Ⅰ. 서론
이 연구는 기초공통개념으로서 에너지에 대한 이해를 조사하는 순위선다형 평가 문항을 초등학교와 중학교 학생들에게 적용하고, 그 응답 반응을 분석하여 에너지에 대한 학습발달과정 규명을 위한 경험적 기초 자료를 제시하려는 목적으로 기획되었다. 최근 미국의 Framework for K-12 science education (National Research Council [NRC], 2012)에서 “과학의 교과 영역별 경계를 연결하고 과학과 공학 의 여러 분야에서 설명적 가치를 지닌 기초적 개념”(NRC, 2012, p.
83)으로서 기초공통개념1)(cross-cutting concepts)이 제안되었다. 기 초공통개념은 학생들이 “다양한 과학 교과의 지식들을 이해하여 과학 에 기반한 일관된 세계관을 발전시킬 수 있게 도와주는 조직적인 체 계를 제공”해 준다(NRC, 2012, p. 83). NRC Framework을 바탕으로 개발된 Next Generation Science Standards (NGSS Lead States, 2013) 에서도 “모든 과학 교과에서 공통적으로 연관되는 매우 중요한 과학 적 주제”(NGSS Lead States, 2013, Appendix p. 29)로서 기초공통개 념을 정의하고 있다. NGSS에서 기초공통개념은 학생들이 과학 학습 을 통해 달성할 것으로 기대하는 성취 목표를 진술하기 위한 기초적 토대 중의 하나가 되었다. NRC Framework와 NGSS에서 제안된 기초 공통개념으로는 경향성, 인과 관계, 규모와 비율 및 양, 체계와 체계적
모형, 에너지와 물질, 구조와 기능, 안정성과 변화 등이 있다. 이러한
“기초공통개념들은 서로 다른 과학 교과의 내용에서 공통적으로 연관 되어 있는 지적 도구(intellectual tools)로 볼 수 있으며, 기초공통개념 에 대한 이해를 바탕으로 학생들은 과학 교과의 핵심 개념들을 이해 하고 과학적 탐구실행 활용 능력을 증진시킬 수 있다” (NRC, 2012, p. 218). 따라서 과학의 기초공통개념에 대한 학습발달과정(learning progressions, NRC, 2007, Maeng, Seong, & Jang, 2013)을 연구하면 그 결과를 바탕으로 기초공통개념을 과학의 교과별 핵심 주제들과 연관시켜 이후 과학 교육과정 개발 및 과학교육 정책 수립의 이론적, 학술적 근거를 확보할 수 있게 될 것이다.
이 연구의 지향점이 되었던 학습발달과정은 “학생들이 습득한 과 학의 핵심적인 개념에 대한 이해와 활용 능력이 성숙되어 점점 더 정교한 방향으로 발전하는 과정에 대한 평가 가능한 가설”(Corcoran, Mosher, & Rogat, 2009)로 정의되며, 미국의 과학교육계를 중심으로 유럽과 아시아 등 전 세계적으로 그 연구가 점차 확산되고 있다. 한국 의 과학교육계에도 물의 순환에 대한 학습발달과정 연구(Maeng, Seong, & Jang, 2013; Seong, Maeng, & Jang, 2013), 천문시스템에 대한 학습발달과정 연구(Maeng et al., 2014), 물질의 입자성에 대한
기초공통개념으로서 에너지에 대한 3∼9학년 학생들의 문항 반응 분석
김영민
1, 강남화
2, 강훈식
3, 맹승호
3*, 이준기
41부산대학교, 2한국교원대학교, 3서울교육대학교, 4전북대학교
Item Response Analysis of Energy as a Cross-Cutting Concept for Grades 3 to 9
Youngmin Kim
1, Nam-Hwa Kang
2, Hunsik Kang
3, Seungho Maeng
3*, Jun-Ki Lee
41Pusan National University, 2Korea National University of Education, 3Seoul National University of Education, 4Chonbuk National University A R T I C L E I N F O A B S T R A C T
Article history:
Received 21 July 2016 Received in revised form 10 August 2016
21 November 2016 Accepted 6 December 2016
This study investigated children’s (grade 3 to 9) responses to assessment items on energy as a cross-cutting concept in order to get basic information for a learning progression. The assessment consisted of 8 ordered multiple-choice items at the contexts of electric circuit, mechanical energy of falling objects, phase change of matter, dissolution, biological phenomena of a lizard, food chain, radiative equilibrium between Sun and Earth, and the system of water cycling. Children’s responses to each item were analyzed with using cross-tabulations in terms of grades and item option levels and Wright map and Differential item functioning based on Rasch modeled item response analysis. The results offered empirical evidence of children’s development of understanding energy from relation between energy and its phenomena, types of energy, transfer and conversion of energy, towards conservation and equilibrium of energy for all of eight contexts. Children of each grade did not fully understand energy conservation. As grade goes up, their understandings of energy transfer and conversion were differentiated across the contexts and topics of energy. According to Rasch analysis, children had easier understanding of energy on dissolution and poorer understanding of energy on water cycling than that on other contexts. It was discussed and suggested that the results of this study help us organize science topics with regard to energy when developing new national science curriculum.
Keywords:
energy, cross-cutting concept, learning progressions, cross-tabulations, Rasch analysis
* 교신저자 : 맹승호 ([email protected])
** 이 논문은 2014년도 교육부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 연구임
http://dx.doi.org/10.14697/jkase.2016.36.6.0815
1) NRC Framework(NRC, 2012)에서 제안한 cross-cutting concepts를 한국과학 창의재단(2013)은 ‘관통 개념’으로 번역한 바 있다. 그러나 cross-cutting concepts는 NRC Framework와 NGSS에서 정의한 바와 같이 과학의 여러 영역 에 공통적으로 적용될 수 있는 근본적이고 기초적인 개념을 의미하므로(NRC, 2012; NGSS Lead States, 2013) ‘cross-cutting’의 사전적 의미를 토대로 번역 한 ‘관통개념’이라는 표현보다는 “기초공통개념”이 더 정확한 번역이라고 제 안한다.
Journal of the Korean Association for Science Education
Journal homepage: www.koreascience.org
학습발달과정 연구(Shin et al., 2014), 판구조론에 대한 학습발달과정 을 위한 문항반응 연구(Maeng & Lee, 2015) 등이 국내 학술지 논문으 로 발표된 바 있다. 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학의 모든 개념들 에 대하여 학습발달과정을 연구하고 도출하는 것이 현실적으로 쉽지 않음을 고려하면, 과학의 핵심적이고 근본적인 개념에 대한 학습발달 과정 연구를 수행하고, 그 결과가 관련된 다른 영역의 과학 학습에 활용될 수 있어야 한다(Duschl, Maeng, & Sezen, 2011). 이미 NRC Framework와 Next Generation Science Standards에서는 기초공통개 념의 가설적 발달과정에 대한 안내 자료를 K-2, 3-5, 6-8, 9-12 학년군 에 따라 제시한 바 있다. 그러나 가설적인 발달과정을 기술한 것이므 로 구체적인 학습 평가의 결과를 바탕으로 경험적인 근거를 제시하고, 그 가설적 발달과정에 대한 타당화 과정을 수행할 필요가 있다(NRC, 2012). 이런 점에서 기초공통개념에 대한 학습발달과정을 개발하기 위한 경험적 기초 자료를 확보하는 것은 과학의 학습발달과정 연구에 서 큰 의미를 가질 수 있다.
