이 연구는 논의-기반 모델링 전략을 개발하고, 이 전략이 학생들의 인지 능력, 모델링 능력, 글쓰기 능력에 미치는 영향을 알아보는 것을 목적으로 하였다.
이를 위해 남녀공학 중학교 1학년 전체 네 개 학급(87명)중 세 개 학급은 실험집단으로 한 개 학급은 비교집단으로 선정하였다. 논의-기반 모델링 전략을 적용한 세 개 실험집단 중에서 한 개 학급(22명)은 명시적으로 다중표상 및 모델링을 적용한 논의-기반 다중표상 및 모델링 집단(Argument-based multimodal Representation and Modeling, AbRM집단집단), 다른 한 개 학급(21명)은 명시적으로 모델링을 적용한 논의-기반 모델링 집단(Argument-based Modeling, AbM집단), 또 다른 한 개 학급(21명)은 명시적으로 다중표상을 적용한 논의-기반 다중표상 집단(Argument-based multimodal Representation, AbR집단), 나머지 한 개 학급(23명)은 비교집단으로 선정하였다.
논의-기반 모델링 전략은 인지 과정, 해석 과정, 적용 과정으로 구성되어 있다. 세 개 실험집단은 논의-기반 모델링 전략의 인지 과정과 해석 과정을 공통적으로 수행하고 적용하는 과정에서는 AbRM집단은 명시적으로 논의-기반 다중표상 및 모델링을 적용하였고, AbM집단은 명시적으로 논의-기반 모델링을 적용했으며, AbR집단은 명시적으로 논의-기반 다중표상을 적용하였고, 비교집단은 전통적 수업방식을 적용하였다.
논의-기반 모델링 전략이 학생들의 인지 능력, 모델링 능력, 글쓰기 능력에 미치는 효과를 검증하기 위해 사전·사후 과학개념 이해도, 학업성취도, 비판적 사고력, 모델링, 요약 글쓰기의 결과를 SPSS12.0을 이용하여 사전 점수를 공변량으로 하여 일원 공변량 분석(one-way ANCOVA)을 하였다. 또한 어느 집단 간의 차이인지 알아보기 위해 Scheffe 사후 검증을 실시하였으며, Cohen’s d 값을 이용하여 각 집단별 효과 크기(effect size)를 분석하였다.
논의-기반 모델링 전략이 학생들의 인지 능력에 미치는 영향을 알아보기 위해 과학개념 이해도, 학업성취도, 비판적 사고력 결과를 이용하였다. 네 집단 간 과학개념 이해도 점수 분석 결과, AbRM집단이 다른 집단보다 통계적으로 유의미하게 높은 점수를 보였다. 학업성취도의 경우, 명시적으로 모델링을 적용한 AbRM집단과 AbM집단이 암시적으로 모델링을 적용한 AbR집단과 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다. 또한 비판적 사고력의 경우, AbRM집단에서는 비판적 사고력의 이들 하위요소인 귀납, 관찰, 신뢰도 영역에서 향상을 보였고 AbM집단보다 통계적으로 유의미하게 높았으나, AbR집단과 비교집단과는 통계적으로 유의미한 차이가 없었다.
논의-기반 모델링 전략이 학생들의 모델링 능력에 미치는 영향을 분석한 결과, AbRM집단의 경우 통합적 모델링 수준에서 다른 세 집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, AbM집단이 AbR집단과 비교집단보다 유의미하게 높았다. 명시적으로 모델링을 적용한 경우 학생들은 의사소통을 목적으로 자연 세계에서 일어나는 현상에 대해 문제를 인식하고 이를 과학적 설명으로 제시할 때 과학개념에 적합하고 타당하고 적절하며 다양한 표상으로 증거를 제시하면서 통합적 모델링 수준이 높은 것으로 나타났다. 모델링 능력의 하위 요소를 살펴보면, 여러 문제 상황을 관찰하여 문제를 연관지어 인식하는 ‘문제인식’, 과학적 설명을 위해 충분한 과학개념을 제시하고 분자 등 추상적 개념을 포함하여 과학개념을 구조화하여 제시하는 ‘과학개념 구조화’, 주장에 대해 적절한 표상의 증거로 제시하는 ‘주장-증거 적절성’의 경우 명시적으로 다중표상 및 모델링을 적용한 AbRM집단은 이 모든 하위 항목에서 통계적으로 유의미하게 높았으며, 그 다음으로 AbM집단이 통계적으로 유의미하게 높았다. 통합적 모델링 수준의 경우 AbR집단이 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았지만, 과학개념 구조화와 주장-증거 적절성에서 AbR집단은 비교집단보다 높았지만 통계적으로 유의미한 차이가 없었다. 증거 제시에서 다양한 표상의 사용과 과학개념에서 여러 표상을 사용하고 전환하여 통합하는 ‘다중표상 지수’는 AbRM집단이 다른 세집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, 그 다음 명시적으로 다중표상을 적용한 AbR집단이 다른 두 집단(AbM집단, 비교집단)보다 통계적으로 유의미하게 높았으며 그 다음으로 AbM집단이 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다.
