"과학문화교육"

2006-02-25 (Vol 3, No 2)

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과학교육학 학위논문 요약과 종합해설

정량적 물리개념에 대한 어림활동과 측정활동이 문제해결 과정에 미치는 영향

(학위 논문 초록)

본 연구의 목적은 학생들이 정량적 물리 개념에 대하여 어림활동과 측정활동을 하였을 때 나타나는 문제 해결 과정의 변화를 조사하고, 그 과정에서 어림활동과 측정활동이 어떤 역할을 하는지 분석하는 것이다.

본 연구에서는 밀도, 속력, 에너지에 대한 외부 세계의 경험을 정량화하는 어림활동과 측정활동 방안을 고안하고 안내지를 개발하여 중학교 1학년 192명과 3학년 140명의 학생들을 지도하였다. 1학년은 밀도와 속력에 대하여 각각 4시간씩, 3학년은 에너지에 대하여 총 4시간 수업을 실시하였다. 어림활동과 측정활동의 수업 방식은 모두 조별 실험 후 토의 방식이었다. 학생들을 두 집단으로 나누었는데, ‘어림먼저반’은 어림활동을 한 후 측정활동을 하였고, ‘측정먼저반’은 활동 순서를 반대로 하였다. 어림먼저반에서 어림활동을 하고 난 후를 ‘어림한반’, 측정먼저반에서 측정활동을 하고 난 후를 ‘측정한반’이라고 하였다. 각 활동이 학생들의 어림 능력, 측정 능력 및 문제 해결 과정에 미치는 효과를 보기 위하여 선택 후 설명식의 지필 평가 문항들을 개발하여 투입하였다. 학생들의 문제 해결 과정은 개념 이해력, 해답 예측 과정에서 개념을 적용하는 능력, 계산력, 그리고 반성으로 나누어 분석하였다. 이와 함께 1학년 학생 6명을 추출하여 어떻게 문제를 풀었는지 면담을 하였고 어림 및 측정활동 과정을 녹음하여 분석함으로써 정량적 연구 방법과 더불어 질적 연구 방법을 병행하였다.

문제에 관련된 개념의 이해 정도의 변화를 평가한 결과, 어림한반과 측정한반 모두 비슷하게 향상하였다. 그러나 어림한반과 측정한반 각각 30명의 설명 유형에 대한 계통도 분석 결과를 통해 정성적인 설명을 하는 학생 수는 어림한반에서 늘어나는 반면, 관계식을 이용하여 설명하거나 에너지 손실을 이해하는 학생 수는 측정한반에서 늘어나는 경향을 볼 수 있었다. 문제의 해답을 예측하는 과정에서 개념을 적용하는 능력을 평가한 결과 어림한반 학생들의 점수만 유의미하게 향상하였으며 근거 있고 타당하게 예측을 하는 설명 유형도 더 많이 늘어났다. 문제 계산력은 두 집단 간에 큰 차이가 보이지 않았으나, 반성 과정을 보았을 때 어림한반에서 실제 경험이나 예상 결과와 비교하여 반성하는 경우가 더 많아졌다. 면담 분석 결과도 위의 결과들을 뒷받침하였다.

사례적 분석 결과, 학생들은 어림활동 중에 밀도 값을 실세계에 관련지어 생각해 보거나 다양한 물질의 밀도를 추측해 보는 것을 통하여 밀도, 질량, 부피 사이의 관계를 이해하게 되었다. 이와 같은 개념 이해 과정은 학생들이 밀도 관련 문제에 대면하였을 때 그 문제의 뜻을 이해하고, 문제의 답을 타당하게 예측하는데 도움을 주었다. 방정식 풀이를 잘 못하는 학생들은 계산을 할 때 자신의 예측과 일치하는 방향으로 식을 나름대로 세워 답을 계산하였다.

학생들의 어림활동과 측정활동 과정을 녹음 분석한 결과, 어림한반에서는 밀도의 범위, 밀도를 어림하는 다양한 방법에 대한 토론, 부피와 질량 사이의 관계에 대한 이해, 계산의 연습 등이 이루어졌다. 어림한반 학생들은 외부에서 제시된 자료가 불충분하여도 자신들이 알 수 있는 정보를 토대로 예측을 하였다. 반면 측정한반 학생들은 측정활동을 통하여 유효숫자나 측정 오차에 대한 경험을 하였으며 측정을 하기 위해 필요한 다양한 기능과 지식을 토의 과정을 통해 학습하였다. 측정한반 학생들은 측정 결과에 대하여 논의하는 시간이 매우 짧았고 측정하고 있는 개념에 대한 토론도 거의 이루어지지 않았다.

어림활동과 측정활동 중에서 한 가지만 실시하였을 때 보다 두 가지 활동을 모두 하였을 때 학생들의 어림능력, 측정능력, 개념적용력, 계산력이 향상하였는데, 예외적으로 개념 이해는 한가지 활동만 했을 때와 두가지 활동 모두 했을 때의 성취도가 별로 다르지 않았다. 그 중에서 어림 능력과 단위 능력 및 예측 과정에서 개념을 적용하는 능력은 어림 활동을 통하여 유의미하게 향상하였다. 그리고 눈금 읽기 능력은 측정 활동으로 향상하는 경향이 있었다. 어림활동과 측정활동은 순서를 달리하여도 그 효과가 비슷하였는데, 예외적으로 예측 과정에서 개념을 적용하는 능력과 에너지 계산능력은 어림활동 후 측정활동을 하는 것이 그 반대의 경우보다 효과적이었다.

결론적으로, 어림활동은 측정활동에 비하여 학생들이 정량적인 개념을 경험적인 세계와 관련지어 이해하도록 도왔으며, 이러한 이해를 바탕으로 학생들이 관련 문제들을 산술적으로만 푸는 것이 아니라 경험 세계와 관련지어 해답을 예측하고, 자신의 계산 결과를 반성하는 등의 태도를 가질 수 있도록 도왔다. 이에 비해 측정활동은 관련 개념의 이해나 문제 해결과정보다는 측정 도구를 사용하고 측정의 오차와 관련된 직접적인 경험을 할 수 있도록 도왔다.

본 연구는 중학교에서 정량적으로 다루는 추상적인 물리개념에 대한 어림활동이 문제 해결과정에 영향을 준다는 것을 밝힘으로써 중학생들이 물리 개념을 이해하여 적용하는 데 어림활동이 필요함을 보였으며, 측정활동은 학생들이 물리량을 실제적으로 측정하고 측정 오차를 경험해 보도록 돕는 다는 것을 보였다. 따라서 학생들이 정량적인 물리개념을 충분히 이해하고 실제 문제 상황에서 적용하도록 하기 위해서는 측정활동과 어림활동을 병행하여 실시해야 함을 시사한다.

주요어: 어림, 측정, 문제해결, 개념이해, 예측, 정량적 물리 개념, 개념적용, 계산, 반성
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1999
서울대학교 교육학 박사학위
지도교수: 박 승재

첨부
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서정아

과학문화교육연구소