일반물리 수업에서 대학생의 개념 이해력과 수리문제 해결력 비교 및 튜터링 프로그램의 적용

Abstract

The purpose of this dissertation is to compare students’ conceptual understanding and problem solving abilities, and to examine the effectiveness of a peer tutoring program in an introductory physics class. The study consisted of three parts: <part Ⅰ>, <part Ⅱ> and <part Ⅲ>. The purpose of <part Ⅰ> was to determine the relationship between students’ conceptual understanding and algorithmic problem solving abilities by assessing their performance in physics. The conceptual and algorithmic questions were developed and applied to a general physics course for two semesters. The students’ performances on mid-term and final exams were analyzed statistically to compare the two types of question scores using the Pearson correlation and Z-score connection table. Then the students were categorized according to their performances on algorithmic problems and by their understanding of conceptual questions. The results of the study were as follows. First, the Pearson correlation indicated a positive correlation between the two types of question scores. Second, a comparison of the two types of Z-scores individually revealed some large score gaps, which indicated that there are some students who performed well in conceptual questions but not in algorithmic questions, and vice versa. Third, when the students were divided into the three groups according to their performance levels, the students who had similar algorithmic and conceptual scores (HAHC, MAMC, LALC) were about fifty percentage. These comparisons showed that although the two types of questions were correlated statistically, there were some students who had a level difference between the two types of questions. The purpose of <part Ⅱ> was to investigate the effects of a peer tutoring program on students’ conceptual and algorithmic scores. For the study, 106 students were selected and then divided into a control group and an experimental group. In the control group (problem solving group), the instructors were graduate students, who had many experience in teaching general physics. In the experimental group (tutoring group), the tutors, who already took the same class one or two years earlier and got grades better than A-, taught physics to four to five students. Then the students’ mid-term and final exam scores were analyzed to assess their conceptual understanding and algorithmic problem solving abilities at the beginning and end of the test period, respectively. Shortly after they completed the tutoring program and the problem solving program, the students were asked to answer a questionnaire about the program, their perceptions of concepts, and algorithmic questions in physics. A comparison of the programs yielded several findings. First, the students from the tutoring group got higher mean scores on the conceptual, algorithmic, and total questions than the problem solving group students. Second, in terms of the learning gains, the tutoring program students gave more responses to the survey questions about understanding concepts and obtaining information from others than the problem solving group students did. The purpose of <part Ⅲ> was to focus on the instructional process in the tutoring program. The focus was particularly on the verbal interactions between the teachers and students in the tutoring program and on examining the characteristics of these interactions. Five tutoring groups and one problem solving group were chosen as the targets for this study. Each group’s classroom lessons were recorded using a camcorder. Ten lessons were transcribed and then analyzed according to a lesson analysis checklist. Based on the analyzed data in the lesson analysis checklist, the patterns of interaction between the teachers and students were studied. The analysis criteria for the data on the class were developed based on a literature review and applied to analyze the collected content. It was found that the number of verbal interactions in the tutoring program was greater than in the problem solving group. In the tutoring program, the teacher asked questions to assess the