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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.4 pp.303-320
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.4.303

Understanding of Group Modeling Process with Geological Field Trip applied on Social-Construction of Scientific Model: Focusing on Constraints

Yoon-Sung Choi, Jong-Rim Choi, Chan-Jong Kim, Seung-Urn Choe*
Department of Earth Science Education, Seoul National University, Seoul 08826, Korea
Corresponding author: suchoe@snu.ac.kr+82-02-880-7781+82-02-874-3289
March 1, 2017 May 7, 2017 August 3, 2017

Abstract

Purpose of this study is understanding of group modeling process focusing on constraints with geological field trip applied on social-construction of scientific model. This study was carried out on 12 students of 3 groups who participate in the study ‘S’ gifted education center. Students were conducted to theme of ‘How was formation of Mt. Gwanak?’ on 2 field trip classes and 3 modeling classes. Semi-structured interviews, all discourse of field trip and modeling classes, records of personal and group activity were analyzed to constraints based on theoretical background proposed by Nersessian (2008). Results as follows. First, sources of constraints are scientific knowledge, contents observed by students during field trips and additional materials things to be explained by model during modeling class with geological field trip applied on social-construction of scientific model. Second, there are 3 types of constraints to affect making group modeling. It is that shared constraint which used commonly by all the group members. It called selected constraint that used during the initial modeling and later were reflected on for use in the group modeling. And it is that generated constraints, which were not in the initial modeling but were used later in the group modeling. This study suggests that not only the constraints can help to understand of making group model through how they used but also show that example of learning with geological field trip on social-construction of scientific model to contribute school science.


과학적 모델의 사회적 구성 수업을 적용한 야외지질학습에서 나타나는 조별 모델 구성과정 이해: 제약조건을 중심으로

최 윤성, 최 종림, 김 찬종, 최 승언*
서울대학교 지구과학교육과, 08826, 서울특별시 관악구 관악로 1

초록

본 연구의 목적은 과학적 모델의 사회적 구성 수업을 적용한 야외지질학습에서 학생들이 만드는 조별 모델 구 성 과정에 대해 제약조건을 중심으로 이해하는 것이다. S 영재원 지구과학분과 3조, 12명의 학생들을 대상으로 진행하 였다. ‘관악산은 어떻게 형성되었을까?’를 주제로 야외지질답사 2차시, 과학적 모델의 사회적 구성 수업 3차시로 진행하 였다. 조별 모델 구성과정에 관해서는 Nersessian (2008)이 제시한 제약조건을 이론적 근거로 하여 반-구조화된 인터뷰, 야외지질답사, ‘과학적 모델의 사회적 구성 수업’의 모든 담화, 활동지를 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫 번째 야외지질학습에 적용한 과학적 모델의 사회적 구성 수업에 나타난 제약조건의 출처는 과학 이론, 야외지질답사에서 관 찰한 내용, 과학적 모델의 사회적 구성 수업에서 추가로 제공된 것이 있었다. 두 번째 조별 모델링에 영향을 미치는 3 가지 종류의 제약조건이 있다. 조별 모델에는 조별 구성원 모두가 동일하게 가지고 있던 것으로 ‘공통적인 제약조건’, 조별 구성원 일부가 가지고 있던 것 중 조별 모델에 반영된 ‘채택된 제약조건’, 마지막으로 초기 모델에는 없었으나 조 별 모델 구성과정에서 새롭게 나타난 ‘생성된 제약조건’이 있었다. 이번 연구는 학교 과학에서 제약조건을 기반으로 조 별 모델이 만들어지는 과정을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 야외지질학습이라는 수업 사례를 보여줌으로서 실제 적용하 는데 이바지 하고자 하였다는 점에서 의의가 있다.


    서 론

    지구과학은 자연 현상을 탐구하는 학문으로서, 지 구에서 일어나는 자연 현상들은 오랜 시간과 넓은 공간에 걸쳐 일어난다(Lee and Cho, 1999). 특히, 지 질학에서는 단편적인 현상만을 볼 것이 아니라 지질 시대동안 흐름을 따라가기 위해서는 시간과 공간적인 규모의 큰 스케일에서 현상을 이해할 줄 알아야 한 다(Kim et al., 2013). 하지만, 현장 학교에서는 대부 분 교실 학습 환경이나 실험실에서 통제된 조건에서 실험 및 대체 모형물을 통해 진행되어 왔다(Kim, 2000). 이러한 방법으로는 지질학적인 현상을 설명하 기에는 한계점이 있다(Cho et al., 2002; Park et al., 2000; Park et al., 2007). 따라서 지질학적인 내용은 교실 환경보다 야외에서 직접 관찰하고 접하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다(Jun et al., 2007; Riban and Kobal, 1971). 그리고 야외에서의 학습은 직접적 인 경험과 자연 현상에 대해 다양한 관찰을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 학습 동기를 야기 시켜 탐구력 을 기르는데 효과적이다(Kim et al., 1994). 본 연구 에서는 Orion (1989)이 정의한 야외지질학습에 대한 교육학적 용어를 따르고자 한다. 야외지질학습에 대 한 교육학적 용어의 정의는 교실에서 경험할 수 없 는 물질, 자연현상에 대해 학생들이 경험하고 관찰할 수 있는 기회를 제공하는 것이다.

    야외지질학습에 관한 연구는 다양하게 진행되어 왔 다. 야외지질학습 자료 개발과 적용에 관한 연구(Cho et al., 2012; Cho et al., 2014; Kang, 2002; Kim et al., 2013; Kim and Hong, 2015; Lee and Cheong, 2005; Park et al., 2000; Park et al., 2007; Park et al., 2009), 야외지질학습에 대한 교사와 학생들의 인 지적정의적 영역에 미치는 영향에 관한연구(Jee, 2004; Maeng and Wee, 2005; Yun et al., 2005)와 교사와 학생들의 인식에 관한 연구 등이 있다(Jun et al., 2007; Kwon and Kim, 2007; Kim, 2000; Park, 2003). 위와 같이 많은 연구가 진행되었지만 여전히 교육현장에서 실행하기에는 어려움이 있는데 Kean and Enochs (2001)는 다음과 같은 이유로 설명하고 있다. 교사들이 야외지질답사 준비의 어려움, 제한된 답사 장소와 환경, 행정적인 어려움, 학생 통솔의 어 려움 등의 이유로 야외지질학습이 교육현장에 적용하 기 힘들다. 그래서 이번 연구에서는 위에 제시된 실 행의 어려움을 해결하기 위해 ‘과학적 모델의 사회적 구성 수업’을 야외지질학습에 적용해 보고자 한다.

    과학적 모델에 관한 학자들의 다양한 정의가 있지 만 본 연구에서는 과학적 모델을 학생들이 어떤 자 연 현상을 설명하기 위해 구성한 설명 체계로 정의 하고, 모델을 만들어 가는 과정을 모델링 또는 모델 형성이라고 한다(Hestenes, 2006). ‘사회적 구성’은 여러 학생들이 집단을 구성하거나 또는 학급 전체가 사회적 상호작용을 통해서 학습자가 의미를 내면화 하는 과정 (Kumpluainan and Wray, 2002)으로 공동 의 합의된 모델을 만들 수 있도록 수행하는 일련의 모든 과정을 말한다.

    ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업을 적용하고자 하는 이유는 용어의 정의해서 살펴보았듯이 ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업은 야외지질학습에서 학생 들이 노두를 직접 관찰하고 자연 현상을 설명하기 위해 적합한 방법 중에 하나일 뿐만 아니라 동료들 과 의미를 만들어 가는 과정으로 반드시 필요할 것 이다. 이는 Orion (1989)이 정의한 야외지질학습 정 의에도 부합하고 야외지질학습의 한계점으로 지적되 었던 현장에서 실행 가능성을 보여줄 수 있는 사례 이다. 더욱이, ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업에서 학생들은 개인적으로 과학적 모델을 구성하면서도 소 집단 상호작용뿐만 아니라 학급 전체에 상호작용을 통해서도 함께 생성한다(Gilbert et al., 2000)는 점에 서 야외지질학습 수업 실행의 한계점을 보완할 수 있다. 또한 야외지질학습은 학생들이 관찰한 자연 현 상을 해석, 추론하면서 동시에 지구에서 일어나는 자 연현상과 이들의 구조 및 물질, 역사 등을 탐구하는 등 복잡한 지구계의 상호작용을 볼 수 있는 기회이 다(Yu et al., 2007). 이러한 과정을 경험하게 되면 학생들은 주위 동료 혹은 교사와의 지속적으로 관계 를 형성할 수 있다. 그렇기 때문에 사회문화적 관점 에서 이러한 학습자의 참여와 활동은 학습자가 점진 적으로 더 활발한 참여자가 되어가고 과학자들과 유 사한 과정을 수행함으로서 과학에 대한 동기와 흥미 를 향상시킬 수 있기(Bell et al., 2010) 때문에 야외 지질학습에 적용하기에 적절하다.

