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Ⅰ. 서론
외적 표상이란 추상적인 아이디어나 현상을 단순화하여 구체적으 로 형상화한 다양한 형태의 그림, 사진, 동영상, 모델, 그래프 등의 시각화된 정보를 의미한다(Eisner, 1994; Treagust et al., 2003; van Someren et al., 1998). 외적 표상은 대상이나 현상에 대해 친밀성을 제공함으로써 비가시적이고 추상적인 개념을 효과적으로 전달하고 설명하는 상호작용과 의사소통을 위한 도구로 역할을 한다(Gilbert, 2010). 과학을 배운다는 것은 다양한 표상에 대한 이해와 활용을 학습 하는 일이라고도 할 수 있다(Buckley, 2000). 특히 거시적으로 관찰 가능한 현상을 원자, 분자, 이온 등의 미시적 수준에서 개념화하고 이를 다양한 수식이나 기호로 표현하는 화학 교과의 특성을 고려할 때, 학습에서 표상 역량(representational competence)은 중요한 의미 를 갖는다(Ainsworth et al., 2011; Treagust et al., 2003; Wu, 2003).
표상 역량이란 다양한 표상을 이해하고 해석하며 단독으로 혹은 여러 표상을 복합적으로 이용하거나 서로 변환하는 능력을 뜻한다. 이와 더불어 표상을 스스로 만들어가면서 문제를 해결하거나 의사소통하
고 추리⋅추론할 수 있는 일련의 능력까지 포괄한다(Kozma &
Russel, 1997, 2005).
화학교육에서 표상의 활용, 특히 다중표상의 활용은 개념의 습득에 효과적인 방법으로 알려져 있다(Harrison & Treagust, 2000; Gilbert &
Treagust, 2009; Tasker & Dalton, 2008; van Someren et al., 1998).
서로 다른 표상의 활용이 학습에 제약을 가져올 수도 있지만, 적절한 표상을 효과적으로 사용한다면 각각의 표상이 서로 보완적인 역할을 하면서 심층적 이해에 도달할 수 있도록 돕기 때문이다(Ainsworth, 1999). Harrison & Treagust(2000)는 다양한 비유 모델을 이용하여 원자, 분자, 화학 결합과 같은 개념을 소개하면서 모델이 갖는 의미를 학생들이 이해할 수 있도록 충분한 기회를 제공하면 입자와 같은 추 상적 개념에 대한 학생들의 이해도가 향상됨을 관찰하였다. Tasker
& Dalton(2008)도 컴퓨터 애니메이션을 이용했을 때 학생들이 입자 와 입자 간 상호작용을 더욱 잘 이해한다는 연구 결과를 발표했다.
Adadan et al.(2009)은 시각적 표상, 텍스트와 언어적 설명을 포함하 는 다중표상을 계획적으로 활용한 수업과 다중표상의 활용 없이 진행 한 일반 수업을 수강한 학생들의 물질의 입자성에 대한 개념을 조사
2015 개정 교육과정에 따른 7학년 과학교과서 물질 영역에 제시된 외적 표상의 분석
윤회정
* 춘천교육대학교Analysis of External Representations in Matter Units of 7
thGrade Science Textbooks Developed Under the 2015 Revised National Curriculum
Heojeong Yoon
*Chuncheon National University of Education A R T I C L E I N F O A B S T R A C T
Article history:
Received 9 January 2020 Received in revised form 4 February 2020 10 February 2020
Accepted 11 February 2020
In this study, external representation presented in two units, ‘Property of Gas’ and ‘Changes of States of Matter,’ in seventh grade of 2015 revised science curriculum, were analyzed to suggest educational implications. External representations presented in five science textbooks were analyzed according to the six criteria, which were ‘type of representation,’ ‘interpretation of surface features,’ ‘relatedness to text,’ ‘existence and properties of a caption,’ ‘degree of correlation between representations comprising a multiple one,’ and ‘function of representation.’ The characteristics of typical representations related to each achievement standard of two units were also analyzed. The results were as follows: The macro representations for ‘type of representation’, and explicit representations for ‘interpretation of surface features’ showed highest frequency. For ‘relatedness to text’ criteria, ‘completely related and linked’
and ‘completely related and unlinked’ representations showed the highest frequency. It means that most representations were properly related with the text. There were appropriate captions for most representations. The degree of correlation between representations comprising a multiple one was largely sufficiently linked with regards to the criteria ‘degree of correlation between representations comprising a multiple one’. The complete representations for ‘function of representation’ showed the highest frequency in the aggregate, however incomplete representations showed more frequencies in the inquiry parts. The typical representations for each achievement standard differed in terms of the type, contained information, used symbols and so on. The educational implications with the use of representations presented in seventh grade textbook were discussed.
Keywords:
external representation, matter unit, 2015 revised science curriculum, middle school science textbook
* 교신저자 : 윤회정 ([email protected]) http://dx.doi.org/10.14697/jkase.2020.40.1.61
Journal of the Korean Association for Science Education
Journal homepage: www.koreascience.org
Journal of the Korean Association for Science Education, 40(1), 61∼75, 2019
하여 비교했는데, 다중표상을 활용한 수업이 오개념을 줄이고 과학적 개념을 습득하는 있어 효과적임을 확인하였다.
다중표상의 활용능력, 즉 과학적 현상을 언어적 표현과 더불어 거 시적, 미시적, 상징적 표상 등의 다양한 수준으로 자유자재로 변환하 면서 설명할 수 있는 능력을 함양한다는 것은 학습의 효과성을 담보 한다(de Jong et al., 1998; Kozma, 2003; Savelsbergh et al., 1998).
하지만 학습에 미치는 표상의 효과성은 사용자의 특성에 따라 편차가 있다. 전문가들은 다양한 표상에 대한 이해를 바탕으로 여러 표상을 효과적으로 이용하여 개념을 이해하고 설명할 수 있는 데 반하여, 초보자인 학생들은 표상 자체를 이해하는 데에도 어려움을 겪을 뿐만 아니라 다양한 표상을 활용할 수 있는 능력이 상대적으로 부족하다 (Kozma, 2003; Treagust et al., 2003; Seufert, 2003, Wu et al., 2013).
따라서 표상 역량을 함양할 수 있는 효과적인 표상 제시 방법과 구체 적인 활용방법을 모색하는 것은 표상을 활용한 교육의 효과성을 확보 하기 위한 필수적 과정이다. Mayer(2002, 2003)는 하나의 외적 표상 을 제시하는 것보다 여러 표상을 같이 제공하는 것, 특히 시각적 정보 와 언어적 정보의 동시 제공이 학습에 효과적임을 주장하였다. 또한, 다중표상의 제시 방법으로 학습을 방해할 수 있는 흥미나 동기 유발 목적의 표상을 제외하고 학습 내용과 관련 있는 정보를 담고 있는 표상만을 제공하되 이들을 공간적으로 근접하게 제시하는 것이 학습 에 효과적임을 제안하였다. 제시된 표상의 단순 이해 수준을 넘어서 학생들이 직접 그림을 그리거나 표상을 완성하는 활동이 학습에 큰 영향을 미칠 수 있어 그리기나 표상의 활용에 관한 관심도 높아지고 있다(Ainsworth et al., 2011; Akaygun, 2016).
