[논문]모델링 실천을 통한 과학 영재학생들의 메타모델링 지식 구성요소별 인식수준 분석

김기향; 백성혜

doi:10.5012/jkcs.2023.67.1.42

모델링 실천을 통한 과학 영재학생들의 메타모델링 지식 구성요소별 인식수준 분석
Analysis of the Cognitive Level of Meta-modeling Knowledge Components of Science Gifted Students Through Modeling Practice 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.67 no.1, 2023년, pp.42 - 53

초록
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본 연구는 화학교과 내용 맥락 하에서 모델링 실천을 통해 드러난 메타모델링 지식 구성요소별 인식수준을 진단함으로써 메타모델링 지식과 통합된 모델링 실천 프로그램 구성을 위한 기초자료를 얻고자 하였다. A 과학 영재학교 2학년 재학생 16명을 대상으로 화학 교사가 변칙현상이 포함된 탐구기반 모델링을 진행하였으며, 모델의 가변성, 모델의 다중성, 모델링 과정 등 메타모델링 지식 구성요소별 인식수준을 분석하기 위하여 학생이 기록한 탐구노트와 연구자가 기록한 관찰노트를 분석에 활용하였다. 인식수준은 0단계부터 3단계까지 분류하였다. 분석 결과, 메타모델링 지식의 구성요소 중 모델링 과정에 대한 인식수준이 가장 높았으며 모델의 다중성 다음으로 모델의 가변성에 대한 인식수준이 가장 낮은 것으로 나타났다. 모델 가변성에 대한 낮은 인식수준의 원인은 학생들이 개념모델을 객관적 사실로 인식하는 것과 관련이 깊고, 모델 다중성에 대한 낮은 인식수준의 원인은 주어진 현상에 대해 오직 하나의 올바른 모델이 존재한다는 신념과 관련이 있다. 학생들은 개념모델을 화학기호와 같은 상징적 모델을 이용하여 정교화하였으나 모델링 전 과정에 영향을 주는 자료해석의 중요성에 대한 인식이 부족하였다. 모델의 본성을 명시적으로 안내할 수 있는 사전활동의 도입하고, 자료해석의 중요성을 구체적 예시를 통해 안내할 필요가 있다. 다른 관점에서 제안된 모델의 수용 가능성을 고려하고 검증하는 훈련이 모델링 실천 프로그램을 통해 이루어져야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to obtain basic data for constructing a modeling practice program integrated with meta-modeling knowledge by analyzing the cognition level for each meta-modeling knowledge components through modeling practice in the context of the chemistry discipline content. A chemistry teacher conducted inquiry-based modeling practice including anomalous phenomena for 16 students in the second year of a science gifted school, and in order to analyze the cognition level for each of the three meta-modeling knowledge components such as model variability, model multiplicity, and modeling process, the inquiry notes recorded by the students and observation note recorded by the researcher were used for analysis. The recognition level was classified from 0 to 3 levels. As a result of the analysis, it was found that the cognition level of the modeling process was the highest and the cognition level of the multiplicity of the model was the lowest. The cause of the low recognitive level of model variability is closely related to students' perception of conceptual models as objective facts. The cause of the low cognitive level of model multiplicity has to do with the belief that there can only be one correct model for a given phenomenon. Students elaborated conceptual models using symbolic models such as chemical symbols, but lacked recognition of the importance of data interpretation affecting the entire modeling process. It is necessary to introduce preliminary activities that can explicitly guide the nature of the model, and guide the importance of data interpretation through specific examples. Training to consider and verify the acceptability of the proposed model from a different point of view than mine should be done through a modeling practice program.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Results of textbook experiments
그림 Figure 1. Research procedure.
표 Table 2. Meta-modeling knowledge analysis framework²⁵
그림 Figure 2. Cognitive level in meta-modeling knowledge components of science gifted students.
표 Table 3. Frequency(percentage) of cognitive level of meta-modeling knowledge components of science gifted students

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 프로그램 개발의 기초자료를 얻기 위해 과학 영재학생들을 대상으로 모델링 실천 중 드러난 메타모델링 지식의 인식수준을 분석하였다. 그 결과 메타모델링 지식의 구성요소 중 모델링 과정에 대한 인식수준이 가장 높았으며 모델의 다중성에 대한 인식수준이 가장 낮은 것으로 나타났다.

