과학적 증거의 사용을 촉진하는 초등 과학 탐구 학습 프로그램의 개발 및 적용 = Development and application of scientific inquiry learning program for facilitating scientific evidence in elementary school

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, Inquiry-based learning program was developed for promoting students' scientific justification activities along with their uses of scientific evidence in elementary school. The program was applied to the 5th grade science class to examine the effect of the program on the cognitive development level, perception of scientific learning environment, and attitude toward science. Also, the types and features of their scientific justification activities found in this study were analyzed.
The objects of this study were 4 classes in 5th grade of E elementary school located in Seoul, KOREA. The Inquiry-based learning program covering two topics, ‘5. Reaction of solution and 6. Making electric circuit, was developed for promoting students' scientific justification activities. The program was applied to the experimental class for 4 weeks, for 9 lessons. In this study, statistical methods as well as qualitative ones were applied to examine the effects of the program and proceed the in-depth analysis of students' justification activities through their classroom discussion. The whole classroom activities were recorded using 3 video cameras and audiotapes to investigate all of students' classroom activities and learning behavior.
The findings in this study are as follows:
First, Inquiry-based learning to promote scientific justification included 5 phases, 'problem understanding,' `individual justification,' `performance of inquiry activity,' `social justification,' and 'conclusion'.In the 'problem understanding' phase.
Second, after the treatment of the program, the students’ cognition test of scientific learning environment showed significant effects in the areas of critical view and social interaction. On the other hand, there were no significant effects found in students' cognitive level development and attitude toward science.
Third, the evidence used by students during scientific justification process appeared as knowledge-based evidence, experience-based evidence and authority-based evidence. Overtime, the evidence used by the students became more valid and relevant, but there were also some students who were unable to make the relevant relations between the evidences and the claims they used.
Finally, when closely observed students' discussion activities in focus groups(8 students), this study found that each student in the groups showed consistent patterns and features to propose their claims based on valid evidence to persuade others.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 초등학생들의 과학적 증거의 사용에 기반을 두어 과학적 정당화 활동을 촉진하는 탐구 기반 과학 학습 프로그램을 개발하였다. 개발한 프로그램을 실제 과학 수업에 적용하여 인지발달수준, 과학 학습 환경 인식, 과학에 대한 태도에 미치는 효과를 조사하였으며, 초등학생들이 수업 활동 동안에 나타내는 과학적 증거 및 이의 사용에 바탕을 둔 정당화 활동의 유형과 특징을 분석하였다.
본 연구의 대상은 서울시에 위치한 E초등학교 5학년 4개 학급이었으며, 본 연구에서 개발한 과학적 정당화를 촉진하기 위한 탐구 기반 학습 프로그램을 4주 동안 ‘5. 용액의 반응과 6. 전기회로 꾸미기’ 중 총 12차시에 걸쳐 실험반 2개 학급에 적용하였다. 연구 과정에서 나타나는 통계적 효과를 분석하였으며, 학생들이 보이는 과학적 증거의 사용에 기반을 둔 과학적 정당화의 유형과 변화과정을 분석하는 자료를 수집하기 위해 총 3대의 비디오를 사용하였고, 모둠탐구 활동 동안에 나타나는 학생들의 정당화 활동을 알아보기 위해 2개의 녹음기를 이용하여 녹취하였다. 이 중 6차시의 비디오 및 오디오 자료를 전사한 후 증거의 출처, 증거?주장의 타당성, 증거?주장의 논리성 3부분으로 구분하여 분석하였다.
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 과학적 증거의 사용을 촉진하기 위하여 과학적 정당화 활동을 중심으로 개발한 탐구기반학습은 ‘문제 파악하기’, ‘개인적 정당화’, ‘탐구하기’, ‘사회적 정당화’, ‘정리’ 5단계로 구성하였다. ‘문제 파악하기’ 단계는 수업에서 학생이 학습하고 해결해야 할 문제를 제시하고 파악하는 단계이다. 둘째로 ‘개인적 정당화’ 단계는 학습 문제에 대한 자신의 생각을 증거와 함께 활동지에 쓰고 모둠의견을 정하는 단계이다. 셋째, ‘탐구하기’ 단계에서 모둠의견을 정당화하는데 필요한 증거를 수집하기 위해 실험 및 조사학습 본격적인 탐구활동을 하게 된다. 넷째, ‘사회적 정당화’ 단계에서는 탐구를 통해 얻은 결과를 가지고 다른 모둠에 발표하고 그것을 서로 평가하고 토론하여 모둠탐구의 결과를 인정받도록 한다. 마지막으로 ‘정리’단계는 모둠 보고서를 짝꿍 모둠에게 평가받고 수업 활동을 마무리하는 단계이다.
둘째, 본 연구에서 개발한 과학적 증거의 사용에 바탕을 둔 과학적 정당화 활동을 촉진하기 위한 프로그램을 적용한 결과, 초등학생들의 비판적 견해와 사회적 상호작용 측면에서 유의미한 효과가 나타났으나 학생들의 인지수준발달, 과학태도에는 유의미한 효과를 주지 않은 것으로 나타났다.
