과학과 수업에 적용한 MBL실험 방식의 효과 연구

Abstract

I. 서론 과학 교육은 단순한 정보만의 습득보다는, 탐구 과정 속에서 원리와 개념을 학습함과 동시에, 지적 과정 기술인 문제 해결력을 향상시키도록 새로운 방법을 모색해야 한다. 첨단 공학과 교수 학습 이론의 발전으로, 교육현장에 새로운 방법의 도입이 시도되고 있다. 그 하나의 수업 방식으로는 MBL(Microcomputer-Based Laboratory) 실험방식이 사용되고 있는데, 이는실험 장치 및 변환기(Transducer), 마이크로 컴퓨터를 연결해 학습자가 직접실험을 수행함과 동시에, 수집된 데이터를 그래프나 도표 등의 시각적 형태로 보고, 결과를 분석하는 새로운 실험 방식으로 과학 수업 발전에 잠재적 가능성을 기약하고 있다. 본 연구의 주요 목적은 중학교 과학 실험실 수업에 적용한 MBL 실험 방식이 전통적 실험 방식에 비해 어떠한 학습 효과가 있는지에 대하여 실험수업을 실시하고, 이를 검증하는 데 있다. 부수적으로 추론 유형과 학습자 개인 변인이 학업 성취에 미치는 영향에 대하여 실험, 검증하고자 하였다. II. 연구 문제 및 가설 A. 연구문제 1. MBL 실험 방식을 적용한 집단과 전통적인 실험실에서의 실험 방식을 적용한 집단의 학업 성취도(이해 및 적용 항목)간에는 유의한 차이가 있는가? 2. 실험 전에 실험 결과를 예측하고 관찰, 기록, 결론을 내린 집단과 예측없이 관찰, 기록, 결론을 내린 집단의 학업 성취도(이해 및 적용 항목)간에는 유의한 차이가 있는가? 3. 실험 방식(MBL 실험 방식/ 전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/비예측)은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 있어 상호 작용 효과가 있겠는가? 4. 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 어떤 영향을 주는가? 5. 실험 방식(MBL 실험 방식/ 전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/ 비예측)이란 처치 변인과, 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인을 복합적으로 고려할 때 이들 변인은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 어떤 영향을 주는가? B. 가설 1. MBL 실험 방식을 적용한 집단이 전통적인 실험실에서의 실험 방식을 적용한 집단보다 높은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)를 나타낼 것이다. 2. 실험 전에 실험 결과를 예측하고 관찰, 기록, 결론을 내린 집단이 예측없이 관찰, 기록, 결론을 내린 집단보다 높은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)를 나타낼 것이다. 3. 실험방식(MBL 실험 방식/ 전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/ 비예측)은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 있어 상호 작용 효과가 있을 것이다. 4. 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 영향을 미칠 것이다. 5. 실험 방식(MBL 실험 방식/ 전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/비예측)이란 처치 변인과 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인을 복합적으로 고려할 때, 이들 변인은 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 영향을 미칠 것이다. III. 연구의 방법 및 절차 A. 실험 대상 본 연구는 서울에 소재한 U중학교 1학년 학생 106명을 대상으로 하여, 네 종류의 처치 집단(A:MBL/예측, B:MBL/비예측, C:전통/예측, D:전통/비예측)을 만들었다. B. 실험 도구 1. 실험 자료 중학교 1학년 과학 과목 중 ‘대기와 물의 순환’이란 대단원 중, 소단원 ‘1. 열과 태양 에너지’ 및 ‘2. 대기와 해수의 운동’을 실험 자료로 하였다. 2. 실험기구 가. MBL 실험 방식을 적용한 집단 ? 비이커, 수조, 알코올 램프 등 전통적으로 과학 실험실에서 사용하는 실험 기구 및 장치에 온도 감지기, Interface 같은 자동 계측 장치와 마이크로 컴퓨터를 연결하여 실험 데이터를 관찰할 수 있도록 설치하였는데, 컴퓨터 화면 제시 부분은 단원내 실험에 적합하게 소프트웨어 프로그램을 작성해 사용하였다. 나. 전통적인 실험 방식을 적용한 집단 ? 마이크로 컴퓨터와 Interface, 감지기 등의 자동 게측 장치 대신, 수동식 계측 장치인 알코올 온도계, 초시계를 사용하였고, 그외의 전통적 과학 실험 기구 및 장치는 MBL실험 방식을 적용한 집단과 동일한 것을 사용하였다. C. 측정도구 1. 