수학·과학 성취도의 요인 분석으로 본 과학고등학교 학생들의 화학 교과에 대한 인식 연구

최근 세계 선진국가들은 급격한 과학 기술 발전에 따라 자국의 국가 경쟁력을 높이고 변화에 대응하는 인재 양성 차원에서 과학 교육의 혁신을 위하여 많은 노력과 관심을 기울이고 있다. 특히, 미국에서는 과학의 본성을 잘 이해하고 과학적 탐구가 익숙한 학생들이 국가 성장의 밑거름이 된다는 사실을 인식하고 과학 교육의 중요성을 강조하고 있다.^3,20

우리나라에서는 2002년 영재교육진흥법의 시행으로 2003년에 KAIST 소속의 한국과학영재학교가 설립되었고, ‘연구를 통한 교육(Research and Education; R&E) 프로그램’ 이라는 명칭으로 사사교육 프로그램을 정규 교육과정에 포함하여 운영하는 등 새로운 과학 분야의 영재교육이 시도되었다. 영재학교의 R&E 프로그램 효과가 입증되면서 과학고에서도 학생들의 사사교육을 위하여 R&E 프로그램이 도입되었다. 1984년 설립된 G과학고등학교에서는 정규 교육과정에 ‘과제 연구’ 전문 과정을 개설하여 학습자 중심의 R&E 프로그램을 운영해왔으며, 2005년이후 과학기술부와 한국과학재단 (한국연구재단)의 지원으로 한국과학영재학교 및 과학고등학교 학생들이 자기 주도적 연구 활동을 통하여 과학적 탐구 능력과 창의적 문제 해결력 등을 신장시킬 수 있는 전문가 지도형 R&E 프로그램을 동시에 운영할 수 있었다.¹³

과학고등학교(이하 과학고)는 과학 기술 분야의 국제 경쟁력 제고를 위해 국가적 차원에서 수학 · 과학 분야에 소질과 적성이 있는 학생을 조기에 발굴 및 육성하려는 특수목적으로 1982년 경기과학고등학교를 시작으로 2002년까지 16개 과학고가 운영되어 왔다. 그동안 많은 졸업생을 배출하여 90% 이상이 과학기술 분야 대학에 진학하여 국가 산업 발전에 기여한 것으로 평가받았지만, 설립 취지와 다르게 의학 계열 진학 또는 명문 대학 입시를 위한 수단으로 작용한다는 비판도 있었다.²⁵ 1999년에 영재교육진흥법 제정과 영재학교 설립의 필요성이 대통령 자문기구인 ‘국가과학기술자문회의’에서 제안되었다. 정부에서는 영재교육진흥법 제6조 및 시행령에 따라 2003년 부산과학고를 한국과학영재학교로 전환하였고, 이어서 서울 · 경기과학고를 비롯해서 광역시 중심으로 기존 5개 과학고가 영재학교로 전환되었다. 영재학교로 전환된 지역은 과학고를 새로이 신설하여 현재 20 개 과학고와 8 개 영재학교가 운영되고 있다.²² 이처럼 과학 기술 인력 양성을 위한 과학고의 양적 팽창과 함께 영재교육의 질적 문제가 제기되었고 이를 개선하기 위해 정부는 과학고에 특화된 교육과정 운영, 과학고 교원들의 전문성 향상, 과학고 교사와 학생들의 연구 활동 확대 등의 내용을 골자로 과학고 발전 방안을 발표하였다.¹⁸ 현재 과학고등학교에 적용되는 교육과정은 교과 총 이수 단위인 180 단위 중에서 수학과 과학 관련 전문 교과를 72 단위 이상 편성하여 운영하여야 하고, 아울러 영재학교에서 실시했던 R&E (Research and Education) 프로그램이 일반고와 구분되는 특징이라고 할 수 있다.

