http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.1059
Analysis of the Types of Physics Inquiries in Science Textbooks Based on the 2015 Revised National Science Curriculum
Heekyong Kim
Division of Science Education, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea
Bongwoo Lee
∗Department of Science Education, Dankook University, Yongin 16890, Korea (Received 11 September 2018 : revised 24 September 2018 : accepted 27 September 2018)
The purpose of this study is to analyze the types and the characteristics of physics inquiry pre- sented in science (physics) textbooks developed on the basis of the 2015 revised science curriculum.
In addition, we analyzed the types of ‘science play’ inquiries. For this purpose, we analyzed one kind of elementary school, middle school science textbook, and three kinds of high school textbooks, i.e., integrated science, physics I, and physics II textbooks. The main findings are as follows: First, the most common type of scientific inquiry was ‘experiment, observation’, followed by ‘investigation, discussion and presentation’, ‘explanation’, and ‘science play’. Second, as the grade increased, the number of inquiries decreased. Especially, the rate of active types of inquiries, such as ‘experiment, observation’ and ‘science play’, decreased, and the number of inactive types of inquiries, such as
‘explanation’, ‘investigation, discussion and presentation’ and ‘data analysis’, increased. Third,
‘science play’ inquiries were mainly found in elementary school textbooks, and the inquiry type of
‘inquiry play’ occurred most often. The number of higher-level ‘science play’ inquiries, such as ‘role play’ or ‘rule game’, was very small.
PACS numbers: 01.30.mr, 01.30.mt
Keywords: Science textbook, Physics textbook, 2015 revised National Science Curriculum, Inquiry, Science play
2015 개정 교육과정에 의한 교과서에 제시된 물리 탐구 유형 분석
김희경
강원대학교 과학교육학부, 춘천 24341, 대한민국
이봉우
∗단국대학교 과학교육과, 용인 16890, 대한민국
(2018년 9월 11일 받음, 2018년 9월 24일 수정본 받음, 2018년 9월 27일 게재 확정)
본 연구의 목적은 2015 개정 과학과 교육과정에 의해 개발된 과학 (물리학) 교과서에 제시된 물리 탐구의 유형과 특징을 분석하는 것이다. 추가적으로 물리 탐구 중 ‘과학놀이’ 탐구의 유형을 분석하였다.
이를 위하여 초등학교, 중학교 과학 교과서 각 1종, 고등학교 통합과학, 물리학I, 물리학II 교과서 3종을
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분석하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학탐구 중 가장 많이 제시된 유형은 ‘실험 관찰’ 이었고, 그 다음으로는 ‘조사, 토의 및 발표’, ‘설명’, ‘과학놀이’ 등의 순서였다. 둘째, 학년급이 올라갈수록 탐구의 수 (시수당) 가 감소하였으며, 특히 ‘실험 관찰’ 이나 ‘과학놀이’ 와 같은 활동 유형의 탐구 비율이 감소하고,
‘설명’, ‘조사, 토의 및 발표’, ‘자료 해석’ 등과 같은 비활동 유형의 탐구 비율이 증가하였다. 셋째, 과학놀이 탐구의 경우, 주로 초등학교 교과서에서 발견되었고, ‘탐구놀이’ 유형의 탐구가 가장 높은 비율이었다.
‘역할놀이’ 나 ‘규칙 있는 게임’ 등의 보다 높은 차원의 과학놀이 탐구의 수는 매우 적었다.
PACS numbers: 01.30.mr, 01.30.mt
Keywords: 과학 교과서, 물리 교과서, 2015 개정 과학과 교육과정, 탐구, 과학놀이
I. 서 론
과학교육에서 과학적 탐구는 과학 지식의 이해와 함께 다루어야 할 주요 목표 중 하나이다. 특히 지식의 양이 급속 하게 증가하고 있는 오늘날에는 지식보다 지식을 만들어내 는 과정인 방법적 측면이 더욱더 강조되고 있다. 학생들은 과학 탐구 교육을 통해 과학 지식을 습득할 수 있으며 과학 의 본성을 이해하고, 자연 세계를 연구하는 방법을 배우게 되며 과학에 대한 긍정적인 자세를 갖출 수 있다 [1].
최근 개정된 2015 개정 과학과 교육과정에서는 과학의 개념을 이해하고 과학적 탐구 능력과 태도를 함양하여 개인 과 사회의 문제를 과학적이고 창의적으로 해결할 수 있는 과학적 소양을 기르도록 ‘과학’ 및 ‘물리학’ 교과를 구성하 였다. 다양한 유형의 탐구 중심의 학습이 이루어지도록 기본 개념의 통합적인 이해와 다양한 탐구 경험의 제공을 통해 과학과 핵심역량을 기르도록 구성하였다 [2]. 한편 고 등학교에서 ‘과학탐구실험’ 을 신설하는 등 학교과학에서는 탐구를 지속적으로 강조하고 있다.
