탐구적 과학 글쓰기(SWH)를 적용한 고등학교 과제연구의 효과

본 연구는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 개발하여 전남 소재의 인문계 고등학교 과학중점과정 2학년 학생 73명을 대상으로 적용하였다. 탐구적 과학 글쓰기 적용 과제연구 투입 전 진로 및 관심 분야가 비슷한 학생들이 2~5인 1조로 하여 물리, 화학, 생명과학, 수학 분야로 나누어 총 18개의 모둠을 구성하였다. 연구 대상자는 2017년 3월 6일부터 11월 27일까지 총 31주 52시간에 걸쳐 탐구적 과학 글쓰기 적용 과제연구 프로그램을 수행하였다.

본 연구에서는 과학 탐구 능력 검사지, 과학에 대한 태도 검사지, 그리고 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제 연구 수업에 대한 인식 검사지를 이용하였다. 과학 탐구 능력 검사지는 신예진, 우애자의 연구에서 이용한 검사지를 사용하였으며,¹⁶ 이는 김병관¹⁷이 번역한 TIPS II (Test of Integrated Process Skills II)¹⁸의 5가지 하위 영역(가설 설정, 변인 찾기, 조작적 정의, 실험 설계, 그래프화 및 데이터 해석) 36문항과 권재술과 김범기가 개발한 과학 탐구 능력 검사지(TSPS, Test of Science Process Skills)의 3가지 하위 영역(예상, 추리, 일반화) 9문항을¹⁹ 선택하여 총 45문항으로 구성된다. 이 연구에서 이용한 검사지의 하위 영역은 ‘기초 탐구 능력(예상, 추리)’과 ‘통합 탐구 능력(가설 설정, 변인 찾기, 조작적 정의, 실험 설계, 그래프화 및 데이터 해석, 일반화)’으로 구성된다. 사전·사후 모두 동일한 검사지를 사용하였으며, 검사지의 학생 응답 중 정답은 1점, 오답 및 무응답은 0점으로 처리하여 채점하였다.¹⁶ 분석은 각 하위 영역별 문항 점수의 합계를 구한 뒤, 사전 사후 검사의 항목별 점수를 SPSS 통계 프로그램의 대응표본 t 검정을 이용하여 분석하였다.

과학에 대한 태도 검사지는 TOSRA(Test of Science-Related Attitudes)를 이용하였다.²⁰ TOSRA의 7가지 하위 영역은 각 10문항 씩 70문항인데, 각 영역별로 5문항씩 추출하여 35개의 문항으로 구성한 사전, 사후 검사지를 달리 구성하여 사용하였다.²¹ 실제 분석은 TOSRA의 7가지 하위 영역 중 신뢰도가 확보된(Cronbach’s α>0.6) 과학 탐구에 대한 태도(attitude to scientific inquiry), 과학에 대한 취미로서의 관심(leisure interest in science), 과학 수업의 즐거움(enjoyment of science lessons), 과학 직업에 대한 관심(career interest in science)의 4가지 하위 영역을 대상으로 분석하였다. 신뢰도를 고려하여 사전 검사에서 과학 탐구에 대한 태도 영역만 4개의 문항을 분석하고, 그 이외의 영역은 사전·사후 모두 각각 5개 문항으로 구성하여 사전 19문항, 사후 20문항을 분석하였다.

과학에 대해 긍정적인 태도와 관련된 문항의 경우 매우 찬성 5점, 찬성 4점, 보통 3점, 반대 2점, 매우 반대 1점으로 채점하고, 과학에 대해 부정적인 태도와 관련된 문항의 경우는 이와 반대로 채점하였다.²¹ 과학 태도 검사 결과는 각 항목별 평균과 전체 평균을 구하고 SPSS 통계 프로그램의 대응표본 t 검정을 이용하여 분석하였다. 과학에 대한 태도 검사 후 학생들에게 나타난 반응의 원인을 알아보기 위해 검사 점수 향상이 큰 학생들 중 희망자를 대상으로 면담을 실시하였다. 면담은 각 항목별로 점수가 향상된 이유를 과제연구 수업에서 경험한 내용을 중심으로 응답하도록 요구하였다.

탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구에 대한 학생들의 인식을 조사하기 위해 수업에 대한 인식 검사지를 제작하였다. 검사 내용은 과학과 교육과정에서 추구하는 지식, 탐구, 태도와 관련된 내용 8문항, 수업에 대한 전반적 인식에 관한 3문항으로 하여 총 11개 문항으로 구성하였다. 9개 문항은 5점 척도(매우 그러하면 5점, 그러하면 4점, 보통이면 3점, 그렇지 않으면 2점, 매우 그렇지 않으면 1점)로 구성하여 학생들이 응답하도록 하면서, 그렇게 생각한 이유를 함께 서술하도록 하였다. 그리고 2개 문항은 수업에 참여하면서 좋았던 점과 어려웠던 점과 그 이유를 서술하도록 하였다. 과제연구 수업에 대한 인식검사 진술 내용이 부족하여 이해하기 어려운 경우는 추가 면담을 실시하여 정보를 더 요구하기도 하였다. 그리고 각 질문별로 학생 응답 내용을 바탕으로 응답을 유형화하고 그 빈도를 조사하였으며, 인식 검사 점수가 높은 학생들 중 희망자를 대상으로 면담을 실시하였다. 면담은 각 질문별로 점수가 높은 이유를 과제연구 수업에서 경험한 내용을 중심으로 응답하도록 요구하였다.

