Analysis of Features of Korean Eighth Grade Students’ TIMSS 2015 Achievement in Physics due to Curriculum Change

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Analysis of Features of Korean Eighth Grade Students’ TIMSS 2015 Achievement in Physics due to Curriculum Change

Youngsun Kwak

Department of Earth Science Education, Korea National University of Education, Chengju 28173, Korea

Jaebong Lee

^∗

Korea Institute for Curriculum and Evaluation, Jincheon 27873, Korea (Received 21 May 2018 : revised 20 June 2018 : accepted 4 July 2018)

The goal of this study is to analyze the features of Korean eighth-grade students’ achievement trend in the physics domain in Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS) 2011 and TIMSS 2015 and to explore its implications for the Korean science curriculum. With six science teachers and three science educators, we analyzed the features of Korean eighth-grade students’ achievement in physics by using a test-curriculum matching analysis. According to the analysis of the physics domain in TIMSS 2015, Korean students’ percentage for correct answers dropped for such topics as electricity and relative motion because those topics are covered in the ninth grade in the 2009 revised curriculum. For science cognitive domains, Korean students demon- strated relative weaknesses in the ‘applying’ domain in TIMSS 2015. Based on the trend analysis of students’ achievements and responses for the released items, we suggest implications for middle- school-physics curriculum improvement and ways to improve science teaching and learning so that students achieve better science competency and understand real-world applications of science knowl- edge.

PACS numbers: 01.40.ek, 01.40.gb

Keywords: TIMSS, Physics domain, Cognitive domain, Achievement trend

교육과정 변화에 따른 우리나라 중학생들의 TIMSS 2015 물리 영역의 성취 특성 분석

곽영순

한국교원대학교 지구과학교육과, 청주 28173, 대한민국

이재봉

^∗

한국교육과정평가원, 진천 27873, 대한민국

(2018년 5월 21일 받음, 2018년 6월 20일 수정본 받음, 2018년 7월 4일 게재 확정)

본 연구의 목적은 수학·과학 성취도 국제비교 연구 (Trends in International Mathematics and Science Study, TIMSS) 공개 문항들 중 TIMSS 2011과 2015에 공통으로 사용된 추이문항을 활용하여 우리나라 중학교 2학년 학생들의 물리 영역 성취도 추이를 교육과정 변화에 근거하여 분석하는 것이다. 중학교 교사 6명과 과학교육을 전공한 연구자 3명이 참여하여 TIMSS 문항과 교육과정 일치도 분석을 실시하였으며,

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TIMSS 2015 과학과 물리 내용영역과 인지영역에 대해 우리나라 학생들의 성취 특성을 분석하였다.

물리 영역 평가주제별로 우리나라 학생들의 정답률과 응답경향을 분석한 결과 물리 영역의 전기나 상대 운동 등과 같은 일부 평가주제를 우리나라 2009 개정 교육과정에서 중학교 3학년 이후에 다루는 까닭에 우리나라 중학교 2학년 학생들의 정답률이 낮게 나타났다. 과학 인지영역별로는 우리나라 중학교 2학년 학생들은 다른 성취도 상위국인 싱가포르나 일본 학생들에 비해서 적용하기 영역이 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 연구결과를 토대로 우리나라 중학교 물리 영역 과학과 교육과정 개정 및 교수학습 개선 방안을 제안하였다.

PACS numbers: 01.40.ek, 01.40.gb

Keywords: TIMSS, 물리 내용영역, 인지 영역, 성취도 추이

I. 서 론

수학· 과학 성취도 국제비교 연구 (Trends in Interna- tional Mathematics and Science Study, TIMSS) 는 세계 각국의 교육성과를 점검하고 이를 개선하기 위한 시사점을 제공하는 것을 목적으로 시행되는 국제 학업성취도 평가 연 구이다. TIMSS는 국제교육성취도 평가협회 (International Association for the Evaluation of Educational Achieve- ment, IEA) 에서 추진하는 대표적인 연구로, 초등학교 4학 년과 중학교 2학년 학생들을 대상으로 수학·과학 성취도를 평가하고 있다. TIMSS는 학생들의 수학·과학 성취도와 이 에 영향을 주는 배경변인을 파악하여 각국의 교육정책 수립 과 교육의 질 개선에 유용한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다 [1,2]. 수학과 과학은 현재뿐만 아니라 미래사회에서도 중요한 기초 지식으로서, TIMSS 결과는 수학·과학 교육과 정, 교수· 학습 방법, 교육정책 등을 점검하고 개선하는 데 중요한 기초자료로 활용되고 있다. 우리나라는 중학교 2 학년의 경우 TIMSS 1995부터 현재까지 지속적으로 연구에 참여하고 있으며, 초등학교 4학년의 경우에는 TIMSS 1995 평가에 참여한 이후 평가를 중단했다가 TIMSS 2011부터 다시 참여하고 있다.

TIMSS는 참여국들의 교육과정을 기반으로 초등학교 4 학년과 중학교 2학년 학생들의 수학·과학 성취도를 평가하 고 있으므로, 참여국의 교육과정 및 학교 교육의 효과성에 대한 직접적인 정보를 제공해준다 [3]. 우리나라는 TIMSS 1995 이래로 꾸준히 국제평균 (500 점) 을 크게 상회하는 높은 성취도로 최상위권을 유지하고 있다. TIMSS 2015 결과는 TIMSS 2011 이후 4년 만에 우리나라 학생들의 수 학· 과학 성취 특성의 변화를 검토하도록 해주며, TIMSS 1995 이후 약 20년간의 장기적인 성취도 변화추이에 대한 정보를 제공한다는 점에서 큰 의의를 가진다. TIMSS 2015 에 나타난 우리나라 중학교 2학년 학생들의 과학 성취도는 556점으로 싱가포르 (597점), 일본 (571점), 대만 (569점)

∗E-mail: [email protected]

에 이어 전체 4위를 차지하였다. 우리나라는 싱가포르보다 는 41점, 일본보다는 15점, 대만보다는 13점 더 낮아 점수 차이가 크다. 중학교 2학년의 평가주기별로 과학성취도 변 화추이를 살펴보면 TIMSS 2011보다는 5점이 하락하였고, TIMSS 2007보다는 2점이 상승하였다.

TIMSS는 4년 주기로 시행되는 연구로, 평가틀 및 평가도 구 개발, 예비검사, 본검사, 결과 분석 및 보고를 순차적으로 수행한다. 가장 최근에 진행된 TIMSS 2015는 2013년에 연구를 시작하여 2016년 11월에 국제본부와 참여국들이 공동으로 평가 결과를 발표하였다. 그리고 국제본부에서는 2016년 말의 공식적인 평가 결과 발표와 함께 TIMSS 2015 국제 데이터베이스를 공개하였고, 이를 활용하여 TIMSS 참여국들은 독자적인 심층 연구를 수행할 수 있게 되었다.

