Comprehensive Comparison of NGSS and KSES and Analysis of Physics Content Elements of Performance Expectations Based on the TIMSS Science

http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.69.916

Comprehensive Comparison of NGSS and KSES and Analysis of Physics Content Elements of Performance Expectations Based on the TIMSS Science

Framework

Hyojoon Kim · Jinwoong Song

Department of Physics Education, Seoul National University, Seoul 08826, Korea (Received 12 July 2019 : revised 31 July 2019 : accepted 02 August 2019)

In preparation for a changing future society, the frameworks of science education have changed in many countries. The Next Generation Science Standard (NGSS) was announced in the U.S. in 2013, and the Korean Science Education Standard (KSES) was developed in 2019. In this study, we examined whether the KSES can be used to provide future national science curriculum guidelines and looked for ways to achieve successful implementation. Macroscopically, the orientation of the KSES might be identified through similarities and differences in objectives and systems by comparing it with the NGSS. Microscopically, based on the Science Framework of TIMSS 2019 (8th grade) which is an international comparative achievement assessment, the physics content elements extracted from both standards were compared and analyzed. In addition, by considering the strategies and processes that have been carried out to implement the NGSS, we explored specific requirements for the implementation of KSES.

PACS numbers: 01.40.−d, 01.40.E−, 01.78.+p

Keywords: Next generation science standard (NGSS), Korean science education standard (KSES), TIMSS Science framework, Discipline core ideas, Knowledge performance expectation, Physics contents

미국 차세대과학교육표준 (NGSS)과 한국 미래세대과학교육표준(KSES) 의 종합적 비교와 TIMSS Science Framework 준거를 통한 수행기대의 물리 내용 요소 분석

김효준 · 송진웅

서울대학교 물리교육과, 서울 08826, 대한민국

(2019년 7월 12일 받음, 2019년 7월 31일 수정본 받음, 2019년 8월 02일 게재 확정)

변화하는 미래사회를 대비하여 여러 나라에서는 과학교육의 프레임 변화가 일어나고 있다. 이러한 맥락에 서 2013년 미국 차세대과학교육표준(NGSS)이 발표되었고, 우리나라에서도 2019년 미래세대과학교육표 준(KSES)이 개발되었다. 본 연구에서는 KSES가 향후 미래 사회 국가 과학 교육과정 가이드라인으로서의 위상을 갖추었는지 점검하고, 성공적인 정착을 위한 방안을 모색해보았다. 먼저 거시적 접근으로 NGSS 와의 비교를 통해 각 표준의 배경, 제시된 목표, 체제의 유사점과 차이점 및 각 표준이 지향하고 있는 바를 살펴보았다. 미시적으로는 국제비교 성취도 평가인 TIMSS 2019의 Science Framework(8학년)를 준거로 NGSS와 KSES의 해당 학년 단계의 물리 분야 내용 요소를 추출하여 비교하였다. 마지막으로, NGSS

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의 실행을 위해 실시되었던 전략과 방안들을 통해 KSES의 실행과 정착에 필요한 사항들을 구체적으로 살펴보고, 시사점을 도출하였다.

PACS numbers: 01.40.−d, 01.40.E−, 01.78.+p

Keywords: 미국 차세대과학교육표준 (NGSS), 한국 미래세대과학교육표준 (KSES), TIMSS Science Framework, 교과핵심아이디어, 지식차원 수행기대, 물리 내용 요소

I. 서 론

1. 연구의 필요성과 목적

OECD(2003)는 21세기 사회에서 개인의 성공적인 삶과 사회의 발전에 요구되는 핵심역량을 규명하기 위해 DeSeCo 프로젝트를 추진하여 핵심역량을 설정하였다 [1]. 여러 나 라에서 역량을 중심에 둔 교육과정 개편의 변화가 시작되었 고, STEM(과학, 기술, 공학, 수학) 분야의 융합을 강조하면 서 과학교육의 새로운 프레임을 만들어가고 있다. 세계적 추세에 발맞추어 개별 국가들의 과학교육 목표는 공동의 지향점을 향하고 있으나, 동시에 각 국가에서 개발되는 과 학교육의 프레임은 개발의 주체, 과정, 내용, 구성 등에서 상이한 측면들도 있다. 2013년 미국에서는 차세대 과학교 육표준(Next Generation Science Standards, 이하 NGSS) 이 발표되었고, 우리나라에서는 2019년 미래세대 과학교육 표준 (Korean Science Education Standards, 이하 KSES) 이 개발되었다. 현재 우리나라의 과학교육은 미래사회에서 요구되는 인재를 육성하기 위한 과학 교육과정의 변화가 지 속적으로 진행 중이다. 2009 개정 교육과정과 2015 개정 교 육과정이 개발되면서 융합과 핵심역량을 강조해오고 있고, 향후 30년의 장기적인 안목으로 미래세대 과학교육표준인 KSES가 개발되었다 [2]. 우리나라의 경우 국가 과학교육과 정을 통해 교육의 중점 목표, 교과의 내용 체계와 성취기준 등이 결정된다. 이러한 맥락에서 KSES는 앞으로의 국가 과학교육과정의 방향과 내용을 결정짓는 데 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다. 따라서 KSES를 이미 개발된 NGSS 와 비교하고, NGSS의 실행 선행 사례를 살펴보는 것은 향 후 KSES의 실행과 정착에 대한 실천적 시사점을 줄 수 있 을 것이다. 또한, 국제적 기준에 의거하여 두 표준을 비교 분석해봄으로써 미래세대를 위한 표준으로서의 요건을 점 검하고 향후 발전을 위한 토대를 마련할 수 있을 것이다.

2. 연구 문제 및 개요

본 연구를 관통하는 연구 문제는 KSES가 향후 미래사 회 국가 과학교육과정 가이드라인의 위상을 확립하기 위해

∗E-mail: [email protected]

미래세대를 위한 과학 교육 표준으로서의 요건을 갖추고 있는지 살펴보고, 성공적인 정착을 위한 방안을 탐색해보는 것이다. 이를 위해, NGSS와의 거시적 비교와 미시적 비교 를 통해, KSES의 실행과 정착을 위한 시사점을 도출하고자 하였다.

먼저 거시적 접근으로 각 표준이 만들어진 배경과 목적, 체제와 구성의 비교를 통해 지향하는 목표와 강조점 및 각 각의 특징들을 비교해보았다. 이를 통해 KSES의 기존 표 준에 대한 보완점 반영 여부와 KSES가 지향하는 바를 파악 하고자 하였다. 미시적 비교에는, 국제 비교 성취도 평가로 사용되는 TIMSS 2019의 Science Framework(8th grade) 를 비교 준거로 하여, KSES와 NGSS가 제시하는 해당 학년 단계의 물리 분야 내용 요소를 비교하고, KSES가 미래세 대 과학표준으로서 고려해야 할 사항에 대해 논의하였다.

또한, 미국에서 NGSS의 실행을 위해 제시되고 실천되었던 방안들을 통해 KSES의 실행에 있어 필요한 전략들이 무엇 인지 살펴보았다. 마지막으로 이러한 종합적 비교를 통해 KSES의 성공적인 실행과 적용 및 향후 발전 방향에 대한 시사점을 도출하였다.

II. NGSS와 KSES의 거시적 비교: 배경, 목표 및 체제와 구성

1. NGSS와 KSES의 배경과 진행 과정

NGSS의 본격적인 시작은 2010년 뉴욕 카네기협회에서 주 (states) 정부들의 결의로 출발하여, ‘Next Generation Science Standards For States, By States’ 개발에 대한 투 자가 결정되고, 2013년에 완성되었다 [3]. 미국에서 당시의 과학교육은 학생성취기대를 국가과학교육표준 (National Science Education Standard, NSES) [4]과 Benchmarks for Scientific Literacy [5]를 기반으로 결정하였는데, 이러 한 기존의 과학교육표준은 탐구와 교과 내용 기준을 분리시 켜 다뤄왔다. 결과적으로 평가는 내용 중심적으로 흘러갔 고, 과학교육 개혁은 이러한 점을 개선하기 위한 노력이었다 [6]. 주 정부 수준의 협력 체제 속에서 개발되었던 NGSS 는 과학교육의 질을 개선하고자 하는 목적을 가지고, 26 개 주 공립학교 전체의 58%를 대표하는 주의 참여로 시작

되었다. 즉, NGSS는 NSES(1996) 과 다르게 주 정부들의 요구에 따라 만들어졌고, 표준의 성공적인 실행을 목표로 하였다 [6]. 2012년 NRC(National Research Council) 에 의해 ‘Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas’ [7]가 완성된 후에 NGSS의 개발이 진행되었다. NGSS는 ‘Framework for K- 12’를 바탕으로 적은 양의 교과 핵심 아이디어(disciplinary core ideas), 과학 공학 실천(science and engineering prac- tices), 관통개념(crosscutting concepts)의 세 가지 차원을 제시하였고, 이 세 차원을 통합한 수행기대 (performance expectation)를 개발하였다. 개발 단계에는 40여명의 저자 ((K-12 교육자 (교사, 관리자), 교수 (예술, 과학, 교육계), 주정부의 과학 담당자, 과학자, 공학자, 연구자 등) 가 참여 하였고, NRC의 공개적 검토와 주정부의 적극적인 협조로 다양한 피드백을 받았으며, 이러한 피드백 과정을 통해 공 학적 부분의 추가가 유지될 수 있었다 [3].

