과학실험사고 사례분석을 통한 중학교 과학 교과서 실험안전교육 내용분석

조성민 충북대학교 교육대학원 2016 국내석사

본 연구는 2012년도부터 2014년도까지 전국 초․중․고등학교에서 발생한 학교안전사고와 과학․실험수업에서 일어난 안전사고를 조사하고, 실험안전교육 내용 분석을 위해 기존의 선행 연구 자료와 지금까지 발생한 사고들을 고려하여 사고 유형, 시간 계열, 예방 및 사고 대처 내용으로 이루어진 3차원 실험실 안전교육 분석모형을 개발하여 2009 개정 교육과정 중학교 1학년 과학교과서에서 실험활동의 실험안전교육의 내용을 분석 하였다. 학교 전체에서 일어난 안전사고 조사결과 초․중․고등학교에서 매년 총 안전사고 건수가 증가했으며, 그 중 중학교의 사고율이 가장 높았다. ‘과학, 실험 시간’의 사고율은 낮은 편이었으나 과학․실험수업에서도 안전사고는 매년 증가 하였고, 주로 실험실에서 발생하였다. 사고 유형은 ‘화상’, ‘찔림․베임’, ‘물체와의 충돌․부딪힘․받힘’, ‘유독성물질 노출 및 중독’이었으며, 원인으로 자기 자신인 경우가 더 많았고, 손과 눈을 가장 많이 다쳤다. 실험실 안전교육 분석 모형을 교과서의 실험활동에 적용하여 분석한 결과 실험 활동 별로 주제에 따른 적절한 사고 유형을 표기할 필요가 있었으며, 실험활동에서 시간 계열(실험 전, 실험 중, 실험 후, 사고 발생 시)에 따라 안전교육 내용이 제시되지 않아 효율적인 교육이 어려웠다. 또한 예방 및 사고 대처 내용 분석을 통해 사고 대처의 내용이 실험활동에 포함되어 예방과 대처의 균형을 이룰 필요가 있음을 알 수 있었다. 이를 토대로 개발된 실험안전교육 모델이 실험실 안전교육을 점검하는데 유용함을 알 수 있었다. 향후 지속적인 모델 개발과 문제점 보완을 위한 연구들이 계속 되어야 할 것이다. Preventing and effectively handling safety accidents which can occur during scientific experiment activities are invaluable tasks in terms of student safety along with educational responsibility. In order to thoroughly understand the current state of those tasks, we analyze the safety accidents occurred from 2012 to 2014 at national elementary, middle, and high schools and the educational contents related to experiment safety in the 2009 Revised Curriculum first-year Middle School Science textbooks. Surprisingly, the analysis result shows that there has been a continuous annual increase on the number of safety accidents, which mainly happened in middle schools. The result also shows that while the number of safety accidents caused from experimental activities was relatively lower than the others, it has been continuously increased. Those accidents are listed as burns, abrasions, collisions, and exposures to toxic substances according to their frequencies and they mainly injured hands and eyes, and most of those accidents came from the carelessness of experimenters. Based on the analysis work, we propose an effective safety education model which deals with different dimensions of accidents such as types, time, and guidelines in textbooks. By adapting the model to the contents in current experiment materials, we found that they lack pre-/in-/post-experiment safety guidelines and it is highly recommended to balance accident prevention and accident handling by including more guidelines regarding the latter with those materials. To conclude, we emphasize the necessity of further efforts devoted to improving and complementing the proposed model for future experimental safety educations.

