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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.37 No.7 pp.476-488
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2016.37.7.476

Development and Application of the Scientific Inquiry-based STEAM Education Program about Earthquakes

Hyundong Lee, Taeyoun Bae, Hyonyong Lee*
Department of Earth Science Education, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Corresponding author: hlee@knu.ac.kr+82-53-950-5917+82-53-950-5946
July 13, 2016 December 12, 2016 December 27, 2016

Abstract

The purposes of this study were to develop a scientific inquiry-based STEAM education program and to investigate its effect on changing middle school students’ self-efficacy in science, job awareness, and attitudes toward STEM. A scientific inquiry-based STEAM program was developed with the theme of ‘earthquakes’, using the ADBA model, which was taking up the total of six class periods. The final program, which had been revised and completed after being pre-tested with middle school students, was implemented to 105 third-graders of middle school in a metropolitan city. One sample pre-post paired t-test before and after applying the program to the same group was conducted, and its effectiveness was analyzed in terms of self-efficacy in science, job awareness, attitudes toward science, technology, engineering and mathematics. Results showed that the STEAM program on the theme of ‘earthquakes’ demonstrated its effect on improving the students’ of self-efficacy in science subject and their awareness of science-related jobs. Furthermore, this program indicated a statistical significance in improving middle school students’ attitudes, awareness, and abilities, values, and continuing interest towards science, technology, engineering, and mathematics. Therefore, we suggest that this scientific inquiry based STEAM program be used to help students to improve their scientific investigation skills as well as their creative and integrated thinking abilities in schools.


지진에 대한 과학 탐구 기반의 STEAM 교육 프로그램 개발과 적용

이 현동, 배 태윤, 이 효녕*
경북대학교 지구과학교육과, 41566, 대구광역시 북구 대학로 80

초록

이 연구의 목적은 과학 탐구 기반의 융합인재교육(STEAM) 프로그램을 개발하고 적용하여 중학생의 과학 자기 효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태도 변화를 검증하는데 있다. 과학 탐구 기반의 STEAM 교육 프로그램은 ‘지진’을 주제로 ADBA 모형에 적용하여 총 6차시 분량으로 개발하였다. 중학생을 대상으로 예비적용을 거쳐 수정·보완하여 최 종적으로 개발된 프로그램은 광역시 소재의 H 중학교 3학년 학생 105명을 대상으로 효과성을 검증하였다. 자료 분석은 단일집단 사전·사후 대응표본 t-검증을 실시하여 수업 전·후의 과학 자기효능감, 진로 인식, 과학·기술·공학·수학 에 대한 태도의 변화에 대하여 효과성을 분석하였다. 결론적으로, ‘지진’을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 학생들의 과학 자기효능감과 과학 관련 진로 인식의 향상에 효과가 있었다. 그리고 과학, 기술, 공학, 수학 에 대한 태도의 인식, 능력, 가치, 흥미의 지속 영역에서 고르게 유의미한 효과가 나타났다. 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 학교 현장에서 충분하게 적용될 수 있으며, 이를 통해 과학적 탐구 능력의 향상과 창의·융합 적 사고를 지닌 인재를 기르는데 도움이 될 것이다.


    National Research Foundation
    NRF-2012R1A1A2043627

    1.서 론

    현재 세계적으로 STEM 교육은 다양한 분야에서 흥미로운 주제로 논의되고 있으며, 선진국을 중심으 로 각 국가의 과학 교육에서 새로운 패러다임(paradigm) 으로 자리 잡고 있다. 미국은 2007년 STEM 교육과 관련된 연구를 활발히 진행하면서 STEM 교육의 활 성을 위해 국가적인 차원에서 노력하고 있다(NRC, 2013; Sanders, 2009; Sanders et al., 2011). 또한 핀 란드는 수학·과학 프로젝트(LUMA)를 실시하였고, 일본도 수학과 과학의 교육과정을 강화하는 방향으로 교육과정을 조정하였다(MEST, 2007, 2008, 2009). 우리나라에서는 국가의 발전과 경쟁력 강화를 위해 교육과정을 개정하였고, 2009 개정 과학과 교육과정 에서는 미래 사회가 요구하고 있는 높은 수준의 창 의성을 고루 갖추기 위한 양질의 교육을 모든 학생 들에게 제공하고자 융합형 ‘과학’ 과목을 도입하였다 (MEST, 2009).

