최근 과학 교육에서는 교사가 일방적으로 지식을 전달하기보다 학생들이 과학 학습의 주체로서 스스로 지식을 구성하는 것이 강조되고 있다. 이에 따라 학생들이 동료와의 사회적 상호작용을 통해 함께 모델을 구성함으로써 지식 구성에 참여하도록 하는 협력적 과학 모델링 수업이 도입되었다. 이것이 초등 과정을 포함한 이른 시기부터 이루어져야 한다는 주장에 따라 초등학교에서도 협력적 과학 모델링 수업이 점차 확대되고 있지만, 모델링 수업에 대한 교사의 전문적 지식 부족과 학생의 행위주체성 부족 문제가 지적된 바 있다. 이에 선행 연구들은 보다 효과적인 모델링 수업을 위해서는 모델링 수업을 이끄는 초등 교사의 교수내용지식(PCK, Pedagogical Content Knowledge)과 이에 참여하는 초등학생들의 행위주체성이 필요하다고 제안하였다.
따라서 본 연구는 모델링 수업에 대한 PCK 발달을 통해 수업 실행 변화를 보인 두 교사와, 행위주체성 발현을 통해 다른 구성원들의 협력적 참여를 이끈 학생 리더의 사례를 통해 초등학교에서 효과적인 과학 모델링 수업을 지원하는 방법을 이해하고자 하였다.
첫 번째 연구는 초등학교에서 협력적 과학 모델링 수업을 적용하는 동안 두 교사의 수업 실행이 어떻게 변화했는지 탐색하고, 그 변화를 교사의 PCK와 관련하여 해석함으로써 모델링 수업에 필요한 PCK를 제안하는 것을 목적으로 하였다. 자료 수집을 위해 총 8차시동안의 수업과 인터뷰를 녹화하였으며, 이 중 두 교사의 수업 실행 변화가 가장 잘 나타난 1-2차시와 7-8차시를 분석 대상으로 정하였다. 교사의 수업 실행은 모델 생성-평가-수정 단계에서 교사가 각 단계에 사용한 시간, 피드백의 양, 피드백의 내용 측면에서 분석했고, 1-2차시(수업 초반)에 비해 7-8차시(수업 후반)에 어떠한 수업 실행 변화를 보였는지 설명하였다. 또한 교사 인터뷰를 통해 수업 실행 변화에 어떠한 PCK 구성요소가 관련되어 있는지를 분석하였다.
연구 결과, A교사는 수업 전반에 걸쳐 교사 주도적으로 모델링 수업을 이끌어나갔으며, 수업 초반에 비해 후반에는 피드백의 양을 늘리면서 모델 평가 및 수정 단계에 시간을 많이 투입하였다. 또한 피드백 내용 측면에서 수업 초반에는 거의 정답 평가 피드백을 사용하였으나, 후반에는 사고 유도 피드백을 많이 사용하며 피드백 내용의 변화를 보였다.
한편, B교사는 수업 초반에는 주로 교사 주도적으로 모델을 평가하고 수정하였으나, 수업 후반에는 개념 지원, 절차 지원, 메타 인지적 피드백 등 다양한 피드백을 사용하여 학생 주도적으로 모델을 평가하고 수정하게 했다. 특히 B교사는 모델 평가 및 수정 시간을 늘려 학생들이 서로의 모델에 대해 논의하고 평가하게 함으로써 모델을 발전시킬 수 있는 기회를 주었다. 따라서 수업 후반 두 교사의 실행을 비교했을 때 B교사가 학생 주도적인 평가, 수정 단계를 이끌며 학생들의 인식적 실행을 촉진하였다는 점에서 A교사보다 많은 발전을 보였다고 해석하였다.
