이 연구의 목적은 교사와 학생들이 어렵다고 인식하는 초등학교 과학과 전기회로 단원에 대해 지식상태 분석법과 면담을 사용하여 탐구능력 지식상태 구조와 위계를 분석하는 것이다. 전기회로 탐구능력 수업 모듈 적용 전?후에 전기회로 기초탐구능력과 통합탐구능력 평가 문항을 학생들에게 투여하고 지식상태 분석과 면담을 실시하였다.
연구 대상은 초등학교 5학년 학생 174명을 대상으로 하였으며, 이중 면담 대상 학생은 12명이다. 전기회로 탐구능력 평가 문항 제작을 위해 물리교육 전문가 1명, 물리교육 박사과정의 교사 2명이 제작에 참여하였고, 초등교사 9명과의 협의를 통하여 타당성을 검토하였다. 전기회로 탐구능력 평가 문항은 총 25문항인데, 이중 기초탐구능력 12문항, 통합탐구능력 13문항으로 구성되었다. 이 연구에서는 전기회로 탐구능력 평가 문항의 타당성 검증을 위해 문항 내용 타당도(content validity)를 검토하였고, 신뢰도와 난이도를 알아보았다. 내용 타당도는 84%, 신뢰도는 Cronbach α=.768, 전체 평균 문항 난이도는 63.2%가 나왔다.
이 연구의 결과는 다음과 같다.
첫째, 전기회로 단원에서 학생들의 기초탐구능력인 관찰, 분류, 측정, 예상, 추리, 의사소통 요소에 대하여 지식상태 구조와 위계 분석을 하였다. 사전 기초탐구능력은 체계적으로 정립되어 있지 않았고, 사후 기초탐구능력에서의 지식상태는 체계적으로 정립되어 있고, 기초탐구능력 요소 간에도 연계가 이루어져 있음을 알았다. 사후 학생들의 기초탐구능력 지식상태 분석에서 ‘여러 가지 전지의 관찰’, ‘도체와 부도체의 분류’, ‘전구의 밝기 측정’, ‘밝은 전기회로 예상’, ‘감전사고와 강수량 그래프 보고 추리하기’ 등의 문항이 서로 밀접하게 연계되어 있었다. 이중에서 ‘전구의 밝기 측정’, ‘밝은 전기회로 예상’, ‘감전사고와 강수량 그래프 보고 추리’ 문항의 기초탐구능력 요소가 학습 집단 내에서 학생들이 많이 어려워하고, 틀린 문항이며 다른 기초탐구능력 요소보다 위계가 높았다. 또한 지식상태 분석 위계도를 통하여 기초탐구능력이 체계적으로 정립되어 있는 학생과 그렇지 못한 학생에 대한 진단 및 심화?보충지도 방법을 쉽게 알아볼 수 있도록 하였다. 또한 면담을 통하여 수업 전?후 개별 학생들이 인식하고 있는 기초탐구능력의 지식상태에 대해 알아보았다. 평가 문항으로 관찰 1문항, 분류 1문항, 측정 1문항, 예상 3문항, 추리 3문항, 의사소통 2문항, 총 12문항에 대한 면담을 실시하여 각 기초탐구능력 요소에 대해 학생들의 지식상태 분석을 정성적으로 알아보았다.
둘째, 학생들의 통합탐구능력인 문제인식, 가설설정, 변인통제, 자료변환, 자료해석, 결론도출, 일반화 요소에 대하여 지식상태 구조와 위계 분석을 하였다. 사전 전기회로 통합탐구능력은 문항 간 위계가 없이 체계적으로 정립되어 있지 않았으며, 사후 통합탐구능력에서의 지식상태에서는 체계적으로 정립되어 있고, 기초탐구능력 요소 간에도 연계가 이루어져 있음을 알았다. 사후 학생들의 통합탐구능력 지식상태 분석에서 ‘전류는 (+)극에서 (-)극으로 흐름을 발광 다이오드를 통해 알아보는 일반화’, ‘가로등이 병렬로 연결되어 있는 까닭에 대한 가설설정’, ‘한 가닥의 선으로 연결되어 있는 장식 전구의 문제점을 찾는 문제인식’ 문항이 서로 밀접하게 연계되어 있었다. 이중에서 문제인식 요소가 학습 집단 내에서 학생들이 많이 어려워하고, 틀린 문항이며 통합탐구능력 요소보다 위계가 높았다. 그리고 동일한 점수라도 이에 대한 탐구능력 지도를 다르게 해야 함을 알 수 있었다. 또한 면담을 통하여 수업 전?후 개별 학생들이 인식하고 있는 통합탐구능력의 지식상태에 대해 알아보았다. 평가 문항으로 문제인식 2문항, 가설설정 2문항, 변인통제 1문항, 자료변환 3문항, 자료해석 2문항, 결론도출 2문항, 일반화 2문항 총 13문항에 대한 면담을 실시하여 각 통합탐구능력 요소에 대해 학생들의 지식상태 분석을 정성적으로 알아보았다.
