중학교 2학년 과학 교과서의 내용 인지 요구도 수준 분석

Abstract

This study attempts to analyze the cognitive demands level of contents for the chemistry domain in middle school second-grade science textbooks of the 2007 revised curriculum; and to find out whether contents of the chemistry domain in middle school second-grade science textbooks are properly organized, referring to previous findings on the cognitive development levels of middle school second graders. And it intends to help field teachers plan study strategies for better learning effect, by providing the results of this study,. CAT (Curriculum Analysis Taxonomy) developed by the British CSMS (Concepts in Secondary Mathematics & Science) program was used to analyze thinking ability demanded by textbooks. 6 textbooks, among 10 middle school second-grade textbooks that were used for the 2007 revised curriculum, were analyzed; and concepts common to them were extracted for analysis. The results of this study can be summarized as follows: First, according to Piaget's theory, logical thinking is formed at the formal operational stage, and formal operational thinking commences at 11-12 years of age and reaches the equilibrium state at 15-16 years of age, when individuals can solve problems logically with concrete problem solving ability and formal symbolic reasoning. However, the investigation of precedent studies, which surveyed middle school second graders' cognitive levels from 1988 to 2009, shows 8.7-31.4% distribution for students at the formal operational level, 33.1-56.6% distribution for students in the transition period, and 25.2-53.4% distribution for students at the concrete operational level. That is, the rate of students in the transition period is found to be highest, while the rate of students who reached the formal operational stage is relatively low. In view of the theory, middle school second-graders in South Korea should have reached the formal operational level, and yet the precedent studies show that more than a majority of the students did not reach this level yet. Second, as for the concept of an element, most textbooks described it with the late concrete operational level (2B), while textbooks that explained elements, with the introduction of the concept of an atom, describing in such a way that 'The element is substance consisting of one type of atom, and the atom is a basic unit of matter.' or 'Water is decomposed into hydrogen and oxygen, which are found to consist of atoms incapable of being further decomposition.' were judged to be of the early formal operational level (3A). Third, 'Composition of Matter' which used to be included in the middle school third-grade science in the 7th Curriculum was moved to the middle school second-grade science in the 2007 revised curriculum, where the periodic table is dealt with briefly, and so the element which makes up matter is understood via the periodic table. And the law of gaseous reaction is not dealt with. The contents concerning the periodic table were judged to be of the early formal operational level (3A) in all the 6 textbooks. Since the periodic table requires the recognition that various kinds of elements can be classified, using element symbols, into several groups according to specific