과학 공학적 실천에 의한 초등학교 과학 교과서 물질 영역의 탐구 활동 분석 The Analysis of Inquiry Activity in the Material Domain of the Elementary Science Textbook by Science and Engineering Practices원문보기
We examined the inquiry activities in the material domain of the elementary science textbooks and experimental workbooks based on 2009 revised curriculum. The analysis framework was SEP (Science and Engineering Practices) - 'Asking questions and defining problems', 'developing and using models', 'pl...
We examined the inquiry activities in the material domain of the elementary science textbooks and experimental workbooks based on 2009 revised curriculum. The analysis framework was SEP (Science and Engineering Practices) - 'Asking questions and defining problems', 'developing and using models', 'planning and carrying out investigations', 'analyzing and interpreting data', 'using mathematics and computational thinking', 'constructing explanations and designing solutions', 'engaging in argument from evidence', and 'obtaining, evaluating, and communicating information'. Sub-SEP of each grade band were also used. The results showed that the $3^{rd}{\sim}5^{th}$ grade science textbooks and workbooks mainly emphasized 'make observations and/or measurements', 'represent data in tables and/or various graphical displays', or 'use evidence to construct or support an explanation or design a solution to a problem' among around 40 sub-SEP. In the case of the inquiry activities for $6^{th}$ grade, majority of sub-SEP included were also only 'collect data to produce data to serve as the basis for evidence to answer scientific questions or test design solutions', 'analyze and interpret data to provide evidence for phenomena' or 'construct a scientific explanation based on valid and reliable evidence obtained from sources'. The type of 'asking questions and defining problems', 'using mathematics and computational thinking' or 'obtaining, evaluating, and communicating information' were little found out of 8 SEP. Educational implications were discussed.
We examined the inquiry activities in the material domain of the elementary science textbooks and experimental workbooks based on 2009 revised curriculum. The analysis framework was SEP (Science and Engineering Practices) - 'Asking questions and defining problems', 'developing and using models', 'planning and carrying out investigations', 'analyzing and interpreting data', 'using mathematics and computational thinking', 'constructing explanations and designing solutions', 'engaging in argument from evidence', and 'obtaining, evaluating, and communicating information'. Sub-SEP of each grade band were also used. The results showed that the $3^{rd}{\sim}5^{th}$ grade science textbooks and workbooks mainly emphasized 'make observations and/or measurements', 'represent data in tables and/or various graphical displays', or 'use evidence to construct or support an explanation or design a solution to a problem' among around 40 sub-SEP. In the case of the inquiry activities for $6^{th}$ grade, majority of sub-SEP included were also only 'collect data to produce data to serve as the basis for evidence to answer scientific questions or test design solutions', 'analyze and interpret data to provide evidence for phenomena' or 'construct a scientific explanation based on valid and reliable evidence obtained from sources'. The type of 'asking questions and defining problems', 'using mathematics and computational thinking' or 'obtaining, evaluating, and communicating information' were little found out of 8 SEP. Educational implications were discussed.
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문제 정의
본 연구에서는 초등학교 과학 및 실험관찰 교과서 물질 영역의 탐구 활동에 포함된 과학 공학적 실천을 분석하였다. 먼저 과학 교과서의 결과를 살펴보면(Table 3), 학년별 탐구 활동의 수가 평균 13.
이에 본 연구에서는 2009년 개정 교육과정에 의해 개발된 초등학교 과학 교과서 물질 영역의 탐구 활동을, 미국 차세대 과학교육 기준의 과학 공학적 실천의 측면에서 분석하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
제안 방법
아울러 중등과 달리 초등학교 과학 교과서의 경우 보조 교과서인 실험관찰 책이 존재하므로, 이를 함께 분석하였다. 과학 교과서와 실험관찰 상호간 탐구 활동이 중복되는 것이므로, 두 실천의 빈도를 합산하지 않고, 각각 제시, 비교함으로써 초등학교 과학 공학적 실천의 전체 모습을 파악할 수 있도록 하였다.
분석 단위는 교과서 탐구 활동에 제시된 한 문장을 기본으로 하였고, 해당 문장에 가장 부합하는 과학 공학적 세부 실천을 1가지씩 선정하였다. 복문으로 구성된 문장은 서로 다른 분석 단위로 구분하였고, 한 가지 활동을 의미하는 여러 개의 문장들은 하나의 분석 단위로 간주하였다. 주요 활동에 대한 보조 활동 문장이 있는 경우에는 보조 문장이 중심 문장과 다른 활동이면 각각 분석하고(부록 1, 분석 단위 ②, ③), 같은 활동이면 하나의 분석 단위로 간주하였다(부록 2, 분석 단위 ②).