우리나라의 중등학교에서는 검인정 교과서 제도를 채택 하여 교육과정의 개정 목적에 맞는 교과서가 구현될 수 있도 록 한다. 따라서 교과서는 학교의 교육 수준을 객관적이고 구체적으로 보여주는 자료로 분석할 가치가 높다. 따라서 새 교과서가 개발되면 교과서의 구성, 내용 등에 대한 다양한 연구들이 이루어진다. 2015 개정 교육과정에 의해 개발된 교과서의 탐구 활동에 대한 연구도 일부 이루어졌는데, 통 합과학 교과서의 탐구활동 분석 [3], 과학탐구실험 교과서의 탐구 요소 분석 [4] 등이 대표적인 연구다. 본 연구에서는 초등학교부터 물리학II 교과서까지 초중등학교에서 사용 되는 과학 교과서 중 물리 영역의 탐구 활동을 분석하고자 한다.
한편 2015 년에 시행된 수학· 과학 성취도 추이변화 국 제 비교 연구 (Trends in International Mathematics and Science Study, TIMSS) 에서 전 학년 (초등학교 4학년, 중 학교 2학년) 에서 과학 성취도는 전 세계에서 최고 수준이
∗E-mail: [email protected]
었지만, 과학에 대한 자신감과 흥미는 최하위 수준이었다 [5]. 물리는 과학 중에서 가장 선호도가 낮아 2017학년도 대학수학능력시험의 응시자 605,988 명 중에서 물리 I 을 선택한 학생이 60,155명, 물리 II를 선택한 학생이 3,528명 밖에 되지 않았다. 이것은 물리를 어렵게 인식하기 때문이 며 고등학교에서 물리를 선택하는 학생들이 줄어들었다는 것을 의미한다.
그동안 물리 (과학) 에 대한 흥미를 높이기 위해 다양한 시도가 있어왔다. 완구 [6,7], 과학 연극 [8], 컴퓨터 (인터넷) 게임 [9,10] 등과 함께 놀이를 통한 물리 (과학) 학습에의 시도는 오래 전부터 진행되어왔다. 놀이를 통한 학습은 인 지적 영역 및 정의적 영역의 발달에 효과적인 것으로 알려 져 있다. 놀이를 통한 학습은 즐거움을 동반하여 학습자의 내적 동기를 유발시켜 적극적으로 참여하게 하며, 즐거운 경험은 학습을 촉진한다 [11]. 따라서 과학에서도 놀이를 이용한 교수학습 프로그램이 많이 개발되고 있다. 전통놀이 를 활용한 탐구 프로그램도 개발되었고 [12], 놀이기반탐구 (Play-Based Inquiry) 를 제안하기도 하였으며 [13], 학교 과학을 넘어 과학관과 같은 전시물을 놀이와 결합하는 시 도도 이루어지고 있다 [14,15].
‘과학 교과서 편찬상의 유의점’ 을 보면 ‘과학에 대한 흥 미와 호기심을 기를 수 있도록 개발한다’ 고 제시되어 있다.
학생들이 관심 있어 하는 다양한 자료를 제시할 수도 있고, 학생들이 흥미로워하는 활동을 포함할 수도 있다. 이론 학 습보다 탐구 활동이 학생들의 과학에 대한 흥미와 호기심을 더 높일 수 있을 것이며, 특히 놀이와 관련된 탐구 활동은 그 관심이 더 클 것으로 유추할 수 있다. 이에 본 연구에서는 교과서 탐구 분석에 덧붙여 놀이 관련 탐구 활동을 추가적 으로 분석할 것이다.
본 연구의 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
첫째, 2015 개정 과학과 교육과정에 의한 초중고 과학 교과서에 제시된 물리 탐구는 어떤 유형으로 구성되었으며, 그 특징은 무엇인가?
둘째, 2015 개정 과학과 교육과정에 의한 초중고 과학 교과서에 제시된 물리 탐구 중 과학 놀이 탐구의 특징은 무엇인가?
II. 연구 내용 및 방법
1. 분석 대상
본 연구에서는 2015 개정 과학과 교육과정에 따른 초등 학교, 중학교 과학 교과서와 고등학교 통합과학, 물리학I, 물리학II 교과서를 대상으로 물리 내용 탐구활동의 유형을 분석하였다. 초등학교 교과서는 1종의 교과서만 있는 것에 비해 중학교, 고등학교는 다수의 출판사에서 교과서가 개 발되었다. 중학교 교과서는 현재 중학교 1학년에서 5종의 교과서가 사용되고 있고, 2학년 교과서는 2018년 8월 현재 검정 심사가 완료된 상태이며, 3학년 교과서는 개발 중에 있다. 따라서 3개년에 해당하는 다수의 출판사 교과서를 구 할 수 없기 때문에, 본 연구에서는 1개의 출판사를 선택하여 개발 중인 3학년 교과서까지 포함하여 총 3개년의 교과서 1종을 분석하였다.
고등학교 교과서는 이미 검정 심사가 완료되어 사용되고 있다. 통합과학은 총 5종 중 3종의 교과서를 선택하였고, 물리학I과 물리학II는 검정 심사를 통과한 각 6종, 5종의 교과서 중에서 물리학I과 물리학II 교과서가 모두 개발된 3개 출판사의 교과서를 분석 대상으로 선택하였다.