NGSS의 출발과 개발 기간에 대한 배경을 좀 더 살펴보면, NGSS의 출발은 이미 오래전부터 이루어졌다고 할 수 있 다. 미국에서는 ‘Project 2061’(1989)을 기반으로 ‘Science for ALL Americans’(1990) 와 ‘Benchmarks for Scientific Literacy’(1993)을 거치며 미래세대 과학교육 목표가 오래 전부터 정립되었고, 과학교육을 위한 노력이 지속되어 오는 과정에서 NSES(1996) 가 개발되었다. 이처럼 오랜 기간 과학교육의 목표가 공유되면서 과학교육표준이 개발되었 지만, 기존의 과학교육표준에서 ‘탐구’와 ‘지식’이 분리되었 던 점이 보완될 필요가 있었다. 이러한 흐름과 요구에 따라 NRC가 2011년 Framework 보고서를 발표하였고, 이를 바 탕으로 학교 교육에서의 실행과 적용을 위한 NGSS가 2013 년 개발되었다. 다시 말해, NGSS는 약 30여년의 기간에 걸쳐 정립된 미래 과학교육목표를 바탕으로, 2년간의 기본 틀 작업과 2년간의 수행기대 개발 작업 등을 거쳐 개발된 미국의 차세대를 위한 과학표준인 것이다.

이와 비교하여 KSES의 개발은 2013년 NGSS의 발표 이 후 촉발되었으며, 한국과학창의재단이 교육부와 함께 추진 한 국가 주도 사업의 형태로 시작하였다. 2014년 미래세대 를 위한 한국형 과학교육표준의 개발을 목표로 한 과학교 육표준 마스터플랜 사업에서 출발하였으며, 이후 연속적인 단기 과제들에 대한 지원이 이루어졌다 [2]. 개발의 과정은 2015년 김영민 등에 의한 과학교육표준 마스터플랜 연구 [8], 2016년 김도훈 등에 의한 과학교육표준 인재상 도출 연구 [9], 2017년 전승준 등에 의한 모든 한국인을 위한 과 학 개발 [10], 2017년 김희백 등에 의한 과학표준개발 기초 연구 [11], 2018년 송진웅 등에 의한 미래세대를 위한 과학 교육표준 개발 [12], 2019년 미래세대를 위한 과학교육표준 수행기대 개발 및 현장 적용 실행 방안 도출 및 지표 개발

[2]로 진행되었다. 2017년과 2018년에 걸친 개발 마지막 단계의 연구단은 초등개발팀 5명, 중등개발팀 6명, 융합팀 3명과 과학교육계 6명, 과학기술계 4명, 인문사회계 2명, 교육현장계 4명, 과학회 교육계 1명의 자문단을 중심으로 구성되었으며, 다양한 관련 전문가 집단의 토의와 피드백을 받는 과정을 거쳤다. 특히, 2015 개정 과학과 교육과정을 토대로 이를 발전적으로 보완하는 방식과 NGSS 등 국외 과학교육 표준을 참고하는 방식으로 개발이 진행되었다 [2].

다시 말해, KSES의 개발은 미래세대의 과학교육목표와 미 래인간상²에 대한 정립으로 시작되어 약 3년간 미래 과학교 육에 대한 목표를 명료화하는 과정을 거친 뒤, 1년간의 기초 작업과 이후 약 1년간의 추가 세부 작업을 통해 미래세대를 위한 과학교육표준과 수행기대 등이 완성되었다 [2].

우리나라는 국가 교육과정을 통해 과학교육의 목표가 제 시되고 과학교육의 방향이 설정되고 있다. 그러나 미래사 회를 바라보는 장기적 안목에서 과학교육목표가 재설정될 필요가 있었고, 향후 국가 과학교육과정 개정을 위한 가이 드라인이 요구되고 있었다. 이러한 배경에서 KSES는 향후 30년을 내다보는 관점으로 미래세대를 위한 과학교육목표 를 재정립하고 국가 과학교육과정 개정의 가이드라인 및 학교와 학교 밖 과학교육 혁신의 청사진을 마련할 목적으로 추진되었다 [2].

NGSS 개발 이후의 상황을 살펴보면, 2013년 개발 이후 미국에서는 NGSS의 실행 방안에 대한 지속적인 연구와 실천이 진행되었다. 개발 후 정착 단계 초기에는 표준의 채 택과 실행에 대한 어려움이 제기된 바 있다 [6,13]. 표준의 채택으로 인해 실행이 바로 일어나는 것이 아니며, 실행은 교실 상황에서의 실제 적용 단계로서 몇 년에 걸쳐 진행되는 과정이기 때문에 3–4년 이상의 추가 시간이 필요할 것으로 예상되었다 [6]. 또한, 표준에 대한 평가 시스템의 필요성에 대해서도 제기되었다 [6]. 실행에 대한 방안으로는, 교수 학습설계 방안 [6,14], 전문성 개발 전략 [15], 실행 환경 인 프라 구축 및 평가시스템 개발 적용 [13] 등이 제시되었다.

그 외에도 캘리포니아주에서는 실행 모델을 통해, NGSS에 대한 이해를 바탕으로 교수학습을 설계하고, NGSS를 활용 한 교육과정과 평가를 개발하는 단계적 방법을 제시하였다 [16]. 이와 같이 NGSS 개발 이후 실행과 정착을 위한 많은 실질적 노력이 있었다. 그리고 현재까지도 실행과 적용을 위한 여러 자료와 사례들이 꾸준히 개발되어 보급되고 있다 [17,18].

2국가 교육과정에서는 ‘인재상’이라는 표현을 자주 사용하는데, 이는 인간을 또 다른 목적의 수단으로 보는 관점을 내포한다. 이에, KSES 에서는 ‘인간상’이라는 용어를 대신 사용한다 [2].

2. 과학교육 목표의 세 가지 차원

NGSS와 KSES은 모두 미래세대를 위한 과학표준으로서 과학적 소양을 강조하고, 미래 과학교육의 비전을 제시하고 있다. NGSS는 과학과 과학교육이 모든 미국인의 삶에 중 요한 부분이며, 질 높은 과학교육은 과학 내용의 이해뿐만 아니라 의사소통과 협력, 문제 해결 등의 역량을 길러줄 수 있다는 점을 강조하고 있다. 또한, 표준에서 제시된 세 차원을 통합하는 시도와 실행으로 과학적 소양을 지닌 미래 세대를 길러내는 것이 NGSS의 비전임을 강조하였다 [19].

더불어 학생들로 하여금 향후 진로에 대한 능력을 갖추게 하는 표준의 역할에 대해서도 언급하였다 [3]. 이와 비교 하여 KSES는 과학적 소양 모형 (ToSL: Tree of Scientific Literacy Model)을 통해 과학적 소양을 명료하게 제시하면 서, “과학적 소양을 갖추고 더불어 살아가는 창의적인 사람”

을 기르는 미래 과학교육표준의 비전을 제시하고 있다 [2].

또한, 과학적 소양의 요소로서 지속가능사회를 위한 기여와 평생학습 능력 등을 포함하면서 NGSS보다 폭 넓은 범위의 미래사회에 대한 준비를 보여주고 있다.

이와 마찬가지로 두 표준의 목표와 체제 구성에서도 유사 한 면과 함께, 각 표준별로 고유한 특징이 드러난다. NGSS 와 KSES가 공통적으로 추구하는 바는 ‘모든 이를 위한 과학 (Science For All)’이다. NGSS와 KSES는 이러한 목표를 위해 과학교육표준의 세 가지 차원을 제시하고, 이 차원들의 융합을 강조하고 있다. 그러나 각 표준이 제시하는 차원과 그 융합의 구체적인 방식에는 차이점이 존재한다.

