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과학교육학 학위논문 요약과 종합해설
비일상적 상황의 무중력과 상대성이 도입된 구조화된 대비활동을 통한 중학생의 힘과 운동 개념 변화
박사학위 논문초록
대비적 토론과 비일상적 상황 관찰 및 교량적 실험 등 세 단계로 구성된 대비활동을 관성, 운동의 상대성 등의 개념마다 개별적으로 수행하게 하고, 이를 토대로 충격에 의한 운동변화와 힘 개념을 관련시켜 학생들이 뉴튼 역학적 힘과 운동 개념을 체계적으로 이해할 수 있도록 계열적으로 대비활동을 수행하는 구성주의적 개념변화 학습지도 모형을 구안하였다. 이 모형에 따라 계획된 중학교 1학년 과학 교과의 ‘힘과 운동’ 단원을 실제 수업에 적용하여, 구안된 모형의 타당성을 조사하였다.
연구 대상은 서울 지역 중학교 1학년 4개 남녀 혼성 학급 160명이며, 학생들의 학업성적 분포는 학급간에 유의한 차이가 없었다. 이 학생들에게 각 개념별 학습 영역마다 선개념에 대한 사전검사를 하고, 대비활동의 각 단계를 수행한 후 개념의 변화를 알아보기 위한 검사를 실시하였다. 이러한 과정을 통하여 수집된 검사에 대한 응답을 분석하여, 학생들의 개념 변화과정이 구안된 모형에서 기대하는 결과와 일치하는지 조사하였다.
관성 개념 변화를 위하여 비일상적 상황으로서 인공 위성 내부의 무중력 상황을 도입하는 사전 연구 결과, 단지 이러한 활동만으로는 학생들의 인지갈등을 일으키기에 충분하지 못하여 학생들의 개념 변화가 잘 이루어지지 않았다. 그러나, 대비활동을 수행한 결과, 선개념이 비일상적 상황에서도 성립함을 보이려는 학생의 보조가설과, 과학적 개념이 일상적 상황에서도 성립함을 보이려는 과학적 보조가설을 대비시켜 토론하게 하는 대비적 토론을 마친 후, 학생들은 자신의 생각을 바꾸거나 유지하는 근거로 대비적 토론에서 두 토론자가 제시한 개념과 그에 따른 보조가설을 인용하게 되었다. 이러한 토론은 학생들에게 현상을 관찰하는 관점을 제공하여, 그 다음에 수행된 인공위성 내부의 무중력 상황을 도입한 비일상적 상황 관찰 후에는 대부분의 학생들이 과학적 관점을 지지하였다. 교량적 실험 활동 후, 이 학생들의 일부는 실험 결과를 잘못 해석하여 선개념으로 되돌아갔으나, 다른 학생들은 실험이 교량적 역할을 하여 과학적으로 변화된 생각을 유지하였다. 그렇지만, 대비 활동 후 에어트랙과 무중력 영상자료를 이용하여 교사가 관성의 법칙에 대하여 설명하고 난 후에는, 대부분의 학생들이 관성의 법칙을 이해하게 되었다.
운동의 상대성에 대한 사전 연구 결과, 학생들이 지면 기준 관측계만 인정하므로 운동과 정지를 구분해서 생각하는 경향이 있어서, 운동의 상대성을 전혀 고려하지 못하였다. 그러나, 대비활동을 수행한 결과, 지면을 기준으로 관측할 수 없는 극한적인 상황에서는 운동이 상대적으로 관측될 수밖에 없다는 대비적 토론 내용을 근거로 하여 많은 학생들이 운동의 상대성을 인정하게 되었다. 그 후, 컴퓨터 모의실험과 영상자료를 이용한 비일상적 상황 관찰과, 시야를 좁혀 물체의 운동을 관찰하는 교량적 실험 활동을 수행하여 대비적 토론 내용을 직접 경험한 후에는 거의 모든 학생들이 운동의 상대성을 이해하게 되었다.
충격에 의한 운동 변화를 학습하기 위하여 대비활동을 수행한 영역에서는, 사전검사 결과 많은 학생들이 물체에 가해진 충격에 의한 운동변화를 설명하는데 관성의 법칙을 잘 적용하지 못하였다. 그러나, 대비활동을 수행한 다음에는 학생들이 관성 개념을 적용하여 물체의 운동변화를 설명할 수 있게 되었고, 또한 연속적 충격이 가해지면 물체의 운동변화가 지속적으로 이루어진다는 점을 잘 이해하게 되었다. 그럼에도 불구하고, 학생들의 설명은 여전히 부분적으로 임페투스적 선개념에 바탕을 두고 있어서, 이러한 임페투스적 선개념은 관성의 법칙과 운동의 상대성을 학습하였음에도 불구하고 쉽게 바뀌지 않는다는 것을 확인하였다. 이들에게 연속적 충격을 뉴튼 역학적 힘의 의미로 생각하도록 제시하고 이를 일상적 힘의 의미와 비교하게 한 결과, 대부분의 학생들이 임페투스적 힘 개념과 뉴튼 역학적 힘 개념의 차이를 이해하게 되었다.
대비활동의 개념별 적용은 관성, 운동의 상대성 등 단위 개념 변화에 기여하였으며, 대비활동의 힘과 운동 단원에 대한 계열적 적용은 학생들이 임페투스적 힘과 운동 개념이 가진 한계를 인식하여 뉴튼 역학적 개념으로 변화되게 하는데 기여하였으므로, 구안된 힘과 운동 개념에 대하여 구조화된 대비활동에 따른 개념변화 학습지도 모형은 의미있다.
주요어: 구성주의, 개념변화, 비일상적 상황, 대비활동, 무중력 상황, 운동의 상대성, 뉴튼 역학
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오 원 근
1998년 2월
서울대학교 대학원 과학교육과 물리전공
지도교수 박승재
첨부
1998년도 교육학 박사학위 논문-초록[1].hwp
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