이 연구의 목적은 연구자가 개발한 전향력 실험 장치를 통해 예비 지구과학 교사들이 가진 정신모형의 변화를 알아보는 것이다. 예비 지구과학 교사 5명을 대상으로 전향력에 대하여 질문지에 제시된 그림 그리기와 면담을 통해 전향력 실험 장치를 활용한 활동을 수행하기 전과 후의 정신모형을 조사하고 그 변화를 비교하였다. 정신모형 수준이 낮은 단계인 소박한 정신모형이었던 두 학생은 개발된 전향력 실험 장치를 통한 활동을 통해 정적 불안정 모형과 동적 불안정 모형으로 향상되었다. 그리고 활동 전 정적 불안정 모형을 보여주었던 두 학생은 활동 후 모두 동적 불안정 모형으로 변화하였다. 마지막으로 활동 전 동적 불안정 모형을 보여주었던 학생은 활동 후에도 동적 불안정 모형에 남아있었지만 이미 가지고 있었던 선개념이 과학적 개념으로 많이 변화한 모습을 보여주었다. 이 연구를 통해 개발된 전향력 실험 장치 활용이 학생들의 전향력 개념의 학습에서 안정적이고 과학적인 개념 형성에 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 개발된 전향력 실험 장치가 학교 현장에서 전향력과 관련된 수업에 효과적으로 사용될 필요가 있으며 나아가 위의 예비 지구과학 교사들이 교사가 되어 학교 현장에서 학생들을 가르치는 동안 나타나는 정신모형의 변화에 대해서도 알아볼 필요가 있다.
이 연구의 목적은 연구자가 개발한 전향력 실험 장치를 통해 예비 지구과학 교사들이 가진 정신모형의 변화를 알아보는 것이다. 예비 지구과학 교사 5명을 대상으로 전향력에 대하여 질문지에 제시된 그림 그리기와 면담을 통해 전향력 실험 장치를 활용한 활동을 수행하기 전과 후의 정신모형을 조사하고 그 변화를 비교하였다. 정신모형 수준이 낮은 단계인 소박한 정신모형이었던 두 학생은 개발된 전향력 실험 장치를 통한 활동을 통해 정적 불안정 모형과 동적 불안정 모형으로 향상되었다. 그리고 활동 전 정적 불안정 모형을 보여주었던 두 학생은 활동 후 모두 동적 불안정 모형으로 변화하였다. 마지막으로 활동 전 동적 불안정 모형을 보여주었던 학생은 활동 후에도 동적 불안정 모형에 남아있었지만 이미 가지고 있었던 선개념이 과학적 개념으로 많이 변화한 모습을 보여주었다. 이 연구를 통해 개발된 전향력 실험 장치 활용이 학생들의 전향력 개념의 학습에서 안정적이고 과학적인 개념 형성에 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 개발된 전향력 실험 장치가 학교 현장에서 전향력과 관련된 수업에 효과적으로 사용될 필요가 있으며 나아가 위의 예비 지구과학 교사들이 교사가 되어 학교 현장에서 학생들을 가르치는 동안 나타나는 정신모형의 변화에 대해서도 알아볼 필요가 있다.
The purpose of this study is to investigate preservice earth science teachers' mental models through applications of Coriolis force experiment apparatus. After the root of preconception was examined by face to face interviews based on the questionnaire, five preservice earth science teachers were fi...
The purpose of this study is to investigate preservice earth science teachers' mental models through applications of Coriolis force experiment apparatus. After the root of preconception was examined by face to face interviews based on the questionnaire, five preservice earth science teachers were finally selected for this study. The mental models about concept of Coriolis force was classified into naive mental model, static unstable mental model, dynamic unstable mental model, and scientific mental model through the result of individual interviews and their drawings. According to the mental model analysis about Coriolis' force conception, students C and M showed naive mental model about concept of Coriolis force before experiment. After the experiment, student M's model changed to static unstable mental model. Student C's model improved to dynamic unstable mental model. In adiition, students D and O's model improved from static unstable mental model to dynamic unstable mental model. In the case of student B, the dynamic unstable mental model was maintained after the experiment, however, student B's preconception changed to scientific concept. It turned out that a change occurred from low mental model level to integrated mental model after the application of the developed Coriolis' force experiment apparatus. According to the results, national curriculum is similar to static unstable mental model and the result of developed Coriolis' force experiment apparatus is similar to dynamic unstable mental model. It is suggested that it become the theoretical foundation to develop more comfortable and advanced Coriolis force experiment apparatus by improving the experiment apparatus.
The purpose of this study is to investigate preservice earth science teachers' mental models through applications of Coriolis force experiment apparatus. After the root of preconception was examined by face to face interviews based on the questionnaire, five preservice earth science teachers were finally selected for this study. The mental models about concept of Coriolis force was classified into naive mental model, static unstable mental model, dynamic unstable mental model, and scientific mental model through the result of individual interviews and their drawings. According to the mental model analysis about Coriolis' force conception, students C and M showed naive mental model about concept of Coriolis force before experiment. After the experiment, student M's model changed to static unstable mental model. Student C's model improved to dynamic unstable mental model. In adiition, students D and O's model improved from static unstable mental model to dynamic unstable mental model. In the case of student B, the dynamic unstable mental model was maintained after the experiment, however, student B's preconception changed to scientific concept. It turned out that a change occurred from low mental model level to integrated mental model after the application of the developed Coriolis' force experiment apparatus. According to the results, national curriculum is similar to static unstable mental model and the result of developed Coriolis' force experiment apparatus is similar to dynamic unstable mental model. It is suggested that it become the theoretical foundation to develop more comfortable and advanced Coriolis force experiment apparatus by improving the experiment apparatus.
