3단계 마인드맵 활동이 과학영재 학생들의 시스템 사고 향상에 미치는 효과 : 천문 내용을 중심으로
손 준 호 김 종 희
문산초등학교 전남대학교
1)
본 연구는 과학영재 학생들에게 3단계 마인드맵 활동이라는 학습 방법을 천문내용을 중심으로 개발하여 적용해 봄으로써 그들의 시스템 사고가 어떻게 향상되었는지를 분석한 것이다. 2번의 사전연구를 거친 후, 6학년 9명 학생을 대상으로 시스템 사고의 향상 정도를 마인드맵과 인과지 도 및 학생들의 면담 내용을 통해 분석하였다. 연구 결과, 3단계 마인드맵 활동을 경험한 실험집 단 학생들의 인과지도 내용이 통제집단에 비해 훨씬 복잡하고 다양하게 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발하여 적용한 3단계 마인드맵 활동은 과학영재 학생들의 시스템 사고 향상을 위한 대안으로서의 가치가 있다고 생각한다. 이 연구를 통해 3단계 마인드맵 활동은 과학영재 학생들 의 배경지식 활성화 및 사고의 체계화를 유도함으로써 과학영재 학생들의 시스템 사고를 향상시 키는 대안이 될 수 있음을 확인하였으며, 이를 적극적으로 활용한다면 과학영재 학생들의 시스템 사고를 향상시켜 창의적 문제 해결력을 향상시키는 인재 육성에 기여할 수 있을 것이다.
주제어: 과학영재, 시스템 사고, 마인드맵, 인과지도, 천문
I. 서 론
최근 세계 각국은 영재 개인의 정신건강과 자아실현, 국가 경쟁력 향상이라는 공통된 목표 하에 영재교육 관련 법률을 제정하고 국가별로 다양하게 영재성을 정의하여 판별하고 선발하는 노력을 하고 있으며, 영재교육 발전을 위해 영재교육 담당 교원을 적극적으로 양성하는 등 정책적 노력과 많은 예산을 투입하고 있다(이정규, 성은현, 이신동, 2015). 우리나라 역시 영재교육의 발전과 내실화를 위해서 2000년 영재교육진흥법이 제정되었고, 2002년에는 동법 시행령이 공포 되었으며, 1차 영재교육진흥종합계획(2002~2006), 2차 영재교육진흥종합계획(2007~2012)이 시 행되었으며, 3차 영재교육진흥종합계획(2013~2017)이 시행 중에 있다(이정규 외, 2015). 그리고 교육과학기술부 등 10개 정부 기관이 중심이 되어 제 2차 과학기술인재 육성‧지원 기본 계획을 수립하였고, 중점 과제로 초‧중등 단계에서 과학 기술 교육의 방편으로 미래형 융합인재교육 (STEAM)과 영재교육 내실화를 제시하는 등 인재 교육을 위한 다양한 정책을 수립하여 실시하고 교신저자: 김종희([email protected])
Journal of Gifted/Talented Education 2016. Vol 26. No 2, pp. 257～280
있다(박춘성, 2015).
하지만 교육기회의 형평성 제고와 국가 경쟁력 강화를 목적으로 실시한 영재교육이 계속된 양적 팽창에도 불구하고 질적 수준은 만족할 만한 성과를 내지 못하고 있음에 많은 비판이 있 어 왔다(여상인, 진현숙, 2012). 특히 우리나라 과학영재교육은 창의력을 신장하는 수업이 부 족하고 강의 위주의 수업 빈도가 높으며, 외국에서 사용되는 프로그램을 우리나라의 특성을 고려하지 못한 채 그대로 차용해 사용하는 등 여러 문제점이 있음을 지적한 바 있다(임길선, Yager, 2007; 황정훈, 김영민, 2009).
대부분의 영재교육에서는 창의적 문제해결력을 강조하고 있으며, 과학영재 교육에서도 이 를 강조하고 있는 바, 과학영재 학생들이 다양하고 융합적이며 다차원적인 사고를 통해 창의 적 문제해결력을 배양하는데 도움을 줄 수 있도록 프로그램을 개발해야 함은 당연지사이다.
최근 과학영재교육이 창의성 계발, 탐구 능력의 배양, 과학-수학 문제 해결력의 향상에 많은 관심을 갖고 있는 만큼(이효녕, 김승환, 2009; 서혜애, 이윤호, 2003; 조석희, 2000), 앞으로의 과학영재교육 프로그램은 지식의 구조화를 통한 창의성 계발로 실생활의 적용력을 향상시키 고 창의적인 문제해결력을 신장시키기 위해 사고력 증진을 위한 내용이 적극 반영되어야 할 것이다. 왜냐하면 시스템 사고(system thinking)는 과학영재 학생들의 고등사고력을 신장시킬 가능성이 있다는 측면에서 과학영재교육 프로그램의 질적 발전을 위한 대안이 될 가능성이 높기 때문이다.
시스템 사고에 대해 김동환(2011)은 시스템 사고를 파동의 사고(wave thinking), 인과적 사 고(causal thinking), 피드백 사고(feedback thinking)로 나누어 자세히 설명하였는데 이를 요약 하면 다음과 같다. 시스템 사고는 1980년대 이후부터 시스템 다이내믹스의 교훈 중에서 일반 인에게 전달하기 용이한 부분을 간추려 사용하기 시작하였는데, 특히 직관(insight)을 사용하 여 현실 문제의 본질을 간파하도록 유도한다. 시스템 사고는 과학적인 사고방식이지만 딱딱하 고 틀에 갇힌 사고방식이 아닌 직관적인 지혜를 추구하는 유연한 사고방식으로 논리적이고 종합적인 사고를 강조한다. 시스템 사고의 기본적인 구성요소는 ① 시스템의 지속적인 변화를 인정하는 파동의 사고, ② 음양의 인과관계를 바라보는 인과적 사고, ③ 인과관계의 사슬이 순환되는 구조를 강조하는 피드백 사고로 구성되어 있다. 물론 시스템을 자신이 원하는 방향 으로 변화시킬 수 있는 가장 효과적인 전략을 발견하는 ‘전략의 발견’도 포함된다. 문제를 발 견하는 단계에서는 파동의 사고가 요구되는데, 정태적인 문제보다는 동태적인 문제를 중요시 한다. 문제를 둘러싼 원인과 결과의 관계를 이해할 때 문제의 원인을 발견하고 그 해결방안을 강구하는 사고방식이 인과적 사고이다. 이는 시스템 사고가 예측보다는 이해를 중시하기 때문 이며, 시스템 사고에서 구조는 행태를 결정하고 행태는 구조를 변화시키게 되는데, 이것이 시 스템 사고의 기본적인 전제이다. 구조가 행태를 결정짓는다는 원리가 이해의 맥락에서 중요하 다면 행태가 구조를 변화시킨다는 원리는 학습의 맥락에서 중요하다. 원인과 결과가 같은 방 향으로 변화하면 양(positive)의 인과관계, 반대방향으로 변화하면 음(negative)의 인과관계로 보는데, 인과관계는 변수의 증감과는 관련이 없으며 단지 두 변수 사이의 변화방향이 같은지 다른지에 의해서 인과관계의 부호가 결정되므로 이를 화살표로 표현할 수 있다. 이것이 바로
인과지도(causal map)이다. 인과관계를 말하기 위해서는 구조에 관한 지식이 있어야 하며, 변 수는 반드시 명사를 사용해야 한다. 인과지도는 여러 개의 인과관계를 동시에 조망할 수 있도 록 유도함으로써 시스템 전체의 형성과정을 이해하는데 도움을 준다. 이렇게 분석된 내용을 자세히 살펴보면 시스템 사고에서 강조하는 지속적인 변화의 흐름을 확인할 수 있는데 이는 피드백 구조를 통해 이해할 수 있다. 이처럼 시스템 사고는 문제를 해결하기 위해 순환적이고 인과적인 관계를 포함한 상호 관련성에 초점을 둔 수단적 사고이다(박병렬, 이효녕, 2014).
