[논문]단계별 질문 중심의 단원 설계가 초등학생의 '계절의 변화' 개념 이해에 미치는 효과

노자헌; 손준호; 정지현; 송진여; 김종희

doi:10.15523/jksese.2019.12.2.151

[국내논문] 단계별 질문 중심의 단원 설계가 초등학생의 '계절의 변화' 개념 이해에 미치는 효과
The Effects of Step-by-Step Question-Based Unit Design on Elementary School Students' Understanding of 'Seasonal Change' Concept 원문보기

대한지구과학교육학회지 = Journal of the Korean society of earth science education, v.12 no.2, 2019년, pp.151 - 164

노자헌 (전남대학교) , 손준호 (문산초등학교) , 정지현 (성덕초등학교) , 송진여 (신창초등학교) , 김종희 (전남대학교)

초록
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이 연구의 목적은 단계별 질문을 활용해 '계절의 변화' 단원을 재구성함으로써 학생들의 오개념 변화에 어떠한 효과가 있는지 확인해 보고자 한 것이다. 대부분의 학생들은 계절 변화의 원인을 설명하는데 자신의 경험을 바탕으로 하여 선개념을 구성하고 있었다. 그래서 개발한 수업에서는 학생들이 갖고 있는 선개념 중 오개념을 조사하고 이에 대한 지도 계획을 '개념 변화를 위한 수업 설계 요소'로 명시하여 핵심 교수 학습 내용이 되도록 단원을 재구성하였다. 연구 결과, 실험 집단의 24명 학생들을 대상으로 과학 개념 검사를 실시하여 통계적으로 유의미한 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 질적 분석을 실시한 결과, 계절 변화를 설명할 때 활성화한 개념적 자원의 수와 계절 변화를 설명하는 구체성의 정도가 비교 집단에 비해 높음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to find out the effects of reconstructing unit 'Seasonal Change' using step-by-step questioning for concepts changes to adjusting misconceptions of elementary school students. Most students have pre-conceptions at describing seasonal changes based on their experiences. Therefore, in newly developed unit, we reconstructed unit to include core teaching and learning contents by finding out common pre-conceptions of students and specifying purpose of teaching at misconceptions found in pre-conceptions as 'constituent of class for conceptual change'. After the scientific concept test, the result of 24 students in experimental group is statistically significant. Also, according to the result of qualitative analysis, the number of activated conceptional resources and degree of specificity in explaining seasonal changes are higher than that of control group.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Procedure of the study
그림 Fig. 2. The questionnaire of scientific concepts examination related to seasonal change
그림 Fig. 3. Students’ worksheet for conceptual change of distance theory in seasonal change
표 Table 1. Step-by-step questions for unit design
표 Table 2. Results of the pre and post-test of conceptual achievement
표 Table 3. Analysis of students’ narrative responses to question 10
그림 Fig. 4. Differences in explanation using linguistic explanations and pictures
그림 Fig. 5. One of the examples of incomplete concept-based answer

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 계절 변화의 원인을 묻는 문항은 선행 연구를 참고하여 학생들이 계절 변화를 설명할 때 이용하는 개념(주요 오개념 포함) 12개를 제시하고 이를 활용해 계절 변화의 원인이라고 생각하는 개념을 선택하는 단답형 1문항, 계절 변화의 원인을 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 1문항으로 구성하였다. 개념을 선택하는 문항은 학생들이 암기하여 응답할 수 있으므로 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 문항을 추가하여 학생들의 계절 변화에 대한 종합적인 이해 정도를 파악하고자 하였다. 과학 개념 검사의 선택형, 단답형 문항은 정답일 경우 1점, 오답일 경우 0점을 부여하였고, 서술형 문항은 정답과 부분 정답을 인정하여, 결과적으로 검사의 만점은 14점으로 하였다.
이 연구의 목적은 개념 변화를 강조한 단계별 질문을 활용해 ‘계절의 변화’ 단원 수업을 재구성함으로써 초등학생들의 계절 변화와 관련된 개념 변화에 어떠한 효과가 있는지 확인해 보고자 한 것이다.
이에 본 연구에서는 초등학교에서 오개념이 많이 있는 천문영역 중 하나인 ‘계절의 변화’ 단원을 개념 변화에 초점을 둔 단계별 질문을 활용해 교수 내용 지식을 체계화하고 재구성하여 수업에 적용해 봄으로써 학생들의 계절 변화 개념에 어떠한 영향을 주는지 확인하고자 한다.

