과학적 소양(ToSL) 모형을 활용한 초등과학 영재교육 프로그램 개발 : 단열 개념을 중심으로

문수진 한국교원대학교 대학원 2021 국내석사

이 연구는 미래사회에 대비하여 초등과학영재의 ToSL 모형의 역량 향상을 위한 영재교육 프로그램을 개발하는 것이다. 이를 위해 Dick & Carey의 체제적 교수 설계 모형을 사용하여 프로그램을 개발하였다. 선행연구 및 문헌 분석을 통하여 미래사회에 과학영재에게 요구되는 역량을 추출하고 ToSL 모형의 역량 함양이라는 프로그램의 목표를 규명하였다. 다음 ToSL 모형 역량의 정의를 설정하고 하위 요소를 분석한 후, 이를 달성하기 위하여 기존의 창의적 문제 해결 전략에 PBL, 컴퓨팅 도구를 활용한 과학탐구, 변화의 패턴 탐색 등의 학습을 녹인 프로그램 모형을 구성하고 교육과정 분석을 통해 ‘단열’이라는 프로그램의 소재를 설정하였다. 이후 과학영재의 특성과 학생들이 함양해야하는 역량에 대한 초등과학영재의 현재 수준을 분석하였다. 이상의 단계를 바탕으로 학생들이 본 프로그램의 학습을 통해 어느 정도의 수행을 달성하여야 하는지의 수행 목표를 진술하였고, 수행 목표의 달성 여부를 평가하기 위한 역량 자기평가지와 수행 체크리스트 등의 평가 도구를 개발하였다. 이후 수행 목표의 달성을 위해 사용할 교수 전략을 수립하고, 이 모든 단계를 바탕으로 교사용 가이드, 학생용 활동지로 구성된 프로그램의 초안을 완성하였다. 프로그램 초안은 전문가 5인을 대상으로 서면으로 타당성 평가를 진행하였으며, 타당도가 낮은 문항에 대해서 프로그램을 수정 및 보완하였다. 수정된 프로그램의 현장 적용 가능성을 파악하기 위하여 과학영재 10명을 대상으로 수업을 시행하고 학생 학습지 분석, 사전-사후 역량 자기평가를 실시하였다. 그 결과 개발된 프로그램은 학생들이 수행하기에 적절한 난이도이며, 학생들의 역량 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 이후 학생들이 수행에 다소 어려움을 겪는 부분에 대한 수정․보완 과정을 거친 후 프로그램의 최종안을 확정하였다. 이상의 연구 과정으로 개발된 프로그램의 특성은 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서는 교수 프로그램을 통해 미래사회를 살아가는 데 있어 필요한 역량을 과학영재에게 향상시켜주고자 하였다. 이를 위해 미래사회를 살아가는 데 있어 과학영재에게 요구되는 역량을 규명하고, 이를 포함하는 미래세대과학교육표준(KSES)의 과학적 소양(ToSL) 모형의 역량 차원을 기반으로 프로그램을 구성하였다. 둘째, 본 연구에서는 장차 미래 과학자로서 연구를 수행하게 될 과학영재들이 과학자들의 과학적 사고와 연구 수행 방법을 학습할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 학생들은 과학자들의 연구 과정을 모방한 과학탐구를 수행하고 탐구 결과 얻어진 데이터를 바탕으로 변화의 패턴을 탐색한다. 스스로 수집한 실험 데이터에서 경향성을 파악하고 과학적 원리를 파악하는, 역사적으로 과학자들이 과학 법칙과 이론을 생성해온 방법을 경험할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 셋째, 초등과학영재들이 첨단 기술을 활용한 과학 탐구의 수행해보는 경험을 가질 수 있도록 하였다. 변화의 패턴을 탐색하기 위한 데이터 수집의 방법으로서 아두이노와 엔트리를 활용하여 탐구 실험을 진행함으로써 학생들은 미래 사회에서 강조되고 있는 빅데이터의 수집과 처리 역량을 향상시킬 수 있다. 넷째, 분절적인 학문의 분야가 아닌, 학생 주변의 실생활 문제를 해결할 수 있는 방법으로서 과학을 활용할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 문제중심학습(PBL)의 형태를 바탕으로 문제 상황 속에 사회 구성원의 다양한 관점을 녹여, 학생들은 과학 탐구를 통해 찾아낸 과학적 원리와 본인들이 수집한 정보, 가치관 등을 바탕으로 합리적인 대안을 찾아 문제를 해결해나갈 수 있게 된다.

