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Analysis of Inquiry Activities in High School Chemistry II Textbooks based on the 2009 Revised Science Curriculum: Focus on 8 Science Practices
Analysis of Inquiry Activities in High School Chemistry II Textbooks based on the 2009 Revised Science Curriculum: Focus on 8 Science Practices
Journal of the Korean Chemical Society. 2016. Feb, 60(1): 59-68
Copyright © 2016, Korean Chemical Society
  • Received : July 21, 2015
  • Accepted : November 25, 2015
  • Published : February 20, 2016
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영 전
애란 최

Abstract
최근 과학교육에서 강조되고 있는 과학적 소양의 함양은 과학 지식이 형성되는 일련의 탐구 과정을 경험하고 이해함으로써 향상될 수 있다. 이러한 관점에서 미국연구회(NRC)의 차세대과학기준(NGSS)은 학생들의 과학 탐구 과정 경험과 이해를 돕기 위하여 8가지 과학 실천(8 Practices of Science)을 제안하였고, 8가지 과학 실천 각각에 대하여 학년 군별 세부성취 목표를 제시하고 있다. 본 연구에서는 2009 개정 교육과정에 따른 고등학교 화학II교과서 4종에 포함된 탐구 활동을 8가지 과학 실천과 9-12학년군 세부 성취 목표를 기준으로 분석하였다. 4종의 화학II교과서에 포함된 탐구 활동은 총 173개 이고 분석된 과학 실천은 총 678개 이었다. 4종 화학II교과서의 탐구 활동에 포함된 과학 실천은 ‘자료 분석하고 해석하기’가 가장 많았고, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 의사소통하기’등은 상대적으로 그 기회가 부족하였으며, ‘질문하고 문제 규정하기’와 ‘모형 개발하고 사용하기’는 거의 포함되어 있지 않았다.
Keywords
서 론
최근 과학 교육의 많은 연구에서는 비판적 사고력을 갖춘 인재 양성을 위해서 과학적 소양 함양이 중요하고, 이는 학생들이 과학 탐구 과정을 경험하고 이해함으로써 이루어 질수 있다고 주장하고 있다. 13 과학이 ‘탐구로서의 학문’ 이므로 학교 과학 교육이 학생들의 탐구 수행을 통한 과학 지식 형성에 중점을 둔다면 과학 개념 이해뿐 아니라 과학적 소양 함양의 과학 교육 목표를 동시에 달성 할 수 있을 것이다. 46 그러나 실제 학교 과학 교육 현장에서는 탐구 기능만이 강조되고, 학생 스스로 문제를 설정하고 이를 해결하기 위해 모형을 설계하거나 데이터를 해석하는 과정에서 동료들과 토론하는 기회는 거의 없다는 비판이 여러 선행 연구에서 있어왔다. 한유화 외(2014)는 탐구에서 학생들 스스로 수행해야 하는 ‘문제 발견-가설 설정-탐구 설계-탐구 수행-가설 검증’의 과정에 대한 안내가 교과서에 자세히 제시되어 있거나 교사가 주도하고 있어 학생들이 적극적인 과학적 사고를 할 기회가 거의 제공되고 있지 않다고 하였고, 양일호 외(2006)도 학교 현장에서 이루어지는 대부분의 탐구 수업이 지식 습득을 목적으로 하고 있어 학생들이 과학적 본성을 이해하는데 어려움이 있다고 주장하였다. 7,8 이러한 관점에서 탐구의 기능만이 강조된 확인 실험을 탐구라고 여기거나 탐구에 정해진 방법 이나 특정한 절차가 존재한다는 생각하는 오개념이 생길 수 있다는 우려가 있어왔다. 4,9
최근 미국연구회(National Research Council: NRC)에서 발표한 차세대과학기준(Next Generation Science Standards: NGSS)은 학생들이 데이터를 기반으로 하여 현상에 대한 설명을 구성하고 협의·논의하는 과정에서 과학 지식을 형성할 수 있고 과학이 증거를 기반으로 자연 세계를 설명하는 학문이라는 것을 이해하게 된다고 주장하면서 8가지 과학실천(8 practices of science)을 제시하였다. 21 즉, ‘질문하고 문제 규정하기’, ‘모형 개발하고 사용하기’, ‘탐구 계획하고 수행하기’, ‘자료 분석하고 해석하기’, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’등의 8가지 과학 실천을 학생들이 수행함으로써 스스로 과학 지식을 형성해야 함을 주장하고 있다. 또한 미국연구회(NRC)는 8가지 과학 실천 각각에 대하여 학년 군별로 성취해야할 세부 목표를 제시하여 각 실천의 의미를 분명히 하고 있다. 4
