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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.1 pp.48-60
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.1.48

Analyzing the Change of Science High School Students’ Integrated Process Skills Using Group-based Trajectory Modeling

Kiyoung Lee1, Minsu Ha1, 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: jypark@snue.ac.kr Tel: +82-2-3475-2455
February 8, 2020 February 24, 2020 February 28, 2020

Abstract


The purpose of this study is to analyze the patterns and characteristics of changes in integrated process skills during the process of science high school students’ inquiry by using group-based trajectory modeling. 59 students participated in this study. Three hypothetico-deductive inquiry tasks were used as an intervention activity. We asked science high school students to perform those three tasks sequentially and to generate reports of the process and results. We evaluated students’ reports by four elements (designing inquiry, collecting data, analyzing data, and forming conclusion) of the integrated process skills according to the scoring rubric developed by Lee and Park (2017), and analyzed the level of changes in integrated process skills in those three inquiry tasks by using group-based trajectory modeling. In addition, we analyzed the characteristics of changes in integrated process skills from several perspectives. The findings are as follows: First, concerning the change patterns of students’ integrated process skills, all of the four elements were classified into two groups, but the change patterns were very different by elements. Second, regarding the change characteristics of students’ integrated process skills, we found the context-dependency of integrated process skills, variation of learning progression for integrated process skills, and jaggedness of integrated process skills level. Based on these findings, we suggested that a couple of ways be sought to improve the integrated process skills of science high school students.



집단중심 추세모형을 적용한 과학고등학교 학생들의 통합 탐구 기능 변화 분석

이 기영1, 하 민수1, 박 재용2*
1강원대학교 과학교육학부, 24341, 강원도 춘천시 강원대학길 1
2서울교육대학교 과학교육과, 06639, 서울특별시 서초구 서초중앙로 96

초록


이 연구의 목적은 집단중심 추세모형을 적용하여 과학고 학생들이 탐구를 수행하는 과정에서 나타난 통합 탐구 기능 변화의 양상과 특징을 분석하는 것이다. 이를 위해 3개의 가설-연역적 탐구 과제를 이용하였으며, 이를 59명의 과 학고 학생들에게 순차적으로 수행하게 하고 그 과정을 보고서로 작성하게 하였다. 작성된 보고서는 Lee and Park (2017)에 의해 개발된 평가 준거틀에 따라 통합 탐구 기능 4개 요소별로 평가하였으며, 이를 집단중심 추세모형에 적용 하여 탐구 과제를 수행한 3개 시점에 따른 탐구 기능 수준의 변화 양상을 요소별로 분석하였다. 또한, 탐구 기능 변화 에서 나타난 특징을 몇 가지 관점에서 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다: 첫째, 집단중심 추세모형을 적용하여 학 생들의 통합 탐구 기능 변화 양상을 분석한 결과, 4개 요소 모두에서 2개 집단으로 분류되었으나 그 변화 양상은 요소 별로 많은 차이가 있었다. 둘째, 학생들의 통합 탐구 기능 변화에서 나타난 특징을 분석한 결과, 탐구 기능의 맥락의존 성, 탐구 기능 발달 경로의 변이성, 탐구 기능 요소별 수준의 들쭉날쭉성을 발견할 수 있었다. 연구 결과를 토대로 과 학고 학생들의 통합 탐구 기능 발달을 위한 제언을 하였다.



    서 론

    과학 탐구는 과학의 정수(essence)라고 해도 과언이 아닐 정도로 핵심적인 영역으로 과학교육에서 오랫동 안 근본적인 화두(話頭)로 인식되어 왔다. Schwab (1962)은 과학을 도그마(dogma)로 간주해서는 안된다 고 하면서 ‘탐구로서의 과학(science as enquiry)’을 강 조하였는데, 이는 과학의 핵심 개념과 더불어 방법을 강조해야 한다는 의미이다(Lee and Cho, 2015). 또한, 과학 탐구는 과학의 본성(nature of science)에 대한 학 생의 이해 증진에 중요한 역할을 하는데(Lunetta et al., 2007), 과학의 본성은 과학 탐구의 인식론적 기저 와 탐구 결과로 형성되는 과학 지식의 특성을 나타낸 다(Abd-El-Khalick et al., 1998;Lederman, 2007).

    과학은 자연계에 대한 현재의 이해(과학 지식)와 그 지식 체계가 확립되고 지속적으로 확장, 개선, 수 정되는 과정(탐구의 과정)의 집합체이다. 과학에서 이 두 가지 요소는 필수적이며, 이들 요소를 모두 이해 하지 않으면 과학은 발전할 수 없다(NRC, 2007). 이 러한 과학의 속성에 비추어 볼 때, 학교교육에서 과 학 탐구는 학생들이 과학 지식을 발달시키고 과학적 개념의 이해를 증진하는 활동뿐만 아니라 과학자가 자연 세계를 연구하는 방법에 대해 이해하는 것을 포함한다(NRC, 1996;NRC, 2000). 학교교육에서 과 학 탐구의 목적은 학생들이 과학적 탐구를 통해 과 학 지식을 획득할 뿐만 아니라 과학의 본성을 이해 하며, 과학 탐구에 필요한 기능을 습득하고 과학적 탐구를 수행할 수 있는 능력을 갖추는 것이다(Cho et al., 2009;Gaskell, 1992;Vasques, 2008;Wellington and Ireson, 2008). 이에 따라 미국의 국가연구위원회 (NRC)는 ‘국가과학교육기준(National Science Education Standards, NRC, 1996)’에서 탐구 기반의 교수학습을 강조하며, 학교 과학교육의 목표 중 하나로 과학 탐 구에 필요한 능력의 획득과 과학 탐구에 대한 이해 의 증진을 강조하고 있다. 또한, 우리나라도 과학과 교육과정에서 탐구에 기초한 지식의 습득과 자연 현 상을 과학적으로 탐구하는 능력을 주요 목표로 설정 함으로써 탐구를 강조한 과학교육을 꾀하고 있다 (Cho and Choi, 2006).

