교사 발문을 활용한 과학 교육 프로그램에서 중학생들의 사고 과정 탐색

Abstract

국내 과학 교과 발문 연구의 대부분은 Blosser의 발문 분류 체계를 따르고 있는데, Blosser의 발문 분류 체계와 같은 인지 수준에 따른 분류는 교과 내용과의 맥락이나 학생의 상황 및 인지 수준을 고려하지 않고 상위 인지 수준 발문으로 일컬어지는 열린 발문의 빈도수가 많으면 바람직한 수업으로 인정되었다. 그러나 이와 같은 기존 연구로는 학생의 내적인 인지 발달에 관하여 효과적인 방안을 제시할 수 없다. 학생들의 내적 인지 발달이나 사고 능력의 발달을 위해서는 인지적 갈등이 필요하다고 알려져 있으며 또한 학생들의 인식론적 신념의 수준이 낮거나 비판적 사고력이 갖추어져 있지 않으면 인지갈등을 거부하게 되어 내적 변화를 수용하지 못한다고 알려져 있다. 그러므로 본 연구에서는 발문을 활용하여 인지갈등을 경험하도록 하고, 인식론적 신념의 수준 및 비판적 사고력을 향상시키고자 중학생 대상의 과학 교육 프로그램을 구성하였으며 프로그램의 진행 과정에서 학생들의 사고 과정(개념변화, 인지갈등, 인식론적 수준, 비판적 사고력 등)의 변화는 어떠한지 탐색하였다. 또한 본 연구에서 연구자는 교사가 해야 할 발문으로 ‘진단적 발문’, ‘설명적 발문’, ‘반성적 발문’을 제시하였다. ‘진단적 발문’은 교사가 학생들의 현재의 인지적 상황이나 인식론적 수준, 사고력의 수준, 선지식의 유무나 대체적 개념 등을 판단하기 위한 발문이며 그리고 ‘설명적 발문’은 학생들에게 꾸준하게 경험과 정보를 제공하여 반성적 사고의 기반을 조성하도록 돕기 위한 발문이며, ‘반성적 발문’은 학생의 인지갈등을 유발하거나 인식론의 수준을 향상시키거나 비판적 사고력 함양을 위한 목적의 발문으로 구분하였다. 본 연구에서 연구자는 진단적 발문을 활용하여 학생들의 상황을 파악하고 그 결과를 바탕으로 프로그램을 구성하였으며, 프로그램은 설명적 발문이 요구되는 단계와 반성적 발문이 활용되는 단계로 구성되었다. ‘설명적 발문이 요구되는 단계’는 설명적 발문이 많이 활용된 과정이었고, 학생들이 직관적인 관찰의 경험을 갖도록 하며 관찰의 경험으로 얻은 사실을 구조화하고 추론하고 천동설 가설에 참여하는 과학적 경험을 가지게 하며, 학생들의 생각과 학교에서 학습하는 우주관 사이에 존재하는 괴리를 해결하고 논리구조를 갖추도록 하는 과정이었다. ‘반성적 발문이 활용되는 단계’는 반성적 발문이 많이 활용된 과정이었으며, 새로운 개념체계의 형성에 관한 과정으로, 학생들이 앞의 과정에서 과학의 발달 과정이나 개념의 변화 등을 체득한 것을 바탕으로 반성적으로, 종합적으로 사고하는 단계였다. 프로그램이 진행되는 동안 학생들의 개인차는 존재하였지만, 모두 개념변화와 비판적 사고력 및 인식론의 수준 등에서 많은 향상을 보였다. 학생들은 인지갈등을 받아들이고 기존의 인지구조를 수정해가는 모습을 보였으며, 프로그램 시작 전 가지고 있었던 대체적 개념과 부정확한 개념이 올바른 개념으로 변화되었다. 프로그램 시작 전 학생들은 ‘태양 빛이 지표면에 평행하게 입사하지 않는다.’는 대체적 개념을 가지고 있었으나 인지갈등의 과정을 거쳐 ‘태양 빛이 지표면에 평행하게 입사한다.’로 개념이 변화하였고, 이후 학생들은 ‘태양 빛이 거의 평행하게 입사한다’로 개념을 확장하여 부분 일식을 이해할 수 있었으며 또한 새로운 사고체계와 개념체계가 어떻게 형성되어 가는지를 인식할 수 있게 되었다. 또한 학생들은 비판적 사고력이 향상되는 모습을 보였다. 학생들은 직접적이거나 간접적인 관측으로 관찰 능력을 향상시킬 수 있었고 관찰 및 관측한 자료를 활용하여 추론하고 구조화해보고, 천동설과 지동설을 이해하면서, 관찰 능력, 추론 능력, 가설생성의 능력에서 성장을 보였다. 또한 학생들은 인식론적 신념의 수준도 점점 향상되어 가는 모습을 보였다. 자신의 관측과 관찰에 의해 추론이 형성될 수 있음을 경험하면서 지식의 원천을 외부에 두는 입장에서 자신이 앎의 주체가 되는 입장으로 조금씩 변화하였다. 또한 관측과 관찰에 의해 자료를 수집하고, 그 자료를 활용하여 천동설과 지동설 입장에서 추론하고 구조화해보는 단계를 거치면서, 학생들은 과학이 어떤 면에서 잠정적이며 어떤 면에서 그렇지 않은지 경험하고 과학의 본성을 이해하였다. 이러한 과정에서 학생들은 자신의 자료로 추론하는 방법을 익히면서 점차 자신의 자료를 신뢰하게 되는 모습을 볼 수 있었다. 본 연구 결과로 볼 때 교사의 발문이 학생의 성향, 인지구조, 인식론의 수준, 논리력뿐만 아니라 교육 내용의 특징을 고려하여 단계적으로 활용될 때 학생의 변화를 기대할 수 있다. 그러므로 소규모 프로그램에서라도 진단적, 설명적, 반성적 성격의 발문을 학생과 교육 내용의 특성에 맞게 단계적으로 적절하게 활용하는 것이. 학생의 사고 과정의 변화를 위하여 필요할 것이다. ;Most of domestic science subject inquiry research follows Blosser’s ‘Question Category System for Science’. The classification based on the cognitive level, such as Blosser’s ‘Question Category System for Science’, does not consider the context of the content or students’ situation and cognitive level. It is recognized as a desirable class if the class uses high frequency of open questions, which is called higher-level questions. However, such research cannot suggest an effective method for students’ internal cognitive development. It is known that cognitive conflict is necessary for the development of students’ internal cognitive development or thinking skills, It is also known that if students had the low level of epistemological beliefs or were not equipped with critical thinking skills, they would reject cognitive conflicts and couldn’t accept internal changes. Therefore, in this study, a science education program for middle school students was constructed in order to experience cognitive conflict and to improve the level of epistemological beliefs and critical thinking skills through the use of teacher’s questions. The changes in the students' thinking process(cognitive conflict, epistemological level, critical thinking ability, etc.)were explored in the course of the program. Also, in this study, the researcher suggested ‘diagnostic questions’, ‘explanatory questions’, and ‘reflective questions’ for questions that teachers should ask. The ‘diagnostic question’ is a question for the teacher to judge the students’ current cognitive situation, epistemological level, the level of thinking skills, the presence or absence of prior