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문제 정의
- 본 연구는 미국연구회 (NRC)의 차세대과학기준(NGSS) 에서 제시한 8가지 과학 실천의 9-12 학년군의 세부 성취 목표를 기준으로 분석하였다. ‘질문하고 문제 규정하기’, 모형 개발하고 사용하기’, ‘탐구 계획하고 수행하기’, ‘자료 분석하고 해석하기’, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘설명 구상하고 문제해결 고안하기’, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’의 8가지 과학 실천과 각 과학 실천의 9-12학년군의 세부 성취 목표는 Table 1과 같다.
- 이에 본 연구에서는 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 고등학교 화학II교과서의 탐구 활동을 미국연구회에서 제시한 8가지 과학 실천과 각 실천의 세부 성취 목표를 기준으로 분석하고자 한다. 본 연구는 화학 교수-학습의 핵심적인 매개체 역할을 하는 화학II교과서에 포함된 탐구 활동이 학생들의 탐구 경험과 이해를 위해 어느 정도 의 학습 기회를 제공하는지 정보를 제공하고, 나아가 교사가 탐구 중심 과학 수업을 하기 위해서는 교사 연수 또는 교육에 어떠한 내용이 필요한지 등에 대한 시사점을 제공할 수 있을 것이다.
- 이에 본 연구에서는 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 고등학교 화학II교과서의 탐구 활동을 미국연구회에서 제시한 8가지 과학 실천과 각 실천의 세부 성취 목표를 기준으로 분석하고자 한다. 본 연구는 화학 교수-학습의 핵심적인 매개체 역할을 하는 화학II교과서에 포함된 탐구 활동이 학생들의 탐구 경험과 이해를 위해 어느 정도 의 학습 기회를 제공하는지 정보를 제공하고, 나아가 교사가 탐구 중심 과학 수업을 하기 위해서는 교사 연수 또는 교육에 어떠한 내용이 필요한지 등에 대한 시사점을 제공할 수 있을 것이다.
제안 방법
- '주사기에서 일어나는 변화로 계의 엔트로피 변화를 설명해 보자’ 와 같이 관찰한 현상을 분석하고 과학 원리나 이론을 사용하여 설명을 고안하도록 하는 경우 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기'와 과학 실천 6 '설명 구성하고 문제 해결 고안하기'로 분석하였다. '만약 과정 5에서 옥살산이 모두 녹지 않았다면, 옥살산을 완전히 녹일 수 있는 방법을 이야기 해 보자’ 와 같이 학습자가 구성한 설명을 동료들과 논의 하도록 하는 경우는 과학 실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’로 분석하였다. ‘전지 각각의 주된 용도를 조사해 보자’와 같이 문헌이나 매체 등을 통하여 정보를 얻도록 하는 경우는 과학 실천 8，정보를 얻고 평가하고 소통하기’로 분석하였다.
- '만약 과정 5에서 옥살산이 모두 녹지 않았다면, 옥살산을 완전히 녹일 수 있는 방법을 이야기 해 보자’ 와 같이 학습자가 구성한 설명을 동료들과 논의 하도록 하는 경우는 과학 실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’로 분석하였다. ‘전지 각각의 주된 용도를 조사해 보자’와 같이 문헌이나 매체 등을 통하여 정보를 얻도록 하는 경우는 과학 실천 8，정보를 얻고 평가하고 소통하기’로 분석하였다.
- 분석의 예를 들면 다음과 같다. '주사기에서 일어나는 변화로 계의 엔트로피 변화를 설명해 보자’ 와 같이 관찰한 현상을 분석하고 과학 원리나 이론을 사용하여 설명을 고안하도록 하는 경우 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기'와 과학 실천 6 '설명 구성하고 문제 해결 고안하기'로 분석하였다. '만약 과정 5에서 옥살산이 모두 녹지 않았다면, 옥살산을 완전히 녹일 수 있는 방법을 이야기 해 보자’ 와 같이 학습자가 구성한 설명을 동료들과 논의 하도록 하는 경우는 과학 실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’로 분석하였다.
