과학사 기반 호흡 개념 유형 분석 도구 개발 = History of Science based on Respiration Conception Types Analysis Survey tool Development

국문 초록 (Abstract)

과학사에 나타난 개념발달과정이 학생들에게 어떤 유형으로 나타나는지 알고 이를 다시 교과서나 교육과정에 반영될 수 있도록 하는 것은 과학교육에서 의의가 있음이 여러 가지 연구에서 밝혀지고 있다. 이와 더불어 학생들의 개념유형을 파악하기 위한 정교한 개발과정과 도구의 개발은 우선시 되어야 할 것이다.
이 연구의 목적은 학생들에게 형성되어 있는 과학사적인 호흡에 대한 개념 유형을 분석하기 위한 검사 도구를 개발하는데 있다. Tamayo와 Sanmarti(2007)는 과학사적인 호흡에 대한 설명으로 생기론적모형, 연소모형, 가스교환모형, 분자모형, 산화환원모형의 다섯 가지 모형으로 구분하였다. 이 다섯 가지 모형의 설명 차이에 기초하여 다섯 가지로 구분할 수 있는 호흡 개념유형 분석도구 개발틀를 작성하였는데, 이 분석 기준에는 다음과 같은 세 가지 자료가 활용되었다.
첫째, Tamayo와 Sanmarti(2007)가 논문에서 기준으로 삼은 다섯 가지 모형의 특징을 모형별로 서술해 놓은 내용이었다. 두 번째는 초, 중, 고등학교 및 대학에서 쓰는 교과서의 내용 중 호흡에 관해 기술된 내용을 과학사적으로 다섯 가지 관점에 따라 비교·분석한 내용이었다. 세 번째는 간단한 개방형 검사지를 통해 초, 중, 고등학교 학생들이 현재 가지고 있는 개념들을 수집한 후, 다섯 가지 모형에 따라 개념을 구분한 자료였다. 이와 같은 자료들을 통해 호흡에 대한 설명 범주를 호흡의 정의, 호흡 장소, 호흡의 반응 요소, 호흡 결과로 생성되는 것, 에너지의 근원, 산소의 역할, 영양소의 이용, 운동할 때 호흡이 빨라지는 이유, 호흡의 정의 등의 여덟 가지로 묶었다. 이 여덟 가지 기준에 의거하여 여덟 개의 문항으로 이루어진 검사 도구를 개발하였다.
구성된 검사 문항들은 모두 다섯 가지 답지에서 하나를 선택하는 선택형 문항으로, 세 번의 현장 선행 검사를 통해 수정하여 완성하였다. 구성된 여덟 개의 문항은 전문가들의 평가를 통해 타당한 것으로 판명되었다. 완성된 검사지를 초, 중, 고등학생들에게 시범 투입한 결과 학생들이 가지고 있는 호흡에 대한 개념 유형을 분류할 수 있었다. 초등학생은 호흡개념 발달의 단계상 고대의 생기론적모형을, 중학생은 중세 혹은 근대의 가스교환모형을, 고등학생과 대학생은 근대 혹은 현대의 분자모형과 산화환원모형을 나타내며, 이는 학습 내용의 계열성과 관계가 깊어 검사지의 다양한 활용이 가능함과, 과학사적인 호흡개념 발달과정의 교육과정 도입에의 타당함을 나타낸다.
이 연구에서 개발한 과학사에 기반 한 호흡 개념 유형 분석 유형 평가 도구는 호흡에 관한 생물 교육과정을 구성한다거나 생물교사들이 호흡에 관한 수업계획을 구상하는데 반드시 필요한 기초자료가 될 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to develop an instrument of examination for analysis of conception type about respiration which has been made in students. Tamayo and Sanmarti divided respiration of history of science into five explanations, that is, vitalism model, combustion model, Exchange gases model, molecular model, Oxidation-reduction model. According to differences of explanations of these five models, analysis standards of conception type models were made, and following three materials were used.
