1.연구의 필요성 및 목적
과학교사의 과학교과교육학에 대한 지식은 과학 내용 지식,학생에 대한 지식, 과학과 교수학습방법에 대한 지식 등이 있다(Ball& McDiarmid,1990;Carlsen, 1987;Tobin & Garnett,1988).교사가 과학 내용 지식에 대한 이해가 부족하게 되면 교사 자신의 과학교과교육학 지식의 발달에 저해가 되고(임청환,1999;
Shulman,1987),과학교수활동에 부담과 어려움을 느끼게 되어 학생들의 과학 학 습 과정과 결과에도 좋지 않은 영향을 미치게 된다(이재천 등,1997).
실제 우리나라의 많은 교사들이 과학 내용 지식의 부족으로 인하여 과학과 수 업에서 어려움을 겪고 있으며(윤혜경,2004;이수아 등,2007;이재천 등,1997;
최선영과 노석구,2008),전지를 사용하는 실험들에서도 교사들의 과학 내용 지식 의 부족으로 과학수업에서 어려움을 겪고 있다.그 예를 살펴보면,‘전류가 흐르 는 전선 주변에 나침반 자침의 각도 변화 관찰이 어렵다’,‘전자석의 에나멜선의 감은 수를 달리해도 전자석이 세지지 않는다’,‘전자석 주위에 철가루 관찰이 어 렵다’,‘전지를 직렬연결하여도 전자석의 세기가 세지지 않는다’등으로 나타난다 (강진필,2004; 박종욱과 김선자,1996; 윤혜경,2004; 이미경,2007; 정수현, 2005).이처럼 전지와 관련된 실험수업에서는 실험결과가 ‘예상과는 다르게’,‘명 확하지 않게’,‘이론과는 다르게’나타나는 현상이 발생한다.이러한 문제들이 발 생하는 경우 초등교사들은 관련 과학지식의 부족으로 인하여 적절히 대처하지 못하고 있으며(윤혜경,2004;이미경,2007;이수아 등,2007),이런 현상들의 원인 을 실험도구의 불량이나 전지 수명의 차이 등 실험상의 오류로만 간주하여 왔다 (강진필,2004; 김양균,2002; 박종욱과 김선자,1996; 이미경,2007; 정수현, 2005).그러나 이러한 문제들의 원인들을 현장 초등교사들이 주장해 온 불량한 실험상의 오류에서 찾기보다는 실험의 구조적인 면이나 방법적 면에서 그 요인 을 찾아야 할 것이다.
최근 현동걸 등(2011a,2011b)은 전류와 자기장 관련 실험수업에서 나타나는
문제들은 전선에 흐르는 전류의 크기가 너무 작기 때문에 발생한다는 것을 밝혔 다.즉,전류의 크기가 너무 작아 전선 부근에 놓인 나침반의 자침의 변화를 관 찰할 수 없으며,또한 전자석에서는 충분한 개수의 핀을 끌어당길 수 없다는 것 이다.그리고 보다 큰 자기장을 형성시키기 위하여 전지를 직렬연결하여 그 수를 증가시키는 경우에도 전류의 크기가 크게 변하지 않아 ‘예상하는 실험결과’를 얻 기 어렵다는 것이다.이처럼 전류의 크기가 충분하지 못하고 또한 전지를 직렬연 결하여도 전류의 크기가 크게 변하지 않는 것은 전지를 전력원으로 하는 전기회 로에서 전류의 크기는 전지의 연결방법,전지의 기전력,연결하는 전지의 수,전 지의 내부저항의 크기,부하저항의 크기,그리고 두 저항의 상대적 크기에 의하 여 결정되기 때문이다(현동걸,2010).
우리나라에서 과학과 교육과정에서 전지의 연결에 대하여 학습된 개념은 ‘전지 를 직렬연결하면,전류는 증가한다.그리고 전지를 병렬연결하면 전지수에 상관 없이 전류은 일정하다’라고 정리할 수 있다.그러나 현동걸과 박상우(2012)는 전 구를 사용하여 부하저항이 내부저항보다 큰 회로의 경우에서는 전지의 연결방법 에 따른 전류의 특성은 지금까지 과학과 교육과정에서 학습되어 온 내용과 일치 하지만,전구를 사용하지 않아 부하저항이 내부저항보다 작은 회로의 경우 내부 저항의 영향이 크게 작용하여 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성은 지금까지 과학과 교육과정에서 학습되어 온 내용으로는 설명할 수 없다고 하였다.따라서 현동걸(2010)은 전지관련 실험 수업에서 나타나는 문제를 바르게 인식하고 해결 하기 위해서 지금까지 과학과 교육과정에서 다루어지는 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 개념의 확장을 제안하였다.
신애경 등(2012a,2012b)이 현동걸(2010)이 제안한 전지의 연결방법에 따른 전 류의 특성에 대한 초등교사들의 이해도를 조사한 결과,전지의 내부저항을 인식 하는 교사와 전선을 저항으로 인식하는 교사의 비율이 매우 낮았다.그리고 교육 과정에서 학습한 부하저항이 전지의 내부저항보다 큰 영역에서의 이해도는 비교 적 높은 반면 지금까지 교육과정에서 다루어지지 않은 부하저항이 전지의 내부 저항보다 작은 영역에서의 이해도는 매우 낮았다.전지관련 실험수업에서의 문제 를 이해하기 위해서는 현동걸(2010)이 제안한 전지의 연결방법에 따른 전류의 특 성에 대한 이해가 필수적이나 이에 대한 초등교사들의 이해도가 매우 낮으므로,
초등교사들을 대상으로 하는 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해 도 향상 프로그램이 필요하다.