이러한 수업 실행 변화와 관련된 두 교사의 PCK 구성요소를 분석한 결과, 두 교사는 PCK 구성요소 중에서 1) 모델링 수업에 대한 교수 지향 2) 모델링 교육과정 지식 중 모델링 단계에 대한 이해 정도, 3) 모델링 교육과정 지식 중 모델링 수업에 대한 가치 인식 정도에서 차이를 보였다. 그리고 이러한 PCK 구성요소 차이는 두 교사의 수업 실행과 깊이 연계되어 각 교사의 수업 실행 변화에 영향을 준 것으로 분석되었다. B교사는 앞서 언급된 3가지 PCK 구성요소의 지식이 크게 발전하며 학생 주도적 모델링 수업으로 변화하였는데, 이를 통해 볼 때 효과적인 모델링 수업을 위해서는 탐구를 위한 교수 지향과, 모델링 단계에 대한 이해, 그리고 모델링의 가치에 대한 인식이 중요하다고 사료된다.
두 번째 연구는 초등 과학 모델링 수업에서 소집단 리더의 행위주체성 발현을 통해 어떻게 소집단의 모든 학생들이 협력적 모델링에 참여하는지 분석하고, 이러한 행위주체성이 어떤 맥락에서 발현되거나 제한되는지 탐색함으로써 학생들이 효과적으로 모델링에 참여할 수 있는 방법을 제안하고자 하였다. 자료 분석을 위해 수업 및 인터뷰 자료, 학생 활동지 등이 수집되었다.
연구 결과, 평소 수업에서는 소극적이었던 학생이 모델링 수업에서는 리더로 등장하여 다른 학생들에게 적극적으로 도움을 제공했고, 이로 인해 모든 학생들이 협력적으로 모델링에 참여하며 모델을 발전시켰다. 본 연구는 리더가 지식 구성의 주체로서 소집단의 문제 해결 방법을 스스로 고안했다는 점, 의도성을 갖고 행동을 변화시켰다는 점, 구성원들의 협력적 참여를 돕는 행동을 했다는 점에서 행위주체성을 발현했다고 보았다. 그리고 이러한 리더의 행위주체성은 수업 초반, 중반, 후반에 따라 다르게 나타나면서 소집단의 참여 형태와 모델 변화를 촉진하였다.
구체적으로 수업 초반 리더는 행위주체성을 보이지 않았으며, 권위자로서 과제를 빨리 완성하기 위해 모델에 대해 다른 학생과 논의하지 않았다. 이로 인해 소집단에서는 비협력적 참여 형태가 나타나, 소집단의 초기 모델에 비해 후기 모델이 거의 발전하지 못했다. 그러나 수업 중반부터는 리더가 행위주체성을 발현하며 소집단의 모든 학생들이 모델링에 참여할 수 있도록 도움을 주었다. 그 결과 소집단에서 협력적 참여 형태가 나타나면서 학생들은 초기 모델에 대한 논의를 통해 후기 모델을 훨씬 정교화시켰다. 특히 수업 중반에 리더는 행위주체성 발현을 통해 세 가지 측면에서 학생들의 참여를 도왔다. 첫째, 인지적 측면에서 자신의 지식을 공유하여 구성원들이 모델링에 참여할 수 있도록 도왔다. 둘째, 규범적 측면에서 모든 학생들에게 평등하게 발언권을 주는 등 소집단의 규칙을 만들어 모두 모델링에 참여하게 했다. 셋째, 감정적 측면에서 구성원들의 기여를 인정하고 그들의 자신감을 높여줌으로써 참여를 촉진했다. 하지만 이러한 행위주체성 발현은 오래 유지되지 못했다. 수업 후반에는 여러 가지 맥락에 따라 리더가 구성원들의 참여를 배제함으로써 비협력적 참여 형태가 나타났기 때문이다.
이에 본 연구는 리더가 행위주체성을 발현한 맥락과 이것이 집단적 행위주체성으로 발현되지 못한 맥락을 분석하였다. 먼저 리더가 수업 중반부터 행위주체성을 발현하게 된 맥락을 인터뷰를 통해 분석한 결과 첫째, 리더는 소집단의 참여 부족 문제의 원인을 깨닫고 학생들에게 인지적 도움을 주고자 하였다. 둘째, 리더가 개인적 경험을 성찰함으로써 학생들의 어려움을 이해하게 된 것이 하나의 계기가 되었다. 셋째, 리더가 연구자와의 인터뷰를 통해 소집단 학생들을 돕는 선생님으로서 정체성을 발달시킨 것이 행위주체성을 발현한 맥락 중의 한 가지로 분석되었다.