2. 분석 방법
탐구 유형 분석은 Song & Shim의 연구 [3]에서 사용한 분석틀에 ‘설명’ 과 ‘과학놀이’ 를 추가하였다. ‘실험 관찰 (EO)’ 은 실험 과정을 거쳐 결과를 도출하는 탐구 활동이고,
‘조사, 토의 및 발표 (IDP)’ 는 조사 활동을 한 것을 토대로 토의하는 과정을 필요로 하는 활동이며, ‘자료 해석 (DA)’
은 표, 그래프, 그림 등의 자료 해석을 통한 결과를 도출하는 활동이다. ‘토의 토론 (DD)’ 은 자신의 생각과 다른 사람의 생각을 비교하고 논의하는 활동이고, ‘과학 글쓰기 (SW)’ 는 과학을 소재로 하는 글쓰기 활동이며, ‘모의활동 (SM)’ 은 모형, 시뮬레이션 등을 이용한 활동이다. ‘표현하기 (EX)’
는 학습내용을 새로운 아이디어에 연결하여 그림이나 만 화, 영화, 도표 등으로 표현하는 활동이고, ‘설명 (EP)’ 는 주어진 현상 (실험) 을 보고 물리적으로 설명하는 활동이며,
‘과학놀이’ 는 특정 규칙에 따라 수행하는 게임, 완구를 활용 한 활동, 특정 역할을 수행하는 연극 등의 활동으로 정의하 였다. Song & Shim의 연구 [3]에서는 ‘역할 놀이’ 를 ‘모의 활동’ 에 포함시켰으나, 본 연구에서는 모형 및 시뮬레이션 활동만 ‘모의 활동’ 로 분류하고 ‘역할 놀이’ 는 ‘과학놀이’
범주에 포함시켰다.
Smilansky는 피아제의 놀이 발달 단계를 보완하여 인지 발달 측면에서 놀이유형을 제시하였는데, 오늘날 ‘기능놀 이’, ‘구성놀이’, ‘역할놀이’, ‘규칙 있는 게임’ 등으로 많이 알려져 있다 [16]. 과학놀이의 분석은 이 4가지의 놀이유형 에 ‘탐구놀이’ 를 포함한 Kim 등 [17]의 인지 발달적 관점의 분류틀을 사용하였다.
‘기능놀이’ 란 놀이감 및 자료를 조작하거나 자신의 신체 를 이용하여 새로운 행동을 시도하고 반복하는 놀이이고,
‘구성놀이’ 란 놀이감 및 자료를 가지고 새로운 특정한 결과 물을 산출하는 놀이로 그리기나 만들기 등의 활동이다. ‘역 할놀이’ 는 사람이나 사물을 대체하기 위하여 놀이감, 사물, 다른 자료 및 언어를 사용하는 놀이이며, ‘규칙 있는 게임’
은 서로 합의된 규칙에 따라 자신 혹은 상대방의 이전 기록 등을 경쟁상대로 삼으며 주어진 목표를 쟁취하는 활동을 뜻한다. 그리고 ‘탐구놀이’ 는 개인이나 집단이 참여하여 과학을 즐기며 능동적으로 문제를 해결해 나가는 과정에서 학생들의 재미를 이끌어 내기 위한 조작이 포함된 활동으로 정의하였다.
3. 결과 분석
본 연구에서는 초등학교, 중학교, 고등학교 과학 (물리학) 교과서에 제시된 물리 탐구 활동을 실험 관찰 (EO), 조사, 토의 및 발표 (IDP), 자료 해석 (DA), 토의 토론 (DD), 과학 글쓰기 (SW), 모의활동 (SM), 표현하기 (EX), 설명 (EP), 과학놀이 (SP) 등의 9가지 유형으로 분석하였고, 그 중 ‘과 학놀이’ 활동을 ‘기능놀이 (FP)’, ‘구성놀이 (CP)’, ‘역할놀 이 (RP)’, ‘규칙 있는 게임 (GR)’, ‘탐구 놀이 (IP)’ 등의 5 가지 유형으로 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 각 탐구 활동 유형들의 특징을 예와 함께 제시하였으며, 탐구활동의 유형이 학년급에 따라 어떻게 변화하는 지를 분석하였다.
III. 연구 결과
1. 교과서에 제시된 물리 탐구의 탐구 유형 분석
2015 개정 과학과 교육과정의 ‘과학’, ‘통합과학’, ‘물리학 I’, ‘물리학II’ 에 수록된 탐구활동 중 물리 관련 탐구의 유형 을 학년급 (과목) 에 따라 비교 분석하여, 그 결과를 Table 1 에 제시하였다. 고등학교 과학 교과서는 모두 3종의 교과 서를 분석하여 평균값을 제시하였다.
전체적으로 가장 많이 제시된 탐구 유형은 ‘실험 관찰’ 로 총 124.3개 (53.6%) 였다. 일반적으로 탐구를 실험과 동일
Table 1. Number of inquiry activity according to inquiry type in science (physics) textbooks.
