TIMSS 2019의 8학년 화학 영역과 우리나라 과학 교육과정의 비교 분석¹

TIMSS 2019 본검사 평가 대상 학생들에게 적용된 교육 과정에 따라 학년을 나누어 4학년(초4)과 8학년(중2) 학생들에게 적용된 교육과정을 중심으로 분석하였다. TIMSS 2019 본검사 평가 대상 학생들(2018년 당시 초등학교 4학년, 중학교 2학년)에게 적용된 교육과정에 따라 해당 내용 요소가 가르쳐지는 학년에 ‘√’로 표시하였다. ‘TIMSS 평가 시기 이전 학습 여부’ 란은 ‘○’, ‘X’ 중 하나로 표시하였다. ‘○’는 해당 주제가 TIMSS 평가 시기 이전에 모두 학습한 상태이므로 ‘거의 모든 학생들’이 주제와 관련된 문항을 해결할 수 있을 것으로 예상된다는 것이고, ‘X’는 TIMSS 평가 시기를 기준으로 아직 학습하지 않은 상태이므로 ‘중학교 2학년 교육과정까지는 포함 안 됨’으로 표시한 경우이다. 초등학교 학습 내용의 경우 초등학교 1∼3학년은 2009 개정 교육과정, 초등학교 4학년 이후 내용은 2015 개정 교육과정을 대상으로 하였다. 중학교 학습 내용의 경우 초등학교 1∼3학년은 2007 개정 교육과정, 초등학교 4학년∼중학교 3학년은 2009 개정 교육과정, 고등학교 1∼3학년은 2015 개정 교육과정을 대상으로 하였다.

본 연구에서는 초등학교 교사 4명과 중학교 교사 4명은 각각 물리, 화학, 생물, 지구과학 전공별로 참여하여 총 8명의 현장 교사와 과학교육 전문가 2명이 참여해 우리나라 과학과 교육과정 중 TIMSS 2019 과학 평가틀의 내용요소가 어느 학년에서 다루고 있는지를 분석하였다. 분석과정에서 국제본부에서 제공한 내용 영역별 하위 내용이나 우리나라 교육과정의 성취기준 또한 광범위한 면이 있어서 어느 학년에서 어느 수준으로 다루고 있는지에 관해서는 가르치는 학교 현장 교사나 교육과정 및 교과교육 전문가들마다 견해가 다를 수 있으므로 4~5회 이상의 전문가 논의 절차를 거쳐서 95% 이상의 일치도로 최종 분석결과를 도출하였다. 교육과정 분석 과정에서 교육과정 개정에 따른 내용의 이동, 삭제, 추가로 인한 내용 영역별 하위 주제의 학습 여부에 대한 보정 여부의 확인은 초·중학교 현직 교사들과 수학·과학 교육 전문가들의 검토 및 협의를 거쳐, 실제 학생들이 해당 주제를 학습하는 시기를 파악하여 작성하였다. 이러한 개정 과정에서 내용의 이동, 삭제, 추가가 발생하는데 이러한 부분은 2015 개정 교육과정의 현장 안착에도 도움이 되는 정보를 제공할 것이며 향후 교육과정 개선에도 중요한 시사점을 제공할 것이다.

본 연구에서는 TIMSS 2019 교육과정 설문에서 제시된 수학·과학 교육 내용을 기본 틀로 하여, 내용 영역별 학습시기를 분석하였다. TIMSS 2019 교육과정 설문은 TIMSS 참여국의 교육과정 운영체제를 파악하기 위해 실시하는 것으로, 설문내용은 이전 주기의 내용을 바탕으로 최근의 국제적인 교육과정 체제 및 내용의 변화 흐름에 따라 수정 보완한다.

TIMSS 2019 교육과정 설문에서 제시된 내용 영역별 하위요소별로 해당 요소가 우리나라 수학·과학 교육과정의 어느 학년에서 다루어지고 있는가를 표시하였다. TIMSS 2019의 시행 대상 학생들에게 적용된 교육과정은 <Table 1>과 같다. 이에 따르면 TIMSS 2019 본 검사에 참여하는 4학년(초4) 학생들은 초등학교 3학년까지 2009 개정 교육과정을 적용 받았고 4학년 때는 2015 개정 교육과정을 적용 받았으며, 8학년(중2) 학생들은 초등학교 3학년까지 2007 개정 교육과정을 적용 받았고 이후 중학교 2학년까지 2009 개정 교육과정을 적용 받았다는 것을 알 수 있다.