시스템 사고는 학생들이 배우고 적용하기 쉬우며, 다양한 분야에 적용할 수 있고 공유와 확 장이 가능하여 고등 사고 능력을 신장시킬 수 있다는 장점을 갖고 있는데(이효녕, 권용주, 오 희진, 이현동, 2011), 이는 시스템 사고와 관련된 선행 연구를 통해 확인할 수 있다. 시스템 사 고를 과학교육과 연관 지어 연구한 국내 연구를 살펴보면, 시스템 사고의 인과지도가 정량적 인 창의성 검사를 위한 측정도구로 충분히 활용될 수 있음을 확인하였고(문병찬, 2011), 지구 온난화 주제를 중심으로 교육프로그램을 개발하여 학생들의 시스템 사고를 향상시킨 결과가 있다(이효녕 외, 2011). 그리고 시스템 사고 교육에 대한 합목적적인 교수·학습을 통해 초등학 교 4, 5, 6학년 학생들의 시스템 사고 능력이 향상되었고(문병찬, 송진여, 2012), 과학 고등학 교 학생과 일반 고등학교 학생들을 대상으로 시스템 사고 수준을 비교한 결과, 과학 고등학교 학생들이 더 높음을 밝히기도 하였다(이효녕, 이현동, 2013). 또한 일반계 고등학생들을 대상 으로 물레방아를 소재로 한 시스템 사고 기반의 융합인재교육 프로그램을 개발하여 적용해서 시스템 사고와 융합적 소양이 서로 상관관계가 있음을 밝힌 연구결과도 있다(전재돈, 2014).
이외에도 지구과학 분야에서 지구 시스템을 이해하는데 도움을 줄 수 있음에 주목한 연구 결 과도 있다(문병찬, 정진우, 경재복, 고영구, 윤석태, 김해경, 오강호, 2004). 왜냐하면 지구에서 나타나는 현상들은 지권, 대기권, 수권, 생물권과 인간 활동의 상호작용에 따른 결과이기 때문 이다. 따라서 지구를 하나의 系(계, system)로 인식하고, 지구환경 연구에 시스템적인 접근 (systematic approach)이나 종합적인 해석과 이해 등의 새로운 방법을 적용하고 있는데(이효녕, 김승환, 2009; Mayer & Kumano, 1999), 지구과학교육에서도 단편적인 지식이 아닌 지구 시 스템에 대한 전체적인 이해를 강조하고 있다(Mayer, 남정희, 이효녕, 2007). 국내에서도 지구 과학 분야에 시스템 사고를 적용한 몇 개의 연구결과가 보고된 바 있다. 예비교사들의 탄소 순환에 대한 지구 시스템의 관련 개념과 시스템 사고의 적용에 관한 연구(문병찬 외, 2004), 물의 순환에 대한 고등학생들의 지구 시스템 관련 개념과 시스템 사고의 분석에 관한 연구(강 천덕, 이효녕, 윤일희, 김은주, 2008), 과학 글쓰기를 통해 본 학생들의 지구 시스템에 대한 이 해와 시스템 사고의 분석에 관한 연구(김태수, 2009), 과학 영재 학생들의 사고양식에 따른 지 구 시스템에 대한 인지 특성에 관한 연구(이효녕, 김승환, 2009), 고등학생들의 시스템 사고 향상을 위한 지구온난화 중심의 교육프로그램 개발 및 적용에 관한 연구(이효녕 외, 2011) 등 이 있는데 이를 종합해 볼 때 시스템 사고는 지구과학 분야에서 적용가능하며 학생들의 고등 사고력 신장을 위한 필수 전략이 될 수 있음을 알 수 있다.
시스템 사고를 과학 학습에 활용한 지금까지의 국내 연구를 3가지로 나누어 정리해 보면,
① 시스템 사고를 측정하는 도구의 개발에 관한 연구, ② 시스템 사고 그 자체를 소개함으로
써 인과지도 등의 방법론적인 측면을 활용한 연구, ③ 지구시스템의 이해를 돕기 위해 물의 순환이나 탄소의 순환처럼 제한된 주제에 대한 학생들의 시스템 사고 정도를 확인하기 위한 연구로 정리할 수 있다. 하지만 학생들의 시스템 사고를 직접적으로 향상시키는데 도움을 줄 수 있는 방법에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 물론 시스템 사고에서 제시한 인과지도의 표현 방법 자체가 고등사고력 향상에 도움을 줄 수도 있고, 과학 관련 주제에 대한 학생들의 생각을 인과지도 등으로 표현함으로써 사고의 논리성과 체계성을 신장시킬 수도 있을 것이다.
하지만 학생들의 시스템 사고를 본질적으로 향상시키기 위해서는 그들이 갖고 있는 개념을 위계적으로 정리하고 확장시킴으로써 다양한 배경지식을 체계적으로 확립시키려는 교육적 활 동이 선행되어야만 한다.
이에 본 연구에서는 과학영재학생들에게 배경지식의 활성화를 통한 시스템 사고의 향상을 위해 3단계 마인드맵 활동을 제안하고자 한다. 본 연구에서 마인드맵 활동을 제안한 이유는 첫째, 두뇌이론을 근저로 한 마인드맵은 원래 중심이미지, 핵심어, 색, 부호, 상징기호 등을 활 용해 필기를 하는 방법이다(김유미, 1999). 최근에는 협동학습, 창의성 등에 널리 활용되고 있 는 학습방법으로, 특히 마인드맵에서 돋보이는 시각화와 지도화는 사고력 중심의 전뇌 개발에 중요한 역할을 하여 사람들의 기억을 돕는 학습방법이기 때문이다(김현철, 1995). 둘째, 과학 수업에서 마인드맵을 활용하면 여러 낱말들 간의 상호관련 속에서 개념들의 시스템을 구성해 감으로써 학생들에게 통찰적 사고력을 줄 수 있기 때문이다(허영주, 2006). 또한 마인드맵은 과학 수업에도 자주 적용되고 있고(김찬종, 이수정, 2002), 대부분의 교과에서 널리 사용되는 교수·학습 방법이어서 학생들 대부분이 마인드맵에 익숙해져 있어 별도의 교사 설명이 없이도 수업시간에 쉽게 활용할 수 있다는 장점이 있어 적용에 편리하기 때문이다. 셋째, 마인드맵은 단편적인 지식 체계를 서로 유의미하게 연관 짓도록 도와줌으로써 학생들의 학업성취도와 과 학적 사고 및 개념 형성에도 도움을 주기 때문이다(성만도, 2003; 윤태옥, 2012). 하지만 일반 적으로 활용되는 마인드맵은 교사가 제시한 학습 주제에 대해 중심 이미지를 작성하고 그 곳 에서 가지 모양으로 뻗어나가는 방법으로 사용하는 것이 대부분이다. 그리고 마인드맵을 작성 할 때 시각적인 부분에 많은 관심을 두다 보니 내용을 질적·양적으로 향상시켜 그들의 다양한 배경지식을 체계적이고 논리적으로 구조화해 체계화시킴으로써 사고력을 향상시키는 학습방 법으로의 활용은 다소 미흡한 편이었다. 그래서 본 연구에서는 과학영재학생들이 자신의 배경 지식을 충분히 끌어내도록 도움을 줌과 동시에 동료 학생들과의 공유를 통해 개념을 위계에 맞게 보충하고, 더 많은 배경지식을 스스로 학습할 수 있도록 하기 위해 3단계 마인드맵을 개 발하여 적용하였다. 그러므로 학생들이 다양한 과학 개념을 체계적으로 정리하여 활용할 수 있도록 도움을 주는 3단계 마인드맵을 개발해 적용하는 것은 시스템 사고 향상을 위해 의미 있는 교육방법이라고 생각한다.
본 연구에서 설정한 연구 문제는 다음과 같다.
첫째, 첫째, 3단계 마인드맵을 활용한 집단의 마인드맵은 그렇지 않은 집단과 어떠한 차이 가 있는가? 둘째, 3단계 마인드맵을 활용한 실험집단의 인과지도는 그렇지 않은 집단과 어떠 한 차이가 있는가?