criteria, classification ability is needed; and the ability to understand the periodic table through a simple two-dimensional table as well as the fact that the periodic table is a set of several groups is necessary. Thus, the early formal operational level (3A) is demanded. Therefore, when explaining the periodicity of the periodic table, field teachers should find periodicity in real life so that students may learn the concept of the periodic table with ease. Fourth, the concept of an atom was judged to be of the early formal operational level (3A) in all the 6 textbooks, as a result of analyzing the cognitive demand levels of contents demanded by the textbooks. Not only atoms are too minuscule to see with the naked eye, but also it is very difficult to explain their properties directly. Therefore, it is advisable to use an atomic model expressing an atom as an observable object that is easily understood, so that students may understand the concept with ease. While the concept of an atom demands the early formal level (3A), its explanations by means of a atomic model was judged to be of the late concrete operation level (2B); and so it seems that students will have no difficulty in understanding the concept only if they have a clear definition of the one-to-one correspondence model. In other words, effective science education needs the curriculum reorganized with concrete approaches. If the curriculum is reorganized to be appropriate to students' cognitive levels by means of familiar goods examples, concrete models, or audio & visual materials, better learning effect can be expected. Fifth, as for the concept concerning the process of ion formation, the textbooks which added the preconception periodic table to identify easily-ionized elements, and the textbooks giving descriptions in consideration of ion size were judged to demand the formal operational level (3A). Since scientific concepts demanding the formal level thinking seem to difficult to understand, in this unit, teachers should lay emphasis on having students understand naturally the process of ionization while they use a model and move atoms in person. Also, in explaining the process of ion formation, emphasis should be laid on having students think about what a figure or a model means and understand them so that they may have a clear definition. Sixth, as for the concepts of pure substance and a mixture, since the description, "A mixture refers to different substances mixed together without losing their original properties," demands ability to think about the principle of preservation that the original properties of substances making up a mixture are preserved, the concepts were judged to be of the early formal operational level (3A). While studying the difference in properties between pure substance and a mixture, teachers should help students understand with ease the reason why there is the difference in properties between them, explaining the reason by means of molecular models which vary between pure substance and a mixture. And, as for the part of studying the difference in pure substance and a mixture by graphing the difference in boiling points found after heating pure substance and a mixture and measuring changes in their temperature, it demands