과학 학습의 지식구성 과정에 대한 실제적 인식론 분석

맹승호,Maeng, Seungho 한국초등과학교육학회 2018 초등과학교육 Vol.37 No.2

The purpose of this study is to clarify the specific terms of epistemic and epistemological by reviewing the literature on epistemological understanding of science learning, examine the necessity of epistemic discourse analysis based on the view of social epistemology, and provide an exemplar of practical epistemology analysis for elementary children's science learning. The review was conducted in terms of meaning and terminology about epistemic or epistemological approach to science learning, epistemology of/for science, and methodologies for epistemic discourse analysis. As an alternative way of epistemic discourse analysis in science classroom I employed practical epistemology analysis (by Wickman), evidence-explanation continuum (by Duschl), and DREEC diagram (by Maeng et al.). The methods were administered to an elementary science class for the third grade where children observed sedimentary rocks. Through the outcomes of analysis I sought to understand the processes how children collected data by observation, identified evidence, and constructed explanations about rocks. During the process of practical epistemology analysis the cases of four categories, such as encounter, stand-fast, gap, and relation, were identified. The sequence of encounter, stand fast, gap, and relation showed how children observed sedimentary rocks and how they came to learn the difference among the rocks. The epistemic features of children's observation discourse, although different from scientists' discourses during their own practices, showed data-only conversation, evidence-driven conversation, or explanation inducing conversation. Thus I argue even elementary children are able to construct their own knowledge and their epistemic practices are productive.

지구의 공전과 별자리의 겉보기 운동에 대한 초등학생들의 공간적 추론 발달 경로의 사례 연구

맹승호 ( Seungho Maeng ),이기영 ( Kiyoung Lee ) 한국과학교육학회 2018 한국과학교육학회지 Vol.38 No.4

이 연구는 3개월 동안 별자리의 움직임을 관찰하여 그것을 묘사하고 그와 같은 별자리의 겉보기 운동이 발생하게 된 원인을 별자리와 태양, 지구의 위치 관계를 그림으로 표현하는 다층 서답형 문항(multi-tiered constructed response items)을 초등학생들에게 시행하고, 그 결과를 바탕으로 지구의 공전과 별자리의 겉보기 운동을 이해할 때 나타나는 초등학생들의 공간적 추론의 유형을 구분하여 학습발달과정의 관점에서 분석하였다. 초등학교 네 곳의 6학년 학생들 65명이 연구에 참여하였으며, 지구와 달의 운동 단원을 학습하기 전과 단원 학습한 후에 각각 동일한 검사지로 검사를 행하여 응답하였다. 사전/사후 검사 응답 결과를 귀납적으로 범주화하여 지구의 공전 운동을 이해하는데 적용된 공간적 추론의 유형을 수준별로 구분하였다. 그리고 사전 검사와 사후 검사에서 각 수준별 학생들의 분포를 비교하여 교사의 교수활동을 통해 개별 학생들의 공간적 추론 수준이 어떻게 변화하였는지 파악하여 학습발달과정의 관점에서 서술하였다. 학생들의 응답 결과 하위 정착점은 별자리가 지구 주위를 돌고 있다고 해석하는 지구 중심 우주관에 근거한 서술이 있었다. 중간 단계 수준의 응답으로 지구의 운동을 평면적으로 이해하거나 지구가 태양 주위를 공전함에 따라 별자리도 지구를 따라서 움직인다는 직관적인 태양 중심 우주관에 해당하는 서술이 있었다. 학생들의 응답 수준이 높아짐에 따라 별자리의 운동을 지구의 공전에 따른 겉보기 운동으로 이해하고, 점차 지구에서 보는 관점의 관측 사실을 우주에서 내려다 보는 관점의 설명 모델로 전환하여 이해하는 서술이 있었다. 상위 정착점 수준의 학생들은 태양 중심 우주관에 근거하여 별자리의 겉보기 운동과 지구의 공전을 과학적으로 서술하였다. 학습발달과정의 선행연구와 비교할 때 학생들의 실제 응답 결과에 근거한 발달의 경로를 조사한 Evolutionary LPs 에 해당하며, 직관적 사고의 극복 여부, 지구에서 보는 관점과 지구 밖 우주에서 내려다보는 관점 간의 전환능력 등이 초등학생들의 학습발달의 경로를 결정하는 중요한 임계 포인트가 됨을 논의하였다. This study investigated elementary students’ understanding of Earth revolution and its accompanied apparent motion of constellation in terms of spatial reasoning. We designed a set of multi-tiered constructed response items in which students described their own idea about the reason of consecutive movement of constellations for three months and drew a diagram about relative locations of the Sun, the Earth, and the constellations. Sixty-five sixth grade students from four elementary schools participated in the tests both before and after science classes on the relative movement of Earth and Moon. Their answers to the items were categorized inductively in terms of transforming frames of reference which are observed on the Earth and designed from the Space-based perspective. We analyzed those categories by the levels of spatial reasoning and depicted the change of students’ levels between pre/post-tests so that we could get an idea on the preliminary developmental pathway of students’ understanding of this topic. The lower anchor description was that constellations move around the Earth with geocentric perspective. Intermediate level descriptions were planar understanding of Earth movement, intuitive idea on constellation movement along with the Earth. Students with intermediate levels did not reach understanding of the apparent motion of constellations. As the upper anchor description students understood the apparent motion of constellations according to the Earth revolution and could transform their frames of reference between Earth-based view and Space-based view. The features as the case of evolutionary learning progressions and critical points of students’ development for this topic were discussed.