그러나 리더 개인의 행위주체성이 집단적 행위주체성으로 발전되기에는 한계가 있었는데 본 연구에서 찾은 몇 가지 맥락은 다음과 같다. 먼저, 리더가 권력을 제한적으로 분배하였다는 점을 들 수 있다. 그리고 구성원들도 자신을 리더와 동등한 권위를 가진 사람으로 위치 짓지 못했다. 마지막으로, 리더는 수업 시수 부족이나 적절한 수업 자료 부족과 같은 구조적 지원의 부족을 인식하여 행위주체성이 좌절된 것으로 나타났다. 따라서 학생의 행위주체성 발현을 지속시키기 위해서는 소집단 학생들이 인식 전환을 통해 서로를 동등한 입장에서 위치 짓고, 교사가 충분한 수업 시수 확보와 적절한 교육자료 제작을 통해 수업 구조를 개선시킬 필요가 있음을 보여준다. 이를 통해 많은 학생들이 집단적 행위주체성을 발휘하며 협력적 모델링에 잘 참여하도록 지원할 필요가 있다.
종합하면 본 연구는 교수?학습의 주체인 교사와 학생에 초점을 두어 초등에서 효과적인 모델링 수업을 설계하는 방법을 이해하고자 했다. 첫 번째 연구에서는 교사가 모델링 수업 실행에서 다양한 피드백을 사용하여 논의를 촉진함으로써 학생들이 주도적으로 모델을 평가, 수정하게 하고, PCK 측면에서 모델링 수업에 적합한 교수 지향, 모델링 단계에 대한 이해, 모델링의 가치에 대해 이해하는 것이 중요하다는 것을 밝혔다. 두 번째 연구에서는 학생들이 협력적으로 모델링에 참여하기 위해서 인지, 규범, 감정적 도움이 필요하다는 것을 보여주었고, 행위주체성을 지원하는 맥락을 조성하는 동시에 저해하는 맥락을 개선하여 집단적 행위주체성 발현을 지원하는 것이 필요함을 밝혔다. 이러한 결과는 초등학교에서 모델링 수업에 대한 교사의 전문적 지식 발달의 중요성을 말해주는 동시에 학생들의 행위주체성 발현을 돕기 위한 다각적인 지원의 필요성을 시사한다.

It has recently been emphasized in science education that students should construct knowledge themselves as agents of science learning, rather than having teachers unilaterally transmit knowledge. Therefore, collaborative science modeling activities have been introduced in which students construct models together through social interaction.
Although science modeling activities are gradually becoming more prominent in elementary schools, previous studies claim that elementary teachers’ knowledge in modeling activities and the agency of students are necessary in order to make the activities more effective. Thus, This study aims to enhance the understanding of how to design effective modeling activities by exploring elementary school teachers’ professional knowledge and the agency of elementary school students in collaborative modeling activities.
Study A explores how two teachers’ teaching practices changed while using scientific modeling activities in elementary schools, analyzing those changes in terms of the teachers’ pedagogical content knowledge (PCK) development. The data comprised teaching videos and interviews with two teachers, which were recorded over the course of eight lessons. Of these, lessons 1?2 and 7?8, which demonstrated the most changes in the two teachers’ teaching practices, were selected for analysis. Then, the changes in the teaching practices were analyzed in terms of the amount of time, the amount of feedback, and the content of the feedback in the model generation, evaluation, and modification (GEM)?the stages of the GEM cycle. Additionally, the interviews were analyzed to explore which PCK components were related to the changes in teaching practice.
During the study, Teacher A conducted the model evaluation and modification stage in a teacher-driven way throughout the eight lessons; this meant that only the teacher evaluated the students’ models and suggested how to modify them. However, as Teacher A used more feedback in lessons 7?8 than in lessons 1?2, the time spent in the model evaluation and modification stage increased. Regarding the content of the feedback, answer-evaluation feedback was used a lot in lessons 1?2, but thought-provoking feedback was mainly used in lessons 7?8.
