4.4 통합 탐구 기능의 활용: 가설-연역적 순환학습 모형

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4.4 통합 탐구 기능의 활용: 가설-연역적 순환학습 모형

1. 들어가기

이 절에서는 과학 수업에서 쉽고 유용하게 활용할 수 있는 탐구 수업 모형 중 통합 탐구 기능 에 기초한 가설-연역적 순환학습 모형에 대해 소개하고자 한다. 먼저 가설-연역적 순환학습 모 형에 근거한 활동을 경험한 후, 이 활동에서 통합 탐구 기능이 활용되는 방법을 분석하도록 할 것이다. 이 후, 순환학습 모형의 단계와 형태, 각 단계별 특징 및 실례를 소개할 것이다. 마지막 으로 생활과학교실에서 가설-연역적 순환학습 모형을 활용할 구체적인 계획을 세워보도록 할 것 이다. 이를 위해 도움이 되는 자료도 제시할 것이다.

2. 탐색 활동

가설-연역적 순환학습 모형에서는 어떤 탐구 기능을 요구할까?

다음 표 이후의 활동은 가설-연역적 순환학습 모형의 탐색 단계 활동이다. 이 활동을 보고, 각 질문 또는 활동 에서 어떤 탐구 기능을 요구하는지 분석하여 적어보자.

질문 또는 활동 요구하는 탐구 기능

예측해 봅시다.

관찰해 봅시다.

알아내어 봅시다.

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1000g

100g _500g

100g 500g 1000g 예측해 봅시다.

오른쪽 그림과 같이 세 종류의 구가 있다. 검은색 구의 질량은 100g과 1000g이고, 재료는 같은 물질이다. 회색 구는 다른 재료로 만들었으며, 작 은 검은색 구와 크기는 같으나 질량은 500g이다.

작은 검은색 구와 회색 구를 물이 들어있는 수조에 넣었다. 그 결과 검은색 구는 물에 뜨고, 회색 구는 물에 가라앉았다.

☞ 1000g짜리 검은색 구를 물에 넣으면 어떻게 될까? 그렇게 생각한 이유는 무엇인가?

예측 현상

그렇게 생각 한 이유

관찰해 봅시다.

1. 전자저울을 사용하여 각 구의 실제 질량을 측정해보자.

측정한 질량(g) 100g 검은색 구

500g 흰색 구 1000g 검은색 구

2. 직접 실험한 후, 관찰한 결과를 적어보자.

관찰한 결과 100g 검은색 구

500g 흰색 구 1000g 검은색 구

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1. 여러분이 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞는지 적어보자. 또한, 이 사실 결과에 기초하여 물체가 물에 뜨고 가라앉는 이유에 대한 가설을 적어보자.

2. 자신의 가설이 맞는지를 확인하기 위한 실험 방법을 생각하여 적어보자.

3. 예측되는 실험 결과를 적어보자.

4. 직접 실험한 후, 관찰한 결과를 적어보자. 또한, 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞는지 분석해보자.

5. 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞지 않는다면 새로운 가설을 설정한 후 1~4의 과정을 반복해보자.

6. 실험을 통해 알아낸 결론은 무엇인지 적어보자.

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3. 탐색 활동에 대한 해설

활동 의도

통합 탐구 기능의 중요성과 유용성을 보다 잘 인식하기 위해서는 실제 과학 수업에서 이 기능 들이 어떻게 활용될 수 있는지를 경험해볼 필요가 있다. 그리고 이를 위한 효과적인 방법 중 하 나로, 통합 탐구 기능에 기초한 과학 탐구 수업 모형을 진행하는 과정에서 통합 탐구 기능들이 활용되는 방법을 분석해보는 활동을 고려해볼 수 있다. 이에 탐색 활동에서는 탐색-개념 도입- 개념 적용의 3단계로 진행되는 순환학습 모형 중 통합 탐구 기능을 요구하는 가설-연역적 순환 학습 모형의 탐색 단계를 경험해보고, 이 과정에서 통합 탐구 기능이 활용되는 방법을 분석해보 는 기회를 제공하고자 했다.

