Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.3 pp.300-312
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2019.40.3.300

The Development of an Astronomical Observing Education Program for High School Science Club Activities

Dong-Yeol Choi1, Ma-Byong Yoon2*
1Laboratory of Earth Science, Daejeon Science Highschool, Dajeon 34142, Korea
2Department of Science Education, Jeonju University, Jeonju 55069, Korea
Corresponding author: mabyong@hanmail.net Tel: +82-63-220-2849
June 3, 2019 June 19, 2019 June 22, 2019

Abstract


The purpose of this study is to develop an astronomical observing education program that enables high school students to inquire the distance of astronomical bodies based on the research methods (observing open clusters and exploring collected big data) using small telescopes and DSLR cameras. After analyzing the 2015 revised science curriculum, we developed science club activity materials and teacher-student learning contents suitable for high school earth science education. A panel of six teachers and researchers of earth science education and astronomy, participated in developing the educational materials. The validity of the program was verified through establishing the agreement among the panels after in-depth discussions and clarifications. The program, developed with 10 lessons in total, showed high satisfactory content validity (CVI, .89) and conformity of school class (Likert’s 5 point scales, 4.17). The feedback of the panels and the Delphi analysis continued to improve the quality of the program. The pilot testing result with high school students (N=9) showed that the students’ satisfaction rate was high as 4.48. Using the astronomical observational education program of this study is expected to contribute in improving the convergence educational activity, interest, curiosity, and inquiry ability of students in the universe and the astronomical bodies.



고등학교 과학동아리 천체 관측 교육 프로그램 개발
- 소형 망원경을 활용한 산개성단의 거리 탐구 -

최 동열1, 윤 마병2*
1대전과학고등학교 지구과학연구실, 34142, 대전광역시 유성구 과학로 46
2전주대학교 과학교육과, 55069, 전라북도 전주시 완산구 천잠로 303

초록


본 연구의 목적은 고등학교 지구과학 교육에서 쉽게 다룰 수 있는 소형 망원경과 DSLR 카메라를 활용하여 산 개성단을 관측하고, 이를 통해 수집한 데이터를 활용하여 천문학자들과 같은 연구 방법으로 산개성단까지의 거리를 탐 구할 수 있는 천체 관측 교육 프로그램을 개발하는 것이다. 2015개정 과학과 교육과정을 분석하여 고등학교 지구과학 교과 교육에 적합한 과학 동아리 활동 수업 자료와 교사용-학생용 학습 콘텐츠를 개발했다. 지구과학 교육과 천문학 분 야의 전문가(교사) 6명이 패널로 참가하였고, 패널들 간의 상호간 신뢰도를 구축한 후, 프로그램의 타당도를 검증했다. 총 10차시 수업자료로 개발된 프로그램은 내용타당도(CVI. .89)와 현장 적합성 정도(리커트 5점 척도, 4.17) 검사에서 매우 만족스러운 검증 결과를 받았다. 프로그램에 대한 패널들의 의견 반영과 델파이 분석으로 개발 프로그램을 지속적 으로 수정-개선하여 완성하였다. 개발된 프로그램을 고등학교 천체 동아리 학생들(N=9)을 대상으로 시범적 예비수업에 적용한 결과, 학생들의 수업 만족도가 4.48로 매우 높았다. 본 연구의 천체 관측 교육 프로그램을 천체 탐구의 융합교 육 활동으로 활용한다면 학생들의 우주와 천체에 대한 관심과 호기심, 탐구 능력 증진에 기여할 수 있을 것이다.



    서 론

    천문학은 2015개정과학과교육과정에서 추구하는 과학을 즐기고 누리고 나누는 행복한 과학교육에 가 장 근접한 분야라고 할 수 있다(Song and So, 2018). 천문학은 우주의 생성과 진화를 총체적으로 이해하고 자 우주를 구성하고 있는 천체들의 구조와 다양한 현상들을 관측하고 이를 분석하여 우주의 질서와 원 리를 찾고자 하는 학문이다(Han and Choi, 2005). 또 한, 천문학을 통해 과학에 대한 관심과 흥미를 유발 하여 학생들에게 올바른 우주관과 비전을 키울 수 있는 중요한 학문 영역이다(Lightman et al., 1987). 따라서 고등학생들에게 천문학의 이론적 지식의 습득 뿐만 아니라, 천체 관측 활동을 통해 천문 우주에 대 한 관심과 흥미, 탐구하려는 태도를 갖게 하는 것은 행복한 과학교육을 위한 척도가 될 것이다. 천문 교 육의 이러한 중요성에도 불구하고, 학교 현장과 교육 과정에서는 천문학과 우주에 대한 실질적인 내용과 천체 관측과 같은 활동 중심의 실습 등이 강조되지 못하고 있다(Han and Choi, 2005). 또한 천문학은 학 생들에게 높은 관심과 흥미의 대상이면서도 중고등학 생들이 학습하는데 가장 어려워하는 부분이고 교사들 에게도 가르치기 어려우며 자신 없어 하는 분야이다 (Lee et al., 2007). 현행 고등학교 교육과정에서 천체 관측 교육은 망원경을 이용한 안시 관측과 기초적인 사진 관측 정도이며 천체 동아리 학생들도 이러한 수준에서 크게 벗어나지 못하고 있다. 천체 관측 활 동으로 데이터를 획득하고 이를 통해 과학자와 같은 방법으로 탐구할 수 있는 교육 내용이 거의 없다 (MOE, 2015). 따라서 천문학에 관심을 갖고 있는 학 생들을 위하여 천체 관측 교육 프로그램이 요구된다.

