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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 빛의 성질 개념에 대한 초등학교 3~6학년 학생들의 학습 수준을 측정하기 위한 평가도구를 고안하여 학습 발달과정을 개발하고자 한다.
- 본 연구는 빛의 성질 개념에 대한 초등학교 3~6학년 학생들의 학습 수준을 측정하기 위한 평가 도구를 고안하여, 학생들의 학습 발달과정(Learning Progressions)을 규명하고자 하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 빛의 성질 개념에 대한 학습 발달과정을 고안하기 위해서 문항특성의 불변성과 피험자 능력 불변성을 유지하며, 피험자 능력 추정의 정확성을 지니고 있는 문항반응이론의 관점에서 접근하였다(Briggs et al., 2006). 학습 발달과정의 수준을 판별하기 위해서 문항반응이론의 부분 점수 모형(Partial Credit Model, PCM)을 중심으로 하여 구인 모델링 방식(construct modeling approach)을 적용한 4단계 평가 시스템을 사용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 활용된 순위정렬 선다형 문항의 경우, 각 문항별 선택지가 구인에 대한 수준이 결정되어 있기 때문에 점수를 부여하고, 평가 결과를 기술하는 것이 용이하다(Maeng et al, 2013). 2단계에서 개발한 순위정렬 선다형 평가 문항에 대하여 학생들이 선택한 선택지의 수준에 따라 각 문항별 점수를 배당하였다. 1수준을 선택한 경우 0점, 2수준은 1점, 3수준은 2점, 4수준을 선택한 경우 3점을 배당하였고, 동일한 수준의 선택지가 2개 있는 경우 동일한 점수를 부여 하였다.
- 본 연구에서 개발된 순위정렬 선다형 문항은 앞서 행해진 구인 특화 단계에서 작성된 구인 구성도를 바탕으로 개발하였다. 4단계의 평가 시스템 두번째는 평가 문항 개발의 단계로 빛의 성질 7가지 핵심 원리에 따른 1단계에서 작성한 구인 구성도의 1~4수준 수준을 조합하여 순위정렬 선다형 평가 문항(Ordered multiple-choice items)을 개발하였다.
- 본 연구에서는 빛의 성질을 구인으로 선정하고, 빛의 성질에 관한 선행연구(Koo, 2003; Park et al., 2014; Yoo, 2014)와 2009 개정 과학과 교육과정 성취기준을 바탕으로 핵심 원리 7가지를 추출하였다. 핵심 원리에는 광원, 빛의 직진, 빛의 반사, 빛의 굴절, 빛의 이동, 물체를 보는 과정, 빛과 그림자가 있다.
- 빛의 성질 개념에 대한 학습 발달과정을 고안하기 위하여 1수준인 하위 정착점에서 4수준인 상위 정착점으로 4가지 수준으로 분류하였다. 4수준으로 분류하는 기준으로 개념의 이해 정도와 과학적 용어 사용을 통해 수준을 판단하는 선행연구의 분류 기준을 사용하였다(Lee & Lim, 1997).
- 빛의 성질 개념에 대한 학습 발달과정을 고안하기 위하여 개방형 설문지를 통해 3~6학년을 대상으로 빛의 성질 개념을 연구한 선행 연구(Koo, 2003; Park et al., 2014)를 바탕으로 개념의 이해 정도와 과학적 용어 사용을 통해 수준을 판단하여 Table 1과 같이 제시하였다.
- 첫째, 빛의 성질 개념에 대한 학습 발달과정을 규명하기 위해 7가지 핵심 원리에 따른 수준을 1~4수준으로 나누어 순위정렬 선다형 평가 문항을 개발하였다. 평가 문항의 적합성을 판단하기 위하여 Rasch 모형의 부분 점수 모형을 적용하였다.
대상 데이터
- 2009 개정 과학과 교육과정에서 빛의 성질은 4학년과 6학년에서 제시하고 있다. 3학년과 5학년에서는 교육과정의 관련성은 없지만, 빛의 성질 개념을 학년별로 조사하여 학습 발달과정을 고안하기 위하여 연구 대상으로 포함하였다. 본 연구의 대상인 경남 김해 H초등학교 3~6학년 학생으로 제한하였으므로 연구결과를 일반화하는 데는 한계가 있다.
- 본 연구에서 경남 김해 H초등학교 3~6학년 학년별 50명씩 총 200명을 연구 대상으로 하였다. 2009 개정 과학과 교육과정에서 빛의 성질은 4학년과 6학년에서 제시하고 있다.
이론/모형
- 4수준으로 분류하는 기준으로 개념의 이해 정도와 과학적 용어 사용을 통해 수준을 판단하는 선행연구의 분류 기준을 사용하였다(Lee & Lim, 1997).