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문제 정의
이 연구는 예비 지구과학 교사들의 전향력 개념에 대하여 개발한 전향력 실험 장치를 적용하여 예비 지구과학 교사들의 정신모형의 변화과정을 알아보는 것이다. 이를 위해서 질문지와 면담을 통해 전향력 활동 전 정신모형과 개발한 전향력 실험 장치를 적용한 후 예비 지구과학 교사들의 전향력에 대한 정신모형이 어떻게 변화하였는가를 조사하였다.
이 연구는 예비 지구과학 교사들의 전향력 개념에 대하여 형성되어 있던 정신모형을 분석하고 기존 전향력 실험장치의 단점을 보완한 전향력 실험 장치를 적용하였을 때 나타나는 정신모형의 변화과정을 분석하기 위한 것이다(Kim et al., 2009). 이 연구의 목적을 달성하기 위한 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
면담 자료 분석의 경우 결과의 타당도와 신뢰도를 위하여 지구과학 교육을 전공하는 박사과정 3인과 세 차례에 걸쳐 일치도를 확인하였다. 이 연구에서는 분석 결과를 예비 지구과학 교사에 따라 정신모형을 기술하여 동일한 예비 지구과학 교사의 정신 모형을 비교 검토할 수 있도록 하였다.
또한 국내에서는 학습 양식에 따른 실험 장치를 적용한 정신모형의 변화에 대한 연구와 전향력 개념과 관련된 정신모형에 대한 연구는 그 예를 거의 찾아볼 수 없었다. 이 연구에서는 예비 지구과학 교사들의 전향력 개념에 대한 초기의 정신모형을 알아보고, 전향력 실험 장치를 통해 자연현상에서는 쉽게 관찰할 수 없는 전향력을 직접 확인하고 경험한 후에 예비 지구과학 교사들의 정신모형의 변화과정을 알아보고자 한다.
이 연구의 목적은 연구자가 개발한 전향력 실험 장치를 통해 예비 지구과학 교사들이 가진 정신모형의 변화를 알아보는 것이다. 예비 지구과학 교사 5명을 대상으로 전향력에 대하여 질문지에 제시된 그림 그리기와 면담을 통해 전향력 실험 장치를 활용한 활동을 수행하기 전과 후의 정신모형을 조사하고 그 변화를 비교하였다.
제안 방법
Park(2011)에서는 Libarkin et al.(2003)의 연구를 기반으로 판구조론과 관련하여 학생들의 정신모형을 분석하고 학습 양식에 따른 정신모형을 분류하였으며 이를 토대로 학습하는 개념에 대하여 어떤 요인이 학습자의 정신모형에 구체적으로 영향을 미치는지 밝히는 연구의 필요성을 제안하였다.
5명의 연구 대상들이 가지고 있는 전향력에 관한 정신모형의 변화 과정을 알아보기 위해, 새롭게 개발한 전향력 실험 장치를 적용한 수업을 실시하였다. 수업의 진행은 새롭게 개발한 실험 장치 조작 방법을 가장 잘 알고 있는 연구자가 직접 진행하였다.
하지만 유체의 운동방향에 대해서는 왼쪽으로 휘어지는 형태의 선개념으로 표현하였고, 면담 과정에서도 전향력은 지구 밖의 관측자가 보기에 오른쪽으로 휘어지고, 지구자전과 동일한 방향으로 작용하며, 극지방에서 적도 쪽으로 갈수록 더 많이 편향된다는 선개념으로 설명하였다. M학생은 전향력의 효과에 대한 두 그림에서 독특한 형태의 선개념으로 표현하고, 전향력에 의해 물체의 방향과 휘어짐, 겉보기 힘, 발생 원인을 이해하지 못하고, 조각난 지식을 가지고 있으므로 초기의 정신모형을 소박한 정신모형으로 분석하였다.
O학생은 전향력이 발생하는 원인에 대해서는 완벽한 과학적 개념을 가지고 있지는 않지만, 북극을 지나지 않고, 휘어짐과 방향에 대해서는 과학적 개념을 가지고 있으면서 부분적인 선개념을 가지고 있으므로 최종적으로 ‘동적 불안정 정신모형’으로 분류하였다.
그러나, 입체적인 구에서 나타낸 그림에 대한 면담과정에서 휘어지는 방향을 이해하고 있으며, 북극을 지나지 않으므로 C학생은 최종적으로 동적 불안정 정신모형으로 분석하였다(Table 5).
그러므로 B학생의 초기의 입체적인 구에서 나타낸 정신모형을 ‘동적 불안정 정신 모형’으로 분류하였다(Table 8).
, 2003)에서 제시된 분류 틀을 참조하여 제작한 질문지를 투입하였다. 기존의 교과서의 실험 장치와 연구자가 개발한 실험 장치를 연구 대상이 스스로 조작한 후, 투입한 질문지에 전향력의 효과에 대해 그림을 그리도록 하고, 그림 자료를 바탕으로 1:1 면담(interview)을 실시하였다. 또한 1:1 면담의 경우 수업 과정에서도 다른 정보 제공자에게 영향을 줄 수 있는 요소를 제거하기 위하여 필요한 경우 미리 작성한 질문지를 이용하여 면담을 실시하였다.
기존의 교과서의 실험 장치와 연구자가 개발한 실험 장치를 연구 대상이 스스로 조작한 후, 투입한 질문지에 전향력의 효과에 대해 그림을 그리도록 하고, 그림 자료를 바탕으로 1:1 면담(interview)을 실시하였다. 또한 1:1 면담의 경우 수업 과정에서도 다른 정보 제공자에게 영향을 줄 수 있는 요소를 제거하기 위하여 필요한 경우 미리 작성한 질문지를 이용하여 면담을 실시하였다. 면담과 학생들이 그린 그리기 자료를 종합하여 학생들의 정신 모형 변화를 분석하였다.