본 연구의 모든 연구자가 과학 공학적 실천의 의미를 숙지하고, 교과서에 제시된 일부 탐구 활동을 대상으로 어떤 세부 실천 사항이 포함되었는지 분석을 훈련, 논의하였다. 교과서의 학년별로 각 연구자 1인이 최종 분석을 진행하되, 연구의 신뢰도 확인을 위해 일부 탐구 활동을 선정하여 2인의 분석자간 일치도 평균 .
분석 단위는 교과서 탐구 활동에 제시된 한 문장을 기본으로 하였고, 해당 문장에 가장 부합하는 과학 공학적 세부 실천을 1가지씩 선정하였다. 복문으로 구성된 문장은 서로 다른 분석 단위로 구분하였고, 한 가지 활동을 의미하는 여러 개의 문장들은 하나의 분석 단위로 간주하였다.
각 교과서 단원의 차시 내용 중 ‘탐구 활동’을 대상으로 하였는데, 5, 6학년의 경우 단원의 후반부에 추가로 제시된 ‘과학 더하기’까지 분석 대상에 포함시켰다. 실험관찰의 경우, 교과서의 분석 범위에 해당하는 부분을 함께 분석하였다.
추후 타 영역에 대한 연구가 필요할 것이다. 아울러 중등과 달리 초등학교 과학 교과서의 경우 보조 교과서인 실험관찰 책이 존재하므로, 이를 함께 분석하였다. 과학 교과서와 실험관찰 상호간 탐구 활동이 중복되는 것이므로, 두 실천의 빈도를 합산하지 않고, 각각 제시, 비교함으로써 초등학교 과학 공학적 실천의 전체 모습을 파악할 수 있도록 하였다.
이어 미국의 차세대 과학교육 기준(NGSS: Next Generation Science Standards)에서는 ‘질문하고 문제 규정하기’, ‘모형 개발하고 사용하기’, ‘조사 계획하고 수행하기’, ‘자료 분석하고 해석하기’, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’ 등과 같은 8가지 과학 공학적 실천을 제시하였다.
미국 차세대 과학교육 기준(NGSS Lead States, 2013)에는 8가지 과학 공학적 실천에 대해 학년 군별로 세부 실천을 제공하고 있다(Table 1). 이에 본 연구에서는 3~5학년 탐구 활동에는 3~5학년용 세부 실천을, 6학년 탐구 활동에는 6~8학년용 세부 실천을 적용하여 분석하였다.
하지만 본 연구에서는 초등학교의 수준 및 실험관찰 교과서의 특성 등을 고려하여, 설계과정이 없는 관찰, 분류, 측정 등의 활동을 ‘3 조사 계획하고 수행하기’ 범주에 포함시키고, 실험관찰 교과서에 제시된 표에 결과를 기록하는 활동을 ‘4 자료 분석하고 해석하기’ 범주에 포함시켰다.
대상 데이터
3학년 1학기 ‘우리 생활과 물질’부터 6학년 2학기 ‘연소와 소화’까지 학기별로 한 단원씩 총 8개 단원이었다.
본 연구는 2009년 개정 교육과정(Ministry of Edu- cation and Science Technology, 2012)에 의한 초등학교 3~6학년 「과학」 및 「실험관찰」의 물질 영역을 대상으로 하였다. 3학년 1학기 ‘우리 생활과 물질’부터 6학년 2학기 ‘연소와 소화’까지 학기별로 한 단원씩 총 8개 단원이었다.
과학 교과서의 경우 3~5학년은 관찰, 측정 등(E33)에, 6학년은 탐구 문제에 답하기 위한 자료 수집(M34), 증거를 바탕으로 설명 구성(M63)에 치중된 경향이 있었다. 실험관찰 역시 3~5학년은 표나 그림으로 결과 기록(E41), 증거 사용 및 설명 구성(E62)에, 6학년은 현상에 대한 증거를 제공하기 위한 자료 해석(M44), 탐구 문제에 답하기 위한 자료 수집(M34), 증거를 바탕으로 설명 구성(M63) 위주로 구성되어 있었다. 특히, 6~8학년군의 경우, 3~5학년군에 비해 세부 실천이 다소 높은 수준으로 제공되어 있으나(NGSS Lead States, 2013), 이 중 상당수가 우리나라 6학년 교과서에 제시되지 않았다.