- 4단계는 학습 발달과정이 경험적 데이터를 바탕으로 하여 타당성을 판단할 수 있는 단계이다. 본 연구에서는 문항 반응 이론의 Rasch 모형의 확률 원리를 다분 문항 모형으로 확장한 부분 점수 모형을 적용하였고, 문항 반응 이론의 측정 모델 중에서 평가 문항의 난이도를 단일 모수로 하여 피험자의 능력을 추정하는 ConstructMap 프로그램을 사용하였다(Seong et al., 2013).
- 첫째, 빛의 성질 개념에 대한 학습 발달과정을 규명하기 위해 7가지 핵심 원리에 따른 수준을 1~4수준으로 나누어 순위정렬 선다형 평가 문항을 개발하였다. 평가 문항의 적합성을 판단하기 위하여 Rasch 모형의 부분 점수 모형을 적용하였다.
- , 2006). 학습 발달과정의 수준을 판별하기 위해서 문항반응이론의 부분 점수 모형(Partial Credit Model, PCM)을 중심으로 하여 구인 모델링 방식(construct modeling approach)을 적용한 4단계 평가 시스템을 사용하였다. 구인 모델링 방식은 미국 NRC(National Research Council)에서 2006년에 제시한 평가의 삼각형(Wilson & Betenthal, 2006)을 기반으로 하고, 학습 발달과정의 평가 시스템을 개발하는 방법으로서 4단계 평가 시스템으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 특히 4학년에서 4수준이 가장 높게 나타난 것은 2009 개정 과학과 교육 과정에서 광원의 개념을 4학년에서 학습한 결과라고 추론할 수 있다. 5학년과 6학년에서는 4수준보다 1수준과 2수준이 높게 나타났는데, 이것은 스스로 빛을 내지 못하는 반사체 및 전자제품을 광원에 포함시켜 학년이 높아질수록 반사체 및 전자제품을 광원의 종류로 다양하게 인식한다는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구의 MNSQ Infit 지수와 Outfit 지수는 Table 3과 같다. MNSQ Infit 지수와 Outfit 지수가 모든 문항에서 절대값 2.0 미만을 만족하므로 모두 적합한 문항으로 판정할 수 있다.
- 학년별 수준 분포를 살펴보면 3학년은 빛이 물체를 비추기 때문에 물체가 보이는 것이라는 1수준이 가장 높게 나타났으며, 4학년은 2, 3수준이 높게 나타나 광원→물체→눈의 관계를 과학적 개념으로 이해하는 데 부족한 것으로 나타났다. 그리고 5, 6학년도 4수준에 대한 이해가 가장 높게 나타나, 물체를 보는 과정에 대한 과학적 개념이 올바르게 정립되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- ‘빛의 이동’과 관련된 교육과정의 내용이 구체적으로 제시되어 있지 않아, 학생들이 다소 어렵게 느낀 것으로 나타났다. 그리고 문항의 적합성에서는 MNSQ Infit 지수와 Outfit 지수 모두 절대값이 2.0 미만으로 피험자 능력 수준에 가까운 문항에 대한 반응과 피험자 능력 수준으로 멀리 떨어진 문항의 반응의 예민한 정도가 적합한 문항인 것으로 판정되었다.
- 둘째, 모수 추정치(Estimate, MNSQ)를 통해 문항 난이도와 문항의 적합성을 판단해 보면, 문항의 난이도는 7가지 핵심 원리 중 빛의 이동을 제외하고 모두 중간의 난이도를 나타냈다. ‘빛의 이동’과 관련된 교육과정의 내용이 구체적으로 제시되어 있지 않아, 학생들이 다소 어렵게 느낀 것으로 나타났다.
- 문항 난이도 수치를 통해 상대적인 문항 난이도를 비교해 보면 빛의 이동>광원> 물체를 보는 과정>빛의 반사>빛의 직진>빛과 그림자>빛의 굴절 순으로 나타나, 핵심 원리 빛의 굴절 문항에서 상대적으로 가장 쉬운 문항 난이도가 나타났다.
- 셋째, 문항 특성 곡선을 통해 학습 발달과정을 살펴보면 p(0)에서 p(3)까지 곡선이 순차적으로 나타나있는 것은 문항 난이도가 높아질수록 응답자의 수준도 높아짐을 의미한다. 빛의 성질 개념의 학습 발달과정 핵심 원리 7가지 모두 곡선이 순차적으로 나타나 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 인접한 두 곡선의 교점은 이전 수준에서 그 다음수준으로 전이하는 지점으로, 교점이 오른쪽으로 갈수록 어려운 문항임을 의미하는데, 핵심 원리 중 ‘빛의 이동’만이 p(2)와 p(3)의 교점이 p(0)와 p(1)의 교점보다 왼쪽에 위치하여 높은 수준의 응답자가 더 낮은 난이도의 문항을 선택한 것으로 나타났다.
- 셋째, 문항 특성 곡선을 통해 학습 발달과정을 살펴보면 p(0)에서 p(3)까지 곡선이 순차적으로 나타나있는 것은 문항 난이도가 높아질수록 응답자의 수준도 높아짐을 의미한다. 빛의 성질 개념의 학습 발달과정 핵심 원리 7가지 모두 곡선이 순차적으로 나타나 있는 것을 확인할 수 있다.
