과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형의 개발과 적용

Abstract

최근 교육현장에는 사회적 지식 형성 과정에 대한 관심이 높아지면서 과학지식을 구성하는 과정에도 사회적 상호작용이 강조되기 시작하였다. 학습자는 교사뿐만 아니라 동료학습자와의 다양한 상호작용 속에서 개념을 발달시켜나가야 한다. 즉 상호작용과정에서 자신의 사고를 조절하는 자기비계가 활성화되어야 한다. 따라서 본 연구는 초등학생의 과학적 개념발달에 효과적인 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형을 개발하고 이를 수업에 적용하여 초등학생들의 개념변화, 자기조절력, 학업성취도, 과학적 태도에 미치는 영향을 검증하고자 하였다. 본 연구의 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형은 자기비계 전략의 활용 과정을 근간으로 개발하였다. 과학탐구학습을 위한 자기비계 전략은 과학탐구학습을 통한 지식 구성 과정에 필요한 일련의 사고활동들을 인지 과정 범주에 따른 자기 질문하기의 유형, 지식의 통합적 조정 과정에 따른 자기 설명하기의 유형, 학습 과정 조절에 따른 자기 반성하기의 유형에 근거하여 개발하였다. 특히, 본 모형은 타인의 비계가 자기비계로 점진적으로 변환하는 과정을 표현하기 위해 단계에 따라 교사비계와 동료비계를 의도적으로 다르게 포함하였으며 학습자가 그리기 활동과 소리내어 사고하기 활동을 수행하면서 보다 쉽게 자기비계를 활용할 수 있도록 개발하였다. 개발된 모형은 초등학교 5학년 4개 반 학생 114명을 대상으로 총 12차시에 걸쳐 적용하였다. 사전-사후 검사 통제집단 설계방법을 사용하여 수업 처치하였다. 검사 도구는 김효남 외(1998)의 과학적 태도 검사지, Pintrich와 De-Groot(1990)의 자기조절 전략 검사지, Köse(2008)의 개념변화 분석 도구를 사용하였고, 학업성취도는 단원평가 성적을 사용하였다. 자료 분석은 개념 이해도 수준의 변화는 빈도 분석하였고, 학업성취도, 과학적 태도, 자기조절의 사전․사후 검사 결과는 SPSS 18.0을 사용하여 공변량분석을 하였다. 본 연구 결과 및 결론은 다음과 같다. 첫째, 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형은 자기 진단하기, 소리내어 접근하기, 자기 조직하기, 견고화하기의 4단계로 구성된다. 각 단계별 특성은 다음과 같다. 자기 진단하기 단계는 선개념을 그림으로 표출하고 이에 대한 탐색을 통해 인지적 탐구 동기가 유발된다. 소리내어 접근하기 단계는 반성적 사고활동을 중심으로 탐구과정에서 일어나는 사고과정을 소리내어 표현하면서 개념확장이 이루어진다. 이 단계는 교사비계의 점진적 감소로 인한 동료 학습자와의 활발한 상호작용이 요구된다. 자기 조직하기 단계는 습득한 개념들을 그림으로 재구성하면서 개념발달이 이루어진다. 견고화하기 단계는 새로운 문제 상황에 습득한 개념을 적용․응용함으로써 개념의 인지구조 정착이 이루어진다. 이 단계는 교사나 동료의 비계는 제공되지 않으며 자기비계를 활용하여 문제를 해결하게 된다. 둘째, 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형을 적용한 과학 수업은 초등학생의 자기조절력 향상(p<.01)과 더불어 개념변화와 학업성취도 향상(p<.05)에 효과적이었다. 따라서 본 모형은 과학탐구학습에서 스스로 인지적 사고활동을 촉진하고 인지구조에 대한 주의 깊은 반성을 유발하여 자기조절력의 향상을 동반한 과학적 지식의 습득에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. 셋째, 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형을 적용한 과학 수업은 초등학생의 과학적 태도에 유의미한 효과를 보였다(p<.01). 특히 본 모형의 소리내어 사고하기 활동은 동료비계를 활용하여 상호조정적 협력과정이 이루어질 수 있도록 하였기 때문에, 협동적 과학탐구활동에서 동료의 의견을 수용하거나 비판하며 의견을 조절하는 과학적 태도의 향상에 효과적이라고 할 수 있다. 또한 본 모형은 자신의 사고를 다양한 방법으로 표현하고 타인의 생각을 공유하며 새로운 방법을 생각해보는 기회를 제공하여 창의적 태도를 함양할 수 있는 모형으로 적합하다고 판단된다. 이상 제시된 결과 및 결론을 종합해 보면 본 연구에서 개발한 과학탐구학습을 위한 자기비계 활용 모형은 초등학생의 자기조절력을 동반한 개념변화와 학업성취도 그리고 과학적 태도에 효과적인 학습 모형으로 판단된다. 그리고 본 모형은 그리기 활동과 소리내어 사고하기 활동이 통합적으로 구성된 모형이므로 이러한 활동들의 특성을 고려한 적용 연구가 지속된다면 창의적 사고, 비판적 사고 등의 과학적 사고의 향상을 기대해 볼 수 있을 것이다.;Recently people in the science education field have emphasized on the social interaction to construct scientific knowledge as people become interested in the formation of social knowledge. Leaners as knowledge constructors should build up knowledge through interactions with a teacher and peers. That is, learners should use self-scaffolding constructing meaning during interactions with others. Therefore, this study aims to develop a self-scaffolding learning model for science inquiry and to apply this model to elementary science classes, whereby conceptual changes, self-regulations, academic achievements, and scientific attitude were examined. This self-scaffolding learning model for science inquiry was created based on self-scaffolding strategies. In particular, this model is created to stimulate self-scaffolding through activities based on Drawing and Thinking Aloud, and describes how self-scaffolding is shifted from the others’ scaffolding gradually. Self-scaffolding strategies include creative questioning, analytical questioning, connecting particular experiences, narrowing the gap with a new concept, connecting concepts and discern an overall pattern, correcting a misconception, reflection for planning, reflection for understanding, and reflection for an activity evaluation. An experimental study of the