소집단 과학 논변 활동에서 학생들의 불확실성 경험 탐색 : 불확실성 유형과 제기?유지 과정을 중심으로 = Exploring Students’ Engagement with Uncertainty in Small-Group Scientific Argumentation: Types and the Processes of Raising and Maintaining Uncertainty

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Students today live in an era of rapid change and uncertainty driven by infectious diseases, artificial intelligence, and the climate crisis. Consequently, education focuses on cultivating students' ability to actively manage uncertainty in an unpredictable future. This trend is equally evident in science education. Students inevitably encounter difficulties, specifically uncertainties, when interacting with data or peers that cannot be easily resolved with prior knowledge. Thus, the ability to manage such uncertainty has become critical. However, in science classrooms, uncertainty is still often viewed as an obstacle to learning that must be removed. Therefore, this study aimed to empirically explore in depth the types of uncertainties students experience in small-group scientific argumentation and the processes by which they raise and maintain them.
Korean seventh-grade students participated in the study, engaging in small-group argumentation on the topic of photosynthesis. We selected four focal groups that actively participated in argumentation and showed rich discourse. Three argumentative lessons were chosen for detailed analysis. All lesson transcripts, small-group interviews, student worksheets, and the researcher's field notes were collected and analyzed qualitatively. The entire analysis followed the constant comparative method to ensure reliability.
[Research Theme I] revealed three major types of uncertainty that contributed to the small-group argumentation. First, uncertainty regarding scientific content knowledge prompted conceptual support from high-achieving peers or the teacher, thereby facilitating the justification of arguments. Second, uncertainty regarding data encouraged students to consider alternative perspectives. This led students to raise rebuttals against dominant opinions and engage in collaborative reasoning to reach a consensus. Finally, uncertainty regarding the method of constructing scientific arguments elicited epistemic support from the leader, who was more proficient in argumentation. Rather than allowing peers to passively follow her opinions, the leader encouraged them to present their own evidence. These findings show that uncertainty, depending on its type, can productively contribute to argumentation—specifically through justification, rebuttal, reasoning, and the presentation of one's own evidence—when it is either reduced or maintained with appropriate conceptual and epistemic support from peers.
[Research Theme II] identified how students raised and maintained uncertainty during small-group scientific argumentation, and the conceptual and epistemic learning opportunities afforded by these processes. When students merely listed individual ideas without attending to differences, uncertainty was not raised, and argumentation remained at a superficial level. Although uncertainty was raised by students as they questioned others’ ideas or data, it was not maintained when leaders prioritized their own explanations or deferred to authoritative sources, which prematurely ended the discussions.
In contrast, maintaining uncertainty was particularly frequent in the open-ended inquiry task and was consistently observed across all three lessons in the group led by a leader who pursued the coexistence of diverse perspectives. Within these two main contexts, maintaining uncertainty allowed students to compare ideas, rebut and justify arguments, and engage in conceptual and epistemic learning, such as reconstructing prior knowledge and critiquing the validity of experimental designs. These findings indicate that open-ended inquiry tasks and inclusive leadership can serve as key contextual factors for maintaining uncertainty. Conversely, uncertainty may not be raised or maintained when students disregard each other's opinions, leaders focus solely on their own explanations, or students defer to the authority of scientific terms and the teacher.
In conclusion, by illuminating uncertainty through the dual dimensions of types and processes, this study empirically demonstrates that uncertainty is an intrinsic element and a key driving force in the knowledge construction process. These findings emphasize the necessity of instructional designs that actively support students in navigating uncertainty in science classrooms. This study can provide a theoretical and empirical background for future research in science classrooms centered on uncertainty.

국문 초록 (Abstract)

학생들은 현재 감염병, 인공지능, 기후 위기 등으로 인해 급격하게 변화하는 불확실성의 시대에 살아가고 있다. 교육은 이처럼 학생들이 예측 불가능한 미래 사회의 불확실성에 능동적으로 대처할 수 있는 역량을 길러주는 데 주목한다. 이와 같은 흐름은 과학 교육에서도 마찬가지로 나타난다. 학생들은 선행 지식으로 해결하기 어려운 현상이나 데이터, 또는 동료와의 상호작용 과정에서 필연적으로 어려움, 즉 불확실성을 경험하게 되는데 이를 관리하는 능력이 중요해진 것이다. 그러나 학교 현장에서는 여전히 불확실성을 제거해야 할 학습의 방해 요인으로 인식하고 있다. 따라서 본 연구는 소집단 과학 논변 활동에서 학생들이 경험하는 불확실성의 유형과 이를 제기‧유지하는 과정을 심층적으로 탐색함으로써, 불확실성이 지식 구성 과정의 자원이자 동력으로 작용함을 실증적으로 탐색하고자 하였다.
