백워드 설계 모형을 적용한 이해 중심의 초등 과학과 단원 개발

Abstract

본 연구는 백워드 설계 모형을 적용하여 이해 중심의 초등 과학과 단원을 개발함과 동시에 이를 적용하여 개발 단원의 현장 적용 가능성을 확인하는데 목적이 있다. 본 연구에서 다루고자 하는 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 1. 백워드 설계 모형을 적용한 이해 중심의 과학 단원에서 기대하는 결과는 무엇인가· 2. 백워드 설계 모형을 적용한 이해 중심의 과학 단원에서 이해의 증거는 무엇인가· 3. 백워드 설계 모형을 적용한 이해 중심의 과학 단원에서 학습 계획은 무엇인가· 4. 백워드 설계 모형을 적용한 이해 중심의 과학 단원의 적용 결과는 어떠한가· 본 연구를 위하여 백워드 설계 모형 절차에 따라 단원을 개발하고 고양시 I초등학교 5학년 32명을 대상으로 수업을 진행하였으며 과학적 개념, 과학 탐구능력, 과학적 태도에 대한 사전·사후 검사와 수업 중에 실시한 수행평가 결과를 SPSS v. 12.0을 활용하여 기술 통계 및 t-test를 실시하여 분석하였다. 단원 개발에 앞서 과학교과와 관련된 교사와 학습자에 대한 요구조사를 실시하여 과학교과에 대한 각 집단별 실태를 파악하여 연구의 방향을 설정하였다. 본 연구에서 적용한 백워드 설계 모형의 단원 개발 절차는 목표 설정, 평가 계획, 학습 계획이며 단원 개발 과정은 다음과 같다. 먼저 개발 단원의 주제인 「지구의 물」과 관련하여 현행 교육과정에 제시된 「물의 여행」단원을 분석하여 큰 개념이 부재한 목표, 수행과제가 부재한 평가, 사실적 지식 습득을 유도하는 학습 계획이라는 문제점을 확인하고 이해를 기반으로 하는 목표, 평가, 학습 계획의 단원 개발의 필요성을 확인하였다. 1단계에서는 첫째, 목표 설정을 위하여 관련 단원에 대한 내용을 지식과 기능의 영역에서 분석해보고 현상 위주의 지식과 관찰, 추리와 같은 분리된 탐구 과정의 요소를 확인하였다. 둘째, 큰 개념 중심의 국내외 교육과정 분석을 통하여 학문적 개념, 교과 목표 간의 위계, 교육과정 구성의 특징을 살펴보았다. 셋째, 「지구의 물」에 해당되는 지식을 사실, 토픽, 학문적 개념, 간학문적 개념, 일반화에 해당되는 ‘영속적인 이해’의 위계에 따라 지식의 구조로 체계화하였다. 이러한 절차에 의하여 단원에 대한 궁극적인 목표는 ‘물의 체제에 속한 개별 요소들 사이에는 역동적이고 상호의존적인 관계가 지속적으로 존재함을 문제 해결 과정을 통하여 이해한다.’로 설정하였다. 또한 기능 영역은 지식의 구조와 같이 위계에 따라 기초탐구 과정, 통합 탐구 과정, 문제해결로 구조화하고 기능의 궁극적인 목표는 ‘과학의 탐구 과정 기술을 종합적으로 활용하여 과학적으로 문제를 해결한다.’로 설정하였다. 위와 같이 설정된 목표는 목표 풀기(unpacking standard) 과정을 거쳐 목표에 도달하기 위한 이해들로써 ‘물은 상태가 변화될 수 있으나 총량은 일정하다.’, ‘물은 환경적 요소들 간의 상호작용을 통하여 변화한다.’, ‘물은 지속적으로 관리되어야 할 중요한 자원이다.’로 선정하였다. 또한 목표에 대한 영속적인 이해를 위하여 수업 중에 계속적으로 탐구를 유도하는 탐구 질문으로는 ‘물은 왜 다른 모습으로 바뀌는가·’ ‘물의 양은 상태에 따라 변화 하는가·’, ‘물의 체계는 기후와 날씨 패턴에 어떤 영향을 미치는가·’, ‘인간의 활동과 깨끗한 물은 양립될 수 있는가·’로 선정하였다. 2단계에서는 1단계에서 설정한 큰 개념을 이해했는지 확인하기 위하여 「지구의 물」단원에서 평가되어야할 평가 요소를 설명하기, 해석하기, 적용하기, 관점취하기, 감정이입, 자기지식의 여섯 가지 측면에서 분석하였다. 각 측면들은 평가될 내용의 특성과 관련이 되며 「지구의 물」단원에서의 수행평가는 적용하기 측면에서 선정하였다. 수행평가 과제는 지식과 기능에 대한 이해의 증거를 좀 더 명확하게 확인하기 위하여 2문항으로 출제하였다. 수행과제 1은 ‘물의 여행’에 대한 동화책 만들기로서 지식에 해당되는 과학적 개념 이해에 초점을 맞추었고, 수행과제 2는 ‘바닷물을 식수로 만들기’로서 탐구 과정 요소를 바탕으로 한 문제해결과정에 초점을 맞추었다. 이에 대한 채점 기준으로 수행과제 1은 물의 상태변화, 물의 순환, 보존과 유지, 산출물의 하위 요소로 구성되어 있고, 수행과제 2는 문제해결, 결과보고서, 구술발표능력, 협력학습의 하위 요소로 구성되어 있다. 수행과제는 CRESST가 제시한 절차에 의하여 개발하였고, Wiggins & McTighe가 제시한 수행과제 구성요소인 GRASPS 요소를 활용하여 과제를 진술하였다. 3단계에서는 이해를 위한 적절한 학습 계획을 세우기 위하여 WHERETO 설계 요소에 의하여 구성하였다. W요소에서는 「지구의 물」단원에 대한 사전 진단과 목표 안내, 수행과제와 루브릭을 제시하고 단원에 대한 타당성과 가치를 확인하였다. H요소에서는 「지구의 물」단원에 대한 흥미와 도전을 일으키는 도전 과제, 이슈, 실험, 역할 놀이 등을 계획하여 실시하였다. E요소에서는 일상생활과 관련된 다양한 경험의 기회를 갖게 하기 위하여 기상 현상에 대한 실험과 같은 귀납적인 학습과 과제 학습을 제시하였다. R요소에서는 학생들이 산출물과 수행에 대한 자기 평가와 피드백에 근거하여 재사고, 수정, 반성의 기회를 갖도록 하였다. E-2요소에서는 R요소와 관련하여 학생들에게 자기 평가의 기회를 주어 「지구의 물」단원에서 진정으로 이해한 것이 무엇인지를 스스로 파악하게 하였다. T요소에서는 학생들의 요구와 능력을 반영한 학습을 위하여 내용, 과정, 산출물에 대하여 개인에게 맞는 수준별 학습과 선택 학습의 기회를 제공하였다. O요소에서는 단원에 대한 영속적인 이해를 위하여 전체-부분-전체, 학습-실행-반성의 과정을 거칠 수 있도록 WHERETO 설계 요소가 모두 반영되게 조직하였다. 따라서 이러한 설계 요소를 바탕으로 「지구의 물」이라는 주제로 15차시의 학습 계획으로 조직하고 필요한 학습 자료를 개발하였다. 이상의 개발된 단원을 적용한 결과는 다음과 같다. 수행과제로 학생들의 기대하는 목표에 대한 이해 정도를 평가한 결과, 지식의 이해를 확인할 수 있는 「물의 여행」동화책 만들기에서 이해의 수준은 상 수준 53%, 중 수준 34%, 하 수준 13%의 결과를 얻었다. 또한 기능의 이해를 확인할 수 있는 「바닷물을 식수로 만들기」에서 이해의 수준은 상 수준 46%, 중 수준 36%, 하 수준 18%의 결과를 얻었다. 과학적 개념, 과학 탐구능력, 과학적 태도에 대한 사전, 사후 검사 결과는 모두 유의한 것으로 나타났다. 첫째, 과학적 개념은 검사 결과 통계적으로 유의한 차(p<.01)가 나타났다. 이러한 결과는 개발된 단원은 과학적 개념 이해에 효과가 있다고 볼 수 있다. 둘째, 과학 탐구능력은 전체적으로 향상(p<.01)되었으며 특히 관찰, 예상, 추리, 자료해석, 실험설계에서 유의한 차가 나타났다. 셋째, 과학적 태도 역시 전체적으로 향상(p<.01)되었으며 특히 호기심, 비판성, 협동성, 창의성에서 유의한 차가 나타났다. 이러한 결과는 개발된 단원이 과학적 태도에 효과가 있다고 볼 수 있다. 