탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 효과에 대한 중학교 과학 영재들의 인식

일반적으로 영재란 평균 이상의 지적능력, 창의성, 과제 집착력을 지닌 사람을 의미하며,¹ 과학 영재들은 과학교과목에 대한 높은 흥미와² 높은 수준의 과학지식을 지니고 탐구 과정에서 모호성에 대한 내성을 가지는 특성이 있다.³ 일반 학생들에 비해 과학 영재 학생들은 높은 수준의 과학적 사고력과⁴ 과학 탐구 능력^5-8 그리고 과학에 대한 태도, 과학적 태도, 과학 수업에 대한 태도와 같은 과학 관련 태도에서도 긍정적인 특성을 나타낸다.⁸ 그리고 과학 수업에서 일반 학생에 비해 더 효율성 있는 전략을 사용하며,⁷ 자신만의 방식으로 문제를 해결하고자 하는 경향이 있다.⁹ 그래서 과학 영재를 대상으로 한 교육에서는 과학 영재들의 영재성을 함양하기 위해 문제발견 및 문제해결과 같은 탐구 중심 활동이 필요한데,¹⁰ 과학 영재를 대상으로 문제해결 중심의 탐구활동 수업을 실시했을 때, 과학적 창의성 신장과¹¹ 창의적 문제해결력, 과학 탐구능력, 과학수업에 대한 태도,¹² 실험 설계 능력¹³이 향상되었다는 보고가 있다.

영재성은 영재들이 가지고 있는 내부적인 특성뿐만 아니라 주위 환경, 동기 수준, 교육 등 외부적인 요인에 의해서도 영향을 받아 발달되기 때문에,¹⁴ 과학 영재 교육에서는 과학 영재 학생들의 지적능력과 탐구능력과 같은 인지적 영역과 과학에 대한 태도와 같은 정의적 영역을 지속적으로 발전시킬 수 있는 적절한 교수 학습 전략을 활용해야한다.⁸ 과학영재들을 위한 학습에서 강조하는 과학 탐구 능력과 과학 지식, 과학에 대한 흥미와 태도의 향상은 우리나라 과학과 교육과정에서 지속적으로 강조해오고 있는 능력이다.^15,16 2015 개정 교육과정은 각 교과별 역량 함양을 강조하며 학습자의 자율성과 창의성을 신장하기 위한 학생 중심의 교육과정인데, 탐구 경험을 통하여 과학적 사고력, 과학적 탐구능력, 과학적 문제해결력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등의 교과 역량을 함양할 수 있도록 지식, 탐구, 태도, 과학·기술·사회(STS), 과학 학습의 즐거움과 유용성의 5가지 목표를 제시하고 있다.¹⁵

과학과 교육과정의 목표로 강조하는 과학 지식, 과학 탐구 능력, 과학에 대한 태도 등의 향상을 위해 다양한 교수·학습적 연구가 진행되었는데,^17-20 탐구적 과학 글쓰기가 학생들의 과학 지식, 과학 탐구 능력, 과학에 대한 태도의 향상에 긍정적인 영향이 있다는 보고가 있다.^18-21 그리고 2015개정 교육과정에서 처음 도입된 통합과학이나 과학 탐구 교과목을 통한 탐구 중심의 과학 교육을 통해 고등학생들의 과학에 대한 흥미, 과학적 태도, 과학의 본성의 일부 영역에서 향상이 있었으며,²² 탐구중심 실험은 학습자의 과학적 탐구능력을 배양하고 과학의 본성(Nature of Science, NOS)에 관한 이해를 높이는데 효과적인 것으로 알려져 있다.²³

탐구적 과학 글쓰기는 학생들의 과학 탐구 능력의 체계적 교육을 위해 의문 만들기, 실험, 관찰, 주장, 근거, 읽기, 반성의 7단계로 제안된 전략이다.²⁴ 탐구적 과학 글쓰기에서는 학습자가 인식한 연구 문제를 해결하기 위해 탐구과정을 경험하고, 얻은 탐구 결과에서 결론을 도출하는 과정을 주장과 증거 등의 논증 요소를 경험 하고, 선행 연구의 읽기와 반성적 사고를 이용하여 결론을 정교화 하는 탐구 활동이다.²⁴ 학생들은 스스로 의문을 찾고 주장과 증거를 제시하는 탐구적 과학 글쓰기 탐구 활동을 통해 과학자들의 과학을 하는 과정 및 사회적 합의를 얻는 과정을 경험하여 학습자의 과학적 사고를 촉진할 수 있다.^24,25