이 연구에서는 NRC Framework와 NGSS에서 제안한 기초공통개 념들 중에서 “에너지”를 선정하고, 에너지에 대한 초등학교 및 중학교 학생들의 이해 정도를 조사해 보고자 하였다. ‘에너지’는 19세기 초 Thomas Young이 현대적 의미의 에너지 개념을 처음 사용한 이래 모든 과학 분야의 기초 개념으로서 다루어지고 있다(Thompson, 1881). 이에 따라 우리나라의 과학 교육과정도 에너지를 중요한 개념 으로서 다루고 있다. 제1차 교육과정에서 ‘에네르기’라는 용어로 번 역되어 처음 도입된 이후 에너지는 줄곧 과학의 중요 개념으로서 그 지위를 가져왔고, 최근 개정된 2015 개정 과학과 교육과정에서는 초 등학교 과학의 ‘에너지와 생활’ 및 중학교 과학의 ‘에너지 전환과 보 존’ 등과 같이 독립된 단원으로 포함되었다. 2015 과학과 교육과정에 서 에너지는 화학, 물리학, 지구과학 영역의 단원에서 열에너지, 전기 에너지, 빛 에너지, 운동 에너지, 위치 에너지, 및 태양 에너지 등으로 다뤄져서 학생들은 주로 에너지의 다양한 형태 및 관련된 현상을 학 습하게 된다. 또한, 생물학 영역의 단원에서 식물과 동물의 생존에 필요한 양분 또는 먹이라는 관점에서 에너지 및 에너지원을 다루고 있으며, 중학교 과정의 일과 에너지 단원에서 비로소 에너지의 본질 적 특성으로서 에너지의 전환 및 보존 등을 다루고 있다. 그러나 이 연구에서 다루는 “에너지”는 각 교과 영역에서 다루고 있는 핵심 아이 디어로서 에너지 개념에 대한 이해를 말하는 것이 아니라, 과학의 각 교과 내용을 학습하는데 공통적으로 적용될 수 있는 기본적인 개 념 체계로서 ‘에너지의 의미에 대한 인식, 에너지 이동과 전달, 에너지 전환 및 변환, 에너지의 보존 등 에너지의 기본적 속성에 대한 이해 정도’를 말한다. ‘에너지’에 대한 이와 같은 접근은 지식 통합 (Knowledge integration)의 측면에서 중학생들의 에너지 보존 개념을 조사했던 Lee & Liu (2009)의 연구에서 유의미한 시사점을 얻을 수 있다. Lee & Liu (2009)는 미국의 5개 주(California, Virginia, Arizona, Massachusetts, and North Carolina)의 12개 중학교 학생 (2,688명)을 대상으로 에너지 보존 개념이 적용될 수 있는 물리적 상황, 일상 생활적 상황, 지구과학적 상황에서 에너지와 관련된 개념 적 지식을 통합하는 수준을 조사하였다. 연구 결과, 미국의 학생들은 에너지의 종류를 이해하거나 에너지의 전달을 인식하는 문제를 해결 할 때보다 에너지의 보존성을 이해할 때 더 높은 수준의 지식 통합 능력이 필요하다는 것이 밝혀졌다. 또한, 학년이 올라갈수록 지식 통
합의 수준이 유의미하게 증가하였고, 물리적 상황과 일상생활의 상황 보다 지구과학적 상황에서 더 높은 수준의 지식 통합이 이루어짐을 밝혀냈다. 이처럼 Lee & Liu (2009)의 에너지에 대한 연구는 특정 과학 분야의 에너지가 아니라 에너지와 관련된 개념적 지식의 통합 수준 이라는 측면에서 기초공통개념에 대한 연구와 유사한 측면이 있다. 한편, Neumann et al. (2013)은 에너지에 관한 학생들의 이해를 조사했던 선행 연구들의 결과와 교육과정 관련 문헌들의 내용을 토대 로 the Energy Concept Assesment (ECA)라는 선다형의 측정 평가 도구를 개발하였다. ECA는 에너지의 형태와 원천, 에너지의 전달과 변환, 에너지의 감쇄(degradation) 및 보존 등에 대한 개념 이해의 복 잡성을 측정하는 것으로서, 6∼10학년에 해당하는 학생들(1,856명) 에게 적용되었다. 이 연구의 결과에 의하면, 에너지와 관련된 개념적 위계에 따라 더 높은 수준의 개념은 더 높은 문항 곤란도를 보였으며, 에너지의 감쇄에 대한 이해는 에너지의 전달과 변환에 대한 이해가 선행되어야 가능했다. 그러나 문항 해결에 필요한 지식의 복잡성과 문항 곤란도 사이에 통계적으로 유의미한 연관성은 보이지 않았고, 더욱이 에너지의 변환에 대해 이해하는 학생들이라 하더라도 에너지 의 형태와 원천에 대해서는 충분히 이해하지 못하는 경우도 발견되었 다. Neumann et al. (2013)의 연구와 Lee & Liu (2009)의 연구는 에너 지에 대한 과학적 지식을 측정하기보다는 에너지의 기초공통개념적 속성을 평가하고 측정했다는 유사성을 찾을 수 있는 반면, 그 결과에 서 다소 상충되는 부분도 존재한다. 이러한 결과는 두 연구에서 사용 된 평가 문항이 두 층위로 이루어진 진단평가(Two-tiers diagnostic assessment)와 단순 선다형 문항이라는 평가 문항 형태의 차이와 평가 문항의 맥락의 차이에서 기인한 것으로 볼 수 있다.
선행 연구들의 경험과 결과를 바탕으로 이 연구에서는 기초공통개 념으로서 ‘에너지’의 의미와 종류, ‘에너지’의 이동과 전달, ‘에너지’
의 전환 및 변환, 그리고 보존 등에 대한 초등학생과 중학생들의 이해 를 물리, 화학, 생명과학 및 지구과학의 다양한 맥락에서 조사하였다.
이를 위하여 순위선다형 평가 문항을 개발하여 초등학교와 중학교 학생들에게 적용하고, 그 응답 반응을 분석하여 에너지 개념에 대한 학습발달과정 규명을 위한 경험적 기초 자료를 제시하고자 하였다.
이 연구의 중심적인 연구 질문은 다음과 같다.
첫째, 에너지에 대한 학생들의 문항반응 특성은 기초공통개념으로 서 에너지 이해의 학습발달과정의 측면에서 어떤 양상을 나타내는가?
둘째, 초등학교 3학년∼중학교 3학년 까지 학년에 따라 에너지에 대한 학생들의 응답 수준의 경향은 어떻게 변화하는가?
Ⅱ. 연구 방법
기초공통개념으로서 에너지에 대한 학생들의 이해와 문항 반응 특성을 조사하기 위하여 이 연구에서는 그동안 학습발달과정 연구의 방법으로 많이 활용되어 온 Wilson(2005)의 구인 모델링 방식 (Construct Modeling Approach)을 적용하였다. 구인 모델링 방식은 Knowing What Students Know (NRC, 2001)에서 제안된 평가의 삼각 형(assessment triangle)을 구현하기 위해 구성된 평가 시스템의 한 갈래로서 ‘평가 구인 특화, 평가 문항 개발, 평가 결과 기술, 측정 모델 적용’의 네 단계로 이루어진다(Figure 1). 이 네 단계는 이 연구의 방법 및 절차와 동일하다. 즉, 연구 방법으로서 에너지에 대한 검사도
구 개발은 구인특화 단계와 평가문항 개발 단계에서 진행되었으며, 검사 결과 분석은 평가결과 기술 단계와 측정 모델 적용 단계에서 이루어졌다. 아래에 연구 방법의 자세한 내용을 구인 모델링 방식의 각 단계에 따라 기술한다.
Figure 1. Structure of Construct Modeling Approach (Translated from Wilson, 2009, p. 718)
1. 평가 구인 특화
평가의 구인 특화(specifying construct) 단계에서는 학습발달과정 에서 학생들이 이해하고 습득한 정도를 평가하고 측정할 요소의 대상 이 되는 핵심 개념, 즉 구인(construct)을 선정하고 구인에 대한 선행 연구 결과를 바탕으로 구인구성도(construct map, Wilson, 2005)를 작성한다. 구인구성도는 평가 구인에 대한 이해 및 실행의 정도가 낮은 수준에서 높은 수준에 이르기까지 질적으로 구분되는 연속적인 도식을 말한다(Maeng et al., 2013). 구인구성도는 평가 문항을 개발
할 때 기본적인 밑받침이 되며, 평가 문항에 대한 학생들의 문항 반응 결과를 구인구성도와 비교하여 응답자를 그 구인의 이해 및 실행 수 준에 따라 배치하는 준거가 된다.