NGSS는 ‘실천 (practices)’, ‘교과 핵심 아이디어 (core ideas)’, ‘관통개념(crosscutting)’의 세 가지 차원의 융합을 모형을 통해 제시하고 있다(Fig. 1). 세 차원을 자세히 살펴 보면, ‘실천’은 과학자가 자연 세계를 이해하기 위해 연구를 수행하는 방법과 공학자가 시스템을 설계하고 구축하는데 사용하는 다양한 방법을 제시한 것으로, ‘질문하기와 문제 정의하기, 모형을 개발하고 이용하기, 실험을 설계하고 수행 하기, 자료를 분석하고 해석하기, 수학과 컴퓨팅 사고력 이 용하기, 설명 구성하기와 해결방법 고안하기, 정보를 수집 · 평가 · 전달하기’의 8가지가 제시되어 있다 [3]. ‘교과 핵심 아이디어’는 적은 수의 핵심개념을 제시하면서, 교과목별로 물상과학(Physical Science), 생명과학(Life Science), 지구 과학 (Earth and Space Sciences), 공학 · 기술 그리고 과학 의 적용(Engineering, Technology and Applications)의 네 개의 영역으로 나뉜다 [20]. ‘관통개념’은 여러 교과 영역을 연결하는 개념적 이해의 방식을 의미하며, ‘패턴, 원인과 결 과, 척도 · 비율 · 양, 시스템과 시스템 모형, 에너지와 물질, 구조와 기능, 유지와 변화’의 7가지가 제시되어 있다 [3].

NGSS는 수행기대를 통해 세 차원을 통합함으로써 내용과

The three dimensions of science learning of NGSS [19]

Tree of Scientific Literacy model(ToSL) of KSES [2]

Fig. 1. (Color online) The Three Dimensions Model of NGSS and KSES.

탐구의 융합을 강조하고 하고 있다 [3]. 즉, 교과 핵심 아이 디어의 단순한 이해를 넘어서서 공학적 실천을 적용하고, 그 안에 관통개념이 녹아들 수 있도록 수행기대를 표현하였 다. 특히, ‘실천’ 차원은 NGSS의 특징을 잘 드러낸다고 할 수 있는데, 탐구를 표현하는 전통적인 방식인 ‘기능(skills)’

대신 ’ 실천 (practices)’ 을 사용함으로써 과학 활동에 대한 보다 적극적인 참여를 강조하고 있으며 [6], 과학 내용의 공 학적 실천을 통해 과학과 공학의 융합을 실현하고자 하였다 [14]. 이는 기존의 표준과 비교하여 내용과 탐구가 분리되어 있었던 것을 보완하고, 공학적인 부분을 강조한 면이라고 할 수 있다.

이와 비교하여 KSES는 과학적 소양 모형을 통해 나타 낸 바와 같이, 세 차원의 융합을 통해 과학적 소양을 지 닌 미래사회의 인간 및 민주시민을 길러내는 데 주안점을

Fig. 2. (Color online) An example of NGSS system configuration [19].

두고 있다 (Fig. 1) [2]. KSES의 세 가지 차원은 ’역량 (competences)’, ‘지식(knowledge)’, ‘참여와 실천(partici- pation and action)’으로서, ‘역량’ 차원은 ‘과학적 탐구력, 과학적 사고력, 의사소통과 협업능력, 정보처리와 의사결 정 능력, 초연결사회에서의 관계 맺기 및 평생학습능력’의 5개 영역을 포함한다. ‘지식’ 차원은 교과적 구분이 아닌 통합된 형태로 ‘규칙성과 다양성, 에너지와 물질, 시스템과 상호작용, 변화와 안정성’이라는 4개 영역을 통해 기존의 2015 교육과정의 통합과학에서 다루었던 과학의 지식내용 을 반영하는 한편, 추가적으로 범교과적 내용에 해당하는

‘과학과 사회, 지속가능사회를 위한 과학기술’의 두 영역을 포함한다. 마지막으로 ‘참여와 실천’ 차원은 KSES가 다른 과학교육 표준들과 구별되는 특징으로서, ‘과학공동체 활동, 과학리더십 발휘, 안전사회 기여, 과학문화 향유. 지속가능 사회 기여’의 5개 영역을 포함한다 (Fig. 1) [2]. 송진웅 등 (2019)은 KSES에서 별도의 차원으로 제시된 ‘참여와 실천’

은 KSES의 가장 도전적 과제이며, 학생은 물론 지역사회의 구성원에게도 적극적 과학 활동을 강조한다는 점에서 세 계적으로 드문 적극적 시도라고 말하고 있다 [2]. KESE의 역량 차원 또한 NGSS와 구별되는 특징을 보여준다. KSES 의 ‘역량’ 차원은 과학적 사고력과 탐구력뿐만 아니라 실천 역량 및 미래사회에 필요한 능력의 범위 (예, 초연결사회에 서 관계 맺기 및 평생학습 능력) 까지 아우르고 있다. 이러 한 점은 NGSS의 ‘실천 (practice)’ 이 과학 내용을 공학적 방법으로 실행하는 데 집중하기 때문에 과학 탐구의 역량을

폭넓게 포함하지 못한다는 비판 [21]을 넘어서는 부분이라 할 수 있다.

다시 말해, KSES의 ‘역량’ 차원은 NGSS의 범위를 넘어 더 폭넓은 탐구와 실천 역량을 다루고 있다고 할 수 있다.

또한, KSES의 세 가지 차원은 모두 과학과 사회에 대한 고려를 적극적으로 담고 있는데, 이는 미래사회에 대한 준 비와 민주시민으로의 성장을 지향하는 목표가 잘 반영된 측면이라 할 수 있다.

3. 체제와 구성

NGSS와 KSES 모두 핵심 과학개념의 학습이 전체 학년 에 걸쳐 연계성 있게 체계적이고 종합적으로 일어나는 것을 강조한다. NGSS는 K–2, 3–5, 6–8, 9–12의 4단계 학년군에 따라 각 단계를 마쳤을 때 학생들이 성취해야 하는 수행기 대를 제시하는 반면, KSES는 평균적으로 과학을 배우는 기 간을 바탕으로 K–2학년, 3–4학년, 5–6학년, 7–8학년, 9–10 학년, 11–12학년의 6단계 (Stage) 로 구분하여 수행기대를 제시하고 있다.

NGSS는 학년군별 구분 (유치원은 K, 초등은 학년 숫자, 중학교는 MS, 고등학교는 HS) 과 교과목별구분 (물상과학 은 PS, 생명과학은 LS, 지구 및 우주과학은 ESS, 과학의 적용은 ETS) 을 이용하여 수행기대를 표기하고 내용을 표 현하였으며, 수행기대에 포함된 세 가지 차원에 대한 설명

Fig. 3. (Color online) An example of KSES system configuration: ’Knowledge’ dimension – area – sub area list [2].

을 함께 제시하였다. Figure 2의 예시에서 ‘MS-PS2-1’은 중학교 학년군(MS), 물상과학 교과목(PS)의 두 번째 교과 핵심 아이디어 중 첫 번째 수행기대를 말한다. NGSS의 체제 구성은 이와 같이 수행기대를 먼저 제시하고, 하단에 수행기대에 포함된 세 차원의 요소를 자세히 설명하는 형 태로 되어 있다 [19].

KSES는 차원별 (역량, 지식, 참여와 실천) 로 영역을 나 누고, 각 영역을 다시 하위영역으로 개관을 제시하고 있다 (Fig 3). 한편, 지식 중심의 현행 교육과정 체제에 익숙한 사용자들을 위해, KSES에서는 ‘지식’ 차원을 기준으로 주 제별로 재구성한 형태인 ‘주제중심 종합예시’를 추가적으로 제시하고 있다. 즉, ‘지식’ 차원 6개 영역에서 단계 (Stage) 별 특정 주제를 중심으로 재구성하였으며, 이에 따른 수행 기대를 ‘역량’, ‘지식’, ‘참여와 실천’의 세 가지 차원으로 나타내었다. 또한, 여기에는 ‘탐구 및 실천’을 통한 적용방 법을 제시하였는데, 각 ‘탐구 및 실천’에서 관련 수행기대 를 차원별로 나타내고, 적합한 교수 · 학습유형, 평가 방법, 교육환경을 제시하여 실제 활용 가능한 가이드북으로서의 기능을 보여주고 있다 (Fig. 4). Figure 4의 예시에서 탐구 및 실천의 관련 수행기대 중 역량 차원의 수행기대를 표 현한 ‘C-SI4’는 역량 (Competence) 차원의 과학적 탐구력 (Scientific Inquiry ability) 영역 중 네 번째 하위영역을 말 하며, 같은 방식으로 지식 (Knowledge) 차원과 참여와 실 천 (Participation and Action) 차원의 수행기대가 영역과 하위영역의 순서대로 나타나 있다.