II. 연구 방법 1. 연구 절차
전체 연구 절차는 다음과 같다([그림 1] 참조).
문헌분석 및 선행 연구 고찰 2009 개정 교육과정 분석
국가 수준 영재교육 프로그램 기준안에 따른 내용 분석
↓ 3단계 마인드맵 개발
지구과학 관련 영재교육 프로그램의 문제상황 수정
↓
3단계 마인드맵을 활용한 사전 수업 적용 3단계 마인드맵 단계 수정
↓ 수업 처치
↓ 자료 수집 및 분석
(마인드맵 결과물, 인과지도 학습지, 설문지) [그림 1] 전체 연구 절차
영재교육은 현행 교육과정의 내용을 중심으로 한 심화 및 보충학습 내용으로 지도하는 것 을 권장하고 있기 때문에 영재교육 관련 프로그램을 개발할 때는 전문가로부터 검증받은 프 로그램을 사용하는 것이 좋다. 본 연구에서 사용한 지구과학 관련 영재교육 프로그램은 기 개 발되어 적용된 프로그램(손준호, 김종희, 김영곤, 2014)으로 그 중 일부를 수정하여 사용하였 다. 이 프로그램을 선택한 이유는 첫째, 문제상황의 경우 학생들의 다양한 사고를 이끌어내기 위해 천문학 전공 교수 1인, 영재학교 지구과학 담당 박사 1인, 지구과학교육 전문가 1인 및 코티칭 교사 4인이 함께 2달간에 걸쳐 문제상황을 제작하여 2회의 이메일 교신과 2회의 면담 을 통해 제작된 것으로 문제상황 자체의 오류를 최소화하면서 천문학 관련 최근 이슈를 반영 함으로써 자기주도적 학습활동이 가능하다고 판단했기 때문이다. 둘째, 현장 적용을 거쳤다는 점에서 타 프로그램에 비해 오류가 적을 것으로 판단했다. 셋째, 일반 영재교육 프로그램과는 달리 제작한 문제상황이 매우 세부적으로 작성되었고, 여러 조건들을 통해 학생들이 여러 관 점에서 문제를 생각하여 해결방법을 고민하도록 안내함으로써 다양한 시스템 사고를 엿볼 수 있을 것으로 생각했기 때문이다. 본 연구에서는 기존의 문제상황을 일부 수정하여 프로그램을 2시간으로 축소해 2014년 10월경에 G광역시 영재교육원 6학년 학생 15명을 대상으로 1차 예 비 연구를 진행하였다. 이때 3단계 마인드맵을 적용하였는데, 새롭게 적용한 내용인 만큼 학 생의 수준에 맞게 진행하는 방법과 단계별 마인드맵의 적용 절차 등에 대해 수정 및 보완을 하였다. 그리고 2015년 5월경에는 G교육대학교 대학생 3학년 24명을 대상으로 3단계 마인드
맵과 시스템 사고에서 강조하고 있는 것 중 하나인 인과지도(causal map)를 달과 태양계 관련 학습 시 1시간씩 2회에 걸쳐 적용해 봄으로써 실제 수업 적용 시 예상되는 교사의 문제점이나 활동 간의 어려움을 분석해 절차와 방법의 전반적인 부분을 수정 및 보완하여 2차 예비 연구 를 진행하였다. 예비 연구 후에는 연구대상자를 선정하여 3단계 마인드맵을 활용해 수업을 실 시하였다.
2. 연구 설계
본 연구는 G광역시 관내 지역공동 I 영재학급 6학년 9명 학생을 대상으로 실시하였다. I 영 재학급은 인근 10개 내외 초등학교와 협력하여 수학·과학 통합 학급으로 운영하는 곳이다. 연 구 대상자들의 특성을 요약하면, 대체적으로 천문관련 내용에 관심이 많은 편이어서 학교에서 학습한 내용에 대해서는 대체적으로 이해를 하고 있는 편이었다. 마인드맵 작성 능력은 중심 개념에서 뻗어나가는 정도로만 작성하는 기본적인 수준이었으며, 과학 수업에서 토의 및 토론 수업은 자주 경험해 보지 못해 다소 낯설어하였다. 원래 학생 수는 18명인데, 본 연구에 자발 적인 참여 의사를 밝힌 10명의 학생을 대상으로 연구를 진행하였으며, 이 중 한 명은 매우 독 특하여 혼자 사고하는 것을 즐겨하는 경향이 강해 모둠활동을 진행할 수 없는 상황이어서 개 별 활동으로 진행하고, 본 연구 결과에서는 제외시켰다. 이렇게 선정된 총 9명의 대상자는 별 도의 동질성 검사를 거치지 않고 실험집단은 4명, 통제집단은 5명으로 나누었다. 이렇게 집단 을 나눈 이유는 영재성 검사와 문제해결력 검사 및 심층면접이라는 과정을 거쳐 영재학급에 입학한 학생들의 수준이 거의 비슷하다고 판단했기 때문이다. 또한 연구자가 평소 영재수업을 통해 학생들의 수준을 어느 정도 파악하고 있어서 이에 대한 정성적인 자료를 토대로 집단을 나누어도 무리가 없다고 생각했기 때문이다.
3. 개발한 3단계 마인드맵의 절차
실험집단과 통제집단 간 수업 절차의 차이점은 마인드맵을 활용하는 방법에 있다. 가장 큰 차이점은 중심이미지 등 기존의 시각화를 강조한 부분을 축소하였고, 대신 이를 문자로 나타 내도록 하였다. 또한 마인드맵을 학생들끼리 공유함으로써 배경지식을 활성화시키는데 초점 을 두었다.
먼저 태양계라는 주제에 대해 알고 있는 선지식을 중심이미지에서 가지로 뻗어나가는 형태 로 마인드맵을 작성하였다. 그리고 모둠 내에서 서로 작성한 마인드맵을 돌려 보고 평가하거 나 빠진 부분을 기억하는 활동을 실시했다. 그리고 문제상황 해결을 위해 부족한 자료를 찾아 자유롭게 정리하는 활동을 진행하였는데, 이 때 학생들은 기존에 작성했던 마인드맵에 보충해 도 되지만 다른 방법으로 정리하거나 자료를 수집하도록 허용했다. 하지만 실험집단에서 사용 한 마인드맵 수업 처치 방법은 기존 방법과는 차별화된 방법으로 진행되었는데, 총 3단계로 구성된 마인드맵의 각 단계별 설명은 다음과 같다([그림 2] 참조).
[그림 2] 3단계 마인드맵의 절차
1단계는 ‘배경지식 표현하기(Expressing background knowledge)’이다. 이 단계에서는 주제 와 연관 지어 자신이 알고 있는 모든 생각이나 지식을 떠올려 적는 단계로 검정색 필기구를 이용하여 표현하게 한다. 학생들이 제시된 주제에 대해 자신의 배경지식을 떠올려 적을 때는 주제와 관련된 직·간접적인 교육적 경험을 했을 때 보다 자세하고 다양한 내용이 드러날 수 있다. 그래서 마인드맵에 적힌 내용을 통해 교사는 학생의 선개념을 파악하게 되어 수준을 어 느 정도 가늠해 볼 수도 있다. 본 연구에서는 태양계와 관련된 주제를 제시하였는데, 이 주제 를 선정한 이유는 2009 개정 교육과정의 5학년 1학기 ‘태양계와 별’ 단원과 연계되어 있어서 학생들이 정규수업 시간에 태양계와 관련된 기본적인 내용을 학습했으므로 배경지식을 표현 하는데 큰 어려움이 없기 때문이다. 또한 초등학생들은 대체적으로 우주에 대한 관심이 높고 실시간으로 우주에 대한 정보를 자주 접하여 관심이 높아(손준호 외, 2014) 학생들마다 다양 한 배경지식을 갖고 있기 때문이다. 1단계 활동 시 주의할 점은 학생들이 적은 배경지식이 모 두 과학적 개념이라고 볼 수 없으므로, 교사는 궤간순시를 통해 오개념을 확인하여 잘못된 선 개념을 수정해 주는 피드백 활동이 이루어져야 한다. 왜냐하면 2단계에서 배경지식을 공유하 여 자신의 지식으로 정립될 가능성이 있기 때문이다.