넷째, 수행평가 결과 채점자 간 신뢰도는 영역별로 .623~.820으로 나타났으며 수행과제 1의 경우 물의 유지와 보존의 영역에서 가장 높게 나타났고, 수행과제 2의 경우는 전체적으로 비슷한 결과를 얻었다. 본 연구에서는 이해 중심의 단원을 개발하여 적용해 봄으로써 과학 교과에서 지식과 기능의 이해가 갖는 의미가 무엇인지 확인하였다. 즉 자연 현상의 이해는 낱낱의 사실의 습득이 아니며 각각의 사실을 포함하는 보다 큰 개념 아래서 이해되어야 함을 알 수 있었다. 본 연구를 바탕으로 다음과 같이 후속 연구 과제를 제언하고자 한다. 첫째, 본 연구는 백워드 모형을 적용한 이해 중심의 과학과 단원의 개발로써 단원을 검증하기 위하여 과학적 개념, 과학 탐구능력, 과학적 태도를 검사지에 의해 사전·사후의 변화를 분석하였다. 이러한 연구방법은 개발 단원에 대한 객관적인 검증을 위하여 선택하였다. 그러나 과학 교과의 특성상 검사지로 확인 될 수 없는 영역이 존재한다. 따라서 후속 연구로 이러한 문제를 보완할 수 있는 질적 연구의 병행이 시도되길 바란다. 둘째, 본 연구는 5학년 과학 교과로 한정하여 백워드 설계 모형을 적용했지만 여러 영역이 통합된 일반 교과나 통합교과에 적용하여 학문적 개념이 통합된 단원의 개발을 시도해 볼 수 있을 것이다. 각 영역 또는 교과의 사실을 바탕으로 학문적 주제와 개념을 확인하고 각 학문의 개념을 대표할 수 있는 큰 개념을 찾아 단원을 개발하는 것은 외형적으로만 통합될 수 있는 통합교육과정의 문제점을 보완할 수 있을 것이다. 셋째, 본 연구의 주제는 ‘백워드 모형을 적용한 이해 중심의 초등 과학과 단원 개발’로서, 목표 달성 여부를 위해서는 동형 이종의 수행평가 과제가 필요하다. 그러나 연구대상 단원이 한 단원에 한정되었고, 학생들이 현 교육과정과 교과서에서 이전에 이해 중심의 수업을 받지 않았었고, 연구에서 사용한 수행평가 과제를 수행한 적이 없었기 때문에 동일한 수행평가 과제로 사전검사를 실시 할 경우, 학생들의 수행 가능성이 아주 낮았다. 또한, 수업 중에 일어나는 수행평가 과제의 성격 상, 학생들의 흥미, 관심 등에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 수행과제를 사전에 제시하지 않았다. 그러나 후속 연구에서는 기간을 한 학기, 일 년으로 늘려 잡을 경우, 단원마다 수행과제를 개발하여 수행한다면, 학생의 성장을 더 정확하게 진술할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 수행평가 과제 개발에 대한 연구가 후속으로 필요함을 밝힌다.;This research is aimed at developing understanding-oriented elementary science units based on backward design model and at the same time confirming the possibility of applying the developed unit to an actual ground. The substantial study issues this research intends to deal with are as follows: 1. In the understanding-oriented science unit applied by backward design model what is the desired result? 2. In the understanding-oriented science unit applied by backward design model what is the evidence of understanding? 3. In the understanding-oriented science unit applied by backward design model what is the learning plan? 4. What is the result of application of understanding-oriented science unit based on backward design model? For this research, subject matter unit was developed according to the process of backward design model and the class targeting 32 fifth-grade schoolchildren of an elementary school located at Goyang was conducted technical statistics and t-test was conducted to analyze the results of the prior & post test of scientific concepts, science exploration ability, and scientific attitude and also the result of the performance tasks conducted in class by using SPSS V. 12.0. .Prior to unit development, this research conducted a demand survey on teachers and learners related a science subject and set up a research objective by finding out the realities of a science subject by each group.The unit development procedures of this research-applied backward design model are objective establishment, assessment plan, and learning plan and unit development process is as follows: First, this research analyzed the unit of <Water'sTrip>suggested in the current curriculum in relation to<Water on theEarth>which is the subject matter of development unit, through which this research confirmed that there exist some problems in the existing <Water's Trip>, such as its objective absent from essential questions, assessment absent from performance tasks, and learning plan centering on inducing acquisition of factual knowledge and also confirmed the necessity of unit development including objective, assessment, and learning plan on the basis of the understanding. On the first stage, first, this research