메타인지 기능을 강화한 과학 창의적 문제 해결 능력 신장 프로그램 개발과 적용 = Development and implementation of science programs enhancing creative problem solving skills applying meta-cognition

국문 초록 (Abstract)

현대 사회에서는 지식과 정보의 양이 빠른 속도로 증가하고 있으며 이렇게 늘어나고 있는 지식과 정보는 인터넷을 통하여 세계 어디에서나 쉽게 접할 수 있게 되었다. 이러한 사회에서는 지식을 습득하고 저장하는 능력보다 수많은 정보 속에서 자신에게 필요한 정보를 선택하고 새롭게 조직하여 적절하게 활용할 수 있는 능력이 더 많이 요구된다. 즉, 현대 사회에서 살아가기 위하여 가장 필요한 능력은 문제를 발견하고, 그 문제를 해결하는데 필요한 지식이나 정보가 무엇인지 판단하여 적절한 것을 선별해서, 새롭고 적절한 해결 방법을 찾아내는 종합적인 문제 해결 능력이다. 이에 우리나라에서도 2007년 개정 과학과 교육 과정의 목표를 과학적 사고력과 창의적 문제 해결 능력의 신장으로 설정하였다. 그러나 창의적 문제 해결 능력을 교육 목표로 설정하여 그 중요성은 강조하고 있으나 과학 교과를 통해서 가르쳐야 할 과학에서의 창의적 문제 해결 능력이 무엇인지, 어떤 방법으로 가르쳐야 하는지, 어떻게 평가 할 것인지에 대한 구체적인 안내가 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 과학에서의 문제 해결 과정을 과학 탐구 과정으로 보고, 과학에서의 창의적 문제 해결 능력이란 자연 현상의 관찰을 통해 제기된 인과적인 의문점을 과학 탐구 과정을 통하여 새롭고 적절하게 해결하는 능력, 즉 창의적인 과학 탐구 능력으로 정의하였다. 그리고 이 정의에 따라 현장에서 과학에서의 창의적 문제 해결 능력을 평가할 수 있는 평가 도구와 과학에서의 창의적 문제 해결 능력을 신장 시킬 수 있는 수업 프로그램을 개발하였다. 과학 창의적 문제 해결 능력은 소수의 영재 학생들뿐만 아니라 미래 사회를 구성할 보통의 일반 학생들도 함양해야 할 중요한 능력이기 때문에 본 연구에서는 정규 과학 교과 수업 시간에 적용할 수 있는 수업 전략을 개발하였다. 또한 사고 능력의 신장을 목표로 하는 수업에서는 사고 기능을 점검하고 조절할 수 있는 메타인지 능력의 강화가 필수적이기 때문에 본 연구에 합당한 메타인지 기능을 강화한 수업 모형을 맨 먼저 개발하고, 이 메타인지 수업 모형을 본 연구에서 개발한 과학 창의적 문제 해결 능력 신장을 위한 수업 전략과 함께 동시에 활용하는 수업 전략을 만든 후에 그 적용 효과를 알아보고자 하였다.
이를 위해 본 논문에서는 설문 조사를 통하여 과학 창의적 문제 해결 능력에 대한 현장 교사들의 인식을 알아보고자 하였으며(연구 Ⅰ), 중학생의 과학 창의적 문제 해결 능력을 평가할 수 있는 일반적인 평가 기준과 평가 도구를 개발하였다(연구 Ⅱ). 마지막으로 메타인지 강화 수업 모형과 과학 창의적 문제 해결 능력 신장 수업 모형을 개발하여 이러한 수업 모형이 적용된 수업 프로그램이 학생들의 과학 탐구 능력과 과학 창의적 문제 해결 능력 및 메타인지 능력, 과학에 관련된 태도에 미치는 영향을 알아보고자 하였다(연구 Ⅲ).