제안 방법

‘태양과 지구 사이의 거리가 계절 변화에 미치는 영향’이라는 주제로 1차시의 수업을 추가로 진행한 후, 학생들의 거리 이론에 대한 오개념이 어떻게 변화되었는지 분석하였다.
이 연구는 G광역시에 소재한 S초등학교 6학년 2개 반 48명을 연구 대상으로 하였는데, 개념 변화를 강조한 단계별 질문 중심의 단원 수업 설계를 적용해 수업한 실험 집단(n=24)과 교과서와 지도서의 내용으로 수업을 진행한 비교 집단(n=24)으로 구분하였다. 2개 반 모두 연구자가 직접 수업을 하였는데, Vockell과 Asher(1995)가 제시한 연구 집단에 속한 연구자가 직접 수업을 진행했을 때 발생 가능한 질적 연구의 일반적인 한계와 문제점을 보완하기 위하여 실험 집단은 부록 2와 같이 매 차시 수업안을 작성하였다. 그리고 비교 집단은 지도서에서 제시한 수업 예시를 기준으로 매 차시 수업안을 작성하여 세미나에서 검토를 받은 뒤 수업을 진행하였다.
검사지는 해당 학교에서 실시한 과학 학업성취도 평가지와 연구진이 개발한 과학 개념 검사지를 사용하였다. 사전 검사는 과학 학업성취도 평가와 과학 개념 검사를 통해 두 집단의 동질성 여부를 통계적으로 확인했으며, 사후 검사는 과학 개념 검사를 활용해 학생들이 기술한 계절 변화의 원인과 관련한 과학 개념을 심층적으로 분석하여 유형화하였다.
검사지에서 제시된 내용 중 ‘지구 자전축 경사, 지구의 공전, 태양의 남중 고도 변화, 낮의 길이 변화’를 사용해 활성화한 것을 개념적 자원 수로 분석하였고, 계절 변화 원인의 설명은 계절 변화가 일어나는 과정의 구체성 정도를 기준으로 분석하였다.
이 연구에서 사용한 과학 개념 검사는 기존에 많은 연구(유연준과 오필석, 2016; 장명덕 외, 2001; 채동현 1992, 1998; 채동현 외, 2003)에서 사용했던 검사 도구를 수정 및 보완하여 사용하였다. 과학 개념 검사지는 총 10문항으로, 계절 변화와 관련된 주요 개념(선택형 4문항, 단답형 2문항, 서술형 2문항)과 계절 변화의 원인(2문항)을 물어보는 문항으로 구성하였다(Fig. 2). 특히, 계절 변화의 원인을 묻는 문항은 선행 연구를 참고하여 학생들이 계절 변화를 설명할 때 이용하는 개념(주요 오개념 포함) 12개를 제시하고 이를 활용해 계절 변화의 원인이라고 생각하는 개념을 선택하는 단답형 1문항, 계절 변화의 원인을 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 1문항으로 구성하였다.
과학 개념 검사지의 10번 문항은 질적인 기법을 이용하여 추가로 분석하였다. 이것은 학생들의 개념 변화 정도를 개념적 자원(conceptual resources)의 활성화(오필석, 2015)라는 관점으로 분석한 것인데, 이는 사람들의 '개념'은 그보다 더 작은 단위의 개념적 자원들로 구성되어 큰 규모의 인지적 구인인 '개념'을 형성한다고 보는 Hammer 외(2005)의 관점과 같다.