영재 개별화 교육에 관한 과학영재 지도교사들의 인식

김수연 한국교원대학교 대학원 2016 국내석사

이 연구의 목적은 과학영재를 위한 개별화 교육과정 및 프로그램의 필요성에 관해 과학영재교육 담당 교사들은 어느 정도 인식하고 있는지를 과학영재 교육기관의 현실에 비추어 심층적으로 탐색하여 문제점들을 짚어보고, 이를 기반으로 하여 앞으로 보다 적극적인 과학영재 개별화 교육과정 및 프로그램의 적용 가능한 방향에 관해 시사점을 도출하는 것이다. 연구 참여자는 과학영재를 지도한 경험이 있고, 영재교육 혹은 과학교과교육 분야로 학위를 가지고 있는 현직 교사를 중심으로 15명을 섭외하여 심층 면담하였다. 면담 시간은 30분에서 1시간 30분 정도였으며, 면담 내용은 연구 참여자들의 동의하에 모두 녹음하였다. 분석 과정에서는 녹음한 면담 내용을 모두 전사한 후, 유의미한 단어를 추출하고, 자료를 수평화 하였다. 이 자료들을 상위 범주와 하위 범주로 구분하고, 범주들 간의 상호 관계 및 위계를 설정하였다. 이때, 각 코드별로 언급 빈도수를 측정하여 기록하고 그 의미를 해석하였다. 연구 문제에 매칭되는 분석틀은 동료 연구자들과 함께 정기적으로 지속된 논의를 통해 설정하고 이에 따라 면담 내용을 분석하였다. 분석한 결과의 신뢰도를 높이기 위해 이메일을 통해 연구 참여자 리뷰 과정을 진행하였으며, 그 내용을 반영하여 최종 결과를 정리하였다. 연구 결과, 연구 참여자 대부분은 과학영재교육에 있어 이상적인 영재교육은 학생의 성향에 따른 개인적 요구를 이해해야 하고, 학생이 스스로 주도하는 연구방향이어야 한다는 내용으로 개별화 교육의 필요성을 인식하고 있었다. 과학영재 개별화와 관련한 과학영재교육 기관 운영의 문제점으로 교사들은 재정적 지원의 감소를 가장 큰 문제로 들었으며, 교사의 소명의식 및 전문성이 매우 중요한 요소로 언급되었다. 시간, 장소의 제약과 함께 대학입시와 관련된 교육환경의 영향도 무시할 수 없다는 의견이 많았다. 영재교육기관 및 대상자의 과도한 확대와 표준화된 측정 도구 및 프로그램이 없다는 것, 교사의 일관된 관찰 시스템이 부족하다는 의견도 많았다. 또한, 영재교육기관들의 획일화된 교육과정이 문제점으로 지적되었고, 이미 진행되고 있는 개별화 프로그램도 단점이 많고 미미하게 진행되고 있음을 지적하였다. 이에 따라 앞으로 과학영재 개별화교육을 적용하기 위한 방향으로 교사들은 최적화된 교육환경과 일관된 정책적 지원을 요구하였으며, 교사의 지속적 관찰이 가능한 시스템이 필요하다는 의견을 피력하였다. 또, 학생 요구에 부합하는 교육과정과 프로그램이 가장 우선시 되어야하며, 협동학습 내에서의 동료학습이 개별화의 대안이 될 수 있다는 응답도 있었다. 이와 함께, 개별화에 따른 열등감을 극복하기 위한 처치가 뒤따라야 한다는 의견도 많았다. 이와 같은 연구 결과를 바탕으로 한 과학영재 지도 교사들이 요구하는 과학영재교육의 개별화 교육과정의 필요성, 실제, 방향에 관한 분석 자료는 과학영재 교육과정의 현재를 돌아보고 향후 지향해야 할 방향을 설정하는 데 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

