http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.66.705
Comparison of Korean and US Achievement Expectations for Physics in School Education
Joon-Hyeong Jeong · Nam-Hwa Kang
∗Department of Physics Education, Korea National University of Education, Cheongju 28173, Korea (Received 1 April 2016 : revised 27 April 2016 : accepted 27 April 2016)
The purpose of this study was to compare Achievement Standards (ASDs) in Korean 2015 Re- vised National Curriculum to Performance Expectations (PEs) in the US Next Generation Science Standards (NGSS), with a focus on physics. Each ASD statement consists of science content and skills, just as each PE statement consists of core science ideas and practices. We compared the physics contents and the inquiry skills of the ASDs and the PEs. The findings showed that electric circuits and concepts in modern physics were emphasized more in the ASDs while heat and energy was more emphasized the in PEs. Some differences in the levels of expectation for some content knowledge were noted. In terms of inquiry skills and practices, the ASDs required no ‘Posing scien- tific questions’ whereas more than 50% of the ASD statements included ‘Drawing and evaluation of conclusions’ . On the other hand, the PEs included every practice (inquiry skill). In particular, ASD’ s lack of emphasis on the kinds of inquiry skills that require student-led inquiry suggests that complementary interventions are needed in the development and implementation of textbook or curricular materials.
PACS numbers: 01.40.G-
Keywords: Next-generation science standards (NGSS), Performance expectations, Curriculum, Achievement standards
우리나라 2015 과학 교육과정 성취기준과 미국 차세대 과학표준 (NGSS) 수행기대의 물리 영역 비교 분석
정준형 · 강남화
∗한국교원대학교 물리교육과, 청주 28173, 대한민국
(2016년 4월 1일 받음, 2016년 4월 27일 수정본 받음, 2016년 4월 27일 게재 확정)
이 연구는 우리나라 2015 과학교육과정의 물리 영역 성취기준과 미국 차세대 과학표준 (NGSS) 의 수행기대를 비교하여 우리나라 교육과정의 현 주소를 확인하고 추후 교육과정 실행 및 정책에 시사점을 찾고자 수행 되었다. 우리나라 과학 교육과정의 성취기준은 일반화된 지식과 기능으로 서술되어 있으며, NGSS의 수행기대 역시 실천과 교과 핵심 아이디어의 결합으로 이루어져 있으므로 과학 내용과 탐구 기능으로 구분하여 각각 비교 분석하였다. 연구 결과 우리나라 교육과정은 NGSS에 비해 전기회로와 현대물리 내용을 강조하고 NGSS는 열과 에너지 영역을 더 강조하는 것으로 드러났으며 일부 영역 개념 요소에서 수준의 차이를 보였다. 탐구 기능 측면에서는 우리나라 성취기준에서 ‘결론 도출 및 평가’ 가 전체의 50%이상인 반면 NGSS의 수행기대는 모든 기능을 고르게 강조하였다. 특히 학생 주도형 탐구
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요소인 ‘과학적 문제 제기’ , ‘탐구 설계 및 수행’ , ‘모델의 개발 및 사용’ 이 우리나라 성취기준에서 부족한 것으로 드러나 교육과정 실행차원에서 보완이 필요함이 나타났다.
PACS numbers: 01.40.G-
Keywords: 차세대과학표준 (NGSS), 수행기대, 교육과정, 성취기준
I. 서 론
현대의 과학은 그 양이 방대할 뿐 아니라 내용 역시 급변 하고 있다. 구전이나 책으로 느리게 전달되던 정보 전달의 속도는 인터넷을 비롯한 정보통신 기술의 발달로 상상할 수 없을 정도의 속도로 빨라지고, 일방적 정보 전달의 방식이 양방향 소통의 방식으로 바뀌면서 학교 교육의 형태, 목적, 내용 등에서 상당한 변화가 요청되고 있다. 특히 이러한 변 화에 빠르게 적응하고 주도할 수 있는 일반 시민 및 인재의 양성이 시대적으로 요구됨에 따라 미국, 영국, 싱가포르 등 세계 여러 나라에서는 이를 반영하여 교육과정을 개정하고 있다. 특히 미국의 경우 기존 과학 교육의 내용이 체계적 으로 조직되지 못하고 단편적 지식만을 나열함으로써 실제 삶을 살아가는데 과학이 유용하게 사용되지 못함을 지적 하며 이를 개선하고자 차세대 과학표준 (Next Generation Science Standards, NGSS) 을 발표하였다 [1]. NGSS 는 학생들이 향후 과학 관련 분야에 종사하지 않더라도 학교 교육을 통해 현대 사회를 살아가는 데 필요한 과학적 능력을 가질 수 있도록 과학을 종합적으로 이해하고 문제 해결력을 향상시키는 것에 초점을 두고 있다.
NGSS는 이러한 목표를 달성하기 위해 과학 교육과정을 3 가지 차원 즉, 핵심 개념 (Core idea), 관통 개념 (Crosscut- ting Concept), 실천 (Practice) 로 설정하고 이를 결합한
‘수행기대 (Performance Expectation, PE)’ 를 중심으로 서술하고 있다. 수행기대는 ‘학생이 무엇을 알아야 하고 할 수 있어야 하는가’ 를 진술한 것으로 기존의 교육과정에 서 서로 분리되어 다루어졌거나 혹은 다루어지지 않았던 실천을 내용과 결합하여 그 역시 성취 되어야 할 요소의 하나로 제시하고 있다 [1,2]. 이를 통해 과학을 이해하고 일상생활에서도 적용할 수 있도록 하고 있다.
앞서 제시한 3가지 차원 중 실천은 NGSS에서 새로이 정의된 개념으로서 과학자들이 연구과정에서 수행하는 다 양한 활동을 포괄적으로 의미한다. NGSS에서는 기존의 과학 수행의 과정을 명명한 ‘탐구’ 라는 용어가 과용되면서 그 의미가 불분명해졌고 마치 정해진 ‘탐구 과정’ 이라는 일정한 하나의 방법이 존재한다는 생각을 심어줄 수 있다는 점을 우려하며 과학자들이 하는 다양한 활동을 실천으로 광범위하게 명명하고 재정의하여 혼동을 해결하고 명료한
∗E-mail: [email protected]
내용을 전달하고자 하였다. 또한 제한된 수의 핵심 개념을 제시하여 내용 지식의 습득뿐만 아니라 과학 실천에도 많은 시간을 할애하도록 하였다 [2–4].
우리나라 역시 최근 21세기 급변하는 사회의 요구와 해외 여러 나라의 교육과정 개정의 움직임을 반영하여 교육과정 을 개정하게 되었다. 2015 개정 과학과 교육과정에서 기존 교육과정과 차별되는 특징으로는 교육과정에서 제시하는 성취기준 진술문에 과학 내용과 기능을 결합하여 제시함으 로써 과학 교육 목표의 하나인 과학적 탐구 능력 및 소양 함양을 위한 수업이 용이하도록 시도하였다는 것이다. 이는 과학적 탐구 능력 및 소양 함양에 관한 강조를 7차 교육과 정부터 계속하였으나 여전히 지식 위주의 교육이 현장에서 강조된다는 문제가 제기됨에 따라 이를 개선하고자 한 것 이다 [5,6].
성취기준 (Achievement Standards, ASD) 은 7차 교육 과정에 처음 등장한 이후로 계속하여 우리나라의 교육과 정 내용을 진술하는 형식으로 사용되어 왔다. 2009 개정 교육과정에서 성취기준은 ‘교수 학습 및 평가의 실질적인 근거로서, 학생들이 학습을 통해 성취해야 할 지식, 기능, 태도의 능력과 특성을 진술한 것’ 으로 정의되었다 [7,8].
성취기준은 기존에도 기능을 학습 요소의 하나로서 주요 성취 능력으로 제시하고 있었으나 이것이 교육과정에서 제대로 구현되지 못하고 있다는 주장이 제기되어 왔다. 특 히 성취기준 문장의 서술어에 ‘안다, 이해한다’ 의 형태를 취하는 경우가 많아 과학적 탐구 능력 및 소양을 기를 수 있는 기능이 구체적으로 제시되고 있지 않다는 사실이 현장 실현이 어려운 문제의 원인 중 하나로 지적되어 왔다 [5,6, 9,10].