analyzed the contents of the related unit in the realm of knowledge and function to set up an objective, from which this research confirmed the separated elements of exploration process, such as phenomenon-centered knowledge and observation, and inference. Second, through the analysis of a big idea-centered curriculum home and abroad, this research took a look at the grade of ranks between science-based concept and curriculum objective, and the characteristic of the composition of curriculum. Third, this research systematized the knowledge corresponding to <Water on the Earth>into the structure of knowledge on the basis of the grade of ranks for 'enduring understanding' which belongs to fact, topic, academic concept, and inter-scientific concept. Based on such procedures, this research set up "To understand the fact that there exists dynamic, interdependent relations between individual elements belonging to nature system through the problem-solving process" as an ultimate objective of a subject matter unit. In addition, this research structuralize the realm of function into basic exploration process, integrated exploration process and problem-solving according to the grade of ranks like the structure of knowledge, and set up "To solve problems in a scientific way through the comprehensive use of exploration process technology of science" as the ultimate objective of function. To substantiate the established objective mentioned above, this research selected, through unpacking standard process, "Water can change in its condition, but its aggregate amount is constant", "Water changes through the interaction between environmental elements", and "Water is a key resource to be continuously managed" as elements of understanding. In addition, for the perpetual understanding of the objective, this research selected "Why does water change into a different phase?", "Does the amount of water change according to its condition?", "What effect does the water system have climate and weather?" , and " Is it possible for human activity to be compatible with clean water?" as essential questions inducing an continuous inquiry during class. At stage two, this research made an analysis an assessment element that should be assessed in the unit of <Water on the Earth> to confirm whether to understand the established objective in terms of six sides, such as explaining, interpreting, applying, perspective, empathy, and self-knowledge. Each side has to do with the characteristic of the contents to be assessed and the performance assessment of the unit< Water on the Earth> was made in terms of applying. As for the tasks for performance assessment, this research administered two question items to more clearly confirm the evidence of the understanding of knowledge and function. Performance assignment 1 includes making dairy tale book about <Water's Trip>, which put its focus on the understanding of scientific concepts belonging to knowledge; performance task 2 is on " Making seawater into potable water", put its emphasis on problem-solving process on the basis of inquiry process element. As a rubric for performance task 1, it consists of subordinate elements, such as change in water condition, water circulation, preservation and maintenance, while the scoring criterion for performance task 2 consists of subordinate elements, such as problem-solving, report on results, oral presentation ability, and cooperative learning. The performance assignment was developed by the procedures