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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.36 No.3 pp.280-299
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2015.36.3.280

The Effects of an Instruction Using Geologic Planar Figures on High School Students’ Ability of Spatial Visualization and Geologic Spatial Ability

Jaeyong Park, Kiyoung Lee*
Division of Science Education, Kangwon National University, Gangwon 200-701, Korea
Corresponding author: leeky@kangwon.ac.kr Tel: +82-33-252-6752 Fax: +82-33-242-9598
April 10, 2015 June 9, 2015 June 19, 2015

Abstract

The purpose of this study was to investigate the effects of an instruction using geologic planar figures on high school students’ ability of spatial visualization and geologic spatial ability and also to explore its applicability as an instructional strategy through the investigation of students’ perception about the instruction using mixed methodology. For this purpose, we developed 10 planar figures of geologic structures (2 horizontal layers, 2 vertical layers, 4 angular layers, 1 fault, and 1 fold), and tested students’ spatial visualization ability and geologic spatial ability before and after the implementation in class. In addition, in order to investigate students’ perception on the instruction, we conducted quantitative research using questionnaires comprised of the cognitive and the affective domain, and followed by focus group interview that was conducted to obtain deeper understanding of their perception. Findings revealed that the instruction using geologic planar figures was effective to enhance spatial visualization ability and geologic spatial ability. It was also helpful for students to enhance their ability to perceive the spatial configuration of the geologic structures as well as the ability to penetrate visually into the images of the structures. The results of the students’ perception on the instruction showed that the students recognized the instruction using geologic planar figures as a strongly positive teaching method both in the cognitive and affective domain. We concluded that geologic planar figures could be used as an effective tool for the lesson of ‘mapping and interpreting of geological map’, and be highly applicable for the advanced class in high schools.


지질 전개도를 활용한 수업이 고등학생의 공간 시각화 능력과 지질 공간 능력에 미치는 영향

박 재용, 이 기영*
강원대학교 과학교육학부, 200-701, 강원도 춘천시 강원대학길 1

초록

이 연구의 목적은 지질 전개도를 활용한 수업이 고등학생들의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력에 미치는 효과를 살펴보고, 이 수업에 대한 학생들의 인식을 혼합연구 방법으로 조사함으로써 지질 전개도를 활용한 수업의 적용 가능성을 탐색하는 것이다. 이를 위해 10개의 지질 전개도(수평층 2개, 수직층 2개, 경사층 4개, 단층 1개, 습곡 1개)를 개발하였고, 지질 전개도를 활용한 수업 실시 전후에 학생들의 공간 시각화 능력과 지질 공간 능력을 검사하였다. 또한, 이 수업에 대한 학생들의 인식을 조사하기 위하여 인지적 영역과 정의적 영역으로 구성된 설문지를 이용하여 양적 연 구를 실시한 후, 이를 보완하기 위한 질적 연구로 참가 학생에 대한 포커스 그룹 인터뷰를 진행하였다. 연구 결과, 지 질 전개도를 활용한 수업은 공간 시각화 능력과 지질 공간 능력을 향상시키는 데 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 이 수업은 학생들의 지질 구조 공간 배치에 대한 인식 능력 및 시각 투시 능력을 향상시키는 데 도움을 주는 것으로 나타 났다. 지질 전개도를 활용한 수업에 대해 학생들의 인식을 조사한 결과, 학생들은 인지적 영역과 정의적 영역 모두에서 상당히 긍정적으로 평가하고 있었다. 이 연구에서 개발된 지질 전개도는 ‘지질도의 작성과 해석’에 관한 수업을 위해 효과적인 도구로 사용될 수 있으며, 일반 고등학교의 지질 수업에서 과학 성취도가 높은 학생들을 대상으로 한 수업에 의 적용 가능성이 높을 것으로 판단된다.


    Kangwon National University
    과제번호-C1009895-01-01

    I.서 론

    지구과학은 기본적으로 공간 데이터에 대한 인지적, 정신적 조작을 필요로 하는 공간 과학(spatial science) 이다(Liben, 2012). 그중에서도 지질학은 지표의 암석 이나 지층 등을 관찰하여 지구 표면을 이루고 있는 물질의 생성과 변화 원리를 연구하고, 지각의 변화에 따른 구조와 내부의 힘에 대한 관계를 연구하는 학 문이다(Lee et al, 2004). 이와 같은 지질학은 여러 과학 분야 중 가장 시각적인 학문 분야의 하나로, 다 양한 규모와 다양한 상황에서 일어나는 공간적 추론 을 요구한다(Piburn et al., 2002). 특히 암석의 기하 학적 배열 상태를 보면서 이러한 구조들이 어떠한 기작과 과정을 거쳐서 형성되었을 지를 상상해 보고, 수집한 증거를 통하여 논리를 완성하고, 그 타당한 논리로부터 형성 메커니즘을 유추하는 학문인 구조 지질학(Fossen, 2010)의 경우, 다양한 지질 구조의 공 간적 배치를 인식하고 해당 지질 구조에 대해 서로 다른 단면의 형태를 마음속에 그릴 수 있는 공간 능 력이 요구된다(Kali and Orion, 1996; Piburn et al., 2002).

    여러 가지 사고의 유형 중 하나인 공간적 사고 (spatial thinking)는 인지적 능력(cognitive skills)의 집합체로, 이 능력은 선언적(declarative)이고 지각적 (perceptual)인 지식의 형식과 이러한 지식을 변형시 키거나 결합하거나 그 밖에 이러한 지식을 다루는 데 이용될 수 있는 일부 인지적 조작(cognitive operation) 들로 구성된다(NRC, 2006). 공간적 사고는 다음의 세 가지 핵심적인 요소로 이루어진 구조적 결합체 (constructive amalgam)이다. 데이터를 전체로 통합하 고 구조화하는데 필요한 개념적이고 분석적인 틀 (conceptual and analytical framework)을 제공하는 공 간에 대한 개념(concepts of space), 구조화된 정보를 저장하고, 분석하고, 이해하고, 전달하는 데 필요한 형식을 제공하는 시각화 방식(tools of representation), 그리고 구조화된 정보를 조작하고, 해석하고, 설명하 는 수단을 제공하는 추론 과정(processes of reasoning) 이 그것이다(NRC, 2006). Maeng et al. (2014)은 이 와 같은 공간적 사고를 “공간에 대한 의미를 이해하 는 공간적 개념, 사물의 공간적인 형태나 구조를 시 각화하는 방식, 그리고 공간적 표현 방식을 활용하여 사물의 구조와 성질, 기능 등을 이해하고 설명하는 추론 과정까지 포함하는 종합적인 사고 능력”으로 정 리하였고, Grossner (2012)는 Fig. 1과 같이 공간적 사고의 요소와 구성 과제들을 함께 제시함으로써 공 간적 사고에 대한 연구자들의 이해를 돕고 있다.

    공간 능력(spatial ability)은 공간적 사고 활동에서 요구되는 능력으로(Pallrand and Seeber, 1984), 상징 적이고 비언어적인 정보를 표현하고, 변형시키고, 만 들어내고, 상상하는 능력이다(Linn and Petersen, 1985). 공간 능력에 대한 그동안의 많은 연구들에 비 추어 볼 때 공간 능력을 서로 다른 유형의 문제들을 해결하는 데 이용되는 정신 과정(mental processes)으 로 요약할 수 있지만, 연구자들에 따라 공간 능력에 대한 정의와 명칭, 그리고 그 하위 요인들에 대한 구 분에 많은 차이가 있다(Black, 2005; King, 2006; Park, 2012).

    연구자들은 공간 능력을 구성하는 요인들을 분류하 기 위하여 다양한 방식을 제안하고 있다. 예를 들어, McGee (1979)Pellegrino et al. (1983)은 공간 능 력을 크게 두 가지 주요한 요인 즉, 공간 방향화 (spatial orientation)와 공간 시각화(spatial visualization) 로 구분하였고, Linn and Petersen (1985)은 기존 문 헌에 대한 메타 분석을 통해 공간 능력을 심적 회전 (mental rotation), 공간 지각(spatial perception), 공간 시각화(spatial visualization) 등 세 가지 요인으로 구 분하는 방식을 고안하였다. 또한, Lohman (1979)은 공간 능력을 공간 관계(spatial relations), 공간 방향화 (spatial orientation), 공간 시각화(spatial visualization) 등 3개의 주요인과 7개의 부요인으로 세분하여 제시 하기도 하였다. 이와 같이 연구자들에 따라 공간 능 력을 구성하는 하위 요인들에 대한 분류 방식은 다 르지만, 공간 능력에서 공통적으로 중요한 하위 요인 으로 공간 시각화를 다루고 있다(Park, 2012).

