중등학생들의 과학과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 인식구조 비교 Comparing the Structure of Secondary School Students' Perception of the Meaning of 'Experiment' in Science and Biology원문보기
실험에 대한 메타적 인식은 학생들의 과학적 탐구와 과학의 본성에 대한 이해의 중요한 요소 중 하나이다. 이 연구에서는 중학생과 고등학생의 과학과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 인식을 알아보았다. 특히 이 연구에서는 언어 네트워크 분석방법을 사용하여 학생들의 인식을 구조적으로 확인하였다. 이 연구를 위해 190명의 중학생과 200명의 고등학생 이 연구에 참여하였다. 학생들은 과학에서의 '실험'과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 두 문항에 서술형으로 응답하였다. 수집된 응답을 바탕으로 총 4개의 언어 네트워크가 구성되었다. 연구 결과, 과학에서의 '실험'에 대하여 중학생들은 '우리', '직접', '원리' 등의 단어를 중심으로 활동적 측면에서의 실험을 인식하였다. 반면 고등학생은 '이론', '사실', '내용' 등의 단어를 중심으로 지식을 생성하는 탐구과정으로서의 실험으로 인식하였다. 또한 생물에서의 '실험'에 대하여 중학생은 '해부', '몸'을 중심으로, 고등학생은 '생명', '관찰'이 중심으로 인식하여 생명체를 다루는 관찰활동으로 인식하였다. 이러한 연구결과는 앞으로 과학 교과 및 생물 교과에서 실험을 지도하는데 있어서 중요한 근거자료로 활용될 수 있을 것이다.
실험에 대한 메타적 인식은 학생들의 과학적 탐구와 과학의 본성에 대한 이해의 중요한 요소 중 하나이다. 이 연구에서는 중학생과 고등학생의 과학과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 인식을 알아보았다. 특히 이 연구에서는 언어 네트워크 분석방법을 사용하여 학생들의 인식을 구조적으로 확인하였다. 이 연구를 위해 190명의 중학생과 200명의 고등학생 이 연구에 참여하였다. 학생들은 과학에서의 '실험'과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 두 문항에 서술형으로 응답하였다. 수집된 응답을 바탕으로 총 4개의 언어 네트워크가 구성되었다. 연구 결과, 과학에서의 '실험'에 대하여 중학생들은 '우리', '직접', '원리' 등의 단어를 중심으로 활동적 측면에서의 실험을 인식하였다. 반면 고등학생은 '이론', '사실', '내용' 등의 단어를 중심으로 지식을 생성하는 탐구과정으로서의 실험으로 인식하였다. 또한 생물에서의 '실험'에 대하여 중학생은 '해부', '몸'을 중심으로, 고등학생은 '생명', '관찰'이 중심으로 인식하여 생명체를 다루는 관찰활동으로 인식하였다. 이러한 연구결과는 앞으로 과학 교과 및 생물 교과에서 실험을 지도하는데 있어서 중요한 근거자료로 활용될 수 있을 것이다.
Perception of the experiment is one of the most important factors of students' understanding of scientific inquiry and the nature of science. This study examined the perception of middle and high school students of the meaning of 'experiment' in the biological sciences. Semantic network analysis (SN...
Perception of the experiment is one of the most important factors of students' understanding of scientific inquiry and the nature of science. This study examined the perception of middle and high school students of the meaning of 'experiment' in the biological sciences. Semantic network analysis (SNA) was especially used to visualize students' perception structure in this study. One hundred and ninety middle school students and 200 high school students participated in this study. Students responded to two questions on the meaning of 'experiment' in science and biology. This study constructed four semantic networks based on the collected response. As a result, middle school students about the 'experiment' in science are 'we', 'direct', 'principle' of such words was aware of the experiments from the center to the active side. The high school students' 'theory', 'true', 'information' were recognized as an experiment that explores the process of creating a knowledge center including the word. In addition, middle school students relative to 'experiment' of the creature around the 'dissection', 'body', high school students were recognized as 'life', 'observation' observation activities dealing with the living organisms and recognized as a core. The results of this study will be used as important evidence in the future to map out an experiment in biological science curriculum.
Perception of the experiment is one of the most important factors of students' understanding of scientific inquiry and the nature of science. This study examined the perception of middle and high school students of the meaning of 'experiment' in the biological sciences. Semantic network analysis (SNA) was especially used to visualize students' perception structure in this study. One hundred and ninety middle school students and 200 high school students participated in this study. Students responded to two questions on the meaning of 'experiment' in science and biology. This study constructed four semantic networks based on the collected response. As a result, middle school students about the 'experiment' in science are 'we', 'direct', 'principle' of such words was aware of the experiments from the center to the active side. The high school students' 'theory', 'true', 'information' were recognized as an experiment that explores the process of creating a knowledge center including the word. In addition, middle school students relative to 'experiment' of the creature around the 'dissection', 'body', high school students were recognized as 'life', 'observation' observation activities dealing with the living organisms and recognized as a core. The results of this study will be used as important evidence in the future to map out an experiment in biological science curriculum.