과학고 학생들의 수학과 과학 교과 간 상관성에 대한 연구가 필요한 이유는 과학고의 환경 변화에 따른 학생들의 화학 교과에 대한 인식 변화에 있으며, 환경 변화를 자세히 기술하면 다음과 같다. 첫째, 과학고 입학 전형의 변화이다. 과학고 입학 전형은 2010학년도 입학생 이전에는 심층 면접 형태의 과학 창의성 전형에 의해서 선발하였으나, 2010학년도 이후부터 연차적으로 자기주도 학습 전형으로 선발하여 2013년 입학생들은 100% 자기주도 학습 전형으로 선발된 학생들이다. 자기주도 학습 전형에는 사회 통합(사회적 배려 대상자: 입학생의 20%) 전형이 포함되어 있으므로 입학생들의 학업 성취 수준의 편차가 예상된다. 둘째, 과학고 교육과정의 변화이다. 과학고에서 07 개정 교육과정은 2009년부터 과학고 1학년에 적용되었고, 09 개정 교육과정은 2011년 입학생부터 적용되었다. 2016학년도에 AP(Advanced Placement)과정이 신설되었고, 2018학년도는 창의융합형 인재 육성을 강조하는 2015개정 교육과정이 과학고 1학년에 적용된 해이다.

화학은 흔히 물리학과 생물학의 중간 영역에 해당하는 것으로 인식하고 수리/논리 영역과 자연 이해 능력이 함께 요구되는 것으로 짐작하고 있지만, 그에 대한 체계적인 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 이 연구에서는 수학 · 과학 교과성취도 요인 분석을 통해 화학 교과의 위상을 확인하고 이를 통해 과학고 학생들의 화학 교과에 대한 인식을 알아보고자 한다. 또한 R&E 활동 영역과 학업 성취도는 어떤 상관성이 있는지 분석하고자 하였다.

이러한 연구 필요성에 따른 연구 목적을 실현하기 위해 다음과 같은 연구 문제를 설정하였다. 첫째, 과학고 학생들의 수학과 과학 과목(물리, 화학, 생명과학, 지구과학)간의 학업 성취도 상관 관계는 어떠한가? 둘째, 수학과 과학 교과의 성취도의 요인 분석을 통한 과학고 학생들의 화학 교과에 대한 인식은 어떠한가? 셋째, 수학과 과학 분야의 R&E 활동반과 화학 성취도 간의 상관 및 요인 분석 결과가 의미하는 것은 무엇인가?

따라서 본 연구는 입학 전형과 교육 과정의 변화가 있었던 2009, 2013, 2018학년도 입학생들의 수학과 과학 4과목 간의 성취도 상관 및 요인 분석 등의 방법으로 학생들의 화학 교과에 대한 인식 특성을 밝히는데 의의가 있다. 또한 본 연구를 통해 화학 교과의 교수-학습 및 교육과정의 재구성에 참고 자료가 될 수 있다는 점에서도 의미를 가진다.

과학고의 학생 선발은 1996년 이후부터 2010학년도 이전까지 특별 전형과 일반 전형 형태로 실시되었다. G 과학고에서는 2009학년도에 각종 수학과학경시대회 수상자 중 교과 성적이 3~5% 이내이거나 학교장이 추천한 학생 중 19.6%를 특별 전형으로 선발하고, 나머지 80.4%는 내신 성적과 심층 면접에 의한 일반 전형으로 선발하였다. 2010년 1월 26일 발표된 ‘고등학교 선진화를 위한 입학제도 및 체제 개편 방안’에 근거하여 ‘초중등교육법 시행령’이 공포되었다. 기존의 점수 위주의 경쟁적이고 획일적인 학생 선발에 대한 문제점을 보완하기 위해서 지원자의 잠재성, 성장 가능성 등을 평가하여 자기주도 학습 전형을 도입하였고 2013학년도 과학고등학교 입학생부터 100% 적용하게 되었다. 과학고의 교육과정은 학교마다 조금씩 다르게 운영되지만, 대체로 전문 과정의 심화 수학, 고급 수학, 고급 물리학, 고급 화학, 고급 생명과학, 물리학 실험, 화학 실험, 생명과학 실험, 지구과학 실험 등의 교과서를 바탕으로, 학교 자체로 제작된 자료를 함께 사용하고 있는 실정이다.¹⁹ 또한, 조기 졸업의 축소로 3학년 과정의 학생들이 이수하는 일반 물리학, 일반 화학 등의 AP과정도 개설되어 있다. 입학 연도 별 G과학고의 입학 전형 및 교육과정의 특징을 Table 1에 나타내었다.

