탐구보고서에 기반한 화학교사의 과학 역량 평가 실태 분석

본 연구는 중부지역에 위치한 2개 대학에서 2020년 화학 1급 정교사 연수를 수강하는 교사를 대상으로 하였다. 화학교사들이 수업 활동과 연계한 평가에서 주로 활용하는 탐구보고서를 분석하여 연수에 참여한 화학교사들이 과학 수업 과정에서 평가하는 요소들을 분석하고자 하였다. 화학교사들에게 수행평가에서 사용하는 탐구보고서를 활용하여 수업에서 주로 평가하는 평가 요소들을 분석하고자 한다는 의도를 설명한 후, 수행평가에 사용한 탐구보고서 중 보인이 수업에서 주로 평가하는 요소들을 살펴볼 수 있는 가장 대표적인 것을 제출하도록 하였다. 연수 참여자 중 63명의 화학교사가 자신이 대표적으로 사용하는 탐구보고서를 분석 대상으로 사용하는 것에 동의하였으며, 이렇게 표집된 교사는 중학교에 근무한 교사는 40명(63.5%)이었으며, 고등학교에 근무한 교사는 23명(36.5%)이었다. 대부분의 화학교사들은 대표적인 탐구보고서 1종을 제출하였으며, 일부 화학교사의 경우 2~3종의 탐구보고서를 제출하기도 하였다. 복수의 탐구보고서를 제출한 경우, 대표적인 1종에 대해서만 분석 대상으로 삼았다. 복수의 탐구보고서를 제출한 경우, 대표적인 1종에 대해서만 분석 대상으로 삼았다. 탐구보고서의 경우 해당 단원이나 차시의 수업 목적에 따라 평가하고자 하는 평가 요소가 달라질 수 있어 교사별로 대표적 탐구보고서 1종을 분석하여 일반화하는 것은 다소 한계가 있으나 교실수업에서 화학교사가 주로 평가하고자 하는 역량의 하위 요소들을 살펴보고자 하였다.

교육부는 2015 개정 교육과정의 총론에서 학교 교육 전 과정을 통해 중점적으로 기르고자 하는 6가지 핵심역량을 발표하였다. 또한, 이 6가지 핵심역량은 각 교과에서 교과의 특수성이 반영된 교과 역량을 통해 발현되도록 하였다. 2015 과학과 개정 교육과정에서는 과학과 교과 역량으로 ‘과학적 사고력’, ‘과학적 탐구 능력’, ‘과학적 문제 해결력’, ‘과학적 의사소통 능력’, ‘과학적 참여와 평생학습 능력’을 제시하고 있다. 하지만 총론의 핵심역량과 과학과 교과 역량간의 관계를 분석한 김인숙 등²²은 과학과 교과 역량별 하위요소를 개발하면서 과학과 교과 역량별 하위요소 간의 중첩이 발생하기도 하여, 2015 과학과 개정 교육과정에서 제시된 5가지 교과 역량이 분명하게 구분되지 못함을 지적하였다.

한편, 2015 개정 교육과정에 따른 국가수준학업성취도(National Assessment of Educational Achievement, 이하 NAEA) 출제 방안을 연구한 동효관 등²³은 과학과 교과 역량을 반영한 과학과 평가틀을 제안하면서 ‘과학적 사고력’, ‘과학적 탐구 능력’, ‘과학적 문제 해결력’은 평가 요소 측면에서 중복되고 유사하여 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’으로 통합된 역량을 제시하였다. 이러한 통합은 김인숙 등²²이 제시한 3가지 역량간 중첩 문제와 유사하다. NAEA의 역량을 반영한 평가틀²³은 ‘과학적 의사소통 능력’은 과학과 평가 역량으로 그대로 활용하였으며, ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’은 평가틀에서 제외하였다. 또한, 과학교과의 기본 역량으로 평가가 필요하다고 판단하여 ‘과학적 원리의 이해 및 적용 능력’을 추가하여 총 3가지의 역량과 평가 하위 요소 및 세부 요소를 Table 1과 같이 제시하였다. 본 연구에서는 학교 평가에서 측정되는 역량을 구체적으로 살펴보기 위하여, 2015 개정 과학과 교육과정의 교과 역량을 반영하여 평가 요소를 제시한 NAEA의 평가틀을 분석에 활용하였다.

수합된 탐구보고서는 Table 1에 제시된 A1~J4까지 37개의 세부 요소에 대해서 탐구보고서에 제시된 부분이 있는지를 과학교육 박사 2인과 화학교사 1인이 독립적으로 기록하였다. 이후 각각의 분석결과에 대한 일치도를 점검하였다. 3인의 판정에 불일치가 보인 부분에 대해서는 3인이 자료를 반복적으로 분석하고 논의하는 과정을 통해 자료의 본질을 잘 포착할 수 있는 합의 과정을 거쳤다.²⁴

이렇게 세부 요소별로 정리된 각 탐구보고서에 대해서 Fig. 1에 제시된 바와 같이 3가지 분석을 수행하였다. 먼저, 세부 요소별 반영여부에 대한 빈도 분석을 실시하였다.

