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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 지구과학 영역에서 지진을 주제로 융합인재교육 프로그램을 개발하여 학교 현장에 적용해 보고자 한다. 그리고 중학생들을 대상으로 개발된 프로그램을 통해 융합인재교육에서 추구하는 정의적 영역에 대한 향상이 나타나는지 알아보기 위하여 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태도에 유의미한 변화가 나타나는지 그 결과를 분석하고자 한다.
- 따라서 이 연구에서는 지구과학 영역에서 지진을 주제로 융합인재교육 프로그램을 개발하여 학교 현장에 적용해 보고자 한다. 그리고 중학생들을 대상으로 개발된 프로그램을 통해 융합인재교육에서 추구하는 정의적 영역에 대한 향상이 나타나는지 알아보기 위하여 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태도에 유의미한 변화가 나타나는지 그 결과를 분석하고자 한다.
- 1차시는 지진에 의한 피해 사례를 마인드맵(Mind Map)을 활용하여 조별로 토의하고 서로 공유하고 나무젓가락을 이용하여 간단한 실험을 통해 지진이 발생하는 원리와 함께 판 구조론의 개념을 이해하도록 하였다. 또한 지진이 발생했을 때 전파되는 지진파를 기록하는 지진계의 원리를 과학 탐구실험을 통하여 이해한다.
- 3차시에서는 지진을 효과적으로 견딜 수 있는 내진 설계의 종류를 학습하고 우리나라 내진 설계의 역사적 사실과 실제 건물들을 조사하고 공유하게 된다. 또한 탐구 활동을 통해 건설의 기본구조인 트러스와 아치구조를 이해하고 이것들이 내진 설계에 어떻게활용되는지 이해한다.
제안 방법
- 지진을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육은 총 6차시 분량의 수업 내용과 학생 중심의 활동으로 구성하였다. 1차시는 지진에 의한 피해 사례를 마인드맵(Mind Map)을 활용하여 조별로 토의하고 서로 공유하고 나무젓가락을 이용하여 간단한 실험을 통해 지진이 발생하는 원리와 함께 판 구조론의 개념을 이해하도록 하였다. 또한 지진이 발생했을 때 전파되는 지진파를 기록하는 지진계의 원리를 과학 탐구실험을 통하여 이해한다.
- 이 연구에서는 위와 같은 ADBA 모형을 토대로 지진을 주제로 과학, 수학, 기술/공학, 예술 영역의 과학 탐구 방법을 적절히 반영하도록 하였다. 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 총 6차시로 설계와 재설계의 과정을 통해 6차시 이상의 수업도 적용 가능하도록 구성하였다.
- 4차시에서는 본격적으로 지진 내진 구조물을 조건에 맞게 조별로 토의하고 설계하게 된다. 구조물을 제작할 때 안정성 외에도 디자인 요소를 고려한 창의융합적인 지진 내진 구조물을 설계한다.
- 그러나 수업 과정에서 구조물(트러스, 아치)에 포함되어 있는 과학적 개념이 설계 단계에서 고려해야 할 주요한 개념임을 파악하였으며 이를 이해하기 위한 탐구 실험과 결과 분석의 과정을 수행하도록 보완하였다. 또한 건물 설계의 기본 구조가 실생활에어떻게 활용되는지 조사하여 보충하는 과정 또한 피드백에서 필요한 부분이라 파악되어 프로그램에 보완 하였다.
- 프로그램의 초안에서는 지진에 관한 기본적인 과학적 개념(지진의 발생원리, 판구조론)을 이해하고 지진 발생 시의 피해나 현상을 마인드 맵(Mind Map)을 활용하여 토의하였다. 그리고 건설 및 공학의 기본 원리와 일본의 사례를 통해 내진 설계의 기본을 익히고 직접 지진을 효과적으로 견디는 내진 구조물을 조별로 제작하여 최종 산출물을 제시하는 ADBA 모형의 절차를 충실하게 따른 프로그램이었다.
- 그리고 구조물 제작에서 안정성에만 집중하여 예술(Arts)의 미적 요소를 소홀히 하는 경우가 발생되어 이를 보완하기 위해 ‘표현성’을 강조하는 부분을 추가하는 등의 여러 부분들을 수정보완하였다.
