초인지 전략을 적용한 수업이 전기 개념의 형성과 변화에 미치는 효과

Abstract

현대의 과학 학습론과 구성주의 심리학에서는 학습을 개념 변화의 과정으로 인식하여 지식이나 개념이 학습자의 마음속에서 구성된다고 본다. 즉, 학습은 학습자가 자신의 선개념과 새로운 경험 사이의 상호작용을 통해 능동적으로 새로운 의미를 구성해가는 것으로, 학습자는 자신의 기존 개념에 따라 학습 내용을 이해하고 재구성하게 된다. 그러나 학습자가 가지고 있는 선개념이 오개념일 경우 새로운 개념을 받아들이기 어려워하며 그에 따라 자연 현상을 올바로 이해하지 못하게 된다. 그러므로 학습자가 올바른 과학자적 개념을 가질 수 있도록 하기 위해서는 먼저 학습자가 지니고 있는 오개념을 파악하여 그에 대한 알맞은 학습 전략과 교수 방법을 적용하는 수업을 설계하는 것이 필요하다. 즉, 학습자의 오개념을 올바른 과학자적 개념으로 변화시키기 위해서는 학습자 스스로가 자신의 인지 구조와 새로운 개념 사이에서 불만족을 느끼는 인지 갈등을 통해 새로운 개념을 비교, 평가함으로써 오개념이 잘못되었음을 인식하고 새로운 개념을 구성하는 개념 변화를 일으키도록 해야 한다. 그러나 실제 교수 학습 상황에서는 교사가 갈등 상황을 제시하더라도 학습자가 이를 갈등으로 인식하지 못하는 경우가 많으며, 갈등을 경험하더라도 오개념이 과학자적 개념으로 바뀌는 것은 쉽지 않다. 따라서 어떤 상황 속에서 갈등을 인식하기 위해서는 자신의 생각과 제시된 정보 자체에 대한 인식뿐만 아니라 상호 간의 관계에 대한 인식도 필요한데, 이와 같이 자신의 인지 과정을 인식하고 학습 과정을 스스로 조정, 통제할 수 있는 능력이 바로 ‘초인지’이다. 과학 내용에는 일상적인 실험이나 경험 또는 직관적인 사고에 의해 쉽게 이해되지 않는 개념들이 많기 때문에 초인지의 중요성이 강조되어 왔으나, 초인지를 과학 수업에 적용한 연구는 그리 많지 않다. 그러므로 본 연구에서는 초인지 전략이 오개념의 과학자적 개념 변화에 긍정적으로 기여한다는 선행 연구 결과들을 바탕으로, 초인지 전략을 적용한 수업이 초등학교 5학년 학습자들의 전기 개념 형성과 변화에 어떠한 효과를 미치는지 검증하고자 다음과 같은 연구 문제를 설정하였다. 1. 초인지 전략을 적용한 수업을 실시한 집단과 전통적 수업을 실시한 집단 간에 수업 후 전기 개념의 형성과 변화에 차이를 나타내는가? 2. 초인지 전략을 적용한 수업을 실시한 집단과 전통적 수업을 실시한 집단 간에 초인지 수준(상, 중, 하)에 따라 전기 개념의 형성과 변화에 차이를 나타내는가? 위와 같은 연구 문제를 검증하기 위해 연구 대상으로 5학년 4개 학급을 선정한 뒤, 집단 간 일원변량 분산분석(ANOVA)과 Scheffe의 동질성 검사(Multiple comparison)를 실시하여 각각 2개 학급씩을 실험 집단(60명)과 비교 집단(63명)으로 배치하였다. 초인지 전략을 적용한 수업의 효과와 초인지 수준에 따른 수업의 효과를 알아보기 위해 두 집단 모두에게 사전 전기 개념 검사와 초인지 검사를 실시한 뒤, 3주일 후 실험 집단에는 초인지 전략을 적용한 수업을, 비교 집단에는 전통적 수업을 각각 6차시에 걸쳐 실시하였으며, 수업 처치를 끝내고 2주일 후 두 집단 모두에게 사후 전기 개념 검사를 실시하였다. 초인지 검사지는 김기화(1991)가 개발한 것을 수정·보완하여 사용하였고, 전기 개념 검사지는 4, 5학년 과학과 교육과정 내용 및 선행 연구 고찰을 토대로 개발하여 사용하였다. 전기 개념의 올바른 형성과 변화에 대한 초인지 전략을 적용한 수업의 효과와 초인지 수준에 따른 수업의 효과를 통계적으로 검증하기 위해, 수업 처치 전과 후에 실시한 전기 개념 검사와 초인지 수준에 따른 검사 결과에 대해 각각 집단 간 t-test를 실시하여 그 차이를 알아보았다. 이상의 연구 절차를 거쳐 초인지 전략을 적용한 수업의 효과를 알아본 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 초인지 전략을 적용한 수업은 전기에 대한 올바른 개념의 형성과 오개념의 과학자적 개념으로의 변화에 효과적이었다. 실험 집단과 비교 집단 모두 수업 처치 전에는 전기에 대해 다양한 오개념을 갖고 있었으나, 수업 처치 후에는 두 집단 모두 긍정적으로 변화하고 향상되었으며, 특히 실험 집단의 변화량이 비교 집단에 비해 매우 유의미하게 나타났다. 비록 전기 영역의 목표 개념에 따라 올바른 개념의 형성과 변화에 집단 간 유의미한 차이를 나타내지 않은 부분도 있었으나, 수업 처치 전과 후 집단 간 개념 형성의 비율과 변화율을 분석해본 결과, 모든 목표 개념에서 실험 집단이 비교 집단에 비해 보다 긍정적으로 변화한 것으로 나타났다. 둘째, 초인지 전략을 적용한 수업은 모든 초인지 수준(상, 중, 하)에서 전기에 대한 올바른 개념의 형성과 변화에 효과적이었다. 수업 처치 전과 후에 초인지 수준별로 전기 개념의 형성과 변화 정도를 알아본 결과, 초인지 수준 상, 중, 하 모두에서 실험 집단의 변화량이 비교 집단에 비해 매우 유의미하게 나타났으며, 초인지 수준이 높을수록 변화량도 다소 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 초인지 전략을 적용한 수업은 학습자들의 전기에 대한 올바른 개념 형성을 형성하고 오개념을 과학자적 개념으로 변화시키는데 효과적이었다. 선천적으로 타고난 일반적인 능력은 학습자 자신이 쉽게 발달시키거나 조절하기 힘들지만, 초인지 지식과 기능은 학습할 수 있는 능력에 영향을 줄뿐만 아니라 연습과 훈련에 의해 향상될 수 있다. 그러므로 학습자가 다양한 학습 과정에서 초인지 전략을 적용할 수 있도록 학습자의 수준과 특성을 고려한 적절한 교수법과 알맞은 학습 프로그램을 개발한다면 학습자의 올바른 개념 형성과 변화에 보다 많은 효과를 기대할 수 있을 것이다.;Modern science learning theory and constructivism psychology consider a learning the process of a concept change, and knowledge and concept are seen as organization in the mind of learners. In other words, learning means actively organizing new concepts as a result of interactions between their preconception and new experiences, and learners understand and reorganize learning contents based on their existing concepts. However, if the learners' preconceptions are misconceptions, it is difficult for them to accept new concepts, and the learners are not able to understand the natural phenomenon correctly. Therefore, in order to let learners have scientifically correct concepts, it is necessary to understand the learners' misconceptions and to develop proper teaching strategies and methods. In other words, in order to change the learners' misconceptions to scientifically correct concepts, learners should realize that they have misconceptions and experience concept changes through cognitive conflicts by comparing and evaluating the existing concepts and new concepts. However, in many actual teaching situations, learners do not recognize the conflicts even though teachers suggest conflict situations. Also, it is not easy for them to change the misconceptions to scientifically correct concepts although they actually experience the conflicts. Therefore, recognition of interactive relationship is necessary as well as that of their own ideas and given information themselves. The ability of the learners to recognize their own concept process, to organize and to control the learning process is called ‘metacognition’. Although the importance of metacognition has been emphasized in science because there are many concepts that are not easily understandable by ordinary experiments, experiences, and intuitive thoughts, there haven't been many researches on science education applying metacognitive strategies. Therefore, based on the results of previous researches which tell us that metacognitive activities positively influence learners' concept change, I established research agenda as below to verify how the teaching with metacognitive strategies influence the 5th grade students in the process of forming and changing the concepts of electricity. 