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초등학생의 실험기구 교육을 위한 TEP 활동의 개발 및 적용


Abstract

본 연구에서는 초등학생의 실험기구 교육을 위한 TEP 활동(Trigger interest; 흥미 유발-Explore experimental apparatus; 실험기구 탐색-Practice experimental apparatus; 실천적 사용)을 개발하고 이를 적용하여 그 효과를 알아보았다. 과학을 처음 접하는 초등학교 3학년을 대상으로 교과서에 제시되어있는 실험기구 중 4가지(비커, 전자저울, 유리막대, 약숟가락)를 선별하여 연구를 진행하였다. 그 결과 TEP 활동을 통해 단편적인 사용법이나 주의사항만을 알고 있던 학생들이 실험기구의 생김새에 따른 특징과 연관 지어 실험기구에 대한 설명을 할 수 있게 되었다. 또한 실제로 사용해보는 활동을 통해 실험기구 사용 능력이 향상되었다. 평소 과학 수업에서의 모습을 관찰한 결과 실험기구에 대해 학습한 내용을 떠올리며 적절하게 사용하려는 학생들이 많아졌으며 반복적인 활동을 통해 그 수가 증가함을 알 수 있었다. 초등학교에서 처음 배우게 되는 실험기구에 대한 지식적 이해와 사용 능력은 초, 중, 고등학교를 지나 실험이 주로 이루어지게 되는 대학교까지 영향을 미친다. 잘못된 용도와 사용법으로 실험을 하게 된다면 실험 결과의 신뢰도가 떨어질 뿐만 아니라 안전사고의 확률 또한 높아진다. 이러한 관점에서 본 연구를 통해 실험기구에 대한 교육을 초등 과학 교육과정에서 더욱 중요하게 다루어져야 하며 실제 교육을 해야 하는 교사들을 위해 다양한 교육 자료나 교수법이 개발되어야 함을 확인할 수 있었다.

Translated Abstract

The purpose of this study are to develop the TEP activity for learning experimental apparatus at elementary school and to test the effects of the TEP activity. This study consists of two steps. First through literature research on the difficulties and needs of experimental apparatus education developed the form that how to educate the experimental apparatus at elementary school. Second, applied the TEP activity and figured out the effects as two aspect(knowledge about experimental apparatus and actual using skill during lesson). This worksheet was applied to 3rd grade students in elementary school about 4 experimental apparatuses(Beaker, Electronic scale, Glass rod, Spatula). The results of this study are as follows: There is no specific time to teach what is and how to use experimental apparatus by regular curriculum. So many students and teachers need method and time to learn them. Also they want to lots of opportunities to use them. With that needs given previously, TEP activity developed by 3 steps. 1. Trigger interest 2. Explore experimental apparatus: learned knowledges about experimental apparatus focused on appearance(name, purpose, directions for use, precautions) 3. Practice experimental apparatus: actual using time to acquire skills. After that did the survey of knowledge and observation of students’ behavior during usual class to confirm the effects. According to the results, TEP activity helped the students to improve there awareness of the experimental apparatus and actual using skills.


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서 론

과학을 학습하는 가장 좋은 방법은 ‘과학하기(doing science)’이다.1 ‘과학하기’란 스스로 탐구를 계획하고 수행하는 과정에서 과학적 지식을 습득하고 탐구 능력을 함양하는 것으로 2015 개정 과학과 교육과정에서도 그 중요성이 잘 드러나 있다.24 탐구를 학습한 지식의 습득여부를 확인하는 수단으로 여겼던 이전의 교육과정과는 달리 2015 개정 과학과 교육과정에서는 탐구를 통한 과학적 지식 생성 활동 그 자체를 경험하는 것에 중요성을 두어 ‘과학하기’ 탐구가 이루어질 수 있도록 강조하고 있다.5

실험은 학생들의 탐구 능력 향상과 과학적 태도의 함양에 필수적인 활동으로 ‘과학하기’를 제대로 수행하는 방법 중 하나이다.6,7 이에 초등 과학 교과서는 학습 목표와 관련된 1~2가지 실험을 차시마다 제시하고 있다. 이러한 실험의 중요성과는 반대로 학교 현장에서는 실험 기피 현상이 나타나고 있다.8 원인을 학생과 교사의 측면으로 나누어 살펴보면, 학생들은 실험기구 사용법에 대해 제대로 이해하지 못해 실험 수행에 대한 부담, 실패에 대한 두려움을 느껴 실험을 피하게 된다.9 교사들의 경우에는 학생들의 실험기구 사용 능력이 낮아 원활한 수업 진행이 어렵고, 안전사고의 책임 문제로 실험에 대한 부담을 느껴 대표실험이나 동영상 시청으로 대체하는 경우가 많다.8,10 실제로 실험 관련 사고의 대부분은 실험기구의 부적절한 조작이나 조작의 숙련 부족, 호기심과 충동 등에 의해 발생하고 있기에 학생과 교사가 부담을 느끼는 것은 어찌보면 당연하다 생각된다.11,12