과학 메타모델링 지식에 대한 과학영재 학생들의 인식과 실행 관계 분석

김정은 한국교원대학교 대학원 2020 국내박사

과학 메타모델링 지식은 모델과 모델링에 대해 인식하는 것을 포함하는, 과학적 모델의 발달 과정에서 가장 결정적인 메타인지적 지식을 의미한다. 이러한 메타모델링 지식은 과학이 어떻게 작동하고 만들어지는지에 대한 이해이므로 미래의 과학자가 될 과학영재 학생들에게 필수적으로 요구되는 사항이다. 학생 수준에 적합한 교육을 제공함으로써 학생들의 과학 메타모델링 지식을 성공적으로 기르기 위해서는 모델에 대한 학생들의 이해와 모델링에 대한 구체적인 진단 정보가 필요한데, 외국의 경우 과학 메타모델링 지식 단계를 제시한 선행연구들이 있다. 하지만 우리나라의 경우 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 과학 메타모델링에 대한 체계적 교육과정을 구성하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있도록 우리나라 과학영재 학생들을 대상으로 과학 메타모델링 지식의 발달 단계를 탐구하였다. 먼저 과학 메타모델링 지식 발달 단계 탐색을 위해 과학고등학교 학생 5명에게 수면 위 촛불에 유리종을 덮으면 수면이 상승하는 문제 상황을 제시한 후 Giere(2006)의 과학 모델에 기초하여 모델링을 진행하도록 안내하였다. 그 결과 모델로 자연 현상을 예측할 줄 아는 학생 집단과 단순히 자료와 모델을 연결하는 학생 집단이 나타났다. 모델을 통한 예측을 인식하게 되면 모델이 불변하거나 절대적으로 옳은 것이 아닌 검증의 대상이기에 언제든지 변할 수 있음을 쉽게 받아들이게 된다. 그러나 모델을 자연 현상을 그대로 나타낸 것, 또는 현상을 해석하기 위한 것이라고 인식하는 경우에는 모델의 다양함과 가변성을 받아들이기 힘들기 때문에 모델의 예측 특성을 인식하고 있는 집단과는 과학 메타모델링 지식 발달 단계에서 큰 수준 차이를 가지고 있을 것으로 예상된다. 이는 동일한 영재학교에 재학 중인 학생들 간에 과학 메타모델링 지식 발달 단계에서 수준 차이가 존재한다는 의미이므로 그들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계 현황을 파악하고 적합한 교육을 제공하기 위해 우리나라 과학영재 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 좀 더 정교하게 도출할 필요가 있다. 과학영재 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 도출하기 위한 설문을 영재학교 학생 97명을 대상으로 진행하고, 그 결과를 가족 유사성 접근 방식을 활용하여 유사성을 갖고 있는 특성끼리 유목화하였다. 그리고 외국의 과학 메타모델링 지식 발달 단계에 대한 선행연구를 참고하여 유목을 세분화하고, 유목 간 위계를 판단한 결과 총 4개의 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 도출할 수 있었으며, Rasch 분석을 통해 단계의 타당성을 검증하였다. 과학 메타모델링 지식 발달 단계는 크게 모델을 객관적인 것으로 보는 1, 2단계와 모델을 주관적인 것으로 인지하는 3, 4단계로 나뉘었다. 모델을 객관적이라고 보는 인식(1, 2단계)과 주관적이라고 보는 인식(3, 4단계) 간에는 패러다임의 변화라고 볼 수 있을 정도의 큰 차이가 존재한다. 모델을 객관적이라고 보는 인식에서 모델을 주관적이라고 보는 인식으로의 문턱을 넘어야 진정한 과학자로서의 사고를 시작할 수 있기에 이는 영재교육에서 꼭 필요한 부분이다. 그러나 설문 결과를 볼 때, 현재 우리나라 과학영재 학생들은 주관성보다는 객관성 단계에 더욱 많이 속해 있는 것으로 나타났다. 따라서 영재교육이 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계 변화에 미치는 영향을 확인함으로써 현재 영재교육의 실태를 점검하고, 최종적으로 학생들이 높은 수준의 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 실행에서 보여줄 수 있는 방안을 연구하고 제언할 필요가 있다. 과학 메타모델링 지식 발달 단계 특성을 분석하기 위해서는 우선 첫 번째 연구문제인 ‘과학 메타모델링 지식 발달 단계 탐색’에서 과학고등학교 1학년 학생 5명을 통해 얻은 자료를 본 연구에서 도출한 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 활용하여 다시 단계를 진단함으로써 과학영재 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계 특성을 다시 한 번 살펴보고, 외국의 선행연구를 바탕으로 판정한 단계와 비교해 보았다. 그 결과 5명 중 4명의 단계는 동일하게 진단되었고, 2개의 단계로 진단되었던 학생 1명의 결과는 1개의 단일한 단계로 진단되었다. 이는 본 연구에서 가족 유사성 접근 방식을 활용함으로써 개념을 단순한 특성으로 제한하지 않고 비교적 유연하고 열린 구조로 유목을 구성할 수 있었기 때문으로 보인다. 그 후 현재 과학영재학교에서 제공하는 교육 프로그램이 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계에 영향을 주었는지 알아보기 위해 영재학교 학생 51명을 대상으로 1년의 간격을 두고 과학 메타모델링 지식 발달 단계 측정을 위한 설문을 총 2회 진행하였다. 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계 설문 답변을 분석한 결과 1차 설문 결과와 2차 설문 결과의 객관성과 주관성에 해당하는 학생들의 분포 변화가 통계적으로 유의미하지 않았다. 1년 동안의 영재교육을 통해서도 학생들의 과학 메타모델링 지식 발달 단계가 객관성에서 주관성으로 넘어가지 못한 것은 현재 영재교육에 변화가 필요함을 시사한다. 영재학교가 출범된 초기에는 연구 영역에 비중을 두었으나 현재 영재학교에서 진행되는 교육과정은 교과와 그 내용에 초점을 두며 심화학습과 속진학습의 모습을 보이고 있다. 또한 운영되는 연구활동(R & E) 역시 과학자의 사고 및 수행을 직접 경험하도록 하는 본래의 목적에 부합하지 않게 운영되고 있거나, AP제도처럼 학생들에게 제공되는 교육이 실험적 기능을 획득하는 데 초점이 맞춰져 있다. 이러한 교육은 지식의 습득에 초점을 둔 것이지 진정한 과학자를 양성하기 위한 내용은 아니기에 이러한 교육만을 받은 학생들은 모델의 주관성을 인식하는 단계로 향상되기 어렵다. 따라서 영재교육은 심화와 속진을 벗어나 창의성 중심의 교육으로 시행될 필요가 있으며, 그 창의성 교육의 단서로 자신이 생성한 과학 모델로 예측하고 검증하며 모델을 개선하거나 새롭게 생성할 수 있는 모델링 교육을 제공할 필요가 있다. 최종적으로는 과학영재 학생들의 과학 메타모델링 지식에 대한 인식과 실행 간의 관계를 탐색해 봄으로써 과학영재교육의 궁극적인 목표라 할 수 있는 과학자로서의 수행을 도울 수 있는 방안에 대해 탐색해 보았다. 설문을 통해 알아낸 영재학교 학생 7명의 과학 메타모델링 지식에 대한 인식과 과학모델을 이용하여 구리의 원자 반경을 밝히는 학생들의 모델링을 비교, 분석함으로써 설문을 통해 진단된 과학 메타모델링 지식의 인식보다 높은 수준의 실행을 보일 수 없다는 사실을 알게 되었고, 이는 실제로 높은 수준의 실행을 위해서는 높은 단계의 과학 메타모델링 지식에 대한 인식이 먼저 전제가 되어야 함을 의미한다. 이와 유사한 연구를 수행한 임성은(2017)의 연구에서도 과학 메타모델링 지식에 대한 명시적 교육이 모델링 실행에 긍정적인 영향을 준다는 것을 알 수 있었으므로 과학 메타모델링 지식에 대한 직접적인 교육이 필요하다. 그러나 본 연구의 결과를 통해서도 알 수 있듯이 과학 메타모델링 지식에 대한 인식이 실행을 위한 전제조건이긴 하지만 충분조건은 아니다. 학생들이 실행을 통해서 높은 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 보이기 위해서는 지식을 생성할 수 있는 모델링에 대한 교육 역시 필요하다. 본 연구를 통해 도출한 과학 메타모델링 지식 발달 단계는 현재의 영재 교육이 길러주지 못하고 있는 과학영재 학생들의 모델링 능력을 길러주기 위한 교육을 제공하는 데 도움을 줄 것이다. 본 연구의 과학 메타모델링 지식 발달 단계를 활용하여 학생 수준에 맞는 교육 자료가 제작된다면 과학영재 학생들의 과학 모델링 능력 향상에 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 이러한 모델링 교육을 진행하기 위해서는 교사의 역량 역시 필요하므로 이를 위한 교사 교육의 후속 연구를 제언하는 바이다.