    과학 탐구의 과정에서 일반적으로 요구되는 기능을 뜻하는 탐구 기능(process skills)은 미국의 초등학교 과학교육 프로그램인 SAPA에서 유래한다. 미국과학 진흥협회(American Association for the Advancement of Science [AAAS], 1990)에서 과학의 과정에 초점 을 맞추어 개발한 SAPA II에서는 자연 현상을 탐구 하는 데 필요한 과학 탐구의 기능을 기초 탐구 기능 (basic processes)과 통합 탐구 기능(integrated processes) 으로 구분하여 제시하고 있으며, 이때 통합 탐구 기 능은 기초 탐구 기능보다 고차원의 사고 단계를 요 구할 뿐만 아니라 실질적인 과학 탐구에 필수적이다 (Martin, 2012). 우리나라 과학과 교육과정에서는 제7 차 교육과정부터 ‘기초 및 통합 탐구 기능’을 학생들 이 습득해야 할 핵심적인 능력으로 강조해 왔으며, 통합 탐구 기능을 문제 인식, 가설 설정, 변인 통제, 자료 변환, 자료 해석, 결론 도출, 일반화로 구분하고 있다(MOE, 1997). 현행 2015 개정 과학과 교육과정 에서도 과학 교과 핵심 역량에 ‘과학적 탐구 능력’을 포함하고 있으며, 교수·학습 방향에서 기초 탐구 기 능과 통합 탐구 기능을 학습 내용과 관련지어 지도 할 것을 제시하고 있다. 또한, ‘과학탐구실험’이라는 교과를 신설함으로써 과학의 본성과 탐구 역량 함양 을 추구하고 있다(MOE, 2015).

    이처럼 학교 과학교육에서 과학 탐구 기능의 습득 은 과학교육의 주요 목표에 도달하기 위한 중요한 기초이자 필수적인 수단으로 여겨져 왔다. 과학교육 에서 과학 탐구 기능의 습득이 중요한 까닭은 이를 통해 과학의 기본 개념을 이해하고 과학에 대한 긍 정적인 태도를 기를 수 있을 뿐만 아니라, 과학 탐구 기능의 발달을 통해 새로운 문제 상황에서 스스로 문제를 인식하고 이를 해결할 수 있는 능력이 길러 지기 때문이다(Bae, 2009;Martin, 2012;Rezba et al., 2007). 특히, 높은 수준의 사고력을 필요로 하는 통합 탐구 기능의 습득은 대부분의 과학자들이 문제 를 해결하기 위해 가설을 세우고 검증하는 과정과 직접 관련되어 있기도 하거니와, 과학 지식을 습득하 고 과학적 탐구 능력을 함양하며 과학의 본성을 바 르게 이해하는 데 필수적이다(Cho and Choi, 2006;Jang et al., 2019;Selles-Martinez, 2004). 하지만, 이 러한 과학 탐구 기능이 학교 과학교육을 통해 자연 스럽게 습득되는 것은 아니다. 중등학교 과학과 교육 과정에서 과학 탐구의 중요성을 강조하고 있는 것과 는 달리 그 기초가 되는 과학 탐구 기능에 대한 명 시적인 설명이나 안내는 거의 없다고 볼 수 있다 (Lee, 2005). 현재 학교 과학교육을 통해 이루어지는 대부분의 탐구들은 실제 과학자들이 과학 지식을 생 성하듯 학생들이 과학 탐구를 수행하는 데 필요한 탐구 기능의 향상에 크게 기여하지 못하고 있다. 즉, 학생들은 너무 자주 ‘요리책의 조리법(cookbook recipes)’ 을 따르는 기술자로서 탐구에 참여함으로써 실질적인 (authentic) 과학 탐구에 필요한 탐구 기능의 습득을 어렵게 하고 있다.

    한편, 최근 과학교육계에서는 과학적 탐구가 탐구 기능뿐만 아니라 탐구 기능과 관련된 특정한 과학 지식을 필요로 한다는 점을 강조하기 위하여 과학적 탐구를 과학적 실행(scientific practice)으로 바꾸어 표현하였으며(NRC, 2012), 기존 과학적 탐구를 포괄 하는 과학적 실행 능력의 향상을 과학교육의 주요 목표로 설정하였다. 이에 따라 차세대과학교육표준 (Next Generation Science Standards, NGSS)에서는 과학교육의 주요 목표로 학문의 핵심 개념(core concepts) 습득과 더불어 8개의 과학적 및 공학적 실 행(practices) 능력(질문 제기 및 문제 정의, 모형의 개발 및 이용, 탐구 계획 및 수행, 자료 분석 및 해 석, 수학의 이용 및 수리적 사고, 설명 구성 및 해결 책 구안, 증거를 토대로 한 논증 참여, 정보 수집, 평 가 및 교환)의 향상을 설정하고 있다. 우리나라도 2015 개정 과학과 교육과정에서 과학적 탐구를 위해 서는 과학 탐구 기능과 지식을 통합하여 적용하고 활용하는 능력이 필요하다고 강조하며, 과학적 탐구 능력을 향상시키기 위해 필요한 기능을 문제 인식, 탐구 설계와 수행, 자료의 수집분석 및 해석, 수학적 사고와 컴퓨터 활용, 모형의 개발과 사용, 증거에 기 초한 토론과 논증, 결론 도출 및 평가, 의사소통 등 8가지로 나누어 제시하고 있다(MOE, 2015). NGSS 의 과학적 실행 또는 2015 개정 과학과 교육과정의 기능은 내용보다 과학의 과정(탐구 기능)에 초점을 맞추어 탐구를 바라보던 시각을 누그러뜨리고, 기존 탐구 기능의 한계를 넘어 과학적 탐구에 필요한 기 능의 범위를 확장한 것이라고 할 수 있다.

