A Study on the Improvement of Biology Laboratory Activities for Enhancing Creative Science Process Skills

Abstract

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 과학교육과(생물전공), 2013. 2. 김영수.본 연구 목적은 학생들의 창의적 탐구 사고력을 향상시키기 위하여, 문제 도출과 가설 설정과 실험 설계 활동을 경험할 수 있는 실험 전 토의 활동을 개발함으로써, 현재 교육 현장에서 다루어지고 있는 가설 검증형 실험 활동을 개선하는 것이다. 먼저 2007 개정 교육과정 7학년 과학 교과서 17종과 8학년 과학 교과서 10종, 그리고 9학년 과학 교과서 9종의 생명 영역에 가설 검증형 실험 활동이 얼마나 제시되어 있으며, 탐구 과정이 탐구 활동의 어느 위치에서 안내되는지 분석하였다(연구 I). 가설 검증형 실험 활동은 전체 탐구 활동의 19.7%를 차지하였으며, 탐구 문제 도출(88.1%), 가설 설정(7.3%), 실험 설계(38.4%), 실험 절차(98.0%), 자료 변환(47.0%), 자료 해석(78.1%), 결론 도출(92.1%), 반성(4.0%), 발전(35.1%)으로 구성되어 있었다. 교과서에 제시된 가설 검증형 실험은 주요 탐구 과정들이 생략된 채 실험 수행에만 집중된 경향이 있었으며, 탐구 과정의 안내 위치가 적절하지 않은 경우가 많았다. 다음으로 수업 개선 효과를 파악하기 위한 도구로 사용하기 위해, 탐구 사고력의 주요 요소들을 추출하여 학생들의 탐구 사고력을 측정하는 서술형 평가 도구를 개발하였다(연구 II). 개발된 검사 도구는 탐구 문제 도출, 변인 추출, 가설 설정, 실험 설계, 자료 변환, 자료 해석, 결론 도출, 일반화, 평가에 대하여 각 2문항씩 총 18문항으로 완성되었다. 검사 도구는 5단계 리커트 평정 방법에서 4.23을 얻어 매우 타당하였고, 문항의 내적 합치도 신뢰도는 0.882(Cronbach's α), 채점자 간 신뢰도는 0.984이었다(Kendall's W). 문항의 난이도는 평균 0.51, 변별도는 평균 0.49로 서술형 평가 도구로 적합하였다. 교과서의 가설 검증형 실험 활동을 보완하기 위하여, 연구 Ⅰ에서 분석한 가설 검증형 실험 활동 중 교육과정에 명시되어 있는 주제들을 대상으로 실험 전 토의 활동이 포함된 개선된 가설 검증형 실험 활동을 개발하였다(연구 III). 먼저, 학생들의 이해를 돕기 위한 가설 검증형 실험 안내 설명식 수업을 개발하였고, 탐구 문제 도출, 변인 추출, 가설 설정, 가설로부터의 예측, 간단한 실험 설계, 변인 확인과 조작ㆍ측정ㆍ통제 방법 고안, 자세한 실험 설계가 포함된 실험 전 토의 활동을 개발하였다. 개발된 실험 전 토의 활동은 서울대학교 과학영재센터 중학교 2학년 학생 18명과 서울에 소재한 두 곳의 중학교 2학년 학생 173명에게 시험 적용하여 수정ㆍ보완하였다. 연구 III에서 개발한 실험 전 토의 활동을 포함한 가설 검증형 실험 수업의 효과를 연구 II에서 개발한 평가 도구를 이용하여, 기존의 가설 검증형 실험 수업의 효과와 비교하였다(연구 Ⅳ). 서울 소재 중학교 2학년 학생 94명과 경기도 안양시 소재 중학교 2학년 학생 140명에게 적용한 결과, 실험 활동을 하기 전에 학생 중심의 실험 전 토의 활동을 한 집단이 실험 활동을 하기 전에 실험 전 토의 활동을 하지 않은 집단에 비해, 통계적으로 유의미하게 향상된 탐구 사고력을 보였다. 학생 중심으로 실험 전 토의 활동을 한 집단과 교사 중심으로 실험 전 토의 활동을 한 집단 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 없었다. 