구인 구성도를 작성하기 위하여 먼저 평가의 구인으로서 NGSS의 7가지 기초공통개념 중 ‘에너지’를 선정하였다. 에너지는 기초공통개 념으로서 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 분야의 핵심 개념들을 이해 하는데 중요하며, 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 분야의 맥락에서 공통적인 용어로 표현될 수 있는 특징을 가지고 있어서 초등학교에서 중학교에 이르기까지 순차적으로 더 정교하거나 또는 더 복잡한 수준 으로 발전하는 양상을 파악할 수 있다. 이에 더하여 이 연구를 수행할 당시 학교 교육과정에 적용되고 있던 2009 과학과 교육과정의 내용 체계에서 에너지와 관련된 단원들을 조사하여 초등학교와 중학교에서 학생들이 에너지 개념을 학습하는 상황에 대하여 분석하였다(Table 1).
교육과정 내용 분석 및 에너지 관련 선행 연구들을 바탕으로 기초 공통개념으로서 에너지에 대한 구인구성도를 Table 2에 제시하였다.
구인구성도에서 발달의 수준은 Lee & Liu (2009)의 연구 및 Neumann et al. (2013)의 연구 결과에서 제안되었던 학생들의 이해 수준을 반영 하여 에너지의 (1) 의미와 종류, (2) 이동과 전달, (3) 전환 및 변환, (4) 보존으로 설정하였다. 구인구성도에서 에너지 이해에 대한 가설 적 곤란도가 가장 낮은 단계(수준 1)를 학습발달과정의 하위 정착점 (lower anchor)으로 볼 수 있는데, 제시된 자연 현상에서 에너지와 관련된 요소나 장면을 인식할 수 있으며, 그 때 적용된 에너지의 종류 를 파악할 수 있는 수준으로 설정하였다. 구인구성도의 최상위 수준 즉, 상위 정착점(upper anchor)은 에너지 보존 개념이 가장 복합적인 지식의 통합을 요구한다는 선행연구의 결과와 주장에 근거하여 자연 현상에서 작용한 에너지가 소멸되거나 생성되지 않고, 그 총량이 일 정하게 보존됨을 이해하는 것(수준 4)으로 설정하였다. 에너지 이해
수준 내용
4 물리학적 현상, 화학적 변화과정, 생물 개체의 생명활동 및 지구과학적 현상, 그리고 환경을 포함한 생태계에서 작용한 에너지는 소멸되거나 생성되지 않고 단지 다른 형태로 전환되어 전달되므로 에너지의 총 합은 일정하며, 계 내에서 에너지의 평형이 존재함을 이해할 수 있다.
3 물리학적 현상, 화학적 변화과정, 생물 개체의 생명활동 및 지구과학적 현상, 그리고 환경을 포함한 생태계에서 에너지가 한 형태에서
전환되는 과정을 설명할 수 있다.
2 물리학적 현상, 화학적 변화과정, 생물 개체의 생명활동 및 지구과학적 현상, 그리고 환경을 포함한 생태계에서 나타나는 에너지의 이동과 전달 과정을 설명할 수 있다.
1 물리학적 현상, 화학적 변화과정, 생물 개체의 생명활동 및 지구과학적 현상, 그리고 환경을 포함한 생태계에서 에너지의 종류를 인식할 수 있다 (또는 에너지의 종류를 관련된 현상과 연결할 수 있다).
Table 2. Construct map on energy as a cross-cutting concept
분야 초등학교 3-4학년군 초등학교 5-6학년군 중학교 1-3학년군
물질과 에너지
⋅ 소리의 성질 ⋅물의 상태 변화 ⋅ 온도와 열
⋅ 용해와 용액
⋅ 산과 염기
⋅ 물체의 빠르기
⋅ 전기의 작용
⋅ 연소와 소화
과 학 이 란
⋅ 힘과 운동
⋅ 열과 우리 생활
⋅ 분자 운동과 상태 변화
⋅ 빛과 파동
⋅ 일과 에너지 전환
⋅ 전기와 자기
⋅ 화학 반응에서의 규칙성
⋅ 여러 가지 화학 반응
과 학 과 인 류 문 명 생명과
지구
⋅ 지구와 달
⋅ 동물의 생활
⋅ 지표의 변화
⋅ 화산과 지진 ⋅ 날씨와 우리
생활
⋅ 식물의 구조와 기능
⋅ 태양계와 별
⋅ 우리 몸의 구조와 기능
⋅ 지구와 달의 운동
⋅ 생물과 환경
⋅ 생물과 우리 생활
⋅ 계절의 변화
⋅ 지구계와 지권의 변화
⋅ 광합성
⋅ 수권의 구성과 순환
⋅ 기권과 우리 생활
⋅ 소화⋅순환⋅호 흡⋅배설
⋅ 태양계
⋅ 외권과 우주개발 Table 1. Units related to energy as a cross-cutting concept in 2009 Korean National Science Curriculum for Elementary and
Secondary School (MEST, 2011)
의 중간 단계는 에너지가 전달됨을 이해하고 이를 물질의 이동과 구 분하여 설명할 수 있는 수준 2와 에너지가 전달되는 과정에서 다른 형태로 전환됨을 이해하는 수준 3을 두었다.
2. 평가 문항 개발
평가 문항 개발 단계에서는 앞서 작성한 구인구성도에 맞추어 구체 적인 평가 문항을 개발하고 점검한다. 이 연구에서는 순위 선다형 평가 문항(ordered multiple-choice items)을 개발하여 학생들의 응답 반응을 조사하였다. 순위 선다형 평가 문항은 Briggs et al.(2006)에 의해 제안된 뒤로 학습발달과정의 연구에서 많이 사용되어 온 평가 문항 양식이다(e.g., Maeng et al., 2013; Maeng et al., 2014; Maeng
& Lee, 2015; Noh et al., 2016; Seong et al., 2013). 순위 선다형 평가 문항은 선다형 문항의 형태를 가지고 있지만, 각 선택지들이 학생들의 개념 이해의 곤란도 순서에 따라 위계적으로 결정되어 구성 된다(Briggs et al., 2006; Briggs & Alonzo, 2012). 즉, 순위 선다형 평가 문항은 여러 선택지들 중 하나의 선택지를 선택하는 형태이지만 각 선택지가 개념 이해의 곤란도 수준에 맞추어 개발되므로 학생들이 어느 선택지를 선택하더라도 그 결과를 통해 그 학생의 개념 이해의 도달 정도에 대한 정보를 제공해 줄 수 있는 장점이 있다.
문항 개발 과정에서 평가 문항 및 응답의 신뢰성과 타당성에 대한 증거를 확립하기 위하여 Crocker & Algina (1986)가 제시한 평가도구 개발 과정의 (1)∼(7) 단계에 따라 진행하였다. 즉, (1) 평가의 점수를 활용하여 학생들의 에너지 기초공통개념에 대한 이해 수준의 발달과 정을 파악한다는 평가의 목적을 규정하였고, (2) 평가의 구인으로서 에너지에 대한 이해 수준을 나타낼 수 있는 행동 양식 즉, 발달 변수 (progress variables, Jin & Anderson, 2012)를 ‘에너지’의 의미와 종류,
‘에너지’의 이동과 전달, ‘에너지’의 전환 및 변환, 그리고 ‘에너지’의 보존 등에 대한 전반적인 이해로 규정하였으며, (3) 에너지에 대한 발달 변수에 따라 문항의 비율을 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 영역별로 각 두 문항 씩 총 8 문항을 개발하기로 계획하였다. 이에 따라 (4) 초기 문항 세트를 개발하여, (5) 각 문항에 대한 연구자 집단 내부 검토 및 외부 전문가 검토를 수행하였다. 연구자 집단의 내부 검토는 개발된 문항의 내용 적절성 및 현행 교육과정과 비교하여 그 범위를 벗어나지 않는가에 초점을 두고 진행되었다. 외부 전문가 검 토를 위하여 충청 지역의 과학교육 연구자 4 명, 초등학교 교사 3 명, 중학교 교사 3 명에게 검사 문항의 내용 검토와 피검사자의 입장 에서 문장 이해도 확인, 문제 표현 및 선택지의 용어 및 그림 수정
등을 요청하여 검토 작업을 수행하였다. 또한, 경남 지역의 외부 전문 가 검토는 초등학교 교사, 중학교 교사, 과학교육원 연구사, 대학 강사 등 다양한 신분으로 구성된 한 교육연구팀에 의뢰하여 문항의 내용 오류 여부 및 순위선다형 문항으로서 적절성 여부를 검토 받았다.