Figure1.

Analysis procedure.

이를 통해, 화학교사들이 주로 어떠한 세부 평가 요소를 평가하는지를 살펴보았다. 두 번째로, 하위 평가 요소별 반영여부에 대한 빈도 분석을 실시하였다. 예를 들어, ‘문제 발견 및 인식(C)’은 5가지 세부 요소(C1~C5)를 포함한다. 따라서 어떤 하위 요소를 평가하든지 상관없이 해당 하위 요소 중 하나라도 반영이 된 경우 ‘문제 발견 및 인식(C)’를 평가하고 있다고 판단하였다. 따라서 C1만을 반영한 탐구보고서나 C1과 C3를 반영한 탐구보고서의 구분없이 모두 C를 평가하고 있다고 판단하였다. 세 번째로, 역량별 평가 반영에 대한 빈도 분석을 실시하였다. 역량별 평가 반영도 하위 요소 평가 반영 방식과 동일하게 진행하였다. 예를 들어, ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’은 6가지 하위요소를 포함하고 있다. 따라서 이 하위요소 중 어느 하나라도 반영이 되었다면 그 탐구보고서는 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’을 평가한 탐구보고서라 간주하여 분석하였다. 중학교와 고등학교 탐구보고서 간의 역량 평가 차이를 비교하기 위해 SPSS 20을 통해 카이제곱 검증을 실시하였다. 다만, 하위 요소와 세부 요소의 경우 획득도수와 기대도수가 5보다 작은 셀이 전체 셀의 20%이하 이어야 한다는 가정을 충족하지 않아 카이제곱 검증을 실시하지 않았다. 또한, 모든 빈도는 해당 역량이나 요소(하위 또는 세부)를 평가한 교사의 수를 의미하며, 동일한 교사가 역량이나 요소(하위 또는 세부)에 대해서 중복으로 합산될 수 있다. 그러므로 역량이나 요소(하위 또는 세부)에 대해 평가를 실시한 교사의 빈도수의 합은 전체 교사 수와 일치하지 않으며, 각 빈도별 퍼센트는 전체 교사 수에서 해당 빈도를 나눈 값을 제시한 것이다.

학교 급에 따른 역량별 분석 결과는 Table 2와 같다. 중학교와 고등학교 모두 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’을 가장 많이 반영하고 있었으며, 그 다음으로 ‘과학 원리의 이해 및 적용 능력’, ‘과학적 의사소통 능력’ 순이었다. 탐구보고서를 분석한 것이기 때문에 화학교사들이 과학적 탐구 능력 함양을 목적으로 했음을 짐작할 수 있으므로 이에 해당하는 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’이 가장 많이 제시된 것으로 보인다. 중·고등학교 모두 비슷한 역량별 평가 결과를 보였으나, ‘과학적 의사소통 능력’에 대해서 중학교의 경우 적게나마 7명의 교사가 탐구보고서에 역량 평가를 반영한 반면, 고등학교에서는 화학교사들이 탐구보고서를 통해 ‘과학적 의사소통 능력’을 평가하고 있지 않았다. SPSS를 이용하여 중학교와 고등학교에서 평가하는 역량 요소의 분포에 차이가 있는지 알아본 결과 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(χ²=4.528, p=0.034). 중학교 교사의 탐구보고서에서 볼 수 있는 ‘과학적 의사소통 능력’의 예는 탐구 활동과 관련한 홍보물을 학생들에게 친숙한 SNS을 이용하여 만들도록 하는 등의 활동으로, 자신의 생각이나 주장, 연구 결과를 알리기 위해 다양한 형태(말, 글, 그림, 기호나 수식 등)로 표현하는 ‘과학적 표상 능력’에 해당했다. 많은 연구²⁵⁻²⁷에서 탐구활동이나 글쓰기를 통해 과학적 논증이나 표상화 같은 의사소통 능력을 증진시킬 수 있음에도 아직까지 현장의 탐구보고서에서는 이의 반영이 크지 않은 것으로 보인다.

학교 급에 따른 평가 역량의 개수를 분석 결과는 Table 3과 같다. 대부분의 화학교사들이 1개의 역량을 평가를 하였으며(N=50, 79.4%), 일부의 교사만 2개의 역량을 평가하고 있었다. 3개 역량을 평가에 모두 반영한 교사는 중, 고등학교를 합쳐 1명이었다. 탐구보고서는 지필평가와 달리 수업 시간에서 실제적 장면을 통해 학생의 역량을 평가할 수 있기 때문에 다양한 역량 평가를 할 수 있으나 탐구보고서에서는 탐구활동과 직접적인 역량 1가지를 중점적으로 평가한 것으로 보인다.

