문제중심학습(PBL) 전략의 개발과 적용 및 그 효과 = (The) development and implementation of Problem-Based Learning strategy and the examination of its pedagogical effectiveness

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 문제중심학습 전략을 개발하고 이를 고등학생과 대학생을 대상으로 실험 수업에 적용하여 그 효과를 알아보기 위한 목적으로 실시하였다.
연구는 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ의 세 부분으로 진행되었는데, 연구 Ⅰ에서는 학교 현장에 적합한 문제중심학습 전략을 개발하기 위해 고려해야 할 점들을 알아보았다. 현직 교사들과의 면담을 통하여 교사들이 문제중심학습 전략을 개발할 때 영향을 미쳤던 요인들을 알아보았고, 각 요인들이 수업 설계와 실행에 미치는 긍정적・부정적 영향을 살펴보았다. 연구 Ⅰ의 결과를 바탕으로, 연구 Ⅱ에서는 고등학생을 대상으로 문제중심학습 전략을 적용한 실험 수업을 설계하고, 방과 후 시간을 이용하여 수업을 진행한 후 그 효과를 알아보았다. 연구 Ⅲ에서는 대학교 분석화학 실험 수업에 적용할 수 있는 문제중심학습을 설계하고, 실행하여 효과를 알아보았다.
연구 Ⅰ의 결과, 문제중심학습 전략의 개발에 영향을 주는 요인들은 교사의 경험이나 교수관 같은 교사 요인, 학생들의 흥미나 동기 같은 학생 요인, 교과 내용, 수업 시수, 평가 같은 학교 요인들이었다. 이들 중 학교 요인들이 문제중심학습의 설계와 실행에 부정적으로 작용하고 있었으며, 학생들의 수업에 대한 긍정적인 반응과 교사들이 느끼는 긍정적 학습 효과는 교사들이 문제중심학습을 실행하는데 있어서 긍정적으로 작용함을 알 수 있었다. 문제중심학습을 설계할 때 학생들의 흥미나 동기를 고려하여 문제를 개발하고 교사 역할을 설정 하는 것이 필요하며, 정규 교과 외의 시간 활용이나 온라인 활용은 학교 요인으로 인한 제한을 해결하기 위한 방법이 될 수 있다.
연구 Ⅱ의 결과, 학생들은 문제중심학습 전략을 적용한 방과 후 실험 수업 후에 창의적 사고력 같은 인지적 능력 및 과학적 태도 같은 정의적 능력에서 긍정적인 효과를 나타냈으며, 특히 창의적 사고력의 하위 영역인 유창성, 융통성, 독창성에서 유의미한 차이를 보였다(p<.01). 과학적 태도도 긍정적인 변화를 나타냈으며 하위 영역 중에서 특히, 개방성, 끈기성, 창의성에서 통계적으로 유의미한 차이를 나타냈다(p<.05).
연구 Ⅲ의 결과, 학생들은 문제중심학습 전략을 적용한 분석화학 실험 수업 후, 창의적 사고에서 긍정적인 효과를 보였으며, 특히 융통성을 제외한 유창성과 독창성의 영역에서 통계적으로 유의미한 차이를 나타냈다(p<.01). 또한, 과학적 태도도 긍정적으로 향상되었으며, 과학적 태도의 하위 영역 중 특히, 개방성, 비판성, 창의성에서 통계적으로 유의미한 차이를 보였다(p<.05). 자기조절 검사지 결과에 따르면 실험 집단의 학생들이 비교 집단의 학생들보다 수업 후에 자기조절 전략을 더 지속적으로 사용하는 것으로 나타났으며, 집단 간에 통계적으로 유의미한 차이를 보였다(p<.05).
교사들이 문제중심학습을 설계하고 실행할 때 영향을 미치는 요인들을 고려하여 학교 상황에 적합하며 실험 수업에 적용할 수 있는 문제중심학습 전략을 설계하였다. 문제중심학습 전략을 적용한 실험 수업은 문제 정의, 자료 탐색, 문제 해결 방법 선정, 실험을 통한 문제 해결, 실험 결과의 분석 및 반성 등을 거치는 전 과정에서 다양한 사고 기능을 사용하도록 할 뿐만 아니라 긍정적인 과학적 태도를 기를 수 있도록 한다. 또한, 학생들의 능동적인 참여를 요구하므로 자기주도적인 학습 능력 신장에 효과적이다. 특히, 자기 평가, 자료의 조직화와 변형, 목표 설정 및 계획, 자료 탐색, 학습 환경 설정 등의 영역에서 학생들은 긍정적인 향상을 나타냈다. 이러한 결과로 미루어 볼 때, 문제중심학습의 실행은 창의적 사고력, 자기주도적인 학습 능력과 긍정적인 과학적 태도의 함양에 효과적인 방법으로 판단된다.
