생물 분류 과제의 자기조절 과정에서 나타나는 생물전공 및 비전공 대학생의 두뇌 활성 분석

이수민 한국교원대학교 대학원 2023 국내석사

Self-regulation is the process of seeing an event, maintaining equilibrium, or moving to disequilibrium depending on whether it fits into the current schema or not, and then creating a new schema through feedback to get back to equilibrium. Self-regulation plays an important role, especially when learning life sciences, by having high cognitive flexibility and information processing ability. The purpose of this study is to analyze brain activation using fNIRS the self-regulation and its sub-processes such as assimilation, conflict, and accommodation that occurred in biology major and non-major university students while performing their biological classification tasks, and to compare the differences between groups. fNIRS was used to measure and analyze the brain activation of 18 biology major university students and 21 non-major university students. As a result, it was confirmed that there was a difference in activation of the BA 47 as a result of comparing the two groups in the self-regulation process. This suggests that biology major university students have a high ability to generate and understand linguistic information related to life science. Biology major university students demonstrated greater OFC activation during assimilation than non-major students. This suggests that biology major university students have active motivation and reward systems when learning life sciences. Biology major university students had lower BA 46 and higher BA 47 activation during the conflict process than non-major university students. It seems that the biology major university students performed the task through access to long-term memory, while the non-major university students used recent memory. The right DLPFC and FP revealed low activation during the accommodation process. This shows that non-major university students who have relatively little experience learning life sciences need a high level of understanding to acquire knowledge when learning life sciences. The difference in the learner's major and learning experience can, therefore, be the reason for the difference in brain activation between the two groups during the process of self-regulation. Based on the study results, it is now possible to explain self-regulation systematically and scientifically using neuroscientific methodologies, which was challenging to do using conventional research techniques. In addition, an effective education system can be prepared based on the learner's neuroscientific results and deep learning. 자기조절은 현상 관찰 후 자신의 기존 도식과의 합치 여부에 따라 평형을 유지하거나 비평형으로 변하게 되어 피드백을 통해 새 도식을 형성하여 평형에 이르는 과정이다. 자기조절은 높은 인지적 유연성과 정보 처리 능력을 가짐으로써 특히 생명과학을 학습할 때 중요한 역할을 담당한다. 따라서 본 연구의 목적은 생물전공 및 비전공 대학생이 생물 분류 과제를 수행하는 동안 나타나는 자기조절 과정과 동화, 갈등, 조절 과정에서의 두뇌 활성을 신경과학적으로 분석하고 집단 간 차이를 비교하는 것이다. 생물전공 대학생 18명과 비전공 대학생 21명을 대상으로 fNIRS를 활용하여 두뇌 활성을 측정하고 이를 분석하였다. 그 결과 자기조절 과정에서는 두 집단 비교 결과 BA 47에서 활성 차이가 있음을 확인하였다. 이는 생물전공 대학생이 생명과학과 관련된 언어적인 정보를 생성 및 이해하는 능력이 높다는 것을 알 수 있다. 생물전공 대학생들은 동화 과정에서 비전공 대학생보다 동기와 보상에 관련된 영역인 OFC의 활성이 확인되었다. 이는 생물전공 대학생이 생명과학 학습과 관련된 동기 및 보상체계가 활발하다는 것을 알 수 있다. 갈등 과정에서는 생물전공 대학생이 비전공 대학생에 비해 BA 46의 낮은 활성과 BA 47의 높은 활성이 나타났다. 이는 생물전공 대학생들이 장기 기억에 접근하는 반면 비전공 대학생들은 최근 기억을 활용한 것으로 보인다. 조절 과정에서는 우측 전전두엽의 낮은 활성이 나타났는데, 생명과학과 관련된 학습 경험이 상대적으로 부족한 비전공 대학생이 생명과학을 학습할 때 지식을 얻기 위해 높은 이해가 요구됨을 알 수 있다. 따라서 자기조절 과정에서 두 집단의 두뇌 활성의 차이는 학습자의 전공과 학습 경험 차이에 의해 야기될 수 있음을 뜻한다. 위 연구 결과를 바탕으로 전통적인 연구 방법으로 설명하기 어려웠던 자기조절을 신경과학적 방법을 통해 체계적이며 과학적인 결과를 제시할 수 있다. 또한 학습자의 신경과학적 결과와 딥러닝을 기반으로 효과적인 교육 시스템을 마련할 수 있다.

