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문제 정의
- 이 연구는 논의 기반 일반화학 실험과정에서 나타나는 예비과학교사들의 모델링 능력 및 이의 변화과정을 알아 보는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 실험 후 작성하는 결과보고서의 모델링 단계에서 예비과학교사들이 제시하는 모델의 수준을 분석하여 모델링 능력을 알아보았다.
- 36 이 연구에서는 모델링을 강조한 논의 기반 일반화학 실험 활동을 통해 모델링 요소와 모델링 전략의 측면에 대한 인지과정의 변화가 있다는 것을 확인하였으나 모델링 능력의 형성 정도 및 변화과정에 대한 탐색은 이루어지지 못하였다. 이 연구에서는 논의 기반 일반화학 실험에서 나타나는 예비과학교사들의 모델링 능력의 변화 및 변화과정을 알아보고, 이를 통해 예비과학교사들의 모델링 능력 변화에 영향을 미치는 요인을 탐색하고자 하였다.
제안 방법
- 논의 기반 일반화학 실험은 의문 만들기, 실험 설계, 관찰 및 결과, 주장과 증거, 읽기, 반성, 모델링의 총 7 단계로 구성되었다. 이는 기존의 탐구적 과학 글쓰기 전략에 핵심개념에 대한 최종적인 모델을 구성하여 다른 사람에게 설명하는 글을 작성하는 모델링 단계를 추가한 것이다(Table 1).
- 그 다음 실험으로 다루어야할 만큼 중요하고 의미 있는 내용을 포함하는 주제인지, 주제에 대해 학생들이 적절한 의문을 생성할 수 있는지, 학생 수준에서 자신들의 의문을 해결하기 위한 실험을 설계할 수 있을지 등을 고려하였다. 최종적으로 산−염기 적정, 화학평형상수, 용해도곱상수, 산화−환원적정, 화학반응속도, 화학전지와 전기화학적 서열의 6개 주제를 선정하였고, 선정된 6개의 주제에 대해 논의 기반 일반화학 실험 활동을 개발하였다. 활동의 개발을 위해 과학교육 박사 1명, 박사과정 2명, 석사과정 1명이 참여하였고, 개발된 활동은 과학교육 전문가 1명, 과학교육 박사 1명, 석사과정 1명에게 타당도를 검증 받았다.
- 이 연구는 논의 기반 일반화학 실험과정에서 나타나는 예비과학교사들의 모델링 능력 및 이의 변화과정을 알아 보는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 실험 후 작성하는 결과보고서의 모델링 단계에서 예비과학교사들이 제시하는 모델의 수준을 분석하여 모델링 능력을 알아보았다. 얻어진 연구 결과로부터 이끌어낸 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 이 연구는 광역시 소재 대학교에서 일반화학 실험을 수강하는 화학교육과 1학년 21명(남학생 10명, 여학생 11명)을 대상으로 2015년 3월부터 12월까지 1년 간 적용하였다. 일반화학 실험 수업을 위한 모둠을 구성하기 위해 화학개념검사를 실시하였고, 화학 II 과목의 이수 여부와 남녀비율을 고려하여 3~4명의 구성원으로 이루어진 총 6개의 모둠을 구성하였다.
- 화학 II 과목의 경우 다루는 내용과 일반화학 실험에서 다루는 주제의 수준은 다르지만 중복되는 내용도 포함이 되어있기 때문에 각 모둠에 화학 II 이수자가 한명 이상 포함되도록 하였다. 일반화학 실험을 수강하는 총 21명의 학생들 중 6명이 화학 II 과목을 이수하였기 때문에 6개의 모둠에 화학 II 이수자가 한명씩 포함되었다. 또한 남녀비율을 고려하여 한 모둠에 남학생과 여학생이 골고루 구성되도록 하였다.
- 1년 동안 실시한 일반화학 실험은 1학기에 9개, 2학기에 11개의 주제로 총 20개의 주제로 구성이 되었으며, 2015년 3월부터 12월까지 1년 동안 매주 수업을 진행하였고, 수업시간은 2시간이 소요되었다. 총 20개의 주제 중 논의 기반 일반화학 실험에 적합한 6개의 주제를 선정하였다(Table 2).
- 1년 동안 실시한 일반화학 실험은 1학기에 9개, 2학기에 11개의 주제로 총 20개의 주제로 구성이 되었으며, 2015년 3월부터 12월까지 1년 동안 매주 수업을 진행하였고, 수업시간은 2시간이 소요되었다. 총 20개의 주제 중 논의 기반 일반화학 실험에 적합한 6개의 주제를 선정하였다(Table 2). 이 외의 일반화학 실험은 실험목표와 방법, 이론 등이 주어지는 전통적인 실험의 형태로 진행되었다.
