초등 과학영재를 위한 과학의 본성 교육 프로그램 개발 및 교육적 효과 분석 = Analysis of Educational Effects of Educational Program on the Nature of Science for Science Gifted Students

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to explore the educational effects of NOS education program developed to raise the perception level of elementary school science gifted students on NOS. Also, Prior to the development of NOS training programs, the NOS instrument for elementary school students in the form of open questionnaires was developed to specifically reveal elementary school students’ perceptions of the nature of science (NOS), and its validity and effectiveness were investigated.
First, In order to develop a NOS instrument for elementary school students, problems that may occur when applying the existing NOS instruments to elementary school students were analyzed, and based on this, the development direction of the NOS instrument was established. In addition, after selecting 7 NOS types suitable for the level of elementary school students, the preliminary instrument was produced by modifying and supplementing the items in the existing instruments for each type or by developing new items. Finally, the NOS instrument consisting of eight questions was developed by adding one question asking for a comprehensive understanding of science to seven questions related to each type of NOS after content validity test of the science education expert group.
In order to verify the practical effect of the developed instrument, pre- and post-tests were conducted on 50 students in two classes of 6th grade at two elementary schools in Seoul: ‘existing instrument → development instrument’ in one clsss, and ‘development instrument → existing instrument’ in the other class. The collected data were then compared and evaluated through summary content analysis and analyzed by executing Wilcoxon signed rank test.
As a result of comparing and analyzing students’ responses to the existing NOS instrument and the developed NOS instrument, students’ perspectives on NOS were more diverse when using the developed instrument, and the error in the response caused by misinterpreting the intention of the question was reduced. In addition, when using the developed instrument, the responses of the majority of students at a statistically significant level changed more specifically.
Meanwhile, To develop NOS education programs for elementary science gifted students, 7 NOS types suitable for the level of science gifted students were selected and an online NOS education program (On-NOS) was developed for a total of 7 sessions, one for each type.
Afterwards, the On-NOS education program was applied to 32 science gifted students belonging to the university-affiliated science education institute for gifted, and using the previously developed 'NOS instrument for elementary school students' pre- and post-tests were conducted to examine the educational effects of the program. Changes in students’ perceptions of NOS types were compared through Wrightmap produced by analyzing with Rasch model, and specific changes were examined by summarizing the changes in the level of perception by NOS types in a diagram.
As a result of the study, the On-NOS education program has been effective in raising the overall perception level of elementary school science gifted students about NOS. In particular, students’ perception of the empirical evidence-based characteristics of scientific knowledge and the diversity of scientific methods in the NOS type showed a clear transition to a high level.
Based on these results, this study discussed the implications for the development of NOS instruments suitable for elementary school students and ways to increase the perception level of elementary science gifted students on NOS and to activate NOS education.

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 과학의 본성(Nature of Science, NOS)에 대한 초등 과학영재 학생들의 인식 수준을 높이기 위하여 NOS 교육 프로그램을 개발하고 그 교육적 효과를 탐색하는 것이다. 또한 NOS 교육 프로그램의 개발에 앞서 NOS에 대한 초등학생들의 인식을 구체적으로 드러내기 위해 개방형 질문지 형식의 '초등학생용 NOS 검사 도구'를 개발하고, 그 타당도와 효과를 조사하는 것을 목적으로 하였다.
먼저 초등학생용 NOS 검사 도구를 개발하기 위해 기존 NOS 검사 도구를 초등학생들에게 적용할 때 발생할 수 있는 문제점을 분석하였고, 이를 토대로 검사 도구의 개발 방향을 설정하였다. 또한 초등학생의 수준에 적합한 7가지 NOS 유형을 선정한 후, 유형별로 기존의 검사 도구 문항을 수정․보완하거나 새로운 문항을 개발하여 예비 검사 도구를 제작하였으며, 과학교육 전문가 그룹의 내용 타당도 검증을 거쳐 최종적으로 NOS의 각 유형과 관련된 7개 문항에 ‘과학에 대한 포괄적 인식’을 묻는 1개 문항을 추가하여 총 8개 문항으로 구성된 NOS 검사 도구를 개발하였다.
