Journal Information
Journal ID (publisher-id): chemical
Title: 대한화학회지
Translated Title (en): Journal of the Korean Chemical Society
ISSN (print): 1017-2548
ISSN (electronic): 2234-8530
Publisher: 대한화학회Korean Chemical Society
서 론▼
과학 탐구의 중요한 요소인 논증은 탐구 문제의 답으로서 과학적 설명을 제시하고 의사소통하여 협의하는 것이다.1 즉, 과학 탐구에서는 실험 수행이나 자료 수집보다도 탐구 문제에 답하는 타당하고 정확한 주장과 구체적이며 신뢰성 있는 증거를 제시할 수 있는 능력이 매우 중요하다. 학생들의 적극적인 논증 활동은 과학 지식을 형성하고 확장해나가는 진정한 의미의 과학 학습으로 이어질 수 있다는 점에서 의의가 있다. 이처럼 과학 교육에서 논증의 중요성이 강조되면서 많은 연구에서 주장(claim), 근거(data), 보장(warrant), 보강(backing), 한정(qualifier), 반증(rebuttal)을 포함하는 Toulmin(1958)의 논증 구조에 기반 하여 학생들의 논증 구조 또는 과정을 분석하였다.2 Osborne, Erduran & Simon(2004)은 Toulmin의 논증 구조를 기반으로 하여 반증의 여부에 따라 논증의 질을 평가하였다.3 Simon, Erduran, & Osborne(2006)은 Toulmin의 여러 가지 논의 요소들을 결합한 CD, CW, CDW, CDR, CWR, CDWB, CDWR 등으로 분석하면서 주장과 증거 사이의 관계를 중요하게 보았다.4 Lee & Lim(2010)은 CD, CW, CR, CDW, CDR, CWB, CWR, CDWR, CDWB의 9가지 유형으로 분석하기도 하였다.5 이와 같은 연구들에서 주장을 뒷받침하는 탐구 결과가 왜 주장을 뒷받침하는 데이터가 되는지 설명하는 이유, 원리, 법칙 등을 제시하여 그 관련성, 즉 타당성을 설득하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
Driver, Newton & Osborne(2000)은 주장의 명료함, 자료의 관련성과 충분성, 증거의 관련성을 기준으로 논증의 질을 평가하였고,1 Kelly & Takao(2002)는 증거를 단순히 나열한 주장부터 증거들의 사이의 관계를 연결지어 제시한 이론적인 주장까지 6단계로 수준을 나누었다.6 Sandoval & Millwood(2005)은 증거의 충분성, 개념의 정확성, 주장과 증거의 논리적인 관계의 관점에서 논증을 분석하였다.7 Sampson & Blanchard(2012)는 주장(claim), 증거(evidence), 이유(rationale)를 기준으로 분석하였는데, 주장은 증거에 의해 뒷받침되고, 증거는 이유에 의해 정당화된다고 하였다.8 증거가 주장을 얼마나 잘 뒷받침 하는지, 주장이 과학적인 이론이나 법칙을 포함하고 있는지, 주장과 증거에 제시된 자료가 옳은 자료인지에 근거하여 논증의 수준을 평가하였다. McNeill & Knight(2013)은 탐구 문제에 대한 대답인 결론을 의미하는 주장(claim), 주장을 지지하기 위해 사용되는 과학적 자료인 증거(evidence), 적절한 과학 법칙을 사용하여 왜 증거가 주장을 지지하는지 설명하는 추론(reasoning)의 3가지 요소로 분석하였다.9 Choi, Hand & Greenbowe(2013)는 주장(claim), 증거(evidence)뿐 아니라 주장과 증거의 관계(claim-evidence relationship)의 중요성을 강조하였다.10 주장은 전체 논의의 중심이 되는 결론이며, 증거는 주장을 뒷받침하는 것으로 Toulmin의 근거, 보장, 보강을 모두 포함하는 것으로 제안하였다. 단순히 근거만을 제시하는 것이 아니라 적절한 근거를 보장, 보강과 논리적으로 연결하여 주장을 뒷받침해야 한다고 주장하고 있다. Nam et al.(2008)은 주장을 뒷받침해 줄 타당하고 이해하기 쉬운 증거를 어떠한 방식으로 제시하는지 평가함으로써 논의의 수준을 평가하였다.11 Yang et al. (2009)은 논증의 수준을 평가하기 위해 주장은 명백함, 초점, 구체성으로, 근거는 출처 제시, 주장과 관련성, 충분함으로, 결론은 정당성, 일관성, 종합성을 기준으로 분석하였다.12 이와 같은 논증 분석 선행 연구는 탐구 논증의 중심이 되는 결론으로서 ‘주장’은 정확성, 충분성, 타당성의 요소로 평가할 수 있으며, 주장을 뒷받침하기 위하여 주어진 자료의 해석과 과학적 이론과 법칙을 이용하여 제시하는 ‘증거’는 개수, 출처, 정확성, 충분성, 타당성의 요소로 그 수준을 평가할 수 있음을 시사한다.