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문제 정의
그렇다면 우리는 과연 학생들과 어디까지 함께 해야 ‘실험’을 한다고 인정되는 것일까? 학생들은 과학에서의 실험을 어떤 의미로 인식하고 있으며, 이것은 개별 과학의 세부 교과목에서 어떤 차별적 기준과 의미공간을 형성할까? 이러한 의문에 답하기 위해서는 학생들이 실험에 대해 형성하고 있는 인식의 구조를 보다 명확히 파악하는 과정이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 과학에서의 실험의 의미와 함께 특히 생물에서의 실험의 의미를 어떻게 생각하는지 알아보려 한다.
이 연구는 중학생과 고등학생들이 형성하고 있는 과학과 생물에서의 ‘실험’에 대한 인식구조를 언어네트워크 방법론을 활용하여 구조적으로 파악해 보고자 하였다.
이 연구에서는 언어네트워크 분석 방법을 사용하여 과학실험과 생물실험에 대한 학생들의 인식구조를 알아보았다. 우선 전처리된 언어데이터들의 집단별 출현빈도를 Krkwic 프로그램을 사용하여 확인하였다.
언어네트워크분석법은 집단의 인식망을 구조적으로 도식화해서, 점(node) 수준의 지식만이 아닌 선(link)과 구조라는 큰 그림을 볼수 있게 도와주기 때문에 직관적 이해가 용이하다(Doerfel & Barnett,1999; Lewicki, Gray & Elliot, 2003). 이 연구에서는 언어네트워크방법을 사용하여 학생들의 과학과 생물에서의 실험을 인식을 나타내는데 사용하는 핵심적 개념 어휘가 무엇인지 확인하고, 실험에 대한 인식 구조를 맥락적으로 이해하고자 한다.
우선 전처리된 언어데이터들의 집단별 출현빈도를 Krkwic 프로그램을 사용하여 확인하였다. 이 연구에서는 집단별 출현빈도 상위 20위 내의 단어들을 대상으로 언어네트워크 분석을 수행하였다. 하나의 응답(문장) 속에서 동시에 출현하는 빈도에 따라 계산된 두 단어간의 유사도(similarity)를 바탕으로 학생들의 응답 행렬(학생×단어)을 20개의 단어들 간의 공출현 행렬(단어×단어)로 변환하였다.
특히 중등학생들의 인지구조 내에 ‘실험’자체에 대한 개념이 어떤 단어들을 중심으로 형성되고 있으며, 서로 어떤 관계를 맺으며 의미를 만들어가고 있는지 알아보았다.
제안 방법
이 단어들 중 각 집단의 인식에 핵심이 되는 단어들을 대상으로 분석하고자 각 집단별로 사용 빈도가 높은 단어 20개를 대상으로 네트워크 분석을 수행하였다. 결과적으로 과학 실험에 대한 집단별 인식 네트워크 2개와 생물 실험에 대한 집단별 인식 네트워크 2개로 총 4개의 언어 네트워크를 구성하였다.
고등학생들과 중학생들의 과학 실험과 생물 실험에 대한 인식 구조를 알아보기 위해 “내 생각에~ 과학에서 실험(experiment)은 이런 것이다”와 “내 생각에~ 생물에서 실험(experiment)은 이런 것이다”라는 두 문항으로 구성된 검사도구를 학생들에게 제시하였다.
네트워크의 계량적 분석지표로는 링크의 수, 밀도, 연결정도 중심성 지수와 매개중심성 지수를 확인하였다. 중학생의 과학에서의 실험에 대한 인식네트워크의 밀도를 살펴보면, 전체 연결가능한 링크의 수 중 연결된 링크의 수는 162개로 밀도는 0.
아울러 ‘생물’에서의 실험에 대한 인식은 고등학생들에게서는 총 303개, 중학생에게서는 총 341개의 의미 있는 단어들을 사용되었다. 이 단어들 중 각 집단의 인식에 핵심이 되는 단어들을 대상으로 분석하고자 각 집단별로 사용 빈도가 높은 단어 20개를 대상으로 네트워크 분석을 수행하였다. 결과적으로 과학 실험에 대한 집단별 인식 네트워크 2개와 생물 실험에 대한 집단별 인식 네트워크 2개로 총 4개의 언어 네트워크를 구성하였다.