the concrete operational level (2B) because students should be able to draw graphs and interpret them. Seventh, as for the concept of an ionic compound, most textbooks explained ionic compounds in consideration of ionic size, and so were judged to be of the early formal operational level (3A); and it requires proportional reasoning, reasoning ability on an event, clear definition of a model, and so on to study this concept. Since many textbooks demand the early formal operational level (3A) as to the ionic compounds in consideration of the size of ion, field teachers should make efforts to make students have a clear definition in understanding a model so that they may understand them with ease. Eighth, as for the concept of a covalent compound, having students understand with ease the spatial arrangement of molecules and atoms through making in person compounds, which are formed by the sharing of electrons, by means of molecular models, most textbooks demand the early formal operational level (3A). The contents learned here form the foundation of studying the 'Regularities of Chemical Reaction' in the middle school first-grade curriculum; and so it may be said that the concept play a crucial role because insufficient understanding of this unit leads to difficulty in learning subsequent units. Therefore, in case there are contents in textbooks described above students' cognitive levels, teachers need to reorganize their teaching plans in consideration of their students' cognitive levels so that the contents may be suited to their students' levels.;본 연구는 2007년 개정 교육과정의 중학교 2학년 과학 교과서 중 화학 영역에 관한 내용 인지 요구도 수준을 분석하고, 이미 연구되어진 중학교 2학년 만14세 학생들의 인지 발달 수준 결과를 참고하여 중학교 2학년 과학 교과서 화학 영역의 내용이 적절하게 편성되었는지 알아보고자 한다. 그리고 본 연구 결과를 통해 현장 교사들이 보다 나은 학습 효과를 위하여 학습 전략을 구상하는데 도움이 되고자 한다. 교과서가 요구하는 사고력 수준은 영국 CSMS(Concepts in Secondary Mathematics & Science) Program에 의해 개발된 CAT(Curriculum Analysis Taxonomy)를 이용하여 분석하였다. 현재 2007년 개정 교육과정에서 사용하고 있는 중학교 2학년 과학교과서 10종에서 6종 교과서를 분석하여 공통된 개념을 추출하여 분석하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, Piaget의 이론에 의하면 논리적 사고는 형식적 조작 단계에서 형성되고, 형식적 조작 사고는 11~12세에 시작해서 15~16세에는 평형 상태에 도달하여 구체적인 문제해결력 뿐만 아니라 형식적인 상징적 추론이 가능하여 논리적으로 문제를 해결할 수 있다. 그러나 1988년도부터 2009년도까지 만14세에 해당하는 우리나라 중학교 2학년 학생을 대상으로 인지 수준을 조사한 선행 연구들을 살펴보면, 형식적 조작 수준의 학생은 8.7%~31.4%의 분포를 보이고 있고, 과도기 수준의 학생은 33.1%~56.6%, 그리고 구체적 조작 수준의 학생은 25.2%~53.4%의 분포를 나타내고 있다. 즉, 과도기에 있는 학생 비율이 가장 높고 형식적 조작기에 도달한 학생 비율은 상대적으로 적음을 알 수 있다. 이 이론에 비추어볼 때, 우리나라 중학교 2학년 학생들은 형식적 조작 수준에 도달하여야 한다. 하지만, 선행연구를 통해서 알아본 결과, 과반 수 이상의 학생이 아직 이 수준에 도달하지 못함을 알 수 있다. 그러므로 12세가 넘으면 형식적 사고를 할 수 있을 것이라고 가정하여 수업을 하면 학생들이 어려움을 느낄 것이다. 둘째, 원소에 대한 개념에서는 대부분의 교과서가 후기 구체적 조작 수준(2B)으로 서술되어 있었고, ‘원소는 한 가지 종류의 원자로 이루어진 물질이며 원자는 물질을 구성하는 기본단위 입자이다.’,‘물은 수소와 산소로 분해되고 수소와 산소는 더 이상 분해되지 않는 원소로 구성됨을 알 수 있다.’등의 서술로 원소를 설명할 때 원자의 개념을 도입해서 함께 서술되어진 교과서는 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 셋째, 제 7차 교육과정에서 중학교 3학년 과학에 포함되어 있는 ‘물질의 구성’을 현행 2007년 개정 교육과정에서는 중학교 2학년으로 이동하여 여기에서 주기율표를 간략하게 다루어, 물질을 구성하는 원소를 주기율표를 통하여 이해하게 된다. 그리고 기체반응의 법칙에 대해서는 다루지 않는다. 주기율표에 대한 내용은 6종 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 주기율표는 다양한 종류의 원소들을 원소 기호를 이용하여 특정 기준에 따라 몇 가지 그룹으로 분류될 수 있음을 인식해야하기 때문에 분류를 할 수 있어야 하고, 주기율표가 여러 족들의 집함임과 동시에 간단한 이원 분류표로 이해할 수 있어야 한다. 