이 연구의 목적은 2015 개정 과학과 교육과정의 통합주제인 '에너지와 생활'에서 다루는 에너지 개념에 대한 초등학생들의 개념을 파악하는 것이다. 이를 위하여 에너지와 관련된 연상개념, 에너지 형태에 대한 인식, 에너지 전환, 동식물의 에너지 사용에 대한 이해를 파악하기 위한 검사 도구를 개발하였다. 서울 소재 초등학교 6학년 학생 92명을 대상으로 한 검사결과를 서술통계, 클라우드, 언어네트워크 분석법을 활용하여 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 학생들은 에너지 관련 연상개념에 대해서는 전기, 에너지 형태에 대해서는 전기에너지를 가장 높은 비율로 응답하였다. 또한, 일상생활에 사용하는 에너지 개념과 과학적인 개념이 혼재되어 있는 것으로 나타났다. 에너지 전환의 이해는 개념 발달의 위계에 따라 에너지 형태에 대한 인식과 높은 관련성을 보였다. 마지막으로 동식물이 에너지를 얻는 방식에 대해서는 기초적인 개념 구조가 갖추어져 있었으나 개념의 오류 및 결손이 나타났다. 이 연구의 결과로부터 초등학교 과학과 교육과정에 새롭게 도입되는 통합주제인 '에너지와 생활'의 지도를 위한 교수학적 시사점을 논의하였다.
이 연구의 목적은 2015 개정 과학과 교육과정의 통합주제인 '에너지와 생활'에서 다루는 에너지 개념에 대한 초등학생들의 개념을 파악하는 것이다. 이를 위하여 에너지와 관련된 연상개념, 에너지 형태에 대한 인식, 에너지 전환, 동식물의 에너지 사용에 대한 이해를 파악하기 위한 검사 도구를 개발하였다. 서울 소재 초등학교 6학년 학생 92명을 대상으로 한 검사결과를 서술통계, 클라우드, 언어네트워크 분석법을 활용하여 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 학생들은 에너지 관련 연상개념에 대해서는 전기, 에너지 형태에 대해서는 전기에너지를 가장 높은 비율로 응답하였다. 또한, 일상생활에 사용하는 에너지 개념과 과학적인 개념이 혼재되어 있는 것으로 나타났다. 에너지 전환의 이해는 개념 발달의 위계에 따라 에너지 형태에 대한 인식과 높은 관련성을 보였다. 마지막으로 동식물이 에너지를 얻는 방식에 대해서는 기초적인 개념 구조가 갖추어져 있었으나 개념의 오류 및 결손이 나타났다. 이 연구의 결과로부터 초등학교 과학과 교육과정에 새롭게 도입되는 통합주제인 '에너지와 생활'의 지도를 위한 교수학적 시사점을 논의하였다.
The purpose of this study is to investigate elementary school students' conceptions about the energy represented in the integrated theme 'Energy and life' of the 2015 revised science curriculum. The instruments were developed to grasp students' understanding about 'the concepts of energy,' 'forms of...
The purpose of this study is to investigate elementary school students' conceptions about the energy represented in the integrated theme 'Energy and life' of the 2015 revised science curriculum. The instruments were developed to grasp students' understanding about 'the concepts of energy,' 'forms of energy,' 'conversion of energy,' and 'energy use of plants and animals.' The surveys were conducted on 92 elementary school students in Seoul. The students' answers were analyzed by descriptive statistics, clouds and semantic network analysis. The results are as follows: 'Electricity' and 'electric energy' were most frequently mentioned as the associated concepts to energy and forms of energy, respectively. Also, the daily use of energy was mixed to the use in science. According to conceptual hierarchy, understanding of energy conversion was dependent on the understanding of energy forms. Although students have basic concepts about the energy use of plants and animals, they had some misconceptions and lack of understanding. The educational implications were discussed to teach 'Energy and Life' as integrated theme in new elementary school curriculum.
The purpose of this study is to investigate elementary school students' conceptions about the energy represented in the integrated theme 'Energy and life' of the 2015 revised science curriculum. The instruments were developed to grasp students' understanding about 'the concepts of energy,' 'forms of energy,' 'conversion of energy,' and 'energy use of plants and animals.' The surveys were conducted on 92 elementary school students in Seoul. The students' answers were analyzed by descriptive statistics, clouds and semantic network analysis. The results are as follows: 'Electricity' and 'electric energy' were most frequently mentioned as the associated concepts to energy and forms of energy, respectively. Also, the daily use of energy was mixed to the use in science. According to conceptual hierarchy, understanding of energy conversion was dependent on the understanding of energy forms. Although students have basic concepts about the energy use of plants and animals, they had some misconceptions and lack of understanding. The educational implications were discussed to teach 'Energy and Life' as integrated theme in new elementary school curriculum.