제대로 된 ‘과학하기’를 경험하기 위해 과학 수업에서 실험이 빠질 수는 없으며 안전하고 성공적인 실험이 이루어지기 위해 실험에 대해 교사뿐만 아니라 학생 또한 충분히 알고 있어야 한다. 실험에 대해 안다는 것은 준비물, 진행 과정에 대한 이해와 함께 근본적으로 실험의 핵심적인 요인인 도구에 대해 이해하는 것을 포함한다. 도구는 특정한 이론을 증명하거나 문제를 해결하는데 필요한 존재이기도 하면서 연구의 방향을 제한하기도 한다.13,14 이러한 도구들을 과학에서는 ‘실험기구’라 칭하며 일정수준의 사용 능력을 갖추는 것을 중요하게 여긴다.15 실험 과정에서의 미묘한 차이로 그 결과가 크게 달라지는 것을 보면 학생들은 참된 탐구 수행을 위해 실험기구의 명칭과 용도, 사용법, 실험 안전과 관련된 내용을 자세히 안내받아야한다.16,17 또한 학생들은 실험기구에 대해 알고자 하는 욕구가 있으며 실험기구의 사용법을 알면 실험을 더욱 재미있게 느껴 적극적으로 참여하는 모습을 보여준다.18,19 이러한 관점에서 교육 현장의 실험기구 교육은 중요하며 이와 관련된 연구가 활발하게 진행되었다.

실험기구 교육 관련 연구는 크게 3가지 방향으로 이루어졌다. 첫째, 실험기구 사용 능력 평가 기준 개발이다.20,21 이를 통해 실험에 필요한 실험기구를 탐구자가 바르게 사용하는지를 확인할 수 있게 되었으며, 나아가 실험기구 교육이 지식적 이해뿐만 아니라 실제로 사용하며 사용능력을 체득할 수 있는 방향으로 나아가야 함을 제시하였다. 둘째, 대상별 실험기구 사용 능력 평가이다. 앞서 개발된 평가 기준을 활용하여 대상별로 실험기구에 대한 지식적 이해와 사용 능력을 평가하였다. 초등학생, 예비교사, 현직 교사의 실험기구 명칭과 용도, 사용법에 대한 이해도를 알아보았으며,19,22,23 연구 결과 명칭과 용도, 사용법에 대한 이해도가 교육과정이 바라는 수준에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 또한 예비교사,24 초등학생,25,26 중학생27을 대상으로 실시한 실험기구 사용 능력 평가에서도 탐구 활동이 요구하는 것보다 실제 대상이 지닌 능력이 기대에 부응하지 못하는 결과가 나와 실험기구에 대한 교육이 필요함을 시사하였다. 셋째, 실험기구 교육자료에 대한 연구이다. 이는 주로 국외에서 실시된 연구로 실험기구의 원리, 사용법, 유의점, 조작 관련 비디오 등에 관한 교재28와 실험기구의 종류, 용도, 세척법, 사용법 등에 관한 소프트웨어29가 개발되었다. 또한 실험기구 사용법에 대한 인터넷 동영상 현황을 찾아보았으며 각 영상의 장·단점에 관한 연구를 진행하였다.30 각 연구에서 공통적으로 실험기구 교육에 있어 교재나 자료가 있다면 효과적이라 설명하였다.

선행연구를 통해 실험기구를 안전하게 사용하는 방법이 교과서에보다 상세히 제시되어야 하며,7,26 정확한 사용법에 대해 교사가 설명해주는 시간이 반드시 필요함을 알 수 있었다. 하지만 현재 교육과정에서는 실험기구 교육을 교사의 재량으로 남겨두고 있으며 소수의 실험기구(온도계, 현미경)만이 별도의 차시가 배당되어 학습하도록 구성되어 있다.13,31,32 그 결과 실험기구의 용도와 사용법에 대한 설명 부족의 문제가 끊임없이 지적되고 있다. 초등학교 과학 수업에서 학생들은 실험기구를 처음으로 경험하게 되며, 실험기구의 가장 기초적이고 기본적인 조작방법 육성은 이 시기에 주로 이루어지기 때문에 실험기구에 대한 정확한 지도가 요망된다.33,34