2단계는 ‘동료와 배경지식 공유하기(Sharing background knowledge with peers)’이다. 이 단 계에서는 1단계에서 작성한 자신의 마인드맵을 서로 공유하여 짧은 시간 내에 더 많은 배경지 식을 이해하고 보충할 수 있도록 하는 단계로 파란색 필기구를 이용하여 표현하게 한다. 학생 들은 1단계에서 자신이 알고 있는 최대한의 모든 내용을 마인드맵으로 작성하였는데, 수준 차 이로 인해 양적으로나 질적으로 내용이 다를 수밖에 없다. 이러한 차이는 교육적으로 매우 중 요한 가치가 있는데, 특히 학생들의 입장에서는 동료학생들이 갖고 있는 지식에 관심을 갖게 되어 그들의 생각을 존중해 줄 수 있는 계기가 되며, 지식의 상호 공유는 짧은 시간으로도 많 은 학습을 할 수 있는 기회가 될 수 있다. 교사의 수신호에 맞춰 학생들은 종이 한 장을 들고 자리를 이동하여 제한된 시간 내에 최대한 많은 학생들의 마인드맵을 살펴본 후, 자신의 마인 드맵에서 보충할 내용을 찾아 메모를 한다. 그런 후 방금 메모한 내용을 자신의 마인드맵에 파란색으로 보충한다. 이 때 개념의 위계관계를 생각해 적절한 곳에 배치하면서 보충하도록 한다. 2단계부터 학생들은 개념의 위계구조에 대해 깊이 있는 생각을 하게 되고, 1단계에서 잘못 위계화 된 부분은 수정을 하면서 자발적인 개념의 구조화가 일어나기 시작한다.
3단계는 ‘더 알고 싶은 내용 학습하기(Learning more individually)’이다. 이 단계에서는 1~2 단계를 통해 정리된 내용 중 좀 더 알아보고 싶거나 궁금증을 확인해 보고 싶은 내용에 대해
자기 스스로 가용한 모든 정보(인터넷, 전문서적, 신문기사, 앱, 관련 서적 등)를 활용하여 찾 아보는 단계로 빨간색 필기구를 이용하여 표현하게 한다. 3단계 과정은 학생 개개인의 관심 정도와 학습 양식 및 수업 태도 등 학습자의 다양한 질적 정보를 교사에게 제공해 준다. 학생 들에게 있어서는 1~2단계를 통해 많은 배경지식을 정리하여 이해하였기 때문에 자신만의 심 화학습에 관심을 가질 수 있는 3단계 과정에 몰입하게 된다. 그리고 가용한 정보를 활용해 좀 더 깊이 있는 내용을 찾아 정리․보충함으로써 타인과 차별화된 마인드맵이 작성된다. 활동이 끝날 때 즈음 학생들은 관심사가 서로 다름에 놀라게 되고 이러한 정보들이 차후 문제해결 시 귀중하게 사용됨에 또 한 번 놀라게 된다. 마지막 3단계 역시 마인드맵에 내용을 보충할 때는 2단계와 마찬가지로 반드시 개념의 위계관계를 생각하여 적도록 강조한다.
이상과 같은 3단계 마인드맵 활동을 수업에 활용한 절차는 다음과 같다([그림 3] 참조).
실험집단 수업 절차 통제집단
↓
사전 지도 : 인과 지도 작성 방법 소개
↓
· 1단계 마인드맵 : 배경지식 표현하기
· 2단계 마인드맵
: 동료와 배경지식 공유하기
마인드맵을 활용한 배경지식
활성화
· 태양계와 관련된 마인드맵 작성하기
· 각자 작성한 마인드맵을 모둠 내에서 돌려 보기
↓
파동의 사고가 가능한 문제상황 제시
↓
· 3단계 마인드맵
: 더 알고 싶은 내용 학습하기 자료 추가 탐색
· 더 알고 싶은 내용을 작성한 마인드맵 에 보충하기
(별도의 종이에 기록 가능)
↓
인과지도 작성 : 문제상황 해결을 위한 모둠별 방법을 인과지도로 작성하기
↓
토의·토론을 통한 피드백 [그림 3] 수업 절차
본 수업은 2015년 4~5월중 4회에 걸쳐 총 160분 간 진행하였고, 학생들의 시스템 사고 확 인을 위해 인과 지도 작성과 관련된 사전 교육을 30분 정도 진행하였다. 사전 교육 내용은 김 동환(2011)이 소개한 경제와 관련된 인과지도 내용을 예시로 들어 설명한 후, 대한민국의 인 구가 줄어드는 원인과 결과를 인과지도로 나타내는 연습을 간단히 하였다.
문제상황 제시는 시스템 사고에서 파동의 사고가 가능한 상황을 제시하려고 노력하였다 ([부록 1] 참조). 특히 일방적인 문제상황을 지양하고 원인과 결과를 생각해서 변화 가능하면 서도 불확실한 상황을 문제상황으로 제시하고자 노력하였다. 본 연구에서 사용한 문제상황의 내용은 손준호 외(2014)의 연구에서 제시한 내용을 본 연구에서는 한 개의 행성 조건으로 제 한하여 제시하였고 시스템 사고의 과정을 살펴보기 위해 직접적인 설계보다는 아이디어 제시
를 위한 토의·토론 수업으로 일부 수정하여 활용하였다([부록 1] 참조). 인과지도 작성 시, 학 생들이 생각한 탐사선의 설계 내용이 어떻게 나왔는지 확인해 보는 것이 더 의미가 있다고 생 각하여 인과지도의 내용 작성에 더 많은 초점을 둠으로써 다양하고 복잡한 해결 가능성을 창 의적으로 제시할 수 있도록 하였다.
토의·토론의 경우, 우선 모둠 내에서 탐사선 설계와 관련된 내용으로 산출물을 제작할 시간 을 주었는데, 이 때 산출물은 종이에 그리거나 표현이 어려운 경우에는 설명하도록 하였다. 그 이유는 학생들이 설계도를 그릴 때 형태를 그리는 것에 너무 많이 치중하여 본질에서 벗어나 는 경우를 사전 연구에서 여러 번 발견했는데 차라리 그 시간동안 왜 이런 설계가 필요한 지 에 대해 마인드맵에 작성된 내용을 살펴보면서 원인-결과적 사고를 할 수 있도록 진행하고 싶 었기 때문이었다. 이렇게 모둠 내에서 산출물이 정리가 되면 모둠 간 토론활동으로 진행하였 다. 각 모둠끼리 2~3명씩 서로 자리를 바꾸어 다른 모둠의 산출물 발표를 듣고 자기 모둠의 산출물과 비교하면서 토론을 할 수 있도록 하였다. 이는 과학영재학생들이 산출물 발표를 통 해 과학적 의사소통을 경험하고, 원인과 결과의 가능성에 초점을 둔 산출물의 아이디어에 대 해 상호 토의․토론을 함으로써 사회적 합의 과정을 경험하도록 하기 위함이었다.
4. 자료 분석
본 연구의 효과를 검증하기 위해서 3가지 내용을 다음과 같이 분석하였다.
첫째, 집단별 마인드맵 내용은 김찬종과 이수정(2002)이 제안한 마인드맵 채점 기준에 근거 해 평가하여 그 결과를 비교·분석하였다. 이 마인드맵 채점 기준은 현재 과학교육에서 널리 사 용되고 있으며, 특히 세부 항목별 평가기준과 배점이 명확하여 간단하게 정량적인 평가가 가 능하다는 점에서 객관적으로 특정사고의 수준을 평가할 수 있는 효과적인 방법이라고 평가한 바 있다(문병찬, 2011). 마인드맵 채점 기준은 3단계 리커르트 식으로 중심원(대표성*3, 독립 성, 균형성․포괄성) 15점, 가지(위계성*2, 단계의 수, 잔가지 수) 12점, 표현 3점으로 총 30점이 다.
