Development and Application of the STEAM Teaching-Learning Program in 'Earth & Moon' Unit for Science Gifted Elementary School Students

초등과학영재를 위한 ‘지구와 달’ 단원의 STEAM 교수·학습 프로그램 개발 및 적용

정상윤․손정주^1* 서남초등학교․¹한국교원대학교

Development and Application of the STEAM Teaching-Learning Program in‘Earth & Moon’Unit for Science Gifted Elementary School Students

Sang Yun Jeong․Jungjoo Sohn^1*

Seonam Elementary School․¹Korea National University of Education

Abstract : ThisstudyisaimedtofindouttheeffectafterthedevelopmentandapplicationoftheSTEAM teaching-learning program for science gifted elementary schoolstudents.The validity ofthe developed program wasverifiedbythreeexperts.Theprogram consistsofatotalofeightclassesandeightdayswere carried out.Recorded lessons,class observation journal,and recorded interview transcription data were measured and then analyzed the effect.'Presentsituation'is a very importantstep was confirmed.The degreeofunderstandingofagivensituationaffectedtotaskcommitment,theformationofscientificconcepts, creativedesignanddeliverable.

keywords : Earth&Moon , STEAM teaching-learning program, science gifted

*교신저자 :손정주(jjsohn@knue.ac.kr)

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2013년 7월 26일 접수,2013년 9월 11일 수정원고 접수,2013년 9월 25일 채택

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이 논문은 한국교원대학교 2012학년도 KNUE학술연구비 지원을 받아 수행하였음.

Ⅰ. 서론

2007 개정 교육과정의 주요 특징은 창의·인성 함양이며 영재교육 및 과학교육 그리고 현재 진행 중인 미래형 교육과정 또한 이러한 맥락에서 이루 어지고 있다. 21세기 지식·정보화 사회의 창조적이 고 융합적인 미래 인재 양성을 위해 교육과학기술 부 2011년 추진 업무보고에서 STEAM 교육 강화 를 제시하였고 STEAM 교육을 주요 정책으로 발 표하였다(교육과학기술부, 2011).

STEAM 교육은 과학·기술·공학과 관련된 다양한 분야의 융합적 지식, 과정, 본성에 대한 흥미와 이 해를 높여 창의적이고 종합적으로 문제를 해결할 수 있는 융합적 소양을 갖춘 인재를 양성하는 교육 이라고 정의되어진다(백윤수 외, 2011). 학습자가

실생활과 연계된 문제 상황을 해결하기 위해 설계 기반의 학습이나 문제해결 과정을 통해 새로운 개 념을 생성하고 창의적으로 설계하며 더불어 사는 인성, 즉 사회적 감성을 발달하도록 하는 것이다 (백윤수 외, 2012).

이와 같이 우리나라 STEAM 교육은 미래 과학 기술 사회가 요구하는 과학, 기술, 공학, 예술, 수학 등 다양한 분야의 융합적 지식을 기반으로 학생들 의 과학기술에 대한 이해·흥미·잠재력을 제고하여 창의성, 직관력, 감성과 예술적 감각의 신장을 포함 하는 총체적인 접근에 기초하고 있다는 것을 알 수 있다.

STEAM 교육 이론으로는 STEM에 Art의 개념 을 접목시켜 실생활과의 관련성을 더욱 높이고 흥 미도 높아지는 수업을 할 수 있는 피라미드 모형

(Gorgette, 2007), 프로젝트 수행을 통해 실제적인 문제 상황에서 협력을 통해 학습 주제를 깊이 탐구 하고 해결책을 찾는 고도의 사고 능력을 개발하는 프로젝트 학습 모형(project based learning), 초·

중등학교의 창의적 STEAM 통합교육을 위해 연구 한 결과물로 국·내외의 통합교육과정이론과 STEAM 교육 이론 등을 종합적으로 분석하여 얻 은 김진수의 ‘큐빅 모형’(Cubic Model) 등이 있다.

그러나 우리나라의 STEAM 교육에 관한 연구와 실천은 아직까지 소극적인 형편이다. 우리나라에서 는 교육개혁의 방향보다는 통합 교육의 새로운 경 향으로 다루고, 이론적인 연구 위주로 진행되고 있 다(박현주, 2012). SETAM 교육이 성과를 내기 위 해서는 학교 현장에 적합한 프로그램, 교수·학습 및 평가 방법 등의 개발과 우리나라 실정에 맞는 실체 적이고 실증적인 연구가 필요하다.

영재들은 일반적으로 언어와 사고력이 조숙하며, 일반 아동들에 비하여 사고가 빠르고 논리적이다.

많은 영재들에게서 볼 수 있는 높은 동기와 배움에 대한 욕구는 호기심, 높은 수준의 이해력과 논리적 사고력 등과 결합하여 종종 놀라울 정도로 고차원 적인 성취를 유도한다. 또한 영재들이 제안한 주제 나 프로젝트의 질적 수준은 대단히 높고 복잡하다.

Kulik(1992, 1992, 2003)은 51편의 관련 연구들을 메타 분석한 결과 능력별 집단편성이 모든 아동들 에게 효과적이라고 할 수는 없지만 영재들에게는 효과적이라고 결론을 내렸다. Rogers는 영재들의 성취가 능력별 집단에 편성되었을 때 높은 것은 학 생들의 높은 능력, 열정적인 교사, 그리고 능력이나 학습동기가 높은 또래들과 같은 학급에서 공부하게 됨에 따라 영재들에게 생기는 학업의지가 결합되기 때문이라고 주장하였다.