탐구적 과학 글쓰기에서는 반성 단계를 통해 학생들이 메타인지 전략을 활용할 수 있도록 하는데, 메타인지는 학습자 스스로 자신의 인지과정을 이해하고 사고와 문제해결 과정을 계획, 수행, 평가, 수정하며 배경지식과 전략을 활용하고 통제하는 정신과정을 의미 한다.²⁶ 메타 인지를 이용한 학습을 통해 학습자가 인지 과정을 스스로 인식하고 통제할 수 있기 때문에,²⁷ 학습 및 탐구 활동 단계를 점검할 수 있으며,²⁸ 이를 통해 학생들의 과학 탐구 학습 전략 발달과²⁹ 과학적 사고력 향상에 도움을 준다.³⁰ 또한 메타인지는 영재들에게서 나타나는 중요한 특성으로,³¹ 영재들을 대상으로 한 수업에 메타인지를 잘 활용하면 과학 영재 대상의 과학 수업에서 자신의 학습을 점검하는 과정을 통해 수업의 효과를 높일 수 있을 것이다. 탐구적 과학 글쓰기 전략은 반성을 통한 논의와 글쓰기를 통해 학생들의 개념 이해와 과학적 탐구를 돕고 메타인지 학습 전략을 활용²⁴하고 있기 때문에 메타 인지 요소를 포함한 탐구적 과학 글쓰기 전략은 지식, 탐구, 과학에 대한 태도나 과학 수업에 대한 즐거움 측면에서 과학 영재 교육에 효과적일 수 있으며, 탐구를 기반으로 한 과학 수업을 통해 과학의 본성 측면에서 학생들에게 긍정적 영향을 끼칠 수 있다.

탐구적 과학 글쓰기의 효과를 조사한 연구가 많이 진행되었는데, 우선 일반학생을 대상으로 실시한 연구에는, 탐구적 과학 글쓰기 활동이 학생들의 과학 탐구 능력과 과학에 대한 태도 및 인식에 대한 연구, ^18-20 중학생들의 과학 탐구 능력, 논리적 사고력, 메타인지에 미치는 영향을 조사한 연구,¹⁹ 탐구적 과학 글쓰기 활동이 중학생의 과학 학습 환경 인식 및 메타인지적 과학 학습 경향에 미치는 영향을 조사한 연구,³² 탐구적 과학 글쓰기 활동이 학생들의 동기적 요소 중 자기효능감과 성취동기에 미치는 영향에 대한 연구³³ 등이 있었다.

과학 영재 대상으로 탐구적 과학 글쓰기를 적용했을 때의 효과 연구에서는, 중학생 과학 영재 대상으로 탐구적 과학 글쓰기를 적용하였을 때 과학 영재들의 창의성이 향상되었음을 확인한 연구,³⁴ 탐구적 과학 글쓰기와 스토리텔링 기법을 활용하였을 때 초등 과학 영재들의 과학에 대한 태도에 향상을 확인한 연구³⁵ 등 탐구적 과학 글쓰기의 전반적 효과에 대한 연구는 일부 있었지만, 과학 영재 대상의 탐구적 과학 글쓰기 수업의 효과를 구체적으로 조사한 국내 연구는 진행되지 않았다.

과학 영재 대상으로 이루어진 선행연구를 보면, 문제 해결 등을 요구하는 개방적 탐구 활동을 진행하고 탐구 능력 관점에서 효과를 분석한 연구가 많았는데,^11-13 탐구적 과학글쓰기 활동은 탐구와 논증 활동을 통해 새로운 지식을 반성적으로 구성하는 전략을 통해 학습자의 과학적 사고를 촉진할 수 있기 때문에^24,25 과학 영재 대상의 탐구 활동 수업에 도입하면 긍정적 효과가 나타날 것으로 예상된다. 그런데 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 탐구 활동의 효과를 분석한 연구는 일반 학생 대상으로는 많이 이뤄졌지만 과학 영재 대상으로 진행된 연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 중학교 과학 영재들 대상으로 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 탐구 활동을 실시하였을 때, 과학 영재 학생들은 메타인지 관점에서 자신의 변화를 어떻게 인식하는지 알아보았다. 또한 과학 영재 교육에서도 우리나라 과학 교육의 일환으로 과학과 교육과정의 목표에서 강조하는 과학에 대한 태도, 과학 탐구 능력, 과학지식, 과학 학습의 즐거움 및 유용성과 함께 과학의 본성 측면에서의 목표인 STS의 관련성에 대한 이해에 대한 이해를 목표로 해야 한다. 그래서 본 연구에서 진행한 교수학습 전략이 2015 개정 과학과 교육과정의 목표인 태도, 탐구, 지식, STS, 과학 학습의 즐거움과 유용성의 측면에서의 학생들의 인식에 어떻게 영향을 주었는지 조사하고자 하였다.