<연구 Ⅰ>의 결과 현장 과학 교사들은 ‘과학의 기본 개념 이해’와 함께 ‘창의적 문제 해결 능력 신장’을 과학 교육의 중요한 목표로 인식하고 있었다. 그러나 실제 현장에서 ‘창의적 문제 해결 능력 신장’을 학습 목표로 사용하고 있다고 생각하는 교사는 50%가 되지 않았으며(46.1%), 75.5%의 교사들이 ‘창의적 문제 해결 능력 신장’을 실제 학습 목표로 사용하기 힘들다고 응답하였다. 이를 통하여 현장교사들은 과학 교육에서 창의적 문제 해결 능력 신장을 위한 교육의 필요성은 인식하고 있으나 실제 수업 시간에 도입하는 것은 어려워하고 있음을 알 수 있었다. 또한 교사들은 과학 창의적 문제 해결 능력을 창의성이 강조된 과학 탐구 능력(27.5%), 창의성이 강조된 문제 해결 능력(26.0%) 등으로 정의하여 창의적 문제 해결 능력을 창의성에 초점을 맞추어 이해하고 있었다. 이를 통하여 창의적 문제 해결 능력을 신장시키기 위한 교육의 중요성에도 불구하고 현장에서 많이 사용되지 않는 이유 중 하나가 창의성 교육에 대한 교사들의 부담감이라는 것을 알 수 있었다. 그러므로 보통 교육에 적용할 수 있는 구체적인 창의성의 의미와 창의성 교육의 중요성에 대한 교사 재교육이 필요하다는 결론을 얻었다. 그러나 과학 창의적 문제 해결 능력과 과학 탐구 능력간의 관계를 묻는 문항에서 창의적 문제 해결 능력이 과학 탐구 능력에 영향을 미치거나(23.0%) 창의적 문제 해결 능력이 과학적 탐구 능력을 포함한다(19.6%)는 의견이 많은 것을 보았을 때, 현장의 과학 교사들도 과학적 탐구 능력과 과학에서의 창의적 문제 해결 능력 사이에 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 바르게 인식하고 있는 것으로 나타났다. 대부분의 교사들이 과학에서의 창의적 문제 해결 능력 신장을 위한 교육의 저해 요인으로 꼽는 것은 경쟁 위주의 대학 입시제도(68.1%)와 학력 중심의 사회 분위기(58.8%)였으며, 창의적 문제 해결 능력 신장 교육을 위해 시급한 조건으로는 학급당 인원수 감축(24.8%)과 교수 전략 개발(22.5%), 교수-학습 방법에 대한 정보 제공(10.5%)과 타당하고 신뢰할 수 있는 평가 방법의 개발(10.3%)을 지적하였다. 즉, 창의적 문제 해결 능력의 신장을 위한 교육이 실제 과학 교육 현장에서 실효를 거두기 위해서는 사회적 인식의 변화와 함께 학급당 인원수의 감축 등 행정적인 지원이 요구된다. 이와 함께 창의적 문제 해결 능력을 평가할 수 있는 평가 도구와 창의적 문제 해결 능력의 신장을 위한 수업을 진행할 수 있는 실질적인 방향과 지침이 될 수 있는 수업 전략의 개발이 시급한 것으로 판단된다. 이러한 필요성에 의하여 평가 도구를 개발한 <연구 Ⅱ>와 수업 전략을 개발한 <연구 Ⅲ>을 진행하게 되었다.
<연구 Ⅱ>에서는 중학생을 위한 과학 창의적 문제 해결 능력 평가 기준과 평가 도구를 개발하기 위하여 과학 내용, 과학 탐구 과정, 사고력이라는 3개의 축으로 구성된 3차원 평가 틀을 고안하였고, 이 평가 틀에 맞추어 평가 문항을 개발하였다. 현장 교사들의 검토를 거쳐 예비 검사에 투입할 3과제로 구성된 4개 문항을 확정하였고, 예비 검사 결과를 바탕으로 각 문항의 채점 기준과 배점을 결정하였다. 완성된 최종 검사 도구를 중학교 1, 2, 3학년 320명에게 투입하여 각 문항별 채점 기준에 따라 채점하고 그 결과로 평가 도구의 양호도를 분석하였다. 과학 교육 전문가 2인과 현장 과학 교사 2인으로부터 평가 도구의 내용과 평가 기준에 대한 타당도를 검증받았고, 개발한 평가 도구가 과학 창의적 문제 해결 능력에 작용하는 사고 기능의 하위 요소들을 제대로 측정하였는가를 검증하기 위하여 하위 구성 요인들 간의 상관분석을 실시하였다. 그 결과 평가 도구의 내용 및 평가 기준에 대한 타당도는 적절한 것으로 검증되었고, 과학 창의적 문제 해결 능력에 작용하는 사고 기능의 하위 요소들 역시 적절하게 선정하였음을 알 수 있었다. 또한 평가 도구의 신뢰도를 검증하기 위하여 채점자간 신뢰도와 채점자간 일치도를 알아본 결과 채점자간 신뢰도(r=.953~.978, α=.989)와 채점자간 일치도(W=.803~.872)가 매우 높게 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 과학 창의적 문제 해결 능력 평가 도구는 중학생들의 과학 창의적 문제 해결 능력을 평가하는데 신뢰할 수 있는 도구라고 할 수 있다. 고전 검사 이론에 바탕을 둔 문항의 평균 난이도는 49.9이고, 변별도는 0.367로 산출되어 문항 난이도와 변별도 측면에서도 적절한 평가 도구인 것으로 나타났다. 이렇게 개발된 평가 도구는 <연구 Ⅲ>에서 수업 프로그램의 효과를 검증하는데 사용되었다. 본 연구에서 개발한 평가 도구는 과학 탐구 과정에 따라 문항이 구성되었기 때문에 중학생들의 과학 창의적 문제 해결 능력을 평가하는 도구로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 학생들의 과학 탐구 능력과 관련된 기초 연구 자료로도 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 지필 평가로 개발된 본 평가 도구만으로는 학생들의 종합적인 과학 창의적 문제 해결 능력을 평가하기에 다소 부족하므로 실험 활동 등을 통한 평가를 함께 실시하는 것이 바람직할 것이다.