초등과학 영재학생들에서도 달의 모습에 대한 개 념적 이해에 혼선이 있는(손준호& 김종희, 2010)

‘지구와 달’ 단원을 주제로, 조별활동을 통한 STEAM 교수-학습 방식을 적용하여 창의성의 향 상을 위한 초등과학영재 교육 프로그램으로(신애경 외, 2011) 개발 적용해보고자 한다. ‘지구와 달’ 단 원을 주제로 한 기존 연구에서 초등과학영재를 대 상으로 한 STEAM 교수-학습 프로그램은 찾기가

어렵다. 이에, 본 연구의 목적은 초등과학영재학생들 을 위한 ‘지구와 달’ 단원 STEAM 교수-학습 프로 그램을 구체적으로 어떻게 개발해야하는지에 대한 방법적인 측면과 프로그램을 적용한 학생들의 반응 을 현상학적으로 살펴봄으로써 그 효과가 어떻게 나 타나는지 알아보는 것이다. 연구의 목적을 달성하기 위해서 기존 과학교육자들의 문헌 고찰과 영재 및 과학교육 전문가들로부터 피드백을 받은 자료를 토 대로 프로그램을 개발하고, 초등과학영재학생들을 대상으로 총 8차시의 수업을 8일간 실시하여 수업 촬영 전사자료, 수업 관찰 일지, 면담 촬영 전사 자 료를 삼각 측정하여 프로그램의 효과를 분석한다.

본 연구의 목적에 따라 설정한 연구 문제는 다음 과 같다.

첫째, 초등과학영재를 위한 ‘지구와 달’ 단원 STEAM 교수-학습 프로그램을 어떻게 개발할 것 인가?

둘째, 초등과학영재학생들에게 적용한 ‘지구와 달’ 단원 STEAM 교수-학습 프로그램의 효과는 어 떻게 나타나는가?

Ⅱ. 연구 방법

1. 연구 절차

연구의 목적을 달성하기 위하여 문헌 고찰과 영 재 및 과학교육 전문가들로부터 피드백 받은 자료 를 토대로 프로그램을 개발하였다. ‘지구와 달’ 단 원은 달의 운동에 의해 지구 관찰자가 관찰한 현상 을 지구 외부에서 관찰한 시점으로 설명해야 하므 로, 초등학생 수준에서 달의 움직임을 이해하기 어 렵기 때문에 학생 수준에 맞는 주의 깊은 접근이 요구된다.

STEAM 교과별 선호도 사전 조사 결과 대부분 의 학생들이 과학, 수학을 좋아하였고 싫어하는 학 생은 없었다. 기술, 공학을 특별히 좋아하는 학생은 3명 이었고 매우 싫어하는 학생이 1명 있었다. 인 문, 사회, 예술 영역에서 사회(역사)에 관심이 많은

1) ‘FLOW’모형은 칙센미하일리의 ‘Finding Flow'에서 모티브를 얻어 개발된 것으로 학습자들이 과학에 몰입하여 과학 자들의 과학 탐구 활동을 경험하게 하고 과학적 지식을 생성해 보는 것에 그 주안점이 있다(교육과학기술부, 2011).

학생이 1명, 미술(디자인)에 관심이 많은 학생이 1 명 있었다. 대부분의 학생들이 STEAM 교과 내용에 거부감이 없음을 알 수 있었다. 역사에 관심이 많은 1명의 학생은 인터뷰에 동의하지 않았지만 이 연구 프로그램의 활동에는 참여하였다. 또한, 실제 수업을 관찰하여 특징을 알아내려면 수업의 역동성을 고려 해야 하고, 의미 있는 결과를 얻기 위해 주의 깊은 관찰이 요구되므로 결과 지향적인 연구보다는 과정 지향적인 연구를 수행하였다(이영란, 2006).

‘지구와 달’ 단원 STEAM 교수-학습 프로그램을 전문가 3인의 타당도 검증을 거쳐 개발 및 적용하였 으며, 적용 과정에서 수집된 수업 전사 (transcription) 자료, 수업 관찰 일지, 면담 전사 자 료를 전문가의 신뢰도 검증 후 삼각측정법(Denzin, 1989)으로 분석하였다. 본 연구에서 프로그램의 적 용은 2012년 9월 17일 사전 안내를 하고 9월 18일 오리엔테이션과 함께 1차시 수업을 시작하여 2012 년 9월 24일 8차시 산출물 발표회를 끝으로 8일간 실시하였으며 연구 절차는 그림 1 과 같다.

문헌 연구 및 선행연구 고찰

프로그램 제작을 위한 자료 수집 및 내용 선정

연구참여자 사전 실태 조사

프로그램 및 면담지 개발 ← 전문가 3인의 타당도 검증 프로그램 적용

사후 면담 실시 및 자료 분석 ← 신뢰도 검증

결과 정리 및 결과 해석

결론 도출

그림 1.^{연구 절차}

2. 연구 참여자

연구대상은 ○○시에 소재한 ○○초등학교 영재 학급의 5학년 10명(남:4, 여:6), 6학년 6명(남:2, 여:4)으로 총 16명으로 선정된 영재학급 학생들에 게 연구 목적과 연구 진행에 대한 안내를 하였고, 연구 참여 동의서를 이용하여 동의 절차를 거쳤다.

모둠 구성은 4인 1조로 구성하였으며 6학년 6명의 학생은 4개의 각 모둠에 1~2명씩 배치하였으며 성 별은 특별히 고려하지 않았다.

3. STEAM 교수-학습 프로그램 개발

이 연구에서는 과학영재의 특성(Boden, 2001;

Renzulli & Reis, 1997; Wolpert, 1992), 지구와 달 단원의 특성(교육과학기술부, 2011), STEAM과 프로젝트 학습의 특성(박현주, 2012; 김진수, 2011; Katz, 1994)을 고려하여 STEAM 교수․학습 프로그램을 개발하였다.

김진수(2011)의 STEAM 큐빅 모형은 통합요소 에서 활동중심, 주제중심, 문제중심, 탐구중심, 흥미 중심, 경험중심, 기능중심, 개념중심, 원리중심의 9 가지로 나누었다. 이 프로그램은 김진수(2011)의 9 가지 STEAM 통합요소 중에서 지구와 달 단원의 특성과 관련하여 표 1과 같이 주제중심, 흥미중심, 개념중심의 3가지 통합요소로 구성하였다. ‘지구와 달’ 단원은 달의 위상 변화와 그 원인에 대하여 과 학적 개념을 형성하기가 매우 어려운 단원이다(교 육과학기술부, 2011). 초등학생 수준에서 달의 움 직임을 이해하기 어렵기 때문에 3차시부터 7차시 까지 개념 중심의 통합요소를 적용하였다.