Inquiry type Grade Sum
3 4 5 6 7 8 9 Int. Sci. Phy.I Phy.II No. %
EO 14 13 11 13 13 10 4 5.3 20.3 20.7 124.3 53.6%
IDP 2 � 2 1 4 4 1.7 4.0 4.0 22.7 9.8%
DA 1 � 1 � 6 2.0 2.5 3.0 15.5 6.7%
DD � 1 � 6 � 1 3.3 1.0 1.0 13.3 5.8%
SW � � � 1.0 5.0 � 6.0 2.6%
SM � � � � � � � � 1.0 2.0 3.0 1.3%
EX � � � 1 � 2.3 2.3 2.0 7.7 3.3%
EP 1 � � � 1 � � 3.0 8.7 6.3 20.0 8.6%
SP 4 3 3 4 � 1 � � 2.3 2.0 19.3 8.3%
Sum 19 18 16 20 22 15 15 18.7 47.2 41.0 231.8 100.0%
*EO: Experiment and observation, IDP: Investigation, discussion and presentation, DA: Data analysis,
DD: Discussion and debate, SW: Scientific writing, SM: Simulation, EX: Expression, EP: Explanation, SP: Scientific play
하게 여기곤 하는데, 실제로 교과서에 제시된 탐구도 실험 (관찰) 을 통한 탐구가 가장 많이 제시되었다. 학생들은 실험실에서 실험도구를 이용하여 수공 조작을 수행하는데 바로 이 ‘실험 관찰’ 유형의 탐구가 과학을 다른 교과와 차 별화하는 역할을 한다. 두 번째로 가장 많이 제시된 탐구 유형은 ‘조사, 토의 및 발표’ 로 22.7개 (9.8%) 가 제시되었다.
그 다음으로 가장 많이 제시된 유형은 ‘설명’ 으로 총 20개 (8.6%) 가 제시되었다. ‘설명’ 은 교과서에 제시된 내용을 물리적으로 기술하는 것으로 물리학습에서 개념 이해가 중점으로 이루어지는 고등학교 과정에서 가장 많이 발견되 었다. 그 다음에는 19.3개 (8.3%) 가 제시된 ‘과학놀이’ 로 주로 초등학교에서 많이 제시되었다.
초등학교 과학 교과서는 학기별로 별책으로 구성되어 3-1 부터 6-2까지 총 8권이며, 각 교과서당 탐구 (통합탐구), 물 리, 화학, 생명과학, 지구과학 등의 5개 단원으로 구성되어 있다. 이 중에서 물리 탐구는 초등학교 3학년에는「자석의 이용」단원에서 10개,「소리의 성질」단원에서 9개의 탐구 가 제시되어 있고, 4학년에는「물체의 무게」단원에서 9개,
「그림자와 거울」단원에서 9개의 탐구가 있고, 5학년에는
「온도와 열」단원에서 9개,「물체의 빠르기」단원에서 7 개가 있고, 6학년에서는「렌즈의 이용」단원에서 9개,「전 기의 작용」단원에서 11개의 탐구 활동이 제시되어 있다.
총 73개의 탐구 중에서 가장 많은 유형은 ‘실험 관찰’ 로 총 51 개였고, 이는 전체 탐구 중 69.9% 에 해당한다. 두 번째로 많은 유형이 ‘과학 놀이’ 로 14개 (19.2%) 였다. ‘실험 관찰’ 과 ‘과학놀이’ 를 제외하고 다른 유형의 탐구는 불과 8개 밖에 되지 않았는데, 대부분의 탐구들이 수공활동을 포함하여 몸을 이용한 활동으로 구성된 것임을 알 수 있다.
초등학교 과학 교과서에 제시된 탐구 활동의 학습을 돕기
위해 교과서와 별도로『실험 관찰』책을 제공하고 있는 것도 초등학교 과학의 탐구가 활동 중심으로 구성되어 있는 것을 말해준다.
중학교에서는 1학년에서「여러 가지 힘」단원에서 10 개,「빛과 파동」단원에서 12개의 탐구가 제시되어 있고, 2 학년에서는「전기와 자기」단원에서 8개,「열과 우리 생활」
단원에서 7개, 3학년에서는「운동과 에너지」단원에서 9 개,「에너지 전환과 보존」단원에서 6개의 탐구가 제시되 었다. 가장 많이 제시된 탐구 유형은 ‘실험 관찰’ 로 총 36개 (63.2%) 이었고, 두 번째로 많이 제시된 유형은 ‘조사, 토의 및 탐구’ 로 7개 (12.3%) 이고, 그 다음으로는 ‘자료 해석’,
‘과학놀이’ 등의 순서였다. 초등학교에 비해 활동 유형의 탐구가 감소하고 조사, 자료해석 등의 비활동 유형의 탐구가 증가하였다.
고등학교의 통합과학 과목에서는 한 단원의 내용 속에 물리, 화학, 생명과학, 지구과학의 내용들이 통합되어 섞여 있다. 그 중에서「시스템과 상호작용」단원의 ‘역학적 시 스템’ 과「환경과 에너지」단원의 ‘발전과 신재생 에너지’
에 대부분의 물리 탐구들이 제시되었다. 가장 많은 탐구 유형은 ‘실험 관찰’ 이었지만, 그 비율은 29.6%로 초등학교 나 중학교에 비해서 크게 줄어들었다. 그 대신 ‘토의 토론’
(18.5%), ‘설명’(16.7%) 등이 크게 증가하였다. 고등학교 2학년과 3학년 과정에서 주로 배우는 물리학I과 물리학 II에는 평균적으로 각각 42개, 35개의 탐구가 제시되었는 데, ‘실험 관찰’ 이 52.3%로 가장 많았고, 그 다음으로 설명 (19.1%) 이었다.