students’ understanding and help reify the concepts, and when someone asked the teacher a question about methods or reasons, the teacher used delayed feedback to allow the students to think of the answer themselves. In conclusion, the results of this study suggest that the conceptual understanding and algorithmic problem solving ability of college students correlated statistically. Comparing individually, there were some students for whom there was a significant score difference between the two types of questions. Supposing that the tutoring program would raise both physics question scores, we compared the differences between the scores for the two types of problems of the tutoring program and problem solving groups. The tutoring program students scored better than the control group on both types of scores, and showed a significant improvement in their conceptual understanding. As we wanted to understand what enabled the score improvements, it was necessary to observe the verbal interactions between the teacher and students. In the tutoring program, there were many verbal interactions, as the teacher asked questions to identify the students’ understanding, and the teacher used delayed feedback to help the students determine the answer themselves. It is important to note that this physics tutoring program should be further developed so that students can enhance their conceptual understanding and algorithmic problem solving abilities. Furthermore, tutoring programs should be investigated to make them easy and interesting for students in regular physics classes and after-school programs.;물리 교육의 최근 연구들은 학생이 학습하는 내용과 방법에 대해 주로 다루고 있다. 특히, 많은 연구들이 학생의 개념 이해력을 다루고 있지만 물리 개념 이해력과 수리문제 해결력과의 관계에 대해 언급한 것은 많지 않다. 물리 문항을 두 가지로 나누면 개념 유형과 수리 문제 풀이 유형으로 나눌 수 있는데, 이 두 유형의 관계에 대한 국외 연구들에 따르면 두 영역 간의 점수 차이가 많이 나는 학생들이 다수 존재한다. 특히 수리 문제를 성공적으로 해결하는 것이 그 문제에 관련된 물리 개념을 확실히 알고 있음을 보장하지 않았는데, 이는 물리 수업에서 주로 문제 풀이를 다루는 경향이 있기 때문이다. 국외에서는 두 영역간의 점수 차이가 많이 나는 학생들을 위한 다양한 프로그램을 개발 보급하여 성공적인 물리 학습을 위해 노력하고 있다. 국내에서는 학생들의 물리 개념 이해력과 수리문제 해결력과의 관계를 조사하고, 두 영역의 점수를 모두 향상시킬 수 있는 적절한 프로그램의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 튜터링 프로그램이 물리의 두 영역에 어떠한 영향을 주는지 연구하였다. 튜터링 프로그램이 물리 성취도에 긍정적인 영향을 준다면 그 원인에 대한 연구도 필요한데, 여러 가지 원인이 있을 수 있지만 본 연구에서는 튜터링 프로그램 수업 안에서 일어나는 언어적 상호작용을 조사하고 그 특징을 알아보고자 한다. 대학교 1학년 일반물리학 수강생 중 일부는 튜터링 프로그램에 일부는 문제풀이 그룹을 선택하도록 하였다. 통제 집단인 문제풀이 그룹에는 대학원생 조교가 다수의 학생을 대상으로 문제 풀이 및 개념 설명을 해주고 실험집단인 튜터링 프로그램에서는 2~3학년 학생이 1학년 학생 4~5명을 대상으로 문제 풀이 및 개념 설명을 해주었다. 개념 문항 4~5개, 수리 문항 5개로 구성된 중간고사와 기말고사를 실시하여 그룹들의 성적 변화를 살펴보았으며 기말고사 이후 프로그램과 개념·수리 문항에 대한 선호도를 묻는 설문조사와 인터뷰를 하였다. 그룹들의 모든 수업 활동은 녹화하였으며, 녹화 내용을 전사 및 분석하였다. 일반물리학 수강생을 대상으로 물리 개념 점수와 수리 점수를 비교한 결과 Pearson 상관계수에 따르면 두 영역 점수는 상관이 있었다. 학생 개개인의 점수 분포를 알기 위해 Z-score 연결 그래프를 살펴본 결과 두 영역 간의 점수 차이가 많이 나는 학생들이 다수 존재하였다. 점수 차이가 나는 학생들의 비율을 알아보기 위해 두 영역을 수준별로 분류하여 개념과 수리 문항과의 수준이 다른 학생들의 비율을 조사하였더니 전체 인원의 50%를 차지하고 있었다. 이는, 국외에서 조사한 결과보다 높은 수치인데, 국내의 많은 수의 학생이 개념 이해력과 수리 문제 해결력 사이에 차이가 나타남을 보여준다. 따라서 두 영역 간의 차이를 줄이고 두 영역의 성취도를 모두 향상시킬 수 있는 프로그램에 대한 연구가 요구된다. 튜터링 프로그램을 적용한 결과 학생들의 기말고사 개념 점수는 튜터링 그룹이 문제풀이 그룹보다 유의미하게 높았다. 기말고사 수리 점수는 튜터링 그룹이 더 높았지만 문제풀이 그룹과 점수 차이는 유의미하지 않았다. 또한 프로그램 참여 후 얻은 점을 묻는 설문 문항에 튜터링 그룹의 학생들은 ‘물리 개념의 이해’를 가장 많이 선택하였고 문제 풀이 그룹 학생들은 ‘문제 풀이 기술 향상’을 가장 많이 선택하였다. 튜터링 프로그램은 물리 영역 중에서 특히 개념 영역에 유의미한 효과를 보였다. 튜터링 그룹 안에서 또래들끼리 자신의 궁금한 점을 말하고 의견을 주고 받는 과정에서 개념의 이해도가 깊어진 것이라 가정하고, 개념 영역에 더 큰 효과를 보여준 원인을 알기위해 튜터링 그룹의 수업 활동의 언어적 상호작용을 문제풀이 그룹과 비교하였다. 언어적 상호작용을 교사의 발문, 학생 응답 및 질문, 교사 피드백의 3가지 유형으로 나누어 분석하였는데 3가지 유형에서 모두 튜터링 그룹의 횟수가 문제풀이 그룹보다 높았다. 튜터링 그룹에서는 교사가 교수학습 내용을 학생들이 이해하고 있는지 수업 도중에 자주 확인하고, 이해가 잘 안된 부분이 있으면 구체적인 설명을 하였다. 또한, 학생들의 질문이나 응답에 바로 응답을 해주는 것이 아니라 답을 스스로 알 수 있도록 학생의 질문 일부를 반복하여 응답하거나 힌트를 주는 피드백을 사용하고 있었다. 본 연구는 튜터링 프로그램을 현장에 적용하고, 학생들의 성적 변화를 개념과 수리 점수로 나누어 살펴보았다는 점에서 기존의 튜터링 프로그램에 대한 연구와 차이가 있다. 또한 튜터링 수업 활동이 일어나는 사례를 살펴봄으로써 교사가 학생들의 사고를 확장시키기 위해 발문하고 그에 응답하는 학생들, 이에 대한 교사의 피드백 등 활발한 상호작용들이 교사들에게 간접 경험의 기회가 되어 실제 교수 활동에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 학생들의 물리 개념 점수와 수리 점수의 비교를 통해 물리 교사들이 수업에서 물리의 개념 이해력과 수리 문제 풀이 능력 향상을 위해 노력하고, 두 영역에서 점수 차이가 나는 학생들에게 보다 관심을 줄 수 있는 기회가 될 수 있다는 점에서 의의가 있다.