그래서 이 학생의 경우는 심층 면담을 통해 이해 정도를 확인한 후, 최종적으로 ‘완전한 개념’ 범주로 분류하였다.
먼저 수업을 재구성하기 위해 여러 문헌과 선행 연구를 분석하고 반영할 시사점을 정리하였다. 그리고 CoRe에서 제시한 8개 질문을 이 연구의 과학 수업에 맞게 순서와 내용을 고려해 7개 질문으로 재구성하였다. 재구성한 단계별 질문에 따라 개념 변화에 초점을 두고 수업 주제와 내용을 표상화하였고, 이 자료를 바탕으로 교수·학습 지도안과 활동지, 평가계획이 포함된 수업 계획 초안을 작성하였다.
2개 반 모두 연구자가 직접 수업을 하였는데, Vockell과 Asher(1995)가 제시한 연구 집단에 속한 연구자가 직접 수업을 진행했을 때 발생 가능한 질적 연구의 일반적인 한계와 문제점을 보완하기 위하여 실험 집단은 부록 2와 같이 매 차시 수업안을 작성하였다. 그리고 비교 집단은 지도서에서 제시한 수업 예시를 기준으로 매 차시 수업안을 작성하여 세미나에서 검토를 받은 뒤 수업을 진행하였다. 연구수행 기간은 2018년 10월 다섯째 주부터 12월 첫째 주까지 6주 동안이었으며, 총 10차시의 수업을 진행하였다.
또한 계절 변화에 대한 주요 오개념인 ‘거리 이론’을 수정하기 위해 학습 자료를 개발하여 수업을 한 후, 그 효과를 분석하였다.
또한, 학생들이 많이 갖고 있는 오개념 중 하나인 거리 이론과 관련해서 그들의 개념이 어떻게 변화되었는지를 확인해 보고자 ‘태양과 지구 사이의 거리가 계절 변화에 미치는 영향’과 관련된 1차시 수업을 실험 집단을 대상으로 추가적으로 진행한 후, 사후 검사와 심층 면담을 한번 더 실시하였다.
먼저 수업을 재구성하기 위해 여러 문헌과 선행 연구를 분석하고 반영할 시사점을 정리하였다. 그리고 CoRe에서 제시한 8개 질문을 이 연구의 과학 수업에 맞게 순서와 내용을 고려해 7개 질문으로 재구성하였다.
모든 과정은 과학교육 전문가 1명, 지구과학교육 박사 2명, 지구과학교육 박사과정 2명이 함께 진행하였고 매주 1회 이상(3시간) 약 7개월의 세미나를 통해 수정·보완하였다.
수집된 자료는 양적, 질적인 기법을 활용해 분석함으로써 수업의 효과를 다각적으로 분석하였다. 과학 개념 검사지는 채점자 간 신뢰도를 높이기 위해 사전에 각 문항별 채점 기준을 합의하였고, 집단별 사전·사후 검사 평균은 유의수준 .
그리고 비교 집단은 지도서에서 제시한 수업 예시를 기준으로 매 차시 수업안을 작성하여 세미나에서 검토를 받은 뒤 수업을 진행하였다. 연구수행 기간은 2018년 10월 다섯째 주부터 12월 첫째 주까지 6주 동안이었으며, 총 10차시의 수업을 진행하였다.
5cm 차이에 불과하다. 이 수업을 통해 학생들은 각도에 따른 빛 에너지양의 차이가 거리에 따른 빛 에너지양의 차이보다 크다는 것을 학습하고, 계절 변화에 더 큰 영향을 미치는 것은 태양의 남중 고도 차이라는 것을 학습할 수 있도록 구성하였다.