우리나라에서는 제 7차 교육과정부터 탐구의 중요성이 강조되어 왔고, 특히 2009 개정 과학과 교육과정에서는 학습자가 탐구를 경험함으로써 과학 지식 형성과정과 과학의 본성을 이해하고 비판적인 토론 활동을 통해 의사결정능력을 향상하는 것을 중요한 목표로 제시하고 있다. 10 이러한 과학 교육의 목표가 과학 교과서의 탐구 활동에 어느 정도 반영되어 있는지를 알아보기 위하여 여러 가지 분석틀을 활용한 탐구 활동 분석 연구가 다수 이루어져 왔다. 한화정과 심규철(2013)은 2009 개정 고등학교 과학 교과서 7종의 ‘에너지와 환경’ 단원에 학생들이 직접 체험 하거나 창의적인 사고를 하도록 유도하는 탐구 활동이 거의 포함되어 있지 않다는 분석 결과를 보고하였다. 11 김지영 외(2012)도 2007 개정 화학교과서에서와 같이 2009 개정 화학II교과서의 탐구 활동에 과학적 방법이 다양하게 제시되어 있지 않다고 주장하였다. 4 또한, 서은선 외(2013)는 2009 개정 고등학교 지구과학II교과서의 대부분의 탐구활동이 자료를 통해 문제를 해결하는 형식으로 제시되어 있고 학생 스스로 문제를 설정하고 실험 설계 및 수행하는 활동은 거의 없다고 하였다. 12 한유화 외(2014)도 2009 개정 중학교 과학 교과서 9종에 학생 스스로 실험을 수행할수 있도록 구성된 실험이 거의 포함되어 있지 않고, 2009개정 교육과정에서 강조하는 의사소통 활동이 교과서에 충분히 반영되어 있지 않다고 주장하였다. 7
이처럼 개정된 교육과정에 의해 개발된 과학 교과서의 탐구 활동을 분석한 연구가 꾸준히 이루어져 왔으나, 선행 연구에서 사용한 탐구 활동 분석틀 대부분이 전통적인 탐구 기능에 중점을 두고 있다는 한계점이 있다. 탐구를 통해 얻은 데이터 해석과 추론을 바탕으로 다양한 형태의 모델을 사용하여 탐구 문제에 대한 설명을 제시하고 이과정에서 이루어지는 토론이 과학 탐구의 본질이라고 강조해 온 Berland & Reiser (2009), Duschl (1990), Ford (2008), Sampson & Blanchard (2012), Simon et al .(2006) 등의 많은 선행 연구를 고려할 때, 1317 미국연구회 (NRC)에서 제시한 8가지 과학 실천과 실천 각각에 대하여 학년 군별로 학생들이 성취해야 할 세부 목표는 탐구 활동의 분석에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 또한 최근 고시된 2015 개정 과학과 교육과정에서도 과학적 사고력, 과학적 탐구능력, 과학적 문제해결력, 의사소통능력 등 핵심역량을 강조하면서 미국연구회(NRC)에서 제시한 8가지 과학 실천과 같은 내용의 과학 탐구 기능을 구체적으로 명시하고, 이 8가지 과학 탐구 기능이 과학 개념과 연결되어 과학과 교수-학습이 수행되어야 함을 제안하고 있다. 18 8가지 과학 실천(8 Practices of Science)을 기준으로 2009 개정 과학교육과정에 따른 고등학교 물리 교과서의 탐구 활동을 분석한 선행 연구로 강남화와 이은미(2013)의 연구가 있다. 18 그러나 이 연구에서는 과학 실천의 성취목표에 기초하여 각각의 과학적 실천에 해당하는 활동의 종류를 구성하여 교과서의 탐구 활동을 분석하기 위한 기준으로 하였다. 이 연구자들이 구성한 활동들은 미국연구회(NRC)에서 제시하는 세부 성취 목표의 학년 군별 차이 또는 세부 성취 목표들 간의 학습 상황이나 조건 등의 미세하고 정교한 차이가 무시 되고 활동 자체에만 중점을 둔 것이라는 한계가 있다.
이에 본 연구에서는 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 고등학교 화학II교과서의 탐구 활동을 미국연구회에서 제시한 8가지 과학 실천과 각 실천의 세부 성취 목표를 기준으로 분석하고자 한다. 본 연구는 화학 교수-학습의 핵심적인 매개체 역할을 하는 화학II교과서에 포함된 탐구 활동이 학생들의 탐구 경험과 이해를 위해 어느 정도의 학습 기회를 제공하는지 정보를 제공하고, 나아가 교사가 탐구 중심 과학 수업을 하기 위해서는 교사 연수 또는 교육에 어떠한 내용이 필요한지 등에 대한 시사점을 제공할 수 있을 것이다.
