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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 2009 개정 과학과 교육과정에 기초하여 개발된 초등학교 과학 교과서의 생명과학 영역 개념이 어떻게 연계되어 있는지를 파악할 것이다. 또한 교육과정의 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념이 다른 개념과 어떻게 연계되어 있는지를 분석할 것이다.
- 따라서 이 연구에서는 2009 개정 과학과 교육과정에 기초하여 개발된 초등학교 과학 교과서의 생명과학 영역 개념이 어떻게 연계되어 있는지를 파악할 것이다. 또한 교육과정의 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념이 다른 개념과 어떻게 연계되어 있는지를 분석할 것이다. 이를 통하여 교과서가 교육과정에 제시된 내용을 얼마나 충실히 반영하는 지를 파악할 수 있을 것이다.
- 이 연구는 2009 개정 초등 과학과 교육과정에 기초하여 개발된 초등 3~6학년 과학 교과서의 생명과학 영역의 개념간의 언어 네트워크와 교육과정의 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념과 연결된 개념의 언어 네트워크를 분석하였다. 연구의 결과를 토대로 한 결론 및 제언은 다음과 같다.
제안 방법
- 5학년 1학기는 ‘식물의 구조와 기능’, 2학기는 ‘우리 몸의 구조와 기능’, 6학년 1학기는 ‘생물과 환경’, 2학기는 ‘생물과 우리 생활’ 단원을 분석하였다.
- 전처리한 파일은 개념 간의 의미론적 연관을 통한 네트워크 형태로 시각화하기 한국어에 맞게 변형된 KrKwic 프로그램을 이용하여 단어의 출현 빈도를 산출한다. 이후 KrTitle 프로그램을 이용하여 불필요한 단어를 제외하고, 선정된 단어에 대한 공출력 메트릭스를 구성한다. 마지막으로 UCI 6 for window 내의 NetDraw를 활용하여 네트워크 지도로 시각화 한다.
- 한편, 교육과정에 제시된 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념이 어떤 개념과 연계되어 있는지를 분석하기 위하여 개념을 추출하였다(Table 1). 추출한 개념과 연결되지 않은 개념은 제거하여 언어 네트워크 지도를 작성하였다.
- 한편, 교육과정에 제시된 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념이 어떤 개념과 연계되어 있는지를 분석하기 위하여 개념을 추출하였다(Table 1). 추출한 개념과 연결되지 않은 개념은 제거하여 언어 네트워크 지도를 작성하였다.
대상 데이터
- 2009 개정 과학과 교육과정 중 초등학교 과학 교과서의 생명과학 영역 개념의 연계성을 분석하기 위해 현재 사용하고 있는 초등학교 과학 교과서를 대상으로 하였다. 초등학교 3학년 1학기 교과서는 ‘동물의 한살이’ 단원, 2학기는 ‘동물의 생활’, 4학년 1학기는 ‘식물의 한살이’, 4학년 2학기는 ‘식물의 생활’ 단원을 대상으로 하였다.
- 선정된 개념은 초등학교 과학 교과서 집필 경험이 있으며, 10년 이상 근무한 교사 2명에게 수업에서 중요하게 다루지 않는 개념을 제외시켰다. 전처리 자료는 UCI 6에서 사용할 수 있도록 네트워크 자료 형식에 맞는 2-모드 네트워크 자료를 생성하였다. 전처리 결과 추출된 개념 수는 3학년 1학기 43개, 3학기 64개 개념이며, 4학년 1학기 42개 개념, 2학기 57개 개념이었다.
- 지금까지 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 초등 과학 교과서의 생명과학영역 8개 단원을 언어 네트워크 분석을 이용하여 분석하였다. 이 연구 결과에서 얻을 수 있는 논의 및 시사점은 다음과 같다.
- 초등학교 과학 교과서 중 생명과학 영역 개념의 연계성을 분석하기 위하여 과학 교과서 본문을 사용하였다. 이 분석에서는 실험 관찰은 포함하지 않았다.