이 연구에서 사용한 과학 개념 검사는 기존에 많은 연구(유연준과 오필석, 2016; 장명덕 외, 2001; 채동현 1992, 1998; 채동현 외, 2003)에서 사용했던 검사 도구를 수정 및 보완하여 사용하였다. 과학 개념 검사지는 총 10문항으로, 계절 변화와 관련된 주요 개념(선택형 4문항, 단답형 2문항, 서술형 2문항)과 계절 변화의 원인(2문항)을 물어보는 문항으로 구성하였다(Fig.
이 연구에서 활용한 단계별 질문은 Loughran 외(2004, 2006)가 개발한 CoRe의 8개 문항을 참고하되, 중복된 내용이나 순서적 흐름을 고려해서 박태호 외(2017)가 제안한 PCK 펜타곤 모형(교과 수업에 대한 지향, 교과 평가, 교과 수업 전략과 표상, 학생의 교과 이해도, 교과 교육과정)의 요소를 반영해 Table 1과 같이 7개의 문항으로 수정 및 보완하였다. 원래 제시된 8개의 문항 중 ‘이 아이디어를 가르치는 것에 영향을 주는 학생들의 생각은 무엇인가?’와 ‘이 개념을 가르치는 데 영향을 주는 학생들의 생각은 무엇인가?’는 과학 교육 관점에서 바라보면 선개념 중 오개념과 관련이 있기에 별도로 구분 지어 생각하기 보다는 통합하는 것이 바람직하다고 생각하였다.
특히 부록 2에서 예시로 제시한 수업 지도안은 학생들이 갖고 있는 오개념을 확인함으로써 PCK의 핵심 요소인 ‘맥락 지식’을 활성화하고 학생의 수준에 맞는 '교수 변환'을 통해 그들의 개념 변화를 위한 구체적인 지도 전략을 반영한 것이 특징이다. 이 외에도 실험 집단을 대상으로 수학 교과에서 배운 비와 비율을 이용하여 태양과 지구 사이의 거리를 cm 단위로 바꿔보고, 거리와 고도에 따라 달라지는 빛의 세기를 측정하여 거리와 고도 중 빛의 세기 차이가 더 큰 것이 무엇인지 확인하는 수업 계획과 지도안도 작성하였다.
재구성한 단계별 질문에 따라 개념 변화에 초점을 두고 수업 주제와 내용을 표상화하였고, 이 자료를 바탕으로 교수·학습 지도안과 활동지, 평가계획이 포함된 수업 계획 초안을 작성하였다.
2). 특히, 계절 변화의 원인을 묻는 문항은 선행 연구를 참고하여 학생들이 계절 변화를 설명할 때 이용하는 개념(주요 오개념 포함) 12개를 제시하고 이를 활용해 계절 변화의 원인이라고 생각하는 개념을 선택하는 단답형 1문항, 계절 변화의 원인을 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 1문항으로 구성하였다. 개념을 선택하는 문항은 학생들이 암기하여 응답할 수 있으므로 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 문항을 추가하여 학생들의 계절 변화에 대한 종합적인 이해 정도를 파악하고자 하였다.
학생들의 응답 중 개념적 자원을 활성화했으나, 계절 변화의 인과 관계가 구체적이지 않거나 단순히 개념적 자원만 나열한 경우는 ‘불완전한 개념’ 범주로 판단하고 분류하였다.