교과서에 제시된 표상의 제시 방법이나 활용방법은 교육적 시사점 을 내포한다. 실질적으로 학교 현장에서 교사는 주로 교과서에 제시 된 표상을 중심으로 수업을 진행하며 학생들은 교과서나 교사가 제시 한 표상을 중심으로 학습하기 때문이다. 특히 교과서는 교육과정을 구체화하여 교수 학습 활동의 내용과 방향을 안내하는 핵심적인 역할 을 담당하며 교과서에 제시된 내용 체계는 교과 내용과 교과 활동에 대한 이해와 인식을 포함하는 교수 학습 과정에 절대적인 영향을 줄 수 있다(Chiappetta & Fillman, 2007; Irez, 2009; Lebrun et al., 2002;
Weinburgh, 2003). 교과서에 제시된 외적 표상을 분석한 연구는 국내 외에서 다양하게 시도되었다. Hegarty et al.(1991)은 어떤 종류의 지 식을 어떤 방식으로 설명하는가에 따라 표상의 종류를 상징적 다이어 그램(iconic diagram), 도식적 다이어그램(schematic diagram), 차트와 그래프(chart & graph)의 세 가지로 분류하였다. Pozzer & Roth(2003) 는 표상의 종류를 개념도, 그래프, 그림, 도표, 만화, 사진, 식, 도표로 분류하였다. 또한, 표상의 기능과 관련하여 장식적, 설명적, 예시적, 보충적 기능의 네 가지 분류 기준을 제시하였다. 표상의 수준과 관련 하여 Johnstone(1982)과 Gilbert & Treagust(2009)는 거시적, 미시적, 상징적 수준으로 분류할 수 있음을 제안하였다. 이러한 선행연구 결 과를 기반으로 연구의 목적이나 교과 영역에 맞추어 수정한 분석틀이 제시되었고 이를 활용하여 교과서에 제시된 표상을 분석한 연구들이 국내외에서 진행되었다.
Kim & Han(2007)은 고등학교 1학년 과학교과서의 물질 단원에 제시된 표상을 종류와 기능에 따라 분석하였는데 종류는 개념도, 그 래프, 그림, 도표, 만화, 사진, 식, 도표의 여덟 가지, 기능은 장식적, 설명적, 예시적, 보충적, 요약, 활동지의 여섯 가지를 기준으로 하였다.
유사한 분석틀을 활용하여 Kim et al.(2009)은 고등학교 생물, Kim et al.(2014)과 Oh et al.(2017)은 초등학교 과학교과서에 제시된 표상 을 분석하였다. Lee(2009)는 표상의 종류와 기능 이외에 분류 기준으 로 구조를 추가하여 중학교 지구과학 영역에 제시된 표상을 분석하였 다. Kwon et al.(2011)은 동기 유발, 자료 제공, 실험 안내, 실험 결과 제시로 분류되는 표상의 용도를 분류 기준으로 추가하였고, 종류, 기 능, 구조, 용도로 구성된 분류틀을 이용하여 중학교 과학교과서의 ‘소 화와 순환’ 단원에 제시된 표상을 분석하였다. Oh & Jeong(2019)과 Kim et al.(2014)은 Kwon et al.(2011)에서 제시한 분류틀의 기준에 표상이 제시된 위치를 추가하여 중학교 과학교과서의 ‘자극과 반응’
단원의 표상을 분석하였다. Jo et al.(2015)은 초⋅중⋅고등학교 과학 교과서의 전자기 단원에 제시된 시각적 표상을 표상의 기능과 표상하는 대상의 추상성 정도의 두 가지 범주에서 분석하였다. 이때 추상성 정도 의 기준을 거시적, 미시적, 상징적 표상으로 선정하였는데, 화학 영역 에서 주로 언급하는 표상의 수준을 분석 기준으로 활용하였다는 점에 서 다른 연구와의 차별성을 갖는다. 거시적, 미시적, 상징적 표상으로 구분되는 표상의 수준을 분석 기준으로 활용한 국내 연구로는 Kang et al.(2007)에 의한 것이 거의 유일하다. Kang et al.(2007)은 표상의 수준 이외에 언어적⋅시각적 정보의 형태와 공간적 근접성을 고려한 표상의 제시 방법, 그리기와 쓰기에 적용되는 표상의 활용 활동 적용 방법을 선정하여 총 세 범주로 구성된 분석틀을 제안하였고 이를 이 용하여 중학교 과학교과서에 제시된 표상과 활용 실태를 분석하였다. Gkitzia et al.(2011)은 Johnstone(1982)이 제시한 ‘chemistry triplet’, Kozma & Russel(2005)이 제시한 표상 역량의 수준, Mayer(2002)가 제시한 다중표상과 근접성의 원리에 근거를 두고, 표상의 유형, 표면 적 특성의 해석, 본문과의 관련성, 캡션의 존재와 특성, 복합적 표상에 서 표상 간 관련성의 다섯 범주로 구성된 분석틀을 개발하였다. 이 분석틀에서는 화학 교과의 특성을 반영하여 표상의 수준을 분석 범주 로 제시하였는데, 기존의 세 가지 수준 이외에 세 가지 수준의 표상이 동시에 제시된 경우를 고려하여 범주를 보다 세분화하였다. 또한, 표 상 역량의 함양에 적합하도록 표상이 제시되어 있는지 파악하기 위한 기준을 제공하였다는 점에서 기존에 제시되었던 분석틀과 차별화된 다. 이 분석틀을 활용하여 Kapici & Açikalin(2015)는 중학교 교과서 에 제시된 화학 영역의 외적 표상, Shehab & BouJaoude(2017)와 Upahi & Ramnarain(2019)는 고등학교 화학 교과서에 제시된 외적 표상을 분석하였다.
본 연구의 목적은 2015 개정 교육과정에 따라 새롭게 개발된 7학년 과학교과서 5종의 물질 영역 단원에 제시된 표상을 분석하여 효과적 으로 외적 표상을 활용할 수 있는 교수⋅학습을 위한 시사점을 제공 하는 것이다. 이를 위하여 Gkitzia et al.(2011)의 분석틀을 보완하여 2015 개정 교육과정에 따른 과학교과서의 물질 영역에 제시된 외적 표상의 양적 분포 특성을 분석하였다. 또한, 단원 및 성취기준별로 각 교과서에 제시된 표상의 특성을 비교⋅분석하였다. 분석 대상으로 7학년을 선정하였다. 2015 개정 교육과정의 물질 영역에서 입자 개념 이 최초로 도입되는 시기가 7학년이기 때문이다. 2009 개정 교육과정 에서는 초등학교 교육과정 내에서 입자 개념이 제시되었으나 2015 개정 교육과정의 초등학교 수준에서는 현상의 관찰과 경험만을 주요 학습 내용으로 제시하고 있다. 7학년 물질 영역은 ‘기체의 성질’과
‘물질의 상태 변화’ 단원으로 구성되어 있는데 단원의 학습 목표는
Analysis of External Representations in Matter Units of 7th Grade Science Textbooks Developed Under the 2015 Revised National Curriculum
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확산, 증발, 압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화, 물질의 상태, 온도에 따른 상태 변화를 입자적 관점에서 이해하고 설명하는 것이다 (MOE, 2015). 입자 개념은 미시적이고 추상적인 까닭에 이를 설명하 기 위해 다양한 수준의 표상이 활용될 수밖에 없다. 하지만 다양한 표상의 제시가 효과적인 학습으로 이어지기 위해서는 표상에 대한 심층적 이해와 표상 역량의 함양을 도모할 수 있는 교육자료, 대표적 으로 교과서의 개발이 선행되어야 한다(Kozma & Russel, 2005). 이 에 본 연구에서는 교과서에 제시된 표상의 특성을 분석하여 교과서를 주요 교수⋅학습 자료로 이용하는 교사들에게 활용방안을 제안하고, 교과서 개발자에게 표상 제시에 관한 개선 방향을 제시하고자 하였다.