2009, 2013, 2018년 입학생들이 적용 받은 교육과정의 특징을 살펴보면 과학고에서 강조되고 있는 전체 교과에 대한 수학 · 과학 교과의 비율이 각각 53.3%, 60.2%, 55.4%로 나타났고, 특히 일반계 고등학교에서 개설되지 않는 전문 교과의 비율은 모두 40% 이상으로 나타났다.

R&E는 ‘연구를 통한 교육’, ‘교육을 통한 연구’를 의미하며, PBL(Project-Based Learning)의 한 형태로써 과학영재 학생들의 연구 체험 활동을 통한 경험 학습 중심 영재 교육 프로그램으로 사사교육에 기초한다. 과학 영재들을 위해 개발된 R&E 프로그램은 한국과학영재학교 및 전국의 과학고등학교에서 주로 고등학교 1, 2학년을 대상으로 운영되고 있다.⁶

현장에서 이루어지는 R&E 활동은 대학이나 연구소 연계, 지도 교사 주도 및 학습자 중심 등 여러 형태로 운영되고 있다.¹² 2017년 한국과학 창의재단에서 지원한 8개 분야(수학, 물리, 화학, 생물, 지구과학, 정보, 융합, 공학) 406 개의 R&E 추진 과제 중 312개 과제(76.8%)를 과학고에서 수행하였다.¹⁴

본 연구의 주 대상인 G과학고의 경우, 한국과학창의재단 지원에 의해서 실시되는 대학이나 연구소의 전문가 활동에 참가하는 사사교육 프로그램과, 전문가의 자문에 의한 교사지도 프로그램의 형태로 운영되고 있다. 그리고 1학년 동안의 영재학급 활동과 1학년 2학기부터 1년 동안 정규 교육과정에 편성된 학습자 중심의 ‘과제 연구(project research)’ 형태의 R&E가 이루어지고 있다. ‘과제 연구’의 자기주도형 R&E 활동에서 연구팀의 구성은 3~4명이 1개조로 편성되며, 연구 주제 선정, 연구 방법의 설계 및 실험 수행, 분석 및 결론, 보고서 작성 및 산출물 발표회 등의 자기주도적인 연구 활동을 통해서 학습하는 경험을 가진다.

수학과 과학의 성취도의 요인에 대한 연구는 다양한 관점에서 많이 이루어져 있다. 일반적인 학업 성취 결정 요인에 대한 외국의 연구 사례는 학생들의 사회 경제적 배경,^1,8,10 부모의 교육수준과 역할,¹⁷ 부모의 교육과 직업, 학문적 태도, 성별² 및 교사의 학생에 대한 기대감^4,23,24 등을 학업 성취 변인으로 보고하였다. 국내 연구 사례는 학원 및 과외여부, 교육의 계층화, 대입전형 유형, 학부모/교사/교우 관계 등 다양한 연구가 소개되고 있다. Lee는 학업성취도의 핵심 요인으로 개인의 사회 경제적 지위가 작용하지만, 특히 학생들의 영재성과 성공적인 학교 생활 및 진로 결정에 수학과 과학 성취도가 핵심적인 역할을 하므로 성취 결정 요인에 대한 사회의 관심이 매우 높다고 하였다. 연구 결과 부모관계, 교사관계, 자아관 및 진학계열 등이 수학-과학 학업 성취도의 주요한 요인으로 작용하는 것으로 조사되었다.¹⁵