본 연구는 광합성 단원에서 10차시로 설계된 논변 수업에 참여한 중학교 1학년 한 학급을 대상으로 이루어졌다. 소집단 학생들의 참여도가 높고, 상호작용이 활발하여 논변 담화가 풍부하게 나타난 세 차시 수업과 네 개 소집단을 초점 자료로 선정하였다. 자료 분석은 수업 전사본을 중심으로 학생들의 논변 발화와 소집단 상호작용을 질적으로 분석하였으며, 소집단 인터뷰, 수업 중 작성된 활동지, 연구자의 필드노트를 함께 검토하였다. 분석의 전 과정은 지속적 비교 분석법을 통해 이루어졌으며, 동료 검증을 통해 분석의 신뢰도를 높이고자 하였다.
[연구 주제 Ⅰ]에서는 학생들이 경험하는 불확실성을 세 가지로 유형화하고, 각 유형의 불확실성이 소집단 논변에 생산적으로 기여한 양상을 구체적으로 탐색하였다. 첫째, 과학 내용 지식에 대한 불확실성은 성취도가 높은 동료나 교사로부터 개념적 지원을 이끌어 논변을 정당화하는 데 활용되었다. 둘째, 데이터에 대한 불확실성은 학생들에게 대안적 관점을 고려해 보도록 하였는데, 구체적으로 소집단 중심 의견에 대안적 가능성을 제기하는 반박으로 이어지거나, 대안적 논변을 구성하여 반박과 협력적 추론을 주고받는 것이 나타났다. 셋째, 논변 구성 방법에 대한 불확실성은 리더이자 성취도가 높은 학생으로부터 인식적 지원을 이끌어내 나머지 학생들이 리더의 의견을 무조건 따르지 않고, 각자의 근거를 제시하도록 하였다. 이와 같은 결과는 불확실성이 그 유형에 따라 동료로부터 적절한 개념적, 인식적 지원을 받아 감소되거나 대안적 관점을 고려하며 유지되었을 때 정당화, 반박, 추론, 각자의 근거 제시 등과 같이 논변에 생산적으로 기여할 수 있음을 보여준다.
[연구 주제 Ⅱ]에서는 학생들이 불확실성을 제기 및 유지하는 방식을 분석하고, 그 과정에서 나타난 소집단 과학 논변 양상과 개념적⋅인식적 학습 기회를 탐색하였다. 불확실성이 제기되지 않은 경우, 학생들은 서로의 주장이나 근거 차이에 주목하지 않고 각자의 의견을 나열하는데 머물렀으며 논변은 형식적인 수준을 보였다. 불확실성이 유지되지 않은 경우, 학생들은 상대방 아이디어나 데이터에 의문을 던지며 불확실성을 제기했지만, 리더가 자신의 아이디어 설명에만 집중하거나 과학 용어나 교사의 발언에 권위를 부여하자, 이에 동조하며 논의가 단절되었다.
반면, 제기된 불확실성이 유지된 경우, 학생들은 변인 통제와 관련된 아이디어를 평가‧보완하며 실험 설계를 검토하고, 과학적 추론을 통해 개념을 심화시키거나, 스스로 주장을 정당화하며 동료의 아이디어를 평가했다. 더불어 이 과정에서 학생들은 목표 지식과 관련된 선행 지식을 정교화하는 개념적 학습 기회를 경험하는 동시에, 데이터를 근거로 활용하거나 대안적 주장을 평가하는 등과 같은 인식적 학습 기회도 경험하였다. 이러한 불확실성의 유지는 세 초점 수업 중 개방적 탐구 과제로 설계된 한 차시에서, 네 초점 집단 가운데 한 소집단을 제외한 나머지 모든 소집단에서 나타났다. 또한, 네 초점 집단 중 한 소집단은 세 초점 수업 모두에서 불확실성을 지속적으로 유지하였다. 이 소집단의 리더는 자신의 혼란을 솔직하게 표현하고, 동료의 타당하지 않은 추론에 대해서는 판단을 유보하는 태도를 취하며, 소집단 내 여러 관점이 공존할 수 있는 상호작용으로 이끌었다. 이와 같은 결과는 학생들이 불확실성을 능동적으로 다루도록 하는 교실 환경을 조성하는데 개방적 탐구 과제의 설계와 소집단 리더의 포용적 리더십 지원이 효과적인 요인으로 작용할 수 있음을 보여준다.