따라서 본 연구에서는 각 단계가 순환적으로 적용되며 복잡한 피드백과 수정의 과정을 통해 교수 체제를 발전시킬 수 있는 교수 체제 설계(ISD: Instructional Systems Design)3537의 핵심적인 5단계 ADDIE 모형을 통해 실험기구 교육에 쓰일 TEP 활동을 개발하였다. TEP 활동이란 흥미를 이끌어 내는 T단계(Trigger interest), 실험기구에 대해 알아보는 E단계(Explore experimental apparatus), 실험기구를 실제로 사용해봄으로써 사용 능력을 익히는 P단계(Practice experimental apparatus) 3단계로 구성되어 있으며 지식적 이해와 더불어 실험기구를 실제 상황에서 사용하며 사용 능력을 체득할 수 있도록 구성된 학습활동이다. 개발된 활동은 예비적용 단계를 거쳐 수업 교사의 활동 진행 과정에 대한 전반적인 의견 및 학생들의 반응, 결과가 기록된 활동지를 참고하여 수정·보완되었으며 이렇게 개발된 TEP 활동이 초등학생들의 실험기구 명칭, 용도, 사용법 및 주의사항 학습에 도움이 되는지 확인하고자 한다.

연구 방법

연구 대상

본 연구는 D 광역시에 소재한 H 초등학교 3학년 20명 학생을 대상으로 TEP 활동 연구를 실시하였다(Table 1). 과학을 정규 교육과정에서 처음으로 학습하고 실험기구를 경험해보지 못한 학생 수의 비율이 높은 3학년을 대상으로 하여 학습 활동의 효과성 비교에 용이하도록 하였다.

Table1.

Aspects of the subjects of study

Subject Amount of student

Male Female Total
3th grade 8 12 20

검사 도구 및 자료 분석

실험기구에 대한 이해도 변화 확인을 위해 설문 조사를 실시하였으며 실제 실험 상황 관찰을 통해 학생들의 실험기구 사용 능력을 분석하였다. 실험기구 이해도 변화를 알아보기 위한 설문은 김용권·이옥경22과 여상인·이병문23이 활용한 질문지를 수정·보완하였다. 실험기구 그림과 명칭, 용도에 대한 질문으로 구성된 기존의 질문지에 사용법 및 주의사항에 대한 질문을 추가하였다. 이를 연구 대상 5명에게 사전 질문하여 질문지의 단어 수준 및 문장이해도에 대한 적절성을 확인하였으며, 과학교육 전문가 1인과 박사과정 2인, 현장 교사 4인의 조언을 얻어 최종적으로 수정 및 보완하였다.

설문을 통해 수집된 데이터는 질문 유형에 따라 다르게 분석하였다. 답이 하나로 정해진 명칭의 경우, 정답/오답으로 분류하여 응답 수를 확인하였다. 이에 비해 다양한 답변이 나올 수 있는 용도와 사용법 주의사항과 같은 서술형 응답의 경우 의미가 같은 것을 하나의 응답으로 처리하였으며 응답의 키워드를 추출하여 이를 유목화하여 분석하였다. 또한 2개 이상의 답변이 나온 경우 개별적인 답으로 간주하여 분석하였다. 이러한 분석은 독립적으로 이루어졌으며 교사 4인과 비교하여 일치하지 않는 분석에 대해 세미나를 통해 합의를 이루었다. 그 후 연구 참여자에 의한 검토 과정(member check)을 거쳐 내적 타당성을 보완하였다.

학생들의 실험기구 사용 능력에 미친 영향을 확인하기 위해 실제 실험 상황에서 학생들의 모습을 분석하였다. 이때 별도의 체크리스트를 활용하는 방식이 아닌 일상적인 과학 수업에서 학생들의 활동 모습과 주고받는 대화를 관찰하여 분석하였다. 이는 교사가 체크리스트를 사용하여 변화 정도를 측정하는 모습을 보여준다면 학생들로 하여금 평가라는 의식을 가지게 되어 부자연스러운 행동, 즉 연구자가 기대하는 모습을 의도적으로 보여줄 것이라 예상되기 때문에 자연스러운 수업 상황에서 분석하는 방법을 택하였다.

설문 조사는 2018학년도의 정규 교육과정이 시작되는 3월 초와 학년이 마무리되는 12월 말에 실시하였으며, 교사 관찰의 경우 2018학년도 해당 실험기구가 사용되는 과학 수업을 관찰하였다.

