현직 및 예비 지구과학교사의 '별의 진화'에 대한 개념 이해 분석 Analysis of the Conceptual Understanding of In-service and Pre-service Earth Science Teachers about 'Stellar Evolution'원문보기
본 연구는 현직 및 예비 지구과학교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해 상태를 알아보기 위해 개념 지위 분석틀을 활용하여 수행하였다. 이해 가능성 영역에서 현직교사의 비과학적 용어 사용이 다수 발견되었고, 그래프작성에서 낮은 과학적 탐구 능력과 개념에 대한 비과학적 비유가 발견되어 교수 과정에서 잘못된 개념 전달의 가능성이 확인되었다. 예비교사는 중등교육과정 연계 문항에서 다수의 오류를 보였으며, 이와 관련하여 학교 현장에 적용이 더 잘 될 수 있도록 예비교사 교육 과정의 개선이 필요하겠다. 개연성 영역에서, 두 집단 모두 별의 진화가 갖는 우주론적 의미를 이해하고 있었으나, 예비교사의 별의 실제기작에 대한 설명이 구체적이지 않았다. 유용성 영역에서, 현직교사는 지구과학의 학문적 특성을 반영한 교육적 고민을 하고 있었고, 지식을 현실 문제해결에 활용, 적용하려는 경향이 높았다. 반면, 예비교사는 높은 무응답률을 보여 H-R도와 별의 진화를 실용적 개념으로 파악하지 않는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 두 집단 모두에서 H-R도와 별의 진화에 대한 비과학적 개념이 다수 발견되어 교사 교육 및 교수 학습 계획 수립 시 주의가 필요함을 확인할 수 있었다.
본 연구는 현직 및 예비 지구과학교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해 상태를 알아보기 위해 개념 지위 분석틀을 활용하여 수행하였다. 이해 가능성 영역에서 현직교사의 비과학적 용어 사용이 다수 발견되었고, 그래프작성에서 낮은 과학적 탐구 능력과 개념에 대한 비과학적 비유가 발견되어 교수 과정에서 잘못된 개념 전달의 가능성이 확인되었다. 예비교사는 중등교육과정 연계 문항에서 다수의 오류를 보였으며, 이와 관련하여 학교 현장에 적용이 더 잘 될 수 있도록 예비교사 교육 과정의 개선이 필요하겠다. 개연성 영역에서, 두 집단 모두 별의 진화가 갖는 우주론적 의미를 이해하고 있었으나, 예비교사의 별의 실제기작에 대한 설명이 구체적이지 않았다. 유용성 영역에서, 현직교사는 지구과학의 학문적 특성을 반영한 교육적 고민을 하고 있었고, 지식을 현실 문제해결에 활용, 적용하려는 경향이 높았다. 반면, 예비교사는 높은 무응답률을 보여 H-R도와 별의 진화를 실용적 개념으로 파악하지 않는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 두 집단 모두에서 H-R도와 별의 진화에 대한 비과학적 개념이 다수 발견되어 교사 교육 및 교수 학습 계획 수립 시 주의가 필요함을 확인할 수 있었다.
This study analyzes the conceptual understanding of in-service and pre-service earth science teachers about the H-R diagrams and evolution of stars using conceptual status analysis categories. The results show that (a) many teachers use unscientific language in the Intelligibility range, (b) teacher...
This study analyzes the conceptual understanding of in-service and pre-service earth science teachers about the H-R diagrams and evolution of stars using conceptual status analysis categories. The results show that (a) many teachers use unscientific language in the Intelligibility range, (b) teachers are categorized in Low scientific inquiry ability related to graph creation and unscientific analogy for scientific concept which is hightly corelated to the possibility of misunderstanding in the teaching process, and (c) pre-service teachers lack the understanding of the secondary science curriculum. It is necessary to develop pre-service curriculum that can be applied to the school site. In the category of Plausibility range, (d) both groups understood the cosmological meaning of stellar evolution. However, pre-service teachers do not specifically explain the mechanism of a star. In the category of Fruitfulness range, in-service teachers come up with educational problems reflecting the academic characteristics of earth science and apply their knowledge to actual problem solving. On the other hand, pre-service teachers show high nonresponse ratio, they do not see the H-R diagram and the evolution of stars as a practical concept. In the analysis process, both groups are found to have many unscientific conceptions about the H-R diagram and evolution of stars. Therefore, it is suggested that caution be used in developing a professional development program of earth science teachers.