suggested by CRESST, and the assignment was stated by using GRASPS elements which was suggested by Wiggins & McTighe as constituent elements of performance tasks. At stage 3, this research organized the performance tasks based on WHERETO design element to set up appropriate learning plan for the understanding. In 'W' element, this research suggested prior diagnosis and objective introduction, performance tasks and rubric on the unit of < Water on the Earth> and also confirmed the feasibility and value on the unit. In 'H' element, this research planned and implemented challenge, issue, experiment, role play, etc. which arouse interest and challenging mind in the unit of < Water on the Earth>. In 'E' element, this research suggested inductive learning and task learning, such as experiment with meteorological phenomenon so that learners can get a variety of experiences related to daily life. In 'R' element, this research induced learners to have an opportunity to re-consider, correct, and reflect on oneself based on self-assessment and feedback of their production and performance. In 'E-2' element, this research tried to induce learners to find out what they really understand in the unit of < Water on the Earth> by giving an opportunity to self-evaluate themselves in relation to R element. In 'T' element, this research offered an opportunity for level-based learning and selective learning corresponding with individual levels in relation to contents , process, and outcomes for learning reflecting learners' demand and ability. In 'O' element, this research reflected all design elements in WHERETO so that learners can go through with the process of "whole-part-whole", and " learning-practice-reflection" for the perpetual understanding of the proper unit. Consequently, on the basis of such design elements, this research finally set up 15 class-time learning plan on the subject < Water on the Earth>. The result of the application of the developed unit mentioned above is as follows: As a result of assessing the schoolchildren’s understanding level concerning the expected objectives from them, there appeared 53% upper level, 34% middle level, and 13% lower level of the understanding in making a fairy tale book on “Water’s Trip” which is a measure to confirm their understanding of knowledge. In addition, as for the level of the understanding in “making potable water from seawater”, which is a barometer to confirm their function, there appeared 46% upper level, 36% middle level and 18% lower level. Both the pre & post examination results of scientific concept, science inquiry ability, and scientific attitude appeared significant. The result of applying the developed unit above mentioned is as follows: First, there appears a statistically significant difference[p<.01] in scientific concepts as a result of test. Such a result shows that the developed unit is helpful to the understanding of scientific concept. Second, Science inquiry ability was also promoted[p<.01] on the whole; particularly, there appears a significant difference in observation, forecasting, inference, interpretation of data, and experiment design. Such a result proves that the developed unit is efficient in scientific attitude. Third, scientific attitude is also promoted[p<0.1] on the whole; particularly there appears a significant difference in curiosity , critical mind, cooperative mind, and creative mind. Such a result proves that the developed unit is efficient in scientific attitude. Fourth, it