    공간 시각화는 시각적 능력(visual ability)과 심상 (mental image)의 형성을 수반하는 복잡한 과정으로 (Mathewson, 1999), 2차원 또는 3차원의 물체를 마 음속으로 조작하여 재구성하는 능력이라고 할 수 있 다(Park, 2012). Titus and Horsman (2009)은 지질학 적 상황에 적합한 공간 시각화 능력의 세 가지 구성 요인으로 공간 관계(spatial relations), 공간 조작 (spatial manipulation), 공간 투시 능력(visual penetrative ability)을 제시하고 있다. 이들 연구자들 에 의하면 공간 관계는 물체를 그 중심축에 대하여 회전시키는 능력으로, 퍼듀 회전 시각화 검사(Purdue Visualization of Rotations Test, PVRT; Guay, 1976) 를 이용하여 측정한다. 공간 조작은 하나의 그림을 다른 방식으로 조작하거나 변형시키는 능력으로, 단 기 기억 내에 있는 공간적 배열을 정신적으로 회전 할 수 능력을 보여주며 표면 전개도 검사(Surface Development Test, SDT; Ekstrom et al., 1976)를 이 용하여 측정한다. 그리고, 공간 투시 능력은 단단한 물체의 내부를 투시하거나 시각화하는 능력으로, 3차 원의 기하학적 물체를 이등분한 후 이에 따라 만들 어진 2차원의 조각 또는 표면을 상상하는 것은 공간 투시 과제의 한 예라고 할 수 있다(Kali and Orion, 1996; Lord, 2006).

    지질 공간 능력(geologic spatial ability)은 Kali and Orion (1996)이 지질 구조에 대한 고등학생들의 공간 인식 조사를 통해 구조 지질학의 기초를 학습 하는데 필요한 구체적인 공간 능력의 특성을 기술하 는 과정에서 사용한 용어로, 두 가지 필수적 요인 즉, 지질 구조를 구성하는 지층들의 공간적 배치를 인식 하는 능력과 지질 구조의 내부를 시각적으로 투시하 는 능력(시각 투시 능력, visual penetration ability)을 포함하고 있다. 이 두 가지 요인들은 McGee (1979)Linn and Petersen (1985)에 의해 제시된 공간 시각 화의 범주로 분류될 수 있다(Kali and Orion, 1996).

    공간 자료(spatial data)와 공간 표상(spatial representation) 은 지구과학의 핵심으로, 학생들은 지구과학의 내용 을 이해하기 위해 그들의 공간적 사고 능력을 이용 해야만 한다(Liben, 2012). 특히 지질학적 상황에서 물체 또는 형태를 회전시키거나 변형시키거나 시각화 하는데 이용되는 공간 시각화 능력은 구조 지질학을 학습하는 과정에서 매우 중요한 능력으로 간주된다 (Kastens et al., 2009, Titus and Horsman, 2009).

    하지만, 대부분의 학생들은 공간 능력을 요구하는 문제들을 다루는 데 많은 어려움을 겪고 있는데 (McGee, 1979), 공간 문제를 해결할 때 부딪치는 어 려움 중 하나는 3차원상의 물체들이 2차원으로 표현 되어 있는 것을 바르게 해석해야 할 필요가 있을 때 이다(Ben-Chaim et al., 1986). 특히 고등학교 학생들 은 지질 구조를 인지하고, 이들 구조에서 서로 다른 단면의 모습을 상상하는 데 상당한 어려움을 겪고 있다(Black, 2005; Kali and Orion, 1996). 이와 같은 어려움은 우리나라의 고등학생들에게도 예외가 아니 다. 2009 개정 지구과학 II 교육과정에서는 ‘지구의 변동과 역사’ 영역 중 ‘우리나라의 지질’에서 지질도 에 표시된 각 지층의 접촉 관계, 등고선과의 관계 등 에서 지하의 층 구조를 추측할 수 있게 하고 있지만 (Ministry of Education, Science and Technology, 2009), 학생들은 평면도로 나타낸 지질도에서 지층 경계선과 등고선의 관계를 이용하여 지하의 지질 구 조, 지층의 분포 등을 입체적으로 해석하는 데 어려 움을 겪고 있다(Lee et al., 2004). 또한, 지질도를 해 석하여 단층이나 습곡과 같이 조금 더 복잡한 지질 구조를 밝혀야 할 경우에는 더욱 그러하다.

    그동안 학생들의 공간 능력 또는 공간 시각화를 향상시킬 수 있는지의 여부를 다룬 수많은 연구들은 공간 능력이 성공적인 과학 학습을 위해 중요하고, 수업과 학습 경험, 교육과정의 재설계, 적절한 자료 제공을 통해 학생들의 공간 능력을 발달시킬 수 있 음을 보고하고 있다(e.g., Kali and Orion, 1996; Kali and Orion, 1997; Kastens et al., 2009; Lord, 1987; Olkun, 2003; Piburn et al., 2002; Titus and Horsman, 2009). 또한, Newcombe (2012)는 지구과 학에서 학생들의 공간 능력을 발달시키기 위한 방법 의 하나로, 공간 학습에 대한 학생들의 부담을 줄이 고 학생들이 보다 친숙하게 다룰 수 있는 자료를 제 공할 것을 권장하고 있다.

    국내 지구과학 교육에서는 지질 구조에 대한 멀티 미디어 교육 프로그램을 개발하고(Lee et al., 2004), 지질도 작성 실험키트를 개발하여(Lim et al, 1999) 학생들의 공간 능력을 향상시키기 위한 연구를 수행 하였다. 하지만 기존 학습 자료의 경우, 그 제작과 응용에 상당한 시간이 소요되거나 별도의 학습도구가 필요하다는 문제와 함께 다양한 지질 구조를 다루거 나 변형시키는 데 한계가 있었다. 이에 비해 지질 전 개도는 손으로 그려서 이용할 수 있을 만큼 제작이 용이하고, 재료의 준비가 쉽고 저렴하며, 특별한 학 습 공간을 필요로 하지 않으므로 어디에서나 적용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 지질 전개도를 통해 다양한 지질 구조를 표현할 수 있고 만든 후 지질 구조를 입체적으로 볼 수 있으며, 각 면을 통해 지표 에 나타나는 지질 구조의 단면을 확인할 수 있다.

    따라서, 이 연구에서는 지질도의 작성과 해석 과정 에서 학생들의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력 을 향상시키기 위한 학습자 중심의 수업 자료로 교 과서에 수록되어 있는 지질 구조에 대해 10개의 지 질 전개도를 제작하였다. 또한 지질 전개도를 접기 전에 가졌던 학생 자신의 생각과 전개도를 접은 후 만들어진 종이 지질 모형을 비교해 봄으로써 해당 지질 구조에 대한 학생들의 깊이 있는 이해를 촉진 시키고자 하였다.

    전개도는 입체 도형을 펼쳐 그 전체 표면이 하나 의 평면이 되도록 하여 얻어지는 2차원의 도형으로 (Cohen, 2003), 전개도를 활용한 수업을 통해 학생들 은 전개도와 입체 도형이 가지는 기하학적 관계를 이해함으로써 공간 시각화 능력을 개발하고 향상시킬 수 있다고 알려져 있다(Lee, 2014).

    이 연구의 목적은 지질 전개도를 활용한 수업이 고등학생들의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력 에 미치는 효과를 살펴보고, 이 수업에 대한 학생들 의 인식을 정량적·정성적으로 조사함으로써 지질 전 개도를 활용한 수업의 일반화 가능성을 확인하는 것 이다. 이 연구를 위한 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

    첫째, 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각화 능력에 미치는 영향은 어떠한가?

    둘째, 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 지질 공간 능력에 미치는 영향은 어떠한가?

    셋째, 지질 전개도를 활용한 수업에 대해 학생들은 어떻게 인식하고 있는가?

    II.연구 방법 및 내용

    1.지질 전개도 개발

    지질 전개도를 활용한 수업을 위하여 우선 학생들 이 학습하고 있는 지구과학 II 과목 중 ‘II. 지구의 변동과 역사, 3. 우리나라의 지질’에 대한 교육과정 내용 및 성취기준과 성취수준을 확인하였고, 지질도 작성과 해석을 위하여 교과서에서 다루고 있는 지질 구조의 종류를 살펴보았다.

    현재 2009 개정 교육과정을 적용한 지구과학 II 교 과서는 두 곳의 출판사에서 발행한 것들이 사용되고 있다. 두 교과서 모두 지층 경계선과 등고선의 관계 를 이해하는 과정에서 수평층, 수직층, 경사층을 공 통적으로 다루고 있지만, 지질도를 해석하는 과정에 서 다루고 있는 지질 구조의 종류는 교과서별로 차 이가 있다(A 교과서: 습곡, 부정합, 단층; B 교과서: 습곡). 한편, 두 교과서 모두 산등성이 모양의 지형만 을 이용하여 지질도에 나타낸 지질 구조를 해석하는 방법을 사용하고 있지만, 해당 단원의 일부 다른 지 질 평면도에서는 골짜기 모양의 지형도 다루고 있어 이 두 지형을 구분하여 지층의 경사를 해석하는 방 법을 교육할 필요가 있다.