    더욱이 2015 개정 교육과정에서도 ‘통합과학’과 ‘과 학탐구실험’의 과목을 개설하였으며 이 교육과정에서 는 과학에서 학습하는 개념들의 상호작용과 과목간의 통합을 핵심으로 제시하고 있다(MOE, 2015). 이러한 교육과정 개발의 핵심은 과학기술 인재 양성을 위해 초중등학교에서 과학, 기술, 공학, 예술, 수학을 융합 형으로 가르치는데 초점을 맞추어 각 과목의 핵심 역량 위주로 재구조화하여 과목 간 연계를 강조하고 예술적 기법을 접목하는 융합인재교육(STEAM)이다 (MEST, 2011).

    우리나라의 경우 PISA 결과 학생들의 과학적 소양 은 OECD 회원국 가운데 59위권, 조사 대상 57개국 가운데 11위로 나타났으나, 과학에 대한 흥미도는 전 체 57개국 가운데 55번째로 조사되었다(OECD, 2007). 2009년 평가에서도 과학에 대한 흥미와 태도의 정의 적 영역이 OECD 회원국 가운데 평균 이하로 나타 나 최하위 수준에 머물렀다(OECD, 2010). 이처럼 과 학 성취가 하락한 원인으로 과학현상에 대한 문제인 식과 탐구 설계 및 수행 능력의 부족으로 실생활과 연계된 사고를 갖는 것이 부족한 것으로 드러났다 (Lee et al., 2011; Sohn, 2009). 이러한 문제점을 해 결하고 국가적 차원에서 창의적 인재 양성을 위해 과학(S), 기술(T), 공학(E)의 중요성을 강조하며 학생 들이 즐길 수 있는 과학 교육을 적용해야 한다 (ITEA, 2000). 또한 창의력과 상상력에 과학과 수학 을 접목한 융합형 인재 양성을 위해 과학과 수학에 대한 흥미와 이해를 높이고 융합적 사고와 문제해결 능력을 배양하는 교육을 실현해야 할 필요가 있다.

    이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 STEAM 교육 연구회, STEAM 시범/중점학교를 활성화하고 특성화고등학교 STEAM 수업자료 개발(Moon et al., 2012), STEAM 교육을 위한 큐빅 모형 개발(Kim, 2011), 통합적 STEM 교육에 대한 최근 동향 및 쟁 점(Sanders et al., 2011), 기술 기반 STEAM 교육이 중학생의 기술적 태도에 미치는 영향(Bae, 2011b) 등 학생에게 적용 가능한 프로그램 개발과 효과도 검증 하고 있다. 또한 융합인재교육을 활성화하기 위하여 기술교육 분야(Bae and Geum, 2010; Bae, 2011a; Kim, 2007; Lee and Choi, 2013; Park et al., 2012; Sung and Na, 2012) 뿐만 아니라 과학 교육에서도 다양한 연구가 수행되고 있다.

    과학교육에서 탐구 활동으로 과학에 대한 태도가 긍정적으로 변화하고 이와 함께 과학에 대한 긍정적 인 태도가 생겨나면서 자기주도적인 과학적 탐구 활 동이 가능해진다(Chiappetta and Koballa, 2002; Kwon et al., 2013; OECD, 2001, 2004; Osborne et al., 2003). 이것은 과학 외에 STEM 관련 지식과 탐구에 관한 선행 연구 결과에서도 동일하게 나타났다(Pearson and Young, 2002).

    학생들이 과학 교과에 흥미를 가지고 과학적 소양 을 갖출 수 있도록 하려면 활동적이며 동시에 통합 된 지식에 대한 경험을 갖는 기회를 제공하는 것이 필요하다(NRC, 1996, 2000; OECD, 2001, 2004). Seo(2012)Lee et al.(2013)의 연구 결과에서는 과 학 탐구 중심의 융합인재교육 프로그램이 학생들의 과학에 대한 흥미나 자신감과 같은 정의적 영역의 태도에 긍정적인 효과를 보임을 확인할 수 있다.

    과학 탐구에서는 다양한 관찰과 이에 따른 관찰 사실을 얻는 것이 중요하고 이를 기반으로 한 융합 인재교육 또한 관찰을 비롯한 다양한 과학적 탐구 활동을 통해 문제해결을 할 수 있으며, 특히 설계와 제작을 위해 다양한 정보를 수집하고 테스트와 피드 백 활동에 연관된 과학 탐구 활동으로 문제를 효과 적으로 해결할 수 있다(Lee, 2012; Seo, 2012).

    과학 탐구 기반의 융합인재교육에서는 과학, 수학 지식의 학습 수준을 넘어서 기술과 공학 분야에 어 떻게 적용활용되는지 이해하는 것도 중요하다. 또한 이러한 교육을 통해 자연과 인간과 과학기술이 합리 적이고 창의적으로 문제를 해결하고, 과학과 관련된 사회 문제를 비판적으로 판단할 수 있는 기본적인 능력을 갖추도록 하며 감성 교육과 창의성, 인성 교 육까지 가능하도록 초점을 두고 있다(Lee et al., 2012). Baek et al.(2011)은 이러한 소양을 통해 창의 적 과학기술인재를 양성하는 것을 강조하였으며 이는 학생들이 자신의 소질과 흥미를 발견하는 진로 인식 에도 긍정적인 영향을 미친다.