요약하면, NGSS는 학년군별, 교과목별로 과학 개념과 공학의 실천을 통합한 수행기대를 제시하는 반면, KSES는 교과가 융합된 형태인 주제 중심의 종합 체제를 통해 ‘역 량’. ‘지식’, ‘참여와 실천’의 차원별 수행기대를 제시하고 있다. 우리는 이러한 NGSS와 KSES의 체제와 구성을 통해 각 표준이 지향하고 강조하는 목표의 차이점을 확인할 수 있다. NGSS는 세 차원을 통합한 수행기대를 우선적으로 서두에 제시하고 있다. 이를 통해 과학적 내용의 공학적 실천을 강조하며 내용과 탐구의 융합에 중점을 두었다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다. 또한, 자세한 실천 방식을 수행기대에 제시함으로써 학교 현장에서 곧바로 실행할 수 있기를 기대한다고 할 수 있다. 반면, KSES는 ‘주제중심 종 합예시’ 체제에서 수행기대들을 차원별로 제시함으로써 다 양한 방식으로 조합하여 활용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 이를 통해 기존의 과학교육과정에서 보여주었던 정 형화된 틀을 벗어나 다양하고 열린 교수학습 목표의 개발을 기대한다고 할 수 있다. 또한, ‘탐구 및 실천’에서 제시하고 있는 교수 · 학습유형, 평가 방법, 교육환경을 통해, NGSS 에서 경험하였던 실행 및 평가 방법의 부재로 인한 어려움을 보완하고, KSES를 교육 현장에 좀 더 쉽게 적용할 수 있는 실질적인 가이드를 제시하고자 노력한 점을 알 수 있다.

III. NGSS와 KSES의 미시적 비교: 물리 분야 내용 분석

Fig. 4. (Color online) An example of KSES system configuration : ‘KSES Topic-oriented Comprehensive Example’

and ‘inquiry and practice’ [2].

1. 비교연구 대상

NGSS와 KSES는 모두 과학교육의 지식 내용적 요소 외 에도 다른 차원들과의 융합을 강조하며 구성되어 있지만, 학교의 과학교육 활동을 위한 실질적인 안내가 되기 위해 서는 학년에 따른 지식 내용 요소들의 종합적이고 체계적 인 구성이 그 무엇보다도 중요하다. 이에, NGSS와 KSES 가 과학교육에서 달성해야 할 핵심 내용 요소를 어느 정도

포함하고 있는가를 판단하기 위해, 세계 각국의 수학 · 과학 교육과정 내용을 바탕으로 개발된 TIMSS 2019의 Science Framework를 준거로 하여 각 표준이 포함하고 있는 내용 요소를 비교하였다. 본 연구에서는 중학교 8학년을 대상으 로 한 TIMSS 2019 Science Assessment를 기준으로, NGSS 와 KSES에서 제시된 8학년 물리 분야 내용 요소를 추출하 여 비교하였다. 8학년의 교육과정은 TIMSS 국제 성취도 평가의 기준 학년에 해당할 뿐만 아니라 미국과 우리나라에

Table 1. Summary of comprehensive comparison of NGSS and KSES.

NGSS KSES

Common aspects

• Including the goal of ‘Science For All’

• Providing integrated science learning

• Reflecting the coherence of learning core ideas over years into the system configuration

• Presenting three dimensions and emphasizing their convergence

• Three dimension: ‘practices’, ‘disciplinary core ideas’ and ‘crosscutting concepts’

• Three dimension: ‘competences’,

‘knowledge’ and ‘participation and action’

Different aspects

• Providing performance expectations that integrate science concepts and engineering practices by grade level and by subject

• Focusing on the convergence of content and inquiry

• Presenting performance expectations separately in terms of dimensions through

‘KSES Topic-oriented Comprehensive Example’ system where subjects are converged

• Suggesting the possibility of combining performance expectations in various ways

• Expecting to be able to implement directly in schools by presenting detailed practice methods in performance expectations

• Providing a practical guide that can be easily applied to schools by presenting teaching and learning types, evaluation methods, and educational environment in the ‘inquiry and practice’ given in ‘KSES Topic-oriented Comprehensive Example’

서 모든 학생이 필수적으로 배우는 공통과정으로, 기초교육 단계를 지나 고등학교 선택 중심 교육과정으로 진입하기 이 전 단계에 해당한다. 따라서 두 표준이 지향하는 ‘모든 이를 위한 과학’이라는 목표에 부합하는 단계이며, 비교 분석의 대상 단계로서 적합성을 가진다. 각 표준에서 8학년에 해당 하는 단계를 살펴보면, NGSS에서는 6-8학년까지의 내용이 MS단계에서 제시되어 있으며, KSES에서는 Stage4 단계 (7–8학년)에서 다루어지고 있다.

2. 비교의 준거

TIMSS(Trends in International Mathematics and Sci- ence Study) 는 4학년과 8학년을 대상으로 수학과 과학 성 취도를 학교 교육과정 중심으로 평가하는 국제비교 연구 이며, 1995년부터 4년 주기로 실시되고 있다. 즉, 4학년을 평가하고 4년 뒤 8학년을 평가하는 준종단적 연구로서 각 국가의 교육과정 개혁에 대한 참고사항으로 많이 활용되며, 8학년의 평가 결과를 통해 교육과정의 효과를 검토하게 된 다 [22]. TIMSS는 국제적 기준을 정립하기 위해 오랜 기간 여러 참가국의 교육과정을 검토하고 반영하는 평가 준거를 지속적으로 개발하고 있다. TIMSS의 20년 경험에 대한 보고서 [23]에 의하면, TIMSS 2003의 준비 과정에서 평가 준거를 주기적으로 갱신하기 위한 체계적인 협력 프로세 스가 수립되었고, 이후 지속적으로 the National Research Coordinators와 참여 국가 전문가들의 의견을 받아서 내용 요소와 인지 영역이 잘 반영될 수 있도록 하는 과정을 진행 해오고 있다. 이와 같은 여러 단계의 환류 과정을 통해 참여

국가의 교육과정과 TIMSS의 내용 요소 사이에는 양호한 대응 관계가 존재하며, TIMSS의 평가 준거 또한 참여국들 의 교육과정 개정과 함께 진화하고 있다 [23].

TIMSS 2019 Science Framework에서 제시하는 8학년 학생의 물리학습 범주는 일상의 관찰을 통해 과학적 기초를 이해하는 것을 넘어서 물리학의 실질적 적용을 이해하고, 향후 발전된 학습을 수행하기 위해 필요한 핵심 물리 개념 들을 배우는 것까지 확장된다 [24]. 본 연구에서는 TIMSS 2019 Science Content Domains-8th grade의 물리 분야에 제시된 내용 요소를 바탕으로 준거 틀을 제시하였으며, 여 기에는 다섯 가지 주제 영역과 각각의 세부 내용이 제시되어 있다 (부록).

3. 연구 방법 및 결과 1) 연구 방법

각 표준에서 내용 요소를 추출한 기준 근거 및 방법은 다음과 같다. NGSS의 경우 중학교 단계 (MS) 의 물상교과 (PS)의 교과 핵심 아이디어(DCI)에서 물리 분야 내용 요소 를 포함하는 수행기대를 추출하였고, KSES의 경우 ‘지식’

차원의 수행기대 중 Stage4(중학교 7-8학년)에 제시된 물리 분야 수행기대를 추출하였다. 각 표준의 수행기대에서 포 함하고 있는 기능, 역량, 실천 등에 관해 서술된 부분은 배제 하고 지식 내용 요소에 초점을 맞추어, 준거 틀에 대한 포함 여부를 판단하였다. 첫 번째 단계로, TIMSS 2019 Science

Table 2. Classification of physics performance expectation extracted from NGSS and KSES based on TIMSS 2019 Science Framework.