    우리나라 중고등학생을 대상으로 한 천체 관측 교 육 프로그램의 연구 동향을 살펴보면, Han and Choi (2005)는 CCD (Charge-Coupled Device) 를 이용한 천체 관측 프로그램을 개발하여 사범대학 지구과학교 육과 학생들을 대상으로 적용하였다. Kim et al. (2008)은 관측 장비의 경우 일선학교에서도 쉽게 구 비할 수 있는 102 mm 굴절망원경과 디지털카메라를 이용하여 대부분 도심지에 위치한 학교의 관측지 환 경을 고려한 고등학교 천체 관측 동아리를 위한 표 준화계수 결정 프로그램을 개발하였다. Yoon (2011) 은 고등학생들의 지식상태를 분석하여 천체 관측 개 념의 위계와 개별 학습자의 교수-학습 효과를 분석하 여 천체 관측 관련 개념의 심리적 위계가 ‘지구운동 →천구좌표계→천체 관측(망원경 원리→망원경 설 치→망원경 관측)’임을 밝히고, 효과적인 천체 관측 교수 방안을 제안하였다. Boo et al. (2013)은 DSLR (Digital Single-Lens Reflex) 을 이용해 태양 흑점을 관찰 후 차등 자전 주기를 측정하는 방법을 고안하 였다. 관측 준비와 태양 관찰, 자료 처리, 그리고 결 과 해석에 이르는 과학 탐구 활동 전 과정을 경험하 도록 구성하였다.

    Song et al. (2012)은 천체 분광 실험 교육을 위하 여 과학교육용 실험 장비인 랩주니어(Lab-Junior)를 이용하여 소형망원경으로도 천체의 스펙트럼을 얻을 수 있는 어댑터를 개발하였다. 5인치 망원경에 랩주 니어 장비를 장착하여 달과 행성의 태양반사 스펙트 럼을 얻을 수 있었고, 12인치 망원경에 장착하여 데 네브(deneb) 같은 밝은 천체의 스펙트럼을 얻을 수 있었다. Yang et al. (2013)은 인터넷으로 제어할 수 있는 소형 원격 천체 관측소를 개발하였다. 경통은 102 mm 굴절망원경을 탑재하였고 카메라를 접안부에 연결하여 원격지에서 컴퓨터를 제어하며 촬영할 수 있도록 하였다. Yang and Kim (2014)은 중고등학교 에서도 쉽게 측정할 수 있는 천체 분광 관측 시스템 을 개발하여 그동안 이론에만 치중되었던 분광 관측 을 실습할 수 있는 계기를 마련하였다. 천체 관측 및 촬영과 관련된 연구는 이처럼 많이 있었으나, 학생들 이 관측하여 직접 얻은 데이터를 활용하여 H-R도를 작성하는 측광관측의 실제에 대한 융합교육 연구는 부족하다. 천문학에 꿈을 키우는 학생들에게 이런 기 회가 제공된다면 천문학자들이 수행하는 연구의 전 과정을 경험해 보게 할 수 있다는 점에서 큰 기회가 될 수 있을 것이다.

    이에 본 연구에서는 학교에 구비되어 있는 소형망 원경과 DSLR 카메라로 촬영 후 측광을 통해 학생들 이 H-R도를 작성해 보고, 나아가 성단의 거리를 추 정하는 연구 과정을 경험해 볼 수 있는 천체 관측 교육 프로그램을 개발하고자 하였다. 이 프로그램은 중고등학교 과학 동아리나 천체 동아리뿐만 아니라, 지구과학 영재반 학생들을 위한 천체 관측 탐구 활 동으로도 확장되어 이용될 수 있을 것이라 생각된다. 본 연구의 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 첫째, 소형망원경과 DSLR을 활용하여 산개성단을 촬영 후 측광을 통해 데이터를 얻어낼 수 있는 방법을 알아 보고, 둘째, 이를 활용해 산개성단의 H-R도 작성을 위한 탐구활동이 가능한 융합교육 프로그램을 개발한 다. 셋째, 개발된 교육 프로그램이 고등학교 천체 동 아리 학생들의 교육에 적합하고 타당한가를 검증하고 자 한다.

    연구 방법

    연구 대상과 절차

    연구 대상은 대전시 D과학고등학교 천체 동아리 학생 9명을 대상으로 하였다. 학생들의 자발적인 참 여 의사를 확인한 후, 학부모와 학교장의 동의를 거 친 후 연구에 참여시켰다. 연구의 절차는 Fig. 1과 같다. 프로그램의 개발 과정과 타당도 검증, 예비 적 용 수업 등 연구의 전 과정에서 지구과학과 천체 관 측, 과학교육의 전문가인 6명 패널(지구과학 교사 3 명, 과학교육 전문가 2명, 천체 관측 및 촬영 전문가 1명)이 참여하여 델파이 분석으로 개발 하였고, 검토 와 평가를 통해 프로그램을 개선했다.

    연구를 위해 먼저 소형망원경과 DSLR을 이용한 천 체 측광 연구에 대한 문헌 및 선행연구를 통해 연구계 획을 수립하였다. 전문가 패널의 협의를 거쳐 교육과정 과 교과서를 분석하여 교육 자원을 추출했고, 야외천체 관측과 STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics) 교육 모형을 적용하여 지구 과학 교과 천체 관측 교육 프로그램을 구안했다. 개 발 프로그램에 대해 과학교육 전문가의 타당도 검증 과 실제 학교현장 적용의 적합성을 높이기 위해 예 비수업(pilot test)을 통한 학생들의 반응을 분석 후 그 결과를 완성했다(Fig. 1).

    자료 수집과 교육과정 분석 방법

    자료 수집을 위해 2015개정 과학과 교육과정과 교 과서를 분석하였고, 소형 망원경과 DSLR을 활용한 측광 관측을 통한 H-R도 작성 교육에 적합한 수업모 형을 탐색하였다. 개발된 교육 프로그램은 6인의 교 육 전문가 패널에 의해 타당도와 적합성을 검증 받 는 자료를 수집하였다. 예비수업(pilot test) 적용은 대 전의 D 과학고등학교 천체 동아리 학생 9명을 대상 으로 2019년 3월부터 4월까지 10차시 수업으로 진행 하였다. 예비수업 적용 과정에서 학생 보고서와 산출 물, 설문지 등으로 현장 적합성 검증 자료를 수집하 였다.