연구 방법
- 연구 대상
본 연구는 2009 개정 교육과정에 의해 개발되고 서울시 교육감의 인정을 받은 총 4종의 고등학교 화학II교과서의 5개 단원에 포함되어 있는 탐구 활동을 분석 대상으로 하였다. 화학II교과서의 5개 단원은 I단원 ‘다양한 모습의 물질’, II단원 ‘물질 변화와 에너지’, III단원 ‘화학 평형’, IV단원 ‘화학 반응 속도’, V단원 ‘인류 복지와 화학’이다. 각 화학II교과서에서 ‘탐구 활동’, ‘탐구 자료 해석’, ‘탐구자료 분석’, ‘탐구 실험’, ‘미니 탐구’ 등과 같이 ‘탐구’ 라는 단어가 들어간 활동을 분석하였다.
- 분석 기준
본 연구는 미국연구회(NRC)의 차세대과학기준(NGSS)에서 제시한 8가지 과학 실천의 9-12 학년군의 세부 성취목표를 기준으로 분석하였다. ‘질문하고 문제 규정하기’, ‘모형 개발하고 사용하기’, ‘탐구 계획하고 수행하기’, ‘자료 분석하고 해석하기’, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’, ‘설명 구상하고 문제해결 고안하기’, ‘증거에 입각하여 논의하기’, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’의 8가지 과학실천과 각 과학 실천의 9-12학년군의 세부 성취 목표는 1 과 같다.
8 Practices of Science (National Research Council, 2013)
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8 Practices of Science (National Research Council, 2013)
- 자료 분석
본 연구의 1저자와 교육대학원 석사과정에 재학 중인 2인이 8가지 과학 실천과 세부 성취 목표의 내용을 숙지한 후, A교과서 38개의 탐구 활동 중 10개, B교과서 41개 탐구 활동 중 20개, C교과서 38개 탐구 활동 중 15개, D교과서 56개의 탐구 활동 중 20개를 각각 분석한 후, 분석자간 일치도를 구한 결과는 A교과서 0.81, B교과서 0.82, C교과서 0.87, D교과서 0.84 이었다. 분석이 모호하거나 분석자 간 차이가 있는 경우에는 여러 차례 논의를 통해 합의 하는 과정을 거쳤다. 3명의 분석자들의 논의를 바탕으로 분석 기준을 명확히 하고 전체 자료의 분석은 본 연구의 제 1저자가 완료하였다.
분석의 예를 들면 다음과 같다. ‘주사기에서 일어나는 변화로 계의 엔트로피 변화를 설명해 보자’ 와 같이 관찰한 현상을 분석하고 과학 원리나 이론을 사용하여 설명을 고안하도록 하는 경우 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’와 과학 실천 6 ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’로 분석하였다. ‘만약 과정 5에서 옥살산이 모두 녹지 않았다면, 옥살산을 완전히 녹일 수 있는 방법을 이야기 해 보자’ 와 같이 학습자가 구성한 설명을 동료들과 논의 하도록 하는 경우는 과학 실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’로 분석하였다. ‘전지 각각의 주된 용도를 조사해 보자’와 같이 문헌이나 매체 등을 통하여 정보를 얻도록 하는 경우는 과학 실천 8 ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’로 분석하였다.
과학 실천의 세부 목표를 기준으로 분석한 예를 들면, . 1 에 제시된 바와 같이 A교과서의 II단원 ‘물질의 변화와 에너지’에 포함된 ‘탐구 활동 8 발열 반응과 흡열 반응’에서 ‘정리 1 염화칼슘의 용해 반응이 어떻게 이용될 수 있는지 알아보자’ 는 수집한 자료를 분석·해석하고, 참고 문헌을 이용해서 정보를 얻어야 하므로 과학 실천 4중에서 ‘타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모델을 사용하여 자료 분석하기(4-1)’로, 과학 실천 8 중에서 ‘과학적 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기(8-2)’ 로 분석하였다. 또한 ‘정리 2 질산암모늄을 물에 용해시킬 때 나타나는 현상에 대한 이유를 설명하여 보자’ 는 용해현상에서 실험을 통해 측정한 온도에 관한 정성적 설명을 제시하는 활동이므로 과학 실천 6 중에서 ‘독립변인과 종속변인 사이의 관계를 고려하여 양적, 질적 주장을 만들기(6-1)’로 분석하였다.
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Inquiry Activity 8. Exothermic and Endothermic Reaction (From Unit II Changes of Substances and Energy, Chemistry II Textbook A).