대상 데이터

이 연구는 G광역시에 소재한 S초등학교 6학년 2개 반 48명을 연구 대상으로 하였는데, 개념 변화를 강조한 단계별 질문 중심의 단원 수업 설계를 적용해 수업한 실험 집단(n=24)과 교과서와 지도서의 내용으로 수업을 진행한 비교 집단(n=24)으로 구분하였다. 2개 반 모두 연구자가 직접 수업을 하였는데, Vockell과 Asher(1995)가 제시한 연구 집단에 속한 연구자가 직접 수업을 진행했을 때 발생 가능한 질적 연구의 일반적인 한계와 문제점을 보완하기 위하여 실험 집단은 부록 2와 같이 매 차시 수업안을 작성하였다.

데이터처리

과학 개념 검사지는 채점자 간 신뢰도를 높이기 위해 사전에 각 문항별 채점 기준을 합의하였고, 집단별 사전·사후 검사 평균은 유의수준 .05에서 t-검증으로 비교하였다.

성능/효과

개념을 선택하는 문항은 학생들이 암기하여 응답할 수 있으므로 글과 그림을 이용하여 설명하는 서술형 문항을 추가하여 학생들의 계절 변화에 대한 종합적인 이해 정도를 파악하고자 하였다. 과학 개념 검사의 선택형, 단답형 문항은 정답일 경우 1점, 오답일 경우 0점을 부여하였고, 서술형 문항은 정답과 부분 정답을 인정하여, 결과적으로 검사의 만점은 14점으로 하였다.
둘째, ‘계절의 변화’ 단원 수업을 진행한 후 개념적 자원의 활성화 정도를 분석한 결과, 실험 집단에서 계절 변화의 원인을 설명하기 위해 활성화한 개념적 자원의 수가 비교 집단에 비해 많았으며 계절 변화가 일어나는 과정에 대한 설명도 비교 집단에 비해 더 구체적이고 다양하였다.
둘째, 계절 변화에 대한 과학 개념을 갖고 있으면서 태양과 지구 사이의 거리가 계절 변화에 주된 원인이 아님을 이해하고 있는 학생이 2명이었다. 이 학생들은 아래와 같이 처음에는 계절 변화의 원인이 태양과 지구 사이의 거리가 아니라는 생각을 하고 있었고, 거리에 따른 빛의 세기를 측정하는 학습 활동을 통해 계절 변화의 원인을 자세히 설명하게 됨을 알 수 있었다.
따라서 개념 변화를 강조한 단계별 질문을 활용해 ‘계절의 변화’ 단원을 설계한 수업은 비교 집단의 교과서와 지도서의 내용으로 진행한 수업보다 학생들의 계절 변화에 대한 개념 변화에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있었다.
원래 제시된 8개의 문항 중 ‘이 아이디어를 가르치는 것에 영향을 주는 학생들의 생각은 무엇인가?’와 ‘이 개념을 가르치는 데 영향을 주는 학생들의 생각은 무엇인가?’는 과학 교육 관점에서 바라보면 선개념 중 오개념과 관련이 있기에 별도로 구분 지어 생각하기 보다는 통합하는 것이 바람직하다고 생각하였다. 또한 제시된 문항을 단원 수업 설계의 사고 과정에 맞추어 순서를 정하는 것이 과학 교과처럼 개념의 위계를 중요하게 생각하는 교과에게는 더 효과적일 것으로 생각하였다.
셋째, ‘태양과 지구 사이의 거리가 계절 변화에 미치는 영향’이라는 주제의 수업은 학생들의 계절 변화 원인에 대한 심화적인 이해에 도움을 줄 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험 집단과 비교 집단의 동질성 확인을 위해 과학 개념 검사지를 이용하여 t-검증을 실시한 결과, 통계적 유의수준 .05에서 두 집단은 동질 집단이었다(Table 2). 과학 개념 사후 검사 결과, t값은 6.
연구 결과, 완전한 개념 범주에 속하는 학생은 실험 집단이 12명, 비교 집단이 8명 있었으며, 학생들 응답 중에는 ‘지구 자전축이 기울어져서 공전하므로 계절별 남중 고도와 낮의 길이가 변한다.
둘째, ‘계절의 변화’ 단원 수업을 진행한 후 개념적 자원의 활성화 정도를 분석한 결과, 실험 집단에서 계절 변화의 원인을 설명하기 위해 활성화한 개념적 자원의 수가 비교 집단에 비해 많았으며 계절 변화가 일어나는 과정에 대한 설명도 비교 집단에 비해 더 구체적이고 다양하였다. 이는 실험 집단이 계절 변화를 설명하는데 활성화한 개념적 자원의 수와 완전한 개념 범주에 속하는 학생수가 비교 집단에 비해 높았다는 결과를 통해 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 CoRe에 기반한 과학 수업이 학생들의 과학 개념 형성에 유의미한 효과가 있다는 선행 연구의 결과와도 같다(김은영, 2010; 박성미 외, 2013; 정유정 외, 2015).
첫째, 개념 변화를 강조한 단계별 질문을 바탕으로 ‘계절의 변화’ 단원을 재구성하고 수업을 통해 과학 개념을 확인한 결과, 과학 개념 검사 점수의 평균이 비교 집단에 비해 실험 집단에서 통계적으로 유의미하게 높은 결과가 나타났다.