초등학생의 퇴적암과 화성암 관찰 활동에 대한 실천적 인식론 분석의 에너지 주제 적용 가능성 탐색

맹승호(Maeng, Seungho) 에너지기후변화교육학회 2021 에너지기후변화교육 Vol.11 No.1

이 연구는 실천적 인식론 분석을 적용하여 퇴적암과 화성암을 관찰할 때 초등학생들의 지식구성을 위한 인지적 과정을 조사한 결과가 에너지 주제에 적용 가능한지를 알아보았다. 연구 참여 학생들이 퇴적암 표본을 직면하여 관찰하는 기준으로서 알갱이의 크기와 색깔이 정착되었다. 알갱이의 육안 관측 여부에 관한 유사성 연관을 통해 네 암석에서 알갱이를 볼 수 있는지에 대한 간극이 해소되었다. 학생들은 퇴적암을 구분하기에 적합한 기준에 관한 인식론적 결정을 교사 언술의 권위에 의존하였다. 학생들이 알갱이의 크기를 기준으로 퇴적암을 관찰할 때는 간극이 해소되었지만, 암석의 색깔을 기준으로 관찰할 때는 간극이 존속되었다. 같은 학생들이 화강암과 현무암 표본을 직면하여 암석의 알갱이가 정착된 언어로 사용되었다. 학생들은 화성암의 알갱이에 대한 언어 게임에 익숙하지 않아서 화강암과 현무암의 알갱이를 구분하는 데 어려움이 있었다. 교사의 도움과 돋보기를 사용한 관찰을 직면하여 화강암과 현무암과 알갱이에 관한 차별성 연관을 통해 두 암석을 구성하는 알갱이의 크기에 관한 간극이 해소되었다. 연구 결과를 근거로 초등학생들의 암석에 대한 지식구성의 인지적 과정을 촉진하려면 암석 관찰에 적합한 기준을 판단할 수 있는 인식론적 접근을 고려해야 하며, 암석의 종류에 따라 암석의 특징을 이해하는 데 필요한 적절한 언어 게임에 학생들이 익숙해져야 함을 제안하였다. 또한, 이 연구의 결과는 에너지 주제의 사례에도 적용 가능함을 논의하였다. This study investigated the applicability to energy topics of elementary students’ epistemic cognition when observing sedimentary and igneous rocks by practical epistemology analysis. When the participant students encountered four sedimentary rocks, grain size and color as the criteria for observing rocks stood fast to them. Also, a gap whether they could see the grains in four rocks was filled by the similarity relations between rocks in terms of seeing the grains. The students’ epistemological decision on the criteria for observation was dependent upon the teacher’s authority. While the gap was filled when they observed rocks focusing on grain size, it lingered when focusing on the color of rocks. When the same students encountered a granite and a basalt, grains of a rock stood fast to them. Since they were not familiar with the language game on igneous rocks, they felt difficulty recognizing the grains of a granite and a basalt. A gap on the grain size of a granite and a basalt, respectively, was filled by difference relations between the grains and both rocks with encountering the teacher’s utterances and using a magnifier. Based on the results, considering epistemological criteria for observing sedimentary rocks and familiarizing language games for understanding igneous rocks were suggested to facilitate elementary students’ epistemic cognition. Also, it was discussed that the results of this study could be applied to energy topics.