    그렇다면 실제 ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업 을 실행한다면 학생들이 이러한 수업에서 어떤 과정 을 겪고 있는지 이해할 필요가 있다. 그래서 학생들 의 수업 과정에 대해 알아보기 위해 조별 모델 구성 과정을 알아보고자 한다.

    ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업에서 모델 구성 과정에 관한 연구는 다양하게 있었다. 특히 기존 선 행 연구에서는 사회적 구성, 규범, 소집단 상호작용, 논증, 문화적 요인 등을 고려하여 전체적인 모델의 형성과정에 대해 이해하고자 하였다(Kang et al., 2012; Kim et al., 2013; Lee, 2013; Lee et al., 2012; Maskiewicz and Winter, 2012; Mendonca and Justi, 2014; Park et al., 2014; Passmore and Svoda, 2012; Schademan, 2015). 반면에, 본 연구에서는 기 존의 연구에서는 접근한 모델 형성에 대한 이해는 모델에 초점이 있는 것이 아닌 주변 기타 요인에 초 점을 맞추어서 진행한 것으로 모델 자체에 대한 이 해는 부족했다고 볼 수 있다. 그렇기에 이번 연구에 서는 학생들이 만들어내는 과학적인 모델 자체에 초 점을 맞추어 이해하고자 한다.

    ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업에서는 학생들이 학교 과학 내에서 스스로 사고하고 새로운 과학적인 모델을 만들어보도록 한다. 이는 학생들이 과학자는 아니지만 과학을 배우는 과정으로서 실제 과학자들이 경험하는 것과 비슷한 과정을 경험함으로서 과정으로 서의 과학을 이해한다고 볼 수 있다.

    따라서 이번 연구에서는 과학자 맥스웰(Maxwell) 이 실제로 경험했던 모델 형성 과정을 사례로 Nersessian (2008)이 제시한 제약조건을 이론적인 근거로 삼고 진행하고자 한다. Nersessian (2002)은 맥스웰의 모델 기반 추론 활동을 다양한 제약조건을 이용하여 모델 의 구성, 평가, 적용 과정을 나타내었고, 그 이후 Nerssesian (2008)은 이를 발전시켜 맥스웰의 모델 구 성 과정을 모두 보여주었는데, 이와 같은 과정을 앞 서 언급했던 학생들의 관점에서, 학생들의 수준에서 어떻게 모델을 만들었는지 알아보고자 하는 것이다. 그렇기 때문에 모델 형성 시에 학생들이 어떤 정보 에 관심을 가지고 그것을 어떻게 사용하는지를 알아 야한다.

    Nersessian (2008)의 연구에서 제시했던 제약조건을 이번 연구에서 모델 형성에 영향을 미치는 요인으로 서 사용하고자 한다. 이러한 제약조건은 어떤 정보의 항목(item), 법칙, 원리, 규칙 또는 사실을 포함하며 문제해결 과정에서 조건을 설정하게 함으로써 문제 해결 과정을 돕는다(Nickles, 1980). 그렇기 때문에 제약조건을 중심으로 모델 형성과정을 이해하는 것은 학생들이 만든 과학적 모델에 초점을 맞출 수 있고 사회적 구성 과정에서도 조별 모델이 구성되거나 평 가, 수정되는 과정을 명확하게 이해할 수 있기 때문 에 본 연구에서는 과학적 모델의 사회적 구성 수업 을 야외지질학습에 적용하였을 때, 학생들의 조별 모 델 구성 과정에 대하여 제약조건을 중심으로 살펴보 고자 한다. 따라서 연구 문제는 다음과 같이 설정 하 였다.

    첫째, 관악산 형성에 관하여 학생들이 만든 조별 모델과 제약조건의 특징은 무엇인가?

    둘째, 관악산 형성에 관하여 학생들이 사용한 제약 조건은 조별 모델 구성에 어떠한 영향을 주는가?

    연구 방법

    연구 절차 및 연구 참여자

    연구 절차: 연구 절차는 Table 1과 같다.

    먼저 야외지질학습, 과학적 모델의 사회적 구성 수 업, 모델에 관한 이해 등의 선행연구를 진행하여 야외 지질답사지 선정, 활동지 및 수업 모듈을 개발하고 파 일럿 테스트를 실시하였다. 이에 대한 피드백을 받아 수업 최종안을 작성하여 수업을 준비하고 실제로 수업 에 적용한 후 자료를 수집하여 분석 하였다. 그리고 사후 인터뷰를 통한 심층 분석연구를 실시하였다.

    연구 참여자: 서울 소재 S 대학교 과학영재교육원 지구과학분과 학생을 대상으로 연구 참여자를 모집하 였고, 그 중 연구 참여에 동의한 3개 조 총 12명의 학생을 연구 대상자로 선별하였다.

    자료 수집 및 분석

    자료 수집: 본 연구는 ‘관악산은 어떻게 형성되었을 까?’에 대한 주제로 야외지질답사 2차시와 과학적 모 델의 사회적 구성 수업 3차시로 구성된 수업에서 자료 를 수집하였다. 먼저 야외지질답사에 수업에 참여한 학생들의 모든 담화를 소형 캠코더로 촬영하고 보이스 레코더로 녹음하였으며, 교실로 돌아온 후에 진행된 과학적 모델의 사회적 구성 수업에서도 역시 각 조별 로 소형 캠코더 촬영과 보이스 레코더 녹음 그리고 교 실 앞과 뒤에 캠코더를 설치하여 전반적인 수업 전체 과정을 촬영하였다. 그리고 야외에서 학생들이 작성한 관찰 기록장, 모델링 수업에서 작성한 학생들의 개인 모델 활동지, 조별 모델 활동지를 수업이 종료된 이후 에 수집하였다. 모든 수업이 종료되고 일주일 사이에 조별 학생들과 Table 2에 주어진 문항을 기초로 하여 반-구조화된 인터뷰를 약 30분 실시하였다. 이때 모든 인터뷰 과정도 촬영 및 녹음하여 전사하였다. 모든 자 료는 연구진들과 공유하여 분석하였다.

    자료 분석: 첫 번째, 조의 초기 모델을 만들기 전 각각 학생들이 가지고 있는 모델과 그 모델에서 보 이는 제약조건을 먼저 명확하게 할 필요가 있었다. 그리하여 Fig. 1과 같이 개인 모델에서 작성된 글, 그림을 바탕으로 제약조건을 추출하고 뿐만 아니라 각 조의 초기 모델을 만들 때, Fig. 2와 같이 자신의 모델을 다른 조원들에게 얘기하는 과정에서 제약조건 을 명확하게 하는 과정을 거쳤다.

    두 번째, 연구진들과 모든 데이터를 공유한 이후에 학생 개인 모델에서 만드는데 필요한 요인을 선정한 뒤 연구진들이 공유하는 과정을 거치면서 학생 개인 모델에서 나타난 제약조건을 선정하였다. 이후 각 조 별 모델을 살펴보았는데, 조별 활동지와 조별 모델 형성 시에 드러나는 모든 담화에서 연구진들이 각 조별로 개인모델과 동일한 과정을 통해 조별모델 형 성에 기여하는 요인들을 선정하고 함께 공유하는 과 정을 거쳤다. 이때 연구진들 사이에 의견 불일치가 드러나는 부분에서는 합의하는 과정을 거쳐 의견을 모았고 이를 확인하기 위해 조별 학생들을 대상으로 하는 사후 인터뷰에서 모든 제약조건을 명확하게 할 수 있었다.

    수업 순서와 연구문제의 분석방법은 다음과 같다. 조별 모델을 만드는 모든 과정에서 드러난 학생들의 담화, 글과 그림을 이용하여 자유롭게 나타낸 조별 활동지, 그리고 조별 발표 시간 발표했던 모든 담화 를 전사한 자료에서 제약조건을 찾고 모델이 만들어 지는 과정을 분석했다. 그런 다음 모델을 구성하기 위해서 필요로 했던 제약조건이 어디에서 온 것인지, 즉 그것의 출처가 어떠한지를 찾았다. 만약 출처가 불명확한 경우에 전사 자료와 반-구조화된 인터뷰를 통해 알아보고 조별 모델에서 사용된 모든 제약조건 과 출처를 목록으로 만들었다.