    과학 탐구 기반의 융합인재교육의 중요성이 대두되 고 이와 관련된 활동이 학생들의 과학에 대한 흥미 와 자신감에 긍정적인 효과를 미치고 있으나 국내의 경우 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 Seo(2012)의 ‘Laser Louter Game’과 Lee(2012)의 ‘투 석기 만들기’, Park and Lee(2014)의 ‘로켓 만들기’ 등 몇몇 프로그램 개발 연구 외에는 이루어지지 않 았고 특히 지구과학적 요소를 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육이 부족한 실정이다. 또한 과학 탐구를 적용하고 지진과 관련한 STEAM 프로그램의 개발과 적용은 미흡하게 수행되었다. 최근 우리나라 에서도 크고 작은 지진이 지속적으로 발생하고 있으 며 Jung(2008)은 일본 서해 연안의 지진 발생과 우리 나라 남동해안에서 지진 해일의 가능성을 언급하였으 며, Ahn et al.(2010)는 우리나라 동해안은 지진해일 에 안전한 지역으로 볼 수 없음을 시사하는 등 우리 나라에서도 지진에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다.

    그리고 지진과 관련된 교육과정을 분석해본 결과 2009 개정 과학과 교육과정에서 중학교의 경우에는 ‘지구계와 지권의 변화’ 분야에서 지진이나 화산 활 동을 포함한 지구 환경의 변화가 우리 생활에 미치 는 영향을 이해하는 내용이 초등학교 교육과정과 연 계되어 제시되었으나 지진과 관련된 체계적인 학습 프로그램의 개발은 부족한 실정이다.

    따라서 이 연구에서는 지구과학 영역에서 지진을 주제로 융합인재교육 프로그램을 개발하여 학교 현장 에 적용해 보고자 한다. 그리고 중학생들을 대상으로 개발된 프로그램을 통해 융합인재교육에서 추구하는 정의적 영역에 대한 향상이 나타나는지 알아보기 위 하여 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태 도에 유의미한 변화가 나타나는지 그 결과를 분석하 고자 한다.

    2.연구 방법 및 절차

    2.1.교육 프로그램의 개발

    2.1.1.교육프로그램 초안 개발

    이 연구에서는 융합인재교육 프로그램 개발을 위한 Framework을 Lee et al.(2012)에 의해 개발된 과학 탐구와 창의적 설계 기반의 STEM/STEAM 교육 모 형을 적용하였다. 이 모형의 세부 단계는 분석(Analysis) -설계(Design)-제작(Build)-평가(Assessment)으로 구성 되어 있고 ADBA 모형이라 부른다(Fig. 1).

    ADBA 모형은 이 연구에서 과학 탐구 기반의 프 로그램을 구성하는 데에 있어 융합인재교육의 큰 특 징인 설계 기반의 문제 해결이 강조되어 있으며 학 생들이 설계한 구조물을 실제 현상에 적용하는 제작 단계에서 충분한 피드백을 받을 수 있는 장점을 가 지고 있다(Lee, 2012; Lee et al., 2012; Lee et al., 2013; Lee et al., 2014). ADBA 모형의 단계별 구체 적인 내용을 제시하면 다음과 같다.

    ‘분석’은 문제 상황을 제시하여 프로그램의 목표를 스스로 성취할 수 있도록 안내해주고, 도전과제를 수 행하기 위한 조건과 진행 방법에 대한 충분한 이해 와 흥미를 유발할 수 있도록 하여야 하고, ‘설계’는 도전과제를 원활하게 수행하기 위해 자료를 수집하고 아이디어를 협의한다(Mooney and Laubach, 2002). 그리고 문제해결을 위해 수집한 자료를 활용하여 충 분한 협의를 통해 도전과제를 해결할 수 있도록 도 와준다(Fortus et al. 2004; Kolodner et al., 2003; Seo, 2012).