2009 개정 교육과정과 2015 개정 교육과정은 학년군으로 구분되어, 초등학교는 1∼2학년, 3∼4학년, 5∼6학년으로 구분되고, 중학교는 1∼3학년으로 구분되어 있다. 그러나 TIMSS 2019 교육과정 설문의 학습 내용별 학습 학년을 조사하는 틀이 학년별로 구분되어 있고 우리나라 교과서들이 학년별로 같은 학습 내용을 다루고 있기 때문에 초등학교와 중학교 교육과정을 모두 학년별로 구분하여 분석하였다. 또한, TIMSS에서는 각 참여국별로 Fig. 1과 같은 분석틀로 각각의 평가 문항과 교육과정의 일치 여부를 분석하는 TCMA(Test-Curriculum Matching Analysis)를 한다. TCMA는 TIMSS에 참여한 모든 국가가 작성하기 때문에 TCMA를 통해 문항 내용별 국제 비교가 가능하며 참여국 간의 교육과정 일치 여부를 비교할 수 있다. 즉, 참여국에서는 이전 주기 TCMA 결과와 비교를 통해 추이 문항에 대한 참여국의 교육과정 변화를 살펴볼 수도 있으며, 국가 교육과정 개정을 위한 기초 자료를 마련할 수 있다.

이에 본 연구에서는 본 검사가 시행된 2018년을 기준으로 당시 초등학교 4학년과 중학교 2학년 학생들에게 적용된 교육과정과 TIMSS 2019 평가의 246개 문항 일치도를 Fig. 1과 같이 분석하였다. TCMA 분석틀에 제시된 모든 교육내용을 다루고 있으면, TCMA 분석틀에서 ‘Yes’라고 표시하고 전혀 다루지 않은 경우는 ‘No’라고 표시하였다. 이와 같은 TCMA 분석을 통해 TIMSS 2019 교육과정 설문 중에서 수학·과학 내용별 학습 학년의 분석 내용을 더 정확하게 분석할 수 있다. 즉, TIMSS 2019 교육과정 설문 중에서 과학 내용별 학습 학년 분석틀에서 주제별로 다루는 내용이 우리나라 교육과정에서 다루는 것처럼 보이더라도, TIMSS 평가 문항을 해결하기 어려운 경우는 TCMA 분석에서 No로 표시하고 이러한 주제에 해당하는 것은 내용별 학습 학년 분석틀에서도 다루지 않는 것으로 분석하였다.

Figure1.

Test-Curriculum Matching Analysis(TCMA) of TIMSS 2019 science assessment.

이 주제와 관련된 내용을 한 단원에서 체계적으로 학습하는 것은 초등학교에서는 2007 개정 교육과정의 3학년 ‘물체와 물질’ 단원에서 물체와 물질의 기본 개념을 다루며, 2009 개정 교육과정의 초등학교 4학년 ‘혼합물의 분리’ 단원에서 혼합물을 구성 물질로 분리하는 기초적 개념과 거름과 증발을 통한 분리 방법을 다룬다. 이와 연계하여 중학교 2학년 ‘물질의 구성’ 단원에서 물질을 구성하는 입자로서 원자의 구조와 개념을 학습하기 위해 원자핵과 전자를 다루고, 원소 기호를 사용하여 원소와 간단한 화합물을 표현함을 배운다. 그리고 ‘물질의 특성’ 단원에서 순물질(홑원소와 화합물)과 혼합물(균일 혼합물과 불균일 혼합물)을 구분하고 그 차이를 이해하도록 구성되어 있다.¹⁵ 2015 개정 교육과정 고등학교 1학년 통합과학에서 살펴보면 ‘물질의 규칙성과 결합’에서는원소가 빅뱅과 별의 진화 과정을 통해 만들어졌음을 다루고, 고등학교 2학년 화학 I의 ‘원자의 세계’에서 처음으로 양성자와 중성자를 내용 요소로 다룬다.¹⁶ 특히 양성자와 중성자에 대한 내용 요소는 2015 개정 교육과정의 화학 I에서 처음 도입되기 때문에 중학교 2학년 학생들에게 해당 용어를 다루지 않고 있다. 물질의 구성을 처음 배우는 중학교 2학년 교육과정에서 원자를 구성하는 입자 중 원자핵이 양전하를 나타내는 이유를 설명함에 있어 양성자와 중성자의 개념을 간단히 다루는 방향을 검토할 필요가 있다.