<연구 Ⅲ>에서는 메타인지 기능을 강화한 과학 창의적 문제 해결 능력 신장 수업 전략을 개발하고 그 효과를 알아보기 위하여 2009년 1학기에 총 34차시의 프로그램을 운영하였다. 그 결과 메타인지 기능을 강화한 과학 창의적 문제 해결 능력 신장 수업이 창의적 문제 해결 능력 신장 수업 전략만 활용하거나 탐구 수업만 진행하는 것보다 과학 탐구 능력의 향상과 과학 창의적 문제 해결 능력 신장, 메타인지 능력 증진에 가장 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 과학 탐구 능력의 경우 탐구 수업 전략만을 사용하더라도 통계적으로 유의미하게 향상되는 결과를 얻을 수 있었고, 과학 창의적 문제 해결 능력과 메타인지 능력의 경우도 창의성을 강조하는 수업 전략을 첨가하는 것만으로도 통계적으로 유의미하게 향상되는 것을 알 수 있었다. 그러나 이러한 전략들에 메타인지 기능을 강화할 경우 그 효과가 극대화되어 가장 좋은 효과를 얻을 수 있었다. 즉, 창의적 문제 해결 능력과 같은 인지 능력을 향상시키기 위해서는 메타인지 능력의 강화가 필수적이라는 것을 알 수 있었다.
또한 의도적으로 발산적 사고 기법을 반복하여 훈련한 결과 학생들의 창의적 사고력을 신장시킬 수 있었다. 창의적 사고의 협의적 측면인 발산적 사고가 미래의 창의적 수행을 예언하는 예언 타당도가 .55에 달한다고 했을 때, 이러한 훈련을 받은 학생들은 먼 훗날 각자 자기 분야에서 창의력을 충분히 발현시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
현재 우리나라의 과학 교육에서 충분히 다루어지고 있지 않는 과정인 스스로 문제를 인식하여 각자 가설을 설정해 보고, 그에 따라 실험을 설계해보는 경험을 10회 이상 한 경우 학생들의 통합 탐구 능력이 향상되었다. 과학 학습에서 탐구는 다른 교과와 구분되는 가장 특징적인 것으로 그 중요성이 매우 크다고 할 때 지금까지의 교사 주도적이고, 일률적인 과학 수업에서 벗어나 학생들이 직접 탐구 과정을 경험해 볼 수 있는 학생 주도적이고, 개별적인 과학 수업으로의 변화가 시급하다는 결론을 얻었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to improve students' scientific creative problem solving skills applying meta-cognition. To achieve this aim, a learning model enhancing meta-cognition was developed and applied to design a scientific creative problem solving instruction program. The program was then implemented into 7th-grade science classrooms.
This study consisted of three parts. <Part Ⅰ> examined 204 secondary science teachers' general perceptions on scientific creative problem solving by survey. The results indicated that most of the teachers perceived enhancing scientific creative problem solving skills as one of the important goals in science teaching. However, they hardly implemented instructions for scientific creative problem solving in their science teaching. They reported absence of specialized teaching strategies and assessment tools for scientific creative problem solving, and university entrance exam-oriented social and educational atmosphere as major barriers. In addition, the teachers tended to present limited understanding of scientific creative problem solving, which is merely focused on creativity. Considering the result of <Part Ⅰ>, it was thought that a guide to clear conception of scientific creative problem solving was needed. Also, many teaching strategies and appropriate assessment tools for adopting scientific creative problem solving were required.
In <Part Ⅱ>, the researcher developed an assessment framework, four assessment items, and detailed rubrics for scientific creative problem solving. The assessment framework had three dimensions (i.e. science contents, inquiry process, and thinking skills) and sub-elements for each dimension. The assessment items were tested by 320 middle school students in order to determine reliability, difficulty, and item discrimination. Science teachers and experts in science education checked the validity of the items and the rubrics. The results proved that the assessment tool was reliable enough to evaluate students' scientific creative problem solving skills.