과학 탐구 능력 및 과학에 대한 태도는 프로그램 적용 전 3월에 사전 검사를 실시하였고, 프로그램 종료 후 10월에 과학 탐구 능력 및 과학에 대한 태도의 사후 검사와 함께 프로그램에 대한 인식 검사를 실시하였다.

탐구적 과학 글쓰기 적용 과제연구 프로그램은 1주당 2차시씩 총 31주에 걸쳐 실시하고, 문제 인식부터 결론 도출에 이르기까지의 전 과정에 탐구적 과학 글쓰기를 적용하고 보고서 작성 및 발표 후 사후 검사를 실시하였다.

연구 대상의 학생을 연구 주제에 따라 2~5인 1조로 모둠을 조직한 뒤, 학생들에게 탐구적 과학 글쓰기의 각 단계에서 요구되는 활동에 대한 상세한 안내를 하였다. 각 모둠의 활동은 주제 선정에서부터 연구 계획 수립, 연구수행, 결론 도출에 이르기까지의 전 과정을 학생이 주도하여 수행하도록 하였고, 의문 만들기, 실험, 관찰, 주장과 증거, 읽기, 반성의 6단계의 탐구적 과학 글쓰기 활동이 이루어지도록 하였다. 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제 연구 프로그램의 과정을 Table 3에 나타내었다.

글쓰기 활동지는 Keys et al.⁴의 연구 결과를 이용하여 재구성한 학생 사고 템플릿을¹¹ 이용하였으며, 본 연구에서는 모둠별로 연구 주제가 다르므로 ‘다른 모둠과의 비교’에 대한 내용을 삭제하여 재구성하였다.

첫째, ‘의문 만들기’ 단계에서는 개별 활동으로 선행 연구 자료를 읽고 제기할 수 있는 물음에는 어떤 것들이 있으며, 자신이 해결해야할 문제가 무엇인지 생각해보는 의문 만들기 활동, 문제를 해결하기 위한 실험 방법을 제시해보는 제안 활동, 자신이 제안한 방법으로 실험을 할 경우 어떤 결과를 얻을 수 있을지 생각해보는 예상 활동, 실험 결과를 통해서 얻을 수 있는 결론은 무엇인지 생각해보는 결론 활동, 과학적 원리를 이용하여 결론을 내릴 수 있는 이유를 설명해보는 추리 활동, 그리고 모둠별 활동으로 자신의 생각과 모둠원의 생각을 비교해 보고 모둠의 생각을 종합해보는 토의 활동의 6단계의 세부 활동을 수행하였다.

둘째, ‘실험 설계’ 단계에서는 모둠이 종합한 생각을 바탕으로 문제를 해결하기 위해 모둠원들이 실제로 수행할 실험 방법을 구체적으로 제시해보는 실험 설계 활동을 하였다.

셋째, ‘관찰’ 단계에서는 모둠이 선택한 방법으로 실제 실험을 수행하고, 실험 과정 중 관찰할 수 있었던 결과를 구체적으로 정리하고 얻은 자료를 분석 및 해석해보는 활동을 하였다.

넷째, ‘주장과 증거’ 단계에서는 실험 결과를 통해 모둠이 얻을 수 있는 결론은 무엇이며, 모둠원들이 그러한 결론을 내릴 수 있는 이유를 과학적 원리를 이용해서 설명해보는 활동을 하였다.

다섯째, ‘읽기’ 단계에서는 참고 자료를 바탕으로 모둠의 주장을 지지해 줄 이론적 원리를 찾고, 이를 바탕으로 주장과 증거를 정교화 해보는 활동을 하였다.

여섯째, ‘반성’ 단계에서는 실험 후 생각의 변화 유무, 새로운 의문, 실험 오차 분석, 과학 개념과의 연관성, 실생활과의 관련성에 대해 생각해보는 활동을 하였다.

교수자는 과제연구를 진행할 때 의문 만들기, 실험, 관찰, 주장과 증거, 읽기, 반성의 6단계로 구성된 탐구적 과학 글쓰기 활동지를 주기적으로 점검하였다. 탐구적 과학 글쓰기 적용 과제연구 활동의 반성 단계까지의 모든 활동을 마친 후 모둠별로 활동 결과를 보고서와 포스터의 형태로 작성하여 제출하도록 하였고, 교내 과제연구 발표대회 및 수업 시간 발표 활동을 통해 동료 평가 및 피드백이 이루어지도록 진행하였다.

탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 과학 탐구 능력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 프로그램 투입 전과 후에 실시한 검사에 대한 대응표본 t-검정 결과를 Table 4에 나타내었다.

과학 탐구 능력 전체 평균이 사전 검사 34.836점, 사후 검사 39.836점으로 사후 검사에서 더 높았고 통계적으로 유의미하였다(p<.00). 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 과학 탐구 능력 신장에 효과가 있었다고 볼 수 있다.

초등학생 대상의 탐구 활동과^22,23 고등학생 대상의 탐구 활동에서¹² 과제 연구는 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 선행 연구와 같이 고등학생 대상으로 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제 연구에서도 학생들의 과학 탐구 능력 향상에 긍정적인 영향을 주고 있었다.

