이 연구에서는 구인 모델링 방식을 적용하여 초등학교 5학년~중학교 3학년 학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하였다. 이를 위해 현행 교육과정과 선행연구를 분석하여 용해와 용액 개념 이해의 가설적 발달 경로인 초기 구인 구성도를 설정하였고, 이를 바탕으로 순위정렬 선다형 평가 문항으로 구성된 검사지를 제작하였다. 826명의 학생들을 대상으로 검사를 실시하였으며, 다분 문항반응이론의 모형 중 부분 점수 모형을 활용하여 분석한 결과를 바탕으로 구인 구성도를 수정하였다. 연구 결과, 현행 교육과정에서 학년에 따른 용해와 용액 개념의 제시 순서는 대체로 학생들의 학습발달과정에 부합하는 것으로 나타났다. 그러나 하위 정착점과 용액에서 입자의 균일 분포 개념, 용해도에 영향을 미치는 요인에 대한 이해는 구인 구성도를 통해 이론적으로 예상한 수준과 달랐다. 수정된 구인 구성도에 따라 초 중등학생의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 도출하였다. 하위정착점인 수준 1은 용해와 용액을 입자 관점에서 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 수준 2는 용액에서 입자의 균일 분포 개념을 이해하는 수준으로, 수준 3은 용해도와 입자의 보존 개념을 이해하는 수준으로 설정되었다. 또한, 수준 4는 입자간 인력을 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 상위정착점인 수준 5는 입자간 인력과 용해도에 영향을 미치는 요인을 이해하는 수준으로 설정되었다.
이 연구에서는 구인 모델링 방식을 적용하여 초등학교 5학년~중학교 3학년 학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하였다. 이를 위해 현행 교육과정과 선행연구를 분석하여 용해와 용액 개념 이해의 가설적 발달 경로인 초기 구인 구성도를 설정하였고, 이를 바탕으로 순위정렬 선다형 평가 문항으로 구성된 검사지를 제작하였다. 826명의 학생들을 대상으로 검사를 실시하였으며, 다분 문항반응이론의 모형 중 부분 점수 모형을 활용하여 분석한 결과를 바탕으로 구인 구성도를 수정하였다. 연구 결과, 현행 교육과정에서 학년에 따른 용해와 용액 개념의 제시 순서는 대체로 학생들의 학습발달과정에 부합하는 것으로 나타났다. 그러나 하위 정착점과 용액에서 입자의 균일 분포 개념, 용해도에 영향을 미치는 요인에 대한 이해는 구인 구성도를 통해 이론적으로 예상한 수준과 달랐다. 수정된 구인 구성도에 따라 초 중등학생의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 도출하였다. 하위정착점인 수준 1은 용해와 용액을 입자 관점에서 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 수준 2는 용액에서 입자의 균일 분포 개념을 이해하는 수준으로, 수준 3은 용해도와 입자의 보존 개념을 이해하는 수준으로 설정되었다. 또한, 수준 4는 입자간 인력을 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 상위정착점인 수준 5는 입자간 인력과 용해도에 영향을 미치는 요인을 이해하는 수준으로 설정되었다.
In this study, we investigated a learning progression focusing on $5^{th}$ to $9^{th}$ graders' performances with dissolution and solution concepts using the construct modeling approach. We designed a construct map describing hypothetical pathways of the concept development of ...
In this study, we investigated a learning progression focusing on $5^{th}$ to $9^{th}$ graders' performances with dissolution and solution concepts using the construct modeling approach. We designed a construct map describing hypothetical pathways of the concept development of dissolution and solution by analyzing both National Science Curricula and related studies. A conceptions test consisting of ordered multiple-choice items was developed and administered to 826 students. A revised construct map was derived from analyses of the results based on the partial credit model, a branch of polytomous item response theory. The sequence of dissolution and solution concepts presented in the current science curriculum was found to correspond with the learning progression of the students. However, the lower anchor, the concept of the homogeneity of particles in solution, and the factors affecting solubility were not consistent with the expected levels of the construct map. After revising the construct map, we proposed a learning progression for dissolution and solution concepts with five levels: Students of level 1 (the lower anchor) recognize the particles in the solution but misunderstand various concepts; Students of level 2 understand the homogeneity of particles in solution; Students of level 3 understand solubility and the conservation of particles during dissolution; Students of level 4 partially understand the interaction between particles; and Students of level 5 (the upper anchor) understand the interaction between particles and the factors affecting solubility.