우리나라에서도 2016년 말에 TIMSS 2015 기본 분석 결 과를 중심으로 우리나라 평가 결과를 다른 국가들과 비교·

분석한 국가보고서를 발간하였으며, 공개된 TIMSS 2015 국제 데이터베이스를 다각도로 재분석하여 우리나라 과 학 교육을 이해하고 개선하려는 다양한 연구를 추진하고 있다 [4]. 예를 들어, 우리나라의 TIMSS 결과를 성취도 상위국과 비교· 분석하거나 [5,6], 아시아 5개국의 수학· 과 학 성취도에 교육맥락변인이 미치는 영향력을 분석하거나 [6], 성취수준 집단별로 교수학습 활동이 성취도에 미치는 영향이나, TIMSS 평가주기별로 우리나라의 교육환경 변화 [7], 공개문항 분석을 통한 교육내용 점검 [8] 등과 같이 다양 한 심층연구들을 수행하였다. 이러한 심층 분석 연구들은 연구내용 측면에서 우리나라와 TIMSS 성취도 상위국들 에서 학생의 학업성취에 영향을 미치는 교육맥락변인들을 탐색하고 이로부터 수학· 과학 교육 개선을 위한 시사점을 얻고자 했다는 공통점을 갖는다. 또한 학생들의 성취도뿐만 아니라 교육환경의 변화에도 관심을 기울여, 평가주기에 따른 수학·과학 교육환경의 변화를 분석하기도 하였다 [9].

한편, 국제본부에서는 매 평가주기가 끝날 때마다 일부 문항을 공개하고 있는데 TIMSS 2015를 완료한 후 중학교 2학년 과학의 경우 전체 269문항 (하위문항 포함) 중 115 문항을 공개하였다. 이중 생물은 39개 문항, 물리는 26개

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Table 1. TIMSS 2015 physics assessment topics [2,15].

Content

Physics Topics Domain

1) Physical States and Changes in Matter

① Motion of particles in solids, liquids, and gases

② Changes in states of matter 2) Energy Transformation and Transfer

① Forms of energy and the conservation of energy

Assessment ② Heat transfer and thermal conductivity topics of materials

and 3) Light and Sound assessment ① Properties of light components ② Properties of sound

4) Electricity and Magnetism

① Conductors and the flow of electricity in electrical circuits

② Properties and uses of permanent magnets and electromagnets 5) Motion and Forces

① Common forces and their characteristics

② Effects of forces

③ Motion and change of motion

문항, 화학은 27개 문항, 지구과학은 23개 문항이다 [10].

공개 문항의 경우, 국제본부에서 공개한 문항들 중 완전 공개된 문항에 대한 국내 연구진이 번역, 해설한 것은 공개 문항 자료집을 참조할 수 있다 [11]. 국제본부에서는 공개 문항을 포함하여 TIMSS 2015 와 관련된 기초 데이터를 제공하지만 이것만으로는 우리나라 과학교육의 성과와 질 개선을 위한 시사점을 파악하기 힘들다. 따라서 이를 관련 배경변인 측면에서 세부적으로 분석하여 과학교육 질개선 을 위한 시사점을 도출할 필요가 있다. 이러한 맥락에서, 본 연구에서는 TIMSS 2015 결과 중 중학교 2학년 물리 영역의 성취도 데이터를 심층분석하고 우리나라 학생들의 성취 특성을 분석하고자 한다.

본 연구의 목적은 TIMSS 2015 중학교 2학년 과학 성취 도 결과 중, 물리 영역에 대해 우리나라 교육과정에 비추어 TIMSS 2011과 2015에서 학생들의 성취 특성과 그 원인을 탐색하려는 것이다. 이때 물리 영역의 평가주제별로 해당 문항들의 특성과 우리나라 학생들의 성취 특성을 논의하고, 성취도 추이변화의 원인을 물리 교육과정 변화에 비추어 분석하고자 한다. 특히 공개 문항을 중심으로 세부 문항 내용과 정답률 추이 변화를 상세하게 논의하고자 한다. 우 리나라 과학과 교육과정의 경우 주요 내용영역별로 교육 과정에서 다루는 시기와 개념들 간의 연계가 필요하다는

Table 2. Distribution of TIMSS 2011 & 2015 eighth grade science items [17].

Content TIMSS 2011 TIMSS 2015

domains number of items (%) number of items (%)

Biology 79 (37%) 75 (36%)

Chemistry 44 (20%) 44 (19%)

Physics 55 (25%) 56 (24%)

Earth Science 39 (18%) 45 (21%)

Total 217 (100%) 220 (100%)

Cognitive TIMSS 2011 TIMSS 2015 domains number of items (%) number of items (%)

Knowing 73 (32%) 77 (36%)

Applying 92 (44%) 91 (41%)

Reasoning 52 (55%) 52 (23%)

Total 217 (100%) 220 (100%)

※ The percentage is percentage of score points.

선행연구 [12,13]를 반영하여 TIMSS 물리 영역 평가주제들 을 우리나라 중학교 교육과정에서 어떻게 다루고 있는지를 분석하고자 한다. 또한, 물리 영역 성취 특성과 더불어, 인지영역별 성취 특성을 분석하여 중학교 과학과 교육과정 및 교수·학습 개선에 주는 시사점을 도출하고자 한다.

II. 연구 내용 및 방법

1. TIMSS 2015 중학교 과학 평가틀

TIMSS는 성취도 추이를 파악하기 위해 매 평가주기마다 평가틀을 수정· 보완하는데, 이는 평가틀에 대한 TIMSS 참여국의 검토 의견을 반영함과 동시에 수학· 과학교육의 국제 변화 동향에 부응하려는 것이다 [7,14]. TIMSS 2015 의 평가틀은 TIMSS 2011에서 사용된 평가틀을 바탕으로 부분적으로 수정· 보완하였으며, 2013년에 개발을 완료하 였다. TIMSS의 성취도 평가틀은 크게 내용영역과 인지영 역으로 나누어지며, TIMSS가 교육과정을 기반으로 하는 평가이므로 성취도 평가틀은 참여국에서 가르치는 과학과 교육과정 내용을 중심으로 구성되었다.

TIMSS 2015 8학년 과학과 내용영역은 생물, 화학, 물리, 지구과학의 4개 영역으로 구성되며, 이전 주기에 해당하는 TIMSS 2011과 영역명은 동일하지만 영역별 하위 평가요 소에는 차이가 있다 [2,15]. TIMSS 2015 과학 평가틀 중, 중학교 물리 내용영역의 평가주제를 살펴보면 Table 1과 같다.

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Table 3. Science curriculum completed by the eighth grade students participated in TIMSS.

Assessment cycle Year 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

TIMSS 2011 Grade 5th 6th 7th 8th

Curriculum The 7th

TIMSS 2015 Grade 3th 4th 5th 6th 7th 8th

Curriculum The 7th 2007 Revised 2009 Revised

TIMSS 2015의 중학교 2학년 과학 내용영역 및 인지영 역별 문항 수와 비율을 살펴보면, 4가지 내용영역 중 생물 영역의 문항이 36%로 가장 많은 비중을 차지하고 있으며, 이어서 물리 영역의 문항이 24%이고, 지구과학 영역은 21%, 화학 영역은 19%를 차지한다 (Table2참조). TIMSS 2015 과학과 인지영역 평가틀 역시 이전 평가주기와 마찬가지로 알기, 적용하기, 추론하기의 3개 영역으로 구성된다 [15].

인지영역별로 살펴보면, 적용하기 문항의 비중이 41%로 가장 높았으며, 알기 36%, 추론하기 23% 순으로 나타났다.

TIMSS 2015 과학 평가문항은 초등학교에 비해 중학교의 문항 수가 많고, 선택형과 구성형 문항은 영역별로 구성 비율에 차이가 있으며 전체적으로는 선택형 문항의 비중이 더 높다 [6,16].

2. 분석 대상과 방법

TIMSS 2015는 중학교 2학년 교육과정을 이수한 학생들 을 대상으로 실시하므로, 우리나라의 경우 2014년 12월에 실시하였다. TIMSS 2011과 2015에서 중학교 2학년으로 평가에 참가한 학생들이 학습한 과학과 교육과정을 개관하 면 Table3과 같다.