    위의 분석 과정은 연구문제 1번을 해결하기 위한 과정이었다면 다음은 연구 문제 2번, 이러한 제약조 건이 조별 모델 구성에 어떻게 영향을 미쳤는지를 알아보는 과정이다. 본 연구에서는 Yu et al. (2012) 이 제시한 수정된 GEM Cycle, 모델 생성(Generation), 평가(Evaluation), 수정(Modification), 그리고 적용 (Application)에 이르는 단계에 따라 모델을 점진적으 로 발달할 수 있도록 진행하였다. 그렇기 때문에 제 약조건이 언제 어떻게 쓰이는지에 대한 과정을 명확 히 이해할 필요가 있다. 그리하여 초기 모델, 수정된 모델, 그리고 최종 모델에 이르기 까지 사용된 제약 조건이 무엇인지를 알아야한다. 이후 처음부터 마지 막으로 완성된 조별 모델까지의 과정을 쫓아가며 분 석하였다. 다시 말해 누구에게서 온 어떤 제약조건이 어떤 단계에서 어떻게 사용되어 조별 모델 완성에 기여하게 되었는지를 살펴보는 과정이다. 이 과정에 서는 전사 자료와 반-구조화된 인터뷰 자료를 기반으 로 모든 제약조건이 누구에게서 기인한 것인지를 찾 고, 조별 모델에 드러나는 제약조건을 도식화 하였 다. 그리고 학교 과학수업 수준에서 제약조건이 어떻 게 사용되었는지 그 성격에 따라 이를 새롭게 유형 화하여 명명하였다. 분석과정에서 모델 형성 과정에 대한 타당도와 신뢰도를 검증하기 위해 4인의 연구 자(교수, 박사과정 수료자, 연구원)가 함께 삼각검증 법(triangulation)을 실시하였고, 이 때 학생들의 개인 활동지, 각 조별 활동지, 전사본, 촬영 장면과 함께 살펴보며 의견을 모았다. 또한 연구 참여자들에게 실 시한 반-구조화된 인터뷰를 통해서 연구에서 사용되 는 제약조건을 구체화 하고 확인하는 과정을 거쳤다.

    연구 결과

    연구에 참여한 학생, 조, 연구자(선생님)를 결과에 나타내기 위해 Table 3과 같이 약어를 사용하고자 한다.

    조별모델에서 제약조건의 특징과 출처

    첫 번째는 학생들이 만든 조별 모델에서 제약조건 의 특징과 출처를 알아보고자 하였다. 자료 수집과정 에서 제시되었던 모든 자료를 기반으로 하여 제약조 건을 찾고 출처 또한 함께 알아보았다. Nersessian (2008)은 제약조건의 출처를 역학적, 공학적인 내용, 수학적인 이론과 관련된 것, 실험적 발견으로 제시하 였지만, 본 연구에서는 학교 과학 수준에서 학생들을 대상으로 하였으므로 야외지질답사, 모델링 과정과 인터뷰 내용을 바탕으로 제약조건의 출처를 살펴보 았다.

    A조의 최종 모델은 Fig. 3과 같다. A조의 최종 모 델이 나오기까지의 제약조건과 그 출처를 살펴보면 다음과 같다.

    초기 조별 모델 구성 과정에서 A조 학생들의 담화 중 일부분이다.

    • AS1: 근데 편암, 편마암 이게 뭐지?

    • AS3: 그게 있잖아 변성암인데, 편암과 편마암이 선캄브리아 시대에 있었다고 지질도에 나와 있잖아. 그러니까 우선 이게 기반암으로 존재하고 있었어.

    • AS2: 그런 것 같아.

    사후 반-구조화된 인터뷰에서의 질의응답은 다음과 같다.

    • T: 관악산 주변 지역이 선캄브리아기 편암, 편마암이 기반 암으로 존재하고 있었다고 했는데 어떻게 알게 되었어?

    • AS3: 지질도에 나와 있어서 그거 보고 생각해서 기반암으로 존재했을 거라고 생각했어요.

    • AS4: 지질도에 선캄브리아기 편암, 편마암이 있어서 기반암으 로 존재하고 있을 거라고 했어요.

    담화에서 A조 첫 번째 제약조건으로 ‘관악산 주변 은 선캄브리아기 편암, 편마암이 기반암으로 존재하 였다.’를 찾을 수 있었다. 첫 번째 제약조건은 관악산 이 형성되기 전의 초기 형태를 제안할 수 있는 것으 로 산의 형성되기 전 가장 기본적인 상태로서의 모 델을 제약할 수 있다. 그리고 이것의 출처는 학생들 의 담화에서 볼 수 있듯이 모델 구성 수업에서 추가 로 제시된 지질도이다.

    다음은 조별 모델 구성과정에서 학생들의 담화 중 일부분이다.

    • AS1: 그런데, 우리가 산에서 관찰한건 화강암 맞지?

    • AS4: (고개를 끄덕이며) 응응, 맞어.

    • AS3: 우리가 보고 온 것들 다 화강암인거 같아.

    • AS1: 일단 관악산은 화강암으로 분포되어 있다고 이야기를 해 야겠어.

    사후 반-구조화된 인터뷰에서도 다음과 같았다.

    • T: 관악산이 화강암으로 분포되어 있다고 한 것 어떻게 알 았니?

    • AS1: 관악산에서 봤던 것들이 거의 다 화강암이었던 것 같은 데, 아닌가요? 우리들도 다 화강암 본 것 이라고 생각 했어요.

    • AS4: 화강암인데...... 계곡 하류 상류에서 전부 다 있었어요

    두 번째 제약조건은 ‘관악산은 화강암으로 분포되 어 있다.’이다. 두 번째 제약조건의 경우에는 관악산 에 분포하고 있는 주된 암석이 화강암임을 학생들이 판단하고 이를 모델에 드러낼 수 있게 하였다. 이 제 약조건의 출처는 야외지질답사 단계에서 관찰하고 온 것이다. 다음은 조별 모델 구성과정에서 나타나는 또 다른 담화이다.

    • AS1: 포획암은 마그마가 관입될 때 생성된 것 같고, 화강암과 변성암이 같이 존재할 수 있는 게 화강암이 될 때 변성 암이랑 같이 있어서 두 개가 같이 있는 게 되는 거 같 아.

    • AS2: 근데 두 개가 만나서 그렇게 된다고? 압력이랑 열도 있 고 뭐 그래야 하는 거 아니야?

    • AS1: 예를 들면, 변성암이 생성되어 있는데 화강암이 변성암 사이로 관입할 때 생성된 거야. 열과 압력은 받았겠지. 변성암이 열과 압력 때문에 생기는 거니까.

    사후 반-구조화된 인터뷰 내용은 다음과 같다.

    • T: AS1이 발표한 내용을 자세히 다시 설명해 줄 수 있겠 니?

    • AS1: 선캄브리아 시기랑 중생대 시기 사이에 포획암이 형성된 다고 했었는데, 이건 화강암의 관입이 있었다는 거예요. 이걸(포획암) 보면 편마암이 이전에 존재했었고, 화강암 이 될 때 관입이 있으면서 포획암도 생성되고, 화강암도 있는 거죠. 그래서 편마암이랑 화강암이 같이 있는 걸 볼 수 있어요.

    위의 담화에서 A조 세 번째 제약조건으로 ‘관악 산에 포획암이 존재한다.’를 찾을 수 있다. 세 번째 제약조건의 경우에는 파일럿 테스트에서 학생들이 용 어를 모르거나 혹은 용어가 통일되지 않아서 혼란이 있었기에 개인 활동지에 용어를 제시하여 학생들이 실제 모델링 수업에서는 ‘포획암’ 이라는 단어를 사 용해서 실제 모델 구성에 사용하였다. 이 때 학생들 이 야외에서 관찰하고 온 것에서 어떤 암석이 먼저 존재하고 있었는지를 확인하여 순서를 정할 수 있도 록 모델을 제약한다. 이 또한 야외에서 관찰한 것을 출처로 하였다. 계속하여 조별 모델 구성에서 학생들 의 담화이다.

    • AS1: 그런데 그 화강암이 마그마가 굳어서 만들어지고 그 다 음에 무엇인가가 되어야......

    • AS3: 전에 일단 마그마가 먼저 존재하고, 그런 다음에 그게 굳어서 화강암이 되는 거지?

    • AS5: 화강암이 만들어지는 게 마그마가 식어서 그 때 딱! 만 들어지는 거 맞는 거 같아.

    • AS1: 그니까 마그마가 굳어서 된 거야, 폭발 하는 게 아니라, 만약 폭발했으면 현무암이나 그런 게 있어야 했는데 그 런 건 없었잖아.

    조별 모델 발표 중에서도 이와 비슷한 내용을 볼 수 있다.

    • AS1: 현재 관악산 부근에 마그마가 지하에서 식어서 화강암이 형성되게 되었습니다...(중략)...

    • AS4: 나중에 지하에서 마그마가 식어서 화강암이 생성되었습 니다.

    네 번째 제약조건은 ‘관악산 화강암은 마그마가 지 하에서 식어서 생성되었다.’이다. 만약 연구대상자가 학생이 아니라면 앞서 언급했던 제약조건에서 ‘관악 산은 화강암으로 분포되어 있다.’ 만으로 충분히 모 델을 제약해줄 수 있었지만, 파일럿 테스트에서 실제 로 학생들은 화강암의 생성에 대해서 마그마가 지하 에서 식어서 생성된 것과 마그마가 올라와서 식어서 암석이 된다는 것 두 가지를 명확하게 구분하지 못 하는 경우가 많았다. 다시 말해 학생들이 심성암에 대해 제대로 이해를 하지 못하는 경우가 있었다. 그 리하여 실제 화강암이 어떻게 만들어지는 지에 대한 그 과정을 모델에 나타내는 것에 어려움을 겪었었다. 따라서 산이 형성되는 과정에서 산을 이루는 주된 암석이 어떻게 만들어지는지에 대해 모델에 좀 더 명확하게 할 필요가 있어서 네 번째 제약조건을 설 정하게 되었다. 이에 대한 출처는 사후 인터뷰에서 명확하게 알 수 있었다.