    2015개정교육과정의 비전은 ‘미래 사회에서 요구하 는 창의융합형 인재 양성’과 ‘학습경험의 질 개선을 통한 행복한 학습의 구현’이라고 할 수 있다(MOE, 2015). 이러한 비전을 달성하기 위한 핵심역량의 도 입은 기존의 지식 이해 중심의 교육에서 배운 지식 을 실제의 삶으로서 일상생활과 관심있는 분야인 천 체관측 등에 적용할 수 있는 능력을 기르고자 함이 다. 천체관측 활동은 창의융합교육에서 기능과 태도 의 총체로서 지식정보처리 역량, 창의적 사고 역량, 심미적 감성 역량, 의사소통 역량 등을 함양하도록 해야 한다. 본 연구에서는 2015개정과학과 교육과정 에서 제시되어 있는 학습요소, 성취기준 해설, 교수 학습방법 및 유의사항, 평가 방법 및 유의사항을 분 석하여 천체관측과 우주에 대한 관련 내용체계와 성 취기준, 탐구활동 내용을 분석하였다. 또한 초중학교 과학과 고등학교 통합과학, 과학탐구실험, 지구과학 I, II 교과서를 분석하여 고등학생들의 천체 관측 교 육 자료를 선정했다.

    STEAM 교육 모델을 활용한 교육 프로그램 개발 방법

    교육 프로그램 개발 모형은 교수-학습 과정을 안내 하는 계획서이며 케뮤니케이션의 장치로서 수업을 위 한 처방적인 알고리즘으로 사용할 수 있다. Baek et al.(2011)은 창의적 설계와 감성적 체험을 통해 과학 기술과 관련된 다양한 분야의 융합적 지식, 과정, 본 성에 대한 흥미와 이해를 높여 창의적이고 종합적으 로 문제를 해결할 수 있는 융합적 소양을 갖춘 인재 를 양성하는 교육 모델로서 STEAM 교육을 제안했 다. 본 연구에서는 과학 탐구의 협력적 본성에 기초 하여 학생들의 협동학습 활동을 통하여 창의성 뿐 만 아니라, 소통과 배려를 추구하는 STEAM 교육 모델을 적용하였다. 교사와 지식 중심의 과학(Earson, Eyes on)에서 학습자가 스스로 활동하여 즐거움 을 찾고 실생활에 응용할 수 있는 과학(Hands-on, Minds-on)으로 발전시키며, 궁극적으로 개념 기반의 융합적 사고와 창조적 아이디어를 산출(Hearts-on)할 수 있도록 했다(Yoon and Hong, 2012). STEAM 수 업 모형의 창의적 설계 단계에서는 해결해야 할 문 제 상황에서 학생들은 창의성과 효율성, 심미성 등을 발현하여 최적의 방안을 찾아 문제를 해결하는 종합 적인 과정을 추구한다(Choi, et al., 2008). 즉 인간의 가치 추구를 위한 과학적 문제해결(기술적 설계 활동) 이라는 ‘과학과 예술’의 개념이 포함되는 문제해결의 과정이다. 감성적 체험 단계는 학생이 학습에 대한 의욕과 긍정적 감정을 느끼고 성공의 경험을 하는 것으로 학생이 학습 과정에서 학습에 대한 흥미와 자신감, 지적 만족감, 성취감 등을 느껴 학습에 대한 동기유발과 열정, 몰입의 의지가 생기고 자기주도적 학습을 가능하게 하는 모든 활동과 경험을 의미한다 (Baek et al., 2011). 학습자의 학습에 영향을 미치는 정의적 특성은 후천적이고 학습에 의하여 변화 가능 성이 크기 때문에(Marsh and Redmayne, 1994), 본 프로그램에서는 감성적 체험 과정을 중요시 한다.

    교육 프로그램 검증과 개선

    개발된 천체 관측 교육 프로그램에서 수업에 활용 되는 교재와 수업자료에 대하여 전문가 패널의 검증 을 받았다. 검사도구는 융합교육 프로그램에 대한 타 당도를 검증할 수 있는 설문지(Yoon and Hong, 2012)를 본 연구의 목적에 적합하게 수정하여 활용하 였다. 설문 항목은 교수-학습 과정의 체계성과 수업 내용의 적절성 등 수업 전반에 관련된 문항들과 천 체 관측 및 촬영 교육에 관련된 천문우주 소양 함양, 융합적 사고 등 교육 방향의 타당성을 확인하는 설 문으로 구성되어 있다. 천체 관측 및 촬영 관련 전문 가 1명, 융합 교육 전문가 교수 2명과 고등학교 지구 과학 교사 3명 등 총 6명의 패널이 참여하여 윤리와 안전, 수업내용, 교수 학습 과정, 평가, 교재 및 프리 젠테이션 등 5가지 측면에서 패널들 간의 신뢰도를 구축한 후 타당도를 검증했다. 타당도 검증 과정에서 패널들이 프로그램 개선에 대한 의견을 제시하였고, 이를 반영하여 델파이 방법으로 수정-보완하며 개선 하였다.

    개발 프로그램의 현장 적합성과 학습자 요구를 반 영하기 위해 실시한 예비수업(pilot test)의 검사도구 는 STEAM 교육 효과를 분석할 수 있는 설문지의 내용을 본 연구에 맞도록 수정 보완하여 사용했다 (Yoon and Hong, 2012). 예비수업 결과에 대한 검사 도구는 4개 영역에 대하여 만족도 인식(11문항)을 조 사하였고, 수업 과정에 대한 개방형 질문(6문항)으로 구성하였다. 긍정적인 태도를 표현하는 문항의 경우 에는 ‘매우 그렇다(5점)’, ‘그렇다(4점)’, ‘보통이다(3 점)’, ‘동의하지 않는다(2점)’, ‘매우 동의하지 않는다 (1점)’로 채점하였으며 부정적인 태도를 표현하는 문 항의 경우는 이와 반대로 채점하였다(Kind et al., 2007). 수집된 자료는 SPSS/Win 23.0 프로그램을 이 용하여 통계 처리를 통해, 개방형 질문과 수업 관찰 및 면담에 의해 수집된 자료는 정성적 방법에 의해 분석하였다(Strauss and Corbin, 1998). 수업에 참여 했던 학생들과 예비교사들의 의견을 반영하여 학교 현장에 적합하게 운영될 수 있도록 개발 프로그램을 개선했다.

