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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.1 pp.86-106
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.40.1.86

The Development and Application of an Astronomy Education Program Reflecting Astronomical Thinking: A Case of Planetarium Class at
Science Museum

Joontae Choi1, Kiyoung Lee1*, Jaeyong Park2
1Division of Science Education, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea
2Department of Science Education, Seoul National University of Education, Seoul 06639, Korea
Corresponding author: Tel:

November 20, 2018 January 6, 2019 February 25, 2019

Abstract


The purpose of this study is to develop an astronomy education program reflecting astronomical thinking to be used at science museum and to investigate the effect of the program on the improvement of astronomical thinking ability of high school students. After selecting the components of astronomical thinking through literature studies, we developed an astronomy education program consisting of four stages: demonstration and observation, and question and thinking, support and group discussion, demonstration and assessment. In order to verify the effectiveness of the program, we conducted a covariance analysis on the pre- and post-tests of the experimental group and control group to examine the level of students’ thinking before and after using the program in teaching and learning. As a result, it was confirmed that the astronomy education program reflecting astronomical thinking was effective in promoting students’ astronomical thinking ability. In particular, this program was effective in enhancing the ability of modeling by reconstructing the observed astronomical phenomenon from the viewpoint of the universe with respect to spatial thinking in the astronomy domain. It was also effective to improve the ability of organizing the system by grasping the relationship between the elements constituting the astronomical system in relation to the system thinking in the astronomy domain. This study is significant in suggesting a specific teaching and learning program to develop students’ astronomical thinking.



천문학적 사고를 반영한 천문교육 프로그램의 개발 및 적용: 과학관 천체 투영관 수업 사례

최 준태1, 이 기영1*, 박 재용2
1강원대학교 과학교육학부, 24341, 강원도 춘천시 강원대학길1
2서울교육대학교 과학교육과, 06639, 서울시 서초구 서초중앙로 96

초록


이 연구의 목적은 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램을 개발하고, 그 프로그램이 고등학생들의 천문학적 사고 능력의 향상에 미치는 효과를 확인하는 것이다. 문헌 연구를 통해 천문학적 사고의 구성 요소를 선정한 후 사고력 학습 발달 모형을 응용하여 시연과 관찰, 문제 제시와 사고 활동, 지원과 모둠 토의, 시연과 평가의 네 단계 로 구성된 천문교육 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램의 효과를 검증하기 위하여 실험군과 대조군의 사전, 사후 검 사에 대해 공변량 분석을 실시하였고, 프로그램을 이용한 교수·학습 활동의 사전과 사후에 학생들의 수준 변화를 살펴 보았다. 연구 결과, 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램은 학생들의 천문학적 사고를 증진시키는 데 효 과가 있는 것으로 확인되었다. 특히 이 프로그램은 천문 영역의 공간적 사고와 관련하여 관측된 천문 현상을 우주에서 보는 관점에서 재구성하여 모델링하는 능력을 신장시키는 데 효과가 있었고, 시스템 사고와 관련하여 천문 시스템을 구 성하는 요소들 간의 관계를 파악하여 시스템을 조직할 수 있는 능력을 향상시키는 데 효과가 있었다. 이 연구는 학생 들의 천문학적 사고를 발달시키기 위한 구체적인 교수·학습 프로그램을 제시하였다는 데 그 의의가 있다.



    서 론

    오늘날 우리는 이른바 ‘손끝으로 다양하고 수많은 정보에 접근할 수 있는 환경’에서 생활하고 있다. 지 난 반세기 동안 폭발적으로 증가한 지식의 양은 암 기에 의한 교육이 지식의 증가를 따라잡을 수 없다 는 것을 깨닫게 해주었고, 매일 같이 쏟아져 나오는 수많은 데이터와 급변하는 사회의 요구는 학생들의 사고력 결손과 교수 방법의 한계를 드러내 주었다 (Cheon, 2006;Hodson, 1993). 지식정보산업의 발달 초기에 Simon(1977)은 정보산업의 발달은 인간이 소 화시키기에 너무나 많은 새로운 지식을 산출해 내고 있을 뿐만 아니라 많은 종류의 정보와 지식이 쉴 새 없이 낡아져 가치를 상실하고 있음을 지적하며, 교육 의 기본 산물인 지식을 소유하는(possess) 것에서 접 근하는(access) 개념으로 전환해야 함을 강조한 바 있 다. 지식에 대한 이러한 접근 방법은 과학교육에도 그대로 적용되는 것으로, 교육기관에서는 과학과 관 련된 또는 과학에 대한 많은 지식들을 암기식으로 가르치기보다 과학적 주장과 증거를 토대로 합리적으 로 판단하고 논리적으로 추론하는 능력, 주어진 현상 의 추리 과정에 대해 비판적으로 고찰하는 능력, 다 른 관점에서 현상을 바라보고 해석하여 독창적인 아 이디어를 산출하는 능력 등 학습자의 과학적 사고력 을 기르기 위해 노력할 필요가 있다. Kuhn et al. (1988)은 과학적 사고의 계발이 과학교육의 중요한 목표 중 하나이며, 사고력을 함양하고 촉진시킬 수 있는 수업을 설계하고 실행하는 방식을 이해할 필요 가 있다고 하였다.

    그렇다면 우주 영역의 핵심 주제 중 하나인 천문 시스템을 효과적으로 이해하는데 필요한 사고는 무엇 일까? 이에 대해 Maeng et al.(2014)은 공간적 사고 와 시스템 사고로 구성된 천문학적 사고에 주목하였 다. 천문학적 사고는 과학 내용지식으로서 천체의 운 동과 구조를 다루는 것과 함께 학생들이 천체의 운 동과 구조를 효과적으로 학습하기 위한 과학 탐구실 행 능력을 길러주자는 취지에서 도입된 개념이다. 이 연구에서는 천문학적 사고에 대한 Maeng et al. (2014)의 개념을 원용하였으며, 그 과정에서 천문학 적 사고의 구성 요소인 공간적 사고와 시스템 사고 에 대한 정의도 포함하였다.

    Learning to Thinking Spatially (NRC, 2006)에서는 공간적 사고를 “공간에 대한 의미를 이해하는 공간적 개념, 사물의 공간적인 형태나 구조를 시각화하는 방 식, 그리고 공간적 표현 방식을 활용하여 사물의 구 조와 성질, 기능 등을 이해하고 설명하는 추론 과정 까지 포함하는 종합적인 사고 능력”으로 정의하고 있 다. Plummer(2014)는 이러한 공간적 사고가 천문 현 상에 대한 이해를 높이고 과학적 활동에 대한 참여 를 넓히는 근본적 토대가 된다는 점을 강조하며, 공 간적 사고 활동에 참여하는 것은 학습자가 공간 능 력을 사용할 때 수반되는 과학 지식 및 관련된 경험 에 따라 달라질 수 있다고 주장하였다. Maeng et al. (2014)은 이러한 선행 연구들에서 규명된 공간적 사 고에 대한 세부 사항들을 바탕으로 천문 시스템을 학습할 때 사용되는 공간적 사고를 ‘천체의 위치 변 화와 지리적 방향을 판단하는 능력, 2차원의 평면 자 료를 3차원의 공간적 자료로 또는 그 반대로 서로 전환하는 능력, 지구에서 보는 관점에서 파악한 천문 현상을 우주에서 보는 관점에서 재구성하고 이것을 천체의 상대적 운동으로 파악하는 능력 등을 포함하 는 것’으로 정의하였다.