논증에 대한 국내 연구들은 주로 학생13−15 또는 예비교사를5,16,17 대상으로 이루어졌고, 현장 교사를 대상으로 한 연구는 학생이나 예비교사를 대상으로 한 연구에 비해 상대적으로 부족한 편이다.18 2009 개정 과학과 교육과정의 학습 지도 방법에서는 “과학 상식과 사회적 쟁점에 대한 자료를 읽고, 이를 활용한 과학 글쓰기와 토론을 통하여 과학적 사고력, 창의적 사고력 및 의사소통 능력을 함양할 수 있도록 지도한다(p. 68)” 라며 교사가 학생의 과학 글쓰기와 토론을 지도할 수 있어야 함을 시사한다.19 또한 2015 과학과 교육 과정에서도 목표로 제시하고 있는 과학적 사고력, 과학적 탐구 능력, 과학적 문제해결력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력의 5가지 과학과 핵심역량이 모두 ‘증거를 해석하고 추론하여 주장을 제시하는 것’과 관련되어 있다(p. 3~4).20 따라서 학생들의 과학과 핵심 역량 함양을 도모하려면 과학 교사가 ‘증거를 해석하고 추론하여 주장을 제시할 수 있는’ 능력을 가지고 있어야 할 것이다. Sampson과 Blanchard(2012)는 과학 교사의 논증 수준을 분석하고 논증에 대한 인식을 연구하였는데, 대부분의 교사들이 주어진 데이터를 사용하여 주장을 지지하기보다는 자신이 이미 알고 있는 지식을 활용하여 주장을 지지한다는 것을 보고하였다.8 이처럼 과학 교사가 증거를 기반으로 타당한 주장을 제시하는 것에 대한 이해가 부족하다면, 탐구 결과를 해석하여 주장을 구성하고 주장을 뒷받침하는 증거를 제시하는 논증을 포함하는 탐구 중심 과학 수업을 구현하는 것을 기대하기는 어려울 것이다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 과학 교사가 탐구의 결과를 바탕으로 제시하는 주장, 증거의 수준을 Jo & Choi (2015)이 논증 관련 선행 연구를6,10 바탕으로 개발한 평가틀을 기준으로 분석하여 과학 교사 교육에 의미있는 시사점을 제시하고자 한다.6,10,15
연구 방법▼
연구 대상
본 연구에서는 서울특별시와 경기도에서 근무하는 다양한 성별, 교직 경력, 학력, 전공 등을 가진 중등 과학 교사를 편의 표집하여 53명을 대상으로 하였다. 연구 대상을 선정하기 위하여 11개 중등학교 72명 과학 교사에게 인쇄본 또는 이메일로 연구 설문지를 배부하여 53명(회수율 73.6%)에게 설문 결과를 돌려받았다. Table 1에 제시한 바와 같이 본 연구에 참여한 교사는 여교사 34명, 남교사 19명이었고, 고등학교 교사 32명, 중학교 교사 21명이었다. 교직 경력은 1~5년이 18명으로 가장 많았고, 다음으로 교직경력 6~10년이 14명이었다. 교사들의 학력은 학사가 29명, 석사 22명, 박사가 2명이었다. 교사들의 과학 세부 전공은 화학이 25명으로 가장 많았고, 다음으로는 물리와 생물이 각각 12명이었다.
Table1.
Background information of the participant secondary science teachers
주장과 증거 글쓰기 문항
과학 교사가 제시하는 주장과 증거를 분석하기 위하여 본 연구에서 사용한 주장과 증거 글쓰기 문항은 “양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가”, “전해질의 이온화도에 따른 전류의 세기”, “원자 모형의 변천(러더퍼드의 α입자 산란 실험)” 3가지 주제에 대한 것이다. 각 문항에는 탐구 결과 얻어진 데이터를 제시하여 교사들이 주어진 탐구 결과를 바탕으로 주장과 증거를 작성하도록 하였다. 이와 같이 각 문항에서 실험 결과와 참고 자료를 제시하였고, 이를 바탕으로 교사들이 주장과 증거를 제시하도록 하였으므로 교사의 세부 전공이 크게 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다. 부록에 제시된 바와 같이 문항 1에서는 물을 담은 샬레에 불을 켠 양초를 올려놓은 후 비커를 덮었을 때 양초의 개수에 따라 비커 안에 물이 차오르는 정도가 다르다는 탐구 결과를 제시하고 그 이유가 무엇인지를 설명하도록 하였다. 문항 2에는 2009 개정 과학과 교육과정 화학II의 ‘화학 반응’ 단원에 포함된 ‘수용액에서의 평형’에서 제시되는 탐구의 일부인 전해질과 비전해질 물질을 각각 녹인 비커에 전류를 통했을 때 빛의 세기를 결과로 제시한 뒤 각 비커에 어떤 물질이 있는지 유추하고 왜 그렇게 생각하는지 설명하도록 하였다. 문항 3에서는 2009 개정 과학과 교육과정 화학 I의 ‘개성 있는 원소’ 단원에 포함된 ‘원자의 구조’에서 제시되는 러더퍼드의 α입자 산란 실험과 그 결과를 제시한 뒤 실험 결과로부터 유추할 수 있는 원자 모형을 설명하도록 하였다. 각 문항에서 제시된 자료를 바탕으로 교사들이 답안을 작성하도록 안내하였고, 주장과 증거를 구분하여 작성할 수 있도록 답지를 구성하여 제시하였다. 과학 교과서에 포함된 탐구의 내용을 바탕으로 구성되어 있는 문항 2와 문항 3의 응답을 분석함으로써, 교사들에게 익숙한 내용인 경우에 이미 알고 있는 개념을 사용하여 주장과 증거를 제시하는지 또는 주어진 자료와 데이터를 해석하여 주장과 증거를 제시하는지 알 수 있을 것으로 사료된다. 문항 1의 경우는 실험 결과가 복잡하지는 않으나 여러 개념이 통합된 내용으로 이루어져 있고, 과학과 교육과정에 있는 특정 핵심 개념과 직접 연관되어 과학교과서에 포함되어 있는 탐구 활동이 아니어서 교사들에게 익숙하지 않을 수 있는 내용이다. 이와 같은 문항 1 맥락에서의 교사들의 응답이 문항 2, 3의 경우와 비교하여 어떠한지 알아보는 것도 의미 있는 시사점을 제공할 수 있을 것이다.