중등학교에서 문제중심학습의 실행을 활성화시키기 위해서는 입시, 진도 등을 고려하여 충분한 수업 시간을 할애할 수 있도록 수업을 설계하는 것과 교사들에게 문제중심학습의 효과에 대해 알리면서 직접 실행해 볼 수 있는 기회를 제공하는 것이 필요하다. 또한 대학교는 중등학교보다 교재나 수업 진도에 있어 제한을 덜 받기 때문에 문제중심학습의 설계나 실행이 상대적으로 용이하나 문제중심학습의 실행을 위한 충분한 수업 시간의 확보는 선행되어야 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objectives of this study are to develope and implement a Problem-based learning(PBL) strategy for chemistry experiment class and to examine its pedagogical effectiveness.
The consists of three parts. In part I, the key elements of PBL that are applicable to classroom setting are identified based on the findings from the in-depth interviews with nine incumbent teachers. The positive and negative aspects of each element affecting the design and implementation process of PBL strategy are also examined. Part Ⅱ and Ⅲ describe actual process of developing and executing new PBL strategy. For part Ⅱ, new PBL strategy for high school experiment class was developed and applied in after-school class setting. Part Ⅲ centers on college-level analytical experiment class, for which new PBL strategy was also designed and implemented. Data collected from each setting was analysed and compared to identify the changes in terms of creative thinking skill, self-directed learning skill and scientific attitude.
The research outcome of part Ⅰ indicates that among the key elements affecting the development and implementation process of PBL strategy, school-related factors such as subject contents, class hours and evaluation have negative impact, while student-related factors such as positive feedbacks from the students and their increased motivation have positive impact. Analysis of part Ⅱ and Ⅲ suggests that creative thinking skill and scientific attitude have improved and showed statistically significant result(p<.01, p<.05) after PBL strategy was applied. It also indicates that in terms of self-directed learning skill, students in experiment group showed statistically meaningful differences compared to those in control group(p<.05).
This study offers insight into the positive cycle of interaction between the introduction of PBL in classroom setting and student reaction to the new learning strategy. Since PBL strategy encourages students to actively participate in class activities, students in experiment group are exposed to more opportunities to develop self-directed learning skill compared to the students in control group, especially in the area of self-evaluation, data organizing and processing, goal setting, information seeking, and setting up a learning environment. The PBL strategy also requires students to develop their creative thinking skill through such activities as defining problems, solving problems through experiments, and analyzing results. As the creative thinking skill of the students has progressed, students have developed positive scientific attitude as well.