    교육과정 및 교과서 분석 결과를 바탕으로 지질 전개도를 활용한 수업에 필요한 지질 구조로 수평층, 수직층, 경사층, 습곡, 단층을 최종 선정하였고, 수평 층, 수직층, 경사층의 경우 산등성이 모양과 골짜기 모양의 지형으로 구분하여 교육하는 방식을 선택하였 다. 하지만, 습곡과 단층에 대한 지질 구조를 해석하 는 과정에서 골짜기 모양의 지형까지 다룰 경우 교 육과정의 내용 영역과 기준을 지나치게 벗어난다는 문제점과 함께 학생들의 학습에 대한 인지적 부담이 가중될 것이 염려되어 산등성이 모양의 지형만을 다 루기로 하였다.

    최종적으로 지질 전개도를 활용한 수업을 위해 동 일한 지질 구조가 산등성이와 골짜기에 위치할 때를 구분하여 수평층 2개, 수직층 2개, 경사층 2개 등 6 개의 지질 전개도를 개발하였고, 경사층의 경우 지층 의 경사와 방향이 다양할 수 있어 이에 대한 2개의 예와 산등성이에 위치한 습곡과 단층의 예를 하나씩 추가하여 총 10개의 지질 전개도를 개발하였다(Fig. 2).

    지질 전개도를 개발하기 위해 어도비(Adobe)사의 일러스트레이터(Illustrator CS 6) 프로그램을 이용하 였고, 이때 학생들이 A4 용지에 지질 전개도를 인쇄 하여 가위로 오린 후 능선이나 계곡 부분을 손으로 접기 편하도록 전개도의 바깥 부분에 각이 진 형태 로 풀칠하는 곳을 만들었다.

    지질 전개도의 초안을 개발한 후, 학생들의 입장에 서 생각하는 학습 자료의 효과를 가늠하고 문제점을 찾기 위하여 평소 지구과학에 관심이 많고 조기졸업 제도를 통해 지구과학 관련 학과로의 진학이 결정된 3명의 11학년 학생들을 대상으로 파일럿 테스트 (pilot-test)를 실시하였다.

    그 결과, 학생들은 지질 전개도가 상당히 흥미롭다 며 학습에 도움이 될 것이라는 의견과 함께 등고선 에 고도가 누락되어 있는 점과 일부 색이 칠해져 있 지 않거나 등고선이 끊겨 있는 등의 오류를 지적하 였다. 또한, 학습을 마친 후 복습하는 과정에서 이용 할 수 있도록 또는 학업성취 수준이 낮은 학생들이 학습 과정에서 힌트를 얻을 수 있도록 전개도의 바 닥 부분에 해당 지질 구조에 대한 설명을 기록해 줄 것을 희망하였다. 파일럿 테스트에 참여했던 학생들 의 의견을 반영하여 지질 전개도를 수정하였고, 이때 지질 구조에 대한 설명의 경우 POE (Prediction- Observation-Explanation) 교수 모형을 통해 지질 전 개도를 활용한 수업을 이끌겠다는 연구자의 의도와 달리 학습에 참여하는 모든 학생들이 모형 적용 초 기 단계에서 미리 설명 부분을 읽을 우려가 있었다. 따라서, 학생들이 지질 평면도를 해석하는 과정에서 그에 대한 설명을 바로 볼 수 없도록 지질 평면도를 보는 방향과 어긋나도록 글의 방향을 조정하여 수록 하였고, 가급적 설명 부분을 마지막에 읽도록 권장하 였다.

    2.연구 설계 및 절차

    지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각 화 능력 및 지질 공간 능력에 미치는 영향을 살펴보 기 위하여 강원도 소재의 과학고등학교에서 10학년 남녀혼성인 3학급을 연구 대상으로 하였으며, 남학생 48명과 여학생 13명 등 총 61명의 학생들이 참여하 였다(Fig. 3).

    이 연구는 내적 타당도를 위협하는 요인들을 통제 하기 어렵다는 한계에도 불구하고, 연구 과정에서 참 여자들 모두가 동일한 방식의 수업을 받기를 원함에 따라 참여자를 무선적으로 배치하기 어려웠고 독립변 인의 효과가 비교적 클 것으로 예상되어 준실험설계 (quasi-experimental design)를 적용하였다. 즉, 이 연 구에서는 단일집단에 공간 시각화 능력과 지질 공간 능력에 대한 전후검사를 실시한 후, 두 검사 결과의 차이를 살펴봄으로써 실험처치의 효과를 살펴보고자 하였다.

    지질 전개도를 활용한 수업을 위해 앞서 기술한 바와 같이 총 10개의 지질 전개도를 개발하여 자료 의 문제점을 보완하였고, 수업을 시작하기 약 2주 전 에 공간 시각화 능력과 지질 공간 능력에 대한 검사 지를 이용하여 사전 검사를 실시하였다. 이후 약 2주 동안, 총 5차시에 걸쳐 ‘지질도의 작성과 해석’에 관 한 수업을 진행하였다. 교사용 지도서에서는 ‘지질도 의 작성과 해석’에 실습 시간을 포함하여 2차시를 할 애할 것을 권장하고 있지만, 지질 전개도 접기에 소 요되는 시간과 학생들의 참여에 소요되는 시간을 고 려하여 총 5차시에 걸쳐 수업을 진행하였고, 이때 수 업의 마지막 3차시를 POE 모형에 따라 지질 전개도 를 활용한 수업을 진행하였다(Table 1).

    학생들은 지층 경계선과 등고선의 관계를 이용하여 지질 구조를 해석하는 방법을 교과서의 내용에 기초 한 교사의 설명을 통해 먼저 학습한 후, 제공된 10개 의 지질 전개도 각각에 대하여 지질 평면도가 나타 내는 지질 구조를 예상하고, 전개도를 접어 입체적인 모형을 관찰하고, 자신이 예상한 것과 모형에서 관찰 한 것 사이의 모순되는 것이나 상충되는 것에 관하 여 설명하는 방식으로 수업에 참여하였다.

    지질 전개도를 활용한 수업을 마친 후, 사전검사에 서 사용했던 것과 동일한 2개의 검사지(공간 시각화 능력 검사지, 지질 공간 능력 검사지)를 이용하여 사 후 검사를 실시하였고, 이때 사전 검사에 대한 친숙 도가 사후 측정에 미치는 영향(이월효과, carry-over effect)을 최소화하기 위하여 수업을 마친 후 약 4주 후에 사후 검사를 실시하였다. 지질 전개도를 활용한 수업 이후에는 우리나라의 지질, 한반도와 동해의 형 성, 대기의 안정도 등에 관한 수업이 이루어져 학생 들의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력에 직접적 인 영향을 미치는 요인은 없었으며, 수학과 다른 과 학 과목들의 수업 내용에서도 학생들의 공간 능력에 직접 영향을 줄 만한 내용을 다루고 있지 않았다.

    한편, 지질 전개도를 활용한 수업에 대한 학생들의 인식을 정량적으로 살펴보기 위하여 과학교육 전문가 2인에게 내용 타당도를 검토 받은 설문지를 이용하여 인지적 측면과 정의적 측면에서의 학생 반응을 조사 하였다. 또한, 양적 연구를 보완하기 위한 방안으로 인터뷰를 희망한 학생 12명을 각각 6명씩 두 그룹으 로 나눈 후, 반구조화된 질문지를 활용하여 포커스 그룹 인터뷰(focus group interview)를 실시하였다.

    3.검사 도구 및 분석

    1)공간 시각화 능력 검사

    이 연구에서는 지질 전개도를 활용한 수업이 고등 학생의 공간 시각화 능력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Titus and Horsman (2009)에 의해 개발된 검 사지를 사용하였다. 이 검사지는 공간 시각화를 지질 학적 상황에 유용한 세 개의 구성 능력으로 나누어 구성한 것으로(Titus and Horsman, 2009, p. 243), 공 간 관계(spatial relations), 공간 조작(spatial manipulation), 공간 투시(visual penetration)의 3개 영역, 총 45문항 으로 구성되며, 각 영역의 점수는 해당 영역의 문항수 와 동일하게 10점, 20점, 15점이다(Lee, 2013 재인용). 3개 영역에 대한 검사를 실시하기 전에 각 영역에 대 한 예제 풀이를 통해 학생들이 문제의 의미를 온전히 파악하도록 하였고, 연구자의 안내에 따라 영역마다 3 분씩 할당하여 순차적으로 검사를 시행하였다.

    과학고 학생들을 대상으로 한 이 검사 도구의 특 성을 확인하기 위하여 사전, 사후 검사 결과를 바탕 으로 SPSS 18.0 windows 프로그램을 사용하여 전체 신뢰도, 세 영역 간의 상관관계 및 세 영역의 문항 난이도 차이를 살펴보았다.

