개선된 합의 모델(RCM)의 세 가지 영역 간 지식 교환을 통한 초등교사의 PCK 발달 탐색 : 모델링 기반 과학 탐구 수업 사례를 중심으로 = Exploring the Development of Elementary Teachers’ PCK through Knowledge Exchanges between the Three Realms of PCK in the Refined Consensus Model : Focusing on Modeling-Based Science Inquiry Instruction

국문 초록 (Abstract)

교사 고유의 전문 지식이자 교과 내용 지식과 교육학 지식이 통합된 PCK(pedagogical Content Knowledge; 교과 교육학 지식)의 개념이 과학교육계에 소개된 이후 많은 연구자가 과학 교사의 PCK를 연구함으로써 과학교육의 질을 높이고자 하였다. 그러나 PCK의 등장 이후 오랜 시간이 지나면서 PCK의 특성과 구조를 둘러싼 다양한 학문적 논쟁이 발생하였으며, 이전에 개발된 CM(Consensus Model; 합의 모델)의 한계를 보완하고자 열린 2차 정상회의(summit)에서 RCM(Refined Consensus Model; 개선된 합의 모델)이 개발되었다. RCM의 주요 특징은 교사 PCK를 cPCK(collective PCK; 집단적 PCK), pPCK(personal PCK; 개인적 PCK), ePCK(enacted PCK; 실행된 PCK)의 세 영역으로 구분하고 교사의 PCK가 영역 간 지식 교환(knowledge exchange)을 통해 발달한다고 설명한 것이다. TLC(Teacher Learning Community; 교사 학습 공동체)와 같은 수업 전문성 신장을 위한 프로젝트 참여와 수업 실행{수업 계획(ePCKP)·수행(ePCKT)·성찰(ePCKR) 과정 포함}은 PCK 영역 간 지식 교환을 촉진하는 효과적인 맥락으로 알려져 있으며, 교사의 지식과 기능이 각 영역을 통과하는 지식 교환을 통해 pPCK가 확장되고 궁극적으로 교사의 PCK가 발달한다고 하였다. 한편, 최근 과학교육에서는 학생이 수업에서 과학자처럼 다양한 방법으로 자연 현상을 연구하여 이론을 구성하고 현상을 설명하는 것을 강조하고 있다. 모델링 기반 과학 탐구 수업은 학생이 과학자들의 탐구 활동과 근접한 것을 경험하게 하며, 추상적인 과학 개념을 구체적으로 설명하는 과정을 경험하게 한다. 그러나 현재 학교 과학 수업에서 모델링은 활발히 적용되고 있지 않으며, 이는 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 교사의 이해가 부족하기 때문으로 알려져 있다. 선행 연구에 따르면, 교사들은 모델과 모델링에 대해 제한된 인식을 갖고 있으며, 학생들에게 모델링을 효과적으로 가르치는 방법에 대한 이해도 부족하다. 이러한 맥락에서 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 교사의 PCK 발달을 탐색하여 학교 과학 수업에서 모델링이 효과적으로 적용될 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다. 또한 PCK의 세 가지 영역 간 지식 교환을 통해 교사 PCK 발달 과정을 심층적으로 탐색함으로써, 교사의 모델링 기반 과학 탐구 수업 전문성을 보다 효과적으로 개발할 수 있는 방법을 제시할 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 PCK 영역 간 지식 교환을 통해 초등교사의 PCK 발달 과정을 탐색하였다. 이러한 연구 목적을 달성하기 위해 이 연구에서는 TLC와 수업 실행을 PCK 영역 간 지식 교환을 촉진하는 수단으로 보고 두 가지 연구 문제를 설정하였다. 첫째, 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 TLC에서 초등교사의 PCK는 어떻게 발달하는가? 둘째, 모델링 기반 과학 탐구 수업 실행 과정에서 초등교사의 PCK는 어떻게 발달하는가? 이를 위해 이 연구에서는 초등교사 3인을 대상으로 TLC를 운영한 뒤, 각 교사가 현장에서 모델링 기반 과학 탐구 수업을 실행하도록 하였다. 이 과정에서 초등교사가 작성한 CoRe(Content Representation, 내용 표상), TLC 담화 자료와 심층 면담 자료, 수업 실행 자료(교수·학습 과정안, 수업 영상, 심층 면담 및 PaP-eRs)를 수집하였다. CoRe는 교사의 pPCK를 포착하는 도구로써, 연구 참여자가 지식 교환 전·후에 작성한 CoRe에서 pPCK 변화를 포착하여 PCK 전문 지식 기반의 하위 요소에 따라 질적 내용 분석하였다. 또한 TLC에서 연구 참여자들이 나눈 담화, 심층 면담 내용과 수업 실행 자료를 토대로 PCK 영역 간 지식 교환을 통한 PCK 발달 과정을 근거 이론 방법으로 분석하였다. 이 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 TLC에서 PCK 영역 간 지식 교환으로 초등교사의 PCK는 학생에 대한 지식, 교수적 지식, 평가 지식 측면에서 발달하였다. 구체적으로, TLC에서 PCK 영역 간 지식 교환 전 학생의 오개념, 사전 지식 및 흥미에 초점을 두었던 교사들은 cPCK와 pPCK 간 지식 교환으로 모델링 활동에서 학생이 겪을 어려움과 필요한 능력과 태도를 고찰하는 변화를 보였다. 또한 활용할 교수 전략으로 조사 활동을 나타내었던 교사들은 cPCK와 pPCK간 지식 교환, ePCKR과 pPCK 간 지식 교환으로 모델링을 활용할 교수 전략으로 나타내었으며 메타모델링 지식을 교수하고자 하는 변화를 보였다. 지식 교환 전, 교사들은 학생이 주요 개념을 정확하게 이해했는지 확인하기 위해 지필 평가를 주로 활용하였으나, ePCKR과 pPCK 간 지식 교환, cPCK와 pPCK 간 지식 교환으로 모델을 평가 도구로 활용하고 피드백 제공을 평가의 목적으로 여기는 변화를 보였다. 둘째, 모델링 기반 과학 탐구 수업 실행 과정에서 ePCK와 pPCK 간 지식 교환으로 초등교사의 PCK는 교육과정 지식, 학생에 대한 지식, 교수적 지식, 평가 지식 측면에서 발달하였다. 수업 실행 전 ‘생물과 환경’ 단원에 관한 교육과정 지식이 부족했던 교사는 모델링 기반 과학 탐구 수업으로 재구성하여 수업을 계획, 수행, 성찰하는 과정에서 ePCK와 pPCK 간 지식 교환으로 교육과정에 대한 이해가 발전되었으며, 교육과정 지식과 메타모델링 지식을 연결하는 변화를 보였다. 