주장과 증거 글쓰기 분석틀
교사들이 작성한 주장과 증거 글쓰기는 Jo & Choi(2015)의 선행연구를6,10 바탕으로 개발한 평가틀을 이용하여 요소별로 점수를 부여하고 4 수준으로 나누었다.6,10,15 Table 2에 제시한 바와 같이 주장(Claim)은 정확성, 충분성, 타당성의 요소에 대하여 증거(evidence)는 개수, 출처, 정확성, 충분성, 타당성의 요소를 0, 1, 2의 수준으로 분석하였다. 주장은 어떠한 문제나 의문에 대한 답으로서 탐구 논증의 중심이 되는 결론이다. 제시된 탐구 결과를 해석하여 주어진 의문에 적절한 주장을 제시했는가의 관점에서 타당성, 정확성, 충분성의 요소로 분석하였다. 타당성은 주어진 의문에 대해 타당한 주장을 제시하고 있는가에 대한 것이고, 정확성은 의문과 관련된 정확한 과학 개념을 제시하였는가에 대한 것이고, 충분성은 과학 개념을 포함하여 주장을 충분하게 서술하였는가에 관한 것이다. 증거는 주장을 뒷받침하는 것으로 주어진 자료의 해석과 과학적 이론과 법칙을 포함하여 주장의 정당성을 나타내기 위한 것이다. 증거는 개수, 출처, 타당성, 정확성, 충분성의 요소로 분석하였다.
Table2.
Analysis framework for evaluating the quality of claims and evidence
주장과 증거 글쓰기 자료 분석
주장의 정확성에 관해서는 서술한 주장이 정확한 과학 개념을 포함하고 있을 경우 2점, 일부 틀린 내용으로 주장을 펼친 경우 1점, 완전히 잘못된 내용을 서술한 경우 0점을 부여하였다. 예를 들어, 양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가의 문항에서 ‘촛불로 인해 주변의 공기가 팽창한 상태에서 불이 꺼지면 내부의 기압이 낮아져서 수면의 높이가 높아진다’라고 주장한 경우 열에 의한 공기의 팽창과 불이 꺼지면 비커 내부의 압력이 낮아져서 외부 압력과의 차이에 의해 수면의 높이가 달라짐을 언급했으므로 2점을 부여하였다. ‘초의 연소로 인하여 산소가 소모되어 비커(샬레) 내부의 기압이 감소하여 내부 물의 수면이 올라갔다’라고 주장한 경우, 기체가 소모되면 물이 비커 내부로 들어온다는 것은 맞는 내용이지만 비커 내부로 물이 들어오는 요인으로 정확한 내용은 아니기 때문에 1점을 부여하였다. ‘양초의 개수가 많을수록 내부 기체의 온도가 낮아진다. 따라서 양초 1개일 때가 가장 온도가 높고 압력이 가장 크다’라고 주장한 경우, 잘못된 내용을 서술하였으므로 0점을 부여하였다.
주장의 충분성은 주장이 관련된 과학 내용을 충분히 서술하는지 즉, 구체적인 변인관계를 서술하였는지, 관련 과학 개념을 충분히 서술하였는지를 평가하는 요소이다. 관련 개념 간의 관계가 구체적으로 나타난 경우 2점, 관련 개념 간의 변인 관계가 미흡하고 구체적이지 않는 진술인 경우는 1점, 변인 관계의 서술 없이 요인(변인)만 언급 한 경우 0점을 부여하였다. 예를 들어, 러더퍼드의 알파입자 산란실험 결과를 해석하여 주장을 나타낼 때, ‘원자의 대부분 공간은 비어있고, 중심에 질량의 대부분을 가진 전하를 띤 (+)입자가 있다’라고 주장한 경우 구체적인 과학 개념을 사용하여 관련 개념 간의 관계를 나타내었기 때문에 2점을 부여하였고, ‘원자의 내부는 대부분 빈 공간이다’라고 주장한 경우, 정확한 개념을 서술하였지만 다소 불충분한 서술이므로 1점을 부여하였다. 주어진 문항에 대한 주장을 작성하지 않은 경우 0점을 부여하였다.