면역 개념에 대한 현직 생물교사와 예비 생물교사의 개념지위 분석

최진혜 한국교원대학교 대학원 2014 국내석사

면역 개념은 ‘2009 개정 과학과 교육과정’에서 심화․확대 편성되었지만, 오개념이 많고, 교수․학습에 어려움이 나타나는 개념이다. 개념지위 연구는 개념을 이해하고 표현하는 방법, 개념을 설명하고, 다른 상황에 적용하는 방법에 대한 연구이기 때문에 교사들의 인식에 관한 설명을 제공해 줄 수 있다. 현직교사가 예비교사 보다 교육과정의 핵심 개념을 구체적으로 더 많이 알고 있다. 현직 생물교사와 예비 생물교사의 개념지위를 비교분석하여 개념지위의 특징을 알아보면 개념지위가 낮은 원인과 개념지위를 높이는 방안을 찾을 수 있다. 따라서, 본 연구는 현직 생물교사와 예비 생물교사의 개념지위 분석을 통해 교사 교육의 활성화에 도움이 되기 위한 목적으로 진행하였다. 본 연구는 면역 관련 연구 문헌들과 ‘2009 개정 과학과 교육과정’과 대학 교재를 바탕으로 면역 개념을 설정하였다. 설정한 개념의 개념지위를 파악할 수 있도록 면담지를 구성하였고, 현직 생물교사 7명과 예비 생물교사 7명에게 투입하였다. 그리고 수집된 면담 자료를 개념지위 분석틀을 가지고 분석하여 집단별 개념지위의 특징에 대해 알아보았다. 연구 결과 첫째, 이해가능함의 영역에서 예비 생물교사는 선천성 면역과 후천성 면역을 혼동하고 있다는 것을 ‘이미지‘와 ’예시‘를 통해 알 수 있었다. 또한, 현직 생물교사가 예비 생물교사에 비해 과학적 개념을 구체적으로 형성하고 있었고, ‘예시’, ‘용어’가 도움이 된다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 예비 생물 교사의 교사 교육과정에서 선천성 면역과 관련된 다양한 예시를 제시하고, 용어를 명확히 할 수 있도록 학습기회가 주어져야 한다. 둘째, 그럴듯함의 영역에서 예비 생물교사의 비과학적 개념은 ‘경험’과 관련이 있었으며, 인터넷, TV, 과거경험이 그 원인이었다. 따라서, 여러 매체와 개인의 과거 경험에서 온 오개념을 파악하여 교육 과정을 계획해야 한다. 셋째, 유용함의 영역에서 현직 생물교사는 예비 생물교사보다 ‘가능성’의 개념지위가 높았으며, 건강과 관련된 관심과 흥미가 과학적 개념 형성에 도움이 된다는 것을 알 수 있었다. 현직 생물교사와 예비 생물교사는 면역 관련 ‘경쟁’ 개념을 구분하여 사용하는데 어려움이 있었다. 특히, 세균과 곰팡이의 구별과 염증과 고름의 구별을 명확히 하는 교사 교육과정이 필요하다. 이상의 결과로 보아 효과적인 면역 교수․학습을 위해 현직 생물교사와 예비 생물교사의 개념지위를 파악해 어떤 요소가 과학적 개념 형성에 도움이 되었는지 확인 할 수 있었다. 또한, 과학 교사 교육 과정에 참고자료가 되어 과학 교사의 교육학적 개념이 발전되도록 하고 수업을 준비할 수 있게 할 것으로 기대한다. 그리고 학생들의 개념에 대한 지식과 학습의 정도를 점검하는데 개념지위를 이용하여 다양한 개념변화의 기회를 가질 수 있도록 한다.

예비 생물교사의 과학 탐구에 대한 이해 분석

성희수 한국교원대학교 대학원 2017 국내석사

이 연구의 목적은 VASI(View About Scientific Inquiry) 질문지를 이용하여 예비 생물교사의 과학 탐구의 본성에 대한 인식을 조사하는 것이다. 연구를 위해 사범대학에 재학 중인 생물교육전공 1~4학년 예비 생물교사 63명을 대상으로 과학 탐구에 대한 인식을 조사하였다. 과학 탐구의 본성에 대한 예비 생물교사의 이해도를 알아보기 위해, Lederman et al.(2014) 개발한 VASI 질문지를 번안하여 활용하였다. VASI 질문지는 개방형 질문지로서, 과학 탐구에 대한 필수적인 지식으로 제시되는 8가지 하위 측면을 바탕으로 각 측면에 대해 구체적인 사례와 함께 질문을 구성한 검사 도구이다. 과학 탐구에 대한 하위 측면별로 각 응답을 분석하기 전에 학년별, 학년군별 집단 비교 분석을 수행하였다. 학년별 집단 인식 차이의 비교에는 일원 배치 분산 분석을 실시하였고, 그 결과 학년에 따라 과학 탐구의 본성에 대한 인식에는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 반면 1, 2학년과 3, 4학년 집단 간 인식 차이를 비교하기 위해 독립 표본 t-검정을 이용하였다. 그 결과 1, 2학년이 3, 4학년보다 더 많은 하위 측면에서 전문가적 관점을 나타내었고, 두 집단은 유의미한 수준으로 차이가 있었다. 하위 측면별 연구 결과, 초보자적 관점을 갖는 예비 생물교사의 비율이 과학 탐구 본성에 관한 8가지 영역에서 모두 낮게 나타났다. 그러나 8가지 영역 중 (1) 과학 탐구 방법의 다양성, (2) 탐구의 시작, (3) (다른 수집 과정을 거친) 자료의 해석, (4) 자료와 증거, (5) 과학적 설명과 같은 5가지 영역에서 과도기적 관점을 갖는 예비 생물교사의 비율이 높았다. 특히 실험의 의미, 질문의 의미와 기능, 자료 수집 과정이 결론에 미치는 영향, 자료와 증거의 차이, 수집된 자료와 기존 지식을 바탕으로 한 과학적 설명 등을 현대적인 관점으로 이해하지 못하고 다소 제한적인 이해를 나타냈다. 본 연구결과는 과학 탐구의 본성에 대한 이해가 어떠한 요인에 의해 영향을 받는지 근원 정보를 제공하지는 않는다. 그렇지만 학년군에 따른 인식차이를 나타냄으로써 과학교육론 및 생명과학교육론 이수의 여부와 교육과정 상에서 경험할 수 있는 다양한 탐구 활동에의 참여 및 명시적 탐구 학습의 경험이 과학 탐구의 본성을 이해하는 데 영향을 미칠 것으로 판단한다. 또한 기존의 연구가 과학의 본성에 초점을 두어 진행되었기 때문에 과학 탐구를 이해하는 데 소홀한 것이 사실이다. 일부 탐구 측면에 대해서 예비 생물교사가 상충된 인식을 나타냄을 볼 때 구체적인 탐구 특성에 대해 이해하고 이를 재고해 볼 기회가 필요함을 시사한다. 예비 생물교사가 가지는 과학 탐구의 본성에 대한 일부 제한적인 인식을 향상시키기 위해 예비 생물교사 양성 프로그램에서 과학 탐구의 본성에 관한 지속적이고 명시적인 교육이 필요하며, 이에 따른 생물교사 양성 교육과정의 개선이 요구된다.