실험기구 선정

2015 개정 초등 과학 교과서 분석을 통해 TEP 활동에 적용할 실험기구를 선정하였다. 실험기구를 처음 접하는 학생의 비율이 높아 활동 적용 전·후의 비교가 용이하다 생각되는 3학년 1·2학기 과학 교과서를 분석하였다. 실험기구란 실험에서 쓰이는 모든 재료를 일컫는 것으로 그 중 교과서에는 흰 종이나 실과 같이 일상생활용품 또한 포함되어 있었다.31 이러한 것들은 단순한 용도의 재료로 특정한 목적을 위해 고안된 기구로 보기 어려워 제외하여 통계를 내었다. 이를 통해 추려진 실험기구는 총 12가지로 이 중 2가지 조건을 만족하는 실험기구 4가지(유리막대, 비커, 약숟가락, 전자저울)를 선정하였다. 선정 시 고려한 조건은 첫째, 도구 사용의 절차가 있으며, 실험 시 고려해야 할 점이 1가지 이상인 것으로 잘못 사용할 경우 실험 결과에 영향을 미칠 수 있고 안전과 관련하여 중요도가 비교적 높다고 판단되는 것(전자저울)과 둘째, 학년이 거듭될수록 지속적으로 사용되며 여러 가지 실험에 사용되는 기본적인 것으로 초기 학습 시 명확하게 학습해야 할 필요성이 있는 것(유리막대, 비커, 약숟가락)이었다. 예를 들어 전자저울의 경우 절차적인 사용법이 존재하며 잘못 사용할 경우 실험 결과에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 실험의 정확도 및 안전을 위해 고려해야 할 점이 많은 실험기구이며, 핀셋이나 수조는 단순하여 직관적으로 사용할 수 있는 실험기구이다. 사용 시 고려해야 할 점은 많지만 본래의 기능과 다른 단순한 용도로 제시된 것(거름종이; 물에 떠 있는 부식물을 건져서 올려놓는 용도)은 제외하였다.

Table2.

An experimental apparatus in 3rd grade textbooks by 2015 revised curriculum

Experimental Apparatus 3th grade (frequency1)) Total

1st semester 2nd semester
Magnifier 4 4 8
Bar magnet 8 · 8
Tank 3 4 7
Glass rod 1 2 3
Beaker · 2 2
Petri dish 1 1 2
Tweezers · 2 2
Magnifying glass 1 1 2
Globe 2 · 2
Spatula 1 · 1
Electronic scale · 1 1
Filter paper · 1 1

연구 결과 및 논의

TEP 활동 개발

활동 구성. TEP 활동의 기본은 실험기구 생김새에 초점을 맞추어 사용법과 주의사항을 학습하는 것이다. 이러한 큰 틀에서 실험기구를 실제로 다루어 보는 단계가 포함되면 좋겠다는 예비적용 교사의 의견을 반영하여 지식적 이해와 사용 능력 체득이 이루어질 수 있는 구성으로 수정하였다. 이는 올바른 기구 사용법을 익히고 이를 실제로 사용해보는 경험이 중요하며,34 보기만 하는 것은 기능 신장에 도움이 되지 않는다,15 기구 조작 경험이 있으면 기구조작에 대한 자신감이 생긴다38는 선행연구들과 같은 맥락으로 실험기구에 대한 지식적 이해를 바탕으로 실제로 사용해보는 활동을 통해 실험에 대한 자신감을 습득하고 사용 능력은 향상될 것이라고 기대한 것이다. 또한 대다수의 학생들이 궁금증을 가졌던 실험기구의 유래나 역사 부분을 스토리텔링으로 엮어 도입 단계에 추가하여 실험기구에 대한 흥미를 유발할 수 있도록 하였다.

이렇게 최종적으로 개발된 실험기구 학습 활동의 이름은 TEP 활동으로 Trigger interest(흥미 유발)-Explore experimental apparatus(실험기구 탐색)-Practice experimental apparatus(실천적 사용) 3단계이다. 일반적인 1차시 수업(40분)을 통해 1가지 실험기구를 심층적으로 학습할 수 있도록 구성하였다(Table 3). T단계에서 실험기구의 유래나 관련된 일화를 통해 흥미를 유발하고, E단계에서 실험기구 활동지(Fig. 1)를 활용하여 관점을 가지고 자유롭게 탐구한다. 먼저 1인 1기구를 배부하여 개인별로 실험기구를 자유롭게 살펴보고 그 후 활동지를 활용하여 관찰 관점을 가지고 사용법 및 주의사항에 대해 학습한다. 마지막으로 P단계에서 실험기구를 직접 사용해본다. 이 과정을 통해 단순히 실험기구에 대한 지식 습득으로 끝나는 것이 아니라 실제로 사용해봄으로써 사용 능력 또한 향상될 수 있도록 돕는 것이다.

Table3.

Class steps of the TEP activity

Step Time Contents
Trigger interest 3’ Storytelling (history / origin / episode )
Explore experimental apparatus 10’ Explore freely focused on appearance and use worksheet to know about experimental apparatus
10’ Explore with teacher
Practice experimental apparatus 15’ Practical use : try it yourself in a simple mission activity
2’ Free question time : impression and what I want to know more
Figure1.