머신 러닝을 활용한 초등 과학영재 대상 암석 표본 관찰 및 분류 교수학습 프로그램의 개발과 적용

조영생 한국교원대학교 대학원 2022 국내석사

4차 산업 혁명의 핵심 기술인 인공지능 기술이 새로운 과학 지식의 발견에도 본격적으로 활용되고 있다. 본 연구에서는 초등 과학영재의 관찰 및 분류 기능과 인공지능 소양을 함양하기 위해 머신 러닝을 기반으로 한 암석 분류 관찰 및 분류 교수학습 프로그램을 개발하였다. 개발한 교수학습 프로그램은 초등 과학영재에게 투입하여 효과성을 검증하였다. 본 연구에서 개발한 교수학습 프로그램은 과학과 국가 영재교육 프로그램 기준과 2015 개정 과학과 교육과정,「초·중등 인공지능 교육 표준」과 AI4K12의 가이드라인을 바탕으로 하여 초등 과학영재의 수준에 맞는 활동이 이루어질 수 있도록 구성하였다. 초등 과학영재 학생들이 꼬마 과학자가 되어 암석 표본을 직접 관찰하고 분류하는 활동을 바탕으로 인공지능 암석 분류 모델을 직접 제작하여 과학탐구에 활용할 수 있도록 하였다. 학생들이 활용하는 인공지능 교육 플랫폼으로는 코딩 없이 머신 러닝을 통해 분류 모델의 제작이 가능하여 초등 교육 현장에서 쉽게 활용할 수 있는 티처블 머신을 활용하였다. 티처블 머신은 노트북과 웹캠이 있으면 활용 가능하며 최근 현장에 빠르게 보급되고 있는 크롬북을 통해서도 구동할 수 있어 다양한 환경에서 적용 가능하다. 학생들이 인공지능 분류 모델을 제작하고 개선해 보는 활동을 통해 학생들이 인공지능을 활용한 과학탐구 활동을 직접 체험할 수 있도록 하였다. 교수학습 프로그램의 적용을 통해 학생들이 과학탐구에 인공지능을 활용하는 방법을 더 깊이 이해할 수 있도록 구성하였다. 개발한 프로그램은 영재교육 현장의 전문가 20명의 내용타당도 검토를 시행하였다. 내용타당도 검토에 참여한 전문가의 영재교육 평균 경력은 7년이며 그 중 인공지능 교육 경험이 있는 12명의 교사의 평균 인공지능 교육 경력은 2.9년이다. 현장 교육 전문가들의 프로그램 내용타당도 검토 결과 프로그램의 현장 투입이 가능함을 확인하였다. 프로그램의 현장 투입 전 초·중등 과학영재 및 일반학생에게 3회에 걸친 파일럿 투입을 통해 현장에서의 적용 가능성을 점검하였다. 파일럿 투입은 초등 과학영재 3명, 중등 과학영재 3명, 초등 4∼6학년 일반학생 10명, 총 16명에게 투입하여 현장에서 활용할 수 있는지 확인하였다. 최종 프로그램은 총 6차시로 구성하였으며 교수-학습 과정안과 교사용 학습지, 학생용 학습지와 활동 프레젠테이션 자료로 구성하였다. 1∼2차시는 경험 학습 모형을 바탕으로 하여 학생들이 암석 표본을 관찰하고 분류하는 활동으로 구성하였다. 3∼4차시는 인공지능 수업 모델을 바탕으로 하여 학생들이 머신 러닝을 통해 인공지능 암석 분류 모델을 제작하여 활용하는 활동으로 구성하였다. 5∼6차시는 학생들이 관찰한 내용을 바탕으로 하여 그림을 그려 보고, 그린 그림을 인공지능 암석 분류 모델을 활용하여 분류하는 활동을 통해 인공지능 암석 분류 모델의 머신 러닝 결과와 학생들의 관찰, 분류 결과를 비교할 수 있는 활동으로 구성하였다. 개발한 프로그램은 초등 4학년 수·과 융합 영재 35명, 초등 5학년 수·과 융합 영재 21명, 초등 6학년 과학영재 12명, 총 68명의 초등 영재에게 3회에 걸쳐 투입하여 효과성을 검증하였다. 프로그램의 적용이 초등 과학영재의 관찰 분류 기능의 향상에 미치는 영향을 알아보기 위해 과학탐구역량 자기평가 5문항과 관찰, 분류 능력 객관식 평가 6문항을 프로그램의 적용 전후에 투입하여 활용하였다. 과학탐구역량 자기평가를 통해 학생들은 프로그램 투입 전과 비교하여 프로그램 투입 후에 자신의 과학탐구역량이 고르게 향상되었다고 평가하였다. 관찰, 분류 능력 객관식 평가 결과를 통해 프로그램의 투입이 초등 과학영재의 관찰, 분류 기능의 향상에 유의미한 영향을 미친 것으로 나타났다. 프로그램의 적용이 초등 과학영재의 인공지능 소양에 미치는 영향을 알아보기 위해 인공지능 이해도 자기평가 6문항과 의미분별법을 활용한 인공지능 인식 조사 23문항을 프로그램의 적용 전후에 투입하여 활용하였다. 인공지능 이해도 평가를 통해 학생들은 프로그램 적용 전과 비교하여 인공지능에 대한 이해도가 높아졌다고 평가하였으며 특히 인공지능의 분류, 인공지능의 인식, 머신 러닝 부분에서 자신의 이해도가 높아졌다고 평가하였다. 의미분별법을 활용한 인공지능 인식 조사 문항의 결과를 통해 프로그램의 적용이 학생들의 인공지능 인식 변화에 영향을 미치는 것을 확인하였으며 23개 문항 중 13개 문항의 결과가 통계적으로 유의하였다. 본 연구의 결과는 머신 러닝을 활용한 초등과학영재 대상 암석 표본 관찰 및 분류 프로그램의 적용이 초등과학영재 학생들의 관찰, 분류 기능과 인공지능 소양의 향상에 효과적일 수 있음을 시사한다.