활동 결과 예시

질문 또는 활동 요구하는 탐구 기능

1000g짜리 검은색 구를 물에 넣으면 어떻게

될까? 예상

그렇게 생각한 이유는 무엇인가? 추리

관찰해 봅시다. 전자저울을 사용하여 각 구의 실제 질량을 측정해보자. 질량 측정 직접 실험한 후, 관찰한 결과를 적어보자. 정성적 관찰

여러분이 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞는지 적어보자. 문제인식

물체가 물에 뜨고 가라앉는 이유에 대한 가설을 적어보자. 가설설정

자신의 가설이 맞는지를 확인하기 위한 실험 방법을 생각

하여 적어보자. 변인통제 포함

예측되는 실험 결과를 적어보자. 예상

직접 실험한 후, 관찰한 결과를 적어보자. 정성적 관찰

예측한 결과와 관찰한 결과가 맞는지 분석해보자. 자료해석

실험을 통해 알아낸 결론은 무엇인지 적어보자. 결론도출

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탐색

개념 적용 탐색 개념 도입

개념 적용 탐색

개념 적용 개념 도입

개념 도입

그림 4-4-2. 순환학습 모형에서의 순환적 구조

4. 이론적 배경

1. 순환학습 모형

순환학습 모형은 기본적 과학 개념의 획득과 과학적 탐구 능력의 발달이라는 두 가지 목표를 달성하기 위해 1950년대 후반부터 1960년대 초에 걸쳐 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스에서 진 행된 SCIS(Science Curriculum Improvement Study) 프로그램에서 도입되었다(Karplus, 1977).

이 모형은 ‘탐색 단계’, ‘개념 도입 단계’, ‘개념 적용 단계’의 3단계로 구성되어 있다. 이 중 Piaget의 인지 발달 이론에 기초를 두고 있고, 관찰 및 실험과 같은 탐구 활동을 통해 학생 스스 로 새로운 개념을 탐색하고 발견할 수 있도록 유도하는 ‘탐색 단계’를 가장 중요시한다. 또한, 탐 색 단계에서 학생들이 발견한 것에 기초하여 새로운 개념을 도입하는 ‘개념 도입 단계’와 학습한 개념이나 원리를 새로운 상황에 적용하는 ‘개념 적용 단계’가 강조된다. 그림 4-4-1은 순환학습 모형에 따른 수업 과정을 도식화한 것이다. 그러나 각 단계는 서로 분리된 것이 아니라 순환적이 고 반복적으로 이루어진다(그림 4-4-2). 또한, 세 단계 중에서 한 단계는 학습 형태에 따라 변 할 수 있지만, 각 단계의 인과적 관계를 변화시키거나 어떤 단계를 생략할 수는 없다.

그림 4-4-1. 순환학습 모형에 따른 수업 과정

2. 순환학습 모형의 형태

순환학습 모형은 자료 수집을 완전히 서술적 형태로 하는지 아니면 가설을 설정하고 이를

검증을 위한 통제된 실험을 통해 하는지에 따라 서술적(descriptive), 경험-귀추적(empirical

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abductive), 가설-연역적(hypothetical deductive) 순환학습이라는 3가지 형태로 분류된다 (Lawson et al., 1989). 이 3가지 형태의 순환학습 모형은 모두 탐구-개념 도입-개념 적용의 단계를 따르나, 인지 갈등을 유발하거나 대안적 개념을 확인하거나 사고력을 향상시키는 측면 에서의 효과는 각기 다르다. 각 형태의 순환학습 모형의 특징 및 단계별 활동을 표 4-4-1에 정 리ㆍ비교했다.