수학과 과학 교과의 학업 성취도 간의 상관성을 밝히는 것은 현장 학교는 물론 과학 교육 관계자들의 관심의 대상이다. 특히, 과학영재학교와 과학고는 수학 · 과학 교과를 중심으로 학습하지만, 영재교육 현장에서 교사들은 자신의 경험적 사실로 상관 관계를 추론할 뿐 관련 연구는 거의 이루어지지 않았다. Lee는 PISA 2003의 분석에서 수학과학의 상관 관계가 0.83으로 읽기-수학의 상관 관계보다 높다는 것만 보여주었을 뿐, 수학과 과학(물리, 화학, 생명과학, 지구과학) 학업 성취도 간의 상관 관계에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.¹⁶ 또한, Byun은 과학고 1, 2학년 학생들의 수학-과학 교과의 학업 성취도 간의 상관관계 분석에서 학년/학기마다 약간의 차이가 있으나, 수학-물리(.674~.744**), 수학-화학(.612~.674**), 수학-생명과학(.425~.545**) 및 수학-지구과학(.604~.636**)으로 수학화학은 물리 다음으로 상관성이 높은 것으로 보고하였다.⁵ Chun & Park은 한국과학영재학교 1학년 학생들의 학교 생활과 화학 성적의 상관 관계에 대한 연구에서, 수학물리(.558**), 수학-화학(.636**), 수학-생명과학 (.332**), 물리-화학(.606**)을 나타내는 것으로 수학과 과학의 성취도 간의 상관 관계를 보고하였다.⁷ 과학고와 영재학교 학생들을 대상으로 한 연구에서 수학-화학의 상관 계수가 다른 이유는 다루었던 교과 내용과 교수자의 편차가 크게 기인된 것이라 생각된다. 따라서 화학 교과와 수학 및 다른 과학 교과의 성취도 간 상관 관계에 대한 연구는 학생들의 교과목 인식을 의미하므로 효과적인 교수-학습의 보조 자료로 연구의 활용 가치가 매우 클 것으로 생각된다.

수학/과학 성취도의 요인 분석은 2010~2018년 동안 수행된 종단 연구로써 경상남도 소재의 G 과학고 3개년 입학생(296)들을 대상으로 실시하였다. 7차 교육과정 개편 이후 3차례 개정 교육과정(07, 09및 15개정)이 적용된 시기의 학생들을 연구 대상으로 선정하였다. 또한, 학교에 따른 영향을 검증하기 위하여 2018입학생을 대상으로 경남 C과학고(81명)와 울산 U과학고(72명)를 함께 분석하였다. 연구 대상 학생들의 R&E 활동 반과 연도별 학생의 분포는 Table 2와 같다.

수학 · 과학 교과의 학업 성취도는 학교 내에서 운영하는 R&E를 이수한 연구 대상자들의 1학년 2학기 학기말 성적을 활용하였다. 수학/과학(물리, 화학, 생명과학, 지구과학) 교과의 성취도는 교과의 특성과 평가 요소의 적용이 다르고 성취도의 평균과 표준 편차도 차이가 있었으므로 모두 표준화 점수를 사용했다. 성취도 수준의 명확한 비교를 위하여 수학 · 과학 교과의 요인 분석 결과로 얻어진 요인 점수에서 33.3%와 66.7%를 기준으로 성취도 수준을 ‘상’, ‘중’, ‘하’로 분류하여 활용하였다. 입학 연도에 따른 화학 교과의 특징과평가 요소는 Table 3에 나타내었다.

입학 연도가 다른 3개년 입학생에 적용된 화학 교과의 내용은 ‘물질의 구조’, ‘물질의 상태’, ‘화학 반응’, ‘반응속도’ 등이 공통으로 포함되어 있고, 평가 요소 또한 지필과 수행 평가의 비율, 지필 평가에서 선택형과 서술형의 비율도 동일하였다.

통계처리는 IBM SPSS Statistics 25와 Microsoft Office Excel 16 프로그램을 활용하였다. 화학 교과가 어떤 특성을 가지고 있는지 확인하기 위해 상관 분석을 수행하였고, 수학 · 과학 교과 성취도의 탐색적 요인 분석(Exploratory Factor Analysis)은 표본적합도를 알아보는 Kaiser-Meyer-Olkin(KMO) 값과 상관 계수의 행렬이 대각 행렬 여부를 알아보는 Bartlett 값을 확인한 후 실시하여 요인을 추출하였다.