데이터처리
- 전처리한 파일은 개념 간의 의미론적 연관을 통한 네트워크 형태로 시각화하기 한국어에 맞게 변형된 KrKwic 프로그램을 이용하여 단어의 출현 빈도를 산출한다. 이후 KrTitle 프로그램을 이용하여 불필요한 단어를 제외하고, 선정된 단어에 대한 공출력 메트릭스를 구성한다.
이론/모형
- 교육과정과 교과서에 대한 연구는 교육과정의 개정에 따라서 탐구 활동(Oh & Jeong, 2012; Park & Kim, 1999), 내용(Koh & Kim, 2016; Mun & Hyeon, 2010), 교과서 비교 연구(Jang & Lim, 2006; Jo & Choi, 1990; Son & Lee, 2004)를 중심으로 이루어졌다.
성능/효과
- 기관의 종류와 기능은 그래프의 중앙에 위치하고 있어, 이 단원을 기술하는 중심 개념으로 파악된다. 감각기관은 자극의 전달과 거리가 있어 보이나, 자극의 전달 과정은 관련된 개념사이 인접되어 있는 것으로 나타났다. 운동시 몸의 변화는 다른 개념에 비해서 연결이 약하며, 중요하게 다루고 있지 못하고 있다.
- 곤충의 한살이 중 알, 애벌레는 배추흰나비 개념과 관련되어 있는 것으로 나타났다. 이는 교과서에서 동물의 한살이를 설명할 때 배추흰나비를 예를 들어 제시하고 있기 때문으로 사료된다.
- 첫째, 개념수가 많아 교과서의 언어 네트워크가 복잡하여 학생들의 이해에 어려움을 줄 것으로 보인다. 교과서에서 추출한 전체 개념과 교육과정의 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념과의 연결된 언어 네트워크 분석 결과, 네트워크 그림이 복잡하며, 관련된 개념간의 연계성이 부족한 것으로 나타났다. 또한 초등학교 과학 교과서는 개념 중심으로 기술되어 있으며, 탐구 활동이 과학 개념과 연결되는 것이 부족하였다.
- 그 외에도 식물의 생활 단원에서는 식물에 따라 다른 한살이 유형, 식물의 구조와 기능 단원에서는 뿌리, 줄기, 잎, 꽃이 서로 관련되어 있음을 지도하도록 되어 있으나, 언어 네트워크에서는 이와 관련된 개념들의 연결이 빈약한 것으로 나타났다. 우리 몸의 구조와 기능 단원에서는 건강을 유지하기 위해 기관의 원활한 기능의 이해, 생물과 우리 생활단원의 생물의 특징과 사는 환경에 대한 연결이 부족하였다.
- 둘째, 교육과정의 학습 내용 성취 기준에는 포함하고 있지만 유기적인 연결이 부족한 부분이 있는 것으로 나타났다. 예를 들어 식물의 생활 경우 식물의 생김새와 생활 방식이 연결되지 않고 있었다.
- 예를 들어 식물의 생활 경우 식물의 생김새와 생활 방식이 연결되지 않고 있었다. 또한 생물과 환경 단원에서는 보전의 필요성에 대한 인식이 생태계 보전과 연결이 되지 않고 있었으며, 생물적 요인과 비생물적 요소가 영향을 주고받는 것이 명확히 서술되지 못하고 있는 것으로 나타났다.
- 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 동물, 새, 생김새, 생활, 먹이, 땅, 강, 물고기, 바다, 모래 바람, 모래, 생활 방식, 물속, 갯벌, 환경, 특징, 다리로 나타났다. 매개 중심성이 높은 개념은 물, 동물, 모래, 모래 바람, 먹이, 몸, 새, 다리, 생김새 순이었다.