Worksheet of activity.

jkcs-64-379-f001.tif

활동지 구성. 실험기구의 생김새에는 그렇게 만들어진 이유가 있으며 그에 따른 사용법과 주의사항이 존재한다. 이에 실험기구를 관찰할 때 생김새에 초점을 두어 살펴보도록 활동지를 구성하였다. 예비적용을 통해 의미 전달에 혼동을 줄 수 있는 질문의 수정, 오개념 형성의 우려가 있는 질문 삭제, 반복적인 쓰기를 일으키는 불필요한 질문삭제 등 내용적인 측면을 수정하였으며 전반적으로 질문의 수 감소, 문장의 명료화를 통해 학생들이 활동지를 채워야 한다는 부담감을 줄여 실험기구 관찰 활동에 집중할 수 있도록 하였다. 최종적으로 완성된 활동지는 실험기구의 사진과 함께 개별 실험기구의 특징이 반영된 질문과 명칭, 용도, 사용법, 주의사항에 대해 생각해보는 질문으로 구성되어 있다(Fig. 1). 용도, 사용법, 주의사항을 단계적으로 살펴보면 학습에 도움이 되기 때문에 해당 질문들을 순차적으로 제시하였다.28,29

TEP 활동 적용 결과

지식적 이해. 설문을 활동 사전과 사후에 실시하여 TEP 활동이 실험기구의 지식적 이해에 미친 효과를 살펴보았다(Fig. 2).

Figure2.

Example of pre-post survey paper.

jkcs-64-379-f002.tif

(1) 명칭

TEP 활동 후 학생들의 명칭에 대한 이해도가 100%에 도달하였다. 특히 전자저울의 정확한 명칭을 전혀 모르던 학생들이 전자저울의 명칭을 정확하게 알게 되었다(Table 4). 비커나 약숟가락, 유리막대의 경우 알고 있는 비율이 사전에도 높았는데, 과학 교과서에 자주 등장하는 실험기구이며 요즘 학생들이 즐겨보는 과학 관련 유튜브 크리에이터의 영상 속에서 자주 접할 수 있어 이러한 결과를 보인 것으로 여겨진다. 전자저울은 생활 속에서 쉽게 접하는 저울인 체중계와 혼동하는 응답이 많았으나 학습 후 과학적 실험 도구로써 작은 양의 무게를 정밀하게 측정하는 도구로 인식하게 되었다.

Table4.

Pre-post questionnaire result analysis (Name)

Name Beaker Electronic scale Spatula Glass rod
Degree of understanding (%) 90 → 100 0 → 100 80 → 100 100 → 100

(2) 용도

학생들은 실험기구의 용도에 대해 잘못 알고 있거나(비커, 약숟가락), 생활 속 쓰임새에 비추어 용도(전자저울, 유리막대)를 짐작하고 있었다(Table 5). 비커를 측정 도구로 인식하고 있는 학생들이 많았는데 비커에 눈금이 표시되어 있어 측정 도구라 생각하거나 편의상 눈금실린더 대신 비커를 이용하여 양을 측정하는 경우를 종종 보았기 때문이라 생각된다. 약숟가락의 경우 용해할 때 사용하는 기구로 알고 있는 학생들이 많았으며 이는 약숟가락과 비슷한 숟가락의 생활 속 쓰임새에서 추측한 것으로 보인다.

Table5.

Pre-post questionnaire result analysis (Purpose)

Purpose Degree of understanding
Beaker · When storing objects : increase 40% to 77.7%
· When measuring : decrease 45% to 5%
Electronic scale · When measuring the weight : increase 50% to 100%
· Some students knew that electronic scale use for especially measuring the ‘small’ things
Spatula · When loading off : increase 50% to 94.4%
· When stirring and mixing : decrease 20% to 0%
Glass rod · When stirring and mixing : increase 90% to 94.4%
· Some students knew the other use that when we use glass rod for moving the liquid to another place

이러한 오개념들은 학습을 통해 수정되었으며 정확한 용도에 대한 이해도가 높아졌다. 생활 속 도구와의 차이점을 인지하게 된 점(약숟가락; 숟가락, 전자저울; 체중계)과 다양한 도구의 쓰임새(유리막대; 액체를 옮길 때)에 대해 알게 되는 등 용도에 대한 정확하고 다양한 이해를 할 수 있게 되었다.

(3) 사용법

TEP 활동을 하기 전에는 학생들의 실험기구 사용법에 대한 이해가 전반적으로 부족했다(Table 6). 사용법에 있어 절차가 있는 전자저울을 ‘물체를 올린다’와 같이 단편적으로 알고 있거나 전혀 서술하지 못하는 학생들도 있었다. 실험기구의 절차적 사용법에 대한 교육과 관련 자료가 부족하여 이러한 결과가 나타난 것으로 보인다. 실제로 교과서에는 학기별 사용되는 실험기구의 명칭과 사진만이 제시되어 있을 뿐 사용법에 대한 설명이 없으며31,32 이로 인해 교사들은 정확한 지도를 위해 실험기구 사용법이 보다 상세하게 제시된 교사용 지도서를 필요로 하고 있었다.19

Table6.