교과 성취도는 관찰 변수에 대한 측정오차가 없으므로 주성분 분석(Principal Component Analysis)을 사용하여 요인을 추출하였고, 요인의 해석을 쉽게 하고 판별 타당도를 높이기 위해 베리멕스(Varimax) 직각 회전을 실시하였다. 또한, R&E 활동 영역과 학업 성취도의 관계를 알아보기 위해 빈도 분석과 교차 분석, 일원배치 분산분석(ANOVA)을 활용하였다.

화학-수학·과학 성취도 간의 상관 관계. 과학고 학생들은 수학/과학 분야에 남다른 특성을 나타내는 집단이지만, 정부의 산업 육성 정책이나 교육과정 및 대학 입시 정책의 변화 등이 집단 특성에 영향을 미친다. 따라서 제7차 교육과정 이후(07, 09 및 15개정 교육과정) 적용된 3개년 G 과학고 학생들을 대상으로 수학 · 과학 교과 성취도의 요인 분석을 통해서 화학 교과에 대한 인식을 규명하고자 하였다. 먼저 수학-과학(5개 교과) 성취도 간 상관 관계를 분석하였고, 아울러 입학 연도 별 화학 교과와 다른 교과목 성취도 간 상관 분석을 수행하였다. 그 결과는 Table 4에 나타내었다.

Table 4에서 알 수 있듯이, 모든 교과목 간에서 Pearson 상관 계수는 통계적으로 유의미(p<.01)하게 비교적 높은 상관성을 확인할 수 있었다. 수학은 물리 교과와 .715의 높은 상관 계수를 보였고, 생명과학은 지구과학 교과와 두 번째로 높은 .642의 상관 계수를 보임을 확인할 수 있었다. 그러나 수학과 생명과학 교과 간에는 .371의 가장 낮은 상관계수를 보였다. 특히, 화학 교과는 다른 교과와 달리 전 교과와 0.518~0.614 범위에서 비교적 높은 정적 상관을 보여주었다. 이러한 현상은 화학의 특성이 거시적 수준의 화학 변화를 원자/분자 등의 입자 개념을 사용해서 양적 관계를 설명하고, 화학식 또는 반응식을 사용해서 설명해야 하므로 화학 학습에는 수리적 및 자연이해 능력이 동시에 요구되기 때문에 나타난 결과라 생각된다. 이 결과는 과학고 및 영재학교 학생들을 대상으로 조사한 선행 연구 결과와 잘 일치한다.^5,7

입학 전형의 변화 시기에 따른 수학-과학 성취도의 상관성을 연구한 Shin & Kim의 선행연구²⁷에서 교과 간 상관계수는 개정 교육과정 목표와 입학전형 유형에 따라서 차이가 있으나, 일반전형으로 선발하는 최근 입학생들일수록 상관성이유의미하게 높았으며, 각종 경시대회, 전람회 수상 및 학교장 추천과 특별전형에 의해 선발한 2009년 입학생의 경우, 교과목 간의 상관계수의 편차가 있음을 확인하여, 교육과정의 개편 시기에 따른 과학고 입학전형의 변화가 수학 · 과학 교과에 대한 인식 차이를 보이는 원인임을 밝힌바 있다. 화학 교과 역시 최근 입학생일수록 상관계수가 높아지는 양상을 보였지만, 다른 교과와 달리 상관계수의 차이는 거의 보이지 않았다.

화학-수학·과학 성취도의 요인 분석. 수학 · 과학 교과 간 상관 분석 결과에서 수학-물리와 생명과학-지구과학 교과에서 보인 높은 상관성에 주목하여, 그 요인을 심층으로 분석하기 위해서, G과학고 3개년 전체 학생(296명)을 대상으로 수학·과학 성취도의 탐색적 요인 분석을 수행하였다. 수행 결과 교과목에 따른 요인 1과 2의 요인 적재 값을 Table 5에 나타내었다. 요인 적재 값이 0.5 이하인 값은 생략하였다.

Table 5에서 알 수 있듯이 G과학고의 수학·과학 성취도의 요인 분석 결과는 요인 1의 분산이 42.77%, 요인 2의 분산이 37.20%로 두 요인이 전체의 79.97%를 설명하고 있다. 결과에서 알 수 있듯이 동일한 요인에서 유사한 요인 적재 값을 가지는 교과목들은 성취도의 공통적 요인으로 취급할 수 있다.