사전 검사지 본 실험에 앞서, 각 집단의 출발점 행동에서 집단의 동질성을 검증하기 위해, 사전 검사지를 사용하였다(부록 II 참조) 2. 태도 조사 도구(선호도 및 탐구도 조사 질문지) 과학 과목에 대한 학습자의 선호도와 실험 활동에 대한 탐구적 태도를 조사하기 위해, 본 연구자가 기존의 태도 검사지를 수정, 보완하여 사용하였다(부록 III 참조) 3. 사후 검사지 실험 수업에서 다룬 학습 내용에 대한 지식을 평가하는 사후 학업 성취도 검사지는 사전 검사지와 동일한 것을 사용하였다(부록 II 참조) 4. 인지 양식 검사지 학생들의 장독립적-장의존적 인지 양식을 측정하기 위해, 숨은 그림 찾기 검사지(HFT: Hidden Figure Test)를 사용하였다(부록 IV 참조) 5. 추론 능력(Reason Skill)검사지 학생의 일반적인 추론 능력을 측정하기 위해, Raven(1962)의 Advanced Progreesive Matrices(set II)를 사용하였다(부록V 참조). 6. 지능 검사지 학생들의 지능을 측정하기 위해, 코리안 테스팅 센터에서 개발한 일반 지능 검사지를 사용하였다(부록 VI참조). 7. 의견 조사지 사후 검사 실시 후, MBL 실험 방식을 적용한 집단을 대상으로 MBL실험 방식에 관한 의견을 조사하기 위해, 본 연구자가 의견 조사지를 작성해 사용하였다(부록 VII참조). D. 실험 방법 및 절차 본 실험의 절차 및 방법은 다음과 같다. ================================================================================ 절 차 ㅣ 방 법 -------------------------------------------------------------------------------- 1. 대상 선정 ㅣ 배치 고사에 의해 동질성이 인정된 두 학급을 다시 실험 ㅣ 방식과 추론 유형을 조합해 네 종류의 처치 집단으로 만듦 ㅣ -------------------------------------------------------------------------------- 2. 사전 검사 ㅣ 교사의 지시에 따라 30분간 실기 -------------------------------------------------------------------------------- 3. 태도 검사 ㅣ 사전 검사 실시 1일 후, 20분간 실기 -------------------------------------------------------------------------------- 4. 본 실험 수업 ㅣ A: 1개월간 총 6 실험을 MBL/예측 방식으로 수행 ㅣ B: 1개월간 총 6 실험을 MBL/비예측 방식으로 수행 ㅣ C: 1개월간 총 6 실험을 전통/예측 방식으로 수행 ㅣ D: 1개월간 총 6 실험을 전통/비예측 방식으로 수행 -------------------------------------------------------------------------------- 5. 의견 조사 ㅣ 여섯번째 실험 수행 1일 후, MBL 실험 방식을 사용한 ㅣ 집단을 대상으로 20분간 실시 -------------------------------------------------------------------------------- 6. 사후 검사 ㅣ 의견 조사 실시 4일 후, 30분간 실시 -------------------------------------------------------------------------------- 7. 인지 양식 검사 ㅣ 사후 검사 실시 2일 후, 20분간 실시 -------------------------------------------------------------------------------- 8. 추론 능력 검사 ㅣ 인지 양식 검사 실시 1주일 후, 40분간 실시 -------------------------------------------------------------------------------- 9. 지능 검사 ㅣ 추론 능력 검사 실시 3일 후, 45분간 실시 ================================================================================ 이중 본 실험 수업은 3월 둘째 주부터 4월 첫째 주까지 1개월간 각 집단 모두 동일 교사에 의해 진행되었다. 각 처치 집단은 네 처치 방법을 사용해 총 여섯 실험을 과학 실험실에서 수행했으며, 실험 외의 나머지 단원 부분은 각 집단 모두 일반 교실에서 교과서 중심의 강의식으로 진행하였다. E. 자료 처리 본 연구의 통게 처리를 위하여 SAS(Statistical Analysis System) Package를 이용하였다. 1. 수집된 자료는 각 변인별, 집단별 평균치와 표준 편차를 산출하였다. 2. 실험 대상 집단 간의 동질성 검증을 위하여, 배치 고사와 사전 검사(이해 및 적용 항목)의 점수를 각각 일원 분산 분석법(One Way ANOVA)으로 처리하였다. 