과학사를 활용한 고등학교 자유탐구 선행 교육 프로그램의 개발 및 적용

Abstract

Inquiry learning in science education has been emphasized continually, however, there is a restriction for students not to have various experiences in inquiry process through a textbook and a school class. Therefore, since 2007 Revision educational curriculum, open-ended inquiry as the name of 'free inquiry' has been introduced that students design inquiry to ask and answer the problem themselves. However, 'openness of inquiry' which students perform was increased sharply in the field of school that teachers and students have difficult in doing inquiry activity. Therefore, the purpose of this study was to develope pre education program for 'free inquiry' that can link the student's current level of inquiry and the level of inquiry performance capacity to perform 'free inquiry'. The developed program was applied to verify the student's changes in inquiry capacity, the student's recognitions and the effects of inquiry performance capacity level in planing activity of 'free inquiry'. Through literature reviews, method of study was focused on the steps of inquiry process skills as hypothesis formulation, experiment design, variable isolation, conclusion draw. Participants of this program, 146 students, were a first grader of E autonomous women private high school in Seoul. TIPS II(Test of Integrated Process Skill II), which was devised by Burns, Wise & Okey(1983), was complemented to evaluate students' inquiry capacities. The assessment tool, which was devised by Yang, Hyun Joo(2005), was used to analyse effect of students' inquiry performance capacities level in planing activity of 'free inquiry'. The collected data was analysed by descriptive statistics, t-test, frequency analysis with SPSS 18,0. The conclusions of this study are as follows. First, the program was developed to perform for fourth time in class. The program was organized in three steps for each time of class with history of science that students could experience gradual openness of inquiry. The step of 'showing' was organized with narrational form of the scientific history for students to comprehend scientist's thought process. The step of 'experiencing structured inquiry' was organized for students to experience structured inquiry level by anticipating scientist's thought process and comparing that with their thoughts. The step of 'experiencing guided inquiry' was organized for student to experience the scientist' inquiry process on the level of guided inquiry level by performing simple inquiry activity. Second, the result of applying the program showed that overall students' inquiry capabilities were improved(p<.05). Among the sub-components of inquiry capacity, hypothesis formulation, variable isolation and data interpretation that is the basis of conclusion draw showed significant changes(p<.05). However, the sub-components of inquiry capacity, experiment design and generalization which is based on conclusion draw didn't show significant changes(p>.05). The program was constructed by rather following scientist's thought process to experience scientist's inquiry process than experiencing actual inquiry experiment that inquiry capacities of hypothesis formulation, variable isolation and data interpretation could show improvement. On the other hand, the appropriate method for the sub-components of inquiry capacity, experiment design and generalization would be actual inquiry experiment. Third, according to result in analysis of students' inquiry plans by scores of inquiry process performance capacity in 'free inquiry', it showed improvement of 53.25% averagely. By sub-components of inquiry process performance capacity, formulating hypothesis(80.25%), devising experimental method(64.71%), organizing experimental procedure(57.78%), drawing inquiry problem(25.64%) were