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문제 정의
동시에 2015 개정 교육과정의 ‘에너지와 생활’ 단원의 성취기준을 바탕으로 초등학생들의 에너지 관련 개념을 파악하여 새롭게 제시되는 통합주제 단원의 지도에도 시사점을 제공하고자 하였다.
2015 개정 교육과정 통합단원 ‘에너지와 생활’에서는 에너지의 형태와 전환을 학습요소로 제시하고 있다. 발달 단계와 교육과정을 고려하여 에너지 개념에 대한 초등학생들의 인식을 파악하기 위한 검사지를 개발하였다. 검사지는 총 5개의 문항으로 구성하였다.
이 연구에서는 에너지에 대한 초등학생들의 인식을 파악함으로써 2015 개정 과학 교육과정의 초등학교에 새롭게 도입된 통합주제인 ‘에너지와 생활’ 단원과 관련한 교수학적 시사점을 도출하고자 하였다.
에너지 개념을 일상적 맥락으로부터 분리하여 과학적인 개념으로 정교화하기 위해서는 학생들이 가지고 있는 에너지 개념의 복잡한 구조에 대한 깊이 있는 이해가 선행되어야 한다. 이에 이 연구에서는 개념 클라우드 분석(word cloud analysis)과 언어네트워크 분석(semantic network analysis)을 활용하여 학생들이 가지고 있는 에너지 개념에 대해 알아보았다. 개념 클라우드 분석은 학생들이 인지하고 있는 개념의 빈도수를 가시적으로 나타내는 분석기법으로 학생들의 에너지에 대한 인식을 한눈에 확인하기 용이하며, 언어네트워크 분석법은 개념을 점(node)으로 그들 간의 관계를 선(link)로 나타내어 이를 네트워크로 나타냄으로써 개념의 복잡한 연결 관계를 효과적으로 파악하도록 해준다.
제안 방법
이에 전체 학생들의 인식하는 개념 뿐 아니라 성별에 따른 개념의 차이를 분석하기 위하여 남녀의 응답 내용을 분류하여 전체 학생, 남학생, 여학생에 따른 개념 클라우드로 비교, 분석하였다.
2번 문항은 삽화에 표시된 에너지 형태의 응답 빈도를 분석하였다. 3번 문항은 에너지 전환에 대한 학생들의 이해도를 분석하기 위하여 하위 항목별로 정답률을 파악하고 오답을 분석하여 유형별로 분류하였다. 4, 5번 문항은 식물과 동물이 에너지를 얻는 방식에 대한 초등학생들의 인식 구조를 확인하기 위하여 언어네트워크 분석법을 활용하였다.
이 그림은 중학교 과학 교과서에 제시된 그림을 활용하여 다양한 에너지 형태가 포함되도록 재구성한 것이다. 3번 문항은 일상생활과 자연현상에서의 에너지 전환에 대한 인식을 파악하기 위하여 전기밥솥, 형광등, 건전지, 물레방아, 선풍기, 미끄럼틀, 다리미, 불에 타는 장작의 여덟 가지 예시에서 에너지가 어떻게 전환되는지 적어보도록 하였다. 이때 전기에너지가 열에너지와 빛에너지로 전환되는 경우와 같이 한 가지 이상의 에너지로 전환되는 경우에는 모두 쓰도록 안내하였다.
에너지 개념에 대한 학생들의 인식을 파악한 기존의 선행연구에서는 대체로 선다형 문항을 제시하거나 연상되는 개념을 말이나 그림으로 표현하도록 요구하는 문항들을 활용하였다. 따라서 연구 결과의 분석은 문항의 정답률을 파악하거나 오답의 유형을 분류하고, 연상되는 개념의 빈도나 그림의 패턴을 빈도와 비율 등으로 나타내는 것과 같은 정량적인 방법을 통해 이루어졌다. 하지만 이러한 분석방법은 에너지 관련 개념 간의 연관성과 중심이 되는 개념을 시각적으로 드러내는 데에는 한계가 있다.