다른 예는 . 2 에 제시된 바와 같이 A교과서의 III단원 ‘화학 평형’에 포함된 ‘탐구 활동 28 다양한 화학 전지의 전위차 측정하기’에서 ‘과정② 전압계를 이용하여 각 금속 조각 사이의 전압을 측정하여 아래 표에 기록한다’는 실험을 통해 얻은 각 금속 조각 사이의 전압 데이터를 기록하는 활동이므로 과학 실천 3 중에서 ‘여러 가지 변인을 고려하여 계의 복잡한 모형에 대해서 변인들을 조정하고 자료를 수집하기(3-6)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. ‘정리1 전압이 가장 크게 나타나는 경우는 어느 것인가?’는 수집한 자료를 해석하는 활동이므로 과학 실천 4 중에서 ‘타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위해 도구, 기술, 또는 모형을 사용하여 자료를 분석하기(4-1)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다. ‘정리2 금속 조각의 가격을 고려해 볼 때, 가장 효율이 좋은 화학 전지는 어느 것인가?’는 참고 문헌이나 인터넷 등을 통해 자료를 얻고 평가하는 활동이므로 과학 실천 8중 ‘과학적 문제 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기(8-2)’의 세부 목표를 달성할 수 있는 활동으로 분석하였다.
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Inquiry Activity 28. Electric Potential Difference Measurement of Diverse Chemical Cell (From Unit III Chemical Equilibrium, Chemistry II Textbook A).
연구 결과 및 해석
- 교과서에 포함된 탐구 활동 수와 과학 실천 수
2009 개정 교육과정 화학II 교과서에 포함되어 있는 ‘탐구’ 라는 단어가 들어간 활동수와 과학 실천 수는 2 와 같다. 4종의 교과서에 포함되어 있는 총 173개의 탐구활동 중 D교과서가 56개로 가장 많은 탐구 활동을 포함하고 있었고, B교과서는 41개, A와 C교과서는 각각 38개의 탐구 활동을 포함하고 있었다. 4종의 교과서에 포함되어 있는 과학 실천은 A교과서 159개, B교과서 162개, C교과서 140개, D교과서 217개로 교과서별, 단원별 탐구 활동수와 과학 실천 수에 상당한 편차가 있었다. 평균적으로 III단원 ‘화학 평형’이 가장 많은 탐구 활동(14개)과 과학실천(59개)을, V단원‘인류 복지와 화학’이 가장 적은 탐구 활동(2개)과 과학 실천(8개)을 포함하고 있었다.
Number of Inquiry Activity and Science Practice in Chemistry II Textbook
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Number of Inquiry Activity and Science Practice in Chemistry II Textbook
교과서별 단원별 포함되어 있는 탐구 활동수와 과학 실천수를 살펴보면, A교과서의 III단원 ‘화학 평형’에 포함된 탐구 활동은 16개, 과학 실천은 70개로 다른 단원들에 비해 두 배 정도이고 4종의 교과서 중에서 가장 많았다. B교과서의 V단원 ‘인류 복지와 화학’에 포함된 탐구 활동은 1개로 4종 교과서중 가장 적은 탐구 활동을 포함하고 있고, 과학 실천도 3개로 B교과서의 평균과도 큰 차이를 보였다. C교과서의 I 단원 ‘다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동은 15개, 과학 실천은 64개로 C교과서의 평균 보다 두 배 많을 뿐 아니라 4종 교과서의 평균보다 높았는데, 이는 C교과서의 다른 단원들이 4종 교과서의 평균보다 이하의 수를 나타내고 있는 것에 비해 두드러지는 결과이다. D교과서에는 III단원 ‘화학 평형’을 제외한 나머지 모든 단원에서 탐구 활동과 과학 실천이 4종 교과서 중 가장 많이 포함되어 있었다. 이처럼 교과서별 단원별 포함된 탐구 활동 수와 과학 실천의 수에 편차가 있으므로 탐구 중심 과학 교수-학습 계획을 하는 교사는 특정 단원 또는 특정 교과서에서 제시된 탐구 활동으로 학생들의 과학 탐구 경험을 제한하지 않도록 세심한 연간 탐구 수업 계획을 하는 것이 바람직 할 것으로 보인다.
- 교과서의 탐구 활동에 포함된 각각의 과학 실천 수
3 에 제시된 바와 같이 화학II교과서의 탐구 활동에 포함된 여러 가지 과학 실천 중에서 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’가 총 241개로 가장 많이 포함되어 있었고, 과학 실천 5 ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’는 112개, 과학 실천 6 ‘설명 구성하고 문제해결 고안하기’는 111개, 과학 실천 3 ‘탐구 계획하고 수행하기’는 93개로 실험 수행을 통해 얻은 자료를 수학적, 논리적 사고를 바탕으로 분석하고 그 이유를 설명하는 활동이 많이 제시되어 있었다. 특히 ‘자료 분석하고 해석하기’ 는 A, B, C, D 교과서에서 모두 가장 많이 포함되어 있는 과학 실천이었다.