    Cronbach’s α 계수로 측정한 전체 신뢰도는 사전 검사와 사후 검사에서 각각 .804와 .820으로 나타났 으며, 표본수가 적어 정규 분포를 가정할 수 없으므 로 변인간 상관관계 분석을 위하여 스피어맨 순위 상관분석(Spearman’s rank correlation)을 실시한 결과, Table 2와 같이 사전, 사후 검사에서 양측검증 유의 수준 확률값(p)이 .000-.002로 세 가지 하위검사 항목 들 사이에 유의한 차이가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 세 가지 하위검사 유형의 문항 난이도를 확인 하기 위하여 프리드맨 검증(Friedman Test)을 실시한 결과, Table 3과 같이 사전, 사후 검사 모두에서 공 간 관계, 공간 투시, 공간 조작의 순으로 평균 순위 가 낮았으며, 검증 결과 양측검증 유의수준 확률값이 1% 수준에서 고도로 유의하였다. 따라서, 공간시각화 능력 검사의 경우 난이도는 공간 조작, 공간 투시, 공간 관계의 순으로 높았음을 알 수 있다.

    한편, 공간 시각화 능력에 대한 검사-재검사신뢰도 (test-retest reliability)를 분석한 결과, p< .01 수준에서 .712의 강한 정적 상관을 보였다. 이러한 결과는 공 간 시각화 능력 검사 도구에 대한 응답자의 반응이 안정적이었다고 할 수 있으며, 도구의 일관성을 지시 한다.

    2)지질 공간 능력 검사

    지질 전개도를 활용한 수업이 고등학생의 지질 공 간 능력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Kali and Orion (1996)에 의해 개발된 검사지를 사용하였다. 이 검사지는 지질 구조에 대한 공간 인식을 필요로 하는 세 유형의 개방형 문항들로 이루어져 있고(Kali and Orion, 1996, p. 372), 단면도 검사(cross-section problem) 4문항, 완성형 검사(completion problem) 4 문항, 구성 검사(construction problem) 5문항 등 총 13문항으로 구성되어 있으며, 각 유형의 점수는 해당 유형의 문항수와 동일하게 4점, 4점, 5점이다. 세 유 형의 검사는 동일한 지질 구조에 기초하고 있으며, 평행한 경사층(inclined flat layers), 두 가지 유형의 수평 습곡(향사와 배사, upright synclinal and anticlinal fold), 복각축 경사를 갖는 배사 습곡(plunging anticlinal fold)을 포함하고 있다.

    검사를 실시하기에 앞서 Kali and Orion (1996)의 방식에 따라 각 문제들은 하나 이상의 정답을 가질 수 있고, 각 지층들은 연속적이고 두께가 일정하며, 블록 다이어그램(block diagrams)은 보다 큰 3차원적 구조에서 잘라낸 것으로 간주한다는 지침을 학생들에 게 알려주었다. 이에 더하여 문제의 그림에 표시를 하거나 문제지의 빈 여백을 활용할 수 있으며, 한 가 지 유형의 검사를 마친 후에는 검사가 완료되기 전 까지 다시 볼 수 없다는 점과, 지층을 표시할 때 점 을 찍거나 선을 그리는 대신 기호나 숫자를 이용하 여 동일한 지층을 표시할 수 있음을 안내하였다.

    이 검사는 연구자의 안내 시간 5분을 포함하여 총 45분 동안, 각 유형에 할당된 시간 없이 단면도 검사, 완성형 검사, 구성 검사의 순으로 시행하였다.

    공간 시각화 능력 검사에서와 마찬가지로 이 검사 도구의 특성을 확인하기 위하여 사전, 사후 검사 결 과를 바탕으로 전체 신뢰도, 세 유형 간의 상관관계 및 세 유형의 문항 난이도 차이를 살펴보았다.

    Cronbach’s α 계수로 측정한 전체 신뢰도는 사전 검사와 사후 검사에서 각각 .626과 .762로 나타났으 며, 변인간 상관관계 분석을 위하여 스피어맨 순위 상관분석을 실시한 결과, Table 4와 같이 사전 검사 에서는 양측검증 유의수준 확률값(p)이 .061-.541로 유의한 차가 나타나지 않았지만, 사후 검사에서는 양 측검증 유의수준 확률값(p)이 .003-.251로 단면도 검 사와 구성 검사 사이의 상관관계를 제외한 나머지 유형의 검사 항목들 사이에 유의한 상관이 있는 것 으로 확인되었다. 또한, 세 가지 하위검사 유형의 문 항 난이도를 확인하기 위하여 프리드맨 검증을 실시 한 결과, Table 5와 같이 사전, 사후 검사 모두에서 단면도 검사, 완성형 검사, 구성 검사의 순으로 평균 순위가 낮았으며, 검증 결과 p< .01 수준에서 고도로 유의하였다. 따라서, 지질 공간 능력 검사의 경우, Kali and Orion (1996)의 연구 결과에서와 같이 난이 도는 구성 검사, 완성형 검사, 단면도 검사의 순으로 높았음을 알 수 있다.

    한편, 공간 지각능력에 대한 검사-재검사신뢰도 (test-retest reliability)를 분석한 결과, 양측검증 유의 수준 확률값이 1% 수준에서 .464의 정적 상관을 보 였다. 이러한 결과는 공간 시각화 능력 검사 도구에 비해 안정성 계수(coefficient of stability)가 낮은 것 으로, 응답자의 반응이 중간 정도 수준에서 안정적이 었다고 할 수 있으며, 검사 도구에 따른 해석에 보다 신중을 기할 필요가 있음을 시사한다.

    3.설문 조사

    지질 전개도를 활용한 수업에 대한 과학고등학교 학생들의 인식을 살펴보기 위하여 리커트(Likert) 5점 척도(1=매우 그렇지 않다, 2=그렇지 않다, 3=보통이 다, 4=그렇다, 5=매우 그렇다) 형식의 문항들을 이용 하여 설문 조사를 실시하였다(Table 6). 설문지를 작 성하기 위해 Kang et al. (2014)의 연구에서 사용된 일부 문항들을 참조하였으며, 이때 인지적 영역과 정 의적 영역을 각각 5개의 요인(인지적 영역: 기억, 이 해, 적용, 분석, 종합; 정의적 영역: 흥미, 학습 동기, 집중, 불안, 태도)으로 세분화한 뒤 해당 요인에 대한 문항을 작성하였다.

    이와 같이 인지적 측면과 정의적 측면에서의 학생 반응을 조사하기 위한 설문지는 각 영역에 5문항씩 총 10문항으로 구성되어 있으며, 과학교육 전문가 2 인에게 내용 타당도를 검토 받은 후 조사에 투입되 었다.

    설문 조사에는 연구 대상인 61명의 학생들이 모두 참여하였고, 설문 조사 후 학생들이 응답한 설문지를 코딩하는 과정에서 극단 반응, 묵종 경향성, 무성의 한 응답 등 부적합 반응을 보인 학생들의 설문지가 없는 것으로 나타나 모든 학생들의 응답 내용을 분 석에 포함시켰다.

    Cronbach’s α 계수로 측정한 전체 신뢰도는 .859로 나타났으며, 평균, 표준편차 등 기술 분석을 실시하 여 지질 전개도를 활용한 수업에 대한 학생들의 전 반적인 인식을 살펴보았다. 또한, 남학생과 여학생 간의 인식 차이를 비교하기 위하여 두 집단간 중심 경향치 비교 방법인 맨-휘트니 검증(Mann-Whitney U)을 실시하였다.

    4.학생 포커스 그룹 인터뷰

    설문을 통해 지질 전개도를 활용한 수업에 대한 학생들의 인식을 조사하여 양적 연구를 실시한 후, 이를 보완하기 위한 질적 연구로 포커스 그룹 인터 뷰를 진행하였다.

    포커스 그룹 인터뷰를 위해 인터뷰를 희망하는 학 생들 중 미리 정해진 인원의 2배수 범위 내에서 1차 대상자들을 선정하였고, 이들 중 의견 개진에 적극적 인 학생들과 성별, 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력 수준 등을 전반적으로 고려하여 최종적으로 12 명의 대상자를 확정하였다. 한 그룹 당 6명씩, 2개의 그룹을 편성하여 각 그룹 당 약 40분씩 인터뷰를 진 행하였으며, 이때 Table 7과 같이 반구조화된 질문을 활용하였고 학생들의 역동적인 상호작용과 균등한 발 언 기회를 제공하기 위하여 진행자의 개입 수준이 높은 인터뷰를 진행하였다. 또한, 공동의 합의 형성 과정에서 학생들 각자의 의견을 명확하게 구분하기 위하여 인터뷰 장면을 디지털 캠코더로 녹화하였고 녹음기를 이용하여 인터뷰의 내용을 녹취하였으며, 인터뷰 도중 특별한 상황이나 내용은 별도로 현장노 트에 기록하였다(Park and Lee, 2012). 학생들의 인 터뷰 내용을 전사한 후, 질문 내용에 따라 응답 내용 을 구분하여 수업에 대한 학생들의 인식을 정리하였 고, 최종적으로 각 문항을 기본 분석 단위로 하여 학 생들이 중요하다고 생각하는 핵심 내용을 발췌하였다.