(6) 초기 검사지에 대한 검토 결과는 충청 지역에서 한 학교를 대상으 로 예비 검사를 실시하여 얻은 검토 의견과 종합하여 검사 문항을 수정하는데 반영되었다. 최종 확정된 평가 문항 세트의 구성은 아래 Table 3과 같다.
위 문항들은 모두 순위 선다형 문항으로서 학생들에게 정답을 찾는 것이 아니라 문항별로 제시된 선택지를 읽고, 자신의 생각과 가장 가까운 것 하나를 고르는 것이었다. 위 표의 문항들을 Appendix 1에 제시하였다.
마지막 단계인 (7) 개발된 평가 문항의 적용은 다음과 같이 진행되 었다. 개발된 순위 선다형 평가 문항을 학교 현장에 적용하기 위하여 대도시의 표본으로서 서울, 부산, 대전, 그리고 시도 이하 지역의 표본 으로서 경기, 강원, 전북, 충북, 충남, 제주에 소재한 초등학교와 중학 교 총 15 곳을 편의 표집하여 실행하였다. 대상 학년은 초등학교 3학 년∼중학교 3학년이었고, 각 학교마다 학년별로 두 학급 씩 임의 표집 하였다. 선정된 학교 기관장의 승인과 학생의 연구 참여 동의를 얻어 검사를 실시하였고, 검사 방법과 순서에 대한 상세 안내문을 교사에 게 배부하여 일관성을 확보하였다. 검사 시간은 1차시로 제한하였으 며, 실제 소요된 시간은 30분∼45분으로 초등학교와 중학교 간에 다 소 차이가 있었다. 15개 학교에서 수거된 검사지 중 최종 분석 대상 인원은 초등학생 1,338명(남: 719명, 여: 669명), 중학생 1,018명(남:
540명, 여: 478명)이었다. 응답한 학생들의 지역 및 학교별 분포는 아래 Table 4와 같다.
3. 평가 결과 기술
평가 결과 기술 단계는 평가의 결과를 해석하기 위하여 평가 문항 에 대한 학생들의 응답 결과에 점수를 부여하여 범주화하고, 그 결과 의 양상을 탐색한다. 순위 선다형 평가 문항은 문항의 선택지들이 각각 학생들의 이해 수준을 나타내므로, 가장 낮은 수준의 선택지에 1점, 그 다음 수준에 해당하는 선택지에 2점을 부여하고, 순차적으로 배점을 높여서 점수를 부여한다(Maeng et al., 2013; Seong et al., 2013). 이 연구에서 사용한 검사 문항들은 모두 선택지가 네 개씩이므 로 문항별 배점은 1∼4점을 부여하였다.
문항 번호
영역 1Bio 2Ess 3Phy 4Chem 5Phy 7Chem 9Bio 11Ess
물리학 전기 회로의
에너지
낙하 물체의 역학적 에너지
화학 물질의 상태
변화와 에너지
용해 반응의 에너지
생명과학
생명 활동에 출입하는
에너지
먹이 사슬의 에너지
지구과학 태양과 지구의
복사평형
물 순환계의 에너지 Table 3. Items and the content in each item of this study
4. 측정 모델 적용
학습발달과정 연구를 위한 측정 모델 적용 단계는 평가 결과에서 기술된 피험자의 점수가 구인구성도에 표시된 평가 구인별 도달 수준 과 연결될 수 있는지 알아보기 위하여 적절한 통계적 모델을 적용하 여 응답 결과를 측정하는 것이다. 이 연구에서는 순위 선다형 평가 문항의 검사 결과를 초기의 구인구성도에 연결시켜 평가의 결과에 대한 해석의 근거를 확보하기 위하여 문항반응이론(item response theory)이 적용된 측정 모델 중 Rasch 모델을 적용하여 응답 반응을 계산하고 분석하였다. Rasch 모델 분석은 학생들이 검사 문항에서 얻은 점수를 기초로 학생들이 그 문항에서 해결해야 하는 과제 해결 능력 또는 속성을 문항의 곤란도와 동일한 척도로 환산하여 서로 비 교한다. 이 때 환산의 준거는 문항의 곤란도에 따라 학생들이 그 문항 을 해결하여 점수를 얻을 확률이 된다. 따라서 높은 능력을 가진 학생 들은 어려운 문항을 해결할 확률이 높게, 낮은 능력을 가진 학생들은 어려운 문항보다는 쉬운 문항을 해결할 확률이 높게 계산되는 것이다. Rasch 모델을 적용한 문항반응 결과의 계산(calibration)은 Winsteps 를 사용하였다. Winsteps는 Rasch 모델에 근거하여 문항 곤란도와 피험자의 문제 해결 능력 즉, 관련 구인에 대한 피험자의 내재된 속성 을 동일한 로그 스케일의 확률 단위인 로지트(log-odds unit, logit)로 표시하는 Wright map을 제공한다. Wright map을 통해 어떤 문항이 문항의 특성상 곤란도가 높은지 또는 낮은지 파악할 수 있으며, 문항 곤란도에 비추어서 학생들의 능력이 어느 정도인지, 그리고 능력의 수준에 따라 학생들의 분포가 어떻게 되는지 파악할 수 있다.
Wrigiht map 분석과 함께 학년별 학생들의 응답 반응의 경향을 파악하기 위하여 먼저 각 문항별로 피험자의 학년과 선택지 수준별로 응답 빈도에 대한 교차분석을 실시하였고, 그 결과를 이용하여 학년 에 따른 피험자들의 수준별 분포를 분석하였다. 또한, 학년별 각 집단 간 평균 차이를 비교하기 위하여 독립표본 T-검증을 수행하였다. 이 결과에 덧붙여 Rasch 모델 분석 중에서 Differential Item Function (이하 DIF) 결과를 추가로 분석하였다. DIF는 검사 문항들이 피험자 집단의 특성에 따라 각각 다르게 반응하는 정도를 표현하는 값이므로, 피험자 집단의 특성을 학년으로 설정하고 문항 반응의 결과를 문항
곤란도로 설정하여 DIF 측정값이 학년이 다른 피험자 집단에게 서로 어떻게 측정되는지 파악하였다.
Ⅲ. 연구 결과 및 논의
이 연구에서는 구인 모델링 방식의 각 단계를 초등학교 3학년∼중 학교 3학년 학생들에게 적용하였고, 5개월이라는 짧은 연구 기간을 감안하여 7개 학년 학생들을 대상으로 하는 횡단적 조사 연구를 1회 에 걸쳐 수행하였다. 학습발달과정은 종단적인 추적 연구를 통해 학 생들의 학습이 발달하는 경로를 추적하고 기술하는 것이 이상적이지 만, 학생들은 동일한 단원을 매년 반복해서 학습하지 않기 때문에 장기적인 종단적 추적 연구가 현실적으로 쉽지는 않다. 그러나 다양 한 인지 능력을 가진 여러 학년의 학생들에게 동일한 내용의 평가 시스템을 적용하여 그 결과를 횡단적으로 비교하면 학생들의 학습 능력 과 평가 성취 정도를 비교하여 학습의 발달과정을 규명할 수 있다.