결론적으로 본 연구는 소집단 과학 논변 활동에서 학생들이 경험하는 불확실성을 유형과 과정이라는 서로 다른 차원에서 조명함으로써, 불확실성이 지식 구성 과정에 내재된 본질적 요소이자, 그 과정을 이끄는 핵심 동력임을 실증적으로 보여주었다. 이와 같은 결론은 학교 과학 수업에서 학생들이 불확실성을 능동적으로 다루도록 지원하는 교수 설계의 필요성을 제시한다. 이러한 방향성은 향후 불확실성을 중심으로 한 과학 교육 연구에 이론적·경험적 토대를 제공할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 및 내용 7
• 3. 용어의 정의 9
• 4. 연구의 제한점 12
• Ⅱ. 이론적 배경 14
• 1. 과학과 과학 교육에서의 불확실성 14
• 1.1. 과학 탐구와 불확실성 15
• 1.2. 과학 교육과 불확실성 17
• 1.2.1. 불확실성의 교육적 의미 19
• 1.2.2. 인지 갈등‧문제 인식과 불확실성 20
• 1.2.3. 불확실성의 유형 23
• 1.2.4. 학습 자원으로서의 불확실성 27
• 1.2.5. 불확실성과 학습 기회 29
• 2. 논변과 불확실성 31
• 2.1. 과학 교육에서 논변 연구의 흐름 31
• 2.2. 논변의 구조적 측면에 내재된 불확실성 32
• 2.3. 논변의 사회적 상호작용과 불확실성 33
• 3. 학생들의 불확실성 경험과 교육적 지원 35
• 3.1. 학생들의 불확실성 경험 과정 36
• 3.1.1. 불확실성의 제기 36
• 3.1.2. 불확실성의 유지 37
• 3.1.3. 불확실성의 감소 38
• 3.2. 불확실성 경험을 위한 교육적 지원 39
• 3.2.1. 교육 과정 차원 39
• 3.2.2. 수업 설계 차원 41
• 3.2.3. 교사 실행 차원 42
• Ⅲ. 연구 방법과 절차 45
• 1. 연구 참여자 및 맥락 46
• 1.1. 연구 참여자 46
• 1.2. 연구 맥락 48
• 2. 자료 수집 52
• 3. 자료 분석 53
• 3.1. 선행 연구 기반의 연역적 분석 방법 53
• 3.2. 지속적 비교를 통한 귀납적 분석 절차 56
• Ⅳ. 연구 결과와 논의 68
• 1. 소집단 논변 활동에서 학생들이 경험하는 불확실성 유형 탐색 68
• 1.1. 과학 내용 지식에 대한 불확실성 70
• 1.2. 데이터에 대한 불확실성 72
• 1.2.1. 데이터 수집에 대한 불확실성 73
• 1.2.2. 데이터 해석에 대한 불확실성 75
• 1.3. 논변 구성 방법에 대한 불확실성 81
• 1.4. 논의 85
• 2. 불확실성의 제기 및 유지 과정에서 나타나는 소집단 논변 양상과 개념적‧인식적 학습 기회 탐색 89
• 2.1. 제기되지 않은 불확실성: 상대 의견에 대한 무관심과 형식적 과제 수행 92
• 2.2. 유지되지 못한 불확실성: 권위에 의한 차단과 논변의 조기 종결 94
• 2.3. 유지된 불확실성: 아이디어 평가와 보완에 따른 논변 심화 및 개념적‧인식적 학습 기회 101
• 2.3.1. 개방적 탐구 과제: 실험 설계 타당성의 지속적 검토 102
• 2.3.2. 포용적 리더십: 대안적 관점의 활성화와 과학 개념 탐색 110
• 2.4. 논의 118
• Ⅴ. 결론과 제언 123
• 1. 결론 123
• 2. 연구의 함의와 교육적 시사점 127
• 3. 후속 연구과제 130
• 참고문헌 132
• 부록 146
• Abstract 149