Real Time Presentation

RESEARCH STRANDS

    • Strand 1. Science Teaching and Learning (과학교수학습)

    • Strand 2. Science Curriculum and Assessment (과학교육과정 및 평가)

    • Strand 3. Science Teacher Education (과학교사교육)

    • Strand 4. Science Gifted / Special Education (과학영재/특수교육)

    • Strand 5. Science Culture / Informal Science Education (과학문화/비형식 과학교육)

    • Strand 6. History and Philosophy of Science (과학사/과학철학)

    • Strand 7. Engineering / Invention / Integrated Education (공학/발명/통합교육)

[Session 1-1 (English)] Strand 1, 3

Three Korean Science Teachers’ Collaborative Autoethnographic Analysis of Classroom Teaching in the Framework of Equity

Won Jung Kim (Michigan State University), Kyung-sook Kim (Jamsil Middle School), Minhye Kim (Dongsin Science Highschool)

Despite the increasing call for equity in science education, it is yet under-examined how Korean science teachers recognize and practice equity through their teaching. We as Korean secondary science teachers critically and reflectively examine our own teaching narratives, referring to three framings of equity in education; equity as access to learning opportunities, as inclusion for broadening participation, and as seeking justice to make visible and transform education norms/structures. We utilized collaborative autoethnography as a method to identify our own pedagogical narratives and compare their overlaps and disconnect by accounting for contextual features in which the narratives were situated. We figured out fifteen autoethnographic narratives in the three framings of equity in education. Findings report four dimensions of the equity narratives: 1) classroom discourse and practices, 2) pedagogical commitment and consciousness, 3) relationalities built with our students, 4) sociocultural/historicized narratives that shape and are shaped by 1)-3). We discuss that science teachers make autonomous efforts to create equitable teaching and learning opportunities even when they are little aware of the formal language of equity. This suggests teachers' change agency toward equity in science education; however, we also argue that systemic support is required for teachers to raise more explicit awareness of equity, and disrupt and transform teaching toward social justice.


Learning by doing pedagogy in school education: a case study approach

Narendra D Deshmukh (Homi Bhabha Centre for Science Education Tata Institute of Fundamental Research Mumbai India)

The case study method used to illustrate and understand the role of learning by doing (LBD) pedagogy in school education. In this study seven facilitators were interviewed, who are practicing hands-on or promoting activity based learning from more than 15-20 years and are well known for their work and contribution are working at different places of Maharashtra, India. Findings are: LBD as a learning approach is successful only if learning environment provides ample scope for learners to experience their personal potentials and develop these into their strengths. According to facilitators, working for sustaining motivation of the learner is a challenging task and long process but group motivation is possible. All facilitators mentioned that learners acquire many skills through LBD approach, such as: out of box thinking skills, conceptual understanding skills, observations, questioning, measurement, computational skills, making hypothesis, finding options and solutions, creativity, presentation, scientific attitude etc. Therefore, there is a need to motivate teachers for using learning by doing approach in regular class. Learning by doing approach should be made compulsory for all teachers.


Emergence of Remote Lab Sessions in Emergency Situation: University Students' Perception in COVID-19 pandemic context

Gyeong-Geon Lee (Seoul National University), Da Yeon Kang (Seoul National University), Myeongji Kim (Seoul National University), Hun-Gi Hong (Seoul National University), Sonya N. Martin (Seoul National University)

In this study, we investigated university students’ perception on the remote lab sessions (RLSs), which were implemented in 2020 spring semester because of COVID-19 pandemic. The research field was a Korean university located in Seoul. The participants were 308 students who took RLS courses such as general physics, chemistry, biology, or earth science lab courses, and other major level lab courses. We took a mixed method approach with online survey and following interview. The questions in the survey and interview included demographical information and perceptions on the various aspects of RLSs they had experienced, such as experimental video, expectation, satisfaction, interaction with TA and colleagues, writing lab notes, evaluation. Participants’ responses were analyzed as follows: (1) each RLS category showed very different way of implementation. (2) Most of RLS courses made new experimental videos but students’ perception on those were low. (3) The interactions between TA-student and student-student had been inhibited significantly. (4) TA-provided ideal experimental data did not help students’ discussion elaborated. (5) Students responded that the RLS was ‘easier’ than typical lab sessions. Consequently, it is recommended to revise future RLSs to (1) present experimental processes more in detail, (2) promote TA-student interaction particularly in timely feedback on lab notes, and (3) provide minimum hands-on experience if available (e.g. small laboratory kits).


Rethinking new normal science education: Non-face-to-face laboratory tour program

Yohan Hwang(Seoul National University), Kongju Mun(Seoul National University), Dae Hong Jeong(Seoul National University), Jae Geun Kim(Seoul National University), Sang-Hak Jeon(Seoul National University), Hyekyung Park(Seoul National University), Seongjae Lee(Seoul National University)

The education system is preparing for the post COVID-19 era characterized by a “new normal”. This year, most school education has had to be conducted in non-face-to-face classes. Lectures and classes were replaced with recorded videos or were conducted in real-time using video conferencing programs such as zoom. Lectures and discussions centered classes quickly turned into non-face-to-face content. However, the experimental practice has faced many difficulties in the current non-face-to-face curriculum. Most of the science experiments were replaced or omitted by demonstration. In this situation, we devised a plan to provide quality online experiences. We developed and operated a non-face-to-face laboratory tour program model. We named it as an ‘online open lab’. This program provides pre-learning videos content in advance of real-time online experiments so that participants can learn the subject and prior knowledge of the lab visit. The scene of the experiment was transmitted via video conferencing, and through this, an opportunity to communicate with scientist was provided. We provide information on the principles for the production of pre-videos and the preparation and progress for real-time experiments through three examples. Through this study, we provide practical knowledge and skills to researchers and educators who have difficulty non-face-to-face experiment practice in science education.


[Session 1-2 (Korean)] Strand 1

과학학급창의성을 위한 국제교류 STEAM 프로그램 개발 및 적용 -에너지 제로 하우스 디자인하기-

김이슬(서울대학교), 주혜은(Macquarie University), 이형문(서울대학교), 송진웅(서울대학교)

본 연구의 목적은 과학학급창의성을 증진할 수 있는 국제교류형 STEAM 프로그램을 개발하는 것이다. 초연결 시대를 맞이하여 온라인 플랫폼을 통해 다른 문화권의 사람들과 교류하고 협력하는 활동을 포함한 수업이 가능해졌다. 단순한 국제교류를 넘어서, 공동의 작업을 통해 문제를 창의적으로 해결하며 과학개념 구성을 도모할 수 있는 STEAM 수업을 개발하여 학생들에게 의미 있는 교육과 경험을 제공하고자 하였다. 수업주제는 ‘에너지 제로 하우스 디자인하기’로 선정하였다. 이는 글로벌 이슈이자 문화적/지리학적 차이가 창의적 발상과 개념 형성 및 적용에 도움이 되며, 언어적 차이를 통한 어려움을 극소화 시킬 수 있는 주제라고 판단했기 때문이다. 이 주제로 STEAM 교수학습준거인 상황제시(상대 국가로부터 학교건물 디자인 의뢰 받기), 창의적 설계(에너지효율을 고려한 학교건물 디자인하기), 감성적 체험(온라인 국제교류 활동)에 근거하여 프로그램을 개발하였다. 특히 개발 시 초점을 둔 부분은 과학학급창의성(홍옥수, 2016)의 요인 중 ‘집단의 창의적 경험’ 및 ‘과학수업 환경’에 해당하는 ‘온라인 국제교류 활동’이었다. 이 활동은 전통가옥 형태, 현대 주거 문화, 기후 등 나라별 차이를 소재로 소통하는 그룹 활동으로 구상되었다. 온라인 수업 도구로는 온라인 교실(Google classroom)과 온라인 협업 게시판(Padlet), 실시간 쌍방향 화상시스템(ZOOM)을 사용하였다. 총 8차시의 과정에서 온라인 게시판 (Padlet)과 Google classroom을 활용해 과제 업로드, 댓글 토론 등을 하였다. 오프라인 조별 실험 수업 2차시를 제외한 나머지 수업 과정은 ZOOM을 통해 비대면으로 이루어졌다. 그 중 3차시는 ZOOM을 이용하여 국제교류 활동으로 실시되었다. 해당 활동에서 호주 학생들은 대면수업 상황에서 조별 PC를 통해, 한국 학생들은 비대면수업 상황에서 개인별 PC를 통해 참여하였다. 프로그램을 통한 집단의 창의적 경험 및 과학수업환경, 과학 개념의 구성 및 적용을 살펴보기 위해서 한국 학생에게 과학학급 창의성 설문지를 수업 전후에 투여하고 수업 후 면담을 실시하였다. 수업관찰 및 온라인 플랫폼에 올린 과제와 댓글도 분석하였다. 그 결과, 협업이 가능한 온라인 수업 도구를 이용해 공동의 문제를 해결하면서 ‘집단의 창의적 경험’이 특히 증진됨을 알 수 있었다. 또한, ‘학생집단의 인지적 특성’에서 학생들의 과학개념을 더욱 조직적으로 구성한다는 것을 알 수 있었다. 본 연구는 후속 연구를 위한 사전 연구로 프로그램 수정 및 과학수업환경의 개선과 교수학습방법의 수정에 사용될 것이다.

델파이 기법을 활용한 기후변화 대응 실천역량 탐색

이명원(서울대학교), 신현정(서울대학교), 서수현(서울대학교), 원아랑(서울대학교), 최수연(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

현대사회에서 뗄 수 없는 관계로 우리의 삶에 깊숙이 관여하고 있는 기후변화 위험 상황 속에서, 우리는 기후변화 적응 및 완화를 위한 전략을 펼쳐야 하며, 이를 위해서는 기후변화의 내용 지식과 더불어 실천 의지 함양을 목표로 하는 기후변화교육이 필요하다. 최근 환경교육 내에서는 실천역량에 대한 논의가 진행되고 있으며, 기후변화교육에서도 내용 지식과 더불어 개인적·사회적 실천을 연결하는 통합적 교육이 필요하기에, 실천역량이 중요하다. 따라서 본 연구는 델파이 기법을 활용하여 기후변화 대응을 위한 실천역량의 요소를 탐색하고자 하였다. 이를 위하여 기후변화 대응 실천역량 관련 전문가 14인을 전문가 패널로 선정하였으며, 기후변화교육 및 실천역량 선행연구들을 분석하고 이를 바탕으로 1차 델파이 설문지를 작성하였다. 2, 3차 설문지는 직전 델파이 결과를 바탕으로 작성하였다. 1차 델파이는 개방형 질문으로 1, 2차 코딩을 통해 질적으로 분석하였으며, 2, 3차 델파이는 중요도를 묻는 폐쇄형 질문으로 응답을 통계처리하여 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다. 1~3차 델파이는 각각 12, 14, 13명의 패널이 참여하였고 기후변화 대응 실천역량을 ‘기후변화에 대한 올바른 지식, 태도 및 가치를 바탕으로, 기후변화 완화와 적응을 위한 개인적 및 사회적 실천에 민주시민으로서 책임을 가지고 참여할 수 있는 능력’으로 정의하였다. 또한 3차 델파이 결과 최종적으로 7가지 요소를 기후변화 대응 실천역량의 하위요소로 도출하였으며, 하위요소는 ‘기후변화 관련 지식’, ‘기후변화 감수성’, ‘성찰 능력’, ‘의사소통능력’, ‘통합적 사고’, ‘실천 의지’, ‘의사결정능력’이다. 연구 결과로 도출된 기후변화 대응 실천역량의 하위요소를 살펴보면, 첫째 기후변화 대응 실천역량은 역량의 3요소인 지식/기능/태도적 요소를 고루 포함하고 있었다. 둘째로, ‘기후변화 관련 지식’ 요소는 다른 요소들의 전제조건이 되는 요소였다. 세 번째, 7가지 요소 중 5가지는 환경 실천역량과 공통적인 요소로 환경교육과 기후변화교육이 맞닿아 있음을 보여줬다. ‘기후변화 감수성’과 ‘통합적 사고’는 환경 실천역량과 구별되는 요소로 기후변화의 특성인 1) 대중들이 기후변화를 가까운 위협으로 잘 느끼지 않는 것(Hung, 2014)과 2) 기후변화의 복잡성, 불확실성, 간문학적 특징을 잘 보여줬다. 이 연구를 바탕으로 기후변화 대응 실천역량을 평가하는 평가도구 개발연구와 기후변화 대응 실천역량 함양을 목표로 하는 기후변화 교육프로그램 및 교육과정 개발연구가 더 이루어져야 하며, 이를 통해 현대사회가 요구하는 실천 의지를 함양한 시민을 양성하는 데 기여할 수 있을 것이라 기대하는 바이다.

예비과학교사의 통합과학교육 수업 설계와 실행에서 나타난 수업비평과 성찰의 특징 분석

김지현(단국대학교), 지덕영(단국대학교), 손연아(단국대학교)

본 연구에서는 예비과학교사가 설계 및 실행한 통합과학교육 수업의 비평과 성찰 분석을 통해 예비과학교사의 수업을 보는 관점과 수업비평 전문성에 대해 분석하고자 하였다. 수 도권 소재 사범대학 과학교육과에 재학 중인 예비과학교사 33명을 대상으로 6가지의 통 합과학교육의 초점(지식내용 중심의 통합, 개인흥미 중심의 통합, STEAM 제품산출 통 합, STEAM 작품산출 통합, SSI 중심 통합, S-ESD 중심 통합)에 따른 수업을 진행하게 한 후, 수업 비평지와 성찰지를 작성하게 하였다. 예비과학교사의 수업을 보는 교육적 안 목을 파악하기 위해 예비과학교사의 비평지와 성찰지 분석을 통해 예비과학교사가 통합 과학교육 수업에서 주목하는 측면에 대해 분석하였다.

예비과학교사의 수업 비평지 분석은 연구진이 선행연구를 바탕으로 재구성한 분석틀을 활용하여 분석하였으며, 예비과학교사의 수업 성찰지는 사회적 네트워크 분석법을 언어에 적용한 연구방법으로 키워드 사이의 상호관계에 대한 이해를 기반으로 문서 전체의 의미를 파악할 수 있는 언어 네트워크 분석법(Semantic Network Analysis: SNA)을 활용하여 분 석하였다. 더불어 예비과학교사가 수업에서 주목하는 측면을 복합적으로 분석하기 위해 예비과학교사의 수업 비평지 분석과 수업 성찰지 분석을 비교하여 제시하였다.

연구 결과 첫째, 예비과학교사는 수업 설계 및 학습 목표의 중요성을 인식하고 실제 수업 실행에서 수업 설계에 주목하여 실천하려는 노력이 보였으나, 수업을 관찰·분석할 때는 수업 설계와 실제 수업을 연계해서 비교하는 역량이 부족하였다. 둘째, 예비과학교사들은 통합과학교육 수업에서 학생활동 중심의 수업을 선호하고 활용하려는 경향이 나타났지만 정작 학습자에 대한 선행지식·선행경험 파악, 수업 중 학습자의 이해도 파악에 대한 비 평은 매우 낮은 반면, 교수자의 표현, 발문 등의 교수자의 입장에서 그들의 개인적 역량 에 더 주목하는 것으로 나타났다. 셋째, 예비과학교사가 대학 강의에서 습득한 교육학· 과학교육 관련 이론을 실제 수업에 적용해보려는 경향이 강하다 보니 수업의 전략적 측 면에 치중하여 수업을 해석하는 것이 분석되었다. 더 나아가 통합성이 높은 통합과학교 육의 초점일수록 적합한 교수-학습 전략을 활용하기 힘들어한 것으로 나타났다.

