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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.1 pp.91-104
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.1.91

An Analysis of High School Students’ Systems Thinking and Understanding of the Earth Systems through their Science Writing

Hyundong Lee1, Taesu Kim2, Hyonyong Lee1*
1Department of Earth Science Education, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2Yeongnam High School, Daegu, 42748, Korea
Corresponding author: hlee@knu.ac.kr+82-53-950-5917, +82-53-950-5946
August 17, 2016 February 6, 2017 February 17, 2017

Abstract

The purposes of this study were to analyze high school students’ understanding about the Earth system and systems thinking process, and to develop science writing programs designed to assess students’ understanding about themes of Earth Science such as global warming, volcanoes, and desertification. A total of 8 11th grade students from general high schools participated in the writing program and draw the causal maps. The methods of this study are as follows. First, DAET-C was used to investigate the way of students’ understanding about the Earth systems. What the students’ best understood was the component of the Earth systems followed by the interaction of the Earth systems and the scientific literacy of Earth science. Second, feedback circulations on the causal maps were found in four students in global warming section, one student in volcanic eruption section, and four students in desertification section, which means that systems thinking was not largely employed by the students. Consequently, the student participants understood that the global change was happening in correlation with complex concepts and factors, but they were short of using systems thinking in their science study. Therefore, the result of this study suggests that more studies be conducted to develop systems thinking in Earth Science learning through science writing programs.


과학 글쓰기를 통한 고등학생의 지구 시스템에 대한 이해와 시스템 사고의 분석

이 현동1, 김 태수2, 이 효녕1*
1경북대학교 지구과학교육과, 41566, 대구광역시 북구 대학로 80
2영남고등학교, 42748, 대구광역시 달서구 월곡로 300

초록

이 연구의 목적은 과학 글쓰기를 통해 고등학생의 지구 시스템에 대한 이해와 시스템 사고 과정을 분석하는 것 이다. 글쓰기 활동에 활용한 자료는 지구과학 I 교과 내용 중 지구환경 변화에 관련된 3가지 주제(지구 온난화, 화산 분출, 사막화)이며 이와 관련된 과제를 개발하였다. 개발한 자료는 고등학교 2학년 학생 8명을 대상으로 투입하였으며 작성한 과학 글쓰기 내용을 바탕으로 DAET-C 체크리스트와 지구 시스템에 관련된 개념을 구성요소로 하여 인과지도 를 작성한 후, 이를 근거로 하여 시스템 사고의 관점에서 분석하였다. 그 결과로 첫째, 학생들은 지구 시스템의 구성, 지구 시스템의 상호작용, 지구과학적 소양, 시스템 순으로 지구 시스템을 이해하는 것으로 조사되었다. 둘째, 학생들의 과학 글쓰기 내용을 바탕으로 각각의 주제별로 인과지도를 작성한 결과 피드백 순환 고리가 나타난 학생은 연구에 참 여한 8명 중 지구 온난화 관련 주제에서는 4명, 화산 분출 관련 주제에서는 1명, 사막화 관련 주제에서는 4명의 학생 이 지구 시스템에서 하위 요소 간의 상호작용을 고려하는 시스템 사고를 하고 있는 것으로 조사되었다. 결론적으로 연 구에 참여한 학생들은 지구환경 변화가 지구계 하위 요소 사이의 상호작용을 통해 복잡한 과정 속에서 복합적으로 이 루어지고 있다는 사고를 하고 있었으나, 지구 시스템의 순환에 대한 과정에서 시스템 사고는 미흡한 것으로 나타났다. 과학 글쓰기 활동을 활용하여 지구 시스템 교육과 시스템 사고를 향상 시킬 수 있는 다양한 연구가 필요할 것이다.


    김태수의 2009년도 석사 학위논문

    서 론

    현대 사회는 컴퓨터 네트워크를 비롯한 과학기술의 발달로 수많은 정보를 손쉽게 접할 수 있게 되었고 심지어 개인의 지식까지 정보적 가치를 가지게 되었 다. 최근 들어 정보에 대한 접근 기회가 확대되면서 정보를 기억하고 재생하는 능력보다는 정보를 합리적 으로 선택하고 문제를 창의적이고 비판적으로 해결할 수 있는 능력이 요구된다. 특히 사회적으로 다양한 규범들 속에서 일관된 행위 기준들을 발견하면서 올 바르게 판단하고 여러 현상에 대해 능동적으로 대처 할 수 있는 사고 능력이 강조되고 있다. 이러한 필요 와 요구에 의해 최근 학교 교육에서도 이와 같은 사 고 능력 향상을 위한 글쓰기 교육의 필요성이 강조되 고 있다(Hwang, 2001; Linn and Eylon, 2006).

