과학 교과에서의 비유 사용은 학생들의 과학 개념 이해와 파지를 돕고 학습 동기를 유발하는 등 다양한 측면에서 긍정적인 효과를 갖는다. 이에 따라 과학 교과서에는 비유가 빈번하게 제시되고, 과학교사들 또한 수업에서 비유를 자주 사용하고 있다. 반면, 비유의 사용이 의도한 만큼 효과적이지 않거나 오히려 학생들의 학습에 부정적인 영향을 미치기도 한다. 따라서 과학교사는 비유 사용 수업에 대한 전문성을 갖추어 수업에서 체계적인 방법으로 비유를 사용할 필요가 있다. 그러나 비유 사용 수업과 관련된 과학교사의 전문성은 높지 않은 상황이므로 과학교사의 전문성 제고를 위한 노력이 필요하고 이를 위해서는 과학교사의 비유 사용 수업을 체계적으로 분석하는 연구가 선행되어야 한다. 이에 이 연구에서는 교사 양성 과정에 주목하여 예비과학교사의 비유 사용 수업을 분석하였다.
예비과학교사의 비유 사용 수업을 체계적으로 분석하기 위한 관점으로는 과학교사의 수업 전문성을 나타내는 지표로서 널리 활용되고 있는 교과교육학 지식(pedagogical content knowledge; PCK)을 이용하였다. 과학교사의 비유 사용 수업을 PCK의 관점에서 이해하고 비유 사용 수업에 대한 PCK의 하위 요소를 구체화하기 위한 기초 연구로 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ를 실시하였다. 그리고 연구 Ⅲ에서 연구 Ⅰ, Ⅱ의 결과를 바탕으로 비유 사용 수업에 대한 PCK를 구체화하였으며, 이를 이용하여 예비과학교사가 실행한 비유 사용 수업을 분석하였다.
연구 Ⅰ에서는 예비과학교사가 수업에서 사용하기 위한 비유를 생성하는 과정을 분석하여 PCK의 교수전략, 교육과정, 학생에 관한 지식 등에서의 정보를 얻었다. 서울특별시에 소재한 사범대학에 재학 중인 예비과학교사 8명이 연구에 참여하였다. 예비교사들을 대상으로 과학 수업에서 비유에 대한 워크숍을 실시한 후 수업에서 사용하기 위한 비유를 생성하도록 하였다. 예비교사들이 비유를 생성할 때 거치는 사고 과정을 심층적으로 조사하기 위하여 발성사고법을 활용하였으며, 비유를 생성한 후에는 반구조화된 면담을 실시하였다. 예비교사들이 비유를 생성한 활동지를 수집하였고, 비유 생성 과정과 면담은 녹음 및 녹화하였다. 예비교사들의 비유 생성 과정을 학생, 비유물, 개념의 세 가지 측면에서 분석하였다. 분석 결과, 예비교사들은 학생들의 오개념을 바로잡기 위한 비유를 생성하였고, 자신이 생성한 비유가 유발할 수 있는 오개념을 고려하였다. 또한 학생들에게 친숙한 소재로 비유를 생성하였고, 추상적이고 작위적인 비유보다는 구체적이고 일상적인 비유를 많이 생성하였다. 마지막으로, 목표 개념을 명확히 파악하지 못하고 해당 차시에서 다루지 않는 개념까지 비유로 표현하는 경우가 있었다.
연구 Ⅱ에서는 예비과학교사들이 계획한 비유 사용 수업을 분석하였다. 이로써 교수전략, 평가에 관한 지식 등에서의 정보를 얻었다. 연구 Ⅰ에 참여한 8명의 예비교사에게 비유 사용 수업을 계획하도록 하였고, 수업 계획을 마친 후 반구조화된 면담을 실시하였다. 비유를 사용한 과학 수업의 맥락을 정리한 선행 연구의 분석틀을 이 연구의 맥락에 맞게 수정·보완하여 사용하였다. 분석 결과, 대부분의 예비교사는 수업의 도입 단계나 전개 단계에서 비유를 사용하였고, 목표 개념을 도입하기에 앞서 비유물을 제시할 것으로 계획하였다. 학생의 활동도에 대한 고려 수준이 높지 않았고, 많은 예비교사들이 비유 사용 수업에서 평가의 필요성을 인식하지 못하고 수업 계획에 평가 과정을 포함하지 않았다. 학생들이 대응 관계를 잘못 이해하거나 비공유 속성이 학생들에게 혼란을 가져올 수 있다는 이유로 예비교사들은 대응 명료화 전략을 교사 중심으로 진행하고 비공유 속성을 다루지 않으며 다중 비유를 활용하지 않을 것이라고 계획하였다. 마지막으로 대부분의 예비교사가 그림이나 사진, 영상 등을 활용하여 자신이 제시한 비유에 대한 학생들의 이해를 도울 것이라고 하였다.
