국가수준 학업성취도 평가의 과학 문항 특성 분석 : 광학 내용을 중심으로 Analysis on the Characteristics of National Assessment of Educational Achievement (NAEA) Items for Science Subject: With a Focus on Optics원문보기
본 연구의 목적은 과학과 국가수준 학업성취도 평가에서 물리의 광학 영역 문항의 평가 결과를 분석하고 답지 반응률 분포 곡선을 활용하여 중학생들의 반응 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해서 2010년부터 2013년까지 중학생들을 대상으로 시행된 과학과 국가수준 학업성취도 평가의 물리 문항 중 광학 영역에 해당되는 10개 문항을 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들의 '광학' 영역의 성취수준은 다른 영역(역학, 전자기학)에 비해서는 높았다. 둘째, '빛' 영역에서 '상의 형성'과 관련되어 학생들이 낮은 성취수준을 보였으며, '파동' 영역에서는 '파동의 전파에서 위상의 변화'와 관련되어 낮은 성취수준을 나타내었다. 셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제풀이 전략 및 결과를 보이고 있었다. 연구 결과를 바탕으로 광학 개념에 대한 교육과정 수준의 재검토, 기초학력 단계 학생들에 대한 추가적인 교수학습의 필요성, 실제적인 현상 및 상황 중심의 교수학습의 필요성 등의 제언을 논의하였다.
본 연구의 목적은 과학과 국가수준 학업성취도 평가에서 물리의 광학 영역 문항의 평가 결과를 분석하고 답지 반응률 분포 곡선을 활용하여 중학생들의 반응 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해서 2010년부터 2013년까지 중학생들을 대상으로 시행된 과학과 국가수준 학업성취도 평가의 물리 문항 중 광학 영역에 해당되는 10개 문항을 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들의 '광학' 영역의 성취수준은 다른 영역(역학, 전자기학)에 비해서는 높았다. 둘째, '빛' 영역에서 '상의 형성'과 관련되어 학생들이 낮은 성취수준을 보였으며, '파동' 영역에서는 '파동의 전파에서 위상의 변화'와 관련되어 낮은 성취수준을 나타내었다. 셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제풀이 전략 및 결과를 보이고 있었다. 연구 결과를 바탕으로 광학 개념에 대한 교육과정 수준의 재검토, 기초학력 단계 학생들에 대한 추가적인 교수학습의 필요성, 실제적인 현상 및 상황 중심의 교수학습의 필요성 등의 제언을 논의하였다.
The purpose of this study is to analyze the results of physics (optics) in nationwide standardized assessment and to investigate middle-school students' characteristics of achievement by using an option response rate distribution curve. For this purpose, we analyzed the 10 optics problems from the N...
The purpose of this study is to analyze the results of physics (optics) in nationwide standardized assessment and to investigate middle-school students' characteristics of achievement by using an option response rate distribution curve. For this purpose, we analyzed the 10 optics problems from the National Assessment of Educational Achievement (NAEA) items for middle school science subject conducted in 2010-2013. The results of this study are as follows; First, students showed a little higher achievement in optics than classical mechanics and electromagnetism. Second, students achieved significantly worse in 'formation of image' in 'light' part and 'variation of phase in propagation of wave' in 'wave' part. Third, students showed a context-dependent problem solving strategy and result. Additionally, we suggested some implications about the readjustment of some optics concepts level of national science curriculum, the need for teaching and learning strategies for basic level students, and the need for teaching and learning strategies focused on the realistic context.