이종네트워크로서 과학학습의 의미와 시사점: ‘개념’을 중심으로

정용재(공주교육대학교)

이 연구는 이종네트워크(heterogeneous network)로서 과학학습의 의미에 대해 논의하고, 과학학습에서 ‘개념’을 무엇으로 볼 것인가를 포함하여 그 시사점에 대해 논의하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해, 우선, 행위자-네트워크이론(Actor-Network Theory)에서 얘기하는 이종네트워크의 특징에 대한 고찰을 통해, 이종적 구성, 관계에 의한 존재, 번역에 의한 구축과 변화 등 이종네트워크가 가지는 특징에 대해 논의하였다. 그리고 과학수업 사례 분석을 통해 이러한 이종네트워크의 특징이 과학학습에서도 나타남을 논의하였다. 이를 바탕으로 과학학습에서 사물의 격상, 결절된 이종네트워크로서의 개념, 이종네트워크의 구축과 확장 과정으로서 ‘설다’와 ‘익다’의 너나들이 등에 주목할 필요가 있음을 논의하였다. 특히, 이 중에서 결절된 이종네트워크로서의 개념에 대한 관점은 개념을 사물을 포함하는 다양한 행위자들의 이종네트워크로 바라보는 관점으로, 과학 개념학습과 관련하여 학생의 개념을 이루고 있는 이종네트워크의 구성과 관계를 밝히고 이의 변화 방안을 모색할 필요가 있음을 요청하고 있다. 끝으로, 이와 같은 연구결과를 바탕으로 과학학습과 관련된 몇 가지 추후 연구를 제언하였다.

[Session 2-1 (English)] Strand 1, 7

Analyzing Physics and Chemistry Education in U.S. Schools with State-Level Data Sets

Angela M. Kelly (Stony Brook University), Keith Sheppard (Stony Brook University), Robert Krakehl (Stony Brook University), Linda Padwa (Stony Brook University), Martin Palermo (Stony Brook University)

U.S. state-level data sets have become increasingly available to the general public since the passage of No Child Left Behind legislation in 2001. These data provide a rich corpus of information related to student performance in physics and chemistry, which are typically elective courses for U.S. high school students. Access to these sciences at the secondary level is often predictive of students’ intent to major in STEM fields in higher education, and their academic persistence. This presentation will highlight descriptive and inferential analyses of state-level data to illustrate policy issues related to teacher preparation and certification, school characteristics, and student achievement. Observational studies of data from several recent academic years indicated the predictive value of school-level demographics, socioeconomic variables, and teacher-level variables when examining the dependent variables of student enrollment and performance in physics and chemistry (N=5800). Correlation and multiple regression models indicated that although socioeconomic status was the primary predictor of student performance in the physical sciences, performance was often mediated by the professional age of the teacher and prior accessibility to advanced mathematics and science coursework. Results suggest that state-level data sets may provide policy insights for expanding access to the physical sciences and improving student achievement in these disciplines.

Perceptions of Peace and Harmony in Students' Drawings

Radhika Deshmukh (Shri Shivaji Science College Akola India) and Narendra D Deshmukh (Homi Bhabha Centre for Science Education TIFR Mumbai India)

If we make the students understand the true meaning of Peace and Communal Harmony, then only we can have a better tomorrow. Aimed at creating awareness about communal harmony and peace, we conducted poster, drawings and slogan competition on February 28, 2018-20 on the occasion of National Science Day. Four sub-themes were given for this competition on Peace and Harmony: Role of science in creating peace and harmony in society; My idea about peace and harmony in the world; Factors that are disturbing peace and harmony in the world; Learn from Nature-how to live in peace and harmony. The No of participants participated in poster and drawing competition are 61 Junior college students. We received 11posters, 50 drawings and five slogans on peace and harmony. Through this poster competition students have inculcated many values, such as, they learnt that peace cannot be achieved through violence; peace can be achieved only through unity. They also realized that if there is teamwork and collaboration among society we can tackle any hardships of life. Thus, teamwork is the path for peace and to create the feeling of love, trust, tolerance, and brotherhood among people. Many posters depict that peace have 5 dimensions and they are social, ecological, personal, institutional, and political.

Looking back at “our science” and “our history”: An exploration of Korean preservice science teachers’ encounters with East Asian history of science

Wonyong Park (University of Oxford), Jinwoong Song (Seoul National University)

Despite the long-standing interest among science educators in using history of science in science teaching, little has been discussed around whether and how non-Western histories of science could be incorporated into science education. This study considers the opportunities and challenges of infusing the East Asian history of science (EAHOS) into science teacher education, drawing on postcolonial science studies and global history of science. We taught EAHOS to eight undergraduate preservice science teachers (PSTs) and investigated their perceptions of and attitudes toward EAHOS as they learned about it. Interviews and reflective essays were used to explore the tension coming from their dual positions as science teachers and East Asian people as they entered into the unfamiliar territory of EAHOS. Our analysis revealed a range of perceptions the PSTs had about the nature of EAHOS and its relevance to science teaching. We discuss the implications of our findings for reconsidering the place of EAHOS in the school curriculum, and some of the challenges that are involved in doing so.

Analysis of blended engineering classes in the post-corona era

Hyewon Jang(KAIST)

In 2020, due to COVID-19, which no one had predicted, all university classes were operated remotely without sufficient preparation time. K University supported professors conducting distance education while simultaneously supporting the development of real-time interactive online and offline convergence educational contents and real-time interactive element technology development. This study introduces the 20 subjects participating in this project in terms of lecture video and experimental video production, video discussion, individual and team project performance, experimental kit production, and virtual reality platform utilization. This study seeks to support innovation in university education based on blended learning.


[Session 2-2 (Korean)] Strand 1

빛의 반사 현상에 대한 초등 예비교사의 시각적 모델링 과정

윤혜경(춘천교육대학교), 이인선(충북대학교), 박정우(서울대학교)

최근 과학교육에서는 모델 기반 학습의 중요성이 부각되고 있으며, 학생을 모델링 활동에 참여시키기 위한 다양한 전략이 개발되고 적용되고 있다. 빛과 관련된 현상을 모델링하기 위해서는 주로 광선 다이어그램이 활용되는데, 광선 모델은 보이지 않는 빛의 경로를 시각적으로 가시화하는 효과적인 표현수단이기 때문이다. 빛은 우리가 어린 시절부터 경험하고 학습하는 개념임에도 불구하고 학생들은 빛의 특성을 이해하거나 설명하는 데 어려움을 겪고 있으며, 과학교사나 예비 과학교사들조차도 빛을 일관성 있게 표현하지 못한다. 이에 본 연구에서는 거울과 종이에서 일어나는 빛의 반사 현상을 설명하기 위한 시각적 모델링 과정에서 나타나는 과학적 추론의 특징을 알아보고 이를 통해 시각적 모델링 활동을 효과적으로 지도하기 위한 시사점을 얻고자 하였다. 특히 개인적으로 생성한 시각적 모델을 토론을 통해 협동적으로 수정, 보완해 가는 과정에서 과학적 추론이 어떻게 변화, 발전되어 가는지 탐색하고자 하였다. 초등 예비교사 20명이 연구에 참여하였으며 무작위로 2명씩 짝을 이루어 빛의 반사 현상을 관찰하고 이에 대한 시각적 모델을 처음에는 개인적으로 그리고 이후에는 협동적으로 구성하도록 하였다. 빛의 반사 현상에 대한 초등 예비교사의 시각적 모델링 과정은 Halloun (2004)이 제안한 모델링 사고의 세 측면, 정합성(coherence), 대응성(correspondence), 통약성(commensurability)의 관점에서 분석하였다. 개인적 모델과 협동적 모델을 비교한 결과 특별한 교육적 처치가 없었음에도 불구하고 일부 모둠에서 대응성과 통약성 수준이 다소 높아졌다. 또한, 이들의 추론 과정에서 세 가지의 주요한 특징을 발견할 수 있었다. 첫째, 반사의 법칙을 적용하는 통약성 수준은 상황에 따라 유동적으로 계속 변했고 구두 설명과 그림 설명이 일치하지 않는 경우가 많았다. 둘째, 시각적 모델링 과정에서 통약성, 정합성보다 대응성을 우선으로 고려하는 경우가 많았다. 셋째, 대응성과 통약성이 서로 갈등하는 상황에서 참여자들은 보조가설에 대한 검토 및 수정을 통해 이 갈등을 해결하고 추론을 발전시켜 나갔다. 이러한 연구 결과가 모델링 활동을 효과적으로 지도하는데 도움이 될 것으로 기대한다.

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2019R1F1A1040353)

알고리즘 표현을 적용한 ‘자석의 성질’ 실험 안내 자료 개발

강은주(옥포초등학교), 김지나(부산대학교)

과학 수업에서 실험 활동은 매우 중요한 요소이다. 이는 학생들이 실험 활동이라는 구체적인 경험을 통해 과학적 개념을 이해하고 과학적 지식을 생성하는 경험을 가질 수 있기 때문이다. 그러나 과학적 개념을 발견하기 위해서는 단순 현상 관찰뿐만 아니라 현상 관찰을 바탕으로 논리적으로 생각할 수 있는 기회를 제공할 필요가 있다(홍석인과 이주현, 2012). 또한 학생들의 오개념을 파악하고 이를 바탕으로 과학적 개념을 형성시킬 수 있는 의미 있는 활동이 이뤄지도록 해야한다(Barnett, 2002). 알고리즘 표현인 순서도는 직관적인 방식으로 정보에 접근할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라 문제해결 및 논리적인 사고에 도움을 줄 수 있다. 이에 본 연구에서는 자석과 관련된 실험에서 오개념적인 요소, 반복적 수행이 필요한 내용, 실험에서 고려해야할 점 등을 포함하여 알고리즘 형태의 실험 활동 안내 자료를 개발하고자 하였다. 자석 개념과 관련된 선행연구자료 분석을 통해 자석의 성질과 관련된 오개념을 추출하고 해당 단원의 과학 수업 경험이 있는 교사 3명을 대상으로 5차시에서의 실험 수업 시 고려해야할 사항에 대해 반구조화된 면담을 실시하였다. 기존의 교과서에 제시된 텍스트 형태의 실험 매뉴얼을 시각화하는 방법은 필수다양성의 법칙(Law of Requisite Vaniety), 게슈탈트 이론, 이중부호이론(dual-coding theory) 등 정보의 시각화와 관련된 이론적인 근거를 바탕으로 하였다. 실험방법의 시각화 표현 과정은 Chittaro (2006)의 정보 시각화 프로세스에 따라 이뤄졌다. 시각적 표현인 순서도가 효과적으로 변환 및 재구성되었는지 확인하기 위해 Davidowitz et al. (2005)의 흐름도 루브릭을 수정 보완하여 5점 Likert 척도로 평가하였으며 그 결과, 평균 4.67이상으로 잘 반영되었음을 확인할 수 있었다. 개발된 알고리즘 표현의 실험 안내 자료는 순서도가 문제 해결 및 개념 이해를 위한 절차적 촉진자가 될 수 있다는 측면에서 실험 수행에 어려움이 있거나 학업성취도가 낮은 학생에게 유용한 자료가 될 수 있을 것이라 기대된다.

FORT test를 활용한 인도네시아와 미국 학생들의 과학적 추론 능력 비교 연구

황효정(강원대학교), Rahmi Qurota Aini(강원대학교), Yustika Syabandari(강원대학교), Ai Nurlaelasari Rusmana(강원대학교), 하민수(강원대학교)

이 연구에서는 2018년 Kalinowski & Willoughby에 의해 개발된 과학적 추론 테스트인 FORT test 문항을 활용하여 인도네시아 학생들과 미국 학생들의 과학적 추론 능력을 비교하였다. 데이터는 인도네시아의 372명의 대학생들과 528명의 고등학생들로부터 수집된 데이터를 분석한 결과, 전반적으로 인도네시아 학생들의 과학적 추론 능력이 미국학생보다 상당히 낮게 측정되었으며 학업 수준(학년)이 높을수록, 여학생보다는 남학생에게서 높은 점수를 획득한 것으로 나타났다. 또한 많은 인도네시아 학생들이 높은 자신감을 가지고 특정 오답을 선택한 것으로 파악되었으며 대학생들보다는 고등학생들에서, 남학생들보다는 여학생들에게서 이러한 경향이 두드러지는 것을 확인할 수 있었다. 인도네시아 학생들은 특정 문항에서 높은 자신감을 가지고 오답을 선택한 경우가 있었으며 특별히 두 문항에서 이러한 경향이 두드러졌는데, 이는 변수를 주의 깊게 분석하지 않은 채 단순하고 직관적으로 생각한 결과이거나 하나의 결과를 지나치게 강조할 때 다른 요소들을 과소평가하는 착각적 상관의 오류로 인한 결과로 추정된다.

마이크로비트를 이용한 무선센서 네트워크 구축 및 과학탐구활동에의 활용방안 탐색

정용욱(경상대학교)

블록코딩 기반 피지컬 컴퓨팅은 배우기 쉽고, 다양한 방식으로 활용될 수 있다는 점에서 과학교육에서 주목할 가치가 있다. 본 연구에서는 최근 주목받는 피지컬 컴퓨터인 마이크로비트를 활용하여 무선센서네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)를 구축하였다. 무선센서네트워크는 무선 링크를 통해 정보를 주고 받을 수 있는 기기들의 집합을 의미한다. 본 연구에서는 학생들의 과학탐구에서 활용도가 높을 두가지 기본 네트워크 유형을 선정하여 개발하였다. 첫째 유형은 다수의 말단 센서에서 중앙 수신장치로 정보를 보내는 방사형 네트워크이다. 둘째 유형은 한 말단 센서에서 중계기를 거쳐 중앙 수신장치로 정보를 보내는 체인형 네트워크이다. 두 유형이 복합된 보다 복잡한 네트워크도 구축가능하다. 이러한 무선센서네트워크를 기반으로, 탐사체에 센서를 부착하여 데이터를 수집하고 원격 전송한 후 중앙 수신장치에서 데이터를 모아서 분석하는 방식의 원격 과학탐사 시스템을 저비용으로 구축할 수 있다. 이러한 무선센서네트워크 구축을 통해 가능한 원격탐사를 포함하는 과학탐구활동도 예시적으로 논의할 것이다. 이러한 무선센서 네트워크를 활용하면 학교 현장에서 구현가능한 과학탐구활동의 폭이 크게 확장될 것으로 기대한다.