Ⅱ. 연구 내용 및 방법 1. 분석 대상
2015 개정 교육과정에 따라 개발된 7학년 과학교과서 5종의 물질 영역인 ‘기체의 성질’과 ‘물질의 상태 변화’ 단원 대상으로 연구를 진행하였다. 과학교과서 5종을 각각 임의로 T1(Kim et al., 2017a), T2(Kim et al., 2017b), T3(Lim et al., 2017), T4(Noh et al., 2017a), T5(Noh et al., 2017b)로 코딩하였다. 각 단원에서 과학 개념의 설명과 탐구 활동의 수행을 위해 제시된 외적 표상을 분석 대상으로 하였다. 따라서 대단원, 중단원, 소단원의 도입부에 제시된 외적 표상, 읽기 자료, 평가나 정리 단계에 제시된 외적 표상은 분석 대상에서 제외하 였다. 본문에서는 번호와 제목이 붙어 있는 하나의 이미지를 한 개의 분석단위로 산정하였고, 탐구 활동에서는 실험 안내를 위한 단계별 시각 자료, 한 사물이나 현상의 시간에 따른 연속적인 표상 자료를 한 개의 분석단위로 산정하였다.
‘기체의 성질’ 단원은 교과서에 따라 2∼3개의 중단원으로 구성되 어 있다. ‘입자의 운동’ 단원은 모든 교과서에 공통으로 포함되어 있 지만, 기체의 압력, 온도, 부피의 관계가 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’라는 하나의 중단원으로 구성되어 있거나 ‘압력에 따른 기체의 부피 변화’와 ‘온도에 따른 기체의 부피 변화’의 두 중단원으 로 구성되어 있기 때문이다. 교과서별 비교가 용이하도록 두 중단원 으로 나누어진 경우에도 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’로 합하여 분석하였다. ‘물질의 상태 변화’ 단원은 모든 교과서에서 ‘물 질의 상태 변화와 입자 모형’과 ‘상태 변화와 열에너지’의 두 중단원 으로 구성되어 있어 중단원 별로 분석하였다.
2. 분석 방법
Gkitzia et al.(2011)은 표상의 유형(type of representation), 표면적 특성의 해석(interpretation of surface features), 본문과의 관련성 (relatedness to text), 캡션의 존재와 특성(existence and properties of a caption), 복합적 표상에서 표상 간 관련성(degree of correlation between representations comprising a multiple one)의 다섯 가지 범주 를 제안하였다. 본 연구에서는 표상의 기능(function of representation) 범주를 추가하여 여섯 가지 범주에서 분석을 실행하였다. 표상의 기 능은 표상이 주로 어떤 역할을 하는지 파악하고자 하는 범주이다. 표상에 모든 정보가 완성된 형태로 제시되어 정보를 전달하는 기능을 하거나 정보가 불완전한 상태로 제시되어 표상을 완성하면서 이해도 를 표현하는 기능을 하는지에 따라 두 가지 유형으로 분류하였다. Gkitzia et al.(2011)이 제시한 분석틀은 주로 표상에서 제시하는 정보 의 수준, 구성요소들의 적합성, 적절성, 효과성을 파악할 수 있는 범주 로 구성되어 있어 표상 자체가 갖는 기능을 파악하기는 어렵다. 주로 표상의 이해를 통해 과학 학습의 효과성을 탐색하던 연구에서 표상을 이용하고 구성해 나가는 구성주의적 방향의 학습 효과에 대한 탐색으 로 연구 동향이 점차 바뀌고 있으며 그리거나 표상을 완성하는 과정 에서 긍정적인 학습 효과가 나타날 수 있다는 연구 결과도 보고되고 있다(Tippett, 2016). 국내 선행연구에서 표상의 기능을 장식적, 예시 적, 설명⋅보충적, 요약적, 활동지 역할로 구분하기도 하였다(Kim &
Han, 2007; Kim et al., 2014). 이때 학생들이 직접 완성할 수 있는 형태의 표상은 활동지로 분류되는데 활동지는 주로 탐구의 결과를 정리하는 용도로 활용되는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 교 과서에 학생들이 완성하는 형태로 제시된 표상이 얼마나 반영되어 있는지 파악하고자 하는 의도에서 표상의 기능을 분석 범주로 추가하 였다. 본 연구에서 활용한 분석틀의 범주와 분류체계는 Table 1에 제시하였다.
첫 번째 분석 범주는 ‘표상의 유형(C1)’이다. 이 범주는 ‘chemistry triplet’인 거시적, 미시적, 상징적 표상에 복합적(multiple), 혼성적 (hybrid), 혼합적(mixed) 표상의 세 가지를 더하여 총 여섯 가지의 기준으로 구성되어 있다. 거시적 표상은 거시적 수준, 즉 인간의 감각 을 통한 경험과 관찰을 할 수 있는 현상을 설명하는 사진이나 그림 등을 의미한다. 미시적 표상은 현상의 이해와 설명을 위하여 직접 관찰할 수 없는 입자 수준의 구조나 운동을 표현하는 그림, 모형과 같은 표상을 뜻한다. 상징적 표상은 기호, 숫자, 단어 등이 포함되는
Criterion Typology for each criterion Criterion Typology for each criterion
C1 type of representation
a. macro b. submicro c. symbolic
d. multiple e. hybrid f. mixed
C4 existence and properties of a caption
a. existence of appropriate caption (explicit, brief, comprehensive, providing autonomy) b. existence of problematic caption c. no caption
C2 interpretation of surface features
a. explicit b. implicit c. ambiguous
C5
degree of correlation between representations comprising a multiple one
a. sufficiently linked b. insufficiently linked c. unlinked
C3 relatedness to text
a. completely related and linked b. completely related and unlinked c. partially related and linked d. partially related and unlinked e. unrelated
C6 function of representation a. complete b. incomplete Table 1. Criteria and typology of each criterion for the analysis of external representations
경우가 많으며 대표적인 사례로는 화학기호, 화학식, 화학방정식, 반 응 메커니즘 등이 있고 그래프도 상징적 표상에 해당한다.