이론/모형
교과서를 분석하는 기준으로 미국 과학교육연구회의 차세대 과학교육 기준(National Science Education Standards)에 제시된 과학 공학적 실천(SEP: Science and Engineering Practices)을 사용하였다(NGSS Lead States, 2013). ‘1 질문하고 문제 규정하기’, ‘2 모형 개발하고 사용하기’, ‘3 조사 및 실험 계획하고 수행하기’, ‘4 자료 분석하고 해석하기’, ‘5 수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘6 설명 구성하고 문제 해결 고안하기’, ‘7 증거에 입각하여 논의하기’, ‘8 정보를 얻고 평가하고 소통하기’의 8가지 실천에 대해 유치원~2학년, 3~5, 6~8, 9~12학년 군별로 세부 실천이 제시되어 있다.
성능/효과
과학 공학적 실천은 평균 빈도 60.5회로 나타나, 탐구 활동 하나에 실천이 4~5번 제시되어 있음을 알 수 있었다. 학년별 과학 교과서마다 분석 단위와 과학 공학적 실천의 수 사이에 차이가 있는 것은 실천이 아닌 단순히 실험 기구를 조작하는 등의 활동이 상당수 존재한다는 것을 의미한다(부록 1, 2, 분석 단위 ①).
구체적으로 살펴보면, ‘움직이는 두더지 장난감을 만들어봅시다, 3학년; 친구들과 함께 용액의 진하기를 비교할 수 있는 도구를 다양한 방법으로 만들어 봅시다, 5학년’은 E64(아이디어 적용하여 설계), ‘탄산수의 특징을 생각하며 내가 만든 탄산수를 광고하여 봅시다’는 M66(아이디어 적용하여 설계)의 예로 볼 수 있었다.
둘째, 과학 및 실험관찰에는 총 8가지 과학 공학적 실천 중 일부 유형이 주로 나타났다. 즉, 과학 교과서에는 ‘3 조사나 실험을 수행하기’가 절반 가까이 제시되었고, 실험 관찰에는 ‘4 자료를 정리하고 해석하기’가 1/3 가량 제시되었다.
반면, 2009년 개정 교육과정이 강조하고 있는 말, 글, 그림, 기호 등 다양한 양식의 의사소통 방법과 컴퓨터, 시청각 기기 등 다양한 매체를 통하여 제시되는 과학기술 정보를 이해하고 표현하는 능력, 증거에 근거하여 논증 활동을 하는 능력(McNeill, 2011; Ministry of Education and Science Technology, 2012; NRC, 2013) 등과 관련이 있다고 볼 수 있는 ‘7 증거에 입각하여 논의하기’와 ‘8 정보를 얻고 평가하고 소통하기’는 매우 적은 비중으로 나타났다.
셋째, 과학 및 실험관찰에는 총 40여 개가 넘는 세부 실천 중 단지 10개 내외의 유형만이 나타났고, 나머지는 제시되지 않았다. 과학 교과서의 경우 3~5학년은 관찰, 측정 등(E33)에, 6학년은 탐구 문제에 답하기 위한 자료 수집(M34), 증거를 바탕으로 설명 구성(M63)에 치중된 경향이 있었다.
이와 같이 과학 교과서 및 실험관찰의 탐구 활동에 포함된 과학 공학적 실천을 분석한 결과, 일부 세부 실천에 편중되는 경향이 있음을 알 수 있었다. 예를 들어, 관찰, 예상, 자료 해석 등 기초 탐구 과정 및 통합 탐구 과정과 연관되는 과학 공학적 실천이 주로 강조되었다.
즉 본 연구 결과, 탐구 활동에 포함된 과학 공학적 실천의 수는 적지 않았지만 그 종류가 제한되어 있어, 제시된 탐구 문제와 절차에 따라 자료를 수집하고 분석하여 설명을 구성하는 활동(Martin-Hansen, 2002)이 주로 이루어짐을 알 수 있었다. 아울러 관찰, 예상, 자료 해석 등의 탐구 과정 기능에 비해 의사소통 능력과 같은 사회적 측면이 잘 반영되어 있지 않았다.
