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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.3 pp.222-238
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.3.222

Exploring a Learning Progression for Integrated Process Skills in Earth Science Inquiry

Kiyoung Lee, Jaeyong Park*
Division of Science Education, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea
Corresponding author: exaurora@naver.com+82-33-740-9731+82-33-732-8416
April 10, 2017 June 6, 2017 June 19, 2017

Abstract

The purpose of this study is to explore a learning progression for integrated process skills in Earth science inquiry. For the purpose, a hypothetical learning progression (HLP) that capture how students’ integrated process skills of science become sophisticated over time is developed through the literature review. This learning progression contains four components of the integrated process skills of science: designing inquiry, collecting data, analyzing data, and forming conclusion. Three hypothetico-deductive inquiry tasks of Earth science that start from recognition of the given problem to the forming conclusion are developed in order to document students’ integrated process skills. A total of 126 students from middle, high, college level students participated in this study. After conducting the Earth science inquiry tasks, the integrated process skills of individual students are assessed by element based on HLP. In addition, the validation process for HLP was administered by applying the Rasch model using the students’ assessment data. Finally, based on the analyzed data, the empirical learning progression (ELP) is developed by revising and supplementing the HLP. This study can help to find scaffolding methods to effectively improve the students’ integrated process skills in Earth science inquiry class by identifying the factors that affect students’ development of integrated process skills. It also provide implications for improving teachers’ PCK of Earth science inquiry instruction.


지구과학 탐구에서 통합 탐구 기능에 대한 학습발달과정 탐색

이 기영, 박 재용*
강원대학교 과학교육학부, 24341, 강원도 춘천시 강원대학길 1

초록

이 연구의 목적은 지구과학 탐구에서 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정을 탐색하는 것이다. 이를 위해 과학 탐구 기능 발달과정 관련 문헌의 조사를 통해 ‘탐구 설계’, ‘자료 수집’, ‘자료 해석’, 그리고 ‘결론 도출’을 발달 변인으로 설정하고, 각각에 대한 가설적 학습발달과정(HLP)을 4개 수준으로 개발하였다. 또한, 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정을 조사하기 위한 도구로 3가지 지구과학 탐구 과제를 개발하였는데, 이들은 학생들이 주어 진 문제 인식에서 출발하여 결론 도출에 이르기까지의 통합 탐구 기능을 포함하는 가설-연역적 탐구이다. 중학생, 고등 학생, 대학생 총 126명을 대상으로 각각 개발된 지구과학 탐구 과제를 수행하게 한 후 HLP를 토대로 개별 학생들의 통합 탐구 기능을 요소별로 평가하였다. 또한, 학생들의 평가 자료를 Rasch 모델에 적용하여 HLP에 대한 타당화 과정 을 거쳤다. 마지막으로, 분석 결과를 근거로 HLP를 수정 보완하여 경험적 학습발달과정을 개발하였다. 이 연구는 학생 들의 통합 탐구 기능의 발달에 영향을 주는 요인들을 규명함으로써 지구과학 탐구 수업에서 학생들의 통합 탐구 기능 을 효과적으로 향상시키기 위한 스캐폴딩 방안을 찾는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 지구과학 탐구 수업에 대한 교사들의 PCK를 향상시키는데 필요한 시사점을 제공한다.


    Kangwon National University
    520150199

    서 론

    적어도 지난 50년 동안, 탐구라는 말은 과학교육에 서 과학의 실행-과학자의 사고와 조사 방법, 그들이 구성하는 지식을 반영한 학습의 한 형태-을 모방한 능동적인 학습의 형태를 촉진하기 위해 지속적으로 사용되어 왔다(Chiappetta and Koballa, 2015). 탐구 는 과학 교과를 다른 교과와 구분 짓는 가장 특징적 인 용어로, 과학교육 프로그램 및 탐구 중심의 학습 을 강조하는 국가 수준의 과학교육과정에서 두드러지 게 나타난다. 일반적으로 탐구는 기존의 지식과 여러 방법을 통해 새로운 지식을 생성하고 검증하는 과정 을 의미하며(Meichtry, 1999), 특히 과학 탐구는 과학 자들이 자연 현상을 연구하는 다양한 방법 및 과정 들과 관련되어 있다. 과학교육에서는 과학 탐구에 학 생들의 과학 지식을 발달시키고 과학적 개념을 이해 시키는 활동뿐만 아니라, 과학자들이 자연 세계를 연 구하는 방법에 대한 이해를 포함하는 교수-학습 수단 으로서의 의미를 담고 있다(NRC, 1996; NRC, 2000). 즉, 과학 탐구는 과학과 과학 학습의 핵심이자 과학을 가르치기 위한 주요 전략으로 표현된다(NRC, 1996; Luft et al., 2008).

    과학교육에서 탐구의 목적은 학생들로 하여금 과학 적 탐구 과정을 통해 과학 지식을 획득할 뿐만 아니 라 과학 탐구의 본성을 이해하며, 과학 탐구를 수행 할 수 있는 능력과 기능을 습득하는 것이다(Cho et al., 2009; Gaskell, 1992; Park et al., 2011; Vasques, 2008; Wellington and Ireson, 2008). 미국의 국가연 구위원회(NRC)는 ‘국가과학교육기준(National Science Education Standards, 1996)’에서 탐구로서의 과학 (science as inquiry)을 강조하며, 학교 과학교육의 목 표 중 하나로 과학 탐구에 필요한 능력의 획득을 제 시하고 있다. 또한, 차세대 과학교육 표준(Next Generation Science Standards, NGSS)에서도 학문의 핵심 개념(core concepts) 습득과 더불어 8개의 과학 적 및 공학적 실행(practices) 능력(질문 제기 및 문제 정의, 모형의 개발 및 이용, 탐구 계획 및 수행, 자료 분석 및 해석, 수학의 이용 및 수리적 사고, 설명 구 성 및 해결책 구안, 증거를 토대로 한 논증 참여, 정 보 수집, 평가 및 교환), 그리고 관통 개념(crosscutting concepts)의 향상을 과학교육의 주요 목표로 설정하고 있다. 이처럼 탐구 기반의 과학교육에서는 과학적 탐구 기능(학생들이 할 수 있어야 하는 것)과 과학적 탐구에 대한 지식(학생들이 과학적 탐구의 본 성에 대하여 이해해야 하는 것)의 향상을 주요 목표 로 하고 있다(Bybee, 2000). 우리나라도 과학과 교육 과정의 성격에서 다양한 탐구 중심의 학습이 이루어 지도록 할 것을 명시하고 있으며, 탐구를 통한 지식 의 습득과 과학적 탐구 능력의 함양을 과학과의 주 요 목표로 설정함으로써 탐구 기반의 과학교육을 꾀 하고 있다(MOEHR, 2007; MOE, 2015).

    과학 탐구에 필요한 능력 즉, 과학적 탐구 능력이 란 과학자들이 조사하고 연구하는데 필요한 능력으로 문제를 해결해 나가는 절차와 이에 관련된 사고 과 정이지만, 이는 학생들이 어떤 문제에 부딪쳤을 때 과학적 탐구 방법에 의해 스스로 문제를 해결하는 능력이기도 하다(Kwon and Kim, 1994). 2015 개정 과학과 교육과정에서는 학생들이 갖추어야 할 핵심역 량의 하나로 과학적 탐구 능력을 제시하며, 과학적 탐구 능력을 과학적 문제 해결을 위한 실험, 조사, 토론 등 다양한 방법으로 증거를 수집, 해석, 평가하 여 새로운 과학 지식을 얻거나 의미를 구성해 가는 능력으로 정의하고 있다(MOE, 2015). 이러한 정의에 서 알 수 있듯이 과학교육의 주요 목표인 과학적 탐 구 능력을 향상시키기 위해서는 과학의 탐구 과정에 서 사용되는 기능을 체계적으로 익힐 필요가 있다. 오늘날 과학교육에서는 학생들이 자연 현상을 탐구하 는 데 필요한 탐구 기능의 계발을 중시하며, 이러한 기능의 신장을 통해 학생들이 자연 현상뿐만 아니라 일상생활의 문제를 합리적으로 해결하는 능력을 갖추 길 바라고 있다(Jang, 2014).

