The change in modeling ability of science gifted students through model-based instruction

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 과학교육과, 2015. 2. 최승언.높은 수준의 과학적 사고 능력을 기르기 위해서는 과학 개념 학습 뿐 만 아니라 모형 구성 능력(modeling ability)을 기르는 것이 중요하다. 학생이 모형 구성 과정에 직접 참여하는 모형 기반 수업이 모형 구성 능력에 긍정적인 영향을 줄 것이라 기대되고 있지만, 실제로 이러한 수업을 통해 학생들의 모형 구성 능력이 향상하는지는 확인해볼 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 모형 기반 수업을 경험하기 전과 후에 학생의 모형 구성 능력의 변화를 살펴보고 변화 유형별 특징을 조사하였다. 이를 위해, 중학교 과학 영재 학생을 대상으로 천문학 내용과 관련하여 과학적 모형 기반 수업을 실시하고, 사전과 사후에 각각 모형 구성 능력 검사를 실시하였다. 모형 구성 능력의 변화는 모형 구성에 관한 지식(metamodeling knowledge)과 모형 구성 실행(modeling practice)의 두 가지 측면으로 나누어 분석하였다. Chittleborough et al. (2005)의 VOMMS와 Beak et al. (2011)의 모형 구성 실행 지필평가를 기반으로 검사 도구를 개발하였으며 파일럿 검사를 통해 수정, 적용하였다. 모형 구성에 관한 지식의 변화는, 더 높은 수준의 이해를 선택한 학생의 비율을 비교하여 양적으로 분석하였고 선택 사유서와 인터뷰를 통해 질적으로 분석하였다. 모형 구성 실행의 변화는, 모형 구성, 모형 평가, 모형 적용의 세 가지 영역으로 나누어 분석하였으며, 각 영역별 평가 도구와 채점 기준은 문헌 연구를 통해 개발하였다. 각 영역의 수준은 세 단계로 분류 되었으며, 대응표본 t-검정을 통해 실행의 변화를 양적으로 분석하였다. 또한, 변화 유형에 따라 네 가지 사례를 선택하여 활동지, 사전·사후 검사지, 인터뷰를 활용하여 사례별 변화의 특징을 질적으로 분석하였다. 분석 결과, 모형 구성에 관한 지식에 관하여 많은 학생들이 수업 후 더 진보된 관점으로 과학적 모형과 모형 구성을 이해하고 있는 것으로 나타났으며 그 변화의 모습은 다음과 같다. 첫째, 규모 모형에 국한된 상식적인 생각에서 벗어나 많은 학생들이 표상으로써의 모형(models as a representations)을 이해하게 되었다. 둘째, 모형은 유일하다는 생각에서 벗어나 학생 전원이 모형의 다양성(the multiplicity of models)을 이해하게 되었다. 셋째, 소박한 실재론에서 벗어나 많은 학생들이 모형의 역동적 본성(the dynamic nature of models)을 이해하게 되었다. 모형 구성에 관한 지식을 학습 목표로 삼지 않았음에도 불구하고 이러한 긍정적 변화가 일어날 수 있었던 이유는, 수업 도입부에 실시한 수업 준비 운동의 효과가 컸던 것으로 나타났다. 학생들은 이를 통해 모형 구성에 관한 지식을 얻게 되고, 모형 기반 수업에 자신감 있게 임할 수 있게 되었다고 응답하였다. 이것은 모형 구성에 관한 지식을 명시적으로 제시하는 것이 학생에게 과도한 부담 내지 또 하나의 배울 거리가 될 것이라는 기존이 우려와는 달리 수업 준비 운동이 학생들에게 긍정적인 영향을 준다는 것을 보여준다. 모형 구성 실행에서도 사전에 비해 사후에 실행의 수준이 향상하였다. 하지만, 수업 시간에 배운 내용과 배우지 않은 내용으로 나누어 비교해 보았을 때, 기존의 연구 결과와는 달리 배우지 않은 내용으로 실행의 전이는 어려운 것으로 나타났다. 모형 구성 실행의 변화 유형별 특징은 다음과 같다. 