또한 학생의 흥미와 사전 지식, 오개념에 초점을 두어 수업을 계획한 교사들은 실제 수업에서 학생의 수행을 관찰하고 학생 지원 방법에 대해 구체적으로 성찰하였다. 이러한 ePCK와 pPCK 간 지식 교환으로 교사들은 학생이 모델링 과정에서 겪는 어려움을 이해하게 되었으며 모델링에 영향을 주는 학생의 특성과 오개념을 형성하지 않도록 하는 수업 전략도 제시하였다. 또한, 모델링 기반 과학 탐구 수업을 계획한 세 교사는 수업을 수행하고 성찰하는 과정에서 ePCK와 pPCK 간 지식 교환으로 과학 수업에서 모델링을 활용하는 방식을 다양하게 나타내었다. 마지막으로 교사들은 수업 실행 전 교육과정 성취 기준에 따라 하나의 주요 개념을 평가하기 위해 하나의 평가 도구를 활용할 계획을 세웠는데, ePCK와 pPCK 간 지식 교환 이후 성취 기준과 더불어 새로운 평가 기준을 추가하고 다양한 평가 도구를 활용하는 변화를 보였다. 위의 연구 결과를 토대로 이 연구에서는 초등교사의 PCK가 이전에 수행한 모델 활용 수업 사례에 대한 성찰(ePCKR과 pPCK 간 지식 교환) 및 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 표준 지식을 학습하는(cPCK와 pPCK 간 지식 교환) PCK 영역 간 지식 교환, 모델링 기반 과학 탐구 수업을 계획하고(ePCKP) 수행하며(ePCKT) 성찰하는(ePCKR) ePCK와 pPCK 간 지식 교환으로 발달한다고 결론지을 수 있다. 이러한 결론을 바탕으로 이 연구에서는 초등교사의 PCK 영역 간 지식 교환에 영향을 미치는 개인적 요인 규명의 필요성과 효과적인 모델링 기반 과학 탐구 수업 방식 개발의 필요성 등에 대해서 논의하였다. 이 연구는 세 가지 영역 간 지식 교환으로 PCK 발달 메커니즘을 이론적으로 설명한 RCM의 유용성을 경험적으로 검증하였으며, 교육 현장에서 모델링 기반 과학 탐구 수업이 효과적으로 활용될 수 있는 방안으로서 교사의 과학 수업 전문성 발달을 심층적으로 탐색했다는 점에서 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the concept of pedagogical content knowledge (PCK), which is a teacher's specialized knowledge and an integrated combination of content knowledge and pedagogical knowledge, was introduced to science education, various academic debates have arisen regarding PCK. The Refined Consensus Model (RCM) was developed at a PCK summit to address the divergent views surrounding PCK. The main feature of the RCM is that it categorizes teacher PCK into three realms: collective PCK (cPCK), personal PCK (pPCK), and enacted PCK (ePCK). The RCM also viewed a teacher's PCK as being developed through knowledge exchange between the three realms. Participation in instructional professional development projects, such as teacher learning communities (hereafter TLC), and teaching practice {including planning (ePCKP), teaching (ePCKT), and reflecting on (ePCKR) the lessons} can lead to knowledge exchange between the three realms of a teacher's PCK, which expands the teacher's pPCK and ultimately develops the teacher's PCK. On the other hand, There is a recent trend in science education that emphasizes engaging students in exploring natural phenomena in various ways to construct theories and to explain phenomena like scientists do. Modeling-based science inquiry allows students to experience something that close to the inquiring activities of scientists, and the process of explaining abstract scientific concepts concrete. However, modeling is currently underutilized in the field, mainly due to a lack of teacher understanding of modeling-based science inquiry instruction. Prior research has shown that teachers have limited awareness of models and modeling, and how to teach them. In this context, there is a need to explore teachers' development of PCK related to modeling-based science inquiry instruction to find how modeling can be effectively applied in science classes. Furthermore, exploring PCK development through knowledge exchange between the three realms of PCK is essential to suggest ways to develop teachers' expertise in modeling-based science inquiry instruction. Therefore, this study aims to explore the process of elementary teachers' PCK development through knowledge exchange between the realms of PCK on