행성의 공전 운동에 대한 초등 예비교사의 이해와 설명 모델

맹승호 ( Maeng Seungho ) 한국초등과학교육학회 2021 초등과학교육 Vol.40 No.1

This study investigated pre-service elementary teachers’ understanding of the planetary revolution movement of Mars and their explanatory models to show how the Sun-Earth-Mars system worked. An assessment item set using five celestial maps drawn from the Stellarium was designed to probe pre-service teachers’ understanding of the prograde-retrograde motion of Mars. Among 23 participants, only four showed scientifically accurate understanding of Mars movement and drawing correct explanatory models for the planetary movement. Even the pre-service teachers who construed correctly prograde and retrograde motions of Mars showed a clockwise movement model due to their intuitive perceptions of Mars movement data from the celestial maps. Pre-service teachers with poor understanding of planetary movement also showed weak explanatory models due to their limited observation or lower spatial thinking. Although the planetary motion is not an easy topic for pre-service elementary teachers, it can be argued if the alternative approach, such as using appropriate observational data of a planet and changing the frames of reference between Earth-based view and Space-based view, is employed effectively in teaching planetary motion, pre-service teachers can reach the upper level of leaning planetary motion in terms of the planet’s revolution.

대화적 탐구를 적용한 ‘지층과 화석’ 단원 수업에서 초등학생들의 심리기능 형성 및 내면화 과정

이연진 ( Lee Younjin ),맹승호 ( Maeng Seungho ) 한국초등과학교육학회 2018 초등과학교육 Vol.37 No.4

In social constructivist teaching, knowledge construction is achieved through learners’ collective social interaction. Vygotsky argued that this process is mediated with language use, and the development of higher order thinking is realized through the transition from inter-personal psychological functions to intra-personal psychological functions. In so doing scientific concepts are internalized to learners. This study examined the third grade elementary students’ inter/intra-personal psychological functions and their internalization processes during social constructivist teaching plan about strata and fossils. The lessons were designed along with Wells’ dialogic inquiry and Leach and Scott’s social constructivist teaching-learning sequences. Results showed that a teacher’s utterances of talking with questioning to switch attention, creating cognitive disequilibrium, and expanding the width of students’ opinions could make effective inter-personal psychological function. In addition, a learner’s inner speech expressed into social discourse through talking about personal experiences, comparing epistemic idea with visual representation, or applying to different situation showed his/her intra-personal psychological function. Some cases of learners’ internalization through language use could be at the stage of knowledge building and understanding of the spiral of knowing, but not all. Thus it is argued that a teacher’s deeper insight into Vygotskian social constructivist teaching can make elementary science classroom teaching more effective in their inter/intra-psychological functions.

