[논문]과학·공학 융합 수업 준거틀 및 공학 설계 수준 제안

남윤경; 이용섭; 김순식

doi:10.15523/jksese.2020.13.1.121

과학·공학 융합 수업 준거틀 및 공학 설계 수준 제안
Suggesting a Framework for Science and Engineering Integrated Lesson Design and Engineering Design Level 원문보기

대한지구과학교육학회지 = Journal of the Korean society of earth science education, v.13 no.1, 2020년, pp.121 - 133

남윤경 (부산대학교) , 이용섭 (부산교육대학교) , 김순식 (부산교육대학교)

초록
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본 연구는 융합(STEM)교육의 핵심인 공학 설계를 기반으로 과학 수업에서 공학을 의미있고 쉽게 융함하여 수업을 설계할 수 있도록 수업 준거틀을 제안 한 것이다. 본 연구에서 개발된 과학·공학 융합 수업 준거틀은 과학과 공학 융합 교육에 대한 국내외 이론적, 실제적 선행 연구 분석과 전문가 토의, 그리고 현장교사들의 피드백에 근거하여 개발되었다. 과학·공학 융합 수업 준거틀은 과학 수업에서 공학 설계를 주요 교수법 및 문제해결 방법으로 사용하며, 선행 연구에서 제시된 공학 융합 수업의 핵심요소와 학년군별 성취수준을 고려하여 공학 설계에 대한 이해가 부족한 현장 교사들이 쉽게 공학 설계를 과학 수업에 도입할 수 있는 방법을 제공한다. 또한 본 연구에서 개발된 과학·공학 융합 수업 준거틀은 복잡하게 제시된 한국 STEAM 교육 준거틀의 단점을 보완하여 현장교사뿐 아니라 예비교사들이 쉽게 공학적 설계와 문제해결과정에 대해 이해하고 이를 적용하여 과학 융합 수업을 설계하는데 구체적인 지침을 제공할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a lesson design framework to design a science and engineering integrated lesson in a meaningful and easy way based on engineering design, which is the core feature of STEM education. The science and engineering integrated lesson design framework is developed based on the analysis of domestic and foreign theoretical and practical research papers and expert discussion on science and engineering integrated education as well as the feedbacks from science teachers. The science and engineering integrated lesson design framework uses engineering design as the main pedagogical method. The framework includes the core elements of the engineering integrated lesson suggested in previous studies and the achievement level of each grade group suggested in NGSS and provides a way for teachers to easily introduce engineering design into science classes. In addition, the framework developed in this study complements the shortcomings of the complicated Korean STEAM education framework. It can also provide specific guidance to in-service teachers as well as pre-service teachers to easily understand and apply engineering design and problem solving processes to science and engineering integrated lessons.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Engineering design process
표 Table 2. Description of the code for analyse STEM programs (modified from Guzey et al., 2014)
표 Table 3. Level of openness in the teaching of inquiry (translated from Buck et al., 2008)
표 Table 4. Essential features of science inquiry (translated from NRC, 2000)
그림 Fig. 1. Development procedures of engineering design based science instruction framework
표 Table 5. Framework for science and engineering integrated lesson design
표 Table 6. Essential features of engineering Design (student or teacher centered)
표 Table 7. Level of engineering Design
표 Table 8. Performance expectation of engineering design (Modified from NGSS Lead States, 2013)

AI 본문요약
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문제 정의

이렇게 제작된 수정된 준거틀은 다음 현장교사 토의에서 각 교사들이 그 수정 내용을 확인할 수 있도록 준비하였다. 따라서 현장교사 피드백 모임이 8차에 걸쳐 진행되는 동안 수정사항에 대한 의견이 반영되어 준거틀의 완성도가 높아지도록 하였다. 마지막 완성된 최종 준거틀에 대해 참여한 현장교사 전원의 확인을 거쳤다.
본 연구는 선진국을 중심으로 이미 시행중인 초·중등 과학·공학 융합교육 수업 설계에 대한 선행 연구와 이론적 배경에 근거하여 과학·공학 융합 수업의 핵심요소를 추출하고 이에 따른 공학 설계 기반의 과학 융합 수업 준거틀을 제안한 것이다.
하지만 각각의 요소(과정)에 따라 얼마나 교사 중심적인지 그리고 학생 중심적인지를 나누어 제시할 수 있다. 본 연구에서는 공학적 설계과정에 근거하여 학생과 교사 주도적인 측면을 나누어 제시하고, 이에 따라 공학적 탐구 수준을 제시하였다.
본 연구에서는 이러한 문제에 대한 한 가지 해결책으로 과학·공학 융합 수업 준거틀을 제안 하였다.
이에 본 연구에서는 선진국을 중심으로 이미 시행 중인 초·중등 과학·공학 융합교육 수업 설계에 대한 선행 연구와 이론적 배경에 근거하여 과학·공학 융합 수업의 핵심 요소를 추출하고 이에 따른 공학 설계 기반의 과학·공학 융합 수업 준거틀을 제안하고자 한다.