In this study, we investigated a learning progression focusing on $5^{th}$ to $9^{th}$ graders' performances with dissolution and solution concepts using the construct modeling approach. We designed a construct map describing hypothetical pathways of the concept development of dissolution and solution by analyzing both National Science Curricula and related studies. A conceptions test consisting of ordered multiple-choice items was developed and administered to 826 students. A revised construct map was derived from analyses of the results based on the partial credit model, a branch of polytomous item response theory. The sequence of dissolution and solution concepts presented in the current science curriculum was found to correspond with the learning progression of the students. However, the lower anchor, the concept of the homogeneity of particles in solution, and the factors affecting solubility were not consistent with the expected levels of the construct map. After revising the construct map, we proposed a learning progression for dissolution and solution concepts with five levels: Students of level 1 (the lower anchor) recognize the particles in the solution but misunderstand various concepts; Students of level 2 understand the homogeneity of particles in solution; Students of level 3 understand solubility and the conservation of particles during dissolution; Students of level 4 partially understand the interaction between particles; and Students of level 5 (the upper anchor) understand the interaction between particles and the factors affecting solubility.
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문제 정의
이 연구에서는 초등학교 5학년∼중학교 3학년 학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하였다.
제안 방법
교육과정 분석 결과와 우리나라 학생들의 용해와 용액 개념에 대한 이해 수준과 오개념을 조사한 선행연구(Kang et al., 2001, 2004; Park & Lee, 2008)를 종합하여 초기 구인 구성도에 포함될 개념들을 추출하였다.
먼저, 구인 특화 단계에서 초기 구인 구성도를 작성하였다(Alonzo & Steedle, 2009). 구인 구성도에는 용해와 용액의 하위 개념과 정의를 위계적으로 배치해야 하므로(Wilson, 2005), 연구 대상 학생들에 적용되는 2007 개정 및 2009 개정 교육과정의 교과서, 지도서와 교육과정 해설서를 분석하였다. 초등학교 5학년 ‘용해와 용액’ 단원에서 용매와 용질 등의 용어가 처음으로 도입되고 용질의 종류에 따른 용해도, 용매의 온도에 따른 용해도, 용해 전후의 질량 보존 등의 개념을 거시적 수준에서 다루고 있었다.
각 문항은 5개의 선택지 중에서 자신의 생각에 가장 가까운 선택지를 하나만 고르도록 구성하였다. 그리고 학생의 응답에 따라 용해와 용액 개념에 대한 이해 수준을 확인하기 위해 각 선택지는 초기 구인 구성도에서 하나의 수준에 대응되도록 하였다. 또한 학습발달과정 연구 방법의 특성상 모든 연구 대상이 동일한 문항에 응답해야 하므로(Seong et al.
그러나 중학교 과학의 용해와 용액 단원에서는 입자 개념을 중요하게 다루고 있으며, 분자 운동과 상태 변화 단원에서 ‘분자 사이에 서로 끌어당기는 힘’, 즉, 입자간 인력에 대한 내용이 교과서에 제시되는 경우가 적지 않다. 따라서 용해 과정에서 입자간 인력은 중학생이 추론해낼 수 있는 가장 높은 수준의 개념이라고 판단하여 상위 정착점으로 설정하였다. 용해와 용액 개념에 대한 초기 구인 구성도를 Table 2에 제시하였다.
이러한 분석 자료들에 기반하여 전체 문항에 대한 모든 연구 대상의 능력과 선택지별 난이도를 함께 비교하여 하나의 그림으로 나타낸 Wright map을 중심으로 학생들의 학습발달과정을 분석하였다. 또한 현행 교육과정의 개념 제시 순서와 학생들의 학습발달과정 간의 관계를 구체적으로 분석하기 위하여 정규 교육과정에서 용해 관련 개념을 다루는 수준에 따라 학생들을 구분하였다. 즉, 용해 관련 개념을 초등학교 수준에서만 학습한 초등학교 5학년∼중학교 1학년 집단과 중학교 수준에서 학습한 중학교 2∼3학년 집단으로 학생들을 구분한 후, 각 집단별 Wright map을 추가로 분석하였다.
5)의 위치를 나누는 경계를 단계 값으로 설정하여 새로운 수준 4와 5를 구분하였다. 또한, 5번 문항의 수준 2(A5 .2)와 수준 3(A5 .3)을 나누는 단계 값을 삽입하여 4번과 5번 문항의 수준 2 선택지(A4 .2, A5 .2)를 새로운 수준 1로 설정하였다. 수준 2와 3 및 수준 3과 4의 단계 값은 초기 구인 구성도의 경계를 유지하였다.