개발한 검사 도구의 실질적 효과를 검증하기 위해 서울에 있는 두 초등학교에서 6학년 2개 학급 50명의 학생을 대상으로, 한 학급에서는 ‘기존 검사 도구→개발 검사 도구’, 다른 학급에서는 ‘개발 검사 도구→기존 검사 도구’의 순서로 사전·사후 검사를 실행하였고, 수집된 자료는 요약적 내용분석을 통해 비교 평가하고 Wilcoxon 부호 순위 검정을 실행하여 분석하였다.
기존 NOS 검사 도구와 개발한 NOS 검사 도구에 대해 학생들이 응답한 내용을 비교․분석한 결과, 개발한 검사 도구를 사용할 때 NOS에 대한 학생들의 관점이 더 다양하게 나타났고, 문항의 의도를 잘못 해석하여 발생했던 응답의 오류가 줄어들었다. 또한 개발한 검사 도구를 사용할 때 통계적으로 유의미한 수준에서 과반 정도 학생들의 응답 내용이 더 구체적으로 변화하였다.
한편, 초등 과학영재를 위한 NOS 교육 프로그램을 개발하기 위하여 초등 과학영재들이 학습하기에 적합한 7가지 NOS 유형을 선정하였고, 유형별로 1차시씩 총 7차시의 온라인 교육용 NOS 교육 프로그램(On-NOS)을 개발하였다.
이후 대학부설 과학영재교육원에 소속된 과학영재 학생 32명을 대상으로 On-NOS 교육 프로그램을 적용하였고, 프로그램의 교육적 효과를 살펴보기 위하여 앞서 개발한 ‘초등학생용 NOS 검사 도구’를 사용하여 사전·사후 검사를 실행하였다. NOS 유형에 대한 학생들의 인식 수준 변화를 Rasch 모형으로 분석하여 산출한 Wrightmap을 통해 비교하였고, NOS 유형별 인식 수준의 변화 양상을 도표로 요약하여 구체적인 변화 양상을 살펴보았다.
분석 결과, On-NOS 교육 프로그램은 NOS에 대한 초등 과학영재 학생들의 전반적인 인식 수준을 높이는 데 효과가 있었으며, 특히 과학 지식의 경험적 증거 기반 특성과 과학적 방법의 다양성에 관한 NOS 유형에서 학생들의 인식이 높은 수준으로 뚜렷하게 이행하는 모습이 나타났다.
이 연구에서는 이러한 결과들을 바탕으로 초등학생들에게 적합한 NOS 검사 도구의 개발을 위한 시사점과 NOS에 대한 초등 과학영재 학생들의 인식 수준을 높이고 NOS 교육을 활성화하는 방안을 논의하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 7
• 3. 연구의 제한점 7
• Ⅱ. 이론적 배경 9
• 1. 과학의 본성(Nature of Science, NOS) 9
• 2. NOS 검사 도구 24
• Ⅲ. 연구 방법 34
• 1. 연구 대상 및 설계 34
• 2. 연구 절차 35
• 3. NOS 유형 선정 38
• 4. NOS 검사 도구 개발 40
• 5. On-NOS 교육 프로그램 개발 43
• 6. 측정 도구 및 평가 기준 48
• 7. 자료 수집 및 분석 53
• 8. Rasch 모형의 해석 방법 56
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 59
• 1. 초등학생용 NOS 검사 도구의 타당성 및 효과 검토 59
• 2. On-NOS 교육 프로그램의 교육적 효과 분석 72
• Ⅴ. 결론 및 제언 84
• 1. 결론 84
• 2. 제언 90
• 참고문헌 95
• ABSTRACT 105
• 부록 109
• 1. 예비 검사 도구 내용 타당도 평가지 110
• 2. 초등학생용 NOS 검사 도구 개발 연구 검사지 126
• 3. Online-NOS(On-NOS) 교육 프로그램 133
• 4. 기존 NOS 검사 도구 예시 140