- 2에 제시된 바와 같이 A교과서의 III단원 '화학 평형’에 포함된 '탐구 활동 28 다양한 화학 전지의 전위차 측정하기’에서 '과정② 전압계를 이용하여 각 금속 조각 사이의 전압을 측정하여 아래 표에 기록한다’ 는 실험을 통해 얻은 각 금속 조각 사이의 전압 데이터를 기록하는 활동이므로 과학 실천 3 중에서 '여러 가지 변인을 고려하여 계의 복잡한 모형에 대해서 변인들을 조정하고 자료를 수집하기 (3-6)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. '정리 1 전압이 가장 크게 나타나는 경우는 어느 것인가?’는 수집한 자료를 해석하는 활동이므로 과학 실천 4 중에서 '타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모형을 사용하여 자료를 분석하기 (4-1)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. '정리2 금속 조각의 가격을 고려해 볼 때, 가장 효율이 좋은 화학 전지는 어느 것인가?’는 참고 문헌이나 인터넷 등을 통해 자료를 얻고 평가하는 활동이므로 과학 실천 8중 '과학적 문제 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기 (8-2)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다.
- '정리 1 전압이 가장 크게 나타나는 경우는 어느 것인가?’는 수집한 자료를 해석하는 활동이므로 과학 실천 4 중에서 '타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모형을 사용하여 자료를 분석하기 (4-1)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. '정리2 금속 조각의 가격을 고려해 볼 때, 가장 효율이 좋은 화학 전지는 어느 것인가?’는 참고 문헌이나 인터넷 등을 통해 자료를 얻고 평가하는 활동이므로 과학 실천 8중 '과학적 문제 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기 (8-2)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다.
- 화학II교과서의 5개 단원은 I단원 ‘다양한 모습의 물질’, II단원 ‘물질 변화와 에너지’, III단원 ‘화학 평형’, IV단원 ‘화학 반응 속도’, V단원 ‘인류 복지와 화학’이다. 각 화학II교과서에서 ‘탐구 활동’, ‘탐구 자료 해석’, ‘탐구 자료 분석’, ‘탐구 실험’, ‘미니 탐구’ 등과 같이 ‘탐구’ 라는 단어가 들어간 활동을 분석하였다.
- 과학 실천의 세부 목표를 기준으로 분석한 예를 들면, Fig. 1에 제시된 바와 같이 A교과서의 II단원 '물질의 변화와 에너지'에 포함된 '탐구 활동 8 발열 반응과 흡열 반응'에서 '정리 1 염화칼슘의 용해 반응이 어떻게 이용될 수 있는지 알아보자’ 는 수집한 자료를 분석 · 해석하고, 참고 문헌을 이용해서 정보를 얻어야 하므로 과학 실천 4중에서 '타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모델을 사용하여 자료 분석하기 (4-1)’로, 과학 실천 8 중에서 '과학적 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기 (8-2)’ 로 분석하였다. 또한 '정리 2 질산암모늄을 물에 용해시킬 때 나타나는 현상에 대한 이유를 설명하여 보자’ 는 용해현상에서 실험을 통해 측정한 온도에 관한 정성적 설명을 제시하는 활동이므로 과학 실천 6 중에서 '독립 변인과 종속변인 사이의 관계를 고려하여 양적, 질적 주장을 만들기(6-1)’로 분석하였다.
- 다른 예는 Fig. 2에 제시된 바와 같이 A교과서의 III단원 '화학 평형’에 포함된 '탐구 활동 28 다양한 화학 전지의 전위차 측정하기’에서 '과정② 전압계를 이용하여 각 금속 조각 사이의 전압을 측정하여 아래 표에 기록한다’ 는 실험을 통해 얻은 각 금속 조각 사이의 전압 데이터를 기록하는 활동이므로 과학 실천 3 중에서 '여러 가지 변인을 고려하여 계의 복잡한 모형에 대해서 변인들을 조정하고 자료를 수집하기 (3-6)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. '정리 1 전압이 가장 크게 나타나는 경우는 어느 것인가?’는 수집한 자료를 해석하는 활동이므로 과학 실천 4 중에서 '타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모형을 사용하여 자료를 분석하기 (4-1)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다.