그리고 실험 전 토의 활동 없이 실험 활동만 하는 집단과 실험 활동을 하지 않는 집단 간의 탐구 사고력에는 통계적으로 유의미한 차이가 없었으며, 이는 실험 활동 자체가 학생들의 탐구 사고력 향상에 직접적인 도움을 주지 않는다는 것을 보여 준다. 본 연구에서 개발된 실험 전 토의 활동을 포함한 가설 검증형 실험 활동은 기존의 가설 검증형 실험 활동의 문제점을 극복하고, 학교 현장에서 학생들의 탐구 사고력을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있는 좋은 대안이라고 생각된다.국문 초록 ⅰ 목차 ⅲ 표 목차 ⅶ 그림 목차 ⅺ Ⅰ. 서론 1. 연구 필요성 1 2. 연구 내용 5 3. 용어 정의 7 4. 연구 제한점 8 Ⅱ. 이론적 배경 1. 과학 창의성과 과학 탐구 9 2. 생물 교육에서의 실험 2.1 생물 교육에서의 실험의 기능 12 2.2 실험 수업의 유형 14 2.3 생물 탐구의 특징 16 2.4 실험 활동의 실태 17 3. 생물 교육에서의 가설 검증형 실험 3.1 가설 검증형 실험 25 3.2 가설 검증형 실험에 대한 선행 연구 43 Ⅲ. 연구 Ⅰ : 중학교 과학 교과서의 생명 영역에 제시된 가설 검증형 실험 활동의 안내에 대한 분석 1. 연구 배경과 연구 내용 46 2. 연구 방법 2.1 분석 대상 48 2.2 분석 내용과 분석 방법 52 3. 연구 결과와 논의 3.1 중학교 과학 교과서의 가설 검증형 실험 활동 빈도 55 3.2 과학 교과서의 가설 검증형 실험 활동의 탐구 과정 안내 59 4. 요약 80 Ⅳ. 연구 Ⅱ : 과학 탐구 사고력 측정을 위한 서술형 평가 도구의 개발 1. 연구 배경과 연구 내용 82 2. 연구 방법 2.1 탐구 사고력 평가 요소의 선정 86 2.2 평가 문항의 개발 88 2.3 개발된 문항의 평가 틀 개발과 채점 89 2.4 평가 문항의 검증 89 3. 연구 결과와 논의 3.1 탐구 사고력 서술형 평가 문항의 개발 92 3.2 평가 문항의 채점 준거 97 3.3 평가 문항의 타당도 103 3.4 평가 문항의 신뢰도 104 3.5 평가 문항의 난이도와 변별도 105 3.6 서술형 평가 점수와 선다형 평가 점수의 상관관계 108 4. 요약 110 Ⅴ. 연구 Ⅲ : 가설 검증형 실험 활동 개선을 위한 실험 전 토의 활동의 개발 1. 연구 배경과 연구 내용 112 2. 연구 방법 2.1 선행 연구 분석 113 2.2 개선된 가설 검증형 실험 수업 모형 개발 114 2.3 가설 검증형 실험 안내 수업 개발 114 2.4 실험 전 토의 활동 개발을 위한 실험 활동 주제 선정 115 2.5 실험 전 토의 활동 개발 115 2.6 실험 전 토의 활동의 시험 적용 115 3. 연구 결과와 논의 3.1 선행 연구 분석 결과 116 3.2 개선된 가설 검증형 실험 수업 모형 125 3.3 가설 검증형 실험 안내 수업의 구성 127 3.4 실험 전 토의 활동 자료 개발을 위해 선정한 실험 활동 주제 133 3.5 실험 전 토의 활동의 구성 135 4. 요약 151 Ⅵ. 연구 Ⅳ : 가설 검증형 실험 활동 개선을 위한 실험 전 토의 활동의 적용 1. 연구 배경과 연구 내용 153 2. 연구 방법 2.1 연구 대상 154 2.2 연구 실험 설계 154 2.3 연구 절차 157 2.4 수업 과정 158 2.5 분석 방법 162 3. 연구 결과와 논의 3.1 집단 간 등질성 점검 163 3.2 실험 전 토의 활동이 탐구 사고력에 미치는 효과 168 4. 요약 183 Ⅶ. 결론 184 참고 문헌 189 부록 204 Abstract 265Docto