    과학에서 탐구는 정형화된 과정을 통해 이루어지는 것이 아니고, 다양한 방법에 의해 이루어질 수 있기 때문에 과학 탐구 과정에 필요한 기능들도 다양하게 구분되어 왔다(NRC, 1996). 미국과학진흥협회(AAAS, 1990)에서 개발한 SAPA II에서는 탐구 기능을 8가지 의 기초 기능(관찰, 측정, 분류, 시간과 공간 관계 이 용, 수의 사용, 의사소통, 예상, 추론)과 5가지의 통합 기능(변인 통제, 자료 해석, 조작적 정의, 가설 설정, 실험)으로 구분하여 제시하고 있다. 이와 달리 Chiappetta and Koballa(2015)는 지난 반세기 이상 과학교육에서 강조되어 온 탐구 기능을 정리하여 SAPA II에서 제시한 기초 기능 중 의사소통을 제외 한 7가지의 기초 기능과 6가지 통합 기능(용어의 조 작적 정의, 모형 형성, 변인 통제, 자료 해석, 가설 설정, 실험)을 제시하고 있다. 우리나라의 경우에도 제7차 과학과 교육과정에서 탐구 과정을 기초 탐구 와 통합 탐구로 나누어 제시하였는데, SAPA II에서는 8가지의 기초 기능을 제시하였지만 제7차 교육과정에 서는 관찰, 분류, 측정, 예상, 추리 등 5가지의 기초 탐구 기능으로 구분하였고, 통합 탐구 기능을 문제 인식, 가설 설정, 변인 통제, 자료 변환, 자료 해석, 결론 도출, 일반화 등 7가지의 기능으로 구분하여 제 시하고 있다(MOE, 1997). 2015년 개정 과학과 교육 과정에서는 학생들이 수행하기를 또는 할 수 있기를 기대하는 8가지의 과학적 탐구 기능(문제 인식, 탐구 설계와 수행, 자료의 수집·분석 및 해석, 수학적 사 고와 컴퓨터 활용, 모형의 개발과 사용, 증거에 기초 한 토론과 논증, 결론 도출 및 평가, 의사소통)을 내 용 체계에서 제시하고 있으며, 이는 기존의 통합 탐 구 기능을 포괄하고 있다(MOE, 2015).

    이와 같은 과학 탐구 기능은 과학적 탐구를 위하 여 필수적이며 과학적 탐구 능력을 향상시키는데 중 요한 기초가 된다. 과학 학습에서 과학 탐구 기능이 중요한 까닭은 과학이 단순히 지식의 습득을 통해서 이루어지는 것이 아니라 과학을 행함(doing science) 으로써 이루어지고, 과학 탐구 기능들의 발달을 통해 새로운 문제 상황에서 스스로 문제를 인식하고 이를 해결할 수 있는 능력이 길러지기 때문이다(Martin, 2000; Rezba, 2007). 특히, 기초 탐구 기능이 복합적 으로 포함된 통합 탐구 기능은 고차원적 사고 능력 을 요구하며, 과학 지식의 획득 및 과학 탐구의 본성 을 이해하는데 필수적이다(Cho and Choi, 2006; Jang, 2014; Kim, 2002; Selles-Martinez, 2004). 인과 관계 또는 상관관계의 규명에 목적을 둔 과학적 조 사와 인과관계의 규명에 목적을 둔 엄격한 의미의 실험은 통합적 탐구 과정을 통해서 이루어지므로, 과 학적 연구나 실질적인 과학 탐구 학습이 이루어지기 위해서는 이에 필요한 통합 탐구 기능을 습득해야 한다(Cho et al., 2014).

    이러한 탐구 기능이 탐구 수업 과정에서 자연스럽 게 습득되는 것은 아니다. Lee and Kang(2012)은 탐 구 기능의 직접적 수업을 위한 탐구 기능 하위 요소 추출에 관한 연구에서 선행 연구 결과들을 분석하여 많은 교사들이 탐구 기능은 직접적으로 가르치지 않 아도 과학 수업 또는 탐구 수업 과정을 통해 부수적 으로 습득되는 것으로 인식하는 경향이 있음을 지적 하며, 탐구 기능을 사용하는 방법에 대해 구체적이고 직접적으로 가르쳐야 함을 강조하고 있다.

    과학교육에서 이와 같은 통합 탐구 기능의 역할과 중요성을 감안할 때, 탐구 기능은 학교의 과학 교수- 학습 과정을 통해 학습되어야 하고, 개별 학생들의 탐구 기능에 대한 발달 정도는 당연히 평가되어야 한다(Cho et al., 2014). 또한 학생들의 탐구 기능의 발달에 미친 요인들을 찾아 탐구 기능에 대한 학생 들의 성취를 극대화시킬 수 있도록 도움을 제공해야 한다. 고차원적 사고가 요구되는 통합 탐구 기능일 경우에는 더욱 그러하다. 따라서 학생들의 통합 탐구 기능이 요소별로 어떤 경로를 따라 발달되어 가는지 파악하는 것이 우선적으로 이루어져야 할 필요가 있 다. 이런 의미에서 최근 과학교육 연구에서 국내외적 으로 관심이 증가하고 있는 학습발달과정(learning progression) 개념과의 접목이 요구된다.

    학습발달과정은 특정 과학 개념에 대한 학생들의 사고가 시간에 따라 정교화되는 경로를 가설적으로 기술한 것으로(NRC, 2007; Corcoran et al., 2009; Maeng et al., 2014), 하위 정착점(lower anchor), 중 간 단계(intermediate), 상위 정착점(upper anchor)과 같은 질적으로 서로 다른 몇 개의 성취 수준들로 구 성되며, 이 수준들은 교사들이 수업 목표 또는 선개 념 진단 도구로 사용할 수 있는 개념적 디딤돌 또는 벤치마크라 할 수 있다(Lee and Lee, 2016).

    학습발달과정은 ‘학습이 발달을 이끈다.’라는 비고 츠키의 이론과 맥락을 같이 한다. 이는 ‘발달이 학습 에 선행한다.’는 피아제(Piaget)의 이론과 달리 학습 자의 근접발달영역(zone of proximal development)내 에서 적절한 교사의 스캐폴딩을 통해 발달이 일어난 다고 보고 있다(Vygotsky, 1978). 학습발달과정 연구 는 이러한 비고츠키의 이론에 기반하여 발달적으로 어쩔 수 없는 것이 아니라 학생의 선지식과 상호작 용하여 새로운 지식을 구성하는 수업에 의존하며, 적 절한 수업을 통해 학생들의 개념과 실행이 시간에 따라 보다 정교화된다고 본다. 그러므로 학습발달과 정은 교사가 단순히 학생들의 성취여부를 판단하기 위함이 아니라, 학습에서 무엇이 문제인지, 다음 단 계를 지향하는 발달을 위해 어느 지점을 보완해야 하는지를 도와주는 지도와 같은 역할을 할 수 있다 (Lee et al., 2016).

    절차적으로 보면, 학습발달과정 연구는 핵심 과학 개념에 대해 가설적 학습발달과정의 개발부터 시작되 는데, 이 과정은 과학적으로 합의된 관점, 교육과정 문서, 학생들의 사고에 대한 과학교육 연구를 토대로 이루어진다. 이 가설적 학습발달과정을 근거로 학생 들에 대한 자료를 수집하게 되며, 이 자료들을 활용 하여 경험적으로 가설적 학습발달과정의 타당도를 향 상시키게 되는데, 이러한 개발과 향상의 과정은 반복 적으로 이루어진다(Breslyn et al., 2016). 학습발달과 정은 학습을 발달로 기술하는 장점 이외에도 학생들 이 학습하는 방법과 관련하여 교육과정, 수업, 평가 를 좀 더 잘 조율하고, 학습에서 학생들이 겪을 수 있는 여러 가지 어려움을 예상할 수 있는 더 나은 기회를 제공한다(Osborne et al., 2016).

