과학 문제 해결 과정에서 나타나는 영재 학생들의 과학적 사고 과정 탐색 = Exploring the scientific thinking processes of gifted high school students in the science project class

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Beginning in the 1980s, most science educators stressed the need for teaching scientific thinking skills. They has considered these skills as the scientific literacy. Because scientific knowledge is the product of human mind and these human mind is scientific thinking skills.
The purpose of this dissertation is to explore the scientific thinking processes of gifted high school students in science project class.
Qualitative research method is mainly used and quantitative research method supports this qualitative methods. Data were collected by four gifted students’ semi-structured interviews, field notes, programming assignments, and students’ field notes during the implementation of the computer program.
Seven major types of scientific thinking skills have been classified from the literature review, (1) induction, (2) deduction, (3) analogy (4) hypotheses generation, and (5) hypotheses testing (6)causal explanation (7) scientific concept framework. Exerting the causal network model between these scientific thinking skills and influencing factors such as personality, motivation, and confirmation bias through the previous six tests was the main purpose of this study.
Data also were collected using the results of logical thinking skills test, motivation and self-regulation test; student’s concept of the gravitation and oscillation; each student was asked about the Newton’s law of universal gravitation and Kepler’s Laws and harmonic motion. In summary, Subjects took six tests (1) GALT(Group Assessment of Logical Thinking) (2) MSLQ(Motivated Strategies for Learning Questionnaire) (3) scientific thinking's test (4) scientific concepts' test (5) working memory test (6) Wason's task, through the project period.
They were analyzed using content analysis method, Atlas.ti 5.6 program, and SPSS 15.0 program.
The main factors that is influencing students' scientific thinking process are the personality and motivation of student, the instruction strategies implemented by teacher. In the course of scientific thinking processes, there are combining scientific thinking skills. And there is also the difference of science problem solving processes between expert and novice.
Substantially, students’ use of the thinking skills were strongly influenced by student's concept framework and teacher's caring. And there was also students' scientific thinking framework. The paper gives detailed explanations of the factors and process of students thinking.
Then, it founded that scientific concept framework and scientific thinking framework played major roles in influencing student’s scientific thinking.

국문 초록 (Abstract)

1980년대부터 과학교육학자들은 과학적 사고를 증진시키기 위한 교육의 필요성을 제기하였으며, 과학적 사고를 과학적 소양으로 갖추어야 될 중요한 요건으로 보았다. 과학적 사고 교육이 필요한 좀 더 근원적인 이유는 과학지식이 인간의 정신적 산물이며, 이러한 과학지식을 발견하는 데 사용되는 인간의 정신적 능력이 바로 과학적 사고이기 때문이다. 그러나 과학적 사고에 대한 기존의 연구는 귀납ㆍ연역ㆍ유추ㆍ문제해결ㆍ인과ㆍ개념과 같은 과학적 사고를 구성하는 여러 가지 하위 요소들 중에서 중요하다고 생각하는 어느 한 가지 요소만을 국한하여 연구하거나, 개인의 과학적 사고 과정을 면밀히 고찰하기 위한 인지이론, 성격이론, 동기이론의 영향 등은 제대로 고려하지 않은 채 이루어져 왔다.
따라서 본 연구자는 과학적 사고의 다양한 하위요소와 과학적 사고 과정의 배경 요인들을 고려한 연구가 필요하다고 판단하였다. 본 연구에서는 과학적 사고가 무엇인지, 과학적 사고는 어떤 하위요소로 분류되는 지, 하위요소들과 외부요인들 간에는 어떤 관계가 있는 지에 대해 심도 있게 비판적으로 고찰하여 과학적 사고에 대한 이해를 높이고자 한다. 그리고 이를 위해서, 본 연구자는 첫째 과학적 사고과정에서 나타나는 배경요인은 무엇이고 둘째 그러한 요인의 상호작용에 의해 구축된 ‘과학적 사고 과정’은 어떤 양상으로 나타나며 셋째 과학적 사고의 배경요인과 과학적 사고과정의 요소와의 연관성은 어떤 양상인지에 대하여 탐색하였다.