modeling-based science inquiry instruction. Based on this purpose, specific research questions are as follows. First, how does elementary teachers’ PCK develop in TLC on modeling-based science inquiry instruction? Second, how does elementary teachers’ PCK develop during the enacting modeling-based science inquiry instruction? As a research method, this study conducted TLC with three elementary school teachers and had each teacher enact modeling-based science inquiry instruction in their classrooms. In this process, we collected content representations (hereafter CoRe) written by teachers, the discourse data shared by the participants in the TLC and the data from the in-depth interviews, and the data related to the modeling-based science inquiry instruction (lesson plan, lesson videos, in-depth interviews, and PaP-eRs). As CoRe is a tool for capturing teachers' pPCK, we explored the changes in pPCK in the CoRe written by the research participants before and after knowledge exchange and analyzed them using qualitative content analysis according to the sub-components of the PCK professional knowledge bases. we analyzed the process of PCK development through knowledge exchange between the PCK realms using grounded research methods based on the discourse data, the data from the in-depth interviews, and the data related to the modeling-based science inquiry instruction. The research results are as follows. First, The PCK of elementary teachers who participated in the TLC on modeling-based science inquiry developed in the aspects of knowledge of students, pedagogical knowledge, and assessment knowledge, through knowledge exchange between the PCK realms. Specifically, teachers who focused on students' misconceptions, prior knowledge, and interests came to consider students' difficulties and the skills and attitudes they need in modeling activities, due to the knowledge exchange between cPCK and pPCK. In addition, teachers who used investigation as a teaching strategy through knowledge exchange between cPCK and pPCK and between ePCKR and pPCK, came to indicate that they would use modeling in small group as a teaching strategy and planned to teach meta-modeling knowledge. Teachers primarily used written assessments to ensure that students correctly understood science concepts, but the ePCKR-to-pPCK and cPCK-to-pPCK knowledge exchanges shifted them toward using models as assessment tools and providing feedback as they assessed student performance. Second, The PCK of elementary teachers who enacted modeling-based science inquiry instruction developed in aspects of curricular knowledge, knowledge of students, pedagogical knowledge, and assessment knowledge, through knowledge exchange between ePCK and pPCK. Teachers who had limited curricular knowledge of the ‘Biology and Environment’ unit prior to enacting the lessons showed improved understanding of the curriculum and made connections between curriculum knowledge and meta-modeling knowledge as a result of the knowledge exchange between ePCK and pPCK during planning, teaching, and reflecting on the lessons as they reorganized the unit learning into a modeling-based science inquiry instruction. In addition, teachers who focused on student interest, prior