    그리고 과학 탐구 활동을 통해 이론에 그치지 않 고 실생활에 연계되는 부분까지 이해하게 된다. ‘제 작’은 실제 제작과 함께 성능 테스트를 거쳐 개선점 을 찾아내고 ‘평가’는 제작한 결과물을 이용하여 도 전 과제를 수행하고 수행 결과를 바탕으로 발표를 통한 상호 질문과 지식 습득을 하게 된다(Lee et al., 2014). 학생들은 ‘지진 내진 구조물 설계 및 제작’ 프 로그램을 통해 ‘힘의 합력과 분산, 탄성 한계, 관성의 원리’와 같은 과학적 내용과 ‘입체도형, 원의 성질, 평면도형, 점·선·면, 삼각형 작도’와 같은 수학적 내 용, ‘창의 공학 설계, 건설 기술’ 등의 기술/공학적 내용을 배우면서 학습목표에 도달하게 된다.

    이 연구에서는 위와 같은 ADBA 모형을 토대로 지진을 주제로 과학, 수학, 기술/공학, 예술 영역의 과학 탐구 방법을 적절히 반영하도록 하였다. 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 총 6차 시로 설계와 재설계의 과정을 통해 6차시 이상의 수 업도 적용 가능하도록 구성하였다.

    그리고 프로그램을 개발하는 과정에서 과학교육전 문가 2인, 과학교육학 박사과정 1인, 과학교육학 석 사과정 1인의 자문을 받아 내용의 타당도를 확보하 였다.

    2.1.2.예비적용 및 수정 보완

    프로그램을 연구 대상에게 투입하기에 앞서, 프로 그램의 완성도와 질적인 면을 향상시키기 위해 예비 투입을 실시하였다. 연구 대상은 중학생과 중등 영재 학생을 선정하였다. 예비 투입 과정을 거치면서 학생 들의 의견과 반응을 통해 프로그램을 수정보완하였 다. 융합인재교육 프로그램의 예비 투입 일정과 대상 을 정리하면 Table 1과 같다.

    프로그램의 초안에서는 지진에 관한 기본적인 과학 적 개념(지진의 발생원리, 판구조론)을 이해하고 지진 발생 시의 피해나 현상을 마인드 맵(Mind Map)을 활용하여 토의하였다. 그리고 건설 및 공학의 기본 원리와 일본의 사례를 통해 내진 설계의 기본을 익 히고 직접 지진을 효과적으로 견디는 내진 구조물을 조별로 제작하여 최종 산출물을 제시하는 ADBA 모 형의 절차를 충실하게 따른 프로그램이었다.

    그러나 수업 과정에서 구조물(트러스, 아치)에 포함 되어 있는 과학적 개념이 설계 단계에서 고려해야 할 주요한 개념임을 파악하였으며 이를 이해하기 위 한 탐구 실험과 결과 분석의 과정을 수행하도록 보 완하였다. 또한 건물 설계의 기본 구조가 실생활에 어떻게 활용되는지 조사하여 보충하는 과정 또한 피 드백에서 필요한 부분이라 파악되어 프로그램에 보완 하였다. 그리고 구조물 제작에서 안정성에만 집중하 여 예술(Arts)의 미적 요소를 소홀히 하는 경우가 발 생되어 이를 보완하기 위해 ‘표현성’을 강조하는 부 분을 추가하는 등의 여러 부분들을 수정보완하였다. 그리고 보완하는 부분에 대해서는 과학교육전문가 2 인, 과학교육학 박사과정 1인의 자문을 거쳐 최종 프 로그램을 개발하였다.

    2.2.융합인재교육 프로그램의 적용

    2.2.1.연구 대상

    이 연구에서 개발된 과학 탐구 기반의 융합인재교 육 프로그램은 광역시 소재 H 중학교 3학년 학생 105명을 대상으로 적용하였다. 총 105명을 대상으로 개발된 프로그램을 공동연구자가 직접 총 6시간 동 안 수업을 진행하여 단일 집단 사전사후 검사(대응 표본 t-검증)를 실시하였다. 검사 결과는 SPSS Statistics ver 21.0을 사용하여 분석하였다.

    2.2.2.검사 도구

    융합인재교육은 학생 스스로 문제 해결 방법을 찾 아가고, 스스로 문제를 해결하였다는 경험을 토대로 새로운 문제에 도전하고자 하는 열정을 가지게 하여 과학 기술 분야에 흥미와 동기를 고취시키는 것이 큰 틀에서의 목표이다(MEST, 2012).

    이 연구에서는 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프 로그램이 융합인재교육에서 추구하는 정의적 측면의 변화를 보여주는지 분석하기 위하여 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM에 대한 태도의 변화와 관련된 검 사 도구를 활용하였다. 선정된 검사 도구는 융합인재 교육의 목적 달성을 확인하고자 최근 진행되고 있는 융합인재교육의 연구에서 활용되고 있는 검사도구로 이들 검사도구의 특징과 내용은 아래와 같다(Lee, 2012; Park and Lee, 2014; Seo, 2012).