이에 언어네트워크 분석법을 이용하면 학생들이 인식하고 있는 개념 뿐 아니라 개념들 사이의 관계 형성도 도식화하여 이해할 수 있기 때문에 학생들이 가지고 있는 에너지에 대한 개념을 알아 보기 적합하다(Doerfel & Banett, 1999). 응답이 문장 단위로 기술되어 있는 1, 4, 5번 문항을 분석하기 위하여 기술된 모든 문장들을 전사하였다. 전사 과정에서 문장은 마침표, 문단은 줄 바꿈을 경계로 구분하였으며 전사된 내용을 문항별로 text파일(.
빈도로 살펴보면 에너지(100)의 개념이 가장 높게 나타났고, 동물(98), 먹이(73), 생산자(35), 물(30), 초식동물(23) 등의 순으로 나타났다. 이 중에서 아이겐벡터 중심성 값이 크면서 동시에 빈도도 높게 나타나는 개념을 핵심개념으로 선정하였다.
4번과 5번 문항은 2015 개정 교육과정 ‘에너지와 생활’ 단원의 성취 기준 중 ‘식물과 동물이 에너지를 얻는 과정을 설명하고, 이 과정이 태양으로부터 공급된 에너지의 전환 과정임을 인식’하도록 하는 것과 관련된다. 이에 대한 학생들의 인식을 파악하기 위하여 식물과 동물이 왜 에너지가 필요하며 어떤 방법으로 필요한 에너지를 얻는지 자유롭게 설명하도록 하는 문항을 각각 4, 5번 문항으로 구성하였다. 에너지의 소실과 보존은 가장 상위 단계의 영역이며(Liu & McKeough, 2005; Neumann et al.
먼저 1번 문항은 에너지 관련 연상개념을 확인하기 위하여 설문을 분석한 결과 대부분의 학생들이 개념 단위로 기술하고 있었다. 이에 학생들이 연상하는 개념을 한 눈에 파악하기 쉽도록 연상한 개념의 빈도를 측정하고, 언어 네트워크 분석을 통해 개념 클라우드(Cloud)로 시각화하였다. 개념 클라우드는 학생들이 인지하는 개념의 빈도수에 따라 시각화되는 개념의 크기를 달리하여 가시성 있게 분석하는 기법이다(Park, 2017).
응답이 문장 단위로 기술되어 있는 1, 4, 5번 문항을 분석하기 위하여 기술된 모든 문장들을 전사하였다. 전사 과정에서 문장은 마침표, 문단은 줄 바꿈을 경계로 구분하였으며 전사된 내용을 문항별로 text파일(.txt)로 저장하였다. NetMiner 4.
식물과 동물이 에너지를 얻는 방법에 대해 초등학생들이 기술한 개념, 빈도 그리고 아이겐벡터 중심성을 Table 4에 나타내었다. 초등학생들이 제시한 핵심적인 개념을 확인하기 위하여 아이겐벡터 중심성이 높은 개념들을 선정하였다. 학생들이 생각하는 식물이 에너지를 얻는 방법에서 제시한 개념은 총 32개인데 반해 동물이 에너지를 얻는 방법에서는 총 44개의 개념이 제시되었다.
학생들이 인식하는 식물과 동물이 에너지를 얻는 방법에 대한 네트워크를 확인하기 위하여 핵심개념으로 네트워크를 시각화하였다(Figure 3). 식물의 경우(Figure 3(a)), 태양, 식물, 물, 광합성, 에너지, 토양, 비, 영양분과 같은 개념은 빈도뿐 아니라 아이겐벡터 값 역시 0.
대상 데이터
이들의 ‘에너지’ 개념에 대한 인식을 파악하고자 서울 소재 국립 초등학교 한 곳의 학생들을 임의로 표집하여 학생들이 초등학교 6학년 과학 단원의 수업을 모두 마친 후인 2018년도 12월에 검사를 시행하였다. 103명의 검사 결과를 수합하였으며, 이 중 불성실한 응답이나 문항 중 일부에 응답하지 않은 학생들의 답지를 제외한 총 92명의 검사결과를 최종 분석 대상으로 선정하였다. 남학생과 여학생은 각각 46명으로 남녀 비율은 동일하였다.
본 연구는 2018년도에 초등학교 6학년이었던 학생들을 대상으로 진행하였다. 2015 개정 교육과정은 2017년에 초등학교 1, 2학년을 시작으로 순차적으로 적용되어 2019년에는 전학년에 걸쳐 적용된다.