과학사 기반 호흡 개념 유형 분석 도구 개발

신미진 한국교원대학교 대학원 2009 국내석사

과학사에 나타난 개념발달과정이 학생들에게 어떤 유형으로 나타나는지 알고 이를 다시 교과서나 교육과정에 반영될 수 있도록 하는 것은 과학교육에서 의의가 있음이 여러 가지 연구에서 밝혀지고 있다. 이와 더불어 학생들의 개념유형을 파악하기 위한 정교한 개발과정과 도구의 개발은 우선시 되어야 할 것이다. 이 연구의 목적은 학생들에게 형성되어 있는 과학사적인 호흡에 대한 개념 유형을 분석하기 위한 검사 도구를 개발하는데 있다. Tamayo와 Sanmarti(2007)는 과학사적인 호흡에 대한 설명으로 생기론적모형, 연소모형, 가스교환모형, 분자모형, 산화환원모형의 다섯 가지 모형으로 구분하였다. 이 다섯 가지 모형의 설명 차이에 기초하여 다섯 가지로 구분할 수 있는 호흡 개념유형 분석도구 개발틀를 작성하였는데, 이 분석 기준에는 다음과 같은 세 가지 자료가 활용되었다. 첫째, Tamayo와 Sanmarti(2007)가 논문에서 기준으로 삼은 다섯 가지 모형의 특징을 모형별로 서술해 놓은 내용이었다. 두 번째는 초, 중, 고등학교 및 대학에서 쓰는 교과서의 내용 중 호흡에 관해 기술된 내용을 과학사적으로 다섯 가지 관점에 따라 비교·분석한 내용이었다. 세 번째는 간단한 개방형 검사지를 통해 초, 중, 고등학교 학생들이 현재 가지고 있는 개념들을 수집한 후, 다섯 가지 모형에 따라 개념을 구분한 자료였다. 이와 같은 자료들을 통해 호흡에 대한 설명 범주를 호흡의 정의, 호흡 장소, 호흡의 반응 요소, 호흡 결과로 생성되는 것, 에너지의 근원, 산소의 역할, 영양소의 이용, 운동할 때 호흡이 빨라지는 이유, 호흡의 정의 등의 여덟 가지로 묶었다. 이 여덟 가지 기준에 의거하여 여덟 개의 문항으로 이루어진 검사 도구를 개발하였다. 구성된 검사 문항들은 모두 다섯 가지 답지에서 하나를 선택하는 선택형 문항으로, 세 번의 현장 선행 검사를 통해 수정하여 완성하였다. 구성된 여덟 개의 문항은 전문가들의 평가를 통해 타당한 것으로 판명되었다. 완성된 검사지를 초, 중, 고등학생들에게 시범 투입한 결과 학생들이 가지고 있는 호흡에 대한 개념 유형을 분류할 수 있었다. 초등학생은 호흡개념 발달의 단계상 고대의 생기론적모형을, 중학생은 중세 혹은 근대의 가스교환모형을, 고등학생과 대학생은 근대 혹은 현대의 분자모형과 산화환원모형을 나타내며, 이는 학습 내용의 계열성과 관계가 깊어 검사지의 다양한 활용이 가능함과, 과학사적인 호흡개념 발달과정의 교육과정 도입에의 타당함을 나타낸다. 이 연구에서 개발한 과학사에 기반 한 호흡 개념 유형 분석 유형 평가 도구는 호흡에 관한 생물 교육과정을 구성한다거나 생물교사들이 호흡에 관한 수업계획을 구상하는데 반드시 필요한 기초자료가 될 것으로 기대한다. The purpose of this study is to develop an instrument of examination for analysis of conception type about respiration which has been made in students. Tamayo and Sanmarti divided respiration of history of science into five explanations, that is, vitalism model, combustion model, Exchange gases model, molecular model, Oxidation-reduction model. According to differences of explanations of these five models, analysis standards of conception type models were made, and following three materials were used. First of all, contents which described special features of five models that Tamayo and Sanmarti made was used. Second of all, contents which compared and analyzed contents about respiration that are used in textbooks of elementary school, middle school, high school and college by the five viewpoints of history of science were used. Last of all, conceptions that elementary, middle and high shool students have in present were collected through simple open questionnaires, and then materials which divided conceptions according to five models were used. According to above three contents and materials, explanation categories about respiration were classified into eight groups, that is, respiration place, reaction factor of respiration, products of respiration, energy source, function of Oxidation, function of nutrition, the reason of rapid respiration during exercise, definition of respiration. These eight categories were made into each questionnaires which were selective questionnaires of five answers and were corrected and completed through three field examination in advance. These eight questionnaires were confirmed by evaluations of experts. Completed questionnaires were used in elementary, middle and high school students, and in result conception types about respiration of students could be classified. An instrument of examination for analysis of conception type about respiration based on history of science which is made in this study is expected to be used as an essential basic materials, when biology curriculums about respiration is made or when biology teachers make lesson plan about respiration.