컴퓨팅 사고를 적용한 과학 실험 수업이 초등학생의 컴퓨팅 사고 표현 및 과학적 모델 생성에 미치는 영향

강은주 부산대학교 대학원 2021 국내박사

컴퓨팅 사고는 효과적으로 문제를 해결할 수 있도록 표현하는 것과 관련된 사고로, 학생들의 실험 수행에 도움을 줄 수 있다. 실험을 통해 과학적 개념을 학습하는 것은 학생들이 실험을 통해 과학적 모델을 생성하는 것과 같다. 이에 본 연구에서는 컴퓨팅 사고를 적용한 초등학교 과학 실험 수업을 개발하고 이를 적용하여 초등학생의 컴퓨팅 사고 표현 및 과학적 모델 생성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 연구 1에서는 실험 수업에서의 컴퓨팅 사고 요소를 정의하고, 3학년 과학 교과서 ‘자석의 이용’ 단원을 분석하여 문제 분해, 추상화, 알고리즘과 절차 요소를 실험 활동에서 학생들이 실행할 수 있도록 하였다. 초등학생도 쉽게 학습 가능한 순서도 기호를 사용하여 실험 방법을 컴퓨팅 사고 표현으로 나타내고 실험을 수행하도록 하였다. 추가적으로 학생들의 컴퓨팅 사고에 대한 접근성을 높이기 위한 방안으로 교과서에 제시된 실험 방법을 컴퓨팅 사고 표현으로 구성하여 학생들에게 제시하였다. 연구 2, 3에서는 컴퓨팅 사고를 적용한 과학 실험 수업이 초등학생의 컴퓨팅 사고 표현과 과학적 모델 생성에 미치는 영향을 알아보았다. 연구 2에서 학생들이 나타낸 컴퓨팅 사고 표현을 분석한 결과, 학생들의 컴퓨팅 사고 표현은 실험 목적 및 내용의 이해에 해당되는 완전성과 실험 수행의 순서에 해당되는 순차적 표현의 수준이 높게 나타났다. 따라서 실험 방법의 컴퓨팅 사고 표현은 학생들이 실험 내용 및 실험 순서를 잘 이해하여 표현할 수 있도록 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다. 또한, 학생들의 컴퓨팅 사고 표현에서 나타난 반복 및 회귀의 표현은 실험 활동에서 확인하고 반복 수행해야 할 부분이 무엇인지 인식하고 있음을 드러낸 것이라 할 수 있다. 연구 3에서 학생들이 생성한 과학적 모델을 분석한 결과, 컴퓨팅 사고를 실험 수업에 적용한 실험집단에서 비교 표현이 포함된 과학적 모델 유형이 많이 나타남을 확인하였다. 컴퓨팅 사고를 적용한 5차시 동안의 과학 실험 수업에서 학생들의 과학적 모델 생성 효과는 Cohen's d 0.80 이상의 큰 효과를 보였다. 컴퓨팅 사고 표현을 적용하는 방식에서, 독자적으로 순서도를 생성한 집단과 안내에 따른 순서도 생성 집단 간의 과학적 모델 수준을 비교했을 때 실험3에서 유의미한 차이를 보였다. 이는 실험3이 다른 실험에 비해 관찰 및 확인해야 할 사항이 많으며, 안내에 따른 순서도 생성 집단이 이용한 컴퓨팅 사고 표현은 이러한 부분이 모두 반영되어 있기 때문이다. 따라서 관찰해야 할 중요한 내용과 반복 수행할 내용이 많은 실험은 이를 포함하여 구성한 컴퓨팅 사고 표현을 학생들에게 제시하는 것이 실험을 통한 과학적 모델 생성에 도움을 줄 수 있다. 학업성취 수준별로 비교했을 때 상, 중위권 학생들은 실험3에서 독자적으로 순서도를 생성한 집단보다 안내에 따른 순서도 생성 집단이 과학적 모델 수준이 높게 나타났다. 그러나 하위권 학생들은 실험3, 4, 5 모두에서 안내에 따른 순서도 생성 집단의 과학적 모델 수준이 높게 나타났다. 따라서 하위권 학생의 경우, 컴퓨팅 사고 표현을 이용하여 실험을 수행하거나 안내에 따라 컴퓨팅 사고 표현을 나타내고 실험을 수행하는 것이 과학적 모델 생성에 도움이 될 수 있다. 이상의 3가지 연구 결과에 대한 종합적인 결론은 다음과 같다. 본 연구에서는 컴퓨팅 사고를 과학 실험 수업에 적용하기 위해 과학 실험 수업에서의 컴퓨팅 사고 요소를 정의하였다. 이를 통해 초등학교 과학 실험 수업에서 문제 분해, 추상화, 알고리즘과 절차 요소가 학생들이 실행 가능한 형태로 제시될 수 있음을 제안할 수 있었다. 실험 방법의 컴퓨팅 사고 표현 방법은 학생들이 자신의 실험 과정을 표현할 수 있는 사고 지도로서, 실험 내용 및 순서에 대한 이해와 실험 활동에서 확인 및 반복 수행해야 할 부분에 대한 인식을 유도할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 실험 활동에서 학생들이 컴퓨팅 사고의 표현인 순서도를 나타내거나 이를 이용하여 실험을 수행하는 것은 높은 수준의 과학적 모델을 생성할 뿐만 아니라 비교 표현의 과학적 모델 유형으로 표현하는 데 도움이 됨을 확인할 수 있었다. 본 연구는 초등학교 과학 실험 수업에서 컴퓨팅 사고를 적용할 수 있는 방안에 대한 구체적인 방향성을 제시하고 있다는 점에서 의의를 찾을 수 있다.