    이 연구에서는 통합 탐구 기능에 대한 학습발달과 정을 탐색하고자 하였다. 학습발달과정에 대한 기존 의 연구들은 대부분 과학 지식(개념)에 관한 것이었 고 과학 탐구 기능에 관한 연구는 거의 없었다. 과학 개념에 대한 이해가 사고 과정과 더불어 발달되는 것처럼 탐구 과정을 통해서 개념 이해가 촉진될 수 있다. 이러한 탐구 과정의 중요성을 고려할 때, 학생 들의 과학 탐구 기능이 어떤 수준으로 구분될 수 있 는지, 또 시간에 따라 어떻게 정교화 되는지 밝힐 필 요가 있다. 이 연구는 학생들의 통합 탐구 기능의 발 달에 미친 요인들을 규명함으로써 과학 탐구 수업에 서 학생들의 통합 탐구 기능을 효과적으로 향상시키 기 위한 스캐폴딩 방안을 찾는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 과학 탐구 수업에 대한 교사들의 PCK 를 향상시키는데 필요한 시사점을 제공해 줄 수 있 을 것이다.

    연구 방법

    연구 절차

    이 연구는 Fig. 1과 같은 절차를 거쳐서 진행되었 다. 먼저 과학적 탐구 영역(NRC, 1996, 2000; Park et al., 2012), 탐구 기능의 분류 및 하위 요소(AAAS, 1990; Chiappetta and Koballa, 2015; Klopfer, 1971; Kwon et al., 2013; Lee and Kang, 2012; MOE, 1997, 2015), 탐구 기능의 발달과정(NRC, 2007; Gotwals and Songer, 2013; Lantz, 2004; Maeng et al., 2014; NGSS Lead States, 2013; Rezba, 2007)에 대한 문헌 조사를 통해 통합 탐구 기능에 대한 가설 적 학습발달과정(hypothetical learning progression, HLP)을 개발하였으며, 평가 도구에 해당되는 지구과 학 탐구 과제를 개발하였다. 다음 단계에서는 중학생, 고등학생, 대학생을 대상으로 각각 개발한 탐구 과제 를 수행하게 하고 HLP를 토대로 개별 학생들의 통 합 탐구 기능을 요소별로 평가하였다. 학생들의 평가 자료에 대해 Rasch 모델을 적용하여 HLP에 대한 타 당화(validation) 과정을 거쳤으며, 마지막으로는 분석 결과를 근거로 HLP를 수정 보완하여 경험적 학습발 달과정(empirical learning progression, ELP)을 개발 하였다.

    특히, 이 연구의 기초가 되는 가설적 학습발달과정 의 발달변인(progress variables)을 설정하기 위하여 문헌 연구 결과를 바탕으로 탐구 기능 요소들을 그 의미의 유사성에 비추어 재분류하였고, 이들 요소에 대한 학교 현장에서의 적용 가능성 및 적합성 여부 를 살펴보기 위하여 교육경력이 15년 이상이고 대학 원에서 과학교육학을 전공한 고등학교 과학교사 6인 (물리 1, 화학 1, 생명과학 1, 지구과학 3)의 검토를 받아 통합 탐구 기능 요소를 재구성하였다. 이와 같 은 과정을 거쳐 통합 탐구 기능에 대한 발달변인으 로 탐구 설계, 자료 수집, 자료 해석, 결론 도출을 설 정하였고, 연구자와 현장교사들과의 협의 과정에서 나타난 문제점 즉, 하위 수준과 상급 수준 사이의 차 이를 판별하기 위한 기준의 명확성, 중등학교 현장에 서의 활용도 제고 및 평가의 용이성 등을 고려하여 각각의 발달 변인을 4개의 수준으로 구분하였다.

    자료 수집

    1)연구 참여자

    이 연구의 목적이 통합 탐구 기능에 대한 학생 발 달의 가설적인 경로를 탐색하는 것이므로, 이를 위해 서는 다양한 학교급을 대상으로 탐구 능력에 대한 정보를 수집할 필요가 있다. 이를 감안하여 이 연구 에서는 3개 학교급(중학교, 고등학교, 대학교)에서 학 생 총 126명을 선정하였다. 중학교는 지역 예선에서 선발되어 전국 과학탐구대회에 참가한 각 지역을 대 표하는 35명의 1학년과 2학년 학생들이었으며, 고등 학교는 강원도에 소재한 과학고등학교 2학년 학생 60명이었으며, 대학교는 강원도 소재 국립 사범대학 에서 과학교육을 전공하는 31명의 1학년과 4학년 학 생들이었다. 이상적인 학습발달과정 연구를 위해서는 참여 학생들을 대상으로 한 종단적인 추적 연구가 이루어져야 하나 소요 기간 등 현실적인 문제를 고 려하여 여러 학교급을 가로지르는 횡단적인 연구 방 법을 선택하였다. 또 참여 학생들을 무선적으로 표집 하지 못한 것은 이 연구에서 주어진 탐구 과제가 학 생들이 스스로 수행해야 하는 개방적인 가설-연역적 탐구였기 때문에 학교 여건 등 여러 가지 제한점으 로 인해 연구자들이 소속된 학교로 한정될 수밖에 없었다. Table 1은 이 연구에 참여한 학생들의 기본 적인 배경 정보를 정리한 것이다.

    2)평가 도구

    이 연구에서는 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정을 조사하기 위한 도구로, 탐구를 위한 문제와 실험 재료가 제공되지만 학생들이 문제해결을 위한 절차를 스스로 고안하여 실험을 수행하는 안내 된 탐구(guided inquiry) 형식(Colburn, 2000)의 과제 를 개발하였다. 이 탐구 과제는 학생들이 주어진 문 제 인식에서 출발하여 가설 설정, 실험 설계, 자료 분석 및 해석, 그리고 결론 도출 및 일반화에 이르기 까지의 통합 탐구 기능을 포함하는 가설-연역적 (hypothetico-deductive) 탐구로, 해당 모형에 대한 이 해도가 높고 자료 개발 및 현장 적용 경험이 풍부한 과학교육 전문가 1인에 의해 개발되었다. 또한 교과 서를 비롯한 도서나 인터넷 검색 등을 통해 직접 해 결할 수 없는 과제를 개발함으로써 학생들의 선경험 이나 탐구 내용과 관련된 지식 습득 여부가 과제 해 결에 미치는 영향을 최소화하고자 하였다. 이 연구에 서는 먼저 Fig. 2와 같이 물시계를 주제로 한 탐구 과제를 연구에 참여한 모든 학생들에게 제시하였다. 이 탐구 과제는 가설적 학습발달과정의 4가지 발달 변인들을 모두 포함하고 있고, 학생들의 통합 탐구 기능의 발달 수준을 확인하기 위해 변인 규명하기, 가설 설정하기, 실험 설계하기, 자료 수집하기, 표와 그래프 작성하기, 변인 사이의 관계 규명하기, 가설의 수용 여부 판단하기 등의 과정들로 구성되어 있다.