was found out that confidence between scorers was .623~.820 as a result of performance assessment and in case of performance assignment 1, the confidence stayed highest in the realm of maintenance & preservation of water; in case of performance task 2, there came out a similar result on the whole. This research confirmed what the meaning of the understanding of knowledge and function in science subject is by developing and applying the understanding-centered unit. In short, it can be said that the understanding of natural phenomenon is not the acquisition of detailed facts; rather, natural phenomenon should be understood at a viewpoint of a bigger idea including individual facts. On the basis of this research, this researcher proposes a follow-up research subject as follows: First, this research made an analysis of before-the-fact & after-the-fact change of scientific concept , science inquiry ability and scientific attitude using a test paper in order to verify the unit with the development of the understanding-oriented science and unit by using backward design. Such a research method was selected to make objective verification of the developed unit. However, due to the nature of science subject, there exists a realm that cannot be confirmed by a testing paper. Therefore, this researcher hopes that qualitative research will go side by side with a follow-up research work to make up for such problems. Second, this research was limited to the science subject for the fifth grader in its application of backward design model, but this researcher believes that it might be possible to develop a unit .in which scientific concepts are integrated, by applying this design model to the general subject that is integrated with several realms or an integrated subject. On the basis of the facts lying in individual realm or subjects, to confirm scientific theme and concept and to develop a unit in pursuit of broader concepts that can represent the concept of individual sciences will be a way to make up for the problems of integrated curriculum which can be integrated physically in reality. Third, the theme of this research is “ Understanding-oriented Elementary Science & Unit Development with the application of Backward Model” however, there needs to be the performance tasks of the same type but different kind to for whether to achieve objective or not. Considering, in its fullest sense, the fact that the number of the units of this research target was limited to only one unit, and that children have never taken “understanding-directed” lessons in the current curriculum and textbooks, and neither have they carried out tasks for performance assessment used in this research, it was quite natural that there appeared very low possibility of children’s performance in case pre-examination was conducted using the same tasks for performance assessment. Besides, it could have an effect on schoolchildren’s interest and concern due to the nature of the task for performance assessment occurring during class. That’s why this research didn’t suggest performance tasks in advance. However, in case the period for performance assessment should be extended to one semester or one year in later research work and the assessment should be carried out by developing performance tasks by unit, it would be possible to state children’s learning growth more accurately. Conclusively, this research argues the necessity of the follow-up research work on the task development for performance assessment.