    한편, NRC(2012)에서는 시스템 사고를 “전체 시스 템을 구성하는 어느 한 부분의 작동이나 변화 또는 특정한 기능이 어떻게 시스템에 영향을 주어 전체 시스템이 작동하게 되는지 이해하는 능력”으로 정의 하고 있으며, 이러한 시스템 사고에는 시스템 작동 과정에서 서로 다른 각각의 요소들이 상호작용하는 것에 대한 판단과 의사결정, 시스템 분석, 시스템 평 가 및 추상적인 추론 과정이 포함된다고 설명한다. 또한, Ben-Zvi Assaraf and Orion(2005)은 시스템 사 고와 관련된 선행 연구들에 대한 검토 결과를 토대 로 지구 시스템 내에서 물질의 순환을 예로 들어, 시 스템 사고의 특성을 시스템의 구성 요소들과 시스템 내에서의 진행 과정을 식별하는 능력, 시스템 구성 요소들 간의 관계를 파악하는 능력, 관계의 틀 내에 서 시스템의 구성 요소와 진행 과정을 조직할 수 있 는 능력, 시스템 내에서 역동적인 관계를 밝혀낼 수 있는 능력, 자연의 순환 시스템을 이해하는 능력, 시 스템의 작동 원리를 이해하고 일반화할 수 있는 능 력, 시스템의 숨겨진 차원 이해하기, 시간적 사고(회 상과 예측) 능력 등 8가지 능력으로 구분하여 정리하 였다. 이들은 후속 연구(Ben-Zvi Assaraf and Orion, 2010)에서 시스템의 구성 요소를 크게 분석하기, 종 합하기, 실행하기로 구분하였고, 이 3가지의 구성 요 소들은 분석, 종합, 시스템 실행이 위계를 갖고 순차 적으로 발달한다고 주장하였다. Maeng et al.(2014)은 이들의 연구가 천문 시스템에서 천체들 간의 구조를 이해하는 과정에서 부분적으로 재구성되어 적용될 수 있다고 보았으며, 이를 통해 학습자가 천문 시스템을 학습할 때 활용하는 시스템 사고를 “천문 시스템 내 에서 천문 현상의 패턴을 이해하고, 시스템 구성 요 소들 간의 상호 관계를 이해하며, 각 구성 요소들의 부분적인 정보를 전체적으로 종합하여 시스템의 규모 와 비율 및 변화를 이해하고 설명할 수 있는 모델을 구성하는 과정”으로 정의하였다.

    Maeng et al.(2014)이 천문학적 사고의 개념을 제 안한 이후 국내에서 일부 연구자들을 중심으로 천문 학적 사고와 관련된 연구가 꾸준히 진행되어왔다. 그 예로, Lee et al.(2014)은 별과 우주 단원에 대한 중 학교 과학교사의 주제-특이적 PCK (Pedagogical Content Knowledge) 사례 연구를 통해 천문 수업에서 교사들 이 공간적 사고와 시스템 사고를 반영하는 수준이 낮고 천문 영역에 특이적인 실행인 천문학적 사고가 가르치는 핵심 개념에 적절하게 조합되지 못하고 있 다는 분석 결과를 보여주었다. 또한, 이들은 연구 결 과를 토대로 효과적인 천문교육을 위해 수업에서 천 문학적 사고의 중요성에 대한 인식이 필요하며, 교사 PCK에서 지식과 실행(천문학적 사고)의 조합이 강조 되어야 한다고 주장하였다. Lee et al.(2015)은 초등 학교 태양계와 별 수업에서 나타나는 공간적 사고 사례 연구를 통해 공간적 사고는 고도의 형식적 사 고 기능이기 때문에 천체의 운동을 이해하려면 교사 의 중재 활동이 필요함을 주장하였고, 연구 참여교사 의 수업에 대한 분석을 바탕으로 태양계 행성과 별 수업에서 학생들의 공간적 사고를 형성하고 발달시킬 수 있는 방안을 제안하였다. Oh and Lee(2018)는 천 문학적 시스템 사고를 중심으로 초등학교 학생들의 달의 위상 변화에 대한 학습 발달과정을 탐색한 결 과, 초등학생들이 지구 기반 관점과 우주 기반 관점 사이의 사고 전환에 어려움을 겪고 있는 것으로 보 고하였고 이를 해소하기 위한 방안의 하나로 천문학 적 시스템 사고를 효과적으로 가르칠 수 있는 현실 적인 교수법을 개발할 필요가 있음을 제안하였다. 이 들 연구 외에도 Oh et al.(2015)은 중학교 천문 수업 에 대한 과학교사의 교수 실행에서 나타나는 시스템 사고를 분석하여 천체의 운동을 이해하기 위해서는 공간적 사고 능력이, 천체의 구조를 파악하기 위해서 는 시스템 사고가 필요함을 강조하였으며, Choi et al. (2018)은 순위 선다형 문항을 이용한 초·중·고등학 생의 천문학적 사고 분석을 통해 천문학적 사고 중 시스템 사고 수준은 공간적 사고와 달리 학년에 따 라 통계적으로 유의미한 차이가 나타나며 천문학적 사고가 상황(내용)에 의존하고 있음을 확인하였다.

    이처럼 그동안 천문학적 사고와 관련된 연구는 학 생들의 천문학적 사고 수준 및 학습 발달 과정 탐색, 과학교사들의 교수 실행과 PCK의 특징 및 수준 등 을 중심으로 이루어져 왔다. 이들 연구는 천문 시스 템에 대한 학생들의 학습 발달 과정을 조사하고 과 학교사들의 교수 지향과 실행 과정을 드러냄으로써 천문 수업에서 공간적 사고와 시스템 사고를 구현하 기 위한 방안을 제시하였을 뿐만 아니라 효과적인 천문교육 및 과학교사들의 PCK 발달 과정 연구를 위한 기초를 다지는 데 이바지하였다. 하지만 교수· 학습 방법의 측면에서 지금까지의 연구는 천문학적 사고를 발달시키기 위한 교수·학습 방안을 제안하는 수준에 머물러 있어 천문학적 사고를 반영한 교수· 학습 프로그램의 구체적인 모습과 프로그램을 적용했 을 때의 학습 효과를 가늠하는 데 한계가 있었다.

    이에 이 연구에서는 천문학적 사고를 반영한 천문 교육 프로그램을 개발·적용하고 해당 프로그램이 학 습자의 천문학적 사고 능력의 향상에 미치는 효과를 살펴보고자 한다. 참고로, 이 연구에서는 학교 현장 에서 바로 활용할 수 없다는 제약에도 불구하고 교 육 내용 구성의 개방도, 참여 학생의 집중적인 활동 가능성, 천문교육의 용이성 등 현실적인 적용 여건을 종합적으로 고려하여 천체투영관을 갖춘 과학관에서 실시할 수 있는 용도의 천문교육 프로그램을 우선 개발하고자 하였다. 학습자의 천문학적 사고 향상을 목적으로 이 연구에서 설정한 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

    첫째, 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프 로그램을 개발하기 위해 어떤 요소와 내용을 포함할 것인가?

    둘째, 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프 로그램이 고등학생들의 천문학적 사고에 미치는 효과 는 어떠한가?

    이론적 배경

    천문 영역의 공간적 사고

    여러 가지 사고의 유형 중 하나인 공간적 사고 (spatial thinking)는 선언적(declarative)이고 지각적 (perceptual)인 지식의 형식과 이러한 지식을 변형시 키거나 결합하거나 그 밖에 이러한 지식을 다루는 데 이용될 수 있는 인지적 조작(cognitive operation) 들로 구성된다(NRC, 2006). 공간적 사고는 크게 세 가지 요소 즉, 데이터를 전체로 통합하고 구조화하는 데 필요한 개념적이고 분석적인 틀을 제공하는 공간 개념(concepts of space), 구조화된 정보를 저장하고, 분석하고, 이해하고, 전달하는 데 필요한 형식을 제 공하는 시각화 도구(tools of representation), 그리고 구조화된 정보를 조작하고, 해석하고, 설명하는 수단 을 제공하는 추론 과정(processes of reasoning)으로 이루어져 있으며, 이 요소들은 구조적으로 긴밀하게 연결되어 있다(NRC, 2006). 이를 토대로 NRC(2006) 에서는 공간적 사고를 “공간에 대한 의미를 이해하는 공간적 개념, 사물의 공간적인 형태나 구조를 시각화 하는 방식, 그리고 공간적 표현 방식을 활용하여 사 물의 구조와 성질, 기능 등을 이해하고 설명하는 추 론 과정까지 포함하는 종합적인 사고 능력”으로 정의 하고 있으며, 이러한 공간적 사고는 각 지식이 속해 있는 영역 내에서 맥락적으로 실행될 때 효과적으로 학습될 수 있다.

    공간적 사고에 대한 NRC(2006)의 정의에서 알 수 있듯이 공간적 사고는 공간적 용어로 문제를 구성하 고 문제의 요소들을 표현하기 위해서 공간 언어들을 사용하며, 거리·방향·패턴의 관점에서 사물들 사이 의 관계를 사고하는 능력을 포함한다. 또한, 사물을 바라보는 시각과 각도를 변경하고 사물을 확대하거나 축소하여(zoom in or out) 다양한 결과를 가정하거나 시각화함으로써 공간적 패턴이나 구조 혹은 관계들에 서 나타날 수 있는 변화를 예측할 수 있는 의지와 능력을 함께 포함한다. Maeng et al.(2014)은 선행 연구들에서 규명된 공간적 사고에 대한 세부적인 사 항들을 바탕으로 학생들이 천문 시스템을 학습할 때 활용하는 공간적 사고를 “천체의 위치 변화와 지리적 방향을 판단하는 능력, 2차원의 평면 자료를 3차원의 공간적 자료로 또는 그 반대로 서로 전환하는 능력, 지구에서 보는 관점에서 파악한 천문 현상을 우주에 서 보는 관점에서 재구성하고 이것을 천체의 상대적 운동으로 파악하는 능력 등을 포함하는 것”으로 정의 하였다. 이와 같은 천문 영역의 공간적 사고는 천문 현상에 대한 학생들의 이해를 증진시키고 천문 현상 과 관련된 과학적 활동에 참여를 넓히는 근본적 토 대가 된다(Plummer, 2014).