기초 탐구 능력의 경우, 추리 영역은 평균이 사전 검사 2.425점, 사후 검사 2.671점으로 사후 검사에서 더 높았고 통계적으로 유의미하였다(p<.01). 예상 영역은 평균이 사전 검사 2.644점, 사후 검사 2.781점으로 점수는 향상되었으나 통계적으로 유의미하지 않았다. 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 기초 탐구 능력 중 추리 능력을 신장시키는데 효과가 있었다고 볼 수 있다. 이러한 결과는 초등학생을 대상으로 적용한 자유탐구 활동에서 기초 탐구 능력이 향상되었으며 특히 추리가 통계적으로 유의미하였다는 연구와²³ 고등학생을 대상으로 적용한 과제연구 프로그램에서 기초 탐구 능력 중 추리 영역에서 통계적으로 유의미한 차이가 있었다는 연구와¹² 일치하였다.

통합 탐구 능력의 경우, 가설 설정, 변인 찾기, 조작적 정의, 실험 설계, 그래프와 및 데이터 해석, 일반화 등 모든 하위 영역에서 사전 검사보다 사후 검사 평균 점수가 증가하였고 통계적으로 유의미하였다(p<.05). 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 통합 탐구 능력을 신장시키는데 효과가 있었다고 볼 수 있다. 이러한 결과는 초등학생을 대상으로 적용한 자유탐구 활동과¹³ 고등학생을 대상으로 적용한 과제연구 프로그램에서¹² 학생들의 통합 탐구 능력 대부분의 신장에 효과가 있었다는 선행 연구 결과와 유사하였다.

따라서 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동은 주제 선정부터 결론도출까지의 모든 과정을 학생이 주도하여 수행하며, 과학적 글쓰기를 기반으로 한 사고 과정이 학생들이 수행하는 과제 연구의 각 탐구 과정에 영향을 주어 과학 탐구 능력이 향상되었다고 판단된다.

탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 과학에 대한 태도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 프로그램 투입 전과 후에 실시한 검사에 대한 대응표본 t-검정 결과를 Table 5에 나타내었다.

과학에 대한 태도의 전체 평균이 사전 검사 3.621점, 사후 검사 3.823점으로 사후 검사에서 더 높았고 통계적으로 유의미하였다(p<.01). 이는 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 고등학생의 긍정적인 과학 태도 형성에 효과가 있었다고 볼 수 있다. 이는 자유탐구가 학생들의 일부 과학에 대한 태도에 통계적으로 유의미하다는 결과^12,25와 동일하다. 즉, 과제 연구가 고등학생의 과학에 대한 태도나 중학생의 과학에 대한 흥미 향상에 긍정적이라는 선행 연구와 유사한데, 선행 연구에 비해 과학 중점반 대상으로 수업 차시를 증가시키고 탐구적 과학 글쓰기까지 적용한 과제 연구는 학생들의 과학에 대한 태도 향상에 여전히 긍정적임을 알 수 있다. 선행 연구 일부와 본 연구만으로 탐구적 과학 글쓰기와 자유탐구를 연계한 프로그램이 학생들의 과학 관련 태도 향상에 효과 있다고 일반화하기는 어렵기 때문에 추후 다양한 방식으로 수업 환경을 바꾸면서 학생들의 과학 관련 태도에 관한 정보를 더 수집할 필요가 있다.

탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동이 과학에 대한 태도의 하위 요소에 미치는 영향을 알아보았다. 프로그램 처치 전후에 과학에 대한 취미로서의 관심, 과학 수업의 즐거움, 과학 직업에 대한 관심 영역은 사후 검사 결과가 사전 검사보다 평균 점수가 향상되었으며 통계적으로 유의미하였다(p<.05). 그러나 과학 탐구에 대한 태도는 사전 검사보다 사후 검사가 낮게 나왔지만 통계적으로 유의하지 않았다. 각 항목별로 학생과 면담을 실시하여 응답에 대한 구체적인 의견을 조사하였다.

다음은 과학 탐구에 대한 태도와 관련하여 학생들이 응답한 내용이다.

면담 결과, 과제연구를 진행하는 동안 학생들은 학교의 일반적인 실험 수업과 달리 예상과 다른 실험 결과, 오랜 기간에 걸친 실험 활동과 분석 등으로 인해 과제 연구와 같은 연구 활동이 어려워졌다고 응답하였다. 학생 응답과 같이 학생에게 어려움이 존재하지만 그 밖의 과학에 대한 태도의 향상이 있음 등을 부각시키거나 학생들이 겪는 어려움에서 포기하지 않도록 교사의 개입이 더 필요할 것임을 알 수 있다.

다음은 과학에 대한 취미로서의 관심과 관련하여 학생들이 응답한 내용이다.

면담 결과, 문제인식, 조사, 실험 등의 문제 해결 탐구 활동을 통해 과학 실험 자체에 대한 흥미와 취미로서의 관심 증가뿐만 아니라 탐구를 통한 문제 해결 과정에서 궁금한 것을 해결하고 싶은 마음을 갖게 되어 과학을 취미로서 인식하게 되었다고 응답하였다. 과학과 교육과정에서 궁극적으로 지향하는 목표가 지식, 탐구, 태도 등의 상호작용을 통해 일상생활이나 사회적 문제를 과학적으로 해결하려는 과학적 소양 함양^1,2임을 고려할 때 과제 연구 활동을 통해 학생들에게 긍정적인 영향을 주고 있음을 알 수 있다.