Pre-post questionnaire result analysis (Directions for use)

Directions for use Degree of understanding
Pre Post
Beaker · No one describe about directions for use · Students understand contextual usage like pouring (83.3%) and moving (50%)
Electronic scale · Most students just know about simple fact like ‘lift up the object’ and some students don’t know anything · Students understand procedural usage like ‘① level matching ②turn on ③ zeroing out ④ measuring’
Spatula · Most students describe purpose not directions for use · Students can pre-determine and use which part to use (big or small) by the given amount
Glass rod · Students understand about contextual usage like stirring (55.5%) and moving (11.2%)

학생들은 활동을 통해 절차적 사용법(전자저울, 약숟가락)이나 다양한 상황에서의 적절한 사용법(비커; 이동할 때·부을 때, 유리막대; 저을 때·액체를 옮길 때)에 대해 명확히 인지하게 되었으며 나아가 실제 실험에서 적극적으로 활용할 수 있게 되었다.

(4) 주의사항

주의사항의 경우 안전사고와 직결되는 부분이지만 ‘유리로 된 기구이기 때문에 조심히 다루어야 한다’와 같이 단편적이면서 기본적인 부분만을 알고 있었다(Table 7). 또한, 다른 교과 수업에서도 교사가 일반적으로 지도하는 장난이나 위험한 행동과 관련된 주의사항만을 인지하고 있는 학생들도 많았다.

Table7.

Pre-post questionnaire result analysis (Precaution)

Precaution Degree of understanding
Pre Post
Beaker · Students know basic precautions when handling glass instruments like ‘be careful not to broke’ (90%)
  • · Many students (55.5%) know a characteristic precautions such as beaker has white marker which indicate 2 things (1. memo function 2. hard mark that can be boiled)

  • · Some students (11.1%) correct their misconception(beaker use for measuring) and emphasize it

Electronic scale · Students know basic precautions when handling electronic device like ‘don’t drop it and be careful not to broke’
  • · Many students (77.7%) understand right precautions that reflected the characteristics of the electronic scale; Electronic scale use for the small stuff, so don’t lift too heavy things on it

Spatula · Students know simple precautions that not related to the experiment like ‘Don’t play with it, Don’t poke your friend’s eyes.’
  • · Some students (50%) understand that use only one for one substance

  • · Increase number of students (38.8%) who emphasize the need to pay attention to misconceptions

Glass rod
  • · Become aware of precautions regarding safety that reflected the characteristics of glass rod only; Don’t use sharp edges

TEP 활동 후 개별 실험기구의 특징이 반영된 상황별 적합한 주의사항을 인지할 수 있게 되었다. 예를 들어 ‘전자저울은 작은 물체의 무게를 측정하는 전자기기이기 때문에 측정 범위를 벗어나는 무거운 물체를 올리게 되면 고장 나기 쉬워 조심해야 한다, 비커는 측정 도구가 아니므로 액체의 부피를 측정할 때에는 사용하지 않는다, 유리 막대를 이용하여 용해할 때에는 옆면이나 바닥에 닿지 않도록 젓는다’와 같이 주어진 상황을 정확히 인지하고 적용하는 모습을 보였다.

또한 학생들은 안전사고에 대한 경각심을 높이고 정확한 실험을 위한 방법에 더욱 관심을 가지게 되었다. 이는 안전사고 방지를 위해 실험기구 사용법에 대한 인식이 필요하다는 연구 결과6와 일치하는 것으로 실험기구에 대한 지식 이해를 통해 능숙한 실험기구 조작이 가능해지고 안전사고에 대한 인식 또한 높아져 사고 발생률이 낮아질 것이라 기대된다.

실험기구 사용 능력

실험기구 사용 능력에 대한 TEP 활동의 효과를 알아보기 위해 학생들의 실제 실험 활동을 직접 관찰하였다. 자연스러운 상황에서 사용 능력에 미친 영향을 확인하기 위해 특정한 평가를 별도로 실시하지 않았다. 시간을 할애하여 평가를 진행한다면 학생들에게 ‘시험’이라는 인식을 주어 인위적인 행동을 보여줄 것이라 예상하였기 때문이었다. TEP 활동의 목적은 일상적인 과학 수업에서 학생들의 실험기구에 대한 인식과 사용 능력에 대한 긍정적 변화를 목표로 하기 때문에 평소 과학 수업에서 나타나는 학생들의 모습을 교사가 관찰하는 것으로 그 효과를 분석하였다. 4가지 실험기구 중 사용 절차가 가장 복잡한 전자저울을 활용한 활동과 4가지 실험기구를 모두 사용하는 활동을 선정하여 관찰하였다.

(상황1: 전자저울을 이용하여 학용품의 무게를 측정하는 탐구활동)

교사: 전자저울을 사용하여 모둠에서 가장 무거운 학용품을 찾아봅시다. 지난번 전자저울에 대해 공부한 것을 떠올리면서 실험을 시작해봅시다.

학생A: 먼저 평평한 곳에 올려놓고 빨간 원 안에 공기 방울이 오도록 해야 해!