Table3에서 볼 수 있듯이, TIMSS 2011의 중학교 2학년 (8학년) 은 모두 제7차 교육과정 [18]으로 학습한 학생들이 며, TIMSS 2015의 중학교 2학년은 중학교 1, 2학년에서 2009 개정 교육과정 [19]으로 학습한 학생들이다. 이에 본 연구에서는 TIMSS 2015 물리 영역 문항들에 대해 정답률 과 응답경향을 분석하고, 우리나라 교육과정에서 TIMSS 2015에서 출제된 물리 영역의 평가주제를 어떻게 다루는 지를 분석하였다. 이를 위해서 중학교 교사 6 명과 과학 교육을 전공한 연구자 3명이 참여하여 TIMSS 2015에서 출제된 물리 영역의 평가주제별로 교육과정과의 일치도와 학생들의 정답률을 분석하고, 응답 특성을 초래한 원인을 분석하였다. 여기서 중학교 교사들은 과학 (물리) 혹은 과학 (화학) 등의 자격증을 지닌 과학과 교사들로, 15년에서 26 년의 교직경력을 지닌 교사들로 구성되었다. 과학교육을 전공한 3명은 과학교육 (물리 전공), 과학교육 (지구과학

전공) 등의 박사학위를 가진 대학교수나 연구자들이다. 이 들 전문가들은 국내 학업성취도평가 출제· 분석 혹은 국제 학업성취도 결과 해석 등에 수년 동안 연구협력진으로 참여 해왔다. 또한, 교사들을 중심으로 TIMSS 2011과 2015에서 우리나라 중학교 물리 영역 성취도 추이변화를 분석하고, 그 원인을 제7차와 2009 개정 교육과정에서 해당 평가주제를 어떻게 다루는지를 중심으로 분석하였다. 특히 공개 문항들 중 TIMSS 2011 과 2015 에 공통으로 사용된 추이문항을 활용하여 우리나라 중학교의 물리 영역 성취도 추이를 교육 과정 변화에 근거하여 분석하였다. 전체 연구진이 전문가 협의회를 통해 TIMSS 문항과 교육과정 일치도 분석을 실 시하였으며, 필요한 경우 연구자는 개별 교사들을 대상으로 실제 과학수업을 어떻게 진행해왔는지를 면담하였다. 분석 결과를 토대로 우리나라 중학교 물리 영역 교육과정 개선에 주는 시사점을 도출하고자 하였다.

III. 연구 결과 및 논의

1. TIMSS 2015 물리 영역의 성취도 및 추이 변화

TIMSS 2015에서 성취도 상위국을 중심으로 중학교 2 학년 과학과 물리 영역의 성취도와 변화 경향을 살펴보면 Table4와 같다. 물리 영역에서는 성취도 점수가 564점으로 싱가포르 (608점), 일본 (570점) 에 이어서 참여국 중 3위를 차지하였다. 전체에서 1위를 차지한 싱가포르와 비교할 때, 물리 영역에서는 평균점수 44점이 더 낮다. 전체 점수와 마찬가지로 1∼2위를 차지한 싱가포르나 일본과 비교할 때, 물리과 화학 영역 모두 점수 6∼44점이 더 낮다.

TIMSS의 경우 각 국가별로 전체 성취도에 비추어 내용 영역별 성취도를 분석하는데, 우리나라는 물리 영역에서는 전체 성취도에 비해 통계적으로 유의하게 높은 점수를 나 타내었다. 이는 우리나라 학생들이 다른 내용영역에 비해, 상대적으로 물리 내용영역에서 더 높은 성취를 나타낸다는 것을 보여준다. 이러한 경향은 전체 점수에서 1위를 차지한 싱가포르에서도 발견된다. TIMSS 2015 내용영역별 정답 률을 국제평균 정답률과 비교해보면, 우리나라의 경우에는

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Table 4. TIMSS 2015 achievement and trends in physics domain (eighth grade) [17].

Overall Science Physics

Average Scale Score TIMSS 2015 - 2011 Average Scale Score TIMSS 2015 - 2011

Singapore 597 7 608▲ 7

Japan 571 13△ 570 12△

Thailand 569 6 560▼ 8

Korea 556 -5 564▲ -12▽

Slovenia 551 8△ 545▼ 13△

Hong Kong 546 11△ 540▼ 2

Russian Federation 544 2 548 1

England 537 4 535 2

Kazakhstan 533 43△ 543▲ 54△

United States 530 5 516▼ 3

Hungary 527 5 531 6

Sweden 522 13△ 524 26△

Lithuania 519 8△ 513▼ 11△

* TIMSS Scale Centerpoint is 500, and the standard deviation is 100.

▲: Subscale score significantly higher than overall science score. ▼: Subscale score significantly lower than overall science score.

△:TIMSS 2015 is significantly higher. ▽: TIMSS 2015 is significantly lower.

화학을 가장 어려워했으며, 화학 영역에 비해 물리 영역에 서는 어려움을 덜 겪은 것으로 보인다 [17].

TIMSS 2011과 비교하여 TIMSS 2015에서 우리나라는 물리 영역에서 12 점이 하락하였다. 우리나라 학생들은 TIMSS 2011에 비해 점수가 5점만 하락하였지만, 나머지 국가들의 점수가 큰 폭으로 상승한 까닭에 우리나라의 전체 등수가 TIMSS 2011의 3위에서 TIMSS 2015의 4위로 떨 어진 것으로 보인다 [3]. 특히 물리 (-12점) 영역에서 점수가 유의한 수준으로 하락한 것이 전체 점수 하락의 주요 원인이 된 것으로 보인다.

TIMSS 2011에서는 물리 (577점) 의 성취도가 가장 높았 다는 점을 감안해보면 [20], 물리 영역의 점수 하락이 전체 점수 하락에 끼친 영향을 추론해볼 수 있다. 즉, TIMSS 2015 물리 영역의 성취도 추이변화를 살펴보면 TIMS 2011 에 비해 상위 12개국 모두가 1∼54점 범위로 점수가 상승한 반면에 우리나라만 물리 영역의 점수가 하락하여 전체 점수 하락의 직접적인 원인이 된 것으로 보인다. 이러한 맥락에서 TIMSS 2011에 비해 TIMSS 2015에서 물리 영역 점수가 하락한 이유를 우리나라 교육과정과 TIMSS 평가문항 일 치도 분석에서 찾아볼 필요가 있다.

TIMSS 2015의 ‘교육과정 일치성 분석 (Test-Curriculum Matching Analysis, TCMA)’ 결과를 살펴보면, 물리 영역 의 경우 TIMSS 2011의 중학교 2학년 학생들은 모두 제7차 교육과정으로 학습한 학생들이며, TIMSS 2015의 중학교 2학년 학생들은 중학교 1, 2학년에서 2009 개정 교육과정 으로 학습한 학생들이다. 이러한 맥락에서 공개 문항을

중심으로 우리나라 학생들의 물리 영역의 정답률을 교육과 정과의 일치도 측면에서 분석해 볼 필요가 있다.