improved. As the result of analysing change aspects of sub-items' each components by the level, in the items related to inquiry objective's 'core variable recognition' in 'drawing inquiry problem', 'control variable recognition' in 'formulating hypothesis', devising variable control method' in 'devising experiment method', 'logical sequence of experiment procedure' in organizing experimental procedure, there are many students that showed particular improvement from the basic level to the advanced level. Fourth, according to result of students' recognition survey, the students showed affirmative response on necessity of pre education program for 'free inquiry', the effect in comprehension of scientist's inquiry process, developed relationship with friends and reduction of burden by small group discussion activity, inquiry process experience by using history of science and increasing openness of inquiry and the effect in interest and motivation. Previous programs for 'free inquiry' were devised in the level of general guide and description. Or, they were applied with teacher's instruction during 'free inquiry' process. However, through experiencing inquiry process skill before performing 'free inquiry', this program was very effective for many students to improve performance capacity of inquiry process from the basic and intermediate level to the advanced level in a short time. Therefore, this program is effective as the pre education program of 'free inquiry'. However, analyzation of the effects on this program was in the step of 'free inquiry' design, for more accurate result, it is necessary to verify the effect through analyzation in entire process of 'free inquiry' after this program. ;과학교육에서 탐구학습은 꾸준히 강조되어 왔으나, 학교 수업과 교과서를 통하여 다양한 탐구과정을 경험하기에는 매우 제한적이었다. 따라서 2007 개정 교육과정부터 학생들이 스스로 질문하고 질문에 대한 답을 구하는 자유탐구라는 이름의 개방적 탐구가 도입되었다. 그러나 학교 현장에서 학생들이 수행하는 탐구의 개방도가 급격히 높아져 학생과 교사들은 여러 가지 어려움을 겪게 되었다. 그러므로 본 연구에서는 자유탐구 수행을 위하여 현재 학생들의 탐구수준과 자유탐구 시 요구되는 탐구수행 능력 수준 사이를 연결해 줄 수 있는 자유탐구 선행 교육프로그램을 개발하고, 이를 적용하여 학생들의 탐구능력의 변화, 자유탐구 계획하기 활동에서의 탐구수행능력 수준, 학생들의 인식에 대한 효과를 알아보고자 한다. 연구방법은 문헌 연구를 통하여 학생들이 어려워하는 가설설정, 실험설계 및 변인 찾기, 결론도출의 탐구과정기능에 초점을 맞추었다. 개발된 프로그램의 적용은 서울 소재 E 자율형 여자사립 고등학교 1학년 학생 146명을 대상으로 실시하였고, 탐구능력은 Burns 등(1985)이 개발한 탐구기능검사지(TIPSII)를 보완하여 사용하였다. 학생들의 ‘자유탐구 계획하기 활동에서의 탐구수행능력 수준’에 대한 효과는 영국의 국가 과학과 교육과정 '과학적 탐구'의 학습목표를 평가기준으로 양현주(2005)가 개발한 평가 도구를 사용하여 분석하였다. 수집된 자료는 SPSS 18,0을 이용하여 기술통계, t 검정, 빈도분석으로 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다. 첫째, 고등학교 자유탐구 선행 교육프로그램을 총 4차시 분량으로 개발하였다. 과학사를 활용하여 과학자의 탐구과정에 대하여 점진적인 개방도를 경험하도록 차시별로 3단계로 구성되었다. '보여주기' 단계에서 과학사를 이야기 형식으로 구성하여 과학자의 탐구과정에 대한 사고과정을 이해하도록 하였다. '구조화된 탐구경험' 단계에서는 과학자의 탐구과정에 대한 사고과정을 미리 예상하고, 학생 자신과 과학자의 사고과정을 비교함으로써, 구조화된 탐구수준을 경험하도록 하였다. '안내된 탐구경험' 단계에서는 학생들이 직접 간단한 탐구활동을 수행함으로써 앞서 경험한 과학자의 탐구과정에 대해 안내된 탐구 수준으로 경험하도록 하였다. 둘째, 개발한 교육프로그램을 적용한 결과, 학생들의 전반적인 탐구능력이 향상되었다(p<.05). 탐구능력 하위영역중 가설설정과 변인찾기, 결론도출의 바탕이 되는 자료해석에서 의미 있는 변화가 나타났다(p<.05). 하지만 실험설계와 결론도출을 바탕으로 하는 일반화 영역에서는 의미 있는 변화를 볼 수 없었다(p>.05). 이것은 프로그램이 직접적인 탐구실험을 하기보다 과학자의 사고과정을 따라감으로써 과학자의 탐구과정을 경험하도록 하였기 때문에, 가설설정과 변인 찾기, 자료해석의 탐구능력은 개념적 탐구로 향상이 가능하다고 볼 수 있다. 반면 실험설계와 일반화 영역은 실제 탐구실험을 진행하는 것이 더 적합할 것으로 추정된다. 셋째, 고등학생들의 연구 계획서를 분석하여, '자유탐구 계획하기' 활동에서 탐구과정 수행능력을 분석한 결과, 전체 평균점수는 53.25% 향상되었고, 하위 영역별로 가설설정 (80.25%), 실험방법고안(64.71%), 실험절차구성(57.78%), 탐구문제도출(25.64%) 순으로 향상되었다. 각 영역의 세부항목을 수준별로 변화 양상을 분석한 결과, ‘탐구문제 도출’의 '탐구대상에 대한 중심변인 인식', ’가설설정‘의 ’통제변인 인식‘, '실험방법고안‘의 ’변인조작방법 고안‘, ’실험절차구성‘의 ’실험절차의 논리적 순서‘ 항목에서 특히 초급수준의 학생들이 중급이나 고급수준으로 향상되었다. 넷째, 학생들의 인식조사 결과 자유탐구 사전 교육 프로그램의 필요성, 과학자의 탐구과정 이해에 대한 효과성, 소그룹 토의활동에 따른 발전된 동료관계 및 부담감 감소, 과학사 활용 및 개방도 증가를 통한 탐구과정 경험, 흥미와 동기 촉진에 대한 효과성에 대하여 긍정적으로 인식하였다. 따라서 본 프로그램은 자유탐구를 진행하기 전 과학사에 나타난 과학자의 탐구과정기능에 대해 학습함으로써, 특히 탐구과정 수행능력이 초급수준인 고등학생들을 짧은 차시 내에 중급이나 고급수준으로 향상시킬 수 있는 자유탐구 선행프로그램으로써 적합하다고 판단된다.