이를 해결하고자 2015 개정 교육과정에서는 과학 교과의 핵심 역량을 추출하고 이를 바탕으로 ‘구별할 수 있다’ , ‘설 명할 수 있다’ 와 같은 구체적인 과학 탐구 기능을 성취기준 문장에 활용하여 제시하였다 [11]. 기능은 NGSS의 실천에 대응되는 개념으로 기존 과학 교육과정에서 제시되었던 기초탐구, 통합 탐구 기능에서 벗어나 과학적 사고와 논증, 탐구와 활용 등에 초점을 두고 있다.
기능을 내용과 함께 강조하고자 한 노력과 더불어 2015 교육과정에서는 학습량 축소를 통해 교실에서 충분한 시간 을 가지고 학생들이 탐구에 참여하여 내용과 기능을 학습할 수 있도록 하였다. 교육과정 개정 취지에 따르면 기존 교
Table 1. Analytic framework for subject matter content comparison.
Field Core Concept Generalized Knowledge Learning Element
PHY1 (1) time dilation, length contraction, Space-time and Relativity of simultaneity, mass-energy equivalence
Motion Space-time PHY2 (1) accelerated coordinate system, equivalence principle, gravitational lens, black hole
ES 5/6 (7) velocity, velocity and safety
Force MS (19) constant velocity motion, free fall
and Motion of Objects PHY1 (1) acceleration, Newton’ s law of motion
Motion PHY2 (1) constant acceleration motion, parabolic
Force motion, centripetal force, uniform circular motion, movement of celestial bodies, simple pendulum ES3/4 (9) weight, balancing, spring balance
Various Forces MS (2) gravitation, mass, friction, electric force, buoyancy PHY2 (1) sum of force, net force, force equilibrium Momentum PHY1 (1) conservation of momentum, impulse
*Notations: PHY1-physics I, PHY2-physics II, ES-elementary school, MS-middle school
육과정의 80%정도로 내용 측면의 학습량을 축소함으로써 기능을 연습할 시간을 확보하였다 [11].
이와 같이 동시대의 시대적 요청에 따른 교육과정 개정에 있어서 NGSS와 2015 개정 과학 교육과정은 그 형식과 의 도가 유사하다. 특히 내용과 기능의 결합을 통한 탐구 중심 수업 유도라는 의도를 성취하기 위한 NGSS의 수행기대의 진술형태와 우리나라 교육과정의 성취기준의 진술형태가 유사하다. 따라서 이 연구에서는 형태뿐만 아니라 내용의 측면에서 유사성 및 차이점을 알아봄으로써 우리나라 교육 과정의 현 주소를 확인하고 추후 교육과정 실행 및 정책에 시사점을 찾고자 한다.
이를 위해 첫째, 2015 개정 과학 교육과정 물리영역의 성취기준과 NGSS 물리 영역 수행기대의 내용을 비교 분 석하고 둘째, 성취기준의 기능과 수행기대의 실천을 비교 분석하였다.
II. 연구 방법
1. 분석 대상
우리나라 2015 개정 과학 교육과정과 미국 NGSS의 물 리 영역을 분석 대상으로 하였다. NGSS의 경우 과학 학 제를 물리 및 화학, 생명과학, 지구 및 우주 과학의 세 개 로 나누었다. 물리 및 화학은 4 개 영역으로 제시되었고 이 중 ‘물질과 상호작용 (PS1)’ 을 제외한 ‘운동과 안정성 (PS2), ’ ‘에너지 (PS3), ’ ‘파동과 정보전달 기술에서 그 응용 (PS4)’ 영역의 수행기대가 물리 내용을 다루고 있어
이 연구의 분석 대상으로 하였다. 2015 개정 과학 교육과정 은 초등 및 중학교 과학과 통합과학의 물리 영역, 물리학 I, 물리학 II의 성취기준을 분석 대상으로 하였다. 특히 과학과 통합 과학의 경우 연구자 2인의 협의를 통해 물리영역에 해당하는 단원 및 성취기준을 선정하였다. NGSS의 경우 그 내용을 ‘모든’ 학생이 학습해야 할 것으로 지정하고 있으나 이 연구에서는 선택과목인 물리학 I, II도 포함하여 분석하였다. 이는 우리나라 교육과정의 물리 영역이 모든 학생에 대한 기대만을 나타내지는 않더라도 고등학교까지의 학교 과정에서 다루어야 할 물리 내용을 지정했다는 점에서 포함하는 의미가 있다고 보았다. 다만 비교 분석 시 일부 내용이 미국에서는 필수이지만 우리나라의 경우 그렇지 않은 부분에 대해 별도의 해석을 제시하였다.
NGSS의 경우 유치원부터 12학년까지의 수행기대가 제 시되어 있고 2015 개정 교육과정의 경우 3학년부터 12학년 까지의 성취기준이 제시되어 있어 그 학습 기간에 차이가 있다. 그러나 양국에서 모두 학교 교육을 통해 학생들이 학습할 것으로 기대하는 과학 내용을 지정하였다는 측면에 서는 그 기간에 관계없이 지정한 내용을 비교하는 데 의의 가 있으므로, 수학 기간에 관계 없이 두 나라의 교육과정 문서에서 학생들이 배우도록 지정된 내용 전체를 대상으로 하였다.
2. 분석 준거
2015 개정 과학 교육과정의 물리 영역 내용 체계와 기능 을 바탕으로 분석틀을 마련하였다. 분석틀은 교육과정에
Table 2. Framework for practice or inquiry skill comparison.
2015 revised science curriculum NGSS
Asking scientific questions Asking Questions and Defining Problems Planning and Carrying Out Investigations Planning and Carrying Out Investigations Collecting, Analyzing and Interpreting Data Analyzing and Interpreting Data
Mathematical Thinking and Using Computer Using Mathematics and Computational Thinking
Developing and Using Models Developing and Using Models
Discussion and Argument from Evidence Engaging in Argument from Evidence
Drawing Conclusions and Performing Evaluations Constructing Explanations and Designing Solutions Gathering and Communicating Information Obtaining, Evaluating, and Communicating Information
제시된 과학 교과의 물리 영역 (힘과 운동, 전기와 자기, 열과 에너지, 파동과 진동) 과 물리학 I, 물리학 II의 내용 체계를 결합하여 구성하였다. 그 예시로 Table 1에 힘과 에너지 영역의 분석틀을 제시하였다. 2015 교육과정의 내용 체계표에 제시된 내용 요소는 모든 성취기준의 학습 개념을 포함하지 않아 성취기준과 함께 제시된 학습 요소로 내용체계표의 내용 요소를 보완하였다.
기능 요소의 비교를 위해서는 개정 교육과정의 기능을 NGSS 의 실천과 일대일로 대응시켜 구성 (Table 2) 하여 분석하였다 [2,4,12]. 미국 NGSS의 경우 과학적 실천 이외 에 공학적 실천을 과학 교육 표준에 포함하고 있다. 이는 과학기술 연계의 중요성을 인식한 결과로 미국 NGSS에서 새로이 강조하는 것으로 설명하고 있다. 그러나 NGSS의 공학적 실천은 그 정의에서 과학 응용과 관련된 문제 발견 및 설계에 중심을 두는 것을 제외하고는 과학적 실천과 함께 구분 없이 사용되고 있다. 따라서 기능을 비교할 때 NGSS 에서 공학 및 과학적 실천으로 제시된 것을 모두 포함하여 비교하였다.
3. 분석 방법
성취기준과 수행기대의 내용과 기능을 앞서 제시한 분석 틀에 따라 코딩하였다. 성취기준은 내용의 경우 학습요소와 바로 연결하여 분석하였고, 내용의 범위 판단에 필요한 경우 NGSS의 수행기대 해설과 우리나라 교육과정의 성취기준 해설을 이용하였다. 기능은 NGSS의 경우 그 해설에서 명 료하게 중점이 되는 실천이 제시되었으나 우리나라의 경우 명료하게 어떤 기능이 강조되는가의 제시가 없어 문장에서 제시된 용어를 중심으로 추론하였으며 필요한 경우 교육 과정에 제시된 성취기준 해설 및 탐구활동을 참고하였다.