또한 면담에서 ‘일단 관찰자도 그렇고 물체도 그렇고 원판 위에서 같이 회전하고 있기 때문에’ 라고 표현하는 것으로 보아, D학생은 전향력이 회전하고 있는 지구 위의 관측자가 이동함에 따라 느끼게 된다는 동적인 구조로 인식하고 있으므로 최종적으로 동적 불안정 정신모형으로 분류하였다.
(2003), Park(2011) 등의 연구에서 수행한 개방형 질문을 질문지에 포함하였다(Table 1). 면담 방법 또한 이 연구의 목적에 부합하도록 수정 보완하여 그리기 (drawing), 쓰기(writing), 예비 지구과학 교사와 연구자의 1:1 면담법을 이용하여 자료 분석에 활용하였다.
또한 1:1 면담의 경우 수업 과정에서도 다른 정보 제공자에게 영향을 줄 수 있는 요소를 제거하기 위하여 필요한 경우 미리 작성한 질문지를 이용하여 면담을 실시하였다. 면담과 학생들이 그린 그리기 자료를 종합하여 학생들의 정신 모형 변화를 분석하였다. 정신모형은 최근 정의(Libarkin et al.
수업 전, 후에 정신모형의 변화 과정을 알아볼 면담용 질문지를 이용하여 개별 면담을 실시하였는데, 면담 횟수는 개발한 실험 장치를 투입 전에 1회, 투입 후 각각 1회씩 실시하여 연구대상 개인당 총 3회 이상을 실시하였다. 수업 후, 정신모형을 알아보기 위해 선행 연구(Libarkin et al.
수업 전, 후에 정신모형의 변화 과정을 알아볼 면담용 질문지를 이용하여 개별 면담을 실시하였는데, 면담 횟수는 개발한 실험 장치를 투입 전에 1회, 투입 후 각각 1회씩 실시하여 연구대상 개인당 총 3회 이상을 실시하였다. 수업 후, 정신모형을 알아보기 위해 선행 연구(Libarkin et al., 2003)에서 제시된 분류 틀을 참조하여 제작한 질문지를 투입하였다. 기존의 교과서의 실험 장치와 연구자가 개발한 실험 장치를 연구 대상이 스스로 조작한 후, 투입한 질문지에 전향력의 효과에 대해 그림을 그리도록 하고, 그림 자료를 바탕으로 1:1 면담(interview)을 실시하였다.
연구 대상들의 정신모형은 질문지의 전향력에 대한 그림 그리기를 활용하여, 그림에 대한 설명을 기술한 내용을 분석하여 초기의 정신 모형을 소박한 정신모형, 정적 불안정 정신모형, 동적 불안정 정신모형, 과학적 모형의 4가지로 분석하였다. 질문지에 대해 M학생과 C학생은 Table 1의 기준에 의해 초기의 정신모형이 소박한 정신모형으로 분류되었다.
이 연구의 목적은 연구자가 개발한 전향력 실험 장치를 통해 예비 지구과학 교사들이 가진 정신모형의 변화를 알아보는 것이다. 예비 지구과학 교사 5명을 대상으로 전향력에 대하여 질문지에 제시된 그림 그리기와 면담을 통해 전향력 실험 장치를 활용한 활동을 수행하기 전과 후의 정신모형을 조사하고 그 변화를 비교하였다. 정신모형 수준이 낮은 단계인 소박한 정신모형이었던 두 학생은 개발된 전향력 실험 장치를 통한 활동을 통해 정적 불안정 모형과 동적 불안정 모형으로 향상되었다.
예비 지구과학 교사들에게 개발한 장치를 적용한 후 정신모형의 변화과정을 분석하였다. 정신모형의 수준이 낮은 소박한 정신모형을 가지고 있었던 M학생과 C학생은 개발한 장치를 활용하여 전향력에 대한 활동을 한 후 M학생은 정적 불안정 모형으로, C학생은 동적 불안정 모형으로 변화하였다.
이 연구를 수행하기 위하여 예비 지구과학 교사들의 정신모형 조사를 위한 질문지, 전향력에 대한 학습을 위하여 새롭게 개발한 전향력 실험 장치, 질문지에 작성된 내용을 심층적으로 분석하기 위한 면담을 이용하여 자료를 수집하였다. 연구 대상들의 정신모형을 더 자세 하게 알아보기 위한 검사 도구로 Libarkin et al.
이 연구를 위하여 K대학교 사범대학 지구과학교육과에 재학 중인 학생 5명을 대상으로 전향력에 대한 정신모형 변화 분석을 실시하였다. 이들은 전향력 실험 장치를 활용한 전향력 정신모형 변화 연구에 참여할 수 있다는 의사를 밝힌 경우로, 이들 학생의 성별, 학년, 고등학교 교육과정에서의 지구과학Ⅰ, Ⅱ 및 전향력과 관련된 학습 경험 유무, 면담 및 정신모델 분석 연구 참여 유무는 Table 2와 같다.
이 연구를 위해 개발한 실험 장치는 동적 불안정 정신모형을 형성하는 수준에서 기존 교과서에서 제시된 장치보다 높은 수준의 정신모형을 형성할 수 있도록 고안되었다. 그 이유는, 개발한 실험 장치는 구슬이 원판과 함께 회전하다가 굴러 떨어지게 되므로 원판 위의 관측자도 함께 움직이는 동적인 정신모형의 구조와 유사하다.