따라서 이 연구에서는 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해도를 향상시킬 수 있는 프로그램을 개발하고 적용한 후,초등교사들의 이해도의 변화 를 알아보고자 한다.
2.연구내용
초등교사들의 전지의 연결 방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해도를 향상시 키기 위하여 연구내용을 다음과 같이 두 가지로 요약할 수 있다.
1)전지의 연결방법과 전류의 특성 이해도 향상 프로그램을 개발한다.
전지관련 실험수업에서의 문제를 이해하기 위해서는 현동걸(2010)이 제안한 전 지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해가 필수적이나,신애경 등(2012a, 2012b)의 연구에 따르면 초등교사들의 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해도는 낮았다.따라서 이 연구에서는 전지의 연결방법에 따른 전류의 특 성에 대한 이해도를 향상시킬 수 있는 프로그램을 개발하고자 한다.
2)전지의 연결방법에 따른 전류의 특성 이해도 향상 프로그램을 적용한 후 그 효과를 알아본다.
전지의 연결방법에 따른 전류의 특성 이해도 향상 프로그램을 초등교사들에게 적용한 후 그 효과를 두 가지 측면에서 살펴보고자 한다.두 가지 측면은 양적 개념 이해도 변화인 이해상태의 변화와 질적 개념 이해도 변화인 이해수준의 변 화이다.문항별 분석에서는 각 교사별로 이해도 변화가 어떻게 일어났는지 확인 할 수 없으므로,교사별 프로그램 적용 효과도 살펴본다.
3.용어의 정의
1)학습개념(learning concept)
이 연구에서는,전구가 연결된 전기회로와 같이 부하저항이 전지의 내부저항보 다 큰 전기회로에서 ‘직렬연결하는 전지의 수가 증가할수록 전기회로에 흐르는 전류의 크기는 증가하다가 일정해지며,병렬연결하는 전지의 수에 관계없이 전류 가 거의 일정하다’는 것을 과학교육에서 학습되어 온 전지의 연결방법에 따른 전 류의 특성에 대한 교과서 학습개념(textbook learning concept,이하 학습개념이 라고 표현함)이라고 정의한다.학습개념(learning concept)은 우리나라뿐만 아니 라 세계 여러 나라의 과학교육에서 학습되어야 할 전지의 연결방법에 따른 전류 의 특성이다(교육과학기술부,2007a,2007b;교육인적자원부,2002a,2002b;이광 만 등,2007;이성묵 등,2002,2009,2012a;장준성 등,2010;채광표 등,2010;
Lee,2007;Grace등,2008;相場博明 등,2011a,2011b).
2)분화개념(differentiatedconcept)
이 연구에서는,전선만으로 연결된 전기회로와 같이 부하저항이 전지의 내부저 항보다 작은 전기회로에서 ‘직렬연결하는 전지의 수가 증가하여도 전기회로에 흐 르는 전류의 크기는 거의 일정하며,병렬연결하는 전지의 수가 증가할수록 전류 의 크기는 증가하다가 일정해진다’는 것을 ‘분화 개념(differentiatedconcept)’이라 고 표현하였다.이 연구에서 ‘분화(differentiated)’라는 의미는 Ausubel(1979)의 유의미 학습 이론의 원리 중 점진적 분화의 원리(ProgressiveDifferentiation)에 서 사용된 ‘분화’와 조희형(2007)의 개념학습의 목적에서 언급한 ‘개념 분화과정 을 통한 선행개념의 분화’에서 사용된 ‘분화’의 의미와 부합한다.Ausubel(1979) 과 조희형(2007)이 사용한 ‘분화’의 의미는 개념이 상세화 또는 세분화되는 과정 을 의미하며,이 연구에서는 부하저항과 전지의 내부저항의 상대적인 크기를 기 준으로 부하저항이 전지의 내부저항의 크기보다 큰 영역인 학습개념과 부하저항
이 전지의 내부저항보다 작은 영역인 분화개념으로 개념이 상세화 또는 세분화 되는 것을 의미한다.
3)개념 이해도
이 연구에서 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 이해도는 양적 이해 도인 ‘이해상태’와 질적 이해도인 ‘이해수준’으로 구분하였다.여기서 양적 개념 이해도인 ‘이해상태’는 검사도구의 점수를 의미한다.그리고 질적 개념 이해도인
‘이해수준’은 검사도구 문항의 답을 선택한 이유를 분석한 결과로,전지의 연결방 법에 따른 전류의 특성을 이해한 수준을 의미한다.
4.연구의 제한점
이 연구의 제한점은 다음과 같다.
첫째,전지의 연결방법에 따른 전류의 특성 개념변화 프로그램을 개발하고 적 용하여 개념변화를 살펴보는 연구에서 연구대상자들이 초등교사들을 대표하기 어렵기 때문에 일반화에 한계가 있다.
둘째,프로그램을 통한 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 초등교사 들의 이해도 향상은 사전사후 검사지와 워크시트 작성 내용으로 제한하여 분석 하였다.또한 연구의 여건상 지연검사를 실시하지 못하였으므로 프로그램 수행에
둘째,프로그램을 통한 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 초등교사 들의 이해도 향상은 사전사후 검사지와 워크시트 작성 내용으로 제한하여 분석 하였다.또한 연구의 여건상 지연검사를 실시하지 못하였으므로 프로그램 수행에