하나의 수행기대 또는 성취기준에 두 가지 내용 및 기능이 함께 제시되어 있는 경우는 상대적으로 중심이 된 사항으로 코딩하였고, 동등한 위상으로 제시되어 있는 경우 두 가지
모두에 해당하는 것으로 코딩하였다. 따라서 문장의 숫자에 따르면 성취기준은 106개, 수행기대는 48개이나 분석을 위 한 코딩 후 두 개 이상으로 분리하였을 때의 개수는 내용의 비교에서는 각각 116개와 54개, 기능의 비교에서는 각각 112, 48개로 산정되었다.
분석의 예시로 2015 개정 교육과정 초등학교 과학 3∼4 학년군 (9) 물체의 무게 단원 중 두 개의 성취기준을 코딩한 과정은 다음과 같다.
[4과09-01] 일상생활에서 물체의 무게를 측정 하는 예를 조사하고 무게 측정이 필요한 이유를 설명할 수 있다. (2015 교육과정, 초등학교 3∼4 학년 과학) [4과09-02] 수평 잡기 활동을 통해 물체의 무게를 비교할 수 있다. (2015 교육과정, 초등학교 3∼4학년 과학)
첫 번째 성취기준 [4과09-01] 의 경우 해당하는 학습 요소 는 물체의 무게이고 이는 내용 분석틀 (Table 1) 에서 여러 가지 힘에 해당한다. 또한 ‘일상생활에서∼예를 조사한다’
와 ‘이유를 설명할 수 있다.’ 의 기능이 동등하게 나열되어 있으므로 각각을 ‘의사소통’ 과 ‘결론도출 및 평가’ 두 가지 기능으로 코딩하였다. 의사소통은 다양한 정보를 조사하고 이를 바탕으로 소통하는 기능으로 NGSS의 ‘정보 조사 및 의사소통’ 에 해당한다. 따라서 정보 조사를 ‘의사소통’ 에 포함하여 코딩하였다. 두 번째 성취기준 [4과09-02] 의 경우 해당하는 학습 요소가 ‘수평 잡기’ 이므로 ‘여러 가지 힘’
으로 코딩하였고, ‘무게를 비교할 수 있다.’ 의 기능이 제시 되어 있으므로 ‘자료 수집, 분석 및 해석’ 으로 분류하였다.
NGSS의 수행기대 역시 동일한 방식으로 코딩하였다. 그 후, 코딩한 결과의 상호 비교를 통해 둘의 양적, 질적 비교 분석을 수행하였다. 연구자 2인이 함께 협의하여 둘의 의 견이 일치할 때까지 성취기준 및 수행기대를 분석하였고 연구자 이외에 과학 교육 박사 과정 2인, 석사 과정 2인이 함께 분석 기준과 분석 결과를 협의하였으며 협의 결과를 분석에 반영하고 다시 검토하는 반복적인 과정을 통해 분석 과정의 타당성을 수 차례에 걸쳐 검토하였다.
Fig. 1. Proportion of each content area in ASD and PE.
III. 연구 결과
1. 수행기대와 성취기준의 내용 비교
수행기대와 성취기준의 내용을 분류한 결과는 Fig. 1과 같다. 한 성취기준에 내용요소가 여러 개 포함되어 있는 경우를 구분하여 코딩하였으므로 총 개수가 116개와 54 개로 각각 늘어났다. 각국의 내용 요소의 비중을 확인하기 위해 전체 진술문의 수 (중복을 별개로 취급) 대비 해당 요소의 수를 백분율로 계산하였다. 우리나라는 전기와 자기 영역을 두드러지게 더 강조하고 있고, NGSS는 열과 에너지 영역을 두드러지게 더 강조한다는 것이 드러났다. 또한 현 대물리 영역은 두 나라 모두 많이 다루어지고 있지 않으나 특히 미국의 경우에는 단 한 개의 수행기대만이 해당되어 거의 다루어지고 있지 않다고 볼 수 있다. 이러한 강조점의 비교는 수행기대와 성취기준의 수가 수업 차시와 비례할 것이라는 가정에 바탕을 둔 것으로 우리나라의 경우 보통 성취기준 1개 당 3∼4차시 정도로 구성되나 미국의 경우 NGSS는 교육과정이 아닌 교육 표준이므로 실제 교실 실행 에 있어서의 강조 정도는 다소 차이가 있을 수 있다. 또한 각국의 학교에서 과학 교과의 수업 시수의 배당을 어떻게 하는가에 따라 실제 교육 시간에 있어서 차이가 날 수도 있다.
1) 힘과 운동
힘과 운동 영역의 분석에서 ‘역학적 에너지’ 는 열과 에 너지 영역에 포함시켜 운동 영역에서는 제외하였다. 세부 개념별 분석 결과는 Fig. 2와 같다.
우리나라와 NGSS 모두 많이 다루고 있는 내용은 물체의 운동 변화와 여러 가지 힘에 관한 내용이다. 그런데 그 접근 방식에서 차이를 보였다. 미국의 경우 저학년에서부터 힘과 운동의 관계에 초점을 두어 제시하고 있으며 K(유치원)
Fig. 2. Topic emphasis in force and motion.
Fig. 3. Progression of force and motion con- cept(Concepts in dotted boxes are for elective courses).
부터 HS(고등학교) 에 걸쳐 점차 심화되어 이어지고 있다.
가령 유치원에서 NGSS는 ‘서로 다른 힘으로 서로 다른 방 향에서 밀거나 당기는 경우 그 효과 비교하기’ 로 시작하고 있다. 이후 3학년에서 그 내용을 다시 다루는데 ‘평형 힘과 비평형 힘이 물체의 운동에 미치는 영향’ 을 다루고 있다.
이후 중학교에서 충돌하는 물체의 운동으로 뉴턴의 3법칙을 다루고 정성적으로 뉴턴의 1, 2 법칙을 다루고 있다.
우리나라의 경우 초 · 중학교 과정에서는 힘과 운동을 각 각 분리하여 제시하고 둘의 관계는 고등학교 1학년 과정인 통합과학부터 제시되고 있다. 힘과 운동 관련 개념의 학년 수준에 따른 학습 순서는 (Fig. 3) 과 같다. 3∼4학년 군에 서는 물체의 무게와 수평잡기를 하는 활동을 통해 중력에 의한 현상을 탐구하게 하고, 5∼6학년군에서는 물체의 속력 을 통해 운동을 학습하게 한다. 중학교에서는 다양한 종류 의 힘을 다루는 단원, 등속운동과 자유낙하 운동을 다루는 단원으로 구분지어 힘과 운동을 다루고 있다. 이후 통합과 학 교과서에서 자유 낙하와 수평으로 던진 운동, 운동량과 충격량을 다루고, 선택 교과인 물리학Ⅰ에서 힘과 운동이 집중적으로 다루어지고 있다. 따라서 물리학을 선택하지 않는 학생들은 힘과 운동의 관계를 연결하여 배우는 기회는 중력에 의한 사례로 제한된다.
또한 운동량에 관한 내용 역시 NGSS에서 더 강조함을 볼 수 있다. NGSS에서는 충돌 상황을 뉴턴의 운동 법칙과
Fig. 4. Topic emphasis in electricity and magnetism.
연결지어 다룬 뒤 운동량과 충격량을 집중적으로 학습하는 데 반해 우리나라의 경우 통합과학에서 최초로 운동량이 하 나의 성취기준에서 언급되고 선택과목인 물리학에 와서야 이를 상세히 다루게 된다. 따라서 우리나라보다 NGSS가 운동량과 충격량 개념을 모든 학생들이 이해할 내용으로 더 많이 강조한다고 해석할 수 있다.