knowledge and alternative concepts, The ‘explanatory question’ is a question to help create a foundation for reflective thinking by providing students with experiences and information on a regular basis. The ‘reflective question’ is a question that causes cognitive conflicts in students, improves the level of epistemology, or cultivates the level of critical thinking skills. In this study, the researcher used ‘diagnostic questions’ to understand the students’ situation and constructed a program based on the results. The program consisted of a stage that required ‘explanatory questions’ and a stage where ‘reflective questions’ were used. The ‘step that required an explanatory question’ was a process in which explanatory questions were used a lot, and it allowed students to have intuitive observational experiences, structure and reason facts obtained from observational experiences. It led students to experience science and to participate in the celestial hypothesis. It was also a process of resolving the gap between the students' thoughts and the cosmic view learned at class and equipping them with a logical structure. The ‘step of reflective questions’ was a process about the formation of a new conceptual system. It was a stage in which students thought reflectively and comprehensively based on what they had learned about the development of science and changes of concepts in the previous course. Although individual differences of students existed during the course of the program, they all showed significant improvement in conceptual change, critical thinking skills, and the level of epistemology. The students accepted the cognitive conflict and showed the appearance of modifying the cognitive structure. The alternative and inaccurate concepts they had before the program were changed into correct concepts. Before the program, students had an alternative concept that sun ray does not enter parallel to each other to the earth's surface, but through the process of cognitive conflict, the concept was changed into the concept that sun ray enters parallel to each other to the earth's surface. Extending the concept to ‘sun ray almost enters parallel to each other to the earth's surface’, they could understand a partial solar eclipse, and also perceive how a new thinking system and a conceptual system were formed. In addition, students showed improvement in critical thinking skills. Students were able to improve their observation ability through direct or indirect observation, They showed growth in observing, reasoning, and generating hypothesis while making inferences and structuring through the use of observational data, Thus students could understand the celestial and heliocentric theories well. Also, the level of epistemological beliefs was gradually improved. As students experienced that inferences could be formed by their own observations, they gradually changed from the position of putting the source of knowledge outside to the position of becoming the subject of knowledge. By collecting data by observation, and using the data to infer and structure from the point of view of celestial and heliocentric theories, students experienced in what respect science is tentative and in what respect it is not, and they could understand the nature of science. Through this process, students were able to see how they gradually began to trust their data while learning how to reason with their data. According to the results of this study, when the teacher’s question is used by stages, taking into account the characteristics of the educational content as well as the student's disposition, cognitive structure, the level of epistemology, and logical power, it can be expected that students will make progress. Therefore, even in a small program, it is necessary to properly utilize diagnostic, explanatory, and reflective questions step by step according to the characteristics of students and educational content. It will be necessary for a change in the student's thinking process.