    2.2.2.1.과학 자기효능감 검사도구

    과학 자기효능감은 학생들이 과학 관련 과제, 수업, 활동을 잘 해낼 수 있다는 자신의 능력에 대한 신념 이다(Britner and Pajares, 2001). 이전의 기술, 경험과 다양한 행동적, 심리학적 요인의 상호작용에 의해 형 성되는 과학 자기효능감은 과학 관련 활동을 선택하 고, 성공적으로 완수하기 위해 노력을 하고, 어려운 과제에 대한 인내심을 가지며, 궁극적으로 학습의 성 공에 영향을 미치는 것으로(Bandura, 1986, 1993), 이러한 부분은 융합인재교육과도 관련성이 있다.

    이 연구에서의 과학 자기효능감 검사 도구는 Kim and Park(2001)이 개발한 자기효능감 검사에 과학적 의미를 반영한 Tark(2011)의 검사 도구를 활용하였 다. 이 도구는 과제곤란도 선호, 자기조절 효능감, 자 신감을 하위요인으로 하여 리커트 형식의 각 10문항, 11문항, 8문항(총 29문항)으로 구성되어 있다. 이 연 구에서 과학 자기효능감 검사도구의 신뢰도(Cronbach- α)는 .898이며, 문항의 구성은 Table 2와 같다.

    2.2.2.2진로 인식 검사도구

    융합인재교육의 궁극적 목표는 학생들이 감성적 체 험을 통해 과학기술 분야에 대한 흥미와 동기를 높 이고 나아가 관련된 영역의 진로에까지 영향을 주는 것을 목적으로 하고 있다(MEST, 2012). 이를 토대로 기존 융합인재교육의 연구에서 진로 인식을 알아보고 자 Yoon(2003)Kim(2009), Son and Woo(2003)의 연구를 토대로 Yang(2005)이 제작한 검사 도구를 수 정 보완하여 Lee(2012)가 진로 인식 검사 도구를 개 발하였다.

    이 연구에서는 과학, 수학, 기술 영역에서 학생들 의 진로 인식에 관해 리커트 형식의 각 9문항, 총 27 문항으로 구성된 Lee(2012)가 개발한 도구를 활용하 였다. 이 연구에서 진로 인식 검사도구의 신뢰도(Cronbach- α)는 .847이며, 문항 구성은 Table 3와 같다.

    2.2.2.3.STEM (과학, 기술, 공학, 수학)에 대한 태 도 검사도구

    융합인재교육 프로그램을 실시하는 데에 있어서 과 학, 기술, 공학, 수학 영역에 관한 학생의 태도에서 교과에 대한 인식, 능력과 가치, 흥미의 지속에 대한 요소를 다루게 된다. Seo(2012), Lee(2012)에서도 개 발된 융합인재교육 프로그램을 통한 학생들의 STEM 에 대한 태도 변화를 알아보기 위하여 Mahoney (2010)의 연구를 토대로 재구성한 ‘STEM에 대한 태 도 검사지’를 활용하였다.

    이 도구는 개인의 인식, 능력, 가치, 흥미의 지속성 을 하위요인으로 하여 4단계의 리커트 척도 24문항 으로 구성되어 있으며 과학, 기술, 공학, 수학 각 교 과별로 측정이 가능하도록 구성되어 있다. 이 연구에 서도 위 검사지를 활용하여 STEM에 대한 태도를 알 아보았다. 이 연구에서 STEM에 대한 태도 검사도구 의 신뢰도(Cronbach-α)는 과학이 .94, 기술이 .91, 공 학이 .93, 수학이 .96이며, 문항 구성은 Table 4과 같다.

    3.연구 결과

    3.1.융합인재교육 프로그램의 개발 결과

    지진을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육 은 총 6차시 분량의 수업 내용과 학생 중심의 활동 으로 구성하였다. 1차시는 지진에 의한 피해 사례를 마인드맵(Mind Map)을 활용하여 조별로 토의하고 서로 공유하고 나무젓가락을 이용하여 간단한 실험을 통해 지진이 발생하는 원리와 함께 판 구조론의 개 념을 이해하도록 하였다. 또한 지진이 발생했을 때 전파되는 지진파를 기록하는 지진계의 원리를 과학 탐구실험을 통하여 이해한다.

    2차시에서는 지진이 발생하는 지점을 나타내는 진 원과 진앙의 개념을 학습하고 지진파의 기록으로 PS 시를 활용하여 진앙의 위치와 진원 깊이를 직접 구 하는 과학 탐구 활동을 수행한다.