주장의 타당성은 주어진 탐구 문제에 대해 타당한 내용으로 주장을 서술하였는지 즉, 의문과 주장 사이의 관계성에 관한 평가 요소이다. 주어진 의문에 타당한 주장을 제시할 경우 2점, 일부 타당한 주장을 제시할 경우 1점, 질문과 전혀 관련 없는 주장을 제시할 경우 0점을 부여하였다. 예를 들어, 양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가를 묻는 문항에서 양초의 수가 늘어날수록 수면의 높이가 높아지는 이유를 명시적으로 언급한 주장의 경우 2점을 부여하였고, ‘온도 변화에 따른 공기의 팽창과 수축 때문에’라고 주장한 경우 양초 수, 온도, 수면 높이 등의 요인을 연관 짓지 못하여 의문과의 관련성이 다소 낮으므로 1점을 부여하였다. ‘같은 온도에서 압력이 높을수록 밀도가 크고, 같은 압력에서 온도가 높을수록 밀도가 크다’라고 주장한 경우는 내용은 정확하지만 의문에 대한 답으로서의 타당성이 매우 낮으므로 0점을 부여하였다.
증거는 주장을 뒷받침하는 것으로 개수, 출처, 정확성, 충분성, 타당성의 요소로 분석하였다. 주장을 뒷받침해주는 증거의 개수가 많을수록 주장의 신뢰도가 높아지고 설득력이 높아지므로 증거의 개수대로 1점을 부여하였다. 증거의 출처는 증거의 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로 주어진 탐구 결과와 참고 자료를 바탕으로 한 경우 2점, 본인이 가지고 있던 과학 지식을 바탕으로 한 경우 1점, 비과학적 미신을 바탕으로 한 경우 0점을 부여하였다. 예를 들어, 이온화도에 따른 전구의 밝기를 묻는 주제에서 ‘이온화도가 클수록 이온이 많이 생성되어 전류가 잘 흐르게 됨’의 주장은 참고 자료에 제시된 이온화도를 이용하여 서술하였으므로 2점, ‘이온결합물질-NaCl은 수용액에서 전도성이 있다. 공유결합물질은 이온화도에 따라 전도성이 달라진다’라고 증거를 제시한 경우, 주어진 자료에 제시되어 있는 이온화도의 값을 이용하기 보다는 교사 본인이 가지고 있던 이온결합, 공유결합 등의 과학 지식을 바탕으로 작성하였기 때문에 1점을 부여하였다. 본 연구에서는 비과학적 지식(미신)과 같은 증거를 쓴 교사는 없었고, 증거를 제시하지 않은 경우는 0점을 부여하였다.
증거의 정확성은 증거가 정확한 내용인가를 평가하기 위한 것이고, 정확한 내용을 서술한 경우는 2점, 일부 정확하지 않은 내용을 서술한 경우는 1점, 정확하지 않은 내용을 서술한 경우는 0점을 부여하였다. 예를 들어, 양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가를 묻는 주제에서 ‘온도가 올라가면 분자의 평균 속력이 빨라지고, 분자 운동이 활발해지면서 분자간 거리가 넓어진다’는 올바른 과학 개념을 사용하여 서술하였기 때문에 2점을 부여하였다. ‘양초의 개수가 많을수록 산소의 양은 더 많이 줄게 되어 물의 높이가 더 높아지게 된다’는 증거에 대해서는 초의 개수가 증가하면 감소하는 산소의 양이 증가하기 때문에 물의 높이가 더 많이 올라간다는 것은 일부 정확하지 않은 과학 개념이기 때문에 1점을 부여하였다. 제시한 증거가 의미가 정확하지 않은 내용을 포함할 때 0점을 부여하였다.
증거의 충분성은 주장을 뒷받침하는 증거가 얼마나 상세하고 정교하게 서술되었는지를 평가하기 위한 요소이다. 증거에 포함한 과학 개념 간의 관계를 충분하고 정확하게 서술한 경우 2점, 서술한 개념간의 관계가 구체적이지 않은 진술인 경우 1점, 단순히 증거를 제시하기만 할 뿐 개념간의 관계를 나타내지 않은 경우는 0점을 부여하였다. 예를 들어, ‘α입자는 He+로 양전하임. 따라서 금속박에서 반사하거나 굴절하였다는 것은 α입자와 같은 전하를 띠고 있다는 것을 알 수 있다’라고 제시한 경우 관련 과학 개념간의 변인 관계를 구체적으로 서술하였기 때문에 2점, ‘대부분 α입자 통과’, ‘극히 일부 α입자가 굴절함’이라고 서술한 경우, 주장을 뒷받침하긴 하지만 어떻게 뒷받침하는지 구체적인 서술이 없으므로 1점을 부여하였다. ‘금속박의 얇은 두께는 원자들이 일렬배열이라고 가정하며 α입자가 휘어지지 않고 그대로 통과한 것은 전하의 영향을 받지 않은 것임’이라고 서술한 경우 주장을 뒷받침하는 서술 없이 단순히 내용을 설명하였으므로 0점을 부여하였다.