This study analyzes the conceptual understanding of in-service and pre-service earth science teachers about the H-R diagrams and evolution of stars using conceptual status analysis categories. The results show that (a) many teachers use unscientific language in the Intelligibility range, (b) teachers are categorized in Low scientific inquiry ability related to graph creation and unscientific analogy for scientific concept which is hightly corelated to the possibility of misunderstanding in the teaching process, and (c) pre-service teachers lack the understanding of the secondary science curriculum. It is necessary to develop pre-service curriculum that can be applied to the school site. In the category of Plausibility range, (d) both groups understood the cosmological meaning of stellar evolution. However, pre-service teachers do not specifically explain the mechanism of a star. In the category of Fruitfulness range, in-service teachers come up with educational problems reflecting the academic characteristics of earth science and apply their knowledge to actual problem solving. On the other hand, pre-service teachers show high nonresponse ratio, they do not see the H-R diagram and the evolution of stars as a practical concept. In the analysis process, both groups are found to have many unscientific conceptions about the H-R diagram and evolution of stars. Therefore, it is suggested that caution be used in developing a professional development program of earth science teachers.
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문제 정의
본 연구에서는 현직 및 예비교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해의 특징은 무엇인지 그리고, 두 집단에서 발견된 비과학적 개념은 무엇인지를 확인하고자, Hewson과 Lemberger(2000)의 개념지위 분석 목록을 활용하여 별이 진화에 관련한 지구과학I 교육과정의 핵심 개념을 바탕으로 지구과학교사를 대상으로 한 문항을 제작하고, 문항 별 답변과 하위 개념 지위 요소를 연계하여 관련 개념 이해에 대한 결과 분석을 수행하였다. 결과 분석 과정에서 발견된, 과학적이지 않은 개념을 ‘비과학적 개념(Unscientific Conception)으로 나타내었다.
결과 분석 과정에서 발견된, 과학적이지 않은 개념을 ‘비과학적 개념(Unscientific Conception)으로 나타내었다. 이를 통해 H-R도와 별의 진화에 대한 교사들의 개념 이해를 확인하고, 과학적 교수학습 계획 수립을 위한 정보와 교사 교육 및 천문 교육의 제안점을 찾고자 한다.
제안 방법
문항 제작을 위해 개념지위 하위요소를 활용하여 2015개정교육과정을 바탕으로 11개 문항을 개발했다. 2차례 전문가타당도 검사를 거쳐 타당도를 확보했다. 현직교사 7명, 예비교사 10명을 대상으로 결과를 분석한 결론은 다음과 같다.
연구에서는 2015개정교육과정 지구과학1의 H-R도와 별의 진화 영역에 대한 성취기준 및 탐구 활동 등의 해설을 바탕으로 문항지를 개발했다. H-R도, 별의 진화 과정, 별의 내부구조와 에너지원의 3가지 개념영역을 설정한 후, 세부내용을 추출하여 하위 문항을 포함하는, 총 11개의 문항을 개발하였다. 이때 개념지위 하위 요소는 Table 1을 활용하였다.
이때 개념지위 하위 요소는 Table 1을 활용하였다. 개념영역 별로 개발된 문항 각각에 해당되는 개념지위 하위 요소를 선정하고, 하위 요소 개수에 따라 점수화하였다.
하위 요소별 총 분석 기준수에 대해 연구 대상자 집단의 답변 중 과학적으로 판단된 답변 수의 비율, 즉 백분율 점수로 결과를 산출했다. 또한, 모든 답변을 질적 분석하여 연구 대상자들이 갖는 비과학적 개념 목록을 만들었다. 이 과정은 K대 지구과학교육과 천문분야 대학원생 5명과 함께 협의하여 진행하였다.
교사별로 회신까지 1주일 이내인 경우와 최대 4주까지 소요된 경우도 있었다. 또한, 회신 후 답변에 대한 추가 질의응답을 1차례 시행했다. 예비교사는 특정 시간에 일괄 배부한 설문지를 1일 후 회수하였다.
연구는 개념지위 분석틀을 활용하여 현직 및 예비교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해를 확인하였다. 문항 제작을 위해 개념지위 하위요소를 활용하여 2015개정교육과정을 바탕으로 11개 문항을 개발했다. 2차례 전문가타당도 검사를 거쳐 타당도를 확보했다.
연구는 개념지위 분석틀을 활용하여 현직 및 예비교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해를 확인하였다. 문항 제작을 위해 개념지위 하위요소를 활용하여 2015개정교육과정을 바탕으로 11개 문항을 개발했다.