사고실험과 시뮬레이션을 활용한 물리 교수 학습자료 개발

김태경 제주대학교 교육대학원 2023 국내석사

과학 이론을 확립하는데 있어서 실험은 필수적인 과정이다. 과학자는 ‘과학적 방법’을 통해 자신의 이론을 인정받을 수 있다. 그러나 변인 통제의 어려움, 실험장치 구현의 어려움 등 여러 요인들로 인해 실험 환경을 구현하기 어려운 경우가 있다. 이럴 때 과학자들은 ‘슈뢰딩거의 고양이 실험’과 같이 사고실험을 이용해 자신의 주장을 뒷받침하거나 타인의 주장을 반박하기도 했다. 최근에는 현실세계에 실험 상황을 구현하기 어렵거나 경제적인 측면을 고려해 실험을 컴퓨터 시뮬레이션으로 대체하기도 한다. 특히 물리 분야에서는 학생의 선개념 변화가 어렵기 때문에 두 실험을 활용하기에 적합하다. 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션은 물리적 현실 세계에서 실험을 진행하지 않는다는 점에서 공통점이 있으나 도입 목적이나 그 특성에는 차이점이 있다. 해외에서는 두 실험의 효과나 차이점에 관한 연구가 활발히 이루어졌으나 국내에서는 사고실험과 시뮬레이션 실험을 비교하는 연구를 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구에서는 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 비교하여 각 실험에 적합한 문제 상황을 구분하였다. 또한 이를 바탕으로 물리 수업시간에 학생에게서 발견된 오개념을 수정하기 위해 사고실험을 활용한 교수 학습 자료, 현상으로부터 규칙성이나 통찰(insight)을 발견하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 교수 학습자료를 개발하였다. 본 연구를 통해 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 차이를 명확히 인지하여 과학 교사들이 적절한 상황에서 두 실험적 방법을 수업에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. Experiments are an essential process in establishing scientific theories. A scientist's theory can be recognized through the 'scientific method'. However, there are cases in which it is difficult to implement an experimental environment due to various factors such as difficulty in variable control and difficulty in implementing experimental equipment. In this case, scientists used thought experiments, such as the Schrödinger's cat experiment, to support their own claims or refute others' claims. Recently, experiment is replaced in computer simulation, in case where it is difficult to implement an experiment in the real world or in consideration of economic aspects. Especially, in the field of physics, it is suitable to use these kind of experiments because it is difficult for students to change their preconceptions. Thought experiments and computer simulations have something in common in that they do not conduct experiments in the real world, but there are differences in the purpose of introduction and their characteristics. Overseas, studies on the effects or differences between thought experiments and computer simulations are being actively conducted, but it is difficult to find such studies in Korea. Therefore, in this study, compare thought experiment and computer simulation and suggest situations which are suitable for each experiments. Based on this, teaching and learning materials which correct is conceptions in physics using thought experiments and teaching and learning materials which discover regularities or insights in phenomena using computer simulation were developed. It is expected to clearly recognize the difference between thought experiments and computer simulations and science teachers will be able to use each experiment at the right situation in their class, by this study.