그러나 초기 구인 구성도에서 하위 정착점인 수준 1은 대다수 학생의 능력 수준보다 매우 낮은 수준으로 나타났으므로 수정된 구인 구성도에서는 하위 정착점을 수준 1보다 높은 수준에서 설정하였다. 또한, 용액에서 입자의 균일 분포와 용해도에 영향을 미치는 요인에 대한 학생들의 이해 수준은 초기 구인 구성도를 통해 이론적으로 예상한 수준과 달랐기 때문에 구인 구성도에서 두 개념의 위치를 수정하였다. 수정된 구인 구성도에서 하위 정착점인 수준 1은 용해와 용액을 입자 관점에서 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 수준 2는 입자의 균일 분포 개념을 이해하는 수준으로, 수준 3은 용해도와 입자의 보존 개념을 이해하는 수준으로 설정하였다.
3’은 새로운 상위 정착점으로 재분류되었다. 수정된 Wright map을 바탕으로 구인 구성도를 수정하였다. 먼저, 선택지에 대한 응답률이 매우 낮아 해당 개념을 지닌 학생이 거의 없다고 판단된 개념은 구인 구성도에 포함시키지 않았다(Seong et al.
또한, 용액에서 입자의 균일 분포와 용해도에 영향을 미치는 요인에 대한 학생들의 이해 수준은 초기 구인 구성도를 통해 이론적으로 예상한 수준과 달랐기 때문에 구인 구성도에서 두 개념의 위치를 수정하였다. 수정된 구인 구성도에서 하위 정착점인 수준 1은 용해와 용액을 입자 관점에서 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 수준 2는 입자의 균일 분포 개념을 이해하는 수준으로, 수준 3은 용해도와 입자의 보존 개념을 이해하는 수준으로 설정하였다. 또한, 수준 4는 입자간 인력을 인식할 수 있으나 다양한 오개념을 지니는 수준으로, 상위 정착점인 수준 5는 입자간 인력과 용해도에 영향을 미치는 요인을 이해하는 수준으로 설정하였다.
측정 모델을 적용하여 각 문항별 모수 추정치, 문항 특선 곡선, 누적 확률 곡선을 얻었다. 이러한 분석 자료들에 기반하여 전체 문항에 대한 모든 연구 대상의 능력과 선택지별 난이도를 함께 비교하여 하나의 그림으로 나타낸 Wright map을 중심으로 학생들의 학습발달과정을 분석하였다. 또한 현행 교육과정의 개념 제시 순서와 학생들의 학습발달과정 간의 관계를 구체적으로 분석하기 위하여 정규 교육과정에서 용해 관련 개념을 다루는 수준에 따라 학생들을 구분하였다.
즉, 용해 관련 개념을 초등학교 수준에서만 학습한 초등학교 5학년∼중학교 1학년 집단과 중학교 수준에서 학습한 중학교 2∼3학년 집단으로 학생들을 구분한 후, 각 집단별 Wright map을 추가로 분석하였다. 이를 근거로 초기 구인 구성도를 수정하여 용해와 용액 개념에 대한 학생들의 학습발달과정을 묘사하는 구인 구성도를 도출하였다. 문항반응이론 전문가 1인과 과학교육전문가 4인, 현직 과학교사 2인이 참가한 수차례의 세미나를 통하여 분석 결과와 해석의 타당도를 점검받았다.
이 연구에서는 초등학교 5학년∼중학교 3학년 학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하였다. 이를 위해 현행 교육과정과 선행연구를 분석하여 용해와 용액 개념 이해의 가설적 발달 경로인 초기 구인 구성도를 설정하였고 이를 바탕으로 검사지를 제작하여 검사를 실시하였으며, 문항반응이론을 활용하여 평가 결과를 해석함으로써 구인 구성도를 수정하였다.
이에 이 연구에서는 문항반응이론을 활용하여 초⋅중학생들의 용해와 용액에 대한 개념에 대한 학습발달과정을 조사하였다.
즉, 용해 관련 개념을 초등학교 수준에서만 학습한 초등학교 5학년∼중학교 1학년 집단과 중학교 수준에서 학습한 중학교 2∼3학년 집단으로 학생들을 구분한 후, 각 집단별 Wright map을 추가로 분석하였다.