Number of Each of 8 Science Practices in Chemistry II Textbook (Unit: Number (%))
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*1. Asking questions defining problems 2. Developing and using models 3. Planning and carrying out investigations 4. Analyzing and interpreting data 5. Using mathematics and computational thinking 6. Constructing explanations and designing solutions 7. Engaging arguments from evidence 8. Obtaining, evaluating and communicating information
반면 과학 실천 2 ‘모형 개발하고 사용하기’는 거의 포함되어 있지 않았고, 과학 실천 1 ‘질문하고 문제 규정하기’는 모든 교과서 포함되어 있지 않았는데, 이는 어떤 현상에 대해 학습자가 문제를 규정하고, 문제 해결을 위하여 동료와의 비판적인 토론을 통하여 모형을 구성, 사용, 평가해보는 학습 기회가 거의 제공되고 있지 않는 것으로 볼 수 있다.
- 단원별 탐구 활동에 포함된 각각의 과학 실천 수
탐구 활동에 포함된 각각의 과학 실천 수를 단원별로 살펴보면 4 에 제시된 바와 같이 I단원 ‘다양한 물질의 모습’에 C, D교과서에는 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’가, A와 B교과서에는 과학 실천 5 ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’가 가장 많이 포함되어 있었고, II단원 ‘물질의 변화와 에너지’에는 C교과서를 제외한 나머지 교과서에 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’가 가장 많이 포함되어 있었다. III단원 ‘화학 평형’, IV단원 ‘화학반응 속도’에는 4종 교과서에 모두 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’가 가장 많이 포함되어 있었다. 즉, V단원 ‘인류 복지와 화학’을 제외하고 교과서별로 대다수의 단원에서 과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’를 가장 많이 포함하고 있었는데, 이는 실험을 통해 수집한 자료를 논리적으로 분석하여, 결과를 뒷받침 할 수 있는 근거를 형성하는 활동이 많이 제공되고 있음을 의미한다. 이러한 활동들은 과학 탐구가 단순 자료 수집뿐만 아니라 사고 과정이 동반되는 활동임을 인식하는데 도움이 될 것이다.
Number of Each of 8 Science Practices per Unit
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1. Asking questions defining problems 2. Developing and using models 3. Planning and carrying out investigations 4. Analyzing and interpreting data 5. Using mathematics and computational thinking 6. Constructing explanations and designing solutions 7. Engaging arguments from evidence 8. Obtaining, evaluating and communicating information
그러나 ‘질문하고 문제 규정하기’는 모든 단원에서 전혀 포함되어 있지 않았는데, 이는 학습자가 관측된 자연현상에 대해 의문을 제기하고 선행 개념과 연결하여 탐구 문제를 규정하는 과정이 없이 단순히 이론 확인 실험에 그치는 활동만이 제시되고 있음을 시사한다. 다시 말하면 학생들이 탐구의 목적과 필요성을 능동적으로 인식할 기회가 제공되고 있지 않다고 볼 수 있다. ‘모형 개발하고 사용하기’는 모든 단원에서 매우 적게 포함되어 있었는데, 다양한 모형을 개발하고 사용하여 관측된 자연현상을 설명하고 예측할 수 있는 기회가 거의 제공되어 있지 않는 것으로 판단된다.
