부력과 밀도 개념을 포함하는 복합문제 상황에서 고등학생과 대학생의 문제해결수준 변화 분석

Abstract

One of the important objectives of science education is establishing a correct concept, which can be distinguished by measuring the level of student‘s problem solving ability. However, there are complicated problems related with various notions in life, and it is required to have both the existing knowledge on individual concept and the ability to reorganize the knowledge in order to solve the complex problem. This problem solving ability has a significant meaning to a science teacher. Also, one of the concepts which is frequently used in our life but poorly treated in a regular curriculum is the subject of buoyance, which has been turned out to lead to a wrong conceptual understanding to both students and teachers. So, the purpose of this research is to make out the level of problem solving ability and its progress about three complex questions which combined the buoyance concept with the density difference between water and ice in the water section of High School Chemistry I for the second year students. First, this study was done by comparing and analyzing the level of problem solving ability between high school students and college students on complex concept situation questions presented by the POE method. Second, with an intention to examine subject's existing knowledge and to help reorganize the knowledge to solve the problem, the progress in the level of problem solving was compared and analyzed through interviews using thought-provoking questions. The subjects of this study are eight high school second-year students in Seoul and eleven university junior students majoring in chemistry education of science education department in college of education. They had POE class activity first and were classified by their level of problem solving ability. After this stage, each one (among three high school students and six college students) was assigned for each level and was interviewed individually. The results are as follows: First, in a comparative analysis on the problem-solving ability between high school students and college students in POE activities, college students showed a little higher level of problem solving ability and reorganization ability for problem solving. Also, high school students solved the questions with single concept very easily because they were familiar with those textbook exercises. However, they had difficulty in solving the questions with complex concepts in which buoyancy concept was introduced and their level of reorganization ability by utilizing their established knowledge proved to be quite low. College students, although, showed a little higher level of problem solving ability, but their level of reorganization ability to select and utilize the very existing knowledge related with the core concepts of the questions was not meaningfully high. Second, in a thought-provoking interview, not only high school students' will to solve a problem by themselves but also the ability to reorganize their existing knowledge were very low, so that the examiner had to spend most of interview time on explaining what the questions are about. Unlike high school students, most college students were likely to reorganize their knowledge relatively with ease after grasping the core concepts of the questions. And, though both high school students and college students had the concept about the density difference, they showed a meaningful difference in the level of prior knowledge about buoyancy concept. In this case of having the learning experience about buoyancy, it was much easier to solve the problem. From the results of this study, it could be suggested that thought-provoking questions are helpful to solve complex situation problems. Especially it is also suggested that this thought-provoking question method must be emphasized in prep-teacher education. It is highly recommendable for high school teachers to use this thought-provoking teaching method rather than a cramming method to enhance high school student's both problem solving ability and reorganizing ability of existing knowledge. Also, a discussion on adding the buoyancy concept to the physics curriculum is necessary because its prior knowledge gives a positive effect on increasing the problem solving level and both teachers and students have wrong concepts about it while it is frequently used in our life.;과학 수업의 중요한 목표 중 하나는 올바른 개념 형성인데, 이러한 개념 형성은 학생의 문제 해결 수준으로부터 알 수 있다. 그런데 생활 속에는 여러 가지 개념에 대해 복합적으로 얽힌 문제가 많이 있고 복합적 문제를 해결하기 위해서는 기존에 단일 개념에 대한 사전 지식과 그 지식을 재구성하는 능력이 필요하다. 이러한 문제의 해결은 과학 교사에게 중요한 의미를 지닌다. 또한 과학의 여러 개념 중에 생활 속에서 많이 활용되지만 정규 교육과정에서 매우 빈약한 주제로 다루어져 학생과 교사에게 오개념이 많다고 드러난 주제 중 하나가 부력이다. 따라서 본 연구자는 이 부력개념과 고등학교 2학년 화학 Ⅰ 물 부분에 나오는 물과 얼음의 밀도 차에 관한 개념을 복합적으로 적용시킨 문항을 개발하여 고등학생과 사범대학생의 문제해결수준과 그 변화를 알아보고자 한다. 본 연구에서는 첫째, 고등학생과 대학생을 대상으로 복합적 개념 상황이 포함된 문제를 POE(Prediction-Observation-Explanation)형식으로 제시하여 문제 해결 수준을 비교 분석했다. 둘째, 연구 대상자들이 이미 가지고 있는 지식을 알아보고 기존 지식을 재구성해서 문제를 해결할 수 있도록 사고유발 질문을 이용한 면담을 통해 문제 해결 수준의 변화를 비교 분석했다. 연구 대상은 서울시 소재 고등학교 2학년 8명과 사범대학 과학교육과 화학교육전공 3학년 11명이며 먼저, POE활동을 실시하고 문제해결수준을 구분하였다. 그 후, 구분한 수준에서 각 단계별로 1명씩(고등학생 3명, 대학생 6명) 선정하여 개별 면담을 실시하였다. 연구 결과, 다음의 사실을 알 수 있었다. 첫째, POE활동을 통한 고등학생과 대학생의 문제 해결 수준의 비교 분석에서 대학생은 고등학생보다 문제 해결 수준과 문제 해결을 위한 지식의 재구성 능력이 다소 높았다. 또한, 고등학생은 단순 개념 상황의 문제를 교과서에서 봐 왔던 친숙한 문항이라 매우 쉽게 해결했으나 부력 개념이 포함된 복합 개념 상황의 문제를 거의 해결하지 못하고 사전 지식을 불러 들여 재구성하는 능력도 매우 낮았다. 대학생은 비록 문제를 해결하는 수준은 고등학생에 비해 전반적으로 높았지만 여러 사전 지식 중에 문제의 핵심에 가까운 지식을 불러들여 재구성하는 능력이 높지는 않았다. 둘째, 사고유발 질문을 통한 면담에서 고등학생들은 스스로 문제를 해결하려는 의지와 사전 지식의 재구성 능력이 매우 낮아 연구자가 면담 시간 중 대부분을 설명하는 데 시간을 소요해야 했다. 이에 반해 대학생들은 문제의 핵심을 파악한 후에는 비교적 쉽게 지식을 재구성해 가는 모습을 보였다. 그리고 밀도 차에 대한 개념은 고등학생과 대학생 모두 가지고 있는 개념이었지만 부력 개념의 사전 지식 정도에는 차이가 컸는데 부력 학습 경험이 있는 경우에 문제 해결을 훨씬 쉽게 할 수 있었다. 이 연구 결과로부터 복합적 문제의 해결을 위해서는 사고유발 질문이 도움이 되며 특히, 대학생의 교육에서 이러한 부분을 강화해야 한다는 것을 알 수 있었다. 고등학생의 문제 해결력과 지식 재구성 능력을 높이기 위해서도 교사는 주입식 수업보다 학생 스스로 깊이 있게 사고하게 하는 수업을 해야 할 것이다. 또한, 사전 부력 학습 경험이 문제해결수준 상승에 긍정적인 영향을 주는 것으로부터 생활 속에서 많이 활용되며 교사와 학생에게 오개념이 많다고 밝혀진 부력 개념을 물리 교육과정에 추가시키는 방안에 대한 논의도 필요할 것이다.