이 연구의 결론은 다음과 같다.
첫째, 지식상태 분석법을 통하여 탐구능력 요소의 평가 문항 간 관계, 즉 평가 문항을 통하여 간접적으로 학생들의 탐구능력 지식상태 구조와 위계를 알 수 있었다. 이 연구의 관점은 학생의 탐구능력 점수를 중심으로 한 평균 분석보다는 학생들에게 주어진 전기회로 탐구능력 요소 간 지식상태 구조와 위계에 대한 분석을 목표로 하였다. 여기에서 연구결과로 나타난 탐구능력 위계 관계는 교수 순서에 의한 위계 관계가 아니라 학생들의 탐구능력에 대한 심리적인 위계를 나타낸 것이다. 이는 학생들의 탐구능력에 대한 지식상태를 대표한다고 볼 수 있다. 기초탐구능력 지식상태 분석에서는 전기회로의 측정, 예상, 추리의 평가 문항 탐구능력 요소의 위계가 다른 요소들보다 높음을 알 수 있었다. 면담을 통한 학생들의 기초탐구능력 요소 분석과 논의를 통해서는 먼저 관찰은 단순 관찰에서 조작관찰로, 정성 관찰에서 정량관찰로, 무비교 관찰에서 비교 관찰로 그 유형이 변화됨을 알 수 있었다. 분류는 대상의 특징을 발견하고 공통점과 차이점을 발견하는 단계에서 공통된 특징에 따라 분류 기준을 발견하고, 분류한 것을 재분류하며, 체계를 정하는 유형으로 변화됨을 알 수 있었다. 측정은 정량적인 탐구능력이 우수한 학생들이 측정 방법과 측정 도구의 선정을 잘 파악하고 있음을 알 수 있었다. 예상은 단순한 추측에서 관찰, 측정, 추론, 분류에 바탕을 두고 예상하는 학생이 증가하였으며, 규칙성 관찰과 발견, 내삽과 외삽을 사용하여 나타내기도 하였다. 추리와 의사소통은 기존의 지식과 경험의 영향을 많이 받았으며, 주어진 상황이 학생에게 친숙한 것이냐, 아니냐에 따라 추리 능력의 수준이 다르게 나타났다.
둘째, 지식상태 분석법을 이용한 전기회로 탐구능력 요소 간 지식상태 위계 관계 분석은 학생의 출발점 상태를 정확히 알 수 있게 하는 개별적 진단평가의 역할을 할 수 한다. 또한 학습 후에 얻어지는 학생의 지식상태는 추후 보충?심화 학습을 위한 탐구능력 학습의 시사점을 준다. 그리고 지식상태 위계도를 이용한 학습자 개개인의 평가는 평가방법에 대해 시사하는 바가 크다고 하겠다. 통합탐구능력 지식상태 분석에서는 전기회로의 문제인식 평가 문항의 탐구능력 요소의 위계가 다른 요소들보다 높음을 알 수 있었다. 면담을 통한 학생들의 통합탐구 요소 분석과 논의를 통해서, 먼저 문제인식은 추측적 의문, 예측적 의문, 인과적 의문, 방법적 의문, 적용적 의문 등으로 분류할 수 있는데, 이 연구에서 대부분의 학생들은 인과적 의문에 집중되어 나타났다. 가설설정은 추측, 예상에서 관찰과 사전 지식을 사용하여 가설을 생성하는 것을 알 수 있었다. 변인통제는 모든 변인을 열거하고 단순한 인과관계에서 관련된 변인들을 개별적?종합적으로 생각하고 그것이 결과에 미치는 효과를 생각하는 것으로 변하는 경향을 알 수 있었다. 자료변환은 학생들의 데이터 표현 진술 능력과 변수들 사이의 상관관계와 인관관계 해석 능력이 구체적으로 나타났다. 자료해석은 관찰, 분류, 측정 능력이 우수하거나 제대로 수행한 학생들의 능력이 우수하게 나타남을 알 수 있었다. 결론도출은 사후 면담에서 비판적 분석, 주제의 확인, 변인들 사이의 관계 정립, 다른 상황으로의 적용 등이 더 많이 나타났고, 일반화는 학생들이 얻어진 결과들 사이의 규칙성을 찾는 수준에서 수집된 결과와 자료들 사이에서 규칙성을 확인하고 새로운 추가 사실을 찾고, 적용, 예측을 대답하는 학생들이 증가하였음을 알 수 있었다.
결론적으로 전기회로 탐구능력 지식상태 구조와 위계 분석을 통해서 탐구능력에 관하여 가르치는 교사의 사고와 학생들의 사고가 다름을 시각적으로 알 수 있었으며, 이는 탐구능력 교수?학습과정에서 간과하지 않고 고려해야 할 중요한 요소라 할 수 있다. 또한 탐구능력 요소 간 지식상태 구조와 위계 관계를 제시함으로써 학생들의 탐구능력 학습지도에 시사점을 줄 수 있다.