[Session 2-3 (Korean)] Strand 1, 2

물질의 입자성에 대한 학생 개념 다시 살펴보기: 횡단면적 접근

이경건 (서울대학교), 이재용 (서울대학교), 홍훈기 (서울대학교)

본 연구에서는 초중등학교 과학, 특히 화학의 핵심 개념인 물질의 입자성에 대하여 학생들이 가진 개념을 다시 살펴본다. 과학교육 분야에서 잘 알려진 해당 문제를 다시 살펴보는 이유는 다음과 같다. (1) 기존 국내 연구에서는 표본의 수가 200건 미만으로 작은 경우가 많았고 표집 대상이 제한적이었다. 이에 따라 학생이 지닌 입자 개념의 여러 요소들이 서로 어떠한 연관성을 갖는지, 그리고 학교급(초, 중, 고)에 따라 어떠한 차이가 있는지 등에 대하여 정보를 제공하기 어려웠다. (2) 학생의 개념을 평가하는 데 있어 기존 연구에서 고려하지 않았던 새로운 기준이 등장하기도 하였다. 예컨대, 학생이 물질을 입자 형태로 나타낸다 하더라도 입자 간의 거리가 충분히 표현되지 않은 경우에는 엄밀한 의미에서 물질의 입자성(particulate)에 대한 과학적 개념을 가졌다고 볼 수 없고, 어느 정도의 덩어리성(granularity)에 대한 개념을 가졌다고 할 수 있다. 셋째, 1970년대부터 시작된 기존 연구들에서 보고된 학생의 오개념(대안 개념, 선개념)이 2020년대에도 유사하게 재현되는지를 살펴보는 것이 향후의 과학 교육과정 및 교수학습의 방향을 재점검하는 데 도움을 줄 수 있다. 이에 저자들은 횡단면적(cross-sectional) 접근을 통하여 기존 연구들을 보완할 수 있다고 제안한다. 횡단면적 접근이란 특정 시점에서 다양한 층위에 걸친 데이터를 대규모로 수집하고 해석하고자 하는 방법이다. 횡단면 데이터를 얻기 위해 본 연구에서는 전국 8개시도 24개교에서 초등학생 386명, 중학생 233명, 고등학생 409명(일반고 294명, 영재・과학고 115명)의 총 1,027명이 물질의 입자성에 대하여 가진 개념을 조사하였다. 물질의 입자성 개념을 묻는 문항으로는 삼각 플라스크에서 공기를 빼기 전후의 모습(문항 A), 그리고 풍선이 연결된 삼각 플라스크를 가열하기 전후의 모습을(문항 B) 그림으로 그리고 글로 묘사하도록 하는 자유 반응형 문항 2개를 종합적으로 활용하였다. 각각의 문항들을 통해 학생들이 물질이 연속적이지 않고 입자적이라는 점과(구조 측면), 기체 상태의 물질은 닫힌 공간 내에서 균일하게 분포한다는 점을(분포 측면) 과학적으로 표현하는지를 평가할 수 있었다. 또한 그림 표상에서 의인화, 물질의 운동 표현 등 기타 사항들이 나타나는지를 살펴보았다. 화학교육 전공 대학원생 4명이 해당 문항들에 나타난 학생 개념을 코딩하고 합의를 도출하였다. 발표에서는 학생들이 지닌 물질의 입자성 개념의 표상이 특정한 문제 상황에 따라 달라지는지, 학교급에 따라 학생들의 개념 유형 분포에 유의미한 차이가 발생하는지, 구조 측면에서의 과학적 개념과 분포 측면에서의 과학적 개념 사이의 상관관계는 어떠한지 등을 중점적으로 다룰 것이다.

이미지 분류 인공지능을 활용한 학생의 물질 개념 평가: 기체의 입자성을 중심으로

이재용(서울대학교), 이경건(서울대학교), 홍훈기(서울대학교)

화학 학습에서는 물질의 구조에 대한 입자적 이해가 중요하다. 하지만 학생들은 물질의 입자성 학습 과정에서 다양한 오개념을 형성하며, 개념 변화를 위해서는 교사가 학생이 지닌 고유한 사고를 파악해야 한다. 학생 개념 평가에는 과학 현상을 그림과 글로 설명하는 자유반응형 문항이 효과적이며, 다양한 학생 개념을 확인하고 유형화한 연구가 이어졌다. 하지만 일선 현장에서는 예비교사 및 교사 교육의 한계로 학생의 물질 개념 평가가 부족하다. 인공지능 기반 자연어 처리, 이미지 분류로 자유반응형 문항에 대한 글·그림 응답의 평가를 재현하면 교사의 개념 평가를 지원할 수 있다. 하지만 기존 자동 평가 연구는 서술형 문항, 논변 등 텍스트를 주로 다뤄 이미지 자동 평가 연구가 부족하다. 본 연구에서는 학생이 기체를 표현한 그림을 개념 유형별로 분류하는 과정을 인공지능 기술로 재현하고자 하였다. 먼저 전국 8개 시도 24개교의 초등학생 386명, 중학생 233명, 고등학생 409명을 대상으로 설문조사를 시행하였다. 밀폐된 플라스크 내 공기 제거 전후, 풍선이 연결된 플라스크 내 공기 가열 전후 공기의 모습을 설명하는 2개의 자유반응형 문항을 사용하였다. 화학교육 전공 대학원생 4명이 그림 응답을 입자 표현 여부, 물질의 균일 분포 여부에 따라 물질의 구조와 분포 개념 유형별로 분류하고 합의를 도출하였다. 다음으로 그림 응답을 분류하는 인공지능 모델을 개발하고 그 성능을 평가하였다. 데이터셋은 전체 응답 1,028건 중 그림이 훼손·누락된 67건을 제외한 961건의 그림 응답과 그 분류 결과로 구성하였다. 모델 평가에는 무작위로 선택한 200건의 응답을, 모델 학습에는 이를 제외한 761건의 응답을 사용하였다. 4종의 그림 응답을 각각 물질의 구조와 분포에 따라 분류하고자 8개의 ResNet-34 기반 인공신경망 모델을 구성하였다. 학습 데이터의 구성이 달라져도 분류가 일관적인지 확인하고자 5-겹 교차검증에서 교차검증 정확도를 측정하였다. 학습된 모델이 새로운 응답을 정확하게 분류하는지 확인하고자 평가 정확도를 측정하였다. 인공지능 모델과 인간의 분류 결과 간 일치도를 확인하고자 Cohen's kappa를 계산하였다. 5-겹 교차검증에서 평균 교차검증 정확도는 구조에서 84.8~87.8%, 분포에서 84.8~88.6%였다. 평균 평가 정확도는 구조에서 84.7~89.0%, 분포에서 85.9~92.4%였다. 인공지능 모델과 인간의 평가 결과 간 Cohen’s kappa는 구조에서 0.68~0.76, 분포에서 0.69~0.79로 ‘상당한 일치’를 보였다. 이는 학생의 그림 응답을 단일 기준으로 이진분류하는 인공지능 모델이 인간의 분류 결과와 상당히 일치하는 결과를 일관적으로 산출함을 의미한다. 본 연구는 자유반응형 문항에 대한 그림 응답을 자동으로 분류한 첫 사례로, 대량의 평가 데이터와 인공지능 기술로 상당히 정확하고 일관적인 학생 개념 평가가 가능함을 보였다. 이는 학생 개념의 평가가 규칙 기반 방식을 넘어 데이터 기반 방식으로 이뤄질 수 있음을 시사한다.

미래 과학교육을 위한 과학과 예술 - 2021 수능 분석과 대안 - ScienArt for the future science education of Korea - 2021 CSAT analysis and alternative -

이수아(사이언아트연구소 경북대학교 과학교육과), 홍대길(국립대구과학관), 나형주(사남초등학교), 최원석(신상중학교), 황진성(함창고등학교), 이찬영(한국민화연구소)

COVID-19 폭증도 한국인의 교육에 대한 열정을 잠재우지는 못했다. 시험을 취소한 미국과 유럽과는 달리, 방역에 대한 우려에도 불구하고 우리나라는 온 국민이 힘을 모아 대학입시 일정을 무사히 마쳤다(2020, CNN). 2021 수능 과학탐구의 경우, 모든 영역에서 학교 교육과정에서 제시된 과학개념에 대한 체계적인 사고를 비교적 쉽게 요구했다고 할 수 있다. 그러나 이러한 문항들이 미래 한국을 위한 학생들의 폭넓고 창의적인 시각을 평가했다고 보기는 어렵다. 본 연구는 과학 핵심개념을 기반으로 예술을 접목한 on-off line 과학교육을 제시하고 모든 한국인의 행복을 위한 미래 과학교의 정립을 위해 한걸음 더 나아가고자 한다.

키워드 : COVID-19, 과학과 예술, 대학입시, 미래 과학교육

과학과 사회 교과서에 나타난 ‘과학적 참여’ 역량 비교 분석: 기후변화 주제를 중심으로

신현정(서울대학교), 차현정(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

역량을 강조하는 글로벌 교육의 흐름에 발맞춰 우리나라 2015 개정 교육과정에서는 역량 중심 교육과정을 표방하며 2020년부터 모든 학교급에서 적용되고 있다. 하지만 교육과정 문서상 과목의 성격에서 역량의 정의만을 나타내고 있을 뿐 내용 체계와 성취 기준 등과 어떻게 연관 지어 학교 현장에서 구체적으로 실행해야 하는지에 대한 안내는 매우 부족한 것이 현실이다. 한편, 학생들이 과학 관련 사회 쟁점을 인식하고 사회 변화를 이끌어낼 수 있는 민주 시민으로 성장하는 것은 과학교육의 목표 중 하나이므로 과학과 핵심 역량 중 ‘과학적 참여와 평생학습 능력’은 학생들이 함양해야 할 중요한 역량이라고 할 수 있다. 하지만 교사와 학생들의 역량 인식 조사에 따르면 ‘과학적 참여와 평생학습 능력’ 역량이 다른 네 영역에 비해 상대적으로 덜 중요하게 인식되고 있다. ‘과학적 참여와 평생학습 능력’ 역량 중 ‘과학적 참여’는 과학 교과뿐 아니라 사회 교과에서도 강조되고 있는 역량으로, 미래 교육이 지향하는 융합형 역량으로 재개념화될 수 있다고 판단하였다. 따라서 이 연구에서는 문헌 검토를 통해 ‘과학적 참여’ 역량의 하위 요소들을 도출하고, 이를 바탕으로 현 교육과정 문서와 통합과학 및 통합사회 교과서 중 ‘기후변화’주제에서 ‘과학적 참여’ 역량이 어떻게 표현되고 있는지를 분석하였다. 연구 결과, 통합과학에서는 ‘과학 관련 사회 쟁점 인식’이 가장 많았고 ‘사회적 참여’ 행동에 대한 언급이 적었던 반면, 통합사회에서는 ‘과학 관련 사회 쟁점 인식’ 뿐 아니라 다양한 ‘사회적 참여’ 행동의 방법도 제시해 주고 있었다. 또한 ‘기후변화’ 주제에 대한 통합과학과 통합사회의 접근이 상당히 유사하고 중첩됨을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 ‘기후변화’와 같은 과학 관련 사회 쟁점이 ‘과학적 참여’ 역량에 대한 구체적인 교육 사례가 될 수 있고, 교과 간 융합 수업을 통해 보다 효과적인 역량 중심 수업으로 구현될 수 있을 것으로 보인다.

[Session 2-4 (Korean)] Strand 6, 7

특허와 적정기술을 기반으로 한 프로젝트 학습 모형의 개발 및 효과성 검증

황요한(서울대학교), 문공주(서울대학교), 최유현(충남대학교)

특허와 적정기술은 그 내용과 방법적인 측면에서 모두 창의 융합형 인재 양성에 적합한 주제이며, 프로젝트 학습은 학생들이 자발적으로 학습을 전개하고 스스로 활동하면서 배움에 참여하고, 이를 통해 잠재력을 발견하고 다양한 능력을 키울 수 있는 교육방법이다. 이에 적정기술 아이디어 도출과 특허 명세서 작성의 요소를 기반으로 P&AT 프로젝트 학습 모형과 교육프로그램을 개발하고 현장에 적용하여 효과를 탐색하였다. 본 연구에는 수도권의 2개 고등학교에서 40명의 학생이 참여하였으며, 각 학교에서 프로젝트 집중과정을 실시하였다. 학생들은 자발적으로 적정기술에 대한 주제를 선정하고 특허를 검색하면서 프로젝트를 수행하였고, 각 모둠이 진행한 프로젝트를 발표하고, 상호 질의응답을 통해 보완하는 과정을 거쳤다. 집중과정 동안, 학생들이 프로젝트 간 연구 방법 및 학습 내용을 어떻게 습득해가는지에 대한 수업 관찰이 이루어졌으며, 프로젝트 종료 후 면담을 통해 학생들의 경험과 성장점을 분석하였다. 연구 결과, 학생들은 P&AT 프로젝트 학습를 진행하면서 자료를 검색하고 필요한 자료를 찾아내는 능력이 높아졌으며, 적정기술 주제를 다루면서 나를 위한 기술이 아닌 다른 사람이나 사회에 공헌하는 기술에 관한 관심이 높아졌다. 또한, 특허 명세서와 연구 계획 단계의 일정 부분으로 제공된 가이드라인이 계획서 작성에 도움이 되며, 이러한 경험이 자기 주도적으로 문제를 해결하는 능력을 길러주는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서 적용한 P&AT 프로젝트 학습은 최근 급변하는 사회에서 필요로 하는 창의 융합형 인재의 사회적 인식과 자기주도적 문제해결 능력을 높여주는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되며, 이는 첨단 과학기술 개발에서 개인 역량의 발전뿐 아니라, 사회적 인식을 함께 기를 수 있는 프로젝트 학습 모형으로, 새로운 교육과정에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(본 연구는 2018년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 NRF-2018S1A5B5A01028982)

위험시대의 과학교육의 역할

오준영(단국대학교), 이은주(단국대학교), 손연아(단국대학교)

위험의 개념을 자연과학, 심리학, 등 사회과학분야에서의 접근, 해결을 논의를 다룬다. 이는 위험문제에 대한 통상적이고 전통적 접근인 과학기술적 접근과는 구분되는 것이다. 즉 사회과학적 접근은 위험 문제를 단순히 안전의 반대개념으로 보기보다는 사회적 제요소(예를 들면, 개인적인 심리, 문화, 소통, 제도 등)가 개입되는 복합적인 것으로 본다(Krimsky and Golding, 1992). 또한 과학의 불확실성이 위험문제에서 핵심을 차지하게 됨에 따라 위험과 사회, 과학의 종합적으로 이해하기위한 필요성도 커지고 있다(Bammer & Smithson, 2008). 위험에 대한 새로운 이해는 위험 문제를 둘러싼 사회적 실천 방식에 변화를 불러왔다. 불확실성은 위험에 대한 인식과 밀접한 관련이 있다. 사람들은 사건의 위험에 대해 일어날 확률과 크기를 확실하게 안다고 생각할 경우에는 그 위험을 감수하는 경향이 있다. 반대로 확률이 매우 적어도 이러한 위험이 언제 어떻게 발생할지 모를 때에는 이를 두려워하고 수용하지 못한다. 따라서 불확실성을 이해하고 줄이는 것은 위험 관리의 핵심적인 요소이다. 그런데 문제는 이러한 불확실성의 주관적인 요소가 개입된다는 것이다. 이러한 인식론적인 불확실성은 기후변화와 코로나바이러스에 적용해본다.