    Table 1은 공간적 사고에 대한 선행 연구를 바탕으 로 천문 영역의 공간적 사고를 구성하는 요소를 연 구자별로 정리한 것이다. Table 1에서와 같이 공간적 사고를 구성하는 구성 요소에 대해 연구자들 간에 의견의 일치를 보이고 있지는 않지만, 대부분의 연구 자들은 천문 영역에서 공간적 사고의 교육적 가치가 높다는 데 일치된 의견을 보이고 있다(Gersmehl, 2008).

    한편, 국내에서는 2000년을 전후하여 천문 영역의 공간 능력에 대한 연구가 진행되어 왔다. 연구 초기 에는 공간 능력과 천체의 운동에 대한 개념 성취도 의 상관관계에 대한 연구가 이루어졌으며(Koo, 2000), 이들 연구는 모두 학습자의 공간 능력 수준이 천체의 운동에 대한 개념 이해와 높은 상관이 있음 을 보고하였다. 또한 Lee(2002)는 학습자의 공간 능 력은 천문 단원의 학업 성취도와 관련이 있음을 확 인하였고, Seo(2002)Kim et al.(2003)은 천문과 관 련된 공간 개념 수준을 확인할 수 있는 검사 도구를 작성하기도 하였다. 이후 Byun et al.(2004)은 지구와 달의 운동에 대한 고등학생들의 인식을 조사하였는 데, 이는 천체의 운동을 천문학적 사고의 측면에서 살펴본 연구의 시작이라고 할 수 있다.

    국내에서 천문 영역과 관련하여 공간적 사고에 대 한 연구가 활발하게 이루어진 계기는 Lee et al. (2014)의 연구라고 할 수 있다. Lee et al.(2014)은 별 과 우주 단원에 대한 중학교 과학교사의 주제-특이적 PCK 사례 연구를 통해 학생들이 천문 영역의 핵심 개념을 올바르게 이해하기 위해서는 천문학적 사고와 같은 실행 능력이 요구된다고 주장하였고, 그 과정에 서 천문학적 사고를 공간적 사고와 시스템 사고로 구 분하였다. 이후 Maeng et al.(2014)은 순위 선다형 문 항을 이용한 천문 시스템 학습 발달 과정 개발 및 타 당화 연구에서 학생들이 천체의 운동과 구조를 효과 적으로 학습하기 위한 과학적 탐구 실행으로서 천문 학적 사고의 개념을 정교화하였고, 천문학적 사고를 구성하는 공간적 사고의 개념을 분명하게 정의하였 다. Maeng et al.(2014)의 연구는 천문학적 사고와 그 구성 요소에 대한 개념과 특성을 자세히 밝혔다는 점 에서 긍정적인 평가를 받고 있으며, 이후 초등학교 태양계와 별 수업에서 나타나는 공간적 사고 사례 연 구(Lee et al., 2015), 천문 수업에 대한 초등 교사의 주제-특이적 PCK 발달과정 탐색(Lee and Lee, 2016) 등의 연구가 이루어짐으로써 천문 영역에서 공간적 사고에 대한 연구를 확장시키는 토대가 되었다.

    최근에 Choi et al.(2018)Maeng et al.(2014)이 제작한 천문학적 사고 측정 도구(순위 선다형 문항) 를 이용하여 초·중·고등학생의 공간적 사고 수준을 조사하였다. 이들 연구자는 학생들이 천체의 공간 위 치와 방향은 파악할 수 있지만 2차원 평면에서의 천 체 운동을 3차원으로 변환하지 못한다는 점과 학년 에 따라 공간적 사고 수준에 통계적으로 유의미한 차이가 없다는 점을 들어 지식 중심으로 이루어지고 있는 현행 천문교육이 탐구 실행 중심으로 변화될 필요가 있다고 주장하였다.

    천문 영역의 시스템 사고

    시스템 사고는 1961년 미국 MIT대학의 경영학 교 수인 Forrester에 의해 개발된 시스템 다이내믹스 (system dynamics) 이론에 기인하고 있다(Kim et al., 2006). 시스템 다이내믹스는 시스템의 구조를 모델화 하여 이를 컴퓨터에서 시뮬레이션하여 정책 효과를 분석하는 방법론이지만(Kim, 2004;Kim et al., 2006), 그 사용 방법이 어려운 까닭에 사회 전반으로 쉽게 확산되지 않았다. 이후 Morecroft가 일반인이 어려워하는 부분을 제외하고 간추려서 ‘시스템 사고’ 라고 부르기 시작한 이래(Kim et al., 2006), 시스템 사고는 복잡한 시스템의 동태를 이해하고 처방하는 방법론이자 동시에 역동적인 시스템의 특성을 파악하 는 데 효과적으로 적용할 수 있는 사고방식으로서 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다(Kim, 2004;Moon and Song, 2012). NRC(2012)에서는 이러한 시스템 사고를 “전체 시스템을 구성하는 어느 한 부 분의 작동이나 변화 또는 특정한 기능이 어떻게 전 체 시스템에 영향을 주어 전체 시스템이 작동하게 되는지 이해하는 능력”으로 정의하고 있으며, 시스템 사고에 시스템 작동 과정에서 서로 다른 각각의 요 소들이 상호작용하는 것에 대한 판단과 의사결정, 시 스템 분석, 시스템 평가 및 추상적인 추론 과정을 포 함시키고 있다.

    그동안 시스템 사고에 대한 연구는 시스템 사고의 구성 요소와 그 특성을 밝히고 학습자의 시스템 사 고를 향상시키기 위한 방안을 마련하는 방향으로 수 행되어 왔다. 이들 연구의 몇 가지 예로, Richmond (1993)는 시스템 사고를 역동적 사고(dynamic thinking), 순환적 사고(cyclic thinking), 일반적 사고(general thinking), 구조적 사고(structural thinking), 실행적 사고 (practical thinking), 지속적 사고(continuous thinking) 그리고 과학적 사고(scientific thinking) 등 7가지 하 위 요소로 구분할 수 있음을 보고하였고, Chen and Stroup(1993)Zeidler et al.(1992)은 시스템 사고를 다양한 요인들의 상호 관계를 이해하여 전체 시스템 의 상황을 바르게 이해하는데 매우 유용한 사고의 틀이라고 일컬으며 단편적인 부분에 집착하지 않고 시스템 전체를 개관하고 상호 관계를 파악하는 특성 이 있다고 소개하였다. 또한, Cindy and Dorothy (2000)은 시스템 사고에서 (1) 시스템은 계층적 구조 를 가지며, (2) 자연적 결과 또는 조작된 기능을 나 타내는 하위 시스템을 가지며, (3) 인과적 요소들을 포함하며, (4) 인과 관계의 고리가 시스템 메커니즘 과 결과를 야기하며, (5) 복잡한 시스템의 인과 관계 고리는 시간적 차원과 공간적 차원에서 다양함을 포 함한다고 주장하였다. O’Connor and Mcdermott (1997)Kim et al.(1998)은 시스템 사고를 하는 사 람들은 자신의 정신 모델을 바꿀 수 있고 사고방식 을 통제하며, 문제 해결 과정을 처리할 수 있으므로 그들은 시스템 내에서 원인과 결과가 시간과 공간에 서 밀접하게 관련되어 있지 않을 수 있다고 주장하 기도 하였다. Senge(2006), Senge et al.(2012)은 시스 템 사고가 피드백 루프, 시간 지연, 비선형적 행동 및 관계 등의 특성이 있음을 확인하고, 시스템 사고 를 향상시키기 위해서는 정신 모델(mental model), 개인 숙련(personal mastery), 공유 비전(shared vision), 팀 학습(team learning), 시스템 사고(systems thinking)1) 등 다섯 가지의 훈련 요소(fifth discipline)가 필요함 을 제안하였으며, Penner(2000)는 시스템 사고를 지 도할 때의 유의점으로 특정 시스템을 가르칠 때 학 생들의 사고 수준에 적합한 활동을 선정할 필요가 있으며, 해당 영역에 대한 지식과 설명적이고 경험적 인 학습 가이드가 필요함을 주장하였다.