    • T: 화강암이 만들어졌다고 발표한 부분은 어떻게 알게 되었 어? 설명해 줄 수 있니?

    • AS1: 학교에서 심성암 배울 때 마그마가 땅 속에서 천천히 식었다고 했어요. 그때 화강암이 만들어진다고 배웠어요.

    • AS3: 저도 작년에 학교에서 배웠어요.

    사후 인터뷰 결과 네 번째 제약조건은 학교 수업 시간에 배운 과학 이론인 것을 알 수 있다.

    다섯 번째 제약조건과 출처를 찾기 위해서 다음의 담화를 살펴보겠다.

    • AS1: 우리가 절리?, 절리 갈라진 거 그걸 이야기해야 될 것 같아. 근데 난 그거 상류에서 본거 그거 긴 거, 나 그거 보고 융기했다고 했는데, 왜냐하면 융기하면서 주변이 깎이고 그런 거 같아서...

    • AS4: 그게(AS1이 말하는 긴 거) 올라오면서 압력이 낮아지고 틈이 생기고 그런 건 아닐까?

    • AS2: 근데 절리 몇 번째로 본거지?

    • AS4: 두 번째로 본거

    • AS1: 풍화랑 침식은 계속 일어나고 있었고, 지금도 일어나고 있고....

    • AS4: 근데 이게 올라오다보면 아래보다 압력을 덜 받고, 그러 면 수축을 하게 되는 거 아냐?

    • AS3: 수축?

    • AS4: 그래서...

    • AS3: 그게 수축이 아니라 팽창해서 되어야 하는 거 아니야? 압력이 똑같으면 그냥 있었을 텐데 팽창해서 커지니까 각각 갈라지고 그런 것 같은데...

    • AS2: 그래서 결국 융기했다고 말하면 될 것 같아.

    조별 모델 발표 중에서도 다음과 같은 언급이 있 었다.

    • AS3: 이 후 현재의 관악산 일대가 전체적으로 융기하였는데 ...(중략)...

      (중략)...결과적으로 이렇게 관악산 화강암 지대가 솟아오 르게 되었습니다.

    • AS4: (중략) 그 이후에 전체적으로 융기가 일어나고...(중략)...

    다섯 번째 제약조건은 ‘관악산은 융기하였다’이다. 지금의 형태와 같이 산이 되기 위해 결과론적으로 관악산이 융기되었다고 조별 모델 발표시간에 언급했 지만, 융기하였다는 결과를 이야기하기 위해 실제로 학생들은 조별 모델 만드는 과정에서 관찰한 절리로 부터 융기한다고 하는 조건을 제약할 수 있었다. 동 시에 다섯 번째 제약조건 또한 야외에서 관찰한 것 을 출처로 하는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 학생 들의 담화는 다음과 같다.

    • AS5: 근데 밖에서 본 것 중에서 돌이 갈라져 있고 물이 흘러 가고 그렇잖아.

    • AS1: 분홍색으로 바뀐 부분이랑 그런 건 화학적 풍화작용 일 텐데, 그게 원소들이 만나고 반응하거나 해서..

    • AS4: 그럴 수도 있고, 물에 녹아 있는 성분이랑 반응하면서...

    • AS1: 근데 크게 전체적으로는 풍화이고...흠...뭐 이거 어차피 물리적 화학적 풍화 침식이 다 일어난다고 얘기하면 될 것 같은데, 다 있는 거 같아.

    조별 모델 발표 중에서도 위와 같은 맥락으로 다 음과 같은 담화가 있었다.

    • AS5: (중략) 물로 인해서 화학적 풍화가 있었습니다. 갈라진 틈을 A라고 하면 이 곳에서 물과 화학적인 작용으로 그 것이 더욱 가속화 하게 되고 물에 다 쓸려나가기도 해 서 깎이기도 한다고 생각하였습니다.

    • AS4: (중략) 물에 의해 물리적 화학적 풍화와 침식을 받아서 현재와 같은 모습이 되었습니다.

    여섯 번째 제약조건은 ‘관악산은 물에 의한 물리적 화학적 풍화와 침식 작용을 받았다’ 이다. 이는 특히 우리가 지금의 모습과 같이 산이 이루어지기 위해서 는 지속적으로 풍화와 침식작용이 일어나지만 학생들 의 수준에서 조금 더 구체적으로 쉽게 인지할 수 있 는 것으로 작지만 꾸준한 변화의 과정을 거쳐서 지 금과 같은 모습이 되었으리라는 것을 알 수 있고, 그 대표적인 예시가 물에 의한 것이기에 여섯 번째 제 약조건으로 모델을 제약할 수 있었다. 그리고 여섯 번째 제약조건 또한 야외에서 학생들이 관찰한 것을 출처로 하는 것을 보여준다.

    마지막으로 일곱 번째 제약조건을 찾기 위해 학생 들의 조별 모델 생성 과정의 담화를 제시하면 다음 과 같다.

    • AS1: 우리 화강암이 융기하는 과정 속에서 편마암이랑 화강암 이 같이 융기 되는 거 아냐?

    • AS5: 그러면 현재 관악산 지역은 화강암으로 되어 있는데...흠 ...(약 3초간의 침묵)

    • AS5: 어. 이 지역이 같이 융기되는데 그러면 편마암이 약하기 때문에 침식이 더 잘되었고, 한마디로 현재 관악산이 화 강암으로 많이 분포되어 있는 거고, 주변은 편마암이 분 포하고 있으니까 산이 마치 튀어나온 것처럼, 지금의 모 습처럼 보인다고 설명 할 수 있을 것 같아.

    조별 모델 발표 중에서도 이와 관련된 내용이 있 었다.

    • AS3: (중략) 이 후 현재의 관악산 일대가 전체적으로 융기하 였는데, 편마암이 화강암보다 무르기 때문에 편마암이 많이 침식 되었습니다.

    A조 조별 모델의 마지막 일곱 번째 제약조건은 ‘편 마암이 화강암 보다 덜 단단하다.’이다. 융기가 일어 나는 과정에서 A조 학생들은 특히 융기하는 과정에 서 의문을 제기한다. 편마암과 화강암이 있는데 화강 암만 산에 드러나 있는 것에 의문을 품고 그 과정에 대해 묻고 이를 구체화하고 명확하게 할 수 있게 일 곱 번째 제약조건이 필요하게 되었다. 그럼 이 제약 조건의 출처 또한 찾아보았는데 사후 인터뷰 내용을 살펴보자.

    • T: 편마암이 무르다고 마지막에 발표했던 부분은 어떻게 알 았니?

    • AS4: 학교에서 수업시간에 암석에 대해 배울 때 편마암이 덜 단단하다고 배웠던 것 같아요. 그리고 편마암이 오랫동 안 노출되어 있으니까 다 깎여나가고 화강암이 남았다고 했죠.

    • T: 학교 수업시간에 암석이 단단하다고 한 걸 배웠던 거야?

    • AS4: 네네, 작년에 암석할 때 배웠던 것 같아요. 교과서에서 본 것 같아요.

    마지막 일곱 번째 제약조건은 과학 이론을 출처로 한다. A조에서 나타난 제약조건과 그것의 출처를 정 리하면 Table 4와 같다.

    Fig. 4는 B조가 만든 최종 조별 모델이다. A조의 사례처럼 B조도 동일한 방법으로 제약조건과 출처를 찾아보았다.

    초기 모델 구성 과정에서 B조 학생들의 담화 중 일부이다.

    • BS1: 나는 관악산은 화강암으로 되어 있다고 했어. 너는 뭐 썼어?

    • BS2: 나도 화강암 본거 썼어.

    • BS3: 나도, 그런데 이걸 어떻게 해야 하지?

    • BS1: 화강암이 먼저 만들어졌나?, 일단 화강암이 있다고는 이 야기해야 할 것 같아.

    • BS2: 어쨌든 관악산은 화강암으로 되어 있다 라고 이건 확실 히 해두자.

    B조의 최종모델에서 첫 번째 제약조건은 ‘관악산은 화강암으로 분포되어 있다.’이다. 그리고 이것의 출처 를 사후 인터뷰에서 명확하게 알 수 있었다.

    • T: 관악산이 화강암으로 분포되어있다고 했는데 그건 어떻 게 알았어?

    • BS1: 우리 관찰하고 온 것들이 전부 화강암이 많은 것 같아 서 관악산은 화강암으로 분포되어 있다고 했어요.

    • BS2: 처음에 관찰한 거 이야기 할 때 관악산에서 화강암 보 고 왔다고 해서...

    이처럼 학생들은 첫 번째 제약조건의 경우 야외에 서 관찰하고 온 것을 출처로 하였다. 다음은 두 번째 제약조건을 찾는 과정에서의 담화이다.

