이 연구에서는 논의기반 탐구 과학수업에서 나타나는 중학생들의 인식론적 사고와 학급 논의가 인식론적 사고에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
이를 위하여 광역시의 중학교 3학년 4개 학급 학생 93명을 대상으로 한 학기 동안 5개 주제의 논의기반 탐구 과학수업을 실시하였다. 이 연구를 위해 수집한 자료는 논의기반 탐구 활동지, 학급 논의 녹화자료 및 전사본, 학생 설문조사지 등 이었다.
논의기반 탐구 과학수업에서 나타나는 학생들의 인식론적 사고 특징을 알아보기 위해 논의기반 탐구 과학수업 활동의 마지막 단계에서 작성하는 반성 글쓰기를 분석하였고, 논의기반 탐구 과학수업이 학생들의 인식론적 사고에 미치는 영향을 알아보기 위해 주제 1과 주제 5의 반성 글쓰기를 비교하였다. 또한 학급 논의가 인식론적 사고에 미치는 영향을 알아보기 위해 학급 논의에서 나타나는 인식론적 인식을 분석하고, 논의기반 탐구 활동지에 작성한 학급 논의 전후의 주장 변화를 분석하였으며, 주장 변경 유형에 따라 학급 논의와 반성 글쓰기에 대한 사례를 분석하였다. 이와 함께 논의기반 탐구 과학수업이 학생들의 인식론적 사고에 미친 영향에 대한 학생 인식을 알아보기 위해서 설문조사를 실시하였다.
반성 글쓰기 분석은 인식론적 사고의 하위 요소인 인식론적 인식, 인식론적 메타인지 기능, 인식론적 메타인지 지식, 인식론적 메타인지 경험의 내용이 포함된 빈도수를 분석하고, 사용된 인식론적 사고의 하위 요소의 다양성에 따라 학생들의 인식론적 사고의 수준을 평가하였다. 학급 논의 녹화자료 분석은 증거를 제시하는 출처에 따라 지식의 원천의 유형을 분류하고, 주장 타당성, 증거 타당성, 반박 타당성, 논의과정 요소의 사용에 대한 수준을 분석하여 학급 논의에서 드러나는 인식론적 인식의 특징을 알아보았다. 학생 설문조사는 리커트 7점 척도 문항과 선택형 문항에 대해서는 빈도수를 측정하였고, 자유서술형 문항은 응답을 유형별로 범주화하여 세부요소를 추출하고 사례 분석을 하였다.
반성 글쓰기에서 나타나는 인식론적 사고 분석에서 학생들은 인식론적 메타인지 기능의 빈도수가 가장 높았고, 인식론적 인식, 인식론적 메타인지 경험, 인식론적 메타인지 지식의 순으로 나타났다. 논의기반 탐구 과학수업이 학생들의 인식론적 사고에 미치는 영향을 알아보기 위해 주제 1과 주제 5의 반성 글쓰기를 분석한 결과, 인식론적 사고의 하위 요소는 모두 증가하였으며 증가율은 인식론적 메타인지 경험이 가장 컸고, 인식론적 인식, 인식론적 메타인지 지식, 인식론적 메타인지 기능의 순으로 나타났다. 인식론적 사고의 수준은 주제 1에 대한 반성 글쓰기에서는 인식론적 사고 2수준의 학생이 가장 많았고 3수준, 1수준, 4수준, 0수준의 순서로 나타났다. 주제 5의 반성 글쓰기에서는 인식론적 사고 4수준의 학생이 가장 많았고, 3수준, 2수준, 1수준, 0수준의 순서로 나타나 학생들이 논의기반 탐구 과학 수업을 경험하면서 인식론적 사고 수준의 향상을 보였다.