    한편, 가설적 학습발달과정의 타당성을 검증하기 위해 앞서 수행한 물시계를 주제로 한 탐구 과제 이 외에 Fig. 3과 같은 2개의 탐구 과제를 추가로 개발 하였다. 이들 과제 역시 가설적 학습발달과정의 발달 변인과 통합 탐구 기능의 과정 요소들을 모두 포함 하고 있고 가설-연역적 탐구 방법에 따라 과제를 수 행하도록 되어 있다. 두 과제를 개발하기 위해 물시 계를 주제로 한 탐구 과제를 개발했던 과학교육 전 문가 1인을 포함하여 과학교육 전문가 2인이 참여하 였고, 각자 역할을 분담하여 과제에 대한 초안을 개 발한 다음 두 차례에 걸친 교차 검토를 통해 자료를 보완하였다. 개발된 자료를 적용하기에 앞서 교육경 력이 10년 이상이고 석사 학위 이상을 소지하고 있 으며 탐구실험대회 출제와 탐구 지도 경험이 풍부한 현장의 과학교사 4인(물리 2, 지구과학 2)에게 내용 타당도를 검토 받았고, 그 결과를 반영하여 실험 재 료의 일부를 수정하고 과제의 난이도를 조절하였다. 가설적 학습발달과정의 타당성 검증이란 학습발달과 정의 가설적인 발달 경로가 교사의 개입(intervention) 에 의해 대부분의 학생들에게 실제로 나타나는지 알 아보는 구인 타당도(construct validity)와 관련된 것이 다(Lee et al., 2016; Corcoran et al., 2009). 이를 위 해 이 연구에서는 과제마다 약 한 달 정도의 시간 간격을 두고 3개의 탐구 과제를 과학고등학교 2학년 학생 60명에게 순차적으로 수행하게 하였고, 각 탐구 과제를 수행한 후에는 연구자 중 한 명인 지도 교사 가 피드백을 통해 개입하는 방식을 채택하였다. 첫 번째 탐구 과제를 수행한 후에는 학생들이 작성한 보고서 중에서 지도 교사의 자세한 첨삭지도가 더해 진 두 편의 보고서를 모든 학생들이 공유하도록 하 였고, 두 번째 탐구 과제를 수행한 후에는 두 시간에 걸친 교실 수업을 통해 학생들의 탐구 장면에 대한 교 사의 관찰 결과와 학생들이 작성한 보고서를 사례로 과학적 탐구 방법 및 보고서 작성법을 안내하였다.

    자료 분석

    이 연구에서는 참여 학생들이 작성한 보고서를 평 가하였다. 보고서를 자료 분석에 활용한 이유는 보고 서 쓰기가 과학 탐구 기능과 직접 관련되어 있기 때 문이다(Keys et al., 1999). 특히 문제에 대한 잠정적 인 답의 형태로 가설을 진술하고, 가설을 검증하기 위해 실험을 수행하는 동안 변인 통제를 고려하며, 수집한 자료를 표와 그래프 등 적절한 형태로 변환 하여 비판적으로 해석하면서, 실험 결과에 기초하여 결론을 도출하는 통합 탐구 기능과 관련된다(Cho and Choi, 2008). 따라서, 학생들의 통합 탐구 기능의 발달과정을 통계적 분석을 통해 확인하기 위해서는 학생들이 작성한 보고서를 평가하여 확인하는 것이 가장 효과적이다.

    평가 구인에 대한 성취 수준과 연결하기 위하여 통계적 해석으로 응답자의 점수나 성취 정도를 알아 보기 위해 Rasch 모델을 측정 모델(measurement model)로 적용하였다. Rasch 모델은 문항 반응 이론 (item response theory)에 기반한 측정 모델로서, 특정 문항에서 피험자가 추측 등을 통해 피험자의 능력보 다 높은 문항 곤란도를 가진 문항에서 정답을 선택 하는 경우나, 능력이 높은 피험자가 실수로 오답을 선택한 경우 등과 같은 객관적이지 않은 사실에 주 목하여, 피험자의 능력에 대한 정답과 오답 선택을 확률로 접근한다(Ji and Chae, 2012). Rasch 모델은 문항 곤란도만을 고려하기 때문에 모수(parameter) 추정이 간단하여 학습발달과정 연구의 측정 모델로 가장 널리 사용되고 있다(Maeng et al., 2014; Jin and Anderson, 2012). 이 연구에서는 각 발달변인별 로 점수를 부여하고 이를 종합한 결과를 Rasch 모델 을 적용하여 학생들의 응답 결과가 가설적 학습발달 과정에서 잠정적으로 구분했던 하위 정착점-중간 단 계-상위 정착점으로 이어지는 학습발달의 경로를 잘 보여줄 수 있는지를 파악하는 이른바 ‘검사 결과에 기반한 타당성의 증거(validity evidence based on the consequence of testing)’를 제공하게 된다(Maeng et al., 2014). 이를 위해 Winsteps 소프트웨어를 활용하 여 피험자 능력과 곤란도와의 관계를 보여주는 Wrightmap을 산출하였다(Wright and Linacre, 1994).

    연구 결과 및 논의

    가설적 학습발달과정 개발

    참여 학생들의 통합 탐구 기능에 대한 학습발달과 정을 조사하기 위하여 Table 2와 같이 가설적 학습발 달과정을 작성하였다. 이 연구에서는 통합 탐구 기능 에 대한 발달변인(progress variables)으로 탐구 설계, 자료 수집, 자료 해석, 결론 도출을 설정하였으며, 각 변인별로 4수준의 발달 단계를 개발하였다. 각 발달 단계에서 수준1은 학습발달과정의 하위 정착점에 해 당되며, 수준4는 상위 정착점에 해당된다. 또한, 수준 2-3은 중간 단계로서 상위 단계로 가기 위한 디딤돌 역할을 하게 된다(Maeng et al., 2014). 발달 변인에 따른 각 수준의 의미와 구분 준거를 설명하면 다음 과 같다.

    1)탐구 설계

    수준 1은 독립 변인과 종속 변인을 구분하여 제시 하는 것이다. 학생들이 탐구를 설계하기 위해서는 가 장 먼저 실험의 목적을 분명하게 인식하고 있어야 한다. 실험의 목적을 확실하게 인식하면 실험에서 원 인이 되는 것이 무엇이고 결과로 나타나는 것은 무 엇인지가 분명해지기 때문이다. 실험의 목적에는 조 작 변인과 종속 변인이 드러나므로 독립 변인과 종 속 변인을 구분하는 것은 탐구 설계의 가장 첫 단계 라고 할 수 있을 뿐만 아니라 학생들이 실험의 목적 을 인식하고 있는지를 판단할 수 있는 근거가 된다.

    수준 2는 문제와 논리적으로 연관된 가설을 설정 하는 것이다. 독립 변인과 종속 변인을 구분한 다음 에는 이들 사이의 인과적 의문에 대한 잠정적인 답 즉, 가설을 설정하게 된다. 가설 설정은 독립 변인을 조작하면 종속 변인에 어떤 변화가 나타날지를 구체 적으로 표현하는 것이다. 독립 변인과 종속 변인을 구분하는 것과 가설을 설정하는 것 모두 탐구의 시 작 단계에서 중요한 의미를 갖지만, 가설이 문제와 논리적으로 연관된 독립 변인과 종속 변인 사이의 관계를 검증 가능한 형태로 진술한다는 점에서 가설 설정을 단순히 독립 변인과 종속 변인을 구분하는 것보다 상위 수준으로 정하였다.

    수준 3은 가설의 잠정성을 확인하기 위해 변인 통 제 계획을 수립하는 것이다. 설정한 가설에 대해 공 정한 검증이 가능하도록 실험을 설계하기 위해서는 실험에 영향을 주는 여러 조건들을 확인하고 조작 변인 이외의 여러 변인들을 일정하게 유지시켜 주는 과정 즉, 변인 통제가 필요하다. 가설 설정과 변인 통제는 상보적인 성격을 띠고 있어 수준을 구분하기 가 쉽지 않지만, 단순히 가설을 설정하는 것만으로는 가설의 타당성을 검증할 수 있는 공정한 실험이 이 루어질 수 없다는 실험 설계의 과정적 측면과, 학생 들이 가설을 설정하였지만 변인 통제 계획이 누락되 어 있거나 바르지 않아 올바른 실험 설계가 후속되 지 않는다는 현장 교사들의 경험적 측면에서 변인 통제 계획을 가설 설정보다 상위 수준으로 정하였다.