    3차시에서는 지진을 효과적으로 견딜 수 있는 내진 설계의 종류를 학습하고 우리나라 내진 설계의 역사 적 사실과 실제 건물들을 조사하고 공유하게 된다. 또한 탐구 활동을 통해 건설의 기본구조인 트러스와 아치구조를 이해하고 이것들이 내진 설계에 어떻게 활용되는지 이해한다.

    4차시에서는 본격적으로 지진 내진 구조물을 조건 에 맞게 조별로 토의하고 설계하게 된다. 구조물을 제작할 때 안정성 외에도 디자인 요소를 고려한 창 의융합적인 지진 내진 구조물을 설계한다.

    5차시에서는 4차시에서 조별로 토의하고 고려한 내 용을 바탕으로 실제 구조물을 제작하여 완성하고 6 차시에는 지진 내진 구조물을 활용한 디자인 챌린저 대회를 실시하고 피드백을 통한 내진 구조물의 문제 점을 수정보완하여 재설계 및 제작을 하게 된다. 수 업에 활용할 수 있는 활동지의 일부를 제시하면 Figure 2과 같다.

    이 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램은 ADBA 모형에 각 내용 요소를 고려하여 제작되었고, 프로그램을 통해 융합인재교육의 요소가 고르게 다루 어지도록 구성하였으며 구성된 프로그램의 차시별 주 제는 Table 5과 같다.

    3.2.융합인재교육 프로그램의 적용 효과

    3.2.1.과학 자기 효능감

    교육에 모두 참여한 105명의 학생 중 불성실한 응 답을 한 9명의 데이터를 분석에서 제외하였다. 총 96 명의 학생들의 과학 자기효능감에 대한 사전사후 검 사를 분석한 결과는 Table 6과 같다.

    과학 자기효능감의 하위 요인인 과제 곤란도, 자기 조절 효능감, 자신감 세 요인의 프로그램 투입 전과 후 응답결과를 바탕으로 독립 표본 t-검증을 실시한 결과 유의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 통계적 으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 즉, 세 요인 모두에서 프로그램 투입 전과 후에 평균값의 향상이 나타났으며 전과 후에서 나타난 값의 차이는 의미있는 차이임을 알 수 있다.

    3.2.1.1.진로 인식

    교육에 모두 참여한 105명의 학생 중 불성실한 응 답을 한 9명의 데이터를 분석에서 제외하였다. 총 96 명의 학생들의 진로 인식에 대한 사전사후 검사를 분석한 결과는 Table 7와 같다.

    진로 인식의 세 하위 영역에 대하여 프로그램 투 입 전과 후의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증을 실 시하였다. 그 결과 과학에 대한 진로 인식에서 유의 수준 95% 에서 유의확률 .05이하로 통계적으로 유의 미한 차이가 나타났고, 수학 관련 진로 인식과 기술 관련 진로 인식의 경우 평균값은 상승하였으나 유의 수준 95%에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었다. 즉, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램 수업 결과 과학과 관련된 진로 인식에는 유의미한 차이가 나타났음을 알 수 있다.

    3.2.2.과학 기술 공학 수학에 대한 태도

    3.2.2.1.과학에 대한 태도

    교육에 모두 참여한 105명의 학생 중 불성실한 응 답을 한 9명의 데이터를 분석에서 제외하였다. 총 96 명의 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학에 대한 태도의 사전사후 검사를 분석하였고 과학에 대한 태도의 분 석 결과는 Table 8과 같다.

    분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 과학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증 을 실시한 결과 능력과 가치 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 차이가 나타 났으며 인식과 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한 차이가 없었다.

    3.2.2.2.기술에 대한 태도

    총 96명의 학생들의 기술에 대한 태도의 분석 결 과는 Table 9과 같다.

    분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 기술에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증 을 실시한 결과 인식 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05 이하로 유의미한 차이가 나타났으며 능 력과 가치, 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한 차이 가 없었다.

    3.2.2.3.공학에 대한 태도

    총 96명의 학생들의 공학에 대한 태도의 분석 결 과는 Table 10와 같다.

    분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 공학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증 을 실시한 결과 인식과 가치 요인에서 유의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 유의미한 차이가 나타 났으며 능력과 흥미의 지속성 요인에서는 유의미한 차이가 없었다.

    3.2.2.4.수학에 대한 태도

    총 96명의 학생들의 수학에 대한 태도의 분석 결 과는 Table 11과 같다.

    분석 결과, 융합인재교육 프로그램의 적용 전과 후 수학에 대한 태도의 평균에 대하여 독립 표본 t-검증 을 실시한 결과 가치와 흥미의 지속성 요인에서 유 의수준 95%에서 유의확률 .05이하로 유의미한 차이 가 나타났으며 인식과 능력 요인에서는 유의미한 차 이가 없었다.