2. 물리 영역 교육과정 일치도 및 정답률 분석

먼저 공개 문항을 중심으로 TIMSS 2011 과 2015 에서 10%p 내외의 정답률 차이를 나타낸 문항주제와, 관련 주제 를 우리나라 교육과정에서 어떻게 다루는지를 살펴보고자 한다. 이렇게 선택된 문항의 경우 통계분석을 실시한 결과 모두 정답률이 주기별로 통계적으로 유의미한 차이를 보 였다. 여기서 평가주제를 구성하는 하위 평가요소별 평균 정답률의 경우, 공개 문항과 비공개 문항 모두에 대해 정답 률을 산출한 것이다. 비공개 문항의 경우 다음 평가주기에 도 사용해야 하므로, 자세한 문항 내용에 대해서는 다루지 못하였다.

1) 물질의 물리적 상태 및 변화

물질의 물리적 상태와 변화는 세부적으로 ‘①고체, 액체, 기체에서 입자의 운동’ 과 ‘②물질 상태의 변화’ 라는 2가지 평가요소로 구성된다. 이 영역은 우리나라 교육과정에서는 화학 영역으로 분류되기도 하지만 TIMSS에서는 물리 영 역으로 분류되어 있다. 먼저 공개 문항을 중심으로 TIMSS 2011과 2015에서 10%p 내외의 정답률 차이를 나타낸 문항

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Table 5. Item-Curriculum Matching Analysis for sample physics topics: Physical States and Changes in Matter &

Energy Transformation and Transfer.

Percent Correct (%)

Curriculum change Assessment Item topics Cognitive Korea (International Avg)

topics (Item type) domain TIMSS TIMSS

the 7th 2007 2009 2015

2011 2015 Revised Revised Revised

Change of Reasoning 56.8 44.5▽ Grade 7 Grade 7 Grade 7 Grade 7 volumes of two (43.8) (43.3) (4)Three (1)Three (6)Molecular (4)Nature

samples with states of states of motion and of gas

the size of matter matter state (5)Change

Physical container (MC, change in the state

States multiple-choice) of matter

and Reason for Knowing 48.8 38.2▽ Grade 7 Grade 7 Grade 7 Grade 7

Changes gases easier (48.2) (49.0) (4)Three (1)Three (6)Molecular (4)Nature

in Matter to compress states of states of motion and of gas

than solids matter matter state (5)Change

and liquids (5)Molecular (2)Molecular change in the state

(MC) motion motion of matter

Energy Wood or metal Applying 22.5 33.8△ - Grade 8 Grade 7 Grade 8

Transfor- container to (22.6) (24.5) (1)Thermal (5)Heat and (15)Heat

mation keep ice (CR, energy our life and our

and constructed life

Transfer response

△: TIMSS 2015 is significantly higher. ▽: TIMSS 2015 is significantly lower.

주제와, 관련 주제를 우리나라 교육과정의 어느 단원에서 다루는지를 살펴보면 Table5과 같다.

2009 개정 교육과정에서는 중학교 1학년 ‘(5) 열과 우리 생활’, ‘(6) 분자 운동과 상태변화 (7차에서는 물질의 세 가 지 상태, 분자의 운동)’, 중학교 2학년의 ‘(12) 물질의 특성’

단원에서 관련 내용을 학습한다.

평가요소 ‘①고체, 액체, 기체에서 입자의 운동’ 에서 출 제된 문항들 중, 입자들 간의 간격, 운동, 액체의 밀도 비 교 등과 같은 선택형 문항에서 우리나라 학생들은 평균 50∼70%의 정답률을 나타내었다. 동일한 평가요소에서 출제된 경우라도, 액체에 비해 기체를 압축하기 쉬운 이유, 밀도 판단의 근거 설명 등과 같은 구성형 문항에서는 정답 률이 20∼30%로 나타나 선택형 문항에 비해 크게 낮아진 다. Table 5에서와 같이 평가요소 ‘①고체, 액체, 기체에서 입자의 운동’ 에 속한 공개 문항 중, 용기의 크기에 따라 두 샘플의 부피가 달라지는 이유를 고르는 선택형 문항에서 국제 평균 정답률은 약 43%인데 비해 우리나라 학생들의 정답률은 TIMSS 2011에서 56.8%이었으나 TIMSS 2015 에서 정답률이 44.5%로 10%p 이상 하락하였다. 답지별 반응 분포를 살펴보면, 입자들의 크기가 달라서 부피가 달 라졌다는 오답을 고른 학생들이 TIMSS 2015(37.1%) 에서

는 TIMSS 2011(24.3%) 에 비해 더 많았다. 제7차 및 2009 개정 교육과정에서 모두 물질의 상태와 분자 운동 등을 중학교 1학년에서 다루지만, 물질의 부피를 결정하는 것이 무엇인지에 대한 개념이 없으며, 학생들이 분자 사이의 거리 개념과 분자의 크기 개념을 혼동하여 정답률이 하락하였을 것이라고 교사들은 설명하였다.

고체와 액체에 비해 기체를 압축하기 쉬운 이유를 적 는 구성형 문항의 경우, 국제 평균 정답률이 약 49%이고, TIMSS 2011에서 정답률이 국제 평균과 유사한 48.8%이 었으나 TIMSS 2015에서는 정답률이 10%p 정도 하락한 38.2%이었다. 이는 제7차 교육과정에서는 상태 변화 단원 과 분자 운동 단원이 분리되어 있어서 반복해서 상태변화와 분자 운동을 학습하다가, 2009 개정에서는 이를 통합하여

‘분자 운동과 상태 변화’ 를 한 단원으로 학습하도록 교육과 정이 편성된 것도 영향을 주었을 것이라고 교사들은 분석 하였다.

평가요소 ‘②물질 상태의 변화’ 에서 출제된 문항들 중, 상태변화에 따른 부피 변화, 끓는점의 의미 등을 묻는 선택 형 문항에서 우리나라 학생들은 평균 60∼70%의 정답률을 나타내었다.

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Table 6. Item-Curriculum Matching Analysis for sample physics topics: Light and Sound & Electricity and Magnetism.

Percent Correct (%)

the 7th 2007 2009 2015

Light Path of Knowing 84.0 88.7△ Grade 7 Grade 8 Grade 8 Grade 7

and light (59.0) (60.4) (2)Light (6)Light (9)Light (6)Light

Sound (MC) and wave and wave and wave

Calculation Applying 63.4 12.8▽ Grade 8 Grade 9 Grade 9 Grade 8 of resistance (16.0) (15.0) (7)Electricity (5)Electricity (15)Electricity (9)Electricity

in a circuit and and

Electricity (CR) magnetism magnetism

and Reason for only Applying 55.4 38.1▽ Grade 8 Grade 9 Grade 9 Grade 8 Magnetism one light bulb (40.8) (41.2) (7)Electricity (5)Electricity (15)Electricity (9)Electricity

remained on and and

in 2 parallel magnetism magnetism

bulbs (CR)

2) 에너지 전환과 전달

에너지 전환과 전달은 세부적으로 ‘①에너지의 형태와 에너지 보존’ 과 ‘②열전달과 물질의 열전도성’ 이라는 2가지 평가요소로 구성된다. 먼저 공개 문항을 중심으로 TIMSS 2011과 2015에서 10%p 이상의 정답률 차이를 나타낸 문항 주제와, 관련 주제를 우리나라 교육과정의 어느 단원에서 다루는지를 살펴보면 Table5와 같다.

평가요소 ‘①에너지의 형태와 에너지 보존’ 에서 출제된 문항들 중에서 장난감 자동차에서 일어나는 에너지 전환, 스프링이나 미끄럼틀에서 발견되는 에너지 전환 등과 같은 문항에서 우리나라 학생들은 72∼90%의 평균 정답률을 나 타내어 에너지 전환 형태를 쉽게 파악하는 것으로 보인다.