초등과학영재학생들의 외로움에 대한 내러티브 탐구

김희경 청주교육대학교 2015 국내석사

본 연구는 초등과학영재학생이 경험하는 외로움을 심층적으로 이해하기 위해 수행되었다. Clandinin과 Connelly(2000)의 내러티브 탐구방법을 적용하여 현장에 존재하기, 현장에서 현장 텍스트로 이동하기, 현장 텍스트 구성하기, 현장 텍스트에서 연구 텍스트로, 연구 텍스트 작성하기의 절차에 따라 연구를 진행하였다. 본 연구의 연구 참여자는 C 대학교부설 과학영재교육원 초등과학 심화과정에서 교육받고 있는 6학년 2명이며 2013년 9월부터 2014년 1월까지 심층면담, 참여관찰, 관찰일지 등을 통해 자료를 수집하였다. 이러한 연구를 바탕으로 수집된 자료는 인간의 경험에 초점을 두고 있고 ‘이야기하기’(telling)와 ‘다시 이야기하기’(retelling)를 통해 참여자의 경험 세계를 이해하고 경험의 의미를 도출하였다. 본 연구의 참여자인 초등과학영재학생 2명이 외로움에 대해 어떤 경험을 하고 있는지 분석해 보면 다음과 같다. 최유진 학생은 5학년 때부터 영재교육을 받아왔고 과학에 관심이 많은 6학년 여학생으로 동물 기르기가 취미이다. 영재교육원에서 만난 친구들과 원만한 관계를 맺고 있지만 학교 친구들은 자신과 수준이 맞지 않다고 여긴다. 그는 ‘나를 그대로 바라봐주세요’, ‘친구들 사이에서 나는 외툴이’, ‘담임선생님이 나에게 관심이 없어요’, ‘나를 이해해주는 영재원 친구, 재미있는 영재수업’이라고 이야기 하였다. 김하늘 학생은 초등학교 6학년(13세) 여학생으로 유진이처럼 5학년때부터 영재교육을 받아왔다. 한달에 두 번 토요일에 언니랑 같이 영재교육원과 집을 오고갈 때 부모님으로부터 자유를 얻는 기분을 느낀다. 애니메이션을 좋아하고 코스프레 축제에 참여하고 싶지만 부모님의 반대와 취미가 맞는 친구가 없어 답답함을 느낀다. 그는 ‘하고 싶은 것 하게 해주세요’, ‘함께 웃을 수 있는 친구가 없어요’, ‘내 이야기를 들어주는 언니’, ‘나를 왕따 시키는 것 같아요’라고 이야기 하였다. 이 2명의 연구 참여자인 초등과학영재학생들의 외로움 경험의 의미는 다음의 4가지로 종합적인 재구성을 해볼 수 있다. ‘친구들과 어울리지 못함’, ‘부모의 통제적인 양육방식’, ‘위안을 얻는 자신만의 세계’, ‘영재교육원이 탈출구가 됨’이다. 이같은 연구결과를 통해 본 연구에서는 초등과학영재학생이 경험하는 외로움에 대해 다음과 같이 4가지 결론을 내릴 수 있다. 첫째, 초등과학영재학생이 지닌 영재의 특성이 친구, 형제, 부모와의 관계에서 외로움을 느끼게 할 수 있다. 둘째, 부모의 권위적인 양육방식은 초등과학영재학생에게 외로움을 느끼게 한다. 셋째, 외로움을 느끼는 초등과학영재학생은 자신만의 세계를 통해 위안을 얻고 다른 사람들에게 인정받고 싶어한다. 넷째, 영재교육원은 초등과학영재학생에게 인지적인 성장을 이끄는 교육의 장소를 의미함과 동시에 긍정적인 또래관계를 경험할 수 있고 정서적인 위안처가 되는 장소이다. 이상의 내용에 따라 초등영재학생의 외로움 정서에 대해 교육적으로 논의할 수 있는 시사점을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 초등과학영재학생이 자신의 감정과 의사표현을 자연스럽게 할 수 있도록 열린 분위기를 만들고 친구와의 갈등을 스스로 극복할 수 있는 힘을 기르기 위해 적절한 양육태도와 보살핌이 필요하다. 둘째, 일반학급에 속한 초등과학영재학생이 학교생활 속에서 잘 적응할 수 있는 환경을 만들어주어야 한다. 셋째, 초등과학영재학생의 부모를 위한 상담 및 학부모교육이 필요하다. 넷째, 초등과학영재학생의 긍정적인 정서 함양을 위해 인성교육 및 리더십 계발을 위한 프로그램 활용이 필요하다. 이를 바탕으로 후속 연구로서 다음과 같은 연구를 제안하고자 한다. 첫째, 본 연구의 참여자는 초등학교 6학년 초등과학영재학생으로 대상 연령과 성별이 제한되어 있다. 외로움의 정서는 남·여 구분없이 미취학아동부터 성인까지 느낄 수 있는 정서이기 때문에 각 발달단계에 따른 외로움의 경험을 다루는 연구가 필요하다. 둘째, 본 연구는 초등과학영재학생이 일상에서 경험하는 외로움의 환경과 관계를 중심으로 다루었다. 후속연구에서는 다양한 감정들과 외로움의 경험에 대해 심층적으로 살펴 볼 필요가 있다. * 본 논문은 2015년 청주교육대학교 교육대학원 대학원위원회에 제출된 교육학 석사학위 논문임.