한편, 탐구 활동에 두 번째로 많이 포함되어 있는 과학실천은 단원별로 차이가 있었다. I단원 ‘다양한 모습의 물질’에는 ‘기체의 온도, 압력, 부피 사이의 관계 알아보기’, ‘기체의 확산 속도와 분자량 사이의 관계 알아보기’, ‘어는점 내림의 차이로부터 설탕과 포도당 구별하기’등에서 수학적 사고를 이용하여 자료를 분석하여 문제를 해결하는 활동으로 과학 실천 5 ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’가 많이 포함되어 있었다. II단원 ‘물질의 변화와 에너지’에는 ‘반응열을 측정하여 헤스 법칙을 이해하기’, ‘에너지보존의 예 찾아보기’, ‘에너지와 엔트로피의 관점에서 자발적 변화를 관찰하고 설명해보기’등과 같이 실험 결과의 분석 및 해석을 바탕으로 논리적 설명을 제시하는 활동으로 ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’의 과학 실천 6이 많이 포함되어 있었다. III단원 ‘화학 평형’ 에는 ‘온도, 압력, 농도에 따른 평형 이동을 확인하는 실험 고안하기’, ‘중화 반응을 이용하여 식초 속의 산의 농도를 알아내기’, ‘다양한 화학 전지 만들어 효율을 비교하기’등과 같이 가설 검증에 필요한 실험 도구와 적절한 자료 수집 방법을 선택하고 탐구 수행에 직접 참여하게 하는 활동이 있어 과학 실천 3 ‘탐구 계획하고 수행하기’가 많이 포함되어 있었다. IV단원 ‘화학 반응 속도’에도 ‘온도와 농도에 따른 반응 속도의 변화 관찰하기’, ‘촉매가 과산화수소의 분해 반응 속도에 미치는 영향을 알아보기’, ‘효소의 기능에 대한 열쇠와 자물쇠 모형 알아보기’등과 같이 학생이 반응 속도가 변화되는 요인에 관한 탐구 계획 및 수행을 하는 활동이 포함되어 있어 과학 실천 3 ‘탐구 계획하고 수행하기’가 많이 포함되어 있었다. V단원 ‘인류 복지와 화학’에는 ‘의약품 개발에서 전통 의학을 활용하는 예 찾아보기’, ‘녹색 화학의 예 찾아보기’, ‘미래 사회에서 화학의 역할’ 등과 같이 과학 용어, 개념, 원리등이 포함된 시각적 자료와 문헌을 읽고 실생활 속 과학과 관련된 이슈나 문제를 비판적인 시각으로 분석하도록 하는 활동으로 과학실천 8 ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’가 많이 포함되어 있었다. 이처럼 각 단원의 목표와 관련된 학습 내용에 따라 두 번째로 많이 포함된 과학 실천은 단원별로 다소 차이가 있는 것으로 보인다.
- 각각의 과학 실천의 세부 성취 목표 수
각각의 과학 실천에 대하여 제시된 9-12학년군의 세부성취 목표를 기준으로 각 교과서에 포함된 탐구 활동을 분석한 결과는 5 와 같다.
Number of Components of Each of 8 Science Practices
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*1. Asking questions defining problems 2. Developing and using models 3. Planning and carrying out investigations 4. Analyzing and interpreting data 5. Using mathematics and computational thinking 6. Constructing explanations and designing solutions 7. Engaging arguments from evidence 8. Obtaining, evaluating and communicating information
과학 실천 1 ‘질문하고 문제 규정하기’는 모든 교과서에 포함되어 있지 않았고, 과학 실천 2 ‘모형 개발하고 사용하기’도 매우 적게 포함되어 있었다. 과학 실천 3 ‘탐구 계획하고 수행하기’는 총 92개 중에 ‘여러 가지 변인을 고려하여 계의 복잡한 모형에 대해서 변인들을 조정하고 자료를 수집하기(3-6)’의 성취목표에 부합하는 것이 총 81개로 가장 많았다. 즉, 다양한 조건에서 실험을 수행하고 그 결과를 수집하는 활동(3-6)이 가장 많았고, 정교한 실험을 위한 실험 설계 개선(3-2), 적절한 도구 선정(3-4), 실험 설계 및 과정에 대해 평가나 반성하는 활동(3-1)이 없어 실험 수행 중 발생할 수 있는 문제의 원인에 대하여 토론하는 기회는 거의 제공되지 않는 것으로 판단된다.
과학 실천 4 ‘자료 분석하고 해석하기’는 총 241개 중에 ‘타당하고 신뢰성 있는 과학적 주장을 제시하기 위하여 도구, 기술, 또는 모형(예, 컴퓨터, 수학)을 사용하여 자료 분석하기(4-1)’의 목표에 부합하는 것이 235개로 가장 많았다. 반면, 자료 분석에 컴퓨터와 같은 디지털 도구를 이용하거나(4-2), 데이터 분석의 한계점을 고려하여 해석하는 활동(4-3)은 거의 제시되지 않았다. 과학 실천 5 ‘수학 및 전산적 사고이용하기’는 총 112개가 포함되어 있었고, 그 중 ‘주장을 지지하고 설명하기 위하여수학, 전산, 알고리즘 표상 사용하기(5-2)’의 목표에 부합되는 것이 총 64개로 가장 많았다. 즉, 단순 계산이 요구되는 활동(5-2)이 대부분이고, 컴퓨터를 사용하여 현상에 대한 모형을 만들어 보는 활동(5-1)이나 계를 설명하는 수학적 표현, 알고리즘, 또는 시뮬레이션을 시험해보는 활동(5-4)은 거의 제시되지 않았다. 과학 실천 6 ‘설명 구성하고 문제 해결 고안하기’는 총 111개가 포함되어 있었고, 그 중 ‘독립변인과 종속변인 사이의 관계에 대한 양적, 질적 주장 만들기(6-1)’의 성취 목표에 부합되는 것이 총 92개로 가장 많았다. 즉, 실험 결과를 바탕으로 주장을 형성하는 활동(6-1)은 많았으나, 다양한 정보원과 이론이나 법칙을 바탕으로 설명을 구성하고 수정(6-2)하거나, 예측하지 못한 결과에 대하여 과학적 이론, 원리 등을 사용하여 설명(6-3)하거나 실제 생활에서의 문제에 대한 해결책을 설계, 평가, 개선하는 활동(6-5)은 거의 없었다.