    이처럼 최근 과학교육계가 과학적 탐구에 대한 인 식의 변화와 과학적 실행 중심의 과학교육을 요구하 고 있음에도 불구하고, 이 연구에서는 앞서 언급했던 과학 탐구 기능의 중요성에 기반하여 고등학생들의 통합 탐구 기능에 초점을 맞춘 후, 그 수준의 변화 양상 및 특성을 살펴보고자 하였다. 그 까닭은 최근 과학교육계의 요구와 달리 학교에서 이루어지는 탐구 수업은 여전히 탐구 기능의 관점을 따르고 있을 뿐 온전한 의미의 과학적 실행이 이루어지는 경우를 찾 기 어렵기 때문이다(Kim et al., 2017;Lee et al., 2019). 또한, 2015 개정 과학과 교육과정의 적용을 받는 교과용 도서에서도 기초 탐구 기능과 통합 탐 구 기능으로 구분했던 기존 방식을 그대로 수용하고 있고, 2015 개정 교육과정에서 처음 신설된 과학탐구 실험 과목조차 여전히 내용보다는 탐구 과정 중심의 교육을 실시하고 있다는 현실적 문제가 원인으로 작 용했기 때문이다. 이와 더불어 이 연구에서는 연구의 대상으로 일반고가 아닌 과학고 학생들을 선정하였는 데, 그 이유는 과학고 학생들이 장기간의 종단적 변 화 연구를 수행하기에 교육 여건이 좋으며 일반고 학생들에 비해 과학 탐구 기능 수준 파악과 향상의 필요성이 상대적으로 크다고 판단했기 때문이다. 과 학고 학생들은 일반고 학생들에 비해 상대적으로 다 양한 형식의 과학 탐구(과제 연구, R&E 등)를 수행 할 수 있는 기회가 많다. 하지만 이러한 탐구를 수행 함에 있어 그 토대가 되는 과학 탐구 기능에 대한 체계적인 교육이 이루어지고 있는지는 의문이다. 미 래의 과학자로서 길러야 할 기본적인 탐구 기능을 중등 교육을 통해 함양하지 못한다면 본격적으로 과 학자로서의 역량을 길러야 하는 고등 교육에서 어려 움을 겪을 수 있다. 국내에서 과학고 학생들을 대상 으로 한 과학 탐구 기능 수준이나 변화 분석과 관련 된 선행 연구는 거의 전무한 실정이다. 이에 이 연구 에서는 과학고 학생들을 대상으로 탐구 과제를 수행 하는 과정에서 나타나는 통합 탐구 기능 수준 변화 의 양상과 특성을 살펴보고자 하였다. 또한, 그 결과 를 토대로 교사가 탐구 수업에서 제공하는 스캐폴딩 이 학생들의 통합 탐구 기능 향상에 미치는 효과를 가늠하고자 하였다.

    연구 방법 및 내용

    연구 절차

    이 연구에서는 과학 탐구 기능 관련 선행 연구 및 문헌을 조사하였으며, 학생들의 통합 탐구 기능을 검 사하는 도구로 Lee and Park (2017)이 개발한 가설- 연역적 방식의 탐구 과제 3가지에서 재료의 일부와 과제의 난이도를 수정·보완하여 사용하였다. 이 연구 에서 사용한 3개의 탐구 과제(물시계 만들기, 충돌 크레이터의 모양, 해수의 밀도 측정)는 모두 지구과 학 교과와 관련되어 있으며, 이들 과제를 강원도 소 재 과학고 2학년 학생 59명에게 순차적으로 적용하 여 탐구 과정을 보고서로 작성하게 하였다. 작성된 탐구 보고서는 연구자들에 의한 교차 평가를 통해 통합 탐구 기능 요소별로 수준을 부여하였으며, 집단 중심 추세모형을 적용하여 수준 변화의 양상과 특징 을 분석하였다. Fig. 1은 이에 대한 연구 절차를 간 략하게 나타낸 것이다.

    검사 도구

    이 연구에서는 통합탐구 기능에 대한 학생들의 수 준 변화를 조사하기 위한 도구로 안내된 탐구(guided inquiry) 과제를 이용하였다. 이들 탐구 과제는 학생 들이 주어진 문제 인식에서 출발하여 가설 설정, 실 험 설계, 자료 분석 및 해석, 그리고 결론 도출 및 일반화에 이르기까지의 통합 탐구 기능을 포함하는 가설-연역적(hypothetico-deductive) 탐구이다. 이 연구 에서는 Fig. 2와 동일한 형식의 탐구 과제 3개를 제 시하고 학생들이 통합 탐구 기능을 활용하여 스스로 탐구를 수행하도록 하였다.