다음은 과학 수업에 대한 즐거움과 관련하여 학생들이 응답한 내용이다.

면담 결과, 학생들은 문제 발견 활동, 과학적 사고 과정, 실험, 조사 등의 활동을 통해 목표를 명확히 인지하는 경험과, 자료를 조사하고 직접적으로 연구를 수행하는 경험을 통해 원리를 이해하는 경험을 통해 과학 수업에 대한 즐거움이 향상된 것으로 응답하였다. 따라서 일반적인 과학 수업에서도 교사 주도의 과학 수업에서 탈피하여 학생이 직접 주도하고 연구 문제를 일관성 있게 해결하는 경험을 제공하여 과학 수업에 즐겁게 참여할 수 있도록 해야함을 알 수 있다.

다음은 과학 직업에 대한 관심과 관련하여 학생들이 응답한 내용이다.

면담 결과, 학생들은 활동을 통해 과학자의 연구 과정에 흥미를 가지게 되었고 과학 직업에 대한 인식이 바뀌었다고 응답하였다. 문제를 탐구적으로 해결하는 전통적인 과학 수업에 비해 복잡하고 어떤 학생들에게는 귀찮은 활동이라고 여겨질 수도 있다. 하지만 본인들이 문제를 해결하는 성공적 경험 등은 학생들에게 직업적 관심을 가지게 할 수 있으므로 일반 과학 수업에서도 학생들이 문제를 해결해보는 연구 과정을 경험할 수 있도록 기회를 제공하는 것이 필요함을 알 수 있다.

과학에 대한 태도에 대한 학생들의 면담 결과를 바탕으로 학생들의 수준, 흥미, 여건 등을 고려한 체계적이고 다양한 프로그램 개발을 통해 학생들의 자기 주도적 실험 활동에 대한 자신감과 참여도를 높여준다면 과학 수업 뿐만 아니라 과학 활동을 통한 여가 시간 활용과 향후 이공계 진로 설정에 있어서도 효과가 있을 것으로 판단된다.

탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 활동 후 설문조사를 바탕으로 프로그램에 대한 학생들의 인식을 조사한 결과를 Table 6에 나타내었다.

첫째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램이 새로운 개념 학습에 도움이 되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 4.25점이었고, 그렇게 응답한 이유로 과제 연구 프로그램이 ‘과학 개념 및 원리 이해’에 도움이 되었다는 응답 유형이 65.82%로 가장 많았다. 그 외의 응답 유형으로 ‘실험 기구 및 사용 방법의 이해(15.20%)’, ‘보고서 작성법의 이해(8.86%)’, ‘안전 수칙의 이해(5.06%)’ 순으로 답변이 많았다. 즉, 학생들은 과제연구를 통해 자신의 연구 주제와 관련된 과학 원리 및 이론에 대해 알게 되었을 뿐만 아니라 얕고 대충 알고 있던 개념들을 자료 조사 및 실험을 통해 확실하게 알게 되었다고 진술하였다. 또한 연구에 필요한 준비물을 직접 탐색해보면서 실험 도구의 종류 및 쓰임과 주의사항, 약품에 적혀 있는 기호와 관련 의미들을 익힐 수 있는 기회가 되었다고 응답 하였다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 연구 결과의 발표, 이론적 배경 조사, 실험, 동료 피드백 활동 등을 통해 개념이나 원리를 더 알게 되거나 심층적으로 아는데 도움이 되었음을 알 수 있었다.

둘째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 과학의 가치, 과학의 활용 등 과학에 대해 긍정적인 시각을 가지게 되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 3.96점이었고, 그런 시각을 가지게 된 주된 활동이 무엇인지에 대한 질문에 대하여, ‘과제연구의 전반적인 활동’ 관련 응답 유형이 54.79%로 가장 많았고, ‘자기 주도적 실험 설계 및 수행’ 응답 유형이 39.73%로 두 번째로 많았으며, 그 외에 ‘탐구 주제의 선정 과정(2.74%)’ 및 ‘탐구적 과학 글쓰기 활동(1.37%)’을 통해 과학에 대해 긍정적인 시각을 가지게 되었다고 응답하였다.

