본 연구에서는 식물의 영양에 대한 내용을 중심으로 중학교 과학 교과서에서는 어떻게 설명하고 있는지 그리고 학생의 지식 구조에서는 그 지식이 체계적으로 잘 구조화되었는지를 조사하고자, 교과서의 핵심 개념과 개념 간의 관계 그리고 수업 후 학생이 가지고 있는 핵심 개념과 개념 간의 관계를 분석 및 비교하였다.
교과서 자료는 2009 개정 과학과 교육과정에 따라 ㈜두산동아에서 발행된 중학교 1학년 과학 교과서의 광합성 단원 중 생물의 구성 단계를 제외한 내용에서 본문을 중심으로 명제를 추출하였고, 학생이 가진 지식 자료는 중학교 1학년 남학생 5명으로부터 인지구조 분석 검사지와 인터뷰를 이용하여 자료를 수집하였다.
이렇게 얻어진 자료를 개념 관계 분석 프로그램인 Concept Relation Analyzer v1.0과 Gephi v0.9.2를 이용하여 분석하였다. 교과서와 학생이 가지고 있는 핵심 개념과 개념 관계망을 도출하기 위해서 개념의 빈도, 연결 정도, 중심성 지수 등을 계산하였고, 개념 간의 관계 분석을 통해 찾아진 주요 개념 관계망을 그림으로 시각화하였다.
연구 결과는 다음과 같았다:
첫째, 교과서의 개념 관계망은 학생의 개념 관계망보다 더 많은 개념과 관계를 가지고 있었다. 학생은 교과서 보다 작은 개념 관계망을 갖는데 이는 교과서의 모든 내용을 기억하는 것이 아니라 일부의 중요한 내용 위주로 기억을 하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 성취도가 높은 학생들일수록 밀도가 낮은 결과가 나타났는데 이를 통해 개념 관계망에서 사용된 개념이 많을수록 밀도가 낮아지고 분산된 개념 관계를 가짐을 알 수 있었다.
둘째, 교과서는 학생의 개념 관계망과 비교했을 때 세포와 기관, 유기양분 개념의 연결 중심성이 크게 차이가 나는 것으로 나타났다. 세포와 기관은 학생의 개념 관계망에서 나타나지 않는 개념으로 학생과 교과서의 설명 방식에서 차이가 있음을 보여준다. 교과서에는 생물체의 기본 단위인 세포를 중심으로 설명을 구성하는 반면 학생들은 개체 수준에서 설명을 구성하여 세포와 기관으로 나누어 설명하지 않는 모습을 보였다. 반면 유기양분은 학생들의 개념 관계망에서만 나타나고 교과서에는 없는 개념으로 교과서는 유기양분이라는 정확한 용어 대신 양분이라는 표현으로 대신하고 있어 학생들이 혼란을 겪고 있음을 인터뷰를 통해 알 수 있었다. 또한 위세 중심성 지수를 살펴보면 교과서의 위세 중심성이 높은 상위 20개 개념들은 식물의 구조에 대한 개념들이 상당히 많은 부분을 차지하고 있음을 알 수 있었고, 교과서의 상위 20개 위세 중심성이 학생들의 상위 20개 개념들보다 높은 것으로 보아 교과서에서 사용한 다수의 개념들은 중요도가 낮고 핵심 개념을 설명하기 위해 사용한 것으로 판단된다.
셋째, 교과서에서 나타난 개념 관계가 학생 모두에게서 한 번 이상 나타난 공통된 개념 관계는 총 10개의 공통된 개념 관계가 나타났고 성취도가 높은 학생일수록 더 많은 공통된 개념 관계를 가지고 있음을 볼 수 있었다. 이를 통해 성취도가 높은 학생일수록 교과서에서 강조하는 개념 관계를 더 많이 학습했다는 것을 알 수 있었다. 개념 관계의 빈도를 분석해 보면 교과서는 식물의 구조와 관련된 뿌리, 물관, 체관, 잎과 관계된 개념의 빈도가 높게 나타나는 것을 볼 수 있었고, 학생들은 산소, 이산화탄소와 관계된 개념이 높은 빈도로 나타남을 볼 수 있었다. 교과서는 식물의 구조에 대한 설명이 많은 부분을 차지하였고 학생들의 설명에서는 광합성의 기능에 대한 설명이 많은 부분을 차지하였기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 생각되었다.
넷째, 교과서의 개념 관계망과 학생의 개념 관계망은 서로 다른 개념군을 가지고 있었다. 개념군에 포함된 개념은 조금씩 차이가 있었지만 공통적으로 증산작용, 광합성과 호흡, 양분의 주제에 대한 개념군을 가지고 있었다. 이처럼 교과서에서 나타난 개념군의 구조가 학생의 개념 관계망에서도 나타난 것을 보아 교과서에서 강조하는 식물의 기능이 학생에서 주제별로 밀접한 관계를 가지고 구조화되고 있는 것으로 생각되었다. 연구를 통해 얻어진 핵심 개념과 개념 관계, 개념군의 분석 결과는 교사와 학생들에게 주요 개념의 관계에 대한 개관을 제공함으로써 생물학 지식의 구조를 보여줄 수 있고, 또한 학습의 연속성이 보장된 발전된 교수 학습전략을 설계하는 기초 자료로서 활용할 수 있을 것이다.