증거의 타당성은 주장을 뒷받침하기에 타당한 혹은 적합한 증거인가에 대한 것이고, 주장과 증거의 관계가 타당할 경우 2점, 일부 관련되어 뒷받침할 경우 1점, 전혀 주장의 내용과 관련이 없어 뒷받침 해주고 있지 않다면 0점을 부여하였다. 예를 들어, ‘(가)와 (다)는 불빛이 들어오기 때문에 전해질이 녹아있는 것인데 (가)는 밝으므로 이온화도가 높은 NaCl이고, (다)는 어두우므로 이온화도가 낮은 아세트산이다. 그리고 (나)는 불이 들어오지 않았으므로 비전해질인 설탕이다’라고 서술한 경우, 증거가 (가), (나), (다) 각각에 대해 그 이유를 타당하게 설명하며 주장을 뒷받침 하므로 2점을 부여하였다. ‘같은 몰농도일 때 이온화도가 가장 높은 염화나트륨 수용액 내 이온의 개수가 가장 많다’라는 증거는 일부 주장을 뒷받침하긴 하지만 타당성이 다소 낮아 1점을 부여하였다. ‘이온화도에 따라 전류가 흐르는 정도에 차이가 발생한다’라고 증거를 제시한 경우, 각각의 용액이 왜 주장에서 제시한 것과 같이 나타나는지 타당하게 뒷받침하지 못하므로 0점을 부여하였다.
3개 문항에 대하여 5명 교사가 제시한 주장과 증거 글쓰기를 본 연구의 제 1저자와 화학교육 석사과정에 있는 평가자 1명이 각자 분석하여 구한 평가자간 일치도는 90.0%이었고, 분석의 결과에 차이가 있는 항목은 논의를 거쳐 합의한 후 본 연구의 제 1저자가 자료 분석을 완료하였다.
연구 결과▼
주장의 수준
각 평가 요소의 총합을 구하여 얻은 ‘주장 총합 점수’가 0점 이상 2점미만은 1수준, 2점 이상 4점미만은 2수준, 4점이상 5점미만은 3수준, 6점은 4수준으로 하였다. 3개의 주제에 대한 주장 총합 점수를 모두 합한 다음 3으로 나누어 평균 주장 점수를 구하였다.
Fig. 1에 제시된 바와 같이, 3개 문항의 탐구 상황에서 제시된 탐구 결과를 바탕으로 중등 과학 교사가 제시하는 주장의 수준이 주제 별로 다르게 나타났다. 문항 1에서 주장 점수의 수준은 3수준, 2수준, 1수준, 4수준의 순으로 나타났다. 3수준 주장을 제시한 중학교 교사가 8명(38.1%), 고등학교 교사가 11명(34.4%), 총 19명(35.8%)이었고, 다음으로 2수준 주장을 제시한 중학교 교사가 7명(33.3%), 고등학교 교사가 7명(21.9%), 총 14명(26.4%)이었고, 1수준 주장을 제시한 중학교 교사가 4명(19.0%), 고등학교 교사가 9명(28.1%), 총13명(24.5%)이었고, 4수준 주장을 제시한 중학교 교사는 2명(9.5%), 고등학교 교사는 5명(15.6%), 총7명(13.2%)이었다. 즉, 문항 1에서는 가장 높은 수준인 4수준의 주장을 제시한 교사들이 가장 적었고, 1, 2 수준의 주장을 제시하는 교사가 상대적으로 많은 편이었다. 또한 고등학교 교사 중 4수준의 주장을 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우 보다 높았고, 1수준의 주장을 제시한 고등학교 교사의 비율도 중학교 교사의 경우보다 높았다.
문항 2에서 주장 점수의 수준은 4수준, 2수준, 1수준, 3수준의 순이었다. 4수준 주장을 제시한 중학교 교사가 14명(66.7%), 고등학교 교사가 28명(87.5%), 총 42명(79.2%)이었고, 다음으로는 2수준 주장을 제시한 중학교 교사가 6명(28.6%), 고등학교 교사가 2명(6.3%), 총 8명(15.1%)이었고, 1수준 주장을 제시한 중학교 교사는 1명(4.8%), 고등학교 교사는 1명(3.1%), 총 2명(3.8%)이었고, 3수준 주장은 고등학교 교사 1명(1.9%) 뿐이었다. 즉, 문항 2에서는 가장 높은 수준인 4수준의 주장을 제시한 교사들이 가장 많았으나 여전히 1, 2수준의 주장을 제시하는 교사가 있었다. 또한 고등학교 교사 중 4수준의 주장을 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우 보다 매우 높았다.
문항 3에서 주장 점수의 수준은 3수준, 4수준, 1수준, 2수준의 순이었다. 3수준 주장을 제시한 중학교 교사는 10명(47.6%), 고등학교 교사는 14명(43.8%), 총 24명(45.3%)이었고, 다음으로 4수준 주장을 제시한 중학교 교사가 8명(38.1%), 고등학교 교사가 13명(40.6%), 총 21명(39.6%)이었고, 1수준 주장은 중학교 교사 2명(9.5%), 고등학교 교사 3명(9.4%), 총 5명(9.4%)이었고, 2수준 주장은 중학교 교사 1명(4.8%), 고등학교 교사 2명(6.3%), 총 3명(5.7%)이었다. 즉, 문항 3에서는 가장 높은 수준인 4수준의 주장을 제시한 교사들이 두 번째로 많이 나타났고, 여전히 1, 2 수준의 주장을 제시하는 교사가 있었다. 또한 고등학교 교사 중 4수준의 주장을 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우보다 약간 높았고, 3수준의 주장을 제시한 고등학교 교사의 비율은 중학교 교사의 경우보다 약간 낮았다.