Gardner의 다중 지능 이론에서 논리적 문제나 방정식을 풀어 가는 정신적 과정에 관한 능력인 논리-수학적 지능(Logical-Mathematical Intelligence)과 자연 현상에 대한 유형을 규정하고 분류하는 능력인 자연이해 지능(Naturalist Intelligence)이 있다.⁹

다중 지능 이론에 따라 요인 1을 ‘수리-논리’ 요인으로, 요인 2는 ‘자연 이해’ 요인으로 볼 수 있다.

논리-수리적 능력이 요구되는 수학과 물리 교과는 요인 1에서 0.8이상으로 교과목의 공통성이 있는 것으로 확인되었으며, 자연에서 생명체와 그 환경(무생물)에 관심을 보이는 자연 이해 교과의 특성을 지닌 생명과학과 지구과학은 요인 2에서 0.8이상의 공통성을 보였다. 따라서 과학고 학생들의 성취도는 논리-수리적 능력과 자연 친화-이해 능력으로 약 80%를 설명할 수 있음을 짐작할 수 있다. 다른 교과와 달리 화학은 요인 1과 2에서 0.521, 0.657의 요인 적재 값을 보였다. 이는 과학고 학생들이 화학 문제 해결에 있어서 수리-논리와 자연 이해 능력이 모두 요구되는 것으로 인식하고 있는 것으로 해석할 수 있다.

G과학고 학생을 대상으로 한 연구 결과를 검증하기 위해서, 2018년 입학한 경남 · 울산 지역 3개 과학고(G: 103, C: 81, U: 72) 학생들을 대상으로 수학 · 과학 성취도의 요인 분석을 실시하였다. 그 결과는 Table 6과 Fig. 1에 각각 나타내었다.

Table 6과 Fig. 1에서 알 수 있듯이, 2018학년도 동일한 입학 전형으로 선발된 3개 과학고 학생들의 수학/과학 성취도의 요인 분석 결과도 앞서 본 G 과학고에서 보인 결과와 같이 3개의 교과군으로 나누어지는 것을 확인할 수 있었다. 성취도 요인 분석에서 물리, 화학 및 생명과학 교과는 요인 1, 2의 요인 적재 값이 거의 유사한 경향을 보였다. 그러나 수학과 지구과학 교과의 경우 다른 교과와 달리 학교마다 유의한 차이가 있었다. 이는 각 학교의 해당 교과 내용과 평가 방법의 차이가 크게 반영된 것으로 생각된다.

Figure1.

Distribution plots of mathematics and science subjects on the logical-mathematical vs naturalist intelligence in three Science High Schools.

G 과학고에서는 입학생을 대상으로 학생의 지원과 여건을 고려하여 영재학급을 편성하여 운영하고 있다. 영재 학급에서는 관심 분야에 대한 자기주도 학습과 R&E 활동이 이루어진다. 학생들의 R&E 활동이 화학 성취도와 어떤 상관성을 가지는지에 관심을 가지고 수행하였다.

R&E 활동에 따른 화학 교과 성취도의 요인 분석. R&E 활동반에 따른 화학 성취도 차이를 확인하기 위해 R&E 활동 영역 별로 수학 · 과학 성취도의 탐색적 요인 분석을 실시하였다. 그 결과는 Table 7에 나타내었다.

R&E 활동에서 수학반 학생들은 자연 이해 영역인 생명과학과 지구과학 교과 성취도가 제1 요인으로, 수리-논리 영역인 수학과 물리 교과 성취도가 제2 요인으로 작용하는 것으로 나타났다. 이 두 요인이 수학반 전체의 81.9%를 설명한다. 물리와 생명과학반에서도 수학반과 같은 경향을 보였으며, 두 요인이 각각 전체의 80.42%, 82.95%를 설명하고 있다. 그러나 화학과 지구과학반 학생들은 화학을 수리-논리 영역의 수학과 물리와 같이 제1 요인으로 인식하고, 자연 이해 요인인 생명과학과 지구과학 교과를 제2 요인으로 인식하고 있었다. 두 요인이 전체의 분산을 각각 79.60%와 76.74%를 설명하고 있다. 수학 · 과학 성취도의 요인 분석 결과에서 보인 R&E 활동 반에 따른 과학고 학생들의 화학 교과에 대한 인식에서 수학반은 화학 교과를 자연 이해(암기가 요구되는) 교과로 인식하고, 물리반과 생명과학반은 수리-논리와 자연 이해가 모두 요구되는 교과로 인식하였다. 화학반과 지구과학반은 수리-논리(이해가 요구되는) 교과로 인식하는 차이가 있었다.