高等學生의 論理的 思考力과 科學 探究能力에 관한 연구 : 地球科學 實驗 內容을 中心으로

신철환 韓國敎員大學校 1993 국내석사

중학생의 기초적 실험기능과 과학적 탐구사고력의 관계 분석

이석태 서울대학교 대학원 1993 국내석사

초등학교 과학 실험 안전사고 현황과 최소화 방안

최은선 서울교육대학교 교육대학원 2007 국내석사

初等學生의 基礎的 實驗技能과 科學的 探究 思考力의 關係分析

유영종 국민대학교 1997 국내석사

수업 전 사고실험이 초등학생들의 흥미와 과학 성취도, 수업 참여도에 미치는 영향

전지예 서울교육대학교 교육전문대학원 2017 국내석사

중학교 과학 실험 내용과 안전사고 개선 방안에 관한 연구

유미라 국민대학교 교육대학원 2003 국내석사

우리나라에서는 제 3차 교육과정 이후로 과학교육의 목표로 탐구활동을 통한 탐구능력신장’을 중요시하고 있으며 제 7차 교육과정에서도 탐구 능력과 과학적 태도 향상을 목적으로 하고 있다. 탐구 능력을 향상시키기 위해서는 학생들이 직접 과학의 과정을 경험해 보는 것이 중요함을 강조하였고, 이것이 바로 과학 교과에서 실험 실습을 통한 수업이다. 과학실험은 교육적 효과를 올리는데 적절한 수업형태이지만 무엇보다도 학생들이 안전이 중요하다. 따라서 실험실에서의 안전상태를 알아보고자 하였다. 조사된 결과를 살펴보면 사고유형별로 구분하면 초등학교, 중학교, 고등학교, 특수학교에서는 골절상이 가장 많은 사고로 나타났으며, 남자가 여자보다 사고발생건수가 많았다. 알코올 램프를 이용한 화상이나 화재사고가 많았고, 과학실험중 화학관련내용을 살펴본 결과 연소·가열 실험이 많고, 화학반응 실험이 많았다. 따라서 화재와 화상의 위험성과 화학반응에 따른 여러 가지 안전사고가 일어날 가능성이 모든 실험에 내재하고 있었다. 과학 교사는 전공이외의 과목지도에 어려움을 겪고 있으며, 전공 분야 지도에 있어서조차 어려움을 겪고 있는 것으로 조사되었다. 과학실험실에서 기본적으로 갖추어야 하는 안전 장비조차 보유하고 있지 않았다. 실험실 안전 교육은 주제별로 간단히 하는 것으로 조사되었고, 실험실 안전교육은 사실상 특별한 시간을 내지 않은 것으로 조사되었다. 과학실험실에서의 안전사고의 위험성은 내재하고 있었으나 사고율은 높지 않았다. 하지만 학교안전사고는 많이 발생하는 것으로 조사되었다. 학교안전사고의 문제점들을 개선하기 위해서는 안전교육의 필수 과목화가 필요하고, 안전교육에 필요한 교재가 필요하고, 전문적인 인력이 필요하다. 특히 과학실험실 안전을 위해서는 실험실습시간에 보조인력의 투입이 절실히 필요하다. In Korea, "increase in the ability to investigate" based on investigative activities is upheld with the aim of educating science after the enactment of the 3rd Curriculum. In the 7th Curriculum, goals are set for investigative capability and improvement in scientific attitude. Accordingly, emphasis is placed on classes based on experiments through practical training on scientific experiments. Experiment class is the appropriate form of class for increasing educational effect, but there is considerable risk for safety accidents. Thus, safety in experiment lab is the most critical issue. Accordingly, this research sought to understand the current situation pertaining to accidents at science labs and to develop a set of improvement measures. When results of the research are examined, burn or fire caused by alcohol lamp topped the list of accidents. As the result of examining chemical related contents during science experiments, there were many combustion and heating experiments. Also, there were many chemical reaction related experiments. Accordingly, all experiments are inherently vulnerable to the outbreak of all types of safety accidents such as fire and burn, as the result of chemical reaction. Teachers face difficulty in guiding the students in any areas besides their major. Also, there is lack of safety devices that are required to be kept at science labs. Safety training at experiment labs is often conducted in an overly simplified manner, and no special time is allocated to it. Although potential for the outbreak of safety accident was always present at science labs, the rate of accident was not high. To improve the problems pertaining to school safety accident, courses on safety training are essential as are textbooks and specialized personnel. In particular, to ensure safety at science labs, staffing of supplementary personnel during experimentation is critical.