학생B: (수준기를 이용하여 수평 맞춘다.) 수평은 맞춰진 것같아. 전원을 키고 영점을 맞추자.

학생A: (전원 버튼을 누르고 잠시 기다린 뒤 영점 버튼을 누른다.) 자 이제 너부터 무게를 재봐~

학생들은 전자저울의 특징인 수준기의 기능과 목적에 대해 잘 이해하고 있었으며 이를 실제로 잘 활용하는 모습을 보여주었다. 또한 영점 개념을 바르게 이해하고 전자저울을 사용할 때마다 주의를 기울이고 있었다. 다른 실험기구에 비해 사용법에 있어 절차가 있는 전자저울이었지만 TEP 활동을 통해 지식적 이해를 학습하고 여러 번의 반복 실험 활동으로 자연스럽게 사용법을 체득하였다. 이러한 결과로 미루어보아 복잡한 절차의 실험기구라도 정확한 지식적 이해와 더불어 지속적인 사용이 이루어진다면 올바른 사용 능력을 형성할 수 있을 것이라 예상 된다.

2015 개정교육과정 초등 과학 3학년 교과서 속 실험들은 단순 관찰 위주의 활동이 많아 2가지 이상의 실험기구를 활용하는 활동이 드물다. 이에 학습한 실험기구 4가지를 모두 사용하는 모습을 관찰하기 위해 교과서에 제시된 실험 이외의 활동을 준비하였다. 이 실험은 모래와 소금물이 섞인 혼합물을 분리해보는 활동으로 TEP 활동에서 학습한 비커, 전자저울, 유리막대, 약숟가락을 모두 사용할 수 있도록 구성하였다.

(상황2: 소금과 모래가 섞인 고체 혼합물을 물에 녹이고 분리하는 탐구 활동)

학생C: (실험대에 올려진 페트병에 담긴 물을 비커에 옮겨 담는데 비커를 기울이지 않은 채 담는다.)

학생D: 야! 선생님이 비커에 물을 옮겨 담을 때는 비커를 기울여야 한다고 했잖아!

학생C: >아 맞다! (비커를 기울여서 물을 옮겨 담는다.) 약숟가락으로 비커에 (소금과 모래 혼합물) 넣자. 그리고 니가 유리막대로 저어서 녹여!

학생E: 깔때기에 녹인 거 넣을 때 유리막대 이용해야 되는거 아니야?

학생F: 맞아, 유리막대를 이용하면 덜 흘릴 수 있다고 했었어. (유리막대를 이용하여 비커의 용액을 깔때기에 넣는다.)

앞선 활동에 비해 실험기구의 수가 늘어나자 습관적으로 편하게 사용하려는 모습을 보이기도 했다. 하지만 협력 학습이 이루어지는 상황으로 다른 친구들의 피드백을 통해 자신의 행동을 돌아보고 수정하는 모습을 보여주었다. 처음부터 완벽하게 사용하는 학생들의 수는 적었으나 지속적인 학습과 실제 활용의 기회가 늘어나면 점차 개선되는 것으로 보아 실험기구 교육은 일회성 학습으로 끝나는 것이 아닌 꾸준하고 반복적으로 실시되어야 한다.

실제 상황에서의 모습을 살펴보며 실험기구 학습에 있어 중요한 것은 정확한 지식적 이해를 바탕으로 반복적으로 사용해보며 사용 능력을 체득하는 것임을 확인했다.

결론 및 제언

본 연구에서 초등학생을 위한 실험기구 학습 활동을 개발하고 적용하여 학생들의 실험기구에 대한 지식적 이해와 사용 능력 향상에 도움이 되는지 알아보았다. D광역시에 소재한 초등학교 3학년 학생 20명을 대상으로 이루어진 연구 결과는 다음과 같다.

첫째, ADDIE 모형을 활용하여 초등학생을 위한 실험기구 학습 활동을 TEP(Trigger interest-Explore experimental apparatus-Practice experimental apparatus) 3단계로 개발하였다. T단계에서 실험기구의 학습에 대한 흥미를 이끌어낼 수 있도록 유래와 역사에 대한 간단한 스토리텔링으로 시작한다. E단계에서는 실험기구를 자유롭게 관찰한 뒤 활동지의 질문을 이용하여 관찰 관점을 가지고 사고하며 실험기구에 대한 지식적 이해를 습득하도록 한다. 마지막 P단계는 학습한 내용을 바탕으로 간단한 실험을 통해 실험기구를 실제로 사용해보며 사용 능력 습득이 이루어지도록 한다. 이 3단계는 예비적용 단계에서 많은 학생들이 관심을 가졌던 실험기구의 유래와 역사에 대한 내용을 포함한 것이며 지식적 이해와 함께 실제 상황에서의 사용을 강조한 선행연구의 결과를 반영한 것이다. 더불어 안전 교육에 대한 중요성이 커지고 있는 최근 교육 흐름에 맞추어 실험을 안전하게 수행하기 위한 실험기구별 특징적인 사용법 및 주의사항에 초점을 맞췄다. 또한 실험기구를 충분히 만져보는 기회를 제공하여 학생들의 실험기구에 대한 호기심으로 인한 안전사고 발생을 줄이는 효과를 도모하였다.12