Topics Sub-topics Contents Performance Expectation

extracted from NGSS

Performance Expectation extracted from KSES

Physical states and changes in matter

1. Motion of particles in solids, liquids, and gases

A. Motion and distance

between atoms and molecules MS-PS1-4 S4-CS1-3, S4-RD3-3 B. Relation between changes of

temperature and matters MS-PS1-4 S4-RD3-4 2. Changes in states

of matter

A. Changes of state as resulting

from thermal energy MS-PS1-4 S4-CS1-4

B. Rate of state change with

physical factors - -

3. Physical changes A. Physical changes and substances 5-PS1-2 - B. Physical change and mass 5-PS1-2 -

Energy

transformation and transfer

1. Forms of energy and the conservation of energy

A. Different forms of energy (4-PS3-2), MS-PS3-1 S2-EM1-2 B. Transformation and

conservation of energy MS-PS3-4, MS-PS3-5 (S3-EM1-3), S4-EM1-4, S4-SI2-2

2. Thermal energy transfer and thermal conductivity of materials

A. Temperature during a state

change MS-PS1-4 S4-CS1-4

B. Transfer of thermal energy MS-PS3-3 S4-CS1-1 C. Types of thermal energy

transfer - -

Light and sound

1. Properties of light A. Properties of light and color MS-PS4-2 S4-RD2-2 B. Reflection of light and path

of light MS-PS4-2 S4-RD2-3

2. Properties of sound

A. Properties of sound and a

medium MS-PS4-1, MS-PS4-2 S4-RD2-1

B. Common phenomena to the

properties of sound - -

Electricity and magnetism

1. Conductors and the flow of electricity in electrical circuits

A. Conductors or insulators - -

B. Flow of electricity in

electrical circuits - S4-EM1-2

2. Properties and uses of permanent magnets and electromagnets

A. Properties of permanent

magnets MS-PS2-3 S2-EM1-1

B. Properties and usage of

electromagnets MS-PS2-3 S3-EM1-2

Motion and forces

1. Motion A. Speed and acceleration - (S3-SI2-2), S4-SI2-1 2. Common forces and

their characteristics

A. Common mechanical forces (3-PS2-3), MS-PS2-4,

MS-PS2-5 (S2-SI2-1), S3-SI2-1 B. Strength and direction of

force; Newton’s 3rd law

(K-PS2-1, 3-PS2-1),

MS-PS2-1 -

3. Effects of forces

A. Functioning of simple

machines - -

B. Density and buoyant force - -

C. Pressure in terms of force

and area - -

D. Qualitative one-dimensional changes in motion based on the forces and friction

(K-PS2-2, 3-PS2-1),

MS-PS2-2 -

Table 3. Performance expectations of NGSS and KSES beyond physics content elements of TIMSS 2019 Science Framework

Performance Expectation

beyond TIMSS 2019 Science Framework Contents

NGSS MS-PS3-1 Relationship Between Energy and

Forces

MS-PS4-3 Information Technologies and

Instrumentation KSES

S4-CS1-2 Specific heat and thermal expansion

S4-EM1-1, S4-EM1-3 Ohm’s law, electromagnetic induction

S4-EM4-1 Green Energy

Framework에서 제시되고 있는 내용을 주제 영역 (topic), 하위 주제 (sub- topic), 내용 요소 (contents) 의 범주로 구

분하였다³. 다음으로, NGSS와 KSES에서 추출된 수행기 대를 TIMSS 준거 범주의 틀을 기준으로 분류하였다. 각 표준에서 추출된 수행기대의 내용 요소가 TIMSS 준거에서 제시된 내용 요소 범주의 일부를 포함하고 있으면 해당 범주 로 분류하였다. 예시로, KSES의 지식차원 에너지와 물질 [K-EM] 의 ‘물체가 운동할 때 역학적 에너지가 보존된다.’

는 수행기대는, TIMSS 2019 준거의 ‘에너지 전환과 전달 (Energy transformation and transfer)’ 주제영역 중 1-B.

‘에너지 전환과 보존(Transformation and conservation of energy)’ 범주의 ‘에너지 보존’에 대한 내용 요소를 포함 한다고 분류하였다. 추출된 수행기대를 표현하는 양식은, NGSS의 경우 수행기대의 표현을 그대로 표기하였고 (예, MS-PS1-4), KSES의 경우 Stage4를 S4로 표시하고, ‘지식’

차원 하위영역과 하위영역에서 서술된 수행기대의 순서로 표기하였다 (예, S4-CS1-2⁴).

TIMSS 준거에서 제시된 내용 요소는 8학년 단계까지의 학습 범위를 나타낸다. 두 표준에서 제시되고 있는 수행 기대는 모두 학년 단계에 따른 연계성을 가지므로, 표준에 따라 TIMSS 준거의 내용 요소가 8학년 이전에 제시된 경 우도 있다. 따라서 비교 대상 학년 단계인 NGSS의 MS 단계와 KSES의 Stage4에서 TIMSS 준거의 내용 요소가 제시되지 않았더라도 이전 단계의 수행기대에서 제시되어 있는 경우, 이를 표시하고 범주에 포함하여 분류하였다⁵. 또한, TIMSS 준거의 내용 요소가 8학년 단계뿐만 아니라 이전 단계에서부터 반복되어 지속적으로 등장하는 경우가 있다. 이러한 부분은 각 표준에서 강조하는 내용을 보여줄 수 있으므로, 괄호를 이용하여 표시하고 추가적으로 분류 틀에 포함하였다⁶. NGSS와 KSES에서 추출된 해당 학 년 물리 분야 수행기대 내용 요소의 TIMSS 2019 Science Framework 준거 범주 포함 여부는 Table 2과 같다.

또한, 각 표준에서 추출된 해당 학년 물리 분야 수행기대 중 TIMSS 준거 분류 틀에 포함되지 않는 것은 Table 3에 나

3TIMSS 2019 Science Framework에서는 각 주제영역별로 학생들에게 기대되는 지식, 능력, 기능이 세부적 목표로 서술된 서술문의 형태로 내용 요소가 제시되었다 (부록). 본 연구에서 내용 요소를 표현하는 contents는 TIMSS 2019 Science Framework의 서술된 목표에서 내 용 요소를 요약하여 범주 구분으로 나타내었다 (Table 2).

4Stage4, ‘지식’ 차원 ‘변화와 안전성 [CS]’ 영역의 첫 번째 하위영역 (CS1) 에서 서술된 수행기대 중 두 번째 수행기대를 ‘S4-CS1-2’로 나 타내었다.

5NGSS의 중학교단계 (MS) 에서 제시되지 않은 내용 요소가 이전 학년 단계에 있을 경우, 내용 요소를 포함하고 있는 학년 단계를 표시하였다.

예시로 5학년 단계에 TIMSS 준거의 내용 요소가 포함되어있는 경우 5학년 단계를 표시하고 범주에 포함시켜 분류하였다 (예시, 5-PS1-2).

6 힘과 운동 (Motion and forces) 주제 영역 중 2-B. 힘의 크기와 방향 및 뉴턴의 제3법칙(Strength and direction of force ; Newton’s 3rd law) 의 내용 요소는 NGSS의 MS단계 뿐 아니라 이전 학년 단계에 서도 지속적으로 나타나고 있다. 이에 대해 이전 학년 단계의 수행기 대를 괄호 안에 추가적으로 표시하였다.(예시 : (K-PS2-1, 3-PS2-1), MS-PS2-1)

타내었다. Table 3에 제시된 각 표준의 수행기대는 TIMSS 준거 틀에서 제시된 내용 요소 이외의 것을 다루거나, 준 거에서 제시된 8학년의 수준을 넘어서는 경우에 해당하며, 그러한 수행기대를 내용 요소와 함께 나타내었다.

연구의 타당도를 확보하기 위해 연구자 외 11년 경력의 물리교사 1명과 13년의 교사 경력을 가진 물리교육 연구자 1명과의 합의를 통해 수행기대의 내용 요소 구분과 준거 범주의 포함 여부를 검토하였다. 검토 과정은 표준에서 추출된 물리 내용 요소의 준거 범주 포함에 대한 적합성 여부를 연구자 포함 3인의 반복된 토의와 검토를 거치면서 최종 합의에 도달하는 방식으로 이루어졌다.

2) 연구 결과

NGSS의 경우, ‘전기와 자기’ 주제 영역의 ‘1. 도체 및 전 기 회로에서의 전류(Conductors and the flow of electricity in electrical circuits)’에서 도체와 절연체의 구분(Conduc- tors or insulators), 및 회로의 연결 (Flow of electricity in electrical circuits)에 관한 내용이 다루어지지 않고 있었으 며, 이는 고등학교 단계 (HS) 에서도 생략되어 있었다. 반 면, TIMSS 2019 준거에는 제시되어 있지 않지만 NGSS 에 포함된 내용 요소는, 교과 핵심 아이디어 중 ‘파동과 정 보통신’의 내용에 해당하는 ‘정보기술과 장치(Information Technologies and Instrumentation)’에 대한 것이었다.

