2007년 개정 교육과정의 중학교 1학년 과학 교과서에 서술된 화학 내용의 인지 요구도 수준 분석

Abstract

본 연구는 2007년 개정 교육과정을 적용한 중학교 1학년 과학 교과서에서 ‘물질의 세 가지 상태’, ‘분자의 운동’, ‘상태 변화와 에너지’ 단원의 주요 개념을 선정하여 인지 요구도 수준을 판정해 보고, 선행 연구에서 조사된 중학교 1학년 학생들의 인지 발달 수준과 비교 분석하였다. 그 결과를 토대로 교과서 내용의 인지 요구도 수준이 학생들의 인지 수준에 적합한가를 알아보고, 본 연구 결과를 통해 현장 교사들이 보다 나은 학습 전략을 구상하는데 도움이 되고자 한다. 교과서가 요구하는 인지 요구도 수준은 영국 CSMS(Concepts in Secondary Mathematics & Science) 프로그램에 의해 개발된 CAT(Curriculum Analysis Taxonomy) 분류틀을 이용하여, 현재 2007년 개정 교육과정에서 사용하고 있는 중학교 1학년 과학 교과서 중 6종의 교과서에서 공통된 개념을 선정하여 분석하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 물질의 상태와 상태 변화 개념에 대한 내용은 6종의 교과서 모두 후기 구체적 조작 수준(2B)으로 서술되어 있으므로, 학생들이 이 단원의 내용을 학습하며 이해하기에 어렵지 않은 것으로 판정되었다. 하지만 교사는 수업을 진행할 때 자신이 맡은 학생들의 인지 수준을 잘 파악하여 수업을 진행해야 할 것이다. 둘째, 분자 배열과 분자 모형에 관한 내용의 인지 요구도 수준을 분석한 결과 4종의 교과서는 후기 구체적 조작 수준(2B)으로 서술되어 있었지만, 2종의 교과서는 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 서술되어 있었다. 물질이 상태 변화함에 따라 물질의 성질은 고유함을 설명하기 위해 설탕의 용해를 예로 들면서 입자들은 섞이기 전과 같은 상태로 존재한다고 설명하고 있다. 이에 따라 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 또한 1종의 교과서에서는 분자 배열에 대해 설명하면서 분자 운동에 관한 개념까지 도입하고 있고, 물질의 상태에 따른 물질의 성질을 분자 운동을 이용하여 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 다음 단원인 ‘분자의 운동’ 단원에서 물질의 상태에 따른 분자의 배열과 분자 운동의 관계에 대한 내용이 제시되어 있기 때문에 이 단원에서는 분자 배열에 관한 내용만 학생들이 학습하고 이해할 수 있도록 해야 높은 학습 효과를 기대할 수 있을 것이다. 셋째, 확산과 증발, 분자의 운동 개념에 대한 교과서 내용이 요구하는 내용 인지 수준을 분석한 결과 6종 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 확산 현상에 대해 설명할 때 우리가 주변에서 흔히 접할 수 있는 향수의 냄새나 잉크의 확산을 예로 들면서 분자의 운동 때문에 일어나는 현상이라고 서술하고 있다. 이는 학생들의 흥미를 이끌어 학생들의 학습효과에는 도움을 줄 수 있을지 모르겠지만 광범위한 현상에 대한 분류 조작을 써야 하기 때문에 구체적 조작 수준의 학생들이 개념을 적용시키기에 어려움이 있을 수 있다. 또한 상태 변화를 분자 운동론을 응용해서 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 그러므로 교사가 학생들에게 가르칠 때 학생들의 인지 수준에 맞도록 수업 내용을 재구성해서 학생들의 이해에 도움을 줘야 할 것이다. 넷째, 기체의 압력과 부피, 기체의 온도와 부피에 관한 개념에서 교과서 내용이 요구하는 인지 요구도 수준을 분석한 결과 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 이 단원에서는 압력과 기체의 부피와의 관계, 온도와 기체의 부피와의 관계를 관찰 또는 실험을 통해 알아보고, 그래프를 통해 보일 법칙과 샤를 법칙을 이해해야 하기 때문에 학생들은 고차식의 그래프를 해석해야 하며, 두 독립변수 사이의 관계를 발견해야 한다. 그러므로 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 내용으로 판정하였다. 이 단원을 가르칠 때 학생들이 기체의 압력과 부피와의 관계, 기체의 온도와 부피와의 관계를 단순히 공식을 통하여 이해하지 않도록 유의해서 지도해야 한다. 다섯째, 상태 변화와 열에너지에 대한 개념에서 교과서 내용이 요구하는 인지 요구도 수준 분석 결과 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 것으로 판정되었다. 모든 교과서에서 물질의 끓는점과 어는점을 설명하면서 그래프를 제시하고 있다. 이는 학생들에게 고차식 그래프의 해석 능력을 요구하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정했다. 또한 물질의 상태 변화와 온도의 관계에 대해 설명하면서도 분자 운동론을 이용하여 서술하고 있으므로 이는 학생들에게 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구하는 것으로 판정했다. 1종의 교과서에서는 분자의 인력이라는 개념을 도입하여 물질의 상태 변화에 따른 분자 운동에 대해 설명하고 있으므로 학생들이 이 개념을 이해하는데 어려움을 겪지 않도록 교사가 학생들의 인지 수준에 맞춰 수업 전략을 개발하여 수업을 진행해야 할 것이다. 여섯째, 상태 변화와 분자 운동에 대한 개념에서 교과서 내용이 요구하는 인지 요구도 수준 분석 결과 6종의 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정되었다. 이는 물질의 상태와 물질의 상태가 변할 때 분자 운동론을 이용하여 설명하고 그림으로 제시하고 있기 때문에 학생들에게 초기 형식적 조작 수준(3A)을 요구한다고 판정하였다. 선행 연구에 나타나 있는 제7차 교육과정에 의한 교과서와 본 연구의 결과를 비교해보면 중학교 1학년 과학 교과서의 경우 2007년 개정 교육과정의 내용이 제7차 교육과정의 내용과 크게 달라진 점이 없다는 것을 알 수 있다. 선행 연구와 본 연구 결과 모두 ‘물질의 세 가지 상태’ 단원에서는 후기 구체적 조작 수준(2B), ‘분자의 운동’ 단원과 ‘상태 변화와 에너지’ 단원은 초기 형식적 조작 수준(3A)으로 판정이 되었다. 그러므로 조금 더 다양한 내용 수준의 교과서를 개발하여 학생들의 인지 수준에 맞는 학습이 될 수 있도록 해야 할 것이다. Piaget의 인지척도에 의하면 논리적 사고는 형식적 조작 단계에서 형성되며 형식적 조작 사고는 11~12세에 시작해서 15~16세에는 평형 상태에 도달한다. 구체적 조작 단계의 학생들은 이론을 형성하거나 구체적 사실과 동떨어진 추상 개념을 이해할 수 없으며 형식적 조작 단계의 학생들만 구체적, 형식적 개념을 모두 이해할 수 있다. 그러나 1997년부터 2009년까지 만 13세에 해당하는 우리나라 중학교 1학년 학생들을 대상으로 인지 수준을 조사한 문헌을 살펴보면, 형식적 조작 수준의 학생들은 최소 7.4%에서 최대 36.0%의 분포를, 과도기 수준의 학생들은 최소 29.5%에서 최대 44.4%의 분포를, 구체적 조작 수준의 학생들은 최소 23.0%에서 최대 63.1%의 분포를 보이고 있다. 이는 만 13세의 중학교 1학년 학생들의 인지 수준은 형식적 조작 단계에 도달한다는 Piaget의 인지 발달 단계 이론과는 다르게 대부분의 학생들이 아직 형식적 조작 수준에 도달하지 못했음을 나타내고 있다. 