이 연구에서는 선행 연구 결과(Libarkin et al., 2003)를 토대로 예비 지구과학 교사의 전향력에 대한 정신모형을 소박한 정신 모형(naive mental model), 정적 불안정한 정신모형(static unstable mental model), 동적 불안정한 정신모형(dynamic unstable mental model), 과학적 모형(scientific model)의 4단계로 구분하였다. 각 단계에 대한 구분 기준과 특징은 Table 3에서 제시한 내용과 같다.
질문지에 대해 M학생과 C학생은 Table 1의 기준에 의해 초기의 정신모형이 소박한 정신모형으로 분류되었다. 이 학생에게 교과서 전향력 실험 장치와 개발한 실험 장치를 차례로 투입한 후, 정신모형의 변화 과정을 알아보았다.
이 연구는 예비 지구과학 교사들의 전향력 개념에 대하여 개발한 전향력 실험 장치를 적용하여 예비 지구과학 교사들의 정신모형의 변화과정을 알아보는 것이다. 이를 위해서 질문지와 면담을 통해 전향력 활동 전 정신모형과 개발한 전향력 실험 장치를 적용한 후 예비 지구과학 교사들의 전향력에 대한 정신모형이 어떻게 변화하였는가를 조사하였다.
입체적인 구에 대한 질문에서도 전향력은 고위도와 저위도의 위도차이에 의한 회전벡터 차이에 의해 지구회전 방향(왼쪽)으로 휘어진다고 설명하고 있는데, ‘연직 방향의 회전 각속도’ 를 ‘회전 벡터’ 로 잘못 설명하고 있으며, 이때에 운동방향이 휘어지게끔 보이는 가속도(a)는 2νωsinφ임을 인식하지 못하고 있으며, 북극을 지나고 있으므로 초기 정신모형을‘정적 불안정 정신모형’으로 분석하였다(Table 7).
결국 C학생은 전향력이 발생하는 원인이 지구 자전 때문이라고 인식하고 있지만, 지구 자전 때문에 왜 전향력이 발생하는가에 대한 질문에 대해서는 구체적으로 설명하지 못하였다. 전향력 현상을 독특한 형태의 그림으로 나타내고, 면담과정에서 겉보기 힘과 발생 원인을 근원적으로 설명하지 못하므로 초기의 정신모형을 소박한 정신모형으로 분류하였다.
전향력에 정적 불안정 정신모형은 아래 D학생이 표현한 그림 (Table 6)과 유사한 형태로 ‘적도 지방에서 북극지방을 지나서 오른쪽으로 휘어지는 형태’로 표현하였거나, O학생이 표현한 그림(Table 7)처럼 원판의 중심인 북극을 지나며 전반적으로 과학적 개념보다 오개념을 많이 가지고 있을 경우 초기의 정신모형을 정적 불안정 정신모형으로 분석하였다.
D학생은 전향력의 효과에 대해 회전판에서 표한한 그림에서 적도 지방 부근에서 바람이 불 때 회전판의 중심인 북극 지방을 지나는 잘못된 이동 경로를 나타내고 있었다. 전향력의 효과에 대해 입체적인 구에서 표한한 그림에서 적도 지방에서 던진 물체가 입체적인 구의 중심인 북극 지방을 지나는 잘못된 이동 경로를 나타내고 있으므로 초기의 정신모형을 정적 불안정 정신모형으로 분류하였다(Table 6).
면담과 학생들이 그린 그리기 자료를 종합하여 학생들의 정신 모형 변화를 분석하였다. 정신모형은 최근 정의(Libarkin et al., 2003)를 바탕으로 소박한 모형, 정적 불안정 모형, 동적 불안정 모형, 과학적 모형의 4단계로 분석하였다.
예비 지구과학 교사들에게 개발한 장치를 적용한 후 정신모형의 변화과정을 분석하였다. 정신모형의 수준이 낮은 소박한 정신모형을 가지고 있었던 M학생과 C학생은 개발한 장치를 활용하여 전향력에 대한 활동을 한 후 M학생은 정적 불안정 모형으로, C학생은 동적 불안정 모형으로 변화하였다. 학생에게 형성된 선개념이 과학적 개념으로 변하지는 못하였지만 휘어짐에 대한 이해뿐 아니라 C학생은 방향과 관측자의 이동에 따른 동적인 구조로 나타난다는 것까지 파악할 수 있게 되었다.
학습자는 교사의 존재 여부와 관계없이 실재에 대한 직⋅간접 적인 경험과 표상을 통하여 접촉하고 느끼고 경험함으로써 학습하며, 이를 통하여 자신만의 독특한 인지적 골격을 형성한다.
북극을 지나지 않으며, 전향력의 발생 원인을 실제적인 힘이 아니라 지구의 회전으로 인한 겉보기 힘이라고 표현은 하지만 겉보기 힘에 대해 근원적으로 설명하지 못하였다. 휘어지는 방향을 이해하지 못하고 있으며, 전향력의 발생 원인을 관측자의 이동에 의한 비관성 기준계로 설명하지 못하고 단순히 지구 자전방향으로 휘어지는 것으로 설명하므로 최종적으로 정적 불안정 모형으로 분석하였다. 그러므로 M학생은 초기에는 소박한 정신모형을, 개발한 실험 장치의 적용 후에는 정적 불안정 모형으로 변화하였다(Table 4).
데이터처리
그리기 과제에서도 완벽한 과학자적 개념과 부분적으로 차이가 없으므로 ‘과학적 모형’으로 분석하였다.