산-염기 모델의 이그노런스에 대한 인식이 과학 교육에 주는 함의

류은주(한국교원대학교)

모델은 자연 현상의 일부를 선택하여 규칙성을 만들고, 간결하고 선명한 형태로 단순화하면서 모델러의 목적과 의도에 따라 선택한 영역이 다르며, 일관된 관점이 반영되게 된다. 이때, 현상에서 모델로 설명할 수 있는 영역과 설명할 수 없는 영역이 발생한다. 이때, 모델로 설명할 수 없는 영역이 모델의 이그노런스(Ignorance)에 해당한다. 모델의 이그노런스는 모델이 갖는 존재론적(ontological) 본성이며, 이를 인식하므로 모델이 설명할 수 있는 영역이 분명해져 모델을 명료히 이해하게 되며, 모델의 목적도 분명해진다. 따라서 인식론적(epistemological) 측면에서 모델의 이그노런스 인식은 과학 메타모델링지식(MMK, MetaModelingKnowledge)을 인지하는데 기여한다. 이는 과학 교육에서 과학 메타모델링지식을 다루는 직접적인 방안이 될 수 있으며, 교과의 과학 모델을 이용한 영역 특수적(domain-specific) 접근이 될 수 있다. 이 같은 모델의 이그노런스가 갖는 교육적 역할과 가치를 밝히고자, 먼저 2009 및 2015 개정 교육과정 화학 교과서와 교사용 지도서의 산-염기 모델 내용에서 모델이 갖는 이그노런스를 드러내는지 분석하였다. 이를 통해 교과서 및 교사용 지도서에서 모델 관점 차이를 인식하고 과학 MMK를 인지할 수 있도록 모델의 이그노런스를 인식할 수 있는 명시적 안내가 필요함을 제안하였다. 또한 교사들이 산-염기 반응과 산과 염기 해리 현상에서 모델의 이그노런스를 인식하여, 과학 MMK를 인지하는지 분석하였는데, 교사들이 두 산-염기 모델의 이그노런스를 인식하여 과학 MMK를 인지하는 비율은 높지 않았다. 따라서 모델링 교육을 위해서는 교사들의 과학 MMK 인지가 선행되어야 함을 주장하였다. 마지막으로 고등학교 과학영재 학생들이 산-염기 모델이 갖는 이그노런스 인식 수준을 분석하여 과학 MMK 발달 단계를 진단하였다. 연구 결과, 대부분의 학생들이 과학 MK 이해 단계에만 머물러 있음을 확인할 수 있었고, 모델의 두 이그노런스를 인식하는 과학 MMK 인지 또는 메타인지 단계 비율은 낮음을 확인할 수 있었다. 본 연구는 과학 모델을 중심으로 모델의 이그노런스 인식이 갖는 역할과 가치를 조명해보고, 모델링 교육을 위해 우선되어야 하는 과학 MMK 인지와의 관련성을 찾아 과학 MMK 발달 단계를 도출한 것에 의미가 크다. 또한 교사와 과학영재 학생들을 대상으로 모델의 이그노런스 인식이 모델 지식을 명료하게 이해하는데 기여하고, 과학 모델 학습에서 MK와 함께 과학 MMK를 함께 다룰 수 있는 비계(scaffolding)가 될 수 있음을 보여주었다. 이는 과학 모델 학습과 모델링 실습을 이어줄 직접적인 방안이 될 수 있다. 더 나아가 과학 본성 교육을 위한 새로운 방안으로 과학 교육에서 지식과 이그노런스를 균형 있게 다루는 인식적 접근이라는데 교육적 가치가 있다.

대학원생의 빅데이터 기반 연구 프로젝트 참여 경험의 탐색

문공주(서울대학교), 조정효(서울대학교)

사회는 농업, 공업, 지식 및 정보통신, 문화의 시대를 거치며 변화해왔으며, 현재는 디지털 네이티브가 등장하는 디지털 사회를 살고 있으며, 앞으로는 그 양을 가늠할 수 없는 정보가 계속해서 생성되는 빅데이터 환경에 살게될 것이다. 4차 산업혁명의 주역으로 인공지능, 로봇, 빅데이터, 3D프린팅, 사물인터넷(IoT) 등이 주목받고 있으며, 미래의 변화의 방향과 속도를 예측하기 어려운 시대가 되었다. 교육 환경도 이와 함께 교육을 통해 생성되는 빅데이터를 바탕으로 한 맞춤형 교육과정 및 학습관리 등에 대한 연구에 대한 관심이 높아지고 있다.빅데이터가 사회의 여러 영역에서 사용되며, 빅데이터 분석 전문가의 수요가 높아지고 있다. 이에 수년전부터 대학에서는 빅데이터 분석 교육과정을 개발하여 대학원 프로그램으로 운영하고 있다. 빅데이터는 교육환경의 변화에도 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다. 이처럼 빅데이터는 미래 교육과 학습에 핵심 테크놀로지로 인식되고 있다. 이에 사범대학에서 교사 전문성을 높이기 위한 AI 및 빅데이터 교육의 적용의 필요성이 강조되고 있으며, 일부 사범대학에서는 빅데이터 활용 역량 함양을 위한 교과목을 신설하여 운영 중에 있다. 또한 교육부는 2022학년도 2학기부터 교육대학원에 인공지능 융합 교육과정을 신설하여 교사들의 AI 활용능력을 높여, 이들 교원들이 학교 현장으로 돌아가 AI 및 빅데이터를 활용한 수업을 담당하도록 하는 계획을 내놓았다(2019년 11월). 현재 한국의 교육상황은 빅데이터 교육에 앞서 4차 산업혁명으로 인한 교육변화에 대응안으로 SW 교육이 강조되면서 SW 교육이 활발하게 진행되었으며, STEAM 교육의 맥락에서 메이커 운동(Maker Movement)도 자연스럽게 흡수되었다. 이 같은 AI 및 빅데이터 교육을 위한 전문가 양성의 필요성에 따라 이에 대한 교사 양성을 위한 교육 과정의 개발 및 적용에 대한 이론적 실천적 논의가 계속되어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 사범대학 대학원생들의 빅데이터 관련 교과목 수강의 경험을 심도 있게 탐색하고자 한다. 본 연구에서는 2020년 11월 중 2학기 빅데이터 관련 교과목을 통해 빅데이터에 대한 이론 및 프로젝트 실습을 경험한 6명의 사범대학 대학원생을 대상으로 일대일 면담을 통해 현상학적 질적 연구를 수행하였다. 면담 내용을 바탕으로 미래 교육 전문가 양성을 위한 효과적인 교육과정의 구성 및 특성에 대하여 제언하고자 한다.

[Session 3-1 (English)] Strand 5

John Amos Comenius as the Prophet of Modern Ideas in Science Education: In the Light of Pansophia

Gyeong-Geon Lee (Seoul National University), Hun-Gi Hong (Seoul National University)

Comenius (1592 - 1670) has been widely studied in educational research, although limited work has comprehensively addressed his thinking about science education. His Pansophist philosophy led him to believe that science was a necessary subject for all (Omnes). Comenius emphasised useful scientific knowledge and core principles (Omnia). He espoused the idea of sequence, from the importance of sensory experience to the way scientific contents organised (Omnino). For modern science education, those ideas still urge the mission of spreading science education, support the trends in science curriculum discourses, and emphasise hands-on experiences and sequential teaching and learning. Although Comenius’s ideas were perhaps minor compared to those of Descartes, they suggest an alternative worldview connecting students to the world and encouraging them to engage with contemporary problems such as the environmental crisis. In particular, a case of Korean science education reform reasserts the universal implications of Comenius’s systematic viewpoint on science education.

Ways of Effective School Science Teaching and Learning

Sandhya A Thakur (Homi Bhabha Centre for Science Education TIFR Mumbai India), Narendra D Deshmukh (Homi Bhabha Centre for Science Education TIFR Mumbai India)

For effective learning environment, student centered method of teaching is admired. The role of teacher is to encourage the two way communication in the classroom. Teacher and students should jointly explore solutions for scientific concepts. For such flexible teaching atmosphere, teacher should pre-plan and prepare the activities to ensure student’s participation. Activities should be designed to accommodate every student’s needs. In HBCSE we developed the educational tools that helps teachers to teach better and students learn through engagement and enjoyment. It elevates teacher’s ability to come to the level of students. These educational tools are inexpensive, affordable, eco-friendly and easily available in any region. These tools are tested in the schools in India. They are proved effective in increasing efficiency and imagination of the students. As students use all the sense organs in synchronization while using these educational tools, it is quick way of learning scientific concepts, ideas. Significance of this paper is in originality of developing the educational tools specially designed for the teachers and students of third world countries, who are not able to afford presently available alternative educational tools. Such ideas should be shared on a global platform and made available for the needy ones.

Analysis of Trends of Science Identity-related Research in South Korea

Ardelle Bondad (Daegu University), Hyegyeong Park (Daegu University)

Science and technology have been regarded as a key to economic growth and success in South Korea (Kim, 2017). This implies the necessity for its citizens to be experts and knowledgeable in science (scientifically literate) to ensure the continuous supply of human capital and its industrial needs. This study analyzes the science identity-related research articles in South Korea using secondary sources of data. The articles consist of journal articles, master and Ph.D. theses from 2014 to 2020 searched from the RISS and KISS websites. Research questions, methods, and results of the studies were compared and analyzed. Results show the relationship of science identity to science career and aspiration of students in science. Hence, this study recommends the use of science identity as determinant factor in education policy and science curriculum in South Korea. This may further enhance science teaching and learning crucial for molding students’ ability in science and encouraging students to pursue science careers especially in the STEM fields.

A Case Study of a Science Center in Response to COVID-19: Evolution of Non-Face-to-Face Education

Hyunok Lee(Seoul National University), Myeong Ji Kim(Seoul National University), Da Yeon Kang(Seoul National University), Sonya N. Martin(Seoul National University)

Due to COVID-19, most Korean science centers have experienced repeated closures and openings or been limited to a certain number of visitors. This paper is a case study examining a science center's response in situations where face-to-face services and education were not available. We selected a science center that has responded to the crisis by offering non-face-to-face education and collected data through interviews with employees, online videos, and observed non-face-to-face classes. We analyze the data, focusing on how the center has responded to the challenges posed by Covid-19 and how they overcame the changes or difficulties. This analysis has demonstrated the following changes in the center’s non-face-to-face education over the four phases. In the first phase, the center tried to establish an online presence, using existing online content to think that they didn’t want to look like they were doing nothing. In the second phase, they applied a storytelling strategy to improve the quality of online content. In the third, they started real-time interactive classes after realizing that YouTube lacked an interactive element. In the fourth, they developed simulated experiments and utilized them to emulate hands-on experiments. The way that the Science Center’s professionals coped with COVID-19 could be similarly repeated or varied in other educational fields. It is expected that their overcoming strategies in a time of risk during the pandemic can be applied to other areas.

[Session 3-2 (Korean)] Strand 1

문법 기반 의사소통 능력을 활용한 과학지식 구성 과정의 이해: 날씨와 우리생활 단원의 사례

맹승호(서울교육대학교), 이관희(서울교육대학교)

2015 교육과정에서 과학적 의사소통 능력은 다양한 표현 방식을 이용하여 과학 기술정보를 이해하고 전달하고 공유하는 과학 커뮤니케이션의 특성과, 과학과 관련된 문제에 대하여 증거에 근거하여 자신의 생각을 주장하고 타인의 생각을 이해하고 조정하는 추론 및 논증활동 능력을 모두 포함하는 핵심 역량이다. 과학 교과의 의사소통 능력은 과학 지식을 구성하는 맥락에서 형성되는 말하기 및 글쓰기의 특성과 언어 사용 방식을 통해 이해될 수 있다. 이 연구에서는 과학적 의사소통 능력의 관점에서 과학지식 구성 과정을 파악하기 위하여 국어문법에 기반한 의사소통 능력을 활용한 과학 수업을 구상하였다.수업의 흐름은 Brown et al. (2010)의 증거에 기반한 추론 담화(evidence-based reasoning discourse)의 틀을 순환학습모형에 접목하여 진행하였다. 순환학습의 탐색 단계에서 데이터를 수집하고 분석하여 증거를 찾는 과정을 수행하고, 개념 도입 단계에서 증거를 해석하여 규칙과 원리를 인식하는 과정을 수행한다. 마지막으로 개념 적용 단계에서는 규칙을 적용하여 설명 주장을 만들어내는 활동을 수행한다. 증거 기반 추론 담화의 순환학습 프레임웍을 초등학교 5학년 날씨와 우리 생활 단원에 적용하여 시행하고, 수업 중에 학생들이 활동지에 작성한 문장들과 그 학생들의 수업 중 발화 내용을 문법 기반 의사소통의 관점에서 분석하였다. 과학 수업에서 학생들의 의사소통 양상은 데이터 인식 맥락에서 글쓰기와 말하기, 과학 개념(응결, 안개, 이슬)에 대한 정의문 구조 글쓰기, 조건-결과 또는 원인-결과 구조의 설명 글쓰기와 말하기 등을 구현할 수 있었다. 그러나 과학지식 구성 과정에 직접적으로 작용하는 위한 증거에 기반한 설명 구성하기의 글쓰기 또는 말하기는 뚜렷한 특징을 보이지 않았다. 연구의 결과를 통해 과학적 의사소통 능력을 단지 의사소통 자체만으로 파악하기보다는 과학지식을 구성하는 과정에서 형성되는 글쓰기와 말하기에서 나타나는 문법적 현상으로 접근하는 것이 필요함을 주장한다.

선개념에 대한 정당화 요구가 제한된 탐구 상황에서 대학생들의 합리적 가설생성에 미치는 영향

박철규 (서울대학교), 홍훈기 (서울대학교)

40명의 화학교육 대학생들을 대상으로 합리적 가설 생성에 관한 선개념의 정당화 전략의 효과를 확인하였다. 학생들은 20명씩 두 집단(A, B집단)으로 구분된 뒤 10분 동안 개별적으로 자신들의 표면장력 선개념에 대하여 정당화 활동을 수행하였다. 이때, A집단 학생들은 선개념에 대하여 이유 2개까지만 쓰도록 요청받았고, B집단은 8개까지 쓰도록 요청받았다. 이후, 이들은 개별적으로 30분 동안 컴퓨터 기반 표면장력 측정 실험을 수행하였다. 연구 결과, 선개념에 대하여 높은 수준의 정당화 요구를 받은 B집단 학생들이 이후 컴퓨터 기반 표면장력 측정 실험에서 더 합리적인 귀추적 가설을 유의미하게 더 많이 생성함이 발견되었다. 이는 정당화 전략이 이후 탐구 과정에서 숙고적 사고를 촉진하여 더 합리적인 가설을 생성하도록 유도했기 때문으로 해석되었다.