The purpose of this study is to analyze the results of physics (optics) in nationwide standardized assessment and to investigate middle-school students' characteristics of achievement by using an option response rate distribution curve. For this purpose, we analyzed the 10 optics problems from the National Assessment of Educational Achievement (NAEA) items for middle school science subject conducted in 2010-2013. The results of this study are as follows; First, students showed a little higher achievement in optics than classical mechanics and electromagnetism. Second, students achieved significantly worse in 'formation of image' in 'light' part and 'variation of phase in propagation of wave' in 'wave' part. Third, students showed a context-dependent problem solving strategy and result. Additionally, we suggested some implications about the readjustment of some optics concepts level of national science curriculum, the need for teaching and learning strategies for basic level students, and the need for teaching and learning strategies focused on the realistic context.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국가수준 학업성취도 평가의 결과를 바탕으로 광학(빛과 파동)에 대한 내용을 중학생들이 교육과정 수준에서 어느 정도 성취하였는지를 살펴보고자 한다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
학업성취도 평가의 결과는 문항별로 학생들의 반응 특성을 보여줄 수 있는 장점이 있기 때문에 다년간 축적된 정보들을 종합하여 학생들이 학습해야 할 개념별 특성을 분석하는 것이 가능하며, 그 분석결과는 해당 개념의 교수학습 방법의 방향을 정하는데 큰 역할을 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 물리의 광학과 관련된 문항의 평가 결과를 통해 중학교 수준 광학 내용의 교육과정 적용 현황을 분석하고자 한다.
본 연구는 2010년부터 2013년까지 시행된 국가수준 학업성취도 평가의 중학교 과학 선다형 문항 중 광학 문항과 그 평가 결과에 대한 분석이다. 국가수준 학업성취도 평가의 중학교 과학 문항은 총 40문항으로 서답형 문항을 제외한 선다형 문항은 32문항이다.
본 연구에서는 2010년부터 2013년까지 4년 동안 실시된 국가수준 학업성취도 평가의 과학 문항 중 물리의 광학 영역에서 출제된 10개의 문항을 분석하여 중학생들의 광학 관련 내용의 성취수준 및 특징을 분석한 것이다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 물리 분야의 광학 영역 문항의 성취도 점수별 답지 반응를 분포 곡선을 통해 특정 문항의 정답과 오답에 대한 중학생들의 반응 특성을 분석하였다. 이를 위해서 성취도 점수를 척도 점수로 변환한 것을 가로축값으로 하고, 각 답지에 대한 반응률을 0과 1 사이의 값으로 나타낸 것을 세로축값으로 한 그래프인 답지 반응률 분포 곡선을 이용하였다.
그러나 어떤 문항에서는 정답지의 반응률이 S자 형태가 아닌 다른 형태를 나타내기도 하고, 오답지에 대한 반응률이 특정 성취수준에서 유난히 높게 나타나는 등 일반적인 예상과 맞지 않는 형태를 나타내기도 한다. 본 연구에서는 정답지와 오답지의 반응률 분포 곡선 형태를 문항의 내용과 학생들의 반응을 연계하여 분석하였다. 중학교의 광학 내용은 ‘빛’과 ‘파동(소리)’로 구성되어 있어, 10개의 문항을 ‘빛’과 ‘파동’으로 구분하여 문항별로 정답지와 오답지의 반응률 분포 곡선으로부터 중학생들의 이해정도를 분석하였다.
국가수준 학업성취도 평가에서는 학생의 원점수를 척도 점수로 변환한 후 분할점수를 기준으로 우수학력, 보통학력, 기초학력, 기초학력 미달 등의 4단계 성취수준으로 구분한다. 본 연구에서도 각 집단별로 답지 반응의 특성을 살펴보았다.
본 연구의 목적은 과학과 국가수준 학업성취도 평가에서 물리의 광학 영역 문항의 평가 결과를 분석하고 답지 반응률 분포 곡선을 활용하여 중학생들의 반응 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해서 2010년부터 2013년까지 중학생들을 대상으로 시행된 과학과 국가수준 학업성취도 평가의 물리 문항 중 광학 영역에 해당되는 10개 문항을 분석하였다.
제안 방법
빨강, 초록, 파랑 조명에서 나온 빛을 서로 엇갈려 겹치게 하였을 때, 빛의 합성에 의해서 다른 색이 나타나는 것을 그림을 이용해서 정보를 제시하여 학생들이 빛의 합성에 의한 색을 암기하지 않고도 쉽게 문제의 답을 알 수 있도록 하였다.
셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제풀이 전략 및 결과를 보이고 있었다. 연구 결과를 바탕으로 광학 개념에 대한 교육과정 수준의 재검토, 기초학력 단계 학생들에 대한 추가적인 교수학습의 필요성, 실제적인 현상 및 상황 중심의 교수학습의 필요성 등의 제언을 논의하였다.
본 연구의 목적은 과학과 국가수준 학업성취도 평가에서 물리의 광학 영역 문항의 평가 결과를 분석하고 답지 반응률 분포 곡선을 활용하여 중학생들의 반응 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해서 2010년부터 2013년까지 중학생들을 대상으로 시행된 과학과 국가수준 학업성취도 평가의 물리 문항 중 광학 영역에 해당되는 10개 문항을 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 물리 분야의 광학 영역 문항의 성취도 점수별 답지 반응를 분포 곡선을 통해 특정 문항의 정답과 오답에 대한 중학생들의 반응 특성을 분석하였다. 이를 위해서 성취도 점수를 척도 점수로 변환한 것을 가로축값으로 하고, 각 답지에 대한 반응률을 0과 1 사이의 값으로 나타낸 것을 세로축값으로 한 그래프인 답지 반응률 분포 곡선을 이용하였다. 각각의 답지에 대한 반응률은 지수함수 또는 다항함수로 근사하여 부드러운 곡선이 되도록 하여 나타내었다.
중학교의 광학 내용은 ‘빛’과 ‘파동(소리)’로 구성되어 있어, 10개의 문항을 ‘빛’과 ‘파동’으로 구분하여 문항별로 정답지와 오답지의 반응률 분포 곡선으로부터 중학생들의 이해정도를 분석하였다.
대상 데이터
이 중 물리 분야는 1/4에 해당되는 8문항이고, 그 중 한 문항은 연도 간 난이도를 보정하는 동등화를 위한 가교문항이다. 본 연구의 대상은 가교문항을 분석에서 제외한 4년간의 총 28문항 중에서 광학 내용에 대한 10문항이다.
성능/효과
‘빛’과 관련된 문항이 6문항으로 평균정답률은 71.09%였고, ‘파동’과 관련된 4문항의 평균정답률은 53.31% 로 학생들은 ‘빛’보다 ‘파동’과 관련된 문항에서 더 낮은 성취를 나타내었다.
상을 찾는 과정이나 그 결과가 이 문항과 밀접하게 관련이 되어 있지만, 이 문항의 정답을 찾는 가장 쉬운 방법은 물체에서 나온 빛이 거울에 의해 반사될 때 반사의 법칙을 이용해서 반사광선이 A지점으로 진행하는지를 찾으면 된다. 거울을 통해서 물체를 보는 현상은 생활 속에서 자주 경험하는 현상이기 때문에 전체 정답률이 66.89%로 비교적 높았다. 우수학력 학생들의 정답률은 88.
빨강, 초록, 파랑 조명에서 나온 빛을 서로 엇갈려 겹치게 하였을 때, 빛의 합성에 의해서 다른 색이 나타나는 것을 그림을 이용해서 정보를 제시하여 학생들이 빛의 합성에 의한 색을 암기하지 않고도 쉽게 문제의 답을 알 수 있도록 하였다. 그 결과 전체 정답률이 82.42%로 매우 높았으며, 보통학력 학생들의 정답률도 92.16%였고, 기초학력 학생들의 정답률도 71.61%였다. 정답지의 반응률 분포 곡선을 보면 기초학력 미달에서 기초학력과 보통학력의 경계 부근까지 급격하게 증가하다가 보통학력부터 높은 비율을 유지하는 형태이고, 오답지의 경우에는 성취수준이 높아짐에 따라 선택률이 급격히 낮아지는 형태이다.
둘째, ‘빛’ 영역에서 ‘상의 형성’과 관련되어 학생들이 낮은 성취수준을 보였으며, ‘파동’ 영역에서는 ‘파동의 전파에서 위상의 변화’와 관련되어 낮은 성취수준을 나타내었다.