STEAM 교수․학습 프로그램은 2007 개정교육과 정의 5학년 1학기 ‘지구와 달’ 단원 중심으로 개발 하였다. 재미있는 과학, 과학 실험방, 과학 생각 모 음, 나도 과학자의 플로우(Fun Science, Lab.

Experience, Organizing Knowledge, Willing to be a Scientist : FLOW)모형¹⁾을 STEAM 준거에

STEAM

준거 차시 차시명 학습목표 STEAM

요소 STEAM 3차원구조 상황제시 1 달에서 생물이

살 수 있을까?▪ 달에서 생물이 살아가기 위한 조건을 설명할 수 있다.

▪ 달 거주 프로젝트를 계획할 수 있다. ⓈⓉ

ⒺⒶ X₁Y₁Z₅ (흥미중심) 창의적

설계 2 망원경 만들기 ▪ 망원경의 원리를 적용하여 간이 망원경을 제작할 수 있다.

▪ 달을 직접 관찰할 수 있다.

ⓈⓉⒺ

ⒶⓂ

X₁Y₁Z₅ (흥미중심) 창의적

설계 3 지구와 달의 모습

▪ 지구와 달의 특징을 비교하여 설명할 수 있다.

▪ 달의 특성을 고려하여 달 주택 건설 계획 및 토의를 할 수

있다. ⓈⒶⓂ X₁Y₁Z₈

(개념중심)

창의적

설계 4~5 지구와 달의 낮과 밤

▪ 지구와 달의 자전과 공전 방향을 설명할 수 있다.

▪ 지구와 달의 낮과 밤이 생기는 이유를 자전과 공전과 관련지어 설명할 수 있다.

▪ 달의 낮과 밤을 고려한 달 주택 건설 계획을 세울 수 있다.

ⓈⓉⒺ

ⒶⓂ X₁Y₁Z₈ (개념중심)

창의적

설계 6~7 달의 위상변화

▪ 하루 동안 달의 위치변화를 지구 자전과 관련지어 설명할 수 있다.

▪ 여러 날 동안 같은 시각에 보이는 달의 모양과 위치변화를 달의 공전과 관련지어 설명할 수 있다.

▪ 달 그림이 그려져 있는 예술 작품을 보고 그림을 그린 시간과 상황을 추리할 수 있다.

ⓈⓉⒺ

ⒶⓂ

X₁Y₁Z₈ (개념중심)

감성적

체험 8 달에서 살기

좋은 집 만들기 ▪달에서 살기 적합한 집을 만들 수 있다. ⓈⓉⒺ

ⒶⓂ X₁Y₁Z₂ (주제중심) 표 1.STEAM 프로그램의 개요

따라 상황제시, 창의적 설계, 감성적 체험으로 재구 성하였으며 이를 프로젝트 학습 모형으로 전개하였 다. 또한 각 단계별 STEAM 요소를 내용 및 경험 적으로 통합하여 제시하였다. 경험적 통합은 선경 험이 부족할 수 있기 때문에 실험이나 그림 및 설 명 자료 등을 제시하여 직․간접적인 경험을 가질 수 있도록 하였다.

이러한 내용 구성은 STEAM 프로그램 타당도 검사를 하며 영재교육 및 과학교육 전문가 3인과 협의를 통해 수정하여 제작하였고, 과학자들이 연 구하는 방식과 유사한 프로젝트형태로 진행할 수 있도록 구성하였다. 프로그램의 개요에서 각 차시 별 주제들의 순서 및 내용 구성이 STEAM 학습 준거에 알맞지 않다는 의견, 기술과 공학의 경계선 이 분명하지 못하다는 의견, 과학 개념 중심적인 특성이 강하다는 등의 전문가 의견이 있었다.

전문가의 의견을 수용하여 각 차시의 내용들이 분절되지 않고 연속적인 흐름을 가질 수 있도록 표 1과 같이 재구성하였다. 이 프로그램의 프로젝트 주제는 ‘달 주택 건설하기’ 이다. 3~7차시는 개념

중심의 STEAM 프로그램 내용으로 우선 달과 관 련된 지식이나 개념이 형성되어야 가능하다. 또한

‘달 주택 건설하기’ 주제는 탈 학문적이고 융합적인 요소가 강하다. 즉 3~7차시 개념 중심의 STEAM 프로그램은 프로젝트 주제를 해결하기 위한 정보 수집이나 상황 제시 단계의 문제에 대해 지속적으 로 고민하는 과정으로서 연속적이며 융합적인 성격 을 지니고 있다.

이렇게 개발된 STEAM 프로그램은 교사용 지도 자료와 학생 활동지로 나뉜다. 교사용 지도 자료에 는 교수-학습 지도안과 각 요소들에 대한 보충자료 가 제시되어 있으며, 활동 단계 순으로 나열되어있 다. 학생들이 주로 사용하는 학습 활동지는 각 차 시의 학습활동 단계마다 정리할 수 있게 구성하였 고, 참고자료가 제시되어 있다.

학습 활동지에 제시되어 있는 이러한 내용들은 본 프로그램의 프로젝트 주제인 ‘달 주택 건설’과 관련 있는 내용이지만 획일적인 산출물이 나오지 않도록 주의하여 최소한의 예시 자료만 제공하였 다. 최소한의 예시 자료란 이미 교과서에 공개된

그림 2.STEAM 교수-학습 프로그램의 조직도

수업개요 ^▶ 수업 과정안 ^▶ 교수 학습 자료 ^▶ 활동지 ^▶ 교사자료

↓ ↓ ↓ ↓

내용 개요 교수학습 내용 활동 안내 활동지 예시

수업 흐름도 첨단 과학 활동 전개 제작 과정

STEAM 자료 활동 내용 평가

그림 3.STEAM 교수-학습 프로그램의 구조도 내용들을 심화하여 접근할 수 있는 자료를 제공해

준 것을 말한다.