NGSS의 수행기대는 적은 수의 교과 핵심 아이디어를 제 시하고, 학년군이 올라갈수록 심화된 형태의 학습이 일어나 는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 점은 ‘힘과 운동’의 주제 영역에서 두드러지게 나타났으며, 관련 국내 선행연구를 통해서도 확인할 수 있었다. ‘텍스트 네트워크 분석을 이용 한 2009 및 2015 개정 과학과 교육과정과 NGSS의 중학교 수준 물리 영역 비교’ 연구에서는, NGSS에서 나타나는 노 드 수가 우리나라 교육과정보다 많지만, 핵심개념의 수는 적다는 것을 통해, NGSS가 적은 수의 핵심개념을 풍성하고 구체적으로 설명하고 있다고 주장하였다 [25]. 또한, ‘힘과 운동 영역을 중심으로 2015 개정 교육과정과 NGSS에 제시 된 내용 체계 및 성취기준 비교’ 연구에서는, NGSS는 교과 핵심 아이디어인 힘과 상호작용, 에너지의 개념을 저학년에 서부터 직접적으로 도입하여 제시하고 있다고 밝혔다 [26].

본 연구에서의 TIMSS 준거를 통한 분석을 통해서도 기존 선행 연구에서 주장하는 점들을 확인할 수 있었다. 이에 덧붙여 본 연구를 통해 추가적으로 나타난 NGSS의 구체적 인 특징은 다음과 같다. TIMSS 준거에서 ‘힘과 운동’ 주제 영역 중 ‘속력’과 ‘가속도’에 대한 내용 범주 기준은, 시간에 따른 이동 거리로 속력을 나타내고, 시간에 따른 속력의

변화로 가속도를 이해하도록 하는 개념적 정의가 제시되어 있다. 이에 대해 NGSS에서 속력과 가속도의 내용 요소가 포함된 수행기대를 살펴보면, 속력의 빠르기에 따른 운동 에너지의 크기를 비교하고 (MS-PS3-1), 운동의 변화에서 힘의 크기 변화에 따른 속력의 변화를 표현하는 (MS-PS2- 2) 등 속력과 가속도의 내용 요소가 중학교 단계뿐 아니라 저학년에서부터 지속적으로 등장한다. 그러나 NGSS는 정 량적 표현의 기초가 되는 속력과 가속도의 개념적 정의에 대해서는 구체적으로 다루지 않고 있다. 이를 통해, NGSS 는 힘과 운동에 대한 현상과 정성적인 설명은 연계성을 갖고 중요하게 다루고 있지만, 물리 교과 내용에서 수학적인 부 분에 대한 집중을 지양하여 학습의 어려움을 경감시키고자 한다는 점을 파악할 수 있다.

KSES의 경우 ‘물질의 상태와 변화’ 주제 영역에서 물리 적 변화에 대한 내용이 다루어지지 않고 있었으며, 특히,

‘힘과 운동’ 주제 영역에서는 NGSS와의 차이점이 확연히 드러났다. KSES에서는 ‘가속도’라는 용어가 구체적으로 표현되어 있지 않지만, ‘등속 운동, 자유낙하 운동은 시간에 따른 속력의 변화로 설명한다.’는 수행기대를 통해 TIMSS 준거에서 제시된 속력과 가속도에 대한 개념적 정의를 수 행기대에 포함하고 있었다. 그러나 운동을 속력을 통해 표 현하는 것 이상으로는 다루지 않았다. 운동 변화의 원인이 되는 힘의 크기와 방향 및 작용에 대한 내용은 주로 Stage6 의 선택 중심 교육과정 영역에서 다루고 있고, Stage6 이전 에는 ‘힘과 운동’에 대한 내용은 거의 제시되지 않고 있다.

Stage6 단계는 11–12학년의 선택 교과 교육과정 단계로, 모든 학생의 필수 공통과정이 아니다. 따라서 KSES에서 힘의 크기와 방향 및 운동 법칙에 관한 내용은 Stage6 단 계에서 물리 과목을 선택한 학생들만 학습하게 되는 내용 요소에 해당된다.

KSES에서 TIMSS 준거보다 상위 수준의 심화된 학습 내용을 다루고 있는 부분은 비열과 열팽창에 대한 내용 요 소와 옴의 법칙과 전자기유도에 관한 내용 요소가 있었다.

이는 ‘열에너지’와 ‘전기와 자기’ 영역이 KSES에서 강조 되고 있는 부분이며, 이 영역에 대해서는 필수 공통과정의 모든 학생에게 TIMSS 준거보다 심화된 내용의 수행기대를 요구하고 있다는 점을 나타낸다. 또한, TIMSS 준거에 제 시되어 있지 않지만 KSES의 지식 수행기대에서 포함하고 있는 내용 요소는 친환경 에너지로, 이러한 내용 요소는 상위 학년 단계에서 신재생에너지로 연계되어 학년 단계에 따른 학습 과정에 지속적으로 포함되고 있다.

요약하면, 세부적 내용 요소에 대한 분석을 통해, 두 표 준의 뚜렷한 차이를 보여주는 부분은 ‘전기와 자기’ 주제 영역과 ‘힘과 운동’ 주제 영역이었다. 전기와 자기 영역에 서는, NGSS는 TIMSS 준거에서 제시된 전기 회로의 연결

에 관한 내용 요소가 생략되어 있고, 전기에 관련된 내용 요소가 거의 없는 반면, KSES의 전기와 자기 영역에서는 TIMSS 준거에서 제시된 것 이상의 심화된 내용을 다루고 있었다. 이와 반대로, 힘과 운동 영역에서 NGSS는 힘의 크기와 방향, 힘의 작용 반작용의 내용을 저학년 단계에 서부터 연계된 형태로 지속적으로 다루고 있었고, 중학교 단계 (MS) 에서는 이전 단계에서 학습한 내용을 바탕으로 발전되고 심화된 학습을 제시하고 있었다. 그러나, KSES 는 8학년 단계까지 이러한 힘과 운동에 관한 내용 요소를 거의 포함하지 않고 있었다. 또한, TIMSS 준거의 내용 요 소 범주에는 없지만 각 표준에서 새롭게 등장한 내용 역시 차이를 보였다. NGSS는 정보통신 분야에 대해 다루면서 디지털 신호의 정보 전달 방법에 대해 학생들이 이해하기를 기대하고 있었으며, KSES는 미래사회 에너지 문제에 대해 학생들이 관심을 가지고 판단하며, 미래사회 에너지 문제의 대안에 대해 고민해 보기를 기대하고 있다는 점이 파악되 었다.

IV. 요약 및 제언

1. 각 표준의 특징 및 NGSS의 실행 사례를 통한 시 사점

두 표준의 공통적 어려움은 실행과 평가의 문제이다.

NGSS는 개발 이후 실행 및 평가에 대한 다양한 방안이 제 시되고 실천이 지속되고 있다. 그러므로 이와 같은 NGSS 의 노력은 KSES의 실행과 정착을 위해 고려해야 할 부분과 예상되는 어려움에 대한 시사점을 제공해 줄 수 있다.

첫 번째는 표준의 실행에 대한 문제이다. NGSS의 실행 의 어려움에 대한 언급 [6,13]에서 알 수 있듯이 표준의 실 행은 쉬운 일이 아니며, 실행을 위한 정책과 다년간의 축적 된 노력이 필요하다. NGSS의 개발 이후 학교 현장에서의 실행과 적용을 위해, 수행 기대를 재조합하여 수업을 설계 하는 단계적 방법 [14]과 학습 맥락을 고려하여 교과 핵심 아이디어 또는 실천을 중심으로 수행 기대를 묶어서 수업을 개발하는 방법 [6]이 제안되었다. 성공적인 정착을 위한 도전 과제로는 과거의 표준을 넘어선 질적인 발전, 변화를 받아들이기 위한 교육공동체의 이해, 질 좋은 자료의 개발 이 제안되었 [6]. 또한, NGSS의 실행에 필요한 사항으로, 교사 전문성 교육 및 표준의 교실 상황 적용을 위한 협력적 교수학습 환경 조성과 온라인 환경 구축 등이 제시되었으며 [15], 그 밖에도 관리자 교육, 좋은 자료에 대한 접근 용이성 확보 및 탐구 환경에 대한 인프라 구축이 필요하다는 연구와 제안들이 있었다 [13].

이러한 NGSS에서의 실행의 어려움을 고려하고 보완하 고자 한 점은 KSES에서 나타난다. KSES는 수행기대를 차 원별로 분리하여 제시함으로써 다양한 방법으로 조합하여 활용하기를 기대하고 있다. 또한, ‘KSES 주제중심 종합예 시’의 ‘탐구 및 실천’에서 각 수행기대가 조합된 활용 방법 예시와 교수학습 유형, 평가 방법, 교육환경을 제시함으로 써 활용의 구체적 방안을 제시하였다.