복합적 표상과 혼성적 표상은 모두 거시적, 미시적, 상징적 수준의 표상을 동시에 제시한다. 복합적 표상은 거시적, 미시적, 상징적 표상 을 최소한 두 가지 이상 동시에 활용하여 특정 현상을 설명하지만, 혼성적 표상은 한 현상의 일부분을 한 가지 표상으로 설명하고 같은 현상의 다른 부분을 다른 수준의 표상으로 설명한다는 점에서 차이가 있다. 혼성적 표상은 거시적 수준과 미시적 수준의 특징을 섞어 서로 를 보완하면서 하나의 표상처럼 제시한다. 혼합적 표상은 거시적, 미 시적 상징적 표상과 함께 비유 등의 다른 유형의 묘사가 함께 섞여 있는 표상을 의미한다. Figure 1에 복합적, 혼성적, 혼합적 표상의 사례를 제시하였다. Figure 1(a)는 복합적 표상으로 컵에 담겨 있는 물(거시적 수준)과 물 입자(미시적 수준)를 동시에 제시하고 있다.
Figure 1(b)는 풍선 속의 공기 입자를 나타내기 위하여 풍선이라는 거시적 수준과 공기 입자라는 미시적 수준의 표상을 하나의 표상으로 나타낸 혼성적 표상으로 볼 수 있다. Figure 1(c)는 주사기라는 거시적 표상, 주사기 내의 공기 입자라는 미시적 표상과 더불어 상자 속의 장난감 자동차 비유가 함께 제시되고 있어 혼합적 표상으로 볼 수 있다. 기체 분자를 상자 속의 자동차에 비유하여 자동차의 개수와 빠르기가 일정하다고 가정할 때, 상자의 크기 변화에 따라 자동차의 충돌 횟수가 변화하는 것과 같이 주사기 속 기체 입자도 압력 변화에 따라 벽면에 충돌하는 횟수가 달라짐을 설명하고 있다.
두 번째 범주는 표상에 대한 ‘표면적 특성의 해석(C2)’이다. 여기서 표면적 특성이란 표상을 구성하는 요소들을 의미한다. 표면적 특성의 해석은 표상을 구성하는 요소들이 무엇인지 명확하게 명명되고 설명 되어 있는지에 대한 분석으로 글이나 캡션, 표상 내에 이러한 구성요
소들이 언급되었는지를 확인하여 파악한다. 각각의 구성요소에 대한 의미를 얼마나 명확하고 구체적으로 제시하였는가에 따라 명시적 (explicit), 암시적(implicit), 모호함(ambiguous)으로 분류한다. 명시적 표상은 각 구성요소가 모두 명확하게 제시된 경우이다. Figure 2(a)를 보면 표상을 이루고 있는 부분을 기체 입자, 고무풍선 벽을 이루는 입자로 명확하게 제시하고 있으며, 캡션에서는 고무풍선에서 빠져나 오는 기체 입자라고 표상을 설명하고 있다. 암시적 표상은 일부 구성 요소에 대한 의미만이 제시된 경우로 Figure 2(b)처럼 캡션에 ‘뜨거운 바람으로 머리카락 말리기’라는 상황을 설명하고 있으나 증발한 물 입자에 대한 설명은 나타나 있지 않다. 모호한 표상은 구성요소의 의미가 전혀 제시되어 있지 않은 경우인데, 캡션도 없고 표상에도 아무런 설명이 포함되어 있지 않은 Figure 2(c)가 이에 해당한다.
세 번째 범주는 ‘본문과의 관련성(C3)’으로 표상이 본문 내용과 일관성 있게 연관되어 있는지와 직접적으로 연결되어 있는지를 파악 하는 것이다. 일관성은 표상과 본문 내용 설명과의 일치 정도를 의미 하고, 직접적 연결(direct link)이란 본문에 ‘그림과 같이’, ‘아래와 같 이’ 등과 같은 언급이 명시적으로 제시되어 있는지를 뜻한다. 이 범주 는 완전한 연관성과 연결(completely related and linked), 완전한 연관 성과 비연결(completely related and unlinked), 부분적 연관성과 연결 (partially related and linked), 부분적 연관성과 비연결(partially relate and unlinked), 연관성 없음(unrelated)의 다섯 가지 유형으로 구성된 다. Figure 3(a)는 본문에 ‘그림 IV와 같이..’로 직접적 연결이 있으며 표상에 대한 설명 또한 충실하게 제시되어 있어 완전한 연관성과 연 결에 해당한다. Figure 3(b)는 본문에 감압용기 속 고무풍선의 크기 변화에 대한 상세한 설명이 제시되어 있으나 표상과의 직접적 연결이 없으므로 완전한 연관성과 비연결로 분석하였다.
(a) a multiple representation consists of two separate representations, a macro and a submicro one
(b) a hybrid representation with macro and submicro characteristics
(c) a mixed representation with characteristics of macro, submicro one and analogy
Figure 1. Examples of C1(type of representation)
(a) explicit representation (b) implicit representation (c) ambiguous representation
Figure 2. Examples of C2(interpretation of surface features)
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네 번째 범주는 ‘캡션의 존재와 특성(C4)’ 이다. 적절한 캡션은명시적(explicit)이며 간단하고(brief) 종합적(comprehensive)이어야 한다. 캡션이 중요한 이유는 표상에 담긴 내용과 메시지를 더 분명하 게 해줄 뿐 아니라 학습자가 관련 본문을 보지 않고도 표상의 내용을 이해할 수 있게 해주기 때문이다. 이 범주는 적절한 캡션의 존재 (existence of appropriate caption), 캡션은 있으나 적절하지 않음 (existence of problematic caption), 캡션 없음(No caption)의 세 유형 으로 분류된다. Figure 4(a)는 고무풍선 속 기체의 압력을 나타낸 표상 으로 캡션에 기체 입자의 운동 방향을 포함하여 표상에 나타난 정보 를 상세히 설명하고 있다. 반면, Figure 4(b)는 캡션은 존재하지만
‘자전거 바퀴 속 기체의 압력’이라는 부분적인 정보만 담겨 있어 적절 한 캡션으로 보기 어렵다. 따라서 각각을 적절한 캡션의 존재와 캡션 은 있으나 적절하지 않음으로 분석하였다.
다섯 번째 범주는 ‘복합적 표상에서 표상 간의 관련성(C5)’이다.
C1의 기준에 따라 복합적 표상으로 분류된 표상에 한하여 다섯 번째
범주가 적용된다. 화살표, 연결선 등을 활용하여 복합적 표상을 이루 고 있는 하위 표상 간의 상응 관계가 분명하게 제시된 경우에는 충분 히 연결된 표상(sufficiently linked)으로 분류된다. Figure 5는 거시적 표상과 미시적 표상이 동시에 제시된 복합적 표상에 해당한다. 선을 활용하여 물의 표면을 확대하였음을 분명히 나타냄으로써 두 표상 간의 상응 관계를 분명히 제시하고 있기 때문에 충분히 연결된 표상 으로 볼 수 있다. 다중표상 간의 연결성이 존재하나 명시적이지 않은 경우를 불완전하게 연결된 표상(insufficiently linked)으로 분류하며 어느 연결성도 나타나지 않은 경우를 비연결 표상(unlinked)으로 분류 한다.
여섯 번째 범주는 ‘표상의 기능(C6)’이다. 표상에 모든 정보가 완성 된 형태로 제시되어 있으면 완성형(complete), 불완전한 상태로 제시 하여 표상을 완성하도록 제시되어 있으면 미완성형(incomplete)이다.