Meanwhile, Teacher B conducted the model evaluation and modification stage in a teacher-driven way in lessons 1?2, but by lessons 7?8, she was using various forms of feedback to support student-driven evaluation and modification. This entailed getting students to discuss their models with each other so they could evaluate and modify them on their own. In a comparison of the two teachers’ modeling practices, Teacher B showed more progress than Teacher A in that she led the student-driven evaluation and modification stage and promoted students’ epistemic practice.
The analysis of these two teachers’ PCK components demonstrates differences in their (1) teaching orientation, (2) understanding of the modeling stage, and (3) recognition of the value of modeling activities. It was found that this difference in PCK components was deeply connected to their teaching practices and affected the changes in those practices. In particular, Teacher B led student-driven modeling activities while the three PCK components developed significantly. Therefore, for effective modeling activities, it may be necessary for teachers to develop knowledge about teaching orientation toward inquiry, understanding of the modeling stage, and recognition of the value of modeling in PCK.
Study B explored student leaders’ agency, which led to the cooperative participation of all students in elementary scientific modeling activities. In addition, the study also analyzed the contexts that either supported or inhibited their expression of agency. The student leader’s agency was analyzed through their words and actions in modeling lessons and interviews.
As a result, a student with a passive attitude, who had not normally participated in other activities, emerged as a group leader in modeling activities by expressing agency and helping other students to participate. The student leader was seen to express agency by devising, by himself, methods for solving problems, by acting as an agent for constructing knowledge, by intentionally changing his behavior, and by helping other students to participate cooperatively. During the modeling activities (lessons 1?8), this student leader’s agency was, at different times, expressed and frustrated, and it was found that this affected the change in the participation pattern of the group and the modeling result.
At the outset of the study (lessons 1?3), the student leader’s agency was not expressed, and as the sole authority, he did not discuss the model with the other students to complete the task quickly. Consequently, a non-cooperative participation pattern appeared in the small group, and there was little change in the group’s earlier and later models. However, during the middle section of the class (lessons 4?5), the student began to express agency and help the other students in the group participate in the modeling. In other words, the leader’s agency facilitated a cooperative participation pattern within the group, because of which the students further elaborated on the later model by discussing the earlier model.
The leader’s agency helped the other students’ participation in three aspects: (1) a cognitive aspect, in which he helped passive students to participate in the modeling by sharing their knowledge; (2) a normative aspect, in which he made rules that gave all students an equal voice; and (3) an emotional aspect, in which he acknowledged the other students’ contributions, thus increasing their confidence. While the leader’s agency facilitated cooperative participation during lessons 4?5, the expression of his agency did not last long. This is because, in lessons 7?8, the leader excluded members from participating, leading to a non-cooperative participation pattern.
This study also analyzed the contexts that supported and hindered the expression of the leader’s agency. Supportive contexts were as follows: (1) the leader realized the cause of the problematic lack of participation in his group and tried to provide cognitive help to the other students; (2) the leader came to understand the students’ difficulties by reflecting on their personal experiences; and (3) through interviews with researchers, the leader developed an identity as a teacher, helping group students.
However, the development of the leader’s individual agency into the collective agency of the other students was limited. Some of the causes found were (1) the leader partially, but unequally, distributed his power to the other students as an authority; (2) the group members did not position themselves as having the same authority as the leader; and (3) there was a lack of structural support in the class (e.g., a lack of time and appropriate instructional materials). Therefore, to sustain students‘ expressions of agency, all group students must position each other as having an equal footing through a change of perception, and the teacher must improve the class structure through the provision of sufficient class hours and appropriate educational materials. In improving this context, teachers can support many students in expressing their collective agency and participating in collaborative modeling.
In summary, this research tried to understand how to design effective modeling activities in elementary schools by focusing on teachers and students. Study A found that a teacher needs to use various types of feedback in modeling activities to lead students to evaluate and modify the model and that it is important for teachers to develop PCK about the teaching orientation of modeling activities, the modeling phase, and the value of modeling. Study B showed that students need cognitive, normative, and emotional help to participate collaboratively in modeling and that teachers need to support the expression of collective agency by considering the context that supports/hinders it. These results emphasize the importance of teachers’ PCK for modeling activities in elementary schools and the need for various supports to help students express their agency.