초등과학 수업에서 활용한 WISE(Web-based Inquiry Science Environment) 프로그램의 수업 효과

Abstract

미래사회를 대비하는 과학교육은 앎을 넘어 삶을 위한 과학이 될 수 있도록 혁신되어야 한다. 그러므로 학습자는 과학 수업을 통해 자연 현상과 사물에 흥미와 호기심을 가지며, 자연과 일상에 담겨 있는 과학의 기본 개념을 이해하고, 지속적으로 탐구하면서 과학적 사고력과 창의적 문제해결 능력을 키울 뿐만 아니라, 더 나아가 일상생활의 문제를 해결할 수 있는 과학적 소양이 배양되어야 한다(교육과학기술부, 2008). 탐구 학습은 이러한 과학교육의 목적을 이루기 위해 강조되고 있는 교수-학습 방법 중의 하나로, 학생들로 하여금 단순히 과학 지식을 습득하게 하는 것이 아닌, 지식을 스스로 찾는 과정 즉, 탐구 과정을 학습하게 함으로써 그 중요성이 점차 강조되고 있다. 그러나 교육 현장에서의 과학 수업은 탐구 학습을 적용한 수업보다는 교사 설명 중심의 전통적 수업이 많이 진행되고 있다(김찬종, 1993). 이에 학생들은 과학 수업에서 주도적으로 문제를 해결하는 탐구 과정을 경험하기보다는 단순한 지식 전달만을 경험하고 있다. 그 결과, 과학 지식에 대한 성취 수준은 높으나 과학에 대한 호기심이나 흥미, 과학탐구능력 수준은 상대적으로 낮게 나타나고 있다(이종승, 2002; 이양락 외, 2004; 곽영순 외, 2006). 이러한 문제 해결의 한 가지 방법으로 최근 대두되고 있는 것이 웹 기반 탐구학습으로, 이는 탐구학습의 원리를 온라인 상에서 구현한 교수-학습 활동을 통해 학습자들에게 탐구능력을 배양할 수 있도록 지원한다는 점에서 의미 있는 학습 방법으로 평가되고 있다(Lim, 2001; Bodzin, Cates & Vollmer, 2001). WISE(Web-based Inquiry Science Environment)는 이러한 웹 기반 탐구학습의 한 가지 유형으로 새롭게 주목 받고 있는 프로그램이다(http://wise.berkeley.edu). WISE는 미국 Berkeley 대학에서 개발된 프로그램으로 학습자에게 탐구 문제가 주어지면 학습자는 이 문제의 해결방안을 설계하고, 실험을 수행하면서 그 결과를 예측하며, 과학적 증거들을 이용하여 가설을 검증하거나 결론을 얻을 수 있도록 돕는 웹 기반 탐구학습 환경이다(Kim, Hannafin & Bryan, 2007; Simons & Clark, 2004). 이에 본 연구는 초등학교 6학년 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단 간의 수업 효과를 과학적 태도, 과학탐구능력, 과학성취도로 측정하여 그 차이를 비교하고자 하였다. 이에 따른 연구문제를 구체적으로 진술하면 다음과 같다. 1. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단 간에는 수업 효과에서 유의한 차이를 보이는가? 1-1. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단의 과학적 태도에는 유의한 차이가 있는가? 1-2. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단의 과학탐구능력에는 유의한 차이가 있는가? 1-3. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단의 과학 성취도에는 유의한 차이가 있는가? 2. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단 간에는 수업 효과 요인의 하위요소에서 유의한 차이를 보이는가? 2-1. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단의 과학적 태도 하위 요소에는 유의한 차이가 있는가? 2-2. 초등학교 과학 수업에서 WISE 프로그램을 활용한 집단과 전통적 수업 집단의 과학탐구능력 하위 요소에는 유의한 차이가 있는가? 본 연구를 위해 서울시 소재 D초등학교에 재학 중인 6학년 10개 반의 학생 282명을 대상으로 사전 과학적 태도 및 사전 과학탐구능력 검사, 사전 과학 성취도 평가를 실시한 후, 임의로 WISE를 활용한 실험반 다섯 반과 전통적으로 수업을 진행한 통제반 다섯 반으로 나누어 3주간 과학전담교사가 10개 반 모두의 과학수업을 실시하였다. 수업 내용은 제7차 교육과정을 근거로 하여 2단원 ‘지진’으로 선정하고, 주당 2~3시간씩 총 7차시 수업을 진행하였다. 두 집단의 수업을 마친 후에는 사후의 과학적 태도, 과학탐구능력, 과학 성취도를 평가하여 집단 간의 차이를 분석하였다. WISE 프로그램을 활용하여 수업을 한 집단과 전통적 수업 집단 간의 수업효과는 과학적 태도, 과학탐구능력, 과학 성취도 세 변인 모두를 통합하고, 사전 과학적 태도, 사전 과학탐구능력, 사전 과학 성취도 점수를 공변인으로 한 중다공변량분석을 실시한 결과, Wilks’ λ = .886로 유의수준 .05에서 유의미한 차이가 있었다. 이 때, 과학탐구능력에서는 유의미한 차이를 보이지 않았지만, 과학적 태도, 과학 성취도에서 WISE 프로그램을 활용한 집단이 전통적 수업집단보다 유의미하게 높게 분석되어, WISE 프로그램의 수업효과를 증명하였으며, 과학적 태도, 과학탐구능력, 과학 성취도에 대해 각각 논의해보면 다음과 같다. 첫째, WISE 프로그램을 활용하여 수업을 한 집단과 전통적 수업 집단 간의 과학적 태도에 유의한 차이가 있었다(F = 13.979, p < .05). 과학적 태도의 7개의 하위 요소 별 차이를 살펴보면, 비판성(F = 9.714, p < .05), 협동성(F = 12.094, p < .05), 자진성(F = 7.410, p < .05), 끈기성(F = 4.714, p < .05), 창의성(F = 8.844, p < .05)의 5개 요소에서 집단 간의 유의미한 차이가 있었다. WISE 프로그램은 학생들로 하여금 증거를 찾고, 끊임없이 “어떻게 알아냈는가?” 