    이 연구에서는 1학기 초에 4주의 시간 간격을 두 고 3개의 탐구 과제를 동일한 대상에게 순차적으로 수행하게 하였고, 이 과제를 수행하기 전과 수행하는 중에 교과 수업을 통해 유사한 과제를 수행한 경험 은 없었다. 또한, 각 탐구 과제 수행 후 지도 교사가 피드백을 통해 개입하는 방식을 채택하였다. 첫 번째 탐구 과제를 수행한 후에는 학생들이 작성한 보고서 중에서 지도 교사의 자세한 첨삭지도가 더해진 두 편의 보고서를 모든 학생에게 공유하여 개별적으로 살펴보도록 하였고(약한 스캐폴딩), 두 번째 탐구 과 제를 수행한 후에는 두 시간에 걸친 교실 수업을 통 해 학생들의 탐구 장면에 대한 교사의 관찰 결과와 학생들이 작성한 보고서를 사례로 과학적 탐구 방법 및 보고서 작성법을 안내하였다(강한 스캐폴딩). (Lee and Park, 2017).

    자료 분석

    이 연구에서는 참여 학생들이 작성한 3개의 탐구 보고서를 평가하였다. 자료 분석을 위해 탐구 보고서 를 이용한 까닭은 탐구 보고서에는 학생들이 수행했 던 과학 탐구의 전 과정이 순차적으로 기록되어 있 고 과학 탐구 기능의 적절한 활용 여부를 평가할 수 있는 요소들을 모두 포함하고 있기 때문이다(Keys et al., 1999). 특히 탐구 보고서는 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 직접 관련된다 (Cho and Choi, 2008). 따라서, 학생들의 통합 탐구 기능의 발달 과정을 확인하기 위해서는 학생들이 작 성한 보고서를 평가하는 것이 가장 효과적이며, 비교 적 많은 학생들을 대상으로 하는 만큼 통계적 분석 을 통해 정량적으로 평가하는 것이 효율적이다. 이 연구에서는 보고서 평가에서 통합 탐구 기능 요소별 수준을 판단하기 위해 Table 1과 같은 준거틀을 활용 하였다. 이 준거틀은 Lee and Park (2017)이 통합 탐 구 기능에 대한 학생들의 학습발달 과정을 탐색하는 과정에서 개발한 것으로 4개의 통합탐구 기능 요소(탐 구 설계, 자료 수집 및 변환, 자료 해석, 결론 도출) 에 대해 각 4개의 수준으로 구분되어 있다.

    집단중심 추세모형 분석은 Nagin (2016), Nagin and Tremblay (2001)가 제안한 방법으로 분석을 수 행하였다. 집단중심 추세모형 분석은 여러 번에 걸쳐 종단적으로 측정한 점수를 토대로 변화 과정이 유사 한 집단을 묶어 최적의 집단수를 통계적으로 추정할 수 있게 해주며, 각 학생이 어떤 집단에 포함될 확률 을 제공한다(Ha et al., 2019). 이러한 분석 방법은 이 연구에서 변화 과정이 비슷한 집단을 중심으로 학생들의 통합 탐구 기능 수준의 변화를 살펴볼 수 있을 뿐만 아니라, 학생들에게 제공했던 스캐폴딩의 실제 효과가 나타나는 집단을 구별할 수 있기 때문 에 효과적으로 활용될 수 있다. 집단중심 추세모형 분석은 Crim CV 소프트웨어 패키지(Nielson et al., 2012)를 활용하였다. 또한, 집단중심 추세모형의 적합 성을 확인하기 위해 Akaike Information Criterion (AIC), Bayesian Information Criteria (BIC), Cross- Validation Error (CVE) 지수를 이용하였고(Nielsen et al., 2012), 이 중에서 CVE 값을 가장 우선으로 고려 하였다(Nielson et al., 2012). CVE 값은 가장 작을 때 최적이다.

    한편, 이 연구에서 집단중심 추세모형 분석은 통합 탐구 기능 수준의 변화가 비슷한 집단을 탐색하고 스캐폴딩의 효과를 가늠하는 데 도움을 주지만, 학생 개개인의 통합 탐구 기능 수준의 변화 양상 및 특징 까지 구체적으로 드러내 주는 것은 아니다. 따라서, 이 연구에서는 학생 개개인에 초점을 맞추어 통합 탐구 기능의 평가 요소별로 개별 학생이 획득한 종 단 점수의 변화를 확인하고, 이를 통해 개별 학생들 의 통합 탐구 기능 수준이 어떻게 변화하고 어떤 특 징을 보이는지 묘사하였다.

    연구 결과 및 논의

    과학고 학생들의 통합 탐구 기능 변화 양상 분석

    집단중심 추세모형을 적용하여 과학고 학생들의 통 합 탐구 기능의 변화를 요소별로 분석한 결과 Fig. 3 과 같은 양상을 파악할 수 있었다. 각 요소별로 나타 난 양상을 분석하면 다음과 같다.

    탐구 설계 수준의 변화를 바탕으로 구분된 집단은 2개 집단이다. 2개 집단으로 구분되는 모델은 AIC (1139), BIC (1161), CVE (4.273)로 최적 모델로 확 인되었다. 집단 1은 전체 학생의 11.9%로 수준 3을 시작으로 수준 4로 변화하는 집단이며, 집단 2는 수 준 2 정도에서 시작하여 수준 4에 도달하는 집단으 로 전체 학생의 88.1%이었다. 이와 같은 결과는 연 구에 참여한 대부분의 과학고 학생들의 탐구 설계 수준이 두 번째 과제(시점2)를 수행할 때까지는 가설 을 토대로 변인 통제 계획을 수립할 수 있는 수준까 지 이르지 못하나 세 번째 과제(시점3) 수행에서는 변인 통제 계획 수립뿐만 아니라 가설 검증을 위한 실험 과정을 설계할 수 있는 수준까지 발달하였음을 의미한다.