우리나라 교육과정에서 ‘시공간의 상대성’ 에 관한 내용 은 다루지만 NGSS에서는 다루고 있지 않다. 이는 NGSS 가 현대물리를 거의 다루지 않는 것과 맥락을 같이 한다고 할 수 있다. 그러나 이 역시 고등학교 선택교과인 물리를 선택한 학생에만 해당되는 일이다. ‘시공간과 상대성’ 관 련 성취기준은 선택교과인 물리학에서만 나타난다. 따라서 우리나라의 모든 학생 대상 교육과정 내용만 볼 때는 우리 나라도 다루고 있지 않다고 할 수 있다.
2) 전기와 자기
전기와 자기 영역 역시 우리나라의 초등 및 중학교 과학 교과와 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ 교육과정의 내용 체계표에 제 시된 전기와 자기 영역을 바탕으로 분석하였다 (Fig. 4). 이 영역은 2015 교육과정과 NGSS 사이의 내용 상의 강조점의 차이가 가장 두드러진다. NGSS는 전기와 자기를 개별 영 역으로 다루지 않고 ‘운동과 안정성 : 힘과 상호작용 (PS2)’
영역에서 다루고 있다. 따라서 NGSS에서는 전기와 자기를 주로 힘과 장 (field) 을 통한 상호작용에 초점을 맞추어 제시 하고 있으며 전기 회로는 다루지 않고 있다. 반면 우리나라 는 전기와 자기 영역을 따로 구분하고 있고 NGSS에 비해 더 다양한 개념을 학습 요소로 제시하고, 특히 전기 회로에 대한 성취기준이 전기와 자기 영역의 약 31%를 차지하여 영역 내에서 상대적으로 중요하게 다루어지고 있다.
이러한 내용상의 특성은 두 교육과정이나 표준에서 모두 공통적으로 다루고 있는 전기력에 관한 중등 과정에서의 성취기준 예시를 보면 확인할 수 있다.
MS-PS-2-3. 전기력과 자기력에 영향을 주는 요인 을 결정할 수 있는 자료에 대해 질문하기.
(NGSS 중학교)
MS-PS2-5. 물체가 접촉하고 있지 않아도 힘이 작용할 때 두 물체 사이에 장 (field) 이 존재 한 다는 증거를 제공할 수 있는 실험을 설계하고 비교하기. (NGSS 중학교)
HS-PS2-4. 뉴턴의 중력법칙과 쿨롱의 법칙에 관한 수학적 표상을 사용하여 물체 사이의 중력 과 정전기력 을 서술하고 예측하기. (NGSS 고등학교)
[9 과 09-01] 물체가 대전되는 현상이나 정전기 유도 현상을 관찰하고 그 과정을 전기력과 원 자 모델을 이용하여 설명할 수 있다. (2015 교육과정, 중학교 과학)
[12물리Ⅰ02-01] 전자가 원자에 속박되어 있음 을 전기력 을 이용하여 정성적으로 설명할 수 있다. (2015 교육과정, 고등학교 물리학 I) [12물리Ⅱ02-01] 정지한 전하 주위의 전기장을 정량적으로 구하고, 전기력선으로 표현 할 수 있다. (2015 교육과정, 고등학교 물리학 II)
앞서 인용구의 밑줄 친 NGSS의 수행기대에서는 전기력 의 세기에 영향을 주는 요인과 전기장을 학습하고 쿨롱의 법칙을 이용하여 수학적으로 전기력을 표현하고 계산하여 예측하도록 하고 있다. 전기력의 발생과 세기에 대해 차츰 학습하여 결국 정량적으로 그 크기를 예측할 수 있는 수준에 이를 것을 요구하는 것이다. 전기력을 핵심 아이디어로 보고 그 개념에 집중하여 학년이 올라가면서 차츰 정교화하는 과정을 거치도록 한다.
우리나라의 경우 중학교에서 정전기를 통해 전기력의 작용을 학습한 뒤 물리학 I에서 전기력을 원자 모형에 적용 하게 하고, 물리학 II에서 점전하 주위의 전기장의 세기를 정량적으로 다루고 있다. 쿨롱의 법칙은 우리나라 2015 교육과정에서 제외되었다. 선택과정인 물리학을 학생들이 선택하지 않는 경우 고교를 졸업하는 학생들은 정전기력에 의한 현상의 설명에 전기력 개념을 적용하는 정도의 성취만 기대하는 것이다.
NGSS가 전기력을 중심으로 전기와 자기를 다루고 있는 반면 우리나라의 경우 전기력은 상대적으로 적게 다루고 전기회로와 전자기 유도 등 폭넓은 개념을 다루고 있다.
전기와 자기 영역 관련 개념의 학년 수준에 따른 학습 순서 는 (Fig. 5) 와 같다. 우리나라 교육과정의 경우 전기회로 관련 개념과 전자기 유도를 이용한 에너지 발전과정을 필수 과정에서 학습하고 있다. 그러나 이 내용은 NGSS에서는 고등학교에서 전자기 유도를 배우는 정도로 한정되어 있다.
Fig. 5. Progression of electricity and magnetism concept (Concepts in dotted boxes are for elective courses).
3) 열과 에너지
열과 에너지 영역은 초등과 중학교 과학 교과와 물리학 I, 물리학 II 교육과정 내용 체계표의 열과 에너지로 구분되어 제시된 내용과 힘과 운동 영역의 역학적 에너지 개념을 열과 에너지 영역에 포함하여 다른 에너지 개념과 함께 분석하 였다 (Fig. 6).
이 영역에서는 우리나라의 경우 주로 일상생활의 예시에 개념을 적용하도록 하여 과학 개념을 다루고 있다. 이는 일상생활의 문제를 과학적으로 탐구하는 능력을 함양하고 자 하는 과학 교육과정의 목표를 구현하는 것으로 보인다.
특히 중학교의 경우 열 개념을 다루는 성취기준을 구분한 절의 제목을 ‘열과 우리생활’ 로 명명했다는 점에서 그 강 조점을 재확인 할 수 있다. 가령 각 문서에서 열에너지에 관한 성취기준을 살펴 보면 다음과 같다.
MS-PS3-4. 전달된 에너지와 물질의 종류, 질 량, 온도 변화로 측정된 입자의 평균 운동에너지 의 변화 사이의 관계 를 정하기 위한 탐구조사 를 계획하기. (NGSS 중학교)
MS-PS3-3. 열에너지 전달 을 최소화 또는 최대 화하는 기구를 과학적 원리를 이용하여 고안하 고 만들어 시험하기. (NGSS 중학교)
[9 과 15-01] 물체의 온도 차이를 구성 입자의 운동 모델 로 이해하고, 열의 이동 방법과 냉난 방 기구의 효율적 사용 에 대하여 조사하고 토 의할 수 있다. (2015 교육과정, 중학교 과학)
두 교육과정이나 표준에서 추출한 인용구의 밑줄 부분을 비교하면 중학교 수준에서 온도를 물질 구성입자의 운동으 로 설명하는 내용을 공통으로 다룬다는 것은 주목할만하다.
또한 과학적 내용과 그 응용을 모두 요구하는 것도 공통적이
Fig. 6. Topic emphasis in heat and energy.
다. 다만 우리나라 교육과정의 경우는 개념 적용의 수준이 단순한 개념의 응용 수준이 아니라 구체적인 일상의 적용 대상 (냉난방 기구) 도 포함하여 진술하였다. 이러한 차이는 NGSS가 교육과정이 아니라 교육 표준이며 이를 기초로 세부 교육과정이 지방 정부에서 수립될 것임을 고려할 때 놀라운 일은 아니라 할 수 있다. 우리나라의 진술문이 더욱 구체적일 수 있다는 것이다.
에너지는 NGSS와 우리나라 교육과정 모두 에너지의 전 환과 보존에 초점을 맞추어 다루고 있으나 다른 영역에 비해 처음 도입되는 시기의 차이가 크다. 이에 대한 성취기준은 다음과 같다.