학년급에 따라 유형별 탐구의 수와 비율이 어떻게 변화 하는지 알기 위해서는 동일한 기준에서 비교할 필요가 있 다. 2015 개정 교육과정의 편제와 시간 (단위) 배당 기준을
Table 2. Number of inquiries according to grade and inquiry type (Recalculated value for comparison).
Inquiry type Grade
3 4 5 6 7 8 9 IS P1 P2
EO 18.7 17.3 14.7 17.3 17.3 10.0 4.0 2.7 4.1 4.1
IDP 0.0 2.7 0.0 2.7 1.3 4.0 4.0 0.8 0.8 0.5
DA 0.0 0.0 1.3 0.0 1.3 0.0 6.0 1.0 0.3 0.6
DD 0.0 0.0 1.3 0.0 8.0 0.0 1.0 1.7 0.1 0.1
SW 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.2 0.3 0.0
SM 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.1
EX 0.0 0.0 0.0 1.3 0.0 0.0 0.0 1.2 0.5 0.1
EP 1.3 0.0 0.0 0.0 1.3 0.0 0.0 1.5 1.7 1.3
SP 5.3 4.0 4.0 5.3 0.0 1.0 0.0 0.0 0.5 0.4
Total 25.3 24.0 21.3 26.7 29.3 15.0 15.0 9.0 8.3 7.3
Fig. 1. (Color online) Number of inquiries according to grade and inquiry type (Recalculated value for compar- ison).
살펴보면, 초등학교 3학년부터 중학교 1학년까지는 과학에 할당된 시수가 학년당 102시간으로 주당 3시간이다 [18].
중학교 2학년과 3학년은 136시간 (주당 4시간) 이고, 통합 과학은 8단위 (주당 8시간), 물리학I과 물리학II는 5단위 (주당 5시간) 를 기준으로 편성하도록 되어 있다. 따라서 탐구의 수를 비교하기 위해서는 주당 수업시수를 동일한 기준으로 맞추기 위해 탐구의 수를 주당 수업시수로 나눌 필요가 있다. 또한 초등학교 3학년부터 통합과학까지는 물리와 함께 화학, 생명과학, 지구과학 등의 내용이 같이 제시되어 있기 때문에 물리만 있는 물리학I, II 과목과 비교 하기 위해 4배로 계산하였다. 그 결과를 Table 2와 Fig. 1, Fig. 2에 제시하였다.
시수를 고려하여 분석하였을 때, 전반적으로 학년급이 올라가면서 탐구의 수가 줄어드는 것을 볼 수 있다. 초등학 교에서는 환산평균 24.3개였던 것이 중학교에서는 환산평 균 19.8개로 줄어들었다. 특히 중학교 1학년에는 29.3개로
Fig. 2. Percentage of inquiry activity types by school level.
가장 많았지만, 중학교 2학년과 3학년에는 15.0개로 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 통합과학과 물리학I, II에서는 각각 9.0, 8.3, 7.3개로 더욱 더 줄어들었다.
탐구의 수가 줄어든 것은 탐구 유형 중 가장 높은 비율을 차지하는 ‘실험 관찰’ 의 탐구 수가 줄어든 것에 기인한다.
다만 탐구의 수가 줄어드는 정도에 비해 ‘실험 관찰’ 탐구의 수가 줄어드는 비율이 더 급격하게 나타났는데, 그 대신
‘조사, 토의 및 발표’, ‘자료 해석’, ‘토의 토론’, ‘설명’ 등 비활동 유형의 탐구가 증가한 것을 알 수 있다.
물리 내용 영역을 역학, 전자기학, 파동 및 광학, 열역학, 현대물리, 기타 등으로 구분하여 탐구 유형별 탐구의 비율
Table 3. Percentage of inquiry activity types by physics contents domain.
Mechanics Electromagnetism Wave & Optics Thermal Physics. Modern Physics. Etc
EO 44.7% 64.2% 67.7% 53.3% 39.1% 4.8%
IN 3.5% 15.1% 9.7% 13.3% 6.5% 9.5%
DI 15.8% 2.8% 2.2% 3.3% 6.5% 4.8%
DE 6.1% 1.9% 2.2% 0.0% 4.3% 38.1%
SW 0.9% 0.0% 0.0% 0.0% 8.7% 4.8%
SM 0.9% 0.9% 0.0% 0.0% 2.2% 0.0%
EX 4.4% 5.7% 0.0% 0.0% 4.3% 19.0%
EP 15.8% 5.7% 10.8% 16.7% 28.3% 19.0%
SP 7.9% 3.8% 7.5% 13.3% 0.0% 0.0%
Total 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0%
Fig. 3. Percentage of inquiry activity types by physics contents domain.