제안 방법

학생들에게 수행과정을 탐구노트에 작성하도록 안내하였으며 연구자는 활동의 전 과정을 관찰노트에 기록하였다. 모델링 실천 이후 학생들의 탐구노트 및 활동과정에 대한 연구자의 관찰노트를 근거로 메타모델링 지식의 구성요소별 인식수준을 학생별로 진단하였다. 프로그램의 개발에 필요한 기초자료 수집을 위해 동일 인식수준에 해당하는 최소 인원 2명씩을 선정하여 1 : 1 면담을 진행한 후 전사였다(Fig.
모델링 실천은 2019년 4월 첫째 주부터 셋째 주까지 3주간 3회 진행하였다. 첫 번째 주에는 문제와 해결방법이 모두 주어진 구조화된 교과서 탐구실험을 수행하면서 변칙현상을 발견하고, 모델링 실천의 주제를 설정하였으며, 둘째 주와 셋째 주에는 변칙현상을 해결하기 위한 방안을 스스로 설계하는 반구조화된 탐구실험을 수행하였다.
본 연구에서 연구자는 증거와 설명의 조정 활동을 촉진하고 모델 제안기회를 제공하기 위해 개념모델에 의한 예상과 다른 결과가 관찰되는 변칙현상을 모델링 실천의 주제로 선정하였다. 변칙현상을 학생들이 스스로 발견할 때, 개념모델의 평가와 함께 개인모델의 제안이 이루어질 수 있으며, 모델링 실천의 참여동기를 부여한다고 판단하여 모델의 평가 인식수준 3단계에 해당하는 활동을 사전에 안내하였다.
본 연구에서는 모델링에서 드러난 메타모델링 지식의 구성요소별 인식수준에 대한 분석으로 모델링 전 과정 중 학생의 메타모델링 지식의 인식수준을 볼 수 있는 측면에 국한하여 분석을 진행하였다. 학생이 기록한 탐구노트와 연구자가 기록한 관찰노트를 분석에 활용하였으며 모델링 실천 중 특이사항이 관찰되는 경우 관찰노트에 기록 후 면담을 통해 확인하는 과정을 거쳐 자료를 수집하였다.
본 연구에서는 연구대상이 학습하고 있는 교과와 관련된 내용 맥락 하에서 모델링 실천을 통해 드러난 학생의 메타모델링 지식 인식수준을 진단하였다. 측정이 측정 대상과 상호작용을 통해 결과에 영향을 줄 수 있는 것과 같이 모델링 실천을 통한 메타모델링 지식 인식수준 진단 또한 결과에 영향을 미칠 수 있다.
학생이 기록한 탐구노트와 연구자가 기록한 관찰노트를 분석에 활용하였으며 모델링 실천 중 특이사항이 관찰되는 경우 관찰노트에 기록 후 면담을 통해 확인하는 과정을 거쳐 자료를 수집하였다. 연구자료를 분석하기 위하여 화학교육 전문가 2인과 화학 교사이면서 박사과정 재학 중인 연구자 2인이 질적 자료를 전반적으로 검토하여 개별적으로 메타모델링 지식의 인식수준을 판정하고 이에 대한 근거를 기록하였다. 이후 4인이 모여 판정한 단계에 대한 일치도를 점검하였으며 불일치한 사례의 경우 4인이 해당 학생의 모델링 전 과정을 함께 분석하는 논의과정을 거쳐 최종 단계를 판정하였다.