1. Rasch 모델 측정 및 Wright map 분석
이 연구의 평가 결과를 바탕으로 도출된 Wright map을 Figure 2에 제시하였다. 그림에서 제일 왼쪽의 MEASURE 아래 숫자들은 로지트 값을 나타낸 것으로, 위쪽으로 갈수록 학생들의 능력이 높은 것을 의미한다. 이 연구 결과에서 학생 능력의 로지트 값 분포는 대략 –5∼
+4 에 걸쳐 있음을 알 수 있다. 가운데 세로선을 중심으로 왼쪽의
# 표시는 각 로지트 값에 해당하는 학생 수를 나타낸 것으로 ‘#’ 하나 가 44명을 의미하고, ‘.’은 1∼43명을 구분 없이 표시한 것이다. 따라 서 정확한 숫자는 아니지만, 그 로지트 값에 해당하는 능력을 가진 학생들의 분포를 대략적으로 알려준다. 세로선 오른쪽은 각 문항별 선택지들의 곤란도를 로지트 값에 맞추어 표시한 것이다. 위로 갈수 록 높은 곤란도, 아래로 갈수록 낮은 곤란도를 가진 문항을 의미한다.
문항 번호는 Table 3의 것과 동일하며, 각 문항 번호 옆의 .1, .2, .3, 과 .4는 각각 선택지의 수준을 나타낸다. 즉 11Ess. 4는 11번 지구과학 영역 문항의 수준 4 선택지의 곤란도에 해당하는 로지트 값의 위치를 표시한 것이다. 문항반응이론에서 문항의 곤란도는 피험자가 그 문항
학교급 지역 학교 학급 분석 대상 인원 학교급 학년 학급 분석 대상 인원
초등
강원 1 8 201
초등
3 16 333
서울경기 2 16 282
4 16 351
충청 2 16 298
5 16 342
전라 1 8 196
경상 1 8 207
6 16 362
제주 1 8 204
소계 64 1,388
소계 8 64 1,388
중등
강원 1 6 121
중등
7 14 385
서울경기 2 12 283
8 14 339
충청 2 12 213
전라 1 6 233 9 14 294
경상 1 6 168
소계 42 1,018
소계 7 42 1,018
계 15 106 2,406 계 106 2,406
Table 4. The examinee populations of this study: Districts and grades
을 해결하여 해당 점수를 받을 수 있는 확률이 50%가 될 때의 로지트 값을 곤란도로 결정한다. 즉, 11Ess. 4 의 문항 곤란도 로지트 값보다 위쪽에 표시된 학생들은 이 문항의 수준 4 선택지를 선택하여 4점을 받을 확률이 50% 이상이며, 그 아래쪽에 표시된 학생들은 해당하는 점수를 받을 확률이 50% 미만인 것이다. 세로선 왼쪽에 표시된 “M”
은 학생들의 능력 값에 대한 평균을 표시한 것으로 그 값은 1.17 이다.
즉, 이 연구에 참여한 학생들의 능력 분포는 대체적으로 정규분포에 가깝지만 최빈값은 평균값보다 다소 낮음을 알 수 있다. 오른편의 문항 곤란도 평균(M)은 Rasch 모델에서 자동으로 0 에 맞추어져 있 다. 평균만 비교하면 문항 곤란도에 비해 학생들의 능력이 더 높다고 할 수 있다. 그러나 선택지 2,3,4에 비해 선택지 1의 곤란도가 매우 낮은 값을 보이므로 선택지 1을 제외한다면 전반적으로 학생들의 능 력에 비해 문항 곤란도는 적절하다고 할 수 있다. 이것은 반대로 각 문항들의 선택지 1(수준 1)이 너무 낮은 수준의 내용으로 선정되었음 을 의미한다고 볼 수 있다.
전체적으로 수준 1, 수준 2, 수준 3, 및 수준 4가 뚜렷이 구분되는 것으로 보아 학생들의 에너지에 대한 이해가 “자연현상이 에너지와 관련됨을 인식 → 에너지의 이동과 전달을 인식 → 에너지가 다른 형태로 전환 및 변환됨을 인식 → 에너지의 보존을 인식” 하는 순서로 발달한다는 구인구성도의 가설적 경로가 타당했다고 할 수 있다. 이 러한 결과는 구인구성도에 근거하여 개발된 평가 문항들이 에너지에 대한 학생들의 발달 경로를 밝히려는 목적에 적절하게 부합하였음을 말해 준다. 그러나 수준 1을 나타내는 선택지들의 곤란도가 상대적으 로 많이 낮으므로, 에너지를 단순히 인식하는 것은 학습 발달의 하위 정착점으로서 적절하지 않음을 알 수 있다. 이러한 결과는 각 영역별 문항의 응답 결과 분석에서 본 바와 같이, 문항에서 제시한 자연 현상 의 에너지와 관련성 여부를 인식하는 것보다는 2Ess 또는 11Ess 문항 의 수준 1과 같이 그 현상과 관련된 에너지의 종류나 특징을 인식하는 것을 에너지 이해의 하위 정착점으로서 더 타당할 수 있음을 의미한다.
이 연구에서는 물리학, 화학, 생명과학 및 지구과학 영역별로 검사 문항을 구성하였으므로, 각 문항들 간의 곤란도를 비교하면 기초공통 개념으로서 에너지를 지도할 때 각 주제별로 어느 것을 먼저 제시하 고 어느 것을 나중에 제시할 것인지에 대한 경험적 근거를 확보할 수 있다. 에너지의 이동과 전달을 다룬 수준 2에 대한 각 문항들 간의 곤란도를 비교해 보면, 7Chem - 2Ess - 5Phy - 4Chem - 1Bio - 9Bio - 3Phy - 11Ess 순서로 점차 어려워지는 응답 결과를 보였다. 즉, 3∼9 학년 학생들에게 용해 현상에서 에너지의 전달이 가장 쉬운 문항이었 고, 태양 에너지의 전달 - 낙하물체의 에너지 전달 - 가열 장치에서 유리병으로 열에너지의 전달 - 사물에서 생명체로 열에너지의 전달 – 먹이사슬에서 상위 단계로 에너지 전달 - 전지에서 전구로 전기 에너지 전달 순으로 점차 어려운 문항이었고, 물 순환 과정에서 물이 증발할 때 물에서 수증기로 에너지 전달이 가장 어려운 문항이었다. 에너지의 전환을 다룬 수준 3에 대한 각 문항들 간의 곤란도는 7Chem - 5Phy - 2Ess - 9Bio - 4Chem - 3Phy - 1Bio - 11Ess 순서로 점차 로지트 값이 높아지는 것을 보였다. 즉, 수준 2와 마찬가지로 용해 반응과 관련되어 용액의 에너지가 열에너지로 전환되는 상황을 가장 쉽게 이해하였고, 그 위로 낙하 물체의 에너지가 운동 에너지로
전환 - 태양 에너지가 지구의 열에너지로 전환 - 햇빛 에너지가 다른 종류의 에너지로 전환 - 수증기의 에너지가 풍선의 탄성 에너지로 전환 - 전지의 에너지가 전구의 빛에너지로 전환 - 생물이 움직일 때 내부 에너지가 운동 에너지로 전환 - 구름의 에너지가 빗방울의 운동에너지로 전환 으로 이어지는 순서로 곤란도가 높아졌다. 에너지 의 보존 및 평형을 다룬 수준 4에 대한 각 문항들 간의 곤란도 순서는 7Chem - 2Ess - 9Bio - 5Phy - 4Chem - 3Phy - 1Bio - 11Ess로 나타났다. 즉, 용해 과정 동안에 닫힌 계로서 실험실 내부의 에너지 총량이 변하지 않음을 이해하는 것이 가장 낮은 곤란도를 보였으며, 태양과 지구 사이의 에너지 복사 평형 - 먹이사슬의 상위 단계로 갈수 록 에너지 양 감소 - 물체의 낙하 운동에서 역학적 에너지의 총량 보존 - 닫힌 계에서 물이 끓는 동안 에너지 총량의 보존 - 전기회로에 서 에너지 총량의 보존 - 사육 상자 내에서 생물의 움직임 전후의 에너지 보존의 순서로 곤란도가 높아졌다. 이 연구에서 학생들에게 가장 어렵게 인식된 것은 물의 순환 과정에서 전체 에너지양이 보존 된다는 것이었다.