학교 급에 따른 하위 요소 분석 결과는 Table 4와 같다. 먼저 ‘과학 원리의 이해 및 적용 능력’의 경우 지필평가에서 주로 평가되므로 탐구보고서를 이용한 평가에서는 평가되는 비율이 낮을 것을 예상되었으며, 실제 분석 결과에서도 해당되는 내용이 적게 나타났다. 하위 요소인 ‘이해(A)’와 ‘적용(B)’을 살펴보면, 숫자가 크진 않으나 중학교는 상대적으로 ‘적용’을 평가하는 경향이 더 컸다. ‘이해’와 ‘적용’의 경우 탐구 활동을 시작함에 앞서 선수 학습을 확인하는 목적으로 탐구보고서의 앞부분에 제시되는 경우가 많았다. 탐구보고서에서 화학교사들이 중점적으로 평가하는 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’은 해당하는 6개의 하위 요소(C~H)로 경향을 분석한 결과, 중학교와 고등학교 모두 ‘탐구 설계 및 수행(D)’을 평가하는 경향이 가장 컸으며, 그 다음으로 탐구 활동을 바탕으로 ‘자료의 분석과 해석(E)’과 이를 바탕으로 ‘결론 도출 및 해결방안 제시(H)’가 주로 평가되고 있었다. 학교 급과 관계없이 ‘문제 발견 및 인식(C)’은 거의 평가하고 있지 않았다. ‘모형의 개발과 사용(G)’에 대해서는 중학교는 8명의 화학교사가 이에 대한 평가를 하고 있었으나, 고등학교의 경우 이를 평가하는 교사는 없었다. 중학교에서 고등학교보다 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’과 관련하여 다양하게 평가를 진행하고 있었다. ‘과학적 의사소통 능력’은 역량별 분석에서도 고등학교의 경우 이를 반영한 교사는 없었기 때문에 중학교의 경우만 보면, ‘과학적 표상 능력(I)’이 증거에 대한 ‘증거에 대한 토론과 논증(J)’에 비해 더 평가되고 있었는데, ‘과학적 표상 능력(I)’을 묻는 경우 이 중 일부가 ‘증거에 대한 토론과 논증(J)’도 함께 평가 하고 있었다.

먼저 ‘과학 원리의 이해 및 적용 능력’ 역량에 해당하는 세부 요소별 분석 결과는 Fig. 2와 같다. ‘과학 원리의 이해 및 적용 능력’의 경우 탐구보고서에서 이를 평가하는 빈도는 크지 않으나, ‘이해’와 ‘적용’의 각각의 세부 요소 중에서는 중학교의 경우 ‘개념을 이용하여 문제 해결하기(B2)’가, 고등학교에서는 ‘현상에 포함된 과학 원리 설명하기(A3)’가 상대적으로 높게 나타났다.

Figure2.

Analysis result by detail element (ability to understand and apply scientific principles).

‘과학적 탐구 및 문제 해결력’ 역량에 해당하는 세부 요소별 분석 결과는 Fig. 3과 같다. ‘문제 발견 및 인식(C)’에서 ‘문제의 성격과 의미 파악하기(C1)’, ‘문제 상황의 기본적인 전제나 가정 인식하기(C2)’, ‘정의된 문제의 평가준거나 제한점 파악하기(C5)’는 평가되고 있지 않고 있었다. PISA의 ‘과학 탐구의 설계 및 평가’에서 C1, C2, C5 등이 주요하게 평가되며, 주요 과학 성취 상위국들에서는 이와 관련한 과학 교육과정 성취기준을 설정하고 지도하고 있으나⁸ 연구에 참여한 화학교사들의 탐구보고서에서는 이와 관련한 평가 요소를 찾기 어려웠다.

Figure3.

Analysis result by detail element (scientific inquiry and problem solving ability).

‘탐구 설계 및 수행(D)’의 경우 ‘관찰, 측정한 결과를 객관적으로 나타내기(D5)’를 39명의 화학교사가 탐구보고서에서 학생 평가로 가장 많이 요구하고 있었다. 대부분, 탐구 과정에서의 결과를 나타내는 것을 평가하였으며, 연구 가설에 적합한 종속 변인, 독립 변인, 통제 변인 찾아내기(D1) 등 ‘탐구 설계 및 수행’의 다른 하위 요소들의 평가는 찾기 어려웠다.