본 연구에서는 전라남도 소재 국립대학 부설 과학 영재교육원의 중학교 2학년 과학 영재들을 대상으로 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업을 실시하였을 때, 메타인지 관점에서 자신의 변화에 대한 인식과 2015 개정 과학과 교육과정 목표의 측면에서 학생들의 인식을 조사하였다.

과학 영재 학생들은 본 연구의 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업을 경험한 이후 메타인지의 계획, 모니터, 조절, 평가 4가지 영역에서 학습이나 활동에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 따라서 탐구적 과학 글쓰기 수업이 상위 학생들의 메타인지 능력의 향상에 영향이 있다는 선행 연구와 같이¹⁹ 과학 영재 학생들도 탐구적 과학 글쓰기를 통해 메타인지 영역에서 학생들 스스로 긍정적인 영향을 받았다고 인식하고 있었다.

메타인지의 하위 영역별로 긍정적인 영향을 받은 이유에 대한 학생들의 응답을 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫 번째, 계획 영역에서는 연구문제를 검증하기 위한 탐구 설계 경험, 탐구 결과의 공유 경험 등이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 두 번째, 모니터 영역에서는 실험 결과에 나타난 오류 점검, 탐구 경험을 통한 중간 점검 습관 형성 등이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 세 번째, 조절 영역에서는 연구 문제 해결을 위한 적절한 실험 방법을 찾는 과정, 결론 작성 과정에서 실험 과정에 대한 반성 과정 등이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 네 번째, 평가 영역에서는 선생님의 피드백, 결론 작성 시 실험 전체 과정에 대한 반성 과정 등이 영향을 주었다고 인식하고 있었다.

메타인지 관점에서 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 효과에 대한 과학 영재 학생들의 응답의 특징을 정리하면 다음과 같다. 첫 번째, 학생들이 직접 도출한 연구 문제를 해결하기 위한 실험을 설계하는 과정을 통해 ‘계획’ 영역과 ‘조절’ 영역에서 긍정적으로 인식하고 있었는데, 이는 학생들이 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 ‘실험’ 단계에서 자기주도적으로 실험을 설계 해보는 경험을 통하여 목표를 달성할 수 있는 더 효과적인 방법을 계획하는 태도에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 두 번째, 학생들은 자료를 수집하는 과정에서 자신들이 수집한 실험 자료에 문제점이 있는지 지속적으로 점검하는 활동을 통해 ‘모니터’ 영역에서 긍정적인 영향이 있었다고 인식하였는데, 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 ‘실험’ 단계와 ‘관찰’ 단계에서 연구문제 해결에 필요한 데이터의 적절성을 탐구 과정 중간에 지속적으로 점검하는 경험을 통해 학습이나 생활에서 목표대로 잘 수행되고 있는지 중간에 점검하는 태도에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 세 번째, 학생들은 수업에서 탐구 활동을 진행하며 발표를 통해 결과를 공유하면서 피드백을 받는 과정을 통해 ‘계획’ 영역과 ‘평가’ 영역에서 긍정적인 영향이 있었다고 인식하였는데, 이는 학생들의 활동을 점검할 수 있는 적절한 피드백 과정에서 검토를 통하여 활동의 목표나 계획을 세우고 활동을 모두 수행한 후 점검하는 태도에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 네 번째, 학생들은 탐구적 과학 글쓰기 수업에서 결론을 작성하는 과정에서 실험에 대한 반성을 통하여 ‘조절’ 영역과 ‘평가’ 영역에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었는데, 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 ‘주장’, ‘근거’, ‘읽기’, ‘반성’ 단계에서 결론을 작성하는 과정에서 전체적인 실험에 대해 점검하는 반성적 사고를 통해 더 효과적인 전략을 세울 수 있도록 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.

2015 개정 과학과 교육과정의 목표의 관점에서 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 효과에 대한 과학 영재 학생들의 인식을 조사한 결과 과학 탐구 능력, 과학에 대한 태도, 과학지식의 향상과 과학, 기술, 사회의 관련성, 과학학습의 즐거움과 유용성에 대한 학생들의 인식에 긍정적인 영향이 있는 것으로 나타났다.