3. MBL 실험 방식을 적용한 집단과 전통적인 실험실에서의 실험 방식을 적용한 집단의 학업 성취도(이해 항목 및 적용 항목)간의 차와 각 변인간의 상호 작용 효과는 이원 분산 분석법(Two Way ANOVA)으로 검증하였다. 분산 분석 결과 사후 검사의 적용 항목에서 각 변인별로 유의한 차가 나타나, Post hoc test(평균치의 사후 비교 검증)의 하나인 Scheffe의 검증을 시행하였다(연구 문제 및 가설 1, 2, 3). 4. 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인이 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 미치는 영향이 어느 정도인지 알아보기 위하여 단계별 중다회귀 분석법(Stepwise Multiple Regression Analysis)을 시행하였다(연구문제 및 가설4). 5. 실험 방식(MBL 실험 방식/전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/비예측)이란 처치 변인과 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인을 복합적으로 고려할 때, 이들 변인이 학업 성취도(이해 및 적용 항목)에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위하여 이원 공분산 분석법(Two Way ANCOVA)을 시행하였다(연구문제 및 가설5). 6. MBL 실험 방식을 적용한 집단에게 실시한 의견조사는 백분율로 처리하였다. 7. 이상과 같은 모든 검증에 있어서 통계치의 차에 대한 최저 유의 수준은 5% 수준에서 이루어졌다. III. 결과 1. 사후 검사의 이해 항목에 있어서 MBL 실험 방식을 적용한 집단과 전통적인 실험실에서의 실험방식을 적용한 집단의 학업 성취도 간에는 5%수준에서 통계적으로 유의한 차가 나타나지 않아, MBL실험 방식과 전통적 실험 방식은 이해 항목의 학업 성취도에 있어 차이가 없음이 밝혀졌다(F=1.59). MBL 실험 방식을 적용한 집단과 전통적인 실험실에서의 실험 방식을 적용한 집단의 적용 항목에 있어서의 학업 성취도 간에는 5% 수준에서 통계적으로 유의한 차가 나타나, MBL 실험 방식이 전통적 실험 방식보다 적용항목의 학업 성취도 면에서 효과적인 것으로 밝혀졌다(F=5.66, p< .05). 2. 사후 검사의 이해 항목에 있어서, 실험 전 예측을 한 집단과 실험 전 예측을 하지 않은 집단의 학업 성취도 간에는 5% 수준에서 통계적으로 유의한 차가 나타나지 않아, 실험 전 예측 여부가 이해 항목 학업 성취도에 있어 영향을 주지 않음이 밝혀졌다(F= .96). 실험 전 예측을 한 집단과 실험전 예측을 하지 않은 집단의 적용 항목에 있어서의 학업 성취도 간에는 5% 수준에서 통계적으로 유의한 차가 나타나, 실험 전 예측을 하지 않는 것이 예측을 하는 것보다 적용 항목의 학업 성취도면에서 효과적인 것으로 밝혀졌다.(F=5.22, p< .05). 3. 사후 검사의 학업 성취도에 있어서, 실험 방식(MBL 실험 방식/ 전통적 실험 방식)과 추론 유형(예측/ 비예측)이라는 두 처치 변인 간에는 이해 항목에서는 F= .36으로, 적용 항목에서는 F= .36으로 적용 항목에서는 F= .00으로 5% 수준에서 통계적으로 유의한 상호 작용 효과가 나타나지 않았다. 4. 성적, 과학 과목에 대한 선호도, 실험 활동에 대한 탐구적 태도, 인지 양식, 추론 능력, 지능 같은 학습자 개인 변인 중, 사후 검사의 이해 항목에선 성적은 39%(F=65.745), 성적과 지능을 합해선 45%(F=41.876)의 설명력이 있었으며, 적용 항목에선 성적은 33%(F=51.832), 성적과 추론 능력을 합해선 37%(F=29.666)의 설명력이 있었다. 5. 두 처치 변인과 여섯 학습자 개인 변인을 복합적으로 고려해, 학습자 개인 변인의 효과를 제거했을 경우, 처치 변인중 사후 검사의 이해 항목에서는 실험 방식이, 적용 항목에서는 실험 방식과 추론 유형이 학업 성취도에 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다. 한편, 학습자 개인 변인중 이해항목에서는 지능과 성적이, 적용 항목에서는 성적이 학업 성취도에 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 MBL실험 방식은 모든 관련된 변인을 고려했을 때, 이해 및 적용 항목의 학업 성취도에 있어서 모두 효과가 있었음이 밝혀졌다. 또, 학습자의 지적 능력은 태도 같은 정의적 요인보다 학업 성취도에 있어서 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다. 이는 다른 위의 결과보다 모든 관련된 변인을 고려한 것이기 때문에, 보다 신뢰성이 있다고 할 수 있다. 6. MBL 실험 방식을 적용한 수업에 대한 학생의 의견은 긍정적이고, 호의적인 것으로 나타났다. 그러나 최적의 시간 활용과 수업 분위기 조성 및 MBL 실험 방식을 효과적으로 교과 과정에 도입, 적용하기 위해서는 새로운 교수-학습 시스템에 필요한 체제적 접근 방식에 의한 새로운 교수 설계와 지도 방식이 필요하다는 것을 시사하였다.