수준 2, 수준 3, 수준 4에 대한 선택지들의 곤란도 순서를 비교해 보면, 학생들은 용해 현상과 관련된 에너지에 대하여 가장 쉽게 이해 하였고, 물의 순환 과정에 대한 에너지를 이해하는 것을 가장 어려워 하였다. 그러나 나머지 상황에서 에너지 이해의 곤란도는 수준에 따 라 서로 다른 순서를 보였다. 이와 같은 결과는 학습발달과정의 다른 연구에서도 발달 경로의 중간 단계를 명확하게 기술하기 어려운 messy middle이라고 한 것과 같은 맥락에서 볼 수 있다(Briggs &
Alonzo, 2012). 그러나 각 영역별 문항들끼리 비교하면 각 상황에 대한 에너지 이해의 과제 곤란도를 구분할 수 있다. 학생들은 물리학 영역에서 전기 에너지(3Phy)보다 역학적 에너지(5Phy)를 쉽게 인식 하였으며, 화학 영역에서 물질의 상태 변화와 관련된 에너지(4Chem) 보다 용해 현상의 에너지(7Chem)를 쉽게 인식하였다. 생명과학 영역 에서 에너지 전달 과정은 생명활동의 에너지(1Bio)와 먹이사슬의 에 너지(9Bio)의 곤란도 차이가 적었지만, 에너지 전환 및 에너지 보존과 에너지 피라미드에 대한 이해는 생명활동의 에너지보다 먹이사슬의 에너지를 더 쉽게 인식하였다. 지구과학 영역에서는 세 수준에서 모 두 태양과 지구 사이의 에너지 복사 평형에 대한 이해보다 물의 순환 과정에 서 에너지 이해를 더 어려워하였다.
2. 학년별 응답 반응의 경향 분석
각 문항에 대한 학생들의 응답 수준이 학년별로 어떻게 분포하는지 를 먼저 문항의 내용 영역별로 기술하였다. 그리고 학년에 따라 문항의 곤란도가 차이 나는 경향을 DIF 분석을 통해 종합적으로 기술하였다.
가. 물리학 영역 문항에 대한 응답 분석 결과
물리학 영역의 두 문항 중 3Phy 문항은 전기 회로에서 전류의 흐름 과 에너지의 관계를 평가하는 문항으로서, 이 문항에 포함된 선택지 들의 수준 구분은 다음과 같다. 각 선택지의 수준 구분은 구인구성도 에 맞추어 구성하였다.
Figure 2. Wright map from Rasch analysis of the outcomes of this study
∙ 수준 1: 전구에 불이 켜지는 것은 에너지와 관계가 있다.
∙ 수준 2: 전구에 불이 켜지는 것은 전지의 에너지가 전구로 전달되 기 때문이다.
∙ 수준 3: 전구에 불이 켜지는 것은 전지의 에너지가 빛에너지로 전환된 것이다.
∙ 수준 4: 회로에서 나오는 빛에너지, 열에너지 등의 에너지를 모두 합하면 전지에서 나온 에너지와 같다.
5Phy 문항은 나무에서 떨어지는 사과를 손으로 잡았을 때의 상황 을 가정하여 그 때 작용한 에너지 현상과 위치 에너지, 운동 에너지의 전환 및 보존 과정을 평가하는 문항으로서, 이 문항에 포함된 선택지 들의 수준 구분은 다음과 같다.
∙ 수준 1: 나무에 달려있던 사과는 떨어지면서 에너지가 생겼다.
∙ 수준 2: 떨어지는 사과의 에너지가 손으로 전달되었다.
∙ 수준 3: 나무에 달려있던 사과의 에너지는 대부분 운동에너지로 바뀌었다.
∙ 수준 4: 사과의 에너지는 사과가 떨어지면서 여러 가지 에너지로 바뀌지만 전체 에너지의 양은 변하지 않는다.
두 문항에 대한 기술 통계 결과를 Figure 3∼Figure 6에 제시하였다.
3Phy 문항에 대한 응답 결과를 보면, Figure 3에서 학년이 높아짐 에 따라 수준별 분포 학생의 빈도 변화가 일관성 있게 나타나지는 않았다. 단지 수준 3의 분포가 6학년부터 9학년까지 미약하게나마
점진적인 증가를 보여줄 뿐이다. 수준별 배점을 반영하여 학년별로 평균 점수의 변화를 보면(Figure 5), 초등학교 3학년의 이해 수준이 4, 5, 6학년에 이르기까지 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 그러나 중학교 7∼9학년의 경우 학년에 따라 평균 점수가 소폭 상승하였다.
초등학생(M = 2.19, SD = 0.99)에 비해 중학생(M = 2.46, SD = 0.87) 의 평균 차이는 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다(t = -7.181, p = .000). 이러한 결과는 응답한 초등학생들과 중학생들이 대부분 전구에 불이 켜지는 것은 에너지와 관계가 있으며, 전지의 전기 에너 지가 전구로 전달되는 것은 충분히 이해할 수 있음을 보여준다. 반면 에 이 현상이 전지의 전기 에너지가 빛에너지로 전환된 것임을 이해 하는 학생들은 중학교 8∼9학년이 되어서야 비로소 증가하며, 전기 회로에서 에너지 보존의 개념을 이해하는 것은 초등학생은 물론 중학 생들에게도 쉽게 이해되기 어려운 개념임을 말해 준다.
5Phy 문항에 대한 응답 결과를 보면, Figure 4에서 학년이 높아짐 에 따라 수준 3의 선택지에 대한 응답 빈도는 점차 증가한 반면, 수준 2의 선택지에 대한 응답 빈도는 3∼5학년에서 약간 증가하다가 점차 적으로 감소하는 양상을 보였다. 수준 1과 수준 4의 선택지에 대한 응답 빈도는 학년별로 그 분포가 뚜렷한 경향을 보이지 않았다.
Figure 4에서 특이한 점은 초등학교 3학년과 4학년에서 수준 4의 응답 비율이 9학년과 비슷한 것이다. 이는 표면적으로는 초등학교 저학년 학생들에게 역학적 에너지 보존의 개념을 이해할 수 있는 능력이 있 다고 해석될 수도 있다. 그러나 초등학교 3,4학년 학생들의 수준 3에 대한 분포가 매우 작은 것을 고려하면, 이 학생들이 역학적 에너지 Figure 3. Frequency of responses to each option of 3Phy Figure 4. Frequency of responses to each option of 5Phy
Figure 5. Variation in mean score for item 3Phy according to grades
Figure 6. Variation in mean score for item 5Phy according to grades
보존에 대한 이해를 가지고 있다기보다는 이 장면에서 에너지의 종류 나 양 자체에 대한 이해가 충분하지 않은 상태에서 에너지가 변화 없음을 선택했던 것으로 이해할 수 있다. 6∼9학년 학생들의 경우 운동 에너지로 전환되었음을 나타낸 수준 3의 분포가 비교적 증가하 면서 이와 함께 수준 4의 분포가 증가하여 이 시기 학생들 중에 역학 적 에너지에 대한 이해와 에너지 보존의 개념이 어느 정도 형성된 것으로 해석할 수 있다. 이 문항에 대한 평균 점수의 학년별 변화 양상을 보면, 4학년에서 특이하게 다소 높은 점수를 보이지만 대체로 3∼6학년의 평균 점수가 낮았다가 7∼9학년으로 갈수록 점차 증가하 는 모습을 보인다(Figure 6). 또한 초등학생(3∼6학년)과 중학생(7∼9 학년)을 구분하여 학교급별 차이를 보아도 초등학생(M=2.37, SD=1.15)과 중학생(M=2.49, SD=1.13)의 이해 수준이 통계적으로 유 의미하게 차이가 있음을 알 수 있다(t = -2.494, p = .013). 초등학생과 중학생들 중에 20% 이상의 학생들이 수준 1에 머물러 있는 것은 위치 에너지에 대한 이해가 충분하지 않음을 말해 준다. 즉, 나무에 걸려 있던 사과는 이미 위치 에너지를 가지고 있음에도 불구하고 학생들은 위치 에너지에 대한 이해보다는 사과가 떨어지는 운동을 시작하는 과정에서 에너지가 관련되어 있다고 생각하고 있음을 알 수 있다.