진화 개념 이해를 위한 논변 활동 과정에서 생물 전공 교사 포함 여부에 따른 진화 개념 및 담화 차이 분석

정선영 한국교원대학교 대학원 2017 국내석사

이 연구는 진화 개념 이해 향상을 위한 프로그램을 이용하여 생물 전공 교사 포함 여부에 따른 소집단 논변활동을 진행하는 과정에서 드러난 담화를 중심으로 소집단 간에 드러난 진화 관련 오개념의 차이를 확인하고, 소집단 별 발언 기능 차이, 주제별 소재에 따른 증거 제시의 차이를 확인하고자 하였다. 연구에서 이용한 논변활동 프로그램은 총 7차시에 걸쳐 진화의 핵심 개념 8가지를 순차적으로 이해시키기 위해 순환학습모형으로 구성이 되었다. 본 연구는 잠정적인 논변 및 소집단 내 논변에서 이루어진 담화를 중점적으로 분석하여 차이를 알아냈다. 생물 전공 교사 포함 여부에 따른 담화의 차이를 확인하고자 소집단 구성은 생물 전공 집단, 전공 혼합 집단, 생물 비전공 집단으로 나누었다. 캠코더 및 녹음기를 설치하여 촬영 및 녹음한 결과를 전사하여 총 303쪽의 전사물을 확보하였다. 소집단별로 드러난 오개념과 발언 기능의 차이는 연구자 및 석사과정 2인이 각각 코딩하여 일치되지 않은 부분은 수차례 논의를 거쳐 최종적으로 과학교육전문가 1인의 검토를 통해 결과를 도출하였다. 연구 결과 생물 교사 포함 정도에 따라 진화 개념을 이해하고 논변을 진행하는 과정 속에서 발언 기능 중 정보 찾기에서 생물 전공 교사 집단은 개념에 대한 정보 요구 발언보다는 구성원 간 견해나 관점을 요구하는 발언을 사용하는 것으로 나타났고, 진화 개념 또는 해결해야하는 과제와 무관한 발언 또한 적게 사용하는 것으로 나타났다. 생물 비전공 교사 집단은 다른 두 집단에 비해 가장 다양한 오개념이 나타났는데, 특히 경쟁 개념에 관한 논변활동에서 목적론적 설명과 내부의지적 설명을 나타냈다. 따라서 목적론적 설명과 내부의지적 설명이 주로 드러나는 경쟁 개념을 일반적인 의미에서의 경쟁 개념과 구분지을 수 있는 교수적 전략 개발이 필요하다. 세 집단에서 공통적으로 드러낸 오개념으로는 정향진화 오개념이 있었는데 긴 시간에 대한 인식이 부족함에 따라 동반된 것으로 해석된다. 전공 교사 및 비전공 교사 모두에게서 드러난 대진화 개념 관련한 긴 시간에 대한 이해를 도울 교수적 전략도 필요하다고 본다. 표면적인 지식을 측정하는 진화 개념 검사지와는 달리 진화 개념 이해에 관한 논변활동은 전공 교사와 비전공 교사 간 개념 이해 정도의 차이가 있기에 좋은 도구가 될 수 있으며, 논변활동 및 진화에 대한 개념 부족 향상을 위한 교사교육 프로그램 개발의 필요를 시사한다고 볼 수 있다.