    III.연구 결과 및 논의

    1.지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각화 능력에 미치는 영향

    지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각 화 능력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 검사 시 기에 따른 차이 검증을 실시하였고, 비모수 통계 분 석 방법을 이용하여 남학생과 여학생 두 집단 간 점 수 분포의 동질성을 검증하였다.

    Table 8은 공간 시각화 능력에 대한 전체 학생들의 사전-사후 검사 점수에 대해 대응 표본 t-검증을 실 시한 결과로, 사전 검사 점수에 비해 사후 검사 점수 가 공간 관계에서 0.81점, 공간 조작에서 2.89점, 공 간 투시에서 0.82점 더 높게 나타났고, 100점 만점으 로 환산한 전체 평균 점수에서도 사후 검사 점수가 사전 검사 점수에 비해 10.02점 더 높았다. 또한 사 전, 사후 두 평균 점수에 대해 유의성 검증을 실시한 결과, p< .01 수준에서 공간 관계(t= −3.55), 공간 조 작(t= −5.37), 공간 투시(t= −3.31)의 세 영역과 공간 시각화 능력에 대한 총 점수(t= −6.92)에서 통계적으 로 유의미한 차이가 나타났다.

    이와 같은 결과에 비추어 볼 때, 지질 전개도를 활 용한 수업은 학생들의 공간 시각화 능력을 향상시키 는 데 효과적이라고 할 수 있으며, 특히 다른 두 영 역에 비해 공간 조작 능력을 향상시키는 데 보다 효 과적인 방법이라고 할 수 있다.

    한편, Table 9와 같이 지질 전개도를 활용한 수업 이 남학생과 여학생의 공간 시각화 능력에 미치는 영향을 비교하여 살펴보았다. 이때, 모집단의 분포가 비정규 점수 분포를 이루고 있고, 남학생과 여학생 두 집단 간의 분산이 동일하지 않아 두 집단 간 중 심 경향치를 비교하기 위해 비모수 통계법인 맨-휘트 니 검증을 실시하였다.

    사전 검사에서 남학생 집단의 평균 순위는 32.54, 여학생 집단의 평균 순위는 25.31로 7.23의 순위 차 이를 보이고 있고, 사후 검사에서도 남학생의 평균 순위는 32.69, 여학생의 평균 순위는 24.77로 7.92의 순위 차를 보이고 있다. 하지만, 사전 검사와 사후 검사 각각의 순위 차에 대해 맨-휘트니 검증을 실시 한 결과, 양측검증 유의수준 확률값 p는 각각 .192와 .152로 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.

    이와 같은 결과는 지질 전개도를 활용한 수업이 남학생과 여학생 중 특정 집단의 공간 시각화 능력 을 향상시키는 데 더 효과적인 방법이라고 할 수 없 음을 의미하며, 중학교 학생들에 대한 공간 시각화 검사 도구의 개발 및 분석에 관한 연구에서 학생들 에게 적용한 교수 프로그램들이 남학생과 여학생의 공간 시각화 능력을 유사하게 증진시킬 수 있다고 보고한 Ben-Chaim et al. (1988)의 연구 결과와도 일 치한다.

    2.지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 지질 공간 능력에 미치는 영향

    지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 지질 공간 능력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 앞서 공간 시 각화 능력에 미치는 영향을 확인하기 위해 다루었던 통계분석 방법과 동일한 방법들을 이용하였다. 또한, 지질 공간 능력에 대한 학생들의 변화를 구체적으로 살펴보기 위하여 단면도 검사와 구성 검사에서 블록 다이어그램의 내부 특성을 묘사하려고 시도한 오답인 투시 오답(penetrative incorrect answers)과, 블록 다이 어그램의 외부 패턴에만 의존하여 작성한 오답인 비 투시 오답(nonpenetrative incorrect answers)에 대한 응답 정도를 비교하였고, 완성형 검사에서 학생들의 추론이 변해 가는 장면을 추가로 조사하였다.

    Table 10은 지질 공간 능력에 대한 전체 학생들의 사전-사후 검사 점수에 대해 대응 표본 t-검증을 실 시한 결과로, 사전 검사 점수에 비해 사후 검사 점수 가 단면도 검사에서 0.44점, 완성형 검사에서 0.30점, 구성 검사에서 0.63점 더 높게 나타났고, 100점 만점 으로 환산한 전체 평균 점수에서도 사후 검사 점수 가 사전 검사 점수에 비해 10.47점 더 높았다. 또한, 사전, 사후 두 평균 점수에 대해 유의성 검증을 실시 한 결과, p< .01 수준에서 단면도 검사(t= −4.97), 완 성형 검사(t= −3.22), 구성 검사(t= −6.09)의 세 유형 과 지질 공간 능력에 대한 총 점수(t= −8.31)에서 통 계적으로 유의미한 차이가 나타났다.

    이와 같은 결과는 지질 전개도를 활용한 수업이 공간 시각화 능력에 미치는 효과에서와 마찬가지로 지질 공간 능력을 향상시키는 데도 효과적이라고 할 수 있다. 하지만, 안정성 계수가 비교적 낮게 나타난 지질 공간 능력에 대한 검사-재검사 신뢰도 분석 결 과를 고려해 볼 때 지질 공간 능력 향상에 검사 도 구의 이월 효과가 어느 정도 포함되어 있을 가능성 을 완전히 배제할 수 없다.

    한편, Table 11과 같이 지질 전개도를 활용한 수업 이 남학생과 여학생의 지질 공간 능력에 미치는 영 향을 비교하기 위하여 맨-휘트니 검증을 실시하였다.

    사전 검사에서 남학생 집단의 평균 순위는 31.58, 여학생 집단의 평균 순위는 28.85로 2.73의 순위 차 이를 보이고 있고, 사후 검사에서도 남학생의 평균 순위는 32.13, 여학생의 평균 순위는 26.85로 5.28의 순위 차를 보이고 있다. 하지만, 사전 검사와 사후 검사 각각의 순위 차에 대해 맨-휘트니 검증을 실시 한 결과, 양측검증 유의수준 확률값 p는 각각 .613과 .302로 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.

    이와 같은 결과는 공간 시각화 능력에서의 결과와 마찬가지로 지질 전개도를 활용한 수업이 남학생과 여 학생 중 특정 집단의 지질 공간 능력을 향상시키는 데 더 효과적인 방법이라고 할 수 없음을 의미한다.

    Table 12는 지질 공간 능력 검사의 두 가지 유형인 단면도 검사와 구성 검사에 대한 사전, 사후 검사에 서 학생들의 투시 오답과 비투시 오답의 수를 비교 한 것이고, Fig. 4는 단면도 검사와 구성 검사에 대 한 사전, 사후 검사에서 학생들의 투시 오답과 비투 시 오답의 변화율을 나타낸 것이다.

    사전 검사에서 투시 오답과 비투시 오답의 수는 각각 63개, 43개이고 그 비율은 각각 59.4, 40.6%로 나타났다. 이에 비해 사후 검사에서 투시 오답과 비 투시 오답의 수는 각각 30개, 11개이고, 그 비율은 각각 73.2, 26.8%를 보였다.

    이와 같은 결과는 지질 전개도를 활용한 수업을 받은 후 단면도 검사와 구성 검사에서 전체적인 오 답의 수가 줄었고, 오답의 유형도 비투시 오답에서 투시 오답으로 이행함으로써 학생들의 시각 투시 능 력 즉, 지질 구조의 내부를 시각적으로 투시하는 능 력이 향상되었음을 보여준다.

    한편, Fig. 5는 지질 공간 능력 검사 중 완성형 검 사에 대한 사후 검사에서 채점 시 사용했던 예시 답 안과 학생들이 작성한 답안 중 일부를 비교한 것으 로, 예시 답안과 동일한 답안을 작성했던 사전 검사 때와 달리 학생들의 추론이 복잡하고 정교해졌음을 알 수 있다. Fig. 5a의 경우 사전 검사에서는 모든 학생들이 예시 답안과 같이 수평 경사층의 형태로 빈 칸을 완성하였지만, 사후 검사에서는 4명의 학생 들이 지층의 방향과 분포 범위를 변화시켜 답안을 작성하였고, 2명의 학생들이 정단층의 형태로 답안을 작성하였다. 또한, Fig. 5b에서와 같이 사전 검사에서 정답을 제시한 학생들 모두가 예시 답안과 같이 수 평 배사 습곡 형태로 빈 칸을 완성하였지만, 사후 검 사에서는 4명의 학생들이 복각축 경사를 갖는 배사 습곡으로 답안을 작성하였고, 1명의 학생이 수평 배 사 습곡에 역단층을 더하여 답안을 작성하였다.