또한, 학생들의 교과 선호, 관심 및 장래 희망에 따라 선택한 R&E 학급의 특성을 알아보기 위해 R&E 활동 영역과 성취도 요인 분석 결과에 의한 집단 간 교차 분석을 수행하였다. 요인분석 결과, 요인에 따른 학생들의 분포에서 뚜렷한 특징을 보이는 물리, 화학 및 생명과학 학급의 산점도는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2에서 물리반의 경우 A, B군에서 집중되어 분포하고 있고, 생명과학반의 경우 C, D군에 주로 분포되어 있음을 확인하였고 수정된 잔차 값과 χ²값을 통해 유의한 결과를 얻을 수 있었다. 화학반에서는 물리반과 생명과학반과 다르게 한 집단에 집중되지 않고 퍼져 있음을 확인할 수 있었다. R&E 활동 반에 따른 학생들의 분포 집단을 보다 자세히 규명하기 위해 각 요인 점수를 ‘상, 중, 하’로 구분하고 1(H_F1, L_F2), 2(H_F1, M_F2), 3(H_F1, H_F2), …, 9(M_F1, M_F2)까지 9개 집단으로 분류하여 각 집단에 따른 분포를 비교하였고, 분포를 점선(---)으로 구분하여 Fig. 2에 나타내었다.

Figure2.

Scatter plot of students distribution on the logical-mathematical vs naturalist in R&E (Chemistry, Physics, Biology) classes.

수리-논리와 자연 이해 능력에서 뚜렷한 차이를 보이는 1군과 5군에 속하는 학생들의 분포 특징으로 R&E 활동반의 특성을 알아보았다. 1군(수리-논리: ‘상’, 자연 이해: ‘하’)의 분포에서 물리반은 13명(23.2%), 화학반은 4명(7.1%), 생명과학반은 2명(3.8%) 나타났다. 1군과 반대되는 성향을 가진 집단인 5군(자연 이해: ‘상’, 수리-논리: ‘하’)의 분포에서 물리반은 0명(0.0%), 화학반은 1명(1.8%), 생명과학반은 14명(26.4%)으로 나타났다. 이를 통해 수리-논리 영역에서 강점을 보이는 물리반, 자연 이해 영역에서 강점을 보이는 생명과학반 학생들과 달리 화학반 학생들의 분포는 강점을 보이는 영역이 편중되어 있지 않으므로 물리반과 생명과학반 중간의 성격을 가진다고 할 수 있다.

초 · 중등수학 · 과학 · 정보 영재의 다중지능 비교에서 수학 영재는 논리 수학적 지능에서 강점을 보이고 자연 지능에서 약점을 보이며, 자연 지능에서만 과학 영재의 지능이 높게 나타났다는 연구가 있었고,²⁸ 중학교 과학 영재 중 수학 분과 학생들은 생물 교과에 흥미 수준이 낮고, 생물 분과 학생들은 수학 교과에 흥미가 낮게 나타났다는 선행연구 결과와 유사함을 알 수 있다.²⁶

R&E 활동 영역에 따른 화학 교과 성취도. G 과학고 학생들은 입학과 동시에 R&E 활동을 위해 자신의 희망에 따라 영재학급에 편성된다. 과학고 학생들에게 R&E 활동 영역은 일종의 교과 선호나 흥미로 생각할 수 있다. Yoon & Kim²⁹이 일반계 학생들의 교과 흥미와 학업 성취도와의 관계를 밝혔지만 과학고학생을 대상으로 한 연구는 없었다.