그러나 교과서가 요구하는 인지 수준 분석 결과 형식적 조작 수준을 요구하는 내용이 많으므로 구체적 조작 수준이나 과도기의 학생들에게는 2007년 개정 교육과정에 따른 과학 교과서 역시 어렵게 구성되어 있음을 알 수 있다.;In this study, the cognitive demands level was decided by selecting main concept of unit on 'three states of matter', 'molecular motion' and 'change of state and energy' in the first grade of middle school science textbook applying 2007 Educational Curriculum Revision. The cognitive development level that the first grade of middle school students have was compared and analyzed in relation to these. The purpose of this study is to know whether the cognitive demands level in textbook is suitable for the cognitive level for students based on this analysis. In addition, this study will contribute to plan better learning strategies for active teachers. A CAT (Curriculum Analysis Taxonomy) that was developed by CSMS (Concepts in Secondary Mathematics & Science) program in the UK was used to analyze the cognitive demands level in textbook. Common conception that was selected in all 6 types of the first grade of middle school science textbook, currently is used in 2007 Educational Curriculum Revision, was analyzed. The results of the analysis in this study are below. First, since content about concept of both state of matter and change of state in all 6 types was described as a post concrete operational level(2B), content in this unit wasn't judged to be difficult to for students learn and understand. However, running classes, teachers should figure out the cognitive level for students. Second, the cognitive level was described as the post concrete operational level(2B) in 4 types, as the cognitive demands level of content on molecule arrangement and molecular model was analyzed. On the other hand, initial formal operational level(3A) was described in 2 types. When that the nature of matter according to change of state has peculiarity was explained, that articles exist like pre-mixing state is explained and then cognitive level was judged as initial formal operational level(3A). Furthermore, Since the nature of matter in relation to state of matter is described through concept of both molecule arrangement and molecular motion, the cognitive demands level was judged as the initial formal operational level(3A). That students learn and understand only molecule arrangement in this unit can enhance learning effect, because molecule arrangement regarding state of matter and relationship of molecular motion are presented in next unit, 'motion of molecule'. Third, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) in all 6 types, as cognitive level required in textbook was analyzed about textbook on diffusion and evaporation, molecular motion. Diffusion is phenomenon caused by molecular motion, this is described by using perfume odor and ink spread that often can be exposed. Learning effect can be helpful because these examples arouse interest of students. However, it is difficult to for students who are in the concrete operational level apply concept because of using classification operation about widespread phenomenon. Moreover, the cognitive demands level was judged as the initial formal operational level(3A) since change of state is described by applying the Kinetic Theory of Matter. Therefore, when teaching, teachers should reconstruct course work that is suitable for the cognitive level and should promote understanding for students. Forth, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) in all 6 types, as the cognitive level was analyzed concerning pressure and volume of gas, temperature and volume of gas. Relationship with pressure and volume of gas, relationship with temperature and volume of gas should be realized through observation and experiment in this unit. In addition, the Boyle's law and the Charles's law should be understanded in this unit. Because of these, students have to interpret graph of