; Microcomputer-Based Laboratory, the new educational use of micro-computers for data acquisition, display, and analysis, represents a promising development in science laboratory instruction. The purpose of this experimental study was to compare the effectiveness of Microcomputer-based Laboratory with the traditional laboratory instruction. The questions in this study were as follows: 1) Is there any difference in the student achievement (on comprehension and application items) depending on experimental mode variable (MBL/ traditional)? 2) Is there any difference in the student achievement (on comprehension and application items) depending on reasoning mode variable (prediction before experiment/non-prediction)? 3) Is there any interaction effect between experimental mode variable and reasoning mode variable on the student achievements (on comprehension and application items)? 4) What extent will the individual difference factors (student academic grades, attitude toward science, inquisitive attitude, cognitive style, reasoning skill, intelligence) affect the student achievements (on comprehension and application items)? 5) Considering the treatment variables (experimental mode, reasoning mode) and individual difference factors at the same time, what extent will these factors affect the student achievements (on comprehension and application items)? Method Subjects ? 106 students of 7th grade at U. middle school in Seoul were participated. Test to assess academic achievement at the elementary school and pretest were administered just prior to the start of the study. Based on the scores on these measures, 106 students were assigned to 4 treatment groups (A: MBL/Prediction(26), B: MBL/Non-Prediction(26)). Once these group assignments were made, all students of 4 groups completed one month experiment (6 one-hour laboratory exercises with the same regular classroom lectures) according to the curriculum by the same teacher. MBL group students completed laboratory exercises using computers interfaced with probes for collecting, displaying and grading data. Traditional group students completed same laboratory exercises using stopwatches, thermometers and data tables to collect, record and graph data. Prediction group students predicted the result ad draw the graph roughly before experiment and compare the result with formerly predicted. But non-prediction group students observed the physical phenomena only and draw the conclusion without prediction. A Questionnaire was administered to assess the attitude toward science (likeness of science and inquisitive attitude), Hidden Figure tests to assess the cognitive style in terms of field-dependence and field-independence, Raven’s Advanced progressive matrices to assess the students general reasoning ability, and IQ Test was administered. An opinionnaire was administered to MBL group students at the end of the experiment. All groups were given the post test after the one month experiment. The data were analyzed in terms of two way ANOVA, Stepwise multiple gression and two way ANCOVA. Findings are as follows: 1) Based on a p<0.05 (F=5.66), it seems that Microcomputer-based Laboratory Exercises result in higher student achievements on the application items, but not on the comprehension items(F=1.59). 2) Based on a p<0.05 (F=5.22), it seems that Non-Prediction before experiment results in educationally significant achievements on the application items, but not on the comprehension items(F= .96). 3) Based on a p<0.05 (F= .36 on comprehension item, F= .00 on application item), no two-way interaction effect between Experimental mode (MBL/ traditional) and Reasoning mode (prediction/ non-prediction) on both application and comprehension items was found. 4) Academic grades and intelligence were best predictors for student achievements on comprehension items and academic grades and reasoning skills were best predictors for student achievements on application items. Cognitive style and affective factor like attitude toward science(likeness, inquisitive attitude) were not the important predictors for achievement. 5) Considering the treatment variables (experimental mode, reasoning mode) and individual difference factors at the same time, MBL treatment, intelligence, academic grades were best predictors for student achievements on comprehension items(F=10.42), MBL, Prediction treatment, academic grades and reasoning skills were best predictors for student achievements on application items (F=9.17). 6) The students of MBL group favored the MBL method as a convenient, correct, understandable, motivating way of learning.