본 연구는 2009년 과학적 사고 과정을 볼 수 있도록 설계된 프로젝트 수업 현장에서 진행되었다. 연구대상자는 경기북부 인문계 고등학교 공동영재학급 35명 중에서, 마지막 전형단계의 자료와 4월과 5월에 2차례 실시된 역학 시뮬레이션 수업에 대한 수업평가를 토대로 하여, 과학개념의 이해 수준과 과학에 대한 흥미여부를 기준으로 4명을 선정하였다. 본 연구에서는 과학적 사고 과정에 영향을 주는 요인을 살펴보기 위해, 과학적 사고ㆍ과학개념ㆍ인지수준ㆍ학습동기ㆍ작업공간 사용성향ㆍ가설생성 성향과 같은 학습자상태를 파악할 수 있는 6가지 검사를 실시하였다. 다음으로 과학적 사고 과정이 나타나는 모습을 분석하기 위해서는, 학생들에게 물리문제에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 과제를 제시하였고 과제 수행과 동시에 사고일지를 작성하도록 요구하였다. 전체적으로는 매회 3차시씩 16회의 수업을 통해서 수집된 과제ㆍ일지ㆍ면담자료를 통하여 4명의 영재들의 과학적 사고 과정에 대하여 면밀하게 분석하고 해석하였다.
사례1 학생은 각성수준이 높고 정확한 과학개념체계를 가지고 있었다. 학습동기와 전략은 다른 학생들과 비슷한 수준이었고 물리에 대한 관심이 높았다. 기억공간의 각성수준이 높은 만큼 과제에 대한 집중도 또한 높아서 과제를 정확하게 잘 수행하였다. 또한 패턴 찾기와 같은 귀납적 사고를 잘하였기에 진자 운동 시뮬레이션에서는 가장 빠른 속도로 과제 수행을 완료하였다.
사례2 학생은 기억공간에서 기억단위(chunk)를 사용하는 경향이 있고 매우 독창적이었으며 정확한 과학개념체계와 사고체계를 가지고 있었다. 사례1 학생과 마찬가지로 물리에 대한 관심이 높았다. 개인만의 독특한 사고체계가 있었고 관심분야에 대한 선호도가 분명하였기 때문에, 수업주제에 따라 학습동기가 유동적으로 나타났다. 사례2 학생은 과학적 사고 검사 점수가 가장 높았기에 과제 수행 중 사고를 가장 적게 사용하였다.
사례3 학생은 기억공간에서 기억단위(chunk)를 사용하는 경향이 있고 정확한 과학개념체계를 가지고 있었다. 사례1, 2 학생과 마찬가지로 물리에 대한 관심이 높았다. 독학으로 공부했기 때문에 원리를 정확히 파악할 줄 안다는 장점을 가지고 있었지만, 문제풀이의 양이 많지 않았던 까닭에 과제수행에 어려움을 겪는 모습이 나타났다. 따라서 생성-검증 전략을 가장 많이 사용하였다.
사례4 학생은 기억공간에서 기억단위(chunk)를 사용하는 경향이 있고 매우 전략적인 사고를 하였으나 약한 과학개념체계를 가지고 있었다. 물리에 대한 흥미가 부족하고 선수학습이 없어서 개념체계가 약했지만 인지수준은 다른 학생과 비교해 비슷한 수준이었다. 학습동기와 전략은 4명 중에서 가장 높았다. 따라서 여러 가지 전략을 사용해서 약한 개념체계를 극복하고 과제를 해결해내는 모습을 보였다. 또한 모순점을 잘 찾으며, 경우의 수를 만드는 것과 변인통제를 잘하였다. 그러한 결과 다른 학생과 다른 종류의 인과적 사고가 드러났다.