고등학생을 위한 ICT 활용 생물정보학 수업 프로그램 개발 및 적용 : COVID-19를 주제로 하여

최지원 한국교원대학교 대학원 2023 국내석사

본 연구는 COVID-19를 주제로 한 ICT(Information & Communication Technology) 활용 생물정보학 수업 프로그램을 개발하고 적용하여, 지식정보처리역량과 과학 흥미도에 미치는 영향을 확인하는 것을 목적으로 한다. 개발된 수업 프로그램은 ICT 활용 교수·학습 방법을 기반으로 한 15차시로, 5가지 주제인 코로나바이러스 수용체 ACE2(angiotensin converting enzyme 2)의 동족체인 ACE(angiotensin I converting enzyme) 유전자 실험, 코로나 백신 및 치료제 카드뉴스 제작, 생물정보학 카드뉴스 제작, NCBI(National Center for Biotechnology Information)를 활용한 ACE와 코로나바이러스의 유전자 분석, 그리고 COVID-19를 주제로 한 생물정보학 신문 제작의 순서로 구성된다. 완성된 수업 프로그램은 8년 이상의 교육 경력을 가진 현직 과학 교사 7인에게 내적 타당도를 받았다. 수업 프로그램은 2022년 1월 G시 G고등학교에서 운영된 겨울방학 특강 수업에 1학년 학생 6명에게 적용하였다. 지식정보처리역량과 과학 흥미도에 대한 수업 프로그램의 효과를 확인하기 위해 사전-사후 검사와 반구조화 면담을 실시하였다. 사전-사후 검사 결과는 윌콕슨 부호 순위 검정 방법을 사용하여 분석하였고, 면담 답변은 각각의 하위요인별로 분류하고 범주화하여 의미를 도출하였다. 지식정보처리역량과 과학 흥미도의 전체 사전-사후 검사 결과, 사전-사후 평균의 차이가 통계적으로 유의미하였다(p<.05). 지식정보처리역량의 하위요인별 사전-사후 검사 결과, 하위요인 ‘제작’의 사전-사후 평균이 가장 많이 향상되었다. 또한 과학 흥미도의 하위요인별 사전-사후 검사 결과, 하위요인 ‘과학에 대한 흥미와 즐거움’의 사전-사후 평균이 가장 많이 향상되었다. 이를 통해 COVID-19를 주제로 한 ICT 활용 생물정보학 수업 프로그램은 학생들이 산출물을 제작하는 능력과 과학에 대한 내적 흥미도 향상에 긍정적인 효과를 보인 것을 확인할 수 있었다. 본 수업 프로그램은 일반 고등학교 수준에 적용 가능한 수업으로 구성되어 생물정보학과 관련된 수업에서 다양한 형태의 기초 교수-학습 지도안으로 제공될 수 있을 것이며, 추후 생물정보학 관련 교육 연구에 참고 될 수 있을 것으로 기대한다. 또한 과학 교과에서 디지털 시대에 적합한 ICT 활용 수업의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’ 생명의 진화 영역 교수학습에 관한 과학교사들의 인식

김진환 한국교원대학교 교육대학원 2016 국내석사

이 연구의 목적은 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’에 대한 과학교사별 인식조사를 통하여 고등학교 ‘과학’ 생명의 진화 영역 교수학습에 관한 어려움을 파악하는 것이다. 이를 위해 문헌 조사를 통하여 기존의 인식조사에 사용되었던 주요 설문 문항을 범주화 하여 설문조사에 사용할 문항을 개발하였다. 전국에 있는 과학교사 40명을 대상으로 일반적인 운영과 생명의 진화 영역 교수학습시 인식에 대하여 설문조사를 실시하였다. 그 중 생명의 진화 영역 교수학습시 과학교사별 인식은 과학교사별 어려운 정도를 비교하기 위해 통계적 분석을 실시하였다. 그리고 과학교사별 교수학습시 어려운 부분은 교사들의 응답을 통해 질적 분석을 실시하였다. 연구 결과 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’에 대한 일반적인 인식에서교사들은 고등학교 ‘과학’을 고등학교 1학년에서 지도하길 희망했고 그 이유로는 1학년 학생에게 과목 선택과 진로 선택에 대한 다양한 정보를 제공할 수 있기 때문이라 생각했다. 또한 시수배정과 교과운영에서 교사들은 비 전공 영역에 대한 어려움으로 인해 어려움을 겪고 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 현직 교사에게는 체계적인 연수가 필요하며, 예비 교사에게는 교사 양성대학에서 고등학교 ‘과학’과 같은 융합과목을 위한 교육과정을 도입하여 대비하는 것이 필요한 것을 알 수 있었다. 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’ 생명의 진화 영역 내용요소 교수학습시 과학교사별 인식에서는 과학교사별 어려운 정도는 차이가 있는 내용요소가 있고, 어려운 정도에 차이가 없는 내용요소가 있었다. 하지만, 교수학습시 어려운 정도에 차이가 있는 내용요소와 어려운 정도에 차이가 없는 내용요소 모두 과학교사별로 어려운 부분은 차이가 있었다. 물리 교사, 화학 교사, 지구과학 교사는 교과서에 제시되는 용어의 구분을 어려워했으며, 이로 인해 내용요소의 연관성을 찾기 어려워했다. 그 결과 정확한 이론의 이해가 어려워 교수학습시 어려움을 겪는 것으로 파악되었다. 생물 교사는 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’과 생명과학Ⅰ,Ⅱ의 위계성이 무시되어 수업에서 제시해야할 개념이 너무 많아 교수학습시 어려움을 겪는 것으로 파악되었다. 이 연구 결과를 통해 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’에 대한 교사들의 인식과 고등학교 1학년 과학에 대한 기대를 확인할 수 있었다. 그리고 생명의 진화 영역 교수학습에 관한 과학교사들의 어려움이 다른 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’과 같은 과목이 정착되기 위해서는 2009 개정교육과정 고등학교 ‘과학’ 내용요소 교수학습시 어려움을 과학교사별로 파악하여야 한다.