이 어느 정도 제시되었는지 분석하여 그 결과를 Table 3과 Fig. 3에 제시하였다. 전자기학과 파동 및 광학 영역이 다른 영역에 비해 ‘탐구 실험’ 비율이 높았다. 현대물리 영역은 전공 내용을 실험으로 구현하기 어렵기 때문에 실험보다는 다른 영역 (특히, 설명) 의 탐구가 많이 제시되었다. ‘과학놀 이’ 유형의 탐구는 역학, 파동 및 광학, 열역학 영역에서는 다수 제시되었지만, 전자기학은 상대적으로 비율이 낮았고, 현대물리 영역에서는 하나도 나타나지 않았다. 현대물리 는 고등학교 과정인 물리학I, II에서 제시되는 것에 비해 전자기학은 초등학교 과정에서도 3학년 (자석의 이용), 6 학년 (전기의 작용) 에서 다루고 있으며, 중학교에서도 2 학년 (전기와 자기) 과 3학년 (에너지 전환과 보존) 에서도 다루는 영역이다. 그러나 전자기학에 대한 탐구는 ‘전기를 절약하고 안전하게 사용하는 방법 조사하기 (6학년)’와 같이 조사 형태의 탐구를 제외하면 거의 대부분 전자기학 개념을 확인하는 실험들로 구성되어 있다.
역학이나 파동 및 광학은 해당 내용과 관련된 완구도 많이 개발되어 있고, 학생들의 동기 유발을 위한 다양한 게임형
태의 학습법도 소개되어 있다. 그렇지만 전자기학과 관련된 놀이 활동은 많이 소개되어 있지 않다. 다른 영역에 비해 추상적인 개념이 많이 포함된 전자기학의 경우, 학생들이 즐겁게 참여할 수 있는 활동들이 많이 개발될 필요가 있다.
현대물리 영역의 탐구에서 ‘실험 관찰’ 다음으로 가장 많이 발견된 유형은 ‘설명’ 이었고, ‘과학놀이’ 는 단 하나의 탐구도 제시되지 않았다. 현대 물리 내용은 최신 물리학의 내용을 소개하고자 2009 개정 교육과정에서 상대성 이론을 비롯한 많은 내용들이 포함되기 시작했다. 원자의 구조나 상대성 이론은 우리가 살아가는 거시 세계에서는 재현하게 어려운 현상이기 때문에 실험으로 구현하기도 쉽지 않을 뿐만 아니라, 중등학교에서 학습되기 시작한 지도 오래 되 지 않아 학생들의 흥미를 높일 수 있는 다양한 활동들이 개발되지 못했다.
2. 교과서 물리 탐구 중 ‘놀이 탐구’ 분석
2015 개정 과학과 교육과정에 의한 교과서 (초등학교 1 종, 중학교 1종, 통합과학 3종, 물리학I 3종, 물리학II 3종) 에 제시된 물리 탐구 중 ‘놀이탐구’ 유형은 총 24개가 발견 되었다. 놀이 탐구 24개의 학년, 내용 영역, 탐구명, 놀이 탐구 유형 등을 Table 4에 제시하였다. 그리고 이 결과를 내용 요소와 과학 놀이 유형에 따라 분석하여 Table 5에 제시하였다.
초등학교에서는 총 14개의 과학 놀이 탐구가 제시된 것에 비해 중학교에서는 단 1개만 제시되었다. 고등학교에서는 총 9개가 포함되었지만, 고등학교의 경우 3종의 교과서를 분석하였기 때문에 평균적으로 한 교과서당 3개만 제시되 었다고 할 수 있다. 즉, 과학놀이 탐구는 대부분 초등학교 수준에서만 다루고 있다고 할 수 있다.
영역별로 구분하면, 역학에서 9개, 파동 및 광학에서 7 개가 제시된 것에 비해 전자기학과 열역학은 4개밖에 제
Table 4. ‘Scientific play’ in physics inquiries.
Grade Contents Category Inquiry title Type
3 Electromagnetism Make a magnetic doll with a funny face CP*
3 Electromagnetism Making a toy using magnets CP
3 Wave & Optics Detective! Mystery of the main character of sound GR
3 Wave & Optics Make a sound play RP
4 Mechanics Find someone holding a heavy box GR
4 Wave & Optics Interesting shadow animals IP
4 Wave & Optics Making interesting toys with mirrors IP
5 Thermal Physics Making heat discoloration paper IP
5 Thermal Physics Making a simple hot-air balloon IP
5 Mechanics Making a ballon car IP
6 Wave & Optics Create a amazing color lens IP
6 Wave & Optics Making a simple camera IP
6 Wave & Optics Taking fun pictures with lens IP
6 Electromagnetism Making electric doctor IP
8 Electromagnetism Modeling voltage and current RP
Phys. I-a** Mechanics Straw gun shooting IP
Phys. I-a Mechanics Throw sandbags on a skateboard IP
Phys. I-a Thermal Physics Drinking bird FP
Phys. I-b Mechanics Fly a ball with straw IP
Phys. I-b Mechanics Catch a water balloon IP
Phys. I-c Mechanics Send a bead away with a straw IP
Phys. I-c Thermal Physics aking styrofoam boat moving with candle IP
Phys. II-a Mechanics Wood block play FP
Phys. II-a Mechanics Target with circular motion FP
* FP: functional play, CP: constructive play, RP: role playing, GR: game with rule, IP: inquiry play
** Phy1-a, Phy1-b, Phy1-c are physics textbooks developed by three different publishing companies.
Table 5. Number of inquiries according to contents and scientific play type.
