WISE(Web-based Inquiry Science Environment) 활용 수업에서 자기주도학습 능력, 인지실재감, 과학탐구능력, 과학학업성취도의 구조적 관계 규명

Abstract

Over the last two decades science education has become increasingly important. Therefore, a lot of efforts have been made to improve science education. Literature reviews showed that inquiry-based learning which is a way to improve science education has been used for improving scientific knowledge as well as for building learners' scientific knowledge. WISE, which was developed by the UC Berkeley is an online self regulated inquiry-based science learning environment that has been widely used around the word in science education. Therefore, in order to adopt WISE effectively into science education, proper evaluation model/framework should be conducted to find the factors that have impact on learning outcomes using WISE. In addition, in the web-based inquiry learning environment, normally a teacher does not observe the learning process directly so in order to know whether meaningful learning happens or does not during the learning process, we need to look into the cognitive presence. The purpose of this study is to examine the structural relationship among teaching self-directed learning, cognitive presence, science process skill and science learning achievement when Web-based Inquiry Science Environment (WISE) was used to teach science in an elementary school. Research questions are as follows: 1. What is the structural relationship among self-directed learning, cognitive presence and science process skills and learning achievement using WISE? 2. Is there a direct/indirect effect among the self-directed learning, cognitive presence and science process skill and learning achievement using WISE? In order to conduct this study, first, we consulted a professor in UC Berkeley regarding how to adopt WISE into elementary schools. Then we customized and revised it accordingly to the existing contents to meet the requirements of elementary school students in South Korea. All the contents were then approved by the elementary school science teachers. In order to investigate the prediction variables on learning outcomes using WISE for elementary science classes, 138 sixth-grade students from South Korea participated in this study for a period of 8 weeks in the spring semester of 2011. However, out of 138, a total of 108 surveys were used in this study after data screening. The major findings of this study are as follows. First, our findings showed that there were significant structural relationships among self-directed learning, cognitive presence, science process skill and science learning achievement. Second, self-directed learning had a direct effect on the cognitive presence but did not directly effect the learning outcomes. Cognitive presence had a direct effect on science process skill and science learning achievement. Moreover, science process skill had a direct effect on science learning achievement. Finally, self-directed learning had an indirect effect on science process skill with the mediation of cognitive presence. Also cognitive presence had an indirect effect on science learning achievement with the mediation of science process skills. Based on the results of this study, further research is suggested as follows. First this study had been conducted with cooperative learning of two students, so in the future study we need to experiment social presence with other variables. Second, instead of cognitive presence as the mediation variable, further research could also use other factors such as self efficacy or flow to predict the learning outcome.;과학이 날로 중요해지면서 지난 몇 십년동안 과학교육 개선을 위한 많은 노력이 있어왔다. 