중.고등학생의 생물 탐구 능력 측정을 위한 서술형 평가 도구 개발

이경화 한국교원대학교 대학원 2010 국내석사

The science inquiry skills are the most important goal in the elementary science education. To achieve this goal, it is essential to develop a valid and reliable instrument for evaluating science inquiry skills. The purpose of this study is to develop an instrument to test for essey type of biology inquiry skills of middle and high school students with high reliability and validity. The instrument was developed through the R & D procedure. This study has selected ten biology inquiry skills (observing, classifying, measuring, predicting, inferring, formulating question, formulating hypothesis, controlling variables, interpreting data, formulating a generalization). The clear definition and objectives of ten biology inquiry skills has been established based on SAPAⅡ curriculum(AAAS, 1990), 7th revision science curriculum(2007), Science Knowledge Generation theory(Kwon, 2003), TSPS(1994) and SIEI(1984). Evaluating items is content-related. The content areas are divided into three categories, animal life(4 items), plant life(3 items) and fungi(3 items). Therefor, the instrument consists of ten items with essay type. The content validity and clarity of the items has been checked twice by specialist in the field of the science education. At the same time, two field trials were performed to produce the reliability, discrimination, difficulty of the instruments. Developed instrument has 84.18% of the content validity, 0.48 of the concurrent evidence , 0.79 of the reliability(Cronbach α), 0.89 of the reliability between raters, 0.79 of the coincidence between raters, 0.43 of the discrimination, 0.49 of the difficulty. This test for Biology Inquiry Skills for Middle and High School Students is useful. The instrument constructed in this study will play an important role as standards to develop an instrument for evaluating biology relating to inquiry skills in the future. 본 연구는 중·고등학생을 대상으로 현대 과학 교육의 핵심 분야로써, 물리·화학적 원리와 이론을 포함한 생물 교과에 대한 탐구 능력을 측정하기 위한 서술형 평가 방식의 타당도와 신뢰도가 높은 생물 탐구 능력 평가 도구의 개발을 목적으로 한다. 문항의 개발은 R & D 과정에 따라 수행되었으며, 모두 2차례의 교사 검증 및 현장 검증을 거쳐 최종 10문항을 확정하였다. 개발된 문항은 관찰, 분류, 측정, 예상, 추리, 의문, 가설, 변인구성, 자료해석, 일반화의 10가지 탐구 과정 요소로 구성하였으며, 각 요소에 대하여 과학교육전문가 및 동료 연구자와 공동으로 협의를 거쳐 조작적 정의 및 평가 목표를 설정하였다. 서술형 평가의 채점을 위하여 SAPAⅡ(AAAS, 1990), 2007 개정 교육과정(2007), 허명(1984)의 SIEI, 권재술과 김범기(1994)의 TSPS, 권용주 등(203)의 과학지식생성이론, 한국교원대학교 과학교육연구소의 탐구 이론을 바탕으로 각 탐구 요소별 채점 기준을 설정하였다. 서술형 문항의 객관적인 채점을 위하여 본 연구자 이외 현직 과학 교사 2인이 함께 연구에 참여하였다. 1차 예비 27문항에 대한 교사 및 현장 검증 결과는 내용타당도 72.5%, 문항내적신뢰도 0.67, 난이도 0.12~0.63, 변별도 0.15~0.80로 나타났으며 이를 바탕으로 10문항의 2차 예비 10문항을 선별하여 문항에 대한 교사의 명료성 점검 내용을 통해 문항을 수정·보완하였다. 2차 예비 10문항에 대한 교사 및 현장 검증 결과는 내용타당도 79.83%, 문항내적신뢰도 0.71, 난이도 0.52, 변별도 0.45로 나타났다. 문항에 대한 교사의 명료성 점검 내용을 통해 최종 수정·보완하여 본 문항 10문항을 구성하였다. 개발된 최종 문항에 대한 교사 및 현장 검증 결과는 내용타당도 84.18%, 문항내적신뢰도 0.79, 채점자간 신뢰도 평균 0.89, 채점자간 일치도 평균 0.79, 공인타당도 평균 0.48, 문항 평균 15.9(백분율 53.00%), 표준오차 3.61, 난이도 0.49, 변별도 0.43로 나타나 평가 도구로 집단 평가 도구로써 비교적 양호한 것으로 검증되었다. 본 연구를 통해 측정한 중학교 74명(남33, 여41), 고등학교 80명(남40, 여40) 학생들의 현장 검증 결과를 분석한 결과, 학교급간의 생물 탐구 능력에 유의미한 차이가 있는 것으로 분석되었으며(p<0.05), 성별간의 생물 탐구 능력에는 유의미한 차이는 없는 것으로 분석되었다(p<0.05). 다만, 측정능력에서만 유의미한 차이가 있는 것으로 분석되었다(p<0.05). 본 연구를 통하여 개발된 생물 탐구 능력 평가 도구는 중·고등학생의 생물 탐구 능력을 알아보기 위한 평가 도구 및 교사의 탐구 수업, 탐구 학습을 위한 진단·총괄평가 도구로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