1. Are there any differences in forming and changing the concepts of electricity between the group which received the teaching with metacognitive strategies and the group which received the traditional teaching methods after the classes? 2. Are there any differences in forming and changing the concepts of electricity between the group which received the teaching with the metacognitive strategies and the group which received the traditional teaching method according to different metacognitive levels(high, medium, low)? To get answers to above research questions, I selected 4 classes in 5th grade, and divided them into the 2 classes of experimental group(60 students) and the 2 classes of comparative group(63 students) after applying ANOVA and Scheffe's Multiple comparison between the groups. In order to verify the effectiveness of teaching with metacognitive strategies and the differences according to the levels of metacognition, I taught the experimental group using teaching with metacognitive strategies and taught the comparative group using traditional teaching method three weeks after implementing same test in both groups for prior concepts of electricity and metacognitions. Two weeks after that, I tested the concepts of electricity in the two groups again. I revised and used the test sheet for metacognitive conception Ki-Hwa Kim(1991) developed, and I created my own evaluation sheet for concept of electricity based on the contents of 4th and 5th grades science education program and some existing research papers. I implemented t-test for the evaluation of the concepts of electricity and the evaluation according to metacognitive levels before and after the class between the two groups and observed the differences in order to verify the statistically significant effectiveness of teaching with metacognitive strategies in forming and changing the correct concepts of electricity and statistically significant differences in effectiveness of teaching according to the levels of metacognition. The results of my research on the effectiveness of teaching with metacognitive strategies are as follows. First, the teaching with metacognitive strategies was effective in forming the correct concepts of electricity and in changing misconceptions to the scientifically correct concepts. The learners in both groups had various misconceptions of electricity, but they positively changed and improved after the implementation of the teaching. Especially, the changes in the experimental group were significantly more meaningful than those in the comparative group were. Although there were not many differences in the formation of correct concepts and the changes in concepts of electricity for some objective concepts, the ratios and the amount of changes before and after the implementation of teaching showed that the experimental group had more positive changes than the other group did for all the objective concepts. Second, the teaching with metacogntive strategies was effective in forming the correct concepts of electricity and in changing in all three different levels(high, medium, low) of metacognition. In all metacognitive levels, experimental group showed more meaningful changes than the comparative group did in forming the concepts of electricity and the amount of the change. Also, I observed slightly more amounts changes in the high metacognitive level. In conclusion, the teaching with metacognitive strategies was effective in learners forming the correct concepts of electricity and changing their misconceptions to scientifically concepts. The inherited ordinary abilities are difficult for the learners to develop or control, but metacognitive knowledge and skills influence their learning abilities and can be improved by practice and training. Therefore, if we develop proper training and education programs which fit the learners' levels and characteristics and which activate learners' metacognitive activities in various learning processes, we can expect more positive effects in forming correct concepts and changing to correct concepts.