    지구과학 교육에서 시스템 사고에 대한 연구는 주 로 지구계(earth system) 교육과 관련하여 이루어져 왔다. Gudovitch(1997)는 처음으로 지구과학 분야에 시스템 사고를 적용하였는데, 그는 시스템 사고 모델 을 네 단계(첫 번째 단계: 다양한 지구 시스템에 대 한 지식과 이러한 시스템 간의 물질적 변형에 대한 인식, 두 번째 단계: 물질 변형을 유발하는 특정 프 로세스에 대한 이해, 세 번째 단계: 시스템 간의 상 호 관계에 대한 이해, 네 번째 단계: 전체 시스템에 대한 인식)로 구성된다고 보았고, 이에 따라 탄소순 환의 맥락에서 시스템 중심의 교과 과정을 개발하고 학습자들로 하여금 시스템 사고의 모델을 습득하게 하였다. 또한, Orion(2002)은 지구계 교육 분야에서 자연환경은 하부 시스템과 상호 작용하는 시스템이기 때문에 시스템의 한 부분에서의 어떤 조작은 연쇄 반응을 일으킬 수 있으며, 지구와 같은 물리적 시스 템에 대한 이해는 시스템의 경계를 확대하고 시스템 의 숨겨진 차원을 알아낼 수 있는 능력에 기초한다 고 주장하였다. 한편, Ben-Zvi Assaraf & Orion (2005)은 지구 시스템 내에서 물질의 순환을 예로 들 어 시스템 사고의 특성을 다음과 같이 8가지로 분류 하여 제시하였다. (1) 시스템의 구성 요소들과 시스 템 내에서의 진행 과정을 식별하는 능력, (2) 시스템 구성 요소들 간의 관계를 파악하는 능력, (3) 관계의 틀 내에서 시스템의 구성 요소와 진행 과정을 조직 할 수 있는 능력, (4) 시스템 내에서 역동적인 관계 를 밝힐 수 있는 능력, (5) 자연의 순환 시스템을 이 해하는 능력, (6) 시스템의 작동 원리를 이해하고 일 반화 할 수 있는 능력, (7) 시스템의 숨겨진 차원을 이해할 수 있는 능력, (8) 회상과 예측할 수 있는 능 력. 이들은 후속 연구를 통해 시스템 사고의 특성을 분석하기, 종합하기, 실행하기 등 위계적 성격을 띤 세 개의 요소로 다시 구분하였고, 시스템 구성 요소 들에 대한 분석과 종합이 시스템 실행을 위한 기반 이 되는 식으로 하위 단계가 다음 단계를 위한 기반 이 됨으로써 시스템 사고가 순차적으로 발달한다고 주장하였다(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2010).

    이처럼 시스템 사고는 지구과학을 포함한 여러 학 문 분야 및 다양한 사회적 상황에서 적절한 문제 해 결 방안을 구하는 과정에 필요한 고등사고 능력으로 인정받고 있지만, 최근까지 천문 영역에서 시스템 사 고를 직접 다룬 연구는 쉽게 찾을 수 없었다. 이에 Maeng et al.(2014)은 시스템 사고에 대한 NRC (2010)의 정의와 시스템 사고를 다룬 Ben-Zvi Assaraf & Orion(2005, 2010) 등의 선행 연구 결과를 토대로, 학생들이 천문 시스템의 구조를 이해하고 설명하는 과정에서 활용되는 시스템 사고를 “천문 시스템 내에 서 천문 현상의 패턴을 이해하고, 시스템 구성 요소 들 간의 상호 관계를 이해하며, 각 구성 요소들의 부 분적인 정보를 전체적으로 종합하여 시스템의 규모와 비율 및 변화를 이해하고 설명할 수 있는 모델을 구 성하는 과정”으로 정의하였다. 또한, Maeng et al. (2014)은 우주 시스템을 제대로 이해하기 위해서는 내용 지식으로서 학습함과 동시에 과학적 탐구실행으 로서 천문학적 사고가 필요함을 지적하며 시스템 사 고를 천문학적 사고에 포함하였다.

    Maeng et al.(2014)의 연구 이후 Oh et al.(2015)은 ‘중학교 과학 천문 수업에서 나타나는 시스템 사고 분석: 별과 우주 단원에 대한 과학교사의 교수 실행 사례’ 연구에서 시스템 사고에 대한 선행 연구의 범 위를 넓혀 천문 영역에서 시스템 사고 관련 요소들 즉, 우주를 구성하는 요소, 시스템의 규모와 비율 (scale and proportion), 천체들의 규모와 위치에 따른 구조(structure), 천체들의 위계, 시간의 변화에 따른 에너지나 물질의 흐름 또는 변화, 전체 시스템의 모 델링(system modeling) 등을 추출하였고, 이를 토대 로 천문 시스템을 학습할 때 활용되는 시스템 사고 를 Table 2와 같이 사고의 위계성과 순차적으로 발전 하는 연속성을 지닌 능력으로 새롭게 정의하였다.

    이후 Oh & Lee(2018)Maeng et al.(2014)Oh et al.(2015)의 연구를 바탕으로 학습 발달 과정의 측 면에서 천문학적 시스템 사고의 수준을 설정하였으며, 천문 수업에 효과적인 시스템 사고의 실행을 위해 단계적인 천문 시스템 교수법을 개발하여 적용할 필 요가 있다고 주장하였다. 또한, Choi et al.(2018)은 순위 선다형 문항을 이용한 초·중·고등학생의 천문 학적 사고 분석을 통해 Table 24수준 즉, 학생들 이 통합적 관점에서 천체의 운동 시스템을 하위 시 스템을 포함하여 표현된 모델로 구성할 수 있는 수 준에는 이르지 못한 것을 확인하였고, 이를 근거로 천문학 분야에 특정적인 시스템 사고가 보편적인 시 스템 사고와 어떻게 다른지, 그리고 천문학적 사고로 서 시스템 사고가 공간적 사고와 어떻게 연관되어 있는지 후속 연구를 통해 규명될 필요가 있음을 제 안하였다. 또한, 이들 연구자는 현재 교실에서 지식 전달 위주로 이루어지는 교수 활동을 천문학적 사고 가 조합된 형태의 교수 활동으로 전환하는 데 여러 한계가 있고 이 때문에 교육적 효과도 제한적일 수 밖에 없음을 지적하며, 야외에서 실제 관측할 수 있 는 천체 운동을 대상으로 천문학적 사고를 발현시킬 수 있는 현장 체험 학습용 교육 프로그램을 개발할 필요가 있다고 주장하였다.

    천체투영관(Planetarium)

    오늘날 천체투영관은 천체나 천문영상을 반구형 스 크린에 투영하는 돔(dome) 형태의 교육 공간과 여러 운용 장비들을 포함하여 일컫는 용어로 사용되고 있다. 천체투영관의 운영방식은 크게 LiveShow, StarShow, Fulldome Show의 3가지로 구분할 수 있다. LiveShow 는 광학식 천체투영관이나 디지털 천체투영관에서 모 두 사용할 수 있는 방식으로, 운용자(교사)와 관람객 (학생)이 직접 소통할 수 있는 장점이 있으므로 교육 적인 측면에서는 가장 효과가 크다고 할 수 있다. 이 연구에서 개발한 천문교육 프로그램도 LiveShow 방 식을 이용하여 교수·학습을 진행하도록 내용을 구성 하였다. StarShow는 이미 프로그래밍 된 스크립트에 해설을 추가하여 운영하는 방식으로, 디지털 천체투 영관에 적당하다. 이 방식은 시청각 효과를 충분히 표현할 수 있는 장점이 있지만, 제작하는데 많은 시 간이 필요하며 다른 방식들에 비해 교육적 효과가 낮다. Fulldome Show는 돔형 극장에서도 활용하는 디지털 천체투영 방식으로, 기존의 평면 사각형의 스 크린에서 원형 돔 스크린을 이용하여 천문 관련 영 상 뿐 만 아니라 다양한 주제의 영상을 마치 영화를 보는 것처럼 상영하는 방식으로, 실제로 체험하는 듯 한 느낌을 제공할 수 있지만 StarShow 방식보다 제 작비와 제작 시간이 많이 소요되는 단점이 있다 (Kim, 2017). 현재 천문 과학관에서는 교육적 효과를 높이기 위해 위의 3가지 방식 중 2가지 이상을 병행 하여 사용하고 있으며, 천체투영관에서의 활동은 교 실에서 이루어지는 수업에 비해 천문 개념에 대한 이해와 천문학에 대한 관심을 높이는 데 효과적인 것으로 알려져 있다(Kim, 2017;Pulmmer and Krajcik, 2010).