    • BS3: 우선 암석으로 보면, 선캄브리아기 시기에 이거 나와 있 는 게 편암, 편마암이 있었고, (지질도를 가리키며) 여기 선캄브리아 시기에 암석이 있었잖아.

    • BS2: 어어, 편마암이 주변에 깔려있어.

    • BS3: 처음에는 ‘선캄브리아 시기에 편암, 편마암이 생성되어 있다’를 하면 될 것 같아.

    두 번째 제약조건은 ‘관악산 주변은 선캄브리아기 편마암이 존재한다.’이다. 사후 인터뷰에서 확인할 수 있었는데 담화는 다음과 같다.

    • T: 방금 이야기 해준 선캄브리아기 변성암이 존재한다 했던 건 어떻게 알게 되었어?

    • BS3: 그거 지질도에서 나와 있었어요.

    • BS1: 저도 지질도에서 본 것 같은데, 편마암이 있었어요.

    두 번째 제약조건, ‘관악산 주변은 선캄브리아기 편마암이 존재한다.’는 모델 구성 수업에 제시된 지 질도를 출처로 하였다.

    다음 학생들의 조별 모델 구성 과정에서 나타난 담화이다.

    • BS2: (중략) 화강암은 마그마에서 기원한 건데, 마그마가 지하 에서 천천히 식으면 만들어지잖아.

    • BS1: 너는 얘(BS3)꺼랑 비슷하네.

    • BS2: 비슷한 거 같아.

    • BS1: 나도 화강암이 지하에서 천천히 식어서 만들어지고...

    그리하여 세 번째 제약조건은 ‘지하에서 마그마가 천천히 식어서 화강암이 형성된다.’이다. 출처를 확인 하는 과정으로 사후 인터뷰에서 다음 과정을 거쳤다.

    • T: 마그마가 식으면 화강암이 된다고 한 건 어떻게 알았어?

    • BS1: 학교에서 심성암 배울 때, 지하에서 마그마가 식으면 화 강암이 만들어진다고 배웠었죠.

    • BS2: 그게 그러니까 저도 학교에서 전에 배웠던 걸로 기억 해요.

    이 경우 세 번째 제약조건은 과거에 배웠던 과학 이 론을 출처로 한다. 계속해서 학생들의 담화 내용이다.

    • BS1: 그런데 나는 물에 의해 그렇게 되었다는 얘기를 추가하 면 좋겠어.

    • BS3: 응?

    • BS1: 그러니까 산이 되는 과정에서 꾸준히 풍화와 침식을 받 는 이야기를 했잖아. 그런데 이때 그냥 얘기하는 것보다 는 비를 통해서 물리적인 풍화 침식이 더 강하게 일어 난다거나 물에 의해 화학적인 변화가 있다거나 뭐 그렇 게 좀 더 자세히 이야기가 되었으면 해서...

    • BS2: 그래 그럼 비를 통한 물리적 화학적 풍화 침식이 일어 난다고 쓰고 발표할 때 자세히 얘기하면 되겠다.

    조별 모델 발표과정에서도 이 부분이 그대로 드러 난다.

    • BS2: 비는 관악산이 형성되는 과정에서 지속적으로 물리적 화 학적 풍화 침식을 일으켰으며...

    B조의 네 번째 제약조건은 ‘비를 통한 물리적 화 학적 풍화 침식작용을 받았다.’이다. 이 때 역시 사후 인터뷰에서 출처를 확인할 수 있었는데 인터뷰 내용 을 아래와 같다.

    • T: 우리 B조 학생들은 비를 통한 물리적 화학적 풍화 침식 작용이 있다고 발표했었잖아. 이 부분은 어떻게 알게 되 었어?

    • BS1: 계곡 상류에서 관찰한 곳에서 붉은 색 그렇게 있는 부 분이 산화되어서 붉게 보인다고 해서 했어요.

    • BS2: 그리고 관찰 했을 때 그게 다 계곡이었잖아요. 그래서 물이 상류에서 하류로 가니까 물리적으로 돌을 깎기도 하고, 움직이고 계속 진행이 되어서 가는 거라고 했어요.

    네 번째 제약조건의 출처는 야외에서 관찰한 것임 을 알 수 있다. 다섯 번째로 드러나는 제약조건은 다 음 담화에서 볼 수 있다.

    • BS2: 절리가 있다는 것은 무언가 강한 힘에 의해서 쪼개지거 나 뭐 그런 게 있었다는 건데, 여러 가지 압력과 그래 서 갈라지고 풍화 침식도 받고 그게 반복적으로 하다 보면 더 강해지고, 근데 그런 힘을 받는다는 게 융기할 때 있었다는 거지. 그러니까 융기할 때 뭐 힘 같은 게 있으니까 천천히 일어나니까 되는 거 같아.

    • BS1: 융기 이야기를 다시 했으면 해.

    • BS2: 그러니까 화강암이 융기를 했는데, 그게 절리를 있는 거 로 봐서 분명히 쪼개지고 막 층이 있거나 쪼개지려고 하는 뭐 그런 것들이......

    사후 인터뷰에서 이 과정에 대해 아래와 같이 질 문 하였다.

    • T: 융기하는 과정은 어떻게 설명했는지 얘기해 줄 수 있겠 니?

    • BS2: 그게 그러니까 처음에 화강암이 생성된 이후에 이게 융 기를 하는데, 그걸 어찌 생각 했냐면 지역이 전체적으로 융기를 하니까 그 힘으로 화강암이 갈라져서 절리도 생 기고 비에 의해서 계속적으로 풍화 침식도 받고 이게 한 번에 되는 게 아니라 천천히 전체적으로 융기가 있 어야 한다고 했어요.

    B조의 다섯 번째 제약조건은 ‘관악산은 전체적으로 융기한다.’이다. 그리고 동시에 어떻게 발표하게 되었 는지 알게 된 그 과정을 한 번 더 질문하였다.

    • T: 관악산이 융기한다고 한 부분은 어떻게 알게 되었는지, 어떻게 발표하게 되었는지 얘기해줄 수 있겠니?

    • BS3: 그때 너(BS2)가 융기 확실하다고 했었잖아.

    • BS2: 응, 아 그때, 그 계곡에서 그 때 제가 설명할 때 본 건 데 그거!

    • BS1: 그러니까 네(BS2)가 반복해서 천천히 융기한다고 했었 잖아. 그걸 어떻게 얘기했는지 말하면 될 거 같은데?

    • BS2: 아, 그거 그 때 계곡에서 긴 거 그거 봤었는데, 긴 거 그거 이렇게 되어서 돌도 올라가있고 갈라져있고 근데 그게 한 번에 융기했으면 그렇게 안 되었을 것 같다고 했어요.

    • BS1: 맞어, 그래서 그게 연결되어 있는 부분이 또 갈라져있었 어.

    • BS2: 거기에서 계곡 상류였는데, 거기에서 관찰한 거 보면서 그거 보고 관악산에 융기가 있었다고 그 때 얘기했었 어요.

    • BS1: 나도 생각났다. 그거 그랬어요.

    그리하여 다섯 번째 제약조건은 야외에서 관찰한 것임을 확인할 수 있었다. B조의 마지막 제약조건을 찾아보도록 하겠다. 먼저 조별 모델 구성과정에서 학 생들의 담화이다.

    • BS3: 혹시 그럼 그것도 뭔가 중간에 생긴 건가? 같이 생겼 나?

    • BS2: 그러니까 그게 처음에 편암, 편마암이 있었잖아 그리고 나중에 화강암이 생긴 건데 그때 뭔가 같이 섞이면서 그렇게 된 거 아닐까? 그러니까 이게 경계라고 해야 하 나? 화강암이 생길 때 같이 섞여서 생길 수도 있잖아.

    최종 조별 모델 발표에서는 아래와 같이 발표해주 었다.

    • BS2: 포획암은 화강암이 생기면서 원래 처음에 있던 편암 부 분이 갇히면서 생기게 된 것이라고 생각하였습니다. 그 래서 포획암으로 암석이 생성된 순서를 알 수 있습니다.

    여섯 번째 제약조건은 ‘관악산에 포획암이 존재한 다.’이다. 그리고 동시에 이 또한 야외에서 관찰한 것을 출처로 한다는 것을 알 수 있었다. B조에서 보 여준 제약조건과 그것의 출처를 정리하면 Table 5와 같다.

    마지막 D조의 사례이다. Fig. 5는 D조의 최종 모 델이다.

    D조 학생들은 모델을 어떻게 만들게 되었는지 제 약조건과 출처를 함께 알아보기 위해 학생들의 담화 를 살펴보면 다음과 같다.

    • DS2: 일단 기반암이 편마암, 편암 여기에 지질도에 선캄브리 아기 호상 편마암이라고 있잖아. 우선 그게 먼저 기반암 으로 자리 잡고 있었어.

    • DS4: 너(DS3)는 어떤 거 같니?

    • DS3: 흠... 나도 그럴 것 같아.

    • DS2: 선캄브리아기 변성암이 기반암으로 존재한다. 처음에는 이렇게 시작하면 될 것 같아.