- 그리고 구조물 제작에서 안정성에만 집중하여 예술(Arts)의 미적 요소를 소홀히 하는 경우가 발생되어 이를 보완하기 위해 ‘표현성’을 강조하는 부분을 추가하는 등의 여러 부분들을 수정보완하였다. 그리고 보완하는 부분에 대해서는 과학교육전문가 2인, 과학교육학 박사과정 1인의 자문을 거쳐 최종 프로그램을 개발하였다.
- 둘째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램이 목표로 하는 과학기술 분야의 흥미와 동기 유발과 관련한 변화를 살펴보기 위하여 과학 자기 효능감을 측정하였다. 그 결과 과학 자기효능감의 경우 과제 곤란도 선호, 자기 조절 효능감, 자신감 세 하위 요인 모두 프로그램 투입 전과 후에 대하여 유의미한 차이가 나타났음을 확인할 수 있었다.
- 그러나 수업 과정에서 구조물(트러스, 아치)에 포함되어 있는 과학적 개념이 설계 단계에서 고려해야 할 주요한 개념임을 파악하였으며 이를 이해하기 위한 탐구 실험과 결과 분석의 과정을 수행하도록 보완하였다. 또한 건물 설계의 기본 구조가 실생활에어떻게 활용되는지 조사하여 보충하는 과정 또한 피드백에서 필요한 부분이라 파악되어 프로그램에 보완 하였다. 그리고 구조물 제작에서 안정성에만 집중하여 예술(Arts)의 미적 요소를 소홀히 하는 경우가 발생되어 이를 보완하기 위해 ‘표현성’을 강조하는 부분을 추가하는 등의 여러 부분들을 수정보완하였다.
- 연구 대상은 중학생과 중등 영재 학생을 선정하였다. 예비 투입 과정을 거치면서 학생들의 의견과 반응을 통해 프로그램을 수정보완하였다. 융합인재교육 프로그램의 예비 투입 일정과 대상을 정리하면 Table 1과 같다.
- 이 연구에서 개발한 프로그램에서는 Bandura(1977, 1986)가 제시한 자기효능감의 원천 중에서 성공의 경험(Mastery Experience)과 간접의 경험(Vicarious Experience)을 많이 경험하도록 구성하였다. 학생들이 주어진 조건에 맞도록 문제를 해결하기 위해 다양한 실패와 성공의 경험을 직접적으로 얻고, 다른 조별 활동의 결과를 통해 다른 방법의 문제해결 과정을 간접적으로 경험하게 된다.
- 이 연구에서는 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램이 융합인재교육에서 추구하는 정의적 측면의 변화를 보여주는지 분석하기 위하여 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태도의 변화와 관련된 검사 도구를 활용하였다. 선정된 검사 도구는 융합인재교육의 목적 달성을 확인하고자 최근 진행되고 있는 융합인재교육의 연구에서 활용되고 있는 검사도구로 이들 검사도구의 특징과 내용은 아래와 같다(Lee, 2012; Park and Lee, 2014; Seo, 2012).
- 이 연구에서는 위와 같은 ADBA 모형을 토대로 지진을 주제로 과학, 수학, 기술/공학, 예술 영역의 과학 탐구 방법을 적절히 반영하도록 하였다. 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 총 6차시로 설계와 재설계의 과정을 통해 6차시 이상의 수업도 적용 가능하도록 구성하였다.
- 이 연구에서는 지진을 주제로 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하고 이를 적용하여 중학생들의 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM(과학, 기술, 공학, 수학)에 대한 태도 변화의 효과를 검증하였다.
- 이 도구는 개인의 인식, 능력, 가치, 흥미의 지속성을 하위요인으로 하여 4단계의 리커트 척도 24문항으로 구성되어 있으며 과학, 기술, 공학, 수학 각 교과별로 측정이 가능하도록 구성되어 있다. 이 연구에서도 위 검사지를 활용하여 STEM에 대한 태도를 알아보았다. 이 연구에서 STEM에 대한 태도 검사도구의 신뢰도(Cronbach-α)는 과학이 .
- 융합인재교육의 궁극적 목표는 학생들이 감성적 체험을 통해 과학기술 분야에 대한 흥미와 동기를 높이고 나아가 관련된 영역의 진로에까지 영향을 주는 것을 목적으로 하고 있다(MEST, 2012). 이를 토대로기존 융합인재교육의 연구에서 진로 인식을 알아보고자 Yoon(2003)과 Kim(2009), Son and Woo(2003)의 연구를 토대로 Yang(2005)이 제작한 검사 도구를 수정 보완하여 Lee(2012)가 진로 인식 검사 도구를 개발하였다.