    교육과 사회와의 밀접한 상호 관계에 근거해 볼 때, 현대 사회에서 강조되는 글쓰기 교육의 역할은 학습자들에게 다양한 문제를 해결할 수 있도록 합리 적이고 창의적인 사고력을 신장하는 것에 그 비중을 높게 두고 있다(Kim, 2007). 이러한 창의적 사고력 신장을 위해 우리나라 과학과 교육과정에서는 2007 개정 교육과정에서 과학 글쓰기가 본격적으로 도입되 었으며, 2009 개정 교육과정에서도 교수·학습 방법 과 평가에서 과학 글쓰기에 대한 지침이 제시되었다 (MEST, 2009; MOEHR, 2007).

    과학 글쓰기는 자연 현상과 과학적 사실, 과학적 탐구를 바탕으로 과학적 사고를 요구하는 글쓰기라는 점에서 일반적인 글쓰기와 차이점이 있다(Hand et al., 2004; Shin et al., 2013). 과학 수업에서 학생들 의 글쓰기 활동이 중요하게 인식되어지는 것은 글쓰 기를 통해 학생들이 학습 내용을 인지하고 내면화할 수 있을 뿐 만 아니라, 글로 표현하는 과정에서 새로 운 내용을 발견할 수 있기 때문이다(Nunan, 1999; Raimes, 1983). 또한 학생들은 글쓰기 활동의 문제해 결과정에서 과학적 사고력인 추론을 사용한다. 학생 들의 과학적 사고력은 글쓰기를 통해 확장될 수 있 고, 글쓰기 속에서 학생들의 성향이 드러나기 때문에 학생들의 공통적인 쓰기 양상을 알 수 있다(Keys, 1999). 글쓰기 활동을 통해 학생들의 인지적인 측면 이외에 다양한 능력을 향상시킬 수 있는 것이다.

    글쓰기 교육의 방법 중 하나인 과정 중심적 글쓰 기 접근 방식은 글을 쓰는 과정에서 아이디어를 생 성하고, 조직, 표현, 수정하는 과정을 강조하고 있고 글쓰기 행위를 하나의 문제 해결 과정으로 간주한다. 또한 글쓰기를 통해 학생의 문제 해결 능력과 사고 력을 기를 수 있으며, 학생들이 글쓰기 활동 과정에 서 자신이 생각하는 과학지식에 대한 체계적인 고찰 과정을 경험하고, 자신의 생각에 대한 오류를 발견하 고 수정할 수 있는 기회를 가질 수 있다. 이러한 과 정을 거쳐 학생 스스로 오개념을 발견하고 수정할 필요성을 느끼게 됨으로써 개념변화에 있어서도 글쓰 기 활동은 효과적인 방법이 될 수 있다(Lee and Choi, 2005).

    이러한 과학 글쓰기에 활용되는 형식으로는 보고서 형식의 글쓰기, 마인드 맵핑을 이용한 글쓰기 등이 있으며(Yun and Wee, 2016), 국외에는 시스템 사고 와 관련한 Box 인과지도를 바탕으로 한 글쓰기의 양 식도 제시되었다(Sibley et al., 2007). 학습자는 글쓰 기를 통하여 기존의 지식을 탐색하거나 강화, 개량할 수 있으며 자신의 사고를 분명히 파악할 수 있다 (Hodson, 1993; Jeong and Yeau, 2013; Lee, 2009). 글쓰기를 활용하여 학습자는 단순 지식을 넘어선 종 합적 사고 과정을 학습하게 되고 의미를 구성하는 과정을 거쳐 지식을 생성할 수 있다(Lee, 2004). 이 러한 의미를 구성하는 글쓰기의 기본 원리는 전체를 이해하고 전체를 구성하는 각 하위 요소 사이의 상 호작용을 고려하는 사고 방법인 시스템 사고와도 직 접적으로 관련되어 있다(Hanson and Williams, 2008; Mayer and Kumano, 1999; O’Connor and McDermmot, 1997).

    시스템 사고는 넓은 의미로 어떤 공통의 과정에서 부분적으로 작용하는 힘을 파악하고 그 힘들의 상호 관계성을 분석할 수 있는 모든 방법, 과정, 원칙 등 을 모두 포함하는 광범위한 지식 체계를 말한다(Lee et al., 2008). 과학적인 사고방식이지만, 직관적인 지 혜를 추구하는 매우 유연한 사고방식이다. 시스템 사 고는 논리적·종합적인 사고를 강조하면서도 이미 우 리가 알고 있는 정보와 지식을 새롭게 조직화하여 시스템의 작동 원리와 체제를 직관적으로 이해하도록 도와주는 사고이다(Broks, 2016; Kim, 2004).