평가요소 ‘②열전달과 물질의 열전도성’ 에서 출제된 문항들 중, 열의 이동 방향, 단열재 등의 문항 중 선택형 문항에서는 평균 약 70%, 구성형 문항에서는 평균 30∼40%의 정답률 을 나타내었다. 열전달과 물질의 열전도성의 경우 제7차 교육과정에서는 다루지 않았으나 2007 개정 교육과정부터 중학교에 편성되어 2009 개정 교육과정에서는 중학교 1 학년 ‘(5) 열과 우리 생활’ 에서 다루며, TIMSS 2011에서 학생들은 일상생활의 경험에 비추어 답안을 작성한 것으로 보인다.

평가요소 ‘②열전달과 물질의 열전도성’에 속한 공개 문항 중, 금속으로 만든 용기보다는 나무로 만든 용기에 얼음을 보관해야 하는 이유를 적도록 한 구성형 문항에서 우리나라 학생들은 TIMSS 2011에 비해 TIMSS 2015에서 정답률이 10%p 이상 상승하였다. 이는 앞서 지적한 것과 같이 제

7차 교육과정에서는 중학교에서 명시적으로 다르지 않던 소재를 2009 개정 교육과정의 중학교 1학년 열과 우리생활 단원에서 단열재와 열전달 등을 학습한 후 평가에 참여하 였기 때문인 것으로 보인다.

3) 빛과 소리

빛과 소리는 세부적으로 ‘①빛의 성질’ 과 ‘②소리의 성 질’ 이라는 2가지 평가요소로 구성된다. 빛과 소리의 경우 TIMSS 2011과 2015에서 10%p 내외의 정답률 차이를 나 타낸 문항이 없으며, 모든 추이 문항들의 경우 0.7∼4.7%p 의 정답률 차이를 나타내었다. 따라서 여기서는 가장 큰 정답률 차이를 나타낸 추이문항을 제시하였다.

평가요소 ‘①빛의 성질’ 에서 출제된 문항들 중, 물체를 보는 과정에서 빛의 경로, 거울의 위치 판단, 물체의 색 등 과 같은 문항에서 우리나라 학생들은 선택형 문항의 경우 64∼90%, 구성형의 경우 40∼45%의 정답률을 나타내었다.

빛과 관련된 내용은 제 7차 교육과정의 경우에는 중학교 1학년 ‘빛’ 단원에서, 2009 개정 교육과정에서는 중학교 2 학년의 빛과 파동에서 다루며, 중학교 2학년 학생들은 빛의 반사나 빛의 경로 등에 대해 학습한 내용을 토대로 평가에 참여하여 상대적으로 높은 정답률을 나타낸 것으로 보인다.

공개 문항 중, 책을 읽을 수 있도록 이동한 빛의 경로를 찾 는 선택형 문항에서 우리나라 학생들은 TIMSS 2015에서 TIMSS 2011보다 약 5%p 더 높은 정답률을 나타내었는데, 이는 빛의 경로와 관련된 내용을 우리나라 교육과정에서 중 학교 중학교 2학년 과정에서 다루기 때문인 것으로 보인다.

(8)

평가요소 ‘②소리의 성질’ 에서 출제된 메아리의 원리, 천 둥과 번개의 속력 비교, 소리의 특성 등과 관련된 문항에서 우리나라 학생들은 평균 60∼77%의 정답률을 나타내었다.

소리의 특성과 관련된 내용은 제7차 교육과정에서는 중학교 1학년 파동 단원에서 다루며, 2009 개정 교육과정에서는 중학교 2학년 빛과 파동 단원에서 다루기 때문에, 우리나라 학생들은 소리의 반사와 빠르기 등을 해석하는 문제를 쉽게 해결한 것으로 보인다. 다만, 소리의 성질에서 우리나라 중 학교 2학년 학생들은 굴절과 반사를 자주 혼동하는 경향을 나타내었다.

4) 전기와 자기

전기와 자기는 세부적으로 ‘①도체와 전기회로에서 전 기의 흐름’ 과 ‘②영구자석과 전자석의 성질과 활용’ 이라는 2가지 평가요소로 구성된다. 먼저 공개 문항을 중심으로 TIMSS 2011과 2015에서 10%p 이상의 정답률 차이를 나 타낸 문항주제와, 관련 주제를 우리나라 교육과정의 어느 단원에서 다루는지를 살펴보면 Table 6과 같다.

평가요소 ‘①도체와 전기회로에서 전기의 흐름’ 에서 출 제된 문항들 중, 주어진 전기회로에서 불이 켜지지 않는 이유를 진단하거나 전구의 병렬연결의 의미를 해석하는 등과 같은 문항에서 우리나라 학생들은 평균 40∼50%의 정답률을 나타내었다. 평가요소 ‘①도체와 전기회로에서 전기의 흐름’ 에 속한 공개 문항 중, 전기회로를 주고 제시된 전압과 전류값을 이용하여 저항을 계산하는 문항에서 우 리나라 중학교 2학년 학생들은 TIMSS 2011에 비해 50%p 이상 정답률이 하락하였다. 이는 2009 개정 교육과정에서 는 전기와 자기를 중학교 3학년에서 다루기 때문에 관련 내용을 학습하지 않은 상태에서 중학교 2 학년 학생들이 평가에 참여하여 정답률이 급락한 것이라고 교사들은 분석 하였다. 반면에 제7차 교육과정에서는 중학교 2학년 전기 단원에서 ‘실험을 통하여 전압과 전류의 관계를 밝히고, 이 를 저항의 직렬연결과 병렬연결에 적용’ 하는 내용을 학습한 직후 TIMSS 평가에 참여하여 우리나라 학생들의 정답률이 높았던 것으로 보인다. 한편, 우리나라 교육과정에서는 전지의 직렬과 병렬, 저항의 직렬과 병렬연결 등을 따로 배우는 반면에, TIMSS 문항에서는 이를 종합적으로 비교 분석하도록 한꺼번에 묻고 있어서 학생들이 구성형 답안을 적는 데 어려움을 겪었을 것이라고 교사들은 진단하였다.

평가요소 ‘①도체와 전기회로에서 전기의 흐름’ 에 속한 공개 문항 중, 전구의 병렬연결의 의미를 해석하는 문항에서 우리나라 중학교 2학년 학생들은 TIMSS 2011에 비해 약 17%p 정답률이 하락하였는데, 이는 제7차 교육과정에서 중학교 2학년 마지막 단원인 ‘전기’ 단원에서 저항의 연결에

대해 배웠지만, 2009 개정에서는 중학교 3학년에서 다루는 내용이어서 정답률이 하락한 것이라고 교사들은 분석하 였다.

평가요소 ‘②영구자석과 전자석의 성질과 활용’ 에서 출제 된 문항들 중, 막대자석에서 극을 판단하거나 자석의 세기 판단, 전자석의 세기를 강하게 하는 방법 등의 문항에서 우리나라 학생들은 60∼80%의 높은 정답률을 나타내었다.

막대자석이나 전자석 등과 관련된 내용은 2009 개정의 초 등학교 과정에서 자석의 이용과 전자석 만들기 등을 다룬 다. 도체와 절연체 구분하기, 전기회로 완성하기, 전기회 로에서 저항값 계산하기 등의 문항에서 우리나라 학생들 은 40∼50%의 정답률을 나타내었다. 전기회로와 관련된 내용은 2009 개정 교육과정의 중학교 3학년 전기와 자기 단원에서 다루며, TIMSS 2015에서 중학교 2학년 학생들은 전기회로를 아직 학습하지 않았지만 초등학교에서 학습한 전구의 밝기 비교에 대한 이해 등을 토대로 답안을 작성한 것으로 보인다.