NGSS의 실행 방안으로 제시되고 강조된 점들은 KSES 의 실행에 대한 많은 시사점을 준다. KSES의 실행과 정착 을 위해서는 활용 가능한 질 높은 교수학습 자료와 학습재료 제공 및 환경 구축, 온라인 학습환경에 대한 정책적, 재정 적 지원뿐만 아니라 과학교육 공동체의 참여와 노력 등이 필요할 것이다. 또한, 교사교육은 강조되어야 할 주요한 핵심이며, 관리자 교육 역시 다시 한번 주목되는 부분이다.

우리나라 교육정책의 특징인 ‘하향식 (top-down)’ 방식을 고려하여 관리자 교육이 이루어져야 하고, 동시에 ‘상향식 (bottom-up)’이 될 수 있도록 교사교육 또한 뒷받침되어야 한다. 교육의 내용으로는 표준에 대한 이해와 이를 바탕으 로 표준을 잘 발췌해서 사용하는 방법, ‘탐구 및 실천’ 활용 방법 및 평가 개발 방법 등을 포함해야 할 것이다. 더불어

‘역량’과 ‘참여와 실천’이 함께 녹아들 수 있도록 교육하는 방안, 공동체의 일원으로 참여하여 인프라를 더욱 발전시 키는 방안 역시 강조되어야 할 것이다.

두 번째는 평가의 문제로, 두 표준 모두에서 중요하고도 어려운 문제이다. 평가는 교육공동체 모두가 관심을 가지는 영역으로, 교육과정의 중요한 요소이자 실행의 관건이 될 수 있다. 기존의 과학교육에서 평가는 내용 중심적이었으 며, 실제 교수학습 과정과 다르게 평가되어왔다는 비판이 있었다 [6]. NGSS 역시 이에 대한 개선을 통해 과학교육의 질을 향상시키려는 목적을 가지고 있지만, 여전히 평가에 대한 어려움이 지적되고 있다 [6]. NGSS의 평가에 대한 실천 과제로서, 세 가지 차원을 잘 융합한 평가 개발, 수업 과정에서의 평가 및 이를 점검하는 시스템 개발과 적용에 대해 강조되었다 [27]. NGSS에서는 평가 방법에 대해 따로 제시된 바가 없으나, 현재 NGSA(Next Generation Science Assessment) 에서 수행 기대를 조합하여 학생의 수행 (LP:

Learning Performance)을 표현하고, 이를 바탕으로 평가의 다양한 방법을 적용하는 사례들을 보여주고 있다 [18]. 또 한, 평가에 대한 어려움을 해결하는 방안으로, ‘프로젝트 중 심 탐구과학 (PBIS: The Project-Based Inquiry Science)’

의 증거중심설계 (evidence-centered design) 수업 방식이 제안되었고, 이에 따라 수업을 진행하고 평가하는 방법이 연구되었다 [13].

KSES에서는 평가의 중요성과 어려움에 대한 고려를 통 해 다양한 평가 방법을 제시한 면이 드러난다. ‘탐구 및

실천’에서 평가 방법의 형태로 보고서산출물, 선택형 지필 평가, 관찰법, 논 · 서술형, 자기평가 및 동료평가 등을 통해 평가에 대한 가이드를 제시함으로써, 평가의 어려움을 극 복하고자 하는 노력을 보여주었다. KSES의 평가에 대한 고민은 ‘역량’ 차원과 ‘참여와 실천’ 차원에서도 나타나는데, KSES는 ‘역량’과 ‘참여와 실천’ 차원에서 별도로 학생, 교 사, 학교의 평가지표를 통해 개인과 학교뿐만 아니라 전체 시스템을 평가하고자 하는 시도를 보여주었다.

그러나 실제 학교 현장에서 표준을 반영한 평가 문항 제작과 활용은 또 다른 과제가 될 수 있다. 이러한 어려 움을 극복하기 위해서는 NGSS의 선행 사례에서 제안되 었던 방안을 발전시켜, 평가 문항 개발의 인프라를 구축 하고 온 · 오프라인 상에서 활발히 활동할 수 있는 환경을 조성하는 것이 필요하다. NGSS에서 제안된 증거중심설계 (evidence-centered design) 수업 활동에서의 증거기반추론 (evidence-based reasoning) 은 현재 많은 나라의 커리큘럼 에 포함되어 있고, 이에 따라 증거중심설계 과정의 평가는 강조되고 있다 [28]. 우리나라 과학교육에서도 과정중심평 가가 강조되고 있는 상황에서 이러한 선행 사례는 KSES의 평가 선행 지표로서 유용하게 참고 · 활용될 수 있을 것이다.

아울러 KSES의 ‘역량’과 ‘참여와 실천’ 차원의 평가지표 활용에 대한 시도는 기존의 과거 우리나라 교육과정이나 NGSS에서 없었던 부분을 보완한 점으로 앞으로 더욱 실천 적으로 발전시켜야 할 것이다. 이를 통해 표준에 대한 피드 백을 활성화하여 표준의 질적 향상과 발전을 도모해야 할 것이며, 과학교육 공동체의 참여를 신장시킬 수 있는 방안 개발 역시 필수적으로 동반되어야 할 것이다.

KSES에는 미래세대를 위한 과학교육의 표준을 확립하 기 위한 많은 노력이 함축되어 있는 것으로 보인다. 앞서 개발된 NGSS의 보완점을 고려한 부분과 실행과 적용, 평 가를 위한 가이드를 제시한 점 등이 확인되었다. 이를 통해 KSES는 실제 학교 현장에서 실행의 어려움을 극복하고 원활한 적용을 위한 방안을 모색하였다. 앞으로 KSES의 실행 및 정착, 그리고 발전을 위해서는 선행 사례를 참고로 하여 시행착오를 줄이는 과정과 과학교육 공동체의 참여와 노력 및 정책적, 재정적 뒷받침 등이 필요할 것이다.

2. 국제 성취도평가 준거 비교를 통한 논의점

우리나라 2015 개정 교육과정에서는 창의융합형 인재 양성을 위해 핵심역량을 강조하고, 교수�학습 및 평가 방법 을 학생 중심으로 개선하는 것을 목표로 실행 중이며, 교육 내용의 적정화를 통해 소수의 핵심개념을 선정하여 학습 부담을 경감시키고자 하였다. 2015 과학 교육과정 성취

기준과 NGSS 수행기대의 물리 영역을 비교 분석한 연구 [29]에서 우리나라의 과학 교육과정의 성취기준은 NGSS 의 수행기대보다 더 많은 지식 내용을 포함하지만, 탐구 기능 측면은 다양하지 않다고 지적된 바 있다. 본 연구의 결과, KSES에서 제시된 물리의 내용 요소는 NGSS의 내용 요소보다 많지 않으며, KSES는 ‘지식’을 ‘역량’ 및 ‘참여와 실천’과의 균형을 맞추어 제시하고 있었다. 이는 기존의 과학 교육과정에서 지적되었던 지식 내용 과잉과 탐구 기 능 부족에 대한 부분이 보완된 것으로 판단된다. 즉, 2015 개정 교육과정을 기반으로 내용 요소를 선정하였던 KSES 는 2015 개정 교육과정의 내용 요소보다 양적으로 축소된 경향을 보여준다.

NGSS와 KSES에서 공통적으로 나타나는 지식 내용 요 소의 감소 경향은 앞으로의 교육과정에서도 지속될 것으로 보이며, 대신 역량과 실천적 요소는 더욱 강조될 것으로 예상된다. 지식 내용 요소의 감소 경향은 미래사회에서 기 하급수적으로 생산되는 지식의 홍수 속에서 필요한 지식을 찾아 활용하고, 판단하며, 실천하는 역량을 기르는 교육으 로의 변화를 시사한다. 즉, 기존의 내용 중심이었던 과학 교육의 프레임이 미래사회의 요구에 따라 변화하고 있다는 것을 나타낸다. 이에 두 표준은 모두 ‘지식’에 치우치지 않 은 균형과 융합을 강조하고 있다. 다만, 지식 내용 요소의 감소에 대해서는 주의 깊은 논의와 접근이 필요하다. 과학 교과의 본질적 지식의 가치를 소홀히 해서는 안 될 것이며, 학습 내용 감소가 학습의 어려움을 해소하고 흥미와 태도를 증가시킬 것이라는 단순한 예상과 기대로 접근해서도 안 될 것이다.