사례1～4 학생 모두에게서 문제풀이에 대한 사고 과정이 익숙해지면 사고 횟수가 줄어드는 것을 볼 수 있었다. 이는 사고 과정이 과학 전문가 수준으로 본인도 의식할 수 없을 정도로 빨라지거나, 불필요한 중간단계가 제거되기 때문이라 사려한다.
과학적 사고 과정에 영향을 미치는 직접적이고 가장 강한 요인은 과학개념체계였으며 간접적이고 가장 강한 요인은 교사의 역할이었다. 과학개념체계와 마찬가지로 과학사고체계가 존재하였으며 과학사고체계는 이러한 사고체계를 가진 학생이 학습상황에 구애받지 않고 학습에 흥미를 느끼게 하는 요인으로 작용하였다. 전체적인 연구결과는 4가지 사례에 모두 적용할 수 있는 ‘고등학교 영재 학생들의 과학적 사고 과정 요소 간의 연관성’이라는 한 장의 그림으로 도출되었다.
본 연구는 귀납ㆍ연역ㆍ유추ㆍ인과적 사고와 가설생성ㆍ가설검증ㆍ개념 활동이 나타나는 과학적 사고 수업을 통한 현장연구로, 과학적 사고 과정을 탐색하는 기존의 연구 중에서 아직 시도한 바가 별로 없는 연구문제를 다루었다. 본 연구결과 도출된 과학적 사고 과정의 요소간의 관계를 분석한 내용이 과학적 사고 교육의 시작에 작은 의미를 보탤 수 있을 것이라 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• A. 연구 필요성 및 목적 = 1
• B. 연구 문제 = 5
• C. 용어 정의 = 5
• Ⅱ. 이론적 배경 = 7
• A. 과학적 사고 의미 = 7
• B. 과학적 사고 요소와 배경요인 = 10
• C. 사고 수업과 문제 해결 = 18
• Ⅲ. 연구 방법: 과학적 사고 수업을 통한 자료 수집과 분석 = 24
• A. 연구 배경 및 설계 = 24
• 1. 연구 기간ㆍ대상ㆍ장소 = 24
• 2. 연구 설계 = 26
• B. 과학적 사고 수업 개발과 사고 배경 요인 검사 = 28
• 1. 사고 수업 개발 = 28
• 2. 수업 과제 개발 = 36
• 3. 배경 요인 검사 = 43
• C. 자료 수집과 분석 = 46
• 1. 자료 수집 = 46
• 2. 자료 분석 = 54
• Ⅳ. 연구 결과: 영재 학생들의 과학적 사고 과정 = 61
• A. 과학적 사고 과정의 배경 요인 = 61
• 1. 개인 배경 = 62
• 2. 학습 동기 = 77
• 3. 수업 전략 = 83
• B. 과학적 사고 과정의 양상 = 93
• 1. 과학적 사고 과정 요소의 사용 빈도 = 93
• 2. 초보자의 느슨한 과학적 사고 체계와 반성적 사고 = 102
• 3. 과학 전문가와 영재의 문제 해결 과정 차이 = 106
• C. 과학적 사고 과정 요소간의 연관성 = 111
• Ⅴ. 결론 및 제언 = 122
• 참고문헌 = 127
• 부록 A.1 과학적 사고 검사 = 133
• 부록 A.2 만유인력의 법칙과 케플러의 법칙에 대한 개념 평가 문항 = 137
• 부록 A.3 진자운동에 대한 개념 평가 문항 = 138
• 부록 A.4 Working Memory 용량 검사 및 Wason의 가설생성 검사 = 139
• 부록 B.1 사례1 학생의 지구 공전 시뮬레이션 1차 수집 과제 = 140
• 부록 B.2 사례1 학생의 지구 공전 시뮬레이션 2차 수집 과제 = 141
• 부록 B.3 사례1 학생의 지구 공전 시뮬레이션 3차 수집 과제 = 142
• 부록 C.1 태양계 내 행성의 운동 시뮬레이션 과제 연구 포스터 = 143
• 부록 C.2 진자 운동 시뮬레이션 과제 연구 포스터 = 144
• ABSTRACT = 145