이들의 ‘에너지’ 개념에 대한 인식을 파악하고자 서울 소재 국립 초등학교 한 곳의 학생들을 임의로 표집하여 학생들이 초등학교 6학년 과학 단원의 수업을 모두 마친 후인 2018년도 12월에 검사를 시행하였다.
데이터처리
이 과정을 거쳐 선정된 개념들의 개념 × 개념 공출현 빈도 매트릭스를 NetMiner 4.0 프로그램을 이용하여 얻은 다음 네트워크 구조로 시각화 하였다.
3번 문항은 에너지 전환에 대한 학생들의 이해도를 분석하기 위하여 하위 항목별로 정답률을 파악하고 오답을 분석하여 유형별로 분류하였다. 4, 5번 문항은 식물과 동물이 에너지를 얻는 방식에 대한 초등학생들의 인식 구조를 확인하기 위하여 언어네트워크 분석법을 활용하였다. 언어네트워크 분석법은 각각의 개념(node)에 대한 분석에서 나아가 개념들 간의 관계(link)까지 포함된 통합적인 자료를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다(Lee et al.
NetMiner 4.0 프로그램을 사용하여 개념 정제화 과정을 거쳐 저장된 파일의 분석개념을 선정하였다.
이론/모형
이를 통해 추출한 개념은 모두 명사형을 기본으로 하였다. 한편 분석개념은 네트워크 내에서 영향력 있는 핵심적인 개념을 찾기 위해 활용하는 아이겐벡터 중심성(eigenvector centrality) 지수를 기준으로 선정하였다(Lee, 2014). 아이겐벡터 중심성 지수는 핵심개념이 네트워크의 전체 구조 안에서 얼마나 중심에 위치하는가를 알려주는 지표로 네트워크 내에서 핵심 개념을 찾기 위해 활용한다(Kim et al.
성능/효과
식물과 동물이 에너지를 얻는 방법과 관련된 언어네트워크 분석 결과를 보면, 식물의 경우 태양의 아이겐벡터 중심성이 가장 높았으며 동물의 경우 먹이의 아이겐벡터 중심성이 가장 높아 독립영양생물과 종속영양생물에 대한 기초적인 개념은 인식하고 있는 것으로 보인다. 그러나 물과 영양분, 토양과 영양분, 에너지와 태양과 동물이 높은 연결을 나타내는 등의 오개념이 드러났으며 이산화탄소와 잎과의 연결은 나타나지 않는 등의 개념 결손이 나타났다. 학생들은 초등학교 과학의 ‘식물의 구조와 기능’ 단원에서 광합성의 기초 개념을 학습한 후에 ‘에너지와 생활’ 단원을 배우게 되며 이 단원에서는 동물과 식물이 에너지를 얻는 방식을 비교하는 수준에서의 내용이 제시된다.
또한, 에너지 개념과 영양분, 섭취 개념이 연결된 것으로 보아 동물이 에너지를 스스로 합성하지 못하고 생산자인 식물을 통한 섭취로 얻을 수 있는 종속영양 생물이라는 것을 인지하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 에너지, 영양분, 섭취 개념 간 연결의 강도는 강하지 않고, 에너지 개념이 태양, 동물과도 연결된 것으로 보아 식물의 에너지를 얻는 방법과 혼동하여 동물 역시도 태양을 이용하여 에너지를 얻는다고 제시한 학생들도 존재함을 확인할 수 있다. 이를 통해 동물은 식물과 달리 종속영양이기 때문에 스스로 에너지를 합성하지 못하고 외부로부터 영양분을 흡수, 섭취해야 한다는 사실에 초점을 맞추어 가르칠 필요성이 요구된다.
이는 동물의 먹이를 생산자인 식물과 연결되어 있다고 인지하는 것을 나타낸다. 또한, 에너지 개념과 영양분, 섭취 개념이 연결된 것으로 보아 동물이 에너지를 스스로 합성하지 못하고 생산자인 식물을 통한 섭취로 얻을 수 있는 종속영양 생물이라는 것을 인지하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 에너지, 영양분, 섭취 개념 간 연결의 강도는 강하지 않고, 에너지 개념이 태양, 동물과도 연결된 것으로 보아 식물의 에너지를 얻는 방법과 혼동하여 동물 역시도 태양을 이용하여 에너지를 얻는다고 제시한 학생들도 존재함을 확인할 수 있다.