과학 학습에서 유발되는 초등학생의 상태호기심과 상태불안의 특성 및 학습효과

강지훈(부산용소초등학교), 김지나(부산대학교)

본 연구는 초등학교 5~6학년 학생을 대상으로 학습자 변인이 열 개념 문제 대면 상황에서 상태호기심 및 상태불안 유발에 미치는 영향을 분석하고, 상태호기심 및 상태불안 수준에 따른 학습효과를 구명하는데 목적이 있다. 이를 위해 과학 학습을 과학 문제 대면(Ⅰ), 결과 확인(Ⅱ), 과학 개념 학습(Ⅲ)의 세 가지 상황으로 구분하여 각 학습 상황에서 상태호기심 및 상태불안을 측정하여 분석하였다. 과학 문제 대면 상황에서의 상태호기심 및 상태불안을 ‘상태호기심Ⅰ’ 및 ‘상태불안Ⅰ’로, 결과 확인 상황에서의 상태호기심 및 상태불안을 ‘상태호기심Ⅱ’ 및 ‘상태불안Ⅱ’로, 과학 개념 학습 상황에서의 상태호기심 및 상태불안을 ‘상태호기심Ⅲ’ 및 ‘상태불안Ⅲ’으로 정의하였다. 그리고 학습효과를 직후학습효과와 지연학습효과로 구분하여 사전검사 점수에 비하여 직후검사 또는 지연검사 점수가 향상된 정도를 산출하여 분석하였다. 과학 문제 대면 상황에서 상태호기심Ⅰ 유발에 유의한 영향을 미치는 학습자 변인은 흥미, 인지욕구, 과학호기심, 사전개념수준 순으로 나타났으며, 모두 정적인 영향을 미쳤다. 상태불안Ⅰ 유발에 유의한 영향을 미치는 학습자 변인은 과학불안, 학생이 인식한 과제난이도, 인지욕구, 과학자아개념, 사전개념수준 순으로 나타났으며, 이중 사전개념수준만 부적인 영향을 미쳤다. 직후학습효과는 상태호기심Ⅰ・Ⅱ이 높을수록, 상태불안Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ이 낮을수록 높았으며, 지연학습효과는 상태호기심Ⅰ・Ⅱ이 높을수록, 상태불안Ⅲ이 낮을수록 높게 나타났다. 또한 상태호기심Ⅲ이 높을수록 자발적 학습을 하는 경향을 보였다. 본 연구의 결과는 과학 학습에서 학생의 정서적 상태에 대한 이해의 폭을 넓히고, 상태호기심 및 상태불안 연구에 대한 이론적 토대를 마련할 것으로 기대된다.

2015 개정 교육과정 물리 교과서에 제시된 뉴턴의 제2법칙 실험 분석

하상우(경북대학교 물리교육과), 김민철(경기과학고등학교)

본 연구는 2015 개정 교육과정 물리 교과서에 제시된 뉴턴의 제2법칙 실험을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 현행 물리학1 교과서 6종을 분석했으며, 현재 제시되고 있는 뉴턴의 제2법칙 실험방법들이 어디에서 비롯된 것인지 알아보기 위해 PSSC 물리 교재 및 7차 교육과정 물리 교과서, 2009 개정 교육과정 물리 교과서들을 추가로 분석했다. 연구 결과 현행 교육과정에서 뉴턴의 제2법칙 실험은 필수적인 실험이 아니고, 뉴턴의 제2법칙 실험이 수행하기 어렵다는 것이 잘 알려져 있음에도 불구하고, 2015 개정 교육과정의 모든 교과서에서 뉴턴의 제2법칙과 관련된 실험을 다루고 있었다. 다만 이전 교육과정들에서처럼 힘과 가속도, 질량과 가속도의 관계를 정량적으로 알아보기 위한 실험을 제시한 교과서는 4종에 그쳤고, 나머지 2종은 뉴턴의 제2법칙 실험을 간단히 탐구해 보기 위한 "해보기" 수준의 탐구활동을 제시하고 있었다. 2015 개정 교육과정에서 제시된 뉴턴의 제2법칙 실험의 특징으로 4종의 교과서에서 동영상 운동 분석을, 1종의 교과서에서 MBL 실험 방식을 제안하는 등 이전 교육 과정에서는 찾아보기 힘들었던 실험 방법을 제시하고 있었다. 하지만 2015 개정 교육과정 교과서에서 제안한 뉴턴의 제2법칙 실험들은 큰 틀에서는 아직도 PSSC에 제시된 실험 방식을 벗어나지 못했고, 연구자가 직접 5종의 교과서의 실험을 실제 수행해 본 결과 의미 있는 실험 결과를 얻지도 못했다. 이에 다음 개정 교육과정에서 뉴턴의 제2법칙 실험이 어떤 역할을 할 수 있을지 논의할 것이다.

[Session 3-3 (Korean)] Strand 3

‘브리콜라주’ 개념을 통해 바라본 과학 교사의 온라인 수업 실행

윤혜경(춘천교육대학교), 김희경(강원대학교)

‘브리콜라주(Bricolage)’는 프랑스의 인류학자 Lévi-Strauss (1962)가 그의 저서 ‘야생의 사고(The Savage Mind)’에서 사용한 용어이다. Lévi-Strauss는 원시 과학과 근대 과학의 차이는 인간 발달 단계의 차이에 기인한 것이 아니라 자연을 이해하는 전략적 차원의 차이에 기인한 것이라 보았고 이러한 원시 과학의 특징을 ‘브리콜라주’ 개념으로 설명하였다. ‘브리콜라주’는 ‘브리콜뢰르’가 하는 일을 지칭하는데 ‘브리콜뢰르’는 아무것이나 주어진 도구를 써서 자기 손으로 무엇을 만드는 사람, 손재주꾼을 가리키는 말이다. 2020년, 코로나바이러스 감염증-19 확산으로 교육계는 이전에 한 번도 경험하지 못한 전면적 온라인 수업 상황을 맞이했다. 이러한 상황은 교사들에게 새로운 문제해결 상황이다. 본 연구에서는 과학교사가 이전에 경험해보지 못한, 전면적 온라인 수업이라는 문제 상황에 봉착하여 문제를 해결해 가는 과정을 ‘브리콜라주’와 ‘브리콜뢰르’ 개념을 통해 해석하고자 하였다. 4명의 과학교사를 대상으로 한 사례 연구 결과, 교사의 개인적인 배경과 상황의 차이에도 불구하고 다음과 같은 공통적인 브리콜라주적 특성을 발견할 수 있었다. 1) [실행의 목적] 교사들의 실행은 원격 과학수업 운영이라는 문제를 즉각적으로 해결하는 것이 목적인 브리콜라주적 실행이었다, 2) [도구/자원 사용의 특징1] 교사들은 즉각적 문제 해결을 위해 가용자원을 원래의 목적에서 변형하거나 재구성하여 현장을 변화시키는 브리콜라주적 모습을 보였다, 3) [도구/자원 사용의 특징2] 교사들은 자원들을 변형하고 재구성하면서 온라인과 오프라인 수업 전략을 적절히 조합하고 배치하여 창의적으로 문제 해결을 실행하였다, 4) [문제해결 전략1] 즉각적 성취를 위해 가능한 빠른 전략을 택하는 브리콜뢰르처럼 교사들은 문제 해결 전략으로 시행착오, 과거 경험, 동료와의 비형식적 상호작용에 의존하여 개인적 이론을 구성하였다, 5) [문제해결 전략2] 교사들은 문제가 장기화되자 수업 실행과 도구 활용에 대해 성찰하고, 도구를 평가하고 다른 용도를 살펴보면서 즉시적 문제 해결을 넘어서는 성찰적 전문가의 모습을 보여주었다. 한편, 교사들의 브리콜라주의 양상의 차이점을 사례간 차이를 초점을 분석한 결과, 교사들이 브리콜뢰르를 시도할 때 가용자원의 폭을 결정하는 요소 중 하나는 학교의 공동체 문화로 나타났다. 이러한 결과는 교사의 수업 실행이 가용자원과 도구의 창의적 조합과 재구성을 통해 현장의 문제를 해결하며, 문제 상황을 모면하고 그치는 것이 아니라 자신의 대처 방식을 성찰하고 평가하는 ‘혁신적 브리콜라주’의 특징을 가진다는 것을 보여준다. 이러한 연구 결과가 교사교육과 교사 전문성 발달에 주는 시사점에 대해 논의하고자 한다.

이 연구는 2019년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 인문사회분야 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2019S1A5A2A01036864).

탐구실험 활동 중심의 장기적 교육실습이 예비화학교사와 고등학생에게 미치는 교육적 효과

이재혁(한국교원대학교), 백성혜(한국교원대학교)

교육 현장과 예비교사교육에서 실험 수업의 활용이 위축되고 있고, 기존의 교육실습은 현장 학생들과의 소통 기회를 한정시켜 학생들과의 의사소통역량을 키우는 데 한계를 가지므로, 예비화학교사들이 실험 수업 현장에서 교육실습을 수행함으로써 필요한 역량을 기르게 하고자 하였다. 이 연구에서는 한 학기에 걸쳐 예비화학교사들이 현장 고등학교에서 2, 3학년 학생들을 대상으로 탐구실험 중심의 교육실습을 수행하고 난 뒤 예비화학교사와 고등학생에게 미친 교육적 효과를 조사하였다. 이 연구에서는 현장 고등학교에서 3인 1조로 진행되는 고등학생들의 화학실험 동아리 수업에 예비화학교사 4명이 한 조에 한 명씩 투입되어 고등학생들의 실험 활동에 대한 보조 지도를 실습하였다. 활동 내용은 탄산수소나트륨과 마그네슘의 반응, 연필심 전극을 이용한 전기분해 등 학생의 예상과 다른 현상을 보여주는 실험으로 구성하여 고등학생들이 현상에서 문제를 인식하고, 문제를 통해 탐구를 수행할 수 있도록 하였다. 본 활동을 통해 일반적인 고등학교 수업에서 이루어지기 힘든 탐구의 전 과정을 고등학생들이 원활히 체험하며 탐구역량을 키울 수 있었고, 예비화학교사의 경우 수업에 필요한 의사소통역량, 개별화 교수역량, 실험 수업 및 실험 안전 지도역량, 수행평가역량의 발전과 실험 수업에 대한 자신감 상승을 도모할 수 있었다. 이러한 교육실습 활동을 다양한 학교급의 교과로 확산하여 수업 현장에서는 교육적 효과를 높일 수 있을 것이다.

기후변화 SSI-STEAM수업에서 나타난 과학 교사의 실천적 지식

원아랑(서울대학교), 최수연(서울대학교), 주혜은(맥쿼리대학교), 차현정(서울대학교), 신현정(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

과학기술의 급속한 발달은 우리에게 많은 편리함을 가져왔지만 복잡해진 사회 구조로 인하여 핵폐기물, 유전자조작식품, 기후변화와 같은 ‘과학기술관련 사회쟁점’(Socioscientific Issues)을 불러 일으켰다. 이러한 쟁점을 학교 수업으로 가져옴으로써 학생들이 교과 내용을 바탕으로 책임 있는 의사결정을 하고 실천할 수 있는 시민으로 성장하는 것을 목표로 하는 것이 SSI교육이다. SSI교육에서 다루어지는 쟁점들은 과학, 기술, 공학 그리고 인문학적 요소들과 유기적으로 얽혀 있는 간학문적 성격을 지닌다. 그러므로 SSI에 기반한 STEAM교육은 학생들을 현실 세계로 끌어들이기 위한 풍부한 사례를 제공하고 쟁점에 얽혀 있는 이해관계와 해결방안을 다양한 학문적 영역에서 바라볼 수 있게 해준다. 그러나 대다수의 교사들은 SSI 및 STEAM교육을 과학 수업에 적용하는데 어려움과 한계는 느끼고 있었다. 따라서 SSI를 다양한 교과 내용과 연계하여 수업하는 교사의 실천적 지식과 갈등에 대한 질적 이해는 SSI 및 STEAM교육을 위한 교사의 전문성 발달에 기여할 것이다. 본 연구에서는 SSI-STEAM교육의 일환으로 기후변화 수업을 진행하는 과학 교사의 실천적 지식을 탐색하고자 한다. 연구 질문은 다음과 같다. 첫째, 기후변화 SSI-STEAM수업에서 나타난 교사의 실천적 지식(내용, 구조, 정향)은 무엇인가? 둘째, SSI-STEAM수업에서 나타난 갈등은 무엇이며, 교사는 어떤 실천적 지식의 영향을 받아 갈등을 해결해 나가는가? 연구 참여자는 서울시 중학교에 근무하고 있는 과학 교사 1인이며, 31명의 학생으로 구성된 중학교 2학년 교실에서 기후변화를 주제로 7차시의 SSI-STEAM 수업을 진행하였다. 교사 면담 자료, 수업 영상, 수업 소감문을 수집하였고, Elbaz(1981)가 제시한 교사의 실천적 지식의 정향, 구조, 내용을 기반으로 수집된 자료를 반복적 비교분석법(constant comparison method)에 따라 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 교사는 교육봉사 동아리 활동을 통해 축적한 다양한 교과 수업에 대한 경험적 정향과 실천 지향의 수업을 필요로 하는 사회적 정향에 영향을 받아 기후변화 수업을 실행해 나갔다. 둘째, 교사는 정치적이거나 논란이 되는 인물과 관련된 수업자료를 선정함에 있어서 갈등하는 모습을 보였으나 자신의 실천적 지식을 활용하여 갈등을 해결하고 수업을 재구성하였다. 또한 교사는 수업시간의 제약으로 학생과 지속적인 상호작용이 중요하다는 원리와 기후변화의 원인과 영향을 파악하고 기후변화 완화를 위한 개인적 실천 방안 모색이 중요하다는 원리 사이에서 갈등하는 모습을 보였으나 이를 해결하지 못하고 계획된 순서에 따라 수업을 빠르게 진행하였다. 따라서 기후변화 해결을 위한 공동체 논의 활동에서 학생들이 서로의 의견을 활발히 공유하기 보다는 교사 주도의 설명과 제안이 중심이 되었으며 수업 전반에 학생들과 상호작용하지 못한 부분에 대해서 교사 역시 아쉬움을 느끼고 성찰하는 모습을 확인 할 수 있었다.

의미연결망 분석(Semantic Network Analysis)을 활용한 과학과 교과 역량에 대한 예비교사의 인식 분석

변태진(한국교육과정평가원), 하상우(경북대학교 물리교육과)

본 연구는 2015 개정 교육과정의 5가지 과학과 교과 역량에 대한 예비교사들의 인식을 알아보기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 통합과학 연계전공을 이수하는 예비교사 43명을 대상으로 설문을 실시했으며, 설문 내용은 5가지 교과 역량에 대해 본인만의 언어로 2~3 문장으로 서술하는 것이었다. 연구 방법은 NetMiner4 프로그램을 활용한 의미연결망 분석을 활용하였으며, 주로 중심성 분석 결과를 이용한 네트워크 시각화를 통해 주요 데이터를 표현했다. 연구 결과 예비교사들은 과학과 교과 역량에 대해 현 교육과정의 서술내에서 큰 오해 없이 이해하고 있는 것으로 보였지만 현직교사들의 과학과 교과 역량에 대한 이해와는 어느 정도 차이를 보였다. 특히 현직교사에 비해 과학적 탐구 능력 및 과학적 의사 소통 능력에 대한 이해가 다소 부족하다고 판단되었다. 또한 예비교사들은 과학과 교과 역량간 선후 관계가 있다고 생각하고 있었고, 다섯 가지 교과 역량 모두에서 ‘지식’이 연결중심성 순위에서 상위에 나타나는 등 지식 위주의 이해 방식을 보여 주었다. 현행 교육 과정은 '지식'을 벗어나 '역량' 기반 교육과정을 지향하므로 예비교사교육 기관에서는 예비교사들이 '지식' 위주의 편향된 시각에서 벗어나 과학과 교과역량에 대해 균형 잡힌 시각을 가질 수 있도록 고려할 필요가 있다.