모델링 실천에 참여한 학생들은 절차적 과정에 큰 차이를 보이지 않았으나 모델의 정교화 정도에 차이를 보였다. 이에 모델링 과정에 대한 인식수준은 자료해석을 통한 모델의 정교화를 기준으로 진단하였다.
모델링 실천은 2019년 4월 첫째 주부터 셋째 주까지 3주간 3회 진행하였다. 첫 번째 주에는 문제와 해결방법이 모두 주어진 구조화된 교과서 탐구실험을 수행하면서 변칙현상을 발견하고, 모델링 실천의 주제를 설정하였으며, 둘째 주와 셋째 주에는 변칙현상을 해결하기 위한 방안을 스스로 설계하는 반구조화된 탐구실험을 수행하였다. 연구자는 학생들에게 교과서 탐구실험을 실행하기 전에 실험결과를 예측하도록 지도하였으며, 탐구실험 수행 이후 예상과 다른 변칙현상을 학생들과 공유하고 공통의 문제해결 주제로 설정하도록 지도하였다.
학생 B, C, O, P의 경우 마그네슘이 반응하여 수소 기체를 생성하는 것을 산화환원 반응으로 해석하고 용액 속에 존재하는 물 또는 탄산수소 이온을 산화제로 설정하여 개인모델을 제안하고 최종 결론에 반영하였다. 다음은 학생 P의 사례이다.
학생 E, G, L 또한 단순히 실험결과를 시각적으로 묘사하는 수준에 그치지 않고 원인을 설명하기 위해 화학 반응식을 포함한 모델을 제안하는 등 학생 A외 8명과 유사한 수준의 정교화를 수행한 것으로 판단하여 인식 수준 2단계로 진단하였다. 다음은 학생 L의 사례이다.
한편 학생 O, P는 관찰한 현상이 물과 마그네슘의 반응뿐 아니라 탄산수소 이온과 마그네슘의 반응으로도 설명할 수 있다고 제안하고, 최종 결론을 도출하기 전에 추가 탐구실험을 요청하였다. 학생 O, P는 증류수, 염화 나트륨 수용액, 탄산수소 나트륨 수용액에 마그네슘을 반응시킨 후 발생한 기체의 종류를 확인하고 기체의 발생 속도를 비교하였다. 발생한 기체가 수소 기체임을 확인하였으며 기체의 발생 속도는 탄산수소 나트륨 수용액, 염화 나트륨 수용액, 증류수 순임을 확인하였다.
모델링 과정에 대한 인식수준이 높게 나온 또 다른 이유는 모델링 실천 자체가 모델링 과정에 대한 인식수준에 영향을 준 것으로 해석된다. 학생들은 관찰한 변칙현상을 바탕으로 개념모델을 평가하고 이를 설명하기 위해 새로운 모델을 제안하는 등 실험을 바탕으로 모델링 과정을 수행였다. 이는 가시화를 위해 대상 현상을 소형으로 복제하는 모델링 과정 인식수준 1단계 이상의 활동에 해당한다.
학생들은 교과서 탐구실험을 통해 얻는 자료를 기반으로 개념모델을 평가하고 변칙현상을 설명하기 위해 개인모델을 제안하였다. 이후 모둠토의를 통해 모둠의 합의된 모델을 도출하였다.

