고등학교 영재 학생을 위한 생물정보학 수업 프로그램 개발 및 적용 : 염기서열 비교를 통한 계통수 작성 활동을 중심으로 = Design and Implementation of an Instructional Bioinformatics Program for Gifted High School Students: Emphasis on Tree Thinking and Phylogenetic Reconstruc

국문 초록 (Abstract)

고등학교 영재 학생을 위한 생물정보학 수업 프로그램 개발 및 적용 -염기서열 비교를 통한 계통수 작성 활동을 중심으로 박 영 선 한국교원대학교 대학원 생물교육 전공 (지도교수 차 희 영) 진화는 생명과학의 핵심 개념이며, 계통수는 생물 간의 진화적 관계를 공통 조상과 분기 구조로 표현하는 중요한 과학적 모델이다. 그러나 학생들은 진화 를 목적론적이거나 직선적인 과정으로 이해하거나, 계통수를 단순한 분류 도 식으로 인식하는 등 진화 및 계통수 개념에 대해 지속적인 오개념을 지니고 있다. 또한, 국내 고등학교 영재 교육에서는 진화를 과학적으로 접근할 수 있 는 탐구 기반의 생물정보학을 활용한 진화 및 계통수 교육이 제한적으로 이 루어지고 있다. 이에 본 연구는 고등학교 영재 학생을 대상으로 생물정보학 도구를 활용한 계통수 작성 중심의 진화 수업 프로그램을 개발하고, 적용하여 교육적 효과를 검증하는 것을 목적으로 한다. 연구 대상은 강원도 H군 소재 K고등학교 예비 2, 3학년 영재 학생 23명이었으며, 수업 프로그램은 Renzulli 의 삼부심화학습모형을 기반으로 총 12차시로 구성되었다. 학생들은 GenBank 와 MEGA 프로그램을 활용하여 SARS-CoV-2 및 Cytochrome b 염기서열 데이 터를 분석하고, 계통수를 추론·비교·해석하는 탐구 활동을 수행하였다. 연 구 결과 첫째, 개발된 생물정보학 기반 수업 프로그램은 학생들의 자연선택 개념, 진화 개념, 계통수 사고 모두에서 통계적으로 유의미한 향상을 보였다. 특히, 계통수 사고에서 가장 많은 학생의 비율로 향상이 나타났다. 둘째, 자연 선택 개념과 진화 개념 간에는 유의미한 상관관계가 확인되었으나 계통수 사 고는 두 개념과 상관관계가 드러나지 않아 두 개념과는 다른 독립적인 인지 영역임이 확인되었다. 셋째, 학생들은 계통수가 단순한 시각적 표현이나 분류 도식이 아니라, 유전적 데이터를 정량적으로 분석하여 도출된 과학적 사실에 기반한 모형임을 명확히 이해하게 되었다. 본 연구는 계통수 사고에 대한 명 확하고 절차적, 과학적 교육의 필요성을 제시하며, 데이터 기반 과학 탐구를 강조하는 2022 개정 과학과 교육과정의 방향성에 부합하는 교육적 시사점을 제공한다. ※ 이 논문은 2026년 2월 한국교원대학교 대학원 위원회에 제출된 교육학 석사 학위 논문임.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 3
• 3. 연구의 제한점 4
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 영재 교육의 이해 5
• 2. 영재 교육의 매개체로서의 생물정보학 10
• 3. 생명과학의 통합 원리로서의 진화 16
• 4. GenBank와 MEGA를 활용한 계통수 교육의 정당성 28
• 5. 영재 학생의 계통수 학습 어려움에 대한 이론적 근거·· 31
• Ⅲ. 연구 방법 34
• 1. 연구 절차 34
• 2. 선행 연구 고찰 36
• 3. 연구 설계 38
• 4. 생물정보학 기반 교수학습 프로그램 개발 과정 39
• 5. 수업 프로그램 적용 48
• 6. 자료 수집 55
• 7. 자료 분석 56
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 59
• 1. 생물정보학 도구 수업 프로그램 개발 59
• 2. 개발한 진화 수업 프로그램이 영재 고등학생의 자연선택
• 개념에 미치는 효과 69
• 3. 자연선택, 진화, 계통수 개념 향상 분석 및 상관관계
• 80
• Ⅴ. 결론 및 제언 86
• 1. 결론 86
• 2. 제언 88
• 참고 문헌 92
• ABSTRACT 104
• 부 록 107
• 1. 교수학습 과정안 타당도 검사 의뢰서 108
• 2. 교수학습 과정안 타당도 검사 결과 118
• 3. 계통수 사고 검사지 번역 타당도 검사 의뢰서 119
• 4. 계통수 사고 검사지 논문 번역 123
• 5. 계통수 사고 검사지 번역 타당도 검사 1차 검사 결과· 130
• 6. 사전-사후 정규성 검정 결과 132
• 7. 진화 관련 개념 및 계통수 사고의 효과 비교 133
• 8. 자연선택, 진화, 계통수 세 개념 간의 상관관계 134
• 9. 영재 학생들의 활동 자료 예시 135
• 10. 영재 학생들의 활동 포스터 예시 136
• 11. 반구조화 면담지 137