- 1에 제시된 바와 같이 A교과서의 II단원 '물질의 변화와 에너지'에 포함된 '탐구 활동 8 발열 반응과 흡열 반응'에서 '정리 1 염화칼슘의 용해 반응이 어떻게 이용될 수 있는지 알아보자’ 는 수집한 자료를 분석 · 해석하고, 참고 문헌을 이용해서 정보를 얻어야 하므로 과학 실천 4중에서 '타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모델을 사용하여 자료 분석하기 (4-1)’로, 과학 실천 8 중에서 '과학적 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기 (8-2)’ 로 분석하였다. 또한 '정리 2 질산암모늄을 물에 용해시킬 때 나타나는 현상에 대한 이유를 설명하여 보자’ 는 용해현상에서 실험을 통해 측정한 온도에 관한 정성적 설명을 제시하는 활동이므로 과학 실천 6 중에서 '독립 변인과 종속변인 사이의 관계를 고려하여 양적, 질적 주장을 만들기(6-1)’로 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 2009 개정 교육과정에 의해 개발되고 서울시교육감의 인정을 받은 총 4종의 고등학교 화학II교과서의 5개 단원에 포함되어 있는 탐구 활동을 분석 대상으로 하였다. 화학II교과서의 5개 단원은 I단원 ‘다양한 모습의 물질’, II단원 ‘물질 변화와 에너지’, III단원 ‘화학 평형’, IV단원 ‘화학 반응 속도’, V단원 ‘인류 복지와 화학’이다.
성능/효과
- 4종의 교과서에 포함되어 있는 총 173개의 탐구활동 중 D교과서가 56개로 가장 많은 탐구 활동을 포함하고 있었고, B교과서는 41개, A와 C교과서는 각각 38개의 탐구 활동을 포함하고 있었다. 4종의 교과서에 포함되어 있는 과학 실천은 A교과서 159개, B교과서 162개, C교과서 140개, D교과서 217개로 교과서별, 단원별 탐구 활동 수와 과학 실천 수에 상당한 편차가 있었다. 평균적으로 III단원 '화학 평형’이 가장 많은 탐구 활동(14개)과 과학 실천(59개)을, V단원'인류 복지와 화학’이 가장 적은 탐구 활동(2개)과 과학 실천(8개)을 포함하고 있었다.
- 2009 개정 교육과정 화학II 교과서에 포함되어 있는 '탐구’ 라는 단어 가 들어간 활동수와 과학 실천 수는 Table 2와 같다. 4종의 교과서에 포함되어 있는 총 173개의 탐구활동 중 D교과서가 56개로 가장 많은 탐구 활동을 포함하고 있었고, B교과서는 41개, A와 C교과서는 각각 38개의 탐구 활동을 포함하고 있었다. 4종의 교과서에 포함되어 있는 과학 실천은 A교과서 159개, B교과서 162개, C교과서 140개, D교과서 217개로 교과서별, 단원별 탐구 활동 수와 과학 실천 수에 상당한 편차가 있었다.
- 8가지 과학 실천 각각에 대하여 9-12학년 학생들이 성취해야 할 세부 목표를 기준으로 분석한 결과 한 두 개의 특정 세부 목표 달성에 부합하는 활동으로 편중되어 있음을 알 수 있었다. 학생들이 탐구를 수행하는 과정에서 논리적이고 비판적인 사고 능력을 기를 수 있도록 다양하고 폭 넓은 기회가 제공되어야 하지만 일부 정형화된 패턴을 벗어나지 못하고 있는 것으로 보인다.
- 교과서별 단원별 포함되어 있는 탐구 활동과 과학 실천의 수에 편차가 있었는데, A교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중에 적은 편이지만, III단원 ‘화학 평형’에 포함된 탐구 활동은 D교과서와 함께 가장 많았고 과학 실천은 4종 교과서 중 가장 많았다. B교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았지만, V단원 '인류 복지와 화학'에 포함된 탐구 활동은 4종 교과서 중 가장 적었고, 과학 실천도 적은 편이었다. C교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 적은 편이었지만, Ⅰ단원 '다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동 은 D교과서와 함께 가장 많았고, 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았다.