knowledge, and misconceptions before enacting the lesson observed student performance in the actual lesson and reflected specifically on how to support students. As a result of this knowledge exchange between ePCK and pPCK, teachers showed an improved knowledge of the difficulties that students will face and suggested instructional strategies to address student characteristics and misconceptions that impact modeling activities. The three teachers who planned modeling-based science inquiry instruction prior to enacting the lessons showed changes in their pedagogical knowledge as a result of the knowledge exchange between ePCK and pPCK, modifying the way they used modeling in their lessons. Finally, teachers who had planned an assessment that utilized one assessment tool to assess a single scientific concept based on the curriculum's achievement standards before enacting the lesson changed to add new assessment criteria and utilize multiple assessment tools, including models, as they observed students' performance in the lesson and through knowledge exchange between ePCK and pPCK. Based on these findings, it can be concluded that elementary teachers' PCK develops through knowledge exchange between the PCK realms, including reflecting on previously conducted instructions with models (knowledge exchange between ePCKR and pPCK) and learning normative knowledge about modeling-based science inquiry instruction (knowledge exchange between cPCK and pPCK), and knowledge exchange between ePCK and pPCK as they plan (ePCKP), teach (ePCKT), and reflect on (ePCKR) modeling-based science inquiry instruction. Based on these conclusions, this study discusses the need to identify personal factors that influence elementary teachers' knowledge exchange between PCK realms and the need to develop effective modeling-based science inquiry teaching methods. Also, This study is significant in that it empirically validated the usefulness of RCM, which theoretically explained the mechanism of PCK development through knowledge exchange, and explored teachers' professional development in science teaching as a way to effectively utilize modeling-based science inquiry instruction in the field.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 5
• 3. 용어의 정의 6
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 1. 교과 교육학 지식(PCK)과 개선된 합의 모델(RCM) 8
• 가. PCK의 개념과 구성요소 8
• 나. 개선된 합의 모델(RCM)의 개발과 특성 14
• 2. 모델링 기반 과학 탐구 수업 22
• 가. 과학에서 모델의 의미 및 특성 22
• 나. 과학 수업에 모델링 기반 탐구의 적용과 그 중요성 24
• 다. 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 연구 동향 28
• 라. 모델링 기반 과학 탐구 수업을 위한 PCK 31
• Ⅲ. 연구 방법 34
• 1. 연구 절차 34
• 2. 연구 참여자 37
• 3. 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 TLC 프로토콜의 개발 41
• 4. 모델링 기반 과학 탐구 수업의 구성 53
• 5. 자료 수집 58
• 6. 자료 분석 67
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 73
• 1. 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 TLC를 통한 초등교사의 PCK 발달 73
• 가. 모델링 기반 과학 탐구 수업에 관한 TLC를 통한 초등교사의 pPCK 변화 73
• 나. TLC에서의 PCK 영역 간 지식 교환을 통한 초등교사의 PCK 발달 과정 82
• 2. 모델링 기반 과학 탐구 수업 실행을 통한 초등교사의 PCK 발달 93
• 가. 모델링 기반 과학 탐구 수업 실행을 통한 초등교사의 pPCK 변화 93
• 나. 모델링 기반 과학 탐구 수업 실행에서의 PCK 영역 간 지식 교환을 통한 초등교사의 PCK 발달 과정 105
• Ⅴ. 결론 및 제언 124
• 1. 결론 124
• 2. 제언 128
• 참고 문헌 131
• ABSTRACT 159
• 부록 165