[Session 3-4 (Korean)] Strand 7

미래 확장시민과학자 양성을 위한 IoT기반 STEAM 프로그램 개발 및 적용 - 중학교 동아리 활동을 중심으로

박창미(서울대학교), 차현정(서울대학교), 가석현(서울대학교), 엄창현(서울대학교사범대학부설여자중학교), 임성은(서울대학교), 권지혜(서울대학교), 나서하(서울대학교), 엄혜진(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

이 연구에서는 학생들이 확장시민과학자로서 탐구를 계획하고 실행하는 IoT 기술 기반 STEAM 프로그램을 개발하여 실제 중학교 자율동아리 활동에 적용하고 그 효과를 분석하였다. 연구를 위해 개발된 프로그램은 총 17차시로 계획되었으며. 주제는 학생들이 주변에서 가장 쉽게 접하며 심각성을 인식하고 있는 ‘대기 환경’으로 설정하였다. 서울 소재 S중학교의 2~3학년 학생 17명이 활동에 참여하였고 시민과학에 대한 이해와 대기 환경에 대한 기본 개념을 배운 뒤 시민과학자 활동을 시작하였다. 학생들은 각종 대기질 측정 센서를 아두이노(Arduino)에 장착하여 과학적 데이터를 수집하는 기기를 직접 제작하였으며, 프로그래밍에 대한 기초 지식이 많이 없어도 쉽게 코딩이 가능한 엠블록(Mblock)을 통해 각종 명령을 업로드 하였다. 학생들이 기기를 통해 직접 수집한 데이터는 IoT 기술을 활용하여 서버 플랫폼에 전송하여 관리·분석·공유하는 과정에서 협력적 문제 해결을 경험할 수 있었다. 학생들은 전문 과학자로부터 연구 내용에 대해 피드백을 받았으며, 분석 결과와 결론을 바탕으로 사회적 실천을 계획하여 각종 캠페인 활동과 요구서 제출 등의 사회적 실천을 실시하였다. 프로그램의 효과를 분석하기 위해 활동 자료 및 산출물, 융합인재 핵심 역량 검사지, 온라인 설문, 소감문, 반구조화 인터뷰, 연구자의 연구노트 등을 주요 데이터로 수집하였다. 프로그램 적용 결과, 학생들은 STEAM 교육의 핵심역량 중 ‘융합’ 요소에서 유의미한 증가를 보였다. 뿐만 아니라 학생들의 소감문을 텍스트마이닝(text mining)을 통해 분석해 본 결과 시민과학자 활동과 관련하여 ‘실천/행동’ 과 관련된 역량이 함양되었음을 알 수 있었다. 이 연구를 통해 실제 학교 현장에서 학생 수준의 확장시민과학자 활동이 가능함을 확인할 수 있었다. 하지만 이를 위해서는 원활한 IoT를 위한 기술적인 여건 조성과 교사의 충분한 준비와 노력이 필요한 것으로 나타났다. 또한 학생들의 확장시민과학자 활동과 실천을 강조한다는 점에서 기존 STEAM교육에의 4C(융합, 배려, 창의, 의사소통) 중심의 핵심 역량에서 나아가 ‘실천/행동’ 요소를 포함하는, 확장된 STEAM 핵심 역량에 대한 연구가 필요함을 시사하였다.


STEAM과 Maker 교육방법 기반 주제중심 융합 수업 프로그램이 고등학생의 융합 태도에 미치는 영향

최재혁(단국대학교), 배경석(단국대학교), 지덕영(단국대학교), 김덕준(선인고등학교), 오인진(한국교육방송공사), 손연아(단국대학교)

본 연구에서는 STEAM과 Maker 교육방법을 기반으로 주제 중심 융합 수업 프로그램을 개발하고 이를 실제 고등학교 수업에 적용하여 학생들의 융합적 태도에 미치는 영향을 분석하였다. 주제 중심 융합 수업 프로그램은 STEAM 교육의 소통, 배려, 창의성, 융합 4가지의 핵심역량과 Maker 교육의 Minds-on, Hands-on, Hearts-on, Social-on, Acts-on 5가지의 핵심역량을 접목하여 개발하였다. 개발한 주제 중심 융합 수업 프로그램은 수도권 소재 A고등학교에 적용하였으며, 2가지 프로그램 중 해양생태계 관련 프로그램은 2학년 19명의 학생들을 대상으로 비교과 프로그램으로 운영하였으며, 나머지 재해재난 관련 프로그램은 3학년 학생 27명을 대상으로 정규수업시간에 적용하였다. 학생들의 융합적 태도 변화를 측정하기 위하여 방담이 외 2명(2019)이 개발한 융합 태도 검사 도구를 활용하여 사전-사후 검사를 실시하였다. 이 검사도구에는 ‘다양한 분야에 대한 흥미’, ‘심미적 감성’, ‘융합과제 해결에 대한 의지’, ‘차이에 대한 이해와 수용’, ‘교과 융합에 대한 의지’로 총 5가지의 영역을 측정할 수 있는 문항으로 구성되어 있다. 이 연구에서 개발한 주제 중심 융합 수업 프로그램은 ‘해양생태계’를 중심주제로 설정한 ‘바다거북의 거북한 진실(12차시)’, ‘재해재난’을 중심주제로 설정한 ‘재난에서 살아남기: 구호소 제작(12차시)’으로 개발하였다. 2가지 프로그램은 STEAM 교육의 단계와 Maker 교육의 단계를 융합하여 ‘팅커링(Tinkering)’, ‘필요 발견’, ‘문제 정의’, ‘제품설계’, ‘메이킹 활동’, ‘개선하기’, ‘제품산출 및 피드백’, ‘공유하기’, ‘사회적 공유가치 실천에 참여’의 9단계로 구성되어 있다. 해당 프로그램을 개발하기 위하여 STEAM과 Maker 교육 전문가들과 총 5회의 포커스 그룹 토의(FGI)를 진행하여 프로그램을 지속적으로 수정 보완하였다. 본 연구에서 개발한 2가지 융합 수업 프로그램의 수업 적용 전후의 융합적 태도 변화를 분석한 결과, 조사한 5가지 영역 중 ‘융합과제 해결에 대한 의지’, ‘차이에 대한 이해와 수용’, ‘교과 융합에 대한 의지’ 3가지 영역에서 사전 평균보다 사후 평균이 높은 것으로 분석되었다. 현재의 2015 개정 과학과 교육과정뿐만 아니라 미래과학교육에서도 융합과 통합은 더욱 강조될 전망인데, 본 연구에서 개발한 프로그램은 앞으로 고등학교 현장에서 고교학점제, 과제연구, 동아리활동을 위한 융합 프로그램으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

SSIs(Socio-Scientific Issues) 기후변화 동아리 학생들의 사회적 환경 정체성 탐색

서수현(서울대학교), 신현정(서울대학교), 최수연(서울대학교), 원아랑(서울대학교), 이명원(서울대학교), 차현정(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

과학 관련 사회적 쟁점(SSIs) 중 하나인 기후변화에 관한 관심이 증가하면서 기후변화와 관련한 학교 내외의 교육이 활성화되고 있다. 하지만 우리나라 학생들은 기후변화에 대해 높은 인식을 보여주는 것과 반대로, 해결을 위한 실제적인 실천에는 소극적이고 의지가 다소 부족하다. 이러한 맥락에서 Clayton은 환경 행동이나 실천을 이끌어내기 위해서 정체성의 변화가 필수적이라고 보고 자연과의 연결 정도를 의미하는 환경 정체성(Environmental identity)의 개념을 제시하였다. 한편 Kempton & Holland는 Clayton이 주장한 자연과의 경험이나 연결 정도보다는, 환경 정체성 형성에 사회적 실천 및 참여 등의 사회적 측면을 강조하며 사회적 환경 정체성(Social Environmental Identity)의 개념을 제안한다. 사회적 환경 정체성이란 환경 보호 운동을 수행하며 자신을 행위자로 인식하면서 나타나는 준거집단이나 환경 운동, 정부, 시장, 그리고 생활양식과 관련한 자기 정의를 의미한다. 본 연구에서는 환경 정체성의 사회적 측면을 강조하여 기후변화 완화와 적응을 위한 사회적 실천을 지향하는 SSI 기후변화 동아리 프로그램을 개발하고, 동아리 학생들의 사회적 환경 정체성 특징 및 변화와 사회적 실천 과정을 살펴보고자 한다. 이를 위한 연구의 문제는 다음과 같다. ① 동아리에 참여하는 학생들의 사회적 환경 정체성의 특징 어떠한가? ② 동아리에 참여하는 학생들의 사회적 환경 정체성이 사회적 실천 과정에 영향을 미치는가? ③ 동아리 활동이 학생들의 사회적 환경 정체성 변화에 어떤 영향을 미치는가? 이 연구를 위해 전문가 회의를 거쳐 기후변화 동아리 프로그램을 개발하였으며, 연구 참여자는 서울특별시 도봉구 소재의 A고등학교 기후변화 동아리 학생 12명이다. 학생들의 사회적 환경 정체성 특성을 탐색하기 위해 Kempton et al(2003)의 사회적 환경 정체성 발달 모델에 기반하여 제작한 문항으로 사전, 사후 인터뷰를 실시하였다. 추가적으로 Clayton(2003)의 EID(Environmental Identity) Scale 설문지를 번역 및 수정하여 사전, 사후 설문 조사를 실시하였으며, 동아리 활동을 녹화 및 녹음한 자료와 활동 결과물을 활용하여 학생들의 사회적 실천 과정과 사회적 환경 정체성의 변화 과정을 분석하였다. 이 결과, 동아리 학생들의 사회적 환경 정체성 단계별 특징을 구체화하였고, 사회적 환경 정체성이 학생 주도의 사회적 실천 과정에 영향을 주었음을 알 수 있었다. 또한 동아리 내 사회적 참여와 실천의 기회가 학생들의 사회적 환경 정체성 변화에 중요한 요인으로 작용함을 도출하였다. 따라서 본 연구는 기후변화 완화와 적응을 위한 학생들의 행동과 실천을 이끌어 내는 사회적 환경 정체성 변화를 위해서는, 기후변화 교육에서 사회적 참여와 실천 경험을 반복적으로 제공하는 것이 필요하다고 제안한다.

학교 과학교육 환경에서 저비용 원격 측정을 위한 아두이노 기반 장치의 사물 인터넷 기술 적용

가석현(서울대학교),차현정(서울대학교),김찬종(서울대학교)

이 연구에서는 참탐구 과정에서 학생들이 겪게 되는 주요한 기술적 문제들을 살펴보고, 이를 해결하기 위해 과학교육 환경에 적합하게 고안된 사물 인터넷 기술을 적용한 아두이노 기반 장치를 제안하려고 한다. 참탐구가 실현되는 과정에서는 학생들이 직접 고안한 탐구 설계에 필요한 다양한 측정 도구를 구비하는 문제, 학생들의 탐구 설계에 최적화된 도구를 구비하는 문제가 발생한다. 또한 데이터 분석 과정에서 기술을 잘 다루는 유능한 학생이 탐구를 독점하게 된다. 피지컬 컴퓨팅과 IoT 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있는 좋은 해결책이다. 아두이노와 같은 저가형 개발보드에 다양한 센서들을 연결해서 저렴하게 측정장치를 만들 수 있으며, 그 측정하는 방식 또한 탐구의 맥락에 맞게 최적화할 수 있다. 측정된 데이터를 IoT Platform에 전송함으로써 모든 학생들이 공평하게 데이터에 접근하고 손쉽게 분석할 수 있게 되어, 기술을 잘 다루는 특정 학생이 탐구를 독점하는 문제를 해결할 수 있다. 실제 구현된 장치에 대한 사례로 온습도센서(DHT11), 이산화탄소(MH-Z1X Series), 미세먼지(PMS Series, ZH03B) 등 여러 센서들을 활용한 과학 탐구들이 다뤄질 것이다. 사물 인터넷을 활용한 과학탐구는 지능형 과학실험실을 구현하는데 있어 가장 비용이 적게 들면서 가장 효율적인 방법이 될 것이다.

* 이 연구의 주요 내용들은 2020년 2월 2일 International Journal of Online and Biomedical Engineering에 게재예정입니다.

[Session 4-1 (English)] Strand 1, 6

CHAT Analysis of Science Learning Activity System for Elementary School Students in Non-face-to-face Science Classes Using Experimental Box & Video Documentation

Ilkyun Nam(Daegu University), Sungmin Im(Daegu University)

This study analyzed the contradictions and expansion arising in the science learning activity system of students participating in an experiment-centered non-face-to-face science class that mediated experimental box and video documentation(SEV) by CHAT. The subjects of the research were 25 students of the 6th graders from the one class in the local city, and 33 SEV classes were conducted for over 12 weeks on 3 physics topics. SEV refers to the class in which students conduct an experiment at home by using the box containing experimental materials, and record and share the process and results of the experiment in the form of video documentation. The contradictions of the activity system pursuing the object of science learning were analyzed by exploring the interactions of the 6 activity system factors of CHAT relating to the salient events that appeared in the class. The contradiction caused by the failure to produce video documentation in the early days of SEV led to the emergence of a science learning community based on the social relationship of collaboration for successful experimentation. The agency of subjects pursuing more effective science learning has expanded into an activity system that enables everyone to participate in science learning by capitalizing on contradictions through various tools. This study is meaningful in that it analyzed the contradictions, transformations, and expansions of experimental non-face-to-face science classes that were quickly introduced.


Analyzing Storytelling Elements of Science Center’s YouTube Video focused on Gwacheon National Science Museum and Seoul Science Center

Myeong Ji Kim (Seoul National University), Da Yeon Kang (Seoul National University), Hyunok Lee (Seoul National University)

Storytelling is one of the major teaching and learning strategies of science center for arousing learners' interest, motivation to learn, and participation through emotional concordance with a situation. This strategy has been widely used in science centers’ in-site exhibitions and educational programs but rarely appeared in online content. As responses to COVID-19, many science centers started to produce more online content. Gwacheon National Science Museum and Seoul Science Center have actively produced online content targeted for YouTube channel. Due to the difficulty of in-site programs, the number of online content providing scientific knowledge has increased. This study aims to identify storytelling elements in science centers’ YouTube videos. The research result has shown that persona, plot, and experience were frequently used among elements. Those three frequent elements tended to appear in videos together. Relatively less empathy and analogy, and time was rarely used. This research can contribute to improving science centers’ online content for teaching and learning scientific knowledge.