- 연결정도 중심성이 높은 개념은 씨(24회), 식물(22회), 물(22회), 싹(20회), 꽃(18회), 열매(15회), 잎(12회)이다. 매개 중심성이 높은 개념은 씨, 싹, 꽃, 겨울, 물, 식물, 콩 순으로 나타났다.
- 연결정도 중심성이 10 이상인 개념은 새, 알, 배, 물, 동물, 배추, 배추흰나비, 번데기, 생김새, 새끼, 애벌레, 한살이이다. 매개 중심성이 높은 개념은 알, 새, 동물, 물, 한살이, 배, 번데기, 새끼, 배추흰나비 순으로 나타났다.
- 이들 개념은 다른 인접 개념들과 환산이 용이하며, 사용 빈도가 높아 연결정도 중심성이 높게 나타난다. 매개 중심성이 높은 개념은 알, 새, 물, 배, 애벌레, 번데기, 몸, 동물, 한살이, 배추흰나비, 배추로 나타났다.
- 생물과 우리 생활 단원에서 추출한 개념은 73개이며, 출현 빈도가 높은 개념은 생물, 세균, 곰팡이, 질병, 해캄, 버섯, 활용, 물, 짚신벌레 순으로 나타났다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 생물, 세균, 곰팡이, 질병, 버섯, 짚신벌레 순이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 생물, 짚신벌레, 세균, 버섯, 곰팡이, 질병, 해캄으로 나타났다.
- 생태계의 구성 요소에서 비생물적 환경요인은 생태계와 가깝게 연결되어 있으나, 생물적 요인들은 물을 중심으로 생태계 개념의 반대 방향에 위치하고 있어 연결 거리가 먼 것으로 나타났다. 환경과 생물과의 관계는 멸종, 적응, 환경오염과 관련하여 연결되어 있으며, 생태계 보전은 관련된 많은 개념들이 나열되어 있다.
- 셋째, 교육과정의 학습 내용 성취 기준이 특정 성취 기준 중심으로 초등학교 과학 교과서가 서술되었다. 우리 몸의 구조와 기능 단원은 소화, 순환, 호흡, 배설, 감각기관의 종류와 기능 중심으로 기술되어 있다.
- 셋째, 초등 과학 교과서에 기술된 개념이 5학년에서부터 급격히 증가하여 개념간의 관계가 급속히 복잡한 것으로 나타났다. 이러한 서술은 학생들이 단원 개념에 대해 이해를 어렵게 하는 원인 중의 하나가 될 것으로 사료된다.
- 언어 네트워크 분석 결과, 식물, 물, 뿌리, 잎 개념이 중앙에 위치하고, 관련 개념과 연계되어 있는 것으로 나타났다. 식물 개념은 물, 흡수, 뿌리, 물관 개념과 연결이 가까우며, 뿌리 개념은 식물, 줄기, 종류 개념과 연결이 가까운 것으로 나타났다.
- 언어 네트워크 분석 결과, 식물, 물, 뿌리, 잎 개념이 중앙에 위치하고, 관련 개념과 연계되어 있는 것으로 나타났다. 식물 개념은 물, 흡수, 뿌리, 물관 개념과 연결이 가까우며, 뿌리 개념은 식물, 줄기, 종류 개념과 연결이 가까운 것으로 나타났다.
- 빈도가 많이 나타난 개념은 알(22회), 동물(20회), 배추흰나비(18회), 번데기(13회), 새끼(13회), 애벌레 (12회), 한살이(12회)의 순으로 나타났다. 연결정도 중심성(degree centrality)이 높은 개념은 새, 알, 배, 물, 동물, 배추흰나비, 배추, 번데기, 애벌레, 새끼, 생김새, 한살이, 몸으로 나타났다. 연결정도 중심성이 높다는 것은 다른 개념과의 링크가 많아 네트워크 내의 여러 연결 중에서 중심에 위치한다.
