과학영재의 문제해결력 신장을 위한 통합적 정신모형 분석 및 교수-학습전략 개발

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 대학 과학영재교육원과 과학 고등학교에서 교육을 받고 있는 과학영재의 문제해결력 신장을 위한 교수ㆍ학습 전략 및 지도 자료를 개발하는데 있다. 연구계획에 따라 1차년도 에는 첫째, 검사도구 개발, 둘째, 정신모형 분석을 진행하였다. 첫째, 검사도구 개발은 역학문제해결에 기본 개념인 작용ㆍ반작용, 합력, 알짜 힘에 대한 문항을 개발하였다. 검사도구는 물체의 운동 방향을 수평과 연직, 물체의 수가 하나 또는 두 개, 힘의 작용이 한쪽 또는 양쪽, 힘의 크기가 일정 또는 다른 경우로 나누어 총 12문항을 개발하였다. 둘째, 정신모형 분석은 물체에 작용하는 힘을 화살표로 그리도록 하여 문제해결 과정에서 나타나는 표상의 정신모형을 분석하였다. 대학 과학영재교육원 중등 심화반 24명과 과학 고등학교 2학년 55명을 대상으로 조사하였다. 중등 심화반 학생들과 과학고 학생들은 합력, 알짜 힘에 대한 이해보다는 작용ㆍ반작용에 대한 이해가 낮은 것으로 나타났다. 수평인 경우에는 물체에 작용하는 힘의 주체와 객체를 잘 구분했지만 물체와 힘을 작용하는 주체가 떨어져 있는 경우에는 물체에 작용하는 힘에 대한 작용과 반작용의 이해는 낮은 것으로 나타났다. 2차년도 연구에서는 1차년도 연구결과를 바탕으로 진행하였다. 1차년도 연구결과를 보면 학생들이 역학문제를 해결할 때 물체에 작용하는 힘만 구해 문제해결하려는 습관 있어 물체에 작용하는 여러 가지 힘에 대하여 구체적으로 어떤 힘이 어떻게 작용하는지 잘 알지 못했다. 역학문제를 잘 해결하기 위해서는 물체에 작용하는 힘을 단계별로 화살표를 그려보도록 하는 과정이 필요했다. 물체에 작용하는 힘을 단계적으로 화살표를 그리는 활동은 힘에 대한 개념을 이해하고 역학문제해결에 도움이 되기 때문에 단계적으로 개발하였다. 단순한 상황에서 물체에 작용하는 힘을 화살표로 그리는 활동을 지도한 후 물체의 운동 방향이나, 물체의 수, 힘의 작용방향 등 다양한 상황에 물체에 작용하는 힘을 화살표로 그리는 활동을 지도할 수 있도록 개발하였다. 교수전략으로 화살표 그리기 활동과 화살표 분석하기 활동을 구분하여 개발하고, 개인별 보다는 소집단으로 구성하여 활동하도록 하였다. 개발된 지도 자료를 대학 과학영재교육원 중등 심화반 학생들 대상으로 과학수업에 적용하여 미비한 부분을 수정하여 지도 자료를 완성하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this research is developing instruction materials and teaching·learning strategies to improve problem-solving ability of science- gifted children who educate in the institution of university for science-gifted students and the science high school. According to research plans, in first year, developing examination tools, analyzing mental model were progressed. First, in stage of developing examination tools, the questions on, basic concepts of dynamics, the law of action and reaction, a resultant force, and net force were created. In designing examination tools, I divided the case of exercising directions of objects as horizontality or verticality, of numbers of objects as one or two, of actions of force as one-side or both sides, and finally, of magnitude of force as fixed or not. Total 12 questions were made by these cases. Second, in phase of analyzing mental model, the mental model represented in problem-solving processes by drawing an arrow as a force which acted to objects was analyzed. I conducted this survey of 24 students of middle level fast stream class in the institutions of university for science-gifted students and 55 students in science high school. Their understanding level of the law of action and reaction is lower than that of a resultant force and net force. In case of horizontality, the students easily divided the subject and object which acted to things, but in case of a long distance between the thing and the subject which acted, they showed low understanding degree on the law of action and reaction. In second year, the research was progressed based on first year study results. First year research result said students had a tendency to solve dynamic problems with only the force which acted to the object, so they did not know what and how force is acted to the objects concretely. For solving dynamic problems correctly, the process, drawing an arrow as force which acted to the object step by step was needed. The activity helps to understand notion of force and solve dynamic problems. In simple situation, teacher should instruct the activity of drawing an arrow as force which acts to objects, and then in various situations, the case of changing exercise direction of objects, numbers, and acting direction of force, improved activity of drawing an arrow can be achieved. As teaching strategies, the activity of drawing an arrow and analyzing the arrow were developed. This activity suggests small group constitution rather than one-person study. Developed instruction materials were adapted to students of middle level fast stream class in the institutions of university for science-gifted students and completed by correcting shortcomings.