이에 대한 하나의 방안으로 과학학습 성과 향상뿐만 아니라 학습자들이 과학지식을 스스로 구축해나갈 수 있도록 탐구기반 학습에 대한 연구가 제시되고 있다. WISE(Web-based Inquiry Science Environment)는 UC Berkeley(University of California Berkeley)에서 제작한 대표적 웹 기반 탐구학습 프로그램으로, WISE를 활용한 탐구학습을 성공적으로 이끌기 위해서는 웹에서 제공하는 다양한 정보들을 평가하고 능동적으로 학습을 계획하고 조정하는 자기주도학습 능력을 갖춘 학습자가 요구된다. 또한 웹 기반 탐구학습 과정은 교사가 직접 관찰하기 어렵기 때문에 학습이 진행되는 동안 유의미한 인지 과정이 일어나는지 학습자의 인지실재감을 살펴보는 것이 필요하다. 본 연구는 WISE를 활용한 수업에서 초등학생의 과학탐구능력과 과학학업성취도를 학습성과로 총칭하고 이에 영향을 미치는 요인으로 자기주도학습 능력과 인지실재감을 상정하여 세 변인 간의 구조적 관계를 실증적으로 규명하는데 목적이 있다. 이와 같은 연구목적 달성을 위한 세부적인 연구문제는 다음과 같다. 연구문제 1. WISE 활용 수업에서 자기주도학습 능력, 인지실재감, 과학탐구능력, 과학학업성취도의 구조적모형은 존재하는가? 연구문제 2. WISE 활용 수업에서 자기주도학습 능력, 인지실재감, 과학탐구능력, 과학학업성취도 간에는 직∙간접효과가 존재하는가? 위와 같은 연구문제를 수행하기 위해 먼저, UC Berkeley의 WISE 연구교수의 자문을 받아 한국 초등학생 수준에 맞도록 기존에 있는 지진 프로젝트 내용을 번안 및 재구조화하였고, 초등학교 과학 교사에게 그 내용을 검증 받았다. 검증된 WISE 프로그램을 활용하여 서울의 D초등학교에서 5개 학급 138명의 학생을 대상으로 총 8주 동안 실험이 진행되었고, 설문조사를 통해 얻은 138개 중에 108개의 데이터를 분석대상으로 활용하였다. 본 연구의 가설을 검증하기 위하여 수집된 자료에 대해서는 다음과 같은 결과분석을 수행하였다. 첫째, 연구문제 1에서 설정하고 있는 각 변인간의 구조적 관계는 구조방정식으로 분석하였으며, 모형의 적합도 검증을 위해서는 최대우도측정(Maximum Likelihood Estimation) 절차가 활용되었으며, 모델적합도는 χ2검증과 TLI(NNFI), CFI, RMSEA 지수가 활용되었다. 둘째, 연구문제 2에서 각 변인 간의 직․간접효과가 존재하는지 살펴보기 위해 모형의 변수 간 경로계수를 통해 변수들 간의 영향력을 검증하였으며, Sobel(1982)의 검증을 이용하여 각 변인 간의 간접효과가 유의한지 검증하였다. 이상의 과정을 통해 얻은 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 연구문제 1에서 자기주도학습 능력, 인지실재감, 학습성과(과학탐구능력, 과학학업성취도) 간의 구조적 관계를 살펴본 결과 가정된 연구모형의 인과관계가 성립하는 것으로 확인되었다. 둘째, 연구문제 2에서는 각 변인 간의 직∙간접효과가 존재하는지 살펴본 결과 자기주도학습 능력이 인지실재감에 미치는 영향은 통계적으로 유의하게 나타났으나, 자기주도학습 능력이 과학탐구능력과 과학학업성취도에 미치는 영향은 유의하지 않았다. 인지실재감이 과학탐구능력과 과학학업성취도에 미치는 영향은 통계적으로 유의하게 나타났으며, 과학탐구능력이 학업성취도에 미치는 영향 또한 통계적으로 유의하게 나타났다. 간접효과를 살펴본 결과 자기주도학습 능력은 인지실재감을 통하여 과학탐구능력에 간접적으로 영향을 주는 것으로 나타났으며, 인지실재감은 과학탐구능력과 과학학업성취도에 직접적인 영향뿐 만 아니라, 과학탐구능력을 통하여 과학학업성취도에 간접적으로 영향을 주는 것으로 나타났다. 연구를 통해 얻어진 연구 결과에 대해 얻은 시사점과 향후 연구의 제한점은 다음과 같다. 먼저 자기주도학습 능력이 인지실재감을 유의하게 예측한 결과는 웹 기반 탐구학습에서 자기주도학습 능력을 촉진하는 것이 학습자가 인식하는 인지적 학습과정을 높일 수 있는 중요한 요소가 된다는 것을 확인할 수 있다. 자기주도학습 능력이 인지실재감을 통해 과학탐구능력에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타난 결과는 높은 자기주도학습 능력을 가진 학습자는 웹에서 학습이 진행되는 동안 학습내용에 대한 이해와 정보수집과 같은 지적인 인식을 촉진하고, 이러한 촉진의 결과가 결국 학습자들이 학습성과인 과학탐구능력을 향상시키는데 도움을 준다고 해석할 수 있다. 둘째, 인지실재감이 학업성취도에 직접적인 영향을 미친 결과는 여러 선행연구를 통해 지지되어 온 결과이지만, 인지실재감이 과학탐구능력에 미치는 영향은 선행연구에서는 거의 찾을 수가 없었기 때문에 유의한 영향관계가 나온 본 연구가 시사하는 바가 크다고 할 수 있다. 또한 과학탐구능력이 학업성취도에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 인지실재감은 학업성취도에 직접적인 영향뿐 만 아니라 간접적으로도 영향을 미치는 것으로 나타나 인지실재감이 영향을 미치는 다양한 학습성과 변인을 검증했다는데 의의가 있다고 볼 수 있다. 이상의 연구결과를 바탕으로 다음과 같은 후속연구를 제언하였다. 첫째, 본 연구는 과정변인으로써 실재감 중 인지실재감을 중심으로 살펴보았으나, 학습설계나 학습의 특성을 고려하여 후속 연구에서는 사회실재감이나 감성실재감을 살펴볼 필요가 있다. 둘째, 본 연구에서는 인지실재감을 매개로 자기주도학습 능력이 과학탐구능력에 유의한 영향을 미치는 결과로 나타났다. 향후 연구에서는 과정변인으로 몰입이나, 자기효능감 등을 과정변인으로 상정하여 이와 같은 매개변인이 자기주도학습 능력이 과학 학습성과에 영향을 미칠 때 어떤 간접효과를 가져오는지 살펴볼 필요가 있을 것이다. 이러한 연구들을 통하여 웹 기반 과학탐구 학습에서 학습자들의 과학탐구능력과 과학학업성취도를 촉진할 수 있는 전략 수립에 기여할 수 있을 것이다.