둘째, 인과지도는 시스템 사고를 측정하는 대부분의 연구 논문에서 질적·양적 평가 방법으 로 최근 제안되고 있는 방법이다(문병찬, 2011; 문병찬, 송진여, 2012; 박병열, 이효녕, 2014).
본 연구에서 사용한 인과지도 분석방법은 실험 및 통제집단의 학생들이 작성한 내용을 바탕 으로 ① +와 – 인과관계의 총 개수, ② 인과관계에 사용된 명사의 종류와 개수, ③ 인과관계 의 내용, ④ 인과관계의 상호의존성으로 분석하였다. 하지만 제시된 인과관계 내용의 옳고 그 름은 판단하지 않았다. 본 연구에서는 인과지도 내용을 집단별로 분석하였다. [부록 1]에 제시 된 수업 안에서 살펴볼 수 있듯이, 프로그램의 내용이 마인드맵은 개별 활동이 강한 반면, 인 과지도 활동은 학생들의 협업능력을 강조한 부분이 강하기 때문이다. 또한 개별 활동을 통해 작성한 마인드맵을 활용해 모둠별로 공동사고를 통해 과학적 의사소통을 하면서 인과지도를 작성하였기 때문이다.
셋째, 본 연구에서 개발한 3단계 마인드맵 활동이 시스템 사고에 어떤 영향을 주었는지에 대해 학생들의 생각을 알아보고자 실험집단의 학생 4명 중 희망자 3명을 대상으로 면담을 통
해 학생들의 반응을 분석하였다. 면담 내용은 ① ‘3단계 마인드맵 활동에 대해 어떻게 생각하 는가?’ ② ‘인과지도 작성 시 3단계 마인드맵 활동 내용이 어떠한 도움을 주었는가?’ 총 2개 문항으로 구성하였다. 면담 자료 수집을 위해 사전 동의를 구하고 면담의 취지를 충분히 설명 해 준 후 면담내용을 녹음하였으며, 모든 면담 내용을 전사하여 자료를 분석하였다.
III. 연구 결과 및 논의 1. 3단계 마인드맵 내용 분석
각 집단별 학생들이 작성한 마인드맵 내용은 다음과 같다([그림 4], [그림 5] 참조).
[그림 4] 통제집단의 마인드맵 결과
[그림 5] 실험집단의 마인드맵 결과
그리고 마인드맵 채점 기준에 의거하여 채점한 결과는 다음과 같다(<표 1>, <표 2> 참조).
<표 1> 집단별 마인드 맵 채점 결과 집단
항목
실험집단 통제집단
A B C D E F G H
중심원 (15)
대표성×3 9 3 6 6 3 6 6 6
독립성 3 2 2 3 1 1 1 3
포괄성, 균형성 3 2 2 1 1 1 1 2
가지 (12)
단계의 수 3 3 3 2 1 2 1 3
잔가지 수 3 3 2 3 1 2 1 2
위계성×2 6 4 4 4 2 2 2 4
표현(3) 2 2 2 2 2 2 2 2
학생별 합계(30) 29 19 21 21 11 16 14 22
집단별 합계(120) 90 63
<표 2> 집단별 마인드 맵 항목별 평균 점수 결과 항목
집단
중심원 가지
표현 평균점수
대표성 독립성 포괄성
균형성 단계의 수 잔가지수 위계성
실험집단 6 2.5 2 2.75 2.75 4.5 2 22.50
통제집단 5.25 1.5 1.25 1.75 1.5 2.5 2 15.75
연구가 진행되는 동안에는 어떤 집단도 3단계 마인드맵과 관련된 교육을 실시하지 않았는 데, 이는 사전 교육을 통해 자세한 안내를 하면 학생들이 평소의 생각을 작성하는 것이 아니 라 연구자의 기대에 맞는 의도된 결과물을 작성할 수 있다고 판단했기 때문이다.
두 집단의 마인드맵을 채점한 결과, 전반적으로 3단계 마인드맵을 경험한 실험집단의 점수 (90점)가 통제집단의 점수(63점)보다 27점(약 43%) 향상되었다. 또한 표현 항목의 점수를 제 외하고는 중심원의 3가지 항목과 가지의 3가지 항목 모두 높은 점수를 나타냈다. 표현 항목의 점수가 모든 집단에서 같게 나온 이유는 연구를 진행할 때 학생들에게 이미지화 시켜서 표현 하는 부분에 대해 강조를 하지 않았으며, 영재학생들이어서 어느 정도의 배경지식을 갖고 있 어서 단어(용어)를 적절하게 표현했기 때문이라고 생각한다. 마인드맵 작성 시 이미지에 대한 부분을 강조하면 초등학생의 특성상 내용보다는 꾸미는 것에 더 많은 비중을 둘 우려가 있다.
이는 초등학생이 작성한 마인드맵에서 표현 영역의 점수가 저조하다는 선행 연구를 볼 때(박 주현, 문병찬, 송진여, 2009), 시각화에 대한 특별한 교육을 받지 않는 이상 본 연구에서는 큰 의미가 없다고 생각한다. 하지만 대표성은 0.75점, 독립성은 1점, 포괄성․균형성은 0.75점, 단 계의 수는 1점, 잔가지의 수는 1.25점, 위계성은 2점으로 나머지 항목에서는 차이가 있었다.
이는 3단계 마인드맵의 과정을 거친 학생들은 새롭게 알게 된 배경지식을 단순히 나열식으로 이해한 것이 아니라 구조화시켜 이해하려고 노력한 결과라고 생각한다. 다시 말해 통제집단처 럼 수업을 진행한 것 보다는 1단계(검정색) - 2단계(파란색) - 3단계(빨간색)를 통해 배경지식을 습득하는 과정을 체계화시킴으로써 학생들이 주가지 중심원상의 주요 개념과 잔가지를 추가 적으로 제시하게 되었고, 단계의 수가 늘어나면서 학생들이 개념의 위계구조에 대해 고민할 수 있는 기회를 제공한 것이다. 이러한 3단계 마인드맵 활동은 과학영재학생들이 새로운 문제
에 접했을 때 원인과 결과를 생각하고, 문제해결 방법을 찾을 때 그들의 배경지식을 서로 연 결하여 생각할 수 있도록 하는데 큰 도움을 주었다고 생각한다. 따라서 3단계 마인드맵의 수 업 처치는 학생들이 시스템 사고를 할 수 있도록 하는 준비 단계이므로 배경지식의 위계화 및 활성화 측면에서 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
2. 인과지도 내용 분석
실험집단의 인과지도를 살펴보면([그림 6] 참조), +의 인과관계는 31개, -의 인과관계는 1개 로 총 32개의 인과관계를 제시하였다. 그리고 인과관계에 사용된 명사의 종류와 명사별 원인- 결과의 횟수는 다음과 같다(<표 3> 참조). 분석 방법은 예를 들어, [그림 6]에서 ‘밀도’의 경 우, 중력에서 밀도로 +가 되어 있고, 밀도에서 대기로 +가 되어 있다. 따라서 중력은 원인이 되고 밀도는 결과가 된다. 동시에 밀도는 원인이 되고 대기는 결과가 된다. 그 결과, 밀도는 원인 1회, 결과 1회가 되어 합계 2회가 된다.
[그림 6] 실험집단의 인과지도
<표 3> 실험집단의 인과관계의 명사별 원인-결과 분석 결과
명사 원인(회) 결과(회) 합계(회)
밀도 1 1 2
대기 2 4 6
중력 3 0 3
위성 1 1 2
화산폭발 4 3 7
수증기 3 1 4
표면 온도 1 4 5
강의 온도 1 1 2
구름 0 3 3
행성의 움직임 3 0 3
강의 크기 2 0 2
지형 0 5 5
마그마 5 2 7
지진 3 2 5
광물자원 0 4 4
암석 2 1 3
합계 31 32 63
위의 결과, 명사는 총 16개로, 각 명사별 원인은 각 0~5회씩 총 31회, 결과는 0~5회씩 총 32회가 사용되었다. 좀 더 구체적으로 실험집단의 인과관계 내용을 문장으로 기술하면 다음과 같다(<표 4> 참조).