둘째, 세부 영역으로 보았을 때, ‘빛’ 영역에서는 ‘상의 형성’에 대하여 낮은 성취수준을 나타내었다.
셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제 풀이 전략 및 결과를 보여주고 있었다. 프리즘을 이용한 분산 개념을 질문한 문제에서 물리적인 원리를 고려하지 않고 상황의 유사성에 기인하여 정답을 선택하는 경향을 나타내었으며, 종파의 특징을 질문한 문항에서 동일한 내용을 질문한 횡파의 특징과 관련된 문항에 비해 정답률이 낮은 것을 통해 학생들에게 친숙한 상황에 대해서 문제 풀이를 더 쉽게 하는 것을 볼 수 있었다.
둘째, ‘빛’ 영역에서 ‘상의 형성’과 관련되어 학생들이 낮은 성취수준을 보였으며, ‘파동’ 영역에서는 ‘파동의 전파에서 위상의 변화’와 관련되어 낮은 성취수준을 나타내었다. 셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제풀이 전략 및 결과를 보이고 있었다. 연구 결과를 바탕으로 광학 개념에 대한 교육과정 수준의 재검토, 기초학력 단계 학생들에 대한 추가적인 교수학습의 필요성, 실제적인 현상 및 상황 중심의 교수학습의 필요성 등의 제언을 논의하였다.
89%로 비교적 높았다. 우수학력 학생들의 정답률은 88.22%, 보통학력 학생들의 정답률이 71.56%인 것에 비해 기초학력 학생들의 정답률은 58.11%, 기초학력 미달 학생들의 정답률은 31.96%로 점진적으로 낮아졌다. 답지 반응률 분포 곡선을 살펴보면 2011년 6번 문항에 대해서는 정답지의 반응률 분포 곡선이 S자 형태를 나타내어 상위 그룹과 하위 그룹을 잘 변별할 수 있는 것으로 나타났지만, 2012년 3번 문항은 정답지의 반응률 분포 곡선이 완만하게 증가하는 형태였다.
그런데 답지 반응률 분포 곡선을 보면 특이한 형태가 보였다. 일반적인 답지 반응률 분포 곡선과 유사하게 정답인 ③은 성취수준이 높아지면서 점진적으로 증가하고, 오답인 ②, ④, ⑤는 점진적으로 낮아지는 형태를 나타내고 있지만, ①은 기초학력 미달보다 기초학력에서 그리고 보통학력에서 더 많은 선택률을 보이고 있었다. ①은 파도타기 응원의 모습에서 매질의 진동과 파동의 진행에 대한 비유를 잘 이해하고 있지만, 이러한 특징을 보이는 파동이 횡파인지 종파인지 용어를 잘못 기억하였기 때문에 나타난 결과로 보인다.
이 문항에서는 학생들이 입사각과 굴절각을 구별할 수 있는지, 그리고 주어진 자료를 통해서 입사각과 굴절각의 관계를 일반화할 수 있는지의 능력을 평가하고 있다. 전체 정답률은 70.7%로 비교적 높았으며, 보통학력 학생들의 정답률이 82.3%, 기초학력 학생들의 정답률이 56.7%로 기초학력 학생들과 구별되는 보통학력 학생들의 특징을 알아보는 데 적합한 문항이다. 즉, 보통학력 학생들은 이 문제에서 요구하는 입사각과 굴절각의 구별능력, 기본적인 자료 분석 능력을 바탕으로 입사각과 굴절각의 관계에 대한 일반화된 진술문의 진위 판단 능력을 가지고 있다고 할 수 있다.
9%였다. 집단별 정답률을 보면, 우수학력은 88.3%, 보통학력 학생들은 69.7%였지만, 기초학력 학생들은 43.5%, 기초학력 미달 학생들은 15.9%로 매우 낮았다. 변별도가 0.