그리고 학생들이 과제 연구 활동을 통해 과학에 대하여 어떤 긍정적 인식을 하게 되었는지에 대한 질문에 대하여, 과학의 원리가 생각보다 우리 삶에 많이 융합되어 있으며 과학 원리의 적용을 통해 생활이 더욱 발전할 수 있다는 것을 알게 되었다고 진술하는 등 프로그램을 통해 ‘과학의 사회적 가치(49.33%)’에 대해 긍정적인 인식을 갖게 된 학생들이 많았다. 또한 자신이 직접 실험을 설계하고 연구함으로써 과학에 대한 거부감이 사라지거나 과제연구를 하면서 협력과 공유를 통해 더 나은 탐구를 할 수 있어 탐구활동을 좋아하게 되는 등 ‘과학 활동에 대한 즐거움을 인식(16.44%)’하게 된 학생들도 있었고, 사물이나 문제를 다방면에서 보게 되고, 물리, 화학, 생명과학, 지구과학 등의 다양한 분야를 융합하여 이해하는 것이 필요하다는 것을 느끼는 등 프로그램을 통해 ‘폭넓은 사고가 형성(15.07%)’되어 과학에 대해 긍정적인 시각을 가지게 되었다고 진술한 학생들도 있었다. 반면, 과제연구를 수행하기 위해 주제를 찾고 나면 이미 다른 사람이 해버린 주제라서 다시 찾아야 하는 어려움을 겪기도 하고, 과제연구를 수행하기에는 아직 알고 있는 지식이 충분하지 않아 이해하기 어려웠던 적이 많았으며, 처음에 시작할 때는 재미있었으나 하면 할수록 힘들어져서 프로그램을 통해 ‘과학에 대해 부정적인 시각이 형성(8.22%)’ 되었다는 의견도 있었다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 과제 연구의 실험 활동을 통해 평소에 궁금했던 것을 해결해보는 기회가 되었고 모둠별 협동을 통해 문제 해결이 더 쉬워졌다는 경험을 통해 과학에 대하여 기존에 가지던 고정 관념에서 벗어나 과학의 가치에 대하여 긍정적인 시각을 가지게 되었음을 알 수 있었다.

셋째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 새로운 문제를 논리적, 비판적, 창의적으로 해결하려는 태도를 가지게 되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 4.12점이었다. 그렇게 생각한 이유로 ‘실험 설계 및 수행 과정’을 통해 논리적, 비판적, 창의적 해결 태도를 갖게 되었다는 응답 유형이 50.00%로 가장 많았다. 즉, 연구를 진행하면서 모든 과정에 대해 왜 그럴까 의문을 갖고 이를 해결하기 위해 고민하는 과정이나 성분을 분석하고 자세히 관찰하는 과정, 설계한 대로 수행하는 과정에서 더 나은 방법으로 해결하기 위한 방법들을 생각하는 과정에서 논리적, 비판적, 창의적으로 해결하려는 태도를 가지게 되었다고 진술하였다. 또한 연구를 진행하면서 돌발적인 상황에 직면하거나 과정 중에 발생했던 실패의 원인을 찾고 해결할 방법을 모색하는 등 ‘실패의 원인을 분석’하는 과정에서 논리적, 비판적, 창의적 해결 태도를 갖게 되었다는 응답 유형이 23.68%로 두 번째로 많았으며, 그 외의 응답 유형으로 ‘탐구 주제의 선정(14.47%)’, ‘과학 개념 학습(6.58%)’, ‘탐구적 과학 글쓰기 활동(3.95%)’ 등이 있었다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 실험 설계 및 수행 과정에서 과제 연구의 활동 내용을 탐구적 과학 글쓰기에서 요구한 과정을 따라 꾸준히 정리하는 활동이 문제를 논리적이며 창의적으로 해결하는 태도를 갖게 하는데 도움이 되었음을 알 수 있었다.

넷째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 예상, 추리 등의 기초적 탐구 능력이 향상되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 3.96점 이었고, 그렇게 응답한 이유로, 직접 실험을 하면서 측정치의 변화를 관찰하고 경향을 추리하거나 실험을 하면서 실패 원인을 찾는 등 ‘실험을 직접 수행하는 과정(45.07%)’을 통해 향상되었다는 응답 유형이 가장 많았다. 그 외에 실험 설계 및 수행 과정 중 ‘실험 결과를 예측하는 과정(23.94%)’, ‘실험을 설계하는 과정(8.45%)’, ‘탐구적 과학 글쓰기 활동을 하는 과정(8.45%)’, ‘가설을 설정하는 과정(7.04%)’, ‘주제를 선정하는 과정(4.23%)’, ‘보고서를 작성하는 과정(2.82%)’을 통해 예상 및 추리 능력이 향상되었다는 응답유형이 있었다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 실험 설계 및 수행 과정 중 예상과 다르게 나타나는 결과의 원인을 구체적으로 생각해보고, 실험 성공을 위해 여러 변인을 바꾸어가며 실험 결과를 예상하는 과정에서 예상이나 추리 등의 기초 탐구 활동 경험을 많이 하였고, 이를 통해 예상과 추리 능력을 향상시키는데 도움이 되었음을 알 수 있었다.

다섯째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 주어진 상황을 해결할 연구 문제를 논리적으로 찾는 능력이 향상되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 3.93점이었다. 학생들은 주제와 탐구 과제를 해결하기 위한 방법을 탐색하거나 실험 후 더 보완할 점이나 더 탐구해보고 싶은 문제를 찾아보는 등 ‘문제 해결방법을 탐색하는 과정(38.36%)’과 실패의 원인을 분석하거나 문제에 부딪혔을 때 극복하는 방법을 찾는 ‘시행착오 극복(31.51%)’을 통해 문제를 논리적으로 찾는 능력이 향상되었다는 응답 유형이 많았다. 그 외에도 ‘탐구적 과학 글쓰기 활동(10.96%)’과 ‘보고서 및 탐구일지 작성(2.74%)’ 등의 응답 유형이 있었다. 반면, 부족한 시간으로 인해 논리적으로 찾기 보다는 주관적 느낌으로 해결하려는 경향이 강해지거나 전과 달라지지 않는 등 프로그램을 통해 문제를 논리적으로 찾는 능력이 향상되지 않았다는 응답(16.44%)도 있었다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 문제 해결 방법을 탐색하고 실패의 원인을 분석하여 시행착오를 극복하는 과정과 함께 이를 탐구적 과학 글쓰기 활동을 통해 논리적으로 정리하고 생각해보는 경험을 할 수 있었기 때문에 연구 문제를 논리적으로 찾는 능력이 향상되었음을 알 수 있었다.