3가지 문항에 대한 주장 점수의 평균은 3수준, 2수준, 4수준, 1수준의 순으로 나타났다. 3수준은 중학교 교사 12명(57.1%), 고등학교 교사 23명(71.9%), 총 35명(66.0%), 2수준은 중학교 교사 8명(38.1%), 고등학교 교사 6명(18.8%), 총 14명(26.4%), 4수준은 중학교 교사 1명(4.8%), 고등학교 교사 2명(6.3%), 총 3명(5.7%), 1수준은 고등학교 교사 1명(1.9%)이었다. 고등학교 교사 중 3, 4수준의 주장을 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우 보다 매우 높았다.
1수준, 2수준의 주장을 제시한 경우는 탐구 문제 상황에서 제시된 탐구 결과를 해석하여 탐구 문제에 대한 정확하고 타당한 주장을 충분하게 서술하지 못한 것이라고 볼 수 있다. 여러 개념이 통합된 “양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가?”에 대한 문항 1의 탐구 문제에 대해서는 1, 2수준의 주장이 상대적으로 많이 있었다. 교과서에 제시된 내용을 바탕으로 한 “전해질의 이온화도에 따른 전류의 세기”에 대한 문항 2와 “원자 모형의 변천-러더퍼드의 α입자 산란 실험”에 대한 문항 3의 탐구 문제에 대해서는 3, 4수준의 주장이 상대적으로 많았으나 1, 2수준의 주장을 제시하는 교사도 있었다. 이와 같이 탐구 데이터를 분석하여 제시하는 주장이 정확성, 타당성, 충분성의 측면에서 낮은 수준의 주장을 제시하는 교사가 있는 결과는 교사 양성 교육과 현장 교사 교육 과정에 어떠한 내용이 포함되어야 할 지에 대한 중요한 시사점을 제시한다. 탐구 문제에 대한 답으로서 타당한 내용으로 주장을 서술하지 않은 경우도 있었고, 주장의 내용이 정확하지 않은 내용을 포함하고 있는 경우도 있었고, 구체적인 변인 관계를 서술하지 않거나 관련 과학 개념을 충분히 서술하지 않는 경우도 있었다. 과학 탐구의 데이터와 자료를 분석하고 해석하여 탐구 문제의 답으로서 정확하고, 타당한 주장을 충분하게 서술할 수 있는 능력을 교사 자신이 갖고 있지 못한다면 진정한 의미의 탐구 중심 과학 수업을 계획하거나 수행하는 것을 기대하기는 어려울 것이다. 또한, 다양한 탐구 상황에서 제시되는 탐구 결과를 바탕으로 질 높은 주장과 증거를 제시 할 수 있는 능력은 과학 교사가 함양해야 하는 필수적인 것인데, 본 연구의 3개의 문항 중에 문항 1에 대한 결과가 더 낮은 것은 교과서에 제시된 내용이 아닌 과학 탐구의 경우에는 교사의 자료 해석을 근거로 한 주장 및 증거를 제시 할 수 있는 능력이 더욱 부족함을 시사한다.
증거의 수준
주장을 뒷받침하기 위하여 제시하는 증거는 증거의 수, 출처, 정확성, 충분성, 타당성의 요소로 평가하였다. ‘증거의 수’는 개수마다 1점을 부여하였고, 나머지 요소들은 0, 1, 2점으로 평가하였다. 2개 이상의 증거가 제시된 경우는 각 증거에 대하여 출처, 정확성, 충분성, 타당성의 4가지 요소에 대한 평가 점수를 구하여 모든 증거에 대한 각 요소 점수의 합을 증거 수로 나누어 각 요소에 대한 평균 점수를 구하였다. 증거의 5가지 요소의 점수를 합하여 ‘증거 총합 점수’를 구하였고, 0-2점은 1수준, 3-5점은 2수준, 6-8점은 3수준, 9점 이상은 4수준으로 나누었다.
Fig. 2에 제시된 바와 같이, 문항 1에서 제시된 증거는 2수준, 3수준, 1수준, 4수준의 순으로 나타났다. 2수준 증거를 제시한 중학교 교사가 5명(23.8%), 고등학교 교사가 11명(34.4%), 총 16명(30.2%)으로 가장 많았고, 다음으로는 3수준의 증거는 중학교 교사 6명(28.6%), 고등학교 교사 9명(28.1%), 총 15명(28.3%)이었고, 1수준의 증거를 제시한 교사는 중학교 교사 6명(28.6%), 고등학교 교사 6명(18.8%), 총 12명(22.6%)이었고, 4수준의 증거를 제시한 교사는 중학교 교사 4명(19.0%), 고등학교 교사 6명(18.8%), 총 10명(18.9%)이었다. 즉, 가장 높은 4수준의 증거를 제시한 교사의 수가 가장 적었고, 1, 2수준의 증거를 제시하는 교사가 상대적으로 많았다. 또한 중학교 교사 중 3, 4수준의 증거를 제시한 교사의 비율이 고등학교 교사의 경우와 거의 비슷했다.