- 출현 빈도가 높은 개념은 몸(41회), 기관 (11회), 심장(11회), 혈액(11회), 몸속(9회), 운동(9회), 뼈(8회), 숨(8회)으로 나타났다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 몸, 기관, 소화, 물, 몸속, 혈액, 폐, 호흡, 운동, 산소, 감각기관 순이었으며, 매개 중심성이 높은 개념은 몸, 기관, 생활, 숨, 심장, 물, 소화, 운동, 몸속, 음식, 혈액으로 나타났다.
- 동물의 생활 단원은 64개 개념이 추출되었으며, 빈도수가 높은 개념은 동물(47회), 생김새(11회), 땅 (9회), 물(7회), 생활 방식(7회), 몸(6회), 물고기(6회) 순이다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 동물, 새, 생김새, 생활, 먹이, 땅, 강, 물고기, 바다, 모래 바람, 모래, 생활 방식, 물속, 갯벌, 환경, 특징, 다리로 나타났다. 매개 중심성이 높은 개념은 물, 동물, 모래, 모래 바람, 먹이, 몸, 새, 다리, 생김새 순이었다.
- 생물과 우리 생활 단원에서 추출한 개념은 73개이며, 출현 빈도가 높은 개념은 생물, 세균, 곰팡이, 질병, 해캄, 버섯, 활용, 물, 짚신벌레 순으로 나타났다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 생물, 세균, 곰팡이, 질병, 버섯, 짚신벌레 순이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 생물, 짚신벌레, 세균, 버섯, 곰팡이, 질병, 해캄으로 나타났다.
- 출현 빈도가 높은 개념은 생물(41회), 생태계(23회), 영향(17회), 환경(16회), 동물(8회), 생활(8회), 물(7회), 양분(7회)이다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 생태, 생물, 환경, 생태계, 비, 양, 영향, 산, 생활이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 생태, 환경, 생태계, 생물, 비, 영향, 생활, 산, 온도로 나타났다.
- 출현 빈도가 높은 개념은 식물(47회), 뿌리(36회), 잎(28회), 줄기(23회), 물(21회), 꽃(19회) 순으로 나타났다. 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 식물, 뿌리, 잎, 줄기, 꽃, 열매, 양분, 씨의 순서이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 식물, 잎, 꽃, 뿌리, 줄기, 씨, 열매, 양분, 세포의 순서로 나타났다.
- 이 단원은 생물과 물 개념을 중심으로 기술되어 있으며, 다양한 생물 중 세균과 곰팡이가 다른 생물에 비해 연결 중심성이 큰 것으로 나타났다. 이는 세균과 곰팡이가 우리 생활에 미치는 영향과 첨단 생명 과학과 관련하여 더 많이 기술되고 있기 때문으로 사료된다.
- 전처리 자료는 UCI 6에서 사용할 수 있도록 네트워크 자료 형식에 맞는 2-모드 네트워크 자료를 생성하였다. 전처리 결과 추출된 개념 수는 3학년 1학기 43개, 3학기 64개 개념이며, 4학년 1학기 42개 개념, 2학기 57개 개념이었다. 5학년 1학기는 82개 개념, 2학기는 108개 개념이었으며, 6학년 1학기는 138개 개념, 2학기는 73개 개념이었다.
- 전체 개념에 대한 언어 네트워크 그래프를 살펴보면, 물, 동물, 새, 생김새 개념 중심으로 연결되어 있는 것으로 나타났다. 언어 네트워크에서 중심되는 개념들은 서로 밀접하게 연결되어 있다.
- 성취 기준 개념과 연결된 언어 네트워크 분석 결과, 식물의 구조와 기능이 연결이 명확히 나타나지 못하고 있다. 줄기는 저장, 광합성과 가깝게 연결되어 있으며, 증산작용, 기공 개념은 잎과 연결 거리가 먼 것으로 나타났다. 씨가 퍼지는 방법은 구조와 관련된 개념에 비해서 중심성도 약하며, 연결성도 약한 것으로 나타났다.