self-scaffolding for science inquiry learning was carried out with 114 elementary fifth grade students in science classes. There was a total of 12 class hours in four classes. The research was designed using pre- and post- tests with a control group and an experimental group. The experimental group was taught with the self-scaffolding learning model for science inquiry while the control group was taught in the traditional way. Three instruments were adopted: a Scientific Attitude Questionnaire (Kim et. al., 1998), a Motivated Strategies for Learning Questionnaire (Pintrich & De-Groot, 1990), and an analysis method for Conceptual understanding (Köse, 2008). Covariate analysis using SPSS18.0 was used to compare the pre- and post- test results. The results from this study are as follows. First, the self-scaffolding learning model for science inquiry consisted of four steps: Self-diagnosis, Speaking and thinking aloud, Self-modification, and Solidification. At the stage of Self-diagnosis, the students present their preconceptions by drawing and creating a group inquiry through peer-discussion. At the stage of Speaking and thinking aloud, the students expand the meanings of concepts by thinking aloud and speaking what they understand. The teacher gradually reduces the teacher-scaffolding (i.e., demonstrations in class) and encourages the students’ participation in learning; this leads to an increase in using self-scaffolding and peer-scaffolding. At the stage of Self-modification, students present their understanding of the concepts by drawing again and reflecting on their preconceptions with peer reviews. In the last stage, Solidification, the students acknowledge their new concepts and stabilize their cognitive structures. Second, the science class using this self-scaffolding learning model for science inquiry had a positive influence on the reconceptualization of the elementary students (p<.05). The drawing activities enabled the students to self-reflect, to self-explain, and to self-question what they knew. Making the concept clear through interactions with peers affects positively the modification of the misconceptions. Third, the effectiveness of this self-scaffolding learning model for science inquiry was also positively related to the elementary students’ self-regulation (p<.01). Drawing stimulates a cognitive process. Peer-interactions may promote the students’ regulation in thinking and learning. Fourth, the effectiveness of this self-scaffolding learning model for science inquiry was positively related to the elementary students’ learning achievement (p<.05). Drawing pictures of the concepts created a delicate structure of knowledge and made a reflection. The verbal interaction with peers may enable students to build up a firm structure of learners’ thoughts and to learn knowledge effectively. Fifth, the effectiveness of this self-scaffolding learning model for science inquiry was also positively related to the elementary students’ attitudes toward science (p<.01). Cooperative learning process of ‘Think aloud’ may make an optimistic approach to science. It is suggested, therefore, that the self-scaffolding learning model for science inquiry is a very useful method that can help students learn science and deepen their scientific understanding while students interact with their peers. In particular, the self-scaffolding learning model for science inquiry employs easily adoptable activities such as drawing and speaking. Therefore, this model is applicable to most students to improve their scientific thinking skills, such as creativity and critical thinking. For the future research, this study suggests the exploration of models that use drawing and speaking for better science education.