An Analysis of High School Students Modeling and Small Group Interactions during Peer Instruction in Solving Mechanics Problems

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 사범대학 과학교육과, 2018. 2. 유준희.동료교수는 다년간의 양적 연구를 통해 학생들의 개념 변화와 성취도 향상에 기여하는 것으로 보고되고 있다. 그러나 일각에서는 동료교수의 긍정적인 효과는 일방적인 정답과 풀이의 전수 때문이라는 의구심을 품고 있으며, 이러한 쟁점을 밝히기 위한 질적 연구의 필요성이 제기되고 있다. 최근에 대두되는 과학교수학습 방법으로써 모형구성은 학습자가 개념 세계를 활용하여 문제 상황의 설명 체계를 구성하는 과정으로 물리 문제해결을 이해함으로써 보다 질적인 관점을 제공할 수 있다. 특히, 역학은 여러 개념과 법칙들을 수학적으로 조직하여 물체의 운동을 기술하고 예측한다는 점에서 모형구성 관점으로 분석하기에 적합한 영역이다. 이에 본 연구는 역학 문제해결에 대한 동료교수 활동에서 동료와의 상호작용이 학생의 모형구성에 미치는 영향을 질적으로 탐색하여 학생의 학습에서 동료교수의 역할과 제한점에 대한 시사점을 제안하고자 한다. 이를 위해 뉴턴 역학 문제에 대한 모형구성에서 고등학생들이 겪는 어려움은 무엇이고, 문제해결을 위한 소집단 상호작용은 어떠한 양상으로 진행되며, 소집단 상호작용이 학생들의 모형구성에 미치는 영향은 어떠한지를 분석하였다. 서울시에 소재한 일반계 고등학교의 남학생 32명을 대상으로 물리Ⅰ 교육과정과 뉴턴 역학의 지식 구조를 고려하여 제작한 12개 선다형 문항에 대한 동료교수 수업을 90분씩 2차시 동안 진행하였다. 수업에서 참여자들은 먼저 개별적으로 문제를 풀고 교실응답시스템(Classroom Response System)에 접속하여 교사에게 답을 전송한다(응답Ⅰ). 교사가 가급적 답이 다른 참여자들로 모둠을 편성하여 고지하면 학생들은 모둠별로 모여 토론한 뒤 개별적으로 답을 전송한다(응답Ⅱ). 참여자들은 자신의 문제풀이 과정을 활동지에 기록하였으며, 95 사례의 담화가 녹화 후 전사되었다. 분석의 타당성을 확보하기 위해 전사 자료, 활동지, 관찰 일지 등이 활용되었다. 물리 문제에 대한 모형구성의 인지적 과정인 문제 상황 인식, 개념 세계 인출, 모형 생성 등의 하위 범주인 기술자 식별, 개념 모형 선택, 분면 형성, 수학적 조작 및 타당화로 분석틀을 구성하여 참여자들의 모형구성을 유형화하였다. 응답Ⅰ에서 총 12개 문항에 대한 372건의 모형구성 사례가 6가지 유형으로 범주화되었으며 각 유형은 다음과 같다. 모형의 모든 분면을 타당하게 구성(37.9%), 모든 분면을 타당하게 구성하였으나 수학적 조작에서 오류를 범함(0.5%), 모든 분면을 구성하였으나 일부 분면의 타당성 결여(24.2%), 일부 분면만을 구성(11.6%), 부적절한 개념 모형 선택(4.0%), 직관이나 추측에 의한 해의 선택(14.5%) 등이다. 유형화가 불가한 사례는 27건이었다. 각 문항별로 동일한 유형의 모형구성을 한 참여자들의 일관된 특징을 식별하여 모형구성에서의 어려움을 분석한 결과, 참여자들은 상호작용 기술자를 식별하거나 어떤 상호작용 기술자를 인과 분면 구성에 적용할 것인가에 대한 어려움을 노출하였다. 또한 일부 참여자들은 문제 상황에 대한 숙고 없이 익숙한 개념 모형을 임의로 선택하거나 모형구성의 각 단계마다 계의 설정을 달리 적용하는 것으로 나타났다. 동료교수에서 참여자들의 소집단 상호작용을 모둠 내에 대응된 모형을 구성한 모둠원의 수, 모둠원의 역할, 모형의 동질성, 모형의 변화 등의 측면에서 분석한 결과, 튜터링, 경쟁, 협업 및 양립성 확인의 네 가지 양상으로 범주화하였다. 총 118건의 소집단 상호작용은 피교수자 역할을 하는 참여자가 교수자 역할을 하는 참여자의 모형을 일방적으로 수용하는 튜터링(54.2%), 상이한 구조의 모형을 생성한 참여자들이 대등한 입장에서 서로의 모형을 평가하고 합의를 시도하는 경쟁(17.8%), 문제 상황과 모형에 관한 정보를 공유함으로써 공동으로 모형을 수정하거나 새로운 모형의 구성을 시도하는 협업(10.1%), 대응된 모형을 구성한 참여자들이 모형들의 타당성을 인정하고 유사성과 차이점을 확인하는 양립성 확인(17.8%) 등의 양상으로 분류되었다. 