5) 힘과 운동

힘과 운동은 세부적으로 ‘①일반적 힘과 그 특징’, ‘②힘 의 효과’, ‘③운동과 운동의 변화’ 라는 3가지 평가요소로 구성된다. 먼저 공개 문항을 중심으로 TIMSS 2011과 2015 에서 10%p 이상의 정답률 차이를 나타낸 문항주제와, 관련 주제를 우리나라 교육과정의 어느 단원에서 다루는지를 살펴보면 Table 7과 같다.

평가요소 ‘①일반적 힘과 그 특징’ 에서 출제된 문항들 중, 중력의 작용과 작용 반작용 등과 관련된 구성형 문항에서 우리나라 학생들은 30∼40%의 정답률을 나타내었다. 중력 을 포함한 일반적 힘, 힘의 효과 등은 제7차 교육과정에서 중학교 1학년의 ‘힘’ 단원에서 다루며, 2009 개정 교육과 정에서는 중학교 1학년 ‘(3) 힘과 운동’ 단원에서 다루지만 정답률이 낮은 것으로 볼 때, 학생들은 각 상황에서 관련된 힘과 힘의 효과를 설명하는 데서 어려움을 겪은 것으로 보인 다. 힘과 운동에서는 작용 반작용에 해당하는 힘의 크기를 비교하는 문항에서 우리나라 중학교 2학년 학생들은 약 30%

의 평균 정답률을 나타내었다. 평가요소 ‘①일반적 힘과 그 특징’ 에 속한 공개 문항 중, 담장위에 앉아있을 때 작용하는 힘을 설명하는 구성형 문항에서 우리나라 중학교 2학년 학생들은 TIMSS 2011에 비해 TIMSS 2015에서 정답률이 24%p 하락하였다. 제7차 교육과정 및 2009 개정 교육과정 의 힘 단원에서 중력을 배우지만, 중력이 작용한다는 것만 다루고 중력의 반작용에 해당하는 힘까지는 다루지 않기 때문에 TIMSS 2015에서 학생들의 정답률이 하락하였을 것이라고 교사들은 분석하였다. 즉, 제7차 교육과정에서는

(9)

Table 7. Item-Curriculum Matching Analysis for sample physics topics: Motion and Forces.

Percent Correct (%)

the 7th 2007 2009 2015

Examples Knowing 66.0 79.9△ Grade 9 Grade 9 Grade 8 -

of a lever (47.2) (47.8) (2)Work (3)Work (13)Work

(MC) and and and Energy

Energy Energy Conversion

Explaining Reasoning 1.6 21.3△ Grade 9 Grade 9 Grade 8 Grade 9 conservation of (10.5) (10.3) (2)Work (3)Work (13)Work (22)Energy

mechanical and and and Conversion

energy with ball Energy Energy Energy and

Motion bouncing (CR) Conversion Conservation

and Forces on Applying 60.0 36.0▽ Grade 7 Grade 7 Grade 7 Grade 7

Forces student sitting (44.9) (47.3) (10)Force (7)Force (3)Force (2)Various

on wall (CR) and Motion and Motion forces

Pressure Applying 62.7 37.0▽ Grade 9 Grade 9 Grade 8 Grade 9

from wooden (24.5) (23.9) (4)Water (4)The nature (10)Atmos- (18)Atmos-

block circulation of the atmos- phere and phere and

(CR) Weather phere and our life Weather

change diary change

Relative motion Reasoning 54.5 44.4▽ - - - -

of the bell on (39.4) (38.8) a bike (MC)

작용반작용으로 힘의 작용을 설명하지만, 2009 개정에서는 작용반작용을 중학교에서는 다루지 않고 힘을 상호작용의 관점을 강조해서 다룬다. 2015 개정 교육과정에서도 여전히 중학교에서는 작용반작용은 다루지 않고 자유낙하 운동에서 속력이 어떻게 되는지 현상학적으로 측정하는 활동 위주로 학습하도록 하고 있다.

평가요소 ‘②힘의 효과’ 에서 출제된 문항들 중, 접촉면 에 따른 압력의 크기 비교 및 수심에 따른 압력 등을 묻는 문항에서 우리나라 학생들은 40∼50%의 평균 정답률을 나타내었다. 압력의 경우 2009 개정 교육과정의 중학교 1 학년 ‘(6) 분자 운동과 상태변화’ 단원 (제7차에서는 분자의 운동) 에서 분자충돌로 인한 압력을 다루고, 중학교 2학년

‘기권과 우리생활’ 에서 기압을 다룬다. 평가요소 ‘②힘의 효과’ 에 속한 공개 문항 중 접촉면의 넓이에 따른 압력의 크기를 비교하고 그 이유 설명하는 구성형 문항에서 국제 평균 정답률은 약 24%인데 비해 우리나라 학생들의 정답률 은 이보다는 높지만, TIMSS 2011에서는 62.7%의 정답률 이지만, TIMSS 2015에서는 정답률이 37.0%로 정답률이 약 26%p 하락하였다. 제7차 및 2009 개정 교육과정에서

압력 개념은 입자들의 충돌에 의해 압력이 생긴다는 것과 일기현상을 다룰 때 대기압에서 압력 개념을 다룬다. 제7 차 교육과정에서는 스펀지를 누르는 접촉면의 넓이에 따른 압력 차이를 그림과 함께 다루고 계산까지 하였는데, 2009 개정에서 관련 내용이 교육과정 및 교과서에서 빠지면서 TIMSS 2015에서 학생들의 정답률이 하락한 것이라고 교 사들은 분석하였다.

평가요소 ‘②힘의 효과’ 에서 출제된 문항들 중, 빗면이나 지렛대의 원리와 관련된 문항들에서 우리나라 학생들은 65∼80%의 정답률을 나타내었다. 도구 사용과 일의 원리 등의 내용은 제7차 교육과정에서는 중학교 3학년의 일과 에너지 단원에서 다루고 2009 개정 교육과정의 중학교 2 학년의 일과 에너지 전환에서 다루며, TIMSS 2015에서 학생들은 관련 내용을 학습한 직후에 평가에 참여하여 정답 률이 높은 것이라고 교사들은 설명하였다. 예를 들어, 평가 요소 ‘②힘의 효과’ 에 속한 공개 문항 중 지렛대의 원리를 이용한 도구를 고르는 선택형 문항에서 국제 평균 정답률 은 약 47%인에 비해 우리나라 학생들은 TIMSS 2011에서 66.0%, TIMSS 2015에서 79.9%로 정답률이 10%p 이상

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상승하였다. 이는 중학교 2학년에서 일과 에너지 단원에서 일의 원리를 학습하면서 지렛대의 원리를 학습한 학생들이 그해 12월에 TIMSS 2015에 참여함으로써 정답률이 높아진 것으로 보인다. 반면에 TIMSS 2011에서는 일의 원리를 중학교 3학년 교육과정에서 다루므로 이를 미처 학습하지 않은 상태에서 중학교 2학년 학생들이 TIMSS 2011에 참 여하여 정답률이 상대적으로 낮아진 것으로 보인다.