an equation of higher degree and have to discover relationship between two independent variables. Therefore, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A). When teaching this unit, teachers will have to supervise that students simply don't understand relationship between pressure and volume of gas, relationship temperature and volume of gas through formula. Fifth, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) in all 6 types, as the cognitive level on change of state and thermal energy was analyzed. Graphs in every textbook are suggested, when both the boiling point and the freezing point of matter are explained. The cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) because it requires ability to interpret graph of an equation of higher degree. Furthermore, because relationship between change of state and temperature is described by using the Kinetic Theory of Matter, the cognitive level for students was judged as the initial formal operational level(3A). Since concept on molecular attraction explains molecular motion according to change of state in one type, teachers will have to develop instructional strategies that are suitable for the cognitive level and will have to run classes that students can understand this concept. Sixth, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) in all 6 types, as the cognitive demands level on concept about change of state and molecular motion in textbook was analyzed. Since the Kinetic Theory of Matter and picture are used to explain and both state of matter and change of state, the cognitive level was judged as the initial formal operational level(3A) for students. When it makes a comparison between a textbook by the 7th Educational Curriculum in previous study and findings of this study, it shows that content of the 2007 Educational Curriculum Revision in the first grade of middle school science textbook is not appreciably different from the 7th Educational Curriculum. In the result of both previous study and this study, unit about 'three states of matter' was judged as the post concrete operational level(2B) and then unit about 'molecular motion' and 'change of state and energy' was judged as the initial formal operational level(3A). Therefore, textbook including various levels should be developed and these development will make learning be suitable for the cognitive level for students. According to the Piaget's cognitive scale, a logical thinking is formed in the formal operational level. formation of the formal operational thinking begins at 11 or 12 and then the formal operational thinking approaches to equilibrium state at 15 or 16. While only students in the formal operational level can understand both concrete concept and formal concept, students in the concrete operational level can't form theory and can't understand abstraction concept that is far from a concrete concept. However, a reference concerning the cognitive level targeting 13-year-old first grade of middle school students from 1997 to 2009 shows that students in the formal operational level range from 7.4% to 36.0% and students in a transition period level range from 29.5% to 44.4% and students in the concrete operational level range from 23.0% to 63.1% in Korea. Unlike the Piaget's cognitive development theory that the cognitive level of students who are the 13-year-old and the first grade of middle school approaches to the formal operational level, this shows that most students still can't approach to the formal operational level. However, when the cognitive level is analyzed in textbook, there are a lot of content that the formal operational level is required. Therefore, students in concrete operational level or the transition period have difficulty learning science textbook according to the 2007 Educational Curriculum Revision.