    연구 방법

    이 연구에서는 Fig. 1과 같이 천문학적 사고 관련 선행 연구 및 문헌 조사 결과를 바탕으로 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램을 개발하고, 이를 현장 체험 학습에 참여한 고등학생들에게 적용 하여 천문교육 프로그램의 교육적 효과를 확인하고자 하였다. 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프 로그램을 개발한 과정과 연구 방법에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.

    천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그 램 개발 절차

    Hodson(1993)은 학습자의 과학적 사고력을 향상시 키기 위해서는 Piaget의 인지발달 이론에 근거하여 ‘행 동→사고→언어’의 과정을 적용한 교수·학습 방법을 개발해야 한다고 주장하였으며, 사회적 구성주의의 입장에서 개개인의 인지적 활동보다는 동료 구성원들 과의 상호작용을 통해 합의된 지식을 각 개인이 내 면화하는 방향으로 학습 활동을 구성하는 것이 더 적절하다고 하였다. 이에 따르면 천문학적 사고를 반 영한 천문교육 프로그램에 학생들에게 충분한 언어 적, 비언어적 상호작용의 기회를 제공하는 소집단 학 습 활동이 포함될 필요가 있다(Han et al., 2004). 따 라서 이 연구에서는 기본적으로 천문학적 사고의 특 성에 기초하여 프로그램의 컨텐츠(지구의 자전, 계절 별 별자리, 태양의 일주 및 연주 운동, 달의 위상 변 화 등)와 활동 목표를 수립하고 Hodson(1993)의 사 고력 발달 학습 모형(Fig. 2)에 따라 천문교육 프로그 램을 개발하되, 그 프로그램의 교수·학습 과정에 소 집단 활동을 통한 모둠 토의가 포함되도록 구성하 였다.

    천문교육 프로그램의 기본적인 개발 방향이 정해진 후에는 과학교육 전문가 2명과 박사과정 대학원생 1 명이 두 차례의 협의 과정을 거쳐 천문학적 사고를 반영할 수 있는 프로그램의 구체적인 활동 모델을 Fig. 3과 같이 구성하였다. Fig. 3에서 천문학적 사고 를 반영한 과학관 천문교육 프로그램의 첫 번째 단 계인 ‘시연과 관찰(Demonstration & Observation)’에 서는 천체투영관의 운영자가 프로그램의 활동 목표에 따라 구성된 학습 내용을 천체 투영기로 시연하면 학생들이 천체의 움직임을 손가락으로 추적하며(제스 처) 관찰하도록 하였다. 두 번째 단계인 ‘문제 제시 와 사고 활동(Question & Thinking)’에서는 운영자가 컨텐츠에 적합한 문제를 제시하면 학생들이 해당 문 제를 해결을 위해 스스로 사고하는 과정을 거치게 하였다. 세 번째 단계인 ‘지원과 모둠 토의(Support & Discussion)’ 에서는 운영자가 제시한 문제에 대해 학생들이 소집단별로 모여 서로의 생각을 발표한 후 토의하게 하였다. 마지막 단계인 ‘시연과 평가 (Demonstration & Assessment)’에서는 소집단별로 토 의한 내용과 학생 자신의 생각을 운영자가 시연하는 영상을 보며 문제에 대한 답을 찾고 그 결과를 스스 로 평가해 보도록 하였다.

    Fig. 3의 모델에 따라 컨텐츠별로 천체투영관 운영 자와 학생의 역할을 포함한 천문교육 프로그램을 개 발한 후에는 연구자들이 과학관의 천체투영관에 모여 프로그램을 직접 체험해 보며 운영자와 학생의 역할 을 세부적으로 검토한 후 프로그램을 최종적으로 완 성하였다.

    연구 대상

    천문학적 사고를 반영한 천문교육 프로그램을 개발 한 후 그 효과를 확인하기 위하여 2017년 7월 초부 터 8월 중순까지 강원과 인천 지역 소재 8개 고등학 교에서 현장 체험 학습을 위해 과학관을 방문한 2학 년 130명의 학생들을 연구 대상으로 하였다(Table 3 참조). 이때, 연구 대상으로 고등학교 학생들을 선정 한 까닭은 초·중·고등학생을 대상으로 천문학적 사 고를 파악한 선행 연구(Choi et al., 2018)에서 천문 학적 사고 중 시스템 사고 수준은 고등학생들에게서 만 유의미한 차이가 나타났으며, 프로그램을 적용하 는 과정에서 단순한 천문 지식을 넘어 고차적 사고 력과 추리력을 활용해야 하기 때문이다. 한편, 현장 체험 학습에 참여한 학교와 학생 수에 따라 차이가 있었지만 각 학교마다 실험군과 대조군에 해당하는 학생들을 가급적 고르게 선정하여 천문교육 프로그램 을 활용한 교수 활동 이외의 다른 변인에 의한 영향 을 최소로 줄이고자 하였다.

    검사 도구

    이 연구는 연구 대상자를 무선적으로 배치하기 어 려운 상황이므로 Fig. 4와 같이 준실험 설계(quasiexperimental design)를 적용하였다. 천문학적 사고를 반영한 천문교육 프로그램을 투입하기에 앞서 현장 체험 학습을 신청한 학생들을 대상으로 2017년 6월 부터 7월까지 각 학교에서 지도교사의 도움을 받아 사전 검사를 실시하였다. 또한, 2017년 7월 초부터 8 월 중순까지 실험군에 속한 학생들을 대상으로 충청 북도 제천군 소재 과학관의 천체투영관에서 천문교육 프로그램을 진행한 후, 대조군에 속한 학생들과 함께 사후 검사를 실시하였다.

    사전 검사와 사후 검사에서 사용한 검사 도구는 동일하다. 이 검사 도구는 천문학적 사고 수준을 검 사하기 위하여 Maeng et al.(2014)이 개발한 15문항 의 순위 선다형 문항 중 Table 4와 같이 천문 영역 의 공간적 사고와 시스템 사고에 해당하는 문항을 각각 3문항씩 선정한 것으로, 과학교육 전문가 2명이 협의를 통해 컨텐츠의 내용에 적합하고 천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고를 잘 반영했다고 판단한 문항들이다. 이들 순위 선다형 문항은 각 문항이 정 답과 오답으로 구분되는 것이 아니라 다양한 수준의 선택지를 포함함으로써 각 선택지에 응답한 학생의 개념 이해 정도에 대한 진단적 정보를 제공한다 (Briggs et al., 2006). Fig. 5는 이 연구에서 사용한 순위 선다형 검사 문항들의 예이다.

    자료 분석

    순위 선다형 문항을 이용하여 실시한 사전 검사와 사후 검사에 고등학교 2학년 158명의 학생들이 참여 하였지만, 응답지를 분류하는 과정에서 6개의 검사 문항 중 3문항 이상에 응답하지 않은 학생들의 응답 지 28개를 분석 대상에서 제외함에 따라 최종 130명 의 응답 내용을 분석에 사용하였다.

    천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램 의 효과를 확인하기 위하여 대조군과 실험군에 속한 학생들의 사전 검사와 사후 검사 점수를 비교하였다. 기술 통계 분석으로 사전, 사후 검사에서 집단별 평 균 점수의 변화 경향을 확인하였고, 검사 전후에 실 험군과 대조군에 속한 학생들의 천문학적 사고 수준 의 전반적인 변화 양상을 살펴보기 위해 수준별 비 율과 이동을 보여주는 기술 도표를 작성하여 비교하 였다. 한편, 천문교육 프로그램의 통계적 유의성을 검증 하기 위한 추리 통계 분석으로 SPSS 17.0 windows 프 로그램을 사용하여 대조군과 실험군의 사전, 사후 검사 결과에 대한 공변량분석(ANCOVA)을 실시하였다.