In <Part Ⅲ>, the researcher developed an science program enhancing creative problem solving skills applying meta-cognition and investigated its effects on students' scientific inquiry skills, scientific creative problem solving skills, meta-cognition ability, and science related attitudes. 233 7th grade of students were assigned to three experimental groups and one control group. Students in the experimental groups were taught by 1) instruction that increases creative inquiry skills applying meta-cognition strategy(MCIn), 2) instruction that increases creative inquiry skills without meta-cognition strategy(CIn), 3) instruction that increases inquiry skills without enhancing creative thinking skills(In). Students in the control group were taught by traditional lecture-based instructions. The program was implemented over a semester. The results showed that MCIn was the most effective in improving scientific inquiry skills, scientific creative problem solving skills, and meta-cognitive ability.
Therefore, this study suggests that students should train in scientific creative problem solving skills applying meta-cognition. The scientific creative problem solving skills training gives students creative and critical thinking skills. If students frequently train divergent thinking skills, they will improve their creative ability in the future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서론 1
• A.연구의 필요성 및 목적 1
• B.연구 가설 4
• C.용어의 정의 5
• 1.문제 해결력 5
• 2.창의적 사고력 5
• 3.과학에서의 창의적 문제 해결력 6
• 4.메타인지 강화 수업 6
• 5.과학 창의적 문제 해결 능력 신장 수업 6
• Ⅱ.이론적 배경 7
• A.과학에서의 창의적 문제 해결력 7
• 1.문제 해결력 7
• 가.창의적 문제 해결력 7
• 나.비판적 사고력 11
• 2.창의적 사고력 19
• 3.과학에서의 창의적 문제 해결력 24
• 가.과학에 관련된 창의적 문제 24
• 나.과학에서의 창의적 문제 해결 과정 25
• B.메타인지 34
• 1.인지와 메타인지 34
• 2.메타인지의 영역과 구성 요소 38
• 3.메타인지와 인지 영역인 창의적 문제 해결의 관계 42
• Ⅲ.연구 내용과 결과 및 논의 48
• A.연구 Ⅰ :과학 창의적 문제 해결 능력에 대한 현장 교사들의 인식 50
• 1.연구의 배경 및 목적 50
• 2.연구 문제 52
• 3.연구 방법 52
• 가.연구 대상 52
• 나.연구 절차 53
• 다.검사 도구 54
• 라.자료의 처리 및 분석 방법 56
• 4.연구 결과 및 논의 56
• 가.현장에서 창의적 문제 해결 능력 신장을 위한 교육의 정도 56
• 나.과학 창의적 문제 해결 능력에 대한 현장 교사들의 인식 63
• 다.창의적 문제 해결 능력 교육의 저해 요인과 필요조건 68
• 라.창의적 문제 해결 능력 신장을 위한 수업이 적용 가능한 시기 72
• B.연구 Ⅱ :과학 창의적 문제 해결 능력 평가 기준과 평가 도구 개발 76
• 1.연구의 배경 및 목적 76
• 2.연구 문제 77
• 3.연구 방법 78
• 가.연구 절차 78
• 나.과학 창의적 문제 해결 능력의 평가 틀 79
• 다.과학 창의적 문제 해결 능력의 평가 요소 선정과 평가 기준 개발 85
• 라.과학 창의적 문제 해결 능력 평가 문항의 개발 89
• 마.문항별 평가 기준의 개발 92
• 바.최종 평가 도구와 평가 기준에 대한 타당도 검증 100
• 사.최종 평가 도구에 대한 신뢰도 검증 101
• 아.최종 평가 도구의 현장 투입 102
• 4.연구 결과 및 논의 102
• 가.평가 도구의 타당도 검증 102
• 나.평가 도구의 신뢰도 검증 105
• 다.평가 도구의 난이도와 변별도 109
• 라.과학 창의적 문제 해결 능력 채점 결과 110
• C.연구 Ⅲ : 과학 창의적 문제 해결 능력 신장 프로그램의 효과 120
• 1.연구의 배경 및 목적 120
• 2.연구 문제 122
• 3.연구 방법 123
• 가.연구 대상 123
• 나.연구 절차 125
• 다.메타인지 강화 수업 모형 개발 128
• 라.과학 창의적 문제 해결 능력 신장 수업 모형 개발 130
• 마.메타인지 기능을 강화한 창의적 문제 해결 능력 신장 프로그램 140
• 바.검사 도구 161
• 사.자료 처리 및 분석 방법 166
• 4.연구 결과 및 논의 167
• 가.과학 탐구 사고력 분석 167
• 나.창의적 문제 해결 능력 분석 179
• 다.메타인지 능력 분석 196
• 라.과학에 관련된 태도 분석 201
• 마.수업 프로그램에 대한 학생들의 의견 214
• Ⅳ.결론 및 제언 226
• A.결론 226
• B.제언 233
• 참고문헌 235
• 부록 248
• ABSTRACT 306

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