또한, 수준 3에 해당하는 학생들의 분포가 많지 않음을 생각한다면, 학생들은 에너지가 관련되어 있지만, 그 에너지가 운동 에너지인지 위치 에너지인지를 명확히 구분하지 못함을 알 수 있다. 수준 2에 해당하는 학생들의 응답 비율 또한 낮지 않았던 것 역시 사과가 가진 에너지가 손으로 전달된 것만을 인식할 뿐, 그 에너지의 종류나 현상 을 역학적 에너지의 관점에서 파악하는 수준은 도달하지 못했다고 할 수 있다.
나. 화학 영역 문항에 대한 응답 분석 결과
화학 영역의 두 문항 중 4Chem 문항은 닫힌 방 안에서 물이 들어 있는 유리병 입구에 풍선을 씌운 후 유리병을 가열하는 장면을 보여 준 후 물질의 상태 변화와 관련된 에너지에 대한 이해를 평가하는 문항이다. 이 문항의 선택지들이 나타내는 에너지 이해 수준은 다음 과 같다.
∙ 수준 1: 유리병 안의 물이 끓는 것은 에너지와 관련이 있다.
∙ 수준 2: 물이 끓을 때 가열 장치(또는 열판)에서 물로 에너지가 이동한다.
∙ 수준 3: 수증기의 에너지가 풍선의 탄성 에너지로 바뀌어서 유리 병 입구의 풍선이 커진다.
∙ 수준 4: 물이 끓고 풍선이 커지는 동안 방 안의 에너지 전체 양은 같다.
7Chem 문항은 닫힌 실험실 안에서 뜨거운 물에 아세트산나트륨을 녹여서 용액을 식힌 후 접시 위에 그 용액을 천천히 부었을 때 아세트 산나트륨의 결정이 차곡차곡 쌓여서 결정탑을 만드는 장면을 보여주 고, 이 현상과 관련된 에너지에 대한 이해를 평가하는 문항이다. 이 문항의 선택지들이 나타내는 에너지 이해 수준은 다음과 같다.
∙ 수준 1: 접시에 아세트산나트륨의 결정탐이 쌓이는 것은 에너지 와 관련이 있다.
∙ 수준 2: 결정탑에 손을 대면 손이 따뜻해지는 것은 결정에서 손으
로 에너지가 전달된 것이다.
∙ 수준 3: 결정이 생길 때 아세트산나트륨 용액이 가진 에너지 중 일부가 열로 바뀐다.
∙ 수준 4: 결정탑이 만들어지는 동안 실험실 안의 에너지 전체 양은 변하지 않는다.
두 문항에 대한 기술 통계 결과를 Figure 7∼Figure 10에 제시하였다.
4Chem 문항에 대한 응답 결과를 보면, Figure 7에서 학년이 높아짐 에 따라 수준 3에 대한 응답 빈도가 낮아지고, 수준 4에 대한 응답 빈도는 아주 미약하게 증가함을 보여준다. 특이하게 수준 1과 수준 2의 응답 빈도가 학년이 높아지면서 함께 증가하는 경향이 있었다.
학년별로 평균 점수의 차이는 Figure 9에 제시된 바와 같이 초등학교 3∼5학년이 그 윗 학년들에 비해 상대적으로 약간 높은 점수를 보였 으나, 그 차이가 크지는 않았다. 그러나 초등학생과 중학생을 두 집단 으로 구분하여 비교하면 초등학생(M=2.42, SD=0.91)이 중학생 (M=2.25, SD=0.98)보다 통계적으로 유의미한 차이로 평균이 높게 나타났다(t= 4.310, p = .000). 이러한 결과는 구인구성도에서 제안했 던 것과는 다소 다른 양상을 보여준다. 즉, 초등학교 3∼5학년에 비해 초등학교 6학년과 중학생들은 이 문제의 상황에서 에너지의 전환에 대한 이해가 낮아지고, 에너지의 관련성 및 에너지 전달에 대한 이해 가 더 강화된 것으로 해석될 여지가 있다. 그러나 초등학생들이 자연 현상을 직관적으로 이해하는 경향이 있다는 관점에서 다소 다른 해석 도 가능하다. 즉, 수준 3의 선택지는 풍선이 부풀어 오르는 현상을 에너지라는 표현을 사용하여 설명한 것인데, 이는 주어진 상황에서 고무풍선의 크기 변화에 초점을 두고 현상을 이해하려는 경향이 강한 초등학교 저학년 학생들이 그 현상에 관한 설명에 주목하여 에너지의 전환 과정을 직관적으로도 이해했을 가능성이 있다. 한편, 물질의 상 태 변화 과정에서의 에너지 보존 개념(수준 4)에 대한 분포가 전 학년 에 걸쳐서 낮게 나타난 것으로 보아, 초등학생과 중학생이 그 개념을 이해하는 것은 매우 어려운 일임을 알 수 있다. 이는 에너지 보존 개념에 에너지 전달(수준 2)과 전환(수준 3) 개념이 내포되었을 뿐만 아니라, 이 문항의 경우에는 고립계에서 계와 주위의 에너지 관계에 대한 이해가 요구되기 때문에 나타난 결과로 볼 수 있다.
7Chem 문항의 각 수준별 선택지에 대한 응답 결과는 Figure 8와 같이 학년에 따라 그 빈도의 분포가 큰 차이가 없었다. 이와 같은 특징은 Figure 10에서 보는 바와 같이 초등학생(M=2.51, SD=0.89)과 중학생(M=2.50, SD=0.86)의 이 문항에 대한 평균에 통계적으로 유의 미한 차이가 없는 것과 같은 맥락으로 볼 수 있다(t= 0.200, p= .840).
즉, 대부분의 학생들은 아세트산나트륨 결정에서 손으로 에너지가 전달된 것과, 결정이 생기는 과정에서 열에너지로 전환되는 것을 이 해했음을 알 수 있다. 이러한 결과는 에너지의 여러 형태 중에서 열에 너지에 대한 학생들의 이해가 전반적으로 높으며, 열에너지의 전달 및 열에너지로 전환되는 과정에 대한 이해는 초등학교 수준에서도 충분히 발달 가능함을 말해준다. 반면에, 이 문항에서 제시한 현상이 비교적 구체적인 상황 맥락이었음에도 불구하고 닫힌 계에서 열에너 지를 포함한 에너지 총량의 보존에 대한 이해는 낮은 것으로 보아 에너지 보존 개념은 초등학생은 물론 중학생들에게도 여전히 어려운 것임을 보여준다.
다. 생명과학 영역 문항에 대한 응답 분석 결과
생명과학 영역의 두 문항 중 1Bio 문항은 사육 상자 안에 있는 도마뱀이 따뜻한 돌 위에 엎드려 몸을 데운 후 움직이는 현상을 제시 하고, 도마뱀의 생명 활동에 출입하는 에너지에 대한 이해를 평가하 는 문항이다. 이 문항의 선택지들이 나타내는 에너지 이해 수준은 다음과 같다.
∙ 수준 1: 몸이 따뜻해지기 전에 도마뱀은 에너지가 없었다.
∙ 수준 2: 따뜻한 돌에서 도마뱀으로 에너지가 전달되었다.