First of all, contents which described special features of five models that Tamayo and Sanmarti made was used. Second of all, contents which compared and analyzed contents about respiration that are used in textbooks of elementary school, middle school, high school and college by the five viewpoints of history of science were used. Last of all, conceptions that elementary, middle and high shool students have in present were collected through simple open questionnaires, and then materials which divided conceptions according to five models were used. According to above three contents and materials, explanation categories about respiration were classified into eight groups, that is, respiration place, reaction factor of respiration, products of respiration, energy source, function of Oxidation, function of nutrition, the reason of rapid respiration during exercise, definition of respiration. These eight categories were made into each questionnaires which were selective questionnaires of five answers and were corrected and completed through three field examination in advance. These eight questionnaires were confirmed by evaluations of experts. Completed questionnaires were used in elementary, middle and high school students, and in result conception types about respiration of students could be classified. An instrument of examination for analysis of conception type about respiration based on history of science which is made in this study is expected to be used as an essential basic materials, when biology curriculums about respiration is made or when biology teachers make lesson plan about respiration.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 2. 연구 문제 = 3
• II. 이론적 배경 = 5
• 1. 개념과 개념의 변화 = 5
• 1) 과학교육에서 개념 연구 = 6
• 2) 개념변화 연구의 학문적 배경 = 7
• 3) 이론적 관점에 따른 개념변화 = 8
• (1) diSessa(1993)의 현상론적 초안 = 8
• (2) Minstrell(1992)의 facet = 8
• (3) diSessa와 Sherin(1998)의 통합체 = 9
• (4) Chi 등(1944)의 존재론적 범주 = 9
• (5) Vosniadow와 Brewer(1994)의 정신모형 = 10
• 4) 개념 생태(conceptual ecology) = 11
• 5) Giere의 과학인지모형과 개념진화 = 13
• 2. 과학사에 나타난 개념 발달 과정과 학생들의 개념형성 과정 = 16
• 3. 과학사에 기반 한 호흡개념 모형과 교육과정 속의 호흡개념 = 18
• 1) 과학사에 기반 한 호흡개념 모형 = 19
• (1) 생기론적 모형 = 20
• (2) 연소모형 = 21
• (3) 가스교환모형 = 21
• (4) 분자모형 = 22
• (5) 산화환원모형 = 23
• 2) 교육과정 속의 호흡개념 = 23
• (1) 유아과학 교육과정 = 23
• (2) 제7차 국민공통 기본 과학 교육 과정에서 생물의 호흡관련 주제 = 24
• (3) 제7차 고등학교 교육과정의 선택교과에 나타나는 호흡개념 = 27
• 가. 생물Ⅰ = 27
• 나. 생물Ⅱ = 29
• 4. 선행연구 속에 나타나는 학생들의 호흡 개념 = 29
• 1) 오개념을 중심으로 이루어진 호흡개념 연구들 = 30
• 2) 호흡 개념생태 파악과 호흡개념진화 연구 = 31