Figure 6(a)에서는 이륙 전과 후, 즉 기압의 차이에 따른 페트병의 부피 변화와 페트병에 들어 있는 입자가 모두 제시되어 있지만, Figure 6(b)에서는 온도가 높아졌을 때 아세톤 입자를 학생들에게 그 려보도록 하고 있다. 따라서 각각을 완성형과 미완성형으로 분석할 수 있다.
교과서별로 제시된 표상을 비교하기 위하여 ‘기체의 성질’ 단원과
‘물질의 상태’ 변화 단원의 성취기준을 설명하는 핵심적인 표상을 선정하여 표상의 유형과 제시 방법을 살펴보았다. 연구 및 교육 경력 10년 이상의 연구자 2인과 중학교 교사 1인이 분석에 참여하였다.
보완한 Gkitzia et al.(2011)의 분석틀을 숙지하고, 이를 활용하여 분석 을 시행하였다. 먼저 임의로 교과서 1종을 선정하여 3인이 공동으로 1차 분석을 한 후, 분석자 간 편차가 없도록 분석 기준을 명료화하고 이를 공유하였다. 이어서 5종의 교과서를 연구자 3인이 개별적으로 분석한 후, 분석 결과를 비교하였다. 분석자 간 분석 결과가 일치하지 않는 표상에 대해서는 논의를 통해 결정하고 확인하는 과정을 거쳐 최종 분석 결과를 확정하였다. SPSS 23.0 프로그램을 이용하여 분석 (a) completely related and linked (b) completely related and unlinked
Figure 3. Examples of C3(relatedness to text)
(a) existence of appropriate caption (b) existence of problematic caption Figure 4. Examples of C4(existence and properties of a caption)
Figure 5. The example of the sufficiently linked representation according to C5(degree of correlation between the components comprising a multiple representation)
결과에 대한 서술통계 및 교차분석을 시행하였고, 교과서별, 단원별 로 제시된 범주별 표상의 빈도를 도출하였다.
Ⅲ. 연구 결과 및 논의 1. 외적 표상의 분포 특성
분석틀을 이용하여 ‘입자의 운동’, ‘압력과 온도에 따른 기체의 부 피 변화’, ‘물질의 상태 변화와 입자 모형’, ‘상태 변화와 열에너지’의 네 개 중단원에서 교과서 별로 제시된 외적 표상을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 외적 표상의 유형(C1)을 보면 거시적(M), 미시적 (SM), 상징적(S), 복합적(MU), 혼성적(H), 혼합적(MI) 표상의 여섯 가지 유형 중, 대부분 교과서의 중단원에서 공통으로 거시적 표상의 제시 빈도가 가장 높았다. 예외적으로 T5의 ‘상태 변화와 열에너지’에 서는 상징적 표상, T3의 ‘입자의 운동’과 T2의 ‘상태 변화와 열에너 지’에서는 복합적 표상이 거시적 표상보다 높은 빈도로 제시되었다.
T5의 ‘입자의 운동’에서 거시적 표상과 혼성적 표상의 제시 빈도는 같았다.
거시적 표상 다음으로 빈도수가 높은 표상의 유형은 단원에 따라 다소 다르게 나타났다. ‘입자의 운동’과 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’에서는 복합적 표상과 혼성적 표상이 높게 나타났다. ‘입자 의 운동’에서는 각각의 제시 빈도가 12로 같았으며 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’에서는 복합적 표상과 혼성적 표상의 제시 빈도가 각각 15와 10으로 복합적 표상의 빈도가 높았다. ‘물질의 상태 변화와 입자 모형’에서는 복합적 표상의 제시 빈도가 높았으며 다른 유형의 표상은 상대적으로 매우 낮았다. ‘상태 변화와 열에너지’에서 는 거시적 표상 다음으로 복합적 표상과 상징적 표상의 빈도가 높게 나타났으며 빈도수는 각각 23과 22로 매우 유사했다. 특히 상징적 표상의 경우, 다른 단원보다 제시 빈도가 매우 높았다. ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’에서도 ‘상태 변화와 열에너지’ 보다는 낮았지 만 ‘입자의 운동’이나 ‘물질의 상태 변화와 입자 모형’보다는 상징적 표상의 제시 빈도가 상대적으로 높게 나타났다. 미시적 표상과 혼합 적 표상의 제시 빈도는 단원당 1∼2회로 다른 유형보다 매우 낮게 나타났다. 미시적 표상은 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’와
‘물질의 상태 변화와 입자 모형’ 단원에서만 제시되었으며 각각 1회 와 2회 제시되었다. 혼합적 표상은 ‘상태 변화와 열에너지’ 단원을 제외한 모든 단원에서 한 번씩만 제시되어 다른 유형보다 매우 적은 것으로 나타났다.
교과서별로 보았을 때, T3의 ‘입자의 운동’ 단원과 T2의 ‘물질의 상태 변화와 입자 모형’ 단원에서 다른 교과서보다 복합적 표상의 제시 빈도가 상대적으로 높았다. 또한, ‘상태 변화와 열에너지’ 단원 에서는 T2에서 복합적 표상, T5에서 상징적 표상이 다른 교과서보다 상대적으로 많이 제시되었다는 점을 특징으로 볼 수 있었으며 그 외 의 표상 유형 분포는 교과서에 따라 큰 차이를 보이지 않았다.
외적 표상에 대한 표면적 특성(C2)을 살펴보면 모든 단원에서 교과 서의 종류와 관계없이 명시적(E) 특성을 가진 표상의 빈도수가 다른 특성을 가진 표상보다 높게 나타났다. 표상을 구성하는 구성요소가 모호하게 제시된 표상인 모호함(A)은 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’ 단원에서만 2개 있었으며 다른 단원에서는 나타나지 않았 다. 암시적(I) 특성을 나타낸 표상은 ‘입자의 운동’과 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’ 단원에서 ‘물질의 상태 변화와 입자 모형’와
‘상태 변화와 열에너지’ 단원보다 조금 많게 나타났다. 교과서별로 살펴보았을 때, 암시적(I) 특성을 나타낸 표상의 제시 빈도가 다른 교과서보다 T4에서 조금 높았을 뿐 큰 차이는 나타나지 않았다.
외적 표상과 본문과의 관련성(C3)에서는 대부분의 표상이 완전한 연관성과 연결(CL), 완전한 연관성과 비연결(CU)에 해당하여 표상과 본문 내용이 일관성 있게 연관되어 있음을 알 수 있다. 하지만 완전한 연관성과 연결보다는 완전한 연관성과 비연결에 해당하는 표상의 수 가 대부분 교과서의 중단원에서 상대적으로 더 많은 것으로 나타나 연관성은 있지만 직접적으로 언급하지 않은 경우가 더 많음을 알 수 있었다. 부분적 연관성과 연결(PL), 부분적 연관성과 비연결(PU)인 표상의 수는 완전한 연관성인 표상보다 상대적으로 적었지만, 그 경 우에도 표상을 직접적으로 언급하지 않은 경우가 더 많았다. 연관성 없음(U)에 해당하는 표상의 수는 매우 적어 대부분의 표상에 대한 적절한 설명이 본문에 제시되어 있음을 확인할 수 있었다.