- 교과서 별 단원별 포함되어 있는 탐구 활동수와 과학 실천수를 살펴보면, A교과서의 III단원 ‘화학 평형’에 포함된 탐구 활동은 16개, 과학 실천은 70개로 다른 단원들에 비해 두 배 정도이고 4종의 교과서 중에서 가장 많았다. B교과서의 V단원 ‘인류 복지와 화학’에 포함된 탐구 활동은 1개로 4종 교과서중 가장 적은 탐구 활동을 포함하고 있고, 과학 실천도 3개로 B교과서의 평균과도 큰 차이를 보였다. C교과서의 I 단원 ‘다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동은 15개, 과학 실천은 64개로 C교과서의 평균 보다 두 배 많을 뿐 아니라 4종 교과서의 평균보다 높았는데, 이는 C교과서의 다른 단원들이 4종 교과서의 평균보다 이하의 수를 나타내고 있는 것에 비해 두드러지는 결과이다.
- B교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았지만, V단원 '인류 복지와 화학'에 포함된 탐구 활동은 4종 교과서 중 가장 적었고, 과학 실천도 적은 편이었다. C교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 적은 편이었지만, Ⅰ단원 '다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동 은 D교과서와 함께 가장 많았고, 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았다. D과서에는 III단원 '화학 평형’에 포함된 과학 실천이 4종의 교과서 중 세 번째인 것을 제외한 나머지 모든 단원에서 탐구 활동과 과학 실천이 가장 많이 포함되어 있었다.
- B교과서의 V단원 ‘인류 복지와 화학’에 포함된 탐구 활동은 1개로 4종 교과서중 가장 적은 탐구 활동을 포함하고 있고, 과학 실천도 3개로 B교과서의 평균과도 큰 차이를 보였다. C교과서의 I 단원 ‘다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동은 15개, 과학 실천은 64개로 C교과서의 평균 보다 두 배 많을 뿐 아니라 4종 교과서의 평균보다 높았는데, 이는 C교과서의 다른 단원들이 4종 교과서의 평균보다 이하의 수를 나타내고 있는 것에 비해 두드러지는 결과이다.。교과서에는 III단원 ‘화학 평형’을 제외 한 나머지 모든 단원에서 탐구 활동과 과학 실천이 4종 교과서 중 가장 많이 포함되어 있었다.
- Table 3에 제시된 바와 같이 화학II교과서의 탐구 활동에 포함된 여러 가지 과학 실천 중에서 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기'가 총 241 개로 가장 많이 포함되어 있었고, 과학 실천 5 ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’는 112개, 과학 실천 6 '설명 구성하고 문제해결 고안하기’는 111개, 과학 실천 3 '탐구 계획하고 수행하기’는 93개로 실험 수행을 통해 얻은 자료를 수학적, 논리적 사고를 바탕으로 분석하고 그 이유를 설명하는 활동이 많이 제시되어 있었다. 특히 '자료 분석하고 해석하기’ 는 A, B, C, D 교과서에서 모두 가장 많이 포함되어 있는 과학 실천이었다.
- 미국연구회(NRC)에서 제시한 8가지 과학 실천과 9-12학년의 성취 목표를 기준으로 분석한 결과 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 고등학교 화학II교과서 4종에 포함되어 있는 탐구 활동 수와 과학 실천 수는 각각 173개, 678개 포함되어 있었다. 교과서별 단원별 포함되어 있는 탐구 활동과 과학 실천의 수에 편차가 있었는데, A교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중에 적은 편이지만, III단원 ‘화학 평형’에 포함된 탐구 활동은 D교과서와 함께 가장 많았고 과학 실천은 4종 교과서 중 가장 많았다. B교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았지만, V단원 '인류 복지와 화학'에 포함된 탐구 활동은 4종 교과서 중 가장 적었고, 과학 실천도 적은 편이었다.
- 본 연구의 1 저자와 교육대학원 석사과정에 재학 중인 2인이 8가지 과학 실천과 세부 성취 목표의 내용을 숙지한 후, A교과서 38개의 탐구 활동 중 10개, B교과서 41개 탐구 활동 중 20개, C교과서 38개 탐구 활동 중 15개, D교과서 56개의 탐구 활동 중 20개를 각각 분석한 후, 분석자간 일치도를 구한 결과는 A교과서 0.81, B교과서 0.82, C교과서 0.87, D교과서 0.84 이었다. 분석이 모호하거나 분석자간 차이가 있는 경우에는 여러 차례 논의를 통해 합의하는 과정을 거쳤다.