0 버전을 사용하였다. 측정 모델을 적용하여 각 문항별 모수 추정치, 문항 특선 곡선, 누적 확률 곡선을 얻었다. 이러한 분석 자료들에 기반하여 전체 문항에 대한 모든 연구 대상의 능력과 선택지별 난이도를 함께 비교하여 하나의 그림으로 나타낸 Wright map을 중심으로 학생들의 학습발달과정을 분석하였다.
학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하기 위한 검사지를 개발하였다. 검사 문항의 제작은 구인 특화, 평가 문항 개발, 평가 결과 기술, 측정 모델 적용으로 이루어진 구인 모델링 방식(construct modeling approach)에 따라 이루어졌다(Maeng et al.
대상 데이터
모든 연구 대상 학생들의 용해와 용액 개념 학습이 완료된 12월에 동일한 검사지를 사용하여 검사하였다. 복수응답이나 무응답으로 분석이 불가능한 경우를 제외한 803명의 응답을 분석하였다(Table 1).
서울특별시 강북 지역의 인접한 3개 구에 소재한 초등학교와 중학교 각각 두 곳에서 5학년 6개 학급과 6학년 7개 학급, 중학교 1∼3학년 각 6개 학급을 고르게 선정하여 총 826명을 대상으로 검사를 실시하였다.
용해와 용액 개념은 초등학교 5학년의 ‘용해와 용액’ 단원에서 처음 도입되고 중학교 2, 3학년 과학에서 제시되고 있으므로, 이 연구에서는 초등학교 5학년부터 중학교 3학년 학생을 연구 대상으로 하였다.
데이터처리
현행 과학과 교육과정에 제시된 용해와 용액 개념의 위계와 학생들의 능력 수준이 부합하는지를 보다 구체적으로 분석하기 위하여 각 집단별 Wright map을 도출하였으며, 그 결과를 Figure 3과 4에 제시 하였다.
이론/모형
학생들의 용해와 용액 개념에 대한 학습발달과정을 조사하기 위한 검사지를 개발하였다. 검사 문항의 제작은 구인 특화, 평가 문항 개발, 평가 결과 기술, 측정 모델 적용으로 이루어진 구인 모델링 방식(construct modeling approach)에 따라 이루어졌다(Maeng et al., 2013; Wilson, 2005). 먼저, 구인 특화 단계에서 초기 구인 구성도를 작성하였다(Alonzo & Steedle, 2009).
문항반응 분석은 Rasch 모형에 기반을 둔 문항반응이론 소프트웨어인 Winsteps 3.81.0 버전을 사용하였다. 측정 모델을 적용하여 각 문항별 모수 추정치, 문항 특선 곡선, 누적 확률 곡선을 얻었다.
결과 분석은 구인 모델링 방식의 측정 모델 적용 단계에 해당한다. 이 연구에서는 다분 문항반응 모형 중에서 선택지가 서열 척도인 서열 반응 모형의 한 가지인 부분 점수 모형(partial credit model; Masters, 1982)을 사용하였다. 부분 점수 모형은 1-모수 로지스틱 모형(Rasch 모형)을 다분 문항반응 모형으로 확장시킨 형태로, 검사 문항에 부분 점수를 부여하여 채점할 경우 적용할 수 있는 모형이다.
성능/효과
검사지의 문항은 수차례의 세미나를 통해 수정⋅보완한 후, 과학교육전문가 3인과 과학교사 2인으로부터 안면타당도를 점검받았다.
분석 결과, 초등학교 5학년∼중학교 1학년 학생들의 능력 수준 (Figure 3)은 대부분 0.00∼2.50 사이에 분포하였고, 평균은 1.16으로 수준 3 선택지의 중간에 가까웠다.
연구 결과, 현행 교육과정에서 학년에 따른 용해와 용액 개념의 제시 순서는 대체로 학생들의 학습발달과정에 부합하는 것으로 나타났다. 그러나 초기 구인 구성도에서 하위 정착점인 수준 1은 대다수 학생의 능력 수준보다 매우 낮은 수준으로 나타났으므로 수정된 구인 구성도에서는 하위 정착점을 수준 1보다 높은 수준에서 설정하였다.