Grade Contents Scientific play type
Mechanics Electromagnetism Wave & Optics Thermal Physics FP CP RP GR IP Sum
3 0 2 2 0 0 2 1 1 0 4
4 1 0 2 0 0 0 0 1 2 3
5 1 0 0 2 0 0 0 0 3 3
6 0 1 3 0 0 0 0 0 4 4
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1
9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Int. Sci. 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Phys. I 5 0 0 2 1 0 0 0 6 7
Phys. II 2 0 0 0 2 0 0 0 0 2
Sum 9 4 7 4 3 2 2 2 15 24
시되지 않았다. 그런데 역학 영역의 과학놀이 탐구가 주로 고등학교 물리학 I과 물리학 II에 제시된 것을 고려하면, 파동 및 광학 영역을 제외한 다른 영역들 모두 과학놀이 탐구의 수가 절대적으로 부족하다는 것을 알 수 있다.
과학놀이 탐구의 유형별 분석에서 가장 많은 유형은 ‘탐 구놀이 (IP)’ 로 15개 (62.5%) 였다. ‘탐구놀이’ 는 일반적인 탐구 활동 중에서 학생들의 흥미를 높이기 위한 요소를 포 함한 것으로 정의하였기 때문에 다수의 초등학교 교과서
Fig. 4. (Color online) Example of ‘role play’ type (title:
Modeling voltage and current).
에서 발견되었다. 대표적인 예로 ‘거울로 재미있는 장난감 만들기 (초4)’, ‘신기한 색깔 렌즈 만들기 (초6)’, ‘빨대로 공 날리기 (물리학I)’ 등이 있다.
‘기능놀이 (FP)’ 와 ‘구성놀이 (CP)’ 는 단순한 활동임에 반해 ‘역할놀이 (RP)’ 와 ‘규칙 있는 게임 (GR)’ 은 놀이에 포함된 과학 개념의 이해가 필요하고 학생들의 과학적 사고 력을 요구하기 때문에 보다 고차원적인 활동으로 생각할 수 있다. 역할놀이 탐구는 총 2개가 발견되었는데, 초등학교 3학년에 제시된 ‘소리극 꾸미기’ 와 중학교 2학년에 제시된
‘전압과 전류를 모형으로 표현하기 (Fig. 4 참조)’ 이다.
‘전압과 전류를 모형으로 표현하기’ 탐구는 전기 회로에서 각 소자의 특성과 전류의 흐름을 이해하기 위하여 개발된 것이다. 회로가 연결되었을 때 사탕의 이동을 통해 전자의 움직임을 표현하고, 전압과 전류의 크기에 따른 변화를 표 현하게 한다. 예로 전압이 2배가 되면 전류가 2배가 되는 상태를 사탕 2개가 이동하는 상황으로 나타내게 한다.
학생들은 화학이나 생명과학에 비해 물리에 흥미를 덜 느끼고 어려워하는데 [19,20], 특히 전자기학 영역에서 가장 크게 나타난다. 전자기 개념은 추상적인 개념들이 많이 포함 되어 있어 학생들은 학습한 이후에도 그 내용을 잘 이해하지 못하며 [21], 교사들도 지도하는 데에 어려움을 가지고 있는 영역이다 [22–24]. 특히 중학교 2학년에 배우는 ‘전기’ 에서 학생들의 어려움이 가장 크게 나타난다 [25]. 놀이를 통한 학습을 통해 학생들이 학습에 흥미를 갖고 참여할 수 있도록 하며, 역할 놀이를 통해 전기 소자들의 역할을 이해할 수 있어 의미 있는 활동으로 볼 수 있다.
‘규칙 있는 게임 (GR)’ 은 초등학교에서 2개만 발견되었 다. ‘명탐정! 소리의 주인공 추리하기 (초등 3)’, ‘무거운 상자를 들고 있는 사람 알아맞히기 놀이하기 (초등 4)’ 가 그 예이다. ‘규칙 있는 게임’ 탐구는 초등학교 교과서만 보았을 때, 타 분야 (화학, 생명과학, 지구과학) 에서 총 11 개가 제시된 것에 비하면 물리에서는 그 수가 적다고 할 수 있다.
IV. 결론 및 논의
본 연구는 2015 개정 과학과 교육과정에 의해 개발된 과학 (물리학) 교과서에 제시된 물리 내용 탐구의 유형과 그 특징을 분석한 것이다. 추가적으로 ‘과학놀이’ 탐구에 대해 세부적으로 분석하였다.
과학탐구 중 가장 많이 제시된 유형은 ‘실험 관찰’ 이었고, 그 다음으로 ‘조사, 토의 및 발표’, ‘설명’, ‘과학놀이’ 등의 순서로 많이 제시되었다. 초등학교에서는 ‘실험 관찰’ 과
‘과학놀이’ 등의 활동 유형의 탐구가 많이 제시된 것에 비해, 중학교 및 고등학교로 학년급이 올라가면서 활동 유형 탐구 의 비율이 줄어들고 ‘설명’, ‘조사, 토의 및 발표’, ‘자료 해석’
등의 비활동 유형 탐구의 비율이 점차 증가하였다. 과학과 교육과정에서는 저학년 (초등학교) 에서는 자연에 대한 관찰 과 경험을 통하여 자연에 친숙하게 하고, 학년이 올라감에 따라 점차적으로 과학의 개념 이해에 주안점을 두도록 하고 있는데 [26], 이런 관점이 탐구의 유형에도 영향을 준 것으로 해석할 수 있다. 또한 시수를 고려한 탐구의 수도 학년급이 올라가면서 점차적으로 감소하였다. 과학놀이 탐구는 거의 대부분 초등학교 영역에서만 제시되었고, 중고등학교 교 과서에서는 많은 수가 발견되지 않았다. 가장 많이 발견된 유형은 ‘탐구놀이’ 였고, 고차원적 사고가 필요한 ‘역할놀이’
나 ‘규칙 있는 게임’ 유형의 탐구의 수는 매우 적었다.