    시스템을 구성하는 요소들 간 상호작용에 대한 개 념들만으로 인과지도를 작성하고, 인과지도의 분석을 통해 시스템의 특성을 파악하는 연구방법이 Senge (1996)에 의해 소개되면서, 시스템 사고는 인과지도 를 통해 시스템의 특성을 이해하는 독립적인 분석도 구로 활용되고 있다(Lee et al., 2011; Moon et al., 2004; Richmond, 1993). 시스템 사고를 통해 단일 시스템을 이해하는 과정에서 첫 번째 단계는 전체 시스템에 대한 구성 지도, 즉 인과지도를 작성하는 것으로 학생들의 시스템과 관련한 상호 작용 과정을 살펴볼 수 있다(Ben-Zvi-Assarf and Orion, 2005a; Lee et al., 2011; Sibley et al., 2007).

    이러한 시스템 사고는 지구 시스템의 학습과 그 결과를 알아보는데 매우 유용하게 활용되고 있다 (Jeon and Lee, 2015; Lee et al., 2011; Moon et al., 2004; Park and Lee, 2014). Moon et al. (2004)Lee et al. (2011)의 연구 결과를 살펴보면, Assarf and Orion (2005a, 2005b)의 연구에서 활용한 단어 간 관계분석, 인과지도, 그림 그리기 등의 질적 분석 도구를 활용하여 탄소 순환이나 지구 온난화 등의 주제에 대하여 학생들의 시스템 사고를 분석하였다. 이러한 기법들은 추후 이어지는 여러 시스템 사고 분석 연구에서도 지속적으로 활용되어지고 있다(Im and Lee, 2014; Jeon and Lee, 2015; Lee et al, 2013).

    지구 시스템을 강조한 지구과학 교육의 내용은 미 국의 AAAS에서 개발한 Project 2061과 NSTA의 Scope, Sequence and Coordination, 그리고 NRC의 과학 교육 기준 등에서 찾아볼 수 있다(AAAS, 1989, 1993; NRC, 1996, 2013; NSTA, 1996). 그 핵 심 내용은 지구와 우주 과학의 교수학습에 있어서 지구 시스템이라는 거시적인 관점에서 다루는 것이다. 여기에는 지구과학적 소양의 배양과 지구 시스템에 대한 이해의 증진, 지구에 대한 감사의식이나 가치를 인식시키는 것도 포함하고 있다. 지구 시스템에 대한 교육은 1990년대 중반 이후에 미국의 현장 교육자들 에 의해 자발적으로 시작되어 현재 미국 전역으로 확대되었을 뿐 아니라, 미국, 일본, 독일, 대만 등 여 러 국가에서도 국가 교육과정의 개혁을 위해 지구 시스템 접근법을 사용하고 있다(Fortner, 1999; Yu et al., 2007).

    우리나라에서는 1996년 5월 국제 과학 교육 세미 나에 참가한 지구 시스템 교육의 연구 책임자인 Mayer의 연구 논문 발표가 있었고, 우리나라 교육과 정의 지구과학 내용에 대한 체계적인 틀로서 활용되 고 있다. 지구 시스템을 반영한 교육은 7차 교육과정 에서부터 지속적으로 과학과 교육과정에 반영되어 2009 개정과 2015 개정 교육과정에서도 고등학교 과 학의 단원에 ‘시스템과 상호작용’에 ‘지구 시스템’이 핵심 개념으로 제시되었다. 그러므로 과학교육에서 지구과학은 미래의 지구 환경을 살아갈 학생들에게 다양한 관점에서 통합적인 시스템 사고를 하게 함으 로써 학생들의 흥미를 유발하는 것은 물론 자신들이 살아가고 있는 지구환경에 대한 중요성을 통합적이고 거시적인 관점에서 학습할 수 있도록 한다.

    포괄적인 개념의 상위 요소와 하위 요소와의 상호 작용을 다루는 지구 시스템에서 여러 가지 자연 현 상에 대하여 학습 할 때, 학습자들이 통합적인 사고 인 시스템 사고를 할 수 있는지를 살펴보기 위한 도 구로 글쓰기를 활용할 수 있다. 따라서 이 연구에서 는 학생들의 과학 글쓰기를 통해 고등학교 학생들의 지구 시스템에 대한 이해와 학생들의 사고에서 나타 나는 시스템 사고의 상호작용을 Box형 인과지도 분 석을 통해 알아보고자 한다.