    아래와 같이 조별 모델 발표를 해주었다.

    • DS2: 관악산의 형성과정 첫 번째 단계는 선캄브리아기 편암, 편마암이 기반암으로 존재한다는 것이다.

    D조의 첫 번째 제약조건은 ‘선캄브리아기 편마암 이 기반암으로 존재한다.’이다. 출처는 지질도이며, 모델 구성 수업에서 추가로 제공된 것이다.

    다음 담화에서 두 번째 제약조건을 찾을 수 있었다.

    • DS2: 기반암 아래에는 지하에 마그마가 존재하고 있었던 거 지. 근데 그게 지하에서 천천히 굳으면서 화강암이 만들 어 지는 거야.

    • DS1: 기반암은 있고, 그니까 그게 계속 마그마가 지하에 있었 는데 그게 천천히 식으면 화강암으로 만들어 지는 거야. 우리가 관악산에서 계속 화강암을 관찰한 거고

    조별 모델 발표에서도 그대로 나타내었다.

    • DS2: 지하에서 마그마가 천천히 굳어서 화강암이 되는 것입니 다.

    • DS2: 요악하자면 (중략) 두 번째 단계에서 지하에서 마그마가 천천히 굳어서 화강암이 만들어지는 것입니다.

    D조의 두 번째 제약조건은 ‘마그마가 지하에서 천 천히 굳어서 화강암이 된다,’이다. 사후 인터뷰에서 출처를 확인할 수 있었다.

    • T: D조 학생들이 발표할 때 두 번째 단계에서 이야기 했던 건데, 지하에서 마그마가 천천히 식어서 화강암이 된다 고 했던 부분은 어떻게 알게 된 거야?

    • DS2: 그게 예전에 배워서 알고 있었어요. 심성암 할 때 배워 서 알고 있던 거예요.

    • DS1: 저도 학교에서 예전에 배웠던 거라 알고 있었어요.

    D조의 두 번째 제약조건은 과학 이론을 출처로 하 고 있다. 다음은 세 번째 제약조건을 찾는 과정에서 학생들의 담화이다.

    • DS4: 근데 우리 관악산의 위치가 정확히 어디쯤이지?

    • DS2: 여기지. 여기 전부 화강암으로 위치하고 있는 것으로 보 면 될 것 같아.

    • DS4: 우선 처음에 했던 거 기반암 쓰고, 마그마를 그리고, 화 강암 쓰고, 구체적으로 뭐라고 쓰지?

    • DS2: ‘관악산은 화강암으로 분포되어 있다.’ 라고 쓰자.

    조별 모델 발표에서도 다음과 같이 언급하였다.

    • DS2: 마그마가 식어서 화강암이 되었고, 화강암(지대)이 결국 에는 관악산이 되게 됩니다. 그러니까 관악산은 결국 화 강암으로 분포되게 되는 것이지요.

    D조의 세 번째 제약조건은 ‘관악산은 화강암으로 분포되어 있다.’이다. 사후 인터뷰에서 이것의 출처를 알아보았다.

    • T: 관악산이 화강암으로 분포되어 있다고 한 건 어떻게 알 게 되었어?

    • DS2: 관악산에서 가서 관찰할 때 그 때 화강암으로 다 되어 있던 것 같았어요.

    • DS1: 계곡에서 관찰했잖아요. 근데 돌들이 전부 화강암이여서

    그리하여 D조의 세 번째 제약조건은 야외에서 관 찰한 것을 출처로 하였다. 다음은 네 번째 제약조건 을 찾는 과정에서 학생들의 담화이다.

    • DS4: 여기가 올라와야 돼 맞지?

    • DS2: 근데 여기만 올라오는 게 아니라 아까 마그마가 천천히 식으면서 화강암이 만들어진다고 했잖아. 그게 그냥 갑 자기 다 올라오는 게 아니라 전체적으로 이 지역이 천 천히 융기해야한다고 해야 할 거 같아.

    • DS3: 그러니까 아까 대보조산운동이 있다고 얘기했잖아.

    • DS2: 그래서 화강암이 만들어지고 이게 산이 되는데 대보조산 운동 때 올라오는 거야

    조별 모델 발표에서도 위 내용을 다음과 같이 언 급하였다.

    • DS2: 그리고 나서 이 지역은 중생대 대보조산운동 때 지역이 전체적으로 융기가 일어납니다. 다음 단계로 관악산 지 역이 융기가 일어난 이후에......

    네 번째 제약조건은 ‘관악산은 대보조산운동 때 융 기하였다.’이다. 사후 인터뷰에서 이에 대한 출처를 확인하였다.

    • T: 관악산은 대보조산운동 때 융기한다고 시점을 이야기했 는데 그건 어떻게 알았어?

    • DS2: 그게 대보조산운동이 1억 8천만 년 전에 있었다고 수업 때 얘기를 해주셔서 그래서 그걸로 했어요.

    네 번째 제약조건은 모델 구성시간에 추가로 제공 된 것이었다. 계속하여 조별 모델 구성 과정에서 학 생들의 담화이다.

    • DS4: 근데 우리 계곡에서 봤던 걸 보면 뭐 깎이고, 물로 이 동하고 뭐 그런 이야기도 해야 하지 않을까?

    • DS2: 풍화나 침식작용 받았다 이런 식으로 정리해서 얘기하면 될 것 같은데, 그냥 간단하게 해도 되지 않나?

    • DS3: 풍화와 침식을 받았다고 거기 일단 쓰고 설명하면 될 것 같아.

    • DS2: 관악산은 풍화와 침식을 받아서 지금과 비슷한 모양을 갖추기 시작한다? 아니면 그냥 풍화와 침식을 받았다 정도만 해도 충분할 듯

    다섯 번째 제약조건은 ‘관악산은 풍화 침식을 받았 다.’이다. 다음은 이와 관련하여 실제 야외지질답사 때 학생들이 나눈 담화 중 일부이다.

    • DS2: 여기 돌 틈에 색깔이 좀 붉은 색이야.

    • T: 색이 왜 이럴까?

    • DS2: 산화작용 같아요.

    • DS1: 막 철 성분이 산화하면 붉은색을 띄잖아요.

    • DS4: 산화 되었어 산화

    • DS2: 그러니까

    이처럼 야외에서 학생들은 관찰한 것을 출처로 하 여 조별 모델에 까지 드러내는 것을 볼 수 있다.

    마지막으로 또 다른 학생들의 담화 속에서 제약조 건을 찾을 수 있었다.

    • DS2: 우리 포획암 이거 봤던 거, 그게 얘(어두운 부분)를 관 입했다는 거 아닐까?

    • DS4: 흠... 우리 밖에서 본 건 그거잖아. 포획암, 근데 검정색 이 이게 포획된 거 아니야?

    • DS2: 하얀색이 포획 했다는 거지

    • DS4: 그럼 이게 순서가 원래 검은색이 있었는데, 나중에 하얀 색이 관입해서 이렇게 되었다 거 아니야?

    • DS2: 그렇게 하자. 순서가 맞는 거 같아.

    아래와 같이 조별 모델을 발표해주었다.

    • DS2: 우리는 관악산에서 포획암을 관찰할 수 있었는데 이는 포획암을 보고 화강암이 관입한 흔적이라고 생각하였고, 이는 기반암이 먼저 존재하고 있었는데 그 다음에 화강 암의 관입이 있으면서 우리가 관찰했던 포획암을 볼 수 있었던 것입니다.

    여섯 번째 제약조건은 ‘관악산에 포획암이 존재한 다.’ 이다. 이에 대한 사후 인터뷰 자료와 추가로 야 외지질답사 때 나눈 학생들의 담화를 동시에 보겠다.

    • T: 관악산에 포획암이 존재한다고 발표한 부분은 어떻게 한 거니?

    • DS4: 그거 관입이었다고 얘기했어요.

    • DS2: 밖에서 검정색이랑 밝은 색 부분 돌 있는 거 그거 보고 했어요.

    야외지질답사 때 이를 관찰할 때 학생들의 담화는 다음과 같았다.

    • DS4: 이게 뭐 관입 같은 건 아닐까?

    • DS2: 어디에 뭐가 관입인거지?

    • DS4: 근데 어디서부터 시작인거야?

    • DS1: 일단 관입인거 같긴 한데, 뭐가 뭐에 관입인지는 생각을 좀 해봐야겠다.

    • DS2: 정확히 어떤 암석인지는 모르겠는데, 화강암이 있고...... 화강암에 화강암이 관입한 건가?

    • DS4: 검은 색에 하얀 색이 관입한 거 아닐까? 그런데 까만 거 이거는 변성암이잖아?

    • DS2: 변성암이 오래되었으니까

    • T: (검은색 부분과 밝은 부분을 가리키며) 뭐가 먼저일까?

    • DS2: 변성암이 먼저고 화강암이 관입한 거 같아

    그리하여 D조의 마지막 제약조건의 출처는 야외에 서 관찰한 것이다. D조의 제약조건과 출처는 Table 6과 같다.