제안 방법

먼저, 준거틀의 각 항목에 대해 기록된 자료를 분류하고 반복적으로 읽었으며, 이에 대한 개방 코딩을 진행하였다. 공학 설계단계와 공학 융합 수업의 핵심요소 및 공학 탐구 수준에 따라 현장교사들의 피드백 내용을 범주화 하였다. 다음으로 각 범주에 해 당하는 피드백 내용을 적용하여 수정된 준거틀을 제작하였다.
특히 내용적 측면의 핵심이라고 할 수 있는 공학설계와 평가에 대해서는 교수법적 측면을 구체적으로 제시하였다. 공학 설계에 대한 교수법적 측면은 세 가지; 1)공학적 설계 수준, 2)학년 군 별 성취수준, 그리고 3)유의사항으로 나누어 제시 하였다. 평가에서 교수법적 측면은 다시 세부적으로 1)교사평가, 2)자기 평가, 3)동료 평가로 구분되어 있다.
자기 평가는 학생 개개인의 책무성을 기르기 위해 모둠 내 본인의 기여도 평가와 과학 공학 융합 수업의 목적(지식적, 탐구적, 정의적 측면)에 대한 성취도를 스스로 평가한다. 구체적으로 모둠원 평가에서는 공학설계 과정 중의 모둠원들의 기여도를 평가하며, 모둠간 평가를 통하여 상대 모둠의 산출물의 성능 비교와 평가, 더 제안할 점 찾기 과정을 통해 메타인지와 비판적 사고력을 기를 수 있다. 또한 결과 발표 과정을 통해 의사소통 능력과 비판적 사고를 증진시킨다.
공학 설계단계와 공학 융합 수업의 핵심요소 및 공학 탐구 수준에 따라 현장교사들의 피드백 내용을 범주화 하였다. 다음으로 각 범주에 해 당하는 피드백 내용을 적용하여 수정된 준거틀을 제작하였다. 이렇게 제작된 수정된 준거틀은 다음 현장교사 토의에서 각 교사들이 그 수정 내용을 확인할 수 있도록 준비하였다.
마지막으로 평가는 공학적 설계과정을 통해 습득된 과학적 교과 지식과 융합적 문제해결력 및 사고력 평가를 위해 다양한 평가 방법을 사용할 수 있도록 제시하였다. 교사평가는 답이 정해지지 않은 공학 설계의 특성을 고려하여 상대 평가와 절대평가를 적절히 활용할 수 있다.
현장 교사 피드백 내용은 반복적 내용 분석법으로 분석하였다. 먼저, 준거틀의 각 항목에 대해 기록된 자료를 분류하고 반복적으로 읽었으며, 이에 대한 개방 코딩을 진행하였다. 공학 설계단계와 공학 융합 수업의 핵심요소 및 공학 탐구 수준에 따라 현장교사들의 피드백 내용을 범주화 하였다.
미국 차세대 과학교육과정엣 제시된 3가지 과정(문제정의/제한조건, 해결책 설계, 최적화)에 대한 기준에 본 연구에서 제시한 ‘정보수집 및 재료 탐색’부분의 내용을 추가하여 수업 준거틀에서 제시된 공학설계 4가지 과정에 대한 성취기준을 제시하였다.
본 연구에서 개발된 ‘과학·공학 융합 수업 준거틀’은 과학교육에서 융합교육의 범위를 공학적 문제해결 과정인 공학 설계를 주요 교수법으로 명시함으로써 과학과 공학 융합 수업을 설계하고자 현장 교사들이 공학 설계에 대해 쉽게 이해하고 수업을 체계적으로 계획 할 수 있도록 설계 되었다.
본 연구에서 개발된 수업 준거틀은 초, 중등 융합교육 전문가 3인에 의해 초안이 개발되었으며, 현장 교사 8인에 의한 피드백을 근거로 수정 보완되었다. 융합교육 전문가3인은 초등과학교육 및 영재교육, 융합교육 전문가 2인과 중등 융합교육 전문가 1인으로, 융합교육 수업 개발과 평가, 교사교육 대해 10년 이상의 경력을 가지고 있다.
본 연구에서 제안된 준거틀은 선행연구에서 공통적으로 제시하는 공학 융합 수업의 핵심 요소에 근거하여 과학·공학 융합 수업의 준거를 내용적 측면과 교수법적 측면으로 구분하여 제시하였다.
본 연구에서 제안하는 공학설계기반의 과학·공학 융합수업 준거틀은 이 7가지 요소를 내용적 측면과 교수법적 측면으로 구분하여 제시하였다.