문항 2에서 제시한 증거의 수준은 3수준, 4수준, 2수준, 1수준의 순으로 나타났다. 3수준 증거를 제시한 중학교 교사가 15명(71.4%), 고등학교 교사가 18명(56.3%), 총 33명(62.3%)으로 가장 많았고, 다음으로는 4수준이 중학교 교사 4명(19.0%), 고등학교 교사 10명(31.3%), 총 14명(26.4%)이었고, 2수준의 증거는 중학교 교사 1명(4.8%), 고등학교 교사 2명(6.3%), 총 3명(5.7%)이었고, 1수준은 중학교 교사 1명(4.8%), 고등학교 교사 2명(6.3%), 총 3명(5.7%)이었다. 즉, 가장 높은 4수준의 증거를 제시한 교사의 수는 2번째로 상대적으로 많은 편이었고, 1, 2수준의 증거를 제시하는 교사도 있었다. 또한 고등학교 교사 중 4수준의 증거를 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우 보다 높았고, 3수준의 증거를 제시한 중학교 교사의 비율이 고등학교 교사의 경우보다 높았다.
문항 3에서 제시한 증거의 수준은 4수준, 3수준, 2수준, 1수준의 순이었다. 4수준 증거를 제시한 중학교 교사가 11명(52.4%), 고등학교 교사가 23명(71.9%), 총 34명(64.2%)으로 가장 많았고, 다음으로는 3수준의 증거는 중학교 교사 6명(28.6%), 고등학교 교사 3명(9.4%), 총 9명(17.0%)이었고, 2수준이 중학교 교사 2명(9.5%), 고등학교 교사 3명(9.4%), 총 5명(9.4%)이었고, 1수준이 중학교 교사 2명(9.5%), 고등학교 교사 3명(9.4%), 총 5명(9.4%)이었다. 즉, 가장 높은 4수준의 증거를 제시하는 교사가 가장 많았고, 1, 2수준의 증거를 제시하는 교사도 있었다. 또한 고등학교 교사 중 4수준의 증거를 제시한 교사의 비율이 중학교 교사의 경우보다 높았고, 3수준의 증거를 제시한 중학교 교사의 비율은 고등학교 교사의 경우보다 높았다.
3개의 문항에 대한 증거 점수 총합을 3으로 나누어 구한 평균 증거 점수의 수준은 3수준, 2수준, 4수준, 1수준의 순으로 나타났다. 3수준은 중학교 교사 11명(52.4%), 고등학교 교사 17명(53.1%), 총 28명(52.8%)으로 가장 많았고, 다음으로는 2수준의 증거가 중학교 교사 6명(28.6%), 고등학교 교사 9명(28.1%), 총 15명(28.3%)이었고, 4수준이 중학교 교사 3명(14.3%), 고등학교 교사 5명(15.6%), 총 8명(15.1%)이었고, 1수준은 중학교 교사 1명(4.8%), 고등학교 교사 1명(3.1%), 총 2명(3.8%)이었다. 고등학교 교사와 중학교 교사 중 3, 4수준의 증거를 제시한 교사의 비율이 거의 비슷했다.
다양한 증거를 제시하고 그 관계를 서술해야 하는 “양초 수가 늘어날수록 수면의 높이는 왜 높아지는가”의 문항 1에서는 1, 2수준의 증거의 수준을 나타내는 교사가 상당수 있었고, 교과서에 제시된 탐구 결과를 바탕으로 증거를 제시해야 주장을 뒷받침할 수 있는 “전해질의 이온화도에 따른 전류의 세기”에 대한 문항 2와 “원자 모형의 변천-러더퍼드의 α입자 산란 실험”의 문항 3에서는 3, 4수준의 증거의 수준을 나타내는 교사가 많았으나 여전히 1, 2수준의 증거도 있었다. 본 연구에 참여한 교사들이 제시한 증거가 1, 2수준으로 낮은 경우가 나타난 것은 탐구 결과 데이터와 과학적 이론과 법칙을 포함하여 주장의 정당성을 위해 제시하는 증거가 개수, 출처, 정확성, 충분성, 타당성 측면에서 적절한 수준에 미치지 못한다는 것을 의미한다. 즉, 주장을 뒷받침해주는 증거의 개수가 많을수록 주장의 신뢰도가 높아지고 설득력이 높아지므로 가능한 많은 증거를 제시할 수 있어야 하는데 한 가지 증거에 의존하는 교사가 있었다. 또한, 증거는 주어진 탐구 결과의 분석, 해석을 바탕으로 과학 개념, 원리, 법칙 등을 포함하여 제시해야 하는데 교사 자신이 알고 있는 과학 지식을 바탕으로 제시할 뿐 주어진 탐구 결과를 활용하지 않는 경우가 있었다. 증거로 제시한 내용은 정확한 내용이어야 하는데 서술되는 내용 중에 일부 정확하지 않은 과학 개념이 포함되어 있기도 하였다. 또한 주장을 뒷받침하기에 타당하고 적절한 증거를 제시해야 하는데, 서술한 내용 자체는 옳지만 주장을 뒷받침하는 역할을 하는 증거로서 타당성 또는 적절성이 부족한 경우도 일부 있었다. 즉, 과학 탐구 맥락에서 제시하는 주장과 증거가 어떠한 내용이어야 하는지에 대한 과학 교사의 적절한 이해와 기준에 부합하는 주장과 증거를 제시할 수 있는 능력을 향상하기 위한 교사 교육이 필요함을 시사한다.