    연구 결과 및 논의

    2015개정 교육과정과 교과서 분석

    2015개정 과학과 교육과정(MOE, 2015)과 초중고 등학교 과학, 통합과학, 과학탐구실험, 지구과학 I, II 교과서를 분석하여 고등학생의 천체 관측 교육 자료 를 선정했다. 초등학교 과학과에서는 ‘태양계와 별’단 원(5학년)을 통해 태양계의 특징과 별자리를 이해하 도록 하고 있다. 별과 별자리의 의미를 알고, 북극성 을 찾는 활동을 통해 별자리가 방위를 찾는 방법으 로 실제 이용되고 있음을 탐구하도록 한다. 여기서는 북극성 주변의 별자리만 다루며 계절별 별자리와 관 련짓지 않도록 하고 있다. 6학년에서는 ‘지구와 달의 운동’ 단원을 통해 지구의 공전으로 인해 계절에 따 라 별자리가 달라진다는 것을 이해하도록 하고 있다. 별자리 명칭보다는 계절에 따라 보이는 별자리가 다 르고 별자리의 위치가 달라지는 까닭을 이해하는 데 초점을 두고 있다.

    중학교에서는 ‘태양계’단원(3학년)을 통해 탐구활동 으로 망원경을 이용해 태양 흑점, 달, 행성, 별을 관 측하는 활동을 포함하고 있다. 천체 관찰 활동의 경 우 망원경을 다루는 조작적 기능을 평가할 수 있다. ‘별과 우주’ 단원에서는 별의 거리를 구하는 방법을 다루는데, 수식을 도입하지 않으며, 연주 시차와 겉 보기 등급과 절대 등급의 개념을 중심으로 다루고 별의 표면 온도는 별의 색을 이용하여 비교하는 수 준으로만 다루도록 하고 있다.

    고등학교 과학탐구실험에서는 ‘생활 속의 과학 탐 구’ 단원을 통해 우주와 천체에 대해 흥미와 호기심 을 갖고 과학 탐구에 참여하고, 분야 간 협동 연구 등을 통해 협력적 탐구 활동을 수행하며, 도출한 결 과를 증거에 근거하여 해석하고 평가할 수 있도록 하고 있다. 천체(성단) 관측 등 탐구 수행으로 얻은 정성적 혹은 정량적 데이터를 분석하고, 그 결과를 다양하게 표상하고 결론을 도출하며 소통할 수 있도 록 한다. 지구과학 I에서 ‘별과 외계 행성계’ 단원을 통해 우리 은하에 있는 별을 H-R도에 나타낸 자료로 부터 별의 진화 과정의 특징을 설명하고 주계열성의 에너지원을 알고 주계열성의 내부 구조가 질량에 따 라 달라짐을 이해하도록 하고 있다. 지구과학 II에서 는 ‘우리 은하’ 단원에서 은하를 구성하고 있는 산개 성단과 구상 성단의 다양한 특징, 구상 성단의 공간 분포 등을 탐구하도록 하고 있다.

    최근 더욱 발달하는 관측 장비와 천문분야 스마트 ICT (Information & Communication Technology) 교 구들의 영향으로 망원경 관측 여건이 초등학교 어린 이들까지 일상화되고 있는데, 학교 교육과정에서는 초등학교에서는 별자리 관측만 다루고, 중학교 3학년 에서 처음으로 망원경을 다루고 있다. 망원경을 활용 하여 태양과 달, 행성을 관측할 수 있는 천체 관측 학습 내용이 초등학교 교육과정에서 이루어질 필요가 있다. 또한 우주에 대한 관심과 국가적 지원이 많아 지는 세계적인 추세와는 달리 우리나라 고등학교 공 통교과인 ‘통합과학’에서는 우주와 천문학에 대한 실 제적인 내용(천체 관측 등)이 부족하고, 우주 초기와 태양계의 원소 생성에 대해서만 다루고 있다. ‘통합 과학’ 교과목의 초점이 우리 주변의 자연 현상과 현 대사회의 문제에 대한 통합적 이해를 추구하여 망원 경을 이용한 관측이나 활동적인 천체 관측에 대한 내용을 다루지 않고 있으며 우주에 대한 관심과 흥 미 및 미래 우주 개발에 대한 합리적 판단을 할 수 있는 지식과 개념을 다루지 않고 있어서 문제점으로 지적할 수 있다.

    천문학은 천체를 관측하는 것에서 시작되며 이를 통해 얻은 자료를 처리하고 분석하여 그로부터 천체 의 특성과 운동을 이해하게 된다(Boo et al., 2013). 대부분의 학생들에게 별과 우주는 호기심의 대상이지 만, 학교 현장에서 이루어지는 천문학 수업은 많은 학생들에게 어렵고 재미없는 수업으로 인식되고 있다 (Kim and Yoo, 1997). 이에 간단한 관측 장비만으로 도 천체 관측 활동을 통해 쉽고 다양한 탐구활동의 기회를 가질 수 있도록 노력해야 한다(Kim et al., 2008). 따라서 천문학에 대한 학생들의 관심과 기대 를 충족시키고 효과적으로 개념을 전달하기 위해서는 학생들이 실제 천문학의 탐구 과정을 경험할 수 있 는 실험-실습 등 활동 중심의 수업이 이루어져야 한 다(Boo et al., 2013).