셋째, 초등학생들이 탐구학습과정 동안에 사용한 증거는 지식에 근거한 증거, 경험에 근거한 증거, 외부 권위에 의존하는 증거 순으로 사용하는 것으로 나타났다. 과학적 정당화 유형을 조사한 결과, 수업이 진행되는 동안 학생들이 사용하는 증거가 타당하고 논리적으로 변화하였다. 그러나 과학적으로 타당하지 않은 증거와 주장을 지속적으로 사용하거나, 사용한 증거와 주장 사이에 논리적인 관계를 나타내지 못하는 경우도 관찰되었다.
넷째, 두 개의 모둠(8명) 활동을 집중적으로 관찰한 결과, 학생 개개인은 수업 활동 시 증거를 사용하여 주장하고 설득하는 과정에서 일관된 특징을 나타내었다. 수업이 진행될수록 과학적 증거를 제시하기 위한 활동에 다양하게 참여하여 증거?주장의 타당성, 논리성 부분에서 향상을 보이는 학생과 참여는 하지만 증거와 주장 사이의 논리적인 관계를 맺지 못하는 특징을 보이는 학생이 있었다.
이를 바탕으로 내린 결론은 다음과 같다.
첫째, 과학적 증거를 바탕으로 하는 과학적 정당화 활동을 촉진하는 탐구기반학습 활동은 교사와 학생사이, 학생과 학생사이의 ‘대화’, 상호작용을 강조한 탐구의 목적을 이룰 수 있는 하나의 방안이 될 수 있다.
둘째, 초등학교 5학년 학생들은 수업을 하면서 타당하고 논리적인 주장과 증거를 사용하여 과학적 정당화 활동을 하려고 한다.
셋째, 초등학교 5학년 교실 현장에 적용했을 때, 학생들은 새로운 학습 방법에 대한 적응, 학습량, 시간 등에 대한 어려움을 호소하였다. 이를 해결하기 위한 교사의 다각적인 노력이 필요하다.
따라서 과학교육현장에서 학생들이 과학적 증거를 바탕으로 과학적 정당화 활동을 활발히 할 수 있도록 다른 학년, 다른 교과 내용에 적용해 볼 필요가 있으며, 타당하고 논리적인 증거를 바탕으로 과학적 정당화 활동을 할 수 있는 분위기를 조성하고 설득력 있는 표현이 이루어질 수 있는 교수전략이 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 3
• 3. 연구의 제한점 3
• 4. 용어의 정의 4
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 과학적 정당화 5
• 가. 정당화의 일반적인 의미 5
• 나. 과학에서의 정당화 5
• 다. 학생들의 과학적 정당화 7
• 라. 타교과에서의 정당화에 대한 연구 8
• 2. 탐구기반학습에 대한 고찰 16
• 가. 과학 탐구기반학습의 의미 16
• 나. 과학탐구기반학습에서 초등 교사의 역할 19
• 다. 의사소통을 강조하는 다양한 탐구 학습 모형 20
• 3. 증거와 관련한 선행연구 24
• Ⅲ. 연구 방법 27
• 1. 연구 대상 27
• 2. 연구과정 및 절차 29
• 3. 과학적 증거의 사용을 촉진하는 탐구기반학습 개발 30
• 가. 과학적 증거의 사용을 촉진하는 탐구기반학습을 위한 프로그램 개발 30
• 나. 과학적 증거의 사용을 촉진하는 초등과학탐구학습프로그램의 적용 예시 38
• 4. 자료수집 41
• 가. 양적연구 자료 41
• 나. 질적연구 자료 44
• 5. 질적 자료 분석틀 46
• 가. 증거의 출처(Source) 46
• 나. 증거․주장의 타당성(Validity) 48
• 다. 증거․주장의 논리성(Relevance) 49
• 6. 분석방법 51
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 53
• 1. 과학적 증거 사용을 촉진하는 탐구기반 학습의 효과 53
• 가. 인지 발달 수준에 미치는 효과 53
• 나. 학생들의 과학 학습 환경 인식에 미치는 효과 55
• 다. 과학태도에 미치는 효과 59
• 2. 학생들의 과학적 정당화의 유형 분석 61
• 가. 증거의 출처 61
• 나. 증거·주장의 타당성에서 나타난 특징 70
• 다. 증거·주장의 논리성에서 나타난 특징 83
• Ⅴ. 결론 및 제언 93
• ABSTRACT 96
• 참 고 문 헌 99
• 부록
• <부록 1> 논리적 사고력 검사지(축소본 GALT) 106
• <부록 2> 과학학습환경인식 검사지(CLES) 118
• <부록 3> 과학태도검사지 120
• <부록 4> 본 활동에 대한 학생들의 설문지 122
• <부록 5> 집중관찰그룹 개별 인터뷰 질문지 126
• <부록 6> 모둠 탐구보고서 127
• <부록 7> 모둠 활동지 - 자기 생각 나타내기 129