Prospective science teachers’ knowledge development in modern physics through reflective practices

Abstract

Teachers always take a central role in students’ learning. There have been continual efforts for improving the quality of education through the teachers’ professional development. Teachers’ knowledge has been emphasized as an important factor in understanding teachers’ professional development. Teachers’ knowledge may be understood more effectively by dividing into subject matter knowledge (SMK) for dealing with science contents and pedagogical content knowledge (PCK) for teaching science to students. In 2009, Korea reformed the national science curriculum by adding many concepts and principles of modern physics for high school students. In this respect, science teachers’ professional development for teaching modern physics was required for keeping up with this reform. This study adopted the Interconnected Model for Teacher Professional Growth (IMTPG) as a framework and modified a modern physics course at university for prospective teachers’ professional development in teaching modern physics. The modified modern physics course, Modern Physics II, was included stimulated reflective practices to improve prospective teachers’ PCK as well as SMK. Through reflective processes, the characteristics of the prospective teachers’ SMK and PCK were investigated and their developmental processes in modern physics were analyzed both quantitatively and qualitatively. A total of 8 prospective teachers participated in this study for 16 weeks in the fall semester of 2012. In addition to lectures, the reformed course included teaching practices by all the prospective teachers and emphasized more on discussion sessions and presentations. A new approach for teaching practice was introduced to develop the prospective teachers’ knowledge by inviting an in-service teacher, who had extensive teaching experience in high school. A learning community was formed by the prospective teachers, the in-service teacher, and the course instructor. Each prospective teacher practiced her teaching with the assumption that she was a high school teacher and the other prospective teachers acted like students in a high school classroom. After each teaching practice session, the in-service teacher gave feedbacks and suggestions based on her educational field experiences, and the course instructor also gave feedbacks on the teaching practice and led the discussions with the prospective teachers. Therefore, upon receiving feedbacks from the in-service teacher and the course instructor, the prospective teachers attempted to discover better instructional strategies and the teaching materials. A mixed-method was applied to data collection and data analysis to explore the characteristics of the prospective teachers’ knowledge development. To investigate the