    교수-학습 프로그램 개발

    STEAM 교육 프로그램 개발 모형은 준비-개발-실행- 평가의 4단계로 구성된 Kim (2011)의 PDIE (Preparation, Development, Implementation, Evaluation) 모형을 활 용하였다. PDIE 모형에서 준비 단계는 STEAM 자료 개발의 사전 단계로서 학습자 및 대상자들의 요구와 교육과정, 교과서 등을 분석하고, 학습 목표와 평가 도구를 설계한다. 개발 단계에서는 준비 단계의 기초 자료를 기반으로 STEAM 수업에 관련된 다양한 교 수-학습 자료를 실제로 개발하는 단계이며 실행 단계 에서는 개발된 STEAM 자료를 학교 현장에 실제 적 용해 보는 예비수업을 실시하여 현장 적합성과 불일 치 정도를 피드백 한다. 평가 단계는 STEAM 자료 의 적합성과 효과를 파악하기 위한 평가를 실시하고, 자료를 수정 및 보완하여 최종적인 STEAM 자료를 완성하는 단계이다. 본 연구에서는 먼저, 성단의 측 광 관측을 주제로 융합교육을 위한 학생용 학습자료 와 교사용 수업자료(수업지도안, 프리젠테이션 자료, 동영상, 관측 및 측광 안내 매뉴얼, 평가자료 등)를 개발했다. 학생용 학습자료는 교재 형태로 학생들에 게 제공되며 교육의 목표와 대상, 수업방법 등은 Table 1과 같다. 수업의 기본적인 구성 체계는 STEAM 수업 과정에 따라 ‘상황제시-창의적 설계-감성적 체 험-새로운 도전-정리 및 평가’의 순으로 구조화하였 다. 총 10차시로 구성된 개발 프로그램의 주요 탐구 요소와 학습내용은 Table 2와 같다.

    1차시: 상황제시

    별자리와 관련된 신화 등 다양한 스토리를 나누고, 별자리에 숨겨진 성단들의 사진을 보여주며 흥미를 유발한다. 이후 성단들의 물리적 특성을 알아보는데 H-R도가 매우 중요함을 인지시킨다. 천체 관측부터 측광을 거쳐 H-R도 작성까지 이어지는 10차시 수업 에 대한 전체적인 오리엔테이션을 실시하고 천체 측 광 관측을 통한 H-R도 작성 방법에 관한 학습목표를 제시한다. 별자리 관측 프로그램(Stellarium)을 이용하 여 밤하늘 별자리에 대한 예비 지식을 쌓은 후 학교 옥상에 올라가 별자리에 대한 육안관측을 한 다음 별자리 관찰 탐구 활동을 실시한다. 성단의 관측과 촬영, 측광 과정을 통해 관측 자료를 직접 수집하고, 이를 분석하고, H-R도를 작성하는 방법 등을 토의한 다(Fig. 2).

    2-4차시: 창의적 설계

    창의적 설계 단계는 다음의 수업 과정에서 이루어 지는 감성적 체험 활동의 성공적 수행을 위한 준비 단계로서 산개성단을 관측, 촬영, 측광할 수 있는 방 법적 지식을 습득하고, 야간에 야외로 나가 천체사진 촬영을 할 수 있는 준비 및 창의적 설계 과정을 진 행한다. 학생들은 성도 활용법, 망원경을 활용한 천 체 관측법(Star Hopping method), 천체사진촬영법을 익히고, 촬영 영상에서 측광 프로그램을 이용해 등급 과 색지수를 얻어내는 탐구 활동을 진행한다. Fig. 3 은 관측 교육에 사용된 성도이며 Fig. 4는 관측과 촬 영 교육에 사용된 망원경(V사 200 mm 반사망원경) 과 촬영 장비(C사 5D 디지털 카메라)이다. 창의적 설계 단계의 수업에서는 학생들 스스로 관측기구를 다루고 실습할 수 있는 충분한 기회와 연습시간을 확보해 주는 것이 좋다. 특히 교사는 동료 학생간의 팀별 협력 학습이 가능하도록 안내해야 한다.

    5-8차시: 감성적 체험

    학생들은 야간에 학교 근교의 야외로 나가 소형망 원경과 DSLR을 연결하여 직초점 촬영을 통해 산개 성단을 촬영하는 야외천체사진 촬영학습을 실시한다. 촬영 과정에서 팀별 협동학습의 장점과 천체 관측 및 자료 수집에 대한 재미를 느낄 수 있도록 했고, 전문가가 밤하늘을 보면서 별자리를 신화와 함께 설 명하며 팀별로 다양한 천체를 관측해 보고 토의하며 천문 우주에 대한 관심과 흥미가 충족되고 감성적 체험을 할 수 있도록 했다. 학생들은 산개성단 M44 의 관측 영상과 전처리 영상(Bias, Dark, Flat)을 각 각 5장씩 얻었으며 모든 사진은 Raw 파일로 저장하 였다. 이후 Maxim DL로 마스터(Master) 전처리 영 상을 만들어 각 관측 영상들을 전처리 후 한 장으로 합성하였다. 다음으로 RGB 필터별로 분리하여 B, G 영상을 이용해 측광하였다. Fig. 5는 산개성단 M44 를 마스터 전처리하여 합성한 관측 영상에서 추출한 B, G 영상이다. Fig. 6은 Maxim DL을 이용하여 B, G 영상을 측광하는 과정과 기준성을 선정하는데 사 용한 Webda의 영상이다. 모든 별들의 B, G 등급을 구해 존슨(Jhonson)의 B, V 등급으로 변환하였고 이 를 이용해 H-R도를 완성하였다. 본 연구에서는 Park et al. (2016)가 제시한 변환식에서 색지수 항을 하나 로 만든 후 변환과정에 사용하였다. 이를 통해 성단 의 색과 등급과의 관계를 확인할 수 있었다. 또한, Webda의 H-R도와 주계열의 개형을 비교해 보고 그 차이점을 논의해 보았다. Fig. 7은 변환이 완료된 B, V 등급과 이를 통해 그린 M44의 H-R도이다.

    9-10차시: 새로운 도전 및 평가

    이 단계에서는 감성적 체험 과정에서 배우고 느낀 것을 토대로 새로운 도전의 기회를 제공하고 수업과 정에서 완성된 산출물을 발표할 수 있는 장을 마련 한다. 성단의 ZAMS (영연령 주계열)를 이용하여 기 기등급으로 그린 M44의 자료와 겹쳐 봄으로써 성단 의 거리를 구하고, 선행 연구자들의 값과 비교 후 차 이가 나는 원인을 발표해 보도록 했다. Fig. 8은 학 생들이 성단의 H-R도 위에 ZAMS를 겹쳐 그린 그림 으로 ZAMS를 이용하여 거리를 결정하는 과정을 보 여준다. 탐구과정에서 산출한 다양한 결과물을 발표 하고 공유하는 과정에서 의사소통 역량과 프리젠테이 션 기능을 학습하고, 천체 탐구의 경험과 즐거움 등 을 통해 새로운 관심 대상 천체로의 확장 및 도전의 기회를 갖게 한다.