프로그램의 구조는 STEAM 교육의 학습 준거에 알맞게 1차시에 상황 제시를 하고, 2차시∼7차시에 문제 인식과 창의적 설계에 의한 주제 탐구 활동을 전개하며 8차시에 결과 발표를 통한 성공적 경험이 이루어 질 수 있도록 구조화 하였다. 8차시의 프로 젝트 결과 발표는 1차시 상황 제시 단계에서 미리 안내하여 학생들이 프로젝트 과제를 원활하게 수행 할 수 있도록 충분한 시간을 주었다.

본 연구에 사용할 프로그램을 개발하기 위하여 김진수(2011)의 STEAM 큐빅 모형을 이론적 근거 로 9개의 통합요소 중 주제중심, 흥미중심, 개념중 심의 3개의 통합요소별 프로그램을 프로젝트 학습 모형으로 개발하였다. 통합의 유형은 내용의 통합

뿐만 아니라 Dewey(1972)가 주장한 것과 같이

‘내용과 경험’의 통합이 있다. 경험 통합의 기본은 창의적 설계(Creative design)와 감성적 체험 (Emotion touch)이며, 창의적 설계와 감성적 체험 은 학생들에게 과학기술과 관련된 다양한 분야의 융합적 지식, 과정, 본성을 기반으로 자기주도적인 학습 경험을 제공해 줄 것이다. 2∼7차시의 창의적 설계는 학생이 주어진 상황에서 최적의 방안을 찾 아 문제를 해결하는 것과 같은 인간의 가치 추구를 위한 문제해결 또는 기술적 설계활동이 포함된다.

각 통합요소별 프로그램의 내용은 주제중심 프로 그램으로 8차시에 적용하고, 오리엔테이션 시간(1 차시 수업 시작 전)에 프로젝트를 안내하여 수행할 수 있는 시간을 충분히 확보해 주었다. 미래형 문 제(Future Problem Solving Program: FPSP)를

그림 4.관찰 기록지 제시하여 영재학생들의 흥미를 충분히 이끌 수 있

도록 고려하여 개발하였다. 흥미중심 프로그램은 1 차시와 2차시 프로젝트의 도입부에 해당되는 시간 에 적용하였다. 간이 망원경을 제작하여 실제 관찰 할 수 있는 기회를 부여하였다. 개념중심 프로그램 은 2차시~7차시, 창의적 설계 단계 중에서 3차 시~7차시에 적용 하였으며, 프로젝트 진행 과정에 서 필요한 몇 가지 과학개념을 전달하는 것이 수업 목표이며, 이러한 내용에 의해 획일적인 산출물이 발생하지 않도록 하기위해 실험과 토의 토론 활동 에 중점을 두었다.

4. 자료 수집

본 연구를 위한 자료는 연구자가 직접 학생들을 관찰한 기록지와 수업 후의 반성적 노트이다. 학습 도중에 이루어지는 관찰기록을 위해서는 Crewell(2007)이 제안한 관찰 기록지를 이용하였 다. 이 관찰 기록지는 그림 4와 같이 학생들의 행 동특성을 기록하는 ‘기술적 노트(descriptive notes)’ 와 연구자가 관찰하면서 느끼는 생각을 기 록하는 ‘반성적 노트(reflective notes)’ 로 나누어

져 있다. ‘반성적 노트’에는 관찰기록하면서 생긴 의문점이나 인터뷰에서 확인해야할 부분을 기록하 였고 연구자의 생각 위주로 기술하였다. ‘반성적 노 트’ 기록은 간혹 수업 시간 내에 이루어지기도 하 였는데 학생 중심의 학습활동이 이루어지는 시간을 활용하였고, ‘기술적 노트’ 기록 역시 학생과 교사 모두 영향을 받지 않는 시간을 활용하여 이루어졌 다. 이러한 교사 관찰 기록지와 더불어 학생들에게 나누어 준 ‘지구와 달’ STEAM 프로그램 교재 속 의 활동지 또한 중요한 자료이다.

또한, 모둠 내의 여러 가지 상호작용에 대한 부 분을 분석하기 위해 프로그램을 적용하는 매차시마 다 특정 모둠을 녹화하였다. 프로그램 적용 후 이 루어진 심층 인터뷰를 녹음한 후 전사한 인터뷰 내 용은 프로그램의 수준과 흥미 등의 전반적인 느낌 과 수업 중 발표한 내용이나 행동들에 대한 배경이 나 이유에 대한 것이었다. 인터뷰는 반구조화된 질 문지를 이용하였고 중심질문과 보조질문으로 구성 하였으며 과학교육 전문가의 검토를 받아 사용하였 다(Crewell, 2007).

단원명 1.지구와 달 차시 1/8 시간 40

학습주제 달에서 생물이 살 수 있을까? 대상 과학

영재 인원 16명 학습목표 ▪ 달에서 생물이 살아가기 위한 조건을 설명할 수 있다.

▪ 달 거주 프로젝트를 계획할 수 있다.

교수-학습

전략 프로젝트법 학습형태 모둠학습 STEAM

통합모형 S-STEAM STEAM 큐빅모형

X1,Y1,Z5 (흥미중심) 관련

교과 S:생태환경 T·E:우주복의 장치 A:자연 환경 그리기 자료

활용

▪ 교사:극한 환경에서 살아가는 생물 자료,달 탐사 우주복의 장치 설명 자료

▪ 학생:교수학습자료,활동지,상황 제시문 표 3.1차시 STEAM 프로그램

5. 자료 분석

본 연구에서는 분석한 자료와 연구 결과의 신뢰 성을 확보하기 위해 질적 연구에서 주장하는 자료 의 다각화의 방법으로 관찰 기록, 녹화 자료, 인터 뷰를 활용한 자료의 삼각측정법(Denzin, 1989)을 이용하였다. 본 연구가 STEAM 프로그램의 적용 후 나타나는 여러 가지 효과에 대한 것이므로 귀납 적 분석 방법을 이용하였다. 귀납적 분석은 연구대 상자의 개인적인 속성보다는 전체 연구 참여자의 공통된 속성을 도출해내는데 초점을 맞추는 것으 로, 분석 절차는 대상자의 기술을 읽어서 구, 문장 으로부터 의미 있는 진술을 도출한 후 이를 좀 더 일반적인 형태로 진술하고, 구성된 의미를 주제 (Theme), 주제묶음(Theme Clusters), 범주 (Categories)로 조직 하는 것이다(Colazzi, 1978).