    자료 수집 및 변환 수준의 변화를 바탕으로 구분 된 집단 역시 2개 집단이다. 2개로 구분되는 모델은 AIC (1195), BIC (1218), CVE (4.150)로 최적이었다. 집단1은 49.2%는 수준 2에서 출발하여 중간 평가에 는 수준 2와 3 사이 정도에, 최종적으로 수준 4에 도 달한 집단이며, 집단2는 전체 학생의 50.8%로 수준 3과 수준 4의 중간 정도이었다가 최종적으로 수준 4 에 도달한 집단이다. 이와 같은 결과는 연구에 참여 한 과학고 학생들 중 절반 정도가 두 번째 과제(시점 2)를 수행할 때까지는 표를 그래프로 변환하는 수준 까지 이르지 못했지만, 세 번째 과제(시점3) 수행에 서는 표를 그래프로 변환할 수 있을 뿐만 아니라 변 환된 그래프의 축 값과 스케일을 정확하게 표시할 수 있는 수준까지 발달하였음을 의미한다. 이러한 수 준 변화는 탐구 설계 기능과 그 양상이 비슷하나 해 당 집단에 속한 학생들의 비율은 88.1%와 49.2%로 크게 차이가 있는 것으로 나타났다. 즉, 연구에 참여 한 과학고 학생들은 자료 수집 및 변환 기능의 습득 을 탐구 설계 기능보다 더 수월하게 숙달한다고 볼 수 있다.

    자료 해석 수준을 바탕으로 구분된 집단도 2개 집 단이다. 모델의 적합도는 AIC (1121), BIC (1144), CVE (3.560)이었다. 집단1은 전체 학생의 23.7%로 수준 2와 3의 중간 정도에서 최종적으로 수준 3에 도달하는 집단이며, 집단 2는 76.3%로 수준 4에 근 접한 수준에서 최종적으로 수준 4에 도달한 집단이 다. 이와 같은 결과는 앞선 2개 통합 탐구 기능(탐구 설계와 자료 수집 및 변환)과 상당히 다른 양상이다. 앞선 2개 통합 탐구 기능은 절반 이상의 참여 학생 들이 첫 번째 과제 수행(시점1)에서 수준 2에 해당되 었지만, 자료 해석 기능은 대다수(76.3%) 학생들이 수준 4에 근접한 상황에서 출발하였다는 것이다. 이 러한 양상은 연구에 참여한 과학고 학생들이 탐구 설계나 자료 수집 및 변환 기능보다 자료 해석 기능 을 수월하게 숙달함을 의미한다. 특이할 만한 것은, 자료 해석 기능의 경우는 처음에 수준 3 이하였던 학생들이 세 번째 과제 수행 이후(시점3)에도 수준 4 로 발달하지 못했다는 것이다. 이러한 변화 양상은 낮은 수준의 학생들은 탐구 설계나 자료 수집 및 변 환 기능보다 자료 해석 기능을 숙달하는데 더 어려 움을 겪는 것으로 해석된다. 다시 말해, 표나 그래프 의 경향성을 파악하고 변인 간의 관계를 분석하는 데까지는 숙달하나 이를 토대로 실험 결과의 의미를 논의하는 수준까지는 이르지 못한다는 것이다.

    마지막으로 결론 도출 수준에 근거한 모델도 2개 집단으로 구분되었다. 모델의 적합도는 AIC (1090), BIC (1112), CVE (3.851)이었다. 집단1은 전체 학생 중 3.4%로 매우 소수였으며, 수준 1에서 수준 4로 급격히 상승하였으며, 대부분인 집단2는 전체 학생의 96.6%로 수준 2에서 최종적으로 수준 3에 도달하였 다. 이와 같은 결과는 앞선 3개의 탐구 기능과 비교 하여 그 양상이 판이하게 다른 것이다. 가장 큰 차이 점은 두 집단의 그래프가 교차하며, 집단1과 집단2가 차지하는 비율에서 현격한 차이를 보인다는 점이다. 거의 대부분의 참여 학생들은 결론 도출을 변인 간 의 관계로 실험 결과를 진술하는 수준에서 실험 결 과에 대한 설명 체계를 진술하는 수준까지는 발달하 나 이를 토대로 가설 수용 여부를 판단하는 수준까 지는 이르지 못하였다. 이와 같은 결과는 학생들이 탐구의 결과 진술과 결론 도출을 명확하게 구분하지 못하는 데서 기인하는 것으로 생각된다. 대부분의 학 생들은 가설-연역적 탐구에서의 결론 도출이 자신들 이 설정한 가설의 수용 여부를 판단하는 최종 단계 임을 인지하지 못하고 있다는 것이다.