연구에서는 2015개정교육과정 지구과학1의 H-R도와 별의 진화 영역에 대한 성취기준 및 탐구 활동 등의 해설을 바탕으로 문항지를 개발했다. H-R도, 별의 진화 과정, 별의 내부구조와 에너지원의 3가지 개념영역을 설정한 후, 세부내용을 추출하여 하위 문항을 포함하는, 총 11개의 문항을 개발하였다.
예비검사는 총 2차례 이루어졌다. 검사 대상은 1차 타당도 검사 후 현직교사 1명, 2차 타당도 검사 후 지구과학교육 전공 박사과정 2명이다.
또한, 회신 후 답변에 대한 추가 질의응답을 1차례 시행했다. 예비교사는 특정 시간에 일괄 배부한 설문지를 1일 후 회수하였다.
제공된 문항지는 2015개정교육과정 해설과 성취기준이 첨부되어, 읽어본 후 답변할 수 있도록 제작되었다. 연구 대상 선정 후 현직교사는 이메일로 문항지를 발송하여 4주 이내에 결과물을 받았다.
결과 분석은 각 문항의 개념지위 하위 요소별로 과학적 답변의 유무를 판단하여 점수화하였다. 하위 요소별 총 분석 기준수에 대해 연구 대상자 집단의 답변 중 과학적으로 판단된 답변 수의 비율, 즉 백분율 점수로 결과를 산출했다. 또한, 모든 답변을 질적 분석하여 연구 대상자들이 갖는 비과학적 개념 목록을 만들었다.
행성상 성운(이하 PN)과 초신성 잔해(이하 SNR)의 명확한 비교를 나타낸 문항을 통해 두 대립개념에 대한 비과학적 개념을 다수 확인하였다. SNR의 중심별이 철보다 무거운 원소만을 형성함, PN 중심별이 철 원소까지 형성할 수 있음, 두 천체의 형성 원소에 헬륨을 언급하지 않음 등이 있었고, 그밖에 개념에 대한 이해 부족으로 잘못된 표현을 한 사례도 있었다.
대상 데이터
예비검사는 총 2차례 이루어졌다. 검사 대상은 1차 타당도 검사 후 현직교사 1명, 2차 타당도 검사 후 지구과학교육 전공 박사과정 2명이다. Table 3은 최종 개발 문항과 결과 분석 기준수(ACS)를 나타낸 것이다.
연구 대상으로 현직 지구과학교사 7명과 예비 지구과학교사 10명을 선정하였다. 현직교사의 프로필은 Table 2와 같다.
예비교사는 K대학교 지구과학교육과 3학년 과정에 재학 중인 10명의 대학생이다. 이들은 모두 고등학교 재학 중에 융합과학, 또는 지구과학2 과목에서 H-R도와 별의 진화를 학습한 경험이 있었고, 학부 2학년 1학기에 천문학을 수강하여 연구 주제에 대한 기초 수준의 학습 경험이 있었다.
데이터처리
결과 분석은 각 문항의 개념지위 하위 요소별로 과학적 답변의 유무를 판단하여 점수화하였다. 하위 요소별 총 분석 기준수에 대해 연구 대상자 집단의 답변 중 과학적으로 판단된 답변 수의 비율, 즉 백분율 점수로 결과를 산출했다.
성능/효과
Fig. 3과 같이 모든 현직교사가 수소핵융합 반응을 “연소”로, 초신성잔해를 “초신성”, “초신성폭발”, “성운” 등 잘못된 용어를 사용하여 예비교사에 비해 비과학적 용어 사용의 빈도가 높았다.
결과 분석 과정에서 발견된, 과학적이지 않은 개념을 ‘비과학적 개념(Unscientific Conception)으로 나타내었다.
인식론은 과학지식, 이론, 생각을 일관되게 표현하는가를 나타내는 것으로, 별의 질량에 따라 진화과정이 달라진다는 지식을 여러 문항에서 사용하는지 확인하였다. 그 결과, 별의 진화과정 영역에 대해 현직, 예비교사 모두 과학적 개념 빈도가 높았다. 특히, 현직교사는 질량에 따른 별의 수명 예측에서 예비교사에 비해 수학, 과학적 풀이과정까지 적용하여 더 높은 개념 이해를 보였다.
넷째, 분석 과정에서 두 집단 모두 H-R도와 별의 진화에 대한 비과학적 개념이 다수 발견되었다. 즉, 현직, 예비교사 모두 해당 주제에 대해 과학적으로 정확한 이해를 못하고 있고, 이는 학습자에게 잘못된 교육이 이루어질 수 있는 중대한 문제이다.
두 대립개념의 비교 과정에서 교사들의 비과학적 개념을 다수 발견하였고, 학습자의 학습 곤란 사항을 확연히 드러낼 수 있어, 이를 활용한 효과적 교육의 가능성을 확인하였다.