Apt-AIR 기본틀로 본 초등학생의 과학적 모델링 수업에서 지식구성의 인지과정 실행 양상

김서연 ( Seoyeon Kim ),맹승호 ( Seungho Maeng ) 한국과학교육학회 2024 한국과학교육학회지 Vol.44 No.4

이 연구는 초등학교 3학년 과학의 지표의 변화 단원에서 ‘강 주변의 모습을 알아볼까요?’ 소단원 수업에 대해 초등학생의 모델링 활동에서 형성된 지식구성의 인지과정의 실행 양상의 특징을 Apt-AIR 기본틀에 근거하여 조사하였다. 설명모델 구성을 촉진하는 수업 전략으로서 Ambitious Science Teaching (AST)를 적용하였으며, AST의 핵심 교수활동의 흐름에 맞추어 총 7차시 수업을 진행하였고, 초등학교 3학년 1개 학급의 초등학생 29명이 연구에 참여하였다. 수집한 7차시의 수업을 초기모델 구성, 탐구 활동, 모둠별 모델 구성, 공유 및 최종모델 완성 단계로 구분하고, 각 단계의 수업 활동을 Apt-AIR 기본틀의 지식구성에 관한 목표와 가치(A), 과학 지식구성을 위한 성취 준거(I), 과학 지식구성을 위한 신뢰할 만한 과정(R) 및 적절한 지식구성 수행의 다섯 가지 측면에 따라 측면에 따라 분석하였다. 연구 결과, AST의 핵심 교수활동을 근간으로 하여 모델링을 강조한 과학 수업에서 초등학생들은 현상을 단순히 묘사하는 초기모델 구성, 모형실험 탐구에서 수집한 데이터를 활용하여 초기 설명모델을 보완, 모둠별 모델을 공유하고 평가하는 논의 참여 등과 같이 모델링과 관련된 다양한 과학적 실행을 경험하면서 점진적으로 강의 상류와 하류의 지형 차이의 원인에 대한 인과 관계를 포함하는 더 높은 수준의 설명모델을 구성할 수 있었다. 또한, 초등학생들이 모델링 활동에서 구현했던 지식구성의 인지과정 양상은 Apt-AIR 기본틀의 관점에서 볼 때, 지식구성을 위한 목표와 가치, 성취 준거, 신뢰할 만한 과정에 대한 인지적 참여 측면은 적절하였으나, 나머지 네 측면은 충분하게 적절한 지식구성 수행을 진행하지는 못하였으며, 특히 지식구성을 위한 신뢰할 만한 과정에 관한 실행은 부족하였다. This study examined how specific aspects of epistemic cognition are developed in elementary students during modeling activities, using the Apt-AIR framework. The study focused on a class unit titled 'Shall We Find Out What the Landscape of a Riverside Looks Like?' which is part of the land chapter in the third-grade Korean elementary science curriculum. Ambitious Science Teaching (AST) was applied as a teaching strategy to enhance students’ model construction. Seven science classes were conducted in line with the core practices of AST, with 29 elementary school students participating in the study. The classes were organized into four stages: initial model composition, inquiry activity, group model composition-sharing, and final model construction. The class activities at each stage were analyzed using both the AIR model, i.e., epistemic aim and value (A), epistemic ideals (I), and reliable epistemic processes (R), and the multi-faceted framework for epistemic thinking from the Apt-AIR framework. The results of the study revealed that in science classes emphasizing modeling activities based on the core practices of AST, the elementary students progressively developed more sophisticated explanatory models that included causal relationships explaining the topographic differences between the upstream and downstream sections of a river. This result was due to their engagement in constructing initial models to describe phenomena, supplementing the initial models using data collected in the model experiment, and participating in discussions to share and evaluate group models. Additionally, from the perspective of the Apt-AIR framework, the aspects of epistemic cognition demonstrated by the elementary students in their modeling activities were appropriate for engaging with cognitive processes related to epistemic aims and values, epistemic ideals, and reliable processes. The other four aspects of the Apt-AIR framework, however, were not performed as effectively. In particular, the application of reliable epistemic processes for knowledge construction required more improvement.

GeoMapApp 자료를 이용한 화산과 지진 학습에서 초등학생의 공간 능력에 따른 공간적 사고의 발현 양상

송동혁 ( Song¸ Donghyuk ),맹승호 ( Maeng¸ Seungho ) 한국초등과학교육학회 2021 초등과학교육 Vol.40 No.3

This study investigated how elementary students with different spatial ability constructed spatial thinking process about on volcanoes and earthquakes with GeoMapApp-based materials. Students’ spatial thinking process was analyzed in terms of spatial concept recognized, tools of spatial representation, and their spatial reasoning to construct topographic structure. The student group with high-scored spatial ability showed the spatial reasoning based on internal representation of building mental images through sectional division of horizontal distance, directly connected with spatial concept, or distorting spatial concept. The student group with low-scored spatial ability built the spatial reasoning directly connected with spatial concept instead of transforming into internal representation, and partially recognized spatial concept on either distance or depth. Based on the results, we argued identifying spatial concepts such as distance, height, or depth from the GeoMapApp data would be fundamental for the better spatial thinking.

