초등학교에서 열의 이동 개념 지도를 위한 과학사 수업 방법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to examine the types of misconception of heat transfer shown by the fourth graders of elementary school, analyze changes of concept after class introducing the history of science and investigate the effects of class introducing it.
The subjects of this study were 80 fourth graders at 2 classes of M elementary school in Gwangju-city and 40 of them were assigned to experimental group which conducted class introducing the history of science and remaining 40 to control group which had traditional class faithful to the 7th curriculum.
Items of questionnaire used for this study were selected from preceding researches related to heat transfer and they were restructured and revised for pretest. One more pretest was conducted additionally to understand the previous concept exactly.
Class introducing the history of science restructured and applied a variety of teaching methods including exploration of scientists and science historical discussion of scientific concepts as well as inserting story data of the history of science.
For class treatment, five classes were conducted at experimental and control groups respectively and 2 weeks later, posttest was conducted with the test paper of the same items as those of pretest.
The results of this study analyzing pretest and posttest are as follows;
First, it was found that it was difficult for students to understand the concept of heat and temperature from the microscopic view of molecular motion with the level of their cognitive development. While heat is considered as molecular motion energy by temperature gap in modern physics on the developmental stage of the history of science, it was difficult for students to understand molecular motion of substance on the stage of curriculum that the concept of particle was not taught. In experimental group teaching it, there was few students who could state or describe scientific concepts and contents.
Second, it was found that when elementary school students explain heat transfer, they had some important misconceptions. It includes 'cool air moves', 'iron transfers heat because it is burnt well by fire and wood doesn't transfer heat because it is not burnt well by fire', 'boiling of water is because bubble moves' and 'solar heat is transferred through air.' For treating these misconceptions, this study restructured science class with curriculum introducing the history of science and applied it to experimental class.
Third, experimental class having class introducing the history of science showed higher rates of students who answered using scientific terms compared to control class and the rate of students who acquired the right scientific concept and answered science questions using it was also higher than control class. But, students classified to category C in both experimental and control classes showed no changes of scientific concepts after class treatment and they had still misconceptions.
Consequently, to teach concept of heat transfer to elementary school students based on these results of research, curriculum should be restructured to carry out teaching content of particle concept of substance. In addition, it is expected that systematic curriculum for students to understand the microscopic concept of science like thermal energy in the context of the history of science shall be established.

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 초등학교 4학년 학생들이 가진 열의 이동에 대한 오개념의 유형을 파악하고, 과학사를 도입한 수업을 실시한 후 개념 변화를 분석해서 과학사를 도입한 수업의 효과를 알아보는데 그 목적이 있다.
이 연구의 대상은 광주광역시에 있는 M초등학교 4학년 학생들 중에서 2개 학급의 80명을 대상으로 하였으며, 실험반과 통제반으로 각각 40명씩 나누어 실험반은 과학사를 도입한 수업을 실시하였고, 통제반은 7차 교육과정 지도서에 충실한 전통적인 수업을 실시하였다.
이 연구에서 사용된 설문지의 문항은 열의 이동에 관련된 선행연구 중에서 10문항을 추출해서 재구성하고 수정해 사전검사를 실시하였고 선개념의 정확한 파악을 위해 사전검사를 1회 추가적으로 실시하였다.
과학사를 도입한 수업은 과학사 이야기 자료를 삽입하는 방식뿐만 아니라 과학자에 대한 탐구와 과학적 개념에 대한 과학사적인 토의 등 다양한 수업 방식을 학습 내용에 맞게 재구성하여 적용하였다.
수업 처치를 위해 실험 집단과 통제 집단 각각 5차시의 수업을 실시하였으며 2주일이 지난 후 사전검사에 사용했던 동일 문항의 검사지로 사후검사를 실시하였다.
사전검사와 사후 검사를 분석한 본 연구의 결과는 다음과 같다.
첫째, 초등학생들은 열의 이동을 설명할 때 몇 가지 중대한 오개념을 가지고 있음이 발견되었다. 이는 ‘냉기가 이동한다’, ‘물이 끓는 것은 기포가 이동하기 때문이다’, ‘태양열은 공기를 타고 전달된다.’이었다. 이렇게 발견된 오개념의 치료를 위해 과학사를 도입한 교육과정으로 재구성하여 실험반에 수업처치를 하였으며 앞으로도 열에 대한 오개념 연구와 개선을 위한 프로그램 개발이 필요할 것으로 본다.
셋째, 과학사를 도입한 수업을 실시한 실험반은 통제반에 비해 과학적 용어를 사용하여 응답을 한 학생의 비율이 높았으며, 과학적 개념을 묻는 문항에 올바른 과학적 개념을 획득하여 답변한 학생의 비율도 모두 높게 나타났다. 그러나 실험반과 통제반 모두 오개념을 가진 C수준으로 분류된 학생들은 수업 처치 후에도 과학적 개념의 변화가 크게 나타나지 못하였다.
넷째, 과학사의 발달 단계상 현대 물리학에서는 열을 온도차에 의한 분자 운동 에너지로 보고 있으나 입자 개념이 지도되지 않은 교육과정 단계상 학생들은 물질의 분자운동 개념을 이해하기 힘들어하였다. 이를 지도한 실험반에서도 과학적 개념 및 과학적 내용 진술을 할 수 있는 학생이 극소수였다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 초등학교에서 열의 이동 개념을 지도하기 위해서는 물질의 입자 개념에 대한 내용이 우선적으로 실시되도록 교육과정이 재구성되어야 할 것이다. 또한 학생들이 과학사의 맥락에서 열에너지와 같은 미시적인 개념을 단계적으로 이해해 나갈 수 있는 체계적인 교육과정이 수립될 수 있길 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 9
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 9
• 2. 연구 문제 = 10
• 3. 용어의 정의 = 11
• 4. 연구의 제한점 = 11
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행연구 = 11
• 1. 과학사와 과학교육 = 11
• 2. 열 개념의 과학사적 고찰 = 16
• 3. 선행 연구 = 19
• Ⅲ. 연구의 방법 = 24
• 1. 연구의 대상 = 24
• 2. 연구 주제와 관련된 단원 = 24
• 3. 연구의 절차 = 26
• 4. 자료 처리 및 분석 방법 = 28
• Ⅳ. 결과 및 논의 = 29
• 1. 수업 전 열의 이동에 대한 선개념 유형 = 29
• 2. 과학사 수업을 위한 교육과정 재구성 = 41
• 3. 과학사를 도입한 수업 후 개념 변화 유형 = 54
• Ⅴ. 결론 및 제언 = 73
• 1. 결론 = 73
• 2. 제언 = 74
• 참고문헌 = 76
• ABSTRACT = 79
• 부록 = 82