평가요소 ‘③운동과 운동의 변화’ 에서 출제된 문항들 중, 시간-거리 그래프 해석하기나 화살표로 나타낸 힘의 합력 구하기 등과 같은 선택형 문항에서 우리나라 중학교 2학년 학생들은 약 80%의 평균 정답률을 나타내었다. 평가요소

‘③운동과 운동의 변화’ 에서 출제된 문항들 중, 역학적 에너 지의 종류와 역학적 에너지 전환을 묻는 문항에서 우리나라 학생들은 평균 75∼90%의 높은 정답률을 나타내었다. 이는 중학교 2학년의 일과 에너지 전환 (7차에서는 일과 에너지) 에서 관련 내용을 학습하였기 때문에 정답률이 높은 것으로 보인다. 공개 문항 중에서, 공중으로 던져 올린 공이 바닥에 떨어져 다시 튀어오를 때 도달하는 지점을 묻는 문항에서 우리나라 학생들은 TIMSS 2011에 비해 TIMSS 2015에서 약 20%p 정답률이 상승하였다. 제7차 교육과정에서는 공을 비스듬히 던질 경우 등과 같은 포물선 운동까지 다루다가, 2009 개정 교육과정에서는 속력이 일정하게 증가하는 운동 의 예로 자유낙하 운동만 다룬다. 이 문항의 경우 TIMSS 2011에서 정답률이 1.6%로 매우 낮게 나타나서 그에 대한 원인 분석이 필요하다. 교사들은 우리나라 학교 시험에서는 마찰을 무시한 이상적 상황에서 역학적 에너지가 보존되는 경우를 주로 다루므로, 학생들이 이상적 상황을 전제로 답 안을 작성해서 정답률이 낮게 나타났을 것이라고 분석하 였다. 다만, 평가요소 ‘③운동과 운동의 변화’ 에 속한 공개 문항 중 자전거에 달린 벨의 상대 운동이 관찰자에 따라 어떻게 달라지는지를 고르는 선택형 문항에서 국제 평균 정답률이 약 39%이고, 우리나라 중학교 2학년 학생들은 TIMSS 2011에서는 54.5%, TIMSS 2015에서는 44.4%로 정답률이 약 10%p 하락하였다. 제7차 및 2009 개정 교육 과정에서 상대운동은 고등학교에서 다루고 중학교에서는 명시적으로 다루지 않지만, 제7차 교육과정에서는 중학교 1학년에 ‘힘’ 단원과 별개로 중학교 2학년 ‘여러 가지 운동’

단원이 편성되어 운동이란 기준점으로부터의 위치변화임을 비교적 상세히 설명하였다고 한다. 2009 개정 교육과정에 서는 ‘힘과 운동’ 단원으로 통합되면서 운동에서 기준점의 의미를 명시적으로 다루지 않아서 교사마다 가르치는 정도 가 달라서 학생들의 정답률이 낮아진 것이라고 전문가들은 분석하였다.

3. 과학 인지영역별 성취도

TIMSS 2015에서 성취도 상위 13개국을 중심으로 중학 교 2학년 과학 인지영역별 정답률과 성취도를 살펴보면, 과학 인지영역별로 상위 13개국의 평균 정답률을 살펴보면, 알기 영역은 56.8%, 적용하기는 54.0%, 추론하기는 47.1%

의 정답률을 기록하여, 전반적으로 중학교 2학년 학생들은 추론하는 능력을 요하는 문항으로 갈수록 정답률이 낮아 지는 것을 알 수 있다 [3,17]. 우리나라 학생들의 정답률도 국제 경향과 유사하게 ‘추론하기’ 가 51%로 나머지 두 영역 들보다 낮게 나타났다.

한편, 과학 인지영역별로 중학교 2학년의 성취도 점수를 국가별로 살펴보면, 우리나라는 전체 성취도 점수인 556 점에 비해, 알기 영역은 555점으로 유의미한 차이가 없고, 적용하기 (552점) 는 통계적으로 유의하게 낮고, 추론하기 (560점) 는 통계적으로 유의하게 높은 것으로 나타났다. 즉, 1위나 2위를 차지한 싱가포르 (전체 점수 차이는 41점, 적용 하기 영역 점수 차이는 48점) 나 일본 (전체 점수 차이는 15 점, 적용하기 영역 점수 차이는 23점) 의 경우 전체 성취도 점수와 비교하여 적용하기 영역에서 통계적으로 유의하게 높은 점수를 나타내어, 성취도 상위국과 비교할 때 우리나 라 학생들은 적용하기 영역에서 상대적으로 취약한 것으로 나타났다 [3,17].

IV. 결론 및 제언

본 연구에서는 TIMSS 2011과 2015 결과 중 중학교 물리 영역에 대한 우리나라 학생들의 성취 특성을 분석하였다.

TIMSS 2015 물리 영역의 성취도 추이변화를 살펴보면, 우리나라 학생들은 TIMS 2011에 비해 물리 영역에서는 12 점이 하락하였으며, 이렇듯 물리 영역에서 유의한 수준으 로 점수가 하락한 것이 전체 점수 하락의 주요 원인이 된 것으로 보인다. 공개 문항과 추이문항들을 중심으로 물리 영역 평가주제별로 우리나라 학생들의 정답률과 응답경향을 분석한 결과 물리 영역의 전기나 상대운동 등과 같은 일부 평가주제를 우리나라 2009 개정 교육과정에서 중학교 3학 년 이후에 다루는 까닭에 우리나라 중학교 2학년 학생들의 정답률이 낮게 나타났다. 과학 인지영역별로는 우리나라 중학교 2학년 학생들은 다른 성취도 상위국인 싱가포르나 일본 학생들에 비해서 적용하기 영역이 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. TIMSS의 경우, 참여국들의 교육과정에 기반을 둔 평가이므로 TIMSS 결과를 토대로 우리나라 교육 과정에서 관련 내용을 접근하는 방식이나 교수학습 방식을 점검해볼 수 있다 [3,16]. TIMSS 2015 중학교 2학년 물리

(11)

내용영역 및 인지영역에서 나타난 우리나라 학생들의 성취 특성에 비추어 우리나라 중학교 물리 영역의 교육과정 및 교수학습 개선 방안을 제안하면 다음과 같다.

첫째, TIMSS 2015에서 점수가 많이 하락한 물리 영역의 경우 주요 개념의 도입 시기와 순서 등에 대한 심층연구가 요청된다. 물론 TIMSS 의 출제경향에 맞추어 우리나라 중학교 교육과정을 바꾸거나 TIMSS 문제를 해결할 수 있 도록 학생들을 반드시 준비시켜야 하는 것은 아니지만 [1], 우리나라 학생들의 정답률이 일관되게 낮게 나오는 내용 영역이나 평가주제의 경우, 우리나라 교육과정에서 주요 개념을 다루는 순서와 시기 등에 대한 검토가 요청된다.

특히 우리나라 학생들은 TIMSS 2011과 비교하여 TIMSS 2015의 물리 영역에서 평균점수가 12점이 하락하였는데, 이는 우리나라 교육과정을 제7차 교육과정에서 2009 개정 교육과정으로 개정하면서 기존에 중학교 2학년까지 다루 던 일부 내용을 상급 학년으로 이동하거나 다루는 수준을 조정하였기 때문인 것으로 보인다.

예컨대 전기 관련 내용의 경우, 제7차 교육과정에서는 중학교 2학년에서 다루던 것을, 2009 개정 교육과정에서 정전기를 전기와 합쳐서 중학교 3학년으로 이동한 까닭에 관련 문항들에서 우리나라 학생들의 정답률이 하락하였다.