    타당도 검증

    개발 프로그램에 대한 내용 타당도 검증(Index of Content Validity; CVI)은 30문항으로 구성된 검사지 (Cronba-ch's α=0.82)를 활용하여 교육 전문가 패널 6인의 응답 결과를 분석했다. 그 결과 모든 검사항목 에서 5점 리커트 척도 3.90 이상, 평균 4.26 (CVI .89)로 매우 타당하다는 검증을 받았다(Table 3). 프 로그램의 타당성 검증 과정에서 야외학습의 안전 준 수와 수업 내용(분량, 시간 배정)의 적절성, 학습 내 용의 학교 급간 연계와 계열성에 대한 의견이 제시 되어 이를 반영하여 보완하였다.

    현장 적합성 검증

    개발 교육 프로그램의 현장 적합성과 실제 학교 현장에서의 불일치 정도를 파악하고 프로그램을 개선 하기 위하여 예비 수업(pilot test)을 실시했다. 수업에 참여했던 학습자들을 대상으로 각 문항에 대한 만족 도 인식을 조사하였다. 전체 문항에 대하여 리커트 5 점 척도 평균은 4.17이다(Table 4). 모든 검사 문항에 서 3.68 이상으로 프로그램의 유용성과 흥미도, 참신 한 학습 내용, 천체 관측 수업 적합성 등에서 만족하 였음을 알 수 있다. 특히 수업 내용이 어려운 천체 관측을 직접 수행하고 자료를 수집-분석하는 과정이 참신하고 새로워서 재미있었다는 의견이 많았고 (4.58), 천체 관측 융합교육 수업에 대한 전반적인 만 족도(4.48), 천체 측광 관측에 대한 충분한 이해와 이 에 대한 대응 방안을 고민하게 되어 좋았다는 반응 (4.38)이 높았다. 상대적으로 수업 시간이 충분하지 않았고(3.68), 학습 내용을 충분히 이해하는데 다소 어려움이 있었다(3.90)는 의견이 있었다. 이를 반영하 여 핵심 개념과 학습자 활동 중심으로 수업 내용을 적정화하여 학생들이 좀 더 여유 있게 활동할 수 있 도록 보완했다. 새로운 용어의 소개와 천체 관측 및 촬영 방법 연습 및 실습 과정에서 학생들이 이해하 기 쉽도록 충분히 설명하고, 질의-응답 시간을 갖도 록 개선하였다.

    개발 프로그램을 예비수업에 적용하는 과정에서 지 도교사로 참여했던 3명의 교사로부터 수업 관찰과 성찰 일지로 수집한 결과는 다음과 같다.

    • 관측 및 촬영을 밤에 실시했음에도 상황제시 및 창의적 설계 과정에서 학생들의 적극적인 참여로 관측 및 촬영이 잘 이루어질 수 있었고, 팀별로 망원경과 카메라를 설치하고 촬영 실습을 수행하 며 조별, 협력적 협동학습이 잘 이루어졌다.

    • 관측과 촬영 과정에서 보이지 않던 천체를 촬영 했을 때 그 이미지를 보고 학생들이 감동하는 모 습을 보였고, 실제 학생들이 직접 별을 관측하고 촬영 및 실습하는 과정을 통해 새로운 경험을 할 수 있는 기회여서 좋았다는 반응이 있었다.

    • 학생들이 짧은 시간 동안 촬영 기술을 배우고 직 접 촬영하여 얻은 데이터를 연구에 활용한다는 점을 매우 좋아하며 적극적으로 탐구활동에 참여 하였다.

    • 천체 관측 및 촬영시 가끔 산만하고 들뜬 분위기 가 있어서 촬영에 집중하지 못하기도 했는데, 이를 대비하기 위해 수업 전 안전지도와 성실하게 천체 관측 실습에 임하도록 사전 교육이 필요하다.

    • 촬영 중에 스마트폰 사용이나, 별지시기를 사용 하여 재촬영한 사례가 있었고, DSLR 사용법, 천 체사진 촬영법, 스타호핑법 등을 완벽히 숙지하 지 못하여 성단을 촬영하지 못한 팀이 있었는데, 이를 위해 사전 준비 및 설계 시간을 조금 더 주 는 것이 좋은 것 같았다(관측에 필요한 장비 세 팅 등 충분한 사전준비 및 사전실습 시간을 줄 필요가 있음).

    지도교사들이 예비수업을 진행하면서 느낀 점과 학 생들의 창의적 아이디어, 문제해결력 등을 관찰한 사 례는 다음과 같다.

    • 실험 실습이 야간에 이루어지는 수업이어서 예측 하지 못한 변수들이 많아서 수업 진행에 다소 어 려움이 있었다. 실제 관측을 실시하기 전에 예비 관측 형태로 학생들 스스로 연습해 보고, 적응하 는 기회를 갖는 것이 좋을 것 같았다.

    • 천체 관측은 날씨의 영향을 크게 받기 때문에 예 상한 일정대로 즉시 적용하기가 쉽지가 않다. 날 씨가 좋지 않으면 그 다음으로 순연이 되는 단점 이 있어서 이에 대한 준비가 요구된다.

    • Maxim 프로그램 이용과 측광 과정에서 처음에 목표한 대상은 M45였으나, 촬영과정에서 한 학 생이 M44를 촬영하였고, 사진을 확인한 결과 고 도가 높아 좀 더 좋은 사진으로 판단되어 목적성 을 M44로 바꾸어 촬영 및 실습을 진행하는 창의 적 문제해결 역량을 보여주는 학생이 있었다.