    4.결론 및 제언

    이 연구에서는 지진을 주제로 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하고 이를 적용하여 중 학생들의 과학 자기효능감, 진로 인식, STEM(과학, 기술, 공학, 수학)에 대한 태도 변화의 효과를 검증하 였다.

    첫째, 중학생을 대상으로 지구과학 영역에서 지진 을 주제로 한 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로 그램을 개발하였다. 현재 학교 현장에 적용되고 있는 2009 개정 교육과정에서 지진과 관련된 교육과정을 분석하고 프로그램 개발 목적에 맞추어 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 ADBA 모형을 적 용하여 개발하였다. 총 6차시로 구성된 융합인재교육 프로그램은 분석(A)-설계(D)-제작(B)-평가(A)의 단계 를 거쳐서 과학적 탐구 능력과 창의융합적 사고를 함께 기를 수 있도록 구성하였다.

    Chang and Kim(2011)은 우리나라도 절대 지진의 안전지대가 아니므로 이에 대한 적절한 대응책이 강 조되어야 하고 우리나라의 지진발생을 분석하고 또, 지진이 발생한다면 어떻게 적절한 대응책을 펴야 할 것인가에 대하여 제시하였다. 개발된 융합인재 프로 그램을 통하여 우리와 가까운 일본의 경우 지진을 대비해 내진 설계를 확실하게 하고 있는 상황에서 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전지대가 아님을 인지하고 앞으로 발생할 지진으로부터의 피해를 대비 하기 위해 지진을 효과적으로 견딜 수 있는 내진 구 조물 설계의 중요성을 인식(Apedoe et al., 2008) 할 수 있으며 나아가 융합인재교육에서 추구하는 감성적 체험을 경험하는 기회를 제공할 수 있다.

    둘째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램이 목표로 하는 과학기술 분야의 흥미와 동기 유발과 관련한 변화를 살펴보기 위하여 과학 자기 효능감을 측정하였다. 그 결과 과학 자기효능감의 경우 과제 곤란도 선호, 자기 조절 효능감, 자신감 세 하위 요 인 모두 프로그램 투입 전과 후에 대하여 유의미한 차이가 나타났음을 확인할 수 있었다. 과학 탐구 기 반의 융합인재교육 프로그램을 학습한 후 학생들은 과학에 대한 과제 곤란도는 낮아졌으며 자기 조절 효능감과 자신감은 향상되었음을 알 수 있었다.

    이 연구에서 개발한 프로그램에서는 Bandura(1977, 1986)가 제시한 자기효능감의 원천 중에서 성공의 경 험(Mastery Experience)과 간접의 경험(Vicarious Experience)을 많이 경험하도록 구성하였다. 학생들이 주어진 조건에 맞도록 문제를 해결하기 위해 다양한 실패와 성공의 경험을 직접적으로 얻고, 다른 조별 활동의 결과를 통해 다른 방법의 문제해결 과정을 간접적으로 경험하게 된다. 정해진 정답이 없는 상황 에서 경험을 통해 최상의 해결과정을 얻는 것을 통 해서 학생들은 자기효능감을 높일 수 있게 된다(IEA, 2012a, 2012b).

    이러한 결과는 융합인재교육 프로그램과 과학 자기 효능감의 효과를 살펴본 Park and Lee(2014)의 연구 결과와도 일치하며, 학생들의 과학에 대한 즐거움과 자신감, 창의성에 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 Kim et al.(2013)의 연구와도 부합하는 결과이다. 융 합인재교육을 적용한 수업이 과학에 대한 흥미와 과 학 학습에 대한 흥미, 자신감 형성에 긍정적인 영향 을 준다는 연구 결과(Lee, 2012; Park and Shin, 2012; Park, 2014; Seo and Shin, 2012)와도 일치한다.

    셋째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 적용한 결과 학생들의 진로 인식에서 과학 관련 진 로 인식에서 통계적으로 유의미한 향상이 나타났다. 그러나 수학과 기술 관련 진로 인식의 경우 평균값 은 상승하였으나 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다.

    과학 관련 진로 인식의 유의미한 향상은 Yoo(2015) 의 선행 연구에서 STEAM 기반의 과학 프로그램을 통해 다양한 문제 상황에서 창의적 아이디어를 구상 하고 스스로 과학적 탐구 원리로 해결하는 과정에서 학생들의 과학 진로 인식에 긍정적인 영향을 준다는 연구 결과와 일치한다. 이는 과학 탐구 기반의 융합 인재교육 프로그램 수업을 통해 학생들이 문제의 상 황을 이해하고 과학 탐구 중심의 활동으로 과학적 원리를 적용하여 설계 및 제작과정을 거치면서 과학 관련 진로 인식의 변화에 긍정적인 영향을 준 것으 로 분석된다(Hughes, 2009).