네트워크의 양상은 학교급별로 뚜렷한 차이를 보였다(Table 1). 이 연구에서는 네트워크를 구성하는 노드, 즉 단어들의 네트워크 내지위를 나타내는 지표로 연결정도 중심성(degree centrality)과 매개 중심성(betweenness centrality)을 사용하였다. 연결정도 중심성을 기준으로 형성된 동심형(concentric) 네트워크를 가시화하면 Figure 1과 같다.
이렇게 만들어진 공출현 행렬을 바탕으로 네트워크의 구조적 특성을 나타내는 각종 지표들이 산출되었다(Lee & Ha, 2012). 이 연구에서는 노드의 수, 링크의 수, 네트워크의 밀도(density)를 통해 학생들의 인식 네트워크의 구조를 전체적으로 확인하였으며, 연결정도 중심성(degree centrality), 매개중심성(betweenness centrality) 지수를 기준으로 각 단어들의 네트워크 내의 구조적 위치를 확인하였다. 특히 연결정도 중심성을 바탕으로 동심원(concentric)네트워크를 시각화하여 집단별로 각 단어들이 네트워크상 중심에 위치해 있는 정도를 쉽게 비교할 수 있도록 하였다(Park & Leydesdorff, 2004; Wassetman & Faust, 1994).
특히 연결정도 중심성을 바탕으로 동심원(concentric)네트워크를 시각화하여 집단별로 각 단어들이 네트워크상 중심에 위치해 있는 정도를 쉽게 비교할 수 있도록 하였다(Park & Leydesdorff, 2004; Wassetman & Faust, 1994).
하나의 응답(문장) 속에서 동시에 출현하는 빈도에 따라 계산된 두 단어간의 유사도(similarity)를 바탕으로 학생들의 응답 행렬(학생×단어)을 20개의 단어들 간의 공출현 행렬(단어×단어)로 변환하였다.
학생들은 이 문항들에 대해 자유롭게 자신의 생각을 서술하도록 구성되었다. 학생들이 서술한 응답자료는 텍스트파일로 변환된 후 한국어 기반 대용량 언어 분석 프로그램인 Krkwic을 활용하여 형태소 단위로 나누었다. 나누어진 단어들 중 학생들의 인식이 반영된 의미있는 형태소만을 분석대상으로 선별하였다.
대상 데이터
학생들이 서술한 응답자료는 텍스트파일로 변환된 후 한국어 기반 대용량 언어 분석 프로그램인 Krkwic을 활용하여 형태소 단위로 나누었다. 나누어진 단어들 중 학생들의 인식이 반영된 의미있는 형태소만을 분석대상으로 선별하였다. 즉 ‘~는’, ‘~가’ 와 같은 조사, ‘~이다’ 와 같은 서술어와 ‘그래서’, ‘하지만’, ‘그리고’와 같은 접속사는 분석대상에서 제외하며 동사들은 명사화 하는 과정을 수행하였다.
아울러 ‘생물’에서의 실험에 대한 인식은 고등학생들에게서는 총 303개, 중학생에게서는 총 341개의 의미 있는 단어들을 사용되었다.
이 연구의 참여자는 남부권 소재의 중학교 2학년 학생 190명과 일반 인문계열 고등학교 2학년 학생 200명이다. 성별로 살펴보면 중학생은 남학생 95명, 여학생 95명이며 고등학생은 남학생 97명, 여학생 103명이다.
학생들의 응답지를 분석한 결과, ‘과학’에서의 실험에 대한 인식은 고등학생의 경우 총 300개, 중학생의 경우 총 365개의 의미 있는 단어들이 응답 반응 데이터를 통해 수집되었다.
데이터처리
이 연구에서는 언어네트워크 분석 방법을 사용하여 과학실험과 생물실험에 대한 학생들의 인식구조를 알아보았다. 우선 전처리된 언어데이터들의 집단별 출현빈도를 Krkwic 프로그램을 사용하여 확인하였다. 이 연구에서는 집단별 출현빈도 상위 20위 내의 단어들을 대상으로 언어네트워크 분석을 수행하였다.
특히 연결정도 중심성을 바탕으로 동심원(concentric)네트워크를 시각화하여 집단별로 각 단어들이 네트워크상 중심에 위치해 있는 정도를 쉽게 비교할 수 있도록 하였다(Park & Leydesdorff, 2004; Wassetman & Faust, 1994). 이 연구에서 수행된 모든 네트워크 분석은 NetMiner 4 프로그램을 사용하여 이루어졌다.
성능/효과
고등학생 집단의 경우 ‘이론’이 가장 높았으며 ‘결과’, ‘내용’, ‘사실’, ‘탐구’, ‘지식’이 연결정도 중심성이 0.5 이상으로 중학생에 비해 상대적으로 단어들의 연결중심성 정도가 높았다.