데이터처리
- 학생들의 모델링 능력을 알아보기 위해서 논의 기반 일반화학 실험 수업 후 작성하는 결과보고서의 모델링 단계를 분석하였다. 모델링 능력의 분석을 위해 Bamberger와 Davis40의 연구에서 사용한 모델링 분석틀을 참고하여 설명, 비교, 추상, 표식의 4개 영역으로 이루어진 분석틀을 개발하였다.
- 추상영역과 표식영역은 학생이 자신이 제시하는 모델을 다른 사람과의 의사소통을 하는 도구로 사용하며, 상대방이 얼마나 이해할 수 있는지를 고려하여 모델의 이해도를 높이기 위해 감각적으로 확인 할 수 없는 요소까지 설명하는 것이므로 메타모델링 지식을 반영한다. 이 연구에서는 이러한 메타모델링 지식수준을 알아보기 위해 모델링 분석항목 중 추상영역과 표식영역을 메타모델링으로 범주화하여 분석하였다.
- 분석은 과학교육 전문가 1명, 과학교육 박사과정 2명, 과학교육 석사과정 1명 총 4인의 분석자에 의해 이루어 졌으며, 분석 과정 중에 발생하는 의문점에 대하여 지속적인 협의 과정을 통하여 분석틀이 수정 보완되었다. 학생들이 제시하는 모델의 수준을 분석하기 위해 4인의 분석자가 일차적으로 무작위로 선정한 5명의 결과보고서의 모델링 단계를 각자 분석하고 비교하는 과정을 통하여 일치도가 90%에 이를 때까지 분석의 신뢰도를 높였다.
이론/모형
- 화학개념검사는 Harvard 대학교에서 12가지 화학 내용기준을 토대로 제작한 화학 오개념 검사지37와 Purdue 대학교의 화학 오개념 검사지의 일부를 발췌하여 허은아38가 번안한 총 42문항으로 이루어진 검사지를 사용하였다. 화학 II 과목의 경우 다루는 내용과 일반화학 실험에서 다루는 주제의 수준은 다르지만 중복되는 내용도 포함이 되어있기 때문에 각 모둠에 화학 II 이수자가 한명 이상 포함되도록 하였다.
- 학생들의 모델링 능력을 알아보기 위해서 논의 기반 일반화학 실험 수업 후 작성하는 결과보고서의 모델링 단계를 분석하였다. 모델링 능력의 분석을 위해 Bamberger와 Davis40의 연구에서 사용한 모델링 분석틀을 참고하여 설명, 비교, 추상, 표식의 4개 영역으로 이루어진 분석틀을 개발하였다. 각 영역의 모델링 능력은 0수준에서 3수준에 이르는 4개의 수행 수준으로 구성되었다(Table 3).
성능/효과
- 메타모델링 수준 분석결과를 종합하면, 모델링 단계 초기에 학생들은 자신이 제시하는 모델이 다른 사람을 설득하기 위한 도구로써 사용될 수 있다고 생각하기보다는 자신이 경험한 과학적 현상을 설명하는 도구로 생각하고 있다는 것을 알 수 있다. 하지만 논의 기반 일반화학 실험의 모델링 단계를 통해 자신만의 모델을 생성하여 설명하는 글을 작성하면서 모델을 제시하는 것이 다른 사람에게 자신이 관찰한 자연현상을 이해시키는 것을 쉽게 만든다는 것을 알게 되고, 이 후 부터는 이러한 모델 제시 능력이 계속 유지된다는 것을 알 수 있다.
- 첫째, 논의 기반 일반화학 실험을 경험하면서 예비과학교사들의 모델링 능력이 향상된 것으로 나타났다. 6개 주제의 논의 기반 일반화학 실험이 진행되면서 예비과학교사들의 모델링 능력 점수는 증가하였다.
- 첫째, 논의 기반 일반화학 실험을 경험하면서 예비과학교사들의 모델링 능력이 향상된 것으로 나타났다. 6개 주제의 논의 기반 일반화학 실험이 진행되면서 예비과학교사들의 모델링 능력 점수는 증가하였다. 6개 주제의 논의기반 일반화학 실험을 수행하면서 초반에는 설명, 비교, 추리, 표식의 네 영역 모두에서 0수준의 학생이 대부분인 것으로 나타나 모델링 능력이 거의 형성되지 않은 것으로 나타났다.