후속연구

그러므로 과학 교사가 계절 변화와 같은 천문 영역을 지도할 때 PCK를 활용하여 학생들의 다양한 선개념을 조사하고 분석한 '맥락 지식'을 바탕으로 오개념을 과학 개념으로 바꾸어 줄 수 있도록 최적화된 ‘교수 변환’을 설계함으로써 수업 전문성 신장을 위해 최선의 노력을 해야 할 것이다.
둘째, 계절 변화의 원인에 대한 학생의 오개념은 거리 이론 외에도 많으므로 각 유형에 맞는 교수·학습 방법을 개발하여 과학 개념을 형성할 수 있도록 도움을 주는 후속 연구가 필요하다.
첫째, 이 연구는 계절의 변화 단원에 한정하여 이루어졌으므로, 다양한 학년과 단원에서 단계별 질문을 활용한 과학 수업 설계와 수업 연구가 필요하다. 왜냐하면 단계별 질문에 기반을 둔 단원 수업 설계는 학생의 개념 변화를 고민하는 교사의 수업 전문성 신장에 도움이 되는 좋은 방법이기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PCK의 핵심 요소는 ?	PCK의 핵심 요소는 학생들이 수업 주제와 내용에 대해 갖고 있는 다양한 개념을 파악하는 ‘맥락 지식’과 학생들의 다양한 개념들을 학생의 수준에 맞게 변환하여 가르치는 ‘교수 변환’으로 나누어 설명할 수 있다(박태호 외, 2017). 일반적으로 학습자는 일상생활에서의 다양한 경험을 통해 자연현상에 대한 자신들만의 개념을 형성하고 이를 바탕으로 다른 개념들을 해석하고 이해하려는 경향이 있다.
	PCK는 과학교육에서 어떻게 제시되는가 ?	하지만 가르친다는 것의 의미가 주어진 주제와 내용을 학생들에게 효과적으로 전달하기 위해 교과 내용에 맞는 교수 방법을 계획해야 하는 복잡하고도 비구조화된 인지 활동(Shulman, 1987)이라고 여기면서부터 가르침의 주체인 교사의 수업 전문성을 점차 강조하기 시작했다. 이에 Shulman(1987)은 교사의 수업 전문성과 직결되는 요소들을 교수 내용 지식(Pedagogical Content Knowledge; PCK)이라고 명명하였는데, 특히 과학교육에서 PCK는 과학자와 과학교사를 구분하는 기준이면서 동시에 과학 교직의 전문성을 나타내는 중요한 지표가 된다고 주장하였다. 이처럼 과학 교사의 PCK에 대한 올바른 이해는 수업 전문성 신장을 위한 또 하나의 방법으로 주목받게 되었다(Magnusson et al.
	PCK 사례에서 관찰하는것이 어려운 이유는 ?	그런데 과학 교사의 주제-특이적 PCK 사례를 조사한 연구(이기영 외, 2014)와 지구 공전 개념에 대한 주제-특이적 PCK 발달 과정을 탐색한 연구(이기영 외, 2016; 이정아 외, 2017)에서는 교사의 PCK를 관찰하는 것이 어려움을 언급하였다. 이처럼 교사의 PCK를 직접 관찰하는 것이 어려운 이유는 교사가 갖고 있는 다양한 지식들은 상호작용하면서 통합하고 변형된 후, 최종적으로 복합적이면서도 암묵적으로 나타나기 때문이다. 그래서 Loughran 외(2004, 2006)가 개발한 CoRe는 특정 주제나 내용을 학생들에게 가르치기 위한 준비 과정과 관련된 8개 문항에 서술적으로 기술함으로써 교사의 교수 내용 지식을 체계화하고 교사의 PCK를 관찰할 수 있도록 돕는 역할을 한다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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