- III단원 '화학 평형’, IV단원 '화학 반응 속도’에는 4종 교과서에 모두 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기’가 가장 많이 포함되어 있었다. 즉, V단원 '인류 복지와 화학’을 제외하고 교과서별로 대다수의 단원에서 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기’를 가장 많이 포함하고 있었는데, 이는 실험을 통해 수집한 자료를 논리적으로 분석하여, 결과를 뒷받침 할 수 있는 근거를 형성하는 활동이 많이 제공되고 있음을 의미한다. 이러한 활동들은 과학 탐구가 단순 자료 수집뿐만 아니라 사고 과정이 동반되는 활동임을 인식하는데 도움이 될 것이다.
- 탐구 활동에 포함된 각 과학 실천의 수를 분석한 결과 8가지 과학 실천 중 '자료 분석하고 해석하기’가 241개로 모든 교과서에서 가장 많이 포함되어 있었고, '수학 및 전산적 사고 이용하기’가 112개, '설명 구성하고 문제 해결 고안하기’가 111개, '탐구 계획하고 수행하기’가 92개, '증거에 입각하여 논의하기’가 73개, '정보를 얻고 평가하고 소통하기’가 41개, '모형 개발하고 사용하기’는 8개 포함되어 있었고, '질문하고 문제 규정하기’는 모든 교과서에 전혀 포함되어 있지 않았다. 즉, 실험을 통해 단순히 자료를 수집하는 것이 아니라 데이터를 논리적으로 분석하여 주장을 뒷받침 할 수 있는 근거를 형성하는 활동은 많지만, 동료와의 비판적인 토론을 통해 자신의 주장과 근거를 수정·보완해 나가는 과정에서 과학 지식을 형성하는 기회가 상대적으로 부족할 뿐 아니라 학생들이 관측된 현상에 대해 문제를 제기하거나 그에 관한 설명을 구체화시켜 모형으로 구성, 사용, 평가해보는 기회가 매우 제한적이어서 교과서에서 제시한 탐구 활동이 단순 탐구 기능 중심의 과학 개념 재확인 실험에 불과할 가능성이 큼을 시사한다.
- 탐구 활동에 포함된 각각의 과학 실천 수를 단원별로 살펴보면 Table 4에 제시된 바와 같이 I단원 ‘다양한 물질의 모습’에 C, D교과서에는 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’가, A와 B교과서에는 과학 실천 5 '수학 및 전산적 사고 이용하기'가 가장 많이 포함되어 있었고, II단원 '물질의 변화와 에너지’에는 C교과서를 제외한 나머지 교과서에 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기’가 가장 많이 포함되어 있었다. III단원 '화학 평형’, IV단원 '화학 반응 속도’에는 4종 교과서에 모두 과학 실천 4 '자료 분석하고 해석하기’가 가장 많이 포함되어 있었다.
후속연구
- 따라서 과학 교사들이 다양한 과학 실천이 포함된 탐구 중심 과학 수업을 계획 및 수행을 하는데 요구되는 교과교육학적 지식을 함양할 수 있도록 과학 교사 교육 및 연수가 제공되어야 할 필요성이 있다. 또한 다른 과학 교과목이나 중학교 과학 교과서의 탐구 활동에 포함된 과학 실천의 분포는 어떠한지, 과학 교사의 탐구와 과학 실천에 대한 이해와 인식, 실제 과학 탐구 수업의 수준 또는 교사와 학생 또는 학생들간의 상호작용은 어떠한지 등에 대한 후속 연구가 필요할 것이다. 이러한 연구는 현장 교사의 탐구 중심 과학 수업에 관한 전문성 향상을 통한 학생의 진정한 과학 학습을 성취하는데 기여할 수 있을 것이다.
- 또한 다른 과학 교과목이나 중학교 과학 교과서의 탐구 활동에 포함된 과학 실천의 분포는 어떠한지, 과학 교사의 탐구와 과학 실천에 대한 이해와 인식, 실제 과학 탐구 수업의 수준 또는 교사와 학생 또는 학생들간의 상호작용은 어떠한지 등에 대한 후속 연구가 필요할 것이다. 이러한 연구는 현장 교사의 탐구 중심 과학 수업에 관한 전문성 향상을 통한 학생의 진정한 과학 학습을 성취하는데 기여할 수 있을 것이다.
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