Ⅲ. 연구 결과 및 논의

1. 프로그램 개발

본 연구에서 개발한 STEAM 교수-학습 프로그 램의 주제는 ‘달 주택 건설하기’이다. 1차시∼8차시 STEAM 수업은 표 2와 같이 STEAM 학습 준거를 기반으로 프로젝트 학습 형태로 구성하였다.

1차시 2~7차시 8차시 STEAM

준거(틀) 상황제시 창의적 설계

감성적 체험 프로젝트 학습

모형

준비,

계획하기 실행하기 평가하기 표 2.STEAM 학습 준거 기반의 프로젝트 학습 모형

STEAM 프로그램의 1차시는 달 이주 및 주택건설 프로젝트를 소개하는 내용으로 구성하였고 2∼7차 시의 내용을 학습할 필요성을 내포하고 있다. 2∼7 차시는 프로젝트를 수행하는 과정에서 필요로 하는 내용들이며 초등학교 5학년 1학기 ‘지구와 달’ 단 원의 내용을 기초로 재구성한 내용들이다. 8차시는 그동안 탐구한 내용들을 바탕으로 제작한 산출물을 발표하는 시간이다.

1) 1차시 수업과정안의 구성

1차시 수업은 STEAM 준거의 ‘상황 제시’ 단계 로서 시작하였다. 미래 인류가 지구에서 더 이상 살 수 없는 상황 속에서 달 이주 및 달 주택 건설 프로젝트를 수행하라는 내용으로 구성되었다. 영재 학생들은 미래 문제에 대한 흥미도가 높다는 특성 을 반영하였다. 1차시 STEAM 프로그램의 주제는

‘달에서 생물이 살 수 있을까?’ 이며 학습 목표는 표 3과 같다.

단원명 1.지구와 달 차시 4~5/8 시간 80

학습주제 지구와 달의 낮과 밤 대상 과학

영재 인원 16명 학습목표

▪ 지구와 달의 자전과 공전 방향을 설명할 수 있다.

▪ 지구와 달의 낮과 밤이 생기는 이유를 자전과 공전현상으로 설명할 수 있다.

▪ 달의 낮과 밤을 고려한 달 주택 건설 계획을 세울 수 있다.

교수-학습

전략 프로젝트법 학습형태 모둠학습 STEAM

통합모형 S-STEAM STEAM 큐빅모형

X1,Y1,Z8 (개념중심) 관련

교과 S:자전과 공전 T․E:삼구의 조작,스텔라리움 A:관점에 따라 말하기 M:비와 비율,원주율 자료

활용

▪ 교사:백야현상 사진자료,컴퓨터,빔 프로젝터

▪ 학생:컴퓨터,스텔라리움 프로그램 표 4.4～5차시 STEAM 프로그램

주요 활동은 생물이 살기 위한 조건과 우주복 장 치를 서로 비교하며 알아보기이다. 우주복에 있는 장치는 기본적으로 생물이 살기 위한 조건을 충족 하며 좀 더 확장된 개념이므로 달 이주 및 달 주택 건설 프로젝트 계획하기에 도움이 되었다.

2) 2차시 수업과정안의 구성

2차시∼7차시는 창의적 설계 단계이며 1차시에 주어진 미션(상황 제시)을 창의적으로 해결해 나가 는 과정으로 2차시의 주제는 망원경 만들기이다.

망원경의 원리 학습과 더불어 달을 직접 관찰할 수 있는 기회를 부여하였다. 달을 직접 관찰하는 활동 을 통해 영재학생들의 감성과 동기를 자극하는 탐 구활동이다.

3) 3차시 수업과정안의 구성

3차시는 2차시의 망원경 제작 및 달 관찰 활동 을 통해 알게 된 사실과 느낌에 대하여 이야기한 후 지구와 달의 모습이라는 주제로 탐구 활동을 시 작하였다. 창의적 설계를 위한 그리고 프로젝트를 수행하기 위해서는 기본적인 지식이 있어야하기 때 문에 3차시∼7차시는 개념중심의 학습으로 이루어 져있다. 학생들에게 제공한 정보는 교과서 내용으 로 달 표면, 물과 대기, 생물, 화산, 중력, 일교차와 동일하거나 심화적인 내용으로 크레이터 실험, 달 의 기원, 달의 바다, 달에서 대화, 달의 일교차로 재구성하였다.

4) 4차시 수업과정안의 구성

4∼5차시의 주제는 지구와 달의 낮과 밤이며 학 습목표는 표 4와 같다. 주요 내용은 지구와 달의 운동에 따른 현상들을 알아보는 것으로 자전과 공 전, 하루의 길이, 낮과 밤, 태양의 고도와 표면 온 도 등이다. 현재 지구에서 달의 뒷면을 보지 못하 는 사실과 달의 하루 길이는 얼마나 될지 등과 관 련해서 생각하고 달 이주 및 달 주택 건설 프로젝 트를 계획할 때 어떠한 사항을 고려해야할 지 토의․

토론하였다.

5) 6∼7차시 수업과정안의 구성

6∼7차시의 주제는 달의 위상변화이며 학습목표 는 표 5와 같다. 주요 내용은 달의 위상변화가 생 기는 이유와 달을 볼 수 있는 시간을 측정할 수 있 는 모형판 제작하기, 명화 속의 달을 그린 시간 추 리하기 활동으로 구성하였다. 학생들에게 제시된 교수․학습 자료는 이태형 충남대 천문학 교수가 신 윤복의 ‘월하정인’ 그림 속의 달을 분석한 자료와 달의 위상변화에 따라 달을 관찰할 수 있는 시간 계산 모식도이다.