이 주제에 대한 내용은 우리나라 중학교 교육과정에서는 전혀 다루지 않고 고등학교에서 처음으로 다루게 된다. 2015 개정 과학과 교육과정의 고등학교 1학년 통합과학에서 ‘물질의 규칙성과 결합’ 단원은 원소의 주기율을 통해 자연의 규칙성을 확인하고, 금속과 비금속 그리고 최외각 전자에 대한 내용 요소들을 다루게 된다. 이와 연계하여 고등학교 2학년 화학 I ‘원자의 세계’ 단원에서 양성자 수를 원자 번호로 사용하는 것과 주기율표가 만들어지는 과정을 조사하는 활동을 통해 원소의 주기적 성질을 이해하는 학습이 이루어진다.¹⁶ 따라서 중학교 2학년 학생들은 주기율표와 주기율표의 위치를 예측하고, 같은 족의 원소가 비슷한 성질을 지닌다는 내용을 중학교 교육과정에서 다루지 않고 있다. 이와 더불어 중학교 2학년의 ‘물질의 구성’ 단원에서 주기성에 대한 언급 없이 이온의 형성 과정과 양이온 및 음이온의 종류를 학습하는 데 어려움이 있을 수 있다. 앞으로 중학교에서 이온 개념을 이해함에 있어 원자번호 20번까지의 원소들에 한하여 주기율표와 같은 족에 위치하면 비슷한 성질을 보인다는 내용과 함께 화학의 언어, 화학에서 가장 기초적이면서 중요하게 다루는 주기율표를 가르치는 방안을 마련할 필요가 있다.

이 주제에 대한 내용은 2009 개정 교육과정의 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원에서 녹는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등의 물질이 갖는 물리적 특성을 이용하여 혼합물을 분리하는 탐구 활동을 통해 다룬다. 이와 연계하여 2009 개정 교육과정의 중학교 3학년 ‘화학 반응에서의 규칙성’ 단원에서 일상생활에서 물리적 변화와 화학적 변화의 예를 구분하는 것을 시작으로 ‘여러 가지 화학 반응’ 단원에서 산화·환원 반응의 대표적 예로 부식과 연소 등을 다루어 화학적 변화를 살펴보게 된다.¹⁵ 즉, 우리나라 교육과정에서는 ‘물리적 변화와 화학적 변화’라는 변화적 측면에서 내용을 다루기 때문에 ‘물리적 성질과 화학적 성질’을 구분하여 물질을 분류할 수 있는 내용이 연계될 수 있는 방안이 요구된다.

이 주제의 개념은 2007 개정 교육과정 초등학교 3학년 ‘혼합물 분리’ 단원에서 혼합물의 개념과 일상에서의 분리 방법을 다루었다. 2009 개정 교육과정에서도 교육과정이 바뀌면서 4학년에 동일한 ‘혼합물의 분리’ 단원이 반복되어 나왔다. 5학년 ‘용해와 용액’ 단원에서 고체가 액체에 녹는 과정과 이에 영향을 주는 요인에 대하여 다루며, 이 영역에서 용질, 용매, 용액의 정의, 용액의 진하기 그리고 용질의 녹는 양 등을 학습한다.¹⁵ 이어서 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원과 연계되어 용해도 등을 추가적으로 배운다. 특히 농도의 경우 초등학교 5학년에서 ‘용액의 진하기’라는 표현을 사용하는데, 용액에서 관찰되는 현상을 통해 진한 정도를 판단할 수 있기 때문에 관련된 TIMSS 문항을 푸는 데 어려움이 없었을 것이다. 2009 개정 교육과정의 중학교 과정까지 ‘농도’라는 용어를 사용하거나 계산하는 활동이 포함되지 않았으며, 2015 개정 교육과정 고등학교 2학년 화학 I ‘화학의 첫걸음’ 단원에서 용액의 농도를 몰 농도로 표현할 수 있는 성취기준을 다루게 된다.

이 주제의 내용은 2009 개정 교육과정 초등학교 5학년 ‘산과 염기’ 단원에서 지시약의 색 변화를 통해 용액의 액성을 분류하고, 산성과 염기성이 갖는 성질을 나열할 수 있으며, 산성과 염기성이 섞이면 액성이 변화됨을 알게된다.¹⁵ 이어서 중학교 3학년 ‘여러 가지 화학 반응’ 단원에서 ‘중화’의 용어를 처음으로 학습하게 되며 중화 반응이 일어날 때 지시약의 색 변화와 온도 변화를 관찰하고 용액의 성질이 변화됨을 이해하게 되고, 2015 개정 교육과정 고등학교 1학년 통합과학의 ‘화학 변화’ 단원에서 산과 염기의 중화 반응을 실험하고 중화반응을 이용한 사례를 배운다. 그러나 ‘pH’의 개념은 고등학교 2학년 화학 I의 ‘역동적인 화학 반응’에서 ‘물의 자동 이온화와 물의 이온화 상수를 이해하고, 수소 이온의 농도를 pH로 표현할 수 있음’을 성취기준으로 다루어 중화 반응에서의 양적 관계까지 배우게 된다.¹⁶ 따라서 우리나라 중학교 2학년 학생들은 이와 관련된 TIMSS 문항 중 pH가 7보다 작으면 산에 해당된다는 것을 구분하지 못하였을 것이라 추측된다. 초등학교부터 충분히 학습된 산성과 염기성에 대한 내용에서 ‘pH 7 이하는 산성, pH 7은 중성, pH 7 이상은 염기성으로 구분’된다는 정도의 수준에서 pH의 수치를 통해 용액의 액성을 알 수 있음을 중학교 교육과정에 도입할지 논의할 필요가 있다.