캡션의 존재와 특성(C4) 범주를 보면 대부분의 표상이 적절한 캡션 의 존재(AC)나 캡션 없음(NC)에 해당함을 확인할 수 있다. 적절한 캡션이 존재하는 표상이 캡션이 없는 것보다 상대적으로 많았다. 캡 션은 있으나 적절하지 않음(PC)에 해당하는 표상은 적었다. 복합적 표상에서 표상 간의 관련성(C5)을 살펴보면 거의 모든 표상이 하위 표상 간의 상응 관계가 분명한 충분히 연결된 표상(SL)에 해당함을 알 수 있었다. 비연결 표상(UL)은 없었으며 불완전하게 연결된 표상 (IL)도 소수였다. 표상의 기능(C6) 범주의 분석 결과를 보면, 표상에 모든 정보가 완성된 형태로 제시된 완성형(C)이 불완전한 상태로 제 시되어 표상을 완성하도록 하는 미완성형(IC) 보다 모든 교과서, 모든 단원에서 더 많았다.
(a) complete (b) incomplete
Figure 6. Examples of C6(function of representation)
Analysis of External Representations in Matter Units of 7th Grade Science Textbooks Developed Under the 2015 Revised National Curriculum
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type topic of textbook C1C2C3C4C5C6 MSMSMUHMIEIACLCUPLPUUACPCNCSLILULCO movement of particles
T18003101110210000525300102 T24002117101411150320062 T3400720112066010715700112 T470003073054100523000100 T55000507303700060400082 Total280012121431001731221285201200458 P, V, T relationship
T17022008212900031720092 T2100234016303160001306300136 T37002209202800160520092 T460242095047030626400113 T58114211421511010719400143 Total3817151015614216510413543315005616 state change and particle model
T11110200122019022536200131 T2800610123036060807510132 T31003210160077011907200151 T4910301122058010905300140 T5900420150096000816400132 Total47231741677025360103394311610686 state change and heat energy T17044001320110040645220132 T26028001600115000907710142 T340330010002710050530082 T490640015406130001108400172 T5407400150078000528400132 Total300222300696017531403663320306510
Table 2. Frequency of external representations in five different textbook with regard to the typologies of C1, C2, C3, C4, C5 and C6 type location C1C2C3C4C5C6 MSMSMUHMIEIACLCUPLPUUACPCNCSLILULCO locationtext681136113113620170682143129161258301552 inquiry752196132991715103162931055107938 Total1433326726323537275171320513819117634023440 M: macro, SM: submicro, S: symbolic, MU: multiple, H: hybrid, MI: mixed, E: explicit, I: implicit, A: ambiguous, CL: completely related and linked, CU: completely related and unlinked, PL: partially related and linked, PU: partially related and linked, U: unrelated, AC: appropriate caption, PC: problematic caption, NC: no caption, SL: sufficiently linked, IL: insufficiently linked, UL: unlinked, C: complete, O: operational
Table 3. Frequency of external representations in location & type with regard to the typologies of C1, C2, C3, C4, C5 and C6
표상의 위치를 본문과 탐구 활동으로 구분하여 분석한 결과는 Table 3에 나타내었다. 표상의 유형(C1) 범주에서는 복합적 표상을 제외한 모든 유형에서 본문과 탐구 활동에 분포하고 있는 표상의 수 가 거의 유사했다. 복합적 표상의 경우, 본문에 61개, 탐구 활동에 6개 제시된 것으로 나타나 대부분이 본문에 제시되고 있음을 알 수 있었다. 표상에 대한 표면적 특징(C2)을 볼 때 명시적, 암시적 표상 모두 탐구 활동보다 본문에 더 많이 제시되어 있었다. 표상과 본문과 의 관련성(C3) 범주 결과를 보면, 완전한 연관성과 연결로 분류된 표상은 본문에 70개, 탐구 활동에 5개였고, 완전한 연관성과 비연결로 분류된 표상은 본문에 68개, 탐구 활동에 103개였다. 즉 표상과 표상 을 설명한 내용 간 직접적인 연결이 되어 있지 않은 표상은 본문보다 는 탐구 활동에 더 많음을 확인할 수 있었다. 캡션의 존재와 특성(C4) 범주에서도 적절한 캡션이 존재하는 표상은 대체로 본문에 제시되었 으며 캡션이 없는 표상은 주로 탐구 활동에 제시되어 있었다. 표상 간의 관련성(C5)은 복합적 표상에서만 가능한 분석으로 대부분의 복 합적 표상이 본문에 제시되었기 때문에 위치에 따른 분석 결과도 주 로 본문에서만 나타나는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로 표상의 기능 (C6)을 보면 모든 정보가 포함되어 완결된 형태로 제시된 완성형 표 상은 탐구 활동보다 본문에 더 많이 제시되었고, 학생들이 작성하도 록 하는 미완성형 표상은 주로 탐구 활동에 더 많이 제시되어 있음을 알 수 있었다.
2. 단원 및 성취기준 별 외적 표상의 특성
외적 표상의 분포 특성을 분석한 결과, 표상의 유형, 구성요소의 제시 특성, 본문과의 관련성, 캡션이나 기능의 범주 측면에서 양적으 로 교과서별 뚜렷한 차이는 거의 없었다고 볼 수 있다. 이에 단원별로 제시된 주요 표상을 선정하여 표상의 제시 방법을 비교하였다. 2015 개정 과학과 교육과정에 따르면(MOE, 2015) ‘기체의 성질’ 단원에서 는 기체가 입자로 구성되어 있으며 기체와 관련된 확산, 증발, 압력과 온도에 따른 부피 변화와 같은 다양한 현상을 입자적 관점에서 이해 하는 것이 주요 목적이다. 입자의 운동, 기체의 압력, 기체의 압력과 부피의 관계, 기체의 온도와 부피의 관계라는 네 가지 학습요소와 관련된 네 가지 성취기준을 제시한다. 첫 번째 성취기준은 기체의 확산과 증발 현상을 입자적인 관점에서 이해하고, 이를 입자 모형으
로 표현할 수 있도록 하는 것이다. 두 번째 성취기준은 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명하는 것이다. 세 번째와 네 번째 성취기준은 기체의 입자적 관점에서의 이해를 바탕으로 기체의 압력과 부피, 온 도와 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 관련 실생활 예시를 찾는 것이다.
먼저 첫 번째 성취기준에서 제시하고 있는 증발 현상과 관련하여 각 교과서에서 제시하고 있는 외적 표상은 Figure 7과 같다. 모든 교과서에서 시간의 흐름에 따른 향수 입자의 증발과 확산을 설명하고 있는데 그 방식은 조금씩 차이가 있다. T1과 T3는 매우 유사하며, T3에서는 향수 입자라는 것을 명시하였지만 T1에서는 명시하지 않았 다는 점에서만 차이를 나타낸다. T2와 T4는 향수병을 열지 않은 상태 에서 시작하여 병을 열면서 향수 입자들이 확산하는 과정을 설명하고 있다. 다른 교과서와 차별화하여 T2에서는 뚜껑을 열지 않은 상태에 서도 향수 입자는 증발하고 있으며 열면서 확산하는 모습을 보여준다.