그리고 “왜 믿어야 하는가?”라는 질문들을 던지게 함으로써 비판성을 향상시켰다고 볼 수 있다. 또한 궁극적으로 주어진 문제를 해결해야 하는 목적을 가지고 학습해 나가는 과정 속에서 문제를 적극적으로 해결하려는 자진성뿐만 아니라 끝까지 끈기를 가지고 문제를 해결하려는 끈기성이 향상되었을 것이다. 협동성 또한 문제를 해결하기 위해서 짝과 함께 의논하는 활동을 통해 자연스럽게 향상되었을 것으로 추측된다. 뿐만 아니라, WISE 프로그램을 통한 탐구 학습이 가상 실험이나 관찰을 통하여 얻은 자료와 단편적인 지식들을 결합하고 통합하여 새로운 지식을 만들어내도록 하며, 문제 해결을 위해 끊임없이 새로운 생각을 하도록 유도하면서 학생들의 창의성을 향상시켰을 것으로 짐작된다. 둘째, WISE 프로그램을 활용하여 수업을 한 집단과 전통적 수업 집단 간의 과학 성취도에서도 유의한 차이가 있었다(F = 21.490, p < .05). WISE 프로그램을 통해 학생들은 다양한 시뮬레이션 및 정보를 바탕으로 스스로 주어진 문제에 해답을 찾아가며, 문제를 해결하기 위해 주어진 정보를 탐색하고 짝과 함께 토론하면서 단지 주어진 지식을 주입하는 것이 아니라 지식을 스스로 자연스럽게 습득하게 되므로 그 결과 과학 성취도 향상에 긍정적인 영향을 미쳤을 것으로 보여진다. 셋째, WISE 프로그램을 활용하여 수업을 한 집단과 전통적 수업 집단 간의 과학탐구능력에는 유의미한 차이가 없었다(F = 1.979, p > .05). 더불어, 과학탐구능력의 10개 하위 요소 각각에서도 유의미한 차이가 없었다. 문제를 해결하는 데 있어 복합적인 사고를 요구하는 학생들의 과학탐구능력이 단기간에 향상되기에는 무리가 있었을 것으로 사료된다. 또한, 학생들이 탐구학습 및 학습 환경에 익숙하지 않아 단기간 동안 적응하고 나아가 몰입하기 쉽지 않았을 것이며, 이는 탐구능력 향상에 뚜렷한 효과를 가져오지 못했을 것으로 추측된다. 본 연구는 과학 교과에 WISE 프로그램의 적용 가능성을 제시했다는 점에서 연구의 의의가 있다고 할 수 있다. 그러나 본 연구는 몇 가지 제한점을 지니고 있어 다음과 같은 제언으로 후속연구를 기대한다. 첫째, 과학탐구능력은 단기간에 향상되기 어렵기 때문에 최소 한 학기 이상의 충분한 연구 기간을 두고 WISE 프로그램을 적용해 볼 필요가 있으며, 다양한 주제의 프로젝트 역시 추가로 개발되어야 하겠다. 둘째, 본 연구는 특정 초등학교 1개교의 6학년을 대상으로 실시하였으므로, 추후에는 다양한 연구 대상에게 후속 연구를 실시하여 일반화 가능성을 높일 것을 제안한다. 통합탐구능력을 다룰 수 있는 초등학교 4학년 이상에게는 WISE 프로그램이 적용 가능하다고 보여지므로 초등학교 6학년 이외에도 4, 5학년, 또는 중, 고등학교 과학수업에서 WISE 프로그램을 적용한 연구를 진행하여 일반화의 가능성을 추가로 모색할 필요가 있다. 나아가 본 연구에서는 WISE 프로그램 활용 여부에 따라 집단간의 차이를 비교하여 WISE 프로그램의 효과에 대한 가능성을 시사하였으나 WISE 프로그램이 더 효과적이기 위해서 어떠한 요인들이 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다. 따라서 WISE 프로그램의 효과성을 증진시켜 줄 학습자 요인, 환경적 요인 및 교수적 요인 등 다양한 요인에 대한 후속 연구가 뒤따라야 할 것이다.;The purpose of this research is to compare teaching effectiveness between the group taught with textbooks and the group taught with WISE program on scientific attitude, science process skill, and science achievement of 6th grade students. The research questions are the following, 1. In elementary school science classes, is there any difference in teaching effectiveness between the WISE program group and the textbook-based group? 1-1. In elementary school science classes, is there any difference in scientific attitude between the WISE program group and the textbook-based group? 1-2. In elementary school science classes, is there any difference in science process skill between the WISE program group and the textbook-based group? 1-3. In elementary school science classes, is there any difference in science achievement between the WISE program group and the textbook-based group? 2. In elementary school science classes, is there any difference in each element of teaching effectiveness factors between the WISE program group and the textbook-based group? 2-1. In elementary school science classes, is there any difference in each element of scientific attitude between the WISE program group and textbook-based group? 