    한편, 극소수이긴 하지만 일부 참여 학생들이 3개 의 탐구 과제를 수행하는 동안 결론 도출 기능이 수 준 1에서 수준 4까지의 비약적인 발달을 나타내었는 데, 이와 같은 변화는 교사 스캐폴딩의 효과인 것으 로 추정해볼 수 있다. Vygotsky (1978a, 1978b)의 근 접발달영역(ZPD) 이론을 토대로 할 때, 실험 결과 진술과 결론 도출을 제대로 구분하지 못하던 수준(실 제적 발달 수준)에서 결과 분석을 토대로 한 가설 수 용 여부를 판단하는 수준(잠재적 발달 수준)까지 학 생 스스로 발달하기는 어려웠을 것이며 교사의 유효 적절한 스캐폴딩이 이 학생들의 ZPD 내에서 제공되 었다고 보는 것이 합당할 것이다. 하지만, 왜 극소수 의 학생들에게만 교사의 스캐폴딩이 효과를 나타냈는 지에 대해서는 별도의 심층적인 분석이 이루어질 필 요가 있다.

    과학고 학생들의 통합 탐구 기능 변화의 특징 분석

    Table 2는 참여 학생들이 3개의 과제를 수행하는 과정에서 나타난 통합 탐구 기능 요소별 수준 변화 를 유형별로 분류한 것이고, Fig. 4는 이를 그래프로 변환한 것이다. 그래프를 보면, 탐구설계는 9개 유형, 자료수집/변환은 14개 유형, 자료해석은 12개 유형, 그리고 결론도출은 12개 유형을 나타낸다.

    이 분석 자료로부터 알 수 있는 과학고 학생들의 통합 탐구 기능 변화의 첫 번째 특징은 통합 탐구 기능이 탐구 맥락에 따라 달라진다는 것이다. 다시 말해, 3가지 탐구 과제를 수행함에 있어 발현되는 4 가지 통합 탐구 기능이 일관성을 나타내지 않고 과 제에 따라 다르게 발현된다는 것이다.

    Table 2에서 음영 부분이 이에 해당된다고 판단되 는 경우인데, 연구 방법에서 언급하였지만 과제1과 과제2 사이에 약한 스캐폴딩이, 과제2와 과제3 사이 에 강한 스캐폴딩이 제공된 것을 감안할 때, 음영 부 분의 유형은 이러한 스캐폴딩의 효과가 없거나 미미 한 경우에 해당된다. 또한, 과제 3에서 대부분의 학 생들이 4수준을 나타낸 것은 과제2와 과제3 사이에 교사에 의해 보다 구체적으로 제공된 스캐폴딩의 효 과로 볼 수 있으나, 과제1과 과제2에서 학생들의 수 준은 스캐폴딩의 효과보다는 탐구 과제가 더 큰 영 향을 준 것으로 해석된다. 특히 음영 부분은 강한 스 캐폴딩이 제공되었음에도 불구하고 과제3에서 수준 향상이 없는 경우가 많은데 이것은 학생의 통합 탐 구 기능은 탐구 과제에 따라 달라짐을 의미한다. 이 처럼 탐구 과제에 따라 탐구 기능이 다르게 발현되 는 것은 탐구 기능의 맥락 의존성(context-dependency) 으로 간주되며, 과학 탐구 수행에서 나타나는 학생들 의 과학적 실행(scientific practice)이 영역-특정적 (domain-specific)이라는 선행 연구와 일맥상통한다고 볼 수 있다.

    한편, Table 3과 Table 4는 각각 탐구 과제 1과 2 에서 나타난 통합 탐구 기능 요소 간의 상관관계를 산출한 것이다.1) 탐구 과제 1에서는 ‘자료 해석’과 ‘결론 도출’ 간의 상관이 0.556으로 가장 높고, ‘탐구 설계’와 ‘자료 수집/변환’ 간의 상관이 0.123으로 가 장 낮았다, 하지만 탐구 과제 2에서는 ‘탐구 설계’와 ‘결론 도출’ 간의 상관이 0.413으로 가장 높고, ‘자료 수집/변환’과 ‘자료 해석’ 간의 상관이 0.028로 가장 낮았다. 또한, 탐구 과제 1에서 통합 탐구 기능 사이 의 상관은 대체로 높게 나타난 반면, 탐구 과제 2에 서는 상대적으로 매우 낮은 상관을 나타내었다. 이러 한 분석 결과에서 알 수 있듯, 동일한 학생들이 수행 한 탐구 과제 1과 2에서 나타난 통합 탐구 기능 요 소 간의 상관관계가 확연히 다르다는 것은 탐구 과 제에 따라 발현되는 학생들의 통합 탐구 기능의 수 준이 다름을 의미한다.

    과학고 학생들의 통합 탐구 기능 변화의 두 번째 특징은 통합 탐구 기능이 발달해가는 경로(pathway) 가 학생들마다 다르다는 것이다. Table 2와 Fig. 4를 보면 학생들이 3개의 과제를 수행하면서 변화되어 가는 탐구 기능 요소별 발달 수준이 천차만별이라는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 2-2-4, 2-3-4, 2-4-4 유 형을 비교해보면 세 유형 모두 최종 4수준에 도달되 는 경우에 해당되지만, 2-3-4 유형은 순차적으로 발 달하는 경우인 반면, 2-4-4 유형은 과제 2에서 비약 적 향상을 보이는 경우이고 2-2-4 유형은 과제 2까지 는 발달이 없다가 과제 3에서 향상을 보이는 경우 이다.