둘째, TEP 활동 후 학생들의 실험기구에 대한 지식적 이해가 향상되었다. 명칭에 대한 이해는 100%를 이루었고, 많은 학생들이 설명하지 못했던 사용법을 절차적으로 설명하는 학생 수가 증가하였다. 또한 ‘유리가 깨지지 않도록 조심한다, ‘장난을 치지 않는다’와 같은 단편적인 주의사항에서 벗어나 개별 실험기구의 특징을 반영한 주의사항을 설명할 수 있게 되었다. TEP 활동의 기본은 생김새에 초점을 두어 사용법과 주의사항을 이해하는 것이다. 실험기구의 생김새에는 그렇게 생긴 이유가 있다. 그러므로 각 실험기구의 특징적인 생김새에 초점을 맞추어 명칭, 용도, 사용법, 주의사항에 대한 학습이 유기적으로 이루어질 수 있도록 하여 실험기구를 암기하는 것이 아닌 보면서 그 특징을 자연스럽게 떠올릴 수 있도록 하였다.

셋째, 실제 실험 상황에서 학생들이 학습한 내용을 적극적으로 사용하려는 모습을 확인하였다. 처음부터 완벽하게 실험기구를 다루는 학생들의 수는 적었으나 지속적인 학습과 실제 활용의 기회가 늘어날수록 의식적으로 바르게 사용하는 모습을 보여주었으며 나아가 자연스럽게 조작하는 모습을 보여주기도 하였다.

교육과정에서는 실험기구에 대한 교육을 별도의 차시를 배당하지 않고 교사의 재량에 맡기고 있으며, 현장에서는 실험기구에 관한 교육 자료가 미비하여 교육이 제대로 이루어지기 어려웠다. 이는 학생들의 탐구 활동에 직접적인 영향을 미쳐 실험기구에 대한 지식적 이해 및 사용 능력이 탐구 활동이 필요로 하는 수준에 미치지 못하게 되었다. 이와 관련하여 교사들은 실험기구 사용 기준안과 그와 관련된 내용의 영상물, 실험기구 사용법이 보완된 교사용 지도서, 실험기구 조작법과 관련된 핸드북 등을 필요로 하였다.19 이에 TEP 활동을 간단한 질문으로 구성된 활동지를 활용하여 명칭, 용도, 사용법, 주의사항에 대해 단계적으로 학습하도록 구성하였으며 학생용 뿐만 아니라 각 질문에 대한 자세한 설명이 기재된 교사용 활동지를 함께 개발하여 학생들을 지도하는 교사에게도 도움이 되도록 하였다.

본 연구에서 개발된 TEP 활동은 실험기구에 대한 지식적 이해와 사용 능력의 향상을 도모하여 교사와 학생들로 하여금 실험에 대한 부담감을 줄이고 보다 정확하고 안전한 실험 수업이 활발히 이루어질 수 있도록 돕는 측면에서 개발되었다. 이를 위해 단원을 시작 하기 전 TEP 활동을 활용하여 해당 단원의 필수 실험기구를 학습한다면 더욱 효과적일 것이라 기대되지만 TEP 활동 투입 시기는 개별 학급 상황에 맞추어 교사가 결정할 수 있으며, 여러번 같은 활동을 반복하여 진행할 수도 있다. 예를 들어 전자저울에 대한 활동을 이전에 실시하였지만 학생들의 전반적인 이해 정도와 사용 능력이 낮다고 판단될 경우 한번 더 실시할 수 있다. 또한 교사가 학생들이 반드시 숙지하길 바라는 실험기구들을 선정하여 학년 초 기초 학습으로 활용할 수도 있다.

이 연구의 결과를 통해 과학을 처음으로 학습하게 되는 초등학교에서 실험기구에 대한 기초적인 교육이 체계적으로 이루어져야 함을 확인하였으며 이를 위한 구체적인 학습 자료에 대해 더욱 많은 연구가 이루어져야 함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 4가지의 실험기구만을 적용하였지만 초등학교 교육과정에 나오는 모든 실험기구에 대해 예비교사와 현직 교사들의 이해와 교수법, 교육 자료개발에 대한 연구 또한 이루어질 필요가 있다.

Notes

[1] 한 차시 수업에 제시된 탐구 활동 1개를 기준으로 하였으며, 교과서에 준비물로 제시된 실험기구만을 기준으로 측정하였다.

Acknowledgements

Publication cost of this paper was supported by the Korean Chemical Society.

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