∙ 수준 3: 도마뱀이 움직일 때 도마뱀의 에너지 중 일부가 운동 에너지로 바뀐다.
∙ 수준 4: 도마뱀이 움직이기 전과 후에 사육 상자 속의 에너지 전체 양은 같다.
9Bio 문항은 햇빛, 여우, 토끼, 풀, 나무, 미생물, 물로 구성된 숲 속 생태계에서 형성된 먹이 사슬에서 에너지에 대한 이해를 평가하는 문항이다. 이 문항의 선택지들이 나타내는 에너지 이해 수준은 다음 과 같다.
∙ 수준 1: 생물의 먹이사슬은 에너지와 관련이 있다.
∙ 수준 2: 여우가 토끼를 먹을 때 토끼의 에너지가 여우에게 전달된다.
∙ 수준 3: 식물은 햇빛의 에너지를 다른 종류의 에너지로 바꿔준다.
∙ 수준 4: 먹이 사슬의 윗 단계로 갈수록 그 생물이 가진 에너지의 양은 줄어든다.
두 문항에 대한 기술 통계 결과를 Figure 11∼Figure 14에 제시하였다.
1Bio 문항에 대한 학생들의 응답 결과를 보면, 학년이 높아짐에 따라 도마뱀에게 에너지가 없었다는 인식(수준 1)에 해당하는 에너지 인식은 감소하고, 돌에서 도마뱀으로 열에너지가 전달되는 것을 이해 하는 수준 2의 빈도는 다소 증가하는 것을 볼 수 있다(Figure 11).
사육 상자 안의 에너지 총량 보존에 대한 이해(수준 4)는 전체 학년에 걸쳐 그 빈도가 낮았으며, 도마뱀의 에너지가 운동 에너지로 전환됨 을 이해하는 수준 3의 응답 빈도는 초등학교 3∼6학년까지 점차 증가 하지만, 7학년에서 다시 낮아졌다가 8∼9학년에서 점차 증가하는데 학년에 따른 뚜렷한 변화 경향으로 결정하기는 어렵다. 학년별로 평 균 점수의 변화 양상을 보면(Figure 13), 학년이 높아짐에 따라 평균 점수가 미약하게나마 증가함을 볼 수 있다. 초등학생과 중학생 집단 으로 나누어 평균 점수의 차이를 비교한 결과, 초등학생(M=2.29, SD=0.84)보다 중학생(M=2.39, SD=0.72)의 평균이 통계적으로 유의 미한 차이로 높게 나타났다(t= -3.102, p=.002). 이러한 결과는 현행 과학과 교육과정에서 동물과 식물의 생태 및 그와 관련된 에너지를 다루는 관점과 관련이 있다고 볼 수 있다. 즉, 초등학교 4학년에서 동물의 한살이와 동물의 생활을 배우는데, 이 과정에서 학생들은 생 물이 에너지를 어디서 얻게 되고, 그것이 어디로 이동하는지를 주로 접하게 된다. 특히 에너지를 ‘영양분’ 또는 ‘먹이’의 관점에서 접하는 경우가 많은데, 열 전도 개념 학습과 연계하여 이 문항의 상황에서 에너지의 전달에 대한 인식이 강해진 것으로 해석할 수 있다. 또한, 도마뱀이 움직이면서 내부에 가진 에너지 또는 영양분이 소모되면서 Figure 7. Frequency of responses to each option of 4Chem Figure 8. Frequency of responses to each option of 7Chem
Figure 9. Variation in mean score for item 4Chem according to grades
Figure 10. Variation in mean score for item 7Chem according to grades
운동 에너지로 전환된다는 것도 동물의 생활과 관련하여 비교적 자연 스럽게 인식할 수 있었다고 할 수 있다. 반면에 모든 학년에서 에너지 보존에 대한 이해의 빈도가 낮았던 것은 생물의 생태 학습이 닫힌 계(system)에 해당하는 조건을 전제로 진행되지 않기 때문에 이 문항 과 같이 사육 상자라는 닫힌 계를 전제로 하는 문제 상황은 학생들에 게 에너지의 보존에 대한 이해를 이끌어 내기 쉽지 않았을 것으로 해석할 수 있다.
9Bio 문항에 대한 학생들의 응답 결과에서 가장 특이한 점은 학년 이 높아짐에 따라 먹이사슬의 윗 단계로 가면서 에너지가 전달됨(수 준 2)을 이해하는 응답 빈도는 감소하는 반면, 식물의 광합성에 의해 빛에너지가 다른 형태의 에너지로 전환됨(수준 3)을 이해하는 응답 빈도는 두드러지게 증가한 것이다(Figure 12). 생물의 먹이사슬이 에 너지와 관련이 있다는 수준 1에 대한 인식은 학년이 높아짐에 따라 미약하게 증가하지만 뚜렷한 차이는 없었다. 그러나 다른 문항에 비 해 수준 1의 응답 빈도가 전체 학년에 걸쳐서 높게 나타난 것은 특이 한 점이다. 또한, 먹이사슬의 윗 단계로 갈수록 생물의 에너지양이 감쇄함을 이해하는 수준 4는 전체 학년에 걸쳐서 빈도 분포가 가장 낮았다. 학년별 평균 점수는 초등학교 3∼5학년에 비해 6∼9학년에서 상승하는 추세를 보였으며(Figure 14), 초등학생과 중학생 집단으로 나누어 평균을 비교한 결과, 초등학생(M=2.26, SD=0.99)보다 중학생 (M=2.35, SD=1.03)의 평균이 통계적으로 유의미한 차이로 높게 나타 났다(t= -2.335, p= .020). 이러한 결과는 1Bio 문항의 경우와 마찬가 지로 학생들이 에너지를 영양분이나 먹이의 관점에서 이해하는 경향
이 있음을 보여준다. 즉, 여우가 토끼를 먹는 먹이사슬에서 에너지가 관련되어 있음을 이해하지만, 먹이를 구성하는 물질에 저장된 에너지 를 전환하여 토끼로부터 여우에게 에너지가 전달됨을 이해하는 것은 직관적으로 이해되기 쉽지 않았다고 할 수 있다. 그래서 다른 문항과 달리 수준 1에 대한 응답 빈도가 전체 학년에 걸쳐서 비교적 높았던 것에 비해 수준 2의 응답 빈도가 낮았다고 할 수 있다. 한편, 광합성에 대한 정보를 얻거나 학습이 진행되는 초등학교 고학년 및 중학교에서 수준 3이 증가한 것도 같은 맥락에서 먹이사슬과 생태계의 측면에서 이해될 수 있다. 즉, 식물이 햇빛을 이용하여 잎의 광합성 작용에 의해 영양분을 만들어 낸다는 이해가 상대적으로 수준 3에 해당하는 응답 빈도를 높였다고 할 수 있다. 에너지 보존에 대한 이해가 전체 학년에 걸쳐서 낮은 응답 빈도를 보인 것은 생태계 내에서 먹이사슬의 상위 단계로 갈수록 생물체가 가진 에너지 양이 감소한다는 에너지 피라미 드를 구체적으로 학습하는 것은 고등학교 교육과정에서야 비로소 학 습하게 되는 것과 관련이 있을 수 있다. 즉, 먹이 피라미드만을 학습했 던 초등학교와 중학교 학생들에게는 다소 생소하고 어려운 개념이었 기 때문에 수준 4에 대한 응답 빈도가 낮았다고 할 수 있다.
라. 지구과학 영역의 문항에 대한 응답 분석 결과
지구과학 영역의 두 문항 중 2Ess 문항은 지구가 태양 복사 에너지 를 받는 상황을 모래 상자가 전등 불빛의 에너지를 받는 상황과 비유 하여 설명하는 맥락에서 지구와 태양 간의 에너지 복사평형과 관련된 Figure 11. Frequency of responses to each option of 1Bio Figure 12. Frequency of responses to each option of 9Bio
Figure 13. Variation in mean score for item 1Bio according to grades
Figure 14. Variation in mean score for item 9Bio according to grades