서술적 순환학습 경험-귀추적 순환학습 가설-연역적 순환학습

특징

ㆍ관찰 사실을 설명하지 않고 단 순히 관찰한 것을 기술하거나 계열화하거나 분류함 ㆍ‘왜(why?)’가 아니라 ‘무엇

(what?)’에 대해 답함 ㆍ인지 갈등을 유발하지 않음 ㆍ학생들의 인지수준이 낮거나, 선

개념이 없는 내용을 가르칠 때 적합함

ㆍ관찰은 서술적 형태로 이루어짐 ㆍ잘 설정된 가설에 의한 것이 아

닌 경험적인 실험을 수행함 ㆍ다른 상황에서 학습한 개념을

현재 상황에 끌어오는 귀추나 비유적 추론을 통해 원인을 설 명함

ㆍ인과적 질문으로 시작함 ㆍ대안적 가설을 명확히 설정하고,

이를 논리적 연역과 실험 결과 를 비교하여 검증함

탐색단계

(학생)자연 현상을 관찰 탐구하여 단순 히 규칙성을 발견하고 기술함 (교사)

학생들에게 관찰할 사실을 단순히 제시함

(학생)ㆍ자연 현상을 관찰 탐구하여 규 칙성을 발견하고 기술함 ㆍ규칙성의 원인에 대해 설명함 (교사)현상에 대한 서술적이고 인과적인 의문을 불러일으킴

(학생)ㆍ현상을 탐색하여 문제를 인식한 후, 이를 설명하기 위한 가설을 설정함

ㆍ가설을 검증하기 위한 실험을 설계하고 수행함

ㆍ실험 결과를 분석하여 가장 적 합한 가설을 선택함

(교사)현상에 대한 서술적이고 인과적인 의문을 불러일으킴

개념 도입단계

(학생)관찰 결과를 발표하고 규칙성에 대해 기술함

(교사)

학생들이 발견한 규칙성에 적합한 용어를 도입함

(학생) 또는 (교사)

학생들의 대안적 설명에 적합한 용어를 도입

(학생)적합한 가설을 기술함

(교사)학생들이 선택한 가설에 적합한 용어를 도입함

개념 적용단계

(학생)

토의하거나 관련 개념을 다른 상 황에 적용함

(교사)

관련 개념을 다른 상황에 적용하 는 기회를 제공함

(학생)

(교사)

(학생)

(교사)

표 4-4-1. 3가지 형태의 순환학습 모형의 특징 및 단계별 활동

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<생각해 봅시다.>

▶ 가설-연역적 순환학습 모형에 적합한 소재를 생각해 봅시다.

▶ 가설-연역적 순환학습 모형을 효과적으로 활용할 수 있는 방법에 대해 생각해 봅시다.

5. 실제 지도의 예시

여기에서는 3가지 형태의 순환학습 모형 중 통합 탐구 기능을 가장 많이 요구하는 가설-연역 적 순환학습 모형의 각 단계별 특징 및 실례를 소개하고자 한다.

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탐색 단계

가설-연역적 순환학습에서 ‘탐색 단계’는 교사가 제시한 인과적 의문을 해결하 기 위해 학생 스스로 가설을 설정하고, 이를 검증하기 위한 실험을 직접 설계 및 수행하여 그 의문에 대한 해답을 찾는 단계이다. ‘2. 탐색 활동’에 제시된 활동이 그 예이며, 그림 4-4-3은 또 다른 예이다.

1. 페트리접시에 물을 담고 양초를 세워 연소시킨 후 비커를 씌워 양초를 덮으면, 잠시 후 불이 꺼지고 비커 안의 수면이 상승한다. 이런 현상이 일어나는 이유에 대한 가능한 설명을 3가지 적어보자.

2. 자신의 가설이 맞는지를 확인하기 위한 실험 방법을 생각하여 적어보자.

3. 예측되는 실험 결과를 적어보자.

4. 직접 실험한 후, 관찰한 결과를 적어보자. 또한, 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞는지 분석해보자.

5. 예측한 결과와 관찰한 결과가 맞지 않는다면 새로운 가설을 설정한 후 1~4의 과정을 반복해보자.

6. 실험을 통해 알아낸 결론은 무엇인지 적어보자.

그림 4-4-3. 가설-연역적 순환학습 모형의 탐색 단계의 예

이 단계에서 교사는 단지 학습의 안내자로서 학생들의 사고나 토의를 촉진할 수 있는 학습 분

위기를 조성하는 역할을 수행해야하며, 그 구체적인 역할은 다음과 같다.

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ㆍ가설-연역적 순환학습 모형에 적합한 개념이나 소재를 선택한다.