    수준 4는 가설을 검증하는 데 적절한 실험 과정을 설계하는 것이다. 실험 과정을 설계하는 것은 가설을 검증하는데 필요한 자료를 수집하기 위해 실험 재료 와 수행 방법을 객관적이고 일목요연하게 정리하는 것으로, 공정한 실험과 관련된 구체적인 정보를 담고 있다. 수준 4는 실험과 관련된 모든 변인, 필요한 실 험 재료, 관찰과 측정의 범위와 횟수 등을 종합적으 로 고려해야 한다는 점에서 탐구 설계 요소의 최상 위 수준에 해당한다.

    2)자료 변환

    수준 1은 측정에 기초하여 데이터를 단순하게 기 록하는 것이다. 실험 설계를 마친 다음에는 변인들 사이의 관계를 확인하기 위하여 양적 관찰인 측정의 단계를 거쳐 자료를 수집한다. 측정에 기초하여 실험 결과를 단순하게 기록하는 것은 자료 변환 능력의 가장 초보적인 단계라고 할 수 있다.

    수준 2는 수집한 자료를 일목요연하게 볼 수 있도 록 표를 작성하는 것이다. 표는 제한된 지면에 많은 양의 자료를 정리할 수 있고, 묘사적 설명으로는 한 눈에 파악할 수 없었던 결과를 효과적으로 제시할 수 있다는 등의 장점이 있다. 다양한 자료 변환 방법 중 표 작성은 학교 교육과정에서 가장 많이 사용하 고 있는 자료 변환 방법 중 하나이거니와, 학생들의 자료 변환 능력 향상을 위한 학습 계열에서 가장 먼 저 이루어지는 활동이라는 점에서 두 번째 학습 단 계로 정하였다.

    수준 3은 결과를 해석하거나 핵심을 강조하는 데 유리하게 표를 그래프로 변환하는 것이다. 표가 지닌 여러 장점에도 불구하고 표는 그래프에 비해 시각적 인 효과가 떨어진다. 시각적 언어를 사용하여 실험 결과를 요약하고, 규칙에 따라 자료를 공간에 표현함 으로써 자료의 경향성을 보여주는 것은 자료 변환의 핵심이다. 일반적으로 학생들은 표보다 그래프를 작 성하는 데 어려움을 겪고 있다는 점에 비추어 결과 를 해석하거나 실험 결과의 핵심적인 내용을 강조하 는 데 유리하게 그래프로 변환시키는 능력을 표 작 성보다 상위의 학습 단계로 정하였다.

    수준 4는 작성한 그래프의 유형이 적절하고 축 값, 스케일, 범례 등을 정확하게 표시하는 것이다. 단순 히 표의 내용에 대한 시각적인 효과만을 높이기 위 해 그래프를 작성하는 것은 아니다. 그래프도 정보전 달 도구로서의 역할을 충실히 수행할 수 있어야 한 다. 학생들이 주로 사용하는 그래프에는 막대 그래프, 선 그래프, 원 그래프 등 여러 종류가 있지만 그래프 마다 특성이 다르기 때문에 각 그래프의 특성을 살 려서 자료를 변환하는 것이 중요하다. 또한 그래프에 는 각 축의 제목과 단위가 명확히 제시되어 있어야 하고, 눈금 사이의 간격이 적절해야 하며, 범례에 대 한 설명이 들어가 있어야 하는 등의 방법을 통해 정 보를 정확히 전달할 수 있어야 한다. 정보전달 도구 로서 충실히 기능하는 그래프를 작성하는 데는 복잡 한 인지적 능력이 요구된다는 점에서 이를 자료 변 환의 최상위 학습 단계로 정하였다.

    3)자료 해석

    수준 1은 표와 그래프의 내용을 단순히 반복하여 기술하는 것이다. 표와 그래프 등으로 자료 변환을 한 다음에는 변환된 자료가 나타내는 의미를 분석하 고 해석하는 과정이 필요하다. 이 과정에서 표와 그 래프의 내용을 단순히 서술 방법으로 반복하여 기술 하는 것은 온전한 의미의 자료 해석이라고 보기 어 렵지만, 자료 해석 과정에서 가장 하위 단계에 머물 러 있는 학생들에게서 흔히 나타나는 현상이다. 수준 1은 표와 그래프의 의미를 이해하지 못한 채 표와 그 래프에 나타나 있는 기술적인 정보만을 보이는 대로 기술한 경우에 해당한다.

    수준 2는 표와 그래프에 나타난 자료를 비교하여 기술하는 것이다. 자료를 해석할 때는 표와 그래프에 제시되어 있는 값들의 의미를 바르게 이해한 다음에 변인들 사이의 인과관계나 상관관계를 찾아 해석해야 하지만, 단순히 표와 그래프에 나타난 값들을 비교하 여 기술한 채 변인들 사이의 관계를 해석하는 데까 지 이르지 못하는 경우가 많다. 수준 2는 학생들이 표와 그래프에 나타난 자료를 비교하여 자신의 말로 표현하고 있지만 변인들 사이의 관계를 해석하는 단 계까지 이르지 못한 경우에 해당한다.

    수준 3은 표와 그래프의 경향성을 파악하여 조작 변인과 종속 변인의 관계를 분석하는 것이다. 수준 3 은 표와 그래프로 변환된 자료에서 조작 변인에 따 른 종속 변인의 변화 경향을 살펴보고 변인 사이의 관계를 분석한다는 점에서 고차적인 탐구 기능에 속 한다고 할 수 있다. 하지만 이와 같이 변인 사이의 관계를 분석하는 것만으로는 실험 결과의 의미와 가 치에 대한 통찰이 이루어졌다고 보기 어렵다. 수준 3 은 학생들이 변인들 사이의 관계를 확인하고 이에 대한 내용을 기술하였지만 학생들 자신이 얻은 결과 에 대한 논의가 부족한 경우에 해당한다.

    수준 4는 실험 결과의 의미를 토의하는 것이다. 자 료 해석은 실험 결과를 해석하고 분석하여 그 결과 가 어떤 의미를 가지고 있는지 밝히고, 그와 같은 실 험 결과가 나타난 원인을 분석하는 과정을 포함한다. 이러한 과정을 통해 학생들은 해결하고자 하는 문제 에 대한 답을 얻기 위해 실험을 바르게 수행했는지 의 여부를 판단할 수 있다. 실험의 전 과정에 대해 깊이 있는 사고를 필요로 한다는 점에서 이를 자료 해석의 최상위 학습 단계로 정하였다.

    4)결론 도출

    수준 1은 실험 결과를 반복적으로 진술하는 것이 다. 결론 도출은 실험을 통해 수집한 자료를 바탕으 로 논리적 추론 과정을 거쳐 종합적인 결론을 내리 는 과정이다. 이때, 결론은 실험 결과에 대한 요약이 나 실험 결과를 반복적으로 진술하는 것이 아니라 결과에 바탕을 두어 논리적으로 추론한 진술이어야 한다. 가설에 포함되어 있는 조작 변인과 종속 변인 사이의 관계에 대한 진술 없이 실험 결과를 반복적 으로 진술하는 것은 결론 도출의 방법을 경험하지 못한 학생들의 초보적인 학습 단계에서 나타나는 특 징이라고 할 수 있다.

    수준 2는 변인들 간의 관계로 실험 결과를 진술하 는 것이다. 즉, 변인들 사이의 관계를 포함하여 실험 을 통해 얻은 객관적인 자료를 제시하고 있고 과도 한 예측과 추측이 포함되어 있지 않지만, 자료 해석 과정에서 조작 변인과 종속 변인의 관계를 해석한 내용을 요약하여 진술하는 것이다. 수준 2는 변인 간 의 관계를 중심으로 실험 결과를 객관적으로 요약하 여 제시하고 있지만, 탐구 설계 과정에서 설정했던 가설의 검증에 관한 내용이 누락된 경우에 해당한다.