수학 및 과학의 사례에 근거한 국어 문법 기반 초등 교과 통합 교육의 방향 탐색

이관희 ( Lee Kwan Hee ),장혜원 ( Chang Hyewon ),맹승호 ( Maeng Seungho ) 한국초등교육학회 2021 초등교육연구 Vol.32 No.S

본고는 국어 문법에 기반한 초등 교과 통합 교육의 가능성으로서, 수학과와 과학과의 의사소통 역량을 함양하기 위한 국어 교과의 범교과적 도구성의 의미를 탐색하였다. 또한, 언어적 요소에 대한 문법적 이해가 수학과 과학 교과의 고유한 사고 및 지식 구성 방식에 어떻게 기여할 수 있는지를 타진하였다. 먼저 문법 영역의 도구성을 ‘교과 보편성’과 ‘교과 특수성’으로 구분하여 조망하였다. 그리고 수학과 과학 교과에서 문법 기반 교과 통합의 방향성이 드러난 구체적 사례를 조사하였다. 수학 교과에서 문장제로 표현된 수학적 과제를 언어적으로 재표상하는 과정에서 체계기능언어학의 명사화가 학습자들의 수학적 대상화를 도울 수 있는 중요한 언어적 요소임을 밝혔다. 또한, 초등학교 과학 교과서의 설명 텍스트를 문법적 시각에서 분석하는 작업을 통해 학습자의 과학 지식 구성을 견인하기 위해서는 특정한 언어 형식을 의도적으로 노출할 필요가 있음을 모색하였다. 본고에서 제안한 ‘문법 기반 통합 교육’의 관점에 근거하여 국어 교과와 타 교과 간의 다양한 통합 교육의 방안이 다층적으로 전개되어야 함을 논의하였다. This study examined the instrumental features of language art, as a potential case of grammar-based integrated education in elementary school subjects, to foster communicative competencies in mathematics and science. It was investigated how the grammatical understanding of linguistic elements could affect specific reasoning and knowledge construction in math and science. First, we argued the instrumental features of grammar in language art regarding both domain-general and domain-specific cases. Then, we analyzed exemplary cases of grammar-based instructions in math and science. In mathematics, the nominalization drawn on systemic functional linguistics could be the critical linguistic point to help learners’ mathematical transforming a task expressed by statements. Grammatical analysis of explanation texts in science textbooks showed that science learners should know the linguistic forms of science language to facilitate their science knowledge construction. This study proposed various ways of integrating language art with other disciplines based on grammar-based integrated education.

초등학교 태양계와 별 수업에서 나타나는 공간적 사고 사례 연구

이정아 ( Jeong A Lee ),이기영 ( Kiyoung Lee ),박영신 ( Young Shin Park ),맹승호 ( Seungho Maeng ),오현석 ( Hyunseok Oh ) 한국과학교육학회 2015 한국과학교육학회지 Vol.35 No.2

이 연구에서는 천체의 운동을 이해하는데 공간적 사고가 중요한 역할을 하는 사고임을 전제로, 실제 천문 관련 수업에서 공간적 사고가 어떻게 다루어지고 있는지를 살펴보고자 하였다. 이를 위해 초등학교 5학년 태양계와 별 단원 수업에 대한 네 교사들의 수업을 공간적 사고 측면에서 분석하였다. 연구 결과, 천체의 운동을 온전히 이해하기 위해서는 학생과 교사가 관측의 기준점과 방위를 명시적으로 공유하는 것이 필요한 것으로 나타났다. 또한 지구기반 관점과 우주기반 관점을 학생에게 동시에 제공하는 것이 천체의 운동을 이해시키는데 도움이 되는 것을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 이 연구에서는 학생들이 천체의 운동을 이해하고 공간적 사고를 키우기 위하여 첫째, 관측 기준점과 방위를 명확히 제시하는 수업, 둘째, 지구기반 관점과 우주기반 관점을 동시에 제시하여 운동의 상대성을 체험시키는 수업, 셋째, 운동을 주제로 천체의 운동을 설명하는 수업이 필요함을 논의하였다. Based on the importance of spatial thinking to understand celestial motion, this study aimed to investigate how spatial thinking was treated in astronomy classes. For this study, we analyzed four elementary teachers` science classes about the unit ‘solar systems and stars’ in 5th grade in terms of spatial thinking. The results showed that sharing perspectives and orientation explicitly between a teacher and students were important for students to understand celestial motion. Providing the earth-based and the space-based viewpoints simultaneously were helpful for students` understanding of celestial motion. Based on these results, this study suggested that clarifying the viewpoint and orientation, showing the earth-based and the space-based viewpoint simultaneously, and reorganizing the relative units of astronomy based on celestial motion and spatial thinking.