전기밥솥, 형광등, 다리미, 선풍기의 순으로 많은 학생들이 인지하고 있었다. 반면 미끄럼틀과 물레방아, 건전지, 불에 타는 장작은 오답률이 높게 나타났다. 미끄럼틀과 물레방아의 경우에는 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되는 현상이지만 에너지의 형태 중, 위치 에너지를 인지하는 학생이 적기 때문에 오답률이 높은 것으로 생각된다.
식물과 동물이 에너지를 얻는 방법과 관련된 언어네트워크 분석 결과를 보면, 식물의 경우 태양의 아이겐벡터 중심성이 가장 높았으며 동물의 경우 먹이의 아이겐벡터 중심성이 가장 높아 독립영양생물과 종속영양생물에 대한 기초적인 개념은 인식하고 있는 것으로 보인다. 그러나 물과 영양분, 토양과 영양분, 에너지와 태양과 동물이 높은 연결을 나타내는 등의 오개념이 드러났으며 이산화탄소와 잎과의 연결은 나타나지 않는 등의 개념 결손이 나타났다.
활력 에너지 등 일상생활 용어를 사용하거나 힘과 에너지를 혼동하는 등의 사례도 있었다. 에너지 연상개념 및 에너지의 형태 모두 공통으로 일상생활에서의 경험이 과학적 개념 형성에 오류를 야기하는 것으로 관찰되었다. 경험이 누적됨에 따라 선개념은 견고해지며 개념의 변화가 더욱 어려워지는 유연성 상실(loss of plasticity) 효과가 나타나는 것으로 알려져 있다(Cosgrove & Forret, 1992).
초등학생들이 일상생활과 자연현상에서 인식하고 있는 에너지의 형태별 빈도를 분석한 결과는 Table 2와 같다. 전체 초등학생들이 인식한 에너지의 형태는 318개로 한 학생이 평균적으로 인식하고 있는 에너지의 형태는 3.46개임을 확인할 수 있었다. 2009 개정 교육과정에는 초등교육과정에서 에너지에 대한 별도의 단원은 존재하지 않지만, 일상생활의 예시를 통해 에너지의 형태로 열, 전기, 빛, 탄성, 운동, 위치 에너지를 제시하고 있다.
초등학생들이 에너지를 생각할 때 연상되는 개념을 조사한 결과, 전기가 가장 높은 빈도로 나타났으며 그 외에 건전지, 수력발전소, 풍력발전소, 태양열에너지 등 전기와 관련된 개념이 다수 나타났다. 또한, 선풍기나 에어컨과 같은 가전제품도 빈번하게 언급되었다.
초등학생들이 제시한 핵심적인 개념을 확인하기 위하여 아이겐벡터 중심성이 높은 개념들을 선정하였다. 학생들이 생각하는 식물이 에너지를 얻는 방법에서 제시한 개념은 총 32개인데 반해 동물이 에너지를 얻는 방법에서는 총 44개의 개념이 제시되었다. 이는 식물이 에너지를 얻는 방법에 비해 더 많은 수로 학생들이 식물보다 동물에 대해 더욱 익숙하고 좋아하는 경향이 있기 때문으로 생각된다(Kim, 2016).
후속연구
개념 클라우드 분석은 학생들이 인지하고 있는 개념의 빈도수를 가시적으로 나타내는 분석기법으로 학생들의 에너지에 대한 인식을 한눈에 확인하기 용이하며, 언어네트워크 분석법은 개념을 점(node)으로 그들 간의 관계를 선(link)로 나타내어 이를 네트워크로 나타냄으로써 개념의 복잡한 연결 관계를 효과적으로 파악하도록 해준다. 이 연구는 학생들이 가지고 있는 에너지 개념에 대한 인식의 구조를 시각화한다는 점에서 선행연구를 효과적으로 보완할 수 있을 것이다.
학생들이 화학에너지를 인식하지 못한 것은 2009 개정 교육과정에서는 화학에너지를 직접적으로 제시하지 않기 때문일 것이다. 학생들이 실생활에서 활용하는 화학에너지의 예시를 풍부하게 인식하고 있으므로 이를 포괄하는 화학에너지 개념을 도입함으로써 상위적 학습이 이루어질 수 있을 것으로 보인다. 그 밖에도 불(7), 활력(2), 활동(2) 등과 같은 일상생활의 용어들이 에너지의 형태로 제시되고 있었다.
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