ㆍ인과적 질문을 제시하여 학생들이 가설을 설정하도록 유도한다.

ㆍ학생들이 설정한 가설을 검증하기 위한 실험을 설계하도록 유도한다.

ㆍ학생들이 실험을 설계하고 수행할 때 조력자 역할을 수행한다.

ㆍ학생들이 예측과 실험 결과의 일치 여부에 따라 가설의 수용 여부를 판단하는 과정에서 조력자 역할을 수 행한다.

ㆍ학생들이 자유롭게 생각하고 자신의 생각을 확인해 볼 수 있는 탐구 기회를 제공한다.

ㆍ학생들이 자신의 선개념이 잘못된 것임을 스스로 깨달을 수 있는 기회를 제공한다.

ㆍ학생들이 새로운 현상에 대한 규칙성을 발견하여 새로운 개념을 획득할 수 있도록 유도한다.

ㆍ학생들이 이전에 학습한 내용을 적용하도록 유도한다.

ㆍ학생들의 호기심을 충족시킬 수 있도록 노력한다.

ㆍ학생들과의 개별 접촉을 통해 학생들의 이해 수준을 파악하도록 노력한다.

<생각해 봅시다.>

▶ 제시된 예 이외에 탐색 단계에서 사용할 수 있는 소재를 생각해 봅시다.

▶ 제시된 사항 이외에 탐색 단계를 효과적으로 진행하기 위해 수행해야할 교사의 역할에는 어떤 것 이 있는지 생각해 봅시다.

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개념 도입 단계

‘개념 도입 단계’는 학생들이 탐색 단계에서 발견한 규 칙성이나 검증한 가설을 직접적으로 설명할 수 있는 새로운 개념이나 원리를 도입하는 단계로, 탐색 단계 에서 유발된 인지적 비평형 상태가 해소되는 단계이 다. 이때, 새로운 개념이나 원리는 교과서, 멀티미디어 자료, 교사의 말 등으로 도입할 수 있으며, 교사가 주 도하여 진행한다. 또한, 새로운 개념이나 원리가 학생 들이 이미 이해하고 있는 개념이나 원리들을 내포하고 있을 때 더욱 효과적이다.

그러나 구체적 조작 수준에 있는 학생들은 교사에 의 해 개념 도입이 이루어져도 새로 도입된 개념이나 원 리를 통해 인지적 비평형 상태를 해결하는데 실패하기

도 한다. 즉 비평형 상태가 계속되거나 주어진 문제에만 국한되어 문제해결이 이루어질 수 있다. 따라서 이 학생들에게는 새로 도입된 개념이나 원리를 확고히 할 수 있는 학습 경험을 추가적으로 제공해야 한다.

그림 4-4-4는 가설-연역적 순환학습 모형의 개념 도입 단계에서 활용할 수 있는 활동지의 예이다.

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선생님의 설명을 들으며 다음 질문에 답해 봅시다.

‘밀도’의 뜻이 무엇인가? 물체가 물에 뜨고 가라앉는 이유는 무엇인 가?

그림 4-4-4. 개념 도입 단계에서 활용할 수 있는 활동지의 예

<생각해 봅시다.>

▶ 제시된 사항 이외에 개념 도입 단계를 효과적으로 진행하기 위해 고려해야할 사항에는 어떤 것이 있는지 생각해 봅시다.

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개념 적용 단계

‘개념 적용 단계’는 새로 도입된 개념이나 원리를 다른 상황에 적용해보는 단계이다. 새로 배운 개념이나 원리 를 다양한 상황에 적용해보는 경험이 없으면 그 개념 이나 원리를 일반화시키는데 실패할 수 있다. 따라서 개념 적용 단계를 통해 학생들은 새로 도입된 개념이 나 원리를 정교화하고 그 적용 폭을 확장시킬 수 있다.

특히, 개념의 재조직화가 늦는 학생이나 개념 도입 단 계에서 교사의 설명과 자신의 사전 지식이나 경험을 적절히 관련시키지 못하는 학생들에게는 더 많은 도움 이 될 수 있다.

