 각 유형에 따른 탄소 순환 관련 개념 검사지의 개념을 추가하거나 학생들이 이해하기 쉬운 개념으로 수정하였다. 포항시에 소재한 D고등학교 과학 동아리 학생 7명을 연구 대상자를 선정하여 검사를 실시하여 면담을 거친 후 결과를 분석하였다.
성능/효과
- 이 연구에 사용된 학생들의 시스템 사고를 알아보기 위한 검사지는 이효녕, 김승환(2009)이 개발한 ‘물 순환’에 대한 시스템 사고 수준과 이효녕 등(2011)의 ‘지구온난화’에 대한 시스템 사고 수준 검사지를 참고하여 검사지의 틀은 유지하면서 ‘탄소 순환’에 관한 내용으로 수정을 하여 개발되었다. 개발된 시스템 사고 검사지와 탄소 순환 관련 개념 검사지는 지구과학 전문가 1인과 박사과정수료 지구과학 교사 2인, 석사과정 지구과학 교사 2인으로 구성된 협의회에서 2차의 협의를 통해 개발한 검사지의 목표와의 일치성, 논리적 전개, 문항의 적절성에 대해 코멘트를 받아 수정 및 보완을 하여 내용 타당도 검증을 받았다.
- 결과적으로, 상태변화 개념을 나타낸 학생은 1명이었으며 과정 개념은 5명이 3개 이하로 표현하였다. 이것은 이효녕 등(2011)에서 지구온난화를 중심으로 고등학생들의 시스템 사고를 확인한 결과보다 과정의 수가 적었다.
- 결과적으로, 탄소 순환 관련 시스템적 관점에서 사용된 연결 고리는 7명 중 2명이 2개, 3명이 1개로 나타났으며 2명은 연결 고리를 나타내지 못하였다. 이 결과는 문병찬 등(2004)에서 예비교사들의 탄소 순환에 대한 지구시스템 관련 개념에 나타난 연결 고리 결과와 비슷하다.
- 결과적으로, 탄소 순환 관련 연상된 개념의 수는 27개가 나타났으며 생물권이 인간 활동을 포함하여 12개로 가장 많았으며, 기권이 8개, 지권이 6개, 수권이 1개로 가장 적었다. 이 결과는 문병찬 등(2004)에서 탄소 순환에 대한 예비교사들의 인과지도에서 나타난 개념보다 적으며 기권에 관심이 많고 암석권과 관련되어서는 낮은 관심을 보이는 결과와는 차이가 있다.
- 학생들의 탄소 순환 관련 상태 변화와 과정의 개념은 상태변화 2개, 과정 8개로 나타났다. 구체적으로 상태변화는 융해와 연소, 과정의 개념에는 호흡, 용해, 침전, 분출, 광합성, 섭취, 매몰, 광합성이 확인되었다. 또한, 학생들의 탄소 순환 관련 시스템적 연결 고리는 표 6에서와 같이 2명의 학생이 2개의 연결고리를 나타내었고, 3명의 학생이 1개, 2명의 학생은 연결 고리를 나타내지 못하였다.
- 기권, 수권, 지권, 생물권, 인간 활동 모두를 그려놓았으며, 탄소가 지구시스템 각각의 하위 영역에 독립적으로 존재하는 것이 아니라 상호 작용하며 순환하는 모습을 보여 주었으며 시스템적 관점에서 사용된 연결 고리는 3개이었다. 그리고 대기 중의 CO2증가로 인한 온실 효과 증대를 표현하여 탄소의 순환에서 지구온난화를 연결하는 순환적인 사고를 나타내었다.
- 단어 연상과 인과 지도, 그림 그리기를 통한 시스템 사고 검사에서 나타난 탄소 순환 관련 개념, 상태변화와 과정 개념, 시스템적 관점에서 사용된 연결 고리 수는 각각의 검사에서 약간의 차이는 보이나 학생들의 시스템 사고 수행 정도는 각각의 검사지에서 거의 비슷하게 나타났다. 김동환(2004)은 시스템 사고를 수행하기 위해서는 인과 지도에서 피드백 연결고리가 완성되어져야 한다는 것을 강조하였다.
- 탄소 순환 관련 개념을 ‘나무 → 이산화탄소 →바다 → 석회암 → 마그마 → 화산가스 → 이산화탄소 → 식물 → 초식동물 → 화석연료 → 이산화탄소’ 순으로 연상하였다. 시스템 사고 검사지에 표현된 내용만으로는 탄소가 지구시스템 하위 영역에서 어떤 형태로 존재하며 순환하는지 알 수 없어서 면담을 통해 나무에는 유기물, 바다에는 이온, 식물에는 유기물, 초식 동물에는 유기물의 형태로 존재함을 확인하였다. 학생 E는 기권 1개, 생물권 2개이며, ‘사람 → 이산화탄소 → 식물 → 사람 → 이산화탄소’ 순으로 주로 탄소의 순환을 호흡과 광합성에 의한 생물권과 기권의 상호작용으로 이해하였다.
- ’로 탄소 순환 관련 개념을 생물권과 기권, 기권과 수권, 수권과 지권, 지권과 기권, 생물권과 생물권의 상호 작용으로 연결하였다. 지구시스템 모든 하위 영역에서 다양한 상태 변화와 과정으로 표현하였으며, 탄소 순환 관련 상태 변화와 과정 개념은 상태 변화 개념 2개, 과정 개념 7개로 7명의 학생 중 유일하게 상태 변화 개념을 포함하여 가장 많이 나타내었다. 학생 E는 ‘사람의 호흡 작용으로 대기 중으로 이산화탄소가 방출되고, 이산화탄소는 식물의 광합성 작용으로 식물의 유기물이 되고, 식물의 유기물을 사람이 섭취하며, 사람은 호흡 작용으로 대기 중으로 이산화탄소를 방출한다.
- 첫째, 단어 연상을 통하여 나타난 탄소 순환 관련 연상된 개념은 표 3에서와 같이 기권 8개, 수권 1개, 지권 6개, 생물권 10개, 인간 활동 2개로 총 27개이며, 학생 2명을 제외한 5명이 3개 이하의 탄소 순환 관련 개념을 연상하였다. 학생들의 탄소 순환 관련 상태 변화와 과정의 개념은 상태변화 2개, 과정 8개로 나타났다.
- 학생 F는 ‘C6H12O6 → CO2 + H2O + ATP + 열에너지’로 표현하였는데, 이는 생물권의 C6H12O6(포도당)이 세포호흡을 통해 CO2(이산화탄소)로 방출되는 것으로 탄소 순환 관련 연상된 개념은 기권 1개, 생물권 1개, 총 2개로 파악되었다.
후속연구
- 시스템 사고를 향상시키기 위해서는 학생들의 개념 수준에 따른 시스템 사고 향상을 위한 프로그램 개발과 이를 평가 할 다양한 평가 도구의 개발도 필요하다. 그뿐만 아니라, 시스템 사고 향상 수업을 받은 학생들의 성적 변화와 진로 선택에 있어서 높아진 시스템 사고능력이 학생들에게 어떠한 영향을 주었는지에 대해서도 보다 구체적으로 연구할 필요성이 있다.
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