여섯째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 주어진 상황을 해결하기 위한 탐구 과정을 설계하는 능력이 향상되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 4.10점이었다. 실험 방법이 잘못 되었거나 예상과는 다른 결과에 직면하였을 때 해결 방법을 찾아 실험을 재설계하는 경험과 같이 ‘시행착오를 극복하는 과정’을 통해 탐구 설계 능력이 향상되었다는 응답 유형이 54.79%로 가장 많았다. 이 외에도 ‘탐구 계획서를 작성하는 과정(21.92%)’과 ‘설계한 대로 실험을 수행하는 과정(12.33%)’을 통해 탐구 설계 능력이 향상되었다는 응답 유형이 있었다. 반면, 실험 설계를 해도 과정에 옳지 않은 부분이 많이 있어 자신에게 아쉬움을 가지고 있거나 설계를 직접 해보았지만 아직은 부족하다고 느끼는 등 탐구 과정 설계 능력이 향상되지 않았다는 응답(10.96%)도 있었다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 인식 검사에서 진술한 것과 동일하게 시행착오를 통한 실패의 경험이 이후 성공적 결과를 얻는데 도움이 많이 되었고, 이 과정에서 실험 설계 능력이 향상되었다고 응답하였다.

일곱째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 탐구한 결과를 표나 그래프 등을 이용하여 논리적으로 표현하는 능력이 향상되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 3.58점이었다. 클리어존의 크기를 재고 이를 표현하는 과정에서 표와 그래프를 직접 활용하여 효과적으로 표현해보는 경험처럼 ‘자료 변환 과정을 직접 수행하는 과정’을 통해 자료 변환 능력이 향상되었다고 생각하는 응답 유형이 45.24%로 가장 많았다. 그리고 표나 그래프를 보고서에 첨부한 경우 ‘보고서 작성’을 통해 능력이 향상되었다는 응답(13.10%), 수업 시간에 자료 변환의 유형이나 특징에 대해 학습했기 때문에 탐구결과를 논리적으로 표현하는 능력이 향상되었다는 응답(8.33%), 표와 그래프로 자료를 변환하는 것에 그치지 않고 이를 해석해봄으로써 향상되었다고 생각하는 응답 유형(4.76%)도 있었다. 반면, 실험 결과가 만족스럽지 않아 표나 그래프로 표현하지 못했거나 변화 수치가 너무 작아 그래프로 나타낼 필요성을 느끼지 못한 경우, 이론으로 배우긴 했으나 직접 해보지 않았거나 표와 그래프로 나타낼 실험이 아니었거나 표와 그래프로 표현했을 때 더 복잡함을 느꼈던 경우 프로그램을 통해 탐구 결과를 논리적으로 표현하는 능력이 향상되지 않았다고 응답하였다(28.57%).

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 학생들은 실험 결과를 직접 표와 그래프로 변환하여 나타내는 경험을 통해 표와 그래프를 이용하여 실험 결과를 표현하는 것이 논리적인 방법이라고 인식하고 있었고, 이 경험을 통해 결과를 논리적으로 표현하는 능력을 가질 수 있다고 생각하고 있었다.

여덟째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램을 통해 탐구보고서의 결론을 논리적으로 작성하는 능력이 향상되었는지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균 점수가 3.93점이었다. 그 이유로 ‘탐구일지 및 보고서의 직접 작성’을 통해 향상되었다는 응답 유형이 71.23%로 가장 많았고, 그 외에 ‘실험 수행(4.11%)’, ‘탐구적 과학 글쓰기 활동(2.74%)’, ‘토의 등의 상호작용(1.37%)’을 통해 향상되었다는 응답 유형이 있었다. 즉, 학생들은 자신들의 계획을 바탕으로 직접 실험을 해보았기 때문에 실험의 전반적인 과정과 결과를 알고 있어 보고서의 결론을 논리적으로 작성할 수 있었으며, 실험 후 혼자서 결론을 생각했을 때는 부족한 점이 있다고 느꼈으나 모둠원들과 토의를 거치고 나니 결론이 보다 타당해져서 토의를 통해 논리적으로 작성하는 능력이 향상될 수 있었다고 진술하였다. 반면, 자신들의 연구 수행에 대한 결론이 명확하지 않다고 느끼거나 결론 도출에 있어서 자신의 역할보다 팀원의 역할이 컸다고 느낀 경우 결론을 논리적으로 작성하는 능력이 향상되지 않았다고 응답하였다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담결과, 탐구 일지를 학생들의 생각을 논리적으로 단계를 거쳐 작성하게 만드는 탐구적 과학 글쓰기의 형식으로 작성하게 함으로써 결론 뿐만 아니라 보고서의 전반적인 내용을 논리적으로 작성하는데 도움이 되었음을 알 수 있었다.