요인 점수에 따른 성취도 집단의 분포에서 R&E 활동 영역 별로 유의미한 집단 분포 차이가 있음을 확인하였다. 과학고 학생들에게 교과 선호나 흥미로 대변할 수 있는 R&E 활동 영역과 화학 교과의 성취도 사이에 어떤 상관관계가 있는지 알아보기 위해 일원배치 분산분석(ANOVA)을 실시하였다. R&E 활동반에 따른 화학 성취도(M, SD) 및 사후 검정 결과는 각각 Table 8과 Table 9에 나타내었다.

5개 R&E 활동반에 따른 화학 교과 성취도의 ANOVA분석 결과를 나타낸 Table 8에서 알 수 있듯이, p<.001범위에서 통계적으로 유의미한 평균 차이를 확인하였다. 화학성취도는 화학반이 75.28(9.55)로 가장 높았으며, 다음으로 물리반이 71.81이었다. R&E 학급별 차이를 보기 위해 실시한 사후 검정 결과를 나타낸 Table 9에서 알 수 있듯이, 화학의 성취도가 큰 차이를 보이지 않는 물리반을 제외한 나머지 R&E 학급 간 화학 성취도의 평균은 뚜렷한 차이를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 학생들의 R&E 활동반 선택이 자신의 교과에 대한 흥미/관심 및 재능이 반영된 교과 선호도가 반영된 결과라는 Park²¹의 연구 결과를 뒷받침한다.

수학 · 과학 교과 성취도 간의 상관 관계 및 요인 분석을 통해 교과에 대한 인식과 R&E 활동반에 따라서 화학 교과에 대한 인식차이가 있음을 확인하였다. 수학 · 과학 교과목 간의 상관 계수, 성취도의 요인 분석 결과, R&E 활동에 따른 화학 교과 성취도 요인들의 관계도를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3에서, 화학 교과와 성취도 요인의 관계에서는 요인 1에서 0.657, 요인 2에서 0.521의 요인 적재 값으로부터 학생들은 화학 교과를 수리-논리(이해 과목)와 자연 이해(암기 과목) 능력이 모두 요구되는 것으로 인식하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 화학과 다른 교과와의 Pearson 상관계수는 p<.01의 유의한 0.518~0.614범위에서 높은 상관성을 확인할 수 있었다. 또한, R&E 활동 반에 따른 요인 분석을 통해 화학 교과에 대한 인식은 R&E 활동 경험에 따라 다른 것을 확인하였다. 수리-논리 능력이 요구되는 수학과 물리반, 자연 이해 능력이 요구되는 생명과학반 학생들은 화학을 두 능력이 모두 요구되는 과목으로 인식하고 있으나, 화학과 지구과학반 학생들은 화학을 주로 수리-논리 능력이 요구되는 과목으로 인식하고 있었다. 특히, 화학반 학생들은 다른 반에 비해 화학 교과 성취도(M:75.28, SD:9.55)가 높고, 요인1(0.791)과 요인2(0.250)의 적재 값에서 수리-논리와 자연 이해의 뚜렷한 인식 차이를 보였다.

Figure3.

Structural models of factor analysis results on the Mathematics-Science academic achievements and R&E activities.

화학은 관찰/실험 활동으로 자연 현상에서 물질의 변화를 원자/분자 등 입자적 개념을 사용하여 양적 및 상관 관계를 밝히고, 화학식과 화학 반응식을 사용하여 설명하는 학문이다.¹¹ 따라서 화학 학습에서 거시적(관찰 사실) - 준 미시적(원자/분자 입자) -상징적(화학식, 화학반응식) 수준의 3가지 표상 간의 전환이 쉽게 이루어지지 않는 학생들은 각 수준의 지식을 따로 암기해야 한다고 생각한다. 이러한 표상 간 전환의 어려움은 학습양의 증가를 가져와 화학 학습 과정에서 인지 과부하를 초래하는 요인이 된다. 그러나 화학 교과에 대한 남다른 흥미와 재능을 가진 R&E 화학반 학생들은 화학 학습에서 요구되는 3가지 표상 간의 전환이 쉽게 이루어지므로 새로운 화학 학습에서 인지 과부하에 대한 부담을 느끼지 않는다는 것을 말해준다.