    연구 방법 및 절차

    연구 절차

    이 연구에서 개발한 과학 글쓰기 검사지는 2009 개정 과학과 교육과정의 지구과학 I 교과 내용 중 지 구계의 상호작용 요소와 관련된 내용 요소를 추출하 여 지구 온난화, 화산 분출, 사막화와 관련된 제시문 을 구성하고, 이를 바탕으로 한 과학 글쓰기 문항을 개발하였다(Appendix 1). 개발한 검사지는 지구과학 교육 전문가 3명으로 내용 타당도를 검증 받았으며, 내용 타당도 검증에서 제시된 수정 사항들을 보완하 여 최종 검사지 및 문항을 완성하였다. 최종 문항은 고등학교 2학년 학생 8명에게 투입하였다. 학생들이 글쓰기를 하는 과정에서 연구자는 학생들과 반구조화 된 면담을 실시하여 글쓰기로 명확하게 표현되지 않 은 정보를 수집하였다. 학생들이 최종적으로 작성한 글쓰기 내용은 Box형 인과지도로 변환하였으며 Box 형 인과지도와 면담 내용을 토대로 연구 결과를 정 리 후 분석하였다.

    연구 대상

    이 연구의 대상은 K중소 도시에 소재한 인문계 고 등학교 2학년 남학생 3명(A, B, C), 2학년 여학생 5 명(D, E, F, G, H)으로 지구과학Ⅰ을 배운 자연공학 계열 학생이다. 이들은 중학교와 고등학교 1학년의 교육과정을 이수하면서 지구 시스템에 대한 기본적인 내용에 대하여 학습하였으며, 학업 성적은 모두 학생 들이 속한 반에서 중상위권에 해당하였다. 이 연구를 위하여 학생들의 연구 참여 의사 및 학부모의 동의 를 받았다. 그리고 이 연구에서 수업을 실시한 지구 과학 담당 교사는 교직 경력 10년의 지구과학교육 전공자이며 석사과정을 수료하였다. 담당 교사는 학 생들에게 마인드맵과 여러 매체를 활용한 수업을 실 시하고 있으며 지구과학의 특성(시·공간적)과 지구 과학에서 강조되는 사고나 탐구 등에 초점을 두고 학생들을 지도하고 있다.

    검사 도구

    과학 글쓰기 활동을 위한 검사 도구는 지구 온난 화, 화산 분출, 사막화 현상 등 3가지 주제에 대하여 제시문과 문항으로 구성하였다. 이는 과학과 교육과 정의 지구과학 I에 포함된 내용 요소를 추출하여 개 발하였다. 각각의 주제별 과학 글쓰기 문항은 4가지 문항과 최종적으로 3가지 주제를 거시적인 관점에서 접근하여 시스템 사고를 어떻게 하고 있는지를 알기 위한 1문항을 제작하였다. 각 주제별로 4가지 문항 중 2 문항은 지구 시스템에 대한 학생들의 이해를 조사하기 위한 문항이며, 나머지 2 문항은 학생들의 시스템 사고를 알아보기 위한 문항으로 개발하였다 (Table 1).

    이 연구에서 개발한 검사지는 모두 지구과학교육을 전공하고 있는 박사학위를 가진 전문가 3인, 4인의 박사과정의 고등학교 교사, 6인의 석사과정 고등학교 교사에게 내용 타당도를 의뢰하여 3가지 각 주제의 적합성, 개발된 제시문과 그에 따른 문항에 대한 적 절성과 내용 타당도를 검증받았다. 내용 타당도 검증 에서 제시된 전문가들의 수정 사항을 반영하여, 최종 적으로 글쓰기 문항을 완성하였다.

    분석 방법

    과학 글쓰기를 통해 서술한 3가지 주제에서 각 문 항에 대해 학생들이 작성한 글쓰기 내용을 바탕으로 지구 시스템에 대한 이해 정도를 분석하였다. 지구 시스템에 대한 이해 정도를 파악하는 도구로는 7가 지 지구 시스템 이해틀(목표)속에 7개의 주요 기본 요소를 포함시켜 Go (2008)에 의해 개발된 DAET-C 체크리스트(Draw An Earth Test Checklist)를 사용하 였다(Table 2). 과학 글쓰기를 통해 본 지구 시스템 핵심 요소인 지구 시스템의 구성, 지구 시스템의 상 호작용, 시스템으로서의 지구, 기타 4가지 요소 등의 각 하위 요소들이 글 속에서 표현된 경우 관련 요소 의 개수를 세어 학생들의 지구 시스템에 대한 이해 정도를 분석하였다.