이론/모형
연구 대상들의 정신모형을 더 자세 하게 알아보기 위한 검사 도구로 Libarkin et al.(2003), Park(2011) 등의 연구에서 수행한 개방형 질문을 질문지에 포함하였다(Table 1). 면담 방법 또한 이 연구의 목적에 부합하도록 수정 보완하여 그리기 (drawing), 쓰기(writing), 예비 지구과학 교사와 연구자의 1:1 면담법을 이용하여 자료 분석에 활용하였다.
성능/효과
정신모형의 수준이 ‘ 정적 불안정 모형’이었던 D학생과 O학생은 동적 불안정 모형으로 변화하였다. 개발된 전향력 장치 투입 후 전향력에 대하여 동적인 구조로 파악하고 있음을 확인할 수있었지만 발생원인은 이해하지 못함을 알 수 있었다. 초기 정신모형 수준이 ‘ 동적 불안정 모형’으로 가장 높았던 B학생은 활동 후에도 여전히 동적 불안정 모형에 머물러 있음을 확인하였다.
개발한 실험 장치로 적도 지방에서 북극 지방으로 구슬을 굴린 후, 회전판에서 전향력 현상을 그림으로 표현할 때, 구슬이 적도에서 원판의 중심인 북극 지방을 지나지 않으면서 오른쪽으로 휘어지는 형태로 나타냈으며, 이 실험 결과는 중심을 지나지 않고 반대편 적도까지 가지 않으면서 적도에서 북극 사이에서 휘어지므로 실제 지구에서 일어나는 전향력 궤적과 유사하며, 교과서에서 설명하는 전향력 개념을 학생들에게 설명하기에 더 적합하다고 표현하였다.
개발한 실험 장치의 적용 후 전향력의 효과를 입체적인 구형의 지구 위에서 나타낸 그림에서 포탄을 던졌을 경우에는 오른쪽으로 휘어지다가 다시 적도 쪽으로 돌아오는 형태로 나타내고, 지구 표면 위에서 같이 움직이는 대기나 해양의 경우에는 적도 쪽으로 돌아오지 않고 극으로 향하면서 진행방향에 대해 오른쪽이 아닌 왼쪽으로 휘어지는 형태로 나타냈었다(Table 4). 면담과정에서 전향력은 적도 쪽이 극지방보다 자전의 영향이 더 크기 때문에 더 많이 휘어지게 된다는 선개념으로 표현하였고, 전향력을 느끼는 것은 지구상의 관측자가 아니라 지구 밖의 관측자가 휘어짐을 느끼게 된다고 표현하는 것으로 보아 전향력은 지구상의 관측자가 느끼는 겉보기 힘임을 이해하지 못하고 있음을 알 수 있었다.
마지막으로 활동 전 동적 불안정 모형을 보여주었던 학생은 활동 후에도 동적 불안정 모형에 남아있었지만 이미 가지고 있었던 선개념이 과학적 개념으로 많이 변화한 모습을 보여주었다.
개발한 실험 장치의 적용 후 전향력의 효과를 입체적인 구형의 지구 위에서 나타낸 그림에서 포탄을 던졌을 경우에는 오른쪽으로 휘어지다가 다시 적도 쪽으로 돌아오는 형태로 나타내고, 지구 표면 위에서 같이 움직이는 대기나 해양의 경우에는 적도 쪽으로 돌아오지 않고 극으로 향하면서 진행방향에 대해 오른쪽이 아닌 왼쪽으로 휘어지는 형태로 나타냈었다(Table 4). 면담과정에서 전향력은 적도 쪽이 극지방보다 자전의 영향이 더 크기 때문에 더 많이 휘어지게 된다는 선개념으로 표현하였고, 전향력을 느끼는 것은 지구상의 관측자가 아니라 지구 밖의 관측자가 휘어짐을 느끼게 된다고 표현하는 것으로 보아 전향력은 지구상의 관측자가 느끼는 겉보기 힘임을 이해하지 못하고 있음을 알 수 있었다.
수업 후 전향력의 효과를 회전판 위에서 나타낸 그림에 대한 면담 과정에서 물체도 회전판 위에서 출발하기 때문에 이 실험 장치가 기존의 실험 장치보다 전향력 실험에 더 적합하다고 표현하였다. C학생은 새롭게 개발한 장치 투입 후, 면담에서 ‘바깥에서 관측자가 봤을때, 실험 결과를 나타낸 자료이기 때문에.
마지막으로 활동 전 동적 불안정 모형을 보여주었던 학생은 활동 후에도 동적 불안정 모형에 남아있었지만 이미 가지고 있었던 선개념이 과학적 개념으로 많이 변화한 모습을 보여주었다. 이 연구를 통해 개발된 전향력 실험 장치 활용이 학생들의 전향력 개념의 학습에서 안정적이고 과학적인 개념 형성에 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 개발된 전향력 실험 장치가 학교 현장에서 전향력과 관련된 수업에 효과적으로 사용될 필요가 있으며 나아가 위의 예비 지구과학 교사들이 교사가 되어 학교 현장에서 학생들을 가르치는 동안 나타나는 정신모형의 변화에 대해서도 알아볼 필요가 있다.
예비 지구과학 교사 5명을 대상으로 전향력에 대하여 질문지에 제시된 그림 그리기와 면담을 통해 전향력 실험 장치를 활용한 활동을 수행하기 전과 후의 정신모형을 조사하고 그 변화를 비교하였다. 정신모형 수준이 낮은 단계인 소박한 정신모형이었던 두 학생은 개발된 전향력 실험 장치를 통한 활동을 통해 정적 불안정 모형과 동적 불안정 모형으로 향상되었다. 그리고 활동 전 정적 불안정 모형을 보여주었던 두 학생은 활동 후 모두 동적 불안정 모형으로 변화하였다.