2-2. In elementary school science classes, is there any difference in each element of science process skill between the WISE program group and textbook-based group? For this research, 282 students from ten sixth grade classes in Seoul participated. They first took the scientific attitude test, science process skill test, and science achievement test. Then they were randomly divided into two groups; the WISE program group and the textbook-based group. During the 3 weeks, the science teacher taught “Lesson 2. The Shake” based on the 7th educational curriculum. The experiment period took 2~3 hours per week, and totally 7 class hours were spent for the lesson. After 3 weeks, students took the scientific attitude test, science process skill test and science achievement test again. Statistical analysis for the data was MANCOVA(Multivariate analysis of covariance). Upon research, there were some significant differences in the teaching effectiveness between the WISE program group and the textbook-based group(Wilks’ λ = .886, p < .05). The WISE program group showed higher improvement in the field of scientific attitude and science achievement than those of textbook-based group, which proves the effectiveness of WISE program applied in elementary school science classes, although there is no significant difference in science process skill between the two groups. The major findings of scientific attitude, science process skill, and science achievement which were the factors of teaching effectiveness are as the following. First, there was a significant difference in scientific attitude between the WISE program group and the textbook-based group(F = 13.979, p < .05). Taking a look at the differences in the elements of scientific attitude showed that among 7 elements which consist the scientific attitude, 5 elements such as critical-mindedness(F = 9.714, p < .05), cooperation(F = 12.094, p < .05), voluntariness(F = 7.410, p < .05), endurance(F = 4.714, p < .05) and creativity(F = 8.844, p < .05) were influenced meaningfully. Second, there was a significant difference in the science achievement between the WISE program group and the textbook-based group(F = 21.490, p < .05). Third, there was no significant difference in the science process skill between the WISE program group and the textbook-based group(F = 1.979, p > .05). Also there was no significant difference in the 10 elements of science process skill. Therefore this research shows that the classes applying the WISE program caused the teaching effectiveness by increasing scientific attitude and science achievement, although there is no significant increase in science process skill. This concludes that the classes applying the WISE program were effective in providing the opportunity of inquiry learning. In other words, the WISE program could be one of the effective tools for inquiry learning in elementary school science classes.