Gender Differences in Gifted Elementary Students’ Decision-Making

Younkyeong Nam (Pusan National University), Jin-A Yoon (Pusan National University)

This study examines how gender affected gifted elementary students’ engineering-based argumentative practices and decision-making processes as they selected renewable energy sources to support South Korea’s future. Twenty-one gifted elementary science students participated in four steps of the Jigsaw group discussion process: 1) single-gender group discussion before information was given, 2) single-gender group discussion after information was given, 3) mixed-gender group discussion as a format of expert group discussion, and 4) original single-gender group discussion. Videotaped group discussions and student worksheets were the primary data sources. Students’ argumentative practices were investigated in two aspects: social negotiation patterns and reasoning. The social negotiation patterns of students’ argumentative practice were analyzed using an analytic framework adapted from Toulmin’s model of argument structure, and the collaborative reasoning patterns of students’ argumentative practice were analyzed based on Walton’s reasoning scheme. Then their decision-making process was analyzed using an analytical framework developed by the authors. Social negotiation pattern results show that girls’ social negotiation was more affected by gender grouping (single or mixed) than boys. However, there was no significant gender difference in terms of collaborative reasoning.


[Session 4-2 (Korean)] Strand 2, 3

초등학교 과학 모델링 수업에서 나타난 리더의 행위주체성 탐색

엄장희(서울대학교), 김희백(서울대학교)

본 연구에서는 초등학교 과학 모델링 수업에서 리더의 행위주체성이 소집단의 위계 구조 변화에 기여한 측면을 탐색하고, 그럼에도 불구하고 리더 개인의 행위주체성이 소집단의 집단적 행위주체성으로 발전하지 못한 이유를 비판적인 관점에서 분석하였다. 연구 참여자는 초등학교 1개 학급 학생들과 이들을 가르치는 교사 1명이었으며, 5학년 ‘우리 몸의 구조와 기능’ 단원에서 총 7차시 동안의 과학 모델링 수업이 이루어졌다. 학생들이 수업에서 보인 발화를 중심으로 행위주체성을 포착하였고, 발화의 의도를 파악하기 위해 인터뷰를 참고하였다. 연구 결과, 수업 초반 리더는 다른 구성원들의 지식이 매우 부족하다고 여겨 자신이 모든 활동 권한을 독점하면서, 소집단에서 리더만 권위를 가지는 지배적인 위계구조가 형성되었다. 그러나 인터뷰에서 연구자가 리더에게 모델링은 함께하는 활동이며, 이를 위해 그가 진행자가 되어 참여를 이끌어보라는 책임을 부여한 이후, 리더의 행동에 변화가 생겼다. 리더는 행위주체성을 드러내며 의도적으로 소집단의 위계구조를 변화시키고 구성원들의 참여를 이끌어내기 위해 노력했다. 그 모습은 수업에서 다음과 같이 나타났다. 첫째, 인지적 측면에서 자신의 지식을 공유하여 구성원들에게 도움을 제공함으로써 구성원들과의 인식적 권위 차이를 줄이기 위해 노력했다. 리더는 자신의 권위를 낮추며 구성원들이 선지식을 말해보게 했으며, 질문과 스캐폴딩을 통해 개념을 이해하게 도와 그들이 인식적 권위를 가지고 모델링에 참여하게 했다. 둘째, 과정적 측면에서 소집단 규범 조율을 통해 구성원들이 평등한 발언 기회를 얻도록 했다. 리더는 초반과 달리 다른 학생들이 모두 한 번씩은 의견을 내도록 하고, 모둠 규칙을 만들어서 발언권을 가진 학생이 말할 때는 도중에 끼어들지 못하게 했다. 이는 구성원에게 공평하게 기회를 부여하면서도, 자신감 없는 학생들이 위축되지 않고 끝까지 발언할 수 있게 돕기 위함이었다. 셋째, 관계적 측면에서 구성원들의 기여를 인정하고 정서적 지지를 제공하였다. 리더는 자신감을 가지면 학생들이 보다 잘 참여할 것이라 생각하여 칭찬과 격려를 아끼지 않았고, 그들의 발전을 인정하며 구성원들이 자신에 대한 인식을 변화시킬 수 있도록 도왔다. 이와 같이 리더의 행위주체성은 다양한 모습으로 나타나, 일시적으로 소집단의 위계 구조 변화와 구성원들의 참여를 이끌어내는 데 긍정적인 영향을 미쳤다. 하지만 리더의 행위주체성이 집단적 행위주체성으로 발전되기에는 한계가 있었다. 모델링 시간이 부족한 경우 리더는 구성원들의 의견을 듣기보다 여전히 자신이 권위자로서 답을 수렴하는 모습을 드러내어 위계 구조 변화가 계속 지속되지 못했기 때문이다. 또한, 리더의 노력에도 불구하고 구성원들의 자신감 부족이 유지되면서 스스로의 권위를 낮다고 인식하여 리더에게 의존하는 성향이 계속 나타났다. 이는 인식적 권위 차이 극복을 위한 다양한 교육학, 교육과정적 지원의 필요성을 제기한다. 이 연구는 학생들의 집단적 행위주체성 발현 맥락에 대한 연구에 도움을 줄 것이다.

과학 교사의 반응적 교수 유형 변화와 유형 변화에 장애를 주는 요인에 대한 연구

김정수(부평여자고등학교), 백성혜(한국교원대학교)

이 연구는 고교화학지도 강좌에 참여한 현직 교사들을 대상으로 반응적 교수법에 대한 소개, 반응적 교수법 사례 분석, 심층 토론 등을 거치면서 반응적 교수 요소에 변화를 알아보았다. 또한 프로그램에 참여한 과학교사의 반응적 교수 유형의 변화와 유형 변화에 장애를 주는 요인에 대하여 분석하였다. 반응적 교수 요소로써 평가적 듣기와 탐색적 듣기, 학습 목표에 근거한 해석과 학생 생각에 근거한 해석, 교사 주도 확장과 학생 주도 확장 여부를 분석한 결과 평가자 유형, 탐색자 유형, 전달자 유형, 해석자 유형, 안내자 유형, 촉진자 유형의 6가지의 반응적 교수 유형을 도출하였다. 평가자 유형은 학생의 반응을 평가자의 관점에서 평가적 듣기를 하는 교수 유형이다. 탐색자 유형은 학생의 반응을 적극적으로 해석하는 탐색적 듣기를 하는 교수 유형이다. 전달자 유형은 학생의 반응을 적극적으로 탐색하고 학습 목표에 근거한 해석을 하는 교수 유형이다. 해석자 유형은 학생의 반응을 적극적으로 탐색하고 학생 생각에 근거해서 해석하는 교수 유형이다. 안내자 유형은 탐색적 듣기를 하며 학생 생각에 근거한 해석을 하고 있지만, 교사 주도의 확장에 머무르는 교수 유형이다. 촉진자 유형은 학생들의 반응을 탐색적으로 듣고, 학생 생각에 근거한 해석을 하며 학생 주도로 확장을 하는 교수 유형이다. 반응적 교수 유형 변화에 장애를 주는 교사 요인, 학생 요인, 환경 요인을 분석하였다. 반응적 교수 유형 변화에 장애를 주는 교사 요인으로 교사가 수업을 이끌어야 한다는 신념, 지식전달자로서의 교사의 역할에 대한 강박, 학생에 대한 교사의 이해 부족, 교육과정에 제시한 개념만을 다루어야 한다는 생각, 학생 주도 확장을 이끄는 교사의 역량 부족이 반응적 교수 유형을 변화시키는데 장애를 주는 것으로 분석되었다. 반응적 교수 유형 변화에 장애를 주는 학생 요인을 가지는 교사들은 학생이 스스로 수업을 구성하지 못할 것이라는 선입견과 학생의 역량에 대한 불신을 가지고 있었다. 반응적 교수 유형 변화에 환경 요인이 장애를 주는 교사들은 반응적 교수법을 교실에서 실천하는데 어려운 이유로 다인수 학급과 같은 교육 환경에서 원인을 찾고 있었다. 이러한 연구 결과를 토대로 교사들에게 반응적 교수법에 대한 이해를 바탕으로 학생 주도 확장을 수용할 수 있는 교사 연수 프로그램이 제공되어야 한다.

기계 학습을 활용한 논증 수준 자동 채점 및 논증 패턴 분석

이만형(한국교원대학교), 유선아(한국교원대학교)

이 연구는 과학적 논증 수업에서 발생한 학생 발화(2,603개)를 대상으로 과학적 논증 담화의 수준을 평가하기 위한 자동 채점을 수행하였다. 이 자동 채점은 과학적 논증에 대한 선행 연구를 바탕으로 구성된 4가지 단위의 논증 피처(단일 논증 요소, 논증 클러스터, 과학적 주제, 발화 형태소)와 논증 수준 평가틀을 활용하였다. 또한 구성된 자동 채점 모델을 분석하여 실제 학생 논증 담화의 패턴과 양상을 파악하였다. 자동 채점에 활용된 데이터는 경기도 Y시 B고등학교의 학생을 대상으로 한 과학적 논증 수업의 담화이다. 2018학년도 2학년 학생을 대상으로 한 과학적 논증 수업은 22차시의 수업으로 진행되었으며, 360도 VR카메라를 활용하여 소모둠의 논증 담화를 녹화하였다. 논증 담화의 패턴과 양상을 표현하기 위하여 논증 피처를 대상으로 n-gram 변환을 수행하여, 이를 자동 채점의 입력 변수로 활용하였다. 이러한 과정으로 구성된 데이터셋에 지도 학습 기법 중 서포트 벡터 머신, 의사결정 나무, 랜덤 포레스트 기법을 적용하여 총 33가지의 자동 채점 모델을 구성하였다. 이를 통하여 얻은 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 33가지 자동 채점 모델의 성능을 비교하여 최대 85.37%, 평균 77.59%의 자동 채점 정확도를 얻었으며, 33개 중 25개의 자동 채점 모델이 상당한 일치도를 나타내었다. 둘째, 자동 채점 모형과 n-gram 피처를 활용하여 논증 수준에 따른 논증 양상과 패턴을 분석하였다. 이를 통하여 주장, 자료와 함께 정당화가 체계적으로 구성된 과학적 논증과 자료에 대한 활발한 상호작용이 이루어진 과학적 논증을 통하여 논증 수준이 향상될 수 있음을 탐색하였다. 이는 의사결정 나무의 노드(node), 특성 중요도 지수를 통하여 해석되었으며, 실제 학생들의 담화와 비교하여 패턴의 실제 모습을 확인하였다. 이 연구는 기존 과학적 논증 담화에 대한 자동 채점의 성능을 개선함으로써, 과학적 논증 담화에 대한 자동 채점의 가능성을 제언하였다. 자동 채점 모델을 다양한 방식으로 구성하여, Toulmin의 논증패턴(TAP)을 기반으로 한 논증 피처와 n-gram 피처를 활용하는 방법의 우수함을 확인하였다. n-gram 피처와 자동 채점 모델을 활용하여 통하여 많은 논증 담화 속의 패턴을 짧은 시간에 분석할 수 있었으며, 인간 평가자의 개입을 최소화하여 패턴 분석 결과의 타당성과 신뢰성을 확보하였다. 이 연구 방법은 논증의 실제 패턴과 양상에 접근하는 새로운 방법이라 할 수 있다. 이에 이 연구 결과는 과학적 논증의 실시간 평가 및 피드백 시스템의 토대가 될 것이며, 학생의 과학적 논증 수준을 발달시키기 위한 지침으로 활용될 수 있을 것이다.


[Session 4-3 (Korean)] Strand 2

2015 개정 교육과정 실천과정에서 물리 교사가 겪는 어려움 : 물리학Ⅰ ‘전기와 자기’ 영역을 중심으로

심규철(서울대학교), 이경호(서울대학교), 김홍빈(서울대학교), 서범원(서울대학교)

단위 학교 수준의 교육과정은 국가 수준의 교육과정을 바탕으로 이를 재구성하는 과정을 통하여 개발된다. 이 과정에서 교사는 국가 교육과정을 단위 학교 교육과정으로 구현하기 위해 교육과정을 재구성 및 실행, 평가하는 주체로 성공적인 교육과정 운영에 핵심적인 역할을 수행한다. 이와 같은 맥락에서 교육과정의 적정성에 관한 교사 평가의 중요성은 여러 선행연구에서 강조됐다. 본 연구는 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ ‘전기와 자기’ 영역을 가르치며, 교사 연구자로서 본인이 겪은 어려움을 분석하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 사례 교사가 교육과정 재구성 및 수업 설계 시 참고하는 과학과 교육과정 문서와 교과서를 분석하였으며, 이를 근거로 2015 개정 교육과정을 적용하며 사례 교사가 느낀 어려움을 파악하고자 하였다. 이 과정에서 선행 연구의 결과(2009 개정 교육과정에서 드러난 교사의 어려움)와 비교하기도 하였다. 이와 같은 연구를 진행함으로써 본 연구에서는 2015 개정 교육과정 적용 과정에서 교사가 느끼는 어려움의 특징을 파악하고 향후 개발될 교육과정과 교과서에 유의미한 시사점을 도출하고자 한다.

2015 개정 고등학교 물리학I 교육에서 교사가 겪는 어려움 : 특수상대론의 두 가지 기본 원리를 중심으로

이은예(서울대학교), 이경호(서울대학교), 김홍빈(서울대학교)

2009 개정 교육과정 이후 특수상대론이 고교 교육과정에 도입되었다. 특수상대론은 시간과 공간이 하나로 통합된 새로운 세계관을 제시하였으며, 물리학을 넘어 다양한 영역에 영향을 주었다. 따라서 교육현장에서의 기대도 컸다. 그러나 교사들은 특수상대론과 같은 현대물리교육에서 교육과정의 의도와 다르게 위계를 고려하지 않은 내용의 배열로 인하여 현장에서는 단편적이고 피상적인 지식을 전달하고 암기식 수업이 이루어지고 있다고 지적하였다. 특히 학생들이 핵심 원리를 제대로 이해하지 못하고 결과적 지식만을 암기하게 된다는 점을 우려하였다. 이는 교사로서 본 연구자가 2015 개정 교육과정의 특수상대론을 가르칠 때 겪었던 경험과도 상당히 일치한다. 특히 본 연구자는 특수상대론의 핵심 원리인 두 가지 기본 원리(상대성 원리, 광속 불변 원리)를 지도함에 있어 어려움을 겪었다. 한편, 교과서는 학생과 학습을 매개하는 주요 요소로 교육현장의 교수학습 실천에 미치는 영향이 매우 크다. 따라서 특수 상대론의 두 가지 기본 원리가 교과서에서 어떻게 설명되는지 살펴볼 필요가 있다. 구체적으로 본 연구에서는 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 8종 교과서에서 특수상대론의 두 가지 기본 원리가 어떻게 다루어지고 있는지를 분석하고, 이 결과로부터 교육적 시사점을 얻고자 하였다.