T4에서는 입자들이 확산하는 모습만을 보여준다. T5에서는 다른 교 과서와 달리 향수병 대신 페트리 접시에 향수를 떨어뜨렸을 때를 보 여주고, 학생들에게 향수 입자 움직임을 예상하여 그려보도록 하는 미완성형 표상을 제시하고 있다. T1, T3, T4가 혼성적 표상을 이용하 여 향수 입자의 증발에 초점을 맞추어 표상을 제시하는 반면 T2에서 는 액체 상태에서의 향수 입자의 증발도 함께 제시하였다는 점이 차 별화되며 T5는 다른 교과서와는 달리 학생들이 직접 입자를 그려보도 록 하는 활동으로 구성하였다는 점이 다른 교과서와 달랐다.
두 번째 성취기준은 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명할 수 있다는 것인데, 기체의 압력에 관하여 각 교과서에서는 Figure 8에 제시된 것과 같은 표상을 제시하고 있다. T1, T2, T4에서는 풍선을 불고 있는 학생을 보여주며 풍선 속 기체 입자가 스스로 운동하고 있음을 삽화로 나타내고 있다는 점에서 공통성을 갖는다. 다만, T2와 T4는 표상의 주요 구성요소인 풍선 속 입자에 대한 설명을 표상 내에 제시하지 않았고, 입자의 움직임도 T1에 비해 명시적으로 표현하지 않았다. T1에서는 풍선 속 기체 입자뿐만 아니라 풍선 밖의 입자 운동 도 나타내어 대기압의 적용도 설명하고 있었다. T3와 T5에서는 기체 를 넣기 전과 후의 입자 개수 차이에 따른 압력 변화를 제시한다.
두 교과서 모두 공이나 풍선이라는 거시적 대상 내의 입자를 표현하고 있다. T3에서는 기체 입자라는 요소를 명시하였지만, T5에서는 이를 생 략하였다. T3에서는 입자의 움직임과 벽면에의 충돌을 화살표로 처리
T1 T2 T3
T4 T5
Figure 7. The external representation of evaporation and diffusion in each textbook
Analysis of External Representations in Matter Units of 7th Grade Science Textbooks Developed Under the 2015 Revised National Curriculum
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하여 충돌을 강조하고 있으며 T5에서는 충돌이라는 측면보다는 입자가 움직이고 있음을 강조하여 표현하고 있다는 점에서 차이가 있다. 세 번째와 네 번째 성취기준은 기체의 압력과 온도에 따른 부피 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾는 것이다. 실생활의 예와 관련된 표상들은 대부분 거시적 표상에 해당 하며 교과서별로 대상의 차이만 나타났다. 기체의 압력과 온도에 따 른 부피 관계에 대한 설명은 교과서마다 차이가 있었다. 압력과 부피 의 관계에 대한 표상을 Figure 9, 온도와 부피의 관계에 대한 표상을 Figure 10에 나타내었다. T3와 T4에서는 기체의 압력과 온도에 따른 부피 변화를 추와 용기 내 부피로 표현하면서 변화에 따른 용기 내 기체 입자를 제시하여 압력, 온도, 부피 관계를 입자 모형으로 이해할 수 있도록 하고 있다. 또한, 추의 개수나 온도 변화에 따른 용기의 부피, 입자의 충돌 횟수, 입자의 운동 변화를 글로 설명하여 표상의 의미에 대한 이해를 돕고 있다. T2도 T3, T4와 제시 방식이 유사한데, 차이점은 추 대신 화살표로 외부 압력과 내부 압력을 표시하였다는 것과 압력, 온도 변화에 따른 부피 변화만을 명시하고 부피, 입자의
충돌 횟수와 운동 변화와 같은 설명을 제시하지 않았다는 점이다. T1은 다른 교과서와 달리 압력과 온도에 따른 용기의 부피 변화와 용기 내 입자 분포를 그래프와 함께 제시하고 있다는 점에서 다른 교과서와 차별화된다. 그래프 내의 특정 조건에서의 압력, 온도와 부 피 관계를 한 번에 볼 수 있게 제시했으나 용기의 압력만을 명시하였 고 다른 요소들에 대한 설명은 제시되지 않았다. T5는 여러 측면에서 다른 교과서와 차별화된다. 먼저 압력과 부피 관계에서 다른 교과서 에서는 추나 화살표로 표현한 압력을 주사기 피스톤의 누름과 당김으 로 설명하였으며 외부 압력 변화에 따른 부피 변화 및 입자의 충돌을 상자 안 장난감 자동차의 비유와 더불어 제시하였다. 온도와 부피 관계에서 온도 변화에 따라 입자의 운동이 달라져 부피 변화가 생긴 다고 설명한 다른 교과서와 달리 입자의 운동 변화가 용기 내 기체 압력 변화를 가져오고 외부 압력과 내부 압력이 같아질 때까지 부피 가 변화한다는 것을 상세히 제시하고 있다. 즉, 비유, 화살표의 두께와 색깔, 부등호와 같은 여러 가지 요소들이 포함되어 있다는 것이 특징 으로 볼 수 있다.
T1 T2 T3
T4 T5
Figure 9. The external representation of pressure and volume relationship of gas in each textbook
T1 T2
T3 T5 T4
Figure 8. The external representation of pressure of gas in each textbook
‘물질의 상태 변화’ 단원에서는 주변에서 관찰할 수 있는 상태 변화 를 이해하고 관심을 가지며 미시적 수준에서 입자 배열에 따라 상태 가 달라지며 온도에 따라 입자 배열이 달라져 상태가 변화할 수 있음 을 설명하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 세 가지 상태와 입자 배열, 기화, 액화, 융해, 응고, 승화, 상태 변화, 녹는점, 어는점, 끓는점, 상태 변화와 열에너지 출입을 학습요소로 선정하여 네 가지 성취기준 을 제시하고 있다(MOE, 2015). 첫 번째 성취기준은 물질의 세 가지 상태의 특성을 이해하고 이를 입자 모형으로 설명하는 것이다. 두 번째 성취기준은 다양한 물질의 상태 변화를 관찰하고, 상태 변화를 입자적 관점에서 설명하는 것이다. 세 번째 성취기준은 상태 변화가
일어날 때 온도 변화의 해석을 통하여 녹는점, 어는점, 끓는점을 찾는 것이다. 마지막 성취기준은 상태 변화와 열에너지의 관계를 이해하고 상태 변화 시 출입하는 열에너지의 실생활 이용사례를 설명하는 것이다. 먼저 첫 번째 성취기준은 물질의 세 가지 상태의 특징을 입자 모형 으로 표현하는 것이다. 이와 관련하여 각 교과서에서 제시하고 있는 표상은 Figure 11과 같다. T1, T2, T3, T5는 거시적 수준에서 세 가지 상태의 대상을 제시하고 입자적 관점에서 입자 배열을 그림으로 표현 한 복합적 표상을 제시하고 있으며, 상태의 특징을 글로 제시하고 있다는 점에서 모두 유사하다. 다만, T5는 물이라는 한가지 물질의 고체, 액체, 기체 상태를 제시했다는 점에서 서로 다른 장난감, 물,
T1 T2 T3
T4 T5
Figure 10. The external representation of temperature and volume relationship of gas in each textbook
T1 T2 T3
T4 T5
Figure 11. The external representation of characteristics of states of matter in each textbook
Analysis of External Representations in Matter Units of 7th Grade Science Textbooks Developed Under the 2015 Revised National Curriculum
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공기로 대표되는 각 상태의 특징을 입자 모형으로 제시한 다른 교과서와 차별화된다. T4는 다른 교과서와는 달리 입자적 수준에서 각각 의 상태에서 입자 배열을 미시적인 수준에서만 제시하고 있다는 점에 서 다른 교과서와는 차이가 있었다.