앞서 국제 성취도 평가인 TIMSS 준거로 내용 요소를 살 펴본 바에 의하면, KSES에서는 힘과 운동에 대한 구체적 학습 내용을 고등학교의 선택 중심 교육과정인 Stage6 단계 이전에는 접하기 어려운 상황이다. 반면, NGSS에서는 힘과 운동에 관련한 내용 요소를 저학년부터 제시하고, 학생들은 학년 단계에 따라 연계되고 발전된 학습을 하게 된다. 이와 같이 표준에서 제시되고 있는 내용 요소에 따라 학교 교육 과정에서 학생들이 학습하게 되는 개념과 경험이 결정될 수 있다. 지식 내용 요소의 감소는 학생들이 학습하는 개념의 양적 감소를 의미할 뿐만 아니라 각 교과의 본질적인 지식 내용 요소 중 선택된 것으로 교육과정이 구성된다는 것을 의미한다. 따라서 지식 내용 요소가 감소되는 흐름 속에서 핵심개념의 선택과 배치는 중요한 문제이다. ‘지식’ 차원 내에서도 내용 요소의 치우침이나 어느 한 부분의 생략 없이 균형을 이루어야 할 것이다. 이를 위해 과학교육자의 피드 백 과정과 과학교육공동체의 충분한 합의가 필요할 것이다.

또한, 균형 있게 선택된 적은 수의 핵심개념을 저학년부터

제시하면서 질적으로 향상시켜 나가는 교수학습 방법에 초 점이 맞추어질 필요가 있다.

한편, 각 국가의 표준은 TIMSS 준거에 제시되지 않은 새 로운 내용 요소를 포함하고 있었는데, 이러한 내용 요소는 각 표준이 미래사회를 위해 필요한 지식 내용 요소로 강조 하는 영역이라고 할 수 있다. 미래사회로의 변화는 필요한 역량뿐만 아니라 필요한 지식적 요소의 변화를 가져온다.

그러므로 과학교육의 표준은 이러한 점을 검토하고 반영 해야 할 것이다. 이에 기존의 보편적인 지식 내용 요소와 더불어 미래사회를 위한 지식 역시 앞으로 다뤄야 할 내용 요소로 포함되어야 할 것이다.

본 연구에서 KSES와 NGSS의 종합적 비교와 국제적 준 거에 의한 세부적 비교를 통해 살펴본 바에 따르면, KSES 는 미래세대 과학교육표준으로서 선행 사례의 보완점을 반 영하고, 미래사회에 대한 고려를 담고 있는 것으로 판단된 다. 아울러 NGSS의 선행 실행 사례를 살펴봄으로써 KSES 의 성공적인 정착 방안에 대한 시사점을 얻고, 국제적 준거 비교를 통해 표준의 발전 방향을 고찰해보았다. 이를 통해 향후 KSES가 국제적 흐름과 함께 발전하여 미래 과학교 육과정 가이드라인으로서의 위상을 확고히 하고, 미래사회 과학교육을 충실히 준비할 수 있는 토대가 마련되기를 바 라는 바이다.

감사의 글

이 논문은 2016년 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원(NRF-2016S1A3A2925401)을 받아 수행된 연구 입니다.

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[29] N. H. Kang and J. H. Jeong, New Physics: Sae Mulli 66, 705 (2016).

Table 4. [부록] TIMSS 2019 Science Framework, Physics domain [24].

topic sub-topic contents^a

Physical states and changes in matter

1. Motion of particles in solids, liquids, and gases

A. Recognize that atoms and molecules in matter are in constant motion and recognize the differences in relative motion and distance between particles in solids, liquids, and gases; apply knowledge about the movement of and distance between atoms and molecules to explain the physical properties of solids, liquids, and gases (i.e., volume, shape, density, and compressibility).

B. Relate changes in temperature of a gas to changes in its volume and/or pressure and changes in the average speed of its particles; relate expansion of solids and liquids to temperature change in terms of the average spacing between particles.

2. Changes in states of matter

A. Describe changes of state (i.e., melting, freezing, boiling, evaporation, condensation, and sublimation) as resulting from an increase or decrease of thermal energy.

B. Relate the rate of change of state to physical factors (e.g., surface area, the temperature of the surroundings).

3. Physical changes

A. Recognize that physical changes do not involve the formation of new substances.^b

B. Explain that mass remains constant during physical changes (e.g., change of state, dissolving solids, thermal expansion).

Energy transformation and transfer

1. Forms of energy and the conservation of energy

A. Identify different forms of energy (e.g., kinetic, potential, light, sound, electrical, thermal, chemical).

B. Describe the energy transformations that take place in common processes (e.g., combustion in an engine to move a car, photosynthesis, the production of hydroelectric power);

recognize that the total energy of a closed system is conserved.

2. Thermal energy transfer and thermal conductivity of materials

A. Recognize that temperature remains constant during melting, boiling, and freezing, but thermal energy increases or decreases during a state change.

B. Relate the transfer of thermal energy from an

object or an area at a higher temperature to one at a lower temperature to cooling and heating; recognize that hot objects cool off and cold objects warm up until they reach the same temperature as their surroundings.

C. Recognize that conduction, convection, and radiation are all types of thermal energy transfer; compare the relative thermal conductivity of different materials.^c

Light and sound 1. Properties of light:

A. Describe or identify basic properties of light (i.e., speed;

transmission through different media; reflection, refraction, absorption, and splitting of white light into its component colors);

relate the apparent color of objects to reflected or absorbed light.

B. Solve practical problems involving the reflection of light from plane mirrors and the formation of shadows; interpret simple ray diagrams to identify the path of light.^d

2. Properties of sound

A. Recognize that sound is a wave phenomenon caused by vibration and is characterized by loudness (amplitude) and pitch (frequency); describe some basic properties of sound (i.e., the need for a medium for transmission, reflection and absorption by surfaces, and relative speed through different media which is always slower than light).

B. Relate common phenomena (e.g., echoes, hearing thunder after seeing lightning) to the properties of sound.

aTIMSS 2019 Science Framework에서는 다섯 가지 주제 영역에 따 른 하위 주제에 따라 세부 목표를 서술하였다. 세부 목표의 내용 요소를

‘contents’ 로 명명하였다. TIMSS 2015와 비교하여 세부 내용 요소가 합쳐져서 표현되거나 새롭게 추가 또는 생략된 부분이 있으며, 추가되거나 생략된 부분은 각주에 표시하였다.

bTIMSS 2015에서 없었던 부분으로 새롭게 추가되었다.

c열의 전달 방식 (전도, 대류, 복사) 는 TIMSS 2015에서 없었던 부분으 로 새롭게 추가되었다.

dTIMSS 2015에서 빛의 경로에 대한 해석 중 렌즈에 대한 내용이 생략 되었다

Electricity and magnetism

1. Conductors and the flow of electricity in electrical circuits

A. Classify materials as electrical conductors or insulators;

identify electrical components or materials that can be used to complete circuits.

B. Identify diagrams representing complete circuits; describe factors that affect electrical current in series or parallel circuits (e.g., the number of batteries and/or bulbs).

2. Properties and uses of permanent magnets and electromagnets

A. Relate properties of permanent magnets (i.e., two opposite poles, attraction/repulsion, and,strength of the magnetic force varies with distance) to uses in everyday life (e.g., a

directional,compass).

B. Describe the properties that are unique to electromagnets (i.e., the strength varies with current, number of coils, and type of metal in the core; the magnetic attraction can be turned on and off; and the poles can switch) and relate properties of electromagnets to uses in everyday life (e.g., doorbell, recycling factory).

Motion and forces

1. Motion

A. Recognize the speed of an object as change in position (distance) over time and acceleration as change in speed over time.

2. Common forces and their characteristics

A. Describe common mechanical forces (e.g., gravitational, normal, friction, elastic, buoyant); recognize and describe weight as a force due to gravity; differentiate between contact and non-contact forces (e.g., friction, gravity).^a

B. Recognize that forces have strength and direction; recognize that for every action force there is an equal and opposite reaction force; recognize and describe the difference in the force of gravity on an object when it is located on different planets (or moons).^b

3. Effects of forces

A. Describe the functioning of simple machines (e.g., levers, inclined planes, pulleys, gears).

B. Explain floating and sinking in terms of density differences and the effect of buoyant force.

C. Describe pressure in terms of force and area; describe effects related to pressure (e.g., water pressure increasing with depth, a balloon expanding when inflated).

D. Predict qualitative one-dimensional changes in motion (speed and direction) of an object based on the forces acting on it; recognize and describe how the force of friction affects motion (e.g., the contact area between surfaces can increase friction and impede motion).^c

a중력으로 무게를 표현하고, 접촉력과 비접촉력에 대한 내용은 TIMSS 2015에서 없었던 부분으로 새롭게 추가되었다.

b행성에 따른 중력의 차이는 TIMSS 2015에서 없었던 부분으로 새롭게 추가되었다.

c마찰이 운동에 미치는 영향에 대한 내용은 TIMSS 2015에서 없었던 부분으로 새롭게 추가되었다.