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차 = 33
• 1. 문헌 고찰을 통한 호흡개념 모형 분석 = 34
• 2. 개방형 호흡 개념 검사를 통한 호흡개념모형 분석 = 34
• 3. 교과서와 전공서적의 호흡개념 모형 분석 = 36
• 4. 호흡 개념유형 분석도구 개발틀의 구성 = 36
• 5. 호흡개념 검사지 개발과 세 차례의 예비투입 및 수정 = 37
• 1) 세 차례 예비검사 연구 대상 = 38
• 2) 예비검사 자료수집 및 분석 = 39
• 6. 호흡개념 검사지 확정 및 최종 본 투입 = 40
• 1) 연구대상 = 40
• 2) 자료수집 및 신뢰도와 타당도 = 41
• 3) 분석 = 41
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 = 42
• 1. 호흡개념 모형 분석 결과 = 42
• 1) 호흡의 생기론적모형 = 42
• 2) 호흡의 연소모형 = 44
• 3) 호흡의 가스교환모형 = 44
• 4) 호흡의 분자모형 = 44
• 5) 호흡의 산화환원모형 = 45
• 2. 개방형 호흡 개념 검사지 분석결과 = 46
• 1) 학생들이 설명하는 호흡 개념모형 = 46
• (1) 호흡의 생기론적모형으로 분류된 설명군 = 46
• (2) 호흡의 연소모형으로 분류된 설명군 = 47
• (3) 호흡의 가스교환모형으로 분류된 설명군 = 48
• (4) 호흡의 분자모형으로 분류된 설명군 = 49
• 2) 개방형 검사지에서 학생들에게 나타난 호흡개념 유형분석 = 51
• (1) 개방형 검사 결과 나타난 초등학생들의 호흡유형 = 51
• (2) 개방형 검사 결과 나타난 중학생들의 호흡유형 = 54
• (3) 개방형 검사 결과 나타난 고등학생들의 호흡유형 = 58
• 3) 개방형 검사지에서 나타난 기타자료 분석 = 62
• (1) 호흡 개념 인식 경위 = 62
• (2) 개념을 설명하는데 영향을 주는 환경 = 63
• (3) 호흡관련 개념어 정리 = 63
• 3. 교과서와 전공서적의 호흡개념 모형 분석 결과 = 63
• 1) 교과서에 설명되어 있는 호흡개념모형 = 63
• 2) 생물학 전공서적에 설명되어 있는 호흡개념모형 = 65
• 4. 호흡개념 유형분석도구 개발틀과 검사지의 구성 = 68
• 1) 호흡장소 = 69
• 2) 호흡의 반응요소 = 69
• 3) 호흡결과로 생성되는 것 = 70
• 4) 에너지의 근원 = 70
• 5) 산소의 역할 = 71
• 6) 영양소의 역할 = 72
• 7) 운동시 호흡 횟수의 증가 = 72
• 8) 호흡의 정의 = 73
• 9) 호흡 개념유형 분석도구 개발틀의 호흡내용(문항)별 타당도 검증 = 73
• 5. 호흡개념 검사지 개발과 세 차례의 예비투입 결과분석 = 74
• 1) 1차 호흡 개념 검사지와 1차 예비투입 결과분석 = 74
• (1) 1차 호흡개념 검사지 = 75
• (2) 1차 예비투입 결과 분석 = 75
• 가. 신뢰도와 타당도 = 75
• 나. 호흡내용요소(문항)에 따른 학년별 호흡모형분포 = 76
• 가) 호흡장소에 따른 학년별 호흡모형분포 = 76
• 나) 호흡의 반응요소에 따른 학년별 호흡모형분포 = 78
• 다) 호흡결과로 생성되는 것에 따른 학년별 호흡모형분포 = 80
• 라) 호흡의 에너지의 근원에 따른 학년별 호흡모형분포 = 82
• 마) 호흡에서 산소의 역할에 따른 학년별 호흡모형분포 = 83
• 바) 호흡에서 영양소의 역할에 따른 학년별 호흡모형분포 = 85
• 사) 운동시 호흡 횟수의 증가에 따른 학년별 호흡모형분포 = 87
• 아) 호흡의 정의에 따른 학년별 호흡모형분포 = 89
• (3) 1차 예비투입 결과를 이용한 학생 개인별 호흡 개념유형 = 91
• 2) 1차 검사지 수정과 2차 검사지 개발 = 92
• 3) 2차 검사지 수정과 3차 검사지 개발 = 93
• 4) 2차 예비 투입과 3차 예비투입의 결과 비교 분석 = 93
• 6. 최종 검사지 개발과 본 검사 투입 결과 = 100
• 1) 최종 검사지 개발 = 100
• 2) 본 투입 결과 분석 = 100
• (1) 신뢰도와 타당도 = 100
• (2) 호흡내용 범주에 따른 학년별 호흡모형분포 = 101
• 가. 호흡장소에 따른 학년별 호흡모형분포 = 101
• 나. 호흡의 반응요소에 따른 학년별 호흡모형분포 = 103
• 다. 호흡결과로 생성되는 것에 따른 학년별 호흡모형분포 = 105
• 라. 호흡의 에너지의 근원에 따른 학년별 호흡모형분포 = 107
• 마. 호흡에서 산소의 역할에 따른 학년별 호흡모형분포 = 108
• 바. 호흡에서 영양소의 역할에 따른 학년별 호흡모형분포 = 110
• 사. 운동시 호흡 횟수의 증가에 따른 학년별 호흡모형분포 = 112
• 아. 호흡의 정의에 따른 학년별 호흡모형분포 = 114
• (3) 호흡모형에 따른 학년별 결과 분석 = 115
• 7. 이 연구의 생물교육학적 의의 = 117
• Ⅴ. 결론 및 제언 = 119
• 1. 결론 = 120
• 2. 제언 = 123
• 참고문헌 = 125
• ABSTRACT = 132
• 부록 = 134