prospective teachers’ knowledge development in modern physics, multiple data sources were collected and analyzed. The pre and post-tests and the final exam were conducted for measuring the prospective teachers’ SMK development. To explore the characteristics of the prospective teachers’ PCK for teaching modern physics, every teaching practice was observed and recorded. Data acquired from teaching practices were analyzed as case descriptions and cross-case analysis. Individual semi-structured in-depth interviews were conducted. All the classes of this modified modern physics course were video-recorded. At the end of the semester, the prospective teachers were asked to submit the reflective journals. The pre- and post-test results showed a significant increase of the prospective teachers’ SMK in modern physics. As for the prospective teachers’ SMK development, the prospective teachers corrected misconceptions, their SMK development resulted in more concrete understanding of the material through the discussion sessions and the teaching practices, and their SMK development increased in-depth content knowledge about advanced physics research. However, the understanding of epistemological view in modern physics did not improve significantly. The prospective teachers’ PCK development in modern physics was examined on three components of PCK: knowledge of the curriculum (KC), knowledge of the instructional strategies (KIS), and knowledge of the students’ understanding (KSU). Knowledge of the curriculum developed the most while knowledge of the students’ understanding showed the lowest development. In addition, there was a trend that the prospective teachers who conducted teaching practices in the latter half of the teaching practices acquired more developed characteristics of PCK. This result supported that the continuous interactions among the members in the learning community might affect positive effects on the prospective teachers’ knowledge development. Moreover, ‘the progress zone’ in the first 3 or 4 teaching practices was founded through the process of the prospective teachers’ knowledge development. This study would provide insight into the ways prospective teachers’ knowledge develops, thereby contributing to improve teachers’ professional development programs by providing educational implications for science teacher education.;전문성을 갖춘 교사는 무엇보다 수업 전문성을 갖추고 있어야 하며, 교사의 수업 전문성을 이해하고 과학교수 현장의 수준을 향상시킬 수 있는 중요한 요인으로 교사의 교수지식이 부각되고 있다. 2009년 국가과학과 교육과정이 개정되면서 현대물리학과 관련된 다양한 내용이 고등학교 교육과정에 다수 포함됨에 따라 학교 현장에서는 과학 교사들의 현대물리 영역의 수업 전문성을 새롭게 요구하고 있다. 따라서 이 연구는 예비 과학 교사들의 현대물리 교수를 위한 교사 전문성을 발달시키기 위한 목적으로 사범대학의 현대물리 내용학 수업을 설계하고 적용함으로써, 예비 과학 교사들의 수업 전문성을 향상시키기 위해 현대물리영역의 교과내용지식(SMK)과 교수내용지식(PCK)의 발달을 탐색해보았다. 본 연구에서는Clarke와 Hollingsworth가 제안한 교사 개인의 전문성 발달을 설명하는 IMTPG (Interconnected Model for Teacher Professional Growth) 모델을 집단 내에서 예비교사의 전문성 발달을 설명하기에 적합한 G-IMTPG 모델로 변형한 후, 이에 기반하여 현대물리 수업을 설계하였다. 