아두이노를 활용한 스마트화분 프로젝트에서 나타난 중등과학영재들의 문제해결과정에 대한 연구

이형석 청주교육대학교 2020 국내석사

본 연구의 목적은 아두이노를 활용한 중등 과학·소프트웨어 융합 영재프로그램을 개발하여 스마트 화분 프로젝트 수업을 중등과학영재학생들에게 적용했을 때 나타나는 문제해결과정의 특징을 살펴보는 데 있다. 이를 위해 아두이노를 기반으로 하는 21차시 과학·소프트웨어 융합 영재프로그램을 개발하였으며, 아두이노로 만든 측정 장치에서 보내오는 데이터를 컴퓨터에서 처리하기 위해 실시간 데이터 처리 APP을 C#언어로 개발하였다. 과학·소프트웨어 융합 영재프로그램은 Renzulli의 3단계 심화학습 모형을 기반으로 하고 있다. 본 연구에서 개발한 프로그램을 중등과학영재학생들에게 적용했을 때 나타나는 특징을 살펴보기 위해 녹화, 관찰, 프로그램 활동지, 면담, 설문지 등의 복합적인 자료수집 방법을 이용하였으며, 과학영재교육 또는 정보영재교육을 전공하고 현장 영재교육 경력이 2년 이상인 교사 4인과의 5회 이상의 협의를 거치는 삼각 검증법을 실시하였다. 본 연구를 통해 아두이노를 활용한 스마트 화분 프로젝트 수업에서 나타난 문제해결과정의 특징은 다음과 같다. 아두이노를 활용해 문제를 해결해나가는 과정에서 실제 과학자들의 탐구 과정과 유사한 점들이 연구 설계 부분에서 두드러지게 나타났다. 학생들은 탐구 과정에서 과학자들처럼 필요한 변인을 파악하기 위해 인터넷 검색, 간단한 실험을 수행하는 모습을 보였으며, 다양한 해결방안을 고민하고 원하는 데이터를 얻기 위해 아두이노를 이용해 직접 측정 장치를 제작했으며 이상한 데이터가 측정되었을 경우 측정 장비를 점검하는 모습을 보였다. 아두이노를 활용한 영재수업의 문제점도 같이 확인할 수 있었는데, 연구 설계 단계의 비중이 커지면서 상대적으로 결과 설명 및 이론 발전 부분에서 학생들이 충분히 논의하지 못한 채로 결론을 도출하는 모습이 관찰되었다. 이 부분에 대해서는 많은 고민과 보완이 필요할 것으로 생각된다. 과학영재학생들은 소프트웨어와 과학탐구가 연계된 스마트화분 프로젝트를 통해 일상의 문제를 융합적 방법으로 해결한 경험에 대해 새롭고 유익하다는 긍정적인 인식을 나타냈으며, 미래의 진로를 선택하는데 영향을 미칠 수 있다는 생각을 가지고 있었다. 본 연구를 통해 과학탐구 과정에서 소프트웨어 지식을 융합하는 프로젝트 형태의 문제해결교육은 과학탐구의 본질적 경험을 제공하게 하면서 학생들의 미래역량을 키워나가는 하나의 대안이 될 수 있음을 알 수 있었다.

AI 음성인식을 활용한 과학영재교육프로그램 개발 및 적용: 빛의 합성과 삼원색

고창희 한국교원대학교 대학원 2022 국내석사

본 연구는 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능(Artificial Intelligence)을 과학영재교육에서 활용하기 위한 방안으로 피지컬 컴퓨팅(Physical Computing)을 기반으로 한 AI 연계 메이커 교육프로그램을 개발하였다. 이를 초·중등 과학영재학생을 대상으로 적용하고 프로그램의 특징과 효과를 검증하여 AI 연계 메이커 교육의 현장 적용가능성을 판단하였다. 문헌 연구와 교육과정 분석을 통해 빛의 합성과 삼원색 탐구활동을 수행할 수 있도록 AI 음성인식 빛의 합성 장치를 개발하였으며, 구성주의 학습이론과 uTEC 메이커 교육 모형을 적용하여 프로그램을 개발하였다. 초·중등 과학영재학생을 대상으로 수준과 내용을 달리하여 프로그램을 투입하였으며, AI 연계 메이커 교육의 특징과 효과를 분석하기 위하여 연구자의 관찰일지, 학생 활동지, 녹음·녹화 전사자료, 산출물, 인터뷰 자료를 수집하였다. 프로그램 단계별 특징, 메이커 역량 분석, 프로그램 인식조사의 다양한 관점에서 본 프로그램의 특징과 효과성을 분석하였다. 프로그램 단계별 특징 분석을 통하여 AI 연계 메이커 교육을 위해 새로이 도입한 라즈베리파이와 파이썬 프로그래밍 언어 사용에 대하여 과학영재학생들의 긍정적인 인식을 확인할 수 있었다. 과학영재학생들은 AI 음성인식 빛의 합성 장치를 사용하여 인공지능 음성인식 기술의 편리성을 과학 탐구활동 활용할 수 있음을 알게 되었다. 인공지능 기술에 대한 흥미와 이를 조작할 수 있다는 자신감은 과학개념학습에 긍정적인 영향을 주어 AI 음성인식 메이킹 산출물을 제작할 수 있었다. 이와 같은 AI 연계 메이킹 활동 과정에서 학생 간의 언어적 상호작용을 메이커 역량 모델을 분석틀로 하여 메이커 역량 발현 경향을 살펴본 결과 메이커 역량 발현에 영향을 끼치는 사전경험, 메이커 역량(능력), 주도성 요인을 추출하였다. 프로그램 인식조사 결과 과학개념학습의 성취, AI 연계 메이킹 활동의 난이도, 인공지능 기술 활용의 효과성에서 초·중등 과학영재학생들의 긍정적인 인식과 새로운 학습문화 프레임 Knowing, Making, Playing 요소가 발현되었음을 관찰할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서 개발한 AI 음성인식을 활용한 과학영재교육프로그램을 통해서 과학 교과에서 인공지능 기술을 활용할 방안으로 AI 연계 메이커 교육을 제안하였다. 본 프로그램을 적용한 결과 초·중등 과학영재학생들은 인공지능 기술 활용과 과학 개념학습에 대하여 긍정적인 인식과 유의미한 성취를 나타내었다. 미래핵심역량을 갖춘 과학자를 양성하기 위하여 과학영재교육에 인공지능 기술을 활용하여야 할 필요를 재차 확인할 수 있었다. 또한 메이커 역량 발현에 영향을 끼치는 요인을 추출하여 향후 메이커 교육 프로그램 개발에 반영하도록 제안하는 바이며, AI 연계 메이커 교육 프로그램은 새로운 학습문화를 고취하며, 미래 과학기술 개발의 핵심 인력이 될 과학영재학생들에게 과학 교과에서 인공지능 기술을 활용하는 방법으로 큰 가치가 있을 것으로 기대된다.