아홉째, 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제연구 프로그램 수행 후 기회가 된다면 이와 동일한 프로그램에 참여하고 싶은지에 대해 5점 척도를 기준으로 평균점수가 3.95점이었고, 재참여를 희망하는 비율은 78.08%이었다. 참여 희망에 대한 가장 많은 이유는 지식이 부족한 상태에서 실험을 했거나 주제에 대한 불만, 계획의 구체성 부족 등 이번 연구에 대한 아쉬움이 커서 ‘부족한 점을 보완한 재도전(25.00%)’이었다. 그 다음으로는 궁금한 것을 직접 실험을 통해 알아가는 것이 즐겁고 실험하는 것이 흥미로우며, 연구를 하면서 끊임없이 궁금한 점이 생각나서 호기심을 가질 수 있어서 다시 참여하고 싶다는 ‘연구 활동의 즐거움(23.33%)’ 이었다. 그 다음은 프로그램을 통해 자기계발과 과학 관련 지적 능력, 논리적 사고력, 창의력, 탐구능력 등 자신의 ‘과학적 능력이 향상(20.00%)’ 되었기 때문이라는 응답 유형이 있었고, 그 외에 수업이 재미있었거나 이론 공부와 실험 활동의 적절한 조화가 이루어졌다고 느낀 ‘과제연구 수업의 즐거움(11.67%)’이 있었고, 모둠원과의 활동에 대해 아쉬움을 느낀 학생들의 경우 마음이 맞는 팀원, 협력을 잘하는 팀원, 참여도가 높은 팀원, 성실한 팀원과 같이 ‘의지 있는 모둠원들과 재도전(8.33%)’을 희망하기도 하였다. 또한, 진로가 비슷한 친구들과 함께 모둠을 이루어 ‘진로 연계 탐구(6.67%)’를 희망한 학생도 있었고, 연구를 통해 느낀 ‘성취감(5.00%)’을 다시 맛보기 위해 재참여를 희망한 학생도 있었다. 반면, 프로그램에 재참여를 희망하지 않은 학생들의 80%가 잦은 실패, 예상과는 다른 결과, 많은 시간 투자 등의 이유, 모둠원과의 마무리가 좋지 않거나 주제 선정이 어렵다는 이유를 제시하기도 하였다.

다음은 이 질문과 관련한 학생 면담 내용 중 일부이다.

면담 결과, 자신들이 생각했던 실험들을 1년 동안의 과제연구 활동을 통해 전부 해결하지 못했다는 아쉬움으로 재참여를 대부분 희망하였다. 과제연구 활동이 1년 동안의 활동으로 끝나기 보다는 그 이상의 장기적인 연구 활동으로 지속될 수 있도록 학년 연계, 동아리 연계, 향후 대학 연계의 활동으로 진행될 수 있도록 과제연구 프로그램 개발이 필요하다고 판단된다.

마지막으로 과제연구 수업을 진행하면서 가장 좋았던 점과 어려웠던 점에 대한 의견을 조사하였다. 가장 좋았던 점의 경우, 지루한 교과수업보다 자유로운 실험 활동을 할 수 있었거나 평소에 궁금한 점을 실험으로 수행해봄으로써 기억에 오래 남고 오감으로 결과를 확인하는 등 ‘직접 실험 수행(30.23%)’이 가장 많았다. 두 번째로 주제를 정하고 실험을 설계 및 수행하는 과정에서 누군가의 간섭이나 방해를 받지 않고 자신들이 스스로 해봄으로써 좀 더 알차게 접근해 볼 기회가 되었거나 자신들의 힘으로 하다 보니 탐구 능력이 보다 향상되는 등 ‘자기주도적 연구 활동(26.74%)’이 많았다. 그 다음으로 친구들과 함께 주제를 정하고 실험하는 과정, 토의를 통해 의견을 모으는 과정, 친구들과 함께 문제를 해결하는 과정 등 ‘모둠별 활동(17.44%)’과 실험기구, 과학·수학 지식 등 ‘연구를 통한 새로운 지식 습득(8.14%)’이 있었다. 그 외 ‘연구를 통한 과학적 능력 향상(5.81%)’, ‘과제연구를 통해 성취감 느낌(3.49%)’, ‘과학 자체가 좋기 때문에(3.49%)’, 실험 재료 및 장소 등 ‘과제연구를 위한 활동 지원(2.33%)’, ‘탐구적 과학 글쓰기 활동을 통한 실험 과정과 결과를 자신의 것으로 체계화시킬 수 있는 기회 제공(2.33%)‘ 등을 제시하였다.