과정 중심 평가 실행력 향상을 위한 ‘다: 담다’ 어플리케이션 개발 및 적용

김유정(서울대학교), 이경건(서울대학교), 장원형(서울대학교), 이재용(서울대학교), 홍훈기(서울대학교)

본 연구는 과정 중심 평가 실행력 향상을 위한 ‘다: 담다’ 어플리케이션을 개발하고 효용성을 검증하고자 하였다. 2019년 10월부터 2020년 11월까지 총 3단계의 반복적 절차를 거쳐 어플리케이션을 개발하였고, 서울대학교 영재교육원 R&E 예비교사 2인과 학생 6인에 대한 사례연구와 고등학교 교사 12인을 통해 사용성/만족도 평가를 진행하였다. 연구 결과, 첫째, 본 연구는 과정 중심 평가 실행력 향상을 위해 ‘학습 중 핵심역량 평가’, ‘평가 피드백 제공’을 핵심요소로 설정하고, 교과 별/상황 별 핵심역량 키워드 평가 기능, 강점 핵심역량 기반 진로 추천 기능을 탑재한 ‘다: 담다’ 어플리케이션을 개발하였다. 둘째, 본 연구는 다: 담다 어플리케이션을 서울대학교 영재교육원 R&E에 투입한 결과 직관성, 누적성, 보완성, 개별성 측면에서 과정 중심 평가의 실행력을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 셋째, 본 연구는 교사 14인과 학생 6인의 설문조사로부터 사용성 평균 평점 4.0, 만족도 75%를 확인함으로써 다: 담다 어플리케이션의 효용성을 검증하였다. 다만, 다수 학생에 대한 평가가 이루어지는 학교 현장을 고려한다면 보다 손쉬운 접근이 가능한 메뉴가 제공되어야 함을 확인할 수 있었다. 본 연구는 단위학교 현실에 부합 하는 과정 중심 평가 실행의 구체적인 방안을 마련하는 데 궁극적 목적이 있으며, 실제 학교 맥락에서의 적용을 제언한다.

2015 개정 교육과정의 「과학탐구실험」이 고등학생의 과학 및 일반 핵심 역량에 미치는 효과: 교수학습 방법을 중심으로

이경건(서울대학교), 김유정(서울대학교), 장원형(서울대학교), 이재용(서울대학교), 홍훈기(서울대학교)

본 연구에서는 2015 개정 교육과정의 「과학탐구실험」이 고등학생들의 과학 및 일반 핵심역량에 미치는 효과를 조사하였으며, 이를 「통합과학」의 효과와 구별해내기 위하여 「과학탐구실험」의 교수학습 방법에 초점을 두었다. 연구 데이터로는 전국 5개 시도의 9개 고등학교 1학년 학생 489명의 과학 및 일반 핵심역량 총 11개 항목의 검사지, 그리고 교사 9명의 반구조화 설문지를 활용하였다. 연구 결과 2019년 2학기를 전후로 학생들의 과학 핵심역량 점수는 5개 항목 모두와 총점이 유의미하게 증가하였으며, 일반 핵심역량 점수는 5개 중 2개 항목만이 유의미하게 증가하였다. 회귀분석 결과 ‘실험 실습’ 및 ‘기타’ 방법은 과학 및 일반 핵심역량에 유의미하게 긍정적인 효과를 나타내었고, ‘실험 시연’은 과학 및 일반 핵심역량에, ‘비실험 활동’은 과학 핵심역량에 유의미하게 부정적인 효과를 나타내었다. 이러한 효과가 나타난 원인은 각 교수학습 방법들이 학생들의 실제적 참여를 유발하느냐의 여부에 달려 있는 것으로 생각된다. 또한 연구 참여 학교들의 교수학습 방법의 분포를 살펴볼 때, 회차가 많은 편인 ‘실험 실습’을 중심으로 고등학생 핵심역량이 증가하였다는 예측이 가능하였다. 그러므로 「과학탐구실험」을 실험 실습 위주로 운영하되 평가방식 개선, 블록타임제 운영, 「통합과학」 교과와의 연계 등의 지원이 이루어진다면 학생들의 핵심역량 함양을 더욱 효율화할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 「과학탐구실험」의 효과를 분리하여 입증한 드문 사례이며, 2015 개정 교육과정에서 과학(교과) 및 일반 핵심역량 검사 점수를 함께 측정 및 보고하는 최초의 사례일 수 있다. 이에 연구자들은 「과학탐구실험」 운영에 있어서 교육과정 재구성을 위한 교사들의 주체성이 강조 및 지원되어야 하며 핵심역량 관련 후속 연구가 이루어져야 함을 제언하였다. 미래 사회를 살아갈 학생들에게 필요한 핵심역량 함양을 위하여 앞으로의 국가 교육과정에서도 실험 실습 위주의 탐구실험 교과들이 잔류하여야 할 것이다.

[Session 4-4 (Korean)] Strand 1, 4, 5

코로나 19 상황에서 블랜디드 학습이 과학·수학 영재들의 학습 동기 및 학업 효능감에 미치는 영향

유은정(한국교육과정평가원), 김경화(창덕여자중학교)

본 연구의 목적은 2020년 코로나 19가 심각해지면서 학교 휴업 명령, 온라인 개학, 순차 등교, 온-오프 수업 병행이라는 전례없는 교육부 정책에 따라 여러차례 수정 보완된 영재교육원의 과학·수학 블랜디드 학습의 효과를 알아보고자 하였다. 이를 위해 2020년 5월부터 9월까지 시도교육청 산하 과학전시관의 중3 과학·수학 영재 총 68명을 대상으로 과학·수학 학습 동기, 학업 효능감, 수업 만족도를 설문 조사하였다. 영재원의 블랜디드 과학, 수학 학습이 학습 동기와 학업적 효능감에 미치는 영향을 살펴본 결과, 과학 영재와 수학 영재 사이에 차이는 없었으나 남학생과 여학생 사이에는 유의미한 차이가 나타났다. 또한 온라인과 오프라인에서 진행된 과학·수학 수업에 대해 영재 학생들은 대체로 긍정적인 반응이 높게 나타났으나, 오프라인 수업에서 소통, 협력, 흥미, 신기함 부족 등 정의적 측면에서 한계점이 드러났다. 블랜디드 수업이 학교 교육의 자연스러운 흐름이 될 가능성이 높아진 상황에서 본 연구 결과가 과학·수학 수업 방향을 모색하는데 시사점을 줄 것으로 기대된다.

실천 지향 기후변화 활동 수업에서 나타나는 초등학생의 기후 실천가 정체성 저술 양상 탐색

김종욱(서울대학교), 임성은(서울대학교), 김찬종(서울대학교)

기후변화, 전염병 대유행, 원자력 발전 등 인류는 끊임없이 새로운 위험 속에서 살아가고 있다. 최근의 과학적 소양에 대한 논의는 학생들이 이 같은 과학적, 기술적, 사회적, 환경적 차원이 복잡하게 얽힌 논쟁적인 문제들에 대해 비판적이고 민주적인 참여를 수행할 수 있는 자질과 역량을 길러야 함을 강조하고 있다. 본 연구는 개인적 수준의 행동 변화를 넘어 사회적 수준의 실천을 지향하는 기후변화 활동 수업(창의적 체험 활동)에 참여하는 6학년 학생 2명의 행위력(agency) 발현과 그들의 기후 실천가 정체성 발달 양상을 탐색한다. 46차시 동안 진행된 수업은 연구자가 진행하였으며 2019년 1학기, 서울 소재 H 초등학교 6학년 1개 학급 11명의 학생이 연구에 참여했다. 수집된 자료는 학생들의 기후변화 관련 지식 위험 인식, 일상에서의 실천 경험 등에 대한 면담 자료, 수업 녹화 자료 등이다. 분석에는 Holland et al.(1998)의 ‘인식된 세계’, ‘자아저술성’, ‘위치성’ 개념이 활용되었으며 신뢰도 및 타당도 확보를 위한 공동 연구자의 참여 관찰과 자료 분석이 병행되었다. ‘실천 지향 기후변화 활동’ 수업의 세계는 기후변화에 대응하기 위해 시민으로서 책무성있는 실천을 수행하는 것을 목표로 학생 주도적인 활동이 장려되었다. 학생들은 기후변화-신재생 에너지, 플라스틱 문제와 관련된 지식 생산에 참여하였다. 이를 통해 기후변화와 관련된 사회적 문제점을 인식한 학생들은 학교장에게 팩스를 보내거나(‘학교 옥상 태양광 발전소’ 사업 안내), 음료수 제조사에 직접 항의 메일을 보내는 등의 실제적인 실천을 수행했다. 지속적인 실천 속에서 학생들은 실용적인 지식을 획득하였으며, 지속적인 실천 의지를 다지는 모습을 나타냈다. 특히 등굣길 캠페인과 최종 활동 발표회를 통해 주변 사람들에게 자신의 생각을 정당화하며, 그들의 변화된 행동을 관찰하는 과정 속에서 학생들은 스스로를 “지구맨”, “환경을 생각하는 사람” 등 기후 실천가 정체성을 발달시키는 모습을 나타냈다. 과학 수업 세계 차원에서 학생들은 교육과정상 정해진 과학 내용 지식을 학습하는 수동적인 지식 수신자로 위치된다. 반면 본 연구에서 학생들은 직접 지식을 생산하고 학생들과 교사들에게 가르침으로써 지식의 생산자로서 위치지어질 수 있었다. 기후변화의 세계 차원에서 학생들은 기후변화 위험을 방관하거나 타인의 결정을 수동적으로 따르지 않고 문제를 해결하기 위한 행위를 수행함으로써 기후 실천가로서 위치지어질 수 있었다. 본 연구는 우리가 직면한 위험 사회에서 책무성있는 과학 교육은 실제적인 사회적 담론의 장에 참여하고, 자신의 목소리를 실천으로 옮길 수 있는 ‘뜨거운 학습자’를 길러내는 데 주요한 역할이 있음을 주장한다.

참고문헌 : Holland, D. C., Lachicotte Jr, W., Skinner, D., & Cain, C. (1998). Identity and agency in cultural worlds. Harvard University Press.

포스트 코로나 시대를 위한 과학-예술 프로그램의 개발과 적용 Development and application of ScienArt program ‘DAON’ for the Post-COVID era

이수아(사이언아트 연구소 경북대학교 물리교육과), 하상우(경북대학교 물리교육과)

최근 세계는 COVID로 인한 어려움을 겪고 있으며 이 사태로 인해 미래를 위한 교육의 변화가 더욱 절실해졌다고 볼 수 있다. 이에 포스트 코로나 시대를 대비한 새로운 교육과정과 프로그램, 평가기준 등의 마련이 시급하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 COVID 상황에서 학생들의 정서적 치유와 미래 과학교육의 활성화를 위하여 사이언아트 테라피(ScienArt Therapy)를 도입한 과학-예술 프로그램 ‘다온’을 개발하고 이를 적용했다. 구체적으로 대구 소재 중고등학생들에게 COVID 전시가 열리는 과학관을 온-오프라인 관람하게 한 후, COVID를 주제로 작품을 제작하는 활동을 수행하게 하여 학생들의 작품 제작 과정을 살펴보았다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들은 COVID 일러스트를 표현하기 위해 기초과학(정전기력, 에탄올, 유전자, 바이러스, 기압과 바람), 생활과학(마스크, 소독제), 첨단과학(K94 마스크, 음압병동, 항바이러스제, 온라인 수업)과 예술, 인문학과 같은 다양한 분야의 지식을 융합하여 활용하였으며 학생들이 활용한 과학개념들은 2015 개정 과학교육에서도 강조하는 개념들임을 알 수 있었다. 둘째, 학생들은 시(詩)를 창작하는 활동에서 COVID 상황을 겪으며 느꼈던 어려움을 표현한 것으로 나타났으며, 이 활동을 통해 정신적 치유를 경험하였다. 셋째, 학생들은 이 프로그램을 흥미롭게 생각하였으며 무엇보다 적극적인 참여와 실천을 통해 COVID 상황을 극복하기 위한 의지를 보여주었다. 즉, 학생들은 온-오프라인 토론을 통하여 스스로 ‘마스크 분리 수거함’의 필요성을 공감하여 이를 만들기로 의견을 모으고 직접 제작하는 모습을 보여주었다. 넷째, 학생들은 프로그램 참여 과정에서 미래 과학교육 표준에서 강조하는 실천적 지식인의 모습을 보였으며 미래 과학교육 평가기준(SAES)의 창의적 실천(창의적 사고, 창의적 설계, 창의적 활동)과 창의적 지식, 과학문화예술 항목에서도 긍정적인 모습을 보여주었다.

키워드: COVID,사이언아트 테라피, 과학-예술 프로그램,융합적 지식,창의적 실천

테크놀로지 교수내용지식(TPACK) 관점에서 바라본 예비과학교사들의 온라인 교육역량

윤진아(부산대학교), 남윤경(부산대학교)

COVID-19의 세계적 확산으로 교육현장의 온라인수업 전환이 실시되면서 테크놀로지에 기반한 교육변화 요구가 증가되고 있다. 갑작스런 온라인 수업의 확대로 교수자들은 면대면 수업을 온라인 수업으로 설계하고 운영하는 과정에서 다양한 어려움에 직면하고 있다. 학교교육에서는 이미 테크놀로지가 통합되어 활용되어 왔지만 이를 활용하여 교수학습활동을 효과적으로 진행하기 위해서는 교사의 지식에서 중요한 PCK뿐만 아니라 테크놀로지 지식을 아우르는 테크놀로지 내용교수지식(TPACK)을 상황맥락적으로 이해하고 역량으로 발전시켜 나갈 필요가 있다. 이에 본 연구는 온라인 수업상황에서 예비과학교사들의 ZOOM 활용 수업시연에서 나타나는 온라인 수업역량을 TPACK관점에서 분석하여 예비교사교육에서 온라인 교육을 위해 요구되는 교사역량과 그 필요성을 제시하였다. 연구대상은 국립대학 사범대학 과학교육과 3~4학년 43명의 학생들이며 연구자료는 수업 중 온라인 실시간 화상수업시연을 위한 수업계획서와 교수피드백, 구글 실시간 설문으로 진행된 동료피드백에 대한 자기수업영상 분석과 자기성찰을 주요 데이터로 활용하였다. 자료분석은 제출된 자료에 대한 귀납적 질적 분석으로 온라인 수업역량에 대한 분석틀을 구안하고 이를 TPACK의 관점으로 제시하였다. 이후 교육전문가 5인과 현장교사 5인의 자문을 통해 분석틀을 최종 수정 및 보완하였다. 연구결과 예비교사들은 수업 상황에 관계없이 학생 학습에 대한 이해가 부족하며 학습자의 학습상황 파악 능력이 부족한 것으로 나타났으며, 온라인 수업 툴에 대한 인식 미흡으로 학습상황 이해를 더욱 어려워 하는 것으로 나타나 온라인 수업상황에서 요구되는 역량을 수업설계및 실행 측면으로 제안할 수 있었다. 또한 TPACK관점에서의 분석결과 예비과학교사의 TPACK 향상을 위한 제안점을 도출하였다.