    수준 3은 실험 결과에 대한 분석 및 해석을 토대 로 가설의 수용 여부를 판단하는 것이다. 실험에서 얻은 자료에 근거하여 논리적 추론 과정을 통해 가 설을 기각할 것인지, 채택할 것인지를 점검하는 내용 이 포함된다. 결론 도출은 수행한 실험이 가설 검증 단계와 밀접한 관련이 있지만, 가설의 검증이 곧 결 론 도출 과정의 마무리를 의미하는 것은 아니다. 수 준 3은 탐구 설계 과정에서 설정했던 가설의 수용 여부를 기술하였지만, 실험의 제한점이나 앞으로의 실험에 대한 방향 등 가설을 검증한 결과를 토대로 결론을 진술한 과정이 누락된 경우에 해당한다.

    수준 4는 가설을 검증한 결과를 토대로 결론을 진 술하는 것이다. 수준 4에는 결론을 요약하여 진술하 는 것 외에도 실험의 제한점과 앞으로의 실험에 대 한 방향이나 시사점, 도출된 결론을 다른 상황에 적 용할 때 주의할 점 등이 포함된다. 또한 결론 도출이 어려울 경우, 이를 해결하기 위하여 무엇을 해야 할 지 판단하고 결론 도출 과정에서 잘못된 점이 없는 지를 점검하는 내용이 포함될 수 있다. 수준 4는 앞 의 모든 발달 변인과 각 발달 변인의 상위 정착점에 해당하는 수준을 모두 만족해야 할 수 있는 것으로 과학 탐구 활동의 종착점이자 지향점이라고 할 수 있다. 따라서 수준 4는 결론 도출 변인의 최상위 학 습 단계이자 과학 탐구 활동의 최고 학습 단계에 해 당한다고 할 수 있다.

    평가 결과 및 Rasch 모델 적용

    Fig. 4는 126명의 참여 학생들의 탐구 보고서를 Table 24개 발달변인에 따라 평가하여 학생별로 수준을 부여한 결과를 집단별로 구분하여 그래프로 나타낸 것이다. 그래프를 보면, 3개 집단별로 4개 발 달변인에 대한 수준이 상당한 차이가 있음을 알 수 있다. 대학교 예비교사 집단의 수준이 4개 발달변인 모두에서 가장 낮았으며, 발달변인 간 차이는 가장 작았다. 결론도출 변인에서는 집단 간 수준의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 하지만, 과학고등학교 집단과 중학교 영재 집단의 경우는 발달변인 간 차 이가 상당히 크게 나타났다. 과학고등학교 집단의 경 우는 자료해석 수준이 높은 반면 탐구설계 수준은 낮았으나, 중학교 영재 집단은 이와는 달리 탐구설계 수준이 가장 높은 것으로 나타났다. 특이하게도 중학 교 영재 집단의 탐구설계 수준이 3개 집단 중 탁월 하게 높게 나타났는데, 이것은 중학교 영재 집단의 특성에 기인한 것으로 추정된다. 중학교 영재 집단의 경우는 전국 과학탐구대회를 위해 지역 예선을 거친 학생들로 이 대회를 위해 전문적인 코칭을 받은 학 생들이다. 그러므로 가설-연역적 탐구에 필요한 통합 탐구 기능에 대해 특화된 교육을 받았다고 볼 수 있 다. 하지만, 이에 대한 보다 정확한 원인 분석을 위 해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    Fig. 5는 126명의 참여 학생들의 발달변인에 따른 수준 평가 결과를 Rasch 모델에 적용하여 산출한 Wrightmap1)이다. Wrightmap은 피험자의 능력과 각 발달변인의 곤란도를 동일한 스케일의 로지트(logit) 값으로 환산하여 표시한 것으로(Bond and Fox, 2007), 좌측 숫자들이 양(+)의 값을 가질수록 피험자 능력과 곤란도가 높아지는 것을 의미하며, 음(−)의 값은 이와 반대이다. 중앙의 세로 점선을 기준으로 좌측의 ‘#’과 ‘·’는 피험자의 수(number)를 나타내는 데, 이 맵에서는 각각 2명과 1명을 나타낸다. 또한 세로 점선의 좌측에 표시된 ‘M’은 피험자의 평균 능 력을 의미하는 것으로, 이 맵에서는 로지트 값으로 0.5 정도에 해당된다. 중앙의 세로 점선을 기준으로 우측에는 4개 발달변인 각 수준(예를 들면, AD. 3은 자료해석의 3수준을 의미)의 곤란도를 표시한 것으로, 위쪽에 위치할수록 곤란도가 높음을 의미한다. 또한 세로 점선의 우측에 표시된 ‘M’은 피험자의 평균 능 력을 의미하는 것으로, 이 맵에서는 로지트 값으로 0.0에 해당된다. Wrightmap에서는 다른 변인의 곤란 도를 상대적인 로지트 값으로 환산하여 표시하기 위 하여 곤란도의 평균값은 항상 0이 되게 맞춰져 있다.

    참여 학생들의 평균 능력(ability)은 로지트 값으로 0.5 정도로 4개 발달변인의 평균 곤란도(difficulty)인 로지트 값 0.0에 비해 약간 높게 나타났는데, 이는 피험자들의 능력이 발달변인의 평균 곤란도 이상임을 의미한다. 발달 변인별로는 자료해석(AD), 자료수집 (CD), 탐구설계(DI), 결론도출(FC) 순으로 피험자들 이 어려워하는 것으로 분석되었다. 특히 결론도출 (FC) 변인의 곤란도가 다른 3개 발달변인에 비해 상 대적으로 매우 높게 나타났으며, 2수준과 3수준간의 학생 능력 차이가 3수준과 4수준 간에(두 수준의 차 이는 적정한 것으로 판단됨) 비해 훨씬 크게 나타났 다. 이것은 가설적 학습발달과정에서 설정된 수준 중 2수준과 3수준의 차이가 너무 크기 때문에 중간에 한 단계 정도의 수준을 추가적으로 설정하거나, 현재 2수준의 곤란도를 좀 더 높이는 방향으로 수정 및 보 완될 필요가 있음을 의미한다. 또한 결론도출 변인의 경우는 수준별 곤란도가 다른 변인들에 비해 상대적 으로 매우 높게 산출되어 전체적인 수준의 하향 조 정이 필요할 것으로 판단된다.

    산출된 맵에서 두드러지는 것은 4개 발달변인의 1 수준에 해당되는 피험자들이 한 명도 없다는 것이다. 즉, 1수준은 로지트 값으로 −5 이하여서 해당되는 피 험자가 없어 Wrightmap에도 표시되지 않았다. 또한, 결론도출 변인의 4수준의 경우는 여기에 해당되는 피험자가 1명밖에 되지 않는 것으로 나타났다. 이것 은 이 연구에 참여한 학생들에 한정하여 4개 발달변 인 모두의 1수준은 피험자 능력에 비해 곤란도가 너 무 낮기 때문에 하위 정착점이 상향 조정되어야 하 며, 결론도출의 4수준은 피험자 능력에 비해 너무 어 려우므로 상위 정착점이 하향 조정될 필요가 있음을 의미한다.