이는 중학교 과학 동아리 학생들을 대상으로 자유탐구를 실시한 연구에서²⁷ 구체적으로 도움이 된 것은 ‘주제 선정부터 탐구의 전 과정을 스스로 진행한 점’, ‘새로운 과학 지식 습득’, ‘사고력 향상’, ‘모둠 활동의 경험’ 순으로 답변이 많았던 것과 고등학생을 대상으로 과제연구 프로그램을 실시한 연구¹²에서 가장 도움이 되었다고 생각하는 것이 ‘과학 탐구 방법의 향상’, ‘협동심 함양’, ‘과학에 대한 흥미 증가’ 순으로 답변이 많은 것과 결과가 유사하다. 즉, 학생들은 강의식 수업이나 일반적인 실험 수업을 통해서 경험해 볼 수 없었던 과정을 과제연구와 같은 자유탐구 활동을 통해 경험해 보았으며 스스로 큰 의미를 부여하는 것으로 판단되며, 이와 더불어 다른 질문 항목에서 지속적으로 제시되었던 탐구적 과학 글쓰기를 통해 탐구 활동을 자기 주도적으로 수행할 수 있도록 만든 논리적 접근의 효과도 학생들의 만족감에 영향을 주었을 것으로 판단된다.

가장 어려웠던 점은 몇 번을 시도해도 문제가 해결되지 않고 무엇이 잘못되었는지 알 수 없거나 예상과는 다른 상황이 발생하여 실험이 성공적으로 이루어지지 않는 등 ‘연구 과정 중 겪게 되는 시행착오(20.55%)’와 ‘주제 선정(16.44%)’이었다. 주제 선정의 경우 학생들은 지금까지 연구되지 않은 주제이거나 더 나은 새로운 방법으로 문제를 해결할 수 있는 주제 등 독창적인 주제를 생각해야만 한다는 것에 부담을 느끼고 있었다. 이번 프로그램에 참여한 학생들의 경우 1학년 때 발산적, 수렴적 사고기법을 바탕으로 주제 선정 과정을 약 6개월 동안 연습한 학생들이었음에도 불구하고 일부 학생들은 여전히 주제를 정하는 과정이 가장 어렵다고 생각하고 있었다. 그 외에 글을 잘 못쓰는데 수시로 탐구일지를 작성해야 하거나 실험을 토대로 얻은 많은 양의 자료를 체계를 갖춰 보고서로 작성하는 등 ‘탐구일지 및 보고서 작성(13.70%)’, 각자의 생각이 달라 팀원 간의 의견 차이를 좁히기 어려웠거나 협력이 부족하여 모두가 동등하게 역할을 수행하지 않았다고 느끼는 등의 ‘모둠별 활동 수행(10.96%)’ 등이 있었다. 이는 고등학생을 대상으로 과제연구 프로그램을 적용한 연구¹²에서 프로그램을 수행하면서 가장 어려웠던 점이 ‘주제 선정’, ‘계획과는 다른 실험결과’, ‘보고서 작성’, ‘협동하는 과정’ 순으로 나타난 결과와 유사하다. 특히 주제 선정의 경우, 중학생 과학 동아리를 대상으로 자유탐구를 적용한 연구와²⁷ 중학생의 자유탐구 보고서에 나타난 특징과 탐구 수행에 대한 학생들의 인식 연구에서도⁸ 주제 선정을 가장 어려운 단계로 인식하고 있어 학생들은 자기주도적인 자유탐구 활동을 할 때 학년에 상관없이 주제 선정에 어려움을 가장 많이 느끼고 있음을 알 수 있었다.

이 외에도 중학교 때까지 실험한 경험이 많지 않아 ‘실험 수행(9.59%)’이 어렵거나 실험을 설계할 때 변인 등 여러 가지 요소를 고려하여 방법을 생각해야 하고 설계가 잘못되면 실험 과정 중 어려움이 생길 수 있다는 부담감 때문에 ‘실험 설계(9.59%)’가 가장 어렵다고 진술한 학생도 있었다. 또한 연구를 수행할 때 지금까지 배웠던 지식 이외에 어려운 개념이 필요하고, 다른 팀의 발표를 들을 때 지식 수준이 깊지 않으면 이해할 수 없는 내용들이 많아 ‘연구를 위한 심화된 개념 이해가 필요(8.22%)’했던 점과 과제연구와 학교 공부를 동시에 하다 보니 할 일이 너무 많고 시간이 부족해 시험기간에도 과제연구를 해야 하는 상황이 생기는 등 ‘실험 시간이 부족(8.22%)’, ‘탐구적 과학 글쓰기를 작성(2.74%)’하거나 이전에 연구되지 않은 주제로 실험을 하다 보니 ‘연구를 위한 선행 자료가 부족(1.37%)’하여 구체적인 방향을 잡는 데 어려움을 제시하였다.

고등학교 2학년을 대상으로 1년 동안 진행한 탐구적 과학 글쓰기를 적용한 과제 연구 수업은 수업을 진행하는 교사 입장에서도 전통적 강의식 수업에 비해 부담이 크고, 학생 입장에서도 기존에 경험해보지 못한 자기 주도적 탐구 활동, 동료와의 협업 등의 활동이 부담으로 작용하지만, 학생들은 자신의 흥미와 관심에 맞게 연구를 자기 주도적으로 진행하고 직접 체험하는 탐구 활동을 통해 지식, 탐구, 태도 등에서 프로그램에 대한 만족도가 높음을 알 수 있었다. 또한 과제 연구 활동에 탐구적 과학 글쓰기를 적용함으로써 학생들이 방대한 양의 과정과 결과를 체계적으로 정리하는데 도움을 주어 지식, 탐구, 태도 측면에서의 향상에 효과적으로 도움이 되고 있음을 알 수 있었다.