과학 실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’는 총 73개가 포함되어 있었고, 모두 ‘증거와 데이터에 기초하여 논증(또는 반증)을 구성, 사용, 표현하기(7-4)’의 성취 목표에 부합되는 것으로 , 다양한 관점에서 제시된 주장, 증거, 이유를 비교, 평가(7-2, 7-3)하거나 실생활에서의 문제를 해결하기 위해 제안된 설계의 한계점에 대한 설명하거나 평가해보는 활동(7-5, 7-6)은 없었다. 과학 실천 8 ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’는 총 41개가 포함되어 있었는데 그 중 ‘과학적 질문에 답하기 위하여 다양한 형태 및 매체에 포함된 정보원을 비교, 통합, 평가하기(8-2)’의 성취 목표에 부합되는 것이 총 37개로 가장 많았다. 반면, 수집된 자료를 다양한 형식으로 재구성하여 의사소통을 하거나(8-5), 정보의 유용성 및 증거를 평가하는 활동(8-3)은 거의 없었다.
교과서의 탐구 활동이 대부분의 과학 실천의 한 두 개의 세부 성취 목표에 해당하는 활동에 편중되어 있고, 전혀 제시되지 않은 해당 성취 목표도 상당수 존재하였다. 이와 같이 과학 실천의 여러 세부 목표 중 한 두 개의 성취 목표에 해당하는 활동만이 반복적으로 제시되어 있는 교과서의 탐구 활동으로는 여러 가지 다양한 세부 목표를 통해 성취될 수 있는 학생들의 과학 실천 경험과 이해라는 목표 달성에는 제한이 있을 것이다.
결론 및 제언
미국연구회(NRC)에서 제시한 8가지 과학 실천과 9-12학년의 성취 목표를 기준으로 분석한 결과 2009 개정 교육과정에 의해 개발된 고등학교 화학II교과서 4종에 포함되어 있는 탐구 활동 수와 과학 실천 수는 각각 173개, 678개 포함되어 있었다. 교과서별 단원별 포함되어 있는 탐구 활동과 과학 실천의 수에 편차가 있었는데, A교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중에 적은 편이지만, III단원 ‘화학 평형’에 포함된 탐구 활동은 D교과서와 함께 가장 많았고 과학 실천은 4종 교과서 중 가장 많았다. B교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았지만, V단원 ‘인류복지와 화학’에 포함된 탐구 활동은 4종 교과서 중 가장 적었고, 과학 실천도 적은 편이었다. C교과서에 포함된 총 탐구 활동과 총 과학 실천은 4종 교과서 중 적은 편이 었지만, I단원 ‘다양한 모습의 물질’에 포함된 탐구 활동은 D교과서와 함께 가장 많았고, 과학 실천은 4종 교과서 중 두 번째로 많았다. D교과서에는 III단원 ‘화학 평형’에 포함된 과학 실천이 4종의 교과서 중 세 번째인 것을 제외한 나머지 모든 단원에서 탐구 활동과 과학 실천이 가장 많이 포함되어 있었다. 이와 같은 결과는 탐구 중심 과학 교수 학습 계획을 하는 교사는 특정 단원 또는 특정 교과서에 제시된 탐구 활동만으로 학생들의 과학 탐구 경험을 제한하지 않도록 세심한 탐구 수업 계획이 필요함을 시사한다.