각각의 세부 목표별 학생들의 응답을 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫 번째, 과학 탐구 능력의 향상에 대해서는 탐구 설계, 수행, 결론 도출 등의 전체 과정 경험, 자기주도적인 탐구 진행 과정의 경험, 여러 차시 동안 실험의 연속적 수행, 새로운 것의 학습이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 두 번째, 과학에 대한 태도의 향상에 대해서는 내가 원하는 방식의 다양한 실험 활동을 통한 흥미 향상, 새로운 연구 문제 도출, 자기주도적인 이론 탐색, 실험 활동을 통한 이해 증진, 이론 형성 과정 학습, 실험에 대하여 생각해보는 기회, 자기주도적인 탐구 진행 과정의 경험이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 세 번째, 과학지식의 향상에 대해서는 여러 차시 동안 실험의 연속적 수행, 예상과 다른 실험 결과를 분석하는 과정, 탐구에 필요한 지식의 학습, 직접 탐색한 자료의 학습이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 네 번째, 과학·기술·사회의 관련성에 대해서는 수행한 실험과 기술의 관련성 인식, 실험에 이용한 도구와 기술의 관련성 인식이 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 다섯 번째, 과학학습의 즐거움과 유용성에 대해서는 실생활과 밀접한 현상에 대한 탐구, 탐구 과정을 통한 문제 해결의 경험, 선행 연구를 이용하여 실험 결과를 설명하는 부연 과정이 영향을 주었다고 인식하고 있었다.

2015 개정 과학과 교육과정의 목표의 관점에서 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과학 수업의 효과에 대한 과학 영재 학생들의 응답의 특징을 정리하면 다음과 같다.

첫 번째, 과학 영재 학생들은 이론을 확인하는 방식의 실험 수업과는 다르게 본 연구의 탐구 수업에서 자기주도적으로 탐구를 진행하는 경험을 통해 과학 탐구 능력, 과학에 대한 태도 그리고 과학 지식의 향상과 과학 학습의 즐거움 및 유용성에 대한 생각의 변화에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 탐구적 과학 글쓰기 수업에서 ‘의문 만들기’ 단계에서 학생들이 도출한 연구 문제를 해결하기 위해 ‘실험’ 단계에서 직접 탐구 과정을 설계 및 수행하고, ‘읽기’ 단계에서 이론과 개념 등의 문헌들을 직접 찾아 읽고 학습한 뒤, 이를 이용하여 주장의 타당성을 설명하는 활동을 하였다. 학생들은 이를 통해 새로운 과학 지식을 얻었다는 인식과 함께 탐구 과정에서 스스로 연구 문제를 해결해가면서 궁금한 것을 과학적으로 해결하고자 하는 태도와 탐구 능력의 향상뿐만 아니라 과학학습의 즐거움과 유용성에 대한 생각의 변화에 영향을 주었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

두 번째, 과학 영재 학생들은 한 번의 실험으로 끝나지 않고 여러 차시 동안 실험을 연속적으로 수행하는 탐구 수업을 통해 과학 탐구 능력과 과학 지식의 향상에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 학생들은 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 본 연구의 탐구 수업에서 한 차시의 탐구 결과로 탐구를 끝내는 것이 아니라 이전 탐구 결과와 주장을 설명하는 과정에서 자연스럽게 생성된 궁금한 점을 ‘의문 만들기’ 단계에서 다음 연구 문제로 설정하여 탐구를 연속적으로 진행하였다. 학생들은 이러한 연속적 탐구 과정을 통해 과학 탐구 능력과 과학 지식이 향상되었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

세 번째, 과학 영재 학생들은 탐구를 수행하면서 생각하는 과정을 통해 과학에 대한 태도와 과학 지식의 향상과 과학 학습의 즐거움 및 유용성에 대한 생각의 변화에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 탐구적 과학 글쓰기를 진행하면서 학생들은 스스로 생각할 수 있어 학습에 도움이 되고,³² 과학 탐구 능력의 향상에 기여했다고 인식하고 있다는 선행 연구³³와 같이 본 연구에서도 학생들은 ‘실험’ 단계에서 효과적으로 해결 할 수 있는 방법을 찾거나 ‘읽기’ 단계에서 예상 밖의 실험 결과를 분석하고 부연을 작성하는 등 연구 문제를 해결하기 위해 각 탐구의 단계를 수행하면서 사고하는 과정을 통하여 과학에 대한 태도와 과학 지식의 향상과 즐거움 및 유용성에 대한 생각의 변화에 영향을 주었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