특히 옴의 법칙 등은 2009 개정 교육과정에서 중학교 3 학년 1학기에 다루므로, 우리나라 중학교 2학년 학생들은 아직 학습하지 않은 상태에서 TIMSS 평가에 참여하여서 정답률이 낮게 나타난 것으로 보인다. 또한, 연계해서 다 루어야 할 내용들이 학년별로 분리되어 있어서 학생들이 내용의 연계성을 파악하기 어려운 경우도 발견된다. 예컨대 중학교 물리 영역에서는 중학교 1학년 ‘여러 가지 힘’ 에서 마찰력을 배우고, 중학교 2학년에서 역학적 에너지 보존을 배우는데, 학생들은 문제 상황에서 이 둘을 연결하는 데 어려움을 겪는다고 교사들은 분석하였다 [3]. 즉, 학생들은 마찰력을 알더라도 역학적 에너지 보존에서 마찰력을 미처 고려하지 못하는 실정이라고 한다. 따라서 중학교 교육과정 에서 물리 영역의 경우, TIMSS 출제경향은 물론 국제적인 과학과 교육과정 개정 동향에 비추어 주요 내용을 다루는 시기와 순서에 대한 개선 방안 마련이 요청된다 [3,15]. 특히 실제상황을 중심으로 연계하거나 순차적으로 학습해야 할 내용을 긴밀하게 연계하여 배치할 필요가 있을 것이다.

둘째, 과학탐구를 통한 적용하기와 추론하기 역량을 길러 줄 필요가 있다. 우리나라 중학교 2학년 학생들은 TIMSS 평가틀의 인지영역 중에서 적용하기 영역에서 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 이에 대해 교사들은 우리나라 학생들은 적용이나 추론을 학교평가에서 다루지 않아서 연습이 되어 있지 않기 때문이라고 분석하였다. 우리나라 학생들의 적용 능력을 향상시키려면 확산적 사고에 대한

훈련이 필요하며, 이를 위해 과학탐구를 실제로 체험할 기회 를 제공할 필요가 있다 [15,24,27]. TIMSS에서는 준비물과 실험 목적을 알려주고, 실험을 설계하라는 형태로 과학탐구 설계 및 수행과 관련된 문항들이 출제되는데, 우리나라 학 생들은 실험설계, 변인통제 등과 같은 과학탐구 과정이나 실천에 대한 이해가 떨어진다고 교사들은 분석하였다. 이는 과학과 교수학습 방법과 관련하여, 과학실 예산부족, 안전 사고 우려 등으로 인해 과학 실험을 제대로 할 수가 없어서 실험을 최소화하거나 교사의 시범실험으로 대체하는 실정 이라고 한다 [3]. 따라서 실험실 안전이나 교구 확보 등의 여건을 갖추어 중학교 학생들이 과학탐구와 실험을 직접 체험하고, 탐구활동을 통해 과학내용을 실제로 적용하고 해결방안을 추론해보는 등의 인지적 역량을 기를 수 있도록 중학교 과학수업을 바꾸어나갈 필요가 있다 [24]. 특히 2015 개정 교육과정에서 과학적 사고력, 문제해결, 의사소통 등과 같은 핵심역량이 과학과 성취기준에 도입됨으로써, 과학 탐구실험 등을 통해 과학하는 방법을 체험하고, 과학내용을 실생활에 적용하며, 명확하게 정해진 정답이 없더라도 창의 적으로 자신의 아이디어를 제안하고 그 근거를 설득력있게 제시할 수 있는 핵심역량을 길러줄 필요가 있다 [21]. 이러한 과학수업의 변화를 통해 우리나라 학생들의 과학적 사고를 통한 적용과 추론 역량을 높일 수 있을 것으로 기대된다 [24, 27].

셋째, 이상적 상황을 전제로 한 공식위주의 과학 학습에 서 벗어나 실생활 적용과 문제해결이 가능하도록 과학을 가르치고 학습할 필요가 있다. 우리나라 실험실 상황은 너 무 이상적인 상황만 다루어서, 학생들이 실제 상황에 대한 이해가 어려운 실정이라고 한다 [22,23]. TIMSS 문항을 보면 열 이동이나 전달 등 생활주변의 문제가 많은데, 우리 나라 중학교 과학 수업은 지나치게 개념 위주로, 이상적인 상황을 전제로 한 공식 위주로 가르친다. 예를 들어 중학 교에서 역학적 에너지를 배우는데 실생활에서는 역학적 에너지가 보존이 안 되며, TIMSS 문항은 보존이 안 되는 실제상황에 대해 출제된다. 하지만 이상적인 실험결과와 이론적인 그래프에만 익숙하고, 공식을 외우고 문제풀이만 접한 우리나라 학생들은 열이나 에너지가 보존되지 않는 실제 상황에 대한 해석과 분석에서 어려움을 겪는다 [4].

열평형의 경우에도 우리는 온도가 다른 물을 섞어서 열 평형을 이룬다는 것은 교과서에서 배우는데, 차가운 쇠에 손을 대면 손이 왜 차가와지는지, 왜 더운 지방에서 나무 집을 짓는지 등과 같은 상식적이고 일상적인 경험은 다루지 않아서, 우리나라 학생들은 ‘적용’ 문제 해결에 어려움을 겪는다. 따라서 일상의 실제 상황을 명시적으로 다루고, 이상적인 법칙이 어느 지점에서 어긋나는지 등을 다루는 경험을 제공할 필요가 있다고 교사들은 주장하였다 [3,24].

(12)

학교 수업에서 이루어지는 과학탐구는 실수를 허용하지 않으며 결과물이 나오도록 안내하는 탐구나 실험을 진행한 다고 말하는 과학교사들은 제대로 된 탐구를 하려면 시간도 충분히 확보해야 하고 실수를 허용할 수 있는 탐구활동이 필요하다 [22]고 주장하였다.

이러한 맥락에서 과학영역들을 연계하고 실생활에 접목 한 과학소양 함양이 필요하다. TIMSS 평가주제들 중에는 물리, 화학, 생물, 지구과학의 어느 영역에도 포함되지 않 는 과학소양에 해당하는 문항들이 많이 발견된다 [25,26].

예컨대 자동차 배기량을 줄이는 방법, 가뭄을 줄이는 방법, 발전소 건설에 적절한 장소 등을 적도록 요구하는 구성형 문항들이 출제된다. 또한, 학습한 과학지식과 내용을 실생 활에 적용하거나 과학 영역들 간의 학습내용을 연계하는 등의 문항들이 출제되며, 이러한 문항들은 대부분 답이 열린 구성형 문항으로 출제된다. 예컨대 TIMSS 문항에서는 두 가지 입장 중 하나를 고르고 그 근거를 설명하도록 요구하는 답이 열린 구성형 문항들이 출제되는데, 이러한 문항에서 우리나라 학생들의 정답률은 10∼20% 정도로 매우 낮다.

이는 우리나라 학생들이 인지영역의 적용하기나 추론하기 의 정답률이 낮은 것과도 무관하지 않다.

따라서 우리나라 학교 과학수업을 통해 학생들에게 기존 에 학습한 과학내용을 실생활에 적용하거나, 다른 과학영역 과 연계하고, 명확하게 정해진 정답이 없더라도 창의적으로 자신의 아이디어를 제안하고 그 근거를 설득력있게 제시할 수 있는 능력을 길러줄 필요가 있다 [21].

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