    연구 결과 및 논의

    천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램

    천문학적 사고 즉, 천문 영역의 공간적 사고와 시 스템 사고는 위계가 있고 순차적으로 발달하는 특성 이 있다. 천문 영역의 공간적 사고를 단계에 따라 세 개의 수준으로 구분할 때, 가장 낮은 수준은 관측된 천체의 위치와 변화를 2차원 평면에서 사고하는 단 계이고, 다음 수준은 지구에서 관측되는 천체 현상을 우주에서 바라보는 관점에서 설명할 수 있는 단계이 며, 마지막 최상위 수준은 2차원의 평면 자료를 3차 원의 공간으로 전환하며 지구 관점을 우주 관점으로 모델링 할 수 있는 단계이다(Maeng et al., 2014). 또 한, 천문 영역의 시스템 사고를 순차적인 발달 단계 에 따라 구분하면 가장 낮은 수준은 천문 현상의 구 성 요소를 파악하고 구성 요소를 분류할 수 있는 단 계이고, 다음 수준은 구성 요소 간의 상호관계를 이 해할 수 있는 단계이며, 마지막 최상위 수준은 구성 요소들 간의 관계를 종합하여 보이지 않는 시스템의 부분까지도 경향성이나 주기성을 파악하고 통합적인 관점에서 모델링 할 수 있는 단계이다(Lee et al., 2016).

    이와 같은 천문학적 사고의 특성을 토대로 Table 5 와 같이 2015 개정 과학과 교육과정에서 천문학적 사고를 잘 반영할 수 있는 요소들을 선정하였고, 그 에 따른 프로그램 활동 목표를 수립하였다. 이때, 천 문학적 사고를 반영할 수 있는 요소들을 초등학교와 중학교의 내용 체계에서도 추출하였는데, 이는 천문 교육 프로그램의 적용 대상이 고등학생임에도 불구하 고 천체투영관에서는 별의 탄생 및 진화와 같은 추 상적 개념이 아닌 계절별 별자리, 지구의 자전과 공 전, 달의 위상 변화 등 구체적이고 체험 가능한 내용 을 주로 다루고 있기 때문이다.

    천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고의 구성 요소를 선정하고 그에 따른 프로그램의 활동 목표를 정한 다음, Fig. 3에 제시된 천문교육 프로그램의 활 동 모델에 따라 천문학적 사고가 반영된 천문교육 프로그램을 개발하였다. Table 6과 Table 7은 이 연 구를 통해 개발한 천문 영역의 공간적 사고를 반영 한 과학관 천문교육 프로그램과 천문 영역의 시스템 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램을 각각 나 타낸 것이다. 천문학적 사고를 반영한 이 프로그램은 Table 5의 천문학적 사고 요소에 따른 프로그램의 활 동 목표에 따라 컨텐츠의 내용을 구성하고 운영자와 학습자가 상호 작용하는 방식으로 학습이 진행된다는 점에서 과학관의 천체투영관에서 일반적으로 행해지 는 운영자 중심의 프로그램 즉, 컨텐츠에 해당하는 내용을 주어진 시나리오에 따라 시연하고 간단한 질 의·응답을 통해 학습자가 본 것을 회상하거나 앞으 로 나타날 현상을 간단히 예상해 보는 형태의 프로 그램과 차별화된다.

    천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그 램의 효과

    천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램 을 적용한 후 학생들의 천문학적 사고와 천문학적 사고의 하위 요소인 공간적 사고 및 시스템 사고에 서의 수준 변화를 각각 구분하여 살펴본 결과는 다 음과 같다.

    천문학적 사고 수준의 변화

    Fig. 6은 천문학적 사고를 반영한 천문교육 프로그 램을 적용했던 실험군의 사전, 사후 검사에서 구한 평균 수준을 대조군의 사전, 사후 검사에 대한 평균 수준과 함께 나타낸 것이다. Fig. 6에서 X축은 이 연 구에서 사용한 6개의 검사 문항을 나타낸 것으로, 천 문 영역의 공간적 사고를 다룬 3개의 문항(ITEM 1, 3, 5)을 왼쪽에, 천문 영역의 시스템 사고를 다룬 3개 의 문항(ITEM 2, 4, 6)을 오른쪽에 배치하였다. 또 한, Y축은 학생들의 천문학적 사고의 수준을 보여주 는 것으로, 가장 낮은 수준을 1수준으로, 가장 높은 수준을 4수준으로 설정하였다.

    Fig. 6에서 볼 수 있듯이 모든 문항에서 실험군의 사전, 사후 검사의 평균 점수가 대조군의 평균 점수 에 비해 높게 나타났다. 사후 검사에서 실험군과 대 조군의 평균 점수 차이가 사전 검사의 결과에 비해 비교적 크게 나타났음에도 불구하고 이러한 차이가 통계적으로 유의미한지 확인하기 위해서는 학생들의 사전 능력의 영향을 제거한 후 통계 분석을 진행할 필요가 있다. 다만, 천문학적 사고를 반영한 천문교 육 프로그램을 경험했던 실험군의 경우 대조군과 달 리 천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고를 다룬 문항에서 비교적 그 수준이 고르게 상승함에 따라 이 연구에서 개발한 천문교육 프로그램이 특정 사고 요소에 치우치지 않았음을 알 수 있다.

    Table 8은 학생들의 사전 능력을 공변량으로 설정 한 후 실험군과 대조군의 사전, 사후 검사 점수에 대 해 공변량분석(ANCOVA)을 실시한 결과이다. 그 결 과, 실험군은 대조군에 비해 모든 문항에서 높은 평 균 점수를 보였지만, 공간적 사고를 다룬 1번 문항과 시스템 사고를 다룬 2번, 4번 문항에서 실험군과 대 조군 사이에 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 하지 만 공간적 사고를 다룬 3번, 5번 문항과 시스템 사고 를 다룬 6번 문항에서는 p< .01 수준에서 통계적으로 유의미한 차이를 보였으며, 공간적 사고, 시스템 사 고 그리고 이들 요소를 종합한 천문학적 사고에서도 실험군은 대조군에 비해 유의미한 향상을 보여주었 다. 이와 같은 결과는 Choi et al.(2018)의 연구에서 와 같이 천문학적 사고 요소에 따라 학생들의 천문 학적 사고 수준이 다르게 나타나거나 그 수준의 변 화가 다를 수 있다는 가능성을 시사하고 있음에도 불구하고, 이 연구에서 개발한 천문학적 사고를 반영 한 과학관 천문교육 프로그램이 학생들의 천문학적 사고 수준을 향상시키는 데 효과가 있다는 것을 보 여준다.

    공변량분석의 결과가 천문학적 사고를 반영한 천문 교육 프로그램의 효과를 일부 설명하고 있지만, 개발 한 프로그램이 학생들의 천문학적 사고 수준에 미치 는 영향을 보다 구체적으로 살펴보기 위하여 사전과 사후에 실험군과 대조군 학생들의 수준 변화를 비교 하였다.

    Table 9는 천문교육 프로그램을 이용한 교수·학습 활동의 사전과 사후에 실험군과 대조군 학생들의 수 준 변화 사례를 상향, 중립, 하향으로 구분하여 정리 한 것이다. 천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고 를 종합한 천문학적 사고에서 실험군과 대조군 학생 들의 수준이 사후에 상향 변화된 비율은 각각 36, 28%였고, 사후에 수준이 낮아진 하향 변화의 비율은 각각 11, 17%로 나타났다. Table 10은 사전과 사후 에 실험군과 대조군에 속한 학생들의 천문학적 사고 수준의 변화 양상 비율을 사례별로 나타낸 것이다. Table 10의 중립에 해당하는 사례들 중에서 실험군의 경우 사전과 사후 검사에서 수준 3과 수준 4로 중립 을 보인 경우는 각각 16, 26%였고, 하위 수준에서 상위 수준으로 상향 변화한 경우는 36%로, 실험군에 속한 학생들 중에서 78%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다. 이에 비해 대조군의 경우 사전과 사후 검사 에서 수준 3과 수준 4로 중립을 보인 경우는 각각 11, 23%였고, 하위 수준에서 상위 수준으로 상향 변 화한 경우는 29%로, 대조군에 속한 학생들 중에서 63%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지 하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다.

    Fig. 7은 사전-사후 학생들의 천문학적 사고의 수 준별 변화 양상을 실험군과 대조군으로 구분하여 도 표로 나타낸 것으로, 이와 같은 방법은 Plummer (2014)가 학생들의 수준 변화 양상을 표현하기 위해 이용한 방법을 차용한 것이다. Fig. 7의 도표에서 선 의 굵기는 사전 수준에서 사후 수준으로 이동한 학 생의 비율을 뜻하며 선이 굵을수록 이동한 학생의 비율이 높은 것을 의미한다(Lee et al., 2016). 실험군 과 대조군에 속한 학생들의 수준 변화를 전체적으로 살펴볼 때, 실험군의 경우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에 서 17% 감소하였고 수준 4로 상향된 비율이 높았다. 이에 비해 대조군의 경우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에 서 1%만 감소하였고 수준 4로 상향된 비율이 실험 군보다 낮게 나타났다.