두 번째로, 연구 대상자 대부분이 태양 단면의 쌀알무늬에 대한 대류 방향을 과학적으로 표현하였지만 쌀알무늬에 대한 오개념을 가진 현직교사와 태양 표면의 색과 온도사이의 관계를 이해하지 못한 예비교사가 발견되었다(Fig. 2). 특히, 이 현직교사는 식고 있는 팥죽의 울퉁불퉁한 표면이 태양의 쌀알무늬와 같다고 설명하며 온도 차이에 의한 색 차이를 태양 표면의 형태적 차이로 잘못 이해하고 있었다.
둘째, 개연성 영역에서 두 집단 모두가 별의 진화가 갖는 우주론적 의미를 이해하고 있었으나, 예비교사는 별의 실제기작에 대한 설명이 구체적이지 않았다. 또한, 별의 진화를 결정짓는 질량기준, H-R도에서 분광형 변화에 대한 명확한 표현 등을 사용하도록 교육과정에 제시하거나 교사 대상의 연수나 재교육 과정이 필요하겠다.
별 진화에서 질량기준을 초기 별 질량 대신 핵의 질량이나 한계질량을 사용하는 경우가 발견되었다. 또한 별 진화의 차이를 결정짓는 질량 범위 기준이 교육과정 해설서에 나타나지 않고, 교과서와 교재별로 그 기준이 달라 교수의 어려움을 호소하는 현직교사도 있었다.
이들은 자서전, 기찻길 등에 비유하며 H-R도 상에 표시된 다양한 별의 위치를 어느 한 별이 진화해온 경로라는 잘못된 설명을 하였다. 또한, 별의 에너지원에 대해 핵융합반응이라는 중요한 개념을 놓치고, 연료, 식량 등 단순 비유나 용접, 폭죽 등 산화반응과 오해를 유발할 수 있는 비유를 들었다.
셋째, 유용성 영역에서 현직교사들은 지구과학의 학문적 특성을 반영한 교육적 고민을 하고 있었고, 지식을 현실 문제해결에 활용, 적용하려는 경향이 높았다. 반면 예비교사는 높은 무응답률을 보여 H-R도와 별의 진화를 실용적 개념으로 파악하지 못하고 있었다.
Hewson and Lemberger(2000)는 Thorley(1996)의 개념지위 분석 목록을 바탕으로 Table 1로 재구성했다. 이를 활용한 경험적 연구를 통해 학습자가 개념의 구별에 지위를 사용하고, 지위가 선지식의 안정적 평가를 위한 기준 범위를 제공함을 확인하였다. 국내 연구로는 유전에 대한 중등학생들의 개념지위 분석 및 횡단분석 연구(Tsui and Treagust, 2007; Park et al.
첫째, 이해 가능성 영역에서 현직교사의 비과학적 용어 사용이 다수 발견되었고, 그래프 작성과 관련하여 낮은 과학적 탐구 능력과 개념에 대한 비과학적 비유가 발견되어 교수 과정에서 잘못된 개념전달 가능성이 확인되었다. 예비교사는 중등교육과정 연계 문항에서 개념 이해가 낮아 학교 현장에 적용 가능한 예비교사 교육 과정 개발이 요구되었다.
그 결과, 별의 진화과정 영역에 대해 현직, 예비교사 모두 과학적 개념 빈도가 높았다. 특히, 현직교사는 질량에 따른 별의 수명 예측에서 예비교사에 비해 수학, 과학적 풀이과정까지 적용하여 더 높은 개념 이해를 보였다. 또한 일부 예비교사는 Fig.
다만 별의 내부구조 영역에서 에너지 전달 방식을 설명하는데 대부분의 현직, 예비교사가 실제 경험을 들어 설명하였다. 현직교사는 다양한 경험을 들었지만 80%의 예비교사가 물이 끓는 과정의 동일한 경험을 설명하여 예비교사 교육 과정에서 다양한 사고와 경험을 할 수 있는 기회가 필요함을 확인하였다.
후속연구
하지만 제대로 된 학습자 교육을 위한 가장 첫 단추는 교사의 교육 내용에 대한 이해이다. 교사의 이해역량에 대한 현실과 사태를 직시하고, 그 원인을 정확하게 분석하여 문제를 수정, 보완하고 개선해 나가야 하겠다.