논의-기반 모델링 전략이 학생들의 글쓰기 능력에 미치는 효과를 알아보기 위해 학생들의 요약 글쓰기 분석한 결과, AbRM집단은 AbR집단, AbM집단, 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, AbM집단은 AbR집단과 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았으며, AbR집단은 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다. 요약 글쓰기의 하위요소를 살펴보면, 학습 목표에 대한 이해로 학생들이 갖고 있는 과학개념이 통합되어 있는 정도를 의미하는 big idea와 주장의 경우 명시적으로 모델링을 적용한 AbRM집단과 AbM집단이 암시적으로 모델링을 적용한 AbR집단과 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, 암시적으로 모델링을 적용한 AbR집단은 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다. 과학개념의 수, 주장, 증거, 증거의 적절성, 다중표상의 통합성의 경우 명시적으로 다중표상 및 모델링을 적용한 AbRM집단이 AbM집단, AbR집단, 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, 명시적으로 모델링을 적용한 AbM집단은 명시적으로 다중표상을 적용 및 암시적으로 모델링을 적용한 AbR집단과
비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았으며, AbR집단은 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다. 다중표상이 형식에 맞게 사용되고 본문에 언급되거나 제목이나 축의 이름, 설명이 있는지와 관련 있는 다중표상의 응집성의 경우, AbR집단은 AbRM집단, AbM집단, 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, AbRM집단은 AbM집단과 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았고, AbM집단은 비교집단보다 통계적으로 유의미하게 높았다.
이러한 결과로부터 논의-기반 모델링 전략은 모델링의 목적인 의사소통을 위해 자신이 만든 모델을 논의와 글쓰기를 통해 과학적 언어를 사용하여 스스로 정리하거나 표현하고, 다른 사람의 의견을 듣고 교환하는 과정을 통해 모델을 평가하고 수정하는 일련의 과정을 통해서 학생들의 모델링 능력의 향상과 인지 능력과 글쓰기 능력에서 효과적임을 보여 주었다.

The purpose of this study was to investigate the development and effect of argument-based modeling strategy on cognitive ability, modeling ability and writing ability. For this study, middle school 7th grade 87 students were selected and 64 students were assigned to the experimental group and 23 students were assigned to comparative group. In experimental group, one group(22 students) was Argument-based multimodal Representation and Modeling(AbRM), another group(21 students) was Argument-based Modeling(AbM), the other group(21 students) was Argument-based multimodal Representation(AbR).
Argument-based modeling strategy was composed of recognition process, interpretation process, and application process. Three experimental groups conducted the recognition and interpretation processes in common. In application process, argument-based multimodal representation and modeling were explicitly applied to AbRM group and AbM group explicitly applied the argument-based modeling. For AbR group, the argument-based multimodal representation was explicitly applied and the comparative group participated in traditional experiment and teaching method.
SPSS12.0 one-way ANCOVA was employed for analysis of the data, Cohen''s d index was used for the inter-group effect size and Scheffe test was used for the difference between groups.
The results of cognitive ability are as follows: as for scientific concept understanding, AbRM group scored significantly higher than the other groups. As for academic achievement, AbRM and AbM groups scored higher than AbR and the comparative groups. As for critical thinking test, AbRM group scored higher than the other three groups.
Modeling ability was consisted of identifying problem, structuring scientific concepts, adequacy of claim and evidence and index of multimodal representation. The sum of these four elements was able to classify the integrative modeling level. As for integrative modeling level, AbRM group scored significantly higher than the other groups statistically, AbM group was significantly higher than AbR and comparative groups. As for the explicit application of the argument-based modeling strategy, when the students proposed and explained scientifically their perceptions of the problems regarding phenomenon occurring in the natural world, their level of modeling was raised when they provided evidence through using various suitable and appropriate representations. The results of the sub-elements of modeling ability are as follows: as for the identifying problem, structuring of scientific concepts, adequacy of claim and evidence AbRM group scored significantly higher than the other groups statistically. As for the index of multimodal representation AbRM group who explicitly applied the inquiry scored the highest significantly in all of these items. Following AbRM group, AbR group was the next significantly and statistically highest scoring group.
In the analysis of writing ability, AbRM group significantly performed better than the others, AbM group significantly performed better than AbR and comparative groups and AbR group significantly performed better than comparative group. Regard to the sub-elements of writing ability, in the big idea, number of scientific concepts, adequacy of evidence and integration of multimodal representation, AbRM and AbM groups that applied argument-based modeling explicitly were significantly higher than AbR and comparative groups that applied it implicitly. AbR group was higher than the comparative group. In the case of cohesion; this being related to whether or not the representation is correctly used in the format, whether or not the subject or axis was referring to the main text and whether or not an explanation was provided; AbR group was significantly better than the other groups. AbRM group, AbM group, and the comparative group followed in order.
From the result, the argument-based modeling strategy''s effectiveness was verified in students'' cognitive, modeling and writing ability through the process of argument-based modeling in which they organized or expressed the model and evaluated or modified it through the exchange of opinions with others by scientific language as argument and writing.