과학실험활동 중 발생한 문제 상황의 해결에서 나타나는 사고과정 분석

김성운 한국교원대학교 2017 국내박사

이 연구의 목적은 과학실험활동에서 발생한 문제 상황의 해결에서 나타나는 사고과정을 분석하여 학생들의 실험 매뉴얼 처리에 따른 사고과정을 이해할 수 있는 모형을 개발함으로써 효과적인 실험 매뉴얼의 처리방안과 과학실험활동의 효과성을 높이는 방안에 대한 시사점을 얻는데 있다. 이를 위해 대학생 22명을 대상으로 ‘전자석 만들기’ 실험 매뉴얼을 적용하여 과학실험활동 중 시선이동, CVP, RVP, 실험행동자료를 수집하였다. 수집된 자료는 구성주의 근거이론 방법으로 초기 코딩, 초점 코딩, 축 코딩, 이론적 코딩의 과정에 따라 분석되었다. 분석의 초기코딩 단계에서 ‘문제 상황’이 중심적인 개념적 범주로 도출되었으며 이후 초점코딩 단계부터는 이 ‘문제 상황’에 초점을 두어 모든 자료를 범주화 하여 이론화 과정을 거쳤다. 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학 실험 활동 중 문제 상황은 ‘상충 상황’, ‘불충분 상황’, ‘불일치 상황’ 총 3가지가 도출되었고, 문제 상황 해결에서 나타나는 범주와 개념은 각 문제 상황의 해결과정인 ‘상황’, ‘전략’, ‘결과’의 범주와 문제 상황의 해결에 영향을 미치는 ‘원인조건’, ‘판단조건’, ‘평가조건’, ‘중재조건’의 범주로 도출되었으며 각 범주는 문제 상황별 해결의 특징이 드러나는 개념으로 구성되었다. 둘째, 과학 실험 활동 중 발생한 문제 상황의 해결에 영향을 미치는 ‘원인조건’, ‘판단조건’, ‘평가조건’, ‘중재조건’의 속성과 차원을 식별하였고, 각 문제 상황에서 나타나는 해결과정과 그 특징들이 밝혀졌다. 셋째, 이론적 코딩의 결과로 각 문제 상황사이의 관계가 파악되었고, 이론적 코드를 확신과 정교화로 구성하여 과학실험활동 모니터링 모형을 개발할 수 있었다. 학생들의 과학실험활동은 표상에 대한 확신과 정교화에 따라서 불충분 상황 해결과정인 ‘탐색적 모니터링’과 불일치 상황 해결과정인 ‘평가적 모니터링’간의 전환으로 설명된다. 이러한 결과를 바탕으로 효과적인 실험 매뉴얼의 처리방안과 과학실험활동의 효과성을 높이기 위한 방안에 대한 시사점을 도출할 수 있었다. 또한, 이러한 결과는 효과적인 과학실험활동이 되기 위해서는 ‘탐색적 모니터링’을 강화하는 실험활동 설계가 되어야 함을 시사한다.