6) 8차시 수업과정안의 구성

8차시의 주제는 달에서 살기 좋은 집 만들기이 다. STEAM 통합요소 중 주제중심으로 구성하였 고, STEAM 준거의 마지막 단계인 감성적 체험 단 계이다. 주요 활동은 프로젝트의 결과를 산출물과

단원명 1.지구와 달 차시 6~7/8 시간 80

학습주제 달의 위상변화 대상 과학

영재 인원 16명

학습목표

▪ 여러 날 동안 같은 시각에 보이는 달의 모양과 위치변화를 달의 공전과 관련지어 설명할 수 있다.

▪ 달을 볼 수 있는 시간을 측정할 수 있는 모형판을 제작할 수 있다.

▪ 달 그림이 그려져 있는 예술 작품을 보고 그림을 그린 시간과 상황을 추리할 수 있다.

교수-학습

전략 프로젝트법 학습형태 모둠학습 STEAM

통합모형 S-STEAM STEAM 큐빅모형

X1,Y1,Z8 (개념중심) 관련

교과 S:달의 위상변화 T․E:마름질과 가공 A:미술 감상 M:비와 비율,원의 넓이 자료

활용

▪ 교사:달 그림이 있는 명화 사진 자료,빔 프로젝트

▪ 학생:컴퓨터,스텔라리움,둥근 과자,OHP필름,컴퍼스,자,각도기,싸인펜 표 5.6～7차시 STEAM 프로그램

그림 5.신윤복의 ‘월하정인(좌)’과 그림 속 달의 위치 추정도(우) (대전일보,2007.07.03:2면)

함께 발표하는 시간이며 토론으로 진행하였다. 정리 단계에서는 과학자들이 계획한 달 이주 프로젝트 영상을 보고 과학 글쓰기를 통해 마무리 하였다.

지속적 과제는 단위 수업시간에 학습한 내용과 관련한 심화적인 과제를 말하며 프로젝트 누가 기 록지는 이 단원의 프로젝트 주제를 해결해 나가는 과정의 단서를 제시한 내용으로 구성하였다.

2. 프로그램의 적용 결과

1) 과학개념의 형성

표 6은 STEAM 프로그램의 학습 활동지를 영재 학급 강사 2인과 함께 과학개념 영역 중심으로 평

가한 결과를 정리한 것이다. 수업에 참여하지 않았 거나 답변을 거부한 S2 외 3명은 결과 분석에서 제외시켰다. 각 차시별 주요 과학개념에 대해 올바 르게 설명되어 있으면 ‘상’(○)으로 표시하고, 부족 하거나 오개념이 포함되어 있으면 ‘중’(△)으로 표 시하였으며 관계없는 내용이나 기록의 흔적이 없으 면 ‘하’(×)로 표시하였다. 학습 활동지 자료에서 1~5차시의 과학개념에 비해 6차시와 7차시의 과학 개념이 현저히 낮음을 알 수 있다. 연구자는 이에 대한 의문을 가지고 교사 관찰 일지와 인터뷰 자료 를 분석하였다.

8차시 수업을 마치고 실시한 연구 참여자 5명의 인터뷰 내용을 통해 과학 개념 이해정도 및 종합적 사고과정의 형태에 대해 알아보았다. 연구 참여자

사전 사후

S6

S9

S16

그림 6.사전․사후 달 개념도의 변화 표 6.학습 활동지 분석 결과

연구참여자(N=12)

과학개념(N=11) S1 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S11 S12 S14 S16 합계 1차시

생물이 살아가기

위한 조건 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

우주복의 장치 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

2차시 거울과 렌즈 ○ ○ ○ ○ △ △ ○ ○ ○ ○ △ ○ 10.5

3차시 지구-달의 특징 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

4차시 자전과 공전 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

5차시 낮과 밤 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

6차시 달 위치 변화 × △ × × × △ △ × ○ ○ △ × 4

달 위상 변화 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ ○ ○ × ○ 10

7차시 달 관찰 가능 시간 × × × × × × × × × × × × 0

달 그림 있는 명화 △ △ △ × × × × × × △ × × 2

8차시 패시브 하우스 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12

합계 8.5 9 8.5 8 6.5 8 8.5 8 9 9.5 7 8 98.5

○=상,△=중,×=하 S3 외 4명의 학생 모두 학습 내용이 쉬웠거나 어

렵지 않았다라고 답변 하였다. 하지만 달의 이동 방향과 달을 관찰할 수 있는 시간 계산하기는 다소 어려웠다고 하였다. 또한 종합적으로 이해가 되는 가에 대한 질문에는 말을 하지 않거나 단답형으로

‘예’ 라고만 답하였고, 2차시의 거울과 렌즈 6차시 의 달 위상변화 학습 내용은 프로젝트 진행 과정에 서 불필요하였다고 말하였다. 연구 참여자 S14 학 생의 경우 프로젝트 과제 수행에서 달의 위상변화, 달 관찰 가능 시간, 달 그림이 있는 명화에 대한 학습의 필요성이 없기 때문에 학습 활동지를 하지

않았고, 연구 참여자 S3, S6, S7, S11 학생들도 유 사한 형태의 답을 하였다.

교사의 관찰 일지에는 거의 모든 학생들은 망원 경을 즐겁게 만들고 다양한 실험을 하는 것으로 보 였다. 하지만 거울과 렌즈의 원리를 이해하는 과정 에서 실생활이나 프로젝트 주제와 관련한 구체적인 실험 설계를 하지는 않았다. 달 위상 변화 수업 중 특히 지구에서 달을 관찰할 수 있는 시간 계산하기 는 대부분의 학생들이 이해에 어려움을 보였다.