생명과학 중심의 STEAM 교육 프로그램이 고등학생의 과학에 대한 정의적 영역과 창의성에 미치는 영향

김진영 한국교원대학교 대학원 2012 국내석사

미래사회를 이끌어 갈 창의적이고 융합적인 인재 양성에 대한 필요성이 제기되면서 과학에 대한 흥미 증진과 창의성 신장을 위해 STEM 교육에 예술(Art)을 접목시킨 STEAM 교육이 추진되고 있다. 기존의 STEM 교육은 미국 환경에서 기술교육을 중심으로 이루어진 것이므로, 우리나라 교육 목표에 적합하고 과학과의 특성에 맞는 STEAM 교육에 대한 연구가 필요하다. 이 연구에서는 생명과학을 중심으로 STEAM 교육 프로그램을 개발하여 고등학생의 과학에 대한 정의적 영역과 창의성에 미치는 효과를 검증하고자 한다. 이를 위하여 통합유형 분석을 통해 학문간 통합 정도, 통합의 중심요소, 통합을 위한 생각의 도구로 구성된 프로그램 개발 전략을 구성하였다. 생명과학의 영역에서 순환, 식물, 유전, 자극과 반응을 선정하고 기술, 공학, 예술, 수학과 통합하여 총 16차시의 교수・학습 프로그램을 개발하였다. 단일집단 사전사후 검사 설계로 일반계 고등학교 1학년 학생 81명을 대상으로 적용하여 효과를 알아보았다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 생명과학 중심의 STEAM 교육 프로그램은 학생들의 과학에 대한 정의적 영역 신장에 효과적이었다. 과학 학습에 대한 자신감(p=.008), 즐거움(p=.003), 가치(p=.010)가 모두 상승하였으며 통계적으로 유의미하였다. 둘째, 창의성 신장에 효과적이었다. 프로그램의 적용 후 창의성 표준점수(p=.000)와 하위 요소인 유창성(p=.000), 독창성(p=.000), 정교성(p=.003) 점수가 상승했고 통계적으로 유의미하게 나타났다. 셋째, 학생의 성별에 따라 프로그램 적용 효과에 차이가 나타났다. 과학에 대한 가치의 점수 상승은 남학생에게서 더 크게 나타났으며, 여학생은 창의성 표준점수와 유창성, 독창성에서 더 효과적이었음을 검증하였다. 넷째, 수업에 대한 평가 설문에서 학생들은 교과간의 관련성을 인식하고, 관련 교과를 심화하여 학습하고자하는 태도를 보였다. 또한 과학 학습에 대한 정의적 측면뿐만 아니라 모르던 것을 알게 되었다는 인지적 부분에서도 도움이 되었다는 응답이 많았다. 개발된 프로그램은 학교 현장에서 활용될 수 있을 것이며, STEAM 교육이 과학에 대한 흥미 증진과 창의적 인재 양성을 위한 과학교육의 한 방법으로 자리 잡는 기초자료가 될 것이다.