    • 정보화 기술을 잘 활용할 수 있는 학생들은 처음 사용하는 천체 분석 프로그램을 바로 이해하고 데이터를 처리할 수 있는 학생들이 여럿 있었다.

    결론 및 제언

    본 연구는 고등학생을 대상으로 학교 현장에서 다 루기 쉬운 소형망원경과 DSLR 카메라를 이용하여 산개성단을 측광 관측하고, 성단의 거리, 진화 과정 등을 탐구하는 교육 프로그램을 개발하였다. 개발 프 로그램은 과학 동아리나 천체 동아리의 탐구활동, R&E 주제 등으로 활용될 수 있으며 고등학생들의 천문학과 우주에 대한 관심, 과학적 태도, 융합적 탐 구역량을 함양하기 위한 것이다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

    첫째, 천체 관측 교육 프로그램을 개발하기 위해 4 단계 교수-학습 설계 모형(PDIE)에 따라 각 단계에 서 전문가 패널의 의견을 반영하고 수정-보완하여 완 성하였다. 먼저 2015개정 교육과정을 분석하여 학습 내용을 선정하고, 차시별 계획과 교수-학습 과정안, 교사용 안내자료, 학생 탐구 활동지 등을 천체 관측 교육과 지구과학 교과 지도의 관점에서 개발하였다. 수업 과정은 STEAM 수업 모형을 적용하였고, 총 10차시 분량으로 소집단 프로젝트 교수-학습 자료를 개발하였다. 개발 프로그램의 타당성과 현장 적합성 등을 검증받기 위해 6명의 전문가 패널을 대상으로 5개 영역의 30문항으로 구성된 검사도구를 활용하여 검사한 결과, 5점 리커트 척도에서 평균 4.26, 내용타 당도(CVI) .89로서 개발 목적과 콘텐츠 내용이 매우 타당함을 검증 받았다.

    둘째, 개발 프로그램은 소형 망원경을 활용하여 천 문학자들의 연구과정을 따라 해 보면서 자료수집과 데이터 처리 및 분석 등을 수행해 보는 학습 과정으 로 구성되어 있어서 고등학교 천체 관측 동아리 활 동이나 사사과정(R&E) 등의 탐구활동에 활용할 수 있도록 개발하였다. 총 10차시 수업에서 도입 단계인 상황제시 단계에서는 문헌조사를 통한 선행연구를 분 석하고, 수업의 목표 및 프로그램 진행과정에 대한 동기유발과 의미, 가치 등을 갖도록 했다. 창의적 설 계 단계에서는 다음 단계인 자기주도적 감성적 체험 활동을 위한 기구 사용과 방법적 기능 등을 습득하 는 수업으로서 총 3차시에 걸쳐 ‘성도-관측 장비(망 원경-DSLR 등)-천체 사진 촬영-SW 활용’ 등을 실습 하였다. 이 과정에서 학생들이 힘들어 하거나 흥미를 갖지 못하는 경우에는 배우고 있는 관측 장비의 적 용 사례와 의미, 그 가치 등을 안내하면서 지속적으 로 학습 동기를 유발하도록 했다.

    셋째, 개발 프로그램의 현장 적합성과 실제 학교 현장에서의 불일치 정도를 줄이기 위해 고등학교 천 체 동아리 학생들을 대상으로 예비 수업에 적용하였 다. 수업에 참여했던 학생들은 천체 관측에 관심이 많고 탐구 의지가 높아서 학습태세가 우수한 사례였 다. 프로그램 만족도는 평균 4.17이었으며 모든 검사 문항에서 3.68 이상으로 프로그램의 유용성과 흥미도, 참신한 학습 내용, 천체 측광 관측 수업 적합성 등에 서 만족하였다. 수업관찰 결과, 학생 주도적인 관측 활동과 실황 관측 자료 수집, 새로운 탐구의 경험 등 에 학생들이 매우 만족함을 관찰하였다. 천체 관측 과정에서 직면하는 많은 문제 상황에 대해 조별 협 력학습으로 창의적 문제 해결 과정과 의사소통 역량 을 발휘하는 것을 관찰했다. 교실에서 배우는 지구과 학 교과 지식을 바탕으로 실제 천체 관측 현장에서 실황자료를 직접 수집하고 이를 분석하여 천문학자들 이 하는 탐구활동을 진행해 보는 활동이 적극적이고 학생 주도적인 수업 상황을 만들 수 있음을 시사한 다. 또한 2015개정 과학과 교육과정에서는 관측과 촬 영교육 다음에 H-R도를 작성하는 과정이 들어가 있 다. 그런데, H-R도를 작성하려면 촬영한 사진을 측광 해야 하는데 학생들이 이 과정을 실습해 볼 수 있는 기회나 자료가 부족하다. 본 활동을 통해 이 부분을 해결할 수 있어 학생들이 전체적인 천문 연구의 흐 름을 10차시 내에 경험할 수 있는 좋은 기회이다.

    본 연구를 통해 천체 동아리나 지구과학 사사 과 정 학생들에게 천문학자들이 하는 천체 측광 연구의 기초를 경험해 보게 함으로써 천문 우주 마인드를 형성하고 미래 학습자 역량으로서 과학적 소양을 함 양할 수 있을 것으로 기대한다. 본 연구를 토대로 다 음을 제언한다. 첫째, 이 프로그램을 고등학교 과학 동아리 탐구활동에 적용할 경우, 충분한 실습과 연습 시간을 제공해야 하며 학생 중심의 자발적인 탐구활 동과 조별 협력학습으로 안내한다면 교육 효과가 더 클 것이다. 둘째, 학생들의 관심과 흥미가 높은 천문 학 분야에서 실질적인 관측 활동과 야외 현장 중심 의 수업은 학생들에게 다양한 문제 상황과 예기치 못한 문제를 직면하게 함으로서 조원들 간의 동료학 습과 창의적인 문제해결 역량을 기를 수 있어서 미 래 사회의 창의적인 융합인재 교육의 좋은 사례가 될 수 있을 것이다. 이와 같이 교실에서 배운 전문적 인 지식을 실제상황에서 탐구하고 적용해 보는 교육 프로그램을 다양한 분야와 교과에서 개발할 것을 제 언한다.