본 연구의 목적인 공학 설계 기반 과학 수업의 준거틀을 개발하기 위해 주요 연구 방법으로 먼저 공학과 과학 융합 수업에 대한 심층적 이론 연구를 하였으며 이를 근거로 연구 참여자 3인의 전문가집단의 토론을 통한 수업 준거틀 초안 개발, 그리고 이에 대한 현장교사의 피드백을 분석하여 적용함으로써 최종 수업 준거틀을 개발 하였다. 본 연구의 연구 순서는 다음 Fig.
현장 교사 피드백 내용은 반복적 내용 분석법으로 분석하였다. 먼저, 준거틀의 각 항목에 대해 기록된 자료를 분류하고 반복적으로 읽었으며, 이에 대한 개방 코딩을 진행하였다.
준거틀 초안에 대한 현장교사 피드백은 준거틀의 각 항목에 대해 토의(8회) 내용에 근거하였다. 현장교사 피드백을 위한 토의는 매회 1시간에서 1시간 30분정도 진행되었으며, 전체 8회 진행되었다. 현장교사 피드백 내용은 분석을 위해 주요 내용을 중심으로 기록되었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 자료는 이론적 배경 연구에 사용된 연구논문은 과학교육 전문학술지와 공학교육 전문 학술지, 공학교육관련 서적, 그리고 미국 및 한국 과학 교육과정 및 미국 국가연구회(National Research Council) 에 의해 제작된 다수의 보고서가 포함되어 있다. 전문가 토의 내용은 녹음되었으며, 주요 내용은 기록으로 남겨서 보관하였다.
전문가 3인은 2019년 8월부터 약 8개월간 정기적인 만남을 통해 이론적 배경연구와 전문가 토의를 진행하였다. 수업 준거틀 초안에 대한 피드백을 제공한 현장교사는 초등교사1인과 중등교사 7인으로 구성되었다. 연구가 진행될 당시 이들의 교사 경력은 2~10년으로 평균 5년이상의 경력을 가지고 있으며, 모두 융합 교육에 대한 이해와 경험이 있었다.
융합교육 전문가3인은 초등과학교육 및 영재교육, 융합교육 전문가 2인과 중등 융합교육 전문가 1인으로, 융합교육 수업 개발과 평가, 교사교육 대해 10년 이상의 경력을 가지고 있다. 전문가 3인은 2019년 8월부터 약 8개월간 정기적인 만남을 통해 이론적 배경연구와 전문가 토의를 진행하였다. 수업 준거틀 초안에 대한 피드백을 제공한 현장교사는 초등교사1인과 중등교사 7인으로 구성되었다.

성능/효과

특히 내용적 측면(목적, 상황제시, 공학 설계, 평가 및 개념정리)과 공학 설계 및 평가에 대한 교수법적 측면을 세부적으로 제시함으 로써, 각각의 과정에서 교사들이 유의해야 할 사항을 확인할 수 있으며, 무엇보다 과학 교사들에게 익숙한 과학적 탐구와 유사하게 공학적 문제해결(탐구)의 수준을 제시함으로써 현장 교사들이 쉽게 학습자 주도적인 공학 융합 수업을 계획할 수 있는 지침을 제공한다. 본 연구에서 계발된 준거틀은 또한 현장 교사뿐 아니라 예비교사들을 대상으로 과학·공학 융합 수업 가르치거나 예비교사들이 설계한 공학 설계 기반 과학 수업을 평가하는 명확한 기준을 제시할 수 있다.

후속연구

또한 과학 탐구수준을 공학적 문제해결과정에 적용한 공학적 설계 수준을 제시함으로써 학교 현장에서 과학 교사들이 스스로 과학·공학 융합 수업을 계획하고 평가하는 명확한 기준을 제시할 뿐만 아니라 과학·공학 융합 수업의 현장 적용을 위한 구체적인 지침을 제공할 것이다.

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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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