첫째, 수준이 상승한 학생의 경우, 본인의 모형 구성에 비해 높은 수준의 평가 능력을 보였으며, 평가를 통해 고려하게 된 제약조건을 사후 자신의 모형 구성에 반박(rebuttal) 방식으로 활용하였다. 둘째, 수준이 하강한 경우에는 학생이 이미 정답을 알고 있었기 때문에 자료를 기반으로 모형을 구성하지 않았으며, 수업 후에는 정답에 더욱 확신을 갖게 되어 모형과 자료의 연결 고리가 더욱 약해지며 정답을 적는 것에만 집중하였다. 셋째, 높은 수준을 유지한 학생의 경우, 모형 구성 실행 수준이 높음에도 불구하고 잘못된 초기자원으로 인해 비과학적인 모형을 구성하였다. 하지만, 수업을 통해 초기자원이 옳게 바뀌면서 과학적인 모형을 구성하게 되었다. 넷째, 낮은 수준을 유지한 학생의 경우, 사전 사후 모두에서 주어진 자료와 무관한 과학 용어와 개념을 단순히 나열하는 것에 그치는 모습을 볼 수 있었다. 결론적으로, 모형 기반 수업을 통해 학생들의 모형 구성 능력이 향상되었음을 알 수 있다. 하지만, 더 나은 모형 기반 수업을 위해 다음과 같은 추가적인 노력이 필요하다. 소집단 토론 과정에서 평가와 수정 과정을 더욱 강조할 필요성이 있으며, 정답을 알고 있는 학생이라 하더라도 주어진 자료를 근거로 하여 모형을 구성해 보도록 유도할 필요가 있다. 또한, 교사는 수업 전 학생이 가지고 있는 비과학적인 초기 자원을 파악하여 이를 과학적으로 변화시킬 수 있는 기회를 제공할 필요가 있다. 마지막으로, 모형 구성에 관한 지식을 수업 초반에 명시적으로 제시하는 것도 학생들의 인식변화를 위해 필요하다. 본 연구는 학생들의 모형 구성 능력을 향상시키기 위한 더 나은 모형 기반 수업 전략을 세우는데 시사점을 준다고 볼 수 있다. 하지만, 비교 집단 없이 모형 기반 수업을 통해서만 모형 구성 능력의 변화를 알아보았다는 한계점을 지니고 있다. 따라서 동일한 주제를 가지고 강의식 수업, 실험식 수업, 모형 기반 수업으로 진행하였을 때, 각각의 수업이 모형 구성 능력에 어떠한 영향을 주는지 그 차이를 비교해 보는 연구가 필요하다. 추가적으로, 본 연구에서 나타나지 않은 모형 구성 실행의 전이를 위한 방안을 모색할 필요가 있으며, 모형 구성에 관한 지식의 변화가 모형 구성 실행에 어떠한 영향을 주는지에 대해서도 연구해 볼 필요가 있다.제 1 장 서론 1 제 1 절 연구의 필요성 및 목적 1 제 2 절 연구 문제 3 제 2 장 이론적 배경 4 제 1 절 과학적 모형과 과학교육 4 1. 과학적 모형 4 2. 과학교육에서의 과학적 모형과 모형 구성 5 제 2 절 과학적 모형 구성 능력 10 1. 모형 구성에 관한 지식(metamodeling knowledge) 11 2. 모형 구성 실행(modeling practice) 13 제 3 장 연구 방법 14 제 1 절 연구 참여자 14 제 2 절 자료 수집 16 제 3 절 모형 구성 능력 검사 도구 18 1. 모형 구성에 관한 지식을 위한 검사 도구 18 2. 모형 구성 실행을 위한 검사 도구 20 제 4 절 분석 방법 23 1. 모형 구성에 관한 지식을 위한 분석 방법 23 2. 모형 구성 실행을 위한 분석 방법 24 제 4 장 연구 결과 31 제 1 절 모형 구성에 관한 지식의 변화 31 1. 표상으로써의 모형(Models as representations) 33 2. 모형의 다양성(The multiplicity of models) 38 3 모형의 역동적 본성(The dynamic nature of models) 41 제 2 절 모형 구성 실행의 변화 49 1. 김상승 학생의 사례 51 2. 이하강 학생의 사례 58 3. 박높음 학생의 사례 67 4. 최낮음 학생의 사례 78 제 5 장 결론 및 논의 86 참고문헌 91 부 록 97 1. 태양 흑점을 통한 태양 자전 모형 구성 학습지 97 2. 모형 구성에 관한 지식 검사지 102 3. 모형 구성 실행 검사지 105 4. 모형 구성 실행을 위한 채점 기준 118 Abstract 119Maste