탐구 활동에 포함된 각 과학 실천의 수를 분석한 결과 8가지 과학 실천 중 ‘자료 분석하고 해석하기’가 241개로 모든 교과서에서 가장 많이 포함되어 있었고, ‘수학 및 전산적 사고 이용하기’가 112개, ‘설명 구성하고 문제 해결고안하기’가 111개, ‘탐구 계획하고 수행하기’가 92개, ‘증거에 입각하여 논의하기’가 73개, ‘정보를 얻고 평가하고 소통하기’가 41개, ‘모형 개발하고 사용하기’는 8개 포함되어 있었고, ‘질문하고 문제 규정하기’는 모든 교과서에 전혀 포함되어 있지 않았다. 즉, 실험을 통해 단순히 자료를 수집하는 것이 아니라 데이터를 논리적으로 분석하여 주장을 뒷받침 할 수 있는 근거를 형성하는 활동은 많지만, 동료와의 비판적인 토론을 통해 자신의 주장과 근거를 수정·보완해 나가는 과정에서 과학 지식을 형성하는 기회가 상대적으로 부족할 뿐 아니라 학생들이 관측된 현상에 대해 문제를 제기하거나 그에 관한 설명을 구체화시켜 모형으로 구성, 사용, 평가해보는 기회가 매우 제한적이어서 교과서에서 제시한 탐구 활동이 단순 탐구 기능 중심의 과학 개념 재확인 실험에 불과할 가능성이 큼을 시사한다. 과학 탐구는 탐구 문제로부터 시작되므로 학생들이 직접 탐구 문제를 제기할 수 있는 학습 환경은 학생들에게 중요한 학습 동기를 제공한다. 2,4 또한 Kozma & Russell (1997)과 Gilbert (2005) 등에 따르면 학생들이 현상을 설명하거나 주장을 하는데 있어 다중표상을 포함한 다양한 형태의 모델을 사용하여 설명하는 것은 과학학습의 매우 중요한 요소이다. 19-20 이러한 관점에서 교과서의 탐구 활동에 ‘탐구 문제 제기하기’와 ‘모형 개발하고 사용하기’가 매우 미흡하고 ‘증거에 기반하여 논의하기’ ‘정보 얻고 평가하고 소통하기’ 도 상대적으로 부족하게 포함되어 있는 본 연구의 결과는 교과서 탐구 활동 개발시 어떤 요소가 수정되고 보완되어야 할 것인가에 대한 시사점을 제공한다. 특히 2015 개정 과학과 교육과정에서는 8가지 탐구 기능을 구체적이고 명시적으로 밝히고 있는데, 이는 본 연구에서 분석 기준으로 삼은 8가지 과학 실천과 같은 요소이다. 따라서 개정되는 과학과 교육과정에 따른 교과서 개발에 본 연구의 결과는 중요한 시사점을 제공할 것으로 보인다.
8가지 과학 실천 각각에 대하여 9-12학년 학생들이 성취해야 할 세부 목표를 기준으로 분석한 결과 한 두 개의 특정 세부 목표 달성에 부합하는 활동으로 편중되어 있음을 알 수 있었다. 학생들이 탐구를 수행하는 과정에서 논리적이고 비판적인 사고 능력을 기를 수 있도록 다양하고 폭 넓은 기회가 제공되어야 하지만 일부 정형화된 패턴을 벗어나지 못하고 있는 것으로 보인다. 특히 과학적 소양 함양에 필수적인 ‘증거에 입각하여 논의하기’ 나‘정보를 얻고 평가하고 의사소통하기’의 경우에 비판적인 의사소통을 하는 상황이나 기회가 다양하게 제공되었을 때 목표가 달성될 수 있으나 현재 교과서의 탐구 활동은 그러한 학습 기회를 제공하고 있지 못함을 고려하여 향후 교과서에 포함되는 탐구 활동 개발 시 이러한 측면이 반영될 필요가 있어 보인다.
본 연구의 결과는 지금까지 국내 과학 교육에서 탐구의 중요성을 강조해왔으나 이러한 의도가 화학 교과서에 체계적으로 반영되어 있지 않고 있으며, 이는 과학 교사가 진정한 의미의 탐구 중심 수업을 계획하고 학생들이 탐구를 통해 과학 학습을 하는데 어려움으로 이어질 수 있음을 시사한다.과학 교사가 학생들의 탐구 능력 향상과 비판적 사고력 함양을 목표로 하는 화학 수업을 계획하고 수행하기 위해서는 교과서에 제시된 탐구 활동을 그대로 구현하기 보다는 학생들이 여러 가지 과학 실천을 경험하고 이해할 수 있도록 교과서의 탐구 활동을 재구성할 필요가 있을 것이다. 따라서 과학 교사들이 다양한 과학실천이 포함된 탐구 중심 과학 수업을 계획 및 수행을 하는데 요구되는 교과교육학적 지식을 함양할 수 있도록 과학 교사 교육 및 연수가 제공되어야 할 필요성이 있다. 또한 다른 과학 교과목이나 중학교 과학 교과서의 탐구활동에 포함된 과학 실천의 분포는 어떠한지, 과학 교사의 탐구와 과학 실천에 대한 이해와 인식, 실제 과학 탐구수업의 수준 또는 교사와 학생 또는 학생들간의 상호작용은 어떠한지 등에 대한 후속 연구가 필요할 것이다. 이러한 연구는 현장 교사의 탐구 중심 과학 수업에 관한 전문성 향상을 통한 학생의 진정한 과학 학습을 성취하는데 기여할 수 있을 것이다.
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