    Fig. 6은 3개 집단의 발달변인에 따른 수준 평가 결과를 Rasch 모델에 적용하여 산출한 Wrightmap을 비교한 것이다. 평균학생 능력치는 대학교 예비교사 집단의 로지트 값이 −0.8 정도로 가장 낮았으며, 중 학교 영재 집단이 가장 높게 나타났다. 발달변인별 곤란도를 비교해보면 집단별로 상당한 차이가 있음을 볼 수 있다. 중학교 영재 집단은 탐구설계(DI)-자료해 석(AD)-자료수집(CD)-결론도출(FC) 순으로 어려워지 는데 비해 과학고등학교 집단은 자료해석(AD)-자료 수집(CD)-탐구설계(DI)-결론도출(FC) 순으로 어려워 지며, 대학교 예비교사 집단은 자료수집(CD)-탐구설 계(DI)-자료해석(AD)-결론도출(FC) 순으로 어려워진 다. 한편, 집단내 학생들간의 능력 차이는 대학교 집 단에서 가장 작았으며, 고등학교 집단에서 가장 크게 나타났다.

    한편, 통합 탐구 기능과 관련하여 교사의 스캐폴딩 에 의해 가설적 학습발달과정에서 설정한 경로에 따 라 실제로 학생들의 기능들이 발달해 가는지 알아보 기 위해 Fig. 7과 같은 그래프를 4개 구인별로 작성 하였다. 이 그래프는 3개의 탐구 과제를 순차적으로 수행하는 동안 4개 발달변인에 대한 참여 학생(60명) 의 수준 변화를 추적하여 나타낸 것이다. 구인에 따 라 약간의 차이가 있긴 하지만 전체적으로 과제2에 서 보다 과제3에서 학생들의 수준 변화가 훨씬 크게 나타났다. 구인별로 보면, 탐구설계(DI) 구인의 수준 변화가 가장 크게 나타났으며, 자료해석(AD) 구인의 변화가 가장 작게 나타났다. 탐구설계(DI) 변인의 경 우는 과제2까지 대부분 수준2에 머물러 있던 학생들 이 과제3에서는 73%가 수준4로 상향 변화되었다. 자 료수집(CD) 구인에서는 과제2까지 상향(upward), 정 체(neutral), 하향(downward)이 복잡하게 얽혀 있던 2~4수준의 학생들이 과제3에서는 모두 수준4로 집중 되고 있는 모습이 뚜렷하게 나타났다. 이와는 달리 자료해석(AD) 구인의 경우는 과제3에서 눈에 뛸 정 도의 현격한 수준 변화를 보이지 않았으나 수준4의 비율이 증가한 것을 볼 수 있다. 마지막으로 결론도 출(FC) 구인에서는 과제2까지 대부분 수준2에 머물 러 있던 학생들이 과제3에서는 수준3(42%)과 수준 4(25%)로 상향 변화된 것으로 나타났다.

    Table 3은 Fig. 7에서 과제2에서 과제3으로의 수준 변화를 구인별 및 변화 양상별로 구분하여 상세하게 정리한 것이다. 전체 경우(case)에서 약 64%가 상향 변화를, 약 33%가 정체를 나타내었으며, 하향 변화 는 2% 정도에 불과하였다. 이 연구에서 알아보고자 하는 구인타당도(가설적 학습발달과정에서 설정된 수 준을 따라 실제로 학생들의 능력이 발달해 가는가?) 의 관점에서 보면, Table 3에서 음영 부분에 해당되 는 약 94%의 경우를 유의한 타당도의 증거로 볼 수 있어 가설적 학습발달과정의 구인타당도는 매우 높은 것으로 판단된다.

    경험적 학습발달과정 개발

    학생들의 통합 탐구 기능을 가설적 학습발달과정에 따라 평가한 결과를 바탕으로 경험적 학습발달과정을 개발하였다. 참여 학생들의 발달 변인에 따른 수준을 가설적 학습발달과정에 따라 평가하고 이를 Rasch 모델에 적용하여 산출한 Wrightmap은 4개의 발달 변 인 모두에서 1수준이 피험자의 능력에 비해 지나치 게 쉽게 설정되어 있고, 자료 변환과 자료 해석 변인 에서 2수준과 3수준 간의 학생 능력 차이가 다른 수 준들 간의 차이에 비해 크게 나타나며, 결론 도출 변 인에서 4수준의 곤란도가 매우 높다는 것을 보여 주 었다. 경험적 학습발달과정의 개발은 가설적 학습발 달과정을 적용하는 과정에서 드러난 문제점을 수정 보완하는 방향으로 이루어졌으며, 그 결과는 Table 4 와 같다. 경험적 학습발달과정은 가설적 학습발달과 정과 마찬가지로 통합 탐구 기능에 대한 발달 변인 으로 탐구 설계, 자료 수집, 자료 해석, 결론 도출을 설정하였고, 통합 탐구 기능의 발달 단계에 따라 각 변인을 하위 정착점에서 상위 정착점에 이르는 수준 을 4개로 구분하여 작성하였다. 가설적 학습발달과정 을 수정 보완하여 작성한 경험적 학습발달과정의 특 징은 다음과 같다.

    우선 결론 도출을 제외한 3개의 발달 변인에서 1 수준의 곤란도를 상향 조정하였다. 경험적 학습발달 과정에서는 탐구 설계의 1수준에 독립 변인과 종속 변인을 구분하여 제시하는 것과 함께 독립 변인과 종속 변인 사이에 이유나 원인을 묻는 인과적 의문 을 제시하는 것을 포함하였다. 이는 주어진 상황에서 단순히 독립 변인과 종속 변인을 구분하는 수준을 넘어서는 것으로 문제와 논리적으로 연관된 가설을 설정하는 수준에 이르지는 못하였지만, 가설을 생성 하기 위해서는 기본적으로 인과적 의문이 선행되어야 한다는 것을 의미한다. 또한, 자료 변환의 1수준에 측정에 기초한 데이터를 표로 작성하는 내용을 포함 하였다. 표를 작성하는 내용은 가설적 학습발달과정 에서 2수준에 포함되어 있었지만, 많은 학생들이 실 험 과정에서 측정한 데이터를 바로 표에 작성한다는 보편적인 사실에 기초하여 1수준으로 하향 조정하였 다. 하지만, 표에 변인과 단위를 정확하게 제시하는 것은 단순히 표에 데이터를 옮기는 수준을 넘어서는 활동이라는 점에서 그대로 2수준에 포함하였다. 자료 해석에서는 가설적 학습발달과정에서 1수준에 해당하 던 표와 그래프의 내용 기술에 관한 부분을 삭제하 고, 표와 그래프의 내용이나 자료를 비교하여 기술하 는 2수준의 내용을 1수준으로 하향 조정하였다. 이는 학생들의 보고서를 평가한 결과, 표와 그래프의 내용 을 그대로 반복하여 기술한 경우를 찾기 어려웠다는 평가 이력에 근거한다. 결론 도출에서는 가설적 학습 발달과정에서 1수준에 설정한 내용이 피험자의 능력 에 비해 쉽게 설정되어 있는 측면이 있었지만, 첫 번 째 과제에서처럼 지도 교사의 개입이 이루어지지 않 은 상태에서는 1수준에 머물러 있는 학생들이 일정 부분을 차지하고 있다는 사실에 비추어 그 수준을 조정하지 않았다.

    다음으로, 자료 변환과 자료 해석 변인에서 2수준 과 3수준 간의 차이를 재조정하였다. 가설적 학습발 달과정에서는 자료 변환의 2수준에 표 유형의 적절 성을 포함하지 않았지만, 경험적 학습발달과정에서는 표의 유형이 정보를 효과적으로 제시하고 자료를 바 르게 해석하는 데 기초가 된다는 점에서 자료 변환 의 2수준에 포함하였다. 자료 변환에서 2수준의 곤란 도를 상향 조정하는 것은 1수준 및 3수준과의 차이 를 분명히 함으로써 학생들의 학습발달 수준을 구체 적으로 드러나게 해준다. 또한, 가설적 학습발달과정 의 자료 해석 변인에서 2수준을 1수준으로 하향 조 정함에 따라 2수준에 표와 그래프에 나타난 자료의 경향성을 파악하여 기술하는 내용을 추가하였다. 이 는 독립 변인과 종속 변인의 관계에 대한 고려 없이 표와 그래프에 나타난 자료의 경향성을 단순히 기술 하는 학생들의 응답을 1수준과 3수준 사이에서 적절 하게 구분하는 효과가 있다.