- 6개 주제의 논의 기반 일반화학 실험이 진행되면서 예비과학교사들의 모델링 능력 점수는 증가하였다. 6개 주제의 논의기반 일반화학 실험을 수행하면서 초반에는 설명, 비교, 추리, 표식의 네 영역 모두에서 0수준의 학생이 대부분인 것으로 나타나 모델링 능력이 거의 형성되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 논의 기반 일반화학 실험의 횟수가 거듭되면서 네 영역 모두에서 0수준의 학생 수는 감소하고 2수준과 3수준의 학생 수가 증가하였다.
- 6개 주제의 논의기반 일반화학 실험을 수행하면서 초반에는 설명, 비교, 추리, 표식의 네 영역 모두에서 0수준의 학생이 대부분인 것으로 나타나 모델링 능력이 거의 형성되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 논의 기반 일반화학 실험의 횟수가 거듭되면서 네 영역 모두에서 0수준의 학생 수는 감소하고 2수준과 3수준의 학생 수가 증가하였다.
- 설명영역과 비교영역에서의 모델링 능력의 향상은 예비과학교사들이 제시하는 모델이 과학개념 또는 현상을 설명하기 위해 실험을 통해 관찰된 과학 현상과 경험적 상황을 연결하여 설명하고 있다는 것을 의미한다. 이러한 설명에서 학생들은 모델의 요소를 고려하여 과학 현상이 일어나는 원인에 대해 실험적 상황과 경험적 상황의 두가지 상황을 비교하여 설명하게 되는데, 이는 학생이 관찰된 과학현상을 잘 이해하고 있다는 것을 보여주는 것이다.
- 40 표식영역은 예비과학교사들이 제시하는 모델을 의사소통의 차원에서 사용하는 것으로, 자신이 제시한 모델이 모델 창안자의 생각을 어떻게 반영하는지 또는 생성한 모델을 다른 사람들이 어떻게 잘 이해하는 지를 고려한다는 점에서 메타모델링 지식을 반영한다. 논의 기반 일반화학 실험과정에서 학생들이 자신만의 모델을 생성하여 감각적으로 접근이 가능하지 않는 부분까지 설명하려고 하고, 다른 사람을 이해시키기 위한 표현방식을 사용하려는 시도를 하는 것에서 예비과학교사들의 메타모델링 지식수준이 높아졌음을 알 수 있다.
- 둘째, 논의 기반 일반화학 실험을 수행하면서 예비과학교사들의 메타모델링 지식이 향상되었고, 이러한 메타모델링 지식의 향상은 모델링 능력의 향상을 가져왔으며 동시에 이를 유지시켰다.
- 메타모델링 수준이 높다는 것은 과학의 본성을 이해하고, 개발한 모델을 의사소통을 위한 수단으로 적절하게 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 높은 수준의 모델을 제시할 수 있는 학생은 모델과 모델의 역할에 관한 지식, 과학적 모델의 본성과 목적에 대한 지식을 갖추고 있다고 볼 수 있다. 연구에서와 같이 지속적인 모델링 경험을 통해 메타모델링 지식이 형성되면 이러한 지식을 바탕으로 모델을 제시하는 능력이 향상되고 이러한 능력은 이후에도 유지되는 것으로 나타났다.
- 이 연구에서는 논의 기반 일반화학 실험을 통해 예비과학교사들의 모델링 능력이 향상되며 이러한 향상은 메타모델링 지식과 연관이 있음을 알 수 있었다. 추후연구에서는 이러한 연구를 바탕으로 학생들이 모델링을 경험하면서 모델링에 대한 인식의 변화과정을 알아봄으로써 이러한 인식변화가 모델링 능력에 어떻게 영향을 미치며 이들이 메타모델링 지식과는 어떤 연관이 있는지 알아 볼 필요가 있다고 본다.
후속연구
- 이 연구에서는 논의 기반 일반화학 실험을 통해 예비과학교사들의 모델링 능력이 향상되며 이러한 향상은 메타모델링 지식과 연관이 있음을 알 수 있었다. 추후연구에서는 이러한 연구를 바탕으로 학생들이 모델링을 경험하면서 모델링에 대한 인식의 변화과정을 알아봄으로써 이러한 인식변화가 모델링 능력에 어떻게 영향을 미치며 이들이 메타모델링 지식과는 어떤 연관이 있는지 알아 볼 필요가 있다고 본다.
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