4-PS3-1. 증거를 이용하여 물체의 에너지가 속력과 관련이 있다 는 설명하기. (NGSS 초등 학교 4학년)
4-PS3-2. 관찰을 하여 에너지가 한 장소에서 다른 장소로 소리, 빛, 열, 전류를 통해 이동 한 다는 증거를 제시하기. (NGSS 초등학교 4 학년)
MS-PS3-1. 운동에너지가 물체의 속력과 질량 과 관련됨 을 그래프로 나타내기. (NGSS 중학 교)
MS-PS3-2. 물체가 떨어져서 상호작용할 때 그 배열에 따라 퍼텐셜 에너지 의 차이가 발생 함을 서술하는 모델 개발하기. [물체가 떨어져 서 상호작용하는 예로 롤러코스터, 자석, 정전 기에 의한 풍선과 머리카락의 작용 등이 있다.]
(NGSS 중학교)
[9 과 22-01] 위로 던져 올린 물체와 자유 낙하 물체의 운동에서 위치 에너지와 운동 에너지의 변화를 역학적 에너지 전환과 역학적 에너지 보 존 으로 예측할 수 있다. (2015 교육과정, 중학 교 과학)
Fig. 7. Progression of energy transfer and conserva- tion concept (Concepts in dotted boxes are for elective courses).
[9과22-02] 자석의 운동에 의해 전류가 발생하 는 현상을 관찰하고, 역학적 에너지가 전기 에 너지로 전환됨 을 설명할 수 있다. (2015 교육 과정, 중학교 과학)
[9과22-03] 가정에서 전기 에너지가 다양한 형 태의 에너지로 전환 되는 예를 들고, 이를 소비 전력과 관련지어 설명할 수 있다. (2015 교육 과정, 중학교 과학)
우리나라의 경우 에너지의 전환과 보존은 중학교 과정에 처음 등장하며 학습시기가 명시되어 있지는 않으나 단원의 순서를 고려할 때 9학년에서 학습할 것으로 기대된다. 이 는 에너지가 추상적 개념으로 학생들이 학습에 어려움을 호소하기 때문이라 유추할 수 있다. 반면 NGSS에서는 초 등학교 4학년에서 도입이 되어 관찰을 통해 다양한 종류의 에너지 형태와 그 전환을 학습하도록 하고 이것이 중학교와 고등학교 과정으로 심화되어 이어지고 있다. 이러한 차이는 무엇보다도 NGSS가 에너지 영역을 독립적 영역으로 구분 하여 강조하는 데서 찾을 수 있다. 모든 독립적인 영역이 초등과 중등에서 다루어지며 강조됨에 따라 에너지 영역이 저학년부터 고학년까지 꾸준히 다루어지는 것이다. 에너지 의 전환과 보존 관련 개념의 학년 수준에 따른 학습 순서는 Fig. 7과 같다.
내용의 범위와 수준 면에서도 차이가 드러났다. 가령 물체의 위치 에너지를 다룰 때 중학교 수준에서 NGSS는 다양한 종류의 퍼텐셜 에너지를 다루지만 우리나라의 경우 역학적 위치에너지만 다루는 등 NGSS가 보다 광범위한 범위로 에너지를 다루고 있음을 알 수 있다. 반면 우리나 라의 경우 역학적 에너지와 전기 에너지를 중심으로 보다 깊이 있게 다룬다고 볼 수 있다. 이는 에너지 개념을 몇 개 학년에서 집중적으로 다루는 것과 관련된다고 볼 수 있다.
Fig. 8. Topic emphasis in wave.
4) 파동
파동 영역은 두 나라 모두 독립적 영역으로 중점적으로 다루고 있다. 그러한 강조가 파동 영역에서 두 나라의 성취 기준과 수행기대가 매우 유사한 이유로 볼 수 있다 (Fig. 8).
다만 에너지 영역과 유사하게 NGSS는 파동을 초등학교에 서 도입하고 우리나라의 경우 중학교에서 처음 그 개념이 도입된다.
4-PS4-1. 파동 모델을 개발하여 진폭과 파장 으로 규칙성을 서술하고 파동이 물체를 움직일 수 있다 는 것을 서술하기. (NGSS 초등학교 4 학년)
[9 과 06-04] 파 동 의 종 류 를 횡 파 와 종 파 로 구 분 하 고, 소리의 특징을 진폭, 진동수, 파형 으로 설명 할 수 있다. (2015 교육과정, 중학 교 과학)
해당하는 성취기준의 예를 보면 파동 관련 개념에 있어 서 강조점에서 차이가 있음을 알 수 있다. NGSS의 경우 파동의 ‘규칙성’ 을 강조하고 있는데 이는 NGSS에서 관통 개념 중 하나가 규칙성인 것과 관련이 있다고 볼 수 있다.
또한 정보의 전달에 관하여 NGSS에서는 파동의 규칙성을 이용한 디지털 신호를 사용하여 다루고 있으나 우리나라 교육과정에서는 전자기파를 이용한 정보의 전달로 다루고 있어 같은 주제임에도 다른 소재를 사용하고 있다.
5) 현대물리
이 영역은 NGSS에서는 거의 다루지 않는 반면 우리나 라의 경우 영역을 별도로 구분하여 강조하고 있다. 다만 그 내용이 고등학교 선택과정에 있다는 점에서 모든 학생 들이 학습하기를 기대하는 내용은 아니라는 점이 NGSS
가 다루지 않는 것과 일맥상통한다고 볼 수 있다. NGSS는 빛의 이중성의 관점에서 전자기 복사를 다룬 수행기대 한 개만이 이에 해당되며 우리나라 교육과정에서는 고등학교 물리학 I, II에서 빛과 물질의 이중성 및 불확정성 원리에 관해 다루고 있다.
HS-PS4-3. 전자기 복사가 입자모델이나 파동 모델 로 설명이 가능하다는 생각의 기초가 되는 주장, 증거, 추론을 평가하기. (NGSS 고등학 교)
[12 물리Ⅰ03-05] 빛의 이중성 을 알고, 영상정 보가 기록되는 원리를 설명할 수 있다. (2015 교육과정, 고등학교 물리학I)
[12 물리Ⅰ03-06] 물질의 이중성 을 알고, 전자 현미경의 원리를 설명할 수 있다. (2015 교육 과정, 고등학교 물리학I)
[12 물 리Ⅱ03-08] 수 소 원 자 내 에 서 전 자 의 궤 도 를 고 전 역 학 으 로 설 명 할 수 없 음 을 불확정성 원리 를 사용하여 설명할 수 있다.
(2015 교육과정, 고등학교 물리학II)
NGSS는 모든 학생들이 성취할 것으로 기대하는 내용을 나타냈다는 점에 비해 우리나라의 고등학교 물리학은 선 택과목이라는 점에서 NGSS의 강조는 적지만 모든 학생에 대한 기대 범위를 고려한다면 오히려 우리나라보다 그 중 요성을 더 많이 강조한다고 해석할 여지가 있다.
2. 우리나라 교육과정의 성취기준과 NGSS 수행기대 의 기능 및 실천 비교
수행기대와 성취기준의 탐구 기능 비교에서 주목할 만한 것은 우리나라의 경우 문제 인식 기능에 해당하는 성취기준 은 없고 결론도출 및 평가에 해당하는 성취기준이 54%로 과반수 이상을 차지하고 있는 것이다 (Fig. 9). 상대적으로 NGSS의 수행기대는 기능이 비교적 고르게 분포되어 있어 우리나라에 비해 기능을 고르게 강조하고 있음을 알 수 있 다. NGSS가 다양한 기능을 고르게 강조한 점에 대해서는 실천을 각 학교급 (초등학교, 중학교, 고등학교) 에서 고르 게 다룰 수 있도록 하였다는 NGSS 문서에 제시된 설명이 재확인해주고 있다.
Fig. 9. Proportion of practice/skill in ASD and PE.
1) 과학적 문제 제기
‘과학적 문제 제기’ 는 과학적 질문을 인식하거나 제기하 는 것으로 현상에 관한 호기심뿐만 아니라 모델이나 이론을 예측하거나 정교화 하기 위해 혹은 탐구 문제에 더 나은 해답을 제시하기 위해 질문을 제기하는 것이 해당된다 [4].
우리나라의 물리 영역에는 이에 해당하는 성취기준이 없으 며 NGSS 수행기대의 예는 다음과 같다.