    이와 같은 결과에 비추어 볼 때, 비록 일부 학생들 에게 한정되어 나타난다는 한계에도 불구하고 지질 전개도를 활용한 수업이 지질 구조의 공간 배치를 인식하고 이를 확장시키는 능력과, 지질 구조의 내부 를 시각적으로 투시하는 능력을 향상시키는 데 도움 을 줄 수 있음을 시사한다.

    3.지질 전개도를 활용한 수업에 대한 학생들의 인식

    지질 전개도를 활용한 수업에 대한 학생들의 인식 을 정량적으로 살펴보기 위하여 인지적 측면과 정의 적 측면에서의 학생 반응을 조사한 결과에 기초하여 기술 통계 분석을 수행하였다. Table 13은 지질 전개 도를 활용한 수업에 대한 학생들의 인식 정도를 나 타내는 기술 통계 결과로, 인지적 영역의 평균과 표 준편차는 각각 4.12, 0.73이었고, 정의적 영역의 평균 과 표준편차는 각각 4.22, 0.85로 학생들은 인지적 영역과 정의적 영역 모두에서 지질 전개도를 활용한 수업에 대해 상당히 긍정적으로 평가하고 있었다.

    이 결과를 구체적으로 살펴보면, 학생들은 인지적 영역의 5개 요소 중 분석에서 가장 큰 만족도(평균 4.23)를 보였으며, 그 다음 종합(4.11), 이해(4.10), 기 억(4.10), 적용(4.07)의 순으로 수업의 효과에 대해 긍 정적으로 인식하고 있었다. 지층의 공간 구조 파악과 관련된 분석 요소에서 가장 큰 만족도를 보이고 있 는 점은 지질 전개도를 활용한 수업이 지질 구조의 공간 배치를 인식하고 지질 구조의 내부를 시각적으 로 투시하는 능력을 향상시킬 수 있다는 공간 지각 력에 대한 검사 결과와 관련되어 있을 것으로 해석 되며, 이는 다음과 같은 학생 포커스 그룹 인터뷰 장 면에서도 확인할 수 있었다.

    진수: 책에는 지층 그림이 많이 그려져 있고 지질도를 위에서 본 거 하고 단면을 잘라서 보여주는 경우가 많은데, 그 거를 실제로 입체적으로 이렇게 돌려보면서 하는 자료는 부족한 것 같아서 이번 종이접기가 다양한 그런 시점에 서의 지층의 모습을 확인하고, 또 그것을 통해서 다른 지층들도 어떻게 생겼을까? 라는 거를 오히려 연상을 잘 시켜주는 것 같았어요.

    나경: 그러니까 그거(전개도)를 다 잘라놓고 나서 접었는데요, 그거를 자르면서 이 면이 그러니까 이 모서리가 어느 모서리랑 맞닿고, 그러면 어느 지층이랑 어느 지층이랑 만나서 어떤 식의 입체적인 모양을 만들겠구나 이런 거 를 생각하면서 했던 게 문제를 풀 때도 보여서 되게 도 움이 많이 되었던 것 같아요.

    지욱: (…) 그러니까 평면도를 보며는 어떻게 밑에 지층이 나 오는지 그런 방법만 알 수 있었지 정확히 그게 어떤..., 그러니까 어떤 모양으로 나올 지 솔직히 머릿속에서 유 추가 잘 안됐는데, 그거를 직접 만들어보면서 이게 좀 더 그 모양을 생각하는 그런 능력 같은 게 길러진 것 같아요.

    또한 학생들은 인터뷰를 통해 지질 전개도를 활용 한 수업이 기억과 이해를 높이는 긍정적 효과에 대 해서도 동일한 의견을 갖고 있음을 피력하였고, 한 학생은 이 수업이 오개념을 수정하는 데 도움을 주 었다는 자신의 사례를 소개하며 인지적 영역에서의 수업 효과를 호의적으로 평가하고 있었다.

    진수: 우선 그냥 지층에 막연히 지층에 대해서 배우기만 하면 수업 자체가 지루할 수 있는데, 이건 만들기잖아요. 만 들기하고 지구과학 수업을 동시에 나가는 것이기 때문에 지식도 습득이 되면서 기억에 오래 남고, 직접 손으로 만들고 결과물이 나오기 때문에 뿌듯함이 있다고 해야 할까요, 그러한..., 네, 그런 게 있어요.

    광식: 저희가 만들어 본 이 모형들이 여러 가지가 있잖아요. 골짜기와 능선하고 또 경사까지 다양하게 되어 있어서 여러 가지 구조에 대한 수업 내용을 이해하는 데 훨씬 더 큰 도움이 되었던 것 같아요.

    성희: 확실히 있을 때랑 없을 때랑 학습에서 차이가 꽤 많이 나는 것 같아요. 저 같은 경우는 처음에 보고 학습이 제대로 안돼서 계속, 계속 보면서 개념을 쌓아가는 편인 데, 이거 지질도 종이접기를 하면서 오개념을 몇 가지 바로 잡았던 경우도 있었어요. 그래서 도움이 되는 것 같아요, 이 수업은.

    인지적 영역보다 학생들이 더 긍정적으로 인식하고 있는 정의적 영역의 경우, 지질 전개도를 활용한 수 업이 학생들의 수업에 대한 흥미를 이끌고(4.56), 학 습에 적극적으로 참여시키는데(4.36) 특히 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다. 반면에 학습에 대한 불 안감(3.85)은 다른 요소들에 비해 긍정적으로 인식하 는 정도가 낮았는데, 이는 학생들이 지질도 해석에 대한 학습을 다른 학습 내용에 비해 어려워하고 있 고(Hemler and Repine, 2006; Kali and Orion, 1996), 학교 내신 성적만으로 대학교에 진학하는 과 학고등학교 학생들의 특성상 늘 평가에 대한 불안감 이 잠재되어 있어, 수업 내용이 곧 평가로 이어진다 는 부정적 인식이 고착화되어 있기 때문으로 해석 된다.

    학생들을 대상으로 한 포커스 그룹 인터뷰에서도 정의적 영역에 대한 학생들의 긍정적인 인식을 충분 히 확인할 수 있었으며, 특히 흥미와 태도 요소에서 높은 만족감을 표현하고 있었다.

    정호: 제 생각에는 그냥 솔직히 모든 과목들이 거의 학교에서 하는 거는 약간 일방향적인 그런 게 조금 많은 것 같은 데, 서로 애들하고 이야기도 해보고 어떤 모양이 나올까 생각도 해보고, 그렇게 자기가 항상 손으로 할 수 있는 게 주어진 상황이어서 재미있고 솔직히 수업에 참여하는 데 훨씬 더 좋은 도움이 되는 것 같아요.

    승준: 아무래도 단순한 지식 내용을 배우는 것보다 직접 만들 어 보니까 선생님께서 혼자 진행하시는 수업보다 더 재 미있고 참여도가 훨씬 더 높았어요.

    민혁: 그리고 매 시간마다 확실한 목적 의식을 가지게 되고, 또 평소에 어려워하던 부분이기도 하고, 자신이 생각한 게 맞나 확인할 수 있어서 애들이 좀 더 열정적으로 참 여한 것 같아요.

    한편, 학생들은 지질도를 활용한 수업에 대해 종이 모형 제작의 번거로움 및 내구성 부족의 문제점을 공통으로 지적하였고, 종이 모형에 대한 별도의 학습 지를 제작하여 이용할 필요가 있다는 데 동의하였다. 이는 학습이 효율적으로 이루어질 수 있도록 현재 개발된 지질 구조 모형을 지속적으로 보완할 필요가 있고, 학생들의 입장에서 생각하는 수업의 방법과 내 용이 전체적으로 조화를 이룰 수 있도록 학습 과정 을 지원하는 방안들이 추가로 마련될 필요가 있음을 시사한다.

    진수: 이게 풀칠하고 테이프를 붙이는 작업이 번거로웠어요, 이번에. 그래서 그런 작업에 오히려 집중을 하다 보니까 지질 모형에 대해서 관심을 집중적으로 하는데 방해가 되지 않았나 그런 생각을 해요.

    민혁: 그리고 주재료가 종이라서 내구성도가 조금 떨어지는 것 같아요. 너무 구겨져 가지고 확 한 번 구겨지면 복원이 안되니까 그냥 버리는 경우도 있었어요.

    정호: 학습지가 있으면 좋겠어요. 모형을 학습한 다음에 여기 에 대해서 질문하는 거요. 이쪽을 자르면 무슨 모양이 나오겠는가 해서 그림을 그려보거나 해서 문제를 푸는 것이 있으면 더 좋을 것 같아요. 그러면 자연스럽게 그 거 가지고 생각을 더 깊게 해 볼 수 있잖아요.