이 단계를 위한 구체적인 방법으로는 학생들에게 새로 도입된 개념이나 원리가 일상생활에서 적용되는 예를 찾

아보도록 하거나, 그 개념이나 원리가 적용되는 다른 문제 상황을 제시하여 해결하도록 하는 방법 등이 있다.

그리고 가능하면 이 과정을 소집단 환경에서 진행하여 학생들끼리 서로의 생각에 대해 논의하도록 함으로써 학생들이 자신의 사고를 정교할 수 있는 기회를 마련해주는 것이 좋다. 그림 4-4-5는 개념 적용 단계에서 활 용할 수 있는 활동지의 예이다.

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생각을 넓혀 봅시다.

크기와 모양이 똑같은 풍선 2개를 물이 2/3 정도 담긴 수조에 넣으려고 한 다. 이때, 오른쪽 사진과 같이 풍선 하나는 물 아래쪽에 있고, 다른 하나는 물 위쪽에 있도록 만들려고 한다. 어떻게 하면 이렇게 만들 수 있는지 그 방법을 생각하여 적어보자.

그림 4-4-5. 개념 도입 단계에서 활용할 수 있는 활동지의 예

<생각해 봅시다.>

▶ 제시된 예 이외에 밀도 학습에 대한 개념 적용 단계에서 사용할 수 있는 소재를 생각해 봅시다.

▶ 제시된 사항 이외에 개념 적용 단계를 효과적으로 진행하기 위해 고려해야할 사항에는 어떤 것이 있는지 생각해 봅시다.

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6. 적용 활동

나는 가설-연역적 순환학습 모형을 이렇게 활용해야지!

실제 지도의 예시 부분을 참고하여, 생활과학교실에서 가설-연역적 순환학습 모형을 활용할 구체적인 계획을 세워보고 토의해보자.

단계 교사 활동 학생 활동

탐색 단계

개념 도입 단계

개념 적용 단계

7. 도움이 되는 자료

인쇄 자료

1. 과학교육학 개론, 김찬종ㆍ채동현ㆍ임채성 공저, 북스힐

이 책의 제6장 5절은 순환학습 모형에 대한 내용으로 구성되어 있다. 즉, 순환학습 모형의 배경 및 특징, 단계에 대한 설명과 적용 예시 등이 제시되어 있다.

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2. 중학교 1학년 과학 ‘상태 변화와 에너지’ 탐구수업 지도자료

이 책은 교육인적자원부의 지원을 받아 개발된 것으로, 3부 10장으로 구성되어 있다.

순환학습 모형에 대한 설명은 제10장에 제시되어 있으며, 제4장~제7장에 순환학습 모형을 활용한 교수-학습 자료가 포함되어 있다. 이 책의 모든 내용은 서울대학교 과학교육연구소 홈페이지

(http://serc.snu.ac.kr/iframe/list.php?menu_id=142)에 탑재되어 있다.

인터넷 자료

1. 화학교육홈페이지: http://www.chemed4u.net/

(http://www.chemed4u.net/lecture/lecture19/lecture19-00.html)

이 사이트에는 순환학습 모형의 발생 배경, 단계 및 형태, 적용 효 과, 5E 모형과 순환학습 모형의 비교 등에 대한 설명이 제시되어 있다. 또한, 순환학습 모형을 활용한 교수-학습 자료가 탑재되어 있 다.

2. 멀티미디어 과학교육: http://www.chemed4u.net/sciedu/

(http://www.chemed4u.net/sciedu/lesson11/lesson11-f.html)

이 사이트에는 순환학습 모형의 발생 배경과 단계 및 형태에 대한 설명이 제시되어 있다. 또한, 순환학습 모형을 활용한 교수-학습 자 료 예시가 탑재되어 있다.

8. 참고 문헌

Karplus, R. (1977). Science teaching and the development of reasoning. Journal of Research in Science Teaching, 14(2), 169-175.

Lawson, A. E., Abraham, M. R. & Renner, J. W. (1989). A theory of instruction: Using the learning cycle to teach science concepts and thinking skills. NARST MONOGRAPH, Number One.