    그리고 학생들의 시스템 사고 정도를 파악하기 위 하여 학생들이 작성한 ‘개념 지도’와 ‘원인·결과 형 태의 짧은 문장으로 글쓰기’의 내용을 Box형 인과지 도로 작성하기 위하여 그림으로 나타내었다. 정리된 내용과 그림을 분석하여, 제시된 3가지 주제에 대한 통합적 사고 분석 및 적용된 개념이 인과관계에 따 른 시스템 사고의 모습을 분석하였다. 또한 인과지도 에서는 Moon et al. (2004)의 연구에서 사용한 양(+) 과 음(−)의 연결 과정을 분석에 활용하였다. 양(+)의 연결 과정은 원인이 결과의 상황을 더 강화시키는 방향으로 작용하는 경우, 음(−)의 연결 과정은 원인 이 결과의 상황을 감소시키는 방향으로 작용하는 경 우로 정의하였다.

    또한 8명의 학생들이 작성한 내용을 글쓰기로 명 확하게 표현되지 않은 정보를 수집하기 위하여 학생 들과 반구조화된 면담을 실시하여 결과에 대한 해석 을 보완하였다. 학생들이 글쓰기 활동을 하는 과정에 서 필요하다고 판단되는 경우 해당 학생에 대하여 면담을 실시하였으며 면담 내용은 녹음 후 전사를 하여 분석에 활용하였다.

    연구 결과

    지구 시스템에 대한 이해

    학생들이 검사지에 작성한 과학 글쓰기의 내용 중 ‘지구 시스템’에 대한 이해를 분석하였으며 8명의 학 생 중 F 학생의 글쓰기 내용을 예시로 제시하였다 (Table 3). F 학생이 작성한 글쓰기 내용으로부터 DAET-C 체크리스트에 해당하는 요소의 수를 세었으 며, 같은 방법으로 나머지 학생 7명 학생의 글쓰기 내용을 분석하였다. 그 결과, 8명의 학생들은 지구 시스템의 구성 관련 영역에 대하여 153개(68.9%)의 요소를 제시하였다(Table 4). 그 중 48개가 기권(가) 에 대한 요소였으며, 빙권(사)에 대한 요소가 8개로 가장 적었다. 지구 시스템의 상호작용 관련 영역에서 45개(20.3%)의 요소를 제시하였으며 그 중 지구 시 스템의 하위권과 다른 하위권 사이의 상호작용을 31 개로 가장 많이 제시하였다. 시스템 관련 영역에서 8 개(3.6%), 지구과학적 소양 관련 영역에서 16개 (7.2%) 요소들이 나타났다.

    DAET-C 체크리스트의 결과를 분석한 결과, 학생 들은 지구 시스템의 구성에서 기권, 수권, 지권 등 지구 시스템의 하위계 구성에 대한 표현을 가장 많 이 하였다. 그리고 지구계의 상호작용에서는 각 하위 계 사이의 상호작용을 표현하였다. 반면 하나의 하위 계 안에서 나타나는 상호작용이나 인간과의 역할을 나타내는 것은 미흡하였다. 이는 지구계에서 하위계 사이의 상호작용에 대해서는 이해하고 있으나, 하나 의 하위계 안에서 나타나는 숨겨진 차원 사이의 상 호작용에 대한 사고가 부족한 것으로 분석된다. Benzvi-Assarf and Orion (2005a)에 의해 숨겨진 차원을 고려하는 사고는 시스템 사고에서 상위 수준에 속한 다고 분석되었다. 선행 연구 결과를 토대로 분석하면 이 연구에 참여한 학생들의 시스템 사고 수준은 중 간 수준 이하로 분석된다(Ben-zvi-Assarf and Orion, 2005a, 2005b).

    지구 환경 변화에 대한 통합적 사고

    학생들은 지구 환경 변화와 관련한 3가지 주제에 대하여 각각 과학 글쓰기를 실시하고 난 후, 3개의 주제를 통합적인 관점에서 관련지어 글을 쓰는 활동 도 실시하였다. 학생들이 작성한 통합적인 관점의 글 쓰기 결과물과 학생들이 그린 그림을 토대로 통합적 사고에 대한 결과를 분석하였다(Table 5, Fig. 1, 2, 3).

    A, B, C, F, H 학생은 글쓰기를 통해서 자신들의 사고를 표현하였다. 이 학생들은 주로 화산 활동 활 동과 지구 온난화를 연결시켜 사고를 하고 있었으며 C 학생의 경우에는 인간의 활동을 고려한 내용을 진 술하였다.

    D, E, G 학생은 자신들의 생각을 그림으로 표현한 뒤, 이에 대한 내용을 그림 아래에 짧은 글로 서술하 였다. D, E, G 학생들의 경우 공통적으로 제시한 내 용이 ‘주로 화산 분출로 인하여 온실 가스가 대기 중 으로 방출되어 지구온난화에 영향을 줄 것이며 이로 인하여 지구환경의 변화가 나타날 것’이었다. 그림에 서도 화산 분출물로서 온실 가스가 배출되는 과정, 이 가스가 대기 중에서 여러 작용을 거쳐 지구 온난 화에 영향을 주는 과정을 표현하였음을 확인할 수 있었다.