매개중심성 지수를 살펴보면 중학생의 경우 ‘이해’가 0.1331로 가장 높았으며 고등학생의 경우 연결정도 중심성이 가장 높았던 ‘생명’이 매개중심성도 0.095로 가장 높아 생명이 생물에서의 실험을 인식하는데 있어 인식의 동심원에서 가장 핵심적인 단어임이 확인되었다(Figure 2, Table 2).
이 연구를 통해 학생들의 인식구조 속에서도 같은 과학이더라도 개별 학문영역의 맥락에 따라서 학생들이 구성하고 있는 ‘실험’에 대한 개념의 구조는 차이가 날 수도 있으며 이는 학생의 학교급에 따라서도 역시 차이가 날 수 있다는 것을 확인하였다.
중학생들의 언어 네트워크를 이루는 노드들의 연결정도 중심성을 살펴보면 ‘해부’와 ‘몸’의 연결중심성이 가장 높았으며 ‘인체’, ‘이해’, ‘동물’, ‘필요’, ‘생물체’, ‘생명’, ‘식물’ 순으로 모두 연결정도 중심성이 0.5이상을 나타내어 네트워크 내에서 핵심적 단어들임을 나타냈다.
후속연구
하지만 학생들에게서 실험의 개념이 세부학문영역이 달라지자 상이하게 나타난 것과 같이, 과학의 세부 영역들에서 과학의 본성에 대한 내용들이 큰 틀에서의 ‘과학’에 대해 표상하는 것과 동일하게 인식되지 않을 수도 있다. 따라서 후속 연구를 통하여 학생들이 물리, 화학, 지구과학 등의 영역 특이적 맥락에 따라 실험과 같은 과학의 본성 측면의 개념들을 동일하게 형성하고 있는지 혹은 다르게 형성하고 있는지 확인해 보아야 할 것이다. 더 나아가 세부교과 영역 내에서도 하위 분야에 따른 학문적 패러다임 차이에 따른 공약불가능성이 다소 존재할 가능성이 있으므로 이에 대해서도 학생들의 인식구조 차이를 탐색해 보아야 한다.
예를 들어 같은 생물학 내에서도 미시생물학 영역과 거시생물학 영역에서의 ‘실험’에 대한 개념적 동심원은 같지 않을 것이기 때문이다. 실험에 대한 학생들의 인식구조 파악은 향후 중등학생들의 탐구학습 중 실험지도에 있어서 중요한 기초자료를 제공할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물질과학과 달리 생물에서는 어떤 맥락이 많은가?
또한 물질과학에서의 지식을 생성하는 과정이 연역적으로 가설을 정당화 하는 맥락이 많다면, 생물에서는 발견의 맥락과 개연성 있는 과학적 설명들을 제시해 내는 경험 귀추적 맥락이 많다(Lawson, 1995;Mayr, 1997). 19세기 프랑스 사회학자이자 실증주의자인 오귀스트 콩트(Isidore Marie Auguste François Xavier Comte, 1798~1857)의 학문분류에 의하면, 과학은 크게 경성과학(hard science)과 연성과학(soft science)으로 나뉠 수 있으며 일반적인 자연과학(물리학이나 화학 같은 물질과학)은 경성과학에 생물학과 심리학, 의학, 사회과학은 연성과학에 포함된다고 주장한 바 있다.
실험에 대한 메타적 인식은 어떤 요소 중 하나인가?
실험에 대한 메타적 인식은 학생들의 과학적 탐구와 과학의 본성에 대한 이해의 중요한 요소 중 하나이다. 이 연구에서는 중학생과 고등학생의 과학과 생물에서의 '실험'의 의미에 대한 인식을 알아보았다.
과학교육에서 실험의 목적에 대해 많은 연구가 이루어져왔던 이유는 무엇인가?
학생들의 탐구력 향상은 과학교육의 오랜 목표 중 하나이다. 탐구능력은 미래 사회를 살아갈 학생들에게 없어서는 안 될 중요한 소양중 하나이다. 때문에 학교 과학교육 맥락에서도 실험은 언제나 결정적 위치를 점유해 왔다. 대부분 과학교과에서는 실험이라는 방식을 통하여 학생들이 탐구할 수 있는 기회를 제공하고자 노력해왔다. 과학 교수-학습 상황에서 실험들은 직간접적으로 체험은 학생들의 과학에 대한 이해를 돕는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다(Han, 2004). 이러한 중요성과 유용성으로 인하여 선행연구들을 통하여 실험의 목적에 대해서 많은 연구들이 이루어져 왔다(Kim & Song, 2003; Yang et al.
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