과학 적응형 학습 프로세스 개발과 적용 : 디지털교과서 및 피지컬 컴퓨팅 실험 장치 활용

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 과학 교육에서 적응형 학습 프로세스를 개발하고 적용하는 것을 목적으로 한다. 적응형 학습은 학생들의 학습 수준이나 유형을 진단하고, 그에 맞는 맞춤형 개별 학습을 제공하는 교육 방식이다. 과학 교육에서 학생들의 오개념은 올바른 과학적 개념의 이해를 방해하는 요소이다. 학생들은 적응형 학습을 통해 오개념을 수정하고, 올바른 과학 지식을 습득할 수 있다. 본 연구 에서는 학생들의 과학적 개념과 오개념을 진단하고, 이를 기반으로 맞춤형 학 습을 제공하는 적응형 학습 프로세스를 개발하였다. 또한 과학 적응형 학습을 지원하기 위해 피지컬 컴퓨팅 실험 장치와 디지털교과서를 개발하여 교수․학 습 프로그램으로 구현하였다. 과학 적응형 학습 프로세스는 ‘동기유발’, ‘학습문제 확인’, ‘진단평가’, ‘맞춤 형 학습’, ‘공통학습’, ‘형성평가’, ‘맞춤형 과제’, ‘공통과제’ 그리고 ‘개념정리’의 9단계로 구성된다. 진단평가와 형성평가 단계에서는, 학생들의 과학적 개념과 오개념을 진단하여, 학생들의 현재 학습 수준과 오개념 유형을 파악한다. 평가 결과를 바탕으로 학생들을 다양한 유형으로 분류하며, 각 유형에 적절한 맞춤 형 학습과 맞춤형 과제를 제공한다. 과학 적응형 학습 프로세스를 지원하기 위해 피지컬 컴퓨팅을 활용한 실험 장치를 개발하였다. 적응형 학습 과정은 개별 맞춤형 학습을 기반으로 하고 있기 때문에, 개별적인 실험이 가능한 실험 장치가 필요하다. 피지컬 컴퓨팅 실험 장치는 저렴한 제작 비용과 뛰어난 휴대성으로 인해 개별적인 실험을 진 행하는 데 적합하다. 과학 적응형 학습을 학교 교육에 적용하기 위해서 디지털 환경을 활용한 프 로그램과 교수․학습 자료가 필요하다. 이에 학생들에게 다양한 학습 자료를 제공하고 맞춤형 학습으로 쉽게 이동할 수 있는 디지털교과서를 개발하였다. 학생들은 디지털교과서의 사용을 통해 과학적 개념을 시각적으로 이해할 수 있으며, 즉각적인 피드백을 통한 맞춤형 학습을 진행할 수 있다. 본 연구에서는 연구의 대표 사례로 ‘빛의 합성’ 개념을 선택하고, 과학 적응형 학습 프로세스에 적용하였다. 개발된 과학 적응형 학습 프로세스 디지털교과서 를 예비 중학생 168명을 대상으로 적용하여 학생들의 학습 과정과 결과를 분석 하였다. 이를 통해, 첫째, 학생들의 이해도에 따라 학습 경로의 단계 수가 달라 짐을 판단할 수 있었고 맞춤형 학습의 필요성을 확인할 수 있었다. 둘째, 빛의 합성에서 특정 색의 조합이 학생들에게 어려움을 준다는 점이 확인되었다. 셋 째, 물감의 합성과 빛의 합성을 착각하는 경우가 빈번하게 나타났으며, 두 가지 개념을 시각적으로 비교하는 활동이 필요하다는 점도 확인할 수 있었다. 넷째, 적응형 학습 프로세스를 통해 교사의 직접적인 설명이 필요한 학생 수가 크게 감소한 점을 확인할 수 있었다. 다섯째, 과학 개념에 대한 학습을 진행할 때 정 서적 또는 신체적 관점에서 접근해야 할 필요도 있음을 확인하였다. 과학 적응형 학습을 마치고 작성한 성찰일지를 분석하여, 다음과 같은 결론 을 확인할 수 있었다. 첫째, 디지털교과서를 활용한 적응형 학습 프로그램은 학 생들의 학습에 대한 흥미와 이해도를 높이는 데 매우 효과적임을 확인하였다. 둘째, 피지컬 컴퓨팅을 활용한 실험은 학생들이 과학 개념에 대한 이해도와 학 습의 흥미를 높이는 결과를 가져왔다. 셋째, 개별 맞춤형 학습 지원을 통해 학생 들은 자기 수준에 맞춘 학습을 진행함으로써 학습 효과를 높일 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서 개발한 과학 적응형 학습 프로세스는 학생들의 과 학적 개념 형성에 도움을 주었다. 또한 피지컬 컴퓨팅 실험 장치와 디지털교 과서를 활용하였기 때문에 개별 맞춤형 교육이 효과적으로 진행되었다. 반복 학습과 지속적인 피드백을 통해 학생들의 과학 개념 이해도를 향상시켰으며, 교사의 직접적인 설명이 필요한 학생 수를 감소시키는 효과를 나타냈다. 그리 고 학생들이 작성한 성찰 일지를 통해 적응형 학습 프로세스가 학생들의 학습 흥미와 이해도에 긍정적인 영향을 미쳤음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 4
• 3. 용어의 정의 5
• 4. 연구의 제한점 6
• Ⅱ. 이론적 배경 7
• 1. 적응형 학습 7
• 2. 빛의 합성에 대한 오개념 18
• 3. 피지컬 컴퓨팅 빛의 합성 실험 장치 22
• 4. 과학 교육에서의 디지털교과서 28
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차 35
• 1. 과학 적응형 학습 프로세스 개발 37
• 2. 학생 유형 분류를 위한 진단평가 및 형성평가 문항 개발 42
• 3. 교수학습 프로그램 개발 51
• 4. 학생 교육 적용 및 분석 60
• Ⅳ. 연구 결과 62
• 1. 과학 적응형 학습 프로세스 개발 62
• 2. 학생 유형 분류를 위한 진단평가 및 형성평가 문항 개발 81
• 3. 교수학습 프로그램 개발 91
• 4. 학생 교육 적용 및 분석 138
• Ⅴ. 결론 및 제언 172
• 1. 결론 172
• 2. 제언 180
• 참고문헌 182
• ABSTRACT 193
• 부록 197