기초공통개념으로서 에너지에 대한 3∼9학년 학생들의 문항 반응 분석

김영민 ( Youngmin Kim ),강남화 ( Nam-hwa Kang ),강훈식 ( Hunsik Kang ),맹승호 ( Seungho Maeng ),이준기 ( Jun-ki Lee ) 한국과학교육학회 2016 한국과학교육학회지 Vol.36 No.6

이 연구에서는 기초공통개념으로서 에너지에 대한 학습발달과정연구의 기초 자료를 제공하기 위하여 3∼9학년 학생들의 평가 문항응답 결과를 분석하였다. 검사 문항은 전기 회로, 낙하 물체의 역학적 에너지, 물질의 상태 변화, 용해 현상, 생물체의 생명 현상, 먹이 사슬, 태양과 지구의 복사평형, 및 물의 순환계에서 에너지에 대한 이해를 조사하는 순위 선다형 문항으로 구성되었다. 학생들의 응답 결과는 학년별, 선택지 수준별 응답 빈도에 따라 교차분석을 실시하였고, Rasch 모델을 적용한 문항반응 분석으로서 Wright map 및 DIF 분석을 수행하였다. 연구 결과, 8가지 주제들에 대하여 에너지 이해의 발달과정은 현상과 에너지의 관련성을 인식하거나 에너지의 종류를 파악, 에너지의 이동과 전달을 인식, 에너지가 다른 형태로 전환 및 변환됨을 인식, 에너지의 보존을 인식하는 순서로 진행된다는 경험적 근거를 확보할 수 있었다. 전체 학년에 걸쳐서 공통적으로 8개 주제에 대하여 에너지 보존에 대한 이해가 부족하였다. 학년이 높아짐에 따라 에너지의 전달과 전환에 대한 이해 수준은 주제들마다 다소 차이가 있었다. Rasch 모델을 적용한 문항 반응을 분석한 결과 학생들은 다른 현상의 에너지에 비해 용해 현상의 에너지를 가장 쉬운 과제로 인식하였고 물의 순환 과정에서 에너지 이해를 가장 어려운 과제로 인식하였다. 이 연구의 결과는 에너지의 관점에서 각 주제들이 초중 등 과학 교육과정의 어느 학년에, 몇 번째 단원에 어떤 방식으로 배치되어야 할 것인지는 경험적인 연구 자료로서 활용될 수 있으며, 새 과학 교육과정의 내용 체계를 구성할 때 고려할 수 있는 중요한 시사점이 될 수 있었다. This study investigated children`s (grade 3 to 9) responses to assessment items on energy as a cross-cutting concept in order to get basic information for a learning progression. The assessment consisted of 8 ordered multiple-choice items at the contexts of electric circuit, mechanical energy of falling objects, phase change of matter, dissolution, biological phenomena of a lizard, food chain, radiative equilibrium between Sun and Earth, and the system of water cycling. Children`s responses to each item were analyzed with using cross-tabulations in terms of grades and item option levels and Wright map and Differential item functioning based on Rasch modeled item response analysis. The results offered empirical evidence of children`s development of understanding energy from relation between energy and its phenomena, types of energy, transfer and conversion of energy, towards conservation and equilibrium of energy for all of eight contexts. Children of each grade did not fully understand energy conservation. As grade goes up, their understandings of energy transfer and conversion were differentiated across the contexts and topics of energy. According to Rasch analysis, children had easier understanding of energy on dissolution and poorer understanding of energy on water cycling than that on other contexts. It was discussed and suggested that the results of this study help us organize science topics with regard to energy when developing new national science curriculum.