변인 통제 능력 강화를 위한 수업 모형 및 프로그램 개발

Abstract

변인 통제는 문제를 해결하는 측면에서의 과학적 사고나 논리적 사고력 측면에서의 과학적 사고에 모두 포함되는 하위 요소로서 일상생활에서 일어나는 수많은 문제들을 바르게 해결하는데 필수적으로 요구되는 능력이다. 따라서 본 연구에서는 학생들의 변인 통제 능력을 신장시키기 위한 구체적인 과학 수업 프로그램을 개발하고자 하였다. 학생들의 변인 통제 능력을 강화할 수 있는 프로그램을 개발하기 위한 본 연구는 <연구Ⅰ>과 <연구Ⅱ>로 나누어 진행하였다. <연구Ⅰ>에서는 중학교 2학년에 재학 중인 30명의 학생을 대상으로 학생들의 변인 통제 논리력과 과학적 사고 수준에 따른 변인 통제 유형을 알아보았다. ‘계단 빨리 왕복하기’ 전략을 설계하도록 하는 과제를 부여한 후 얻어진 학생들의 응답 내용을 바탕으로 변인 통제 유형을 분석하였다. 변인 통제의 필요성 인식 여부, 불필요 변인의 배제 여부, 통제 변인의 설계 여부, 조작 변인과 종속 변인의 설계 여부의 네 가지 측면에 따라 유형A~유형F의 여섯 가지 유형으로 분류하였다. 또한 변인 통제 논리에 대한 평가 기준을 체계적으로 개발하여, 로슨 SRT 문항 중 변인 통제 논리에 해당하는 4개 문항에 대한 변인 통제 논리력을 측정하였다. 로슨이 개발한 과학 추리력 검사지(로슨 SRT)로 측정한 점수와 변인 통제 논리력 점수의 상관 계수는 0.672로 과학적 사고와 변인 통제 사고의 상관은 높은 것으로 나타났다(p<.01). 학생들의 변인 통제 논리력 점수가 높을수록 변인 통제에 대한 문제를 인식하고, 불필요 변인을 배제하며, 조작 변인과 종속 변인, 통제 변인을 바르게 구분하여 실험을 설계하는 것으로 나타났다. <연구Ⅱ>에서는 <연구Ⅰ>의 결과와 문헌 연구를 바탕으로 개발한 변인 통제 강화 프로그램을 실제로 적용했을 때 과학적 사고력, 과학적 태도, 변인 통제 논리력, 변인 통제 유형 변화에 미치는 효과를 알아보았다. <연구Ⅰ>의 대상 학생들을 실험 집단으로 하고, 같은 학년의 한 학급의 학생들을 통제 집단으로 하였다. 로슨 SRT로 얻어 낸 학생들의 과학적 사고력 점수 향상 정도는 본 연구를 적용한 실험 집단이 통제 집단보다 다소 높았으나 통계적으로 유의미하지는 않았다. 실험 집단의 과학적 태도 점수는 통제 집단에 비해 통계적으로 유의미하게 약간 향상되었으며(p<.05), 하위 영역 중 끈기성 영역에서 통계적으로 유의미하였다(p<.05). <연구Ⅰ>에서 개발한 ‘변인 통제 논리에 대한 평가 기준’으로 프로그램 적용 초기인 1차시와 후기인 9차시의 활동 내용을 채점하여 분석한 결과, 조작 변인 설계에서의 타당성, 통제 변인 설계에서의 타당성, 검증 가능성, 실험 결과 제시에서의 타당성, 결론 도출에서의 일관성 영역에서 사후에 평균 점수가 높게 나타났다. 특히 조작 변인 설계에서의 타당성 영역은 통계적으로 유의미하게 높았으며(p<.001), 통제 변인 설계에서의 검증 가능성과 실험 결과 제시에서의 타당성 영역도 통계적으로 유의미하게 높았다(p<.05). 실험 집단의 변인 통제 유형 변화를 알아보기 위해 마지막 프로그램 활동 후에 사전과 동일하게 ‘계단 빨리 왕복하기’ 검사를 실시하였다. 그 결과, 사전에는 유형A~유형F까지 고루 분포하였는데 사후에는 변인 통제를 잘 하는 유형인 유형A와 유형B에 많이 분포하였다. 즉, 본 연구에서의 9차시 변인 통제 강화 프로그램을 경험한 학생들의 변인 통제 능력이 적용 후에 보다 더 신장하였음을 알 수 있었다. 실험 집단 중 일부 학생의 프로그램 활동지 작성 내용과 실험 집단의 학생들에게 실시한 설문을 분석한 결과, 본 연구에서 개발한 변인 통제 프로그램을 효과적으로 적용하려면 교사가 프로그램의 의도대로 학생들을 지도하는 것뿐만 아니라, 자유로운 토론 분위기를 조성하고 학생들에게 적당히 어려운 주제를 선정하여 토론을 하도록 유도하는 것도 중요함을 알 수 있었다. 또한 본 연구의 프로그램과 같이 모둠을 구성하여 실험 활동을 진행하는 경우에 인지 수준이나 과학적 사고 수준뿐만 아니라 학생들의 성향이나 태도도 고려해야 한다고 생각된다. 본 연구에서 개발한 변인 통제 강화 프로그램은 적은 수의 학생에게 적용하여 그 효과가 제한적이나, 일부 영역에서 적용 효과가 나타남을 볼 수 있었다. 더욱 정확한 효과를 알아보기 위해서는 대상 학생 수, 적용 기간, 학년, 지역 등을 달리하여 추가 연구를 할 필요가 있다. 많은 교실이나 실험실에서 순조롭게 실험을 진행하기 위해 초·중등 학생들은 상당히 통제된 실험들을 수행하고 있다. 그러나 학생들의 변인 통제 능력을 신장시키기 위해서는 학생 스스로 원인이 되는 조작 변인을 찾아내고, 그 외의 다른 독립 변인인 통제 변인을 일정하게 유지할 수 있도록 계획해 보는 활동이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.;This study has two purposes. One is to develop a teaching program, especially designed to improve the ability to control variables. The other is to investigate the effect of the program on enhancing students' control variable ability and type, scientific thinking ability, and scientific attitude. This study was proceeded in two parts. In <Part1>, first, types of controlling variables were extracted from student activity reports. And students were categorized into six types(type A ~ type F). Type A was the most excellent group in recognizing the importance of controlling variables, eliminating unnecessary variables and identifying manipulated, dependent and controlled variables. Second, criteria for evaluating students' the ability to control variables were developed. Third, score of ability to control variables (CV score) and classroom test of scientific reasoning (Lawson's SRT) scores were measured. Results indicated that the CV score highly correlated with Lawson's SRT scores (r=0.672, p<.01). And type A students achieved higher CV score than other types of students. In <Part Ⅱ>, a learning program for enhancing the ability to control variables was developed and implemented in 8th grade science classrooms. The program was designed based on the 3-step learning model: i.e. students recognize the necessity of controlling the variables (step 1), control variables on their own (step 2), and reflect on their variables control process (step 3). The program included 9 topics and the topics were gradually challenging. In results, Lawson's SRT scores increased in both experimental and control groups after implementing the program. The experimental group showed higher increase in the score, but the difference was not statistically significant. The experimental group also obtained higher CV score, but the difference was not statistically significant, neither. In terms of the scientific attitude, there was statistically significant difference between groups only in endurance aspects out of 7 sub-components (p<.05). In addition, responses of students in the experimental group to the open-ended items showed that it was challenging for them to think scientifically and critically when controling variables, but they ended up feeling proud of their achievement after the program.