MS-PS2-3 전기 및 자기력의 크기에 영향을 주는 요인을 결정하는 자료에 관해 질문하기.
(NGSS 중학교)
NGSS의 경우 탐구가 가능한, 과학적인 질문을 하는 것을 기초로 하여 인과 질문에 대한 결과 예측, 변인 간의 관계를 결정하기 위한 질문하기 등 문제 제기에 관한 다양한 활동을 제시하고 있으며 나아가 고등학교 수준에서는 다른 학생이 제기한 문제의 질을 평가하는 능력까지 달성할 것을 요구 하고 있다.
2) 탐구 설계 및 수행
‘탐구 설계와 수행’ 은 체계적인 관찰이나 실험을 설계, 수행하여 질문에 대한 답을 찾아내는 능력이다 [4]. 이 활동 은 질문하기에 비해 상당히 다양한 범위의 활동으로 여러 종류의 활동 요소 (설계, 수행, 설계 수정 등) 를 포함한다.
따라서 주어진 과제의 성격이나 원하는 성취 수준에 따라 서로 다른 활동요소가 강조될 수 있다. 가령, 다음과 같은 NGSS 수행기대와 우리나라 성취기준의 예가 서로 다른 강조점을 보여준다.
MS-PS2-2 물체의 운동변화가 물체에 작용하는 힘의 합력과 물체의 질량에 따라 다르다는 것에
관 한 증거를 제시하는 탐구조사를 계획하기.
(NGSS 중학교)
[9과 02-03] 물체의 운동을 방해하는 원인으로 써 마찰력을 알고, 빗면 실험을 통해 마찰력의 크기를 정성적으로 비교할 수 있다. (2015 교 육과정, 중학교 과학)
동일한 중학교 수준의 역학 영역의 탐구 설계 및 수행 관련 성취 내용임에도 불구하고 NGSS의 경우 학생들이 탐구를 계획하는 능력을 기대하고 있다. 그런데 우리나라 교육과정의 경우 정해진 실험을 수행하는 능력을 기대하고 있고 대신 그 실험의 설계가 누구에 의한 것인지는 명확히 하지 않고 있다. 이러한 진술문에 기초하여 실제 교실에서 일어나는 수업을 상상한다면 NGSS의 경우는 학생들이 뉴 턴의 운동법칙을 이론적으로 학습한 후 그것을 증명할 수 있는 실험을 설계하는 수업이 가능하며 우리나라의 경우 마 찰력이 운동을 방해하는 힘이라는 개념을 학습한 후 빗면의 각도가 일정 크기가 되어야 물체가 움직인다는 관찰을 통해 마찰력의 크기를 비교하는 수업이 가능하다. 이러한 시나리 오에 의하면 NGSS 기반 수업은 다양한 변인이 있는 실험을 설계하는 학습이 가능하고 우리나라 교육과정 수업은 이미 누군가 설계한 실험을 수행할 경우 학생들은 탐구의 기능 면에서는 빗면의 각도를 조절하여 물체의 운동을 관찰하는 기능을 학습하게 될 것이다. 따라서 관련 변인을 인식하고 관찰을 수행하는 탐구 기능이 훈련될 것이다. 이렇듯 우리 나라의 경우 ‘거리에 따른 그림자의 크기 변화’ 나 ‘빗면 실험을 통한 마찰력의 크기 비교’ 와 같이 변인과 과정이 제시된 구조화된 실험을 학생들이 수행하도록 하고 있으며, 성취기준 상에서 학생들이 탐구를 계획하는 것은 제시되지 않았다.
3) 자료의 수집 분석 및 해석
자료의 수집 분석 및 해석 기능은 자료를 표나 그래프와 같이 다른 사람과 의사 소통할 수 있는 형태로 제시하거나 이를 분석하여 자료를 설명하는 능력이다 [4]. 우리나라 의 경우 자료 분석 기능은 6학년에 처음 나타나는데 비해 NGSS의 경우 유치원 (K과정) 부터 등장하고 있어 학습 시 기에 차이가 있다. 가령, 다음과 같은 예에서 상당히 단순한 활동일 수 있으나 활동 중 학생들로 하여금 자료를 분석하 여 이용하는 연습을 하도록 하고 있다. “K-PS2-2. 물체를 밀거나 당겨서 속력이나 방향을 바꾸도록 한 장치가 작동을 하는지 결정하기 위한 자료 분석하기” [8]
NGSS와 우리나라 모두 자료 분석을 통해 변인간의 관계 를 도출하여 현상을 설명하도록 하고 있다. 그러나 다음과 같이 중학교 수준의 자료의 수집 분석 및 해석에 해당하는 NGSS 수행기대와 우리나라 성취기준의 예를 비교하면 NGSS의 경우 더 높은 수준의 기능을 기대하는 것을 알 수 있다.
MS-PS3-1. 운동에너지가 물체의 질량과 속도 와 갖는 관계를 서술하기 위해 그래프로 표현 된 자료를 구성하고 해석하기. (NGSS 중학교) [9과 19-01] 등속 운동하는 물체의 시간-거리, 시간-속력의 관계를 표현 하고 설명할 수 있다.
(2015 교육과정, 중학교 과학)
인용문에서 보듯이 우리나라 교육과정의 경우 선형 관계 만을 다루도록 하고 있으나 NGSS는 2차원 관계도 다루고 있어서 그 수준이 더 높다고 할 수 있다.
4) 수학적 사고 및 컴퓨터 활용
‘수학적 사고 및 컴퓨터 활용’ 은 수학과 컴퓨터를 사용하 여 변인간의 관계를 표현하고 나아가 이를 이용하여 결과를 예측하는 능력이다 [4]. 수학적 사고와 컴퓨터의 사용은 방정 식이나 수식의 표현뿐만 아니라 변인간의 관계나 현상에서 드러나는 규칙성을 표나 그래픽 등으로 표현하는 것도 해당 된다. 그러나 이 연구에서는 자료 분석 및 해석과 구분하기 위해 정량적 수식의 사용으로 제한하여 분석하였다. 물리 영역에서 NGSS는 다음과 같이 중학교에서 수학적 사고와 컴퓨터 활용 실천이 처음으로 나타난다 [8]. “MS-PS4-1.
파동에서 진폭과 에너지의 관계를 포함하는 간단한 파동 모 델을 진술하기 위한 수학적 표현 사용하기.” 그러나 우리나 라 교육과정에서는 초등학교 5∼6학년 군에서 처음 수학적 사고의 이용이 명시적으로 나타난다. 이는 6학년을 대상 으로 하는 물체의 속력 관련 성취기준, “[6과07-02] 물체의 이동 거리와 걸린 시간을 조사하여 속력을 구할 수 있다.”
로 수식을 사용하여 정량적으로 값을 구하는 기능의 개발을 요구한다 [12]. 중학교 수준에서도 우리나라 교육과정에서 는 정량적 계산까지 명시적으로 요구하고 있다.
성취기준 해설 : [9과19-03] 일의 개념을 이용 하여 중력에 의한 일과 중력에 대하여 한 일을 정량적으로 도입한다. 일의 원리와 도구의 사 용은 다루지 않는다. 중력에 의한 일이 운동 에 너지임과 중력에 대하여 한 일이 위치 에너지임 을 정량적으로 다룬다. (2015 교육과정, 중학교 과학)
고등학교에서 수학적 사고의 사용을 요구하는 수행기대 와 성취기준의 예는 다음과 같다.
HS-PS2-2 수학적 표현을 사용하여 힘이 작용 하지 않을 때 계의 총운동량이 보존된다는 주장 뒷받침하기. (NGSS 고등학교)
[12물리Ⅰ01-02] 뉴턴 운동 법칙을 이용하여 직 선 상에서 물체의 운동을 정량적으로 예측 할 수 있다. (2015 교육과정, 고등학교 물리학 I) [12물리Ⅱ 01-04] 뉴턴 운동 법칙을 이용하여 물체의 포물선 운동을 정량적으로 설명 할 수 있다. (2015 교육과정, 고등학교 물리학 II )
수학적 사고 기능은 NGSS와 우리나라 모두 주로 고등학 교에 분포되어 있어 두 나라 모두 고차원적 기능으로 고려 하고 있음을 알 수 있으며 수학적 표현을 사용하여 모델을 서술하거나 주장을 뒷받침하고 결과를 예측하는 등 기능의 진술 방식 역시 두 나라가 비슷하게 제시하고 있다. 그러나 우리나라 교육과정은 수학적 사고의 사용이 초등학교 고학 년부터 일찍 요구한다는 것이 드러났다.