This study highlights pedagogical effectiveness of PBL strategy in terms of improving creative thinking skill, self-directed learning skill, and student attitude toward science learning in classroom setting. The study also indicates several challenges that PBL strategy presents. Successful implementation of PBL strategy in high school setting requires securing significant amount of class hours and uninterrupted class schedule. While design and application process of PBL strategy was relatively easier in college-level class than in high school-level class, securing enough class hours was a necessary condition for a successful implementation of PBL in college-level class as well. Finally, this study reveals that it is very important to promote the pedagogical effectiveness of PBL strategy among teachers as well as to have them hands-on experience in designing and applying PBL strategy in classroom setting.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• A. 연구의 필요성 및 목적 = 1
• B. 연구 가설 = 4
• Ⅱ. 이론적 배경 = 5
• A. PBL의 정의와 특성 = 5
• 1. PBL에 대한 정의 = 5
• 2. PBL의 특성 = 6
• 3. PBL의 구성 요소 = 8
• 가. 문제 = 9
• 나. 학생 = 13
• 다. 교사 = 15
• B. PBL 전략 = 17
• 1. 문제의 개발 = 18
• 2. PBL 진행 과정 = 21
• 3. PBL 전략의 설계와 적용 = 25
• 4. PBL 적용의 장애 요인 = 31
• C. PBL의 효과 = 34
• 1. 흥미와 학습 동기 = 35
• 2. 지식의 습득, 전이 및 통합 = 36
• 3. 문제 해결 능력과 고차원적인 사고 능력 = 37
• 4. 자기주도적 학습 능력 = 40
• Ⅲ. 연구 방법, 결과 및 논의 = 44
• A. 연구 I : 학교 현장에 적합한 PBL 수업 전략 설계에 대한 제안 = 45
• 1. 연구의 목적 = 45
• 2. 연구 문제 = 46
• 3. 연구 방법 = 47
• 가. 연구 대상 = 47
• 나. 연구 절차 = 50
• 다. 자료 수집 및 면담 내용 = 51
• 라. 자료 분석 = 54
• 4. 연구 결과 및 논의 = 56
• 가. 교사들이 PBL 수업을 계획할 때 영향을 미치는 요인들 = 57
• 나. PBL 수업을 설계하고 실행하는데 긍정적·부정적으로 작용하는 요인들 = 68
• 다. PBL 수업 경험의 유무가 교사들의 PBL 수업에 대한 생각에 미치는 영향 = 77
• 라. 교사들이 제안하는 PBL 적용 방안 = 81
• 5. 결론 및 제언 = 85
• B. 연구 II: PBL과 온라인 토론을 적용한 고등학교 방과 후 실험 수업의 설계와 실행 및 그 효과 = 89
• 1. 연구의 목적 = 89
• 2. 연구 문제 = 90
• 3. 연구 방법 = 91
• 가. 연구 설계 = 91
• 나. 연구 대상 = 91
• 다. 연구 절차 = 92
• 라. 검사지 = 93
• 마. PBL 실험 주제 및 문제 = 97
• 바. PBL 실험 수업 전략 = 101
• 사. 자료 분석 = 102
• 4. 연구 결과 및 논의 = 103
• 가. PBL 실험 수업이 학생들의 과학적 태도에 미치는 영향 = 103
• 나. PBL 실험 수업이 학생들의 창의적 사고에 미치는 영향 = 104
• 다. 온라인 토론에서 나타난 창의적 사고력 신장 관련 특성 = 105
• 라. 실험 활동에서 나타난 창의적 사고력 신장 관련 특성 = 113
• 마. PBL 실험 수업에 대한 학생들의 의견과 반성 = 114
• 5. 결론 및 제언 = 116
• C. 연구 III : 대학교 분석화학 실험 수업을 위한 PBL 전략의 개발과 적용 및 그 효과 = 118
• 1. 연구의 목적 = 118
• 2. 연구 문제 = 120
• 3. 연구 방법 = 121
• 가. 연구 설계 = 121
• 나. 연구 대상 = 121
• 다. 검사지 = 122
• 라. PBL 실험 주제 및 문제 = 125
• 마. PBL 실험 수업 전략 = 128
• 바. 자료 분석 = 132
• 4. 연구 절차 = 132
• 가. 연구 단계 = 132
• 나. 각 연구 단계에서의 문제 해결 과정 = 133
• 5. 연구 결과 및 논의 = 148
• 가. PBL 실험 수업이 학생들의 과학적 태도에 미치는 영향 = 148
• 나. PBL 실험 수업이 학생들의 창의적 사고에 미치는 영향 = 151
• 다. PBL 실험 수업이 학생들의 자기주도적 학습에 미치는 영향 = 152
• 라. PBL 실험 수업이 학생들의 학업 성취도에 미치는 영향 = 155
• 마. PBL 실험 수업 후 실시한 자기 평가 결과 = 157
• 바. PBL 실험 수업에 대한 학생들의 인식 변화 = 158
• 6. 결론 및 제언 = 160
• Ⅳ. 결론 및 제언 = 163
• 참고문헌 = 170
• 부록-1 과학적 태도 검사지 = 182
• 부록-2 방과 후 실험 수업 실험 결과 보고서의 예 = 183
• 부록-3 분석화학 PBL 실험 문제 = 184
• 1. Question 1. 남한강 이야기 = 184
• 2. QUESTION 2. 열대어 키우기 = 190
• 3. QUESTION 3. 실험 수업 계획하기 = 196
• ABSTRACT = 199

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