    연구에 참여한 학생 대부분은 지구환경 변화가 서 로 간의 상호작용에 의한 원인과 결과에 의해서 나 타나는 현상들이며, 하나의 원인이 여러 환경 변화에 영향을 미친다고 표현하였다. 또한 거시적인 관점에 서 지구환경 변화가 복합적으로 이루어진 결과라고 사고하고 있었다. 그러나 지구 시스템 순환 과정에서 학생들은 하위계 사이의 순환에 따른 현상을 단선적 사고나 단편적인 부분에만 집중하여 표현하였고, 지 구 시스템 전체의 특성을 서술하거나 표현하지는 못 하였다. 이와 같은 결과는 지구 온난화에 대하여 학 생들의 그림 그리기를 분석한 연구나 탄소 순환에 대하여 분석한 연구에서도 나타났듯이 학생들이 지구 시스템에 대한 상호작용에 대하여 작성할 때, 하위계 의 상호작용에 초점을 맞추어 생각을 표현하는 경우 시스템 전체를 바라보는 사고 과정이 약해진다는 결 과와 일치하는 경향을 보여준다(Lee et al., 2011; Lee et al., 2013).

    인과지도 및 시스템 사고의 분석

    학생들이 지구 시스템에 관련하여 거시적인 관점에 서 시스템 사고를 하고 있는지를 알아 보기 위해 인 과지도에서 사용된 구성 요소들의 피드백 순환 고리 가 나타나는지 알아보았다.

    Box형 인과지도로 분석한 결과 지구 온난화에서는 B 학생은 ‘지구온난화→해수면 온도→이산화 탄소→ 지구온난화’로 연결되는 피드백 고리 1개, F 학생은 ‘지구온난화→수권→해수면 온도→태풍→기권→지구 온난화’ 등 피드백 고리가 4개, G 학생 3개, H 학생 1개로 나타났다. B 학생과 H 학생은 비록 피드백 고 리가 1개만 나타났지만 지구온난화 개념에서 지구계 하위 요소 사이의 상호작용을 고려하고 있었다. F 학 생과 G 학생은 지구계 하위 요소 사이와 인간의 활 동도 연결하여 그 영향을 고려하는 모습을 보여주었 다(Fig. 4, 5, 6, 7). 그리고 학생들이 표현한 피드백 은 하위계의 상호작용 후 나타나는 결과가 이전의 출발 상황보다 증폭된 모습을 보여주는 강화적 피드 백(reinforcing feedback)이라는 특징이 있었다 (O’Connor and McDermmot, 1997).

    화산 분출에서는 F 학생이 ‘지구→지권→화산폭발 →화산가스→온난화→해수면 온도→수권→지구’ 등 피드백 고리 4개를 표현하였으나(Fig. 8), 나머지 7명 의 학생들은 인과지도에서 피드백 고리가 나타나지 않는 것으로 분석되었다. F 학생은 지구 온난화의 인 과지도에서도 많은 연결고리와 피드백 사고를 보여주 었는데, 화산 분출에 대해서도 지구온난화에 따른 생 물권의 영향, 화산재에 의한 변화, 기권에의 영향 등 다양한 지구계 상호작용에 대하여 피드백 사고를 하 는 모습을 보여주었다.

    F 학생이 보여준 사고 과정에 대해 추가적인 정보 를 얻기 위해 실시한 면담 내용을 요약하면 아래와 같다.

    연구자: 개념 지도를 그려보았는데 그 개념 지도에 대해서 자 세한 설명을 해 주실 수 있는가 해서...... 지구 온난 화, 화산 분출, 사막화에 대해서 자세한 설명을 해 주세요.

    (지구 온난화에 대한 부분은 생략)

    F 학생: 지구가 지권, 수권, 대기권, 생물권으로 나눠져 있잖 아요? 거기서 나타나는 현상들이 서로 상호작용을 하 는 거니까 이렇게 이렇게....

    연구자: 서로 상호작용한다는 건 어떻게 해서 나타나는 것인 지 구체적으로 설명해 줄 수 있어요?

    F 학생: 독립적으로 일어나는 것이 아니고요. 원인과 결과가 있잖아요. 그래서 그것이 서로 얘가 원인이 될 수 있 고, 얘가 결과가 될 수 있듯이 상호 작용을 해요.

    연구자: 화산 분출에 대해서 자세한 설명을 해주세요?

    F 학생: 음, 화산이 분출하면 화산재가 나오잖아요. 화산재가 나오면 태양에너지가 화산재에 의해서 흡수가 잘 안 되니까 전체적으로 기온이 하강하고 그것 때문에 어~ 냉각이 되서 빙하가 생길수도 있고...... 추워져요.