대상 데이터

연구 참여 대상은 총 16명으로 10명의 남학생과 6명의 여학생으로 구성되었다. 실험결과에 대한 자료해석과 모델 제안 과정 중 논의에 제한이 없도록 일반화학 입문 수준의 교과를 이수한 2학년 학생들을 대상으로 하였다. 연구 참여자의 인권을 보호하기 위해 학생의 이름 대신 알파벳을 사용하였다.
연구는 A 과학 영재학교 2학년 재학생 중 연구의 취지에 동의한 참여자를 대상으로 진행하였다. 연구 참여 대상은 총 16명으로 10명의 남학생과 6명의 여학생으로 구성되었다. 실험결과에 대한 자료해석과 모델 제안 과정 중 논의에 제한이 없도록 일반화학 입문 수준의 교과를 이수한 2학년 학생들을 대상으로 하였다.
연구는 A 과학 영재학교 2학년 재학생 중 연구의 취지에 동의한 참여자를 대상으로 진행하였다. 연구 참여 대상은 총 16명으로 10명의 남학생과 6명의 여학생으로 구성되었다.
연구에 참여한 학생들은 문제해결을 위한 프로그램에 참여한 것으로 안내를 받았으며 연구의 구체적 목적은 연구를 마친 이후에 안내받았다. 탐구기반 모델링 실천은 영재학교에 재직 중인 화학 담당교사에 의해 이루어졌다.

데이터처리

변칙현상을 학생들이 스스로 발견할 때, 개념모델의 평가와 함께 개인모델의 제안이 이루어질 수 있으며, 모델링 실천의 참여동기를 부여한다고 판단하여 모델의 평가 인식수준 3단계에 해당하는 활동을 사전에 안내하였다. 사전 안내에 의한 영향으로 학생들은 모둠의 합의된 모델의 검증을 위한 탐구실험 중에도 제안한 모델을 바탕으로 결과를 예측하고 실험결과와 비교를 통해 모델을 평가하였다. 즉, 모델의 평가 인식수준 3단계에 해당하는 활동을 모델링 실천 전반에 수행하였기에 모델의 평가는 분석에서 제외하였다.

성능/효과

결론: 탄산수소 나트륨 용액은 염기성이다.
결론: 탄산수소 이온은 양쪽성 물질이다.
과학 영재학생을 대상으로 메타모델링 구성요소별 인식수준을 분석한 결과, 모델링 과정에 대한 인식수준이 가장 높았으며 모델의 다중성에 대한 인식수준이 가장 낮은 것으로 나타났다. 특히 모델의 다중성은 인식수준 0단계와 3단계만 존재하고, 연구대상자 대부분(87.
본 연구에서는 프로그램 개발의 기초자료를 얻기 위해 과학 영재학생들을 대상으로 모델링 실천 중 드러난 메타모델링 지식의 인식수준을 분석하였다. 그 결과 메타모델링 지식의 구성요소 중 모델링 과정에 대한 인식수준이 가장 높았으며 모델의 다중성에 대한 인식수준이 가장 낮은 것으로 나타났다. 특히 모델의 다중성은 인식수준 0단계와 3단계만 존재하고 연구대상자 대부분은 0단계로 진단되었다.
학생 B, C, O, P는 변칙 현상을 설명하기 위해 마그네슘과 물의 산화환원 반응 모델을 제안한 학생들이다. 학생 B, C는 탄산수소 나트륨과 마그네슘의 반응으로 생성된 기체의 가연성을 확인하고 용액의 pH가 증가한 실험 결과를 바탕으로 마그네슘과 물의 반응으로 수소 기체가 발생하였다는 모델을 결론으로 확정하였다. 학생 B, C 또한 주어진 현상에 대해 오직 하나의 올바른 모델이 존재한다는 인식을 드러낸 것으로 모델의 다중성에 대한 인식수준 0단계로 분류하였다.

후속연구

학생 B, C 또한 주어진 현상에 대해 오직 하나의 올바른 모델이 존재한다는 인식을 드러낸 것으로 모델의 다중성에 대한 인식수준 0단계로 분류하였다. 한편 학생 O, P는 관찰한 현상이 물과 마그네슘의 반응뿐 아니라 탄산수소 이온과 마그네슘의 반응으로도 설명할 수 있다고 제안하고, 최종 결론을 도출하기 전에 추가 탐구실험을 요청하였다. 학생 O, P는 증류수, 염화 나트륨 수용액, 탄산수소 나트륨 수용액에 마그네슘을 반응시킨 후 발생한 기체의 종류를 확인하고 기체의 발생 속도를 비교하였다.

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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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