    학생들은 과학자와 달리 이론적 영역이 풍부하지 않을 뿐 아니라 이론적인 기반 또한 약하기 때문에 Nersessian (2008)이 제시한 다양한 분야로부터 제약 조건의 출처를 가져오기에는 한계가 있다. 기존에 학 생들의 모델 구성 과정에서 제약조건의 출처에 관한 연구는 거의 찾아보기 어려웠지만 논증에서 사용한 증거의 유형과 출처를 연구한 Simon and Maloney (2006), Kim (2003), Jang and Jeong (2010)을 분석 하여 Kim (2015)에서 제약조건의 출처를 개인의 경 험적 출처, 이론적 출처, 목표 모델 출처로 3가지로 유형화한 연구가 있었다. 하지만 본 연구에서는 야외 지질학습이라는 지구과학교육에 대표적인 학문 분야 임과 동시에 특정 사례에 적용했을 때 나타나는 것 으로 Kim (2015)이 제시하였던 것에서 수정된 아래 와 같은 결과를 얻어낼 수 있었다. 위에 제시된 결과 를 바탕으로 본 연구에서는 제약조건의 출처를 Table 7과 같이 3가지로 유형화 할 수 있다.

    이번 연구에서는 각 조별로 6~7개의 제약조건이 모델 형성과정에서 나타났는데 그 중에서 야외에서 관찰한 ST2번을 가장 많이 사용했고, ST1과 ST3이 동일하게 그 뒤를 이었다. 이러한 결과는 선행연구에 서 볼 수 있었던 야외지질학습에 답사의 필요성을 보여주는 결과임과 동시에 야외지질학습에 ‘과학적 모델의 사회적 구성’이라는 수업 모듈을 적용하였을 때 학생들이 야외에서 관찰하고 진행한 것에서 그치 는 것이 아니라 사회적 구성 과정을 통해서 추가적 으로 모델을 발달시킨다는 것을 보여주는 결과이다.

    제약조건의 쓰임

    첫 번째 연구문제에서는 조별 모델과 제약조건의 특징을 알아보기 위해 조별 모델에서 제약조건이 무 엇이고, 어디에서 기인한 것인지를 알아보았다면 두 번째 연구문제에서는 주어진 제약조건이 누구에게서 왔고 모델을 구성할 때 어떻게 만들어졌는지, 조별 모델을 형성하는 데 어떻게 영향을 주었는지에 대한 답을 찾아보고자 한다. 즉, 제약조건의 주체가 누구 이며, 어떻게 쓰였는지를 이해함으로서 조별 모델이 만들어지는 과정을 알아보고자 한다.

    Fig. 6은 A조 조별 모델 구성의 모든 과정을 나타 낸 것이다. 조별 모델을 구성하기 전에 학생들은 각 개인 모델을 먼저 가지고 있고 거기에 내포하고 있 는 제약조건을 학생별로 정리하였다. A조 5명의 학 생들은 적게는 3개에서 많게는 5개의 제약조건으로 개인 모델을 구성하고 있었다. 이를 바탕으로 하여 학생들은 조별 모델을 구성하기 시작한다.

    첫 번째, 학생들의 개인 모델에서 각각 AS1C3, AS2C3, AS3C1, AS4C1, AS5C1이 모두 같은 제약 조건으로 ‘관악산 주변은 선캄브리아기 편암, 편마암 으로 존재한다.’는 것이다. 조별 모델에 첫 번째 제약 조건인 AMC1으로 모든 학생들이 동일하게 가지고 있는 제약조건의 경우 조별 모델에 그대로 반영하는 것을 볼 수 있다. 이와 마찬가지로 AS1C2, AS2C2, AS3C2, AS4C2, AS5C3 역시 모두 같은 제약조건으 로 ‘관악산은 물에 의한 물리적 화학적 풍화 침식을 받았다’는 것이다. 이 또한 조별 모델에 AMC6 제약 조건으로 그대로 반영되었다.

    두 번째로는 학생들이 개인 모델에서의 일부 제약 조건이 조별 모델에 반영된 경우이다.

    AMC2, ‘관악산은 화강암으로 분포되어 있다.’부터 살펴보면 조별 구성원 개인 모델에 AS1C5, AS3C5, AS4C5 AS5C4에 나타난 제약조건으로 다수의 학생 에게서 나타난 것이다. A조 4명의 학생이 주체가 되 어 나타낸 것으로 AMC2의 경우에는 조별 모델 초 기에 합의를 이르게 할 수 있었던 제약조건이다. 그 리고 이것의 출처는 ST2, 야외에서 관찰한 것이었다. AMC4, ‘관악산 화강암은 마그마가 지하에서 천천히 식어서 생성되었다.’이다. 조별 모델에서 역시 합의를 이끌어 내는 데 사용되었던 것으로 AS1C4, AS3C4, AS4C4, AS5C2와 같이 개인 모델 다수에게서 나타 난 제약조건들 하나로 주체는 4명이었다. 이것의 출 처는 ST1, 과학 이론으로 과거 수업시간에 배웠던 내용이었다. AMC5는 두 개의 제약조건과는 다르게 한 명의 친구에게서 보였던 것으로 AS1C1, ‘관악산 은 융기하였다.’는 제약조건이다. 주체는 1번 학생으 로 이번 제약조건 역시 조별 모형의 합의에 이를 수 있도록 하였다.

    세 번째 AMC3, AMC7 이 두 가지를 볼 것인데, 처음 학생들이 만든 초기 모델에서는 나타나지 않았 던 것이다. 먼저 AMC3, ‘관악산에 포획암이 존재한 다.’는 제약조건에 대해 살펴봐야할 것이다. A조 구 성원 어느 누구도 초기에 가지고 있지 않았던 것으 로, 실제 조별 모델을 형성하는 와중에 새롭게 만들 어진 제약조건으로 야외에서 관찰한 것을 출처로 하 였다. 특히 학생들이 모델을 구성해 나아감에 있어서 야외에서 관찰한 것으로 특정 현상을 설명하기 위해 서로 논의가 지속되었고 이 때 관찰한 현상 혹은 관 찰을 통해 알 수 있었던 사실과 관련하여 시간의 흐 름에서 전후 관계를 명확하게 정립하기 위해 AMC3 이 사용되었다. 그리하여 최종적으로 조별 모델을 제 약하는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로 AMC7, ‘편마 암이 화강암보다 덜 단단하다.’라는 제약조건이다. 학 생들은 조별 모델을 구성할 때 한 번에 구성하는 것 이 아니라 조별 모델을 차근차근 만들어가며 평가하 고 수정하는 과정을 거치면서 모델을 발전시켜 간다. 이렇게 모델을 발전시켜가며 정교화 하는 과정에서 조별모델은 더욱 발달되어 목표 모델에 가깝게 접근 할 수 있다. 그런 의미에서 볼 때 AMC7과 같은 경 우는 모델을 만들고 그것을 더욱 발전시켜가는 과정 에서 나타난 제약조건으로 학생들은 현재와 비슷한 산의 형태를 보기 위해서는 화강암 자체가 노두에 크게 드러난 것과 기존에 존재하고 있던 변성암의 위치를 어떻게 서술해야할지 고민하고 있었다. 이 때 학생들은 앞서 나왔던 풍화와 침식으로만 모델을 제 약하기에는 부족한 부분이 있었기에 이를 좀 더 정 밀화 하는 과정에서 서로에게 질문을 던졌고, AMC7 가 같은 과거 수업시간에 배웠던 내용을 바탕으로 하여 기존에 존재하고 있던 편마암이 더 많이 풍화 와 침식을 받게 되어 지금과 같은 모습을 나타낼 수 있다고 설명할 수 있었고, 이런 과정에서 AMC7이 모델을 정교화 하는데 도움을 줄 수 있는 제약조건 으로 최종적으로 조별 모델을 완성하였다.

    다음 Fig. 7은 B조의 모델링 과정이다. B조도 A조 와 같은 과정으로 제약조건의 쓰임을 살펴보겠다. 우 선 B조는 총 3명의 학생으로 구성되어 있다. 학생들 은 개인모델에서 각각 3개 혹은 4개의 제약조건을 가지고 조별 모델 만들기를 시작하였다.

    첫 번째로 학생들의 개인모델에서 나타난 BS1C2, BS2C2, BS3C2가 모두 같은 제약조건으로 BMC1, ‘관 악산은 화강암으로 분포되어 있다.’와 BS1C3, BSC3, BS3C3은 BMC4, ‘비를 통한 물리적 화학적 풍화 침 식을 받았다.’이다. 위의 2가지 제약조건의 경우 조별 구성원 모두가 주체가 되고 동시에 그것을 조별 모 델에 그대로 반영하는 것이다. 이 2가지 제약조건은 야외에서 관찰한 것을 출처로 하였다.