수학적 사고와 함께 제시된 컴퓨터 활용은 우리나라 2015 개정교육과정에서 중학교 필수 교과로 정보 교과를 개발하 여 도입한 반면 미국에서는 과학 교육 표준에서 다루고 있다.
이와 관련하여 NGSS에서는 에너지 보존 및 전달과 관련하 여 다음과 같이 계 (system) 의 에너지 변화에 관한 컴퓨터 모델을 만드는 수행기대가 1개 제시되었다 [8]. “HS-PS3-1.
다른 요소의 에너지가 변하거나 에너지 출입에 의해 계의 한 요소에서 일어나는 에너지 변화를 계산하기 위한 컴퓨터 모델 만들기.” 컴퓨터 활용 기능은 최근 새로 등장한 것으로 학교에서 어떻게 활용이 될 지 시간을 두고 관찰해야 할 것이다. 이에 반해 우리나라의 경우 정보 교과와는 별도로 과학에서 사용하는 컴퓨터 활용 기술을 학교 과학에서 다룰 필요성의 여부를 계속 진단해야 할 것이다.
5) 모델의 개발 및 사용
모델의 개발과 사용은 탐구 대상의 특징을 명확히 나타 내는 모델을 개발하고 이를 이용하여 현상을 이해하거나 설명하는 능력이다 [4]. 수학적 표현 역시 모델에 해당하나 분석 상의 중복을 피하기 위해 수학적 사고 기능에 포함하고 여기서는 제외하였다. 이에 해당하는 NGSS 수행기대와 우리나라 성취기준의 예는 다음과 같다.
MS-PS4-2. 모델을 개발하고 사용 하여 파동이 다양한 물질을 통해 반사, 흡수, 또는 전달된다 는 것을 서술하기. (NGSS 중학교)
[9 과 06-04] 파동의 종류를 횡파와 종파로 구 분하고, 소리의 특징을 진폭, 진동수, 파형으로 설명 할 수 있다. (2015 교육과정, 중학교 과학) NGSS와 우리나라 모두 모델을 통해 현상을 예측, 설명 하며 특히 ‘장 (field)’ 과 ‘에너지’ 와 같은 보이지 않는 개 념을 설명하는데 모델이 주로 사용된다. 또한 빛의 경로나 파동의 성질에 관한 내용을 학습할 때 두 나라가 공통적으로 모델을 사용하였다. 이러한 공통점은 특정 탐구 기능이나 실천이 과학 내용과 밀접한 관련이 있기 때문이라 추정할 수 있다.
다만 위 예에서 드러나듯이 NGSS는 학생들이 직접 모델 을 개발하여 과학 현상을 설명하도록 하는 경우가 많으나 우리 나라는 ‘파동 모델’ , ‘전기력과 원자 모델’ 등 이미 개발된 모델을 사용하는 것에 초점을 두고 있어 기능에 대한 접근 방법에 차이가 있다.
6) 증거에 기초한 토론과 논증
증거에 기초한 토론과 논증은 증거를 들어 자신의 주장을 정당화하고 자신과 타인의 주장을 논리적으로 분석하는 기능 및 비판적인 태도로 주장이나 지식을 파악하여 토론할 수 있는 능력이다 [4]. 이에 해당하는 NGSS 수행기대와 우리나라 성취기준의 예는 다음과 같다.
MS-PS2-4. 중력에 의한 상호작용은 인력이 고 그것이 상호작용하는 물체의 질량에 따라 다르다는 것을 지지하는 증거를 이용하여 논증 구성하기. (NGSS 중학교)
HS-PS4-3. 전자기 복사가 파동모델이나 입자 모델로 기술될 수 있다는 것과 어떤 경우 하 나의 모델이 다른 것보다 더 유용하다는 아이 디어의 배경에 있는 주장, 증거, 추론 평가하기.
(NGSS 고등학교)
[9 과 15-01(2)] 열의 이동 방법과 냉난방 기 구의 효율적 사용에 대하여 조사하고 토의할 수 있다. (2015 교육과정, 중학교 과학)
NGSS의 경우 증거에 기반하여 과학 원리 등을 주장하는 경우가 대부분이나 우리나라의 경우 과학지식을 바탕으로 하여 전기 절약 방법이나 냉난방 기구의 효율적 사용과 같은 발산적인 토의를 제시하여 과학 수업에서 사용하는 토론 및
논증의 성격이 다름을 알 수 있다. 또한 NGSS는 고등학교 수준에서는 과학적 주장에 대한 논리적 평가도 함께 제시 하여 한 단계 수준을 높였다. 이러한 다른 사람의 과학적 주장에 대한 비판 및 평가 기능은 우리나라 교육과정에서는 제시되지 않았다.
7) 결론 도출 및 평가
결론 도출 및 평가는 증거를 들어 원리를 설명하거나 과학적 이론을 적용하여 특정 관측 및 현상을 설명하거나 문제를 해결하는 능력이다 [4]. 이는 우리나라 교육과정의 물리 영역에서 과반수 이상을 차지하며 강조되는 항목이다.
다음의 예에서 드러나듯이 NGSS의 경우 증거에 기반한 과학적 설명을 구성하거나 과학적 원리를 이용하여 해결책 을 제시하도록 하고 있으며 우리나라 역시 현상의 관찰이나 실험 결과에 기반하여 과학적 원리를 설명하거나 과학적 원리를 이용하여 현상을 설명하도록 하고 있다.
MS-PS2-1. 뉴턴의 3 법칙을 적용하여 충돌 하는 두 물체의 운동에 관한 문제 해결책을 제시하기. (NGSS 중학교)
[9과09-04] 전류의 자기 작용을 관찰하고 자기 장 안에 놓인 전류가 흐르는 코일이 받는 힘 을 이용하여 전동기의 원리를 설명할 수 있다.
(2015 교육과정, 중학교 과학)
우리나라 교육과정의 경우 이렇게 증거 기반 설명을 강 조하는 대신 ‘과학적 문제 제기’ 와 ‘탐구 설계와 수행’ 의 기능이 간과되고 있다. 이로부터 우리나라 교육과정에서 강조하는 탐구의 성격이 학생들이 스스로 문제 제기하고 그 문제 해결을 위한 탐구활동을 설계하는 학생 주도형 탐구가 아닌 주어진 증거를 지식을 이용하여 설명하는 지식 응용형 탐구에 치중함을 알 수 있다.
8) 정보 수집 및 의사소통
‘정보의 수집 및 의사소통’ 은 각종 문헌 자료를 수집하 여 읽고 이해하여 언어를 통해 소통하는 능력으로 주변의 다양한 정보를 조사하여 이를 바탕으로 교류하는 기능이다 [4]. NGSS의 경우 주장을 뒷받침하기 위해 정보를 통합하 여 근거로 활용하거나 정보의 타당성을 평가하도록 하고 있으며 중등 수준 (MS, HS) 에서 해당 기능을 제시하고 있 다. 우리나라의 경우 해당 기능을 초등학교 과정에서 단순 정보 조사와 조사한 정보를 제시하는 기능으로 시작하고 중학교에서 정보를 비교 및 종합하는 수준까지를 기대하고 있다.
MS-PS4-3. 디지털 신호가 아날로그 신호보다 정보를 암호화하고 전달하는데 더 신뢰할 만한 방법이라는 것을 지지하는 정성적 과학, 기술 정보 통합하기. (NGSS 중학교)
HS-PS4-4. 서로 다른 진동수의 전자기파가 물 질에 흡수되었을 때의 영향의 차이에 대한 출판 물에 나타난 주장의 타당성과 신뢰성 평가하기.