그렇기 때문에 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구한다. 그러므로 현장 교사들은 주기율표의 주기성에 대해 설명할 때 실생활에서 주기성을 찾음으로써 학생들이 주기율표의 개념을 쉽게 학습 할 수 있도록 해야 한다. 넷째, 원자의 개념은 교과서 내용이 요구하는 내용 인지 수준을 분석한 결과 6종 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 원자는 너무 작아서 눈으로 볼 수 없을 뿐만 아니라 직접적으로 원자의 성질을 설명하기는 매우 어렵다. 이 때문에 원자를 설명하기 위하여 직접 볼 수 있고 생각하기 쉬운 대상으로 바꾸어 만든 원자 모형을 사용하여 학생들이 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 한다. 원자의 개념은 초기 형식적 수준(3A)을 요구하지만 원자 모형을 사용하여 설명한 부분은 후기 구체적 조작 수준(2B)으로 판정되었으므로 학생들이 1:1 대응 모델에 대한 정확한 정의만 갖는다면 개념을 이해하는데 어려움이 없을 것으로 보인다. 다시 말하자면, 효율적인 과학 교육을 위해서는 구체적인 접근 방식을 통한 교과 내용의 재구성이 필요하다. 적절하고 친숙한 예를 들어주거나 구체적 모델이나 시청각 자료를 통해 학습자의 인지 수준에 맞도록 교과 내용을 재구성한다면 보다 높은 학습 효과를 기대할 수 있을 것이다. 다섯째, 이온의 형성 과정에 관한 개념은 앞의 선 개념 주기율표를 도입하여 음이온과 양이온이 형성되기 쉬운 원소를 확인하는 내용이 추가하여 서술되어진 교과서와 이온의 크기를 고려하여 서술되어진 교과서는 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 것으로 판정되었다. 형식적 수준의 사고를 요구하는 내용의 과학개념은 이해하는데 어려움이 있을 것으로 보이므로, 교사는 이 단원에서 모형을 사용하여 학생들이 직접 전자를 이동시키면서 음이온과 양이온이 되는 과정을 자연스럽게 이해시키는데 중점을 두어야 한다. 또한, 이온의 형성 과정을 설명할 때 그림이나 모형이 의미하는 것이 무엇인지 생각해 보도록 하며 정확한 정의를 갖도록 이해시키는데 중점을 두어야 한다. 여섯째, 순물질과 혼합물의 개념에서는 ‘본래의 성질을 잃지 않고 섞여 있는 것을 혼합물이라 한다.’라고 서술되어진 부분은 혼합물은 본래의 성질을 잃지 않고 보존된다는 보존 원리의 사고력을 요구하므로 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 교사는 순물질과 혼합물의 성질이 차이가 있음을 학습할 때 성질이 차이가 나는 이유를 분자 모형을 도입하여 순물질과 혼합물일 때 분자 모형이 달라지는 관점에서 설명하여 학생들의 이해를 쉽게 할 수 있도록 해야 한다. 그리고 순물질과 혼합물을 가열할 때의 온도변화를 측정하여 끓는점 차이를 그래프를 그려봄으로써 순물질과 혼합물의 차이를 학습하는 부분은 그래프를 그려보고 해석할 수 있어야 하므로 후기 구체적 조작 수준(2B)을 요구한다. 일곱째, 이온결합 화합물에 대한 개념을 살펴보면, 대부분의 교과서에서 이온의 크기를 고려하여 이온결합 화합물에 대해 설명되어져 있으므로 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었고 이 개념을 학습하기 위해서는 비례 논리, 사건에 대한 추론 능력, 모형에 대한 정확한 정의 등을 필요로 한다. 이온결합 화합물에 대해서는 이온의 크기를 고려하여 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 교과서가 많이 있으므로 현장 교사는 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 모형에 대한 이해에 있어서 학생들이 정확한 정의를 가질 수 있도록 노력해야 할 것이다. 여덟째, 공유결합 화합물에 관한 개념은 학생들이 분자 모형을 사용하여 전자의 공유를 통해 형성되는 화합물을 직접 만들어 봄으로써 분자와 원자의 공간 배열을 쉽게 이해할 수 있도록 하며, 대부분의 교과서에서는 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구한다. 여기서 배운 내용은 고등학교 1학년 ‘화학 반응에서의 규칙성’에서의 학습에 기초가 된다. 그렇기 때문에 학습자가 이 단원에 대한 이해가 제대로 이루어지지 않으면 후에 배우게 되는 단원에서도 어려움을 겪게 되므로 이 개념이 더욱 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 따라서 교사는 교과서 내용 중 학생들의 인지 수준 보다 어렵게 서술된 내용이 있으면 가르치려는 학생들의 인지수준을 고려하여 학생들의 수준에 맞게 수업 방안을 재구성할 필요가 있다. 선행연구를 조사한 결과, 제7차 교육과정에 의한 중학교 3학년 화학 영역을 대상으로 교과서 내용의 인지 요구도 수준을 분석한 연구가 없었으므로 제6차 교과서를 분석한 결과와 본 연구에서 분석한 결과를 비교하였다. 제6차 교과서와 본 연구와 비교해서 살펴본 결과는 다음과 같다. 첫째, 원소에 대한 개념은 제6차 교과서, 2007년 개정 교과서 모두 대체적으로 후기 구체적 조작 수준(2B)으로 판정된 것으로 비슷한 수준으로 나타난다. 이는 학생들의 이해에 무리가 없을 것으로 보인다. 둘째, 분자에 대한 개념을 서술한 제6차 교과서는 이온 결정과 금속 결정을 설명하고 올레산 분자 크기 측정 실험에 대한 내용을 교과서 본문에서 비중 있게 다루므로 후기 형식적 조작 수준(3B)으로 판정된 내용도 있고, 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 내용도 있었다. 제6차 교육과정에서의 분자의 개념은 높은 수준을 요구하고 있다. 학생들의 인지 수준과 교과서 내용의 인지 요구도를 비교해 볼 때 많은 학생들에게 어려운 내용이었을 것으로 보인다. 2007년 개정 교과서에서는 1종을 제외한 5종의 교과서가 분자의 모형을 사용하여 공간의 배열에 대해 설명하여 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 것으로 판정되었다. 셋째, 이온의 형성과정에 대한 개념은 제6차 교과서에서 모든 판정이 초기 형식적 조작 수준(3A)이었으나 2007년 개정 교과서에는 주기율표와 이온의 크기를 고려하여 설명한 교과서에서는 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하며 주기율표와 이온의 크기를 배제한 다른 교과서에서는 후기 구체적 수준(2B)으로 서술되어있다.