    두 번째 학생 개인 모델에서 필요로 했던 제약조 건 중 일부가 조별 모델에 반영된 경우이다. BS1C4, BS3C1의 사례로 이것은 조별모델에 BMC2로 선별 되어 나타나게 되는데, B조의 1,3번 학생이 주체가 되어 제약조건을 BMC2와 같이 드러냈다. BMC2는 B조 모델에서 초기 형태를 제약해주는 역할을 하는 것으로 2번 학생의 모델에서는 없었던 제약조건이지 만 초기 상황을 설명하기 위해 채택되었다. 이와 반 대로 BS2C1은 2번 학생이 가지고 있던 제약조건인 데, 즉, 2번 학생이 제약조건의 주체가 되어서 BMC3으로 ‘지하에서 마그마가 천천히 식어서 화강 암이 형성된다.’고 하여 모델에서 화강암의 근원이 되는 부분을 설명하는 형태로 모델을 제약하기도 하 였다. 다음으로는 BMC5, ‘관악산은 전체적으로 융기 한다.’이다. 이는 BS1C1, BS2C4과 같이 1, 2번 학생 의 개인 모델에서 나타난 것으로 조별 모델에 선택 되어 반영된 것으로 산의 융기와 관련된 부분에 합 의를 이르도록 도와주는 제약조건이다. 이처럼 모든 개인이 아닌 일부 개인의 모델에서 나타났던 제약조 건이 조별 모델의 채택되어 선택적으로 반영된 제약 조건은 관악산 형성과정에서 모델의 특정 현상을 설 명하기 위해 필요로 한 것으로 모델을 제약해 준다.

    마지막으로 BMC6, ‘관악산에 포획암이 존재한다.’ 이다. 이는 학생들한테 초기에 전혀 존재하지 않았던 것으로 모델을 만들어나가는 과정에서 새롭게 생긴 것이다. 더욱이 학생들이 모델을 수정하거나 평가할 때 새롭게 추가된 것으로 암석이 생성된 순서를 설 명할 수 있는 과정으로 모델을 제약하는 것을 볼 수 있다. 이때의 출처 역시 야외에서 관찰한 것을 기반 으로 하였다.

    다음으로 D조의 사례를 살펴보자. D조도 앞서 두 조와 같은 과정으로 진행하였다. Fig. 8은 D조의 조 별 모델이 만들어지는 과정이다.

    첫 번째 DMC1, ‘선캄브리아기 편마암이 기반으로 존재한다.’이다. DS1C4, DS2C5, DS3C1, DS4C1과 같이 첫 번째 제약조건의 경우 D조 조별 구성원 모 두에게서 드러난 것이 조별 모델에 그대로 반영된 것이다. DMC3, ‘관악산은 화강암으로 분포되어 있 다.’와 DMC5, ‘관악산은 풍화 침식을 받았다.’도 위 와 같은 사례로 DMC3의 경우에는 DS1C3, DS2C3, DS3C3, DS4C3이 조별 모델에 그대로 가져오게 된 경우이고 DMC5는 DS1C2, DS2C2, DS3C2, DS4C2 가 동일한 제약조건으로 조별 모델에 드러났다.

    두 번째 DMC2, ‘마그마가 지하에서 천천히 굳어 서 화강암이 된다.’ DS2C1에서부터 만들어진 것으로 2번 학생이 주체가 되어 자신의 개인 모델에서 드러 낸 화강암의 기원이 되는 부분을 설명하며 조별 모 델에서 선택적으로 반영된 부분이다. 이것의 출처는 과학 이론으로 과거에 배운 지식이다.

    세 번째 DMC4, ‘관악산은 대보조산운동 때 융기 하였다.’ 이다. 이는 학생들이 기존에 가지고 있지 않 거나 혹은 나타나지 않은 제약조건이었지만, 조별 모 델 형성과정에서 수업시간에 교사에 의해 추가로 제 시된 것을 출처로 하여 시공간적 큰 스케일의 융기 하는 과정을 설명하고 모델을 제약하는 것으로 나타 났다. DMC6, ‘관악산에 포획암이 존재한다.’도 위와 같은 과정으로 초기에는 전혀 드러나지 않았지만 야 외에서 관찰한 것을 출처로 하여 학생들이 모델을 완성하는 과정에서 암석의 생성 선후 관계를 찾을 때 새롭게 등장한 제약조건이다.

    A, B, D 3개 조를 사례로 제약조건의 쓰임에 따라 Table 8과 같이 정의하고자 한다.

    결론 및 제언

    본 연구의 목적은 ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수 업을 야외지질학습에 적용하였을 때 학생들이 조별 모델을 어떻게 구성해 가는지 Nerssesian (2008)이 제안한 제약조건을 중심으로 이해하고자 한 것이다. 연구결과를 토대로 한 결론과 제언은 다음과 같다.

    첫 번째 ‘과학적 모델의 사회적 구성’ 수업을 지구 과학 학문적 특징이 잘 드러날 수 있는 야외지질학 습에 적용하였을 때 학생들은 야외지질답사 단계에서 관찰한 것을 출처로 하는 제약조건을 조별모델 구성 에 가장 많이 활용 하였다. 이러한 결과는 야외지질 답사의 중요성을 보여줄 수 있을 뿐만 아니라 교사 가 야외지질답사 단계에서 모델 구성에 필요로 하는 제약조건을 학생들에게 어떻게 안내할 지에 대한 고 려가 필요하다는 것을 보여주는 것이다. 교사가 조별 모델을 구성하기 전인 야외지질답사 단계에서 학생들 이 필요로 하는 제약조건을 스스로 판단하고 가지고 갈 수 있도록 교사의 안내가 필수적으로 수반되어야 하는 것임을 역설한다고 할 수 있다.

    두 번째 조별 모델에서 사용된 제약조건을 살펴보 자면 모델을 만들어가는 과정에서 기존에 가지고 있 던 제약조건 이외의 새롭게 추가된 정보들로부터 만 들어낸 생산된 제약조건이 있음을 볼 수 있었다. 이 러한 점은 야외지질답사만으로 진행되는 수업의 한계 점을 지적해줄 수 있음과 동시에 과학적 모델의 사 회적 구성 수업이 함께 진행되어야 함을 보여주는 것이다.

    세 번째 기존에 지구과학교육에서 제시되어온 과학 적 모델의 사회적 구성 수업 영역(domain)과는 또 다른 것으로 지질교육으로까지 적용할 수 있다는 것 을 보여주는 사례이다. 또한, 모델 구성 과정에 관한 기존연구들에서 제시된 요인인 사회적 구성, 규범, 소집단 상호작용, 논증, 문화적 요인 등을 고려한 것 과 다르게 ‘모델’ 자체가 만들어지는 과정에 더욱 중 점을 두고 있다는 점에서 기존의 연구와는 차별성을 드러낼 뿐만 아니라 Nersessian (2002) 연구가 과학 자, 맥스웰(Maxwell)의 모델 구성 과정을 대상으로 하였다면, 본 연구에서는 학교 과학, 학생들 수준의 물음에서 시작하여 실제 과학자들이 자연현상에 관한 궁금증을 해결하는 그 과정을 학생들이 직접 경험하 게 할 수 있었다는 점에서 결과 중심적인 과학이 아 닌 과정으로서의 과학을 접할 수 있기에 더욱 의의 가 있는 연구이다.

    네 번째 향후 지속적으로 학교 과학 수준에 적합 한 제약조건에 관한 연구가 추가로 진행되어야 할 것이다. 이번 연구에서는 주어진 상황과 특정 자료 안에서 제약조건을 제시하는 수준의 연구였다면 앞으 로는 제약조건을 좀 더 명확하고 세분화 하여 학생 들이 모델 구성과정에 필요로 한 것과 필요로 하지 않은 것 그리고 이를 근거로 하여 교사가 수업을 구 현하는데 실질적으로 더 도움을 주는 것에 이르기까 지 많은 사례와 연구가 필요로 할 것이다. 이런 노력 은 앞으로 과학적 모델의 사회적 구성 수업을 준비 하는 교사에게도 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 교 사가 실제 수업을 구현했을 때 학생들의 모델 구성 과정에 대한 이해도를 높이는데 일조할 것으로 사료 된다.

    사 사

    본 논문은 최윤성의 2016년도 석사 학위논문의 데 이터를 발췌, 재구성하였습니다.

    Figure

    JKESS-38-303_F1.gif

    Explain my model to other members.

    JKESS-38-303_F2.gif

    Records of personal activity.

    JKESS-38-303_F3.gif

    Result of group A’s model.

    JKESS-38-303_F4.gif

    Result of group B’s model.

    JKESS-38-303_F5.gif

    Result of group D’s model.

    JKESS-38-303_F6.gif

    Whole process of group A’s modeling.

    JKESS-38-303_F7.gif

    Whole process of Group B’s modeling.

    JKESS-38-303_F8.gif

    Whole process of Group D’s modeling.

    Table

    The procedure of this research

    Group A’s questionnaire for in-depth interview

    Acronyms to describe results

    List of group A’s constraints and sources

    List of group B°Øs constraints and sources

    List of group D’s constraints and sources

    Three types of sources on the constraints

    Using of the constraints on the modeling class

    Reference

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