    위의 면담 내용을 보면, 지구 시스템을 구성하는 4 개의 권(지권, 기권, 수권, 생물권)을 중심으로 지권 에 관련하여 화산 폭발을 설명하고 있었다. 화산 폭 발에 의해서 생물권의 영역인 삶의 터전이 파괴됨을 나타내었으며, 화산재 분출로 태양에너지의 반사가 증가되면서 지구의 평균기온이 하강하게 되면서 기권 에 영향을 미치고, 지표가 냉각되면서 화산 폭발이 여러 원인으로 상호작용을 하고 있음을 나타내었다. 화산 가스 방출로 인해 온난화가 증가되어 해수 온 도가 상승하고, 이로 인하여 생물권에 영향을 준다고 하였다. 또한 지구 온난화가 기온 상승을 유발하여 기권에도 영향을 미친다고 표현하면서 각 권들 간의 인과 관계를 잘 이해하고 있었다. (Fig. 9, 10, 11, 12).

    사막화에서는 B 학생의 피드백 순환 고리는 ‘사막 화→생물권→숲 파괴→사막화’ 등 2개, F 학생은 ‘지 구→지권→수권→지권’ 등 4개, G 학생은 ‘물→토양 →모래→인간→물’ 등 3개, H 학생은 ‘사막화→수권 →숲(파괴)→사막화’ 1개의 피드백 순환 고리를 보여 주었다. 특히 F 학생의 경우 제시된 3개 주제에서 모 두 지구 시스템 하위계의 상호작용을 고려한 시스템 사고를 보여주었다.

    연구에 참여한 8명 학생들이 보여준 시스템 사고 에 대한 전반적인 특징은 다음과 같다(Table 6).

    Box형 인과지도에서 F 학생이 가장 많은 구성 요 소 수를 제시하고 피드백 고리를 표현하였으며 나아 가 관련 개념의 연결에서도 가장 많은 요소를 고려 하고 있는 것으로 분석되었다. A, C, D, E 학생은 각 주제에 대하여 적지 않은 구성 요소 수를 제시하 였음에도 불구하고 피드백 연결고리나 관련 개념들의 연결에서 순환의 모습을 표현하지 못하였다. 성별로 구분하여 볼 경우 남학생의 경우 연구에 참여한 3명 중 B 학생만이 지구온난화, 사막화 주제에서 하위 요소 간의 피드백으로 고려하는 시스템 사고를 보여 주었으며 여학생의 경우 연구에 참여한 5명 중 3명 (F, G, H)이 시스템 사고를 하고 있는 것으로 나타 났다.

    결론 및 제언

    이 연구의 주요 목적은 과학 글쓰기를 통해 고등 학교 학생들의 지구 시스템에 대한 이해와 학생들의 시스템 사고를 Box형 인과지도를 적용하여 분석하는 것이다. 이 연구의 결과를 토대로 결론과 제언을 정 리하면 다음과 같다.

    첫째, 과학 글쓰기를 통한 학생들의 지구 시스템에 대한 이해를 조사한 결과, 지구 시스템의 구성 영역 에서 가장 높은 빈도를 보여주었다. 다음으로 지구 시스템의 상호작용 관련 영역, 그 다음 지구과학적 소양, 시스템 관련 영역 순으로 조사되었으며 지구에 대한 감사 의식이 글쓰기 내용에는 나타나지 않았다. 이는 Go (2008) 연구에서 지구 시스템 구성, 지구 시스템의 상호작용, 지구과학적 소양 순으로 나타난 결과와 학생들은 지구과학적 소양 중 (다)에 해당하 는 ‘지구에 대한 감사의식 관련 요소’가 없다는 결과 와 일치한다. 아울러 학생들은 인간 활동이 지구환경 변화에 큰 영향을 미치고 있으며, 부정적인 요소로 작용하고 있다고 인식하고 있었다.

    둘째, 학생들의 시스템 사고에 대한 결과를 살펴보 면, 지구 온난화와 사막화 주제의 글쓰기에서는 시스 템 관련 피드백 순환 고리가 8명 중 4명에게 나타났 다. 그러나 화산 분출에서는 8명 중 1명에게만 피드 백 순환 고리가 나타났다. 연구에 참여한 학생들은 지구 시스템에 대한 이해를 과거 학습하였거나 경험 을 통해 알고 있었음에도 불구하고 이 연구의 결과 모든 학생들이 시스템 사고를 수행하고 있지 않다고 분석되었다. 이는 선행 연구에서도 밝혀진 바와 같이 학생들이 배우는 개념을 ‘지식의 섬’처럼 독립된 개 념으로 학습하며 상호작용이나 관련된 개념을 통합적 으로 학습하지 않고 있다는 결과와 일치한다(Assarf and Orion, 2005a, 2005b; Lee et al., 2011; Lee et al., 2013).