- 첫째, 중학생을 대상으로 지구과학 영역에서 지진을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하였다. 현재 학교 현장에 적용되고 있는 2009 개정 교육과정에서 지진과 관련된 교육과정을 분석하고 프로그램 개발 목적에 맞추어 과학 탐구기반의 융합인재교육 프로그램을 ADBA 모형을 적용하여 개발하였다.
- 현재 학교 현장에 적용되고 있는 2009 개정 교육과정에서 지진과 관련된 교육과정을 분석하고 프로그램 개발 목적에 맞추어 과학 탐구기반의 융합인재교육 프로그램을 ADBA 모형을 적용하여 개발하였다. 총 6차시로 구성된 융합인재교육 프로그램은 분석(A)-설계(D)-제작(B)-평가(A)의 단계를 거쳐서 과학적 탐구 능력과 창의융합적 사고를 함께 기를 수 있도록 구성하였다.
- 프로그램을 연구 대상에게 투입하기에 앞서, 프로그램의 완성도와 질적인 면을 향상시키기 위해 예비 투입을 실시하였다. 연구 대상은 중학생과 중등 영재 학생을 선정하였다.
- 프로그램의 초안에서는 지진에 관한 기본적인 과학적 개념(지진의 발생원리, 판구조론)을 이해하고 지진 발생 시의 피해나 현상을 마인드 맵(Mind Map)을 활용하여 토의하였다. 그리고 건설 및 공학의 기본 원리와 일본의 사례를 통해 내진 설계의 기본을 익히고 직접 지진을 효과적으로 견디는 내진 구조물을 조별로 제작하여 최종 산출물을 제시하는 ADBA 모형의 절차를 충실하게 따른 프로그램이었다.
- 첫째, 중학생을 대상으로 지구과학 영역에서 지진을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하였다. 현재 학교 현장에 적용되고 있는 2009 개정 교육과정에서 지진과 관련된 교육과정을 분석하고 프로그램 개발 목적에 맞추어 과학 탐구기반의 융합인재교육 프로그램을 ADBA 모형을 적용하여 개발하였다. 총 6차시로 구성된 융합인재교육 프로그램은 분석(A)-설계(D)-제작(B)-평가(A)의 단계를 거쳐서 과학적 탐구 능력과 창의융합적 사고를 함께 기를 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
- 교육에 모두 참여한 105명의 학생 중 불성실한 응답을 한 9명의 데이터를 분석에서 제외하였다. 총 96명의 학생들의 과학 자기효능감에 대한 사전사후 검사를 분석한 결과는 Table 6과 같다.
- 프로그램을 연구 대상에게 투입하기에 앞서, 프로그램의 완성도와 질적인 면을 향상시키기 위해 예비 투입을 실시하였다. 연구 대상은 중학생과 중등 영재 학생을 선정하였다. 예비 투입 과정을 거치면서 학생들의 의견과 반응을 통해 프로그램을 수정보완하였다.
- 이 연구에서 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 광역시 소재 H 중학교 3학년 학생 105명을 대상으로 적용하였다. 총 105명을 대상으로 개발된 프로그램을 공동연구자가 직접 총 6시간 동안 수업을 진행하여 단일 집단 사전사후 검사(대응표본 t-검증)를 실시하였다.
데이터처리
- 진로 인식의 세 하위 영역에 대하여 프로그램 투입 전과 후의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시하였다. 그 결과 과학에 대한 진로 인식에서 유의수준 95% 에서 유의확률 .
- 이 연구에서 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 광역시 소재 H 중학교 3학년 학생 105명을 대상으로 적용하였다. 총 105명을 대상으로 개발된 프로그램을 공동연구자가 직접 총 6시간 동안 수업을 진행하여 단일 집단 사전사후 검사(대응표본 t-검증)를 실시하였다. 검사 결과는 SPSS Statistics ver 21.
이론/모형
- 이 연구에서는 융합인재교육 프로그램 개발을 위한 Framework을 Lee et al.(2012)에 의해 개발된 과학 탐구와 창의적 설계 기반의 STEM/STEAM 교육 모형을 적용하였다. 이 모형의 세부 단계는 분석(Analysis)-설계(Design)-제작(Build)-평가(Assessment)으로 구성되어 있고 ADBA 모형이라 부른다(Fig.
- Seo(2012), Lee(2012)에서도 개발된 융합인재교육 프로그램을 통한 학생들의 STEM에 대한 태도 변화를 알아보기 위하여 Mahoney(2010)의 연구를 토대로 재구성한 ‘STEM에 대한 태도 검사지’를 활용하였다.