    이는 앞서 서술한 집단중심 추세모형에서도 나타났 지만, 학생들이 탐구 과제 1~3을 순차적으로 수행하는 동안 통합 탐구 기능이 변화되어 가는 양상이 서로 다 른 몇 개의 유형으로 구분되는 것과 같은 맥락이다. 이와 같은 차이는 학습자의 특성에 기인하는 것으로 추정된다. 이것은 학습발달과정(learning progression) 연구에서도 자주 언급되는 내용인데, 학습자의 개념 (지식)과 탐구 실행이 시간에 따라 발달해가는 경로 는 개개인에 따라 다르다는 것이다(Lee et al., 2017). 즉, 교사가 제시하는 표준적이고 공통적인 경로가 아 닌 변이(variation) 경로를 따라 발달하는 학습자들이 더 많다는 것이다. 이 연구에서 나타난 결과를 보더 라도 이러한 경로의 변이는 4개 통합 탐구 기능 요소 에서 모두 확인된다. 따라서 이와 같은 연구 결과는 탐구 능력 향상을 위한 스캐폴딩에서 학습자의 특성 을 고려하지 않은 기계적인 처방보다는 학습자가 자 신의 성향에 따라 스스로의 속도에 맞춰 발달해갈 수 있도록 안내하고 코칭하는 것이 중요함을 시사한다.

    과학고 학생들의 통합 탐구 기능 변화의 세 번째 특징은 학생들의 통합 탐구 기능 수준이 요소별로 들쭉날쭉하다는 것이다.

    Fig. 5는 평균적으로 동일한 수준(평균 2.3)의 통합 탐구 기능을 지닌 것으로 판단되는 3명 학생의 과제 1 수행에서 나타난 통합 탐구 기능의 수준을 요소별 로 비교한 것이다. 이 학생들은 평균적 탐구 기능이 같은 수준임에도 불구하고 탐구 기능 요소별로 학생 간에 판이한 양상을 보인다는 것이다. 학생 1의 경우 는 ‘자료 해석’ 기능이 다른 요소들에 비해 높고 ‘자 료 수집/변환’ 기능이 낮게 나타나 요소 간 수준의 차이가 큰 반면, 학생 2의 경우는 4개 탐구 기능 요 소들이 대체로 비슷한 수준을 나타내고 있다. 학생 3 의 경우는 학생 1과 3의 중간 정도로 ‘자료 수집/변 환’과 ‘자료 해석’ 기능이 ‘탐구 설계’와 ‘결론 도출’ 기능에 비해 높은 수준을 나타냄을 볼 수 있다. 이처 럼 전체적으로는 비슷한 탐구 능력을 가졌다고 판단 되는 학생들이라고 하더라도 세부적인 기능 요소들의 수준은 들쭉날쭉하게 나타난다는 것은 과학 탐구 교 육에 시사하는 바가 크다. 이른바 평균의 함정(pitfall of average)이다. 우리가 동일한 탐구 능력을 갖추었 다고 평균에 따라 수준을 구분하는 것이 학생들의 진단과 처방에 있어 오류를 범할 가능성이 높다는 것이다. 따라서 학생들의 과학 탐구 능력을 진단함에 있어 평균보다는 요소별 수준에 초점을 맞추고 처방 또한 평균 수준이 아닌 요소별 수준으로 구분하여 스캐폴딩(도움주기)을 제공할 필요가 있을 것이다.

    결론 및 제언

    이 연구에서는 집단중심 추세모형을 적용하여 과학 고 학생들이 탐구를 수행하는 과정에서 나타난 통합 탐구 기능 변화의 양상과 특징을 분석하고자 하였다. 이를 위해 3개의 가설-연역적 탐구 과제를 이용하였 으며, 이를 과학고 학생들에게 순차적으로 수행하게 하고 그 과정을 보고서로 작성하게 하였다. 작성된 보고서는 Lee and Park (2017)에 의해 개발된 준거 틀에 따라 통합 탐구 기능 4개 요소별로 평가하였으 며, 이를 집단중심 추세모형에 적용하여 탐구 과제를 수행한 3개 시점에 따른 탐구 기능 수준의 변화 양 상을 요소별로 분석하였다. 또한, 탐구 기능 변화에 서 나타난 특징을 몇 가지 관점에서 분석하였다. 연 구 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

    첫째, 집단중심 추세모형을 적용하여 학생들의 통 합 탐구 기능 변화 양상을 분석한 결과, 4개 요소 모 두에서 2개 집단으로 분류되었으나 그 변화 양상은 요소별로 많은 차이가 있었다. 탐구 설계와 자료 수 집 및 변환 기능은 상당수의 참여 학생들이 교사의 스캐폴딩에 의해 수준 4까지 비교적 쉽게 숙달하는 것으로 나타났으나, 결론 도출 기능의 경우는 대부분 의 참여 학생들이 수준 4까지 숙달하지 못하였다. 이 와 같은 차이는 교사가 제공하는 스캐폴딩의 내용과 수준에도 그 원인이 있겠지만 각 탐구 기능 요소들 이 가지는 근본적인 특성에 원인이 있을 것으로 추 정된다.

    연구 결과를 보면, 참여 학생들의 상당수는 결론 도출을 결과 요약 및 재진술로 생각하는 것으로 보 인다. 특히 가설-연역적 탐구에서 결론 도출이 연역 적 탐구나 귀납적 탐구와 다르다는 것을 인식하지 못하는 것이 문제의 핵심으로 분석된다. 그러므로 결 론 도출 요소에 대한 스캐폴딩의 경우는 이러한 탐 구 유형에 따른 구별을 명확하게 할 수 있는 방향으 로 이루어지지 못할 경우 결론 도출 기능의 숙달이 어려워질 수 있는 것이다. 이러한 분석은 자료 해석 기능에서 나타난 변화와 비교해 보면 보다 명료해진 다. 자료 해석 기능의 경우는 대다수의 참여 학생들 이 스캐폴딩 제공 이전인 시점1에서부터 수준 4까지 숙달하였는데, 이것은 자료 해석 기능이 학생들에게 매우 친숙한 기능일 뿐만 아니라 결론 도출과 달리 탐구 유형에 따른 차이가 특별히 없다는 것이다.