- 셋째, 학습자의 발달 단계를 고려한 학습 발달과정을 기준으로 하여 과학과 교육과정을 구성해야 한다. 미국 K-12 과학과 교육과정에서는 과학의 영역별로 핵심 원리를 학생의 발달 단계에 따라 체계적으로 제시하여 학습자 중심의 교육과정을 구성하였다.
- 이상의 결과를 통해 본 연구는 빛의 성질 개념의 학습 발달과정의 문항 난이도 및 문항의 적합성, 문항 특성 곡선을 확인하고, 학년별 수준 분포를 분석할 수 있었다. 학생들의 응답을 경험적 근거 자료를 바탕으로 하여 빛의 성질 개념에 대한 학생들의 학습 수준을 측정하기 위한 평가 도구를 고안하여, 학습 발달과정을 개발하였고, 학습 수준을 반영한 개별화된 교육과정 적용이 필요할 것이라고 생각된다.
- 특히, 3학년은 1, 2수준이 매우 높게 나타나, 빛의 이동거리가 주변 밝기에 영향을 받는다고 생각하는 경향이 높았고, 4학년은 4수준을 가장 많이 응답하여 빛의 이동거리에 대한 이해가 높게 나타났다. 5, 6학년도 4수준에 대한 이해가 높은 편이나, 6학년은 3수준이 높게 나타났다.
- 특히, 빛이 물체와 부딪히면 빛의 방향 전환(1수준)이 가능한 것으로 응답한 비율이 3학년에서 가장 높게 나타났다. 또한, 빛의 직진을 학습한 4학년은 빛은 직진하여 물체를 피해 가지 못한다는 것을 인식하고 있으나, 물체를 통과하지 못해 그림자가 생긴다는 사실에 대한 이해가 부족하여 3수준이 4수준보다 높게 나타났다.
- 학년별 수준 분포를 살펴보면 3학년은 빛이 물체를 비추기 때문에 물체가 보이는 것이라는 1수준이 가장 높게 나타났으며, 4학년은 2, 3수준이 높게 나타나 광원→물체→눈의 관계를 과학적 개념으로 이해하는 데 부족한 것으로 나타났다.
- 학년별 수준 분포를 살펴보면 4수준에 대한 분포가 전체적으로 높게 나타났으나, 3, 4학년에서 거울에서 빛이 머무르게 되어 우리가 볼 수 있다는 1수준이 가장 높게 나타났으며, 5학년은 3수준, 6학년은 2수준이 가장 높게 나타났다. 1수준에 해당하는 곡선과 2수준에 해당하는 곡선 사이의 단계 값보다 각각 2수준과 3수준에 해당하는 곡선 사이의 단계 값이 더 오른쪽에 있는데, 단계 값이 오른쪽으로 이동한다는 것은 한 수준에서 다른 수준으로 넘어가는데 필요한 응답자의 능력이 높아진다는 것을 의미한다(Chi, 2000).
- 학년별 수준 분포에서 4수준의 분포를 살펴보면, 핵심 원리 7가지 중 광원, 빛의 굴절, 빛의 이동에서는 4학년이 가장 높게 나타났으며, 빛의 직진은 5학년, 물체를 보는 과정과 빛과 그림자에서는 6학년이 가장 높게 나타났다. 4학년은 전체적인 4수준의 분포가 높게 나타나, 과학적 개념을 가지고 비율이 5, 6학년보다 높게 나타났다.
후속연구
- 둘째, 학습 발달과정에 따른 학생의 수준을 고려한 개별화된 교수·학습 방법을 개발하여 적용해야 한다.
- 3학년과 5학년에서는 교육과정의 관련성은 없지만, 빛의 성질 개념을 학년별로 조사하여 학습 발달과정을 고안하기 위하여 연구 대상으로 포함하였다. 본 연구의 대상인 경남 김해 H초등학교 3~6학년 학생으로 제한하였으므로 연구결과를 일반화하는 데는 한계가 있다.
- 첫째, ‘빛의 성질’ 개념뿐만 아니라, 체계적인 과학적 개념에 대한 학습 발달과정을 측정하기 위한 평가 도구를 고안할 필요가 있다.
- 이상의 결과를 통해 본 연구는 빛의 성질 개념의 학습 발달과정의 문항 난이도 및 문항의 적합성, 문항 특성 곡선을 확인하고, 학년별 수준 분포를 분석할 수 있었다. 학생들의 응답을 경험적 근거 자료를 바탕으로 하여 빛의 성질 개념에 대한 학생들의 학습 수준을 측정하기 위한 평가 도구를 고안하여, 학습 발달과정을 개발하였고, 학습 수준을 반영한 개별화된 교육과정 적용이 필요할 것이라고 생각된다.
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