- 이 연구에서는 과학, 수학, 기술 영역에서 학생들의 진로 인식에 관해 리커트 형식의 각 9문항, 총 27문항으로 구성된 Lee(2012)가 개발한 도구를 활용하였다. 이 연구에서 진로 인식 검사도구의 신뢰도(Cronbachα)는 .
- 이 연구에서의 과학 자기효능감 검사 도구는 Kim and Park(2001)이 개발한 자기효능감 검사에 과학적 의미를 반영한 Tark(2011)의 검사 도구를 활용하였다. 이 도구는 과제곤란도 선호, 자기조절 효능감, 자신감을 하위요인으로 하여 리커트 형식의 각 10문항, 11문항, 8문항(총 29문항)으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 과학 자기효능감의 하위 요인인 과제 곤란도, 자기조절 효능감, 자신감 세 요인의 프로그램 투입 전과 후 응답결과를 바탕으로 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 유의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 즉, 세 요인 모두에서 프로그램 투입 전과 후에 평균값의 향상이 나타났으며 전과 후에서 나타난 값의 차이는 의미있는 차이임을 알 수 있다.
- 그 결과 과학 자기효능감의 경우 과제 곤란도 선호, 자기 조절 효능감, 자신감 세 하위 요인 모두 프로그램 투입 전과 후에 대하여 유의미한 차이가 나타났음을 확인할 수 있었다. 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 학습한 후 학생들은 과학에 대한 과제 곤란도는 낮아졌으며 자기 조절 효능감과 자신감은 향상되었음을 알 수 있었다.
- 둘째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램이 목표로 하는 과학기술 분야의 흥미와 동기 유발과 관련한 변화를 살펴보기 위하여 과학 자기 효능감을 측정하였다. 그 결과 과학 자기효능감의 경우 과제 곤란도 선호, 자기 조절 효능감, 자신감 세 하위 요인 모두 프로그램 투입 전과 후에 대하여 유의미한 차이가 나타났음을 확인할 수 있었다. 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 학습한 후 학생들은 과학에 대한 과제 곤란도는 낮아졌으며 자기 조절 효능감과 자신감은 향상되었음을 알 수 있었다.
- 진로 인식의 세 하위 영역에 대하여 프로그램 투입 전과 후의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시하였다. 그 결과 과학에 대한 진로 인식에서 유의수준 95% 에서 유의확률 .05이하로 통계적으로 유의미한 차이가 나타났고, 수학 관련 진로 인식과 기술 관련 진로 인식의 경우 평균값은 상승하였으나 유의수준 95%에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었다. 즉, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램 수업 결과 과학과 관련된 진로 인식에는 유의미한 차이가 나타났음을 알 수 있다.
- 진로 가치화 훈련으로 학생들의 진로의 가치 성숙에 효과가 있다는 Oh and Lee(2002)과 Kim(2009)의 연구 결과로 볼때 과학 탐구 기반의 융합인재교육 수업으로 인해 과학 관련 진로 인식에 긍정적인 영향을 주었고 과학 탐구 중심의 활동으로 과학적 원리를 적용하여 설계 및 제작과정을 진행하면서 과학적 능력과 더불어 과학에 대한 가치에도 긍정적인 영향을 준 것으로 분석된다(Gauld, 1982). 기술과 공학에 대한 태도의 경우 기술은 인식 영역, 공학은 인식과 가치 영역에서 태도 향상에 통계적으로 유의미한 효과를 보이고, 수학에 대한 태도에서는 가치와 흥미의 지속 영역에서 통계적으로 유의미한 효과를 보였다. 이는 융합인재교육 프로그램 중 지진 내진 구조물 설계의 과정을 통해 기술과 공학의 역할과 기능을 인식하고 제작 과정에서 공학적 설계에 대한 가치의 중요성을 학습했기 때문으로 분석된다.
- 넷째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 적용한 결과 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학에 대한 태도의 향상에 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다. 과학에 대한 태도에서는 능력과 가치의 영역에서 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다.
- 분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 공학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 인식과 가치 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 유의미한 차이가 나타났으며 능력과 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한차이가 없었다.
- 분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 과학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 능력과 가치 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 차이가 나타났으며 인식과 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한차이가 없었다.
- 분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 기술에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 인식 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 차이가 나타났으며 능력과 가치, 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한 차이가 없었다.