<표 4> 실험집단의 인과관계 내용 분석 결과
①중력이 세면 대기가 많이 있다.
②중력이 세면 행성의 밀도가 커진다.
③행성의 밀도가 커지면 대기가 많이 존재할 수 있다.
④중력이 크면 위성의 개수가 증가한다.
⑤위성이 있으면 화산폭발이 증가할 수 있다.
⑥화산폭발이 일어나면 수증기가 증가한다.
⑦수증기가 증가하면 행성의 표면온도가 높아질 수 있다.
⑧수증기가 증가하면 대기에 많은 가스들이 유입된다.
⑨대기에 많은 가스들이 유입되면 표면온도가 높아진다.
⑩행성의 표면온도가 높아지면 강의 온도도 높아진다.
⑪수증기가 증가하면 구름이 많아진다.
⑫화산폭발이 증가하면 지진활동도 증가한다.
⑬화산폭발이 발생하면 마그마가 나온다.
⑭마그마가 많으면 지진활동이 증가할 수 있다.
⑮지진활동이 증가하면 지형이 많이 변화된다.
⑯강의 크기가 커지면 구름이 많이 발생한다.
⑰강의 크기가 커지면 지형이 변화될 가능성이 크다.
⑱행성의 움직임에 따라 지형이 바뀔 수 있다.
⑲행성의 움직임에 따라 구름의 양이 변화될 수 있다.
⑳마그마는 암석을 생성한다.
암석은 지형을 구성한다.
암석은 광물자원이 된다.
마그마는 광물자원이 된다.
대기의 성분은 광물자원에 영향을 끼친다.
인과관계의 상호의존성은 양방향 인과관계로 두 변수가 서로에게 원인이 되는 동시에 결과 가 되는 경우를 가리키는데, 실험집단의 경우는 ① 마그마와 화산폭발, ② 마그마와 지진, ③ 대기와 표면온도, ④ 표면온도와 강의 온도, ⑤ 지진과 지형에서 상호의존성을 나타내었다.
통제집단의 인과지도를 살펴보면([그림 7] 참조), +의 인과관계는 15개, -의 인과관계는 1개 로 총 16개의 인과관계를 제시하였다. 그리고 인과관계에 사용된 명사의 종류와 명사별 원인- 결과의 횟수는 다음과 같다(<표 5> 참조).
[그림 7] 통제집단의 인과지도
<표 5> 통제집단의 인과관계의 명사별 원인-결과 분석 결과
명사 원인(회) 결과(회) 합계(회)
대기 0 3 3
이산화탄소/ 질소 2 1 3
강 2 2 4
증발 1 2 3
표면온도 3 3 6
구름 1 2 3
화산 4 1 5
마그마 2 1 3
광물자원 1 1 2
합계 16 16 32
위의 결과, 명사는 총 9개로, 각 명사별 원인은 각 0~4회씩 총 16회, 결과는 1~3회씩 총 16 회가 사용되었다. 좀 더 구체적으로 통제집단의 인과관계 내용을 문장으로 기술하면 다음과 같다(<표 6> 참조).
<표 6> 통제집단의 인과관계 내용 분석 결과
①이산화탄소/ 질소가 증가하면 대기의 기체가 증가한다.
②강이 크면 증발하는 수증기 양이 많아진다.
③강의 크기는 이산화탄소/ 질소의 양과 관련이 있다.
④수증기의 증발이 많으면 구름이 많이 생긴다.
⑤구름이 많아 비가 많이 내리면 강물의 양이 증가한다.
⑥표면온도가 높아지면 증발하는 기체의 양이 많아진다.
⑦표면온도가 증가해 행성의 온도가 높아지면 대기의 양이 줄어든다.
⑧화산활동과 표면온도는 관련성이 있다.
⑨화산활동은 마그마와 관련성이 있다.
⑩마그마는 광물자원과 관련성이 있다.
⑪광물자원은 강 속에도 많이 있다.
⑫화산활동이 증가하면 대기 중에 기체의 양도 증가한다.
⑬마그마가 많이 분출하면 표면온도가 높아진다.
인과관계의 상호의존성은 통제집단의 경우는 표면온도와 화산에서만 상호의존성을 나타내 었다. 지금까지 분석한 집단별 인과지도의 결과를 정리하면 다음과 같다([그림 8] 참조).
[그림 8] 집단별 인과지도 비교·분석 결과
통제집단에 비해 실험집단은 인과관계는 16개(100%), 명사는 7개(약 78%), 인과내용은 11 개(약 85%), 원인은 15개(약 94%), 결과는 16개(100%)가 향상되었음을 확인할 수 있었다. 두 집단 모두 행성의 표면 온도가 높아질수록 행성의 대기의 기체가 증발하여 줄어든다는 음의 인과관계를 생각하였다. 이는 태양계 행성 중 수성의 경우 태양과의 거리가 가까워 온도가 높 아 대기가 거의 희박한 사실적 내용을 시스템 사고에 활용했기 때문으로 생각한다. 양의 인과 관계는 실험집단이 통제집단에 비해 압도적으로 많은데, 이는 실험집단이 제시한 명사의 개수 가 많았기 때문이다. 인과관계를 설명하는 명사의 개수가 많음에 따라 원인-결과를 나타내는 인과지도 역시 복잡해졌으며, 이를 설명하는 인과관계의 내용 또한 통제집단에 비해 풍부해졌 기 때문이다.
그렇다면 왜 실험집단 명사의 개수가 통제집단에 비해 많아졌을까? 그리고 나머지 결과에 서 실험집단이 양적, 질적으로 통제집단에 비해 왜 더 많은 향상을 나타냈을까? 이에 대한 답 은 3단계 마인드맵의 수업 처치에 따른 결과에서 찾아볼 수 있을 것이다. 앞에서 이미 집단별 마인드 맵 결과를 분석하였는데, 마인드맵에서 점수가 차이가 났다는 것은 학생들의 배경지식 정도가 양적인 차이뿐만 아니라 개념 및 지식 구조화 측면에서도 질적으로 차이가 나타났음 을 의미한다. 이는 3단계 마인드맵의 수업 처치에 따라 배경지식을 체계적으로 정리할 수 있 던 통제집단 학생들은 새로운 문제 상황이 주어졌을 때 두려워하지 않고 문제 상황을 다양하 고 체계적으로 분석할 수 있는 자신감을 갖게 된 것이다. 특히 원인과 결과에 대한 인과관계 를 고려할 때 실험집단의 과학영재학생들은 구조화된 배경지식을 충분히 활용하여 문제 상황 을 다양한 관점에서 바라봄으로써 단편적인 인과관계가 아닌 상호작용적인 인과관계를 활용 해 인과지도로 나타내었다. 특히 과학영재학생들이 인과지도의 출발점인 명사를 떠올릴 때 3 단계 마인드맵을 통해 위계화된 개념들을 적극 활용하였다는 점은 설문내용에서도 확인해 볼 수 있었다.
3. 학생들의 반응
첫 번째 ‘3단계 마인드맵 활동에 대해 어떻게 생각하는가?’라는 질문에 대해서는 다음과 같이 응답하였다.
A학생 : 기존의 마인드맵은 선생님이 제시해 준 주제에 대해 한 번 작성하고 나면 끝나버리고, 모 든 교과에서 워낙 많이 해서 재미가 없었습니다. 또한 여학생들에 비해 저 같은 남학생들 은 상대적으로 그림을 못 그리는 경우가 많아 별로 하고 싶지 않았습니다. 그런데 오늘 수업한 마인드맵은 처음에 적은 내용에 계속해서 추가적으로 적기 때문에 마인드맵을 채 워나가는 과정이 재미가 있었고, 짧은 시간 내에 많은 내용을 학습할 수 있어 시간이 절 약되는 효과도 있는 것 같아 좋았습니다.