    마지막으로, 결론 도출 변인에서 4수준의 곤란도를 조정하였다. Rasch 모델에 적용하여 산출한 Wrightmap 을 분석한 결과, 결론 도출의 4수준에 도달한 학생들 의 수가 매우 적다는 점에서 가설적 학습발달과정의 3수준에 해당하는 내용을 4수준으로 상향 조정하고, 기존의 4수준에 해당하는 내용을 삭제하였다. 또한, 3수준에는 실험 결과를 설명하기 위해 설명 체계를 진술한다는 내용을 새롭게 작성하여 변인들 간의 관 계로 실험 결과를 진술하는 2수준과 실험 결과에 대 한 분석 및 해석을 토대로 가설의 수용 여부를 판단 하는 4수준과 그 차이를 구분하고자 하였다. 실험 결 과를 설명하기 위한 설명 체계를 진술하는 3수준의 내용은 실험을 통해 수집한 결과를 설명하기 위해 나름의 추론 과정을 거쳤지만 가설에 대한 옮고 그 름을 판단하는 데까지 이르지 못한 경우에 해당한다.

    결론 및 제언

    이 연구에서는 지구과학 탐구 실행 과정에서 나타 나는 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정 을 탐색하고자 하였다. 연구 결과를 토대로 얻은 결 론은 다음과 같다.

    첫째, 문헌 연구를 통해 통합 탐구 기능에 대한 4 개의 발달변인(탐구설계, 자료수집, 자료해석, 결론도 출)을 설정하고, 각각의 변인에 대해 4개 수준의 가 설적 학습발달과정을 개발하였다. 여기서의 각 수준 은 상위 인지과정으로 갈수록 복잡성(complexity)이 증가하며, 상위 수준의 인지과정이 하위 수준의 인지 과정을 포함한다는 Bloom et al.(1956)의 taxonomy 의 원리를 차용하여 작성되었다. 탐구설계 구인은 독 립 변인과 종속 변인을 구분하여 가설을 설정하고, 이 가설을 검증하기 위해 변인을 통제하여 실험 과 정을 설계하는 능력이 정교화되는 과정을 4개의 수 준으로 구분하였다. 자료수집 구인은 자료를 측정하 여 이를 표로 기록하고, 기록된 자료를 유효적절한 그래프 형태로 변환하는 능력이 정교화되는 과정을 4개의 수준으로 구분하였다. 자료해석 구인은 표와 그래프를 해석하여 경향성을 파악하고, 변인간의 관 계를 분석하는 능력이 정교화되는 과정을 4개의 수 준으로 구분하였다. 결론도출 구인은 자료 해석을 토 대로 탐구 결과를 변인들의 관계로 진술하고 가설의 수용 여부를 판단하는 능력이 정교화되는 과정을 4 개의 수준으로 구분하였다. 이와 같이 작성된 가설적 학습발달과정은 중학생, 고등학생, 대학생들의 안내된 탐구 보고서에서 학생들의 통합 탐구 기능을 평가하 는 기준으로 사용되었다. 또한, Rasch 모델 적용 결 과를 반영하여 경험적 학습발달과정을 작성하였다. 경험적 학습발달과정은 4개의 발달 변인에 대해 4개 수준으로 작성되었던 가설적 학습발달과정을 수정하 여 Wrightmap 분석 결과를 반영하여 작성하였는데, 전체적으로 1수준을 없애 하위 정착점을 상향 조정 하고, 결론도출 구인의 상대적인 난이도를 고려하여 상위 정착점을 하향 조정하였다.

    둘째, 가설적 학습발달과정에서 설정한 수준에 따 라 학생들의 탐구 보고서를 평가하여 Rasch 모델에 적용한 결과, 연구에 참여한 학생들의 평균적인 통합 탐구 능력은 대체적으로 평균 이상인 것으로 나타났 으나, 발달변인에 따라 상당한 차이가 있었으며 집단 별로도 일관된 경향성을 나타내지 않았다. 특히 대학 생 집단에 비해 중학생 집단과 고등학생 집단의 통 합 탐구 능력이 더 높은 것으로 나타났는데, 이것은 전국 과학탐구대회를 위해 선발된 전국 각 지역의 대표 학생들이라는 중학생 집단의 특성과 과학고등학 교라는 특수 목적 고등학교의 특성이 반영된 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 낮은 학교급 학생이라 하더라도 적절한 교수활동이나 비계설정이 이루어진 다면 높은 수준의 추론이 가능하다는 Hokayem and Gotwals(2017)Duncan and Hmelo-Silver (2009)의 연구 결과와 같은 맥락으로 해석된다. 또한, 대학생 집단이 예비 과학 교사임을 감안할 때 이러한 연구 의 결과는 과학 교사 교육에서 탐구 수업 전문성 향 상의 필요성을 강력하게 시사한다.

    셋째, 3개 과제의 안내된 탐구를 수행하면서 교사 의 적절한 개입에 의해 가설적 학습발달과정에 따라 실제로 학생들이 발달해 가는지 알아본 결과, 4개 발 달 변인 모두에서 대부분의 학생들의 통합 탐구 기 능이 상향 변화되는 것으로 나타났다. 특히 과제1에 서 과제2로의 변화에 비해 과제2에서 과제3으로의 변화가 현격한 차이를 나타내었는데, 이것은 교사 개 입에 의한 스캐폴딩의 효과로 해석된다. 이와 같은 결과는 이 연구에서 작성된 가설적 학습발달과정의 구인타당도가 매우 높다는 것을 의미하며, 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달을 위해서는 교사의 적절한 스캐폴딩이 꼭 필요함을 시사한다.

    이 연구는 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 능력 이 어떻게 발달되어가는 지에 대한 가설적 경로를 규명하기 위한 탐색적 연구로서 의의를 가진다. 이 연구의 결과는 2015 개정 교육과정에서 강조하는 과 학 교과 역량 중 ‘과학적 탐구 능력’ 향상을 위해 교 사가 어떤 도움주기를 해야 하는 지에 대한 경험적 근거를 제공할 수 있다. 하지만, 경험적 학습발달과 정을 작성한 것으로 통합 탐구 기능에 대한 학습발 달과정 연구가 완결되었다고 볼 수는 없다. 앞에서도 언급되었지만 학습발달과정 연구는 한 사이클의 연구 로 완성되는 것이 아니며, 반복적(iterative) 연구를 통해 지속적으로 수정 및 보완되어 가야 하는 것이 다(e.g., Duncan, Rogat, and Yarden, 2009; Songer, Kelcey, and Gotwals, 2009; Gotwals and Songer, 2013; Todd and Kenyon, 2016). 그러므로 이 연구에 서 작성된 경험적 학습발달과정은 이러한 반복적 과 정의 출발점으로 보는 것이 타당할 것이다. 추후 또 다른 연구 대상과 탐구 과제를 이용한 연구가 이어 진다면 이 연구는 보다 의미를 가질 수 있을 것이다.

    사 사

    이 연구는 2015년도 강원대학교 대학회계 학술연 구조성비로 연구하였음(관리번호-520150199).

    Figure

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    Research procedure.

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    Illustration of 1st inquiry task (waterclock).

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    Illustration of 2nd and 3rd inquiry task.

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    The level of three groups according to progress variable.

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    The Wrightmap generated by applying Rasch analysis.

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    Comparison of the Wrightmap of three groups.

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    Validity evidence for each construct.

    Table

    Demographic information of the participants

    Hypothetical learning progression for integrated process skills

    Proportions of upward, neutral, and downward transitions by the cases (task2→task3)

    U: Upward, N: Neutral, D: Downward. (Shaded areas are the significant cases for validity evidence)

    Empirical learning progression for integrated process skills

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