    인터뷰에 참여했던 학생들 중 시각 투시 능력이 낮은 학생들의 경우에는 종이 모형의 내부 모습을 확인할 수 있도록 모형을 개선해 줄 것을 원하고 있 었다. 이와 같은 일부 학생들의 의견에 비추어 볼 때 지질 전개도를 활용한 수업에서 비교적 단순한 지질 구조를 다루고 있음에도 불구하고, 모든 학생들이 지 질 구조의 내부를 시각적으로 투시하는 데 까지는 이르지 못하고 있음을 짐작해 볼 수 있다. 따라서, 시각 투시 능력이 부족한 학생들의 학습을 증진시키 기 위해서는 학생들의 요구대로 지질 구조 모형의 내부를 볼 수 있도록 전개도를 수정하여 제시하는 것과 함께, Lord (2006)Titus and Horsman (2009) 의 연구 결과에서와 같이 시각 투시 능력을 향상시 키기 위한 다양한 사례를 제공하는 방법을 병행할 필요가 있다.

    민혁: 저는 공간 능력이 많이 부족한데요, 아크릴 등을 써서 내부를 볼 수 있게 한다면 더 좋을 것 같아요.

    종규: 이건 좀 욕심일 수도 있겠는데, 전 지금도 잘 이해가 안 되는데요, 저걸 반으로라도 쪼개서 단면을 볼 수 있으면 그것도 좋을 것 같긴 해요. 저는 저게 바로 그려지지가 않아서 반으로 쪼갰을 때 단면이 어떨지, 그 부분에 대 해서 알 수 있으면 좋을 것 같아요.

    또한 두 그룹의 학생들은 모두 POE 교수 모형에 따른 방법과 절차 즉, 지질 전개도의 한 면에 제시되 어 있는 지질 평면도를 통해 지질 구조의 전체적인 모양을 예상하고, 전개도를 입체적인 형태로 접어본 후 자신이 예상했던 것과 제작한 모형과의 차이를 비교해 보는 순으로 진행되는 수업 방식이 지질 전 개도를 활용한 수업에 가장 효과적이라고 생각하고 있었다.

    나경: PPT나 그런 걸로 봤을 때는 위에서 본거랑 옆에서 단 면이랑 이런 게 연결이 좀 안된다고나 해야 하나 그런 게 있었는데, 만들어 볼 때 이제 전개도를 보고 나서 유추를 하고 나서 만들어 보라고 하셨잖아요, 그런 거 하면서 위에서 본 거랑 옆에서 본 거랑 단면이 어떻게 이어지면 좀 논리적으로 될까 이런 거를 조금 쉽게, 쉽 게 이해했던 것 같아요. 그런 방식의 수업이 지층의 공 간 배치를 이해하는 데 확실히 도움을 준 것 같아요.

    준호: 우리가 전개도를 먼저 살펴서 이게 어떤 모양일지 한 번 자기가 예측해 보고 직접 접어보고, 그 다음에 자기 가 예상했던 거랑 맞는지 틀리는지 확인해 보는 방법이 었잖아요, 이 수업에는. 그런 방법이 가장 효과적인 것 같아요.

    학생들이 기타 의견으로 제시한 수업의 적용 시기 에 대해서는 그 의견이 양분되었는데, 일부 학생들은 학습하는 지질 구조의 종류에 따라 각각에 해당하는 모형을 순차적으로 제작하며 학습을 진행하는 것이 더 효과적이라고 생각하고 있었고, 다른 학생들은 지 질 구조의 종류에 따른 해석 방법을 모두 학습한 후 소단원의 마무리 단계에서 한꺼번에 여러 모형을 제 작하는 것이 더 좋다는 의견을 가지고 있었다. 이와 같은 결과는 학생들이 선호하는 학습 양식과 관련된 개인 변인에 기인한 차이로(Felder, 1993), 지질 전개 도를 활용한 수업의 효과를 높이기 위해서는 학생들 의 개인차를 충분히 고려하여 수업의 적용 시기를 결정할 필요가 있음을 시사한다.

    승준: 지층을 배울 때 케이스 별로 수업 시간을 나눠서 하나 씩 만든 다음에 자세히 알아보는 식으로 하며는 좀 더 이해하기가 쉬울 것 같아요.

    지욱: (…) 저도 맨 마지막에 하는 것보다는 중반에 하는 게 낫겠다고 생각하는데, 한 번에 몰아서 하는 것보다 능선 에 대한 지질도를 배울 때는 능선 그걸 배우면서 이런 걸 만들어 보고, 그러니까 배우는 거에 맞게 그렇게 만 들어 보며는 좀 그게 더 매치가 돼서 더 빨리 알 수 있 을 것 같아요, 개인적으로.

    광식: 저는 맨 마지막 부분에 하는 것도 나쁘지 않았다고 생 각해요. 임팩트가 그러니까 뭐랄까 신기함? 그러니까 텍 스트로 보던 게 아, 이렇게 이해될 수 있구나 하는 그 런 임팩트로 나오니까, 그러니까 원래 잘 몰랐던 거에 대해서 한 번에 쉽게 알 수 있는 방법이 있으니까 이게 더 각인이 잘 되었던 것 같아요. 이렇게 보면 나중에 하는 게 더 나을 것 같다는 생각을 해요.

    진수: 저도 마지막이 괜찮다고 생각하는 게 만들면서 기억이 나지 않는 구조에 대한 내용을 다시 돌아봐서 공부할 수 있는 이런 기회가 되었던 것 같아서, 그런 점에서는 마지막에 하는 것도 앞의 내용을 더 또 한 번 볼 수 있 는 그런 계기가 되는 것 같아요.

    한편, Table 14와 같이 지질 전개도를 활용한 수업 에 대한 남학생과 여학생 간의 인식 차이를 비교하 기 위하여 맨-휘트니 검증을 실시하였다.

    공간 시각화 능력과 지질 공간 능력에 대한 남학 생과 여학생의 비교에서 남학생의 평균 순위가 여학 생의 평균 순위보다 모두 높았던 것과는 달리, 인지 적 영역에서 여학생과 남학생의 평균 순위는 각각 35.54, 29.77로 여학생이 남학생보다 5.77 높은 평균 순위를 보이고 있고, 정의적 영역에서도 여학생과 남 학생의 평균 순위는 각각 35.42, 29.80으로 5.62의 순위 차를 보이고 있다. 평균 순위만을 고려해 볼 때 여학생이 남학생보다 지질 전개도에 대한 수업을 더 선호하는 것으로 여겨지지만, 인지적 영역과 정의적 영역 각각의 순위 차에 대해 맨-휘트니 검증을 실시 한 결과, 양측검증 유의수준 확률값 p는 각각 .293과 .308로 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.

    IV.결론 및 제언

    이 연구에서는 고등학교 학생들을 대상으로 지질 전개도를 활용한 수업이 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력에 미치는 영향을 조사하였고, 지질 전개도 를 활용한 수업에 대해 학생들이 어떻게 인식하고 있는지 살펴보았다. 또한, 연구 과정에서 남학생과 여학생의 성별에 따른 두 집단의 특성도 함께 비교 하여 살펴보았다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 도 출할 수 있었다.

    첫째, 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각화 능력에 미치는 영향을 정량적으로 분석한 결 과, 지질 전개도를 활용한 수업은 공간 관계, 공간 조작, 공간 투시의 세 요인으로 구성되어 있는 공간 시각화 능력을 향상시키는 데 효과적이었으며, 특히 다른 두 요인에 비해 공간 조작 능력을 향상시키는 데 더 큰 효과가 있었다. 이는 3차원의 입체도형과 그 2차원적 표현 사이의 변환을 다루는 전개도가 학 생들의 공간 시각화 능력을 향상시킬 수 있는 유용 한 과제 중 하나로 생각하는 Stylianou et al. (1999) 의 연구 결과와도 일치하고 있다. 공간 조작 능력에 대한 수업의 효과가 가장 크게 나타난 점은 전개도 라는 학습 도구의 특성과, 해당 능력을 측정하기 위 해 전개도를 직접적으로 이용하는 검사 도구의 특성 이 어느 정도 상관되어 있을 것으로 해석된다.

    둘째, 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 지질 공간 능력에 미치는 영향을 정량적으로 분석한 결과, 단면도 검사, 완성형 검사, 구성 검사로 구성되어 있 는 지질 공간 능력 검사에서 세 가지 유형 모두 사 후 검사 점수가 사전 검사 점수에 비해 통계적으로 유의미하게 높게 나타나 지질 전개도를 활용한 수업 이 학생들의 지질 공간 능력을 향상시키는 데 효과 가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 학생들의 오답 유 형도 비투시 오답에서 투시 오답으로 이행하였고, 추 론이 복잡하고 정교해진 답안을 작성함으로써 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 지질 구조 공간 배치에 대한 인식 능력 및 시각 투시 능력을 향상시 키는 데 도움을 주는 것으로 나타났다. 이는 공간 능 력에 관한 수업의 효과와 경험의 역할을 조사한 대 다수의 연구가 공간 능력이 학습 경험을 통해 개선 될 수 있음을 보여준 것과 그 맥을 함께 하고 있으 며(e.g., Kali and Orion, 1997; Kastens et al, 2009, Olkun, 2003, Newcombe, 2012), 3차원의 물체들에 대한 정신적 조작(mental manipulation)의 실습 기회 는 공간 능력을 향상시킬 수 있다는 Piburn et al. (2002)Titus and Horsman (2009)의 주장에 직접 관련된다.