B학생 : 처음에는 당황했어요. 평소에 학교에서는 친구들 마인드맵을 보고 감상하거나 잘했다고 칭찬해 주거나 혹은 평가하는 활동은 많이 했었거든요. 그런데 검정색으로 1차적으로 작
성한 내 마인드맵을 친구들이 와서 모두 보고 공유하는 모습에서 많은 생각을 하게 되었 어요. 특히 다른 친구들 것을 보면서 빠진 것을 보충하다보니 짧은 시간 내에 많은 내용 을 직접 찾아보지 않고도 알 수 있어서 좋았어요. 2단계가 끝나고 문제상황을 알았을 때 빠진 부분을 보충할 때도 스스로 자료를 찾아 정리할 수가 있어서 몰입하는데 많은 도움 이 되었던 것 같아요.
C학생 : 완성된 마인드맵을 보고서 입이 쩍 벌어졌어요. 내가 이 시간에 이렇게 열심히 참여했나 싶더라고요. 뿌듯했어요. 가장 기억에 남는 것은 친구들 것을 보고 내용을 보충할 때였던 것 같아요. 나보다 훨씬 더 많이 알고 있는 친구가 대단해 보였어요. (중략) 모든 내용을 함께 공유해서 서로 볼 수 있고 자연스럽게 물어볼 수 있어서 좋았어요. 나중에 탐사선 을 설계할 때 4장의 마인드맵을 모두 펼쳐놓고 거기서 원인과 결과에 도움이 되는 내용 을 찾을 때 많은 단서가 숨어있음을 알게 되어 놀라웠어요. 실험을 하지 않았어도 과학 수업이 재미있었어요.
응답 내용을 살펴보면, 기존의 마인드맵에 비해 3단계 마인드맵이 훨씬 재미있고, 자신이 만든 결과물에 만족하였으며, 친구와 공유함으로써 적은 시간으로 많은 지식을 알 수 있게 되 고, 문제해결에 이를 적극 활용할 수 있었음에 좋아하였다. 또한 수업 시간에의 적극적인 몰입 이 가능하여서 좋았다고도 하였는데 이와 같이 3단계 마인드맵은 학생들이 스스로 배경지식 을 정리하고 활용하는데 도움을 줄 수 있는 학습방법임을 확인할 수 있었다. 특히 친구들끼리 경쟁보다는 협력을 통한 동반 성장에 대한 긍정적인 인식을 가질 수 있다는 점에 대해 인성적 인 측면에서도 도움이 될 수 있음을 확인하였다.
두 번째 ‘인과지도 작성 시 3단계 마인드맵 활동 내용이 어떠한 도움을 주었는가?’라는 질 문에 대해서는 다음과 같이 응답하였다.
A학생 : 인과지도라는 것 자체가 생소했는데 만약 3단계 마인드맵 활동이 없었다면 인과지도를 제대로 작성할 수 없었을 것입니다. 가장 큰 도움이 되었던 부분은 주어진 문제상황을 해결할 때 원인과 결과에 해당하는 명사를 찾을 때 모둠에 있던 4장의 마인드맵에 적혀 있던 내용이 큰 도움이 되었습니다. 그리고 원인과 결과를 부호로 적을 때 그 관계를 따 질 때 많은 도움이 되었습니다.
B학생 : 인과지도가 생각보다 재미있더라고요. 처음에는 따분할 줄 알았는데 나중에 토론하면서 생각해보니 인과지도로 정리가 안 되었다면 단순히 생각했을 텐데 깊이 있게 생각할 수 있는 자료를 3단계 마인드맵이 체계적으로 정리되어 도움이 되었어요. 3단계 마인드맵 에서 자료를 보충해 적을 때 무턱대고 적은 게 아니라 어느 위치에 넣는 것이 좋을지 고 민했던 그 부분이 원인과 결과를 고민할 때 큰 도움이 되었던 것 같아요. 그리고 3단계 마인드맵을 통해 내용이 다양해지고 깊어지면서 인과지도를 그릴 때 단어들이 많이 떠올 라 좀 더 다양하게 인과지도를 작성할 수 있었던 것 같아요.
C학생 : 저는 문제상황을 보고 해결 방법을 생각해 낼 때 제일 먼저 3단계 마인드맵을 보았던 것 같아요. 왜냐하면 내가 적었던 내용이나 친구들이 적었던 내용 속에 어느 정도 답이 있 지 않을까 해서 꼼꼼하게 봤던 것 같아요. 그리고 각자 적은 마인드맵이지만 저는 이 친 구의 내용과 저 친구의 내용을 연결 지어 생각을 할 수 있었던 것 같아요. 그리고 막막했 던 인과지도의 경우 ‘마그마’를 떠올렸을 때 마인드맵에서 마그마와 관련 있는 모든 내용 을 찾아보고 원인과 결과로 연결 지어 생각해 보았던 것이 도움이 되었던 것 같아요.
응답 내용을 살펴보면, 3단계 마인드맵은 인과지도 작성 시 명사를 적을 때, 원인과 결과를 적고 부호를 나타낼 때, 3단계 마인드맵에서 내용을 보충할 때 위계를 고려했던 경험, 친구들 의 다양한 마인드 맵 내용을 스스로 연결 짓고 원인으로 생각하는 단어와 관련 있는 모든 내 용을 찾아서 결과로 정리할 때 도움이 되었다고 하였다. 이처럼 3단계 마인드맵은 인과지도 작성 시 원인과 결과를 나타낼 때 필요한 명사(개념)를 떠올릴 때와 명사와 명사끼리의 인과 관계를 정립할 때의 증거자료로 사용됨으로써 학생들로 하여금 다양하고 합리적인 생각을 이 끌도록 하는데 도움을 주는 것으로 확인되었다. 그리고 원인과 결과로만 끝나는 것이 아니라 결과가 원인이 되어 또 다른 결과를 이끌어 낼 수 있는 선 순환적 사고를 통해 상호작용을 이 해하는 시스템 사고를 촉진시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
면담 내용을 종합적으로 정리해 보면, 학생들은 시스템 사고를 처음에는 다소 어렵게 받아 들이는 선입견이 있었으나, 3단계 마인드맵을 통한 체계적인 배경지식의 개념 위계화를 통해 인과지도 작성에 자신감이 생겨 다양한 관점에서 문제를 해결하는데 도움을 받았다. 이는 과 학영재 학생들에게 있어서 가장 중요시 되는 창의적 문제해결력 신장을 위해서는 자신들의 배경지식을 체계적으로 정리해야 하는 것뿐만 아니라 동료들의 생각과 다양한 전문지식을 자 신의 것으로 체득하여 지식의 구조 속에 위계화 하는 작업이 선행되어야 함을 의미한다. 그리 고 이렇게 구조화된 지식을 동료들끼리 공유하여 폭넓은 배경지식을 갖춘 뒤, 다양한 아이디 어를 제시할 때 원인과 결과를 따져보고 인과지도의 확장을 통해 시스템 사고 능력을 키워 합 리적인 창의적 문제해결력을 함양할 수 있도록 해야 하는데, 이 때 3단계 마인드맵 활동은 특 히 과학영재 학생들의 시스템 사고 향상에 도움을 줄 수 있는 대안이 될 수 있을 것이다.
IV. 결론 및 제언
본 연구는 과학영재 학생들의 시스템 사고 향상을 위해 3단계 마인드맵 활동을 천문 관련 영재교육 프로그램에 적용하여 그 효과를 검증하였는데 결론은 다음과 같다.