    또한 지구 시스템을 통합적인 관점에서 이해를 해 야 한다는 부분을 제외하고 지구 시스템의 하위계 사이의 상호작용이나 피드백 과정을 살펴본 결과 Moon et al. (2004), Lee et al. (2008), Lee et al. (2011)의 연구 결과와 유사하게 학생들은 복잡한 시 스템을 해석하고 이해함에 있어서 단선적 또는 단편 적인 부분에 치중하는 사고를 통해 시스템 전체의 특성을 이해하는데 어려움을 겪고 있었다. Kang et al. (2008)의 연구에서도 물의 순환에 대한 학생들의 시스템 사고 수행 정도가 낮은 수준으로 분석되었는 데, 이 연구 결과와 유사하게 학생들이 지구계의 상 호작용 측면에서 낮은 수준의 시스템 사고를 하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과 또한 학생들이 지구 시스템과 관련된 학습을 할 때, 지식 통합 활동 등 학습한 지식이나 개념들을 통합적이고 시스템적으 로 사고할 수 있도록 도와줄 수 있는 교육을 경험하 지 못하였기 때문이라 해석된다.

    이 연구에서는 지구 시스템에 대한 학생들의 사고 를 살펴보는 데에 시스템 사고가 매우 중요한 사고 과정으로 나타난다고 가정하고 이를 알아보기 위한 글쓰기 검사 도구를 통해 학생들의 시스템 사고를 분석하였다. 이를 통해 학생들이 가지고 있는 상호작 용이나 다양한 피드백 사고를 분석하는데 글쓰기가 매우 유용하였다는 것을 알 수 있었으며, 나아가 선 행 연구에서 제시한 글쓰기 교육과 시스템 사고의 관련성을 찾아 볼 수 있는 근거를 제공한다(Hwang and Chung, 2013; Im and Lee, 2014; Jung et al., 2010; Lee et al., 2011; Shin et al., 2013).

    지구 시스템에 관련하여 시스템 사고는 지구에서 일어나는 대부분의 자연 현상이 단순한 법칙이나 원 인만으로 해석되기 보다는 다양한 개념들과 요인들의 상호 작용을 통해 복합적으로 이루어지며 서로 상호 순환되어져 나타나는 결과임을 알 수 있도록 해준다. 그리고 지구 시스템에 대한 이해 증진, 지구과학적 소양의 함양을 위해서 앞으로 학생들에게 다양한 과 학 글쓰기 활동과 지구 시스템 교육을 실시하여 지 식 통합 활동이나 시스템 사고를 증진시킬 필요가 있다. 이를 위하여 과학 글쓰기 활동과 다양한 지구 시스템 교육에 대한 지식 통합 활동 프로그램 개발 및 활용이 지속적으로 필요할 것이다.

    또한 시스템 사고를 향상시킬 수 있는 통합 과학 주제에 대한 아이디어를 교육과정 내에서 지속적으로 찾아내는 노력이 필요하며, 찾아낸 주제에 대하여 과 학 글쓰기 활동과 시스템 사고를 향상시킬 수 있는 체계적 프로그램 개발 및 활용이 필요하다. 그리고 이러한 프로그램의 투입 후 성별 또는 학년, 학교 급 에 따라 시스템 사고에 어떠한 차이가 나타나는지 분석하는 추가적인 연구가 뒷받침 된다면 학생들의 시스템 사고 능력을 향상시킬 수 있는 좋은 근거가 되는 연구가 될 수 있을 것이다.

    사 사

    이 논문은 김태수의 2009년도 석사 학위논문을 기 초로 보완하여 수정한 것임.

    Figure

    JKESS-38-1-91_F1.gif

    D student’s drawing.

    JKESS-38-1-91_F2.gif

    E student’s drawing.

    JKESS-38-1-91_F3.gif

    G student’s drawing.

    JKESS-38-1-91_F4.gif

    B student’s causal map about global warming.

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    F student’s causal map about global warming.

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    G student’s causal map about global warming.

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    H student’s causal map about global warming.

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    F student’s causal map about volcano eruption.

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    B student’s causal map about desertification.

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    F student’s causal map about desertification.

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    G student’s causal map about desertification.

    JKESS-38-1-91_F12.gif

    H student’s causal map about desertification.

    Table

    Science writing programs

    Composition of DAET-C checklist

    The summary of F student’s result

    The findings of DAET-C analysis

    Contents in integrating writing

    The analysis of systems thinking about 8 high school students

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