과학영재교사의 첨단과학기술에 대한 인식 연구

류다영 한국교원대학교 2020 국내석사

본 연구에서는 초중고 과학영재교사와 일반교사의 첨단과학기술에 대한 인식과 지식수준, 첨단과학기술 활용 수업 현황, 각 첨단과학기술에 대한 이미지를 비교하기 위하여 설문도구를 제작하여 투입한 후 결과를 분석하였다. 조사 도구는 선행 연구를 통해 첨단과학기술에 대한 인식과 지식수준, 수업 현황, 정서적 태도의 3개 영역으로 범주화 하고 각 영역에 관한 질문 내용을 추출하여 구성하였다. 또한 전문가의 내용 타당도 검토, 예비조사 및 면담을 통해 수정·보완하여 타당도와 신뢰도를 갖춘 조사 도구를 개발하였다. 2018년 8월부터 2019년 3월까지 자료를 수집하였으며 조사 대상인 과학영재교사 집단은 초중고 과학영재교사 68명이었고, 일반교사 집단은 정규수업에서 과학교과를 가르치는 초중고 교사 55명이었다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 첨단과학기술에 대한 인식조사 결과 과학영재교사의 첨단과학기술에 대한 관심 및 흥미, 인지도가 일반교사보다 높게 나타났다. 그러나 각 첨단과학기술에 대한 지식 조사 결과, 과학영재교사와 일반교사의 정답률에 유의미한 차이가 없었다. 이에 과학영재교사가 과학영재학생들을 대상으로 첨단과학기술을 교수할 때, 교수 내용의 깊이와 한계로 인한 어려움이 있음을 예상해 볼 수 있으며 영재교육과정을 내실 있게 운영하기 위한 방안이 필요함을 시사한다. 둘째, 정규수업에서 첨단과학기술 교수 시기와 빈도에 대해 조사한 결과 ‘수업 도입부, 수업 전개 중, 수업 정리 및 응용, 평가’에서 과학영재교사의 첨단과학기술 교수 빈도가 일반교사보다 높았다. 그러나 두 집단 모두 수업 동기 유발과 진로 교육을 위해 첨단과학기술 관련 내용을 제시하는 경향이 있었다. 특히 첨단과학기술이 진로교육에 많이 활용된 이유는 2015 개정 교육과정의 통합 주제인 ‘과학과 나의 미래’ 단원에서 첨단과학기술과 관련된 직업과 진로를 집중적으로 탐색하고 있기 때문이다. 셋째, 과학교과서에 제시된 6가지 첨단과학기술(기종점간 운행이 가능한 자율주행 자동차, 환경내성 유전자조작생명체 신종품 개발기술, 3D프린팅을 이용한 맞춤형 인공장기 제조기술, 암 바이오마커 나노칩 혈액 진단키트 기술, 극한 환경에서도 초기 형상이 유지되는 탄소섬유복합재료 제조 및 성능평가 기술, 노화유도물질의 조절을 통한 노화 억제 기술)에 대한 이미지 검사에서 ‘노화유도물질의 조절을 통한 노화 억제 기술’을 제외한 5가지 첨단과학기술에 대해 두 집단이 대체로 비슷한 이미지를 가진 것으로 드러났다. 두 집단은 ‘기종점간 운행이 가능한 자율주행 자동차’, ‘3D프린팅을 이용한 맞춤형 인공장기 제조기술’ ‘암 바이오마커 나노칩 혈액 진단키트 기술’ ‘극한 환경에서도 초기 형상이 유지되는 탄소섬유복합재료 제조 및 성능평가 기술’에 대해 긍정적으로 생각하였으며 ‘환경내성 유전자조작생명체 신종품 개발기술’은 부정적으로 생각하였다. 이는 교과학습내용에 생명공학 기술의 활용과 사회적 책임을 집중적으로 다룬 결과로 보인다. 한편, 과학영재교사는 ‘노화유도물질의 조절을 통한 노화 억제 기술’을 긍정적으로 여겨 순응적·소극적이며, 협동적이고, 아름답다고 생각하였으나 일반교사는 걱정스러우며, 위험하다고 생각하는 차이가 있었다. 위와 같은 결과에 따른 제언은 다음과 같다. 내실 있는 첨단과학기술교육을 위하여 첫째, 영재교사 기본연수과정에 첨단과학기술을 포함하는 교과내용학을 필수로 포함하도록 해야 한다. 둘째, 과학영재교사들이 ‘국가 영재교육프로그램 기준: 초중고 과학’에 제시된 첨단과학기술에 대한 원리를 익히고 관련 실험을 할 수 있는 심화연수를 확충해야 한다. 셋째, ‘국가 영재교육프로그램 기준: 초중고 과학’에 제시된 첨단과학기술에 대한 보조 교육 자료를 국가 수준에서 개발하고 주기적인 피드백을 제공해야한다. 넷째, 첨단과학기술에 대한 지식이 영재교사가 갖추어야 할 필수 소양이라는 인식의 전환이 있어야 한다. 다섯째, 생물·물리·화학·지구과학 등 여러 과학 영역의 개념들을 서로 연관시켜 가르치려는 통합적 접근 전략으로, 기초과학학습 및 첨단과학기술 습득을 위한 첨단과학기술 교육콘텐츠를 개발해야한다. 여섯째, 각 첨단과학기술의 이미지에 대한 연구 결과를 바탕으로 한쪽으로 편중된 이미지를 갖지 않도록 교육과정 내용을 균형적으로 편성해야 한다. 이상의 결과는 영재교사 직무연수 과정을 개선하고, 첨단과학기술을 소재로 한 다양한 영재교육자료 개발의 기초정보를 제공하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.