첫째, 국가수준 학업성취도 평가의 전체적인 결과를 살펴보면 광학 영역의 평균정답률은 64.00%로 다른 영역(역학 53.84%, 열역학 55.43%, 전자기학 53.35%)에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 그러나 성취수준별로 보았을 때에는 기초학력 대표문항은 1문항뿐이고, 대부분이 보통학력 대표문항 이상의 수준이었으며, 우수학력 대표문항으로도 선정되지 못하는 문항이 2문항이 있었다.
첫째, 학생들의 ‘광학’ 영역의 성취수준은 다른 영역(역학, 전자기학)에 비해서는 높았다.
셋째, 학생들은 상황 의존적인 문제 풀이 전략 및 결과를 보여주고 있었다. 프리즘을 이용한 분산 개념을 질문한 문제에서 물리적인 원리를 고려하지 않고 상황의 유사성에 기인하여 정답을 선택하는 경향을 나타내었으며, 종파의 특징을 질문한 문항에서 동일한 내용을 질문한 횡파의 특징과 관련된 문항에 비해 정답률이 낮은 것을 통해 학생들에게 친숙한 상황에 대해서 문제 풀이를 더 쉽게 하는 것을 볼 수 있었다. 학생들에게 매우 익숙한 상황인 소음과 관련된 문항에서 높은 성취수준을 나타낸 것도 같은 맥락으로 해석할 수 있다.
후속연구
둘째, 학생들의 성취수준을 교육과정에서 기대하는 수준으로 도달하게 하기 위해서는 기초학력 단계 학생들에 대한 지도에 초점을 둘 필요가 있다. 답지 반응률 분포 곡선을 살펴보면 기초학력 단계에서 낮게 유지되거나 급격하게 증가하는 경우를 많이 볼 수 있다.
따라서 본 연구에서 밝혀진 ‘상의 형성’, ‘파동의 위상변화’와 같은 개념들에 대해서 추가적으로 학생 수준의 적합성 여부를 위한 후속 연구가 이루어질 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현대 사회에서 국가의 경쟁력을 높이기 위해서는 무엇이 중요한가?
현대 사회에서 국가의 경쟁력을 높이기 위해서는 창의력과 과학적 소양을 갖춘 인재의 양성이 매우 중요하다. 미국에서는 국가 경쟁력 강화를 위한 교육의 일환으로 STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) 교육을 통해 통합교육을 도입하였고, 최근에는 차세대 과학교육기준(Next Generation Science Standards) 적용을 통해 과학 관련 지식 습득에 그치지 않고 공학을 통한 실제에의 적용을 시도하고 있다 (NGSS, 2013).
2007 개정 교육과정에서는 ‘빛과 파동’ 단원에서 소음이 생활에 미치는 영향을 학습하는 내용을 포함하고 있는데 이는 무엇을 반영한 것인가?
2007 개정 교육과정에서는 ‘빛과 파동’ 단원에서 소음이 생활에 미치는 영향을 학습하는 내용을 포함하고 있다. 이는 생활 속에서 과학을 활용하는 것을 강조하는 최근의 경향을 반영한 것이다. 2013년 5번 문항(Figure 10)은 아파트에서 층간 소음을 줄일 수 있는 방안에 관련된 내용이다.
미국에서는 국가 경쟁력 강화를 위한 교육의 일환으로 무엇을 하고 있는가?
현대 사회에서 국가의 경쟁력을 높이기 위해서는 창의력과 과학적 소양을 갖춘 인재의 양성이 매우 중요하다. 미국에서는 국가 경쟁력 강화를 위한 교육의 일환으로 STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) 교육을 통해 통합교육을 도입하였고, 최근에는 차세대 과학교육기준(Next Generation Science Standards) 적용을 통해 과학 관련 지식 습득에 그치지 않고 공학을 통한 실제에의 적용을 시도하고 있다 (NGSS, 2013). 영국(Department of Education, 2013)과 호주(ACARA, 2013)에서도 새로운 교육과정을 통해 창의력 있는 인재를 양성하는데 많은 노력을 기울이고 있다.
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