중등학생의 생물 분류활동에서 자기조절의 두뇌 연결망 발달 규명

박상희 한국교원대학교 대학원 2023 국내박사

생물 학습에서의 자기조절은 여러 가지 인지적 과제 수행 시 관찰된 정보와 기존 도식의 합치 여부를 판단하여 평형을 유지하거나 불합치가 일어날 경우 피드백을 통해 새로운 대안적 도식을 생성하여 다시 평형 상태로 도달하는 일련의 과정이다. 자기조절은 일상 생활 뿐 아니라 과학 학습 과정에서도 중요한 역할을 하며 생물을 관찰한 결과나 특징을 중심으로 유연 관계가 비슷한 생물을 분류하며 새로운 과학적 지식을 구성해 나가는 과정에서도 필수적이다. 이 연구의 목적은 중등학생이 생명과학 학습 과정에서 자기조절 사고를 수행함에 따라 나타나는 두뇌 활성과 두뇌 연결망을 자기조절 단계 및 연령에 따라 규명하고, 학생의 인지구조와 두뇌에서 일어나는 자기조절 사고가 어떻게 발달하는지 파악하는 데 있다. 이를 위해 중학교 1학년, 중학교 3학년, 고등학교 2학년 학생 122명을 대상으로 경제적 수준과 사회, 문화적 배경이 비슷한 G1, G2, S, C시의 학생들로 표집하여 연구를 진행하였다. 두뇌를 측정하기 전, 생물과 관련된 다양한 과제를 활용하여 생물 분류 학습 과정에서 일어나는 자기조절 사고의 특성과 과정을 파악하여 자기조절 사고를 1~5단계까지 설정하였다. 그리고 이에 알맞은 과제를 동물 2종, 식물 1종, 균류 1종으로 제작하여 블록 패러다임 방식으로 제시하였으며 단계별로 두뇌 활성과 두뇌 연결망을 측정하였다. 또 자기조절의 보편적인 사고 종류라 할 수 있는 동화, 갈등, 조절에 따라 학생들의 뇌의 어느 영역에서 활성이 일어나고 두뇌 연결망이 유의미하게 연결되는지 측정하였다. f-NIRS기법을 적용한 NIRSIT 기기를 이용하여 뇌과학적인 방법을 활용하였고, NIRSIT Analysis 프로그램과 NIRS-SPM 프로그램으로 분석하였다. 자기조절의 단계별 두뇌 활성 및 연결망 규명을 위해서 동물, 식물, 균류를 비슷한 생물끼리 분류하고 유연 관계를 선택하는 과제를 제시하였다. 생물 분류 과제를 활용한 자기조절 과정에서의 뇌 활동을 측정하고 연결망을 분석한 결과, 1~5단계의 사고에서는 각각의 사고 과정과 흐름, 행동 특성이 나타난다. 또한 각 사고의 특성과 맞아 떨어지는 전두엽의 각 영역이 활성화되거나 비활성화 된다는 것을 확인하였다. 1, 2, 3단계에서는 OFC를 위주로 DLPFC와 VLPFC가 관여하고 4, 5단계에서는 FP가 특징적으로 활성을 감소시키는 등 자기조절 단계별 사고와 연관된 두뇌 활성 및 연결망이 나타났다. 또한 자기조절 과정을 동화, 갈등, 조절의 하위 과정으로 나누어 연령별로 분석하여 두뇌 연결망을 도출하였다. 그 결과, 자기조절은 연령이 증가함에 따라 특징적인 두뇌 연결망이 발달하였고, 학생들의 자기조절 사고 과정에는 두뇌의 다양한 부분이 관여하는 것을 확인할 수 있었다. FP는 목표를 인지하고 문제해결을 위해 계획이나 전략을 수립하는 역할을 하는 두뇌 영역인데 자기조절 과정에서 중학교 1학년, 중학교 3학년, 고등학교 2학년 모두 강한 연결망을 형성하고 활성화되었다. 이는 FP(R), FP(L) 사이의 정보 교환과 강한 상관을 의미한다. DLPFC는 주의집중과 기억의 유지, 높은 수준의 실행 처리, 전략적 처리, 주의집중, 정보 모니터링 및 작업기억을 활용한 문제해결 등에 관여하는데 DLPFC의 연결망 및 활용 정도가 중학교 1학년, 중학교 3학년, 고등학교 2학년 집단에서 유의미한 차이가 났다. 또한 점차 연령이 증가할수록 DLPFC 자체 활성이나 다른 두뇌 영역들 간의 연결망도 더 강해지고 있었다. 중학교 3학년은 중학교 1학년이나 고등학교 2학년과는 달리 자기조절 과정에서 OFC의 기능이 활발하며 과제의 정답 유무나 주변 사람의 영향, 본인의 성공에 대한 보상 등을 더 많이 고려하는 경향이 있다. 이는 타인을 의식하고 주어진 문제해결에 성공하고 싶어하는 심리적인 요인이 자기조절에 영향을 주고 있음을 알려준다. 연령별 분석을 통해 하위 사고별, 두뇌 영역별로 도출된 회귀계수인 β값끼리의 상관관계를 기본으로 하여 반복측정 분산분석을 실시한 결과, 하위 사고별, 연령별로 자기조절의 두뇌 연결망에 차이가 있음이 나타났다. 또 중학교 1학년에서는 FP 영역에 주로 집중되던 연결망이 점차 분화되고 복잡해지면서 고등학교 2학년에 이르러서는 전두엽의 가장 다양하고 넓은 영역에 두뇌 연결망이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 그 과정에서 중학교 3학년의 두뇌 연결망 분석을 통해 중학교 3학년은 중학교 1학년이나 고등학교 2학년 학생들과는 달리 음의 상관관계가 높은 연결망이 다수 나타나는 것이 드러났으며, 이 음의 상관관계는 고등학교 2학년이 되면서 다시 해소되어 가는 것을 확인하였다. 이는 자기조절의 사고에 있어 여러 영역 간의 정보교환과 동시 활성 등을 통해 점차 일정한 형태로 발달이 이루어지며 그 과정에서 규칙성이나 경향성을 발견할 수 있음을 의미한다. 또한 순차적으로 양의 두뇌 연결망만 많아지는 발달이 이루어지는 것이 아니라 특정 시기에 음의 상관 관계와 함께 특징적인 연결망 발달이 일어남을 알 수 있다. 자기조절은 사고의 단계와 연령에 따라 두뇌 활성 영역과 두뇌 연결망이 발달하는 과정이다. 자기조절을 원활하게 할 수 있는 중등학생은 학습을 수행하는 학생이자 한 인간으로서 자신이 속한 세계와 환경으로부터 많은 정보를 받아들이고 이를 자신이 내면화시킬 수 있는 도식으로 변경하여 효과적으로 받아들일 수 있게 될 것이다. 이를 통해 학생의 인지구조는 더욱 견고해지고 사고 활동은 더욱 활발해질 것이며 과학 학습이나 탐구 능력에 있어서도 변화와 발전을 거듭할 것이다. 이에 교육적으로는 학생의 자기조절 사고를 잘 발달시킬 수 있도록 적절한 교육 프로그램과 기회, 노력이 주어져야 한다.