이 주제의 내용은 2009 개정 교육과정 초등학교 6학년의 ‘연소와 소화’ 단원에서 물질이 탈 때 나타나는 현상을 관찰하는 실험을 통해 연소 후 생성되는 물질을 확인하는 활동이 이루어졌다. 이와 연계하여 중학교 2학년 ‘물질의 구성’ 단원에서 수용액 속 이온을 찾기 위해 앙금 생성 반응을 학습하였다. 이어서 중학교 3학년 교육과정의 ‘화학 반응에서의 규칙성’ 단원에서 일상생활에서 물리적 변화와 화학적 변화의 예를 구분할 수 있고, 반응물과 생성물을 화학 반응식으로 나타내어 반응물의 변화를 다룬다. 또한 ‘여러 가지 화학 반응’ 단원을 통해 산화·환원 그리고 중화 반응과 같은 화학 반응이 일어날 때 나타나는 화학적 변화와 현상을 다루게 된다.¹⁵ 화학 반응을 반응식으로 표현하여 그 변화를 탐구하는 것은 ‘물질의 구성’에 대한 학습이 전제로 이루어지기 때문에 중학교 3학년 이전 과정에서 배우기에 어려움이 있을 것이다. 따라서 중학교 2학년에서 ‘물질의 특성’에서 다루는 물리적 변화(녹는점, 끓는점, 용해도 등)와 같이 화학적 변화(기체 생성, 색 변화, 빛 방출 등)가 일어나는 증거를 함께 다룬다면 이후 중학교 3학년에서 다루는 화학 반응과 관련된 단원들의 학습까지 연계가 잘 이루어질 것으로 생각된다.

이 주제의 내용은 2009 개정 교육과정 중학교 3학년 ‘화학 반응에서의 규칙성’ 단원에서 화학 변화가 일어나는 동안 물질이 보존되고, 반응 전 원자들이 재배열되어 새로운 물질을 형성함을 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙을 통해 이해하는 내용을 다룬다.¹⁵ 2015 개정 교육과정의 고등학교 2학년 화학 I의 ‘역동적인 화학 반응’ 단원에서는 발열 반응과 흡열 반응에 대한 학습 요소를 통해 화학 반응에서 열의 출입을 설명하고, 이와 연계하여 고등학교 3학년 화학 II의 ‘반응 엔탈피와 화학 평형’에서 열화학 반응식, 엔탈피, 반응열을 다루게 된다. 반응 속도에 대한 개념도 화학 II의 ‘반응 속도와 촉매’ 단원에서 화학 반응마다 속도가 다르다는 것을 이해하고, 화학 반응 속도에 영향을 미치는 요인의 종류를 학습하게 된다.¹⁶ 2015 개정 교육과정에서는 중학교 3학년 ‘화학 반응의 규칙과 에너지 변화’에서 화학 반응에서 에너지가 방출되고 흡수됨을 활동을 통해 확인하는 수준으로 다루게 되지만, 반응 속도에 대한 개념은 2015 개정 교육과정에서도 고등학교 화학 II ‘화학 반응 속도’ 단원에서 처음으로 다루고 있다. 따라서 국제적인 흐름을 고려하여 중학교 2학년에 맞는 수준과 범위를 고려하면서 ‘화학 반응에서의 열 출입’이나 ‘화학 반응 속도’를 조기 도입 하는 등에 관한 전반적인 교육과정 내용을 재구성하는 것에 대한 논의가 필요하다.

이 주제는 2009 개정 교육과정의 중학교 2학년 ‘물질의 구성’ 단원에서 양이온과 음이온이 형성됨을 전자의 이동으로 설명하였으며, 이렇게 형성된 양이온과 음이온 사이에 작용하는 인력에 따라 화합물이 형성된다는 정도로 내용을 다룰 뿐, ¹⁵ 화학 결합에서 전자의 역할에 대해 자세히 다루고 있지 않다. 이와 연계하여 2015 개정 교육과정 고등학교 1학년 통합과학의 ‘물질의 규칙성과 결합’ 단원에서 최외각 전자의 개념을 다루면서 원소들의 성질에 따라 이온 결합과 공유 결합을 이루는 것을 배우고, 고등학교 2학년 화학 I의 ‘화학 결합과 분자의 세계’ 단원으로 연계되어 화학 결합의 전기적 성질과 화학 결합의 종류를 학습하게 된다.¹⁶ 따라서 중학교 2학년 ‘물질의 구성’ 단원에서 원자들 사이에 작용하는 힘에 의해 화학 결합이 일어나 화합물이 형성된다는 것과 이러한 결합에서 전자의 역할에 관한 내용을 함께 다루도록 교육과정 내용을 점검할 필요가 있다.