다섯째, 위 결론을 바탕으로 교육과정 및 현장 사례 중심의 예비교사 교육과정 개발이 필요하고, 현직교사는 교수과정에서 정확한 용어 사용 및 과학적인 표현을 통해 스스로 수업에 신뢰성을 확립하여야 한다. 또한 교사들이 가질 수 있는 천문 관련 비과학적개념을 바탕으로 교사 연수 등 구체적 노력을 기울여야 하겠다.
다섯째, 위 결론을 바탕으로 교육과정 및 현장 사례 중심의 예비교사 교육과정 개발이 필요하고, 현직교사는 교수과정에서 정확한 용어 사용 및 과학적인 표현을 통해 스스로 수업에 신뢰성을 확립하여야 한다. 또한 교사들이 가질 수 있는 천문 관련 비과학적개념을 바탕으로 교사 연수 등 구체적 노력을 기울여야 하겠다.
본 연구는 문항지에 서술된 답변을 통해 교사의 개념 이해와 비과학적 개념을 확인하였으나 실제 교실 수업 상황에서 교사들의 이해역량이 어떻게 발현되고 표현되는지에 대한 연구를 통해 비과학적 개념에 대한 심층적 분석과 실제 현장에서의 교사의 언어, 비언어적 영향에 대한 연구가 요구된다. 또한 본 연구 결과가 반영된 교수학습 과정을 현장에 적용하여 효과를 확인해보고, 학습자의 H-R도와 별의 진화 개념에 대한 교사의 이해 역량의 중요성을 입증하는 과정이 필요하다.
둘째, 개연성 영역에서 두 집단 모두가 별의 진화가 갖는 우주론적 의미를 이해하고 있었으나, 예비교사는 별의 실제기작에 대한 설명이 구체적이지 않았다. 또한, 별의 진화를 결정짓는 질량기준, H-R도에서 분광형 변화에 대한 명확한 표현 등을 사용하도록 교육과정에 제시하거나 교사 대상의 연수나 재교육 과정이 필요하겠다.
본 연구는 문항지에 서술된 답변을 통해 교사의 개념 이해와 비과학적 개념을 확인하였으나 실제 교실 수업 상황에서 교사들의 이해역량이 어떻게 발현되고 표현되는지에 대한 연구를 통해 비과학적 개념에 대한 심층적 분석과 실제 현장에서의 교사의 언어, 비언어적 영향에 대한 연구가 요구된다. 또한 본 연구 결과가 반영된 교수학습 과정을 현장에 적용하여 효과를 확인해보고, 학습자의 H-R도와 별의 진화 개념에 대한 교사의 이해 역량의 중요성을 입증하는 과정이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Posner et al.(1982)의 개념변화모델에서 개념변화가 일어나기 위해 충족되어야 하는 조건은 무엇인가?
Posner et al.(1982)는 개념변화모델(CCM, Conceptual Change Model)을 설명하며 개념변화가 일어나기 위해 충족되어야하는 4가지 조건(불만족, 이해가능성, 개연성, 유용성)을 제안했다(Syuhendre, 2017). Tholrey (1996)는 이해 가능성(Intelligibility), 개연성(Plausibility), 유용성(Fruitfulness)과 같은 개념변화모델의 핵심개념 을 표현하기 위해 개념의 표상(Representational)의 예를 추출하여 과학교실담화에 활용할 수 있는, 개념적 내용 구조화를 위한 분석 목록을 개발하였다(Thorley and Stofflett, 1996).
H-R도란 무엇인가?
2015개정교육과정 지구과학1의 내 용 요소 중에는 H-R도와 별의 진화가 포함되어 있 다. ‘H-R도’는 별의 광도와 온도 사이의 관계를 그래프로 나타낸 것으로, 천문학자들은 이를 활용하여 별분류 및 크기, 온도, 진화를 이해하고, 거리를 추론할 수 있다(Riddle, 2017). 즉, ‘H-R도’와 ‘별의 진화’는 천문학에서 중요한 주제이다
교수학습의 성패 평가를 위해 교사 대상 연구가 필요한 이유는 무엇인가?
교수학습의 성패를 평가하기 위해서는 교사 대상 연구가 필요하다. 많은 학생들이 교사와의 교수 학습 활동을 통해 개념을 형성하고(Kwak, 2002), 교사가 교과 내용 지식이 부족한 단원을 가르치는 경우 효 과적인 수업은 이루어지지 않기 때문이다(Childs and McNicholl, 2007). 초중등 교사들은 천문 단원에서 지도의 어려움을 인식하고 있었고(Park and Park, 2018; Shin and Lee, 2011), 교사도 학생과 동일한 대안 개념을 갖고 있는 것으로(Song, 2003) 보고된 바 있다.
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