(NGSS 고등학교)
[6과01-03] 고체 물질의 종류에 따라 열이 전도 되는 빠르기를 관찰을 통해 비교하고, 일상생 활에서 단열을 이용하는 예를 조사할 수 있다.
(2015 교육과정, 초등과학)
[9과09-03(2)] 일상생활에서 저항의 직렬연결과 병렬연결의 쓰임새를 조사하여 비교할 수 있다.
(2015 교육과정, 중학교 과학)
‘증거에 기초한 토론과 논증’ 과 마찬가지로 ‘정보의 수집 및 의사소통’ 기능에서도 NGSS의 경우 고등학교 수준에서 주장의 타당성 평가를 포함함으로써 우리나라보다 더 높은 수준까지를 기대하고 있다.
IV. 결론 및 제언
미국의 NGSS의 수행기대와 우리나라의 2015 개정 과 학과 교육과정 성취기준은 공통적으로 지식과 기능 (실천) 을 결합하여 제시하여 과학 내용뿐 아니라 탐구 기능 역시 성취해야 할 학습요소로 강조하고 있다. 또한 제한된 수 의 핵심 개념을 제시함으로써 내용 지식의 습득뿐 아니라 기능을 학습하는 데에도 시간을 할애할 수 있도록 하였다.
이러한 외형적인 공통점과 교육과정의 강조점을 배경으로 이 연구에서는 실질적인 내용 및 탐구 기능 상의 공통점과 차이점을 비교, 분석하였다.
분석 결과 과학 내용 면에서 ‘전기와 자기’ 와 ‘현대물 리’ 영역은 NGSS에 비해 우리나라 교육과정에서 비중이 높았으며 ‘열과 에너지’ 영역은 NGSS에서 그 비중이 더 높았다. 세부 영역에서도 강조하는 내용 요소의 차이가 있었다. 상대론과 전기 회로에 관한 내용은 NGSS에는 전 혀 제시되지 않았고 현대물리 영역 역시 우리나라의 내용 요소가 미국보다 더 넓은 영역에서 많이 다루고 있음을 알 수 있었다.
이러한 내용상의 강조점 차이뿐만 아니라 수준의 차이도 볼 수 있었다. 에너지 영역의 내용은 NGSS가 우리나라보다 더 저학년에서 시작함으로써 더 오랜 기간 폭넓게 다루고
있었다. 또한 모든 학생을 대상으로 하는 NGSS와 고등학교 선택과목인 물리학 I, II를 비교함으로써 일부 내용은 NGSS 에서는 모든 학생의 성취를 기대하나 우리나라의 경우는 물리학을 선택한 일부 학생에게만 기대되는 내용이 있었다.
그러한 의미에서 NGSS의 성취 기대 수준이 더 높은 경우가 있었다.
우리나라의 경우 열과 에너지 영역에서 일상생활과 연 결하여 과학개념을 학습 하도록 명시적으로 진술한 경우가 많았는데 이는 교육과정과 교육기준의 비교에 따른 차이로 볼 수 있어서 차후 NGSS에 기초한 교육과정과 비교할 필 요성을 제기하였다.
탐구 기능 또는 과학 실천의 측면에서는 우리나라의 경우
‘과학적 문제 제기’ 에 해당하는 성취기준은 없었으며 과반 수 이상이 ‘결론도출 및 평가’ 에 해당하여 하나의 기능에 매우 치중되어 있었다. 상대적으로 NGSS의 경우 비교적 고르게 분포되어 있어 우리나라에 비해 기능을 고르게 강 조하고 있는 것으로 보인다. 또한 유사한 탐구 기능일지 라도 NGSS와 우리나라 교육과정이 접근하는 방식이 다른 경우가 발견되었다. 특히 ‘탐구 설계 및 수행’ 이나 ‘모델 의 개발과 사용’ 의 경우 NGSS는 학생들이 직접 탐구를 설계하거나 모델을 개발하도록 하는 수행기대가 제시되나 우리나라의 경우 구조화된 탐구를 수행하도록 하거나 이 미 개발된 모델을 사용하도록 하는 성취기준을 제시하고 있다. 과학적 문제를 제기하거나 탐구를 설계하거나 모델 을 직접 개발하는 것은 학생들이 더 주도적으로 사고할 수 있는 수준 높은 학습의 기회를 제공할 수 있으므로 이는 추후 교육과정 실행의 측면에서 고려해볼 사항이다. 또한
‘증거에 기초한 토론과 논증’ 의 경우 NGSS에서는 증거에 기반하여 과학 원리 등을 주장하는 과학 내용 중심 활동이 대부분이나 우리나라에서는 소음을 줄이는 방법과 같이 과학 지식을 바탕으로 다양한 의사 결정의 기회를 제공하는 토의에 집중하는 경향을 보여 차이를 드러냈다. 그런데 고등학교 수준에서 NGSS는 우리나라보다 더 높은 수준의 논증활동을 요구하는 것으로 드러났다. 마찬가지로 ‘의사 소통’ 기능도 NGSS가 고등학교 수준에서 더 높은 수준을 요구하는 것으로 드러났다.
이와 같이 NGSS의 수행기대와 우리나라 개정 과학 교 육과정의 성취기준은 그 취지와 구성이 유사하나 내용과 수준에는 차이가 있는 부분이 드러났다. 이러한 결과와 함께 여기서 주목할 사항은 이번 2015 교육과정이 탐구 역 량의 향상을 위한 수업 시간을 확보하고 핵심 내용을 깊이 다루기 위해 기존의 교육과정에서 다루어왔던 물리 영역의 내용을 80%로 축소했다는 점이다. 그럼에도 불구하고 교 육과정 내용이 NGSS에 비해 적다고 볼 수 없었고 오히려 전기 영역의 내용이 더 많이 다루어 지고 있음을 확인할
수 있었다. 다만 일부 내용이 선택과목인 물리학 I, II에서 다루어지고 있는 점은 NGSS는 모든 학생들이 알고 이용할 필요가 있다고 바라본 내용을 우리나라에서는 선택적으로 가르치려 한다는 점에서 재고해볼 필요가 있다.
성취기준에서 강조하는 탐구 기능의 경우 ‘결론 도출 및 평가’ 가 전체 탐구 기능 중 절반 이상을 차지한다는 것 역시 재고의 여지가 있다. 많은 성취기준에서 ‘∼을 설명할 수 있다’ 는 형태로 제시된 결론 도출의 기능은 결국 과학 내용의 학습을 강조하는 결과를 낳을 수 있고 상대적으로 다른 탐구 기능의 활용을 통한 학습의 기회를 축소한다는 측면에서 재고를 할 필요가 있다. 따라서 성취기준에서 제 시한 과학 내용과 결합된 탐구 기능은 해당 탐구 기능만을 강조하라는 의미가 아니므로 [13] 교육과정을 교과서나 기 타 교육 자료의 개발에 적용할 때 실제 학교 수업에서 보다 다양한 탐구 기능을 포함하는 활동을 할 수 있도록 해야 할 것이다.
이 연구에서 우리나라 교육과정과 비교한 NGSS는 교육 표준이고 이를 바탕으로 개발될 교육과정은 더 정교하여 그 내용의 범위나 수준이 바뀔 수 있는 가능성이 상당히 크다.
또한 우리나라 교육과정 역시 이를 기초로 개발될 교과서가 그 범위나 수준에 변화를 줄 수 있다. 따라서 이 연구의 결과 는 실제 교실에서 학생들이 경험할 과학 내용을 나타낸다고 볼 수 없다. 단지 두 나라의 교육 정책에 있어서 학생들로 부터 기대하는 내용 지식 및 탐구 기능의 수준과 범위를 비교하는 것으로 한정하여 해석해야 할 것이다. 특히 탐구 기능이나 실천은 대부분 광범위한 활동 요소를 가지고 있기 때문에 교육과정 문서의 비교만으로 전체 교육의 상황을 예측하기에는 한계가 있다. 이러한 한계는 추후 우리나라 교육과정에 기반한 교과서가 제작되어 수업에 사용될 때 교육과정 문서와 교실 수업 및 학생의 학습을 연구함으로써 극복할 수 있을 것이다.
REFERENCES
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