그림 6은 사전․사후 달 개념도의 변화를 살펴본 것이다. 사전 달 개념도는 1차시 수업에 실시하였

달 주택 건설 프로젝트 산출물

1조 :캠핑카 형태의 달 주택 2조 :패시브 하우스 형태의 달 주택

3조 :다 기능 로켓 형태의 달 주택 4조 :축구공 모양의 연결형 달 주택 그림 7.STEAM 프로그램의 산출물

표 7.STEAM 프로그램의 산출물 특징

교과 1조 2조 3조 4조

S 운석 중력과 추력 산소 에너지,식물

T·E 모터 꼬마전구 - -

A 캠핑카 로켓 축구공 패시브 하우스

M - - 오각형 -

‘-’표시는 없음을 의미함

고, 사후 달 개념도는 8차시 수업을 마치고 실시하 였다. 사전 달 개념도에는 크레이트, 음영, 단순한 무늬가 있고, 대부분이 둥근모양이지만 반달과 초 승달의 형태도 있다. 연구 참여자 S6 학생의 달 개 념도에는 달 그림 뒤편에 지구가 그려져 있다.

산출물의 특징은 표 7, 그림 7과 같다. 공통적으 로 에너지원은 태양열을 이용하였다. 1조의 작품은 운석을 피하기 위하여 캠핑카 형태로 제작하였으며 실제 작동은 되지 않지만 문을 열고 닫을 수 있도 록 서보 모터 1개가 장착되어 있고, 바퀴를 회전 시킬 수 있는 일반 모터가 장착되어 있다. 2조의 작품은 운석이나 지각변동에 대비하여 로켓 형태로 제작한 것이 특징이며 태양 전지판을 이용하여 페 트병 내부 꼬마전구에 실제로 불이 켜진다. 3조의 작품은 주택 내부의 공기가 빠져 나가는 것을 차단 하기위해 모든 주택들을 연결하는 통로가 있다는 것이 특징이다. 축구공 형태로 디자인하였으며 내

부 공간의 소품들이 매우 자세하게 표현되어있다.

4조의 작품은 에너지를 효율적으로 활용하기위한 패시브 하우스 형태로 제작하였으며 지하 통로가 있다는 점과 식물을 이용하여 산소를 공급하는 특 징이 있다. 1조의 작품 제작자는 연구 참여자 S3, 2조의 작품 제작자는 S6, 3조의 작품 제작자는 S9, 4조의 작품 제작자는 S14이다.

이상의 과학개념과 관련한 학습활동지, 교사 관 찰일지, 인터뷰 내용, 달개념도, 산출물 및 발표 내 용을 토대로 STEAM 프로그램의 적용 결과를 다 음과 같이 분석했다.

과학개념 형성은 기존의 교수․학습방법으로 충분 히 이루어질 수 있다. 하지만 연구 참여자 S11, S12 학생과 같이 달의 환경에 과학 개념을 적용하 는 과정에서 문제점이 드러났고, S14와 의사소통하 는 과정에서는 토의활동의 기본 개념이 부족함을 알 수 있었다.

과학개념에 대한 이해가 쉬웠다고 대답한 학생들 중에서 학습지의 활동 기록이 저조한 흔적을 볼 수 있었다. 그 이유는 이미 알고 있기 때문에 할 필요 성이 없다고 판단한 것과 복합적인 내용에 대해 생 각할 시간을 확보하기 위해서였다. 또한 상당히 구 체적이고 자세하게 기록된 흔적과 교사가 제공한 학습 자료 외 추가적으로 정보를 검색한 흔적들이 발견되었다. STEAM 교육의 상황 제시 단계에서 어떠한 과학개념이 필요한지 학생 스스로 느끼고 선택한 결과이다.

주제 토의 활동은 과학개념을 종합적으로 이해하 는 것에 큰 도움이 되었다. 거의 모든 학생들이 토 의·토론 활동을 가장 재미있는 활동이라고 생각하 였다. 자신의 지식을 뽐내거나 과학자들처럼 논리 적으로 싸우는 것에 흥미가 있어보였다. 또한 내가 알고 있는 것을 친구들의 생각과 비교하는 시간이 므로 더 많은 것을 배울 수 있는 좀 더 바람직한 사고를 가진 학생들도 있었다.

2) 창의적 설계

1차시에는 기존의 지식을 이용한 마인드 맵핑으 로 달 이주 계획을 자유롭게 기록하였다. 2차시에 는 망원경 제작의 순수한 목적을 달 거주 프로젝트 에 활용하거나 원리를 적용하여 집광 장치로 변형 하여 활용하는 형태까지의 수준에 이르진 못하였 고, 망원경을 만들어 본 경험을 이야기 하거나 그 원리에 대해 서로 의견을 주고받는 활동이 대부분 이었다. 3차시에는 크레이터 실험 역시 단순한 과 학 실험 수업과 유사한 형태이었다. 4~5차시는 지 구의 낮과 밤 이론 수업 후 토의활동이 활발히 진 행되었다. 수업 후 면담과정에서 학생들이 매 차시 주제가 바뀌어 깊이 있게 생각해보지 못한 점이 기 존 영재수업의 불만이었고 토의활동을 매우 좋아하 는 것을 알 수 있었다. 지구와 달의 자전과 공전 개념을 이해하고 이를 단위 시간 안에 주제에 적용 하기에는 시간이 부족하였다. 하지만 토의 과정에 서 조금씩 접목하려는 시도는 엿볼 수 있었다. 8차 시의 산출물 유형은 표 7, 그림 7과 같다. 대부분 의 작품이 생활 주변에서 흔히 볼 수 있는 것들의 조합에 의해 이루어진 것을 알 수 있다.

3) 감성적 체험

Ledoux(1996)는 모든 신호에 감성이 일고, 이성 적 정신작용이 일어나며 ‘학습을 유도하기 위한 중 요한 정보의 근원은 바로 감성’이라 하였다. 감성은 과학적 탐구과정에서 매우 중요한 역할을 한다 (Thagard, 2002). 긍정적인 감성들은 피험자들이 경험할 경우 과학적 사고 과정과 같은 인지과정에 영향을 미친다는 Ashby et al.(2002)의 연구 내용 과 더불어 긍정적인 감성이 우리의 사고, 의사 결 정, 창의성 등의 정보처리과정에 영향을 미친다는 Isen(1991)의 연구 결과를 통해서도 알 수 있다.