네 번째, 과학 영재 학생들은 탐구적 과학 글쓰기 수업을 통해 단순하게 이론을 주입식으로 배우는 방식이 아니라 탐구를 통한 학습이 이루어지는 경험을 통해 과학 탐구 능력과 과학에 대한 태도 그리고 과학 지식의 향상에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 이는 학생들이 본 연구의 수업에서 실험을 수행하며 ‘읽기’ 단계에서 필요한 이론을 탐색하는 과정을 통해 새로운 지식을 학습하게 되고, 탐구 결과를 바탕으로 결론을 도출하는 과정을 통해 기존에 알지 못하던 새로운 과학 지식을 얻거나 기존 지식의 향상이 있었다고 인식하였으며, 이 과정에서 탐구하고자 하는 태도와 능력에도 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

다섯 번째, 과학 영재 학생들은 평소 학교에서 경험했던 과학 수업과는 다르게 ‘의문 만들기’ 단계에서 도출한 연구문제를 해결하기 위하여 ‘실험’ 단계에서의 실험 방법의 설계부터 ‘주장’, ‘근거’, ‘읽기’ 단계를 통한 결론 도출까지 일련의 탐구의 전 과정을 능동적으로 수행하는 경험을 통하여 과학 탐구 능력과 과학에 대한 태도에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 이는 학생들이 단순하게 주어진 실험도구와 정해진 방법을 따라서 실험을 진행하는 것이 아니라 본 연구의 수업에서 필요한 세부적인 탐구 전 과정을 단계별로 스스로 구성하거나 경험하면서 과학 탐구 능력과 과학적으로 탐구하고자 하는 태도의 향상에 영향을 주었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

여섯 번째, 과학 영재 학생들은 탐구적 과학 글쓰기 수업에서 실생활과 밀접한 현상에 대한 탐구를 진행하면서 과학, 기술, 사회의 관련성뿐만 아니라 과학학습의 즐거움 및 관련성에 대한 생각의 변화에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었다. 이는 학생들이 실생활에서 볼 수 있었던 현상을 주제로 하여 ‘실험’ 단계에서 설계한 실험을 수행하고 ‘읽기’ 단계에서 필요한 과학 이론들을 탐색하면서 실험을 통해 증명된 과학 이론이 기술적으로 유용하게 쓰이고 과학 기술의 발전으로 사회에 있는 사람들에게 편리함을 제공할 수 있다는 관련성을 이해하게 되어 STS의 관련성과 과학학습의 즐거움과 유용성에 대한 생각의 변화에 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있는 것으로 보인다.

메타 인지는 학생들이 자기주도적 학습을 하기 위해 필요한 능력으로, 과학영재뿐만 아니라 일반 학생들에게도 효과적인 학습을 위해 필요한 능력이다. 또한 과학교육에서 2015 개정 과학과 교육과정의 5가지 목표를 달성하기 위해 메타인지는 학생들에게 요구될 수 있는 중요한 능력이다. 본 연구에서 과학 영재 학생들은 탐구적 과학 글쓰기 수업을 통해 메타인지의 네 가지 하위 영역인 계획, 모니터, 조절, 평가 각 영역에서 긍정적인 영향을 주었다고 인식하고 있었을 뿐만 아니라 2015개정 과학과 교육과정의 목표인 지식, 탐구, 태도, STS, 과학학습의 즐거움과 유용성의 관점에서도 학생들의 인식에 긍정적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 탐구적 과학 글쓰기의 경험을 통해 연구문제부터 탐구 설계, 결과작성, 결론 작성까지 학생들이 주도적으로 탐구하는 경험, 한 주제를 지속적으로 반복하며 개선해나가는 경험, 결론 작성 과정에서 자신의 탐구 결과를 반성적으로 되돌아보는 경험 등이 학생들이 과학 영재 수업에서 긍정적 인식을 갖도록 도울 수 있다는 것을 알았는데, 이러한 과학 수업의 특징은 과학 영재뿐만 아니라 과학에 대한 관심과 호기심이 높은 학생들을 대상으로 하는 일반 학교의 과학 수업에서도 학생들에게 도움이 될 것이라고 본다. 그런데 본 연구는 소수의 과학 영재 학생들의 응답에서 나타난 특징을 정리한 것이므로 모든 과학 영재 학생의 특징으로 일반화할 수 없기 때문에 좀 더 많은 수의 과학 영재 대상의 과학 탐구 수업에서 나타나는 과학 영재들의 특징을 조사할 필요가 있다. 그리고 본 연구에서 과학과 교육과정 목표 중 인식이 낮았던 STS 측면에 목표달성도를 높일 수 있도록 과학 영재 대상의 교수학습 전략에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.