초기 정신모형 수준이 ‘ 동적 불안정 모형’으로 가장 높았던 B학생은 활동 후에도 여전히 동적 불안정 모형에 머물러 있음을 확인하였다. 중심인 북극을 지나지 않고, 휘어짐과 방향, 겉보기 힘을 이해하고 있으며, 선개념보다 과학적 개념들을 많이 가지고 있지만, 발생 원인에 대해서는 과학적 개념이 형성되지 못하였음을 확인할 수 있었다.
초기 정신모형 수준이 ‘ 동적 불안정 모형’으로 가장 높았던 B학생은 활동 후에도 여전히 동적 불안정 모형에 머물러 있음을 확인하였다.
후속연구
이 연구를 통해 개발된 전향력 실험 장치 활용이 학생들의 전향력 개념의 학습에서 안정적이고 과학적인 개념 형성에 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 개발된 전향력 실험 장치가 학교 현장에서 전향력과 관련된 수업에 효과적으로 사용될 필요가 있으며 나아가 위의 예비 지구과학 교사들이 교사가 되어 학교 현장에서 학생들을 가르치는 동안 나타나는 정신모형의 변화에 대해서도 알아볼 필요가 있다.
전향력 현상은 지구 표면 위의 대기나 해수가 지구의 자전에 의해 그 흐름의 방향이 지구 위의 관측자가 보기에 휘어져 보이는 현상이다. 그러나 교과서에 제시된 실험 장치에서는 굴림대와 구슬이 자전하고 있는 원판과는 무관하게 원판 밖에 설치되어 있어 마치 지구 밖의 유성이 갑자기 지구 대기권으로 끌려 들어와 떨어지듯이 구슬이 원판 위에 굴러 들어오게 되므로 실험을 통해서 학생들에게 대기나 해수의 흐름의 방향을 바꾸는 전향력의 개념을 설명하기에는 한계가 있다. 지구 위에서 발생하는 전향력 현상은 주로 적도지방과 극지방 사이에서 나타나는데 반해서 교과서 실험장치의 결과는 가장자리에서 원판의 중심을 지나 다시 가장자리를 향하는 궤적을 나타내어 결국 전향력의 효과가 적도지방에서 극지방을 지나 반대편 적도지방 사이에서 나타나는 현상으로 오해하게 될 우려가 있어 전향력 개념을 이해하기에 어려움이 따른다.
그리고 개발한 장치를 보급하고 학교 현장에서 활용하기 위하여 조금 더 편리하도록 기술적인 보완을 한다면, 학교 현장에서 교사들이 전향력 개념을 보다 쉽고 정확하게 학생들에게 이해시키거나 기존에 형성된 선개념을 바로 잡을 수 있는 교수⋅학습 도구로 유용하게 사용될 수 있다.
그리고 정신모형에 대한 체계적인 분석을 위해 연구 방법적인 측면에서 다양한 조사 방법이 요구된다. 또한 이 연구의 연구대상들은 장차 교사가 되어 학교 현장에서 학생들에게 전향력 개념을 가르치게 될 때, 교수-학습 과정에서 교사에게 나타나는 전향력 개념의 변화 모습도 살펴볼 필요성이 있다. 또한 전향력 개념에 대해 다양한 정신 모형을 지니고 있는 교사들이 가르치는 학생들은 전향력 개념에 대해 어떠한 정신모형을 지니는가에 대한 후속 연구가 요구된다.
또한 이 연구의 연구대상들은 장차 교사가 되어 학교 현장에서 학생들에게 전향력 개념을 가르치게 될 때, 교수-학습 과정에서 교사에게 나타나는 전향력 개념의 변화 모습도 살펴볼 필요성이 있다. 또한 전향력 개념에 대해 다양한 정신 모형을 지니고 있는 교사들이 가르치는 학생들은 전향력 개념에 대해 어떠한 정신모형을 지니는가에 대한 후속 연구가 요구된다.
이 연구에서 도출된 결과를 바탕으로 교사들은 학생들의 전향력에 대해 선개념을 형성하게 되는 근원과 정신모형의 변화 과정, 이에 영향을 끼치는 변인들은 어떤 것들을 있는지 잘 이해한다면, 이를 바탕으로 학생 상황에 적합한 수업자료를 개발하고 선정하여 전향력 개념을 보다 효과적으로 지도할 수 있을 것이다. 연구 과정에서 예비 지구과학 교사들이 전향력에 대한 선개념을 지니게 된 근원을 알아보는 면담 과정에서 고등학교 때 수업시간에 배웠던 참고도서나 지구과학 교사의 잘못된 설명에 근원하는 사례가 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전향력 현상은 무엇인가?
전향력 현상은 지구 표면 위의 대기나 해수가 지구의 자전에 의해 그 흐름의 방향이 지구 위의 관측자가 보기에 휘어져 보이는 현상이다. 그러나 교과서에 제시된 실험 장치에서는 굴림대와 구슬이 자전하고 있는 원판과는 무관하게 원판 밖에 설치되어 있어 마치 지구 밖의 유성이 갑자기 지구 대기권으로 끌려 들어와 떨어지듯이 구슬이 원판 위에 굴러 들어오게 되므로 실험을 통해서 학생들에게 대기나 해수의 흐름의 방향을 바꾸는 전향력의 개념을 설명하기에는 한계가 있다.
전향력에 대한 개념을 학생이 이해하기 힘든 이유는 무엇인가?