초등과학영재 교육을 담당하는 교사의 핵심역량에 대한 인식 조사

류은생 부산교육대학교 2017 국내석사

본 연구는 과학영재 교육을 담당하는 교사들의 핵심역량에 대한 인식을 살펴보고, 그에 따른 교육과정 설계의 과정에 현장의 목소리를 담아 과학영재 학생들의 핵심역량 함양 연구에 도움이 되고자 한다. 이를 위하여 과학영재 교육을 담당하는 지도교사 54명을 연구 대상으로 선정하여 핵심역량에 대한 인식과 과학영재 수업에 대한 내용을 설문하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다. 첫째, 과학영재교육 담당교사들은 핵심역량 교육과정의 필요성에 대부분 긍정적인 인식을 가지고 있었고, 교육과정 내 핵심역량에 대해 어느 정도 이해를 하고 있었다. 그러나 과학영재 지도에 핵심역량 교육과정의 적용에 대해서는 구체적인 교수·학습 방법과 평가의 예가 제공되기를 원했다. 둘째, 과학영재교육 담당교사들이 생각하는 과학교과와 관련 있는 핵심역량으로는 창의적 사고력, 탐구능력, 비판적 사고력, 학문간 통합능력, 적용능력을 우선순위로 꼽았다. 과학영재 학생에게 필요한 핵심역량은 창의적 사고력, 탐구능력, 비판적 사고력, 의사소통능력, 학문간 통합능력 순으로 교사들이 중요하다고 인식하는 것과 학생들에게 우선적으로 필요한 역량이 거의 같음을 알 수 있었다. 셋째, 핵심역량 증진을 위한 과학영재 교수·학습 방법으로는 협동학습이 가장 많았고 그 다음으로 개별 실험과 토론이 적절하다고 생각하였다. 과학영재 수업 시 실제로 협동학습과 개별실험을 많이 활용하고 있음을 알 수 있었다. 과학영재 학생들의 핵심역량 증진을 위한 평가 방법은 연구보고서법, 관찰법, 토론법, 수행평가 순으로 적절하다고 인식하였다. 과학영재 수업시 가장 많이 활용하는 평가 방법으로는 관찰법, 연구보고서법, 수행평가 순으로 적절히 활용하고 있으나, 전통적인 지필평가와 서술형 평가의 활용도 하고 있음을 알 수 있었다.

과학영재교육원 온라인 플랫폼 비교 분석

황사비나 한국교원대학교 2019 국내석사

영재교육진흥법 시행 이후 기하급수적으로 증가한 과학영재교육기관의 양적 확산과 더불어 질적 확산을 제고해야 하는 시점에 이르렀다. 이에 따라 과학영재교육원 운영에 있어서 정해진 시간과 제한적 공간에 대한 물리적 한계를 해결할 수 있는 방법을 모색하고자 과학영재교육원 온라인 플랫폼을 비교하고 분석하여 몇 가지 시사점을 제안하고자 하였다. 국내 과학영재교육원 온라인 플랫폼의 구조를 파악하기 위하여 영재교육종합데이터베이스에 2017년까지 등록된 2,479개의 영재교육기관 중 교육청 산하 과학영재교육원, 대학부설과학영재교육원 114개를 선정하여 홈페이지 분석을 실시하였다. 또한 국외 영재교육센터 중 존스홉킨스영재교육센터와 노스웨스턴대학교영재교육센터의 사례를 들어 국내 과학영재교육원 온라인 플랫폼과의 비교를 하였다. 과학영재교육기관은 운영 형태에 따라 크게 교육청 산하 과학영재교육원과 대학부설과학영재교육원으로 구분하고 대학부설과학영재교육원은 다시 일반대학부설과학영재교육원과 한국창의재단의 지원을 받는 과학영재교육원으로 구분하였다. 이들의 홈페이지 단독 운영 여부를 조사하고, 홈페이지 구성 요소 분석 및 그 중에서 가장 활용도가 높은 게시판의 활용 목적, 활용 빈도, 보조 온라인 커뮤니티 활용 여부 및 게시판 활용과의 상관관계 등을 분석하였다. 그 결과 단독 홈페이지를 운영하고 있는 기관은 전체의 42.9%였으며 이 중 대학부설과학영재교육원은 모두 단독 홈페이지를 운영하고 있지만 교육청 산하 과학영재교육원은 전체의 10.9%만 운영하고 있었다. 온라인 플랫폼 중 가장 많이 활용되고 있는 영역은 게시판 영역으로 공지사항의 활용도가 가장 높고 사진 게시판, 자료실 순으로 높게 나타났다. 홈페이지의 게시판 활용 유무와 보조 커뮤니티 운영 사이에 대한 독립표본 t검정 분석 결과 유의미한 수치를 나타내지 않았다. 운영 형태별로 일반대학부설과학영재교육원, 교육청 산하 과학영재교육원보다 한국창의재단의 지원을 받는 과학영재교육원이 자유게시판 및 과제물 제출 등의 학생참여용 게시판 활용 비중이 더 높게 나타났다. 국외 영재교육센터 온라인 플랫폼과의 비교 분석 결과 국내 과학영재교육원에서는 프로그램 운영에 있어서 온라인 프로그램과 오프라인 프로그램의 적절한 배분이 필요하다. 그리고 독자적 프로그램 개발의 필요성 및 영재교육과 관련한 교사, 학생, 학부모를 위한 다양한 정보 제공 필요성, 다양한 방법을 통한 재정적 지원에 대한 시사점을 찾을 수 있었다. 이 연구를 통하여 과학영재교육원 온라인 플랫폼 구성 및 활용의 일원화, 과학영재교육원에 대한 다양한 재정적 지원 방법 모색에 대한 시사점을 제안한다. 이 연구를 토대로 과학영재교육원의 기존 운영 방법에 대한 제고와 앞으로의 발전적인 운영 방법 연구에 대한 또 다른 필요성을 가지는 계기가 될 것으로 기대할 수 있다.