학급 논의에서 나타나는 학생들의 인식론적 인식의 특징을 분석한 결과, 지식의 원천으로써 실험 자료를 증거로 가장 많이 제시하였고, 주제에 따라서 개인적인 경험에 기반을 둔 증거와 과학 원리를 증거로 사용하는 것을 알 수 있었다. 주제 2, 4, 5에 대한 학급 논의에서 주제에 따른 지식 정당화의 수준 차이는 비슷한 수준으로 나타났고, 주장 정당화의 하위 평가 요소에서는 주장 타당성, 증거 타당성, 논의과정 요소 사용의 수준은 높게 나왔으나 반박 타당성의 수준은 낮게 나타났다.
논의기반 탐구 과학수업의 5개 주제에 대한 학급 논의 전후의 주장의 변화를 분석한 결과, 학생들의 주장변경 유형은 주장을 변경하는 이유에 따라, 잘못된 주장의 정정 유형, 불명확한 내용의 명료화 유형, 개념의 확장 유형으로 분류할 수 있었다. 학생들의 주장 변경 유형 비율을 분석한 결과, 잘못된 주장을 정정하는 유형이 가장 높은 비율로 나타났고, 개념의 확장 유형, 불명확한 내용의 명료화 유형의 순서로 나타났다.
주장을 변경하는 유형에 따라 학급 논의와 반성 글쓰기를 분석한 결과, 조의 주장에 잘못된 주장이 포함되어 있거나 주장에 불명확한 내용이 포함되어 있을 때 학급 논의의 반박 타당성 및 논의과정요소 사용 수준이 높게 나타났고, 반성 글쓰기에 주장에 대한 자신의 생각변화를 모니터링 하는 인식론적 메타인지 기능이 많이 나타났으며, 주장의 진실성이나 정확성에 대한 감정이 드러나는 인식론적 메타인지 경험이 나타나기도 하였다. 조의 주장이 의미가 좁고 제한적일 때 학급 논의 후 일반화되고 확장된 개념이 포함된 주장으로 변경이 일어날 때에는 학급 논의를 통해서 옳다고 판단된 다른 조의 주장 내용을 추가하였다고 반성 글쓰기에서 나타났다.
설문조사 분석 결과, 학생들은 논의기반 탐구 과학수업에 적극적으로 참여하였고 이 활동이 과학 지식 이해에 도움이 된다고 인식하였다. 학생들은 논의기반 탐구 과학수업의 단계 중 실험 설계 및 수행과 관찰 단계에 대해서 흥미를 크게 느끼고 어려움을 적게 느꼈으며, 직접적인 경험을 통해서 과학지식을 쉽게 이해하고 오랫동안 기억하는데 도움이 된다고 인식하였다. 또한 흥미롭게 참여한 단계는 실험 설계 및 수행과 관찰에 집중되었고, 어려운 단계는 반성 단계에 집중되는 경향을 보였으나 과학지식 이해에 도움이 되는 단계에 대해서는 특정 단계에 집중되는 경향성을 보이지 않았다. 논의기반 탐구 과학수업에서의 인식론적 사고에 대한 자기평가에서 과학지식을 스스로 평가하고 생각의 변화과정을 근거를 들어 말할 수 있다는 항목의 평균 점수가 가장 높았고, 논의기반 탐구 과학수업을 통한 변화에 대해서 과학 지식의 이해, 과학적인 태도, 탐구 능력에서 긍정적인 변화를 경험하였다고 응답하였다.
학생들은 논의기반 탐구 과학수업을 하는 동안 끊임없이 생각하고, 상황을 고려하여 전략을 세우며, 학급 구성원 간의 논의와 협상을 통해 주장을 정당화하는 인식론적 활동에 참여한다. 이러한 인식론적 활동의 과정이 학생들의 반성 글쓰기에 반영되어 반성 글쓰기에서 학생들의 인식론적 인식, 인식론적 메타인지 기능, 인식론적 메타인지 지식, 인식론적 메타인지 경험이 나타났다. 또한 이러한 논의기반 탐구 과학수업에 대한 경험이 거듭되면서 인식론적 사고의 하위 요소인 인식론적 인식, 인식론적 메타인지 기능, 인식론적 메타인지 지식, 인식론적 메타인지 경험의 횟수가 증가했을 뿐만 아니라 사용하는 인식론적 하위 요소의 종류가 다양해지면서 인식론적 사고의 수준이 향상되었다.