연구 Ⅲ에서는 연구 Ⅰ, Ⅱ의 결과를 바탕으로 비유 사용 수업에 대한 PCK를 구체화하였으며, 이를 이용하여 예비과학교사가 실행한 비유 사용 수업을 심층적으로 분석하였다. 서울특별시에 소재한 사범대학에서 교육실습에 참여한 3명의 예비과학교사가 연구에 참여하였다. 연구 Ⅰ의 워크숍을 수정·보완한 워크숍을 실시한 후 교육실습에서 비유 사용 수업을 실행하도록 하였다. 교육실습에 참관하며 예비교사들의 수업을 관찰하였고, 예비교사들이 제작한 교수학습 자료를 수집하였으며, 반구조화된 면담을 실시하였다. 연구 결과, 교수전략에 관한 지식 측면에서 예비교사들은 수업에서 비중 있게 다루는 비유에서만 대응 관계와 비공유 속성을 다루었고, 이 과정이 교사 중심적으로 이루어졌다. 다중 비유 또한 효과적으로 사용하지 못하였다. 교육과정에 관한 지식 측면에서는 교육과정을 벗어나는 개념을 포함한 비유를 수업에서 적절히 다루지 못하는 경우가 있었다. 학생에 관한 지식 측면에서 예비교사들은 비유에 대한 학생들의 친숙도 등을 고려하였으며, 비공유 속성이 학생들의 오개념과 관련이 크다고 생각하였으나 비공유 속성을 다룰 때는 학생들의 의견에 폐쇄적인 모습을 보였다. 평가에 관한 지식 측면에서는 비유를 활용한 평가에 대한 이해가 높지 않았고, 물리적 비유나 역할놀이 비유와 같은 학생 중심 비유를 사용할 때 평가가 상대적으로 원활히 이루어졌다.
이상의 연구 결과를 바탕으로 비유 사용 수업에 대한 예비과학교사의 전문성을 향상하기 위한 구체적인 예비교사 교육 방안과 교사 양성 과정에 대한 시사점을 논의하였다.

The use of analogies in science subjects has positive effects in various aspects such as helping students understand and retain science concepts, and inducing learning motivation. Analogies are frequently presented in science textbooks, and science teachers also frequently use analogies during the lessons. Nevertheless, the use of analogies may not be as effective as intended, or may negatively affect students'' learning. Accordingly, teachers need to have expertise for lessons using analogies and use analogies in a systematic way during lessons. However, since science teachers’ expertise for lessons using analogies is not high, it is necessary to improve science teachers’ expertise. And for this, research that systematically analyze science teachers’ lessons using analogies need to be preceded. Therefore, in this study, we focused on the teacher training program and analyzed pre-service science teachers’ lessons using analogies.
In order to systematically analyze pre-service science teachers’ lessons using analogies, we used pedagogical content knowledge (PCK) which is widely used as an index indicating science teachers’ expertise. Study I and study Ⅱ were conducted as basic research to understand science teacher''s lessons using analogies from the perspective of PCK and to specify the sub-elements of PCK for lessons using analogies. In study Ⅲ, we specified PCK for lessons using analogies based on the results of study I and Ⅱ and analyzed lessons using analogies practiced by pre-service science teachers using this PCK.
In study Ⅰ, we analyzed the processes of generating analogies for lessons by pre-service science teachers and obtained information on knowledge of instructional strategies, curriculum, and student from the perspective of PCK. Eight pre-service teachers at a college of education in Seoul participated in this study. After the workshop of analogy in science education, they generated analogies for lessons. In order to investigate thought processes deeply, we used the think-aloud method and also conducted semi-structured interviews after their generation. Worksheets written by the pre-service teachers were collected. The processes and interviews were recorded and videotaped. The processes of generating analogies were analyzed from the perspective of student, analog, and concept. The analyses of the results revealed that they generated analogies to correct students’ misconceptions and also considered misconceptions that could be caused by their analogies. They generated analogies using sources with which students are familiar. They also generated concrete and everyday analogies rather than abstract and artificial analogies. There were some cases where they did not clearly grasp the target concepts and expressed the concepts which were not covered in the unit.
In study Ⅱ, we analyzed lessons planned by pre-service science teachers and obtained information on knowledge of teaching strategies and assessment from the perspective of PCK. Eight pre-service who had participated in study Ⅰ planned lessons using analogies. We also conducted semi-structured interviews. For the analyses, we used a revised framework from a previous work which characterized the dimensions of teaching through analogies. The analyses of the results revealed that most pre-service teachers planned to use analogies in beginning or developing lesson and to present analogs before target concepts. The degree of activity allowed for students was not high. Many did not recognize the necessity of assessment and did not include assessment in planning lessons. They planned clarified mapping strategies which are teacher-centered and also not to cover unshared attributes and multiple analogies, because they thought that students could misunderstand mapping and unshared attributes could make students confused. Most planned to use figures, pictures, and videos to help students understand analogies that they presented.
In study Ⅲ, we specified PCK for lessons using analogies based on the results of study Ⅰ and Ⅱ and analyzed lessons using analogies practiced by pre-service science teachers using this PCK. Three pre-service science teachers at a college of education in Seoul participated in this study. After the workshop of analogy in science education which supplemented the workshop of study Ⅰ, they practiced lessons using analogies in teaching practices. We observed their lessons and collected all of the teaching-learning materials. Semi-structured interviews were also conducted. The analyses of the results reveal that, in terms of knowledge of students, they dealt with mapping and unshared attribute only when using main analogies in their lessons and these processes were teacher-centered. They also did not use multiple analogies effectively. There were some cases where they failed to adequately deal with analogies including concepts beyond the curriculum. In terms of knowledge of students, they considered students'' familiarity and interest. When dealing with unshared attributes, they did not tend to accept students’ opinions although they thought that unshared attributes are strongly related to misconceptions. Their understanding of assessment using analogies was not high. Assessment was relatively well done when they use student-centered analogies such as physical analogies or role-playing analogies.
On the bases of the results above, we suggest specific ways and educational implications for pre-service science teacher education to improve their expertise for lessons using analogies.