    Figure

    JKESS-40-3-300_F1.gif

    Research process.

    JKESS-40-3-300_F2.gif

    The student’s worksheet for the constellation and HR diagram activities.

    JKESS-40-3-300_F3.gif

    A seventh-grade star map (left) and finder map (right). If we find the stars in the four red circles, we can find M44 in the center.

    JKESS-40-3-300_F4.gif

    Telescope (VMC 200 L, effective diameter 200 mm) and DSLR (Canon 5D Mark II, pixel 5,616×3,744).

    JKESS-40-3-300_F5.gif

    Original B filter image (left) and G filter image (right) of m44.

    JKESS-40-3-300_F6.gif

    Photometric process with Maxim DL (left) and picture of Webda (right).

    JKESS-40-3-300_F7.gif

    B, V magnitude (left) and H-R diagram (right) of open cluster.

    JKESS-40-3-300_F8.gif

    The process of determining distance using ZAMS.

    Table

    The framework of STEAM education program for astronomical observation

    The main contents of astronomical observation education STEAM program using a small telescope and DSLR camera

    The result of the response by review experts panel for validity verification (N=6)

    The results of the satisfaction survey on students participating in the class (N=9)

    Reference

    1. Baek, Y.S. , Park, H.J. , Kim, Y.M. , Noh, S.G. , Park, J.Y. , Lee, J.Y. , Jeong, J.S. , Choi, Y.H. and Han, H.S. ,2011, STEAM education in Korea. Journal of Learner- Centered Curriculum and Instruction, 11(4), 149-171 (in Korean).
    2. Boo, K.W. , Gil, Y.S. , Sohn, J.J. , and Kim, S.Y. ,2013, Sunspots observation using DSLR and measuring the differential rotation period. The Korean Society for School Science, 7(3), 182-192 (in Korean).
    3. Chae, D.H. ,2004, The changes of preservice and inservice elementary school teachers’ concepts of the solar system based upon their exposure to the earth motion centric solar system model. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 24(5), 886-901 (in Korean).
    4. Choi, Y.H. , Moon, D.Y. , Kang, K.K. , Lee, J.W. and Lee, J.H. ,2008, The Development and the effect of educational program based on STEM for the inventively gifted. The Korean Journal of Technology Education, 8(2), 143-164 (in Korean).
    5. Han, J.Y. , Choi, S.U. ,2005, Development of astronomical observation program using CCD. Proceeding of the spring meeting of the Korean Earth Science Society 2005, 188-195 (in Korean)
    6. Kim, H.B. and Yoo, K.H. ,1997, Concept mapping based on chapter 「III. Universe」of high school earth science textbook. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 17(4), 461-479 (in Korean)
    7. Kim, J.S. ,2011, A cubic model for STEAM education. The Korean Journal of Technology Education, 11(2), 124-139 (in Korean).
    8. Kim, S.H. , Lee, H.Y. , Lee, H.D. , and Jeong, J.H. ,2008, Development and application of an after-school program for an astronomy observation club in a highschool: standardized coefficient decision program in consideration of the observation site’s environment. Journal of the Korean Earth Science Society, 29(6), 495-505 (in Korean).
    9. Kind, P.M. , Jones, K. , and Barmby, P. ,2007, Developing attitudes towards science measure. International Journal of Science Education, 29(7), 871-893.
    10. Lee, Y.R. , Kwak, Y.S. , and Kim, D.Y. ,2007, Research article: Research on ways to improve the 7th national earth science 1, 2 curriculum. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 27(4), 328-336 (in Korean).
    11. Lightman, A.P. , Miller, J.D. , and Leadbeater, B.J. ,1987, Contemporary cosmological beliefs, Proceedings of the second international seminar: Misconceptions and educational strategies in science and mathematics. Cornell University, NY, USA, 309-321.
    12. Marsh, H.W. and Redmayne, R.S. ,1994, A multidimensional physical self-concept and its relations to multiple components of physical fitness. Journal of Sport and Exercise Psychology, 16, 43-55.
    13. MOE (Ministry of Education),2015, 2015 revised science national curriculum (in Korean).
    14. Park, W. , Pak, S. , Shim, H. , Le H.A.N., Im, M. , Chang, S. , and Yu, J. ,2016, Photometric transformation from RGB bayer filter system to Johnson-Cousins BVR filter system. Advances in Space Research, 57(1), 509-518.
    15. Song, I.O. , Baek, C.H. , Lee, J.J. , and Hwang, I.J. ,2012, Spectroscopic observation and educational application system using a small telescope. The Bulletin of the Korean Astronomical Society, 37(2), 94 (in Korean).
    16. Song, Y.H. and So, K.H. ,2018, The effect of science classes using astronomical observation software on scientific learning motivation and academic achievement of elementary students. Journal of Science Education, 42(2), 230-241 (in Korean).
    17. Strauss, A. and Corbin, J. ,1998, Basics of qualitative research: Procedures and techniques for developing grounded theory. Thousand Oaks, CA: Sage.
    18. Yang, J.W. , Kim, H.M. , and Kim, H.S. ,2013, Development of internet-based automated telescope system. The Korean Society for School Science, 7(2), 77-84 (in Korean).
    19. Yang, J.W. and Kim, H.S. ,2014, Development of the spectroscopic observation system using a small telescope. The Korean Society for School Science, 8(3), 222-233 (in Korean).
    20. Yoon, M.B. ,2011, Investigating the effects of teaching based on an analysis of high school students’knowledge state of concepts associated with astronomical observation. The Korean Earth Science Society, 32(7), 902-912 (in Korean).
    21. Yoon, M.B. and Hong, J.Y. ,2012, The application of a science camp and the development of experiment and practice program based on STEAM for high school students. Journal of Science Education, 36(2), 263-278 (in Korean).
    22. Webda,2019, The database for open cluster: Receive valuable open cluster data. https://webda.physics.muni.cz/navigation.html (May 15, 2019).