첫째, 시스템 사고의 향상을 돕기 위해 3단계 마인드맵 활동을 개발하였는데 그 내용은 1 단계는 ‘배경지식 표현하기’, 2단계는 ‘동료와 배경지식 공유하기’, 3단계는 ‘더 알고 싶은 내 용 학습하기’로 구성하였다. 이상의 3단계 마인드맵 활동은 학생들이 갖고 있는 선개념을 드 러낼 뿐만 아니라 동료와의 배경지식 공유를 통해 내·외적 동기를 유발하게 되고 추가된 내용 을 개념 위계 속에서 파악하여 그 위치를 선정함으로써 지식의 구조화를 유도할 수 있게 하였
다. 또한 학습 주제와 관련된 내용 중 개인별 심화학습의 기회를 제공함으로써 자신만의 전문 성을 갖게 되었고, 동료를 상호 존중하는 교실분위기도 형성할 수 있게 되었다. 이러한 모든 활동을 통해 축적된 배경지식은 문제를 해결할 때 체계적으로 사용될 수 있으므로 결국 시스 템 사고를 향상시키는데 많은 도움을 줄 수 있는 또 하나의 방법으로 생각할 수 있다. 따라서 과학영재 학생들뿐만 아니라 일반 학생들에게도 쉽게 적용할 수 있는 방법인 만큼 과학교과 뿐만 아니라 타 교과에서도 이를 적극 활용하여 시스템 사고와 연계 짓는 교육방법을 도입할 필요가 있다.
둘째, 집단별 마인드맵 채점 결과에서 표현 항목을 제외하고는 중심원(대표성, 독립성, 포 괄성·균형성)과 가지(단계의 수, 잔가지 수, 위계성)의 모든 항목에서 실험집단이 통제집단 보 다 높은 점수를 나타냈다. 특히 위계성 항목에서는 실험집단이 통제집단보다 평균 2점이나 높 게 나타났는데, 이는 3단계 마인드맵 활동이 과학영재 학생들의 개념 위계 정립에 많은 도움 이 될 가능성이 있음을 시사하고 있다. 3단계 마인드맵 활동은 개인의 배경지식을 모두 드러 내고 이를 동료와 함께 공유하고 자연스럽게 내용을 비교·검증하면서 개념을 구조화할 수 있 고 내용 중심으로 집중해서 학습할 수 있는 기회를 제공하게 된다. 특히 개념의 위계가 많이 요구되는 과학 교과 중 최신 정보를 많이 활용하게 되는 지구과학 내용을 학습할 때는 3단계 마인드맵 활동이 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 왜냐하면 3단계 마인드맵 활동을 통해 얻 은 다양한 배경지식은 문제상황을 해결할 때 원인과 결과라는 선 순환적 시스템의 상호작용 을 이해할 수 있는 밑거름이 되기 때문이다.
셋째, 과학영재 학생들의 시스템 사고 향상정도를 알아보고자 인과지도 내용을 ① +와 – 인과관계의 총 개수, ② 인과관계에 사용된 명사의 종류와 개수, ③ 인과관계의 내용, ④ 인과 관계의 상호의존성으로 분석한 결과, 3단계 마인드맵을 활용한 실험집단 학생들의 인과지도 내용이 양적, 질적으로 향상되었음을 확인하였다. 평균적으로 인과관계의 개수는 2배, 인과관 계에 사용된 명사의 개수는 약 1.7배, 인과관계의 전체 내용은 약 1.8배, 원인과 결과에 사용 된 명사의 횟수는 약 1.9배, 인과관계의 상호의존성은 5배나 높았다. 3단계 마인드맵 활동을 경험한 실험집단 학생들의 인과지도 내용이 훨씬 다양하고 복잡하게 나타났는데, 이는 과학영 재 학생들이 갖고 있던 분절된 지식이 원인과 결과의 시스템적 사고로 연결되었음을 보여주 는 결과이다. 과학영재 학생들에게는 집단에게 주어진 문제상황을 해결하기 위해서는 개인이 이를 해결할 수 있는 배경지식이 준비되어야 하고, 공동사고를 통해 시스템 사고를 다양한 관 점에서 제시하여 변수들의 상호작용을 파악하는 고등사고 능력이 중요한데, 3단계 마인드맵은 이러한 학습 내용이 모두 포함되어 과학영재 학생들의 사고능력을 증진시킬 수가 있었다. 학 생의 설문 내용에서도 3단계 마인드맵은 인과관계를 정립할 때의 증거자료로 사용됨으로써 원인과 결과의 상호작용인 선 순환적 사고를 통해 시스템 사고를 촉진시킬 수 있음을 확인하 였다. 그러므로 시스템 사고를 향상시키기 위해서는 학생들에게 시스템 사고의 내용 자체를 가르치고 연습시키는 것도 중요하지만, 시스템 사고를 할 수 있는 역량 강화를 위해 3단계 마 인드맵 활동을 우선적으로 실시함으로써 배경지식의 다양화와 체계적인 구조화를 통해 차후 원인-결과의 시스템 사고 향상에 밑거름이 되어야 할 것이다.
이상의 결론을 종합하여 볼 때, 3단계 마인드맵 활동은 과학영재 학생들의 시스템 사고 향 상에 도움을 줄 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 생각한다. 이에 학생들의 시스템 사고 향상 을 위한 후속 연구를 위해 제언을 하면 다음과 같다.
첫째, 본 연구는 연구대상의 수가 너무 적어서 이를 일반화하기에 많은 어려움이 있으므로 수를 늘려서 검증하거나 3단계 마인드맵 활동 이외의 다른 대안에 대해서도 후속 연구를 할 필요가 있다. 둘째, 3단계 마인드맵 활동은 과학교과 뿐만 아니라 타 교과에도 적용했을 때 얻 을 수 있는 교육적 효과가 클 것으로 생각한다. 따라서 다른 교과에도 3단계 마인드맵 활동을 적용해 보고, 특히 일반 학생들에게 적용했을 때 그들의 시스템 사고에 어떤 영향을 미치는지 에 대한 후속 연구도 필요하리라 생각한다. 셋째, 본 연구에서는 시스템 사고의 향상 정도를 마인드맵과 인과지도로 분석하였지만, 시스템 사고를 정확하게 측정하여 분석하는데 분명 한 계가 있어 보이므로, 학생들의 시스템 사고 향상을 정확하게 측정할 수 있는 도구의 개발이 시급하다.
참 고 문 헌
강천덕, 이효녕, 윤일희, 김은주 (2008). 물의 순환에 대한 고등학생들의 지구시스템 관련 개 념과 시스템 사고의 분석. 과학교육연구지, 32(1), 61-72.
김동환 (2011). 시스템 사고 : 시스템으로 생각하기. 서울: 선학사.
김유미 (1999). 마인드맵이 아동의 작문수행에 미치는 효과. 영재교육연구, 9(1), 127-147.
김찬종, 이수정 (2002). 마인드 맵의 채점 기준 개발 및 신뢰도 검증. 한국지구과학회지, 23(8), 632-639.
김태수 (2009). 과학 글쓰기를 통해 본 학생들의 지구시스템에 대한 이해와 시스템 사고의 분석. 석사학위논문. 경북대학교.
김현철 (1995). 뇌반구 활용을 위한 사고력 중심의 마인드맵 프로그램의 탐색. 영재교육연구, 5(2), 91-119.
문병찬 (2011). 인과지도를 통한 창의성검사 방안 탐색. 한국 시스템다이내믹스 연구, 12(1), 131-153.
문병찬, 송진여 (2012). 초등학생들의 시스템사고 교수- 학습 효과. 한국 시스템다이내믹스 연 구, 13(4), 81-99.
문병찬, 정진우, 경재복, 고영구, 윤석태, 김해경, 오강호 (2004). 예비교사들의 탄소 순환에 대 한 지구시스템의 관련개념과 시스템 사고의 작용. 한국지구과학회지, 25(8), 684-696.
박병열, 이효녕 (2014). 중등 과학 영재학생들의 시스템 사고력 향상을 위한 융합인재교육 프 로그램의 개발 및 적용. 영재교육연구, 24(3), 421-444.
박주현, 문병찬, 송진여 (2009). 초등과학수업에서 마인드 맵 활용에 대한 탐색. 대한지구과학 교육학회지, 2(1), 80-90.
박춘성 (2015). 영재교육 프로그램의 진로교육 적용 탐색. 영재와 영재교육, 14(1), 181-199.
![[그림 2] 3단계 마인드맵의 절차](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4675678.501112/7.651.78.596.91.212/그림-단계-마인드맵의-절차.webp)
![[그림 5] 실험집단의 마인드맵 결과](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4675678.501112/11.651.89.584.91.723/그림-실험집단의-마인드맵-결과.webp)