학생들은 학급 논의를 통해 합의된 주장의 타당성에 근거하여 학급 논의 전에 형성한 조의 주장을 평가하여 주장의 오류를 정정하거나 주장을 일반화 시키고 명료화시키기 위해서 주장을 변경하였다. 주장을 변경한다는 것은 학생들이 근거를 바탕으로 지식의 타당성을 살피고, 구성원과의 합의에 의해서 지식을 구성한다는 과학적 지식의 인식론적 본성을 이해하는 경험을 한다는 것을 의미한다. 이처럼 주장과 근거의 타당성과 일관성을 검증하는 논의활동은 학생들이 타당성 높은 주장을 형성할 수 있도록 돕고, 학생들의 인식론적 사고에 영향을 미쳤다.
따라서 논의기반 탐구 과학수업은 학생들의 인식론적 사고의 발달을 유도하고, 논의를 통해 학생들이 지식의 정당화 과정에 참여하도록 하며, 근거를 바탕으로 지식의 타당성을 확보하고, 구성원과의 합의에 의해서 과학 지식이 구성된다는 과학 지식의 인식론적 본성을 이해하고 경험하도록 하는 교수학습 프로그램이다.

The purpose of this study is to examine the influence of epistemic thinking and argumentation in middle school students on epistemic thinking in an argument-based inquiry science class.
Participants of the study were 93 9th grade students of four classes from a middle school in a metropolitan city. Observations were made over one semester during which argument-based inquiry lessons on five subjects were conducted. Data was collected from argument-based inquiry activity worksheets, recordings and transcripts of class discussions, and student questionnaires.
We looked at the characteristics of student epistemic thinking in an argument-based inquiry science class by analyzing student reflections written at the final stage of the argument-based inquiry activity. In order to measure the effects of an argument-based inquiry science class on student epistemic thinking, we compared the reflections written for the first ABI activity and the fifth ABI activity.
We also analyzed epistemic cognition expressed in discussions and analyzed the argument-based inquiry activity worksheets for modification to claims from before and after discussions to determine the effects of classroom argumentation on epistemic thinking. We analyzed cases of classroom argumentation and reflective writing according to the type of claim modification. In addition, we conducted a survey to examine students’ perceptions about the impact of an argument-based inquiry science class on their epistemic thinking.
The written reflections analyzed and assessed the level of student epistemic thinking according to the variety and frequency with which sub-elements of epistemic thinking?including epistemic cognition, epistemic metacognitive skills, epistemic metacognitive knowledge, and epistemic metacognitive experience content?were used. Through analyses of class discussion recordings, we were able to classify types of knowledge origins according to the source of evidence and assess for claim validity, evidence validity, refutation validity, and level of argumentation elements used to identify the characteristics of epistemic cognition in class argumentations. Student questionnaires measured frequency using a 7-point Likert scale with the option to not respond. Responses to the free-response type questions were categorized and sub-elements were extracted and analyzed.
After analysis of epistemic thinking in the written reflections, students were found to have the highest frequency of epistemic metacognitive skills, followed by epistemic cognition, epistemic metacognitive experience, and epistemic metacognitive knowledge. While investigating the effects of an argument-based inquiry science class on student epistemic thinking, we found after analysis of the reflections written for the first ABI activity and the fifth ABI activity showed that all of the sub-elements of epistemic thinking had increased. The rate of growth for epistemic cognition was greatest, followed by epistemic metacognitive knowledge and epistemic metacognitive skills. Assessed for epistemic thinking, most written reflections for the first ABI activity were found to be at level 2, followed by level 3, level 1, level 4, and level 0. Assessed for epistemic thinking, most written reflections for the fifth ABI activity were found to be at level 4, followed by level 3, level 2, level 1, and level 0 demonstrating that the level of epistemic thinking improved over the course of the argument-based inquiry science class.