- 분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 수학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 가치와 흥미의 지속성 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 유의미한 차이가 나타났으며 인식과 능력 요인에서는 유의미한 차이가 없었다.
- 셋째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 적용한 결과 학생들의 진로 인식에서 과학 관련 진로 인식에서 통계적으로 유의미한 향상이 나타났다. 그러나 수학과 기술 관련 진로 인식의 경우 평균값은 상승하였으나 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다.
- 셋째, 이 연구의 결과에서는 진로 인식에서 수학과 기술 관련 진로 인식에 대해 유의미한 효과를 얻지 못하였으며 STEM에 대한 태도에서도 각 영역별로 일부 요인에서 유의미한 결과가 나타나지 않았다. 이러한 결과가 과학 영역을 중심으로 개발된 프로그램 이라는 한계점에서 나타났을 가능성이 있으므로 앞으로는 융합인재교육 프로그램 개발과정에서 과학뿐만 아니라 수학, 기술, 공학, 예술의 전문가들과의 유기적인 협력을 통해 프로그램이 개발된다면 융합인재교육의 목적을 달성하는 데에 효과적일 것이다.
- 05이하로 통계적으로 유의미한 차이가 나타났고, 수학 관련 진로 인식과 기술 관련 진로 인식의 경우 평균값은 상승하였으나 유의수준 95%에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었다. 즉, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램 수업 결과 과학과 관련된 진로 인식에는 유의미한 차이가 나타났음을 알 수 있다.
- 05이하로 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 즉, 세 요인 모두에서 프로그램 투입 전과 후에 평균값의 향상이 나타났으며 전과 후에서 나타난 값의 차이는 의미있는 차이임을 알 수 있다.
후속연구
- Chang and Kim(2011)은 우리나라도 절대 지진의 안전지대가 아니므로 이에 대한 적절한 대응책이 강조되어야 하고 우리나라의 지진발생을 분석하고 또, 지진이 발생한다면 어떻게 적절한 대응책을 펴야 할 것인가에 대하여 제시하였다. 개발된 융합인재 프로그램을 통하여 우리와 가까운 일본의 경우 지진을 대비해 내진 설계를 확실하게 하고 있는 상황에서 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전지대가 아님을 인지하고 앞으로 발생할 지진으로부터의 피해를 대비하기 위해 지진을 효과적으로 견딜 수 있는 내진 구조물 설계의 중요성을 인식(Apedoe et al., 2008) 할 수 있으며 나아가 융합인재교육에서 추구하는 감성적 체험을 경험하는 기회를 제공할 수 있다.
- 둘째, 이 연구는 중학생을 대상으로 실시하였으나, 앞으로는 더 많고 다양한 학교급의 학습자를 대상으로 적용할 필요가 있다. 또한 각 학교급의 학습자에 적합한 형태로 프로그램이 수정 보완될 경우 더 완성도 높은 교육이 이루어질 수 있을 것이다.
- 둘째, 이 연구는 중학생을 대상으로 실시하였으나, 앞으로는 더 많고 다양한 학교급의 학습자를 대상으로 적용할 필요가 있다. 또한 각 학교급의 학습자에 적합한 형태로 프로그램이 수정 보완될 경우 더 완성도 높은 교육이 이루어질 수 있을 것이다.
- 셋째, 이 연구의 결과에서는 진로 인식에서 수학과 기술 관련 진로 인식에 대해 유의미한 효과를 얻지 못하였으며 STEM에 대한 태도에서도 각 영역별로 일부 요인에서 유의미한 결과가 나타나지 않았다. 이러한 결과가 과학 영역을 중심으로 개발된 프로그램 이라는 한계점에서 나타났을 가능성이 있으므로 앞으로는 융합인재교육 프로그램 개발과정에서 과학뿐만 아니라 수학, 기술, 공학, 예술의 전문가들과의 유기적인 협력을 통해 프로그램이 개발된다면 융합인재교육의 목적을 달성하는 데에 효과적일 것이다.
- 이러한 결과를 토대로 다음과 같이 제언을 하고자 한다. 첫째, 과학적 탐구 요소를 활용한 융합인재교육 프로그램은 학생들의 과학 탐구 수행의 능력 향상과 국가가 추진하는 과학기술 융합인재의 양성이라는 목표에 부합하는 것으로 볼 수 있으므로 보다 다양한 융합인재 프로그램을 다양한 영역에서 개발할 필요가 있다.
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