    넷째, 과학 탐구 기반의 융합인재교육 프로그램을 적용한 결과 학생들의 과학, 기술, 공학, 수학에 대한 태도의 향상에 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다. 과학에 대한 태도에서는 능력과 가치의 영역에서 통 계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 진로 가치화 훈 련으로 학생들의 진로의 가치 성숙에 효과가 있다는 Oh and Lee(2002)Kim(2009)의 연구 결과로 볼 때 과학 탐구 기반의 융합인재교육 수업으로 인해 과학 관련 진로 인식에 긍정적인 영향을 주었고 과 학 탐구 중심의 활동으로 과학적 원리를 적용하여 설계 및 제작과정을 진행하면서 과학적 능력과 더불 어 과학에 대한 가치에도 긍정적인 영향을 준 것으 로 분석된다(Gauld, 1982). 기술과 공학에 대한 태도 의 경우 기술은 인식 영역, 공학은 인식과 가치 영역 에서 태도 향상에 통계적으로 유의미한 효과를 보이 고, 수학에 대한 태도에서는 가치와 흥미의 지속 영 역에서 통계적으로 유의미한 효과를 보였다. 이는 융 합인재교육 프로그램 중 지진 내진 구조물 설계의 과정을 통해 기술과 공학의 역할과 기능을 인식하고 제작 과정에서 공학적 설계에 대한 가치의 중요성을 학습했기 때문으로 분석된다. 수학의 경우 이론을 넘 어서 실제 구조물 설계에 활용하는 과정을 경험하면 서 수학의 가치와 흥미를 발견했기 때문으로 분석된 다(NCTM, 2000). 이러한 결과는 융합인재교육을 적 용한 과학수업이 학생들의 기술, 공학, 수학에 대한 정의적 영역에 긍정적인 영향을 준다는 Seo(2012), Lee(2012), Park and Lee(2014)의 연구 결과와 일치 한다. 또한 Sung and Na(2012)의 통합 STEM 교육 으로 학생들의 과학, 기술에 대한 긍정적인 효과가 나타났다는 연구 결과와도 일치한다.

    이러한 결과를 토대로 다음과 같이 제언을 하고자 한다. 첫째, 과학적 탐구 요소를 활용한 융합인재교 육 프로그램은 학생들의 과학 탐구 수행의 능력 향 상과 국가가 추진하는 과학기술 융합인재의 양성이라 는 목표에 부합하는 것으로 볼 수 있으므로 보다 다 양한 융합인재 프로그램을 다양한 영역에서 개발할 필요가 있다.

    둘째, 이 연구는 중학생을 대상으로 실시하였으나, 앞으로는 더 많고 다양한 학교급의 학습자를 대상으 로 적용할 필요가 있다. 또한 각 학교급의 학습자에 적합한 형태로 프로그램이 수정 보완될 경우 더 완 성도 높은 교육이 이루어질 수 있을 것이다.

    셋째, 이 연구의 결과에서는 진로 인식에서 수학과 기술 관련 진로 인식에 대해 유의미한 효과를 얻지 못하였으며 STEM에 대한 태도에서도 각 영역별로 일부 요인에서 유의미한 결과가 나타나지 않았다. 이 러한 결과가 과학 영역을 중심으로 개발된 프로그램 이라는 한계점에서 나타났을 가능성이 있으므로 앞으 로는 융합인재교육 프로그램 개발과정에서 과학뿐만 아니라 수학, 기술, 공학, 예술의 전문가들과의 유기 적인 협력을 통해 프로그램이 개발된다면 융합인재교 육의 목적을 달성하는 데에 효과적일 것이다.

    사 사

    이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사 업임(NRF-2012R1A1A2043627).

    Figure

    JKESS-37-476_F1.gif

    Procedure of program development.

    JKESS-37-476_F2.gif

    Students’ activity worksheet.

    Table

    Pre-application schedule

    Items composition of science self-efficacy and reliability

    *: Negative items

    Items composition of career recognition and reliability

    *: Negative items

    Items composition of attitudes toward STEM and reliability

    *: Negative items

    STEAM program subject about earthquake

    Result of independent t-test about science self-efficacy (n=96)

    *p< .05

    Result of independent t-test about career recognition (n=96)

    *p< .05

    Result of independent t-test about attitudes toward science (n=96)

    *p< .05

    Result of independent t-test about attitudes toward technology (n=96)

    *p< .05

    Result of independent t-test about attitudes toward engineering (n=96)

    *p< .05

    Result of independent t-test about attitudes toward mathematic (n=96)

    *p< .05

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