이상의 분석 내용을 바탕으로 다음과 같이 몇 가지 점들을 논의해보고자 한다. 첫째, 학년급에 따른 탐구의 수와 활동/
비활동 유형 탐구 비율의 변화이다. 탐구의 수는 학년급에 따라서 점차 증가하였지만, 시수의 증가를 고려하면 시수당 탐구의 수는 오히려 감소하였고, 활동 유형에 비해 비활동 유형 탐구의 비율이 증가하였다. 물리의 개념을 이해하는데 어려움이 있는 초등학생들에게 현상을 관찰하는 단순한 형 태의 탐구가 많이 제시되었기 때문이기도 하지만, 학년급이 올라갈수록 학교에서 실험을 수행하는 여건이 어려워 학생 과 교사 모두 실험 활동을 기피하는 경향이 교과서 개발에 영향을 주기도 했을 것이다. 현재 중등 과학 교과서의 검정 및 선정 절차에 따르면, 출판사는 교육과정과 교과서 편찬 상의 유의점 등을 고려하여 교과서를 개발하고 검정심사가
끝나면 각 학교에서 자유롭게 선정을 한다. 학교급별로 탐구 유형 비율에 변화가 생긴 이유를 알아보기 위해 일부 교과서 개발자와 면담을 시도했었는데, 한 저자는 교사들이 요구하는 교과서를 만들기 위해서 같은 내용의 탐구도 실 험보다는 자료 해석 형태로 개발하는 경우가 많이 있다고 응답하였다. 예를 들어, 중학교 3학년의「운동과 에너지」
단원에 제시되어 있는 ‘중력에 의한 운동 에너지의 크기’
탐구는 추를 떨어뜨리면서 나무 말뚝에 충돌시키는 순간의 속력을 측정하여, 추의 질량 및 속력과 말뚝의 이동거리 (운동에너지) 의 관계를 알아보는 활동이다. 실제로 실험을 수행하면 여러 가지 원인에 의해 실험 결과가 이론에 맞게 잘 나타나지 않는다. 이런 경우는 물리 개념이 더 심화되고 정교화 될수록 커져서 많은 교사들이 탐구를 지도하는데 어려움을 나타내곤 한다 [27,28]. 또한 고등학교에서는 개 념 이해와 문제 풀이를 위한 시간을 확보하기 위해 탐구를 수행하는 것을 선호하지 않는 교사와 학생들도 많다. 이와 같은 외부의 요인이 교과서 구성에 영향을 주는 것은 부적 절하며, 어느 정도의 탐구의 수가 적절한지, 그리고 활동 유형 탐구와 비활동 유형 탐구의 비율이 어느 정도가 되어야 적절한지에 대한 연구가 이루어질 필요가 있다.
둘째는 물리탐구에서 과학놀이의 활용 방안에 대한 논 의이다. 그동안 놀이는 유아 또는 초등학생 수준에서 많이 강조되어 왔다. 그 이유는 전조작기 혹은 구체적 조작기 단계의 학생들에게는 추상적인 개념의 학습이 어렵기 때문 에 과학의 흥미를 높이는데 초점을 두었기 때문이다. 최근 물리에 대한 어려움과 함께 낮은 관심과 흥미가 물리학계와 물리교육계에서 중요한 이슈가 되고 있다. 물리의 체계성과 논리성을 좋아하는 학생들도 있지만, 많은 학생들은 물리를 기피하는 경향을 띠고 있다. 물리는 생활 속에서 다양한 현상을 해석하는데 활용될 수 있고 스포츠나 예술 등 다양한 분야에 적용 가능하지만, 실제 교과서에서는 물리의 체계 적인 이론을 학습하는데 주안점을 두고 있다. 물론 물리 이론을 학습하는 것은 물리학의 기초를 익힌다는 점에서 매우 중요하며, 교육과정에서 제시하는 내용을 학습하도록 교과서가 구성되고 수업이 이루어질 필요가 있다. 그러나 구체적인 수업 방법에서의 개선이 이루어질 필요가 있으 며, 과학놀이가 하나의 대안으로 고려할 수 있다. 도르래, 역학수레, 건전지, 저항 등과 같이 전통적인 실험 기기에서 벗어나 학생들이 흥미를 가질 수 있는 완구 형태의 도구 들을 통해 놀이 형태의 탐구가 구현될 필요가 있다. 특히 전자기학이나 현대물리와 같이 추상적 개념의 학습이 필요 한 영역에 대해서는 ‘역할놀이’ 나 ‘규칙 있는 게임’ 과 같이 고차원적 과학놀이를 통해서 학습될 수 있는 가능성을 계속 탐색할 필요가 있다.
감사의 글
이 논문은 2017년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성 비 (관리번호-520170287) 로 연구되었습니다.
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