‘자료 분석 및 해석(E)’은 ‘탐구 설계 및 수행’과 함께 다른 하위 요소에 비해 상대적으로 많은 평가가 이루어지고 있었다. 세부 요소를 살펴보면 ‘자료 변환(E2)’과 ‘경향성과 규칙성 등을 파악하기(E3)’를 주로 평가하는 것으로 나타났다.

‘수학적 사고와 컴퓨터 활용(F)’의 세부 요소 분석결과 3가지 요소 중 ‘수학적, 전산적, 알고리즘적 표상을 사용하여 현상을 기술하거나 주장을 뒷받침하기(F2)’에 대한 평가만 탐구보고서가 담고 있었다. 분석된 탐구보고서에서 F2로 판정된 사례를 살펴보면, ‘실험에서 얻은 자료를 통해 용질의 분자량 계산하기’, ‘NaOH의 농도 계산하기’ 등과 같이 주로 정량적 계산 문제와 관련된 내용이었다.

‘모형의 개발과 사용(G)’에서는 중학교에서만 7명의 화학교사가 ‘모형을 사용하여 계의 구성 요소 사이의 관계 나타내거나 예측하기(G2)’를 평가하였다. 7명의 탐구보고서 중 5명이 기체의 성질 단원에서 기체의 압력과 부피 또는 온도와 부피에 대해서 입자 모형을 이용한 설명을 요구하였다. 그 이유는 2015 과학과 개정 교육과정의 성취기준 [09과04-03]과 [09과04-04]에서 입자 모형을 이용한 해석을 요구한 것과 일치한 것으로 보인다. 나머지 2명은 모두 화학반응을 입자 모형을 이용하여 설명하도록 하는 것이었다. ‘모형의 개발과 사용’에서도 특정 세부 요소에만 평가가 편중되어 있었으며, ‘모형의 개발(G1)’이나 ‘모형을 검증하고 평가하기(G3)’에 대한 평가는 잘 수행되고 있지 않았다. 특히 컴퓨터 도구의 활용과 모형의 개발 및 사용은 서로 연결될 수 있다. 이 둘은 2015 개정과학과 교육과정 기능으로 제시되어 강조되기도 하였다. 여러 연구에서 컴퓨터 도구를 활용하여 자신만의 모형을 개발하고, 자신이 만든 모형을 평가할 수 있음을 보여주고 있지만,^28,29 현재 화학교사들은 컴퓨터를 활용한 모형의 사용과 개발을 탐구 활동에 어떻게 반영해야하는지에 대해서 어려움을 갖고 있는 것으로 보인다.

‘결론 도출 및 해결 방안 제시(H)’도 26명 화학교사가 이를 평가하고 있었다. 세부 요소 분석 결과 그 중 ‘자료해석 등을 통해 얻은 증거에 기초하여 타당한 설명을 구성하기(H1)’가 가장 많이 이를 반영하고 있었다.

이처럼 ‘과학적 탐구 및 문제 해결력’의 세부 요소별로 분석한 결과 화학교사들이 사용하는 탐구보고서에서 평가의 예를 찾을 수 없었던 ‘문제의 성격과 의미 파악하기(C1)’, ‘문제 상황의 기본적인 전제나 가정 인식하기(C2)’, ‘정의된 문제의 평가준거나 제한점 파악하기(C5)’, ‘자료분석의 한계를 파악하기(E4)’, ‘도출된 결론을 바탕으로 해결 방안에 대한 합리적 의사 결정하기(H4)’ 등은 모두 PISA와 같은 국제학업성취도평가에서 주요하게 평가하는 평가요소로 과학탐구의 주요 요소이나⁸ 이 연구에 참여한 화학교사들은 이와 관련한 평가가 잘 이루어지지 않는 것으로 보아 향후 과학 교과 역량 함양을 위해서 보완해야할 부분으로 판단된다.

끝으로, ‘과학적 의사소통 능력’의 경우 고등학교는 이를 반영한 요소가 존재하지 않아 중학교에 대해서만 세부요소별로 이를 분석한 결과, 과학적 표상 능력(I)’에서 ‘자기 생각이나 주장을 공인된 과학적 지식, 어휘, 기호, 규칙을 사용하여 표현하기(I1)’와 ‘자기의 생각이나 주장, 연구 결과를 알리기 위해 다양한 형태로 표현하기(I2)’에 대해서 각각 2명의 교사가 평가하고 있었다. ‘증거에 대한 토론과 논증(J)’에 대해서는 ‘과학적 증거에 근거한 주장과 근거에 바탕하지 않는 의견 구별하기(J1)’와 ‘주장을 뒷받침하거나 관련 증거를 찾아 제시하기(J2)’를 반영한 탐구보고서는 없었다. ‘자료와 증거에 기초하여 논증이나 반론을 구성하기(J3)’는 2명, ‘토론 과정에서 타인의 논증 과정에 대한 평가하기(J4)’는 1명이었다.