결론 및 제언▼
본 연구 대상의 수가 53명에 불과하므로 연구 결과를 해석하는데 한계점이 있음을 밝혀둔다. 본 연구의 3가지 탐구 상황에서 중등 과학 교사가 제시한 주장의 수준은 주제에 따라 차이가 있었는데, 문항 1에서는 3수준 주장을 제시한 교사가 53명 중 19명(35.8%)으로 가장 많이 나타나긴 했지만 1수준(13명, 24.5%)과 2수준(14명, 26.4%)을 제시한 교사도 상당수 있었다. 문항 2에서는 4수준 주장을 제시한 교사가 42명(79.2%)으로 가장 많았으며, 문항 3에서는 3수준 주장(24명, 45.3%)과 4수준 주장(21명, 39.6%)을 제시한 교사가 많았다. 여러 개념이 통합된 탐구 문제인 문항 1의 경우 1수준, 2수준의 주장도 상당수 있었지만, 교과서에 제시된 내용을 바탕으로 한 탐구 문제인 문항 2와 문항 3의 경우 3수준, 4수준의 주장이 대부분인 결과는 과학 탐구 맥락이 익숙하지 않거나 여러 개념이 통합된 탐구인 경우에는 탐구의 결과를 분석하고 해석하여 타당하고 정확한 주장을 구체적으로 서술하는 것에 어려움을 겪을 수 있음을 시사한다.
최근 National Research Council(2013)에서 제시한 8가지 과학 실천(science practices)뿐 아니라 2015 과학과 교육과정의 8가지 탐구 기능에서도 탐구 문제를 인식하고 데이터를 해석하여 주장과 증거를 포함한 설명을 구성하고 증거에 기반한 논의에 참여하는 것을 핵심적인 탐구 활동으로 강조하고 있다.21 본 연구에서 3가지 문항에 관해 중등 과학 교사가 제시한 증거가 1, 2수준으로 낮은 경우가 상당수 있었던 결과는 과학 탐구 맥락에서 주장을 뒷받침하는 증거가 어떠한 조건을 갖추어야 하는지에 대한 이해와 적절한 증거를 제시할 수 있는 교사의 능력이 미흡함을 나타낸다. 따라서 본 연구의 결과는 과학교육전문가 및 교사 교육 지원기관에서 이에 관한 과학 교사 교육의 중요성을 재인식하고 이를 지원할 수 있는 교사 교육 프로그램을 개발하여 제공하도록 노력해야 함을 시사한다.
증거의 수준도 주제에 따라 다소 다르게 나타났는데, 문항 1에서는 1수준(12명, 22.6%), 2수준(16명, 30.2%), 3수준(15명, 28.3%), 4수준(10명, 18.9%)의 증거를 제시한 교사가 골고루 있었고, 문항 2에서는 3수준 증거를 제시한 교사가 33명(62.3%)으로 가장 많았다. 문항 3에서는 4수준 증거를 제시한 교사가 34명(64.2%)으로 가장 많았다. 문항 1의 경우 다양한 증거와 증거 사이의 관계를 제시해야 하는 탐구 문제였고 문항 3의 경우 주어진 탐구 결과를 가지고 증거를 제시하여 주장을 뒷받침할 수 있는 주제였다. 본 연구의 결과는 다양한 탐구 상황에서 제시되는 탐구 결과를 분석하여 질 높은 주장과 증거를 제시할 수 있는 능력을 충분히 함양하지 못한 과학 교사가 있음을 시사한다.
과학 교사가 과학 탐구에 대한 이해를 어느 정도 하고 있는 가는 과학 수업의 방향과 내용에 영향을 미치고 학생 학습 과정과도 밀접한 관계가 있을 것이다. 최근 미국의 차세대과학 기준(Next Generation Science Standards)과 2015 과학과 교육과정에서 강조하는 바와 같이 학생들은 탐구 문제를 인식하고 탐구 결과 해석을 통해 타당하고 정확하며 충분하게 서술된 주장과 증거를 포함한 설명을 능동적으로 구성하여 동료들과 논의하고 의사소통하면서 과학 개념을 정립하고 지식의 구조를 형성 수정해 나감으로써 진정한 과학 학습을 할 수 있다.20-21 이와 같은 과학 교수·학습 활동이 과학 수업 시간에 구현되기 위해서는 무엇보다 과학 교사의 관련 지식과 이해가 올바르게 정립되어야 할 것이다. 탐구 결과를 분석하여 이를 바탕으로 주장과 증거를 포함한 논증을 제시하는데 일부 과학 교사들이 어려움을 겪고 있는 것으로 나타난 본 연구의 결과는 이와 관련된 과학 교사 전문성 함양을 위한 프로그램 제공의 필요성을 시사한다. 예를 들면, 과학 교사가 스스로 탐구 문제를 인식하고 탐구 결과를 분석하여 이를 바탕으로 주장과 증거를 포함한 논증을 제시하고, 동료와 의사소통하여 과학 개념, 원리, 법칙을 스스로 이해하도록 하는 학습 기회가 의미있을 것이다. 본 연구에서는 3가지 주제에 관해 과학 교사가 제시하는 주장과 증거 글쓰기의 수준을 알아보았는데, 심층적인 면담을 통한 과학 교사의 탐구와 논증에 대한 이해를 알아보거나 과학 교사의 논증에 대한 이해 정도와 탐구 수업과의 관계를 알아보는 후속 연구도 의미가 있을 것이다.