    둘째, 학생들의 통합 탐구 기능 변화에서 나타난 특징을 분석한 결과, 탐구 기능의 맥락의존성, 탐구 기능 발달 경로의 변이성, 탐구 기능 요소별 수준의 들쭉날쭉성을 발견할 수 있었다.

    맥락의존성은 3가지 탐구 과제를 수행함에 있어 발현되는 4가지 통합 탐구 기능이 일관성을 나타내 지 않고 과제에 따라 다르게 발현된다는 것이다. 이 러한 특징은 탐구 기능이 과연 탐구 과제에 일반적 인(task-general) 것인가라는 의문을 제기한다. 그동안 과학교육에서는 탐구 기능을 탐구 과제나 상황에 특 수적(task-specific)이기보다는 보편적인 능력으로 간 주하고 이를 효과적으로 습득하기 위한 방법론에 몰 두하여 왔다. 하지만, 이 연구 결과는 이러한 방향성 을 재고할 필요가 있음을 시사한다. 또한, 최근 과학 교육에서 강조되는 과학 실행(scientific practice)이 지식과 무관한 것인지 아니면 지식에 따라 달라지는 것인지에 대한 논의의 출발점이 될 수 있다.

    발달경로의 변이성은 통합 탐구 기능이 발달해가는 경로가 학생들마다 다르다는 것이다. 이 특징은 학생 들의 탐구 기능이 발달하는 공통적이고 표준적인 경 로가 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것으로, 학생 들에게 스캐폴딩을 제공할 때 학습자의 특성에 따른 변이성을 교사들이 고려할 필요가 있음을 시사한다. 즉, 동일한 수준의 학생들에게 동일한 스캐폴딩을 제 공한다고 하더라도 모두 동일한 발달이 일어나지 않 는다는 것이다.

    들쭉날쭉성은 평균적으로 동일한 수준의 통합 탐구 기능을 지닌 것으로 판단되는 학생들인데 -평균적 탐 구 기능이 같은 수준임에도 불구하고- 탐구 기능 요 소별로 학생 간에 판이한 양상을 보인다는 것이다. 이러한 평균의 함정은 앞으로 과학 교사들이 학생들 에게 제공하는 스캐폴딩의 방식에서 주의를 기울여야 할 부분이다. 평균적인 탐구 능력에 따라 상, 중, 하 로 구분하여 이에 따른 수준별 스캐폴딩을 제공하는 것보다는 탐구 기능 요소별로 구분하여 수준에 따른 스캐폴딩을 제공할 수 있는 방안이 강구되어야 할 것이다.

    위와 같은 결론을 토대로 과학고 학생들의 통합 탐구 기능 발달을 위해 다음과 같은 몇 가지 제언을 하였다.

    첫째, 통합 탐구 기능 요소별로 기본적인 스캐폴딩 도구들이 우선적으로 개발될 필요가 있으며, 탐구 과 제 유형 및 탐구 수준에 따라 이를 변용할 수 있는 방안이 강구되어야 한다. 연구 결과에서도 나타났지 만 학생들은 탐구 기능 요소별로 상이한 수준을 보 였으며, 탐구 과제에 따라 발현되는 탐구 기능의 수 준이 달랐다. 이러한 양상과 특징을 반영한 스캐폴딩 도구가 마련된다면 보다 효과적인 탐구 기능 발달이 이루어질 수 있을 것으로 기대한다.

    둘째, 과학고 학생들에게 통합 탐구 기능을 포함한 과학 실행을 명시적으로 지도할 수 있는 방안이 마 련될 필요가 있다. 과학고는 일반고에 비해 과제 연 구, STEAM R&E 등 훨씬 다양하고 심화된 과학 탐 구의 기회가 주어진다. 하지만, 이런 탐구를 수행하 는 데 기초가 되는 통합 탐구 기능에 대한 유효적절 한 교육이 이루어지고 있는지는 의문이다. 연구 결과 에서도 드러났지만 연구에 참여한 과학고 학생들의 통합 탐구 기능 수준이 생각한 것만큼 그리 높지 않 았다. 탐구 기능과 실행에 대한 명시적인 교육은 과 학고에서 수행되는 탐구 관련 다양한 교과 및 비교 과 활동들이 사상누각이 되지 않도록 하는 튼튼한 기초공사와 같은 것이다. 그러므로 당장 화려한 집을 짓기 보다는 더디더라도 기초를 보다 튼튼히 하는 작업에 좀 더 시간과 노력을 투입해야 할 것이다. 더 불어 이러한 교육을 책임지는 과학 교사의 탐구 전 문성 향상도 함께 병행되어야 할 것이다.

    Figure

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    Research procedure.

    JKESS-41-1-48_F2.gif

    Example of inquiry tasks used in this study.

    JKESS-41-1-48_F3.gif

    Changes in integrated process skills analyzed using by group-based trajectory modeling.

    JKESS-41-1-48_F4.gif

    Type of level change according to each element of integrated process skills.

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    Comparison of levels for each element of the integrated process skills of three students in inquiry task 1.

    Table

    Criteria for determining the level of each element of the integrated process skills for evaluating inquiry reports (from Lee and Park, 2017)

    Type of level change according to each element of integrated process skills

    Correlation between elements of integrated process skill in inquiry task 1

    Correlation between elements of integrated process skill in inquiry task 2

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