16으로 수준 3 선택지의 중간에 가까웠다. 입자간 인력을 이해할 수 있는 능력 수준인 수준 5에 도달한 학생은 전체의 7% 정도로 매우 적었으며, 입자간 인력을 고려하지만 오개념을 일부 포함하고 있는 수준 4 선택지의 난이도도 학생들의 능력 수준의 평균보다 높았다. 즉, 용해와 용액 개념을 입자간 인력의 관점에서 이해하는 것은 초등학교 5학년∼중학교 1학년 학생들에게 상당히 어려운 수준이라고 할 수 있다.
후속연구
그러나 이러한 상위 개념들을 학습하기 전에 젓는 속도나 온도와 같은 요인들이 용해 속도와 용해도에 미치는 영향을 구별하는 것은 중요하므로, 향후 초⋅중등 과학 교육과정에서 용해도와 용해 속도에 대한 개념을 좀 더 명확히 구분하여 제시하는 것이 필요하다고 생각된다.
한편, 학습발달과정은 여러 차례의 반복적인 조사를 통해 학생들의 가설적 개념 발달 경로를 정교화하는 과정이므로, 본 연구의 결과를 바탕으로 검사를 수정⋅보완하여 용해와 용액 개념에 대한 학생들의 학습발달과정을 반복적으로 조사할 필요가 있다. 또한, 국내에서 화학 분야의 학습발달과정에 대한 연구는 매우 부족한 상황이므로 화학의 핵심 개념에 대한 학습발달단계를 조사하는 연구를 활발히 진행하여 학생들의 학습발달단계에 대한 연구 결과를 축적해 나가야 할 것이며, 이를 향후 초⋅중등 과학 교육과정에서 내용 구성의 주요 근거로 활용해야 할 것이다.
이러한 결과는 초⋅중등 과학 교육과정에서 학년에 따라 용해와 용액의 하위 개념들을 제시하는 순서와 수준을 설정하는데 중요한 정보를 제공한다. 즉, 현행 교육과정 하에서 용해와 용액 개념을 학습한 초등학교 5학년부터 중학교 3학년 학생들의 이해 수준을 평가한 실증적인 연구 결과를 바탕으로 용해와 용액 개념에 대한 학생들의 개념 발달 경로를 제시하였으므로, 이를 향후 교육과정 개발 과정에서 활용한다면 학생들의 개념 발달을 촉진하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 연구 결과를 바탕으로 한 향후 교육과정 개발과 학습발달 과정 연구에 대한 구체적인 제언은 다음과 같다.
한편, 학습발달과정은 여러 차례의 반복적인 조사를 통해 학생들의 가설적 개념 발달 경로를 정교화하는 과정이므로, 본 연구의 결과를 바탕으로 검사를 수정⋅보완하여 용해와 용액 개념에 대한 학생들의 학습발달과정을 반복적으로 조사할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
학습발달과정이란?
학습발달과정은 과학 개념에 대한 학생들의 이해나 과학적 탐구 실행 능력이 오랜 기간에 걸쳐 정교해지는 발달 경로를 의미한다 (Corcoran et al., 2009; NRC, 2007).
학습발달과정은 기존 교육과정 체계와 어떠한 점에서 차별화되는가?
학생이 과학적 개념을 형성하는 과정은 복잡하고 교수학습 방법이나 선행 지식 등과 같은 다양한 요인들에 의해 달라질 수 있기 때문에, 학습발달과정은 일종의 가설 또는 추정이라 할 수 있다(Alonzo & Steedle, 2009). 학습발달과정은 학생을 대상으로 한 연구 자료에 근거하여 검증이 가능하다는 점에서 기존의 교육과정 체계와 차별화된다(Corcoran et al., 2009; Maeng et al.
현행 과학 교육과정의 구성 과정에서 학생들의 학습발달과정에 대한 고려가 부족함에 따라 어떠한 결과를 발생시키는가?
우리나라 과학 교육과정의 내용 체계는 학생 들의 개념 이해의 발달 과정에 근거한 것이 아니라 과학자와 과학교 육전문가의 협의체를 통하여 이론적이고 논리적으로 구성한 결과물 에 가깝다(Paik, 2006). 이는 학생들의 인지 수준과 교과서에 제시된 개념 수준 사이의 불일치를 유발하고, 그 결과 학생들의 개념 이해및 과학 학습에 대한 흥미 저하의 원인이 될 수 있다(Kang & Yun, 2007). 실제로 과학 교육과정 중에는 학생들의 인지 수준에 적합하지 않아 개념 이해에 어려움을 겪거나 오개념이 유발될 수 있는 내용이 존재한다고 보고되었다(Kang et al.
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