    이처럼 실험군이 대조군에 비해 낮은 수준에 머물 러 있는 학생들의 비율이 감소했고 비교적 높은 수 준에서 중립을 유지하거나 상향 변화된 비율이 높았 다는 결과는 학생들의 천문학적 사고 수준이 천문학 적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램에 의해 유효하게 상승했다는 근거로 볼 수 있다.

    천문 영역의 공간적 사고 수준의 변화

    Table 11은 과학관 천문교육 프로그램을 이용한 교 수·학습 활동의 사전과 사후에 천문 영역의 공간적 사고에 대한 실험군과 대조군 학생들의 수준 변화 사례를 상향, 중립, 하향으로 구분하여 문항별로 정 리한 것이다. 천문 영역의 공간적 사고에서 실험군과 대조군 학생들의 수준이 사후에 상향 변화된 비율은 각각 39, 29%였고, 사후에 수준이 낮아진 하향 변화 의 비율은 각각 13, 18%로 나타났다. 이때, 실험군은 대조군에 비해 모든 문항에서 상향 비율이 높았고 하향 비율이 낮게 나타났다. Table 12는 사전과 사후 에 실험군과 대조군에 속한 학생들이 보인 천문 영 역의 공간적 사고 수준의 변화 양상 비율을 사례별 로 나타낸 것이다. Table 12의 중립에 해당하는 사례 들 중에서 실험군의 경우 사전과 사후 검사에서 수 준 3과 수준 4로 중립을 보인 경우는 각각 11, 28% 였고, 하위 수준에서 상위 수준으로 상향 변화한 경 우는 39%로, 실험군에 속한 학생들 중에서 78%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다. 이에 비해 대조군의 경우 사전과 사후 검사에서 수준 3과 수준 4로 중립 을 보인 경우는 각각 10, 22%였고, 하위 수준에서 상위 수준으로 상향 변화한 경우는 28%로, 대조군에 속한 학생들 중에서 60%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다.

    Fig. 8에서 실험군과 대조군에 속한 학생들의 수준 별 변화 양상을 전체적으로 살펴볼 때, 실험군의 경 우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에서 23% 감소하였고 수 준 4로 상향된 비율이 높았다. 이에 비해 대조군의 경우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에서 불과 3%만 감소하였 고 수준 4로 상향된 비율이 실험군보다 낮게 나타났 다. 특히, 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 속한 실 험군과 대조군의 비율이 각각 43, 47%로 비교적 유 사했지만, 사후 검사에서 실험군의 23%에 해당하는 학생들의 수준이 높아진 반면 대조군의 44%에 해당 하는 학생들은 여전히 수준 1과 수준 2에 머물러 있 어 실험군과 큰 대조를 보였다.

    한편, 천문 영역의 공간적 사고와 관련하여 학생들 에게서 나타난 특징은 문항 1(지구의 공전)에 대한 응답에서 실험군과 대조군의 하향 비율이 각각 15, 16%로 유사하고, 문항 3(일주 운동)에 대한 응답에서 실험군과 대조군의 하향 비율이 각각 18, 23%로 다 른 문항들에 비해 하향 폭이 비교적 크다는 점이다. 이러한 결과는 천문학적 공간적 사고 능력이 부족한 학생들의 경우 즉, 학생들이 이미 가지고 있던 천문 영역의 공간적 사고 수준이 빈약한 경우에는 천문교 육의 실행 여부와 관계없이 지구 기반의 관점을 우 주 기반의 관점으로 전환하거나 시간의 흐름에 따른 천체의 위치 변화를 파악하는 데 어려움을 겪고 있 음을 보여주는 것으로, 천문교육 프로그램 외에 이들 학생을 위한 별도의 적절한 교수 활동의 중재 (instructional invention, Wiser et al., 2012)가 필요함 을 시사한다.

    전반적으로 천문학적 사고 수준에서의 결과처럼 실 험군이 대조군에 비해 낮은 수준에 머물러 있는 학 생들의 비율이 감소했고 비교적 높은 수준에서 중립 을 유지하거나 상향 변화된 비율이 높았다는 결과는 천문 영역의 공간적 사고에 대한 학생들의 수준이 천문학적 사고를 반영한 과학과 천문교육 프로그램에 의해 유효하게 상승했다는 근거가 된다. 참고로, 이 러한 결과는 Shin and Lee(2011)가 지역의 과학관에 서 이용할 수 있는 천문교육 프로그램을 개발하여 과학영재 학생들의 공간 개념을 향상시킬 수 있었다 고 보고한 것처럼 체계적으로 개발된 과학관 천문교 육 프로그램이 천문 영역의 공간적 사고에 대한 학 생들의 수준을 높일 수 있음을 시사한다.

    천문 영역의 시스템 사고 수준의 변화

    Table 13은 과학관 천문교육 프로그램을 이용한 교 수·학습 활동의 사전과 사후에 천문 영역의 시스템 사고에 대한 실험군과 대조군 학생들의 수준 변화 사례를 상향, 중립, 하향으로 구분하여 문항별로 정 리한 것이다. 천문 영역의 시스템 사고에서 실험군과 대조군 학생들의 수준이 사후에 상향 변화된 비율은 각각 35, 28%였고, 사후에 수준이 낮아진 하향 변화 의 비율은 각각 10, 17%로 나타났다. 이때, 실험군은 대조군에 비해 문항 2를 제외한 다른 두 문항에서 상향 비율이 높았고, 모든 문항에서 하향 비율이 낮 게 나타났다.

    Table 14는 사전과 사후에 실험군과 대조군에 속한 학생들이 보인 천문 영역의 공간적 사고 수준의 변 화 양상 비율을 사례별로 나타낸 것이다. Table 14의 중립에 해당하는 사례들 중에서 실험군의 경우 사전 과 사후 검사에서 수준 3과 수준 4로 중립을 보인 경우는 각각 22, 23%였고, 하위 수준에서 상위 수준 으로 상향 변화한 경우는 35%로, 실험군에 속한 학 생들 중에서 80%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다. 이에 비해 대조군의 경우 사전과 사후 검사에서 수 준 3과 수준 4로 중립을 보인 경우는 각각 13, 24% 였고, 하위 수준에서 상위 수준으로 상향 변화한 경 우는 28%로, 대조군에 속한 학생들 중에서 65%의 학생들이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화되었음을 알 수 있다.

    Fig. 9에서 실험군과 대조군에 속한 학생들의 수준 별 변화 양상을 전체적으로 살펴볼 때, 실험군의 경 우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에서 17% 감소하였고 수 준 4로 상향된 비율이 높았다. 이에 비해 대조군의 경우 사전 검사에서 수준 1과 수준 2에 머물러 있던 학생들의 비율이 사후 검사에서 9%만 감소하였고 수 준 4로 상향된 비율이 실험군보다 낮게 나타났다.

    한편, 천문 영역의 시스템 사고와 관련하여 대조군 에 속한 학생들이 보인 특징 중 하나는 시스템 사고 를 묻는 다른 문항들에 비해 문항 6(행성의 공전)에 대한 응답 비율이 적다는 것이다. 그 까닭은 사후 검 사를 실시하기 이전에 자신의 생각과 일치하는 선택 지가 없거나 정답이 두 개 이상이라고 생각되어 선 택지에 답할 수 없는 경우에는 검사지에 표시를 하 지 않도록 안내한 데서 비롯된 것으로 여겨지며, 이 처럼 행성의 상대적 위치와 운동의 변화를 이해하고 시스템을 모델링 할 수 있는 능력을 다룬 문항에 응 답한 학생들의 수가 적었다는 것은 대조군에 속한 학생들의 일부가 시스템을 모델링 할 수 있는 수준 에 이르지 못했다는 것을 간접적으로 알려준다.

    전반적으로 실험군이 대조군에 비해 낮은 수준에 머물러 있는 학생들의 비율이 감소했고 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화된 비율이 높 았다는 결과는 천문학적 사고를 반영한 과학과 천문 교육 프로그램이 천문 영역의 시스템 사고에 대한 학생들의 수준을 높이는 데 긍정적으로 작용했다는 것을 보여준다. 또한, 이러한 결과는 Ben-Zvi Assaraf & Orion(2010)이 고차원적 사고 기술로 간주되는 시 스템 사고라 할지라도 적절한 교수·학습 활동을 통 해 학생들의 수준을 향상시킬 수 있다고 주장한 것 처럼 천문학적 시스템 사고의 발달 과정에 대한 이 해와 학생들의 수준에 적합한 컨텐츠에 기초하여 개 발된 천문교육 프로그램이 천문 영역에서 학생들의 시스템 사고를 효과적으로 증진시킬 수 있음을 시사 한다.