    셋째, 비모수 통계법인 맨-휘트니 검증을 통해 지 질 전개도를 활용한 수업이 남학생과 여학생의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력에 미치는 영향을 비 교하여 살펴본 결과, 지질 전개도를 활용한 수업은 남학생과 여학생의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력을 유사하게 증진시키는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 복잡한 공간 시각화 과제를 자주 다루 었던 학생들에게서 성별에 따른 공간 조작과 시각 투시 능력의 차이가 없어졌다는 Titus and Horsman (2009)의 연구 결과와 같은 맥락으로 볼 수 있다. 또 한, 학생들에게 적절한 교수 프로그램을 적용하거나 잦은 실습 기회를 제공할 때, 성별에 관계없이 학생 들의 공간 시각화 능력을 비슷한 정도로 증진시킬 수 있다는 Ben-Chaim et al. (1988)Piburn et al. (2002)의 주장을 지지한다.

    넷째, 지질 전개도를 활용한 수업에 대해 학생들의 인식을 조사한 결과, 인지적 영역과 정의적 영역 모 두에서 상당히 긍정적으로 평가하고 있었으며, 인지 적 영역보다 정의적 영역에서 더 긍정적으로 인식하 고 있었다. 또한, 수업의 효과에 대해 인지적 영역에 서는 분석, 종합, 이해, 기억, 적용의 순으로, 정의적 영역에서는 흥미, 태도, 집중, 학습동기, 불안의 순으 로 긍정적인 인식 수준의 차이를 보임으로써, 지질 전개도를 활용한 수업은 특히 지층의 공간 구조를 파악하고 수업에 대한 흥미를 높이는 데 효과가 있 는 것으로 나타났다. 학생들의 학습 참여는 교수-학 습에서 절대적이며, 학생들을 학습에 참여하게 하는 강력한 요인은 그들의 흥미와 선택이다(Tomlinson, 2001). 그런 점에서 학생들이 높은 흥미를 보이고 있 는 지질 전개도를 활용한 수업은 학생들을 학습에 능동적으로 참여시키고, 이를 기반으로 인지적 영역 에서 요구하는 목표를 달성하는 데 효과가 있다고 생각된다.

    다섯째, 지질 전개도를 활용한 수업에 대한 남학생 과 여학생의 인식 차이를 맨-휘트니 검증을 통해 살 펴본 결과, 인지적 영역과 정의적 영역 모두에서 여 학생이 남학생보다 높은 평균 순위를 보여 여학생이 남학생보다 지질 전개도를 활용한 수업을 더 선호하 는 것으로 생각되지만, 통계적으로 유의미한 차이를 찾을 수 없었다.

    전체적으로 이 연구는 특정 지역에 위치한 소수의 과학고등학교 학생들을 대상으로 수행하였기에 연구 결과를 일반화하는 데 제한이 될 수 있음에도 불구 하고, 지질 전개도를 활용한 수업이 학생들의 공간 시각화 능력 및 지질 공간 능력을 향상시키는 데 효 과적인 것으로 나타났다. 또한, 지질 전개도를 활용 한 수업에 대한 학생들의 인식을 함께 고려해 볼 때 일반 고등학교의 지질 수업에서 과학 성취도가 우수 한 학생들에게 이와 같은 방식을 적용할 수 있는 가 능성이 높은 것으로 확인되었다.

    이 연구의 과정 및 결과에 비추어 볼 때, 지질 전 개도를 활용한 수업의 교육적 효과를 높이고 학생들 의 공간 시각화 능력을 증진시키기 위해 다음과 같 은 후속 조치 또는 연구가 이어질 필요가 있다.

    첫째, 지질 전개도를 활용한 수업을 모듈화하여 교 수-학습의 수준별 활동과 그때 필요한 교사의 다양한 교수 행동 절차를 명확히 할 필요가 있다. 이 연구를 수행하는 과정에서 공간 능력에 대한 학생들의 편차 가 크고, 학생들이 선호하는 학습 방식에도 저마다 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 학생들 의 공간 능력에 대한 수준차를 고려하고 학생 개인 의 요구에 부응하는 수업을 위해서는 교수-학습의 진 행 과정을 분명히 하되, 그에 필요한 방법과 내용을 분석적이고 체계적으로 설계하여 적용할 필요가 있다. Liben and Titus (2012)도 지구과학 교육을 위한 공 간적 사고의 중요성을 강조하는 과정에서 학생들의 수준을 고려한 교사의 적절한 개입과 교수 방법이 학생들이 공간적 사고 능력을 증진시키는 데 긍정적 효과를 가져 올 수 있음을 제시하고 있다.

    둘째, 지질 전개도를 활용한 수업에서 학생들이 어 떠한 점에 어려움을 겪고 있는지 확인할 필요가 있 다. 이 연구에서는 지질 전개도를 활용한 수업의 효 과에 대해서만 살펴보았을 뿐 학생들이 학습 과정에 서 겪는 구체적인 어려움을 심층적으로 다루지 못했 다. 지질 전개도를 활용한 수업에서 학생들이 겪는 어려움을 조사하는 것은 이 수업의 원리와 한계를 구체적으로 드러내고, 학생들이 공간적 사고 과정에 서 겪는 인지적 부담을 줄이기 위한 방안을 찾는 데 도움을 줄 것이다.

    셋째, 종이로 제작한 지질 전개도와 병행하여 사용 하거나 이를 대체할 수 있는 3D 그래픽 기반의 학습 프로그램을 개발할 필요가 있다. 종이 지질 전개도를 이용할 경우, 학생들이 직접 만져보고 조작할 수 있 는 기회를 제공한다는 점에서 긍정적이지만, 내부를 살필 수 없다는 문제와 함께 내구성, 보관 등 재료의 한계가 지닌 문제를 지니고 있다. 또한 학생과들의 인터뷰 과정에서도 시각 투시 능력이 부족한 일부 학생들은 종이 지질 전개도를 이용한 학습에서 여전 히 어려움을 겪고 있었고, 이 학생들은 지질 구조 내 부 단면의 모습을 확인할 수 있는 또 다른 방법을 필요로 하고 있었다. 따라서, 종이 지질 전개도가 지 닌 구조적 문제를 해결하고, 공간 능력이 부족한 학 생들의 학습을 지원하는 수단으로 3차원 시뮬레이션 이 가능한 프로그램을 개발하여 이용할 필요가 있다. 이와 같이 그래픽을 이용한 학습 프로그램은 지질 구조의 종류를 다양하게 제시할 수 있고, 수준이 서 로 다른 학생들의 공간 학습 요구에도 부응할 수 있 을 것으로 기대된다. 많은 연구자들(e.g., Kali and Orion, 1997; Libarkin and Brick, 2002; Piburn et al., 2002)도 지구과학 교육에서 학생들의 공간 능력 향상을 위한 소프트웨어의 활용에 대해 긍정적인 효 과를 보고하고 있다. 현재의 정보통신기술과 교실수 업 환경은 이러한 수업을 충분히 가능하게 한다.

    Figure

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    Elements and component reasoning tasks of spatial thinking (Grossner, 2012).

    JKESS-36-280_F2.gif

    Examples of the geologic planar figures.

    JKESS-36-280_F3.gif

    Research design and process for the effect of the instruction using geologic planar figures.

    JKESS-36-280_F4.gif

    Distribution of the percentage of penetrative and nonpenetrative incorrect answers given by students in prepost test about the cross-section and construction subtest.

    JKESS-36-280_F5.gif

    Examples of students’ reasoning to be more complex and elaborate in the post test about the completion subtest.

    Table

    The teaching method and contents of class on mapping and interpreting of geological map

    Spearman’s rank correlation coefficients (rho) between three components of spatial visualization ability test. ( ) means rho on the post test

    **p< .01

    The difference of item difficulty on three components of spatial visualization ability test

    Correlation between three components of geologic spatial ability test. ( ) means rho on the post test

    *p< .05,
    **p< .01

    The difference of item difficulty on three components of geologic spatial ability test

    Contents of questionnaire for investigation on the perception of students about the instruction using geologic planar figures

    *Total reliability: Cronbach’s α = .859

    Contents of semi-structured questionnaire for the focus group interview

    Results of paired t-test for spatial visualization abilities

    a)score on the basis of 100 points;
    **p< .01

    Comparisons between the scores of boys and girls for spatial visualization abilities

    Results of paired t-test for geologic spatial ability

    a)score on the basis of 100 points;
    **p< .01

    Comparisons between the scores of boys and girls for geologic spatial ability

    Number of penerative and nonpenerative incorrect answers given by students in the cross-section and construction subtest

    P: penetrative, Non-P: non-penetrative

    Perception of students about the instruction using geologic planar figures

    Difference between boys’ and girls’ perception on the instruction using geologic planar figures

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