이러한 측면에서 부정적인 감성을 느낀 학생들에 게 STEAM 교육이 필요할지 의문스러울 수도 있 겠으나 부정적인 반응을 보인 학생들 중에서도 다 음 과제에 대한 도전의식이 있는 학생들도 있었 다.

불안과 학업성취도와의 관계를 연구한 국내외의 결과를 종합한 연구에서는 적절한 불안이 학업성취 를 촉진시키는 역할을 한다고 알려져 있다. 기능적 인 관점에서 보면 감성 그 자체는 나쁘지 않다. 기 쁨이 반드시 좋은 것이 아니며 분노나 공포가 반드 시 나쁜 감성은 아닌 것이다(Reeve, 2001). 그러므 로 적절한 강도의 부정적인 감성도 과학적 사고과 정에 긍정적인 영향을 미친다고 볼 수 있다(권용주, 2005). 결국 감성적 체험이 중요한 이유는 새로운 도전으로 이어지기 때문이며 이러한 도전으로 이어 줄 수 있는 감성은 부정적인 것이어도 가능하다.

또한 연구 참여자들의 감성 체험은 8차시 수업 후 산출물의 성공과 실패를 통해 느끼기 보다는 수업 을 진행하는 과정 중심으로 이루어졌다는 것을 알 수 있었다.

3. STEAM 프로그램 진행상의 긍정적 요인 과 부정적 요인

개발한 STEAM 프로그램을 초등과학영재 16명 에게 적용한 결과 표 8과 같이 총 44개의 주제로 요약되었으며, 10개의 주제 묶음으로 구성할 수 있 었다. 이는 교사 관찰일지, 수업 촬영 전사자료, 면

표 8.적용한 STEAM 교육의 긍정적 요인과 부정적 요인

범주 주제 묶음 주제

긍정적 요인

익숙함 :융합교육으로 발생 한 문제 인식 및 학습 기회 의 반복 효과

-STEAM 프로젝트 후반으로 갈수록 익숙한 느낌

-반복적인 설명,귀 기울여 듣기,집중,복습,학습자료 참고하기,잘 정리된 학습 자료,인터넷 검색,교과서

-한 가지 주제로 구성되어 있어 집중할 수 있음.기존 영재 수업은 매번 다른 주 제들로 구성되어 있어 매우 혼란스러웠음

-일반 수업에서 배운 내용을 영재학급에서 심화학습으로 이루어졌으면 좋겠음 -프로젝트의 목표에 초점 맞춰 학습하였음

추억과 상상 :실생활과 지 속적으로 연관시키는 과정으 로 인한 회상이나 상상

-과학 중심적 사고(과학만 생각하지 않음)를 하였음 -방과후 로봇,추억과 메모,미래 중-고-대학 진학 -디자인

-창의적인 발상 :땅 속의 출입구는 TV ‘하이킥’을 보고 아이디어 얻음.

흥미와 몰입 :자신이 흥미 롭다고 생각한 것에 대한 몰 입

-달 과학자 인터뷰

-달의 환경과 자원,에너지원, -달에서 바로 본 태양의 움직임 -달 내부가 궁금함

긍정의 감성 :실생활의 문 제에 대한 고민과 사회 속의 나

-많은 시간을 사용하였으나 기분이 나쁘지 않음 -조화로움에 대해 생각함

-섬세한 작업에 대한 인식

-긍정적인 예상결과와 내가 생각한 것에 대한 확신 -유익함,기대감,특별함,흥미로움을 느낌.

원활한 의사소통 : 다양한 생각들에 대한 의견 교환과 갈등 해소

-토론에 적극적으로 임함.

-토론을 하기 위해 정보를 미리 수집하여오기.

-토의 수업에 대한 기대감,몰입,흥미,토의지속,논리적 태도 -토의 활동을 통해 함께 하는 것이라 생각하고 편안함을 느낌 -타인의 생각과 자신의 생각을 비교하며 결론을 도출함

부정적 요인

난해함과 복잡함 :학습 의 욕을 저해시킬 정도의 난해 하거나 복잡한 수준

-내용의 어려움,복잡함,이해 안 됨,필요성 없음,더 알고 싶은 점이 없다,달의 위상변화 어려움,사전지식이 있었지만 어려움

-종합적 이해 안 됨.적용의 어려움.

-반론에 대한 대비를 잘 못함.순발력이 부족함.

-달은 과거 사람들에게는 중요한 내용이었지만 현시대의 사람들에게는 중요하 지 않다고 생각함

-머리가 무겁고 피곤하여 휴식이 필요함 낮은 표현력

-알고 있는 것을 말하거나 설명하는 것을 어려워 함 -기록하는 것을 귀찮아 함

-말하지 않음.

창의적이지 않은 태도

-획일적인 발상기법(마인드 맵과 더하기 기법)

-문제 해결 과정에서 융합적으로 생각하려고 노력하지 않음 -다른 교과와 연계하여 생각하지 않음

-관련 없는 내용이라 판단하고 더 이상 고민하지 않음

비관적 윤리관

-과학 윤리와 연계하여 생각하지 않음

-인류는 달에 가더라도 지금과 같은 문제가 발생할 것임 -빈부격차가 더 심해지고,고위층부터 이주를 할 것임 -남은 사람의 고통,구호단체의 손길,그리고 과연 도와줄까?

-이런 경각심이 드는 주제가 학습에 반영된 이유는 인류의 비윤리적 행동을 인 정하고 반성하지 않는 사회적 분위기 때문임

-인류 도덕성에 대한 실망감

불안감

-수학여행에 대한 기대감으로부터 오는 유혹 -집에서 해야 할 일이 많아 스트레스를 받음 -탐구할 시간이 부족함