초등학교 3~6학년용 과학 교과서 및 실험관찰 물질 영역의 탐구 활동에 포함된 과학 공학적 실천을 분석한 본 연구의 결론은 다음과 같다. 첫째, 과학 교과서의 탐구 활동에는 과학 공학적 실천이 평균 4~5번씩 제시되었고, 실험관찰의 경우도 유사한 결과가 나타났다. 학년별 차이를 살펴보면, 3, 4학년에 비해 5, 6학년에서 탐구 활동의 수나 실천의 수가 다소 증가하는 경향이 있었다.
탐구 활동 당 실천의 빈도는 평균 4~5회이었고, 실천의 유형 중 ‘4 자료 분석하고 해석하기’와 ‘6 설명 구성하고 문제 해결 고안하기’가 각각 1/3 가량을 차지하였다.
학교급별 비교 결과, 초등학교에서 과학적 실천과 공학적 실천이 가장 많이 포함되었고, 8가지 과학적 실천 가운데 ‘정보를 얻고, 평가하고, 소통하기’가 가장 많이 제시되었다.
후속연구
둘째, 과학 공학적 실천과 관련한 초등학생이나 교사들의 인식을 조사해 볼 필요가 있다. 기존에 진행되어 온 과학 탐구에 대한 학생들의 이미지(Zhai et al.
분석 대상을 물질 영역에 한정한 것은 연구자의 전공, 방대한 분석양의 조절 등을 고려하였기 때문으로, 본 연구의 제한점으로 볼 수 있다. 추후 타 영역에 대한 연구가 필요할 것이다.
미국의 과학 공학적 실천(NGSS Lead States, 2013) 발표 이후, 최근 개정된 우리나라 교육과정(Ministry of Education, 2015)의 성취 기준에도 공학적 설계를 일부 반영하고 있는 것으로 보인다(여러 가지 물질을 선택하여 다양한 물체를 설계하고, 장단점을 토의할 수 있다, 3·4학년군; 용액의 진하기를 상대적으로 비교하는 방법을 고안할 수 있다, 5·6학년군). 차후 개편된 교과서를 대상으로 한 과학 공학적 실천 분석 연구를 진행해 볼 필요가 있다.
분석 대상을 물질 영역에 한정한 것은 연구자의 전공, 방대한 분석양의 조절 등을 고려하였기 때문으로, 본 연구의 제한점으로 볼 수 있다. 추후 타 영역에 대한 연구가 필요할 것이다. 아울러 중등과 달리 초등학교 과학 교과서의 경우 보조 교과서인 실험관찰 책이 존재하므로, 이를 함께 분석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과학 탐구란?
과학 탐구(science inquiry)는 과학자들이 자연 현상에 관한 의문에 답하려는 목적으로 연구하는 방법을 의미한다. 또는 학생들이 과학 지식을 습득하거나, 과학자들이 하는 일을 이해하기 위해 수행하는 활동, 스스로 문제를 해결하는 능력 등을 뜻하기도 한다(Anderson, 2002; Lotter et al., 2009).
미국의 차세대 과학교육 기준에서 제시한 8가지 과학 공학적 실천은 어떤 것인가?
NRC(Nationa Research Council, 2012)는 탐구의 의미를 보다 확장하여 ‘과학 공학적 실천(SEP: Science and Engineering Practices)’ 개념을 제안하였다. 이어 미국의 차세대 과학교육 기준(NGSS: Next Generation Science Standards)에서는 ‘질문하고 문제 규정하기’, ‘모형 개발하고 사용하기’, ‘조사 계획하고 수행하기’, ‘자료 분석하고 해석하기’, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’ 등과 같은 8가지 과학 공학적 실천을 제시하였다. 아울러 각 학년 군별로 세부 실천을 구체적으로 제시함으로써, 학생들 스스로 탐구를 수행할 수 있도록 길잡이를 제공하고 있다(NGSS Lead States, 2013).
학교 현장에서 과학 탐구 교육이 제대로 진행되고 있는지 알아보기 위해서는 과학 교과서에대한 분석이 가장 먼저 이루어져야 하는 이유는 무엇인가?
우리나라 과학교육에 대한 방향성을 제시해 주는 가장 중요한 지표가 되는 것이 교육과정이고, 이러한 교육과정에 대해 그 정신과 내용을 가장 잘 반영하고 있는 것이 바로 교과서라고 할 수 있다. 학생은 교과서에 제시된 탐구 활동을 바탕으로 과학 내용 지식이나 탐구력을 키워나간다(Kim et al., 2012).
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