Results of the analysis of student epistemic cognition characteristics show that experimental data was presented the most as evidence, and depending on the ABI activity, personal experience-based evidence and evidence based on scientific principles were used. The level of knowledge justification in class discussions for the second, fourth, and fifth ABI activities were found to be similar and of the sub-elements evaluated for claim justification, claim validity, evidence validity, and argumentation elements came out high, while the level of refutation validity was low.
As a result of analyzing the changes between claims made before and after class argumentations on five ABI activities in an argument-based inquiry science class, student claim modifications could be classified, according to reasons for the modification, into three types: correcting incorrect claims, clarifying unclear content, and expanding the concept. After analyzing the reasons for student claim modification, the highest number of claim modification reasons fell under the correcting incorrect claims type, followed by expanding the concept type, and lastly, clarifying unclear content type.
In analysis of class argumentations and reflections for types of claim modifications, when incorrect claims or unclear content was included in a group’s claim, the refutation validity and level of argumentation elements were found to be high. The epistemic metacognitive skill of monitoring changes in one’s opinion about a claim was frequently present in reflections; epistemic metacognitive experiences of valuing the truth and accuracy of a claim were also present. The reflections revealed that when a group’s originally narrow and limited claim became generalized and conceptually expanded after class argumentation, content from another group’s claim, concluded to be valid after class argumentation, was included.
Results of the survey show that students actively participated in the argument-based inquiry science class and recognized that their active participation was helpful for understanding scientific knowledge. Students were very interested in and felt little difficulty with the experimental design, performance, and observation stages of the argument-based inquiry science class and recognized that direct experience was helpful for understanding science knowledge with ease and remembering for a long time. Active participation was concentrated in the experimental design, performance, and observation stages, while the difficult stages tended to concentrate in the reflection stage, however there was no bias of specific stages that were helpful for understanding science knowledge. Of the items checked on the epistemic thinking self-assessments in the argument-based inquiry science class, being able to assess science knowledge by oneself and evidencing a change in thought averaged the highest score. Students confirmed that they experienced positive changes in their science knowledge understanding, scientific attitude, and inquiry abilities through the argument-based inquiry science class.
While taking an argument-based inquiry science class, students experience constant thought and strategizing with consideration of the situation, and participate in epistemic activity that justifies claims through argumentation and negotiation with class members. Reflections describe the epistemic activity process, revealing student epistemic cognition, epistemic metacognitive skills, epistemic metacognitive knowledge, and epistemic metacognitive experience. As the argument-based inquiry science class progresses, not only does the number of experiences with sub-elements of epistemic thinking?epistemic cognition, epistemic metacognitive skills, epistemic metacognitive knowledge, and epistemic metacognitive experience?increase, but the types of epistemic thinking sub-elements used becomes varied and the level of epistemic thinking improves.
Based on the validity of claims settled through classroom argumentation, students modified their claims by assessing group claims and correcting errors or generalizing and clarifying claims prior to the class argumentations. Modifying claims signifies that students look at the validity of knowledge based on evidence, and through agreement with members, students construct knowledge and experience understanding the epistemic nature of scientific knowledge. Argumentation-based activities that verify the validity and consistency of claims help students form valid claims and influence students’ epistemic thinking.
Therefore, an argument-based inquiry science class causes the development of students’ epistemic thinking, permitting students to participate in the justification process of knowledge through argumentation, securing the validity of knowledge based on evidence. An argument-based inquiry science class is a teaching and learning program that allows students to understand and experience the epistemic nature of scientific knowledge and its construction through collaboration and agreement.