, 2012; Ross, 1995; Salzsieder, 1994). 전향력은 지구 자전의 영향이 충분히 미칠 수 있는 시간적⋅공간적 규모가 큰 고기압, 저기압, 태풍, 대기 대순환처럼 종관 규모 이상의 대기의 운동이나 지형류를 비롯한 해수의 운동에서 잘 나타나지만 일상생활에서 직접 관측하거나 경험하기 힘들기 때문에 많은 학생들은 전향력에 대한 개념 이해를 어려워한다. 더욱이, 교과서의 전향력 개념을 설명하는 그림이나 전향력 실험 장치에는 부족한 점이 많아서 학생들은 전향력 개념을 학습하는 데에 어려움을 느끼고 있다(Kim et al.
교과서에 제시된 실험 장치로 전향력 개념을 이해하는데 어려움이 따르는 이유는 무엇인가?
그러나 교과서에 제시된 실험 장치에서는 굴림대와 구슬이 자전하고 있는 원판과는 무관하게 원판 밖에 설치되어 있어 마치 지구 밖의 유성이 갑자기 지구 대기권으로 끌려 들어와 떨어지듯이 구슬이 원판 위에 굴러 들어오게 되므로 실험을 통해서 학생들에게 대기나 해수의 흐름의 방향을 바꾸는 전향력의 개념을 설명하기에는 한계가 있다. 지구 위에서 발생하는 전향력 현상은 주로 적도지방과 극지방 사이에서 나타나는데 반해서 교과서 실험장치의 결과는 가장자리에서 원판의 중심을 지나 다시 가장자리를 향하는 궤적을 나타내어 결국 전향력의 효과가 적도지방에서 극지방을 지나 반대편 적도지방 사이에서 나타나는 현상으로 오해하게 될 우려가 있어 전향력 개념을 이해하기에 어려움이 따른다. 그러므로 학교 현장에서 전향력의 과학적 개념을 교사들이 바르고 쉽게 가르칠 수 있으며, 학생들도 보다 더 쉽게 이해하는데 도움이 되는 전향력 실험 장치를 개발하였다(Kim et al.
참고문헌 (67)
Anderson, A., Howe, C. J., & Tolmie, A. (1996). Interaction and mental models of physics phenomena: evidence from dialogue between learners. In J. Oakhill & A. Garnham (eds.), Mental Models in Cognitive Science: Essays in Honour of Phil Johnson-Laird (pp. 247-273). Hove: Lawrence Erlbaum Associates.
Anderson, C. W., & Smith, E. L. (1986). Children's conceptions of light and color: Understanding the role of unseen rays(report No.400-81-0014). East Lansing, MI: Institute for Research on Teaching. (ERIC reproduction document No. ED 270 318).
Borges, A. T., & Gilbert, K. (1999). Mental models of electricity. International journal of science education, 21(1), 95-117.
Chinn, C. A., & Brewer, W. F. (1998). The role of anomalous data in knowledge acquisition: A theoretical framework and implications for science instruction. Review of educational research. 63(1), 1-49.
Choi, S. (1992). Understanding of astronomy for teachers. Seoul: SNU Press.
Coll, R. K., & Treagust, D. F. (2003). Learners'mental models of metallic bonding: A cross-age study. Science Education, 87(5), 685-707.
Craik, K. (1943). The Nature of Exploration. England, Cambridge University Press.
Gibbons, A. S. (2001). Model-Centered Instruction. Journal of Structural Learning and Intelligent Systems, 14, 511-540.
Gilbert, J. K., & Boulter, C. J. (1998). Learning science through models and modelling. In K. Tobin., & B. Frazer. (eds.). The International Handbook of Science Education, 53-66. Dordrecht: Kluwer.
Gilbert, J. K., & Boulter, C. J. (2000). Developing models in science education. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.
Glynn, S. (2004). Guidelines for Drawing mental models Retrieved from http://www.coe.uga.edu/edpshch/faculty/glynn/guidelines/
Gobet, J. D. (2005). The effects of different learning tasks on model-building in plate tectonics: Diagramming versus explaining. Journal of Geoscience Education, 53(4), 444-455.
Halford, G. S. (1993). Children's understanding: The development of mental models. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Hwang, S. (2001). Science experiments and hands-on training captain criticism. Seoul : Sigma Press
Jang, S., Park, H., Jo, K., & Moon, B. (2011). Assisting high school students to redefine the principle of coriolis force. Journal of the korean earth science society, 32(1), 73-83.
Jeong, G. (2007). Investigation of high school students' mental models about the earth's interior. Journal of the korean earth science society, 28(6), 643-652.
Johnson-Laird, P. N. (1983). Mental models. Cambridge, MA: Harvard University Press.
Jones, C. M. (1995). Construction of a mental model. In R. F. Lorch, JR., & E. J. O'Brien. (eds.). Source of coherence in reading. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Kim, E., Lee, S., Yoon, I., & Lee, H. (2009). Development of experimental apparatus to efficiently educate the phenomena by coriolis force. Journal of the korean earth science society, 30(6), 787-798.
Lawrenz, F. (1986). Relationships among student, teacher, and observer perceptions of science classrooms and student achievement. School Science and Mathematics, 86(8), 654-660.
Lee, H., Jo, H., & Lee, H. (2007). An analysis of undergraduate students' mental models on the mechanism of the moon craters formation. Journal of the Korean Earth Science Society, 28(6), 653-670.
Lee, H., Kwon, H., Park, K., and Lee, H., 2013, An instrument development and validation for measuring high school students' systems thinking. Journal of the Korean Association for Science Education, 33, 995-1006.
Lee, K. (2006). Investigation of mental models about tide for scientifically talented middle school students by analyzing facet of conceptual types by context. Journal of the korean earth science society, 27(1), 6-14.
Lee, K. (2008). Pre-service teachers' understandings on earth science concept needed for an integrated approach: exploring mental models about eclipse phenomena by analyzing phenomenological primitives and facets. Journal of the korean earth science society, 29(4), 352-362.