특히 이 G-IMTPG 모델은 예비 교사 집단 내에서의 교수 실행과 반성적 성찰 과정을 통해 교사의 전문성 발달 과정을 설명할 수 있다는 점에서, 현대물리 수업의 설계 뿐 아니라 연구 자료 분석을 위한 중요한 분석 틀로도 활용되었다. 서울 소재 사범대학의 현대물리학 수업을 담당하고 있는 교수 1 명과 이 수업을 수강하고 있는 8 명의 예비 과학교사, 그리고 1 명의 현직 고등학교 과학교사가 본 연구에 참여하였으며 2012년 2학기에 1학기 동안 진행한 결과를 보고한다. 본 연구의 자료 분석을 위해 설문조사, 개별 면담, 수업 관찰, 학습자 성과물, 연구자 노트 등이 수집되었다. 본 연구에서 설계된 현대물리학 수업은 기존의 예비교사 양성 과정에서 강의 위주로 진행되어 오던 기존의 내용학 수업에 예비교사들의 수업 시연, 토의, 발표 등을 추가하여 수업을 구성함으로써 예비교사들의 교수 실행과 반성적 성찰 과정을 통해 현대물리 교수를 위한 전문적 지식 발달을 촉진하고자 하였다. 특히 수업 시연에서는 교수 경험이 풍부한 현직 교사를 참여시킴으로써 예비교사, 현직교사 그리고 과학 내용학 담당 교수로 구성된 학습 공동체를 형성하고, 예비교사들의 교수지식 향상을 도울 수 있도록 수업시연 모형을 구성하였다. 이 학습 공동체에서 예비교사는 학교 현장의 교사의 역할로서 현대물리 수업을 시연하였고, 현직교사는 중등학교 현장에 대한 경험을 통해 실질적인 정보를 제공하고, 예비교사의 수업에 대한 피드백을 제공함으로써 예비교사들의 반성적 실행을 독려하였다. 내용학 교수는 현대물리학 내용과 관련된 피드백 제공을 통해 예비교사들의 교과내용 지식의 발달을 도왔다. 또한 토의 시간을 통해 물리학 내용 및 교육학적 내용을 전문가들에게 피드백 받고 동료 예비교사들과 더 나은 수업 방향을 찾기 위한 시간을 가졌다. 본 연구에서는 이러한 반성적 실행을 통하여 예비교사들의 현대물리 영역의 교과내용지식(SMK)뿐 아니라 교수내용지식(PCK)의 특성을 파악하고, 발달 과정을 살펴봄으로써 예비교사 교육에서의 현대물리 수업에 대한 새로운 적용 가능성을 탐색해보고자 하였다. 예비교사들의 현대물리 영역의 SMK의 발달을 세 가지 준거 (현대물리학 관련 과학 개념, 상대론과 확률론에 근거한 인식론적 관점, 일상생활에의 응용 및 최근 연구 동향에 관한 지식)로 나누어 살펴보았다. 먼저, 사전 사후 현대물리 개념 검사 결과를 통해 예비교사들의 현대물리 영역의 내용지식(SMK)의 유의미한 발달을 확인할 수 있었으며, 오개념이 교정되고, 과학 개념의 설명이 보다 정교해지는 변화 특성이 있었다. 연구가 진행됨에 따라 현대물리의 응용분야와 최근 연구 동향에 대한 예비교사들의 내용 지식이 보다 확장되어갔고, 이는 수업 시연과 발표 활동을 통해서도 그 특징이 잘 드러났다. 하지만, 상대론과 확률론을 기반으로 하는 자연에 관한 인식론적 관점에 대한 이해가 증가하는 것은 구체적으로 나타나지 않았다. 예비교사들의 현대물리 영역의 PCK의 발달은 사례기술과 사례간 분석을 통해 PCK 의 구성 요소 중 세가지-교육과정에 대한 지식, 교수학습 전략에 대한 지식, 학생의 이해에 대한 지식-를 중심으로 살펴보았다. 예비교사들의 교육과정에 대한 지식의 발달이 가장 먼저 나타난 반면, 학생의 학습에 대한 이해에 대한 지식은 가장 발달이 미흡한 경향을 나타내었다. 또한 후반부에 수업시연을 시행한 예비교사들에게서 PCK의 특성이 더 잘 발달되어 나타나는 경향이 있었다. 이는 수업 시연에서 진행된 현직교사와의 상호작용이 예비교사들의 PCK의 발달의 직접적인 요인으로 작용하였음을 알 수 있다. 또한 본 연구의 이론적 틀이었던 교사전문성 발달을 설명하는 G-IMTPG 모델을 활용한 사례간 분석에서는 예비교사들의 전문적 지식이 효과적으로 발달하는 구간(progress zone)을 중심으로 예비교사들의 지식 발달의 과정을 탐색하였다. 예비교사들은 자신의 교수 실행과 그에 따른 성찰 뿐만 아니라, 동료 교사의 교수 실행 관찰에서 비롯된 다양한 외부적인 자극을 통해 성찰의 과정을 겪으면서 전문성을 발달시켜 나갔다. 위의 연구 결과들은 예비교사들의 현대물리 교수 지식이 발달되어 가는 과정에서 예비교사, 현직교사, 대학 교수의 학습 공동체 형성과 그 안에서 이루어진 다양한 상호작용들이 큰 역할을 한 것으로 해석되었다. 구체적으로 본 연구의 학습 공동체에서 상호작용이 이루어진 관계들 별로 그 종류를 살펴보면, 예비교사와 현직교사 간의 상호작용과 예비교사와 대학 교수 간의 상호 작용이 주로 나타났으며, 예비교사들 간의 상호작용, 현직 교사와 교수의 상호작용도 일어났다. 상호작용의 특성은 예비 교사-현직 교사의 상호 작용은 주로 예비교사의 PCK 함양을 위한 것으로 현직교사가 예비교사의 수업 시연에 대한 피드백을 바탕으로 이루어졌고, 예비교사- 교수와의 상호작용은 주로 예비교사의 SMK 함양을 위한 교수의 피드백을 위주로 일어났다. 예비교사들의 간의 상호작용은 주로 수업 시연에 관련된 현대물리 내용이나 원리에 관한 이해를 위한 상호작용이었으며, 이때 나온 질문 주제들은 예비교사와 교수의 상호작용으로 연결되어 예비교사들의 SMK 향상에 영향을 미쳤다. 마찬가지로, 현직교사와 교수의 상호작용도 주로 현직교사의 현대물리 관련 내용에 대한 이해를 중심으로 이루어졌다. 이 연구는 과학교사의 전문성을 교사의 지식 기반에 바탕을 두고, 예비 교사 양성 과정의 내용학 수업에 대한 새로운 접근법을 제시하기 위해 진행되었다는 점에서 기존 연구와 차별화 된다. 또한 예비교사들의 현대물리영역의 지식의 특성을 파악하고 현직교사와의 상호 작용을 통해 발달시켜 나가는 과정을 살펴봄으로써 과학 교사 전문적 지식 발달에 관한 이해를 넓히기 위한 기초를 제공한다.