마지막으로 문제 상황, 개념 세계 및 모형에 대한 소집단 상호작용이 참여자들의 모형구성에 미치는 영향을 사례 분석하였다. 튜터링과 경쟁의 참여자들은 동료의 모형을 수용하거나 평가하는 과정에서 본인의 모형과 문제 상황 인식의 문제점을 인지하고 이를 수정하는 것으로 확인되었다. 그러나 개념 세계의 결핍이나 모순을 가진 참여자가 개념 세계에 대한 상호작용 없이 동료의 결과적 모형만을 수동적으로 수용할 경우 문제 상황 인식, 개념 세계 및 모형의 내적 일관성이 결여되는 것으로 나타났다. 협업은 모둠의 특성에 따라 모형구성에 미치는 영향이 상이하였다. 모둠 내에 모형을 생성한 참여자가 있는 경우 모둠원들은 문제 상황 인식을 공유하여 기존의 모형을 수정하였다. 그러나 모형을 생성하지 못한 참여자들로만 모둠이 편성된 경우 대부분의 사례에서 모형 생성과 해의 도출에 실패하였다. 양립성 확인에서 참여자들이 모형의 유사성과 차이에 대한 개념적 논의보다는 상대방의 모형을 확인하는데 그친 경우가 해당 양상의 75%가 넘었다. 이는 대부분의 참여자들이 양립성 확인을 통해 모형과 개념 세계의 확장을 경험하지 못한 것으로 해석할 수 있다. 결론적으로 동료교수 활동에서 참여자들은 동료 참여자의 문제 상황 인식 또는 모형을 수용, 평가, 공유하는 등의 소집단 상호작용을 통해 자신의 모형을 수정하거나 생성하는데 도움을 받는다고 할 수 있다. 그러나 개념 모형에 대한 참여자들의 이해가 현저히 부족하거나 개념적인 논의가 생략된 채 모형의 결과와 단편적인 지식만이 일방적으로 전달되면, 소집단 상호작용은 단지 수학적 계산과정을 전수하는데 그칠 개연성이 높다. 이는 동료교수 활동이 학생들의 물리학습에 더욱 의미 있게 기여하기 위해서는 능동적인 상호작용을 통해 모형과 개념 세계의 연계성을 이해하는 것이 중요함을 시사한다. 동료교수 활동 중 학생들이 공식의 조합과 계산과정에만 주목하지 않고 과제의 물리적인 의미와 이론에 대해서도 논의하도록 격려하는 교수 방안에 대한 추후 연구가 필요하다.1. 서론 1 1.1. 연구의 배경 1 1.2. 연구의 목적 4 1.3. 연구과정의 개요 5 1.4. 용어의 정의 7 1.4.1. 역학 7 1.4.2. 개념 세계 7 1.4.3. 모형 8 1.4.4. 모형구성 8 1.4.5. 동료교수 10 1.4.6. 소집단 상호작용 10 1.5. 연구의 한계 11 2. 선행 연구와 이론적 논의 13 2.1. 뉴턴 역학 13 2.1.1. 뉴턴 역학의 규칙 13 2.1.2. 뉴턴 역학 문제해결에 관한 지식 구조 19 2.1.3. 중등 교육과정의 뉴턴 역학 25 2.2. 물리 문제해결 30 2.2.1. 물리 문제해결의 의의 30 2.2.2. 물리 문제해결에서 학생들이 겪는 어려움 32 2.3. 모형구성 40 2.3.1. 모형(Model)과 모형구성 40 2.3.2. 모형구성과 물리 문제해결 45 2.3.3. 모형구성의 분석틀 51 2.4. 동료교수와 소집단 상호작용 67 2.4.1. 동료교수 66 2.4.2. 물리 문제해결에서 동료교수의 효용성 68 2.4.3. 소집단 상호작용의 양상 70 3. 연구 방법 77 3.1. 연구 대상 77 3.2. 수업의 구성 78 3.2.1 수업의 흐름 78 3.2.2. 문항의 제작 79 3.2.3. 문항 정답률 86 3.2.4 모둠의 정답 분포 변화 87 3.3. 자료 수집 90 3.4 자료 분석 91 3.4.1. 모형구성의 분석틀 91 3.4.2. 소집단 상호작용 양상 분류 92 3.4.3. 소집단 상호작용이 모형구성에 미치는 영향 94 4. 결과 및 논의 96 4.1. 모형구성의 유형과 어려움 96 4.1.1. 모형구성 유형 96 4.1.2. 모형구성에서 학생들의 어려움 110 4.2. 소집단 상호작용의 양상 136 4.2.1. 소집단 상호작용의 양상 분류 136 4.2.2. 문항별 소집단 상호작용 양상 빈도 146 4.3. 소집단 상호작용이 모형구성에 미치는 영향 150 4.3.1. 튜터링 150 4.3.2. 경쟁 166 4.3.3. 협업 172 4.3.4. 양립성 확인 178 5. 결론 183 5.1. 요약 183 5.2. 결론 및 제언 187 참 고 문 헌 188 Abstract 200 부 록 204Docto