- 첫째, 개념수가 많아 교과서의 언어 네트워크가 복잡하여 학생들의 이해에 어려움을 줄 것으로 보인다. 교과서에서 추출한 전체 개념과 교육과정의 학습 내용 성취 기준에 제시된 개념과의 연결된 언어 네트워크 분석 결과, 네트워크 그림이 복잡하며, 관련된 개념간의 연계성이 부족한 것으로 나타났다.
- 첫째, 초등학교 과학 교과서 생명과학 영역은 개념 중심으로 서술되어 있으며, 탐구와 관련된 내용이 본문에 기술되는 것이 적은 것으로 나타났다. 이는 2009 개정 과학과 교육과정의 초등학교 과학 교과서가 탐구 중심보다는 개념 중심으로 기술되었기 때문으로 사료된다.
- 학습 내용 성취 기준에서 추출된 개념과 연결정도 중심성이 높은 개념은 몸, 소화, 몸속, 물, 혈액, 호흡, 빵, 운동, 감각기관 순이며, 매개 중심성이 높은 개념은 몸, 소화, 운동, 감각기관, 전달, 몸속, 물, 작용, 호흡, 혈액, 순환으로 나타났다. 이 단원의 학습 내용 성취 기준은 뼈와 근육의 생김새, 기관의 종류와 기능, 감각기관의 종류와 기능, 운동 시 몸의 변화와 관련하여 기술하도록 되어 있다.
- 학습 내용 성취 기준에서 추출된 개념과 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 생물, 세균, 곰팡이, 버섯, 짚신벌레, 질병, 해캄, 유지이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 짚신벌레, 세균, 곰팡이, 생물, 버섯, 해캄, 질병, 환경으로 나타났다. 이 단원의 학습 내용 성취 기준은 생물의 종류, 생물이 우리 생활에 미치는 영향, 첨단 생명 과학의 이용 사례를 중심으로 서술하도록 되어 있다.
- 학습 내용 성취 기준에서 추출된 개념과 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 식물, 뿌리, 잎, 줄기, 꽃, 열매, 씨, 양분이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 식물, 잎, 꽃, 뿌리, 줄기, 씨, 열매, 세포, 모양, 양분 순으로 나타났다. 이 단원의 학습 내용 성취 기준은 식물의 구조와 기능, 씨가 퍼지는 방법, 세포 관찰을 중심으로 기술되어 있다.
- 학습 내용 성취 기준에서 추출된 개념과 연결정도 중심성이 높은 개념은 물, 환경, 생물, 생태, 생태계, 비, 양, 영향이며, 매개 중심성이 높은 개념은 물, 환경, 생태, 생태계, 생물, 비, 영향, 온도, 사막으로 나타났다. 이 단원의 학습 내용 성취 기준은 생태계의 구성 요소, 환경과 생물 사이의 관계, 생태계 보전으로 제시하고 있다.
- 이 단원은 생태계의 구성 요소 중심으로 기술되어 있는 것으로 보여진다. 환경과 생물 사이의 관계는 적응, 멸종, 오염, 훼손 개념을 중심으로 아랫부분에 일부 위치하며, 생태계 보전은 필요성에 대한 인식은 거의 다루지 못하고 있고, 우리가 할 수 있는 일 중심으로 기술하고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이 연구에 기초하여 초등학교 과학 교과서에 서술되는 개념 수를 의미있게 줄여 개념들 사이가 의미있게 연결될 수 있도록 해야 할 것이다. 또한 학습을 통해 학생들이 학습한 개념들이 어떻게 연결되고 있는지에 대한 연구가 이루어지길 기대한다.
- 이 연구에 기초하여 초등학교 과학 교과서에 서술되는 개념 수를 의미있게 줄여 개념들 사이가 의미있게 연결될 수 있도록 해야 할 것이다. 또한 학습을 통해 학생들이 학습한 개념들이 어떻게 연결되고 있는지에 대한 연구가 이루어지길 기대한다.
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