    결론 및 제언

    이 연구의 목적은 문헌 연구를 통해 획득한 천문 학적 사고 요소와 내용, 사고력 발달 학습 모형을 토 대로 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로 그램을 개발하고, 그 프로그램이 고등학생들의 천문 학적 사고 능력의 향상에 미치는 효과를 실증적으로 확인하는 것이다. 이 연구를 통해 얻은 결과를 요약 하고, 그러한 연구 결과를 바탕으로 내린 결론은 다 음과 같다.

    첫째, 기존 문헌 연구를 통해 천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고의 구성 요소를 선정하고 그에 따른 컨텐츠(지구의 자전, 계절별 별자리, 태양의 일 주 및 연주 운동, 행성의 공전, 달의 위상 변화 등)와 활동 목표를 정한 다음, Hodson(1993)의 사고력 학 습 발달 모형을 응용하여 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램을 개발하였다. 과학관의 천체투영관을 활용하는 이 천문교육 프로그램은 시연 과 관찰(Demonstration & Observation), 문제 제시와 사고 활동(Question & Thinking), 지원과 모둠 토의 (Support & Discussion), 시연과 평가(Demonstration & Assessment)의 네 가지 단계가 순차적으로 구성되 어 있으며, 천체투영관의 운영자와 학습자가 상호작 용하는 방식으로 학습이 진행된다.

    둘째, 현장학습에 참여한 일반계 고등학교 2학년 학생들을 대상으로 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램을 적용하여 공변량분석을 실시한 결과, 천문학적 사고 요소에 따라 학생들의 천문학적 사고 수준에 차이가 있음에도 불구하고 이 프로그램 이 학생들의 전반적인 천문학적 사고 수준을 향상시 키는 데 효과가 있음을 보여주었다. 또한, 천문교육 프로그램을 이용한 교수·학습 활동의 사전과 사후에 실험군과 대조군에 속한 학생들의 수준 변화를 살펴 본 결과, 실험군이 대조군보다 수준 3 이상의 높은 수준에서 중립을 유지하거나 상향 변화된 비율이 높 게 나타나 이 프로그램의 유효성을 뒷받침하였다.

    셋째, 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프 로그램의 효과를 천문학적 사고의 하위 요소인 공간 적 사고와 시스템 사고의 측면에서 살펴본 결과, 실 험군이 대조군에 비해 낮은 수준에 머물러 있는 학 생들의 비율이 비교적 높은 수준에서 중립을 유지하 거나 상향 변화된 비율이 높게 나타남으로써 이 천 문교육 프로그램이 천문 영역에 대한 학생들의 공간 적 사고와 시스템 사고를 증진시키는 데 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다. 공변량분석 결과와 학 생들의 수준별 변화 양상을 포괄적으로 고려할 때, 특히 이 프로그램은 공간적 사고와 관련하여 시간의 흐름에 따른 천체의 위치 변화를 파악하는 능력과 지구, 달, 태양의 관계를 지구기반 관점에서 우주기 반 관점으로 전환하여 모델링 할 수 있는 능력을 신 장시키는 데 효과가 있었으며, 시스템 사고와 관련하 여 태양, 지구, 달의 관계를 종합적으로 파악하여 시 스템을 조직할 수 있는 능력을 향상시키는 데 효과 가 있었다.

    이와 같은 결과를 종합해 볼 때, 천문학적 사고를 반영한 과학관 천문교육 프로그램은 학생들의 천문학 적 사고 즉, 천문 영역의 공간적 사고와 시스템 사고 를 증진시키는 데 효과가 있다고 할 수 있다.

    이 연구는 천문학적 사고를 발달시키기 위한 교 수·학습 방안을 제안하는 수준을 넘어 천문학적 사 고를 발달시키기 위한 교수·학습 프로그램의 구체적 인 모습을 밝히는 실증적 연구로서 의의를 가진다. 이 연구는 고등학생들을 대상으로 하였기에 그 결과 를 초등학생이나 중학생에게까지 일반화할 수 없고, 교수·학습 활동이 과학관의 천체투영관에서 이루어 지기에 학교 수업 현장에서 직접 활용할 수 없다는 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 이 연구의 결과는 천문학적 사고의 증진을 목표로 실시되는 비형식 교 육기관의 천문교육 프로그램이나 천문학적 사고를 반 영한 학교교육 프로그램을 개발하는데 경험적 토대를 제공할 수 있다. 또한, 천문학적 사고와 관련된 학생 들의 학습발달 과정에 대한 교수자의 이해를 넓힘으 로써 교수자가 학습 과정에서 학생들이 겪는 어려움 과 필요에 적절하게 반응할 수 있는 방안을 마련하 는데 일정 부분 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

    한편, 이 연구를 수행하는 과정에서 드러난 문제점 을 추후 연구를 위한 과제로 제언하면 다음과 같다.

    첫째, 학생들의 천문학적 사고 수준을 정밀하게 측 정하고 합리적으로 해석할 수 있는 평가 방안을 강 구할 필요가 있다. 이 연구에서 사용한 순위 선다형 문항의 경우 검사 과정에서 일부 학생들이 자신의 현재 수준과 무관하게 추측이나 임의로 답을 골랐을 개연성을 완전히 배제하기 어렵고, 순위 선다형 각각 의 문항이 학생들의 천문학적 사고 수준을 대표하는 지, 각 수준 사이의 차이를 정량적으로 처리할 수 있 는지 등에 대한 근거가 부족하여 학생들의 발달 수 준을 해석하는 데 어려움이 있었다. 앞으로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 순위 선다형 문항이 갖는 근본적인 한계를 최소화하거나 순위 선다형 문항을 보완 또는 대체할 수 있는 평가 방안이 마련될 필요 가 있다.

    둘째, 천문학적 사고 수준이 빈약한 학생들을 위해 천문교육 프로그램을 실행하는 과정에서 활용할 수 있는 적절한 교수 활동의 중재 방안을 마련할 필요 가 있다. 연구 결과에서 이미 언급하였듯이 학생들의 천문학적 사고 수준이 빈약한 경우에는 천문교육 프 로그램의 실행 여부와 관계없이 학생들은 여전히 학 습에 어려움을 겪고 있었다. 이러한 결과는 천문교육 프로그램을 적용하더라도 교수자의 적절한 도움 또는 지원이 추가적으로 투입될 필요가 있다는 것을 시사 하는 것으로, 앞으로 교수자의 역할에 대한 연구가 이루어질 필요가 있다.

    Figure

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    The procedure of the research.

    JKESS-40-1-86_F2.gif

    Scientific thinking development learning model (from Hodson, 1993).

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    Activity model of astronomical education program reflecting astronomical thinking.

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    Research design.

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    Examples of the ordered multiple-choice items used in this study.

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    Comparison of mean level for each item between experimental and control groups.

    JKESS-40-1-86_F7.gif

    Comparison of the transitions between experimental and control groups of Astronomical Thinking.

    JKESS-40-1-86_F8.gif

    Comparison of student transitions between experimental and control groups of spatial thinking in the astronomy domain.

    JKESS-40-1-86_F9.gif

    Comparison of student transitions between experimental and control groups of system thinking in the astronomy domain

    Table

    Definition of spatial thinking in the astronomical domain

    Definition of level-specific system thinking in the astronomical domain (modified from Oh et al., 2015)

    The number of students participated in this study

    Overview of the ordered multiple-choice items on the astronomical thinking

    Activity objectives of the program according to components of astronomical thinking

    Astronomical education program reflecting spatial thinking of astronomical domain in planetarium

    Astronomical education program reflecting system thinking of astronomical domain in planetarium

    Results of ANCOVA for students’ level of astronomical thinking by item

    Proportions and number of cases of astronomical thinking upward, neutral, and downward transitions by item between experimental and control groups

    Comparison of the transitions between experimental and control groups of Astronomical Thinking

    Proportions and number of cases of spatial thinking in the astronomy domain upward, neutral, and downward transitions by item between experimental and control groups

    Comparison of the transitions between experimental and control groups of spatial thinking in the astronomy domain

    Proportions and number of cases of system thinking in the astronomy domain upward, neutral, and downward transitions by item between experimental and control groups

    Comparison of the transitions between experimental and control groups of system thinking in the astronomy domain

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