Libarkin, J. C., Beilfuss, M., & Kurdziel, J. (2003). Research methodologies in science education: Mental models and cognition in education, Journal of Geoscience Education, 51(1), 121-126.
Lillo, J. (1994). An analysis of the annotated drawings of the internal structure of the earth made by students aged 10-15 from primary and secondary schools in Spain. Teaching Earth Science, 19(3), 83-89.
Miller, A., Thompson, J. C., Peterson, R. E., & Haragan, D. R. (1983). Elements of meteorology(4th ed.), (pp. 106-113). Columbus, OH: Charles E. Merril Publishing Company.
Mortimer, E. F. (1995). Conceptual change or conceptual profile change? Science & Education, 4(3), 267-285.
Nelson, B. D., Aron, R. H., & Francek, M. A. (1992). Clarification of selected misconceptions in physical geography. Journal of Geography, 91(2), 76-80.
Nelson, B. D., Aron, R. H., Francek, M. A., & Bisard, W. J. (1994). Atmospheric misconceptions. The Science Teacher, Jan, 31-33.
Norman, D. A. (1983). Some observations on mental models. In D. Gentner., & A. L. Stevens. (eds.). Mental models. Hillsdale, NJ: Lawrene Erlbaum Associates, 7-14.
Novak, J., & Gowin, D. B. (1984). Learning how to learn. New York: Cambridge University Press.
Oh, J., & Kim, Y. (2006). Preservice elementary teacher mental models about astronomical phenomena: seasons and moon phases. Journal of the korean association for science education, 26(1), 68-87.
Osborne, R., & Freyberg, P. (eds.). (1985). Learning in Science: The Implications of "Children's Science". London: Heinemann.
Park, G., Gu, Y., Choi, B., Shin, A., Lee, G., & Go, S. (2005). The effects of microcomputer-based laboratory learning on the acquisition of boiling point concept by middle school students. Journal of the korean association for science education, 25, 867-872.
Park, J., & Lee, K. (2004). Understanding students' conceptions in the research on conceptual change in science: from misconception to mental model. Journal of the korean association for science education, 24(3), 621-637.
Park, J., Lee, K., Shin, J., & Song, S. (2006). What changed and unchanged after science class: analyzing high school student's conceptual change on circular motion based on mental model theory. Journal of the korean association for science education, 26(4), 475-491.
Park, J., & Lee, K. (2008). The Effect of 4M Learning Cycle Teaching Model based on the Integrated Mental Model Theory: Focusing on Learning Circular Motion of High School Students. Journal of the korean association for science education, 28(4), 302-315.
Park, S. (2009). An analysis of high school students' mental models on the plate boundaries. Journal of the korean association for science education, 30(1), 111-126.
Park, S. (2011). An Analysis of the Mental Models of Middle School Students with Different Learning Style on Plate Tectonics. Journal of the korean association for science education, 31(5), 734-744.
Park, S. (2015). Analysis on the Argumentation Pattern and Level of Students' Mental Models in Modeling-based Learning about Geological Structures. Journal of the korean association for science education, 35(5), 919-929.
Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66, 211-227.
Reigeluth, C. (1999). Instructional design theories and models: A New Paradigm of Instructional Theory. NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Ross, D. A. (1995). Introduction to Oceanography. New York: Harper Collins College Publishers.
Rouse, W. B., & Morris, N. M. (1986). On looking into the black box: Prospects and limits in the search for mental models. Psychological Bulletin, 100(3), 349-363.
Rumelhart, D. E., & Norman, D. A. (1978). Accretion, tuning and restructuring: Three modes of learning. In J. W. Cotton., & R. Klatzky. (eds.). Semantic factors in cognition. Hillsdale, NJ: Lawrene Erlbaum Associates.
Salzsieder, J. C. (1994). Exposing the bathtub Coriolis Myth. Physics Teacher, 32(2), 107-119.
Sinatra, G. M., & Pintrich, P. R. (eds.). (2003). Intentional Conceptual Change. NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Sung, N., Choe, S. (2008). A Comparative Study of Knowledge Intergration in the textbook and Students' Mental Model about the Phases of the moon. Journal of the korean earth science society, 29(2), 163-174.
Symon, K. R. (1971). Mechanics, Addison-Wesley Publishing Company. Cambridge, USA.
Thumm, W. (1976). The case of Coriolis force. The Physics Teacher, (pp. 48-49).
Thurman, H. V. (1994). Introductory Oceanography(7th ed.). New York: Macmillian Publishing Company.
Trefethen, L. M., Bilger, R. W., Fink, P. T., Luxton, R. E. & Tanner, R. I. (1965). The bath-tub vortex in the southern hemisphere. Nature, 207(5001), 1084-1085.
Venville, G. J., & Treagust, D. F. (1998). Exploring conceptual change in genetics using a multidimensional interpretive framework. Journal of Research in Science Teaching, 35(9), 1031-1055.
Vosniadou, S. (1991). Conceptual Development in Astronomy. In S. M. Glynn., R. H. Yeany., & B. K. Britton. (eds.). The Psychology of Learning Science. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 149-177.
Vosniadou, S., & Brewer, W. F. (1992). Mental models of the earth: A study of conceptual in childhood. Cognitive Psychology, 24(4), 535-585.
Vosniadou, S., & Ioannides, C. (1998). From conceptual development to science education: a psychological point of view. International Journal of Science Education, 20(10), 1213-1230.
Wie, J., Jang, S., & Moon, B. (2012). Development of an experimental method for understanding the effects of the coriolis force on the typhoon genesis and its movement. Journal of the korean earth science society, 33(6), 544-553.
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