두 번째 성취기준은 물질의 상태 변화 시 나타나는 현상을 입자 모형으로 설명할 수 있다는 것으로 교과서에서는 상태 변화 시 나타 나는 현상으로 입자 배열, 입자 운동, 부피 변화를 설명하고 있다.
각 교과서에서 제시하고 있는 상태 변화에 따른 현상과 관련된 외적 표상은 Figure 12와 같다. T1, T2, T3에서는 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태와 화살표로 표현된 상태 간 변화를 하나의 표상으로 묶어
복합적 표상으로 제시하여 상태 변화가 순환적으로 일어나는 것으로 표현하고 있지만, T4와 T5에서는 상태의 특징과 변화를 두 가지 상태 에서 이루어지는 변화로 각각 나누어 제시하고 있다는 점에서 차별화 된다. T1, T2, T3에서도 상태 변화 명칭의 명시 여부, 각 상태의 입자 배열에 대한 표현 수준이 교과서마다 다르게 나타났다. T4와 T5에서 의 차이점은 T4에서는 상태별 입자 배열이나 부피의 특징을 미시적 수준에서만 표현하였으나 T5에서는 미시적 수준과 더불어 거시적 수 준의 대상도 제시하였다는 점이다.
세 번째 성취기준은 상태 변화가 일어날 때의 온도 변화에 대한 자료를 해석하여 녹는점, 어는점, 끓는점을 찾을 수 있다는 것이다.
T1 T2 T3
T4 T5
Figure 12. The external representation of changes in states of matter in each textbook
T1 T2
T4 T5 T3
Figure 13. The external representation of temperature change in change of states of matter in each textbook
교과서마다 제시된 외적 표상은 Figure 13과 같다. 모든 교과서에서 물질의 가열시간에 따른 온도 변화를 그래프로 제시하는 것이 공통점 이었다. T1을 제외한 다른 교과서에서는 그래프에 녹는점, 어는점, 끓는점을 명시했지만, T1에서는 그래프 아래에 표를 제시하고, 학생 들에게 녹는점 등을 찾아 적어보도록 구성하고 있다는 점이 다른 교 과서와 다른 점이었다. 표상을 구성하는 세부요소를 살펴보면 T1과 T5에서는 융해, 기화와 같은 구간별 상태 변화 용어가 제시되어 있었 으며 T4에서는 구간별 물질의 상태가 제시되어 있었다. T3에서는 구 간별 상태 변화 용어와 물질의 상태가 모두 제시되어 있었으며 거시 적 수준에서 구간별 상태를 사진으로 제시하고 있다는 점에서 다른 교과서와 차별화되었다. T2에서는 미시적 수준에서 구간별로 입자 배열을 제시하고 있으며 상태 변화가 일어나는 구간에서는 학생들에 게 입자 배열을 그려보도록 하고 있다는 점에서 다른 교과서와 차별 화되었다.
마지막 성취기준은 상태 변화와 열에너지의 관계를 이해하고 상태 변화 과정에서 출입하는 열에너지가 생활에 이용되는 사례를 찾고 설명할 수 있다는 것인데, 생활에 이용되는 사례와 관련된 표상은 대체로 거시적 표상이어서 교과서 간 제시 방식은 크게 다르지 않았 다. 하지만 상태 변화와 열에너지의 관계에 대한 표상은 교과서마다 조금씩 다르게 나타났는데 이와 관련된 표상 일부를 Figure 14에 제시 하였다. 모든 교과서에서 공통으로 상태 변화를 화살표로 나타내면서 열에너지의 출입 여부를 명시하고 있었다. 고체, 액체, 기체 상태를 표현하는 방법에서 차이가 있었는데 T2와 T5에서는 각 상태의 거시 적 특징을 삽화로 표현하였고, 두 교과서를 제외한 다른 교과서에서 는 각 상태에서의 입자 모형을 제시하였다. 열에너지의 출입과 관련 하여 T1, T2, T5에서는 열에너지를 흡수하는 상태와 방출하는 상태를 각각 독립적으로 제시했다. T3와 T4에서는 열에너지의 출입을 한 표 상 안에 같이 표현하였는데, 이 경우에는 흡수와 방출을 의미하는 화살표의 색깔을 다르게 나타내었다. T4와 T5에서는 열에너지의 출 입에 따른 온도 변화까지 그래프로 나타내면서 상태 변화 과정에서의
입자 모형까지 하나의 표상으로 제시하였다는 점에서 다른 교과서와 차별화된다. 특히, T5에서는 거시적 수준에서 온도계까지 제시하면서 거시적, 미시적, 상징적 수준에서의 표상을 동시에 제시하고 있었다.
Ⅳ. 결론 및 제언
본 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 7학년 과학교과서 물질 영역에 제시된 표상을 유형, 구성요소의 명시성과 구체성, 본문 내용 과의 연관성과 연결성, 제시된 캡션의 적절성, 하위 표상 간 관련성, 기능이라는 여섯 가지 측면에서 분석하였다. 이 결과로부터 도출된 표상의 특성에 대한 결론은 다음과 같다.
첫째, 교과서에 제시된 표상의 분포를 보면 여섯 가지 유형 중 특정 유형에 편중되어 제시된 경향이 있었다. 가장 많이 제시된 표상의 유형은 거시적 표상이었으며 미시적 표상과 혼합적 표상의 수는 매우 적었다. 이는 표상 분석 결과 거시적 표상의 수가 가장 많았다는 Kapici & Açikalin(2015), Shehab & BouJaoude(2017)의 연구 결과와 는 일치하지만, 상징적 표상이 가장 많았다는 Upahi & Ramnarain (2019)의 연구 결과나 미시적 표상이 거시적, 상징적 표상보다 상대적 으로 많았다는 Kang et al. (2007)의 연구와는 다소 차이가 있었다.
모든 선행연구에서 공통으로 혼합적 표상의 수는 가장 적었다는 점은 본 연구 결과와도 일치하는 부분이다. 미시적 표상이 적은 이유는 입자적 이해를 도모하기 위하여 미시적 표상을 거시적 표상이나 상징 적 표상과 더불어 혼합적, 혼성적 표상의 형태로 제시하고 있기 때문 으로 이해할 수 있다.
둘째, 표상 유형의 분포 양상은 단원에 따라 차이가 있어 단원의 특성에 따른 성취기준이 반영되었음을 확인할 수 있었다. 상징적 표 상은 다른 단원보다 ‘압력과 온도에 따른 기체의 부피 변화’와 ‘상태 변화와 열에너지’ 단원에서 많이 제시되었다. 특히, ‘상태 변화와 열 에너지’ 단원에서는 상징적 표상의 빈도가 상대적으로 높게 나타났 다. 해당 단원의 성취기준과 성취기준 해설을 보면 압력과 온도에
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Figure 14. The external representation of relationship between changes in temperature and states of matter in each textbook
